JP2009163918A - Composite of copolymer and carbon material and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、プロトン移動型電池の電極材料に使用するための複合物、及びその製造方法
に関する。
すなわち本発明では電極活物質として使用することを目的とし、プロトンの挿入/放出
容量が大きいキノキサリン骨格を含み、さらに耐熱性に優れたベンズイミダゾール骨格も
含む共重合体と導電性炭素材料との複合物、及びその製造方法に関する。
The present invention relates to a composite for use as an electrode material for a proton transfer battery and a method for producing the same.
That is, in the present invention, a composite of a conductive carbon material and a copolymer containing a quinimidazoline skeleton having a large proton insertion / release capacity and also a benzimidazole skeleton having excellent heat resistance is intended for use as an electrode active material. The present invention relates to a product and a manufacturing method thereof.
近年のニッケル/水素電池、Liイオン二次電池等の新型二次電池はその高エネルギー
密度という特徴から最近急速に小形携帯機器に搭載され、急激な伸びを示している。特に
Liイオン電池を用いると機器の軽量小形薄型化がさらに進み二次電池の主流となってい
る。例えば、LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4、MoS2等の金属酸化物、金属
硫化物を正極として用い、リチウム、リチウム合金、リチウムイオンを吸蔵放出できる炭
素材料や無機化合物を負極として用い、有機系電解液を用いたリチウムイオン電池が多く
研究されている。しかしながら、これらリチウム系電池は水分や空気に活性で酸化されや
すいリチウム及び/またはリチウム系化合物を用いているため、短絡、高温、液漏れ、開
封時等の安全性、信頼性が心配され、セパレータの工夫、PTC素子の組み込み、封止等
種々の方法で安全対策が講じられている。
In recent years, new secondary batteries such as nickel / hydrogen batteries and Li-ion secondary batteries have been rapidly mounted on small portable devices due to their high energy density, and have shown rapid growth. In particular, when a Li-ion battery is used, the light weight, small size, and thickness of the device are further advanced, and the secondary battery has become the mainstream. For example, LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMn 2 O 4 , MoS 2 and other metal oxides, metal sulfides are used as positive electrodes, lithium, lithium alloys, carbon materials and inorganic compounds that can occlude and release lithium ions are used as negative electrodes, Many researches have been made on lithium ion batteries using organic electrolytes. However, since these lithium-based batteries use lithium and / or lithium-based compounds that are active and easily oxidized in moisture and air, there are concerns about safety and reliability at the time of short circuit, high temperature, liquid leakage, opening, etc. Safety measures have been taken in various ways, such as ingenuity, PTC element incorporation, and sealing.
一方、上記Liイオン電池等の新型電池の欠点である安全性、高速電流特性等を改良す
ることを意図したプロトン電池が提案されている(特許文献1)。プロトン電池は、安全
性、信頼性、電流特性に優れ、長寿命である等の特徴がある。これら電池の電極活物質と
しては、ポリピリジン系、ポリピリミジン系、スルホン酸側鎖系、ヒドロキノン系高分子
もしくはマンガン酸化物、またはこれらの組合せが提案されている。これらはプロトンの
挿入/放出を容易に行える為、安全性、高速電流特性に優れた二次電池を得ることができ
たが、プロトンの挿入/放出容量が不十分な為、電池のエネルギー密度が従来の新型電池
に対して大きく劣っていた(特許文献2)。負極にポリフェニルキノキサリン(PPQ)
を用い、かつ粉末状炭素とポリフェニルキノキサリンを複合することにより、十分なエネ
ルギー密度、起電力、サイクル性が達成され実用に供することができた(特許文献3)。
しかしポリフェフェニルキノキサリンを電極活物質としたプロトン電池は、熱により劣化
するという問題があった。
In addition, by combining powdered carbon and polyphenylquinoxaline, sufficient energy density, electromotive force, and cycleability were achieved, which could be put to practical use (Patent Document 3).
However, a proton battery using polyfephenylquinoxaline as an electrode active material has a problem that it deteriorates due to heat.
本発明は、従来検討されているポリフェニルキノキサリンより耐熱性の高い骨格を化合
物の分子中に導入し、さらに電気化学的性能においても優れるプロトン電池負極活物質用
のキノキサリン骨格含有化合物を含む複合体を提供することにある。
The present invention is a composite comprising a quinoxaline skeleton-containing compound for a proton battery negative electrode active material, in which a skeleton having higher heat resistance than that of polyphenylquinoxaline, which has been studied in the past, is introduced into the molecule of the compound and is excellent in electrochemical performance. Is to provide.
本発明者らは上記課題に鑑み鋭意検討した結果、電極活物質として従来検討されている
ポリフェニルキノキサリンに耐熱性高分子として知られているポリベンズイミダゾールを
組み込む方法を見出し、この方法により得られた共重合体と導電性炭素材料との複合物を
使用した電極活物質が導電率や容量等の電気化学特性の点でも優れていることを見出した
。
As a result of intensive studies in view of the above problems, the present inventors have found a method of incorporating polybenzimidazole, which is known as a heat-resistant polymer, into polyphenylquinoxaline, which has been conventionally studied as an electrode active material, and obtained by this method. It has been found that an electrode active material using a composite of a copolymer and a conductive carbon material is excellent in terms of electrochemical properties such as conductivity and capacity.
すなわち、本発明は下記[1]〜[23]の複合物およびその製造法に関する。
[1]一般式(2)
That is, the present invention relates to the following composites [1] to [23] and a method for producing the same.
[1] General formula (2)
(式中R1およびR4は、それぞれ独立に、水素原子、アルキル基、アリール基またはアル
コキシ基を表す。)で表されるキノキサリン構造単位及び一般式(3)
(Wherein R 1 and R 4 each independently represents a hydrogen atom, an alkyl group, an aryl group or an alkoxy group) and a quinoxaline structural unit represented by the general formula (3)
(式中、R1は水素原子、アルキル基、アリール基またはアルコキシ基を表す。)で表さ
れるベンズイミダゾール構造単位を含む共重合体;と、
導電性炭素材料;
との複合物。
[2][1]に記載の共重合体が、下記一般式 (6)
(Wherein R 1 represents a hydrogen atom, an alkyl group, an aryl group or an alkoxy group), a copolymer containing a benzimidazole structural unit represented by:
Conductive carbon materials;
And composites.
