JP2009238490A - Electrode active material and electrode using same - Google Patents
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Abstract
【課題】作動電圧が高く、高容量でエネルギー密度が高い電気化学素子を与えることができる電極活物質を提供する。
【解決手段】本発明の電極活物質は、フルオレン環が実質的に2位と7位で重合しており且つフェニレン環が実質的に同じ位置でフルオレン環と結合している精密重合フルオレン−フェニレン交互共重合体から成る。この電極活物質は、塩化鉄(III)を触媒とした重合で得られる不規則な位置で重合しているバルク重合ポリフルオレンから成る電極活物質に比較して、大幅に増加した容量を有する上に、p−ドーピングの酸化還元電位が高くなる。そのため、精密重合フルオレン−フェニレン交互共重合体から成る電極活物質により、作動電圧が高く、高容量でエネルギー密度が高い電気化学素子が得られる。
【選択図】図2
An electrode active material capable of providing an electrochemical element having a high operating voltage, a high capacity, and a high energy density is provided.
The electrode active material of the present invention is a precision polymerized fluorene-phenylene in which a fluorene ring is polymerized substantially at the 2-position and the 7-position, and a phenylene ring is bonded to the fluorene ring at substantially the same position. Consists of alternating copolymers. This electrode active material has a significantly increased capacity compared to an electrode active material comprising bulk polymerized polyfluorene polymerized at irregular positions obtained by polymerization using iron (III) chloride as a catalyst. In addition, the redox potential of p-doping increases. Therefore, an electrochemical element having a high operating voltage, a high capacity, and a high energy density can be obtained by using an electrode active material made of a precision polymerized fluorene-phenylene alternating copolymer.
[Selection] Figure 2
Description
本発明は、作動電圧が高く、高容量でエネルギー密度が高い電気化学素子を与えることができる電極活物質及びこの電極活物質を用いた電極に関する。 The present invention relates to an electrode active material that can provide an electrochemical element having a high operating voltage, a high capacity, and a high energy density, and an electrode using the electrode active material.
石油消費量の低減、大気汚染の緩和、地球温暖化の原因となる二酸化炭素の排出量の削減等の観点から、ガソリン車やディーゼル車に代わる電気自動車やハイブリッド自動車などの低公害車に対する期待が高まっている。このような低公害車におけるモーター駆動電源として、高エネルギー密度及び高出力密度を有する二次電池や電気二重層キャパシタなどの電気化学素子が用いられる。 Expectations for low-emission vehicles such as electric vehicles and hybrid vehicles to replace gasoline and diesel vehicles from the viewpoints of reducing oil consumption, mitigating air pollution, and reducing emissions of carbon dioxide that causes global warming. It is growing. As a motor drive power source in such a low pollution vehicle, an electrochemical element such as a secondary battery or an electric double layer capacitor having a high energy density and a high output density is used.
二次電池には、水系電解液を用いた電池と、非水系電解液(有機電解液)を用いた電池とが存在する。 Secondary batteries include batteries using an aqueous electrolyte and batteries using a non-aqueous electrolyte (organic electrolyte).
酸性又はアルカリ性の水系電解液を用いた電池としては、鉛電池、ニッケル・カドミウム電池、ニッケル水素電池、プロトン電池などがある。これらの二次電池は、水の電気分解電圧が1.23Vであるため、それ以上の高い作動電圧を得ることができない。電気自動車の電源としては200V前後の高電圧が必要であるが、この電圧を得るためには多くの電池を直列に接続しなければならず、電源の小型化・軽量化のためには不利である。しかしながら、水系電解液のイオン伝導性が高いため、充放電の際に大電流が得られるという優れた出力特性を有している。 Examples of batteries using acidic or alkaline aqueous electrolyte include lead batteries, nickel / cadmium batteries, nickel metal hydride batteries, and proton batteries. Since these secondary batteries have an electrolysis voltage of water of 1.23 V, a higher operating voltage cannot be obtained. As a power source for an electric vehicle, a high voltage of around 200V is required. To obtain this voltage, many batteries must be connected in series, which is disadvantageous for reducing the size and weight of the power source. is there. However, since the aqueous electrolyte has high ionic conductivity, it has excellent output characteristics that a large current can be obtained during charging and discharging.
一方、非水系電解液を用いた電池としては、リチウムイオン二次電池が良く知られている。この電池は、一般に、リチウムイオンを吸蔵、放出する炭素材料を負極とし、コバルト酸リチウム(LiCoO2)などのリチウム層状化合物を正極とし、六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)などのリチウム塩をエチレンカーボネートやプロピレンカーボネートなどの有機溶媒に溶解させた液を電解液としている。このようなリチウムイオン二次電池は、有機溶媒の電気分解電圧が高いため、平均作動電圧として3.6Vを得ることができ、エネルギー密度も高い。しかしながら、充放電反応が電極のリチウムイオンの吸蔵、放出であるため、出力特性に劣り、大きな瞬間電流が必要とされる電気自動車用の電源としては不利である。 On the other hand, lithium ion secondary batteries are well known as batteries using nonaqueous electrolyte solutions. In general, this battery uses a carbon material that occludes and releases lithium ions as a negative electrode, a lithium layered compound such as lithium cobaltate (LiCoO 2 ) as a positive electrode, and a lithium salt such as lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ). A solution dissolved in an organic solvent such as ethylene carbonate or propylene carbonate is used as an electrolytic solution. Since such a lithium ion secondary battery has a high electrolysis voltage of the organic solvent, an average operating voltage of 3.6 V can be obtained and the energy density is also high. However, since the charge / discharge reaction is occlusion and release of lithium ions in the electrode, the output characteristics are inferior, and it is disadvantageous as a power source for an electric vehicle that requires a large instantaneous current.
電気二重層キャパシタは、活性炭などの分極性電極を正負極とし、電極表面と電解液との界面に生じる電気二重層を静電容量として利用している。電気二重層キャパシタは、出力密度が高く、急速充放電が可能であり、充放電を繰り返しても容量劣化が少ない。電気二重層キャパシタでは、充放電に伴って電解質イオンが電解液内を移動して電極界面に吸脱着するだけであり、電池のような電気化学反応を伴わないためである。 The electric double layer capacitor uses a polarizable electrode such as activated carbon as positive and negative electrodes, and uses an electric double layer generated at the interface between the electrode surface and the electrolytic solution as a capacitance. An electric double layer capacitor has a high output density, can be rapidly charged and discharged, and has little capacity deterioration even after repeated charging and discharging. This is because in an electric double layer capacitor, electrolyte ions move only in the electrolytic solution along with charging / discharging and are adsorbed / desorbed to / from the electrode interface, and do not involve an electrochemical reaction as in a battery.
電気二重層キャパシタにも、水系電解液を用いたキャパシタと、非水系電解液(有機電解液)を用いたキャパシタとが存在する。 Also in the electric double layer capacitor, there are a capacitor using an aqueous electrolyte and a capacitor using a non-aqueous electrolyte (organic electrolyte).
電気二重層キャパシタの作動電圧は主に電解液の電気分解電圧によって決定されるため、水系電解液を用いたキャパシタは非水系電解液(有機電解液)を用いたキャパシタに比較して作動電圧の点で不利である。しかしながら、出力密度が高く安全であるという利点を有している。 Since the operating voltage of an electric double layer capacitor is mainly determined by the electrolysis voltage of the electrolyte, the capacitor using an aqueous electrolyte has a higher operating voltage than the capacitor using a non-aqueous electrolyte (organic electrolyte). It is disadvantageous in terms. However, it has the advantage of high power density and safety.
一方、プロピレンカーボネートなどの有機溶媒に四フッ化ホウ素や六フッ化リンなどの四級オニウム塩を溶解させた非水系電解液を用いる電気二重層キャパシタは、作動電圧が、水系電解液を用いたキャパシタより高いが、二次電池に比較すると低い。また、電気二重層容量によるエネルギー密度が二次電池に比較して低く、電気自動車の電源としては大幅に不足する。 On the other hand, an electric double layer capacitor using a non-aqueous electrolyte solution in which a quaternary onium salt such as boron tetrafluoride or phosphorus hexafluoride is dissolved in an organic solvent such as propylene carbonate has an operating voltage of an aqueous electrolyte solution. It is higher than the capacitor, but lower than the secondary battery. In addition, the energy density due to the electric double layer capacity is lower than that of the secondary battery, and the power source of the electric vehicle is greatly insufficient.
このような問題点の改善を目的として、電気化学素子に使用される電極活物質の検討が進められている。 In order to improve such problems, studies on electrode active materials used in electrochemical devices are underway.
特許文献1(特開2003−297362号公報)は、p−ドーピング可能な導電性高分子を主体とする正極と、リチウムイオンを吸蔵、脱離しうる炭素材料を主体とする負極と、リチウム塩を含む有機電解液とを有するハイブリッド二次電源を提案している。重量平均分子量が50000のポリチオフェン、重量平均分子量が80000のポリ(3−メチルチオフェン)等を正極として使用した二次電源により、作動電圧が4.0Vであり、正極として活性炭を使用した二次電源と同等以上の容量を有し、かつ充放電サイクル信頼性の高い二次電源が得られている。 Patent Document 1 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-297362) discloses a positive electrode mainly composed of a p-doped conductive polymer, a negative electrode mainly composed of a carbon material capable of inserting and extracting lithium ions, and a lithium salt. A hybrid secondary power source having an organic electrolyte solution is proposed. A secondary power source using a polythiophene having a weight average molecular weight of 50000, a poly (3-methylthiophene) having a weight average molecular weight of 80000, etc. as a positive electrode, an operating voltage of 4.0 V, and a secondary power source using activated carbon as a positive electrode A secondary power source having a capacity equal to or higher than that of the battery and having high charge / discharge cycle reliability is obtained.
特許文献2(特開平6−104141号公報)は、導電性高分子粉末ペーストを用いて作成した電極を備えた電気二重層キャパシタの高容量化及び内部抵抗の低減を達成する目的で、電解重合法により得られた導電性高分子膜を分極性電極として使用した電気二重層キャパシタを提案している。電解重合法により得られたポリピロール膜の利用により、作動電圧が2.6Vで、粉末ペーストを用いた電極を備えた電気二重層キャパシタより高容量を有する電気二重層キャパシタが得られている。 Patent Document 2 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-104141) discloses an electrolytic double layer for the purpose of increasing the capacity and reducing the internal resistance of an electric double layer capacitor provided with an electrode prepared using a conductive polymer powder paste. An electric double layer capacitor using a conductive polymer film obtained by a legal method as a polarizable electrode is proposed. By using the polypyrrole film obtained by the electrolytic polymerization method, an electric double layer capacitor having an operating voltage of 2.6 V and a higher capacity than an electric double layer capacitor having an electrode using a powder paste has been obtained.
