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JP3658314B2 - Electrolytes - Google Patents
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電池デバイス、フォトクロミックデバイス、センサデバイス等エレクトロニクス分野に用いる新規な電解質に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
1973年にWrightらによって、ポリエチレンオキシド(PEO)とアルカリ金属塩の錯体のイオン伝導特性が報告され、1979年にArmandらにより電池に用いる電解質の可能性が示されたことにより、固体電解質の研究が世界的に広まった。固体電解質は形状が液体ではないので、部外への漏れがなく、耐熱性、信頼性、安全性、デバイスの小型化に対して液状電解質に比べ有利である。また、有機物は無機物に比べ柔軟である為、加工し易いという利点がある。
【0003】
一般に電解質のイオン伝導率はキャリア密度と電荷、イオン移動度の積で表わされる為にイオンを解離する為の高い極性と解離したイオンを移動させる為の低い粘性が必要とされる。その観点ではPEOは固体電解質として十分な特性を備えているとは言えない。そもそもPEOのイオン輸送機構はドナー性極性基部分ヘの配位により解離されたイオンが熱によるセグメント運動により次々に手渡される配位子交換によるものである。その為に温度依存性を受けやすい。また、キャリア密度を増加させる為に金属イオンを多く溶解させると結晶化が起こり、逆にイオン移動度が低下してしまう。この結晶化を防ぐ為にウレタン架橋によるPEO(M.Watanabe et al,“Solid State Ionics”,28〜30,911,1988),更には低温でのイオン移動度を向上させる為に架橋部分に側鎖を導入したPEO(“第40回高分子討論会予稿集”,3766,1991)も開発されている。また最近ではPEOの末端に塩を導入した溶融塩型のPEO(K.Ito et al.,“Solid State Ionics”,86〜88,325,1996、K.Ito et al.,“Electorochim.Acta”,42,1561,1997)も開発されている。しかしながら現状ではまだイオン伝導率が十分に得られない為に高誘電率有機溶媒と低粘度溶媒を混合した電解液あるいは電解液を有機高分子で固定化したゲル電解質が主流となっている。また、固体電界質を電池デバイスとして利用する場合、イオン輸送効率だけではなく電極との接触面において電気化学反応の効率性が問題となっている。
【0004】
一方、ディスコティック液晶相は、1977年にS.Chandrasekharらにより発見された(“Pramana”,471(1977))液晶相である。例えば、同著者らによって、“Discotic Liquid Crystals”と題して“Rep.Prog.Phys.”53(1990)57に、あるいは竹中俊介によって“ディスコチック液晶分子のデザインと合成”と題して日本化学会編“季刊化学総説”22巻60頁に解説されているように、ディスク(円盤)状のコアに比較的長い側鎖が複数個結合した化合物にみられる。
【0005】
その化合物の種類は主にコアの構造によって類別することができ、6置換ベンゼンおよび3置換ベンゼンの誘導体、フタロシアニンおよびポルフィリンの誘導体、トリフェニレン、トルクセン、ピリリウムの各誘導体、トリベンゾシクロノネン誘導体、アザクラウン誘導体、シクロヘキサン誘導体等があげられる。
【0006】
ディスコティック液晶の構造的な特徴から、過去、デバイスヘの応用を示唆するいくつかの報告がなされている。フタロシアニンやトリフェニレンのような共役パイ電子を有する系においては電子(またはホール)チャネルの応用(Piechocki et al.:“J.Am.Chem.Soc.”1982,104,pp5245)、コアがアザクラウンのような環状の場合には、中心の空隙部を選択的に分子が通過する分子チャネルの応用(“J.Chem.Soc.,Chem.Commun.”,1985,1794、“J.Chem.Soc.,Chem.Commun.”,1995,117,9957)等である。
【0007】
また、最近では加藤等によりスメクチック液晶相を持つ電解質に関しての報告がなされ(“1998年日本液晶学会講演予稿集”、3BO8)、また、特開平11−86629号公報では、液晶の配向性を利用したイオン伝導性材料が開示されている。しかしながら、液晶化合物と直鎖状または分岐状のポリエーテル化合物と金属塩を混ぜて利用する記載はない。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、この様な従来技術に鑑みてなされたものであり、液晶化合物と直鎖状または分岐状のポリエーテル化合物と金属塩を含有する、イオン伝導性に異方性がある電解質を提供する事を目的とするものである。
【0009】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明は、ディスコチック液晶化合物と、直鎖状または分岐状のポリエーテル化合物と金属塩を含有することを特徴とする電解質である。
【0010】
また、本発明は、重合反応により高分子化されている液晶化合物と、直鎖状または分岐状のポリエーテル化合物と、金属塩を含有することを特徴とする電解質である。
また、本発明は、有機溶剤と、液晶化合物と、直鎖状または分岐状のポリエーテル化合物と、金属塩を含有することを特徴とする電解質である。
【0012】
【発明の実施の形態】
本発明の電解質は、液晶化合物と直鎖状または分岐状のポリエーテル化合物と金属塩を含有することを特徴とする。
【0013】
前記液晶化合物には、棒状液晶に代表されるネマチック液晶化合物、スメクチック液晶化合物およびディスコチック液晶化合物が用いられ、好ましくはカラムナー相を有するディスコチック液晶化合物である。また、これらの液晶化合物は重合化して高分子化されているものが好ましい。この場合液晶側鎖の末端にアクリル基、メタクリル基、エポキシ基、ビニル基等の重合性基をつけたものを重合する方法と他の重合性化合物と共重合する方法が好ましい。他の重合性化合物は、特に制限はないが、アクリル酸誘導体、メタクリル酸誘導体、ビニル誘導体、スチレン誘導体、ウレタン誘導体、エポキシ誘導体等が挙げられる。
【0014】
また、本発明の電解質に含有される液晶化合物の含有量は、通常99〜50重量%、好ましくは95〜70重量%が望ましい。50重量%未満では液晶性を維持することが難しく、99重量%を越えるとイオン伝導率の低下を引き起こすので好ましくない。
【0015】
前記直鎖状または分岐状のポリエーテル化合物には、ポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシド、それらの共重合体が挙げられ、その平均分子量が200〜6000であるものが好ましい。
【0016】
また、本発明の電解質に含有される直鎖状または分岐状のポリエーテル化合物の含有量は、通常1〜50重量%、好ましくは5〜30重量%が望ましい。1重量%未満ではイオン伝導度の低下を引き起こし、50重量%を越えると液晶性を維持することが難しいので好ましくない。
【0017】
前記金属塩には、MClO4 、MBF4 、MPF6 、MCF3 SO2 、M(CF3 SO22N(MはLi,Na,Kを示す。)等のアルカリ金属塩、その他にCuSO4 ,Ni(NO32 、Ni(BF42 等の金属塩を含有していることが好ましい。特に好ましくは、LiClO4 ,LiBF4 ,LiPF6 ,LiCF3 SO2 、Li(CF3 SO22 N等のリチウム金属塩である。
【0018】
また、本発明の電解質に含有される金属塩の含有量は、通常0.01〜50重量%、好ましくは0.1〜30重量%が望ましい。
【0019】
また、本発明の電解質は有機溶剤を含有してもよく、好ましくは極性有機溶剤であるが、例えばエチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、γ−ブチロラクトン、テトラヒドロフラン、ジオキサン、エチルエチルケトン、メチルプロピオネート、ジメトキシエタン、グリコール類である。
【0020】
本発明はポリエーテル化合物と液晶化合物を組み合わせることにより、イオン伝導に異方性を付与したものであるが、それだけではなく、多くの組み合わせのバリエーションが可能となり、電解質のTg、粘性、イオン伝導の温度依存性等の電解質特性の調整が容易となる。
【0021】
以下、本発明に用いられるポリエーテル化合物の具体的な構造は、下記の一般式(a)〜(d)で示されるものが好ましい。但し、本発明はこれらのみに限定されるものではない。
【0022】
【化1】

Figure 0003658314
【0023】