[2] The copolymer according to [1] is represented by the following general formula (6)
(式中、R1、R2およびR3は、それぞれ独立に、水素原子、アルキル基、アリール基
またはアルコキシ基を表し、mおよびnはそれぞれ独立に6以上150以下の整数を表す
。)で表されるフェニルキノキサリン構造単位及びフェニルベンズイミダゾール構造単位
を含む共重合体であることを特徴とする複合物。
[3]1,2−ジケトン構造を分子内に2つ有するテトラカルボニル化合物、ジアルデヒ
ド化合物及び一般式(1)
(Wherein R 1 , R 2 and R 3 each independently represents a hydrogen atom, an alkyl group, an aryl group or an alkoxy group, and m and n each independently represents an integer of 6 to 150). A composite comprising a phenylquinoxaline structural unit and a phenylbenzimidazole structural unit represented by:
[3] Tetracarbonyl compound having two 1,2-diketone structures in the molecule, dialdehyde compound and general formula (1)
(式中、R1は水素原子、アルキル基、アリール基またはアルコキシ基を表す。)で表さ
れるテトラアミン化合物を酸化剤及び導電性炭素材料の存在下に脱水共縮重合することを
特徴とする、
一般式(2)
(Wherein R 1 represents a hydrogen atom, an alkyl group, an aryl group, or an alkoxy group). A dehydration copolycondensation polymerization is performed in the presence of an oxidizing agent and a conductive carbon material. ,
General formula (2)
(式中R1およびR4は、それぞれ独立に、水素原子、アルキル基、アリール基またはアル
コキシ基を表す。)で表されるキノキサリン構造単位及び一般式(3)
(Wherein R 1 and R 4 each independently represents a hydrogen atom, an alkyl group, an aryl group or an alkoxy group) and a quinoxaline structural unit represented by the general formula (3)
(式中、R1は水素原子、アルキル基、アリール基またはアルコキシ基を表す。)で表さ
れるベンズイミダゾール構造単位を含む共重合体と導電性炭素材料との複合物の製造方法
。
[4]前記テトラカルボニル化合物が、下記一般式(4)
(Wherein R 1 represents a hydrogen atom, an alkyl group, an aryl group or an alkoxy group). A method for producing a composite of a copolymer containing a benzimidazole structural unit represented by
[4] The tetracarbonyl compound is represented by the following general formula (4):
(式中、R2は水素原子、アルキル基、アリール基またはアルコキシ基を表す。)で表さ
れるテトラカルボニル化合物であり、
前記ジアルデヒド化合物が下記一般式(5)
(Wherein R 2 represents a hydrogen atom, an alkyl group, an aryl group or an alkoxy group),
The dialdehyde compound is represented by the following general formula (5)
(式中、R3は水素原子、アルキル基、アリール基またはアルコキシ基を表す。)で表さ
れるジアルデヒド化合物であり、かつ、
前記共重合体が、下記一般式 (6)
(Wherein R 3 represents a hydrogen atom, an alkyl group, an aryl group or an alkoxy group), and
The copolymer is represented by the following general formula (6)
(式中、R1、R2およびR3は、それぞれ独立に、水素原子、アルキル基、アリール基ま
たはアルコキシ基を表し、mおよびnはそれぞれ独立に6以上150以下の整数を表す。
)で表される共重合体である
ことを特徴とする[3]に記載の製造方法。
[5]前記テトラカルボニル化合物と、前記テトラカルボニル化合物に対して過剰量の前
記テトラアミン化合物とをあらかじめ反応させて、キノキサリン骨格を有するオリゴマー
とテトラアミン化合物との混合物を形成した後、前記ジアルデヒド化合物を導電性炭素材
料及び酸化剤の存在下に反応させて脱水共縮重合を行うことを特徴とする[3]または[
4]に記載の製造方法。
[6]前記ジアルデヒド化合物と、前記ジアルデヒド化合物に対して過剰量の前記テトラ
アミン化合物とを酸化剤の存在下にあらかじめ反応させて、フェニルベンズイミダゾール
骨格を有するオリゴマーとテトラアミン化合物との混合物を形成した後、前記テトラカル
ボニル化合物を導電性炭素材料の存在下に反応させて脱水共縮重合を行うことを特徴とす
る[3]または[4]に記載の製造方法。
[7]前記テトラカルボニル化合物と、前記テトラカルボニル化合物に対して過剰量の前
記テトラアミン化合物とを導電性炭素材料の存在下にあらかじめ反応させて、キノキサリ
ン骨格を有するオリゴマーが被覆した導電性炭素材料とテトラアミン化合物との混合物を
形成した後、前記ジアルデヒド化合物を酸化剤の存在下に反応させて脱水共縮重合を行う
ことを特徴とする[3]または[4]に記載の製造方法。
[8]前記ジアルデヒド化合物と、前記ジアルデヒド化合物に対して過剰量の前記テトラ
アミン化合物とを導電性炭素材料及び酸化剤の存在下にあらかじめ反応させて、フェニル
ベンズイミダゾール骨格を有するオリゴマーが被覆した導電性炭素材料とテトラアミン化
合物との混合物を形成した後、前記テトラカルボニル化合物を反応させて脱水共縮重合を
行うことを特徴とする[3]または[4]に記載の製造方法。
[9]重合が溶媒の存在下に行われることを特徴とする[3]から[8]のいずれかに記
載の製造方法。
[10]重合開始時における溶媒中の前記テトラカルボニル化合物、前記ジアルデヒド化
合物及び前記テトラアミン化合物からなる総モノマーの濃度が5質量%以上40質量%以
下であることを特徴とする[9]に記載の製造方法。
[11]溶媒がN,N−ジメチルホルムアミドであることを特徴とする[9]または[1
0]に記載の製造方法。
[12]重合温度が100℃以上150℃以下であることを特徴とする[9]〜[11]
のいずれかに記載の製造方法。
[13]前記テトラカルボニル化合物が、芳香族テトラカルボニル化合物である[3]〜
[12]のいずれかに記載の製造方法。
[14]前記テトラカルボニル化合物が、ビス−(フェニルグリオキシロイル)ベンゼン
である[3]〜[12]のいずれかに記載の製造方法。
[15]前記ジアルデヒド化合物が、芳香族ジアルデヒド化合物である[3]〜[14]
のいずれかに記載の製造方法。
[16]前記ジアルデヒド化合物が、テレフタルアルデヒドとイソフタルアルデヒドとの
いずれかである[3]〜[14]に記載の製造方法。
[17]前記テトラアミン化合物が、芳香族アミン化合物である[3]〜[16]のいず
れかに記載の製造方法。
[18]前記テトラアミン化合物が、3,3’−ジアミノベンジジンである[3]〜[1
6]のいずれかに記載の共重合体の製造方法。
[19]酸化剤が空気である[3]〜[18]のいずれかに記載の製造方法。
[20]前記導電性炭素材料がケッチェンブラックである[3]〜[19]のいずれかに
記載の製造方法。
[21]反応後において、反応混合物を濾別後アルコール系溶媒で洗浄する段階をさらに
含むことを特徴とする[3]〜[20]のいずれかに記載の製造方法。
[22][3]〜[21]のいずれかに記載の製造方法で得られる複合物。
[23][1]、[2]及び[22]のいずれかに記載の複合物を電極として用いたプロ
トン移動型電池。
(In the formula, R 1 , R 2 and R 3 each independently represents a hydrogen atom, an alkyl group, an aryl group or an alkoxy group, and m and n each independently represents an integer of 6 or more and 150 or less.
The production method according to [3], which is a copolymer represented by
[5] The tetracarbonyl compound is reacted in advance with an excess of the tetraamine compound relative to the tetracarbonyl compound to form a mixture of an oligomer having a quinoxaline skeleton and a tetraamine compound, and then the dialdehyde compound is [3] or [3], wherein dehydration copolycondensation is performed by reacting in the presence of a conductive carbon material and an oxidizing agent.
4].
[6] A mixture of an oligomer having a phenylbenzimidazole skeleton and a tetraamine compound is formed by previously reacting the dialdehyde compound with an excess of the tetraamine compound in the presence of an oxidizing agent. Then, the tetracarbonyl compound is reacted in the presence of a conductive carbon material to perform dehydration copolycondensation, [3] or [4].
[7] A conductive carbon material coated with an oligomer having a quinoxaline skeleton by reacting the tetracarbonyl compound and an excess amount of the tetraamine compound with respect to the tetracarbonyl compound in the presence of a conductive carbon material in advance. The method according to [3] or [4], wherein after forming a mixture with a tetraamine compound, the dialdehyde compound is reacted in the presence of an oxidizing agent to perform dehydration copolycondensation.
[8] The dialdehyde compound and an excess of the tetraamine compound relative to the dialdehyde compound are reacted in advance in the presence of a conductive carbon material and an oxidizing agent to coat the oligomer having a phenylbenzimidazole skeleton. The method according to [3] or [4], wherein after forming a mixture of a conductive carbon material and a tetraamine compound, the tetracarbonyl compound is reacted to perform dehydration copolycondensation.
[9] The production method according to any one of [3] to [8], wherein the polymerization is performed in the presence of a solvent.
[10] The method according to [9], wherein the concentration of the total monomer composed of the tetracarbonyl compound, the dialdehyde compound and the tetraamine compound in the solvent at the start of polymerization is 5% by mass or more and 40% by mass or less. Manufacturing method.
[11] The solvent is N, N-dimethylformamide [9] or [1
0].
[12] The polymerization temperature is from 100 ° C. to 150 ° C. [9] to [11]
The manufacturing method in any one of.
[13] The tetracarbonyl compound is an aromatic tetracarbonyl compound [3] to [3]
[12] The production method according to any one of [12].
[14] The production method according to any one of [3] to [12], wherein the tetracarbonyl compound is bis- (phenylglyoxyloyl) benzene.
[15] The dialdehyde compound is an aromatic dialdehyde compound [3] to [14]
The manufacturing method in any one of.
[16] The production method according to [3] to [14], wherein the dialdehyde compound is either terephthalaldehyde or isophthalaldehyde.
[17] The production method according to any one of [3] to [16], wherein the tetraamine compound is an aromatic amine compound.
[18] The tetraamine compound is 3,3′-diaminobenzidine [3] to [1
6] The method for producing a copolymer according to any one of the above.
[19] The production method according to any one of [3] to [18], wherein the oxidizing agent is air.
[20] The production method according to any one of [3] to [19], wherein the conductive carbon material is ketjen black.