電気二重層キャパシタにおける低いエネルギー密度の改善のため、電気二重層の静電容量に加えて電極表面でのレドックス反応あるいは電荷移動反応による付加的な容量を利用する電気化学キャパシタの検討も行われている。このような電気化学キャパシタの電極活物質としては、酸化還元反応が容易に起こる酸化ルテニウム、酸化マンガン、酸化ニッケル等の金属酸化物や、電解液のアニオン、カチオンとのπ電子の授受による電荷移動が比較的容易に起こるポリアニリン、ポリチオフェン、ポリピロール等の導電性高分子が検討されている。 In order to improve the low energy density of the electric double layer capacitor, an electrochemical capacitor using an additional capacitance due to a redox reaction or a charge transfer reaction on the electrode surface in addition to the electric double layer capacitance has been studied. Yes. As an electrode active material for such an electrochemical capacitor, charge transfer by exchange of π-electrons with metal oxides such as ruthenium oxide, manganese oxide, nickel oxide, etc. where an oxidation-reduction reaction easily occurs, and anions and cations of electrolytes Conductive polymers such as polyaniline, polythiophene, polypyrrole and the like in which the above occurs relatively easily have been studied.
また、特許文献3(特開2000−315527号公報)は、薄膜状のトリフェニルアミンを繰り返し単位として含む導電性高分子を正極とし、薄膜状の2,2’−ビピリジンを繰り返し単位として含む導電性高分子を負極とする非水電気化学キャパシタを提案しており、2.7Vまでの作動電圧を示し、エネルギー密度が電気二重層キャパシタの3倍以上である非水電気化学キャパシタが得られている。 Patent Document 3 (Japanese Unexamined Patent Publication No. 2000-315527) discloses a conductive polymer containing a thin film of triphenylamine as a repeating unit as a positive electrode and a thin film of 2,2′-bipyridine as a repeating unit. A non-aqueous electrochemical capacitor having a negative electrode made of a conductive polymer has been proposed, and a non-aqueous electrochemical capacitor exhibiting an operating voltage of up to 2.7 V and having an energy density more than three times that of an electric double layer capacitor has been obtained. Yes.
さらに、特許文献4(特開2006−48974号公報)は、ポリフルオレン又はその誘導体から成る電極材料を開示しており、ポリフルオレンの誘導体のn−ドープの酸化還元電位が従来の導電性高分子に比べて低く、ポリフルオレンまたはその誘導体のp−ドープの酸化還元電位が従来の導電性高分子に比べて高く、この電極材料が高電圧特性を有していることを示している。そして、塩化鉄(III)を触媒とした重合により得られたポリ(9,9−ジメチルフルオレン)を電極活物質として使用すると、ポリ(3−メチルチオフェン)を用いた二次電池及び電気化学キャパシタよりも高い作動電圧を有する二次電池及び電気化学キャパシタが得られることを示している。 Further, Patent Document 4 (Japanese Patent Laid-Open No. 2006-48974) discloses an electrode material made of polyfluorene or a derivative thereof, and the n-doped redox potential of the polyfluorene derivative is a conventional conductive polymer. The p-doped redox potential of polyfluorene or its derivatives is higher than that of conventional conductive polymers, indicating that this electrode material has high voltage characteristics. When poly (9,9-dimethylfluorene) obtained by polymerization using iron (III) chloride as a catalyst is used as an electrode active material, a secondary battery and an electrochemical capacitor using poly (3-methylthiophene) It shows that a secondary battery and an electrochemical capacitor having a higher operating voltage can be obtained.
しかしながら、電気自動車等のモーター駆動電源の小型化・軽量化の要求は恒常的であり、そのため、電源として使用される電気化学素子に対する高作動電圧化、高容量化、高エネルギー密度化の強い要求がある。 However, there is a constant demand for miniaturization and weight reduction of motor drive power supplies for electric vehicles, etc. Therefore, there is a strong demand for higher operating voltage, higher capacity, and higher energy density for electrochemical elements used as power supplies. There is.
そこで、本発明の課題は、作動電圧が高く、高容量でエネルギー密度が高い電気化学素子を与えることが可能な、従来の導電性高分子より高容量で高電圧特性を有する電極活物質及びこれを用いた電極を提供することである。 Thus, an object of the present invention is to provide an electrode active material having a higher capacity and higher voltage characteristics than a conventional conductive polymer, which can provide an electrochemical element having a high operating voltage, a high capacity and a high energy density. It is providing the electrode using this.
発明者らは、特許文献4に開示されたポリフルオレンから成る電極活物質を基礎として検討を進め、フルオレン−フェニレン交互共重合体の製造においてフルオレン環とフェニレン環の反応点を精密に制御することにより、上記課題が解決されることを見出した。 The inventors proceeded with studies based on the electrode active material composed of polyfluorene disclosed in Patent Document 4 and precisely controlled the reaction point between the fluorene ring and the phenylene ring in the production of the fluorene-phenylene alternating copolymer. Thus, it has been found that the above problems can be solved.
本発明の電極活物質は、少なくとも1種のフルオレン−フェニレン交互共重合体から成る電極活物質であって、上記交互共重合体のフルオレン環が実質的に2位と7位でフェニレン環に結合しており、フェニレン環のフルオレン環に対する結合位置が実質的に同じであることを特徴とする。以下、フルオレン環が実質的に2位と7位でフェニレン環に結合しており、フェニレン環のフルオレン環に対する結合位置が実質的に同じであるフルオレン−フェニレン交互共重合体を、「精密重合フルオレン−フェニレン交互共重合体」と表わす。なお、「フルオレン環が実質的に2位と7位でフェニレン環に結合」の語は、交互共重合体に含まれるフルオレン環の個数の90%以上、好ましくは95%以上、より好ましくは98%以上、特に好ましくは100%のフルオレン環が隣接するフェニレン環と2位と7位で結合していることを意味する。また、「フェニレン環のフルオレン環に対する結合位置が実質的に同じ」の語は、交互共重合体に含まれるフェニレン環の個数の90%以上、好ましくは95%以上、より好ましくは98%以上、特に好ましくは100%のフェニレン環が同じ位置、すなわち、オルト位、メタ位、あるいはパラ位で隣接するフルオレン環と結合していることを意味する。 The electrode active material of the present invention is an electrode active material comprising at least one fluorene-phenylene alternating copolymer, and the fluorene ring of the alternating copolymer is bonded to the phenylene ring substantially at the 2nd and 7th positions. The bonding position of the phenylene ring to the fluorene ring is substantially the same. Hereinafter, a fluorene-phenylene alternating copolymer in which the fluorene ring is bonded to the phenylene ring substantially at the 2-position and the 7-position and the bonding position of the phenylene ring to the fluorene ring is substantially the same is referred to as “precise polymerization fluorene. -"Phenylene alternating copolymer". The term “a fluorene ring is substantially bonded to the phenylene ring at the 2-position and the 7-position” means 90% or more, preferably 95% or more, more preferably 98% of the number of fluorene rings contained in the alternating copolymer. % Or more, particularly preferably 100% means that the fluorene ring is bonded to the adjacent phenylene ring at the 2nd and 7th positions. In addition, the phrase “the bonding position of the phenylene ring to the fluorene ring is substantially the same” means 90% or more of the number of phenylene rings contained in the alternating copolymer, preferably 95% or more, more preferably 98% or more, Particularly preferably, it means that 100% of the phenylene ring is bonded to the adjacent fluorene ring at the same position, that is, in the ortho position, meta position or para position.
図1(a)は、本発明の電極活物質としての精密重合フルオレン−パラフェニレン交互共重合体におけるフルオレン−フェニレン連鎖を示しており、図1(b)は、特許文献4に開示された塩化鉄(III)を触媒とした重合により得られたポリフルオレンにおけるフルオレン連鎖を示している。 FIG. 1 (a) shows a fluorene-phenylene chain in a precision polymerized fluorene-paraphenylene alternating copolymer as an electrode active material of the present invention. FIG. 1 (b) shows the chloride disclosed in Patent Document 4. The fluorene chain in the polyfluorene obtained by the polymerization using iron (III) as a catalyst is shown.
塩化鉄(III)を触媒とした重合では反応点の制御が困難であるため、図1(b)に示すように成長方向が不規則になる。以下、このようなフルオレン環が不規則な位置で重合しているポリフルオレンを「バルク重合ポリフルオレン」と表わすが、バルク重合ポリフルオレンには多くのブランチング部位やメタ−共役部位が存在するため、電荷利用率が低くなってしまう。 In the polymerization using iron (III) chloride as a catalyst, it is difficult to control the reaction point, so that the growth direction becomes irregular as shown in FIG. Hereinafter, polyfluorene in which such a fluorene ring is polymerized at irregular positions is referred to as “bulk polymerized polyfluorene”, but since bulk polymerized polyfluorene has many branching sites and meta-conjugated sites. The charge utilization rate becomes low.
これに対し、図1(a)に示す精密重合フルオレン−パラフェニレン交互共重合体にはブランチング部位やメタ−共役部位がほとんど存在しないため、高い電荷利用率が期待される。また、フェニレン環の導入により、バンド構造が変化し、酸化還元電位が変化することが期待される。そして検討の結果、従来のバルク重合ポリフルオレンを精密重合フルオレン−パラフェニレン交互共重合体に変更することにより、容量が大幅に増加する上に、p−ドーピングの酸化還元電位が高くなることがわかった。なお、精密重合フルオレン−メタフェニレン交互共重合体及び精密重合フルオレン−オルトフェニレン交互共重合体においても、精密重合フルオレン−パラフェニレン交互共重合体と同様のことがわかっている。 On the other hand, the precision polymerized fluorene-paraphenylene alternating copolymer shown in FIG. 1 (a) is expected to have a high charge utilization rate because there are almost no branching sites or meta-conjugated sites. In addition, the introduction of the phenylene ring is expected to change the band structure and change the redox potential. As a result of the study, it was found that, by changing the conventional bulk polymerized polyfluorene to a precision polymerized fluorene-paraphenylene alternating copolymer, the capacity is greatly increased and the redox potential of p-doping is increased. It was. It is known that the precision polymerized fluorene-metaphenylene alternating copolymer and the precision polymerized fluorene-orthophenylene alternating copolymer are the same as the precision polymerized fluorene-paraphenylene alternating copolymer.
本発明における精密重合フルオレン−フェニレン交互共重合体の範囲には、フルオレン環が実質的に2位と7位でフェニレン環に結合しており且つフェニレン環のフルオレン環に対する結合位置が実質的に同じでありさえすれば、無置換のフルオレン環と無置換のフェニレン環によって構成されるポリマーの他、フェニレン環との結合に関与しない位置に置換基を有するフルオレン環及び/又はフルオレン環との結合に関与しない位置に置換基を有するフェニレン環を少なくとも1個含むポリマーも含まれる。 In the range of the precision polymerized fluorene-phenylene alternating copolymer in the present invention, the fluorene ring is bonded to the phenylene ring substantially at the 2-position and the 7-position, and the bonding position of the phenylene ring to the fluorene ring is substantially the same. As well as a polymer composed of an unsubstituted fluorene ring and an unsubstituted phenylene ring, and a bond with a fluorene ring and / or a fluorene ring having a substituent at a position not involved in the bond with the phenylene ring. Polymers containing at least one phenylene ring having a substituent at a non-participating position are also included.