式中、nは5〜100、好ましくは5〜50の整数である。mは1〜50、好ましくは1〜10の整数である。xは0.1〜0.9を示す。
【0024】
次に、本発明に用いられる液晶化合物は、好ましくは下記一般式(I)〜(II)で示される化合物である。
【0025】
【化2】
Figure 0003658314
【0026】
一般式(I)において、R1,R2,R3,R4,R5,R6はそれぞれ独立に2つ以上のOCH2CH2セグメントあるいはOCH2CH2CH2セグメントから構成され、末端部分に炭素原子数1〜20の分岐状または直鎖状のアルキル基がついた側鎖を示す。但し、該アルキル基中の水素原子はフッ素原子に置き換わっていてもよく、また1つ以上のメチレン基はO、CO、−CH=CH−、−C≡C−またはエポキシ基に置き換わっていてもよい。
【0027】
前記一般式(I)において、好ましくはR1,R2,R3,R4,R5,R6がそれぞれ独立に(OCH2CH2nOR7または(OCH2CH2CH2nOR7である。式中nは1〜20の整数であり、R7は炭素原子数4〜20の分岐状または直鎖状のアルキル基を示す。該アルキル基中の水素原子はフッ素原子に置き換わっていてもよく、また1つ以上のメチレンはO、CO、−CH=CH−、−C≡C−またはエポキシ基に置き換わっていてもよい。
【0028】
【化3】
Figure 0003658314
【0029】
一般式(II)において、AはA1−B1−A2−B2−A3−B3−A4−B4−A5−B5−A6を示す。
A1,A2,A3は1,4−フェニレン(1つ以上のCHはCFまたはNに置き換わっていてもよい)または1,4−シクロヘキシレンを示す。
A4,A5,A6は単結合または1,4−フェニレン(1つ以上のCHはCFまたはNに置き換わっていてもよい)または1,4−シクロヘキシレンを示す。
B1,B2、B3,B4,B5は単結合または−CH2O−,−OCH2−,−COO−,−OOC−を示す。
Xは−CH2CH2O−または−CHCH3CH2O−を示す。
Yは−OCH2CH2−または−OCH2CHCH3−を示す。
11、R12はそれぞれ独立に炭素原子数が1から100までの直鎖状または分岐状のアルキル基であり、該アルキル基中の1つ以上のメチレンは−O−,−CO−,−S−,−CH=CH−,−C≡C−に置き換わっていてもよい。また該アルキル基中の水素原子はフッ素原子に置き換わっていてもよい。
m1、n1は3から25までの整数を示す。光学活性化合物でもよい。
【0030】
また、好ましくは一般式(II)において、化合物のAが下記一般式(IIa)〜(IIi)で示される化合物である。
式中、zはそれぞれ独立に0〜4の整数を示す。
【0031】
【化4】
Figure 0003658314
【0032】
【化5】
Figure 0003658314
以下、本発明の電解質に用いられる液晶化合物の具体的な構造式を表1〜14に示す。但し、本発明はこれらのみに限定されるものではない。尚、表中の略記は以下の基を示す。
【0033】
【化6】
Figure 0003658314
【0034】
【化7】
Figure 0003658314
【0035】
【表1】
Figure 0003658314
【0036】
【表2】
Figure 0003658314
【0037】
【表3】
Figure 0003658314
【0038】
【表4】
Figure 0003658314
【0039】
【表5】
Figure 0003658314
【0040】
【表6】
Figure 0003658314
【0041】
【表7】
Figure 0003658314
【0042】
【表8】
Figure 0003658314
【0043】
【表9】
Figure 0003658314
【0044】
【表10】
Figure 0003658314
【0045】
【表11】
Figure 0003658314
【0046】
【表12】
Figure 0003658314
【0047】
【表13】
Figure 0003658314
【0048】
【表14】
Figure 0003658314
【0049】
次に、本発明の電解質の応用例として、二次電池について説明する。
図1は二次電池の模式的な構成例である。41、42はそれぞれ負、正の電極である。43が電解質層であって、この層を通路として特定極性のイオンが負電極から正電極へ、あるいは正電極から負電極へ伝達される。上記負および正の電極はイオンの放出と吸収の機能、外部デバイスとの連携機能(例えば電子伝導性機能)、機械的な支持機能等、多義に渉る機能が要求されることから通常機能分離された複数の部材からなる複合体となる場合が多い。
【0050】
負電極41は外部回路との電子的接続機能を兼ねた銅、アルミニウム、金、白金などの電子伝導性支持体411に負極活物質412をコーティングしたものが用いられる。或いは支持体としての機能をかねた負極活物質を用いることもできる。負極活物質材料としてはLiイオン、Naイオン、Kイオン等のアルカリイオン、アルカリ土類イオン、水素イオン等のカチオンを放出する能力を有する材料として、金属材料のなかからリチウム金属箔、リチウム−アルミニウム合金等が、高分子材料のなかから好ましくはn型にドープされたポリアセチレン、ポリチオフェン、ポリp−フェニレン、ポリアセン等およびその誘導体が、また炭素系材料のなかからグラファイト(黒鉛)、ピッチ、コークス、有機高分子の焼結体、あるいはこれらの材料と有機高分子の複合体が適宜選択的に用いられる。
【0051】
正電極42は、外部回路との電子的接続機能を兼ねた銅、アルミニウム、金、白金などの電子伝導性支持体421に正極活物質422をコーティングしたものが用いられる。或いは支持体としての機能をかねた正極活物質を用いることもできる。正極活物質材料としては無機材料のなかからコバルト、バナジウム、チタン、モリブデン、鉄、マンガンなど遷移金属のカルコゲン化合物及び酸化物、さらにこれらとリチウムの複合体が、炭素系材料のなかからグラファイト、弗化カーボンなど一連の層状化合物、あるいはこれらの材料と有機高分子の複合体が、高分子材料のなかから好ましくはp型またはn型にドープされたポリアセチレン、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリp−フェニレン、ポリアセン、ポリフタロシアニン、ポリピリジン等、およびこれらの誘導体が適宜選択的に用いられる。
【0052】
【実施例】
以下、実施例により本発明について更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【0053】
合成例1
2,3,6,7,10,11−ヘキサ(2−ヘキシルオキシエチルオキシ)トリフェニレン(例示化合物T−6)の製造
(1)p−トルエンスルホン酸2−ヘキシルオキシエチルの製造
反応容器に2−ヘキシルオキシエタノール3.29g(22.5mmol)とピリジン5.33g(67.5mmol)を入れ、それに氷浴中、p−トルエンスルホン酸クロリド4.72g(24.7mmol)を加え、1時間撹拌した後、室温で更に3時間撹拌した。反応終了後、3N−HClを加え酸性とした後、トルエンで2回抽出した。抽出液を水で洗浄した後、無水硫酸ナトリウムを加え乾燥した。溶媒を留去した後、シリカゲルカラムクロマトグラフィー(溶離溶媒:トルエン/酢酸エチル=10/1)により精製し、p−トルエンスルホン酸2−ヘキシルオキシエチル6.45g(21.5mmol)を得た。収率95%
【0054】
(2) 2,3,6,7,10,11−ヘキサ(2−ヘキシルオキシエチルオキシ)トリフェニレンの製造
反応容器に乾燥N,N−ジメチルホルムアミド(DMF)15mlと水素化ナトリウム(60% in oil(鉱油))0.77g(19.3mmol)を入れ、それに水浴中、2,3,6,7,10,11−ヘキサヒドロキシトリフェニレン0.92g(2.84mmol)を加え1時間撹拌した。その後、p−トルエンスルホン酸2−ヘキシルオキシエチル6.3g(21.0mmol)と乾燥DMF5mlの混合液を滴下し、80℃で5時間撹拌した。反応終了後、水を加えトルエンで2回抽出した。抽出液を水で洗浄した後、無水硫酸ナトリウムを加え乾燥した。溶媒を留去した後、シリカゲルカラムクロマトグラフィー(溶離溶媒:トルエン/酢酸エチル=5/1)を2回行い精製し、2,3,6,7,10,11−ヘキサ(2−ヘキシルオキシエチルオキシ)トリフェニレン1.15g(1.0mmol)を得た。収率35%
【0055】
得られた化合物のDSCによる相転移温度を以下に示す。
昇温過程
Cry(−24℃)Xl(17℃)X2(29℃)Dh(84℃)Iso
冷却過程
Iso(81℃)Dh(16℃)X2(5℃)Xl(<−50℃)Cry
Cry:結晶相、X1,X2:未同定の相、Dh:ディスコチックカラムナー相、Iso:等方相
【0056】
実施例1