[21] The production method according to any one of [3] to [20], further comprising a step of, after the reaction, separating the reaction mixture by filtration and washing with an alcohol solvent.
[22] A composite obtained by the production method according to any one of [3] to [21].
[23] A proton transfer battery using the composite according to any one of [1], [2] and [22] as an electrode.
本発明のキノキサリン骨格及びベンズイミダゾール骨格を有する共重合体と導電性炭素
材料との複合物は、耐熱性の高い骨格を有しており、電気化学特性の点では従来のキノキ
サリン骨格のみを有する高分子を導電性炭素材料に複合した物と同等の性能を示す。
The composite of the copolymer having a quinoxaline skeleton and a benzimidazole skeleton according to the present invention and a conductive carbon material has a high heat-resistant skeleton, and in terms of electrochemical properties, the composite having only a conventional quinoxaline skeleton. It shows the same performance as a compound in which molecules are combined with a conductive carbon material.
以下に本発明の具体的内容を詳細に説明する。
キノキサリン構造単位及びベンズイミダゾール構造単位を含む共重合体と導電性炭素材
料との複合物及びその製造方法、及びこれらの原料について説明する。
The specific contents of the present invention will be described in detail below.
A composite of a copolymer containing a quinoxaline structural unit and a benzimidazole structural unit and a conductive carbon material, a production method thereof, and raw materials thereof will be described.
<共重合体と導電性炭素材料との複合物>
本発明の複合物において導電性炭素材料と複合される共重合体は、一般式(2)
<Composite of copolymer and conductive carbon material>
The copolymer compounded with the conductive carbon material in the composite of the present invention has the general formula (2)
(式中R1およびR4は、それぞれ独立に、水素原子、アルキル基、アリール基またはアル
コキシ基を表す。)
で表されるキノキサリン構造単位および一般式(3)
(In the formula, R 1 and R 4 each independently represents a hydrogen atom, an alkyl group, an aryl group or an alkoxy group.)
A quinoxaline structural unit represented by the general formula (3)
(式中、R1は水素原子、アルキル基、アリール基またはアルコキシ基を表す。)
で表されるベンズイミダゾール構造単位を含み、1,2−ジケトン構造を分子内に2つ有
するテトラカルボニル化合物とジアルデヒド化合物と一般式(1)
(In the formula, R 1 represents a hydrogen atom, an alkyl group, an aryl group or an alkoxy group.)
A tetracarbonyl compound, a dialdehyde compound, and a general formula (1) having a benzimidazole structural unit represented by
(式中、R1は水素原子、アルキル基、アリール基またはアルコキシ基を表す。)
で表されるテトラアミン化合物とを酸化剤の存在下に脱水共縮重合することにより合成さ
れる。この共重合体は、下記一般式 (6)
(In the formula, R 1 represents a hydrogen atom, an alkyl group, an aryl group or an alkoxy group.)
Is synthesized by dehydration copolycondensation in the presence of an oxidizing agent. This copolymer has the following general formula (6)
(式中、R1、R2およびR3は、それぞれ独立に、水素原子、アルキル基、アリール基ま
たはアルコキシ基を表し、mおよびnはそれぞれ独立に6以上150以下の整数を表す。
)で表される共重合体であることが好ましい。前記式(6)において、好ましいR1、R2
及びR3は、それぞれ独立に、水素原子、メチル基、エチル基またはフェニル基である。
本発明の複合物は、導電性炭素材料の存在下で上記共重合体を合成することにより、キノ
キサリン構造単位及びベンズイミダゾール構造単位を有する共重合体と導電性炭素材料と
の複合物として製造される。ここで複合物とは、導電性炭素材料表面を該共重合体が被覆
していたり、導電性炭素材料と該共重合物とが混合したりする状態の総称を意味する。
(In the formula, R 1 , R 2 and R 3 each independently represents a hydrogen atom, an alkyl group, an aryl group or an alkoxy group, and m and n each independently represents an integer of 6 or more and 150 or less.
It is preferable that it is a copolymer represented by this. In the formula (6), preferred R 1 and R 2
And R 3 each independently represents a hydrogen atom, a methyl group, an ethyl group or a phenyl group.
The composite of the present invention is produced as a composite of a copolymer having a quinoxaline structural unit and a benzimidazole structural unit and a conductive carbon material by synthesizing the copolymer in the presence of a conductive carbon material. The Here, the composite means a generic name of a state in which the surface of the conductive carbon material is covered with the copolymer or the conductive carbon material and the copolymer are mixed.
脱水共縮重合の方法としては、全ての原料を一括に添加して酸化剤の存在下に共縮重合
を行うことにより、キノキサリン構造単位とベンズイミダゾール構造単位とを含む共重合
体を合成することができる。
As a method of dehydration copolycondensation, a copolymer containing a quinoxaline structural unit and a benzimidazole structural unit is synthesized by adding all raw materials at once and performing copolycondensation in the presence of an oxidizing agent. Can do.
また、テトラカルボニル化合物とテトラアミン化合物とを先に反応させてキノキサリン
骨格を有するオリゴマーを形成した後、ジアルデヒド化合物を酸化剤の存在下に共縮重合
させることによりキノキサリン構造単位とベンズイミダゾール構造単位を含む共重合体を
合成してもよい。この場合、テトラカルボニル化合物とテトラアミン化合物との反応にお
いて、テトラカルボニル化合物に対してテトラアミン化合物を過剰量用いてもよい。
In addition, after reacting a tetracarbonyl compound and a tetraamine compound in advance to form an oligomer having a quinoxaline skeleton, a dialdehyde compound is co-condensed in the presence of an oxidizing agent to form a quinoxaline structural unit and a benzimidazole structural unit. You may synthesize | combine the containing copolymer. In this case, an excess amount of the tetraamine compound may be used with respect to the tetracarbonyl compound in the reaction of the tetracarbonyl compound and the tetraamine compound.
さらに、ジアルデヒド化合物とテトラアミン化合物とを酸化剤の存在下に反応させてベ
ンズイミダゾール骨格を有するオリゴマーを形成した後、テトラアミン化合物を共縮重合
させることによりキノキサリン構造単位とベンズイミダゾール構造単位を含む共重合体を
合成してもよい。この場合、ジアルデヒド化合物とテトラアミン化合物との反応において
、ジアルデヒド化合物に対してテトラアミン化合物を過剰量用いてもよい。
Further, after reacting a dialdehyde compound and a tetraamine compound in the presence of an oxidizing agent to form an oligomer having a benzimidazole skeleton, the tetraamine compound is co-condensed to form a copolymer containing a quinoxaline structural unit and a benzimidazole structural unit. A polymer may be synthesized. In this case, an excess amount of the tetraamine compound relative to the dialdehyde compound may be used in the reaction between the dialdehyde compound and the tetraamine compound.
また、本発明に係る複合物を得る目的で、導電性炭素材料の存在下に脱水共縮重合を行
う場合も、前記の共重合体の合成の場合と同様に反応を行うことができる。このとき、導
電性炭素材料の添加を任意の段階にて行うことができる。
In addition, when dehydrating copolycondensation is performed in the presence of a conductive carbon material for the purpose of obtaining a composite according to the present invention, the reaction can be performed in the same manner as in the case of synthesizing the copolymer. At this time, the conductive carbon material can be added at any stage.
すなわち、該共重合体と導電性炭素材料との複合物を製造するときは、全ての原料を一
括に添加して酸化剤の存在下に脱水共縮重合を行う際に導電性炭素材料を添加することに
より、キノキサリン構造単位とベンズイミダゾール構造単位を含む共重合体が導電性炭素
材料の表面に被覆した複合物を製造することができる。
That is, when producing a composite of the copolymer and a conductive carbon material, the conductive carbon material is added when performing dehydration copolycondensation in the presence of an oxidizing agent by adding all raw materials at once. By doing so, a composite in which the surface of the conductive carbon material is coated with a copolymer containing a quinoxaline structural unit and a benzimidazole structural unit can be produced.
