JP3161881B2 - Oligoethyleneoxy polyphosphazenes having cyclic carbonate groups and their production and use - Google Patents
Oligoethyleneoxy polyphosphazenes having cyclic carbonate groups and their production and useInfo
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Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は環状カーボネート基を有
する新規なオリゴエチレンオキシポリホスフアゼン及び
その製法並びに用途に関する。本発明の化合物は、全固
体一次及び二次電池、固体表示素子、センサー及びキヤ
パシターなどの電気化学デバイスの電解質に利用でき
る。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a novel oligoethyleneoxypolyphosphazene having a cyclic carbonate group, a process for producing the same, and a use thereof. The compounds of the present invention can be used as electrolytes in electrochemical devices such as all-solid primary and secondary batteries, solid-state display devices, sensors, and capacitors.
【0002】[0002]
【従来の技術】従来から一次電池、二次電池、及びエレ
クトロクロミツク表示素子などの電気化学デバイスの電
解質は、液体のものが用いられてきた。しかしながら、
液体の電解質は部品外部への液もれ、電極物質の溶出な
どが発生しやすいため長期信頼性の問題がある。それに
対して、固体電解質は上記の様な問題がなく、従つて装
置の構成が簡略化でき、更には、薄膜化による軽量化、
小型化が可能となるなどの利点を有している。2. Description of the Related Art Conventionally, liquid electrolytes have been used for electrochemical devices such as primary batteries, secondary batteries, and electrochromic display elements. However,
The liquid electrolyte has a problem of long-term reliability because the liquid electrolyte easily leaks to the outside of the component and elution of the electrode substance is apt to occur. On the other hand, the solid electrolyte does not have the above-mentioned problems, and therefore can simplify the structure of the device, and furthermore, the weight is reduced by thinning,
There are advantages such as miniaturization is possible.
【0003】これらの特徴は、エレクトロニクスの進展
に伴つた小型軽量化、形状自由度の拡大、更には信頼性
の高い各種電子部品に対する要求に適合している。 固
体電解質材料としては、工藤徹一、笛木和雄著、「固体
アイオニクス」(講談社サイエンテイフイク、1986)に
記載されるような無機物、例えば、安定化ジルコニア、
ヨウ化銀、ヨウ化銀ルビジウム、β−アルミナなどが良
く知られている。これらの無機系固体電解質の中には、
液体の電解質並のイオン伝導度を示すものもあるが、分
解電圧が低いという致命的な欠点を持つ上に、任意の形
状に成型、成膜することが困難な場合が多く、材料とし
ての特性は極めて不十分である。一方、有機高分子は無
機物に比べて、軽量で粘弾性、柔軟性を具備し、成形性
及び加工性に優れているという特徴をもつことから、高
分子固体電解質として、例えば、緒方直哉編、「導電性
高分子」第95頁〜第150頁(講談社サイエンテイフイ
ク、1990)に記載されるような、ポリ(エチレンオキシ
ド)、ポリ(プロピレンオキシド)等のポリエーテル、
ポリ(エチレンサクシネート)、ポリ(β−プロピオラ
クトン)等のポリエステル、ポリ(エチレンイミン)、
ポリ(N−メチルエチレンイミン)等のポリイミンなど
のマトリツクスポリマーが報告されている。更に、これ
らのマトリツクスポリマーと、リチウム、ナトリウムな
どの無機イオン塩との組み合わせからなる固体電解質組
成物、及びそれらの組成物を用いた、例えば、特開平1
−169873号、同2−295070号、同3−129603号等に記載
される様な電池が報告されている。しかしながら、これ
ら高分子固体電解質は、従来から用いられている、例え
ば、プロピレンカーボネートとジメトキシエタンの混合
液体を用いた有機系液体電解質に比べてかなり低いイオ
ン伝導度のものしか得られていない。[0003] These features meet the demand for smaller and lighter, more flexible shapes, and higher reliability of various electronic components with the development of electronics. Solid electrolyte materials include inorganic substances such as those described in Tetsuichi Kudo and Kazuo Fueki, "Solid Ionics" (Kodansha Scientific, 1986), for example, stabilized zirconia,
Silver iodide, silver rubidium iodide, β-alumina and the like are well known. Some of these inorganic solid electrolytes include
Some exhibit ionic conductivity comparable to liquid electrolytes, but have the fatal drawback of low decomposition voltage, and are often difficult to mold and form into any shape, and have properties as a material Is extremely insufficient. On the other hand, organic polymers are lighter, have viscoelasticity, and are more flexible than inorganic materials, and have the characteristics of being excellent in moldability and workability.As a polymer solid electrolyte, for example, Naoya Ogata, Polyethers such as poly (ethylene oxide) and poly (propylene oxide), as described in “Conductive Polymers”, pp. 95 to 150 (Kodansha Scientific, 1990).
Polyesters such as poly (ethylene succinate) and poly (β-propiolactone), poly (ethylene imine),
Matrix polymers such as polyimines such as poly (N-methylethyleneimine) have been reported. Further, a solid electrolyte composition comprising a combination of the matrix polymer and an inorganic ionic salt such as lithium and sodium, and a composition using such a composition are disclosed in, for example,
Nos. 169873, 2-295070, 3-129603 and the like have been reported. However, these polymer solid electrolytes have only a considerably lower ionic conductivity than conventional organic liquid electrolytes using, for example, a mixed liquid of propylene carbonate and dimethoxyethane.