精密重合フルオレン−フェニレン交互共重合体におけるフルオレン環は、9位に1個又は2個の置換基を有しているのが好ましい。9位の置換基はポリマーの電子伝導性を低下させず、置換基によってアニオン、カチオンのドーピング反応、脱ドーピング反応の速度が速くなって出力特性が向上する。9位の置換基は、アルキル基、カルボキシル基、ニトロ基、シアノ基、アルキルシアノ基、フェニル基、ハロゲン原子、ハロゲン化メチル基、ハロゲン化フェニル基、アルキルフェニル基、アルキルハロゲン化フェニル基からなる群から選択されるのが好ましい。 The fluorene ring in the precision polymerized fluorene-phenylene alternating copolymer preferably has one or two substituents at the 9-position. The substituent at the 9-position does not decrease the electronic conductivity of the polymer, and the substituent increases the speed of the anion and cation doping and dedoping reactions and improves the output characteristics. The substituent at the 9-position consists of an alkyl group, a carboxyl group, a nitro group, a cyano group, an alkyl cyano group, a phenyl group, a halogen atom, a halogenated methyl group, a halogenated phenyl group, an alkylphenyl group, and an alkylhalogenated phenyl group. Preferably selected from the group.
精密重合フルオレン−フェニレン交互共重合体におけるフェニレン環も、フルオレン環との結合に関与しない位置に置換基を有しているのが好ましい。この場合にも置換基によってアニオン、カチオンのドーピング反応、脱ドーピング反応の速度が速くなって出力特性が向上する。フェニレン環の置換基は、アルキル基、ニトロ基、アミノ基、シアノ基、カルボキシル基、ホルミル基、ハロゲン原子からなる群から選択されるのが好ましい。 The phenylene ring in the precision polymerized fluorene-phenylene alternating copolymer also preferably has a substituent at a position that does not participate in the bond with the fluorene ring. Also in this case, the substituents increase the speed of the anion and cation doping and dedoping reactions, thereby improving the output characteristics. The substituent on the phenylene ring is preferably selected from the group consisting of alkyl groups, nitro groups, amino groups, cyano groups, carboxyl groups, formyl groups, and halogen atoms.
本発明はまた、上述の精密重合フルオレン−フェニレン交互共重合体からなる電極活物質を含有する活物質層を有する電極を提供する。精密重合フルオレン−フェニレン交互共重合体は、バルク重合ポリフルオレンに比較して、容量が大幅に増加する上に、p−ドーピングの酸化還元電位が高くなる。そのため、本発明の電極は、作動電圧が高く、高容量で高エネルギー密度を有する電気化学素子を構築するために好適に使用することができ、二次電池における1対の電極の一方として、又は、電気二重層キャパシタにおける1対の電極の一方として、又は、電気化学キャパシタにおける1対の電極のうちの少なくとも一方として、好適に使用することができる。 The present invention also provides an electrode having an active material layer containing an electrode active material composed of the above-described precision polymerized fluorene-phenylene alternating copolymer. The precision polymerized fluorene-phenylene alternating copolymer has a large capacity and a high redox potential for p-doping as compared with bulk polymerized polyfluorene. Therefore, the electrode of the present invention can be suitably used to construct an electrochemical device having a high operating voltage, a high capacity and a high energy density, or as one of a pair of electrodes in a secondary battery, or It can be suitably used as one of a pair of electrodes in an electric double layer capacitor or as at least one of a pair of electrodes in an electrochemical capacitor.
本発明の電極では、上記活物質層が少なくとも1種のカーボンナノチューブを含有するのが好ましい。カーボンナノチューブは、電気伝導度が高いため、活物質と複合化させると、高い電気伝導度の複合体を得ることができる。また、外表面積が大きいため、活物質との接触面が広くなり、高効率で導電性を付与することが可能となる。さらに、カーボンナノチューブ自体も電解質溶液との接触において容量を有する。したがって、精密重合フルオレン−フェニレン交互共重合体とカーボンナノチューブとの併用により、高容量を有する上に、p−ドーピングの酸化還元電位が高く、低インピーダンス特性を有する電極を得ることができる。 In the electrode of the present invention, the active material layer preferably contains at least one kind of carbon nanotube. Since carbon nanotubes have a high electrical conductivity, a composite with a high electrical conductivity can be obtained by compounding with an active material. In addition, since the outer surface area is large, the contact surface with the active material is widened, and conductivity can be imparted with high efficiency. Furthermore, the carbon nanotubes themselves have a capacity in contact with the electrolyte solution. Therefore, by using the precision polymerized fluorene-phenylene alternating copolymer and the carbon nanotube in combination, it is possible to obtain an electrode having a high capacity, a high p-doping redox potential, and a low impedance characteristic.
精密重合フルオレン−フェニレン交互共重合体はカーボンナノチューブに担持されているのが好ましい。カーボンナノチューブと精密重合フルオレン−フェニレン交互共重合体との間の接触抵抗が小さくなるため、さらに低インピーダンス特性に優れた電極を得ることができる。 The precision polymerized fluorene-phenylene alternating copolymer is preferably supported on carbon nanotubes. Since the contact resistance between the carbon nanotube and the precision polymerized fluorene-phenylene alternating copolymer is reduced, an electrode having further excellent low impedance characteristics can be obtained.
本発明における、フルオレン環が実質的に2位と7位でフェニレン環と結合しており且つフェニレン環が実質的に同じ位置でフルオレン環と結合している精密重合フルオレン−フェニレン交互共重合体から成る電極活物質は、従来のバルク重合ポリフルオレンから成る電極活物質に比較して、大幅に増加した容量を有する上に、p−ドーピングの酸化還元電位が高くなる。 In the present invention, the precision-polymerized fluorene-phenylene alternating copolymer in which the fluorene ring is bonded to the phenylene ring at substantially the 2-position and 7-position and the phenylene ring is bonded to the fluorene ring at substantially the same position. Compared with the electrode active material which consists of a conventional bulk polymerization polyfluorene, the electrode active material which consists of has the capacity | capacitance increased greatly, and also has the high oxidation-reduction potential of p-doping.
従って、本発明の電極活物質を含有する活物質層を有する電極は、作動電圧が高く、高容量で高エネルギー密度を有する二次電池、電気二重層キャパシタ、電気化学キャパシタ等の電気化学素子を構築するために極めて有用である。 Accordingly, an electrode having an active material layer containing the electrode active material of the present invention has an electrochemical element such as a secondary battery, an electric double layer capacitor, and an electrochemical capacitor having a high operating voltage, a high capacity and a high energy density. Very useful for building.
本発明の電極活物質は、フルオレン環が実質的に2位と7位でフェニレン環と結合しており且つフェニレン環が実質的に同じ位置でフルオレン環と結合している精密重合フルオレン−フェニレン交互共重合体から成る。精密重合フルオレン−フェニレン交互共重合体から成る電極活物質は、従来のバルク重合ポリフルオレンから成る電極活物質に比較して、大幅に増加した容量を有する上に、p−ドーピングの酸化還元電位が高くなる。電極活物質としての精密重合フルオレン−フェニレン交互共重合体は、単一のものであっても良く、異なる精密重合フルオレン−フェニレン交互共重合体の混合物であっても良い。 The electrode active material of the present invention is a precision polymerized fluorene-phenylene alternate in which a fluorene ring is bonded to a phenylene ring at substantially the 2-position and 7-position, and a phenylene ring is bonded to the fluorene ring at substantially the same position. It consists of a copolymer. The electrode active material made of precision polymerized fluorene-phenylene alternating copolymer has a significantly increased capacity compared with the electrode active material made of conventional bulk polymerized polyfluorene, and has a redox potential of p-doping. Get higher. The precision polymerized fluorene-phenylene alternating copolymer as the electrode active material may be a single material or a mixture of different precision polymerized fluorene-phenylene alternating copolymers.
本発明における精密重合フルオレン−フェニレン交互共重合体は、フルオレン環が実質的に2位と7位でフェニレン環に結合しており且つフェニレン環のフルオレン環に対する結合位置が実質的に同じでありさえすれば、無置換のフルオレン環と無置換のフェニレン環によって構成されていても良く、精密重合フルオレン−フェニレン交互共重合体を構成する少なくとも1個のフルオレン環がフェニレン環との結合に関与しない位置に少なくとも1個の置換基を有していても良く、及び/又は、精密重合フルオレン−フェニレン交互共重合体を構成する少なくとも1個のフェニレン環がフルオレン環との結合に関与しない位置に少なくとも1個の置換基を有していても良い。1個のフルオレン環あるいは1個のフェニレン環に2個以上の置換基が存在する場合には、これらの置換基は同一であっても異なっていても良い。また、精密重合フルオレン−フェニレン交互共重合体における異なるフルオレン環の置換基が同一であっても異なっていても良く、異なるフェニレン環の置換基も同一であっても異なっていても良い。 In the precision polymerized fluorene-phenylene alternating copolymer in the present invention, the fluorene ring is bonded to the phenylene ring substantially at the 2-position and the 7-position, and the bonding position of the phenylene ring to the fluorene ring is substantially the same. In this case, it may be constituted by an unsubstituted fluorene ring and an unsubstituted phenylene ring, and at least one fluorene ring constituting the precision polymerized fluorene-phenylene alternating copolymer does not participate in the bond with the phenylene ring. May have at least one substituent and / or at least one phenylene ring constituting the precision polymerized fluorene-phenylene alternating copolymer at least at a position not participating in the bond with the fluorene ring. May have one substituent. When two or more substituents are present in one fluorene ring or one phenylene ring, these substituents may be the same or different. Further, the substituents of different fluorene rings in the precision polymerized fluorene-phenylene alternating copolymer may be the same or different, and the substituents of different phenylene rings may be the same or different.
フルオレン環は、9位に1個又は2個の置換基を有しているのが好ましい。9位の置換基はポリマーの電子伝導性を低下させず、置換基によってアニオン、カチオンのドーピング反応、脱ドーピング反応の速度が速くなって出力特性が向上する。9位に置換基のないフルオレンは9位の水素の反応性が高く、還元電位をかけた時にプロトンが脱離し、このプロトンの還元電位がフルオレンより高いのでフルオレンの還元反応がおこりにくく、フルオレンを負極として用いることは難しい。 The fluorene ring preferably has 1 or 2 substituents at the 9-position. The substituent at the 9-position does not decrease the electronic conductivity of the polymer, and the substituent increases the speed of the anion and cation doping and dedoping reactions and improves the output characteristics. Fluorene without a substituent at the 9-position is highly reactive with the hydrogen at the 9-position. When a reduction potential is applied, the proton is eliminated, and the reduction potential of this proton is higher than that of the fluorene. It is difficult to use as a negative electrode.