また、第2の反応態様として、テトラカルボニル化合物とテトラアミン化合物とを先に
反応させてキノキサリン骨格を有するオリゴマーを形成した後、ジアルデヒド化合物を酸
化剤と導電性炭素材料との存在下に脱水共縮重合させることによりキノキサリン構造単位
とベンズイミダゾール構造単位を含む共重合体が導電性炭素材料の表面に被覆した複合物
を製造することができる。この場合、テトラカルボニル化合物とテトラアミン化合物との
反応において、テトラカルボニル化合物に対してテトラアミン化合物を過剰量用いてもよ
い。
As a second reaction mode, a tetracarbonyl compound and a tetraamine compound are reacted first to form an oligomer having a quinoxaline skeleton, and then the dialdehyde compound is dehydrated in the presence of an oxidizing agent and a conductive carbon material. By performing condensation polymerization, a composite in which a copolymer containing a quinoxaline structural unit and a benzimidazole structural unit is coated on the surface of a conductive carbon material can be produced. In this case, an excess amount of the tetraamine compound may be used with respect to the tetracarbonyl compound in the reaction of the tetracarbonyl compound and the tetraamine compound.
また、第3の反応態様として、ジアルデヒド化合物とテトラアミン化合物を酸化剤の存
在下に反応させてベンズイミダゾール骨格を有するオリゴマーを形成した後、導電性炭素
材料を添加してテトラカルボニル化合物を脱水共縮重合させることによりキノキサリン構
造単位とベンズイミダゾール構造単位を含む共重合体が導電性炭素材料の表面に被覆した
複合物を合成してもよい。この場合、ジアルデヒド化合物とテトラアミン化合物との反応
において、ジアルデヒド化合物に対してテトラアミン化合物を過剰量用いてもよい。
As a third reaction mode, a dialdehyde compound and a tetraamine compound are reacted in the presence of an oxidizing agent to form an oligomer having a benzimidazole skeleton, and then a conductive carbon material is added to dehydrate the tetracarbonyl compound. You may synthesize | combine the composite_body | complex which coat | covered the surface of the conductive carbon material with the copolymer containing a quinoxaline structural unit and a benzimidazole structural unit by making it polycondensate. In this case, an excess amount of the tetraamine compound relative to the dialdehyde compound may be used in the reaction between the dialdehyde compound and the tetraamine compound.
また、第4の反応態様として、導電性炭素材料の存在下にテトラカルボニル化合物とテ
トラアミン化合物を先に反応させてキノキサリン骨格を有するオリゴマーを導電性炭素材
料の表面に被覆した後、ジアルデヒド化合物を酸化剤の存在下に脱水共縮重合させること
によりキノキサリン構造単位とベンズイミダゾール構造単位を含む共重合体が導電性炭素
材料の表面に被覆した複合物を合成することができる。この場合、テトラカルボニル化合
物とテトラアミン化合物との反応において、テトラカルボニル化合物に対してテトラアミ
ン化合物を過剰量用いてもよい。
Further, as a fourth reaction mode, a tetracarbonyl compound and a tetraamine compound are first reacted in the presence of a conductive carbon material to coat an oligomer having a quinoxaline skeleton on the surface of the conductive carbon material, and then a dialdehyde compound is added. By dehydrating copolycondensation in the presence of an oxidizing agent, a composite in which a copolymer containing a quinoxaline structural unit and a benzimidazole structural unit is coated on the surface of a conductive carbon material can be synthesized. In this case, an excess amount of the tetraamine compound may be used with respect to the tetracarbonyl compound in the reaction of the tetracarbonyl compound and the tetraamine compound.
さらに、第5の反応態様として、導電性炭素材料の存在下にジアルデヒド化合物とテト
ラアミン化合物を酸化剤と共に反応させてベンズイミダゾール骨格を有するオリゴマーを
導電性炭素材料の表面に被覆した後、テトラカルボニル化合物を脱水共縮重合させること
によりキノキサリン構造単位とベンズイミダゾール構造単位を含む共重合体が導電性炭素
材料の表面に被覆した複合物を合成してもよい。この場合、ジアルデヒド化合物とテトラ
アミン化合物との反応において、ジアルデヒド化合物に対してテトラアミン化合物を過剰
量用いてもよい。
Furthermore, as a fifth reaction mode, after reacting a dialdehyde compound and a tetraamine compound together with an oxidizing agent in the presence of a conductive carbon material to coat an oligomer having a benzimidazole skeleton on the surface of the conductive carbon material, tetracarbonyl A compound in which a copolymer containing a quinoxaline structural unit and a benzimidazole structural unit is coated on the surface of a conductive carbon material may be synthesized by dehydrating copolycondensation of the compound. In this case, an excess amount of the tetraamine compound relative to the dialdehyde compound may be used in the reaction between the dialdehyde compound and the tetraamine compound.
<各構成成分>
本発明で使用されるテトラカルボニル化合物としては、1,2−ジケトン構造を分子内
に2つ有する化合物であればよく、好適には芳香族カルボニル化合物を、より好適には、
下記式(4)
<Each component>
The tetracarbonyl compound used in the present invention may be a compound having two 1,2-diketone structures in the molecule, preferably an aromatic carbonyl compound, more preferably,
Following formula (4)
(式中、R2は水素原子、アルキル基、アリール基またはアルコキシ基を表す。)で表さ
れるテトラカルボニル化合物を使用することができる。前記式(4)において、好ましい
R2は、水素原子、メチル基、エチル基またはフェニル基である。この具体例としては1
,4−ビス−(フェニルグリオキシロイル)ベンゼンや、1,3−ビス−(フェニルグリ
オキシロイル)ベンゼン及びこのアルキル、アルコキシ、ハロゲン、スルホン酸、ニトロ
基置換体などが挙げられる。
A tetracarbonyl compound represented by the formula (wherein R 2 represents a hydrogen atom, an alkyl group, an aryl group or an alkoxy group) can be used. In the formula (4), R 2 is preferably a hydrogen atom, a methyl group, an ethyl group or a phenyl group. A specific example is 1
, 4-bis- (phenylglyoxyloyl) benzene, 1,3-bis- (phenylglyoxyloyl) benzene and its alkyl, alkoxy, halogen, sulfonic acid, and nitro group-substituted products.
本発明で使用されるジアルデヒド化合物としては、好適には芳香族ジアルデヒド化合物
を、より好適には下記式(5)
The dialdehyde compound used in the present invention is preferably an aromatic dialdehyde compound, more preferably the following formula (5).
(式中、R3は水素原子、アルキル基、アリール基またはアルコキシ基を表す。)で表さ
れるジアルデヒド化合物を使用することができる。前記式(5)において、好ましいR3
は、水素原子、メチル基、エチル基またはフェニル基である。この具体例としては、テレ
フタルアルデヒド、イソフタルアルデヒドなどが挙げられる。
(In the formula, R 3 represents a hydrogen atom, an alkyl group, an aryl group, or an alkoxy group). In the formula (5), preferred R 3
Is a hydrogen atom, a methyl group, an ethyl group or a phenyl group. Specific examples thereof include terephthalaldehyde and isophthalaldehyde.
本発明で使用されるテトラアミン化合物としては、1,2−ジアミン構造を分子内に2
つ有する芳香族アミン化合物であればよく、下記一般式(1)
The tetraamine compound used in the present invention has a 1,2-diamine structure in the molecule.
The aromatic amine compound may be any one having the following general formula (1)
(式中、R1は水素原子、アルキル基、アリール基またはアルコキシ基を表す。)で示さ
れるテトラアミン化合物が好適に使用される。前記式(1)において、好ましいR1は、
水素原子、メチル基、エチル基またはフェニル基である。この具体例としては3,3’−
ジアミノベンジジン及びこのアルキル、アルコキシ、ハロゲン、スルホン酸、ニトロ基置
換体が挙げられる。
A tetraamine compound represented by the formula (wherein R 1 represents a hydrogen atom, an alkyl group, an aryl group or an alkoxy group) is preferably used. In the formula (1), preferred R 1 is
A hydrogen atom, a methyl group, an ethyl group or a phenyl group; Specific examples of this are 3, 3'-
Examples include diaminobenzidine and its alkyl, alkoxy, halogen, sulfonic acid, and nitro group-substituted products.
本発明で使用される酸化剤としては、アルデヒドと1,2−ジアミンが脱水反応するこ
とにより得られるベンジリデン型の化合物を酸化してイミダゾール環を生成することので
きる酸化剤であればよく、簡便な酸化剤として空気が好適に用いられる。その他、酸素を
用いることもできる。
The oxidizing agent used in the present invention may be any oxidizing agent that can oxidize a benzylidene type compound obtained by dehydration reaction of an aldehyde and 1,2-diamine to form an imidazole ring. Air is preferably used as a suitable oxidizing agent. In addition, oxygen can also be used.