【0004】一方、高イオン伝導度を有する高分子固体
電解質を得る試みとして、側鎖に低分子量のポリ(エチ
レンオキシド)を導入したポリ(ホスフアゼン)を用い
た高分子固体電解質が特開昭61−254626号に、側鎖にア
ミド結合を含む有機基を導入したポリ(ホスフアゼン)
を用いた高分子固体電解質が特開昭63−186766号に、分
枝した低分子量のポリ(アルキレンオキシド)を側鎖に
導入したポリ(ホスフアゼン)を用いた高分子固体電解
質が特開平2−252762号に記載されている。しかしなが
ら、これらの高分子固体電解質は、良好な成膜性を有す
るものの、前出の有機系液体電解質のイオン伝導度に匹
敵するレベルには未だ至つてない。On the other hand, as an attempt to obtain a polymer solid electrolyte having high ionic conductivity, a polymer solid electrolyte using poly (phosphazene) having poly (ethylene oxide) having a low molecular weight introduced into a side chain has been disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 61-1986. No. 254626, poly (phosphazene) with an organic group containing an amide bond in the side chain
Japanese Patent Application Laid-Open No. 63-186766 discloses a polymer solid electrolyte using poly (phosphazene) having a branched low molecular weight poly (alkylene oxide) introduced into a side chain. No. 252762. However, although these polymer solid electrolytes have good film-forming properties, they have not yet reached a level comparable to the ionic conductivity of the aforementioned organic liquid electrolyte.
【0005】[0005]
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的はイオン
伝導性に優れた高分子固体電解質として、新規な環状カ
ーボネート基を側鎖に有するポリホスフアゼン及びその
製法並びに用途を提供することにある。SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a novel polyphosphazene having a cyclic carbonate group in a side chain as a polymer solid electrolyte having excellent ion conductivity, a method for producing the same, and a use thereof.
【0006】[0006]
【課題を解決するための手段】本発明は一般式(I)で
示される側鎖置換基上に環状カーボネート基を有するオ
リゴエチレンオキシポリホスフアゼンに係る。The present invention relates to an oligoethyleneoxy polyphosphazene having a cyclic carbonate group on a side chain substituent represented by the formula (I).
【0007】[0007]
【化5】 Embedded image
【0008】〔式中、XおよびYは同一又は異なつて、
基(A)又は基(B)を示す。[Wherein X and Y are the same or different,
It represents group (A) or group (B).
【0009】[0009]
【化6】 Embedded image
【0010】 −O(CH2CH2O)kR (B) Rはメチル基、エチル基、プロピル基、又はアリル基を
示し、これらは同一でも異なつていてもよい。h、及び
kはエチレンオキシ単位の平均の繰り返し数を示し、そ
れぞれ、0≦h≦15、及び0≦k≦15である。mは3〜200
000の整数を示す。但し、m個の繰り返し単位のうち少な
くとも1個の繰り返し単位は、X及びYの一方が基
(A)であり、他方が基(B)である。〕—O (CH 2 CH 2 O) kR (B) R represents a methyl group, an ethyl group, a propyl group, or an allyl group, which may be the same or different. h, and
k indicates the average number of repetitions of the ethyleneoxy unit, and 0 ≦ h ≦ 15 and 0 ≦ k ≦ 15, respectively. m is 3 to 200
Indicates an integer of 000. However, in at least one of the m repeating units, one of X and Y is a group (A), and the other is a group (B). ]
【0011】本発明のポリホスフアゼンは例えば一般式
(II)で示される塩化ポリホスホニトリルと一般式(II
I)及び、一般式(IV)の化合物と反応させて一旦置換
反応生成物を得て、次に側鎖置換基上のアセトニド基を
加水分解にすることによりジオール誘導体となし、引き
続き、閉環反応を行いカーボネート基を導入することに
より製造される。The polyphosphazene of the present invention is, for example, a polyphosphonitrile chloride represented by the general formula (II)
I) and the compound of the general formula (IV) are reacted once to obtain a substitution reaction product, and then the acetonide group on the side chain substituent is hydrolyzed to form a diol derivative, followed by a ring closure reaction And introducing a carbonate group.
【0012】[0012]
【化7】 Embedded image
【0013】(式中、mは3〜200000の整数である。)(In the formula, m is an integer of 3 to 200,000.)
【0014】 MO(CH2CH2O)kR (III) (式中、kはエチレンオキシ単位の平均の繰り返し数を
示し、0≦k≦15である。Mはアルカリ金属を示す。)MO (CH 2 CH 2 O) kR (III) (where k represents the average number of repeating ethyleneoxy units, and 0 ≦ k ≦ 15. M represents an alkali metal.)
【0015】[0015]
【化8】 Embedded image
【0016】(式中、hはエチレンオキシ単位の平均の
繰り返し数を示し、 0≦h≦15である。Mはアルカリ金
属を示す。)(Where h represents the average number of repeating ethyleneoxy units, and 0 ≦ h ≦ 15. M represents an alkali metal.)
【0017】又、本発明は上記本発明の環状カーボネー
ト基を有するオリゴエチレンオキシポリホスフアゼンを
用いた電池にも係る。The present invention also relates to a battery using the above-mentioned oligoethyleneoxypolyphosphazene having a cyclic carbonate group of the present invention.
【0018】本発明の特徴は柔軟性、低温特性に優れた
ホスホニトリルを主鎖とする無機高分子骨格にイオン親
和性の高いオリゴエチレンオキシ側鎖を配置したポリホ
スフアゼンを基本構造とし、この側鎖に極性の高い環状
カーボネート基を導入することにより、電解質塩の解離
を促進し、移動イオンの数を増やすことにより、イオン
伝導性に優れた高分子固体電解質を得たことにある。A feature of the present invention is that the basic structure is based on a polyphosphazene in which an oligoethyleneoxy side chain having high ionic affinity is arranged on an inorganic polymer skeleton having a main chain of phosphonitrile having excellent flexibility and low-temperature characteristics. By introducing a highly polar cyclic carbonate group into the polymer, the dissociation of the electrolyte salt is promoted, and the number of mobile ions is increased to obtain a solid polymer electrolyte having excellent ion conductivity.