フルオレン環の9位の置換基としては、ヒドロキシル基;ニトロ基;アミノ基;アルキルアミノ基、例えばメチルアミノ、エチルアミノ、ジメチルアミノ;シアノ基;アルキルシアノ基、例えば、メチルシアノ、エチルシアノ、プロピルシアノ;ハロゲン原子、例えば、ヨウ素、臭素、塩素、フッ素;鎖状又は分枝状のアルキル基、例えば、メチル、エチル、プロピル、ブチル、ペンチル、ヘキシル、ヘプチル、オクチル、ノニル、デシル、ウンデシル、ドデシルが挙げられる。アルキル基が、ヒドロキシル基、ニトロ基、アミノ基、シアノ基、ハロゲン原子、アルコキシ基、アリール基により置換されていても良く、例としては、クロロメチル、ジクロロメチル、トリクロロメチル、フルオロメチル、ジフルオロメチル、トリフルオロメチル、ジフルオロエチル、メトキシエチル、エトキシエチル、ベンジル、フェネチル、クミル、ヒドロシンナミルが挙げられる。 The substituent at the 9-position of the fluorene ring includes hydroxyl group; nitro group; amino group; alkylamino group such as methylamino, ethylamino, dimethylamino; cyano group; alkylcyano group such as methylcyano, ethylcyano, propylcyano; Halogen atom such as iodine, bromine, chlorine, fluorine; chain or branched alkyl group such as methyl, ethyl, propyl, butyl, pentyl, hexyl, heptyl, octyl, nonyl, decyl, undecyl, dodecyl It is done. The alkyl group may be substituted by a hydroxyl group, a nitro group, an amino group, a cyano group, a halogen atom, an alkoxy group or an aryl group. Examples include chloromethyl, dichloromethyl, trichloromethyl, fluoromethyl, difluoromethyl. , Trifluoromethyl, difluoroethyl, methoxyethyl, ethoxyethyl, benzyl, phenethyl, cumyl, hydrocinnamyl.
フルオレン環の9位の置換基としてはさらに、シクロアルキル基、例えば、シクロプロピル、シクロブチル、シクロペンチル、シクロヘキシル、シクロヘプチル、シクロオクチル、シクロノニル、シクロデシル、シクロウンデシル、シクロドデシル;直鎖状又は分枝状のアルコキシ基、例えば、メトキシ、エトキシ、プロポキシ、ブトキシ、ペンチルオキシ、ヘキシルオキシ、ヘプチルオキシ、オクチルオキシ、ノニルオキシ、デシルオキシ、ウンデシルオキシ、ドデシルオキシが挙げられる。 Substituents at the 9-position of the fluorene ring further include cycloalkyl groups such as cyclopropyl, cyclobutyl, cyclopentyl, cyclohexyl, cycloheptyl, cyclooctyl, cyclononyl, cyclodecyl, cycloundecyl, cyclododecyl; linear or branched -Like alkoxy groups such as methoxy, ethoxy, propoxy, butoxy, pentyloxy, hexyloxy, heptyloxy, octyloxy, nonyloxy, decyloxy, undecyloxy, dodecyloxy.
フルオレン環の9位の置換基としてはさらに、アルケニル基、例えば、エテニル基、プロペニル基、ブテニル基、ペンテニル基、ヘキセニル基、シクロペンテニル基、シクロヘキセニル基、シクロヘキセジエニル基;アルキニル基、例えば、エチニル、プロピニル、ブチニル、ペンチニル、ヘキシニル;芳香族基、例えば、フェニル、ナフチル、アントリル、フェナレニル、フェナントリル、ピレニル;複素環基、例えば、ピリジル、ピラジル、ピリミジル、ピロリル、インデニル、フリル、オキサゾリル、チアゾリル、チエニルが挙げられる。これらの基がヒドロキシル基、ニトロ基、アミノ基、シアノ基、ハロゲン原子、アルキル基、アルコキシ基により置換されていても良く、例としては、スチリル、トリル、キシリル、メシチル、フルオロフェニル、フルオロメチルフェニル、メトキシフェニル、エトキシフェニル、メチルピリジル、メチルピラジルが挙げられる。 As the substituent at the 9-position of the fluorene ring, an alkenyl group such as ethenyl group, propenyl group, butenyl group, pentenyl group, hexenyl group, cyclopentenyl group, cyclohexenyl group, cyclohexedienyl group; alkynyl group such as Ethynyl, propynyl, butynyl, pentynyl, hexynyl; aromatic groups such as phenyl, naphthyl, anthryl, phenalenyl, phenanthryl, pyrenyl; heterocyclic groups such as pyridyl, pyrazyl, pyrimidyl, pyrrolyl, indenyl, furyl, oxazolyl, thiazolyl, Thienyl is mentioned. These groups may be substituted by hydroxyl group, nitro group, amino group, cyano group, halogen atom, alkyl group, alkoxy group. Examples include styryl, tolyl, xylyl, mesityl, fluorophenyl, fluoromethylphenyl. , Methoxyphenyl, ethoxyphenyl, methylpyridyl, methylpyrazyl.
フルオレン環の9位の置換基としてはさらに、カルボキシル基;アルキルカルボニル基、例えば、アセチル、エチルカルボニル、プロピルカルボニル、ブチルカルボニル、ペンチルカルボニル、ヘキシルカルボニル;アルコキシカルボニル基、例えば、メトキシカルボニル、エトキシカルボニル、プロポキシカルボニル、ブトキシカルボニル、ペンチルオキシカルボニル、ヘキシルオキシカルボニル;アルキルカルボニルオキシ基、例えば、アセトキシ、エチルカルボニルオキシ、プロピルカルボニルオキシ、ブチルカルボニルオキシ、ペンチルカルボニルオキシ、ヘキシルカルボニルオキシ;エステル基、例えばメチルエステル、エチルエステル、フェニルエステル;カルバモイル基、例えば、メチルカルバモイル、エチルカルバモイル、フェニルカルバモイルが挙げられる。 As the substituent at the 9-position of the fluorene ring, a carboxyl group; an alkylcarbonyl group such as acetyl, ethylcarbonyl, propylcarbonyl, butylcarbonyl, pentylcarbonyl, hexylcarbonyl; an alkoxycarbonyl group such as methoxycarbonyl, ethoxycarbonyl, Propoxycarbonyl, butoxycarbonyl, pentyloxycarbonyl, hexyloxycarbonyl; alkylcarbonyloxy groups such as acetoxy, ethylcarbonyloxy, propylcarbonyloxy, butylcarbonyloxy, pentylcarbonyloxy, hexylcarbonyloxy; ester groups such as methyl ester, Ethyl ester, phenyl ester; carbamoyl group such as methylcarbamoyl, ethylcarbamoyl, E carbamoylmethyl and the like.
フルオレン環の9位の置換基としては、アルキル基、カルボキシル基、ニトロ基、シアノ基、アルキルシアノ基、フェニル基、ハロゲン原子、ハロゲン化メチル基、ハロゲン化フェニル基、アルキルフェニル基、及びアルキルハロゲン化フェニル基が好ましい。特に、9位の置換基がアルキル基又はフェニル基を有する置換基であると、ドーピングするアニオン、カチオンのドーピング反応、脱ドーピング反応がさらに速くなって出力特性が向上するので好ましい。前者としては9,9−ジメチルフルオレン、9,9−ジオクチルフルオレン等、後者としては9−メチル−9−フェニルフルオレン、9−メチル−9−ベンジルフルオレン、ベンザルフルオレン、ベンズヒドリリジンフルオレン等を挙げることができる。なかでも、分子の大きなカチオンをドーピング、脱ドーピングする場合は、炭素数が1〜8個のアルキル基が好ましい。 Examples of the substituent at the 9-position of the fluorene ring include an alkyl group, a carboxyl group, a nitro group, a cyano group, an alkylcyano group, a phenyl group, a halogen atom, a halogenated methyl group, a halogenated phenyl group, an alkylphenyl group, and an alkylhalogen. Preferred is a phenyl group. Particularly, it is preferable that the substituent at the 9-position is a substituent having an alkyl group or a phenyl group, since the doping reaction and dedoping reaction of the anion and cation to be doped are further accelerated and the output characteristics are improved. Examples of the former include 9,9-dimethylfluorene and 9,9-dioctylfluorene, and examples of the latter include 9-methyl-9-phenylfluorene, 9-methyl-9-benzylfluorene, benzalfluorene, and benzhydrylidinefluorene. be able to. Among these, when doping or dedoping a large molecular cation, an alkyl group having 1 to 8 carbon atoms is preferable.
フルオレン環はまた、9位以外のフェニレン環との結合に関与しない位置にも置換基を有することができる。これらの位置における置換基も、上で9位の置換基に関して示した基の範囲内から選択することができる。 The fluorene ring can also have a substituent at a position not participating in the bond with the phenylene ring other than the 9-position. Substituents at these positions can also be selected from the range of groups shown above for the 9-position substituent.
フェニレン環も、フルオレン環との結合に関与しない位置に1〜4個の置換基を有しているのが好ましい。これらの置換基によってアニオン、カチオンのドーピング反応、脱ドーピング反応の速度が速くなって出力特性が向上する。 The phenylene ring also preferably has 1 to 4 substituents at positions not participating in the bond with the fluorene ring. These substituents increase the speed of anion and cation doping and dedoping reactions and improve output characteristics.
フェニレン環の置換基としては、ヒドロキシル基;ニトロ基;アミノ基;アルキルアミノ基、例えばメチルアミノ、エチルアミノ、ジメチルアミノ;シアノ基;アルキルシアノ基、例えば、メチルシアノ、エチルシアノ、プロピルシアノ;ハロゲン原子、例えば、ヨウ素、臭素、塩素、フッ素;鎖状又は分枝状のアルキル基、例えば、メチル、エチル、プロピル、ブチル、ペンチル、ヘキシルが挙げられる。アルキル基が、ヒドロキシル基、ニトロ基、アミノ基、シアノ基、ハロゲン原子、アルコキシ基、アリール基により置換されていても良く、例としては、クロロメチル、ジクロロメチル、トリクロロメチル、フルオロメチル、ジフルオロメチル、トリフルオロメチル、ジフルオロエチル、メトキシエチル、エトキシエチル、ベンジル、フェネチル、クミル、ヒドロシンナミルが挙げられる。 Examples of substituents on the phenylene ring include hydroxyl group; nitro group; amino group; alkylamino group such as methylamino, ethylamino, dimethylamino; cyano group; alkylcyano group such as methylcyano, ethylcyano, propylcyano; halogen atom, Examples include iodine, bromine, chlorine, fluorine; chain or branched alkyl groups such as methyl, ethyl, propyl, butyl, pentyl, hexyl. The alkyl group may be substituted by a hydroxyl group, a nitro group, an amino group, a cyano group, a halogen atom, an alkoxy group or an aryl group. Examples include chloromethyl, dichloromethyl, trichloromethyl, fluoromethyl, difluoromethyl. , Trifluoromethyl, difluoroethyl, methoxyethyl, ethoxyethyl, benzyl, phenethyl, cumyl, hydrocinnamyl.
フェニレン環の置換基としてはさらに、シクロアルキル基、例えば、シクロプロピル、シクロブチル、シクロペンチル、シクロヘキシル、;直鎖状又は分枝状のアルコキシ基、例えば、メトキシ、エトキシ、プロポキシ、ブトキシ、ペンチルオキシ、ヘキシルオキシが挙げられる。 Substituents on the phenylene ring further include cycloalkyl groups such as cyclopropyl, cyclobutyl, cyclopentyl, cyclohexyl; linear or branched alkoxy groups such as methoxy, ethoxy, propoxy, butoxy, pentyloxy, hexyl. Oxy is mentioned.