本発明のキノキサリン構造単位とベンズイミダゾール構造単位を含む共重合体と複合す
る導電性炭素材料は、単体の炭素を主成分とするものであり、その中でも導電性が高く、
比表面積が大きく、粒径が小さいものが好ましい。但し比表面積が大きすぎる及び/また
は粒径が小さすぎると、活性が高くなり、副反応を起こしやすく、また、嵩高くなり体積
あたりのエネルギー密度(Wh/L)が小さくなることもある。従ってこれらの好ましい範
囲としては、導電率は室温で0.1S/cm以上、比表面積はBET法で1000以上1
00000m2/g以下、平均粒径は1μm以上20μm以下である。ここで、平均粒径と
は、遠心沈降型粒度分布計によって測定された2次凝集粒径を指す。
The conductive carbon material combined with the copolymer containing the quinoxaline structural unit and the benzimidazole structural unit of the present invention is mainly composed of a single carbon, and among them, the conductivity is high,
Those having a large specific surface area and a small particle size are preferred. However, if the specific surface area is too large and / or the particle size is too small, the activity becomes high and side reactions are likely to occur, and the bulk becomes high and the energy density per volume (Wh / L) may be reduced. Therefore, as these preferable ranges, the electrical conductivity is 0.1 S / cm or more at room temperature, and the specific surface area is 1000 or more 1 by the BET method.
00000 m 2 / g or less, and the average particle size is 1 μm or more and 20 μm or less. Here, the average particle size refers to the secondary agglomerated particle size measured by a centrifugal sedimentation type particle size distribution meter.
これら導電性炭素材料の具体例としてはケッチェンブラック、アセチレンブラック等の
カーボンブラック類、椰子殻活性炭等の活性炭類、気層法炭素繊維、カーボンファイバー
、カーボンナノチューブ等の炭素繊維、天然黒鉛、人造黒鉛等の黒鉛類等が挙げられる。
これらの中で、ケッチェンブラックを用いることが好ましい。
Specific examples of these conductive carbon materials include carbon blacks such as ketjen black and acetylene black, activated carbons such as coconut shell activated carbon, carbon fibers such as air-layer carbon fiber, carbon fiber and carbon nanotube, natural graphite, artificial graphite Examples thereof include graphites such as graphite.
Of these, ketjen black is preferably used.
導電性炭素材料の添加量としては生成する共重合体との質量比が、5/95から50/50の範
囲が好ましく、8/92から30/70が特に好ましい。導電性炭素材料の添加量が少なすぎると
、重合体の被覆量が多すぎ導電率が低下するので好ましくない。導電性炭素材料の添加が
多すぎると、嵩高くなり、成形しづらくなり、また電極中の活性物質であるキノキサリン
構造単位を繰り返し構造として含む共重合体量が少なくなり、複合物としての体積当たり
及び重量あたりの電池容量が低下するので好ましくない。
The addition amount of the conductive carbon material is preferably in the range of 5/95 to 50/50, particularly preferably 8/92 to 30/70, with respect to the produced copolymer. If the amount of the conductive carbon material added is too small, the coating amount of the polymer is too large and the electrical conductivity is lowered, which is not preferable. If too much conductive carbon material is added, it becomes bulky and difficult to mold, and the amount of the copolymer containing the quinoxaline structural unit, which is the active substance in the electrode, as a repeating structure decreases, resulting in a volume per composite. In addition, the battery capacity per weight is not preferable.
<重合及び導電性炭素材料との複合>
重合及び導電性炭素材料との複合について説明する。
本発明の一般式(2)
<Composite with polymerization and conductive carbon material>
The combination with polymerization and conductive carbon material will be described.
General formula (2) of the present invention
(式中R1およびR4は、それぞれ独立に、水素原子、アルキル基、アリール基またはアル
コキシ基を表す。)
で表されるキノキサリン構造単位および一般式(3)
(In the formula, R 1 and R 4 each independently represents a hydrogen atom, an alkyl group, an aryl group or an alkoxy group.)
A quinoxaline structural unit represented by the general formula (3)
(式中、R1は水素原子、アルキル基、アリール基またはアルコキシ基を表す。)
で表されるベンズイミダゾール構造単位を含む共重合体と導電性炭素材料との複合物は、
1,2−ジケトン構造を分子内に2つ有するテトラカルボニル化合物とジアルデヒド化合
物と一般式(1)
(In the formula, R 1 represents a hydrogen atom, an alkyl group, an aryl group or an alkoxy group.)
A composite of a copolymer containing a benzimidazole structural unit represented by
Tetracarbonyl compounds and dialdehyde compounds having two 1,2-diketone structures in the molecule and the general formula (1)
(式中、R1は水素原子、アルキル基、アリール基またはアルコキシ基を表す。) で表さ
れるテトラアミン化合物とを導電性炭素材料と酸化剤の存在下に脱水共縮重合することに
より合成される。
(Wherein R 1 represents a hydrogen atom, an alkyl group, an aryl group or an alkoxy group) and is synthesized by dehydrating copolycondensation with a tetraamine compound represented by the following formula in the presence of a conductive carbon material and an oxidizing agent. The
反応温度は使用するモノマーの種類や溶媒によって一概に限定できないが一般的には使
用する溶媒の還留温度付近で行う。
反応時間は使用するモノマーの種類や溶媒によって一概に限定できないが、脱水重縮合
であり、高分子化するには少なくとも1時間は要する。好ましい範囲は5時間以上100
時間以内であり、25時間以上100時間以内がより好ましく、30時間以上70時間以
下が特に好ましい。
The reaction temperature cannot be generally limited depending on the type of monomer used and the solvent, but it is generally carried out near the reflux temperature of the solvent used.
The reaction time cannot be generally limited depending on the type of monomer used and the solvent, but is dehydration polycondensation, and at least one hour is required for polymerization. The preferred range is 5 hours or more and 100
Within 25 hours, more preferably within 25 hours and within 100 hours, particularly preferably between 30 hours and 70 hours.
重合時の溶媒中のモノマー濃度としては、テトラカルボニル化合物とジアルデヒド化合
物とテトラアミン化合物の質量の総計が5質量%以上40質量%以下が好ましく、8質量
%以上30質量%以下が特に好ましい。モノマー濃度が低すぎると重合が進みにくく分子
量が伸びない。モノマー濃度が高すぎると重合溶液の粘度が上がり、混合しづらくなり、
導電性炭素材料への被覆が不均一となる。また、重合体の析出が早期に起こり分子量が伸
びにくい。
As the monomer concentration in the solvent during polymerization, the total mass of the tetracarbonyl compound, the dialdehyde compound, and the tetraamine compound is preferably 5% by mass or more and 40% by mass or less, and particularly preferably 8% by mass or more and 30% by mass or less. If the monomer concentration is too low, polymerization does not proceed easily and the molecular weight does not increase. If the monomer concentration is too high, the viscosity of the polymerization solution will increase, making mixing difficult.
The coating on the conductive carbon material becomes non-uniform. Moreover, polymer precipitation occurs early and the molecular weight is difficult to increase.
使用する溶媒としては、使用するモノマーが溶解しやすく、また反応しないものなら特
に限定されない。例えばN,N−ジメチルホルムアミド(DMF)、N−メチルピロリドン等の
含窒素極性溶媒、テトラヒドロフラン、1,2−ジメトキシエタン、トリエチレングリコ
ールジメチルエーテル、テトラエチレングリコールジメチルエーテル等のエーテル類が挙
げられる。また、反応温度については、通常100℃以上150℃以下である。たとえば
溶媒がN,N−ジメチルホルムアミドの場合は130℃以上150℃以下で反応させる。
The solvent to be used is not particularly limited as long as the monomer to be used is easily dissolved and does not react. Examples thereof include nitrogen-containing polar solvents such as N, N-dimethylformamide (DMF) and N-methylpyrrolidone, and ethers such as tetrahydrofuran, 1,2-dimethoxyethane, triethylene glycol dimethyl ether and tetraethylene glycol dimethyl ether. Moreover, about reaction temperature, it is 100 degreeC or more and 150 degrees C or less normally. For example, when the solvent is N, N-dimethylformamide, the reaction is performed at 130 ° C. or higher and 150 ° C. or lower.