次に合成した2,3,6,7,10,11−ヘキサ(2−ヘキシルオキシエチルオキシ)トリフェニレン65.6mg(0.06mmol)に乾燥ジクロロメタンlmlを加え、撹拌し完全に溶解させた。それにポリエチレンオキシド(重量平均分子量400)2.4mg、過塩素酸リチウム3.19mg(0.030mmol)と乾燥エタノール1mlを加え2時間撹拌した。完全に溶解していることを確認した後、溶媒を留去し、減圧乾燥して電解質Aを得た。
【0057】
得られた電解質Aの相転移温度を示す。
昇温過程
Cry(<−50℃)Xl(22℃)X2(29℃)Dh(88℃)Iso
冷却過程
Iso(86℃)Dh(10℃)X2(<−50℃)Xl(<−50℃)Cry
Cry:結晶相、X1,X2:未同定の相、Dh:ディスコチックカラムナー相、Iso:等方相
【0058】
実施例2
2,3,6,7,10,11−ヘキサ(2−ヘキシルオキシエチルオキシ)トリフェニレン65.6mg(0.06mmol)に乾燥ジクロロメタン1mlを加え、撹拌し完全に溶解させた。それにポリエチレンオキシド(重量平均分子量3000)4.8mg、過塩素酸リチウム3.19mg(0.030mmol)と乾燥エタノールlmlを加え2時間撹拌した。完全に溶解していることを確認した後、溶媒を留去し、減圧乾燥して電解質Bを得た。
【0059】
得られた電解質Bの相転移温度を示す。
昇温過程
Cry(<−50℃)Xl(28℃)X2(31℃)Dh(90℃)Iso
冷却過程
Iso(88℃)Dh(11℃)X2(<−50℃)Xl(<−50℃)Cry
Cry:結晶相、X1,X2:未同定の相、Dh:ディスコチックカラムナー相、Iso:等方相
【0060】
実施例3
透明電極として厚さ700ÅのITO膜を形成した厚さ1.1mmの一対のガラス基板を用意した。該基板の透明電極上に、一方の基板上にスペーサーとして、平均粒径2.4μmのシリカビーズを散布し、均一なセルギャップのセルAを作製した。このセルに実施例1で調製した電解質Aを等方性液体状態で注入し、等方相から20℃/hでディスコチックカラムナー相を示す温度まで冷却した。このセルを偏光顕微鏡でクロスニコル下、テクスチャーを観察した所、暗視野が得られ、ディスコチックカラムナー相がホメオトロピック配向をしていることがわかった。
【0061】
次に0.001〜100kHz、10mVの交流電圧を印加した時の電流を測定して複素インピーダンスを測定し、イオン伝導率を算出した。その結果を以下に示す。
測定温度 イオン伝導率
50℃ 1.1×10-7S/cm
【0062】
次に、平均粒径2.4μmのシリカビーズの代わりに、平均粒径20μmのシリカビーズを用いる以外は同様の手法によりセルBを作成し、電解質Aを注入し、偏光顕微鏡でテクスチャーを観察した所、マルチドメイン配向が観察され、ディスコチックカラムナー相がランダム配向していることがわかった。
【0063】
また、同様の手法で複素インピーダンスを測定し、イオン伝導率を算出した。その結果を以下に示す。
測定温度 イオン伝導率
50℃ 3.6×10-9S/cm
【0064】
実施例4
電解質Aの代わりに電解質Bを用いる以外は実施例3と同様の手法により2種類のセルを作製、注入し、偏光顕微鏡でテクスチャーを観察した所、平均粒径2.4μmのシリカビーズで作成したセルAは暗視野が得られ、ディスコチックカラムナー相がホメオトロピック配向をしていることがわかった。平均粒径20μmのシリカビーズで作成したセルBはマルチドメイン配向であり、ディスコチックカラムナー相がランダム配向していることがわかった。
【0065】
実施例3と同様の手法で複素インピーダンスを測定し、イオン伝導率を算出した。その結果を以下に示す。
【0066】
平均粒径2.4μmシリカビーズセル
測定温度 イオン伝導率
50℃ 9.4×10-8S/cm
平均粒径20μmシリカビーズセル
測定温度 イオン伝導率
50℃ 8.8×10-9S/cm
【0067】
比較例1
▲1▼電解質Cの製造
2,3,6,7,10,11−ヘキサ(2−ヘキシルオキシエチルオキシ)トリフェニレン65.6mg(0.06mmol)に乾燥ジクロロメタン1mlを加え、攪拌し完全に溶解させた。そこに過塩素酸リチウム0.64mg(0.006mmol)と乾燥エタノール1mlを加え2時間攪拌した。完全に溶解していることを確認した後、溶媒を留去し、減圧乾燥して電解質Cを得た。
【0068】
相転移温度を以下に示す。
昇温過程
Cry(−3℃)X1(19℃)X2(27℃)Dh(86℃)Iso
冷却過程
Iso(84℃)Dh(7℃)X2(<−18℃)X1(<−50℃)Cry
Cry:結晶相、X1,X2:未同定の相、Dh:ディスコチックカラムナー相、Iso:等方相
【0069】
▲2▼電解質Cのイオン伝導度の評価
電解質Aの代わりに電解質Cを用いる以外は実施例3と同様の手法により2種類のセルを作製、注入し、偏光顕微鏡でテクスチャーを観察した所、2.4μmのシリカビーズで作成したセルAは暗視野が得られ、ディスコチックカラムナー相がホメオトロピック配向をしていることがわかったが、20μmのシリカビーズで作成したセルBはマルチドメイン配向であり、ディスコチックカラムナー相がランダム配向していることがわかった。実施例3と同様の手法で複素インピーダンスを測定し、イオン伝導率を算出した。
【0070】
その結果を以下に示す。
平均粒径2.4μmシリカビーズセル
測定温度 イオン伝導率
50℃ 2.4×10-9S/cm
平均粒径20μmシリカビーズセル
測定温度 イオン伝導率
50℃ 1.8×10-10S/cm
【0071】
合成例2
4’−[メチルオキシトリ(エチレンオキシ)エチルオキシ]−4−ビフェニルカルボン酸4−[メチルオキシトリ(エチレンオキシ)エチルオキシ]−4’−ビフェニル(例示化合物S−11)の製造
【0072】
▲1▼メチルオキシトリ(エチレンオキシ)エチルオキシトシレートの製造
100mlナスフラスコにテトラエチレングリコールモノメチルエーテル20g(96mmol)とピリジン20mlを仕込み、氷浴で0℃に冷却した。p−トルエンスルホン酸クロライド23.8g(125mmol)をゆっくりと添加し、0℃で12時間攪拌した。水を加えクロロホルムで抽出した。有機層を無水硫酸ナトリウムで乾燥後、溶媒を減圧留去し、シリカゲルクロマトグラフィー(クロロホルム/メタノール=100/1)で分離精製して、メチルオキシジ(エチレンオキシ)エチルオキシトシレート34.5g(95.2mmol,収率99%)を得た。
【0073】
▲2▼4’−[メチルオキシトリ(エチレンオキシ)エチルオキシ]−4−ビフェニルカルボン酸の製造
500mlナスフラスコに4’−ヒドロキシ−4−ビフェニルカルボン酸5g(23mmol)、水酸化カリウム3.3g、メタノール400mlを仕込み、1時間加熱還流を行った。メチルオキシトリ(エチレンオキシ)エチルオキシトシレート8.5g(23mmol)を加え、更に24時間加熱還流を行った。反応溶液を室温まで冷やし、1N塩酸で中和した後、水を加えクロロホルムで抽出した。有機層を無水硫酸ナトリウムで乾燥後、溶媒を減圧留去し、シリカゲルクロマトグラフィー(クロロホルム/メタノール=30/1)で分離精製して、白色固体4’−[メチルオキシトリ(エチレンオキシ)エチルオキシ]−4−ビフェニルカルボン酸3.8g(9.4mmol,収率40%)を得た。
【0074】
▲3▼4’−[メチルオキシトリ(エチレンオキシ)エチルオキシ]−4−ヒドロキシビフェニルの製造
500mlナスフラスコに4、4’−ビフェノール2.6g(14mmol)、水酸化カリウム1.8g、メタノール250mlを仕込み、1時間加熱還流を行った。メチルオキシトリ(エチレンオキシ)エチルオキシトシレート5.1g(14mmol)を加え、更に24時間加熱還流を行った。反応溶液を室温まで冷やし、1N塩酸で中和した後、水を加えクロロホルムで抽出した。有機層を無水硫酸ナトリウムで乾燥後、溶媒を減圧留去し、シリカゲルクロマトグラフィー(クロロホルム/メタノール=50/1)で分離精製して、白色固体4’−[メチルオキシトリ(エチレンオキシ)エチルオキシ]−4−ヒドロキシビフェニル1.8g(4.7mmol,収率33.6%)を得た。
【0075】
▲4▼4’−[メチルオキシトリ(エチレンオキシ)エチルオキシ]−4−ビフェニルカルボン酸4−[メチルオキシトリ(エチレンオキシ)エチルオキシ]−4’−ビフェニル(例示化合物S−11)の製造
100mlナスフラスコに4’−[メチルオキシトリ(エチレンオキシ)エチルオキシ]−4−ビフェニルカルボン酸2g(5.0mmol)、4‘−[メチルオキシジ(エチレンオキシ)エチルオキシ]−4−ヒドロキシビフェニル1.9g(5.0mmol)、1,3−ジシクロカルボジイミド0.8g(10mmol)、4−ジメチルアミノピリジン0.6g(5mmol)、乾燥クロロホルム20mlを仕込み、24時間室温攪拌を行った。
【0076】
反応終了後、水を加えクロロホルムで抽出した。有機層を無水硫酸ナトリウムで乾燥後、溶媒を減圧留去し、シリカゲルクロマトグラフィー(クロロホルム/メタノール=30/1)で分離精製した後、再結晶(アセトン)を行い、白色固体4’−[メチルオキシトリ(エチレンオキシ)エチルオキシ]−4−ビフェニルカルボン酸4−[メチルオキシトリ(エチレンオキシ)エチルオキシ]−4‘−ビフェニル2.9g(3.8mmol,収率75.2%)を得た。