フェニレン環の置換基としてはさらに、アルケニル基、例えば、エテニル基、プロペニル基、ブテニル基、ペンテニル基、ヘキセニル基、シクロペンテニル基、シクロヘキセニル基、シクロヘキセジエニル基;アルキニル基、例えば、エチニル、プロピニル、ブチニル、ペンチニル、ヘキシニル;芳香族基、例えば、フェニル、ナフチル、アントリル、フェナレニル、フェナントリル、ピレニル;アリールオキシ基、例えばフェノキシ;複素環基、例えば、ピリジル、ピラジル、ピリミジル、ピロリル、インデニル、フリル、オキサゾリル、チアゾリル、チエニルが挙げられる。これらの基がヒドロキシル基、ニトロ基、アミノ基、シアノ基、ハロゲン原子、アルキル基、アルコキシ基により置換されていても良く、例としては、スチリル、トリル、キシリル、メシチル、フルオロフェニル、フルオロメチルフェニル、メトキシフェニル、エトキシフェニル、メチルピリジル、メチルピラジルが挙げられる。 The substituents on the phenylene ring further include alkenyl groups such as ethenyl group, propenyl group, butenyl group, pentenyl group, hexenyl group, cyclopentenyl group, cyclohexenyl group, cyclohexedienyl group; alkynyl groups such as ethynyl, propynyl , Butynyl, pentynyl, hexynyl; aromatic groups such as phenyl, naphthyl, anthryl, phenalenyl, phenanthryl, pyrenyl; aryloxy groups such as phenoxy; heterocyclic groups such as pyridyl, pyrazyl, pyrimidyl, pyrrolyl, indenyl, furyl, Examples include oxazolyl, thiazolyl, and thienyl. These groups may be substituted by hydroxyl group, nitro group, amino group, cyano group, halogen atom, alkyl group, alkoxy group. Examples include styryl, tolyl, xylyl, mesityl, fluorophenyl, fluoromethylphenyl. , Methoxyphenyl, ethoxyphenyl, methylpyridyl, methylpyrazyl.
フェニレン環の置換基としてはさらに、ホルミル基;カルボキシル基;アルキルカルボニル基、例えば、アセチル、エチルカルボニル、プロピルカルボニル、ブチルカルボニル、ペンチルカルボニル、ヘキシルカルボニル;アルコキシカルボニル基、例えば、メトキシカルボニル、エトキシカルボニル、プロポキシカルボニル、ブトキシカルボニル、ペンチルオキシカルボニル、ヘキシルオキシカルボニル;アルキルカルボニルオキシ基、例えば、アセトキシ、エチルカルボニルオキシ、プロピルカルボニルオキシ、ブチルカルボニルオキシ、ペンチルカルボニルオキシ、ヘキシルカルボニルオキシが挙げられる。 Further, as a substituent of the phenylene ring, formyl group; carboxyl group; alkylcarbonyl group such as acetyl, ethylcarbonyl, propylcarbonyl, butylcarbonyl, pentylcarbonyl, hexylcarbonyl; alkoxycarbonyl group such as methoxycarbonyl, ethoxycarbonyl, Propoxycarbonyl, butoxycarbonyl, pentyloxycarbonyl, hexyloxycarbonyl; alkylcarbonyloxy groups such as acetoxy, ethylcarbonyloxy, propylcarbonyloxy, butylcarbonyloxy, pentylcarbonyloxy, hexylcarbonyloxy.
フェニレン環の置換基は、アルキル基、ニトロ基、アミノ基、シアノ基、カルボキシル基、ホルミル基、ハロゲン原子からなる群から選択されるのが好ましい。 The substituent on the phenylene ring is preferably selected from the group consisting of alkyl groups, nitro groups, amino groups, cyano groups, carboxyl groups, formyl groups, and halogen atoms.
これらの精密重合フルオレン−フェニレン交互共重合体は、公知の方法により得ることができる。例えば、パラジウム触媒を用いたSuzukiカップリング法を用いることができる。以下の式Iに、Suzukiカップリング法による製造の例を示す。
これらの精密重合フルオレン−フェニレン交互共重合体には、ドーピング処理を施して導電性を付与することができる。ドーピング処理は、化学的ドーピング処理、電気化学的ドーピング処理のいずれの方法を採用しても良い。 These precision-polymerized fluorene-phenylene alternating copolymers can be imparted with conductivity by doping treatment. As the doping process, either a chemical doping process or an electrochemical doping process may be employed.
化学的ドーピング処理のためのアクセプターとしては、Br2、I2、Cl2等のハロゲン類、SO3、BF3、PF5、AsF5、SbF5等のルイス酸、HNO3、H2SO4、HClO4、CF3SO3H、FSO3H等のプロトン酸、FeCl3、MoCl5、WCl5、SnCl4、MoF5等の遷移金属ハライド、テトラシアノエチレン、テトラシアノキノジメタン、クロラニル等の有機物質を使用することができ、ドナーとしては、Li、Na、K、Cs等のアルカリ金属を使用することができる。 Acceptors for chemical doping treatment include halogens such as Br 2 , I 2 and Cl 2 , Lewis acids such as SO 3 , BF 3 , PF 5 , AsF 5 and SbF 5 , HNO 3 and H 2 SO 4. Protonic acids such as HClO 4 , CF 3 SO 3 H, FSO 3 H, transition metal halides such as FeCl 3 , MoCl 5 , WCl 5 , SnCl 4 , MoF 5 , tetracyanoethylene, tetracyanoquinodimethane, chloranil, etc. Organic materials such as Li, Na, K, and Cs can be used as donors.
電気化学的ドーピング処理のためのアクセプターとしては、BF4 −、PF6 −、AsF6 −、SbF6 −等のルイス酸、I−、Br−、Cl−等のハロゲンアニオンなどを用いることができ、ドナーとしては、Li+、Na+、K+、Cs+等のアルカリ金属イオン、テトラエチルアンモニウムイオン、テトラブチルアンモニウムイオン等のアルキルアンモニウムイオンなどを用いることができる。 As an acceptor for electrochemical doping treatment, Lewis acids such as BF 4 − , PF 6 − , AsF 6 − and SbF 6 − , and halogen anions such as I − , Br − and Cl − can be used. As the donor, alkali metal ions such as Li + , Na + , K + , and Cs + , alkylammonium ions such as tetraethylammonium ions and tetrabutylammonium ions, and the like can be used.
ドーピング量に特に限定はないが、好ましくはフルオレンモノマー単位あたり5〜100モル%、より好ましくはフルオレンモノマー単位あたり20〜50モル%である。重合前の段階でドーピングしてから重合させても良いし、重合後にドーピングする方法を用いても良いし、あるいは電極形成後の充電によりドーピング処理を施しても良い。 The doping amount is not particularly limited, but is preferably 5 to 100 mol% per fluorene monomer unit, more preferably 20 to 50 mol% per fluorene monomer unit. Polymerization may be performed after doping in a stage before polymerization, a method of doping after polymerization may be used, or doping may be performed by charging after electrode formation.
これらのドーピング処理を施した正極活物質は、アニオンの脱ドーピングにより、放電反応、還元反応を生ずる。また、これらのドーピング処理を施した負極活物質は、カチオンの脱ドーピングにより、放電反応、酸化反応を生ずる。 The positive electrode active material subjected to these doping treatments undergoes a discharge reaction and a reduction reaction due to anodization of the anion. Further, the negative electrode active material subjected to these doping treatments causes a discharge reaction and an oxidation reaction due to cation dedoping.
また、アルキルスルフォン酸アニオン、アルキルホスホン酸アニオンのようなフルオレン又はベンゼンと共有結合することができるアニオンをフルオレン又はベンゼンと反応させ、重合して、自己ドープ型の正極活物質とすることができ、3級アンモニウムカチオンのようなフルオレン又はベンゼンと共有結合することができるカチオンをフルオレン又はベンゼンと反応させ、重合して、自己ドープ型の負極活物質とすることができる。 In addition, an anion that can be covalently bonded to fluorene or benzene such as an alkyl sulfonate anion and an alkyl phosphonate anion is reacted with fluorene or benzene and polymerized to obtain a self-doped positive electrode active material, A cation that can be covalently bonded to fluorene or benzene such as a tertiary ammonium cation can be reacted with fluorene or benzene and polymerized to obtain a self-doped negative electrode active material.
自己ドープ型の正極活物質は、電解液中のカチオンのドーピングにより、放電反応、還元反応を生ずる。また、自己ドープ型の負極活物質は、電解液中のアニオンのドーピングにより、放電反応、酸化反応を生ずる。自己ドープ型の正極活物質又は負極活物質を使用すると、電荷移動反応に同種、同量のカチオン又はアニオンが関与するため、電解液中のイオン濃度が一定に保たれ、従って電解液の伝導度が一定に保たれる。 The self-doped positive electrode active material causes a discharge reaction and a reduction reaction by doping of cations in the electrolytic solution. In addition, the self-doped negative electrode active material undergoes a discharge reaction and an oxidation reaction by doping anions in the electrolytic solution. When a self-doped positive electrode active material or negative electrode active material is used, the same type and amount of cations or anions are involved in the charge transfer reaction, so that the ion concentration in the electrolyte is kept constant, and therefore the conductivity of the electrolyte is constant. Is kept constant.
本発明の精密重合フルオレン−フェニレン交互共重合体からなる電極活物質を含有する活物質層を集電体上に設けて、電気化学素子用の電極を形成することができる。 An electrode for an electrochemical device can be formed by providing an active material layer containing an electrode active material made of the precision polymerized fluorene-phenylene alternating copolymer of the present invention on a current collector.
集電体としては、白金、金、ニッケル、アルミニウム、チタン、鋼、カーボン等の導電材料を使用することができる。集電体の形状は、膜状、箔状、板状、網状、エキスパンドメタル状、円筒状等の任意の形状を採用することができる。 As the current collector, a conductive material such as platinum, gold, nickel, aluminum, titanium, steel, or carbon can be used. As the shape of the current collector, any shape such as a film shape, a foil shape, a plate shape, a net shape, an expanded metal shape, and a cylindrical shape can be adopted.
活物質層は、上述の精密重合フルオレン−フェニレン交互共重合体をクロロホルム、テトラヒドロフラン、N−メチルピロリドン、イソプロピルアルコール等の溶媒に溶解し、得られた溶液を集電体上に塗布し、乾燥することにより形成しても良い。このようにして形成した膜状の活物質層は、高容量を有する上に、薄く均一で電極の抵抗が低減するため、放電の際のIRドロップが低減して電極の電圧を高く保つことができる。また、精密重合フルオレン−フェニレン交互共重合体を形成するためのコモノマーの溶液に集電体を挿入し、集電体の上で重合させて活物質層を形成しても良い。 The active material layer is prepared by dissolving the above-mentioned precision polymerized fluorene-phenylene alternating copolymer in a solvent such as chloroform, tetrahydrofuran, N-methylpyrrolidone, isopropyl alcohol, and applying the resulting solution onto a current collector and drying it. You may form by. The film-shaped active material layer thus formed has a high capacity, is thin and uniform, and reduces the resistance of the electrode. Therefore, the IR drop during discharge can be reduced and the voltage of the electrode can be kept high. it can. Alternatively, an active material layer may be formed by inserting a current collector into a comonomer solution for forming a precision polymerized fluorene-phenylene alternating copolymer and polymerizing the current collector on the current collector.