【0019】以下、本発明について詳細に説明する。本
発明において用いられる一般式(I)で示される側鎖置
換基上に環状カーボネート基を有するオリゴエチレンオ
キシポリホスフアゼンは次のようにして合成される。即
ち、ヘキサクロロトリホスホニトリルを開環重合して得
たジクロロホスホニトリルポリマーに、予め調製してお
いた相当するオリゴエチレングリコールモノアルキルエ
ーテル及び相当するオリゴエチレングリコールモノプロ
ピルアセトニドのアルカリ金属アルコラートを所定量反
応させることにより製造することができる。反応は通常
の有機溶媒、例えば、テトラヒドロフラン、ジグライ
ム、トルエン等を用いて、約10℃以下で各成分を混合
し、続けて数時間加熱還流することにより行うことがで
き、アルカリ金属としてはリチウム、ナトリウム等を用
いることができる。このようにして得られたアセトニド
化合物は従来公知の手法に準じて加水分解することによ
つて次式(V)に示す様にジオール誘導体を得ることが
できる。Hereinafter, the present invention will be described in detail. The oligoethyleneoxy polyphosphazene having a cyclic carbonate group on the side chain substituent represented by the general formula (I) used in the present invention is synthesized as follows. That is, a dichlorophosphonitrile polymer obtained by ring-opening polymerization of hexachlorotriphosphonitrile is prepared by adding an alkali metal alcoholate of a corresponding oligoethylene glycol monoalkyl ether and a corresponding oligoethylene glycol monopropyl acetonide prepared in advance. It can be produced by performing a quantitative reaction. The reaction can be carried out by mixing the components at about 10 ° C. or lower using a conventional organic solvent, for example, tetrahydrofuran, diglyme, toluene, etc., and subsequently heating and refluxing for several hours. Sodium or the like can be used. The acetonide compound thus obtained is hydrolyzed according to a conventionally known method to obtain a diol derivative as shown in the following formula (V).
【0020】[0020]
【化9】 Embedded image
【0021】(式中、hはエチレンオキシ単位の平均の
繰り返し数を示し、0≦h≦15である。)(Where h represents the average number of repeating ethyleneoxy units, and 0 ≦ h ≦ 15)
【0022】例えば、日本化学会編、「新実験化学講座
14」、第2495頁〜第2516頁、丸善(1978)に記載の方
法により、塩酸等の鉱酸、酢酸、p−トルエンスルホン
酸、イオン交換樹脂(H+タイプ)等の酸の存在下で加
水分解することができる。このようにして得られたジオ
ール誘導体は従来公知の手法に準じて目的の環状カーボ
ネート基を有するオリゴエチレンオキシポリホスフアゼ
ンとすることができる。次式(VI)に示す様な閉環反応
は日本化学会編、「第4版 実験化学講座 20」、第272
頁〜第276頁、丸善(1992)等に記載の方法に準じて行
なうことができる。For example, "The New Experimental Chemistry Course" edited by The Chemical Society of Japan.
14 ", pages 2495 to 2516, Maruzen (1978), in the presence of a mineral acid such as hydrochloric acid, acetic acid, p-toluenesulfonic acid, or an acid such as an ion exchange resin (H + type). Can be hydrolyzed. The diol derivative thus obtained can be converted into an oligoethyleneoxy polyphosphazene having a target cyclic carbonate group according to a conventionally known method. The ring closure reaction as shown in the following formula (VI) is described in “The 4th Edition Experimental Chemistry Course 20”, edited by The Chemical Society of Japan, No. 272.
Page 276, Maruzen (1992) and the like.
【0023】[0023]
【化10】 Embedded image
【0024】(式中、hはエチレンオキシ単位の平均の
繰り返し数を示し、0≦h≦15である。)(Where h represents the average number of repeating ethyleneoxy units, and 0 ≦ h ≦ 15)
【0025】例えば、炭酸ジメチル、炭酸ジエチル等を
用いたエステル交換反応による方法、ホスゲン、ジホス
ゲン、トリホスゲン、クロロギ酸メチル、クロロギ酸エ
チル及びp−ニトロフエニルクロロギ酸エステル等を用
いた閉環反応による方法等が挙げられる。反応で生成す
る無機塩等は最終的にポリマーから除かれ高分子固体電
解質に供せられる。For example, a method based on a transesterification reaction using dimethyl carbonate, diethyl carbonate or the like, a method based on a ring closure reaction using phosgene, diphosgene, triphosgene, methyl chloroformate, ethyl chloroformate, p-nitrophenyl chloroformate and the like. And the like. The inorganic salt or the like generated by the reaction is finally removed from the polymer and used for the polymer solid electrolyte.
【0026】このようにして得られた本発明のポリマー
は負極及び正極部材との接着性に優れ、ジメトキシエタ
ン、テトラヒドロフラン等のエーテル系溶媒に溶解し、
塗布後乾燥することで容易に薄膜とすることができる。The thus obtained polymer of the present invention has excellent adhesion to the negative and positive electrode members, and is dissolved in an ether solvent such as dimethoxyethane and tetrahydrofuran.
By drying after coating, a thin film can be easily formed.