【0077】
1H−NMR(CDCl3/TMS,σppm):3.4(6H,s)、3.6−4.2(32H,m)、7.0(4H,m)、7.3(2H,d)、7.5−7.7(8H,m)、8.2(2H,d)
【0078】
相転移温度を以下に示す。
昇温過程
Cry(51℃)SmX(104℃)SmC(154℃)N(173℃)Iso
降温過程
Iso(170℃)N(150℃)SmC(99℃)SmX(9℃)Cry
Cry:結晶相、SmX:高次のスメクチック相、SmC:スメクチックC相、N:ネマチック相、Iso:等方相
【0079】
比較例2
▲1▼電解質Dの製造
例示化合物(S−11)50mg(0.066mmol)に乾燥クロロホルム4mlを加え、攪拌し完全に溶解させた。それにトリフルオロメタンスルホン酸リチウム4.09mg(0.026mmol)を溶解したTHF溶液1mlを加え2時間攪拌した。溶媒をゆっくりと減圧留去した後、減圧乾燥し、電解質Dを得た。
【0080】
相転移温度を以下に示す。
昇温過程
SmX(94℃)SmC(151℃)SmA(165℃)N(171℃)Iso
降温過程
Iso(169℃)N(164℃)SmA(151℃)SmC(89℃)SmX
SmX:高次のスメクチック相、SmA:スメクチックA相、SmC:スメクチックC相、N:ネマチック相、Iso:等方相
【0081】
▲2▼電解質Dのイオン伝導度の評価
2枚のガラス板を用意し、1枚のガラス板上に金膜を400Åの厚さに形成し、図2に示すパターンにエッチングを行った。それぞれのガラス板上にポリイミド樹脂前駆体[東レ(株)製SP−710]1.5%ジメチルアセトアミド溶液を回転数2000r.p.m.のスピナーで15秒間塗布した。成膜後、60分間、300℃加熱縮合焼成処理を施した。この時の塗膜の膜厚は約250Åであった。この焼成後の被膜にはアセテート植毛布によるラビング処理がなされ、その後、イソプロピルアルコール液で洗浄し、平均粒径2.0μmのシリカビーズを一方のガラス板上に散布した後、それぞれのラビング処理軸が互いに平行となるようにし、接着シール剤[三井東圧(株)ストラクトボンド]を用いてガラス板を張り合わせ、60分間、170℃にて加熱乾燥しセルCを作成した。
【0082】
このセルCに電解質Dを等方性液体状態で注入し、等方相から3℃/minでスメクチックA相を示す温度まで冷却した。このセルを偏光顕微鏡でクロスニコル下、テクスチャーを観察した所、スメクチックA相のホモジニアス均一配向が観測された。次に0.001〜100kHz、3000mVの交流電圧を印加した時の電流を測定して複素インピーダンスを測定し、イオン伝導率を算出した。その結果を以下に示す。
【0083】
X方向
測定温度 イオン伝導率
40℃ 5.2×10-7S/cm
80℃ 2.0×10-6S/cm
Y方向
測定温度 イオン伝導率
40℃ 3.2×10-5S/cm
80℃ 1.2×10-4S/cm
【0084】
比較例3
▲1▼電解質Eの製造
ポリエチレンオキシド(重量平均分子量400)5.0mg、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム0.88mg(0.056mmol)と乾燥THF1mlを加え2時間攪拌した。完全に溶解していることを確認した後、溶媒を留去し、減圧乾燥して電解質Eを得た。
【0085】
▲2▼電解質Eのイオン伝導度の評価
比較例2と同様の方法によりセルCを作成し、電解質Dの代わりに電解質Eを用いる以外は比較例2と同様の方法により注入しイオン伝導率を算出した。その結果を以下に示す。
【0086】
X方向
測定温度 イオン伝導率
40℃ 6.9×10-4S/cm
80℃ 3.2×10-3S/cm
Y方向
測定温度 イオン伝導率
40℃ 7.0×10-4S/cm
80℃ 3.4×10-3S/cm
【0087】
実施例5
▲1▼電解質Fの製造
合成した例示化合物(S−11)37.0mg(0.05mmol)に乾燥ジクロロメタン1mlを加え、攪拌し完全に溶解させた。それにポリエチレンオキシド(重量平均分子量400)3.4mg、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム3.6mg(0.023mmol)と乾燥THF1mlを加え2時間攪拌した。完全に溶解していることを確認した後、溶媒を留去し、減圧乾燥して電解質Fを得た。
【0088】
得られた電解質Fの相転移温度を示す。
昇温過程
SmX(80℃)SmC(110℃)SmA(132℃)N(146℃)Iso
降温過程
Iso(145℃)N(135℃)SmA(116℃)SmC(90℃)SmX
SmX:高次のスメクチック相、SmA:スメクチックA相、SmC:スメクチックC相、N:ネマチック相、Iso:等方相
【0089】
▲2▼電解質Fのイオン伝導度の評価
比較例2と同様の方法によりセルCを作成し、電解質Dの代わりに電解質Fを用いる以外は比較例2と同様の方法により注入しイオン伝導率を算出した。その結果を以下に示す。
【0090】
X方向
測定温度 イオン伝導率
40℃ 6.9×10-6S/cm
80℃ 5.3×10-5S/cm
Y方向
測定温度 イオン伝導率
40℃ 8.5×10-4S/cm
80℃ 1.0×10-3S/cm
【0091】
実施例6
▲1▼電解質Gの製造
合成した例示化合物(S−11)37.0mg(0.05mmol)に乾燥ジクロロメタン1mlを加え、攪拌し完全に溶解させた。それにポリエチレンオキシド(重量平均分子量400)10.2mg、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム4.8mg(0.031mmol)と乾燥THF2mlを加え2時間攪拌した。完全に溶解していることを確認した後、溶媒を留去し、減圧乾燥して電解質Gを得た。
【0092】
得られた電解質Gの相転移温度を示す。
昇温過程
X3(90℃)N(124℃)Iso
降温過程
Iso(120℃)N(87℃)X3
X3:未同定の高次の相、N:ネマチック相、Iso:等方相
【0093】
▲2▼電解質Gのイオン伝導度の評価
比較例2と同様の方法によりセルCを作成し、電解質Dの代わりに電解質Gを用いる以外は比較例2と同様の方法により注入しイオン伝導率を算出した。その結果を以下に示す。
【0094】
X方向
測定温度 イオン伝導率
40℃ 8.9×10-6S/cm
80℃ 8.0×10-5S/cm
Y方向
測定温度 イオン伝導率
40℃ 7.7×10-3S/cm
80℃ 3.0×10-3S/cm
【0095】
【発明の効果】
以上説明した様に、本発明によれば、電池、センサデバイス等エレクトロニクス分野に用いる電解質においてイオン伝導性に異方性がある電解質を提供する事が出来る。
【図面の簡単な説明】
【図1】二次電池の模式的な構成図である。
【図2】セルCのパターン図である。
【符号の説明】
41 負電極
411 電子伝導性支持体
412 負極活物質
42 正電極
421 電子伝導性支持体
422 正極活物質
43 電解質層[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a novel electrolyte used in the electronics field such as a battery device, a photochromic device, and a sensor device.
[0002]
[Prior art]
In 1973, Wright et al. Reported the ion conduction characteristics of complexes of polyethylene oxide (PEO) and alkali metal salts. In 1979, Armand et al. Demonstrated the potential of electrolytes for batteries. Has spread worldwide. Since the solid electrolyte is not liquid, there is no leakage outside the unit, and it is advantageous over the liquid electrolyte in terms of heat resistance, reliability, safety, and device miniaturization. Moreover, since organic substances are more flexible than inorganic substances, there is an advantage that they are easy to process.