また、上述の精密重合フルオレン−フェニレン交互共重合体にバインダ及び導電材を混合した混合材料を用いて活物質層を形成しても良い。 Moreover, you may form an active material layer using the mixed material which mixed the binder and electrically conductive material with the above-mentioned precision polymerization fluorene-phenylene alternating copolymer.
バインダとしては、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレンコポリマー、ポリフッ化ビニル、カルボキシメチルセルロース等の公知のバインダを使用することができる。バインダの含有量は、活物質層の総量に対して1〜20質量%であるのが好ましい。1質量%以下であると活物質層の強度が十分でなく、20質量%以上であると容量などの電気化学的特性が不十分になる。 As the binder, known binders such as polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, polyvinyl fluoride, and carboxymethyl cellulose can be used. The content of the binder is preferably 1 to 20% by mass with respect to the total amount of the active material layer. When it is 1% by mass or less, the strength of the active material layer is not sufficient, and when it is 20% by mass or more, electrochemical characteristics such as capacity are insufficient.
導電材としては、カーボンブラック、天然黒鉛、人造黒鉛等の炭素材料、ニッケル及び鉄等の金属粉、ITO等の導電性酸化物、などの公知の導電材を含むこともできる。これらの導電材の含有量は、活物質層の総量に対して1〜20質量%であるのが好ましい。1質量%以下であると活物質層の導電性が十分でなく、20質量%以上であると容量などの電気化学的特性が不十分になる。 The conductive material may include known conductive materials such as carbon materials such as carbon black, natural graphite and artificial graphite, metal powders such as nickel and iron, and conductive oxides such as ITO. The content of these conductive materials is preferably 1 to 20% by mass with respect to the total amount of the active material layer. When the content is 1% by mass or less, the conductivity of the active material layer is insufficient, and when the content is 20% by mass or more, electrochemical characteristics such as capacity are insufficient.
活物質層にはさらに、必要に応じて他の添加物質を混合しても良い。例えば、他の電極活物質、例えば、ポリチオフェン、ポリピロール、ポリアセン等の電子伝導性高分子を含むことができる。他の添加物質の量は、活物質層の総量に対して20質量%以下の量であるのが好ましい。20質量%以上であると、容量などの電気化学的特性が不十分になる。 Other active materials may be further mixed in the active material layer as necessary. For example, other electrode active materials, for example, electron conductive polymers such as polythiophene, polypyrrole, and polyacene can be included. The amount of the other additive material is preferably 20% by mass or less based on the total amount of the active material layer. When it is 20% by mass or more, electrochemical characteristics such as capacity become insufficient.
上記混合材料を用いた電極は、バインダを溶解したワニスに本発明の電極活物質、導電材、及び場合により他の添加物質を分散させ、得られた分散液をドクターブレード法などによって集電体上に塗工し、乾燥することにより作成することもできる。また、得られた混合材料を網状の集電体で挟み、電極としても良い。 The electrode using the above-mentioned mixed material is obtained by dispersing the electrode active material of the present invention, a conductive material, and optionally other additive substances in a varnish in which a binder is dissolved, and collecting the obtained dispersion by a doctor blade method or the like. It can also be created by coating on top and drying. Alternatively, the obtained mixed material may be sandwiched between a net-like current collector to form an electrode.
好ましい形態では、活物質層に精密重合フルオレン−フェニレン交互共重合体とカーボンナノチューブとが含まれる。カーボンナノチューブとしては、アーク放電法、レーザー蒸発法、化学気相成長(CVD)法等により得られたカーボンナノチューブを使用することができ、単層カーボンナノチューブと多層カーボンナノチューブの双方を使用することができ、これらを混合して使用しても良い。カーボンナノチューブは、電気伝導度が高いため、活物質と複合化させると、高い電気伝導度の複合体を得ることができる。また、外表面積が大きいため、活物質との接触面が広くなり、高効率で導電性を付与することが可能となる。さらに、カーボンナノチューブ自体も電解質溶液との接触において容量を有する。したがって、精密重合フルオレン−フェニレン交互共重合体とカーボンナノチューブとの併用により、高容量を有する上に、p−ドーピングの酸化還元電位が高く、低インピーダンス特性を有する電極が得られる。 In a preferred form, the active material layer includes a precision polymerized fluorene-phenylene alternating copolymer and carbon nanotubes. As carbon nanotubes, carbon nanotubes obtained by arc discharge method, laser evaporation method, chemical vapor deposition (CVD) method, etc. can be used, and both single-walled carbon nanotubes and multi-walled carbon nanotubes can be used. These may be used in combination. Since carbon nanotubes have a high electrical conductivity, a composite with a high electrical conductivity can be obtained by compounding with an active material. In addition, since the outer surface area is large, the contact surface with the active material is widened, and conductivity can be imparted with high efficiency. Furthermore, the carbon nanotubes themselves have a capacity in contact with the electrolyte solution. Therefore, by using the precision polymerized fluorene-phenylene alternating copolymer and the carbon nanotube in combination, an electrode having a high capacity, a high p-doping redox potential, and a low impedance characteristic can be obtained.
精密重合フルオレン−フェニレン交互共重合体とカーボンナノチューブとを混合して活物質層を形成することができる。このとき、必要に応じて分散媒を用いて両者を混合した後乾燥させて活物質層を形成しても良い。しかしながら、精密重合フルオレン−フェニレン交互共重合体をカーボンナノチューブに担持して活物質層を形成するのが特に好ましい。担持は、精密重合フルオレン−フェニレン交互共重合体をクロロホルム、テトラヒドロフラン、N−メチルピロリドン、イソプロピルアルコール等の溶媒に溶解した溶液にカーボンナノチューブを浸漬し、所定時間経過後に濾過してカーボンナノチューブを回収し、乾燥することにより行うことができる。乾燥後に、カーボンナノチューブの表面に精密重合フルオレン−フェニレン交互共重合体の膜が形成される。この膜は高容量を有する上に、薄く均一で低抵抗であり、またカーボンナノチューブと精密重合フルオレン−フェニレン交互共重合体膜との密着性が良好で接触抵抗が小さいため、放電の際のIRドロップがさらに低減し、電極の電圧をさらに高く保つことができる。 An active material layer can be formed by mixing a precision polymerized fluorene-phenylene alternating copolymer and a carbon nanotube. At this time, if necessary, the active material layer may be formed by mixing both using a dispersion medium and then drying. However, it is particularly preferable to form an active material layer by supporting a precisely polymerized fluorene-phenylene alternating copolymer on a carbon nanotube. For the loading, carbon nanotubes are immersed in a solution in which a precision polymerized fluorene-phenylene alternating copolymer is dissolved in a solvent such as chloroform, tetrahydrofuran, N-methylpyrrolidone, isopropyl alcohol, and the carbon nanotubes are recovered by filtration after a predetermined time. It can be performed by drying. After drying, a film of a precision polymerized fluorene-phenylene alternating copolymer is formed on the surface of the carbon nanotube. This film has a high capacity, is thin, uniform and has low resistance, and has good adhesion between the carbon nanotube and the precision polymerized fluorene-phenylene alternating copolymer film and low contact resistance. Drops are further reduced, and the voltage of the electrode can be kept higher.
精密重合フルオレン−フェニレン交互共重合体とカーボンナノチューブとの質量比は、一般には9:1〜1:9の範囲であり、好適には8:2〜2:8の範囲である。この範囲を超えると、電気化学的特性が不十分になる。 The mass ratio of the precision polymerized fluorene-phenylene alternating copolymer and the carbon nanotube is generally in the range of 9: 1 to 1: 9, and preferably in the range of 8: 2 to 2: 8. Beyond this range, the electrochemical properties become insufficient.
精密重合フルオレン−フェニレン交互共重合体とカーボンナノチューブとを含む活物質層をシート状等の所定形状に成形した後、得られた成形体と集電体とを接合して電極を得ることができる。例えば、得られた成形体を集電体上に圧着することにより、電極を得ることができる。このときも、必要に応じてバインダ等を添加しても良い。 After forming an active material layer containing a precision polymerized fluorene-phenylene alternating copolymer and a carbon nanotube into a predetermined shape such as a sheet, an electrode can be obtained by joining the obtained molded body and a current collector. . For example, an electrode can be obtained by pressure-bonding the obtained molded body on a current collector. Also at this time, a binder or the like may be added as necessary.
本発明の電極は、1対の電極と、電極間に配置されるセパレータと、電解質溶液とを有する電気化学素子において好適に使用することができる。 The electrode of the present invention can be suitably used in an electrochemical device having a pair of electrodes, a separator disposed between the electrodes, and an electrolyte solution.
電気化学素子に使用されるセパレータとしては、例えばポリオレフィン繊維不織布、ガラス繊維不織布等が好適に使用される。電解液としては、非水系電解液と水系電解液とがあり、用途に応じて適宜選択される。 As a separator used for an electrochemical element, a polyolefin fiber nonwoven fabric, a glass fiber nonwoven fabric, etc. are used suitably, for example. There are a nonaqueous electrolytic solution and an aqueous electrolytic solution as the electrolytic solution, and they are appropriately selected according to the application.
非水系電解液の溶媒としては、電気化学的に安定なエチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、スルホラン、3−メチルスルホラン、γ−ブチロラクトン、アセトニトリル及びジメトキシエタン、N−メチル−2−ピロリドン、ジメチルホルムアミド又はこれらの混合物を好適に使用することができる。 As the solvent for the non-aqueous electrolyte, electrochemically stable ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, diethyl carbonate, sulfolane, 3-methyl sulfolane, γ-butyrolactone, acetonitrile, and dimethoxyethane, N-methyl-2-pyrrolidone, dimethylformamide or a mixture thereof can be preferably used.
非水系電解液の溶質としては、有機電解液に溶解したときにリチウムイオンを生成する塩を特に限定なく使用することができる。例えば、LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiN(CF3SO2)2、LiCF3SO3、LiC(SO2CF3)3、LiN(SO2C2F5)2、LiAsF6、LiSbF6、又はこれらの混合物を好適に使用することができる。非水系電解液の溶質としてさらに、第4級アンモニウムカチオン又は第4級ホスホニウムカチオンを有する第4級アンモニウム塩又は第4級ホスホニウム塩を使用することができる。例えば、R1R2R3R4N+又はR1R2R3R4P+で表されるカチオン(ただし、R1、R2、R3、R4は炭素数1〜6のアルキル基を表す)と、PF6 −、BF4 −、ClO4 −、N(CF3SO3)2 −、CF3SO3 −、C(SO2CF3)3 −、N(SO2C2F5)2 −、AsF6 −又はSbF6 −からなるアニオンとからなる塩、又はこれらの混合物を好適に使用することができる。特に、アニオンとしてPF6 −、BF4 −、ClO4 −、N(CF3SO3)2 −を使用した塩が溶質として好ましい。 As a solute of the nonaqueous electrolytic solution, a salt that generates lithium ions when dissolved in an organic electrolytic solution can be used without any particular limitation. For example, LiPF 6, LiBF 4, LiClO 4, LiN (CF 3 SO 2) 2, LiCF 3 SO 3, LiC (SO 2 CF 3) 3, LiN (SO 2 C 2 F 5) 2, LiAsF 6, LiSbF 6 Or a mixture thereof can be preferably used. Further, a quaternary ammonium salt or a quaternary phosphonium salt having a quaternary ammonium cation or a quaternary phosphonium cation can be used as a solute of the nonaqueous electrolytic solution. For example, a cation represented by R 1 R 2 R 3 R 4 N + or R 1 R 2 R 3 R 4 P + (where R 1 , R 2 , R 3 and R 4 are alkyl having 1 to 6 carbon atoms) Group), PF 6 − , BF 4 − , ClO 4 − , N (CF 3 SO 3 ) 2 − , CF 3 SO 3 − , C (SO 2 CF 3 ) 3 − , N (SO 2 C 2 A salt composed of an anion composed of F 5 ) 2 − , AsF 6 — or SbF 6 — , or a mixture thereof can be suitably used. In particular, a salt using PF 6 − , BF 4 − , ClO 4 − or N (CF 3 SO 3 ) 2 − as the anion is preferable as the solute.