【0027】本発明の有機固体電解質のなかで特に、ア
リル基を有するオリゴエチレンオキシポリホスフアゼ
ン、あるいはこれらの混合物と、電解質塩からなる固体
電解質は架橋によつて電解質膜の機械的強度を増加する
ことが可能である。架橋は通常の方法、即ち、加熱によ
る方法、紫外線照射による方法等を使用することができ
る。更に、溶媒を添加して固体電解質膜を作製すること
も可能である。溶媒としては例えば、ジメトキシエタ
ン、エトキシメトキシエタン、ジエトキシエタン、ジメ
トキシプロパン、アルコキシポリアルキレンエーテル、
ジオキサン、1,3−ジオキソラン、テトラヒドロフラ
ン、メチルテトラヒドロフラン、メトキシテトラヒドロ
フラン等の線状又は環状エーテル類、エチルアセテー
ト、γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン、δ−バ
レロラクトン、炭酸ジエチル、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等の線
状又は環状エステル類、アセトニトリル、メトキシプロ
ピオニトリル等のニトリル類、メチルピロリドン、シク
ロヘキシルピロリドン等の環状アミド類、スルホラン
類、又はリン酸エステル類、又はこれらの混合物を使用
することができる。Among the organic solid electrolytes of the present invention, in particular, a solid electrolyte comprising an oligoethyleneoxy polyphosphazene having an allyl group, or a mixture thereof, and an electrolyte salt increases the mechanical strength of the electrolyte membrane by crosslinking. It is possible to Crosslinking can be performed by a usual method, that is, a method by heating, a method by irradiation with ultraviolet rays, or the like. Furthermore, it is also possible to prepare a solid electrolyte membrane by adding a solvent. As the solvent, for example, dimethoxyethane, ethoxymethoxyethane, diethoxyethane, dimethoxypropane, alkoxypolyalkylene ether,
Linear or cyclic ethers such as dioxane, 1,3-dioxolane, tetrahydrofuran, methyltetrahydrofuran, methoxytetrahydrofuran, ethyl acetate, γ-butyrolactone, γ-valerolactone, δ-valerolactone, diethyl carbonate, diethyl carbonate, ethylene carbonate,
Propylene carbonate, linear or cyclic esters such as butylene carbonate, acetonitrile, nitriles such as methoxypropionitrile, methylpyrrolidone, cyclic amides such as cyclohexylpyrrolidone, sulfolane, or phosphate esters, or a mixture thereof. Can be used.
【0028】本発明の環状カーボネート基を有するオリ
ゴエチレンオキシポリホスフアゼンを用いた電池に用い
られる電解質塩は特に制限はないが、カチオンが、少な
くともLi+,Na+,K+,Cs+,Ag+の一種を含み、且
つ、アニオンが、BF4 -,AlCl4 -,PF6 -,As
F6 -,ClO4 -,CF3SO3 -,Cl-,Br-,I-,SC
N-の群から選択される一種以上の電解質塩、例えば、
LiBF4,LiAlCl4,LiPF6,LiAsF6,LiCl
O4,LiCF3SO3,LiF,LiCl,LiBr,LiI,
LiSCN,NaBr,NaI,NaSCN,KI,NaSC
N,AgNO3などを好適に使用することができる。Li
ClO4,LiCF3SO3,LiBF4などが中でも特に好
ましい。The electrolyte salt used in the battery using the oligoethyleneoxy polyphosphazene having a cyclic carbonate group of the present invention is not particularly limited, but the cation has at least Li + , Na + , K + , Cs + , and Ag. + , And the anions are BF 4 − , AlCl 4 − , PF 6 − , As
F 6 -, ClO 4 -, CF 3 SO 3 -, Cl -, Br -, I -, SC
N - one or more electrolyte salts selected from the group of, for example,
LiBF 4 , LiAlCl 4 , LiPF 6 , LiAsF 6 , LiCl
O 4 , LiCF 3 SO 3 , LiF, LiCl, LiBr, LiI,
LiSCN, NaBr, NaI, NaSCN, KI, NaSC
N, AgNO 3 and the like can be suitably used. Li
ClO 4 , LiCF 3 SO 3 , LiBF 4 and the like are particularly preferable.
【0029】正極活物質としては、アルカリ金属とイオ
ン化ポテンシヤルが大幅に異なる遷移金属、カルコゲン
類、金属酸化物及びそれに少量のアルカリ金属イオンが
ドープされたものなどが好適である。遷移金属として
は、Ni,Sn,Co,Feなどが挙げられるがSnが最も
好ましい。カルコゲン類としては、CuS,FeS2,Fe
Se2,TiS2,TiSe2,VS2,VSe2,MoS2,Mo
Se2などが好適である。また金属酸化物としては、Mn
O2,CoO2,V2O5,MoO3,WO3などが好適であ
る。As the positive electrode active material, transition metals, chalcogens, metal oxides, which are significantly different in ionization potential from alkali metals, and those doped with a small amount of alkali metal ions are suitable. Examples of the transition metal include Ni, Sn, Co, and Fe, but Sn is most preferable. Chalcogens include CuS, FeS 2 , Fe
Se 2 , TiS 2 , TiSe 2 , VS 2 , VSe 2 , MoS 2 , Mo
Se 2 and the like are preferable. As the metal oxide, Mn
O 2 , CoO 2 , V 2 O 5 , MoO 3 , WO 3 and the like are preferred.
【0030】一方、負極活物質としては、リチウム、ナ
トリウム、カリウム等のアルカリ金属の他、それらのA
l,Pb,Sn合金やグラフアイト、ポリアセチレン等へ
のアルカリ金属ドーピング物が挙げられる。On the other hand, as the negative electrode active material, in addition to alkali metals such as lithium, sodium and potassium,
Al, Pb, Sn alloys, graphite, polyacetylene, and the like can be cited as alkali metal doping substances.