脱水共縮重合の反応後においては、反応混合物を濾別後、不純物、溶媒、未反応原料を
除くためさらに溶媒で洗浄することが好ましい。ここで、洗浄に用いる溶媒としては、価
格が安く、製造上安全で、生成物を溶かすことなく用いることができる点で、例えば、ア
ルコールを用いることが好ましい。
After the reaction of dehydration copolycondensation, the reaction mixture is preferably filtered and then washed with a solvent to remove impurities, solvent, and unreacted raw materials. Here, as the solvent used for washing, for example, alcohol is preferably used because it is inexpensive, safe in production, and can be used without dissolving the product.
本発明における複合物の分子量について説明する。キノキサリン構造単位及びベンズイ
ミダゾール構造単位を含む共重合体の分子量はできるだけ高い方が、耐久性が良好であり
、末端のモノマー官能基残による副反応も少ない。好ましい分子量の範囲としては光散乱
法による絶対分子量測定での重量平均分子量が20000以上、さらに好ましくは4万以
上、特に好ましくは5000未満の低分子量体が5重量%以下である。
The molecular weight of the composite in the present invention will be described. The higher the molecular weight of the copolymer containing the quinoxaline structural unit and the benzimidazole structural unit, the better the durability, and the fewer side reactions caused by the residual monomer functional groups. A preferred molecular weight range is 5% by weight or less of a low molecular weight material having a weight average molecular weight of 20,000 or more, more preferably 40,000 or more, and particularly preferably less than 5,000 in absolute molecular weight measurement by a light scattering method.
本発明における複合物の粉砕について説明する。キノキサリン構造単位とベンズイミダ
ゾール構造単位を含む共重合体が導電性炭素材料の表面に被覆した複合物は電極として使
用する前に適切な粒径に粉砕して用いることが好ましい。好ましい粒径としては平均粒径
が1μm以上20μm以下で最大粒径が200μm以下、さらに好ましくは、平均粒径が
1μm以上15μm以下で最大粒径が100μm以下である。ここで、平均粒径とは、遠
心沈降型粒度分布計によって測定された2次凝集粒径を指す。粉砕法には特に限定される
ものではないが、ビーズミル等の湿式法、パルベライザー、バンタムミル、ボールミル、
ジェットミル、ピンミル等の乾式法が挙げられる。
The pulverization of the composite in the present invention will be described. A composite in which a copolymer containing a quinoxaline structural unit and a benzimidazole structural unit is coated on the surface of a conductive carbon material is preferably pulverized to an appropriate particle size before being used as an electrode. As a preferable particle size, the average particle size is 1 μm or more and 20 μm or less and the maximum particle size is 200 μm or less, more preferably, the average particle size is 1 μm or more and 15 μm or less and the maximum particle size is 100 μm or less. Here, the average particle size refers to the secondary agglomerated particle size measured by a centrifugal sedimentation type particle size distribution meter. The pulverization method is not particularly limited, but a wet method such as a bead mill, a pulverizer, a bantam mill, a ball mill,
Examples include dry methods such as jet mills and pin mills.
本発明における導電率について説明する。キノキサリン構造とベンズイミダゾール共重
合体は電極として使用する場合に導電性が必要である。そのために導電性炭素材料と複合
する。この場合の導電率としては25℃の体積導電率として、0.1S/cm以上が好まし
く、0.2S/cm以上がさらに好ましい。
The conductivity in the present invention will be described. The quinoxaline structure and the benzimidazole copolymer need to be electrically conductive when used as an electrode. Therefore, it is combined with a conductive carbon material. The conductivity in this case is preferably 0.1 S / cm or more, and more preferably 0.2 S / cm or more, as the volume conductivity at 25 ° C.
以下に本発明について代表的な例を示し具体的に説明する。尚これらは説明のための単な
る例示であって、本発明はこれらに何ら制限されるものではない。
〔実施例1:ポリフェニルキノキサリン/ポリベンズイミダゾール共重合体/ケッチェ
ンブラック複合物(PPQ・PBI・KB)1の合成〕
反応は下記スキームに従って実施した。
Hereinafter, the present invention will be described in detail by way of typical examples. These are merely examples for explanation, and the present invention is not limited to these.
Example 1 Synthesis of Polyphenylquinoxaline / Polybenzimidazole Copolymer / Ketjen Black Composite (PPQ / PBI / KB) 1
The reaction was carried out according to the following scheme.
即ち、撹拌羽根及び冷却管付き1Lのガラス製セパラブルフラスコにN,N−ジメチル
ホルムアミド(DMF)600g、ビスベンジル(BBZ)24.16g(71mmol
)、テレフタルアルデヒド(TPAL)4.83g(36mmol)、3,3’−ジアミ
ノベンジジン(DABZ)23.66g(107mmol)を添加し、室温窒素雰囲気下
で10分撹拌した。その後ケッチェンブラック(ケッチェンブラックEC600JDを使
用した。以下、「KB」と略す。)18.50gを投入し、空気をバブリングにより導入
しながら、130℃で20時間反応させた。
That is, N, N-dimethylformamide (DMF) 600 g, bisbenzyl (BBZ) 24.16 g (71 mmol) in a 1 L glass separable flask equipped with a stirring blade and a cooling tube.
), 4.83 g (36 mmol) of terephthalaldehyde (TPAL) and 23.66 g (107 mmol) of 3,3′-diaminobenzidine (DABZ) were added, and the mixture was stirred at room temperature under a nitrogen atmosphere for 10 minutes. Thereafter, 18.50 g of ketjen black (Ketjen black EC600JD was used, hereinafter abbreviated as “KB”) was added, and the mixture was reacted at 130 ° C. for 20 hours while introducing air by bubbling.
得られた黒色沈殿を濾過、メタノール洗浄後、130℃で12時間、真空乾燥すること
により、63.81gのPPQ・PBI・KB黒色粉末1を得た。この粉末の元素分析値
(wt%)はC:84.35、H:3.26、N:9.14であり、複合比は、PPQ:
PBI:KB=54:17:29と計算された。また、ヘキサフルオロイソプロパノール
(HFIP)を溶離液としたGPCからの光散乱法による絶対分子量(重量平均)は270
00であった。
The obtained black precipitate was filtered, washed with methanol, and then vacuum-dried at 130 ° C. for 12 hours to obtain 63.81 g of PPQ / PBI / KB black powder 1. The elemental analysis values (wt%) of this powder are C: 84.35, H: 3.26, N: 9.14, and the composite ratio is PPQ:
PBI: KB = 54: 17: 29 was calculated. The absolute molecular weight (weight average) by light scattering from GPC using hexafluoroisopropanol (HFIP) as an eluent is 270.
00.
〔実施例2:ポリフェニルキノキサリン/ポリベンズイミダゾール共重合体/ケッチェ
ンブラック複合物(PPQ・PBI・KB)2の合成〕
BBZを27.49g(80.3mmol)、TPALを2.78g(20.7mmo
l)、DABZを22.43g(101.0mmol)使用した以外は実施例1と同様の
方法により、63.79gのPPQ・PBI・KB黒色粉末2を得た。この粉末の元素分
析値(wt%)はC:85.96、H:3.17、N:8.84であり、複合比は、PPQ
:PBI:KB=61:10:29と計算された。また、ヘキサフルオロイソプロパノー
ル(HFIP)を溶離液としたGPCからの光散乱法による絶対分子量(重量平均)は32
000であった。
Example 2 Synthesis of Polyphenylquinoxaline / Polybenzimidazole Copolymer / Ketjen Black Composite (PPQ · PBI · KB) 2
BBZ 27.49 g (80.3 mmol), TPAL 2.78 g (20.7 mmol)
l) 63.79 g of PPQ / PBI / KB black powder 2 was obtained in the same manner as in Example 1 except that 22.43 g (101.0 mmol) of DABZ was used. The elemental analysis values (wt%) of this powder were C: 85.96, H: 3.17, N: 8.84, and the composite ratio was PPQ.
: PBI: KB = 61: 10: 29. Also, the absolute molecular weight (weight average) by light scattering from GPC using hexafluoroisopropanol (HFIP) as an eluent is 32.
000.
