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JP5580804B2 - Ionic polymer - Google Patents
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JP5580804B2 - Ionic polymer - Google Patents

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Description

本発明は、リチウム二次電池用電解質又は燃料電池用電解質として有用なイオン性高分子に関する。   The present invention relates to an ionic polymer useful as an electrolyte for a lithium secondary battery or an electrolyte for a fuel cell.

リチウムイオン二次電池は小型で高容量であることから、携帯機器の充電池等に用いられているが、近年、環境負荷低減の要請により、電力貯蔵や電気自動車用電池への展開が期待されている。   Lithium ion secondary batteries are small and have high capacity, so they are used in rechargeable batteries for portable devices. However, in recent years, due to demands for reducing environmental impact, they are expected to be used for power storage and batteries for electric vehicles. ing.

特に、近い将来に展開が期待されている電気自動車用途では、これまで以上に高い高容量化が求められている。高容量化を達成する最も効果的な方法として、金属リチウム負極の使用が検討されている。負極活物質として金属リチウムを用いると、高起電力が得られ、軽量で高容量に大きく寄与する。しかしながら、リチウムイオン二次電池には有機溶媒に電解質塩を溶解させた有機電解液が用いられているため、充放電によってリチウムデンドライトが析出、成長するという問題があり、これが正極に達すると内部短絡が起こる。   In particular, in electric vehicle applications that are expected to be deployed in the near future, higher capacity is required than ever. As the most effective method for achieving high capacity, the use of a metal lithium negative electrode has been studied. When metallic lithium is used as the negative electrode active material, a high electromotive force is obtained, which is lightweight and greatly contributes to high capacity. However, the lithium ion secondary battery uses an organic electrolyte solution in which an electrolyte salt is dissolved in an organic solvent, so there is a problem that lithium dendrite precipitates and grows due to charge and discharge, and when this reaches the positive electrode, an internal short circuit occurs. Happens.

金属リチウム負極の使用を可能にするためには、リチウムデンドライトの析出を物理的に抑制する必要があり、電解質の固体化に期待が集まっている。このため、有機電解液を全く含有していない全固体電解質に関して検討がなされており、一例としてPEO(ポリエチレンオキサイド)が挙げられる。しかしながら、PEOのような高分子固体電解質では、高分子鎖の運動性がイオン伝導を支配しているため、室温や低温でのイオン伝導性が極めて低く、室温以下では電池の出力がほとんど出ないという問題がある。   In order to make it possible to use a metallic lithium negative electrode, it is necessary to physically suppress the precipitation of lithium dendrite, and there is an expectation for solidification of the electrolyte. For this reason, studies have been made on an all-solid electrolyte containing no organic electrolyte, and PEO (polyethylene oxide) can be cited as an example. However, in polymer solid electrolytes such as PEO, the mobility of the polymer chain dominates ionic conduction, so the ionic conductivity at room temperature and low temperature is extremely low, and the output of the battery hardly appears below room temperature. There is a problem.

一方、「電解質の固体化」と「高いイオン伝導性の発現」を両立させる技術として、イオン性高分子に非水溶媒を保持させた電解質の検討がなされている。
以下の特許文献1には、テトラフルオロエチレン(TFE)ユニットとパーフルオロスルホンイミドユニットとの共重合体及びその製造方法が開示されている。しかしながら、これらのパーフルオロ系ポリマーは非常に高価であること、金属リチウムに容易に還元されるTFEユニットを含有しているなどの欠点から実用的でない。
On the other hand, as a technique for achieving both “solidification of electrolyte” and “expression of high ionic conductivity”, an electrolyte in which a nonaqueous solvent is held in an ionic polymer has been studied.
Patent Document 1 below discloses a copolymer of a tetrafluoroethylene (TFE) unit and a perfluorosulfonimide unit and a method for producing the same. However, these perfluoro-based polymers are impractical because of their very high price and the fact that they contain TFE units that are easily reduced to metallic lithium.

特許文献2には、スルホンイミド基を有するモノマーのホモ重合体と非水溶媒からなる電解質が開示されている。これらのポリマーは脂肪族炭化水素を有する繰り返し単位を含有していないため、非水溶媒と混合した際に溶解するという欠点がある。かかる電解質を固体電解質として用いるためには、エラストマーによる共硬化を必要とし、その製造方法は非常に繁雑である。   Patent Document 2 discloses an electrolyte comprising a homopolymer of a monomer having a sulfonimide group and a non-aqueous solvent. Since these polymers do not contain a repeating unit having an aliphatic hydrocarbon, they have a drawback of being dissolved when mixed with a non-aqueous solvent. In order to use such an electrolyte as a solid electrolyte, co-curing with an elastomer is required, and the manufacturing method thereof is very complicated.

以下の特許文献3には、脂肪族炭化水素を有する繰り返し単位とスルホン酸基を含有する繰り返し単位からなる共重合体に水を含ませた燃料電池用高分子電解質が開示されている。この高分子電解質では、スルホン酸基が大量の水を保持し、保持した水により高いイオン伝導度を発現する。しかしながら、スルホン酸基は非水溶媒を容易に保持することができず、非水溶媒中でのイオンの解離度が低いという問題がある。そのため、非水溶媒を電解液として用いるリチウムイオン電池用電解質として用いるためには、イオン伝導度が不十分である。   Patent Document 3 below discloses a polymer electrolyte for a fuel cell in which water is contained in a copolymer composed of a repeating unit having an aliphatic hydrocarbon and a repeating unit containing a sulfonic acid group. In this polymer electrolyte, the sulfonic acid group retains a large amount of water, and the retained water exhibits high ionic conductivity. However, sulfonic acid groups cannot easily hold a non-aqueous solvent, and there is a problem that the degree of ion dissociation in the non-aqueous solvent is low. Therefore, the ionic conductivity is insufficient for use as an electrolyte for a lithium ion battery using a nonaqueous solvent as an electrolyte.

米国特許第5463005号明細書US Pat. No. 5,463,005 特表2003−525957号公報Japanese translation of PCT publication No. 2003-525957 特表平10−503788号公報Japanese National Patent Publication No. 10-503788

本発明が解決しようとする課題は、従来技術が有する上記問題に鑑み、リチウムイオン二次電池用固体電解質の構成材料として、優れたイオン伝導性に寄与するイオン性高分子を提供することである。   The problem to be solved by the present invention is to provide an ionic polymer that contributes to excellent ion conductivity as a constituent material of a solid electrolyte for a lithium ion secondary battery in view of the above-mentioned problems of the prior art. .

本発明者らは、前記した従来技術の高分子電解質に伴う問題を解決すべく、また前記した要求を満たすべく、イオン性高分子の分子構造について鋭意検討し実験を重ねた結果、非水溶媒により膨潤しにくい脂肪族炭化水素からなる繰り返し単位とリチウムイオン又はプロトンを解離しうるスルホンイミド基を有する繰り返し単位とを含有するイオン性高分子は、非水溶媒に溶解せず、高いイオン伝導性に寄与していることを見出し、本発明を完成するに至った。   In order to solve the problems associated with the above-described prior art polymer electrolytes and to satisfy the above-mentioned demands, the present inventors have conducted intensive studies on the molecular structure of ionic polymers and conducted experiments. An ionic polymer containing a repeating unit composed of an aliphatic hydrocarbon which is difficult to swell and a repeating unit having a sulfonimide group capable of dissociating lithium ions or protons does not dissolve in a non-aqueous solvent and has high ionic conductivity It has been found that this has contributed to the present invention, and the present invention has been completed.

すなわち、本発明は、以下のとおりのものである。
[1]脂肪族炭化水素からなる繰り返し単位とスルホンイミド基を有する繰り返し単位とを含有するイオン性高分子であって、該スルホンイミド基を有する繰り返し単位中のスルホンイミド基は、下記式(1):
−SON(M)SO ・・・(1)
{式中、Rは、フッ素原子、炭素数1〜8のアルキル基、及びフルオロアルキル基から成る群から選ばれる基であり、そしてMは、プロトン又はリチウムイオンである。}で表されることを特徴とする前記イオン性高分子。
That is, the present invention is as follows.
[1] An ionic polymer containing a repeating unit composed of an aliphatic hydrocarbon and a repeating unit having a sulfonimide group, wherein the sulfonimide group in the repeating unit having a sulfonimide group is represented by the following formula (1) ):
—SO 2 N (M) SO 2 R 1 (1)
{Wherein R 1 is a group selected from the group consisting of a fluorine atom, an alkyl group having 1 to 8 carbon atoms, and a fluoroalkyl group, and M is a proton or a lithium ion. } The said ionic polymer characterized by the above-mentioned.

[2]前記脂肪族炭化水素からなる繰り返し単位は、下記式(2):

Figure 0005580804
{式中、R、及びRは、水素又は炭素数1〜4のアルキル基である。}で表される、前記[1]に記載のイオン性高分子。 [2] The repeating unit comprising the aliphatic hydrocarbon has the following formula (2):
Figure 0005580804
{Wherein R 2 and R 3 are hydrogen or an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms. } The ionic polymer as described in [1] above.

[3]前記スルホンイミド基を有する繰り返し単位は、下記式(3):

Figure 0005580804
{式中、R、及びMは、記式(1)において定義したものと同じであり、R〜Rは、水素原子、フッ素原子、炭素数1〜4のフルオロアルキル基、及び炭素数1〜4のアルキル基から成る群から選ばれる基であり、Rは、炭素数1〜4のフルオロアルキル基、炭素数1〜4のアルキル基、エーテル基を有する炭素数1〜4のフルオロアルキル基、及びエーテル基を有する炭素数1〜4のアルキル基から成る群から選ばれる基であり、そしてm、及びnは、0〜4の整数である。}で表される、前記[1]又は[2]に記載のイオン性高分子。 [3] The repeating unit having a sulfonimide group has the following formula (3):
Figure 0005580804
{Wherein R 1 and M are the same as defined in Formula (1), and R 4 to R 7 are a hydrogen atom, a fluorine atom, a C 1-4 fluoroalkyl group, and carbon. R 8 is a group selected from the group consisting of alkyl groups having 1 to 4 carbon atoms, and R 8 has 1 to 4 carbon atoms having a fluoroalkyl group having 1 to 4 carbon atoms, an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, and an ether group. It is a group selected from the group consisting of a fluoroalkyl group and an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms having an ether group, and m and n are integers of 0 to 4. } The ionic polymer as described in said [1] or [2] represented by these.

[4]前記スルホンイミド基を有する繰り返し単位は、下記式(4):

Figure 0005580804
{式中、R、及びMは、記式(1)において定義したものと同じであり、そしてR、及びnは、前記式(3)において定義したものと同じである。}で表される、前記[3]に記載のイオン性高分子。 [4] The repeating unit having a sulfonimide group has the following formula (4):
Figure 0005580804
{Wherein R 1 and M are the same as defined in Formula (1), and R 8 and n are the same as defined in Formula (3) above. } The ionic polymer as described in said [3] represented by these.