【0031】これらの素材の正極及び負極を、例えば薄
板状に成形し、両者を既述の高分子固体電解質で貼り合
わせることにより、本発明の固体電解質電池を構成する
ことができる。The positive electrode and the negative electrode made of these materials are formed into, for example, a thin plate shape, and both are bonded to each other with the above-mentioned polymer solid electrolyte, whereby the solid electrolyte battery of the present invention can be formed.
【0032】[0032]
【実施例】以下、実施例にて本発明を詳述するが、実施
例に限定されるものではない。EXAMPLES The present invention will be described below in detail with reference to examples, but it should not be construed that the invention is limited thereto.
【0033】実施例1 ヘキサクロロシクロトリホスホニトリルを重合管に入れ
て真空ラインに接続し、加熱溶融と冷却固化、そして、
脱気を数回繰り返した後減圧封管し、250℃で約8時間
重合を行つた。未反応のヘキサクロロシクロトリホスホ
ニトリルを減圧下で昇華して除去し、白色のゴム状のジ
クロルホスホニトリルポリマーを得た。このジクロルホ
スホニトリルポリマー 0.25ユニツトモルをジオキサン
約500mlに溶解した。Example 1 Hexachlorocyclotriphosphonitrile was put in a polymerization tube, connected to a vacuum line, heated and melted, solidified by cooling, and
After degassing was repeated several times, the tube was sealed under reduced pressure and polymerized at 250 ° C. for about 8 hours. Unreacted hexachlorocyclotriphosphonitrile was removed by sublimation under reduced pressure to obtain a white rubbery dichlorophosphonitrile polymer. 0.25 unit mol of the dichlorophosphonitrile polymer was dissolved in about 500 ml of dioxane.
【0034】一方、〔化11〕で示される〔エチレング
リコールモノ(2,2−ジメチル−1,3−ジオキサン−4−
イルメチル)エーテル〕0.35モルとメトキシエタノール
0.35モルをテトラヒドロフラン 500mlに溶解し、これ
にn−ブチルリチウム 0.60モルのヘキサン溶液を10℃以
下で30分間で滴下した。このアルコラート溶液に先に調
製したジクロルホスホニトリルポリマーのジオキサン溶
液を10℃以下で約15分間で滴下した後、反応液を昇温し
5時間還流した。反応終了後、反応溶媒を減圧下で留去
し、水に投入し希塩酸で中和した。このポリマー水溶液
をセロフアン膜を用い純水に対して透析を行い、脱塩及
び低分子量の不純物を除き精製を行い微黄色ゴム状物 6
0.5gを得た。On the other hand, [ethylene glycol mono (2,2-dimethyl-1,3-dioxane-4-
Ylmethyl) ether] 0.35 mol and methoxyethanol
0.35 mol was dissolved in 500 ml of tetrahydrofuran, and a hexane solution of 0.60 mol of n-butyllithium was added dropwise at 10 ° C. or lower for 30 minutes. After the dichloroxonitrile polymer dioxane solution prepared above was added dropwise to this alcoholate solution at 10 ° C. or lower for about 15 minutes, the reaction solution was heated and refluxed for 5 hours. After completion of the reaction, the reaction solvent was distilled off under reduced pressure, poured into water and neutralized with dilute hydrochloric acid. This polymer aqueous solution is dialyzed against pure water using a cellophane membrane, desalted and purified to remove low-molecular-weight impurities.
0.5 g was obtained.
【0035】[0035]
【化11】 Embedded image
【0036】上記で得られたポリマー 0.20ユニツトモ
ルをテトラヒドロフラン 300mlに溶解し、0.1N塩酸 30
0mlを加え、60℃で約2時間反応した。水酸化ナトリウ
ム水溶液で中和した後、減圧下でテトラヒドロフランを
留去した。このポリマー水溶液をセロフアン膜を用い純
水に対して透析を行い、脱塩及び低分子量の不純物を除
き精製を行い微黄色ゴム状物 48.5gを得た。0.20 unit mol of the polymer obtained above is dissolved in 300 ml of tetrahydrofuran, and 0.1N hydrochloric acid 30
0 ml was added and reacted at 60 ° C. for about 2 hours. After neutralization with an aqueous sodium hydroxide solution, tetrahydrofuran was distilled off under reduced pressure. This polymer aqueous solution was dialyzed against pure water using a cellophane membrane, and desalted and purified to remove low-molecular-weight impurities to obtain 48.5 g of a slightly yellow rubbery substance.
【0037】上記で得られたジオール誘導体 0.19ユニ
ツトモルに炭酸ジエチル 1.90モル、および炭酸カリウ
ム 0.02モルを添加し還流下で5時間反応した。反応後、
エーテルに投入し、ポリマーを析出させた。更に、再沈
殿を繰り返してポリマーを精製し、ゴム状物 48.6gを得
た。To 0.19 unit mol of the diol derivative obtained above, 1.90 mol of diethyl carbonate and 0.02 mol of potassium carbonate were added and reacted under reflux for 5 hours. After the reaction,
Poured into ether to precipitate the polymer. Further, reprecipitation was repeated to purify the polymer to obtain 48.6 g of a rubbery substance.
【0038】このポリマーの各種分析結果は以下の通り
であり、IRスペクトルでは 1780cm-1に環状カーボネ
ート基のカルボニル基の吸収が認められた。元素分析の
結果は理論構造式〔化12〕から算出した理論値(%)
C:38.44,H:5.74,N:4.98,P:11.01に対して、
分析値はC:38.27,H:5.93,N:4.81,P:11.29を
示し良く値が一致した。The results of various analyzes of this polymer are as follows. In the IR spectrum, absorption of a carbonyl group of a cyclic carbonate group was observed at 1780 cm -1 . The result of elemental analysis is the theoretical value (%) calculated from the theoretical structural formula [Formula 12].