〔実施例3:ポリフェニルキノキサリン/ポリベンズイミダゾール共重合体/ケッチェ
ンブラック複合物(PPQ・PBI・KB)3の合成〕
TPALの代わりにイソフタルアルデヒド(IPAL)4.83g(36mmol)を
使用した以外は実施例1と同様の方法により、63.20gのPPQ・PBI・KB黒色
粉末3を得た。この粉末の元素分析値(wt%)はC:84.30、H:3.24、N:9
.20であり、複合比は、PPQ:PBI:KB=53:18:29と計算された。また
、絶対分子量(重量平均)は27000であった。
Example 3 Synthesis of Polyphenylquinoxaline / Polybenzimidazole Copolymer / Ketjen Black Composite (PPQ · PBI · KB) 3
63.20 g of PPQ / PBI / KB black powder 3 was obtained in the same manner as in Example 1 except that 4.83 g (36 mmol) of isophthalaldehyde (IPAL) was used instead of TPAL. Elemental analysis values (wt%) of this powder were C: 84.30, H: 3.24, N: 9
. The composite ratio was calculated as PPQ: PBI: KB = 53: 18: 29. The absolute molecular weight (weight average) was 27000.
〔比較例1:ポリフェニルキノキサリン/ケッチェンブラック複合物(PPQ・KB)
4の合成〕
BBZを34.24g(100mmol)、DABZを22.23g(100mmol
)使用し、TPALを使用せずに、空気バブリングの代わりに窒素雰囲気下で重合をした
以外は実施例1と同様の方法により、68.61gのPPQ・KB黒色粉末4を得た。こ
の粉末の元素分析値(wt%)はC:86.75、H:3.30、N:8.61であり、複
合比は、PPQ:KB=76:24と計算された。また、絶対分子量(重量平均)は270
00であった。
[Comparative Example 1: Polyphenylquinoxaline / Ketjen black composite (PPQ · KB)
Synthesis of 4]
34.24 g (100 mmol) of BBZ and 22.23 g (100 mmol) of DABZ
), And without using TPAL, 68.61 g of PPQ · KB black powder 4 was obtained by the same method as in Example 1 except that polymerization was performed in a nitrogen atmosphere instead of air bubbling. The elemental analysis values (wt%) of this powder were C: 86.75, H: 3.30, N: 8.61, and the composite ratio was calculated as PPQ: KB = 76: 24. The absolute molecular weight (weight average) is 270.
00.
〔実施例4〜6、比較例2:複合物の導電率測定〕
実施例1〜3、比較例1で得られた黒色粉末1〜4それぞれを14時間100℃で真空
乾燥後、ドライ空気雰囲気下で約0.9g秤取り、テフロン結着剤(POLYFLON:
ダイキン工業(株)製)約0.1gとともにアナリティカルミル(20000rpm)に
て粉砕した。この粉砕物約0.1gを直径13mmの錠剤成型器にて加圧成型し、複合物
5〜8に対応するペレット電極を得た。これらのペレット電極について4端子直流法で導
電率を測定した。結果を表1に示す。
[Examples 4 to 6, Comparative Example 2: Conductivity measurement of composite]
Each of the black powders 1 to 4 obtained in Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 was vacuum-dried at 100 ° C. for 14 hours, and then weighed about 0.9 g in a dry air atmosphere to obtain a Teflon binder (POLYFLON:
It was ground with an analytical mill (20000 rpm) together with about 0.1 g of Daikin Industries, Ltd. About 0.1 g of this pulverized product was pressure-molded with a tablet molding machine having a diameter of 13 mm to obtain pellet electrodes corresponding to the composites 5-8. The conductivity of these pellet electrodes was measured by a 4-terminal direct current method. The results are shown in Table 1.
上記表1において、実施例4〜6及び比較例2で用いられている複合物及びペレット電
極は、それぞれ複合物5〜8及びペレット電極5〜8に対応する。
〔実施例7:ポリアニリン(PAn)の合成〕
1N塩酸500ml中アニリン0.22モルを0.05モル過硫酸アンモニウム存在下
1時間攪拌する。反応液が青緑に変化し得られた沈殿物をガラスフィルターで濾過し、こ
れを1N塩酸で洗浄後、100℃14時間真空乾燥し青緑色の目的物12gを得た。目的
物をアンモニア水溶液で中和し得られた濃紫色の元素素分析、IRから目的物はポリアニ
リンの構造であると推定された。NMP(N−メチルピロリドン)中でのGPCの結果か
ら、分子量(PMMA換算)は数平均で約50000、重量平均で約120000であった。
In Table 1 above, the composites and pellet electrodes used in Examples 4 to 6 and Comparative Example 2 correspond to composites 5 to 8 and pellet electrodes 5 to 8, respectively.
[Example 7: Synthesis of polyaniline (PAn)]
Stir 0.22 mol of aniline in 500 ml of 1N hydrochloric acid in the presence of 0.05 mol ammonium persulfate for 1 hour. The precipitate obtained by changing the reaction solution to blue-green was filtered through a glass filter, washed with 1N hydrochloric acid, and then vacuum-dried at 100 ° C. for 14 hours to obtain 12 g of a blue-green target product. From the analysis of deep purple elemental element obtained by neutralizing the target product with an aqueous ammonia solution, the target product was estimated to have a polyaniline structure. From the result of GPC in NMP (N-methylpyrrolidone), the molecular weight (in terms of PMMA) was about 50,000 in terms of number average and about 120,000 in terms of weight average.
〔実施例8:PAn正極の製造〕
このPAn粉末とアセチレンブラック(AB:電気化学製)、VGCF(登録商標、昭
和電工製の気相法炭素繊維)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF:クラレ製)の85:7
:1:7の混合物に過剰のNMP(N−メチルピロリドン)を加え、ゲル状組成物を得た
。この組成物をリード線付きの白金板上の白金網集電体1×1cm上に塗布後、1ton
加圧成型し、80℃で8時間真空乾燥することにより、PAn電極(平均200mg)を
50個作成した。
[Example 8: Production of PAn positive electrode]
85: 7 of this PAn powder and acetylene black (AB: manufactured by Denki Kagaku), VGCF (registered trademark, vapor grown carbon fiber manufactured by Showa Denko), polyvinylidene fluoride (PVDF: manufactured by Kuraray)
An excess of NMP (N-methylpyrrolidone) was added to the 1: 7 mixture to obtain a gel composition. After applying this composition onto a platinum mesh current collector 1 × 1 cm on a platinum plate with lead wires, 1 ton
Press-molded and vacuum-dried at 80 ° C for 8 hours, so that the PAn electrode (average 200 mg)
50 were created.
〔実施例9〜11、比較例3〕
実施例4〜6、比較例2で製造した各種複合物電極をリード線付きの白金板上の白金網
に加圧成型しこれを作用極、白金を対極、銀/塩化銀電極を参照電極、40%硫酸を電解
液とするビーカーセルを組立て、各種複合電極の容量を充放電条件0.5V〜−0.2V
、1mAで測定した。
[Examples 9 to 11, Comparative Example 3]
Various composite electrodes produced in Examples 4 to 6 and Comparative Example 2 were pressure-molded into a platinum mesh on a platinum plate with lead wires, and this was used as a working electrode, platinum as a counter electrode, and a silver / silver chloride electrode as a reference electrode, Assembling a beaker cell with 40% sulfuric acid as an electrolyte, and changing the capacity of various composite electrodes to 0.5V to -0.2V under charge / discharge conditions
It was measured at 1 mA.
10サイクル後のPPQ1g当たりの放電容量結果を表2に示す。
90℃の場合、比較例3はサイクル終了後電解液に強い黄着色が見られたが、実施例9
〜11に着色は見られず、耐熱性に優れることが確認された。
Table 2 shows the discharge capacity results per gram of PPQ after 10 cycles.
In the case of 90 ° C., Comparative Example 3 showed strong yellow coloring in the electrolyte solution after the end of the cycle.
No coloration was observed in ˜11, and it was confirmed that the heat resistance was excellent.
〔実施例12〜14、比較例4:プロトン移動型二次電池の製造〕
実施例8で製造したPAn正極、ついで厚さ1mmのガラス繊維製のセパレータ(1.
2×1.2cm)を重ねる。ついで、リード線付きの白金板上の白金網に加圧成型した実
施例4〜6、比較例2で製造した各種複合物電極5〜8を重ねた。これら積層体を加圧し
て密着させたあと、ポリイミドテープ(カプトンテープ)で両端部を固定した。ついでこ
の積層体をアルミラミネート外装体の中にいれ、2つの白金リード線を短絡しないように
外部に取り出す。ついで電解液として20%硫酸水溶液を外装体内部に注入し、減圧で余
分な硫酸水溶液を抜き出しながら、外装体内を密着させた後、加熱融着で封止し、3種類
のPPQ・PBI・KB複合物PAn系二次電池(各n=3、計9個)と1種類のPPQ・
KB複合物PAn系二次電池(n=3、計3個)を作成した。
[Examples 12 to 14, Comparative Example 4: Production of Proton Transfer Type Secondary Battery]
The PAn positive electrode produced in Example 8, followed by a 1 mm thick glass fiber separator (1.