[5]前記式(1)で表されるスルホンイミド基を有する繰り返し単位の含有率は、前記式(2)で表される脂肪族炭化水素からなる繰り返し単位の1モル%以上100モル%以下である、前記[2]〜[4]のいずれかに記載のイオン性高分子。   [5] The content of the repeating unit having a sulfonimide group represented by the formula (1) is 1 mol% or more and 100 mol% or less of the repeating unit composed of the aliphatic hydrocarbon represented by the formula (2). The ionic polymer according to any one of [2] to [4], wherein

[6]前記イオン性高分子のイオン交換容量は、0.5ミリ当量/g以上3.0ミリ当量/g以下である、前記[1]〜[5]のいずれかに記載のイオン性高分子。   [6] The ionic polymer according to any one of [1] to [5], wherein the ion exchange capacity of the ionic polymer is 0.5 meq / g or more and 3.0 meq / g or less. molecule.

[7]前記[1]〜[6]のいずれかに記載のイオン性高分子と、非水溶媒又は水とを含有する高分子電解質。   [7] A polymer electrolyte containing the ionic polymer according to any one of [1] to [6] and a nonaqueous solvent or water.

[8]以下のステップ:
(I)下記式(5):

Figure 0005580804
{式中、R、及びRは、水素又は炭素数1〜4のアルキル基である。}で表される脂肪族炭化水素からなる繰り返し単位と、下記式(6):
Figure 0005580804
{式中、R〜Rは、水素原子、フッ素原子、炭素数1〜4のフルオロアルキル基、及び炭素数1〜4のアルキル基から成る群から選ばれる基であり、Rは、炭素数1〜4のフルオロアルキル基、炭素数1〜4のアルキル基、エーテル基を有する炭素数1〜4のフルオロアルキル基、及びエーテル基を有する炭素数1〜4のアルキル基から成る群から選ばれる基であり、m、及びnは、0〜4の整数であり、そしてXはハロゲン原子である。}で表されるハロゲン化スルホニル基を有する繰り返し単位と、
からなる共重合体を、塩基性化合物存在下、下記式(7):
SONH ・・・(7)
{式中、Rは、フッ素原子、炭素数1〜8のアルキル基、及びフルオロアルキル基から成る群から選ばれる基である。}で表されるスルホンアミド化合物と、接触させてスルホンイミド化する、及び
(II)得られたスルホンイミドを酸洗浄する、
を含む、式(3)中、Mがプロトンである、前記[3]に記載のイオン性高分子の製造方法。 [8] The following steps:
(I) The following formula (5):
Figure 0005580804
{Wherein R 2 and R 3 are hydrogen or an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms. } And a repeating unit consisting of an aliphatic hydrocarbon represented by the following formula (6):
Figure 0005580804
{Wherein, R 4 to R 7 is a hydrogen atom, a fluorine atom, a fluoroalkyl group having 1 to 4 carbon atoms, and a group selected from the group consisting of alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, R 8 is From the group consisting of a fluoroalkyl group having 1 to 4 carbon atoms, an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, a fluoroalkyl group having 1 to 4 carbon atoms having an ether group, and an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms having an ether group The selected groups, m and n are integers from 0 to 4 and X is a halogen atom. }, A repeating unit having a sulfonyl halide group represented by:
In the presence of a basic compound, a copolymer consisting of the following formula (7):
R 1 SO 2 NH 2 (7)
{Wherein R 1 is a group selected from the group consisting of a fluorine atom, an alkyl group having 1 to 8 carbon atoms, and a fluoroalkyl group. And a sulfonamide compound represented by the following formula: (II) acid-washing the obtained sulfonimide,
The method for producing an ionic polymer according to the above [3], wherein in formula (3), M is a proton.

[9]前記[8]の方法により製造されたイオン性高分子をリチウム化合物と接触させるステップをさらに含む、式(3)中、Mがリチウムイオンである、前記[3]に記載のイオン性高分子の製造方法。   [9] The ionicity according to [3], further comprising a step of bringing the ionic polymer produced by the method of [8] into contact with a lithium compound, wherein M is a lithium ion in the formula (3). Polymer production method.

本発明のイオン性高分子は、非水溶媒又は水を含有させても固体状を維持することができることから、リチウム二次電池用又は燃料電池用高分子電解質用の、高イオン伝導性に寄与するイオン性高分子として好適である。   Since the ionic polymer of the present invention can maintain a solid state even when a non-aqueous solvent or water is contained, it contributes to high ion conductivity for a lithium secondary battery or a polymer electrolyte for a fuel cell. It is suitable as an ionic polymer.

以下、本発明を詳細に説明する。
本発明のイオン性高分子は、脂肪族炭化水素からなる繰り返し単位と、スルホンイミド基を有する繰り返し単位とを、少なくとも含有する共重合体である。本発明においてイオン性高分子とは、高分子中にイオン的に解離しうるイオン構造、すなわちイオン性官能基を有する高分子をいう。本発明のイオン性高分子のイオン性官能基は、対イオンにプロトン又はリチウムイオンを有するスルホンイミド基である。
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
The ionic polymer of the present invention is a copolymer containing at least a repeating unit composed of an aliphatic hydrocarbon and a repeating unit having a sulfonimide group. In the present invention, the ionic polymer refers to a polymer having an ionic structure that can be ionically dissociated in the polymer, that is, an ionic functional group. The ionic functional group of the ionic polymer of the present invention is a sulfonimide group having a proton or a lithium ion as a counter ion.

本発明のイオン性高分子は、脂肪族炭化水素からなる繰り返し単位と、スルホンイミド基を有する繰り返し単位とを、含有することを特徴とする。ここで、脂肪族炭化水素からなる繰り返し単位は、炭素原子と水素原子のみから構成され、イオン性官能基を実質的に含有しない。したがって、非水溶媒及び/又は水により膨潤し難く、溶解しないという性質を有する。したがって、本発明のイオン性高分子は、非水溶媒及び/又は水を含有した後でも固体状を維持することができる。   The ionic polymer of the present invention is characterized by containing a repeating unit composed of an aliphatic hydrocarbon and a repeating unit having a sulfonimide group. Here, the repeating unit consisting of an aliphatic hydrocarbon is composed only of carbon atoms and hydrogen atoms, and does not substantially contain an ionic functional group. Therefore, it is difficult to swell with a non-aqueous solvent and / or water and does not dissolve. Therefore, the ionic polymer of the present invention can maintain a solid state even after containing a non-aqueous solvent and / or water.

一方、上記式(1)で表されるスルホンイミド基を有する繰り返し単位は、非水溶媒及び/又は水との親和性が高く、保持しやすい性質を有している。非水溶媒及び/又は水が上記式(1)のスルホンイミド基近傍に局所的に存在するため、非水溶媒及び/又は水の含有量が少量でも、高いイオン伝導性を発現することができると考えられる。   On the other hand, the repeating unit having a sulfonimide group represented by the above formula (1) has a high affinity with a non-aqueous solvent and / or water and has a property of being easily retained. Since the non-aqueous solvent and / or water is locally present in the vicinity of the sulfonimide group of the above formula (1), high ionic conductivity can be expressed even if the content of the non-aqueous solvent and / or water is small. it is conceivable that.

脂肪族炭化水素からなる繰り返し単位以外では、フルオロアルキル基からなる繰り返し単位も非水溶媒及び/又は水により膨潤し難く、保持し難い性質を有する。しかしながら、脂肪族炭化水素からなる繰り返し単位は、フルオロアルキル基からなる繰り返し単位と比較して、安価で、金属リチウム負極による還元により強いという特徴を有する。したがって、イオン性高分子非水溶媒及び/又は水に対する不溶性を担う繰り返し単位としては、脂肪族炭化水素からなる繰り返し単位であることが好ましい。   Other than the repeating units composed of aliphatic hydrocarbons, the repeating units composed of fluoroalkyl groups are also difficult to swell by non-aqueous solvents and / or water and difficult to hold. However, repeating units made of aliphatic hydrocarbons are characterized by being cheaper and more resistant to reduction with a metallic lithium negative electrode than repeating units made of fluoroalkyl groups. Accordingly, the repeating unit responsible for insolubility in the ionic polymer non-aqueous solvent and / or water is preferably a repeating unit composed of an aliphatic hydrocarbon.

本発明において、脂肪族炭化水素からなる繰り返し単位は、好ましくは、下記式(2):

Figure 0005580804
{式中、R、及びRは、水素又は炭素数1〜4のアルキル基である。}で表される。 In the present invention, the repeating unit comprising an aliphatic hydrocarbon is preferably the following formula (2):
Figure 0005580804
{Wherein R 2 and R 3 are hydrogen or an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms. }.

上記式(2)で表される脂肪族炭化水素からなる繰り返し単位のR、及びRにおいて、「炭素数1〜4の炭化水素のアルキル基」とは、飽和炭化水素であり、直鎖でも分岐していてもよい。R、及びRの具体的例としては、
−H −CH
−CHCH
−(CHCH
−CH(CH
−(CHCH
−CHCH(CH
−CH(CH)CHCH
−C(CH
が挙げられる。
In R 2 and R 3 of the repeating unit composed of an aliphatic hydrocarbon represented by the above formula (2), “an alkyl group of a hydrocarbon having 1 to 4 carbon atoms” is a saturated hydrocarbon, a straight chain But it may be branched. Specific examples of R 2 and R 3 include
-H -CH 3
-CH 2 CH 3
- (CH 2) 2 CH 3
-CH (CH 3) 2
- (CH 2) 3 CH 3
-CH 2 CH (CH 3) 2
-CH (CH 3) CH 2 CH 3
-C (CH 3) 3
Is mentioned.

本発明のイオン性高分子は、上記式(2)で表される脂肪族炭化水素からなる繰り返し単位を含有する。上記式(2)で表される脂肪族炭化水素からなる繰り返し単位として、少なくとも1種類がイオン性高分子に含有される必要があるが、2種以上を組合せてイオン性高分子に含有させてもよい。2種以上をイオン性高分子に含有させる場合、例えば、エチレンユニット(R、R=H)とプロピレンユニット(R=H、R=CH)の両方を含有させることも可能である。脂肪族炭化水素からなる繰り返し単位は、全て非水溶媒及び/又は水により膨潤し難く、非水溶媒を保持し難い性質を有し、2種以上を組合せても上記効果を保持することができる。 The ionic polymer of the present invention contains a repeating unit composed of an aliphatic hydrocarbon represented by the above formula (2). As the repeating unit composed of the aliphatic hydrocarbon represented by the above formula (2), at least one kind needs to be contained in the ionic polymer, but two or more kinds are combined and contained in the ionic polymer. Also good. When two or more kinds are contained in the ionic polymer, for example, it is possible to contain both an ethylene unit (R 2 , R 3 = H) and a propylene unit (R 2 = H, R 3 = CH 3 ). is there. The repeating units composed of aliphatic hydrocarbons are all difficult to swell with a non-aqueous solvent and / or water, and are difficult to retain a non-aqueous solvent, and the above effects can be maintained even when two or more types are combined. .

イオン性高分子は、製造技術上の観点から、

Figure 0005580804
で表される脂肪族炭化水素からなる繰り返し単位の内、1種又は2種以上を組み合わせて含有させることが好ましい。 From the viewpoint of manufacturing technology, ionic polymers are
Figure 0005580804
It is preferable to contain one or two or more of repeating units composed of aliphatic hydrocarbons represented by

イオン性高分子は、より好ましくは、

Figure 0005580804
で表される共重合体ユニットである。尚、2種以上を組み合わせて含有させる場合、共重合体の構成は、ランダム構造、ブロック構造、マルチブロック構造、グラディエント構造いずれの構造であってもよい。 The ionic polymer is more preferably
Figure 0005580804
It is a copolymer unit represented by these. In the case where two or more kinds are contained in combination, the copolymer may have a random structure, a block structure, a multi-block structure, or a gradient structure.