C: 38.44, H: 5.74, N: 4.98, P: 11.01,
The analytical values were C: 38.27, H: 5.93, N: 4.81, P: 11.29, and the values were in good agreement.
【0039】このポリマーの図1に示すGFC分析の結
果、重量平均分子量は137×104で、Mw/Mnは11.3であ
つた。以上の結果から目的物が得られたことを確認し
た。As a result of the GFC analysis of this polymer shown in FIG. 1, the weight average molecular weight was 137 × 10 4 and Mw / Mn was 11.3. From the above results, it was confirmed that the desired product was obtained.
【0040】[0040]
【化12】 Embedded image
【0041】実施例2 HO(CH2CH2O)kRのkの平均値が約7で、RがM
e(メチル)であるアルコールと、〔化13〕のhの平均
値が約7であるアルコールを用い実施例1と同様に反応
を行ない、精製後、ゴム状物 48.6gを得た。このポリマ
ーの各種分析結果は以下の通りであり、IRスペクトル
では 1780 cm-1に環状カーボネート基のカルボニル基の
吸収が認められた。Example 2 The average value of k of HO (CH 2 CH 2 O) kR is about 7, and R is M
The reaction was carried out in the same manner as in Example 1 using an alcohol e (methyl) and an alcohol wherein the average value of h in Chemical formula 13 was about 7. After purification, 48.6 g of a rubbery substance was obtained. The results of various analyzes of this polymer are as follows. In the IR spectrum, absorption of a carbonyl group of a cyclic carbonate group was observed at 1780 cm -1 .
【0042】[0042]
【化13】 Embedded image
【0043】一方、1H−NMRでは3.3(−CH3),
3.4〜3.8(−CH2O−),4.0〜4.3(POCH2−),
4.4〜4.5(−CHCH 2O−),4.85ppm(−CHCH2
O−)、更に、31P−NMRでは−5.2ppm(対85%リン
酸)にポリホスホニトリルに基づくピークを認め、活性
塩素濃度が0.01%以下であつた。一方、元素分析の結果
は理論構造式〔化14〕から算出した理論値(%)C:
48.94,H:7.97,N:1.73,P:3.82に対して、分析
値はC:48.67,H:8.12,N:1.88,P:3.86を示し
良く値が一致した。このポリマーの図2に示すGFC分
析の結果、重量平均分子量は161×104でMw/Mn は11.
1であつた。以上の結果から目的物が得られたことを確
認した。On the other hand, in 1 H-NMR, 3.3 (—CH 3 ),
3.4~3.8 (-CH 2 O -), 4.0~4.3 (POCH 2 -),
4.4~4.5 (-CHC H 2 O -) , 4.85ppm (-C H CH 2
O-) and 31 P-NMR showed a peak based on polyphosphonitrile at -5.2 ppm (vs. 85% phosphoric acid), and the active chlorine concentration was 0.01% or less. On the other hand, the result of elemental analysis is a theoretical value (%) C calculated from the theoretical structural formula [Chemical Formula 14].
Analyzed values were 48.67, H: 8.12, N: 1.88, P: 3.86 in comparison to 48.94, H: 7.97, N: 1.73, P: 3.82, and the values were in good agreement. As a result of GFC analysis of this polymer shown in FIG. 2, the weight average molecular weight was 161 × 104 and Mw / Mn was 11.
I got one. From the above results, it was confirmed that the desired product was obtained.
【0044】[0044]
【化14】 Embedded image
【0045】実施例3〜13 実施例1と同様にして合成したポリマーの反応条件及び
分析結果を表1に示す。Examples 3 to 13 Table 1 shows the reaction conditions and analysis results of the polymer synthesized in the same manner as in Example 1.
【0046】[0046]
【表1】 [Table 1]
【0047】実施例14 実施例1〜13で得たポリマーにリチウム塩を溶解し、複
素インピーダンス法による交流電導度を30℃で測定した
結果を表2に示す。Example 14 Table 2 shows the results obtained by dissolving a lithium salt in the polymers obtained in Examples 1 to 13 and measuring the AC conductivity at 30 ° C. by the complex impedance method.
【0048】[0048]
【表2】 [Table 2]
【0049】実施例15 実施例13で得た環状カーボネート基、及びアリル基を
有するオリゴエチレンオキシポリホスフアゼン 100部に
過塩素酸リチウム 10部を40℃以下で超音波処理を行い
溶解し、電解質を得た。この電解質を透明であるITO
電極に挟み込み、400Wの高圧水銀灯の光を照射し、ポ
リホスフアゼンの架橋反応を行い、架橋構造を有する電
解質膜の形成を行つた。複素インピーダンス法による交
流電導度の値は 2.8×10-4S/cm(30℃)を示した。EXAMPLE 15 10 parts of lithium perchlorate was dissolved in 100 parts of the oligoethyleneoxypolyphosphazene having a cyclic carbonate group and an allyl group obtained in Example 13 by ultrasonic treatment at 40 ° C. or less, and the electrolyte was dissolved. I got This electrolyte is transparent ITO
The mixture was sandwiched between the electrodes, and irradiated with light from a 400 W high-pressure mercury lamp to cause a cross-linking reaction of polyphosphazene to form an electrolyte membrane having a cross-linked structure. The value of AC conductivity by the complex impedance method was 2.8 × 10 −4 S / cm (30 ° C.).