[0003]
In general, the ionic conductivity of an electrolyte is expressed by the product of carrier density, electric charge, and ion mobility. Therefore, a high polarity for dissociating ions and a low viscosity for moving dissociated ions are required. From this point of view, PEO cannot be said to have sufficient characteristics as a solid electrolyte. In the first place, the ion transport mechanism of PEO is based on ligand exchange in which ions dissociated by coordination to the donor polar group portion are successively delivered by segmental motion due to heat. For this reason, it is susceptible to temperature dependence. Further, when a large amount of metal ions is dissolved in order to increase the carrier density, crystallization occurs and conversely the ion mobility decreases. In order to prevent this crystallization, urethane cross-linked PEO (M. Watanabe et al, “Solid State Ionics”, 28-30, 911, 1988), and further to the cross-linked portion to improve the ion mobility at low temperature. A chain-introduced PEO ("Proceedings of the 40th Polymer Discussion", 3766, 1991) has also been developed. Recently, molten salt type PEO (K. Ito et al., “Solid State Ionics”, 86-88, 325, 1996, K. Ito et al., “Electrochim. Acta”) in which a salt is introduced at the end of the PEO is introduced. 42, 1561, 1997) have also been developed. However, since ionic conductivity cannot be obtained sufficiently at present, an electrolyte solution in which a high dielectric constant organic solvent and a low viscosity solvent are mixed or a gel electrolyte in which the electrolyte solution is fixed with an organic polymer has become the mainstream. Further, when using a solid electrolyte as a battery device, not only the ion transport efficiency but also the efficiency of the electrochemical reaction at the contact surface with the electrode is a problem.
[0004]
On the other hand, the discotic liquid crystal phase was developed in S. It is a liquid crystal phase discovered by Chandrasekhar et al. (“Pramana” 9 , 471 (1977)). For example, by the same authors, the title “Discussion Liquid Crystals” is “Rep. Prog. Phys.” 53 (1990) 57, or by Takenaka Shunsuke “The design and synthesis of discotic liquid crystal molecules”. As described in the volume “Political Chemistry” Vol. 22, p. 60, it can be seen in compounds in which a plurality of relatively long side chains are bonded to a disk-shaped core.
[0005]
The types of the compounds can be classified mainly by the structure of the core, such as 6-substituted benzene and 3-substituted benzene derivatives, phthalocyanine and porphyrin derivatives, triphenylene, torquesen, pyrylium derivatives, tribenzocyclononene derivatives, azacrown. Derivatives, cyclohexane derivatives and the like.
[0006]
Due to the structural characteristics of discotic liquid crystals, there have been some reports suggesting application to devices in the past. In systems with conjugated pi-electrons such as phthalocyanine and triphenylene, the application of electron (or hole) channels (Piechocki et al .: “J. Am. Chem. Soc.” 1982, 104, pp 5245), where the core is azacrown. In the case of such a ring, application of a molecular channel through which molecules selectively pass through a central void (“J. Chem. Soc., Chem. Commun.”, 1985, 1794, “J. Chem. Soc. Chem. Commun. ", 1995, 117, 9957).
[0007]
Recently, Kato et al. Reported on an electrolyte having a smectic liquid crystal phase (“1998 Proceedings of the Liquid Crystal Society of Japan”, 3BO8), and Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-86629 uses the orientation of liquid crystals. An ion conductive material is disclosed. However, there is no description in which a liquid crystal compound, a linear or branched polyether compound and a metal salt are mixed and used.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in view of such prior art, and provides an electrolyte having anisotropy in ion conductivity, which contains a liquid crystal compound, a linear or branched polyether compound, and a metal salt. The purpose is to do.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
That is, the present invention is an electrolyte comprising a discotic liquid crystal compound, a linear or branched polyether compound, and a metal salt.
[0010]
The present invention also provides an electrolyte comprising a liquid crystal compound that has been polymerized by a polymerization reaction, a linear or branched polyether compound, and a metal salt.
The present invention also provides an electrolyte containing an organic solvent, a liquid crystal compound, a linear or branched polyether compound, and a metal salt.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The electrolyte of the present invention includes a liquid crystal compound, a linear or branched polyether compound, and a metal salt.
[0013]
As the liquid crystal compound, a nematic liquid crystal compound typified by a rod-like liquid crystal, a smectic liquid crystal compound and a discotic liquid crystal compound are used, and a discotic liquid crystal compound having a columnar phase is preferable. These liquid crystal compounds are preferably polymerized by polymerization. In this case, a method in which a polymer group such as an acrylic group, a methacryl group, an epoxy group, or a vinyl group is added to the terminal of the liquid crystal side chain, and a method in which it is copolymerized with another polymerizable compound are preferable. Other polymerizable compounds are not particularly limited, and examples thereof include acrylic acid derivatives, methacrylic acid derivatives, vinyl derivatives, styrene derivatives, urethane derivatives, and epoxy derivatives.
[0014]
Further, the content of the liquid crystal compound contained in the electrolyte of the present invention is usually 99 to 50% by weight, preferably 95 to 70% by weight. If it is less than 50% by weight, it is difficult to maintain the liquid crystallinity, and if it exceeds 99% by weight, the ionic conductivity is lowered, which is not preferable.
[0015]
Examples of the linear or branched polyether compound include polyethylene oxide, polypropylene oxide, and copolymers thereof, and those having an average molecular weight of 200 to 6000 are preferable.
[0016]
Further, the content of the linear or branched polyether compound contained in the electrolyte of the present invention is usually 1 to 50% by weight, preferably 5 to 30% by weight. If it is less than 1% by weight, the ionic conductivity is lowered, and if it exceeds 50% by weight, it is difficult to maintain liquid crystallinity.
[0017]
Examples of the metal salt include alkali metal salts such as MClO 4 , MBF 4 , MPF 6 , MCF 3 SO 2 , M (CF 3 SO 2 ) 2 N (M represents Li, Na, K), and CuSO. 4 , It is preferable to contain metal salts such as Ni (NO 3 ) 2 and Ni (BF 4 ) 2 . Particularly preferred are lithium metal salts such as LiClO 4 , LiBF 4 , LiPF 6 , LiCF 3 SO 2 and Li (CF 3 SO 2 ) 2 N.
[0018]
Further, the content of the metal salt contained in the electrolyte of the present invention is usually 0.01 to 50% by weight, preferably 0.1 to 30% by weight.
[0019]
The electrolyte of the present invention may contain an organic solvent, and is preferably a polar organic solvent. For example, ethylene carbonate, propylene carbonate, γ-butyrolactone, tetrahydrofuran, dioxane, ethyl ethyl ketone, methyl propionate, dimethoxy Ethane and glycols.
[0020]
In the present invention, anisotropy is imparted to ionic conduction by combining a polyether compound and a liquid crystal compound. However, not only that, many combinations can be made, and the Tg, viscosity, and ionic conduction of the electrolyte can be changed. Adjustment of electrolyte characteristics such as temperature dependency is facilitated.
[0021]
Hereinafter, specific structures of the polyether compound used in the present invention are preferably those represented by the following general formulas (a) to (d). However, the present invention is not limited to these.
[0022]
[Chemical 1]
Figure 0003658314
[0023]
In the formula, n is an integer of 5 to 100, preferably 5 to 50. m is an integer of 1 to 50, preferably 1 to 10. x shows 0.1-0.9.
[0024]
Next, the liquid crystal compound used in the present invention is preferably a compound represented by the following general formulas (I) to (II).
[0025]
[Chemical formula 2]
Figure 0003658314
[0026]
In the general formula (I), R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 and R 6 are each independently composed of two or more OCH 2 CH 2 segments or OCH 2 CH 2 CH 2 segments, A side chain having a branched or straight chain alkyl group having 1 to 20 carbon atoms in the portion is shown. However, a hydrogen atom in the alkyl group may be replaced with a fluorine atom, and one or more methylene groups may be replaced with O, CO, —CH═CH—, —C≡C— or an epoxy group. Good.
[0027]
In the general formula (I), preferably R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 and R 6 are each independently (OCH 2 CH 2 ) n OR 7 or (OCH 2 CH 2 CH 2 ) n. OR 7 In the formula, n is an integer of 1 to 20, and R 7 represents a branched or straight chain alkyl group having 4 to 20 carbon atoms. The hydrogen atom in the alkyl group may be replaced with a fluorine atom, and one or more methylenes may be replaced with O, CO, —CH═CH—, —C≡C— or an epoxy group.
[0028]
[Chemical 3]
Figure 0003658314
[0029]
In the general formula (II), A represents A1-B1-A2-B2-A3-B3-A4-B4-A5-B5-A6.
A1, A2 and A3 represent 1,4-phenylene (one or more CH may be replaced by CF or N) or 1,4-cyclohexylene.
A4, A5 and A6 each represents a single bond or 1,4-phenylene (one or more CH may be replaced by CF or N) or 1,4-cyclohexylene.
B1, B2, B3, B4, and B5 each represents a single bond or —CH 2 O—, —OCH 2 —, —COO—, —OOC—.
X represents —CH 2 CH 2 O— or —CHCH 3 CH 2 O—.
Y represents —OCH 2 CH 2 — or —OCH 2 CHCH 3 —.
R 11 and R 12 are each independently a linear or branched alkyl group having 1 to 100 carbon atoms, and one or more methylenes in the alkyl group are —O—, —CO—, — S—, —CH═CH—, —C≡C— may be substituted. The hydrogen atom in the alkyl group may be replaced with a fluorine atom.
m1 and n1 represent integers from 3 to 25. An optically active compound may be used.