本発明のイオン性高分子は、下記式(1):
−SON(M)SO ・・・(1)
{式中、Rは、フッ素原子又は炭素数1〜8のフルオロアルキル基若しくはアルキル基であり、Mは、プロトン又はリチウムイオンである}で表されるスルホンイミド基を有する繰り返し単位を含有することを特徴とする。式(1)で表されるスルホンイミド基近傍に非水溶媒又は水が局所的に存在する結果、高いイオン伝導性が発現できると考えられる。イオン性高分子中の式(1)で表されるスルホンイミド基の存在位置は特には限定されないが、効果的なイオン伝導性の観点から、式(1)で表されるスルホンイミド基はイオン性高分子の側鎖に存在することが好ましい。
The ionic polymer of the present invention has the following formula (1):
—SO 2 N (M) SO 2 R 1 (1)
{In the formula, R 1 is a fluorine atom, a fluoroalkyl group having 1 to 8 carbon atoms or an alkyl group, and M is a proton or a lithium ion}. It is characterized by that. As a result of the local presence of a nonaqueous solvent or water in the vicinity of the sulfonimide group represented by the formula (1), it is considered that high ionic conductivity can be expressed. The position of the sulfonimide group represented by the formula (1) in the ionic polymer is not particularly limited, but from the viewpoint of effective ion conductivity, the sulfonimide group represented by the formula (1) is an ion. It is preferably present in the side chain of the conductive polymer.

上記式(1)で表されるスルホンイミド基のRは、フッ素原子又は炭素数1〜8のフルオロアルキル基若しくはアルキル基である。ここで、炭素数1〜8のフルオロアルキル基若しくはアルキル基とは、下記式(8):
−C2m+1−a ・・・(8)
{式中、mは、1〜8の整数であり、そしてaは、0〜17の整数である。}で表されるフッ素原子で置換されていてもよい飽和炭化水素基であり、直鎖でも分岐していてもよい。
R 1 of the sulfonimide group represented by the above formula (1) is a fluorine atom, a fluoroalkyl group having 1 to 8 carbon atoms or an alkyl group. Here, the C1-C8 fluoroalkyl group or alkyl group is represented by the following formula (8):
-C m F a H 2m + 1 -a ··· (8)
{In the formula, m is an integer of 1 to 8, and a is an integer of 0 to 17. } Is a saturated hydrocarbon group that may be substituted with a fluorine atom, and may be linear or branched.

上記式(8)で表されるスルホンイミド基のRは、イオン伝導性の観点から、全ての水素原子がフッ素原子で置換されたパーフルオロアルキル基であることが好ましい。パーフルオロアルキル基の例としては、
−CF
−CFCF
−(CFCF
−CF(CF
−(CFCF
−CFCF(CF
−CF(CF)CFCF
−(CFCF
−(CFCF
−(CFCF
−(CFCF
などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。製造技術上の観点から、Rは、
−CF
−CFCF
−(CFCF
−CF(CF
−(CFCF
であることが、より好ましい。
R 1 of the sulfonimide group represented by the above formula (8) is preferably a perfluoroalkyl group in which all hydrogen atoms are substituted with fluorine atoms from the viewpoint of ion conductivity. Examples of perfluoroalkyl groups include
-CF 3
-CF 2 CF 3
- (CF 2) 2 CF 3
-CF (CF 3) 2
- (CF 2) 3 CF 3
-CF 2 CF (CF 3) 2
-CF (CF 3) CF 2 CF 3
- (CF 2) 4 CF 3
- (CF 2) 5 CF 3
- (CF 2) 6 CF 3
- (CF 2) 7 CF 3
However, it is not limited to these. From the viewpoint of manufacturing technology, R 1 is
-CF 3
-CF 2 CF 3
- (CF 2) 2 CF 3
-CF (CF 3) 2
- (CF 2) 3 CF 3
It is more preferable that

上記式(1)で表されるスルホンイミド基のMは、対イオンを表し、Mは、プロトン又はリチウムイオンである。Mがプロトンであれば、本発明のイオン性高分子はプロトン伝導体として機能し、燃料電池用電解質として用いることができ、一方、Mがリチウムイオンであれば、リチウムイオン伝導体として機能し、リチウムイオン電池用電解質として用いることができる。   M of the sulfonimide group represented by the above formula (1) represents a counter ion, and M is a proton or a lithium ion. If M is a proton, the ionic polymer of the present invention functions as a proton conductor and can be used as an electrolyte for a fuel cell. On the other hand, if M is lithium ion, it functions as a lithium ion conductor. It can be used as an electrolyte for a lithium ion battery.

上記式(1)で表されるスルホンイミド基を有する繰り返し単位の構造は特には限定されないが、ビニルスルホンイミドユニット、アリルスルホンイミドユニット、スチレンスルホンイミドユニットが好ましく挙げられる。上記式(1)で表されるスルホンイミド基を有する繰り返し単位の構造として、より好ましくは、チレンスルホンイミドユニットを一例として挙げることができる。   Although the structure of the repeating unit which has a sulfonimide group represented by the said Formula (1) is not specifically limited, A vinyl sulfonimide unit, an allyl sulfonimide unit, and a styrene sulfonimide unit are mentioned preferably. More preferable examples of the structure of the repeating unit having a sulfonimide group represented by the above formula (1) include a tylene sulfonimide unit.

前記スチレンスルホンイミドユニットとしては、下記一般式(3):

Figure 0005580804
{式中、R、及びMは、記式(1)において定義したものと同じであり、R〜Rは、水素原子、フッ素原子、炭素数1〜4のフルオロアルキル基、及び炭素数1〜4のアルキル基から成る群から選ばれる基であり、Rは、炭素数1〜4のフルオロアルキル基、炭素数1〜4のアルキル基、エーテル基を有する炭素数1〜4のフルオロアルキル基、及びエーテル基を有する炭素数1〜4のアルキル基から成る群から選ばれる基であり、m、及びnは、0〜4の整数である。}で表される繰り返し単位であることが好ましく、下記一般式(4):
Figure 0005580804
{式中、R、及びMは、記式(1)において定義したものと同じであり、そしてR、及びnは、前記式(3)において定義したものと同じである。}で表される繰り返し単位であることがより好ましい。 As the styrene sulfonimide unit, the following general formula (3):
Figure 0005580804
{Wherein R 1 and M are the same as defined in Formula (1), and R 4 to R 7 are a hydrogen atom, a fluorine atom, a C 1-4 fluoroalkyl group, and carbon. R 8 is a group selected from the group consisting of alkyl groups having 1 to 4 carbon atoms, and R 8 has 1 to 4 carbon atoms having a fluoroalkyl group having 1 to 4 carbon atoms, an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, and an ether group. It is a group selected from the group consisting of a fluoroalkyl group and an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms having an ether group, and m and n are integers of 0 to 4. } Is preferably a repeating unit represented by the following general formula (4):
Figure 0005580804
{Wherein R 1 and M are the same as defined in Formula (1), and R 8 and n are the same as defined in Formula (3) above. } Is more preferable.

上記式(3)で表されるスルホンイミドユニットのR〜Rは、水素原子、フッ素原子、又は炭素数1〜4のフルオロアルキル基若しくはアルキル基である。ここで、炭素数1〜4のフルオロアルキル基若しくはアルキル基とは、下記式(9):
−C2m+1−a ・・・(9)
{式中、mは、1〜4の整数であり、そしてaは、0〜9の整数である。}で表されるフッ素原子で置換されていてもよい飽和炭化水素基であり、直鎖でも分岐していてもよい。
R 4 to R 7 of the sulfonimide unit represented by the above formula (3) are a hydrogen atom, a fluorine atom, a C 1-4 fluoroalkyl group or an alkyl group. Here, the C1-C4 fluoroalkyl group or alkyl group is represented by the following formula (9):
-C m F a H 2m + 1 -a ··· (9)
{Wherein m is an integer of 1 to 4 and a is an integer of 0 to 9. } Is a saturated hydrocarbon group that may be substituted with a fluorine atom, and may be linear or branched.

上記式(5)で表されるスルホンイミドユニットのR〜Rの例としては、製造技術上の観点から、
−H
−CH
−CHCH
−CH(CH
−C(CH
−F
−CF
−CFCF
−CF(CF
などが好ましく挙げられるが、これらに限定されるものではない。
As examples of R 4 to R 7 of the sulfonimide unit represented by the above formula (5), from the viewpoint of production technology,
-H
-CH 3
-CH 2 CH 3
-CH (CH 3) 2
-C (CH 3) 3
-F
-CF 3
-CF 2 CF 3
-CF (CF 3) 2
Are preferable, but not limited thereto.

上記式(3)又は式(4)で表されるスルホンイミドユニットのRは、炭素数1〜4のフルオロアルキル基又はアルキル基、エーテル基を有する炭素数1〜4のフルオロアルキル基又はアルキル基である。ここで、炭素数1〜4のフルオロアルキル基又はアルキル基、は、下記式(10):
―C2m―a― ・・・(10)
{式中、mは、1〜4の整数であり、そしてaは、0〜8の整数である。}で表され、直鎖でも分岐していてもよい。
R 8 of the sulfonimide unit represented by the above formula (3) or formula (4) is a fluoroalkyl group or alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, or a fluoroalkyl group or alkyl having 1 to 4 carbon atoms having an ether group. It is a group. Here, the fluoroalkyl group or alkyl group having 1 to 4 carbon atoms is represented by the following formula (10):
-C m F a H 2m-a - ··· (10)
{Wherein m is an integer from 1 to 4 and a is an integer from 0 to 8. } And may be linear or branched.

上記式(3)又は式(4)で表されるスルホンイミドユニットのRおいて、上記エーテル基を有する炭素数1〜4のフルオロアルキル基又はアルキル基とは、下記式(11):
−OC2m−a− ・・・(11)
{式中、mは、1〜4の整数であり、そしてaは、0〜8の整数である。}で表され、直鎖でも分岐していてもよい。
In R 8 of the sulfonimide unit represented by the above formula (3) or formula (4), the C 1-4 fluoroalkyl group or alkyl group having an ether group is represented by the following formula (11):
-OC m F a H 2m-a - ··· (11)
{Wherein m is an integer from 1 to 4 and a is an integer from 0 to 8. } And may be linear or branched.

上記式(3)又は式(4)で表されるスルホンイミドユニットのRの例としては、製造技術上の観点及びイオン伝導性の観点から、
−CH
−CHCH
−CF
−CFCF
−OCHCH
−OCFCF
などが好ましく挙げられるが、これらに限定されるものではない。
Examples of R 8 in the formula (3) or sulfonimide units represented by the formula (4), from the viewpoint of the viewpoint and the ion conductivity of the manufacturing technology,
—CH 2
—CH 2 CH 2
-CF 2-
-CF 2 CF 2-
-OCH 2 CH 2 -
-OCF 2 CF 2-
Are preferable, but not limited thereto.

イオン性高分子は、前記脂肪族炭化水素からなる繰り返し単位、及び上記式(1)で表されるスルホンイミド基を有する繰り返し単位以外の構造を有する繰り返し単位を含有してもよい。特に、下記式(12):
−SOM ・・・(12)
{式中、Mは、プロトン又はリチウムイオンである。}で表されるスルホン酸基を有する繰り返し単位は、イオン性高分子の作製や精製上の制約から、イオン性高分子中に含有されてもよい。
The ionic polymer may contain a repeating unit having a structure other than the repeating unit composed of the aliphatic hydrocarbon and the repeating unit having a sulfonimide group represented by the above formula (1). In particular, the following formula (12):
-SO 2 M ··· (12)
{Wherein M is a proton or a lithium ion. } May be contained in the ionic polymer due to restrictions on production and purification of the ionic polymer.