酸性又は中性又はアルカリ性の水系電解液における溶質のカチオンとしては、ナトリウム、カリウム等のアルカリ金属のカチオン、又はプロトンを挙げることができる。水系電解液における溶質のアニオンとしては、硫酸、硝酸、塩酸、リン酸、テトラフルオロ硼酸、六フッ化リン酸、六フッ化ケイ酸等の無機酸のアニオン、飽和モノカルボン酸、脂肪族カルボン酸、オキシカルボン酸、p−トルエンスルホン酸、ポリビニルスルホン酸、ラウリン酸等の有機酸のアニオンを挙げることができる。 Examples of the solute cations in the acidic, neutral or alkaline aqueous electrolyte include cations of alkali metals such as sodium and potassium, and protons. Solute anions in aqueous electrolytes include anions of inorganic acids such as sulfuric acid, nitric acid, hydrochloric acid, phosphoric acid, tetrafluoroboric acid, hexafluorophosphoric acid, hexafluorosilicic acid, saturated monocarboxylic acids, aliphatic carboxylic acids And anions of organic acids such as oxycarboxylic acid, p-toluenesulfonic acid, polyvinylsulfonic acid and lauric acid.
本発明の電極は、電気化学素子における1対の電極のうちの少なくとも一方として、好適に使用することができる。精密重合フルオレン−フェニレン交互共重合体は、バルク重合ポリフルオレンに比較して、大幅に増加した容量を有する上に、p−ドーピングの酸化還元電位が高くなる。したがって、本発明の電極をあらゆる電気化学素子の電極として使用することにより、作動電圧が高く、高容量で高エネルギー密度を有する電気化学素子が得られる。以下、電気化学素子が二次電池、電気二重層キャパシタ、電気化学キャパシタである場合のそれぞれについて説明する。 The electrode of the present invention can be suitably used as at least one of a pair of electrodes in an electrochemical device. The precision polymerized fluorene-phenylene alternating copolymer has a significantly increased capacity as compared with bulk polymerized polyfluorene, and has a higher p-doping redox potential. Therefore, by using the electrode of the present invention as an electrode of any electrochemical element, an electrochemical element having a high operating voltage, a high capacity and a high energy density can be obtained. Hereinafter, each case where the electrochemical element is a secondary battery, an electric double layer capacitor, or an electrochemical capacitor will be described.
(二次電池)
リチウム二次電池の場合は、電解液としてリチウム塩を溶質とした非水系電解液を用いる。そして、正極として本発明の電極を、負極として従来のリチウム金属又は天然黒鉛、人造黒鉛、石油コークス等のリチウムイオンを吸蔵、放出する電極活物質を使用した電極を用いる。電極活物質として自己ドープ型の精密重合フルオレン−フェニレン交互共重合体を用いた本発明の正極では、充放電反応に関与するのが同量のリチウムカチオンであるので、電解液のイオン濃度が一定に保たれ、電解液の伝導度を一定に保つことができる。
(Secondary battery)
In the case of a lithium secondary battery, a non-aqueous electrolyte solution having a lithium salt as a solute is used as the electrolyte solution. Then, the electrode of the present invention is used as the positive electrode, and an electrode using an electrode active material that occludes and releases lithium ions such as conventional lithium metal or natural graphite, artificial graphite, and petroleum coke is used as the negative electrode. In the positive electrode of the present invention using a self-doped precision polymerized fluorene-phenylene alternating copolymer as the electrode active material, the same amount of lithium cation is involved in the charge / discharge reaction, so the ion concentration of the electrolyte is constant. Thus, the conductivity of the electrolyte can be kept constant.
この構成のリチウム二次電池は、本発明の正極がバルク重合ポリフルオレンを電極活物質とした正極よりp−ドーピングの酸化還元電位が高い状態で作動し、さらに非水系電解液の電気分解電圧が高いために作動電圧を高くすることができるため、作動電圧が高く、高容量で高エネルギー密度を有する。 In the lithium secondary battery having this configuration, the positive electrode of the present invention operates in a state where the redox potential of p-doping is higher than that of the positive electrode using bulk polymerized polyfluorene as an electrode active material, and the electrolysis voltage of the non-aqueous electrolyte is higher Since the operating voltage can be increased because it is high, the operating voltage is high, the capacity is high, and the energy density is high.
また、負極に本発明の電極活物質を使用し、正極に従来のコバルト酸リチウム等の層状化合物又はポリアニリン、ポリフェニレン等の導電性高分子を電極活物質として使用すると、リチウムイオンのインターカレーションがないため、出力特性、サイクル特性が向上し、作動電圧が高く、高容量で高エネルギー密度を有するリチウム二次電池が得られる。 Further, when the electrode active material of the present invention is used for the negative electrode and a conventional layered compound such as lithium cobaltate or a conductive polymer such as polyaniline or polyphenylene is used as the electrode active material for the positive electrode, lithium ion intercalation is caused. Therefore, a lithium secondary battery with improved output characteristics and cycle characteristics, high operating voltage, high capacity and high energy density can be obtained.
プロトン電池を形成する場合は、電解液としてプロトンを有する酸水溶液を用いる。そして、正極として本発明の電極を用い、負極としてキノキサリン系ポリマー等の公知のプロトン電池における負極を用いる。この構成のプロトン電池は、酸水溶液からなる電解液を用いているので充放電特性が良好であり、エネルギー密度が高く、本発明の正極がバルク重合ポリフルオレンを電極活物質とした正極よりp−ドーピングの酸化還元電位が高い状態で作動し、水系電解液を用いた電池における最高作動電圧である1.2Vを示す。 In the case of forming a proton battery, an acid aqueous solution having protons is used as an electrolytic solution. And the electrode of this invention is used as a positive electrode, and the negative electrode in well-known proton batteries, such as a quinoxaline type polymer, is used as a negative electrode. The proton battery having this configuration uses an electrolytic solution made of an acid aqueous solution, so that the charge / discharge characteristics are good, the energy density is high, and the positive electrode of the present invention has a higher p- than the positive electrode using bulk polymerized polyfluorene as an electrode active material. It operates at a high oxidation-reduction potential of doping, and shows 1.2 V, which is the maximum operating voltage in a battery using an aqueous electrolyte.
(電気二重層キャパシタ)
電気二重層キャパシタの電解液としては、上述の非水系電解液及び水系電解液のすべてを用いることができる。非水系電解液を使用した電気二重層キャパシタでは、正極又は負極として本発明の電極を使用し、他方の電極に、活性炭、炭素繊維、フェノール樹脂炭化物、塩化ビニリデン樹脂炭化物、微結晶炭素等の電気二重層容量を有する電極を使用する。本発明の正極がバルク重合ポリフルオレンを電極活物質とした正極よりp−ドーピングの酸化還元電位が高い状態で作動し、大幅に増加した容量特性を有し、さらに非水系電解液の電気分解電圧が高いために作動電圧を高くすることができるため、作動電圧が高く、高容量で高エネルギー密度を有する電気二重層キャパシタが得られる。
(Electric double layer capacitor)
As the electrolytic solution for the electric double layer capacitor, any of the above-mentioned non-aqueous electrolytic solution and aqueous electrolytic solution can be used. In an electric double layer capacitor using a non-aqueous electrolyte, the electrode of the present invention is used as a positive electrode or a negative electrode, and the other electrode is an electric material such as activated carbon, carbon fiber, phenol resin carbide, vinylidene chloride resin carbide, or microcrystalline carbon. An electrode having a double layer capacity is used. The positive electrode of the present invention operates in a state where the redox potential of p-doping is higher than that of a positive electrode using bulk polymerized polyfluorene as an electrode active material, has a greatly increased capacity characteristic, and further has an electrolysis voltage of a non-aqueous electrolyte. Therefore, the operating voltage can be increased, and thus an electric double layer capacitor having a high operating voltage, a high capacity, and a high energy density can be obtained.
また、水系電解液を使用した電気二重層キャパシタでは、正極として本発明の電極を使用し、他方の電極に、活性炭、炭素繊維、フェノール樹脂炭化物、塩化ビニリデン樹脂炭化物、微結晶炭素等の電気二重層容量を有する電極を使用する。この構成の電気二重層キャパシタは、酸性、中性、アルカリ性の電解液を用いることができ、充放電特性が良好であり、エネルギー密度が高く、本発明の正極がバルク重合ポリフルオレンを電極活物質とした正極よりp−ドーピングの酸化還元電位が高い状態で作動し、水系電解液を用いた電気二重層キャパシタにおける最高作動電圧である1.2Vを示す。 In addition, in an electric double layer capacitor using an aqueous electrolyte, the electrode of the present invention is used as a positive electrode, and the other electrode is made of an electric two-layer such as activated carbon, carbon fiber, phenol resin carbide, vinylidene chloride resin carbide, and microcrystalline carbon. An electrode having a multilayer capacity is used. The electric double layer capacitor having this configuration can use acidic, neutral, and alkaline electrolytes, has good charge / discharge characteristics, high energy density, and the positive electrode of the present invention uses bulk-polymerized polyfluorene as an electrode active material. It operates in a state where the redox potential of p-doping is higher than that of the positive electrode, and shows 1.2 V which is the maximum operating voltage in an electric double layer capacitor using an aqueous electrolyte.
(電気化学キャパシタ)
電気化学キャパシタの電解液としては、第4級アンモニウム塩又は第4級ホスホニウム塩を溶質とした非水系電解液が用いられる。そして、正極として本発明の電極を用い、負極として酸化還元反応特性を有するポリアセチレン、ポリアセン、ポリフェニレン等の従来の導電性高分子を電極活物質とした電極を用いることができる。この構成の電気化学キャパシタは、本発明の正極がバルク重合ポリフルオレンを電極活物質とした正極よりも大幅に増加した容量を有する上にp−ドーピングの酸化還元電位がさらに高い状態で作動するので、作動電圧が高く、高容量で高エネルギー密度を有する。
(Electrochemical capacitor)
As an electrolytic solution for the electrochemical capacitor, a nonaqueous electrolytic solution having a quaternary ammonium salt or a quaternary phosphonium salt as a solute is used. Then, the electrode of the present invention can be used as the positive electrode, and an electrode using a conventional conductive polymer such as polyacetylene, polyacene, or polyphenylene having redox reaction characteristics as the negative electrode can be used as the electrode active material. In the electrochemical capacitor having this configuration, the positive electrode of the present invention has a significantly increased capacity as compared with the positive electrode using bulk-polymerized polyfluorene as an electrode active material, and operates with a higher p-doping redox potential. High operating voltage, high capacity and high energy density.