【0050】実施例16 実施例13で合成した環状カーボネート基、及びアリル
基を有するオリゴエチレンオキシポリホスフアゼン 40
部にプロピレンカーボネート 60部、及び、過塩素酸リ
チウム 10部を40℃以下で超音波処理を行い、電解質を
得た。この電解質を透明であるITO電極に挟み込み、
400Wの高圧水銀灯の光を照射し、ポリホスフアゼンの
架橋反応を行い、架橋構造を有する電解質膜の形成を行
つた。複素インピーダンス法による交流電導度の値は
3.0×10-3S/cm(30℃)を示し、プロピレンカーボネ
ートを含まない電解質に比べて1桁高いイオン伝導度を
示した。Example 16 Oligoethyleneoxy polyphosphazene having a cyclic carbonate group and an allyl group synthesized in Example 13
Parts were sonicated at 40 ° C. or lower with 60 parts of propylene carbonate and 10 parts of lithium perchlorate to obtain an electrolyte. This electrolyte is sandwiched between transparent ITO electrodes,
Irradiation with light from a 400 W high-pressure mercury lamp was performed to perform a cross-linking reaction of polyphosphazene, thereby forming an electrolyte membrane having a cross-linked structure. The value of AC conductivity by the complex impedance method is
It showed 3.0 × 10 −3 S / cm (30 ° C.), and showed an ionic conductivity one order of magnitude higher than that of an electrolyte containing no propylene carbonate.
【0051】実施例17 実施例2で得た環状カーボネート基を有するオリゴエチ
レンオキシポリホスフアゼン 50部に、次式(VII)で示
されるメチル基を有するオリゴエチレンオキシポリホス
フアゼン 40部及びLiBF4 10部を40℃以下で超音波処
理を行い溶解し、電解質を得た。この電解質の複素イン
ピーダンス法による交流電導度の値は2.9×10-4S/cm
(30℃)を示した。Example 17 To 50 parts of the oligoethyleneoxypolyphosphazene having a cyclic carbonate group obtained in Example 2 were added 40 parts of an oligoethyleneoxypolyphosphazene having a methyl group represented by the following formula (VII) and LiBF 4 10 parts were subjected to ultrasonic treatment at 40 ° C. or lower to dissolve, thereby obtaining an electrolyte. The value of AC conductivity of this electrolyte according to the complex impedance method is 2.9 × 10 -4 S / cm.
(30 ° C.).
【0052】[0052]
【化15】 Embedded image
【0053】実施例18 本発明による電池の一具体例として図3に示すようなシ
ート型薄膜電池を作製した。外形寸法は 5.5cm×9cmの
名刺サイズに合わせたものであり、厚さは約0.1mmのも
のである。Example 18 As a specific example of the battery according to the present invention, a sheet type thin film battery as shown in FIG. 3 was produced. The external dimensions are adapted to a business card size of 5.5 cm x 9 cm, and the thickness is about 0.1 mm.
【0054】まず、超急冷法にて得た非晶質V2O5を2
%水溶液とし、5.5cm×9cm、厚さ20μmのステンレス板
[新日本製鉄(株)]の中央部分36cm2に6.66gを均一に
塗布する。このものを80〜100℃で約1時間乾燥して膜
形成を行つた後、220℃で5時間真空乾燥したものを正
極部材とする。この部材上に、実施例2及び14で記載し
た、環状カーボネート基を有するポリホスフアゼンをベ
ースとする高分子固体電解質のジメトキシエタン溶液を
塗布し、ジメトキシエタンを除去して電解質被膜の形成
を行う。First, the amorphous V 2 O 5 obtained by the rapid quenching method was
% Aqueous solution, and 6.66 g is uniformly applied to a central portion of 36 cm 2 of a 5.5 cm × 9 cm, 20 μm thick stainless steel plate [Nippon Steel Corporation]. This was dried at 80 to 100 ° C. for about 1 hour to form a film, and then vacuum dried at 220 ° C. for 5 hours to obtain a positive electrode member. On this member, a dimethoxyethane solution of a polymer solid electrolyte based on polyphosphazene having a cyclic carbonate group described in Examples 2 and 14 is applied, and dimethoxyethane is removed to form an electrolyte film.
【0055】一方、アルゴン雰囲気中で、周辺部にポリ
オレフイン系シール材を貼付した5.5cm×9cm、厚さ20
μmのステンレス板の中央部分36cm2に厚さ30μmのリチ
ウム箔を圧着し、負極部材を別途作製する。この両極部
材を真空下に熱圧着し、シート電池を作製した。この電
池の開回路起電圧は3.90Vを示し、30℃における1.0mA
での定電流放電の結果は図4に示した様になり、電圧が
2Vに低下するまでの放電容量密度は正極活物質に対し
て、170Ah/kgであつた。更に、本電池の充放電繰り返
し試験を行つた際の10サイクルまでの状況を図5に示し
た。曲線部分のa,a'は充電後の休止期間、bは放電
状態、cは放電後の休止期間、dは充電状態である。本
電池の充放電効率は99%以上であり、電解質を含めた本
電池系は良好な充放電特性を有する二次電池であること
が確認された。On the other hand, in an argon atmosphere, a polyolefin-based sealing material was adhered to a peripheral portion of 5.5 cm × 9 cm, and a thickness of 20 cm.
A 30 μm-thick lithium foil is pressure-bonded to a central portion 36 cm 2 of a μm stainless steel plate to separately produce a negative electrode member. This bipolar member was thermocompression-bonded under vacuum to produce a sheet battery. The open circuit electromotive voltage of this battery is 3.90 V, and 1.0 mA at 30 ° C.
As a result of the constant current discharge shown in FIG. 4, the discharge capacity density until the voltage was reduced to 2 V was 170 Ah / kg with respect to the positive electrode active material. FIG. 5 shows the state of the battery up to 10 cycles when the charge / discharge repetition test was performed. In the curve portions, a and a 'represent a rest period after charging, b represents a discharging state, c represents a rest period after discharging, and d represents a charging state. The charge and discharge efficiency of the present battery was 99% or more, and it was confirmed that the present battery system including the electrolyte was a secondary battery having excellent charge and discharge characteristics.