上記式(12)で表されるスルホン酸基を有する繰り返し単位の含有率は、上記式(1)で表されるスルホンイミド基を有する繰り返し単位の60モル%以下であることが、イオン伝導性の観点から好ましく、より好ましくは50モル%以下であり、さらに好ましくは40モル%以下である。
尚、上記式(12)で表されるスルホン酸基を有する繰り返し単位がイオン性高分子中に含有される場合、後述するイオン交換容量は、上記式(12)で表されるスルホン酸基に由来するイオン交換容量を含むものとなる。
The content of the repeating unit having a sulfonic acid group represented by the above formula (12) is 60 mol% or less of the repeating unit having a sulfonimide group represented by the above formula (1). In view of the above, it is preferably 50 mol% or less, more preferably 40 mol% or less.
In addition, when the repeating unit which has a sulfonic acid group represented by the said Formula (12) is contained in an ionic polymer, the ion exchange capacity mentioned later is the sulfonic acid group represented by the said Formula (12). It includes the derived ion exchange capacity.

また、本発明のイオン性高分子には、前記脂肪族炭化水素を有する繰り返し単位、及び上記式(1)で表されるスルホンイミド基を有する繰り返し単位を含有していることが必要であり、上記式(12)で表されるスルホン酸基を有する繰り返し単位、及びそれ以外の構造を有する繰り返し単位を含有してもよい。特に、スチレン誘導体、アクリル誘導体、アクリルアミド誘導体、アクリロニトリルなどを必要に応じて含有させることができる。   Further, the ionic polymer of the present invention needs to contain a repeating unit having the aliphatic hydrocarbon and a repeating unit having a sulfonimide group represented by the above formula (1), You may contain the repeating unit which has a sulfonic acid group represented by the said Formula (12), and the repeating unit which has another structure. In particular, a styrene derivative, an acrylic derivative, an acrylamide derivative, acrylonitrile, or the like can be contained as necessary.

本発明のイオン性高分子は、そのイオン交換容量が0.5ミリ当量/g以上3.0ミリ当量/g以下であることが好ましい。該イオン交換容量が0.5ミリ当量/g以上であれば、十分なイオン伝導性を担保することができ、3.0ミリ当量/g以下であれば非水溶媒を含有させた際に良好な強度を担保することができる。イオン交換容量は、より好ましくは0.6ミリ当量/g以上2.0ミリ当量/g以下、さらに好ましくは、0.6ミリ当量/g以上1.8ミリ当量/g以下である。   The ionic polymer of the present invention preferably has an ion exchange capacity of 0.5 meq / g or more and 3.0 meq / g or less. If the ion exchange capacity is 0.5 meq / g or more, sufficient ion conductivity can be ensured, and if it is 3.0 meq / g or less, good when a non-aqueous solvent is contained. Can ensure a sufficient strength. The ion exchange capacity is more preferably 0.6 meq / g or more and 2.0 meq / g or less, and further preferably 0.6 meq / g or more and 1.8 meq / g or less.

尚、本発明のイオン性高分子のイオン交換容量は、以下のようにして測定される。
対イオンがリチウムイオンであるイオン性高分子については、10質量%硫酸水溶液にイオン性高分子を浸漬し、イオン性高分子中のイオン交換基の対イオンをリチウムイオンからプロトンに変換する。プロトンを有するイオン性高分子を、25℃の飽和NaCl水溶液に浸漬し、その水溶液を十分な時間攪拌する。次いで、その飽和NaCl水溶液中のプロトンを、0.01N水酸化ナトリウム水溶液で中和滴定する。中和後に得られたイオン交換基の対イオンがナトリウムイオンの状態となっているイオン性高分子を、純水で濯ぎ、更に真空乾燥した後、秤量する。中和に要した水酸化ナトリウムの物質量をM(mmol)、イオン交換基の対イオンがナトリウムイオンであるイオン性高分子の質量をW(mg)とし、下記式:
EW =(W/M)−23+1 (対イオンがプロトンである場合)、又は
EW =(W/M)−23+7 (対イオンがリチウムイオンである場合)
により当量質量EW(g/当量)を求める。
The ion exchange capacity of the ionic polymer of the present invention is measured as follows.
For the ionic polymer whose counter ion is lithium ion, the ionic polymer is immersed in a 10% by mass sulfuric acid aqueous solution, and the counter ion of the ion exchange group in the ionic polymer is converted from lithium ion to proton. The ionic polymer having protons is immersed in a saturated NaCl aqueous solution at 25 ° C., and the aqueous solution is stirred for a sufficient time. Subsequently, the proton in the saturated NaCl aqueous solution is neutralized and titrated with a 0.01N sodium hydroxide aqueous solution. The ionic polymer obtained after neutralization in which the counter ion of the ion exchange group is in the form of sodium ion is rinsed with pure water, further vacuum-dried, and weighed. The amount of sodium hydroxide required for neutralization is M (mmol), and the mass of the ionic polymer whose ion-exchange group counter ion is sodium ion is W (mg).
EW = (W / M) −23 + 1 (when the counter ion is a proton), or EW = (W / M) −23 + 7 (when the counter ion is a lithium ion)
To obtain the equivalent mass EW (g / equivalent).

さらに、得られたEW値の逆数をとって1000倍することにより、イオン交換容量(ミリ当量/g)が算出される。このイオン交換容量は、イオン性高分子1g中に存在するイオン交換基数を調整することで上記数値範囲内に入るよう調整される。   Furthermore, the ion exchange capacity (milli equivalent / g) is calculated by taking the inverse of the obtained EW value and multiplying it by 1000. This ion exchange capacity is adjusted to fall within the above numerical range by adjusting the number of ion exchange groups present in 1 g of the ionic polymer.

本発明のイオン性高分子は、前記脂肪族炭化水素をからなる繰り返し単位、及び上記式(1)で表されるスルホンイミド基を有する繰り返し単位とを含有する共重合体であるが、共重合体の構成は、ランダム構造、ブロック構造、マルチブロック構造、グラディエント構造いずれの構造であってもよい。
前記式(1)で表されるスルホンイミド基を有する繰り返し単位の含有率は、前記式(2)で表される脂肪族炭化水素からなる繰り返し単位の1モル%以上100モル%以下である。該含有率が1モル%以上であれば、十分なイオン伝導性を担保することができ、50モル%以下であれば十分な強度を担保できる。該含有率は、5モル%以上80モル%以下であることが好ましく、より好ましくは5モル%以上60モル%以下である。
The ionic polymer of the present invention is a copolymer containing a repeating unit comprising the aliphatic hydrocarbon and a repeating unit having a sulfonimide group represented by the above formula (1). The combined structure may be any of a random structure, a block structure, a multi-block structure, and a gradient structure.
The content rate of the repeating unit which has a sulfonimide group represented by the said Formula (1) is 1 mol% or more and 100 mol% or less of the repeating unit which consists of an aliphatic hydrocarbon represented by the said Formula (2). If the content is 1 mol% or more, sufficient ionic conductivity can be ensured, and if it is 50 mol% or less, sufficient strength can be ensured. The content is preferably 5 mol% or more and 80 mol% or less, and more preferably 5 mol% or more and 60 mol% or less.

前記式(1)で表されるスルホンイミド基を有する繰り返し単位の含有率は、H−NMRから、脂肪族炭化水素からなる繰り返し単位に由来する任意のプロトンの積分値とスルホンイミド基を有する繰り返し単位に由来する任意のプロトンの積分値から算出することができる。 The content of the repeating unit having a sulfonimide group represented by the formula (1) has an integral value of an arbitrary proton derived from a repeating unit composed of an aliphatic hydrocarbon and a sulfonimide group from 1 H-NMR. It can be calculated from the integral value of any proton derived from the repeating unit.

本発明のイオン性高分子は、脂肪族炭化水素からなる繰り返し単位とハロゲン化スルホニル基を有する繰り返し単位とからなる共重合体を用いて塩基性化合物存在下、スルホンアミド化合物と接触させた後、洗浄、必要に応じてリチウム化合物と接触させることで製造できるが、上記共重合体の製造方法を先ず最初に説明する。   The ionic polymer of the present invention, after contacting with a sulfonamide compound in the presence of a basic compound using a copolymer consisting of a repeating unit consisting of an aliphatic hydrocarbon and a repeating unit having a sulfonyl halide group, Although it can manufacture by wash | cleaning and making it contact with a lithium compound as needed, the manufacturing method of the said copolymer is demonstrated first.

上記共重合体、すなわち、上記式(2)で表される脂肪族炭化水素からなる繰り返し単位と上記式(6)で表されるハロゲン化スルホニルを有する繰り返し単位からなる共重合体は、スチレン系エラストマーと総称される共役ジエン化合物と芳香族ビニル化合物とのブロック共重合体の共役ジエン部分を水素添加したブロック共重合体に、公知のスルホン化、クロルスルホン化、スルホンイミド化等の処理によりスルホンイミド基を導入して得ることができる。
ブロックの形態としては、ジブロック共重合体、トリブロック共重合体、ラジアルブロック共重合体、マルチブロック共重合体等が挙げられ、これらの中ではトリブロック共重合体が好ましく用いられる。
The above copolymer, that is, a copolymer comprising a repeating unit comprising an aliphatic hydrocarbon represented by the above formula (2) and a repeating unit having a sulfonyl halide represented by the above formula (6) is a styrene-based copolymer. A block copolymer obtained by hydrogenating a conjugated diene portion of a block copolymer of a conjugated diene compound and an aromatic vinyl compound, which are collectively referred to as an elastomer, is treated with a known sulfonation, chlorosulfonation, sulfonimidation, or the like. It can be obtained by introducing an imide group.
Examples of the block form include a diblock copolymer, a triblock copolymer, a radial block copolymer, a multiblock copolymer, and the like. Among these, a triblock copolymer is preferably used.

尚、上記スチレン系エラストマーは、芳香族ビニル化合物と共役ジエン化合物とを、アニオン重合、カチオン重合、配位重合、ラジカル重合等の公知の方法によってブロック共重合したものが制限なく採用される。これら製造条件は、特に限定されるものではないが、リビングアニオン重合によって製造されたものが、好適に使用される。
上記スチレン系エラストマーの具体例としては、製造上の観点から、ポリスチレン−ポリ(エチレン−ブチレン)−ポリスチレントリブロック共重合体(SEBS)、ポリスチレン−ポリ(エチレン−プロピレン)−ポリスチレントリブロック(SEPS)共重合体、ポリスチレン− ポリイソブチレン− ポリエチレントリブロック共重合体(SIBS)等が好ましく挙げられが、これらに限定されるものではない。
As the styrene-based elastomer, those obtained by block copolymerization of an aromatic vinyl compound and a conjugated diene compound by a known method such as anionic polymerization, cationic polymerization, coordination polymerization, radical polymerization and the like are used without limitation. These production conditions are not particularly limited, but those produced by living anionic polymerization are preferably used.
Specific examples of the styrenic elastomer include polystyrene-poly (ethylene-butylene) -polystyrene triblock copolymer (SEBS) and polystyrene-poly (ethylene-propylene) -polystyrene triblock (SEPS) from the viewpoint of production. Preferred examples include copolymers, polystyrene-polyisobutylene-polyethylene triblock copolymers (SIBS), and the like, but are not limited thereto.