また、正極として酸化還元反応特性を有するポリアニリン、ポリアセチレン、ポリフェニレン等の従来の導電性高分子又は酸化ルテニウム、酸化マンガン、酸化ニッケル等の金属酸化物を電極活物質とした電極を用い、負極として本発明の電極を用いることもできる。この構成の電気化学キャパシタは、本発明の負極がバルク重合ポリフルオレン又は金属酸化物を電極活物質とした負極よりも高容量でn−ドーピングの酸化還元電位が低い状態で作動するので、作動電圧が高く、高容量で高エネルギー密度を有する。 In addition, a conventional conductive polymer such as polyaniline, polyacetylene and polyphenylene having redox reaction characteristics or an electrode using a metal oxide such as ruthenium oxide, manganese oxide and nickel oxide as an electrode active material is used as a positive electrode, and this electrode is used as a negative electrode. The electrode of the invention can also be used. The electrochemical capacitor having this configuration operates in a state where the negative electrode of the present invention has a higher capacity and a lower n-doping oxidation-reduction potential than a negative electrode using bulk polymerized polyfluorene or metal oxide as an electrode active material. High, high capacity and high energy density.
さらに、電気化学キャパシタにおける1対の電極の両方に本発明の電極を用いると、負極のn−ドーピングの酸化還元電位が低く、正極のp−ドーピングの酸化還元電位が高く、高容量特性を有するので、従来にない高い作動電圧、高容量、高エネルギー密度を有する電気化学キャパシタが得られる。また、自己ドープ型の精密重合フルオレン−フェニレン交互共重合体を用いた場合には、同種、同量のイオンが反応に関与するので、電解液中のイオン濃度が一定に保たれて電解液の伝導度が一定に保たれる。 Further, when the electrode of the present invention is used for both of a pair of electrodes in an electrochemical capacitor, the negative electrode has a low n-doping oxidation-reduction potential, the positive electrode has a high p-doping oxidation-reduction potential, and has high capacity characteristics. Therefore, an electrochemical capacitor having an unprecedented high operating voltage, high capacity, and high energy density can be obtained. In addition, when the self-doping type precision polymerized fluorene-phenylene alternating copolymer is used, the same kind and the same amount of ions are involved in the reaction, so that the ion concentration in the electrolyte is kept constant, Conductivity is kept constant.
以下に、本発明の実施例を示すが、本発明は以下の実施例に限定されない。 Examples of the present invention are shown below, but the present invention is not limited to the following examples.
実施例
1:精密重合フルオレン−フェニレン交互共重合体の合成
5mLのトルエンに、5mLのエタノール、1mmolの2,7−ジブロモフルオレン、1mmolのベンゼン−1,4−ジボロン酸、0.01mmolのPd(PPh3)4、2MのNa2CO3溶液4mLを加え、80℃で20時間攪拌し、生成物を得た。生成物をろ過、洗浄し、以下の式IIで表わされる黄色粉末の精密重合フルオレン−フェニレン交互共重合体を得た。
2:精密重合フルオレン−フェニレン交互共重合体/カーボンナノチューブ複合体電極の作製
50mLのイソプロピルアルコールに20mgの精密重合フルオレン−フェニレン交互共重合体粉末と10mgのカーボンナノチューブ粉末(比表面積:200m2/g)を加え、機械的攪拌により分散液を得た。その分散液をろ過し、精密重合フルオレン−フェニレン交互共重合体がカーボンナノチューブに担持された精密重合フルオレン−フェニレン交互共重合体/カーボンナノチューブ複合体のシートを得た。シートを約2cm2にカットし、同サイズのアルミニウム集電体に圧着することにより、精密重合フルオレン−フェニレン交互共重合体/カーボンナノチューブ複合体電極を得た。
2: Preparation of precision polymerized fluorene-phenylene alternating copolymer / carbon nanotube composite electrode 20 mg of precision polymerized fluorene-phenylene alternating copolymer powder and 10 mg of carbon nanotube powder (specific surface area: 200 m 2 / g) in 50 mL of isopropyl alcohol And a dispersion was obtained by mechanical stirring. The dispersion was filtered to obtain a precision polymerized fluorene-phenylene alternating copolymer / carbon nanotube composite sheet in which the precision polymerized fluorene-phenylene alternating copolymer was supported on carbon nanotubes. The sheet was cut to about 2 cm 2 and crimped to an aluminum current collector of the same size to obtain a precision polymerized fluorene-phenylene alternating copolymer / carbon nanotube composite electrode.
3:精密重合フルオレン−フェニレン交互共重合体/カーボンナノチューブ複合体電極のサイクリックボルタモグラム評価
作用極に精密重合フルオレン−フェニレン交互共重合体/カーボンナノチューブ複合体電極を用い、対極に活性炭シート、参照極に銀−銀イオン電極を用いて、三極式セルにてサイクリックボルタモグラムを測定した。電解液には1Mテトラエチルアンモニウムテトラフルオロボレートを溶解したプロピレンカーボネートを用いた。電位範囲は−2Vから+1Vまで、電位走査速度は5mVs−1とした。
3: Cyclic voltammogram evaluation of precision polymerized fluorene-phenylene alternating copolymer / carbon nanotube composite electrode Using precision polymerized fluorene-phenylene alternating copolymer / carbon nanotube composite electrode as working electrode, activated carbon sheet as reference electrode, reference electrode A cyclic voltammogram was measured in a triode cell using a silver-silver ion electrode. As the electrolytic solution, propylene carbonate in which 1M tetraethylammonium tetrafluoroborate was dissolved was used. The potential range was −2 V to +1 V, and the potential scanning speed was 5 mVs −1 .
比較例
1:バルク重合ポリフルオレンの合成
10mmolのフルオレンモノマーを溶解したアセトニトリルに10mmolのFeCl3を加え、室温で72時間攪拌し、ろ過、乾燥(60℃真空乾燥24時間)することにより、以下の式IIIで表わされる黄褐色粉末のバルク重合ポリフルオレン粉末を得た。
2:バルク重合ポリフルオレン/カーボンナノチューブ複合体電極の作製
50mLのイソプロピルアルコールに20mgのバルク重合ポリフルオレン粉末と10mgのカーボンナノチューブ粉末(比表面積:200m2/g)を加え、機械的攪拌により分散液を得た。その分散液をろ過し、バルク重合ポリフルオレンがカーボンナノチューブに担持されたバルク重合ポリフルオレン/カーボンナノチューブ複合体のシートを得た。シートを約2cm2にカットし、同サイズのアルミニウム集電体に圧着することにより、バルク重合ポリフルオレン/カーボンナノチューブ複合体電極を得た。
2: Production of bulk polymerized polyfluorene / carbon nanotube composite electrode Add 50 mg of bulk polymerized polyfluorene powder and 10 mg of carbon nanotube powder (specific surface area: 200 m 2 / g) to 50 mL of isopropyl alcohol, and disperse by mechanical stirring. Got. The dispersion was filtered to obtain a bulk polymerized polyfluorene / carbon nanotube composite sheet in which bulk polymerized polyfluorene was supported on carbon nanotubes. The sheet was cut to about 2 cm 2 and pressed onto an aluminum current collector of the same size to obtain a bulk polymerized polyfluorene / carbon nanotube composite electrode.
3:バルク重合ポリフルオレン/カーボンナノチューブ複合体電極のサイクリックボルタモグラム評価
作用極にバルク重合ポリフルオレン/カーボンナノチューブ複合体電極を用い、対極に活性炭シート、参照極に銀−銀イオン電極を用いて、三極式セルにてサイクリックボルタモグラムを測定した。電解液には1Mテトラエチルアンモニウムテトラフルオロボレートを溶解したプロピレンカーボネートを用いた。電位範囲は−2Vから+1Vまで、電位走査速度は5mVs−1とした。
3: Cyclic voltammogram evaluation of bulk polymerized polyfluorene / carbon nanotube composite electrode Using bulk polymerized polyfluorene / carbon nanotube composite electrode for working electrode, activated carbon sheet for counter electrode, and silver-silver ion electrode for reference electrode, Cyclic voltammograms were measured with a triode cell. As the electrolytic solution, propylene carbonate in which 1M tetraethylammonium tetrafluoroborate was dissolved was used. The potential range was −2 V to +1 V, and the potential scanning speed was 5 mVs −1 .
図2に、実施例のサイクリックボルタモグラムと比較例のサイクリックボルタモグラムとをまとめて示す。比較例のバルク重合ポリフルオレン/カーボンナノチューブ複合体電極のp−ドーピングの酸化還元電位が0.61Vであるのに対し、実施例の精密重合フルオレン−フェニレン交互共重合体/カーボンナノチューブ複合体電極のp−ドーピングの酸化還元電位は0.75Vであり、酸化還元電位が140mV高くなっている。 In FIG. 2, the cyclic voltammogram of an Example and the cyclic voltammogram of a comparative example are shown collectively. The p-doping redox potential of the bulk polymerized polyfluorene / carbon nanotube composite electrode of the comparative example is 0.61 V, whereas the precision polymerized fluorene-phenylene alternating copolymer / carbon nanotube composite electrode of the example is used. The redox potential of p-doping is 0.75 V, and the redox potential is 140 mV higher.
表1には、実施例のサイクリックボルタモグラムと比較例のサイクリックボルタモグラムの結果から得られた微分容量と積分容量の値を示す。
表1から明らかなように、実施例の精密重合フルオレン−フェニレン交互共重合体/カーボンナノチューブ複合体電極は、比較例のバルク重合ポリフルオレン/カーボンナノチューブ複合体電極に比較して、約2.4倍の積分容量を有している。また、サイクリックボルタモグラムのピークがシャープなことから、実施例の精密重合フルオレン−フェニレン交互共重合体/カーボンナノチューブ複合体電極において、導電性が向上して低インピーダンス特性が得られていることがわかる。 As is clear from Table 1, the precision polymerized fluorene-phenylene alternating copolymer / carbon nanotube composite electrode of the example was about 2.4 compared to the bulk polymerized polyfluorene / carbon nanotube composite electrode of the comparative example. It has double integration capacity. In addition, since the peak of the cyclic voltammogram is sharp, it can be seen that in the precision polymerized fluorene-phenylene alternating copolymer / carbon nanotube composite electrode of the example, conductivity is improved and low impedance characteristics are obtained. .
Claims (11)
前記交互共重合体のフルオレン環が実質的に2位と7位でフェニレン環に結合しており、フェニレン環のフルオレン環に対する結合位置が実質的に同じであることを特徴とする電極活物質。 An electrode active material comprising at least one fluorene-phenylene alternating copolymer,
An electrode active material, wherein the fluorene ring of the alternating copolymer is bonded to a phenylene ring at substantially the 2-position and the 7-position, and the bonding position of the phenylene ring to the fluorene ring is substantially the same.
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