【0056】[0056]
【発明の効果】以上説明したように、本発明の新規な環
状カーボネート基を有するオリゴエチレンオキシポリホ
スフアゼンは塩を溶解することによつて従来に比べて飛
躍的にイオン伝導度が向上し、実用に供しうる電流を流
すことができる高分子固体電解質である。As described above, the oligoethyleneoxy polyphosphazene having a novel cyclic carbonate group of the present invention has a dramatic improvement in ionic conductivity by dissolving a salt, as compared with the prior art, It is a polymer solid electrolyte that can pass a practically usable current.
【0057】従つて、本発明の環状カーボネート基を有
するオリゴエチレンオキシポリホスフアゼン及びその混
合物は高分子固体電解質として、全固体一次及び二次電
池、固体表示素子、センサー、及びキヤパシターなどの
電気化学デバイスの電解質等として電気、電子工業、化
学工業、医療用等の広い分野に応用できる。Accordingly, the oligoethyleneoxypolyphosphazene having a cyclic carbonate group of the present invention and a mixture thereof can be used as a polymer solid electrolyte in an electrochemical system such as an all-solid primary and secondary battery, a solid display element, a sensor, and a capacitor. It can be applied to a wide range of fields such as electric, electronic, chemical, and medical applications as an electrolyte for devices.
【図1】実施例1のGFC分析の結果を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing the results of a GFC analysis of Example 1.
【図2】実施例2のGFC分析の結果を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing the results of a GFC analysis of Example 2.
【図3】本発明の電池の一具体例の断面概略図である。FIG. 3 is a schematic sectional view of a specific example of the battery of the present invention.
【図4】実施例18の電池の30℃における0.5mAでの定電
流放電の結果を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing the results of constant current discharge at 0.5 mA at 30 ° C. of the battery of Example 18.
【図5】実施例18の電池の充放電試験を行つた結果を示
す図である。FIG. 5 is a view showing a result of conducting a charge / discharge test of the battery of Example 18.
1……V2O5膜 2……金属リチウム 3……有機固体電解質膜 4……ステンレス箔 5……シール材1 ...... V 2 O 5 film 2 ...... metal lithium 3 ...... organic solid electrolyte membrane 4 ...... stainless steel foil 5 ...... sealant
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C08G 79/00 - 79/04 CA(STN)──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (58) Field surveyed (Int. Cl. 7 , DB name) C08G 79/00-79/04 CA (STN)
Claims (3)
環状カーボネート基を有するオリゴエチレンオキシポリ
ホスフアゼン。 【化1】 〔式中、XおよびYは同一又は異なつて、基(A)又は
基(B)を示す。 【化2】 −O(CH2CH2O)kR (B) Rはメチル基、エチル基、プロピル基、又はアリル基を
示し、これらは同一でも異なつていてもよい。h、及び
kはエチレンオキシ単位の平均の繰り返し数を示し、そ
れぞれ、0≦h≦15、及び0≦k≦15である。mは3〜200
000の整数を示す。但し、m個の繰り返し単位のうち少な
くとも1個の繰り返し単位は、X及びYの一方が基
(A)であり、他方が基(B)である。〕1. An oligoethyleneoxy polyphosphazene having a cyclic carbonate group on a side chain substituent represented by the general formula (I). Embedded image [Wherein, X and Y are the same or different and each represents a group (A) or a group (B). Embedded image -O (CH 2 CH 2 O) kR (B) R is a methyl group, an ethyl group, a propyl group, or an allyl group, these may be different from one in the same. h, and
k indicates the average number of repetitions of the ethyleneoxy unit, and 0 ≦ h ≦ 15 and 0 ≦ k ≦ 15, respectively. m is 3 to 200
Indicates an integer of 000. However, in at least one of the m repeating units, one of X and Y is a group (A), and the other is a group (B). ]
ニトリルと一般式(III)及び、一般式(IV)の化合物
と反応させて一旦置換反応生成物を得て、次に側鎖置換
基上のアセトニド基を加水分解にすることによりジオー
ル誘導体となし、引き続き、閉環反応を行いカーボネー
ト基を導入することを特徴とする請求項1のポリホスフ
アゼンの製法。 【化3】 (式中、mは3〜200000の整数である。) MO(CH2CH2O)kR (III) (式中、kはエチレンオキシ単位の平均の繰り返し数を
示し、0≦k≦15である。Mはアルカリ金属を示す。) 【化4】 (式中、hはエチレンオキシ単位の平均の繰り返し数を
示し、 0≦h≦15である。Mはアルカリ金属を示す。)2. A polyphosphonitrile chloride represented by the general formula (II) is reacted with a compound represented by the general formula (III) or (IV) to once obtain a substitution reaction product, 2. The process for producing a polyphosphazene according to claim 1, wherein the acetonide group on the group is hydrolyzed to form a diol derivative, followed by a ring closure reaction to introduce a carbonate group. Embedded image (In the formula, m is an integer of 3 to 200,000.) MO (CH 2 CH 2 O) kR (III) (where k represents the average number of repeating ethyleneoxy units, and 0 ≦ k ≦ 15. M is an alkali metal.) (In the formula, h represents the average number of repeating ethyleneoxy units, and 0 ≦ h ≦ 15. M represents an alkali metal.)
池。3. A battery using the polyphosphazene according to claim 1.
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JP19407193A JP3161881B2 (en) | 1993-07-08 | 1993-07-08 | Oligoethyleneoxy polyphosphazenes having cyclic carbonate groups and their production and use |
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