次に上記の製造方法にて得られた脂肪族炭化水素からなる繰り返し単位とハロゲン化スルホニル基を有する繰り返し単位とからなる共重合体を用いて本発明のイオン性高分子を得るための好適な製造方法について説明する。
スルホンイミド基の導入方法は、スルホンイミド基を導入可能な部位を有するプレポリマーを合成した後、該プレポリマーにある導入可能な部位にスルホンイミド基を導入する方法であっても、予めスルホンイミド基を有するモノマーを重合する方法であってもよい。中でも、作業効率の観点から、前者の方法がより好ましい。
Next, it is preferable to obtain the ionic polymer of the present invention using a copolymer comprising a repeating unit composed of an aliphatic hydrocarbon and a repeating unit having a sulfonyl halide group obtained by the above production method. A manufacturing method will be described.
Even if the method for introducing a sulfonimide group is a method of synthesizing a prepolymer having a site capable of introducing a sulfonimide group and then introducing a sulfonimide group into a site where the prepolymer can be introduced, A method of polymerizing a monomer having a group may also be used. Among these, the former method is more preferable from the viewpoint of work efficiency.

スルホンイミド基を導入可能な構造としては、芳香環に直接結合している水素原子を有しているか、スルホンイミドに変換可能な官能基を有している構造が挙げられる。芳香環に直接結合している水素原子を有している場合、スルホン化反応により、芳香環にスルホン酸基を導入後、スルホンイミド基へ変換することができる。スルホンイミド基に変換可能な官能基としては、特に制限はないが、例えば、アリルスルホン酸、ビニルスルホン酸、スチレンスルホン酸などが挙げられる。   Examples of the structure capable of introducing a sulfonimide group include a structure having a hydrogen atom directly bonded to an aromatic ring or a functional group that can be converted into a sulfonimide. When it has a hydrogen atom directly bonded to an aromatic ring, it can be converted into a sulfonimide group after introducing a sulfonic acid group into the aromatic ring by a sulfonation reaction. The functional group that can be converted into a sulfonimide group is not particularly limited, and examples thereof include allyl sulfonic acid, vinyl sulfonic acid, and styrene sulfonic acid.

前記スルホン化反応に用いるスルホン化剤としては濃硫酸、発煙硫酸、三酸化硫黄、クロロスルホン酸などを用いることができるが、これらの酸に限定されるものではない。スルホン化反応は、スルホン化剤と前記プレポリマーが接すればよく、プレポリマーは粉末、膜などの固体状態であっても、溶媒に溶解させた溶液状態であってもよい。スルホン化の度合いはスルホン化剤の使用量、反応温度及び反応時間により、容易に制御できる。   As the sulfonating agent used in the sulfonation reaction, concentrated sulfuric acid, fuming sulfuric acid, sulfur trioxide, chlorosulfonic acid and the like can be used, but are not limited to these acids. In the sulfonation reaction, the sulfonating agent and the prepolymer may be in contact with each other. The prepolymer may be in a solid state such as a powder or a membrane, or in a solution state dissolved in a solvent. The degree of sulfonation can be easily controlled by the amount of sulfonating agent used, the reaction temperature and the reaction time.

スルホン化反応は非溶媒で行うこともできるが、溶媒を使用してもよい。ここで、使用できる溶媒は、反応物質に対して不活性な溶媒であればよく、例えば、ペンタン、ヘキサン、トルエン、キシレンなどのなどの炭化水素溶媒、ジクロロメタン、クロロホルム、四塩化炭素、ジクロロエタン、テトラクロロエタンなどのハロゲン化炭化水素溶媒などを挙げることができる。尚、これらの溶媒は1種を単独で用いてもよいし、2種以上を混合して用いてもよい。   The sulfonation reaction can be performed in a non-solvent, but a solvent may be used. Here, the solvent that can be used may be any solvent that is inert to the reactants. For example, hydrocarbon solvents such as pentane, hexane, toluene, xylene, dichloromethane, chloroform, carbon tetrachloride, dichloroethane, tetra And halogenated hydrocarbon solvents such as chloroethane. In addition, these solvents may be used individually by 1 type, and 2 or more types may be mixed and used for them.

上記のスルホン化反応を行なう場合の反応温度は−50〜100℃であることが好ましく、0〜50℃であることがより好ましい。反応時間は用いるイオン性高分子の種類や、反応温度、スルホン化剤、溶媒などの条件によって異なるが、生産効率の観点から0.1〜100時間であり、好ましくは1〜48時間である。   The reaction temperature for carrying out the sulfonation reaction is preferably -50 to 100 ° C, more preferably 0 to 50 ° C. Although reaction time changes with conditions, such as the kind of ionic polymer to be used, reaction temperature, a sulfonating agent, and a solvent, from a viewpoint of production efficiency, it is 0.1 to 100 hours, Preferably it is 1 to 48 hours.

スルホン酸基をスルホンイミド基に変換するためには、まず、下記式(13):
−SOX ・・・(13)
{式中、Xは、ハロゲン原子である。}で表されるハロゲン化スルホニル基に変換する必要がある。上記式(13)において、Xはハロゲン原子であるが、ハンドリング性や製造上の観点から、Xは、好ましくはフッ素、塩素、臭素、沃素であり、より好ましくはフッ素、塩素である。
In order to convert a sulfonic acid group into a sulfonimide group, first, the following formula (13):
-SO 2 X ··· (13)
{Wherein X is a halogen atom. } Must be converted to a sulfonyl halide group represented by In the above formula (13), X is a halogen atom, but X is preferably fluorine, chlorine, bromine or iodine, more preferably fluorine or chlorine, from the viewpoint of handling properties or production.

スルホン酸基からSOCl基に変換するハロゲン化剤としては、塩化チオニル、五塩化リン、オキシ塩化リンなどを用いることができるが、これらのハロゲン化剤に限定されるものではない。ハンドリング等の理由から塩化チオニルを用いることが好ましい。尚、これらのハロゲン化剤は1種を単独で用いてもよいし、2種以上を混合して用いてもよい。 As the halogenating agent for converting the sulfonic acid group to the SO 2 Cl group, thionyl chloride, phosphorus pentachloride, phosphorus oxychloride and the like can be used, but are not limited to these halogenating agents. It is preferable to use thionyl chloride for reasons such as handling. In addition, these halogenating agents may be used individually by 1 type, and 2 or more types may be mixed and used for them.

上記前駆体高分子のスルホンイミド化の条件は特に制限されないが、一例としては、非プロトン性溶媒中で、塩基性化合物存在下、下記式(7):
SONH ・・・(7)
{式中、Rは、前記式(1)において定義したものと同じである。}で表されるスルホンアミド化合物と接触させて、下記式(14):
−SON(M’)SO ・・・(14)
{式中、M’は、4級アンモニウムイオン、アルカリ金属、又はアルカリ土類金属であり、そしてRは、前記式(1)において定義したものと同じである。}で表されるスルホンイミド基を有する繰り返し単位を有するイオン性高分子を得ることが好ましい。尚、上記スルホンイミド化の際、反応系中の残存水分の影響等により、得られたイオン性高分子が、上記式(12)で表されるスルホン酸単位を含有することとなる場合があるが、スルホン酸単位がイオン性高分子中に存在していてもよい。上記式(12)で表されるスルホンイミド基を有する繰り返し単位のモル含有率は、上記式(1)で表されるスルホンイミド基を有する繰り返し単位の60モル%以下であることが、イオン伝導性の観点から好ましく、より好ましくは50モル%以下であり、さらに好ましくは40モル%以下である。
The conditions for sulfonimidization of the precursor polymer are not particularly limited. As an example, in the presence of a basic compound in an aprotic solvent, the following formula (7):
R 1 SO 2 NH 2 (7)
{Wherein R 1 is the same as defined in the above formula (1). } Is contacted with a sulfonamide compound represented by the following formula (14):
—SO 2 N (M ′) SO 2 R 1 (14)
{Wherein M ′ is a quaternary ammonium ion, an alkali metal, or an alkaline earth metal, and R 1 is the same as defined in the above formula (1). } It is preferable to obtain an ionic polymer having a repeating unit having a sulfonimide group represented by In the sulfonimidation, the obtained ionic polymer may contain a sulfonic acid unit represented by the above formula (12) due to the influence of residual water in the reaction system. However, the sulfonic acid unit may be present in the ionic polymer. The molar content of the repeating unit having a sulfonimide group represented by the above formula (12) is 60 mol% or less of the repeating unit having a sulfonimide group represented by the above formula (1). From the viewpoint of property, it is preferably 50 mol% or less, more preferably 40 mol% or less.

上記塩基性化合物の具体例としては、LiCO、NaCO、KCO、CsCO、CaCO、BaCO等の炭酸塩、NaHCO、KHCO等の炭酸水素塩、トリエチルアミン、ジイソプロピルエチルアミン等の3級アミン、ピリジン、イミダゾール等の複素環式アミンが挙げられる。これらに限定されるものではないが、塩基性化合物は、好ましくはジイソプロピルエチルアミン等の3級アミンである。 Specific examples of the basic compound include carbonates such as Li 2 CO 3 , Na 2 CO 3 , K 2 CO 3 , Cs 2 CO 3 , CaCO 3 and BaCO 3 , and bicarbonates such as NaHCO 3 and KHCO 3. , Tertiary amines such as triethylamine and diisopropylethylamine, and heterocyclic amines such as pyridine and imidazole. Although not limited thereto, the basic compound is preferably a tertiary amine such as diisopropylethylamine.

上記のスルホンイミド化反応で使用する溶媒は、反応物質に対して不活性な溶媒であればよく、アセトニトリル、テトラヒドロフラン、ジエチルエーテル、モノグライム、ジグライム、トリグライム、テトラグライム、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、N−メチルピロリジノン、ジオキサン、ジメチルスルホキシド、スルホラン等が挙げられ、これらの溶媒は、単独で用いても2種類以上を混合して用いてもよい。   The solvent used in the sulfonimide reaction may be any solvent that is inert to the reactants, and is acetonitrile, tetrahydrofuran, diethyl ether, monoglyme, diglyme, triglyme, tetraglyme, dimethylformamide, dimethylacetamide, N- Examples include methylpyrrolidinone, dioxane, dimethyl sulfoxide, sulfolane, and the like. These solvents may be used alone or in combination of two or more.

上記のスルホンイミド化反応を行なう場合の反応温度は、0〜200℃であることが好ましく、50〜150℃であることがより好ましい。生産効率の観点から、反応時間は、0.1時間〜100時間であることが好ましく、1時間〜48時間であることがより好ましい。   The reaction temperature when the sulfonimide reaction is performed is preferably 0 to 200 ° C, and more preferably 50 to 150 ° C. From the viewpoint of production efficiency, the reaction time is preferably 0.1 hour to 100 hours, and more preferably 1 hour to 48 hours.