[0030]
Further, preferably, in the general formula (II), the compound A is a compound represented by the following general formulas (IIa) to (IIi).
In formula, z shows the integer of 0-4 each independently.
[0031]
[Formula 4]
Figure 0003658314
[0032]
[Chemical formula 5]
Figure 0003658314
Hereinafter, specific structural formulas of the liquid crystal compounds used in the electrolyte of the present invention are shown in Tables 1 to 14. However, the present invention is not limited to these. In addition, the abbreviation in a table | surface shows the following groups.
[0033]
[Chemical 6]
Figure 0003658314
[0034]
[Chemical 7]
Figure 0003658314
[0035]
[Table 1]
Figure 0003658314
[0036]
[Table 2]
Figure 0003658314
[0037]
[Table 3]
Figure 0003658314
[0038]
[Table 4]
Figure 0003658314
[0039]
[Table 5]
Figure 0003658314
[0040]
[Table 6]
Figure 0003658314
[0041]
[Table 7]
Figure 0003658314
[0042]
[Table 8]
Figure 0003658314
[0043]
[Table 9]
Figure 0003658314
[0044]
[Table 10]
Figure 0003658314
[0045]
[Table 11]
Figure 0003658314
[0046]
[Table 12]
Figure 0003658314
[0047]
[Table 13]
Figure 0003658314
[0048]
[Table 14]
Figure 0003658314
[0049]
Next, a secondary battery will be described as an application example of the electrolyte of the present invention.
FIG. 1 is a schematic configuration example of a secondary battery. Reference numerals 41 and 42 denote negative and positive electrodes, respectively. 43 is an electrolyte layer, and ions of a specific polarity are transmitted from the negative electrode to the positive electrode or from the positive electrode to the negative electrode through the layer as a passage. The negative and positive electrodes are normally separated because they require functions that are ambiguous, such as ion emission and absorption functions, linkage functions with external devices (for example, electronic conductivity functions), and mechanical support functions. In many cases, the composite is composed of a plurality of members.
[0050]
The negative electrode 41 is formed by coating a negative electrode active material 412 on an electronically conductive support 411 such as copper, aluminum, gold, or platinum that also serves as an electronic connection with an external circuit. Alternatively, a negative electrode active material that also functions as a support can be used. As a negative electrode active material, a lithium metal foil, lithium-aluminum from a metal material as a material capable of releasing cations such as alkali ions such as Li ions, Na ions and K ions, alkaline earth ions and hydrogen ions. Alloys such as polyacetylene, polythiophene, poly-p-phenylene, polyacene and their derivatives doped with n-type from among polymer materials, and derivatives thereof, and graphite (graphite), pitch, coke, A sintered body of an organic polymer or a composite of these materials and an organic polymer is selectively used as appropriate.
[0051]
The positive electrode 42 is formed by coating a positive electrode active material 422 on an electronically conductive support 421 such as copper, aluminum, gold, or platinum that also functions as an electronic connection with an external circuit. Alternatively, a positive electrode active material that also serves as a support can be used. As the positive electrode active material, transition metal chalcogen compounds and oxides such as cobalt, vanadium, titanium, molybdenum, iron, and manganese, as well as composites of these with lithium, are composed of graphite, fluoride, and carbon. Polyacetylene, polyaniline, polypyrrole, polythiophene, poly-p-phenylene in which a series of layered compounds such as carbonized carbon, or a composite of these materials and an organic polymer is preferably doped into p-type or n-type among polymer materials , Polyacene, polyphthalocyanine, polypyridine and the like, and derivatives thereof are selectively used as appropriate.
[0052]
【Example】
EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention further in detail, this invention is not limited to these Examples.
[0053]
Synthesis example 1
Production of 2,3,6,7,10,11-hexa (2-hexyloxyethyloxy) triphenylene (Exemplary Compound T-6) (1) Production of 2-hexyloxyethyl p-toluenesulfonate -Add 3.29 g (22.5 mmol) of hexyloxyethanol and 5.33 g (67.5 mmol) of pyridine, add 4.72 g (24.7 mmol) of p-toluenesulfonic acid chloride to the ice bath, and stir for 1 hour Then, the mixture was further stirred at room temperature for 3 hours. After completion of the reaction, the mixture was acidified with 3N HCl, and extracted twice with toluene. The extract was washed with water, dried over anhydrous sodium sulfate. After the solvent was distilled off, the residue was purified by silica gel column chromatography (eluent: toluene / ethyl acetate = 10/1) to obtain 6.45 g (21.5 mmol) of 2-hexyloxyethyl p-toluenesulfonate. Yield 95%
[0054]
(2) Production of 2,3,6,7,10,11-hexa (2-hexyloxyethyloxy) triphenylene In a reaction vessel, 15 ml of dry N, N-dimethylformamide (DMF) and sodium hydride (60% in oil) (Mineral oil)) 0.77 g (19.3 mmol) was added, 0.93 g (2.84 mmol) of 2,3,6,7,10,11-hexahydroxytriphenylene was added to the solution in a water bath, and the mixture was stirred for 1 hour. Thereafter, a mixed solution of 6.3 g (21.0 mmol) of 2-hexyloxyethyl p-toluenesulfonate and 5 ml of dry DMF was added dropwise, and the mixture was stirred at 80 ° C. for 5 hours. After completion of the reaction, water was added and extracted twice with toluene. The extract was washed with water, dried over anhydrous sodium sulfate. After the solvent was distilled off, silica gel column chromatography (eluent: toluene / ethyl acetate = 5/1) was performed twice for purification, and 2,3,6,7,10,11-hexa (2-hexyloxyethyl). 1.15 g (1.0 mmol) of oxy) triphenylene was obtained. Yield 35%
[0055]
The phase transition temperature by DSC of the obtained compound is shown below.
Temperature rise process Cry (-24 ° C) Xl (17 ° C) X2 (29 ° C) Dh (84 ° C) Iso
Cooling process Iso (81 ° C) Dh (16 ° C) X2 (5 ° C) Xl (<-50 ° C) Cry
Cry: crystalline phase, X1, X2: unidentified phase, Dh: discotic columnar phase, Iso: isotropic phase
Example 1
Next, 1 ml of dry dichloromethane was added to 65.6 mg (0.06 mmol) of 2,3,6,7,10,11-hexa (2-hexyloxyethyloxy) triphenylene synthesized, and the mixture was stirred and completely dissolved. To this, 2.4 mg of polyethylene oxide (weight average molecular weight 400), 3.19 mg (0.030 mmol) of lithium perchlorate and 1 ml of dry ethanol were added and stirred for 2 hours. After confirming complete dissolution, the solvent was distilled off and dried under reduced pressure to obtain an electrolyte A.
[0057]
The phase transition temperature of the obtained electrolyte A is shown.
Temperature rise process Cry (<-50 ° C) Xl (22 ° C) X2 (29 ° C) Dh (88 ° C) Iso
Cooling Process Iso (86 ° C) Dh (10 ° C) X2 (<-50 ° C) Xl (<-50 ° C) Cry
Cry: crystalline phase, X1, X2: unidentified phase, Dh: discotic columnar phase, Iso: isotropic phase
Example 2
To 65.6 mg (0.06 mmol) of 2,3,6,7,10,11-hexa (2-hexyloxyethyloxy) triphenylene was added 1 ml of dry dichloromethane, and the mixture was stirred and completely dissolved. 4.8 mg of polyethylene oxide (weight average molecular weight 3000), 3.19 mg (0.030 mmol) of lithium perchlorate and 1 ml of dry ethanol were added thereto and stirred for 2 hours. After confirming complete dissolution, the solvent was distilled off and dried under reduced pressure to obtain an electrolyte B.
[0059]
The phase transition temperature of the obtained electrolyte B is shown.
Temperature rise process Cry (<-50 ° C) Xl (28 ° C) X2 (31 ° C) Dh (90 ° C) Iso
Cooling process Iso (88 ° C) Dh (11 ° C) X2 (<-50 ° C) Xl (<-50 ° C) Cry
Cry: crystalline phase, X1, X2: unidentified phase, Dh: discotic columnar phase, Iso: isotropic phase
Example 3
A pair of glass substrates having a thickness of 1.1 mm on which an ITO film having a thickness of 700 mm was formed as a transparent electrode was prepared. On the transparent electrode of the substrate, silica beads having an average particle diameter of 2.4 μm were dispersed as a spacer on one substrate to produce a cell A having a uniform cell gap. The electrolyte A prepared in Example 1 was injected into this cell in an isotropic liquid state, and cooled from the isotropic phase to a temperature showing a discotic columnar phase at 20 ° C./h. When this cell was observed with a polarizing microscope under a crossed Nicol texture, a dark field was obtained, and it was found that the discotic columnar phase had homeotropic orientation.