2 × 1.2 cm). Next, various composite electrodes 5 to 8 manufactured in Examples 4 to 6 and Comparative Example 2 formed by pressure forming on a platinum net on a platinum plate with lead wires were stacked. After pressurizing and adhering these laminates, both ends were fixed with a polyimide tape (Kapton tape). Then, this laminate is put in an aluminum laminate outer package and taken out to prevent the two platinum lead wires from being short-circuited. Next, 20% sulfuric acid aqueous solution is injected into the exterior body as an electrolytic solution, and the exterior body is brought into close contact while extracting excess sulfuric acid aqueous solution under reduced pressure, and then sealed by heating and fusion, and three types of PPQ, PBI, and KB. Composite PAn secondary battery (each n = 3, 9 in total) and one type of PPQ
A KB composite PAn secondary battery (n = 3, three in total) was prepared.
この電池を25℃、作動電圧0〜0.8V、電流2mA、10mAで充放電を行ったと
ころ明確な充放電挙動を示し、最大放電容量は表3に示されるとおりとなった。
When this battery was charged / discharged at 25 ° C., operating voltage 0-0.8 V, current 2 mA, 10 mA, a clear charge / discharge behavior was shown, and the maximum discharge capacity was as shown in Table 3.
Claims (23)
コキシ基を表す。)で表されるキノキサリン構造単位及び一般式(3)
れるベンズイミダゾール構造単位を含む共重合体;と、
導電性炭素材料;
との複合物。 General formula (2)
Conductive carbon materials;
And composites.
またはアルコキシ基を表し、mおよびnはそれぞれ独立に6以上150以下の整数を表す
。)で表されるフェニルキノキサリン構造単位及びフェニルベンズイミダゾール構造単位
を含む共重合体であることを特徴とする複合物。 The copolymer according to claim 1 has the following general formula (6)
合物及び一般式(1)
れるテトラアミン化合物を酸化剤及び導電性炭素材料の存在下に脱水共縮重合することを
特徴とする、
一般式(2)
コキシ基を表す。)で表されるキノキサリン構造単位及び一般式(3)
れるベンズイミダゾール構造単位を含む共重合体と導電性炭素材料との複合物の製造方法
。 Tetracarbonyl compounds having two 1,2-diketone structures in the molecule, dialdehyde compounds and general formula (1)
General formula (2)
れるテトラカルボニル化合物であり、
前記ジアルデヒド化合物が下記一般式(5)
れるジアルデヒド化合物であり、かつ、
前記共重合体が、下記一般式 (6)
たはアルコキシ基を表し、mおよびnはそれぞれ独立に6以上150以下の整数を表す。
)で表される共重合体である
ことを特徴とする請求項3に記載の製造方法。 The tetracarbonyl compound is represented by the following general formula (4):
The dialdehyde compound is represented by the following general formula (5)
The copolymer is represented by the following general formula (6)
The production method according to claim 3, wherein the copolymer is represented by the following formula:
トラアミン化合物とをあらかじめ反応させて、キノキサリン骨格を有するオリゴマーとテ
トラアミン化合物との混合物を形成した後、前記ジアルデヒド化合物を導電性炭素材料及
び酸化剤の存在下に反応させて脱水共縮重合を行うことを特徴とする請求項3または4に
記載の製造方法。 The tetracarbonyl compound is reacted in advance with an excess of the tetraamine compound with respect to the tetracarbonyl compound to form a mixture of an oligomer having a quinoxaline skeleton and a tetraamine compound, and then the dialdehyde compound is converted to conductive carbon. The production method according to claim 3 or 4, wherein the dehydration copolycondensation is carried out by reacting in the presence of a material and an oxidizing agent.
ン化合物とを酸化剤の存在下にあらかじめ反応させて、フェニルベンズイミダゾール骨格
を有するオリゴマーとテトラアミン化合物との混合物を形成した後、前記テトラカルボニ
ル化合物を導電性炭素材料の存在下に反応させて脱水共縮重合を行うことを特徴とする請
求項3または4に記載の製造方法。 After the dialdehyde compound and an excess amount of the tetraamine compound with respect to the dialdehyde compound are reacted in advance in the presence of an oxidizing agent to form a mixture of an oligomer having a phenylbenzimidazole skeleton and a tetraamine compound, 5. The production method according to claim 3, wherein dehydration copolycondensation polymerization is performed by reacting the tetracarbonyl compound in the presence of a conductive carbon material.
トラアミン化合物とを導電性炭素材料の存在下にあらかじめ反応させて、キノキサリン骨
格を有するオリゴマーが被覆した導電性炭素材料とテトラアミン化合物との混合物を形成
した後、前記ジアルデヒド化合物を酸化剤の存在下に反応させて脱水共縮重合を行うこと
を特徴とする請求項3または4に記載の製造方法。 A conductive carbon material coated with an oligomer having a quinoxaline skeleton and a tetraamine compound obtained by previously reacting the tetracarbonyl compound and an excess of the tetraamine compound with respect to the tetracarbonyl compound in the presence of a conductive carbon material. 5. The production method according to claim 3, wherein after the mixture is formed, the dialdehyde compound is reacted in the presence of an oxidizing agent to perform dehydration copolycondensation.
ン化合物とを導電性炭素材料及び酸化剤の存在下にあらかじめ反応させて、フェニルベン
ズイミダゾール骨格を有するオリゴマーが被覆した導電性炭素材料とテトラアミン化合物
との混合物を形成した後、前記テトラカルボニル化合物を反応させて脱水共縮重合を行う
ことを特徴とする請求項3または4に記載の製造方法。 Conductive carbon coated with an oligomer having a phenylbenzimidazole skeleton by previously reacting the dialdehyde compound and an excess of the tetraamine compound with respect to the dialdehyde compound in the presence of a conductive carbon material and an oxidizing agent. The method according to claim 3 or 4, wherein after the mixture of the material and the tetraamine compound is formed, the tetracarbonyl compound is reacted to perform dehydration copolycondensation.
方法。 Polymerization is performed in presence of a solvent, The manufacturing method in any one of Claims 3-8 characterized by the above-mentioned.
び前記テトラアミン化合物からなる総モノマーの濃度が5質量%以上40質量%以下であ
ることを特徴とする請求項9に記載の製造方法。 10. The production method according to claim 9, wherein the concentration of the total monomer composed of the tetracarbonyl compound, the dialdehyde compound, and the tetraamine compound in the solvent at the start of polymerization is 5% by mass or more and 40% by mass or less. .
載の製造方法。 The method according to claim 9 or 10, wherein the solvent is N, N-dimethylformamide.
かに記載の製造方法。 The production method according to claim 9, wherein the polymerization temperature is 100 ° C. or higher and 150 ° C. or lower.
のいずれかに記載の製造方法。 The tetracarbonyl compound is an aromatic tetracarbonyl compound.
The manufacturing method in any one of.
請求項3〜12のいずれかに記載の製造方法。 The production method according to claim 3, wherein the tetracarbonyl compound is bis- (phenylglyoxyloyl) benzene.
かに記載の製造方法。 The production method according to claim 3, wherein the dialdehyde compound is an aromatic dialdehyde compound.
かである請求項3〜14のいずれかに記載の製造方法。 The method according to any one of claims 3 to 14, wherein the dialdehyde compound is either terephthalaldehyde or isophthalaldehyde.
載の製造方法。 The manufacturing method according to claim 3, wherein the tetraamine compound is an aromatic amine compound.
ずれかに記載の製造方法。 The production method according to claim 3, wherein the tetraamine compound is 3,3′-diaminobenzidine.
造方法。 The manufacturing method according to claim 3, wherein the conductive carbon material is ketjen black.
をさらに含むことを特徴とする請求項3〜20のいずれかに記載の製造方法。 The method according to any one of claims 3 to 20, further comprising, after the reaction of dehydration copolycondensation, the step of washing the reaction mixture with an alcohol-based solvent after filtration.
池。 A proton transfer battery using the composite according to any one of claims 1, 2, and 22 as an electrode.
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-
2007
- 2007-12-28 JP JP2007339826A patent/JP2009163918A/en active Pending
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