得られた高分子は、必要に応じて水洗、温水洗浄、酸洗浄を行い、その後、水酸化リチ
ウム水溶液に浸漬し、スルホンイミドリチウム塩とすることで、上記式(1)と上記式(2)の繰り返し単位を含有するイオン性高分子を得ることができる。また、水洗、温水洗浄、酸洗浄の後に、塩基性反応液体中で加水分解処理を施すことにより、未反応のSOCl基をSOLi基に変えることができるため、本加水分解処理を行うことも好ましい。
The obtained polymer is washed with water, warm water and acid as necessary, and then immersed in a lithium hydroxide aqueous solution to form a sulfonimide lithium salt, whereby the above formula (1) and the above formula (2) are obtained. Can be obtained. In addition, since the unreacted SO 2 Cl group can be changed to the SO 3 Li group by performing hydrolysis treatment in a basic reaction liquid after washing with water, warm water and acid, this hydrolysis treatment is performed. It is also preferable to do this.

本発明のイオン性高分子は、少なくとも非水溶媒を保持させることによりリチウムイオン電池用高分子電解質として用いることができる。また、水を保持させることにより燃料電池用高分子電解質として用いることができる。「高分子電解質」は、いわゆる「ドライポリマー電解質」とは異なり、高分子中に非水溶媒及び/又は水を含有してもよく、また必要に応じて他のリチウム塩を含有してもよい。本明細書中、「高分子電解質」とは、高分子、非水溶媒、又はその他の必要な添加剤の複合体をいう。   The ionic polymer of the present invention can be used as a polymer electrolyte for a lithium ion battery by retaining at least a non-aqueous solvent. Moreover, it can be used as a polymer electrolyte for fuel cells by retaining water. Unlike the so-called “dry polymer electrolyte”, the “polyelectrolyte” may contain a nonaqueous solvent and / or water in the polymer, and may contain other lithium salt as necessary. . In the present specification, the “polyelectrolyte” refers to a complex of a polymer, a non-aqueous solvent, or other necessary additives.

非水溶媒としては、非プロトン性溶媒が挙げられ、非プロトン性極性溶媒が好ましい。非水溶媒の具体例としては、例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート等に代表される環状カーボネート類、γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン等に代表されるラクトン類、スルホラン等に代表される環状スルホン類、テトラヒドロフラン、ジオキサン等に代表される環状エーテル類、メチルエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、等に代表される鎖状カーボネート類、アセトニトリル、プロピオニトリル等に代表されるニトリル類、ジメチルエーテル、ジメトキシエタン、ジエチレングリコールジメチルエーテル、トリグライム、テトラグライム等に代表されるエーテル類、プロピオン酸メチルに代表される鎖状カルボン酸エステル類が挙げられる。   Examples of the non-aqueous solvent include aprotic solvents, and aprotic polar solvents are preferable. Specific examples of the non-aqueous solvent include, for example, cyclic carbonates represented by ethylene carbonate, propylene carbonate and the like, lactones represented by γ-butyrolactone, γ-valerolactone, and the like, and cyclic sulfones represented by sulfolane and the like. , Cyclic ethers represented by tetrahydrofuran, dioxane, etc., chain carbonates represented by methyl ethyl carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, etc., nitriles represented by acetonitrile, propionitrile, etc., dimethyl ether, dimethoxyethane , Ethers typified by diethylene glycol dimethyl ether, triglyme, tetraglyme and the like, and chain carboxylic acid esters typified by methyl propionate.

上記非水溶媒は単独で又は2種以上を組み合わせて用いられるが、特にイオン伝導度の向上の観点から、非水溶媒としては環状の非プロトン性極性溶媒を1種以上含むことが好ましく、特に、環状カーボネート類を1種以上含むことがより好ましい。また、非水溶媒は、イオン伝導度の向上の観点から、2種以上の溶媒の混合溶媒であることが好ましい。この混合溶媒における非水溶媒としては、上記と同様のものを例示できる。   The non-aqueous solvent may be used alone or in combination of two or more, but particularly from the viewpoint of improving ionic conductivity, the non-aqueous solvent preferably contains one or more cyclic aprotic polar solvents, More preferably, it contains at least one cyclic carbonate. Moreover, it is preferable that a non-aqueous solvent is a mixed solvent of 2 or more types of solvents from a viewpoint of the improvement of ion conductivity. Examples of the non-aqueous solvent in this mixed solvent are the same as those described above.

本発明の高分子電解質は、後述するイオン性高分子以外にリチウム塩を含有することが好ましい。ここで、リチウム塩は通常の非水電解質として用いられているものであれば特に限定されず、いずれのものであってもよい。そのようなリチウム塩としては、LiPF、LiBF、LiClO、LiN(SOCFなどが好ましく挙げられる。 The polymer electrolyte of the present invention preferably contains a lithium salt in addition to the ionic polymer described below. Here, the lithium salt is not particularly limited as long as it is used as a normal nonaqueous electrolyte, and any lithium salt may be used. As such a lithium salt, LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiN (SO 2 CF 3 ) 2 and the like are preferably exemplified.

これらのリチウム塩は、1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いることができる。リチウム塩は、非水溶媒中の含有濃度として、好ましくは0.01〜3モル/リットル、より好ましくは0.1〜2モル/リットルの濃度で含有させることができる。   These lithium salts can be used alone or in combination of two or more. The lithium salt can be contained at a concentration of preferably 0.01 to 3 mol / liter, more preferably 0.1 to 2 mol / liter, as the concentration in the non-aqueous solvent.

以下の実施例等において用いた、各種物性の測定方法及び評価方法は以下のとおりのものであった。
(1)イオン交換容量
イオン性高分子のイオン交換容量を、以下の手法により測定した。
対イオンがリチウムイオンであるイオン性高分子については、10質量%硫酸水溶液にイオン性高分子を浸漬し、イオン性高分子中のイオン交換基の対イオンをリチウムイオンからプロトンに変換した。プロトンを有するイオン性高分子を25℃の飽和NaCl水溶液20mLに浸漬し、攪拌しながら30分間放置した。次いで、飽和水溶液中のプロトンを、フェノールフタレインを指示薬として0.01N水酸化ナトリウム水溶液を用いて中和滴定した。中和後にろ過して得られたイオン交換基の対イオンがナトリウムイオンの状態となっているイオン性高分子を、純水で濯ぎ、更に真空乾燥して秤量した。中和に要した水酸化ナトリウム量をM(mmol)、イオン交換基の対イオンがナトリウムイオンであるイオン性高分子の質量をW(mg)とし、下記式:
EW =(W/M)−23+1 (対イオンがプロトンである場合)
EW =(W/M)−23+7 (対イオンがリチウムイオンである場合)
により、イオン性高分子の当量質量EW(g/当量)を求めた。
更に、得られたEW値の逆数をとって1000倍することにより、イオン交換容量(ミリ当量/g)を算出した。
The measurement methods and evaluation methods for various physical properties used in the following examples and the like were as follows.
(1) Ion exchange capacity The ion exchange capacity of the ionic polymer was measured by the following method.
For the ionic polymer in which the counter ion is lithium ion, the ionic polymer was immersed in a 10% by mass sulfuric acid aqueous solution, and the counter ion of the ion exchange group in the ionic polymer was converted from lithium ion to proton. The proton-containing ionic polymer was immersed in 20 mL of a saturated NaCl aqueous solution at 25 ° C. and left for 30 minutes with stirring. Next, the protons in the saturated aqueous solution were neutralized and titrated with 0.01N aqueous sodium hydroxide solution using phenolphthalein as an indicator. The ionic polymer in which the counter ion of the ion exchange group obtained by filtration after neutralization was in the state of sodium ion was rinsed with pure water, further vacuum dried and weighed. The amount of sodium hydroxide required for neutralization is M (mmol), and the mass of the ionic polymer whose ion-exchange group counterion is sodium ion is W (mg).
EW = (W / M) −23 + 1 (when the counter ion is a proton)
EW = (W / M) −23 + 7 (when the counter ion is a lithium ion)
Thus, the equivalent mass EW (g / equivalent) of the ionic polymer was determined.
Furthermore, the ion exchange capacity (milli equivalent / g) was calculated by taking the inverse of the obtained EW value and multiplying it by 1000.

(2)赤外分光分析(IR)
イオン性高分子の赤外分光分析は、Spectrum One(Perkin Elmer社製)を用いて、測定した。
(2) Infrared spectroscopic analysis (IR)
The infrared spectroscopic analysis of the ionic polymer was measured using Spectrum One (manufactured by Perkin Elmer).

(3)膜厚(μm)
高分子電解質の膜厚を、アルゴングローブボックス中で、ミツトヨ社製デジマチックシックネスゲージ547−401を用いて測定した。
(3) Film thickness (μm)
The film thickness of the polymer electrolyte was measured using a Digimatic Thickness Gauge 547-401 manufactured by Mitutoyo Corporation in an argon glove box.

(4)高分子電解質中のイオン性高分子の含有量(%)
高分子電解質中のイオン性高分子の含有量を、120℃で15時間乾燥後のイオン性高分子の重量と、当該イオン性高分子を用いて得られた高分子電解質の重量との比から求めた。
(4) Content of ionic polymer in polymer electrolyte (%)
The content of the ionic polymer in the polymer electrolyte is determined from the ratio between the weight of the ionic polymer after drying at 120 ° C. for 15 hours and the weight of the polymer electrolyte obtained using the ionic polymer. Asked.

(5)イオン伝導度(S/cm)
アルゴングローブボックス中で、Auを蒸着したステンレス鋼に高分子電解質を挟み込み、アルミラミネートフィルムで密閉することにより、Au/高分子電解質/Auの対称セルを作製した。ここで、Au電極は2cm角で電極面積は4cmであった。作製した対称セルは電気化学測定装置(Solartron社製、1280B)を用い、20kHz〜0.1Hzの周波数範囲で、25℃恒温雰囲気下、インピーダンス測定を行い、実測したの抵抗値R′(Ω)から、下記式:
σ= L/(R′×A)
{式中、σは、イオン伝導度(S/cm)であり、Lは、電極間距離(cm)であり、R′は、実測抵抗値(Ω)であり、そしてAは電極面積(cm)である。}によりイオン伝導度を算出した。尚、電極間距離として高分子電解質の厚みを用いた。
(5) Ionic conductivity (S / cm)
A symmetric cell of Au / polymer electrolyte / Au was produced by sandwiching a polymer electrolyte in stainless steel vapor-deposited with Au and sealing with an aluminum laminate film in an argon glove box. Here, the Au electrode was 2 cm square and the electrode area was 4 cm 2 . The produced symmetrical cell was measured for impedance in an isothermal atmosphere at 25 ° C. in the frequency range of 20 kHz to 0.1 Hz using an electrochemical measuring device (Solartron, 1280B), and the measured resistance value R ′ (Ω) From the following formula:
σ = L / (R ′ × A)
{Where σ is ionic conductivity (S / cm), L is the distance between electrodes (cm), R 'is the measured resistance (Ω), and A is the electrode area (cm 2 ). }, Ion conductivity was calculated. The thickness of the polymer electrolyte was used as the distance between the electrodes.