[0061]
Next, the complex impedance was measured by measuring the current when an alternating voltage of 0.001 to 100 kHz and 10 mV was applied, and the ionic conductivity was calculated. The results are shown below.
Measurement temperature Ion conductivity 50 ° C. 1.1 × 10 −7 S / cm
[0062]
Next, instead of using silica beads with an average particle diameter of 2.4 μm, a cell B was prepared in the same manner except that silica beads with an average particle diameter of 20 μm were used, electrolyte A was injected, and the texture was observed with a polarizing microscope. As a result, multi-domain orientation was observed, and it was found that the discotic columnar phase was randomly oriented.
[0063]
Moreover, the complex impedance was measured by the same method, and the ionic conductivity was calculated. The results are shown below.
Measurement temperature Ion conductivity 50 ° C. 3.6 × 10 −9 S / cm
[0064]
Example 4
Two types of cells were prepared and injected in the same manner as in Example 3 except that electrolyte B was used instead of electrolyte A. The texture was observed with a polarizing microscope, and the beads were prepared with silica beads having an average particle size of 2.4 μm. Cell A was found to have a dark field, and the discotic columnar phase was homeotropically oriented. It was found that the cell B made of silica beads having an average particle diameter of 20 μm was multi-domain aligned and the discotic columnar phase was randomly aligned.
[0065]
Complex impedance was measured by the same method as in Example 3, and ionic conductivity was calculated. The results are shown below.
[0066]
Average particle size 2.4 μm Silica beads cell Measurement temperature Ion conductivity 50 ° C. 9.4 × 10 −8 S / cm
Average particle diameter 20 μm Silica beads cell Measurement temperature Ion conductivity 50 ° C. 8.8 × 10 −9 S / cm
[0067]
Comparative Example 1
(1) Production of electrolyte C Add 1 ml of dry dichloromethane to 65.6 mg (0.06 mmol) of 2,3,6,7,10,11-hexa (2-hexyloxyethyloxy) triphenylene and stir to dissolve completely. It was. Thereto were added lithium perchlorate 0.64 mg (0.006 mmol) and dry ethanol 1 ml, and the mixture was stirred for 2 hours. After confirming complete dissolution, the solvent was distilled off and dried under reduced pressure to obtain an electrolyte C.
[0068]
The phase transition temperature is shown below.
Temperature rising process Cry (-3 ° C) X1 (19 ° C) X2 (27 ° C) Dh (86 ° C) Iso
Cooling process Iso (84 ° C.) Dh (7 ° C.) X2 (<−18 ° C.) X1 (<−50 ° C.) Cry
Cry: crystalline phase, X1, X2: unidentified phase, Dh: discotic columnar phase, Iso: isotropic phase
(2) Evaluation of ionic conductivity of electrolyte C Two types of cells were prepared and injected in the same manner as in Example 3 except that electrolyte C was used instead of electrolyte A, and the texture was observed with a polarizing microscope. Cell A made with 4 μm silica beads has a dark field, and the discotic columnar phase was found to be homeotropic, but cell B made with 20 μm silica beads is multidomain oriented. It was found that the discotic columnar phase was randomly oriented. Complex impedance was measured by the same method as in Example 3, and ionic conductivity was calculated.
[0070]
The results are shown below.
Average particle size 2.4 μm Silica beads cell Measurement temperature Ion conductivity 50 ° C. 2.4 × 10 −9 S / cm
Average particle size 20 μm Silica beads cell Measurement temperature Ion conductivity 50 ° C. 1.8 × 10 −10 S / cm
[0071]
Synthesis example 2
Production of 4 ′-[methyloxytri (ethyleneoxy) ethyloxy] -4-biphenylcarboxylic acid 4- [methyloxytri (ethyleneoxy) ethyloxy] -4′-biphenyl (Exemplary Compound S-11)
(1) Production of methyloxytri (ethyleneoxy) ethyloxytosylate 20 g (96 mmol) of tetraethylene glycol monomethyl ether and 20 ml of pyridine were charged into a 100 ml eggplant flask and cooled to 0 ° C. in an ice bath. 23.8 g (125 mmol) of p-toluenesulfonic acid chloride was slowly added and stirred at 0 ° C. for 12 hours. Water was added and extracted with chloroform. The organic layer was dried over anhydrous sodium sulfate, the solvent was distilled off under reduced pressure, and the residue was separated and purified by silica gel chromatography (chloroform / methanol = 100/1) to obtain 34.5 g (95.95%) of methyloxydi (ethyleneoxy) ethyloxytosylate. 2 mmol, 99% yield).
[0073]
(2) Production of 4 '-[methyloxytri (ethyleneoxy) ethyloxy] -4-biphenylcarboxylic acid In a 500 ml eggplant flask, 5 g (23 mmol) of 4'-hydroxy-4-biphenylcarboxylic acid, 3.3 g of potassium hydroxide, 400 ml of methanol was charged and heated under reflux for 1 hour. Methyloxytri (ethyleneoxy) ethyloxytosylate (8.5 g, 23 mmol) was added, and the mixture was further heated under reflux for 24 hours. The reaction solution was cooled to room temperature, neutralized with 1N hydrochloric acid, water was added, and the mixture was extracted with chloroform. The organic layer was dried over anhydrous sodium sulfate, the solvent was distilled off under reduced pressure, and the residue was separated and purified by silica gel chromatography (chloroform / methanol = 30/1) to give a white solid 4 ′-[methyloxytri (ethyleneoxy) ethyloxy]. 3.8 g (9.4 mmol, yield 40%) of -4-biphenylcarboxylic acid was obtained.
[0074]
(3) Production of 4 '-[methyloxytri (ethyleneoxy) ethyloxy] -4-hydroxybiphenyl In a 500 ml eggplant flask, 2.6 g (14 mmol) of 4,4'-biphenol, 1.8 g of potassium hydroxide and 250 ml of methanol were added. The mixture was heated and refluxed for 1 hour. Methyloxytri (ethyleneoxy) ethyloxytosylate (5.1 g, 14 mmol) was added, and the mixture was further heated under reflux for 24 hours. The reaction solution was cooled to room temperature, neutralized with 1N hydrochloric acid, water was added, and the mixture was extracted with chloroform. The organic layer was dried over anhydrous sodium sulfate, the solvent was distilled off under reduced pressure, and the residue was separated and purified by silica gel chromatography (chloroform / methanol = 50/1) to give a white solid 4 ′-[methyloxytri (ethyleneoxy) ethyloxy]. 1.8 g (4.7 mmol, yield 33.6%) of -4-hydroxybiphenyl was obtained.
[0075]
(4) Production of 4 ′-[methyloxytri (ethyleneoxy) ethyloxy] -4-biphenylcarboxylic acid 4- [methyloxytri (ethyleneoxy) ethyloxy] -4′-biphenyl (Exemplary Compound S-11) 100 ml eggplant In a flask, 2 g (5.0 mmol) of 4 ′-[methyloxytri (ethyleneoxy) ethyloxy] -4-biphenylcarboxylic acid, 1.9 g of 4 ′-[methyloxydi (ethyleneoxy) ethyloxy] -4-hydroxybiphenyl (5. 0 mmol), 0.8 g (10 mmol) of 1,3-dicyclocarbodiimide, 0.6 g (5 mmol) of 4-dimethylaminopyridine, and 20 ml of dry chloroform were stirred at room temperature for 24 hours.
[0076]
After completion of the reaction, water was added and extracted with chloroform. The organic layer was dried over anhydrous sodium sulfate, the solvent was distilled off under reduced pressure, the residue was separated and purified by silica gel chromatography (chloroform / methanol = 30/1), recrystallized (acetone), and white solid 4 ′-[methyl Oxytri (ethyleneoxy) ethyloxy] -4-biphenylcarboxylic acid 4- [methyloxytri (ethyleneoxy) ethyloxy] -4'-biphenyl 2.9 g (3.8 mmol, yield 75.2%) was obtained.
[0077]
1 H-NMR (CDCl 3 / TMS, σ ppm): 3.4 (6H, s), 3.6-4.2 (32H, m), 7.0 (4H, m), 7.3 (2H, d ), 7.5-7.7 (8H, m), 8.2 (2H, d)
[0078]
The phase transition temperature is shown below.
Temperature rising process Cry (51 ° C.) SmX (104 ° C.) SmC (154 ° C.) N (173 ° C.) Iso
Temperature reduction process Iso (170 ° C.) N (150 ° C.) SmC (99 ° C.) SmX (9 ° C.) Cry
Cry: crystalline phase, SmX: higher smectic phase, SmC: smectic C phase, N: nematic phase, Iso: isotropic phase
Comparative Example 2
(1) Production of electrolyte D 4 ml of dry chloroform was added to 50 mg (0.066 mmol) of the exemplified compound (S-11), and the mixture was stirred and completely dissolved. 1 ml of a THF solution in which 4.09 mg (0.026 mmol) of lithium trifluoromethanesulfonate was dissolved was added thereto and stirred for 2 hours. The solvent was slowly distilled off under reduced pressure and then dried under reduced pressure to obtain an electrolyte D.