[実施例1]イオン性高分子(下記式(15))の合成、及びイオン伝導度

Figure 0005580804
[Example 1] Synthesis of ionic polymer (following formula (15)) and ionic conductivity
Figure 0005580804

(スルホン酸基を有するイオン性高分子膜の作製)
下記式(16):

Figure 0005580804
で表されるポリスチレンスルホン酸-block-ポリ(エチレン-ran-ブチレン)-block-ポリスチレンスルホン酸高分子の5%溶液(スチレン含有率29重量%、Aldrich社製、商品番号448885)を、高分子の含有量が9重量%になるようにエバポレーターで濃縮した。得られた溶液をシャーレに入れ、真空乾燥で溶媒を除去し、さらに80℃で1時間真空乾燥し、その後シャーレから剥がすことにより、膜厚135μmの高分子膜を作製した。得られたイオン性高分子のイオン交換容量は1.62ミリ当量/gであった。イオン交換容量の結果より、[脂肪族炭化水素からなる繰り返し単位]:[スチレンからなる繰り返し単位]:[スルホン酸基を有する繰り返し単位]=6.5:0.5:1のmol比で存在していることが分かった。 (Production of ionic polymer membrane having sulfonic acid group)
Following formula (16):
Figure 0005580804
A 5% solution of polystyrenesulfonic acid-block-poly (ethylene-ran-butylene) -block-polystyrenesulfonic acid polymer represented by the formula (styrene content 29% by weight, manufactured by Aldrich, product number 448885) is polymerized. The solution was concentrated with an evaporator so that the content of was 9% by weight. The obtained solution was put into a petri dish, the solvent was removed by vacuum drying, further vacuum-dried at 80 ° C. for 1 hour, and then peeled off from the petri dish to prepare a polymer film having a thickness of 135 μm. The ion exchange capacity of the obtained ionic polymer was 1.62 meq / g. From the result of ion exchange capacity, [Repeating unit consisting of aliphatic hydrocarbon]: [Repeating unit consisting of styrene]: [Repeating unit having sulfonic acid group] = 6.5: 0.5: 1 I found out that

(SOCl基を有するイオン性高分子膜の合成)
上記で得られた高分子膜8gを、塩化チオニル140gを溶解させたN,N−ジメチルホルムアミド溶液400mL中に室温で20時間浸漬し、スルホン酸基をSOCl基に変換した。反応終了後、得られた高分子膜を洗浄液が中性になるまで水洗した後、さらにエタノールで洗浄し、60℃で20時間、真空乾燥した。褐色の高分子膜が得られ、を測定したところ、1173cm−1、1377cm−1にSOCl基のピークを確認した。
(Synthesis of ionic polymer film having SO 2 Cl group)
8 g of the polymer film obtained above was immersed in 400 mL of an N, N-dimethylformamide solution in which 140 g of thionyl chloride was dissolved at room temperature for 20 hours to convert sulfonic acid groups into SO 2 Cl groups. After completion of the reaction, the obtained polymer film was washed with water until the washing solution became neutral, then further washed with ethanol, and vacuum-dried at 60 ° C. for 20 hours. Brown polymer film is obtained, and was measured, 1173Cm -1, confirmed the peak of SO 2 Cl group to 1377 cm -1.

(スルホンイミド基(SONHSOCF)を有するイオン性高分子(式(15))の膜合成)
得られたSOCl基を有する高分子膜を、CFSONHを1.0mol/kg、(i−Pr)EtNを1.5mol/kg溶解させたジエチレングリコールジメチルエーテル溶液600g中に浸漬し、130℃で20時間スルホンイミド化反応を行った。次いで、得られた高分子を水洗し、10重量%硫酸水溶液で洗浄し、その後、15重量%水酸化カリウム水溶液に90℃で2時間浸漬し、残存SOCl基の加水分解を行った。得られた高分子膜を水洗、酸洗浄、水洗した後、120℃で20時間真空乾燥して、対イオンがプロトンである膜厚135μmのイオン性高分子膜を得た。IRを測定したところ、SOCl基のピークの消失と、1321cm−1にスルホンイミド基のピークを確認した。また、副反応により少量のスルホン酸基が存在していることも確認された。解析の結果、SOCl基からスルホンイミド基への変換率は89%であることが分かった。得られたイオン性高分子膜のイオン交換容量は1.35ミリ当量/gであった。イオン交換容量及びIR解析の結果より、[脂肪族炭化水素からなる繰り返し単位]:[スチレンからなる繰り返し単位]:[スルホン酸基を有する繰り返し単位]:[スルホンイミド基を有する繰り返し単位]=6.5:0.5:0.1:1のmol比で存在していることが分かった。
(Membrane synthesis of an ionic polymer having a sulfonimide group (SO 2 NHSO 2 CF 3 ) (formula (15))
The obtained polymer film having SO 2 Cl groups was immersed in 600 g of a diethylene glycol dimethyl ether solution in which CF 3 SO 2 NH 2 was dissolved at 1.0 mol / kg and (i-Pr) 2 EtN was dissolved at 1.5 mol / kg. The sulfonimide reaction was performed at 130 ° C. for 20 hours. Subsequently, the obtained polymer was washed with water, washed with a 10% by weight aqueous sulfuric acid solution, and then immersed in a 15% by weight aqueous potassium hydroxide solution at 90 ° C. for 2 hours to hydrolyze residual SO 2 Cl groups. The obtained polymer film was washed with water, acid washed, washed with water, and then vacuum-dried at 120 ° C. for 20 hours to obtain an ionic polymer film having a film thickness of 135 μm whose counter ion is proton. When IR was measured, the disappearance of the SO 2 Cl group peak and the peak of the sulfonimide group at 1321 cm −1 were confirmed. It was also confirmed by the side reaction that a small amount of sulfonic acid group was present. As a result of analysis, it was found that the conversion rate from SO 2 Cl groups to sulfonimide groups was 89%. The ion exchange capacity of the obtained ionic polymer membrane was 1.35 meq / g. From the results of ion exchange capacity and IR analysis, [Repeating unit consisting of aliphatic hydrocarbon]: [Repeating unit consisting of styrene]: [Repeating unit having sulfonic acid group]: [Repeating unit having sulfonimide group] = 6 It was found to exist in a molar ratio of 5: 0.5: 0.1: 1.

(イオン性高分子(15)のイオン伝導度測定)
真空乾燥したイオン性高分子を、4cm角に切り出し、純水に室温で24間浸漬しイオン性高分子中に水を含有させた。その後、イオン性高分子を取り出し、ろ紙でイオン性高分子表面に残留した水を拭き取り、除去することで膜厚は250μmの高分子電解質を得た。相対湿度50%において、高分子電解質中のイオン性高分子の含有量は25重量%であり、イオン伝導度は、2.1×10−2S/cmであった。
(Ionic conductivity measurement of ionic polymer (15))
The vacuum-dried ionic polymer was cut into 4 cm square, and immersed in pure water for 24 hours at room temperature to contain water in the ionic polymer. Thereafter, the ionic polymer was taken out, and water remaining on the surface of the ionic polymer was wiped off with a filter paper and removed to obtain a polymer electrolyte having a film thickness of 250 μm. At a relative humidity of 50%, the content of the ionic polymer in the polymer electrolyte was 25% by weight, and the ionic conductivity was 2.1 × 10 −2 S / cm.

[実施例2]イオン性高分子(下記式(17))の合成とイオン伝導性

Figure 0005580804
(スルホンイミド基(SONLiSOCF)を有するイオン性高分子膜の合成)
実施例1で得られた上記式(15)で表される高分子を、1N水酸化リチウム水溶液に浸漬して、対イオンがリチウムイオンであるイオン性高分子膜を得た。得られたイオン性高分子膜のイオン交換容量を測定したところ、イオン交換容量は、1.34ミリ当量/gであった。また、得られたイオン性高分子を120℃で15時間真空乾燥し、膜厚を測定したところ、膜厚は135μmであった。 [Example 2] Synthesis and ionic conductivity of ionic polymer (following formula (17))
Figure 0005580804
(Synthesis of an ionic polymer film having a sulfonimide group (SO 2 NLiSO 2 CF 3 ))
The polymer represented by the above formula (15) obtained in Example 1 was immersed in a 1N aqueous lithium hydroxide solution to obtain an ionic polymer film whose counter ion was lithium ion. When the ion exchange capacity of the obtained ionic polymer membrane was measured, the ion exchange capacity was 1.34 meq / g. Moreover, when the obtained ionic polymer was vacuum-dried at 120 degreeC for 15 hours and the film thickness was measured, the film thickness was 135 micrometers.

(イオン性高分子膜(上記式(17))のイオン伝導性)
上記真空乾燥したイオン性高分子を、アルゴングローブボックス中で4cm角に切り出し、LiN(SOCFを1mol/kg含有するジエチレングリコールジメチルエーテル溶液中に室温で24間浸漬しイオン性高分子中に溶液を含有させた。その後、イオン性高分子を取り出し、ろ紙でイオン性高分子表面に残留した溶液を拭き取り、除去することで高分子電解質を得た。得られた高分子電解質の膜厚は160μmであり、高分子電解質中のイオン性高分子の含有量は51重量%であり、イオン伝導度は、1.4×10−4S/cmであった。
(Ionic conductivity of ionic polymer membrane (formula (17)))
The vacuum-dried ionic polymer is cut into 4 cm squares in an argon glove box, and immersed in a diethylene glycol dimethyl ether solution containing 1 mol / kg of LiN (SO 2 CF 3 ) 2 at room temperature for 24 hours in the ionic polymer. Contained the solution. Thereafter, the ionic polymer was taken out, and the solution remaining on the surface of the ionic polymer was wiped off with a filter paper and removed to obtain a polymer electrolyte. The film thickness of the obtained polymer electrolyte was 160 μm, the content of the ionic polymer in the polymer electrolyte was 51% by weight, and the ionic conductivity was 1.4 × 10 −4 S / cm. It was.

[比較例1]イオン性高分子(下記式(18))の合成とイオン伝導度

Figure 0005580804
(スルホン酸リチウム基(SOLi)を有するイオン性高分子膜の合成)
実施例1で得た上記式(16)で表される高分子膜を1N水酸化リチウム水溶液に浸漬して対イオンがリチウムイオンであるイオン性高分子を得た。得られたイオン性高分子のイオン交換容量を測定したところ、イオン交換容量は、1.60ミリ当量/gであった。得られたイオン性高分子を120℃で15時間真空乾燥し、膜厚を測定したところ、膜厚は135μmであった。 [Comparative Example 1] Synthesis and ionic conductivity of ionic polymer (following formula (18))
Figure 0005580804
(Synthesis of ionic polymer membrane having lithium sulfonate group (SO 3 Li))
The polymer film represented by the above formula (16) obtained in Example 1 was immersed in a 1N lithium hydroxide aqueous solution to obtain an ionic polymer whose counter ion was lithium ion. When the ion exchange capacity of the obtained ionic polymer was measured, the ion exchange capacity was 1.60 meq / g. The obtained ionic polymer was vacuum-dried at 120 ° C. for 15 hours, and the film thickness was measured. The film thickness was 135 μm.

(イオン性高分子(上記式(18))のイオン伝導度)
真空乾燥したイオン性高分子をアルゴングローブボックス中で4cm角に切り出し、LiN(SOCFを1mol/kg含有するジエチレングリコールジメチルエーテル溶液中に室温で24時間浸漬しイオン性高分子中に溶液を含有させた。その後、イオン性高分子を取り出し、ろ紙でイオン性高分子表面に残留した溶液を拭き取り、除去することで高分子電解質を得た。得られた高分子電解質の膜厚は137μmであり、高分子電解質中のイオン性高分子の含有量は91重量%であり、本イオン性高分子は、上記溶液をほとんど保持できないことが分かる。イオン伝導度は、1.5×10−6S/cmと低かった。
(Ionic conductivity of ionic polymer (the above formula (18)))
The vacuum-dried ionic polymer is cut into 4 cm squares in an argon glove box, and immersed in a diethylene glycol dimethyl ether solution containing 1 mol / kg of LiN (SO 2 CF 3 ) 2 at room temperature for 24 hours to obtain a solution in the ionic polymer. Was included. Thereafter, the ionic polymer was taken out, and the solution remaining on the surface of the ionic polymer was wiped off with a filter paper and removed to obtain a polymer electrolyte. The film thickness of the obtained polymer electrolyte is 137 μm, the content of the ionic polymer in the polymer electrolyte is 91% by weight, and it can be seen that the ionic polymer can hardly hold the solution. The ionic conductivity was as low as 1.5 × 10 −6 S / cm.

[比較例2]ポリスチレンスルホンイミドリチウムの合成とイオン伝導度
(ポリスチレンスルホニルクロライドの合成)
ポリスチレンスルホン酸ナトリウム(Aldrich社製、分子量100万、商品番号434574)10gにN,N−ジメチルホルムアミド(80mL)を加え、0℃に冷却した。この溶液に塩化チオニル(29.5g)を滴下した後、室温で4時間攪拌し、スルホン酸ナトリウム基をSOCl基に変換した。反応終了後、得られた高分子を洗浄液が中性になるまで水洗した後、さらにエタノールで洗浄し、60℃で20時間真空乾燥した。白色の固体が得られ、IRを測定したところ、1171cm−1、1374cm−1にSOCl基のピークを確認した。
[Comparative Example 2] Synthesis and ion conductivity of polystyrene sulfonimide lithium (synthesis of polystyrene sulfonyl chloride)
N, N-dimethylformamide (80 mL) was added to 10 g of sodium polystyrene sulfonate (manufactured by Aldrich, molecular weight 1 million, product number 434574), and cooled to 0 ° C. After thionyl chloride (29.5 g) was added dropwise to this solution, the mixture was stirred at room temperature for 4 hours to convert sodium sulfonate groups into SO 2 Cl groups. After completion of the reaction, the obtained polymer was washed with water until the washing solution became neutral, then further washed with ethanol, and vacuum-dried at 60 ° C. for 20 hours. White solid was obtained was measured for IR, 1171cm -1, confirming the peak of SO 2 Cl group to 1374cm -1.

(ポリスチレンスルホンイミドリチウムの合成)
得られた高分子5gを、CFSONH18gと(i−Pr)EtN24gを溶解させたジエチレングリコールジメチルエーテル溶液60g中に入れ、130℃で20時間攪拌した。ジエチレングリコールジメチルエーテル溶液を除去した後、得られた高分子を10重量%硫酸水溶液中で攪拌することにより均一な溶液を得た。得られた溶液をヘキサンに徐々に注いで、白色の沈殿物を得た。次いで、1N水酸化リチウム水溶液中で2時間攪拌し、得られた溶液をヘキサンに徐々に注ぐことにより、ポリスチレンスルホンイミドリチウムを得た。得られた高分子を、120℃で20時間真空乾燥した後、IRを測定したところ、SOCl基のピークの消失と、1327cm−1にスルホンイミド基のピークを確認した。また、副反応により少量のスルホン酸基が存在していることも確認された。
真空乾燥したイオン性高分子を、LiN(SOCFを1mol/kg含有するプロピレンカーボネート溶液中に浸漬したところ、固体形状を維持できず溶解した。これは、非水溶媒により溶解しない脂肪族炭化水素を有する繰り返し単位を有していないためである。
(Synthesis of polystyrene sulfonimide lithium)
5 g of the obtained polymer was put in 60 g of a diethylene glycol dimethyl ether solution in which 18 g of CF 3 SO 2 NH 2 and 24 g of (i-Pr) 2 EtN were dissolved, and stirred at 130 ° C. for 20 hours. After removing the diethylene glycol dimethyl ether solution, the resulting polymer was stirred in a 10% by weight sulfuric acid aqueous solution to obtain a uniform solution. The obtained solution was gradually poured into hexane to obtain a white precipitate. Subsequently, it stirred for 2 hours in 1N lithium hydroxide aqueous solution, and the polystyrene sulfonimide lithium was obtained by pouring the obtained solution gradually in hexane. The obtained polymer was vacuum dried at 120 ° C. for 20 hours and then subjected to IR measurement. As a result, disappearance of the SO 2 Cl group peak and a peak of the sulfonimide group at 1327 cm −1 were confirmed. It was also confirmed by the side reaction that a small amount of sulfonic acid group was present.
When the vacuum-dried ionic polymer was immersed in a propylene carbonate solution containing 1 mol / kg of LiN (SO 2 CF 3 ) 2 , the solid shape could not be maintained and dissolved. This is because it does not have a repeating unit having an aliphatic hydrocarbon that does not dissolve in the non-aqueous solvent.

Claims (8)

脂肪族炭化水素からなる繰り返し単位とスルホンイミド基を有する繰り返し単位とを含有するイオン性高分子であって、該スルホンイミド基を有する繰り返し単位は、下記式(3):
Figure 0005580804
{式中、Rは、フッ素原子、炭素数1〜8のアルキル基、及びフルオロアルキル基から成る群から選ばれる基であり、Mは、プロトン又はリチウムイオンであり、R〜Rは、水素原子、フッ素原子、炭素数1〜4のフルオロアルキル基、及び炭素数1〜4のアルキル基から成る群から選ばれる基であり、Rは、炭素数1〜4のフルオロアルキル基、炭素数1〜4のアルキル基、エーテル基を有する炭素数1〜4のフルオロアルキル基、及びエーテル基を有する炭素数1〜4のアルキル基から成る群から選ばれる基であり、そしてm、及びnは、0〜4の整数である。}で表されることを特徴とする前記イオン性高分子。
An ionic polymer containing a repeating unit composed of an aliphatic hydrocarbon and a repeating unit having a sulfonimide group, wherein the repeating unit having a sulfonimide group has the following formula (3):
Figure 0005580804
{Wherein R 1 is a group selected from the group consisting of a fluorine atom, an alkyl group having 1 to 8 carbon atoms, and a fluoroalkyl group, M is a proton or a lithium ion, and R 4 to R 7 are R 8 is a group selected from the group consisting of a hydrogen atom, a fluorine atom, a C 1-4 fluoroalkyl group, and a C 1-4 alkyl group, and R 8 is a C 1-4 fluoroalkyl group, A group selected from the group consisting of an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, a fluoroalkyl group having 1 to 4 carbon atoms having an ether group, and an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms having an ether group, and m, and n is an integer of 0-4. } The said ionic polymer characterized by the above-mentioned.
前記脂肪族炭化水素からなる繰り返し単位は、下記式(2):
Figure 0005580804
{式中、R、及びRは、水素又は炭素数1〜4のアルキル基である。}で表される、請求項1に記載のイオン性高分子。
The repeating unit comprising the aliphatic hydrocarbon has the following formula (2):
Figure 0005580804
{Wherein R 2 and R 3 are hydrogen or an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms. } The ionic polymer of Claim 1 represented by these.
前記スルホンイミド基を有する繰り返し単位は、下記式(4):
Figure 0005580804
{式中、R、M、R、及びnは、前記式(3)において定義したものと同じである。}で表される、請求項1又は2に記載のイオン性高分子。
The repeating unit having a sulfonimide group has the following formula (4):
Figure 0005580804
{Wherein R 1 , M, R 8 , and n are the same as those defined in Formula (3). } The ionic polymer of Claim 1 or 2 represented by these.
前記式(3)で表されるスルホンイミド基を有する繰り返し単位の含有率は、前記式(2)で表される脂肪族炭化水素からなる繰り返し単位の1モル%以上100モル%以下である、請求項2に記載のイオン性高分子。 The content of the repeating unit having a sulfonimide group represented by the formula (3) is 1 mol% or more and 100 mol% or less of the repeating unit composed of the aliphatic hydrocarbon represented by the formula (2). The ionic polymer according to claim 2 . 前記イオン性高分子のイオン交換容量は、0.5ミリ当量/g以上3.0ミリ当量/g以下である、請求項1〜4のいずれか1項に記載のイオン性高分子。   The ionic polymer according to any one of claims 1 to 4, wherein the ion exchange capacity of the ionic polymer is 0.5 meq / g or more and 3.0 meq / g or less. 請求項1〜5のいずれか1項に記載のイオン性高分子と、非水溶媒又は水とを含有する高分子電解質。   A polymer electrolyte comprising the ionic polymer according to any one of claims 1 to 5 and a nonaqueous solvent or water. 以下のステップ:
(I)下記式(5):
Figure 0005580804
{式中、R、及びRは、水素又は炭素数1〜4のアルキル基である。}で表される脂肪族炭化水素からなる繰り返し単位と、下記式(6):
Figure 0005580804
{式中、R〜Rは、水素原子、フッ素原子、炭素数1〜4のフルオロアルキル基、及び炭素数1〜4のアルキル基から成る群から選ばれる基であり、Rは、炭素数1〜4のフルオロアルキル基、炭素数1〜4のアルキル基、エーテル基を有する炭素数1〜4のフルオロアルキル基、及びエーテル基を有する炭素数1〜4のアルキル基から成る群から選ばれる基であり、m、及びnは、0〜4の整数であり、そしてXはハロゲン原子である。}で表されるハロゲン化スルホニル基を有する繰り返し単位と、
からなる共重合体を、塩基性化合物存在下、下記式(7):
SONH ・・・(7)
{式中、Rは、フッ素原子、炭素数1〜8のアルキル基、及びフルオロアルキル基から成る群から選ばれる基である。}で表されるスルホンアミド化合物と、接触させてスルホンイミド化する、及び
(II)得られたスルホンイミドを酸洗浄する、
を含む、式(3)中、Mがプロトンである、請求項1〜5のいずれか1項に記載のイオン性高分子の製造方法。
The following steps:
(I) The following formula (5):
Figure 0005580804
{Wherein R 2 and R 3 are hydrogen or an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms. } And a repeating unit consisting of an aliphatic hydrocarbon represented by the following formula (6):
Figure 0005580804
{Wherein, R 4 to R 7 is a hydrogen atom, a fluorine atom, a fluoroalkyl group having 1 to 4 carbon atoms, and a group selected from the group consisting of alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, R 8 is From the group consisting of a fluoroalkyl group having 1 to 4 carbon atoms, an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, a fluoroalkyl group having 1 to 4 carbon atoms having an ether group, and an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms having an ether group The selected groups, m and n are integers from 0 to 4 and X is a halogen atom. }, A repeating unit having a sulfonyl halide group represented by:
In the presence of a basic compound, a copolymer consisting of the following formula (7):
R 1 SO 2 NH 2 (7)
{Wherein R 1 is a group selected from the group consisting of a fluorine atom, an alkyl group having 1 to 8 carbon atoms, and a fluoroalkyl group. And a sulfonamide compound represented by the following formula: (II) acid-washing the obtained sulfonimide,
The method for producing an ionic polymer according to any one of claims 1 to 5, wherein in formula (3), M is a proton.
請求項7に記載の方法により製造されたイオン性高分子をリチウム化合物と接触させるステップをさらに含む、式(3)中、Mがリチウムイオンである、請求項1〜5のいずれか1項に記載のイオン性高分子の製造方法。   The method according to claim 1, further comprising a step of contacting the ionic polymer produced by the method according to claim 7 with a lithium compound, wherein M is lithium ion in formula (3). The manufacturing method of ionic polymer as described.
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