[0080]
The phase transition temperature is shown below.
Temperature raising process SmX (94 ° C.) SmC (151 ° C.) SmA (165 ° C.) N (171 ° C.) Iso
Temperature drop process Iso (169 ° C.) N (164 ° C.) SmA (151 ° C.) SmC (89 ° C.) SmX
SmX: Higher order smectic phase, SmA: Smectic A phase, SmC: Smectic C phase, N: Nematic phase, Iso: Isotropic phase
{Circle around (2)} Evaluation of Ion Conductivity of Electrolyte D Two glass plates were prepared, a gold film was formed to a thickness of 400 mm on one glass plate, and the pattern shown in FIG. 2 was etched. A polyimide resin precursor [SP-710 manufactured by Toray Industries, Inc.] 1.5% dimethylacetamide solution was added to each glass plate at a rotational speed of 2000 r. p. m. For 15 seconds. After film formation, a heat condensation baking process at 300 ° C. was performed for 60 minutes. At this time, the thickness of the coating film was about 250 mm. The baked coating is rubbed with an acetate blanket, then washed with isopropyl alcohol solution, and silica beads having an average particle size of 2.0 μm are dispersed on one glass plate, and then each rubbed shaft is rubbed. Were made parallel to each other, and a glass plate was laminated using an adhesive sealant [Strong Bond, Mitsui Toatsu Co., Ltd.], and heat-dried at 170 ° C. for 60 minutes to prepare cell C.
[0082]
Electrolyte D was injected into cell C in an isotropic liquid state, and cooled from the isotropic phase to a temperature showing a smectic A phase at 3 ° C./min. When the texture of this cell was observed with a polarizing microscope under crossed Nicols, homogeneous uniform orientation of the smectic A phase was observed. Next, the complex impedance was measured by measuring the current when an alternating voltage of 0.001 to 100 kHz and 3000 mV was applied, and the ionic conductivity was calculated. The results are shown below.
[0083]
X direction measurement temperature Ion conductivity 40 ° C 5.2 × 10 -7 S / cm
80 ° C. 2.0 × 10 −6 S / cm
Y direction measurement temperature Ion conductivity 40 ° C 3.2 × 10 -5 S / cm
80 ° C. 1.2 × 10 −4 S / cm
[0084]
Comparative Example 3
(1) Production of electrolyte E 5.0 mg of polyethylene oxide (weight average molecular weight 400), 0.88 mg (0.056 mmol) of lithium trifluoromethanesulfonate and 1 ml of dry THF were added and stirred for 2 hours. After confirming complete dissolution, the solvent was distilled off and dried under reduced pressure to obtain an electrolyte E.
[0085]
(2) Evaluation of ion conductivity of electrolyte E Cell C was prepared by the same method as in Comparative Example 2, and ion conductivity was injected by the same method as in Comparative Example 2 except that electrolyte E was used instead of electrolyte D. Calculated. The results are shown below.
[0086]
X direction measurement temperature Ion conductivity 40 ° C. 6.9 × 10 −4 S / cm
80 ° C. 3.2 × 10 −3 S / cm
Y direction measurement temperature Ionic conductivity 40 ° C. 7.0 × 10 −4 S / cm
80 ° C. 3.4 × 10 −3 S / cm
[0087]
Example 5
(1) Production of Electrolyte F 1 ml of dry dichloromethane was added to 37.0 mg (0.05 mmol) of the synthesized exemplary compound (S-11), and the mixture was stirred and completely dissolved. To this, 3.4 mg of polyethylene oxide (weight average molecular weight 400), 3.6 mg (0.023 mmol) of lithium trifluoromethanesulfonate and 1 ml of dry THF were added and stirred for 2 hours. After confirming complete dissolution, the solvent was distilled off and dried under reduced pressure to obtain an electrolyte F.
[0088]
The phase transition temperature of the obtained electrolyte F is shown.
Temperature raising process SmX (80 ° C.) SmC (110 ° C.) SmA (132 ° C.) N (146 ° C.) Iso
Temperature drop process Iso (145 ° C.) N (135 ° C.) SmA (116 ° C.) SmC (90 ° C.) SmX
SmX: Higher smectic phase, SmA: Smectic A phase, SmC: Smectic C phase, N: Nematic phase, Iso: Isotropic phase
(2) Evaluation of ion conductivity of electrolyte F Cell C was prepared by the same method as in Comparative Example 2, and ion conductivity was injected by the same method as in Comparative Example 2 except that electrolyte F was used instead of electrolyte D. Calculated. The results are shown below.
[0090]
X direction measurement temperature Ion conductivity 40 ° C. 6.9 × 10 −6 S / cm
80 ° C. 5.3 × 10 −5 S / cm
Y direction measurement temperature Ionic conductivity 40 ° C. 8.5 × 10 −4 S / cm
80 ° C. 1.0 × 10 −3 S / cm
[0091]
Example 6
(1) Production of Electrolyte G 1 ml of dry dichloromethane was added to 37.0 mg (0.05 mmol) of the exemplified compound (S-11) synthesized, and the mixture was stirred and completely dissolved. Thereto were added 10.2 mg of polyethylene oxide (weight average molecular weight 400), 4.8 mg (0.031 mmol) of lithium trifluoromethanesulfonate and 2 ml of dry THF, and the mixture was stirred for 2 hours. After confirming complete dissolution, the solvent was distilled off and dried under reduced pressure to obtain an electrolyte G.
[0092]
The phase transition temperature of the obtained electrolyte G is shown.
Temperature rise process X3 (90 ° C) N (124 ° C) Iso
Temperature drop process Iso (120 ° C) N (87 ° C) X3
X3: Unidentified higher order phase, N: Nematic phase, Iso: Isotropic phase
(2) Evaluation of ion conductivity of electrolyte G A cell C was prepared in the same manner as in Comparative Example 2, and the ion conductivity was measured by injecting in the same manner as in Comparative Example 2 except that the electrolyte G was used instead of the electrolyte D. Calculated. The results are shown below.
[0094]
X direction measurement temperature Ion conductivity 40 ° C. 8.9 × 10 −6 S / cm
80 ° C. 8.0 × 10 −5 S / cm
Y direction measurement temperature Ion conductivity 40 ° C. 7.7 × 10 −3 S / cm
80 ° C. 3.0 × 10 −3 S / cm
[0095]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, an electrolyte having anisotropy in ion conductivity can be provided in an electrolyte used in the electronics field such as a battery and a sensor device.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a secondary battery.
FIG. 2 is a pattern diagram of a cell C. FIG.
[Explanation of symbols]
41 Negative Electrode 411 Electron Conductive Support 412 Negative Electrode Active Material 42 Positive Electrode 421 Electron Conductive Support 422 Positive Electrode Active Material 43 Electrolyte Layer

Claims (4)

ディスコチック液晶化合物と、直鎖状または分岐状のポリエーテル化合物と、金属塩を含有することを特徴とする電解質。 An electrolyte comprising a discotic liquid crystal compound , a linear or branched polyether compound, and a metal salt . 重合反応により高分子化されている液晶化合物と、直鎖状または分岐状のポリエーテル化合物と、金属塩を含有することを特徴とする電解質。 An electrolyte comprising a liquid crystal compound that has been polymerized by a polymerization reaction , a linear or branched polyether compound, and a metal salt . 有機溶剤と、液晶化合物と、直鎖状または分岐状のポリエーテル化合物と、金属塩を含有することを特徴とする電解質。An electrolyte comprising an organic solvent , a liquid crystal compound, a linear or branched polyether compound, and a metal salt . 前記液晶化合物が、下記一般式(I)で示される化合物である請求項1乃至3のいずれかの項に記載の電解質。The electrolyte according to any one of claims 1 to 3, wherein the liquid crystal compound is a compound represented by the following general formula (I).
Figure 0003658314
Figure 0003658314
(式中、R(Wherein R 11 ,R, R 22 ,R, R 3Three ,R, R 4Four ,R, R 5Five ,R, R 66 はそれぞれ独立に1つ以上のOCHEach independently has one or more OCH 22 CHCH 22 セグメントあるいはOCHSegment or OCH 22 CHCH 22 CHCH 22 セグメントから構成され、末端部分に炭素原子数1〜20の分岐状または直鎖状のアルキル基がついた側鎖を示す。)A side chain composed of segments and having a branched or straight chain alkyl group having 1 to 20 carbon atoms in the terminal portion is shown. )
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