JP7547554B2 - 硫黄含有化合物およびポリマーならびにそれらの電気化学セルでの使用 - Google Patents

硫黄含有化合物およびポリマーならびにそれらの電気化学セルでの使用 Download PDF

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Description

関連出願
本願は、適用法に基づき、２０１７年１０月２日出願のカナダ特許出願第２，９８１，０１２号の優先権を主張する。その内容は、参照によりその全文があらゆる目的で本明細書に組み込まれる。
技術分野
本願は、特にリチウム電池において、正極の電気化学的活物質として、固体ポリマー電解質（ＳＰＥ）として、または電解質の添加剤として使用するためのポリマーおよびオリゴマーの分野に関する。
地球環境への意識は、温室効果ガスの問題およびその地球への影響に対する答えを見つけるために多くの科学者に影響を与えている。輸送は温室効果ガス排出において主要な役割を果たすということが分かっているので、輸送を電化することは間違いなく地球温暖化への解決策の一部である。したがって、環境により優しく、より手頃な価格で、より安全で、化石燃料の性能に近い性能（自律性および電力など）を提供する新しい電池材料を設計することが重要である。
有機カソードは、エネルギー貯蔵に関する需要を満たすことができる電池の製造の最有力候補である。これらの材料の利点は、合成温度がインターカレーション材料の合成温度よりも大幅に低いことである（Ａｒｍａｎｄら、Ｎａｔｕｒｅ，２００８，４５１，６５２）。さらに、それらは豊富に存在する元素で構成され、優れた電気化学性能を提供する（Ｌｅ Ｇａｌｌら、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｏｗｅｒ Ｓｏｕｒｃｅｓ，２００３，３１６－３２０）。一方、それらの最大の欠点は、活物質が電解質に溶出することに関連し、それは電池の安定性に大きく影響する（Ｃｈｅｎら、ＣｈｅｍＳｕｓＣｈｅｍ．，２００８，１，３４８－３５５）。電気化学的に活性な有機ポリマーは、サイクル性のより高い材料を得るために、活物質の溶解を抑制または低減することを可能にすることができる（Ｚｅｎｇら、Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｉｍｉｃａ Ａｃｔａ，２０１４，４４７－４５４）。
硫黄元素も、高いエネルギー密度をもつ電池の製造の候補である。実際に、リチウム硫黄（Ｌｉ－Ｓ）電池は、この元素によって提供される利点、すなわち１６７５ｍＡｈ／ｇという大容量と非常に豊富であることを考慮すると非常に有望である。後者は、硫黄が石油精製の副産物であるという事実に起因している（Ｈｙｕｎら、ＡＣＳ Ｅｎｅｒｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ，２０１６，１，５６６－５７２）。しかし、Ｌｉ－Ｓバッテリーには、サイクル中の硫黄の還元によって生成されるポリスルフィド（Ｌｉ２Ｓｘ、ｘ＝４～８）の溶解をはじめとする数個の欠点もある。その上、ひとたび溶解すると、ポリスルフィドは、「シャトル効果」と呼ばれる、リチウム表面（アノード）を不安定化させる現象に関与する。この現象は、安定性の低下および低いクーロン効率をもたらす（Ｚｈｏｕら、Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．２０１３，１３５，１６７３６－１６７４３）。
この問題を解決するために使用される１つの戦略は、硫黄粒子のカプセル化を伴う。例えば、Ｚｈｏｕら（Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．２０１３，１３５，１６７３６－１６７４３）は、硫黄をポリアニリン（ＰＡＮＩ）でコーティングして、このシェルの内部のポリスルフィドを固定化した。硫黄をカプセル化することにより、電池の安定性を高めることが可能になる。しかし、この元素の添加は、活物質中の硫黄の量をたった５８重量％に制限する。つまり、この材料の４２重量％は電気化学的に不活性な材料からなり、それにより電極材料の電荷密度を低下させる。この戦略により、９７％を超えるクーロン効率をまだ得ることができるが、それでも長期サイクル性には限界がある。
炭素－硫黄複合材料の合成も提示されている。例えば、Ｗａｎｇら（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｏｗｅｒ Ｓｏｕｒｃｅｓ，２０１１，７０３０－７０３４）は、グラフェン－硫黄複合材料を合成した。この新しい材料は、固有の導電率を高めることだけでなく、理論値とほぼ同等の初期容量を達成することも可能にする。しかし、グラフェンが存在することにより、ポリスルフィド溶解の現象を抑制することはできず、この材料は、硫黄自体と同等の容量損失を有する。
硫黄に富むポリマーを得るために、硫黄元素と１またはそれを超える有機モノマーとの共重合も調査されている。硫黄が１５９℃を超えて加熱されると、（Ｓ８）環の開環が起こり、それによりラジカル重合を受けることのできるジラジカルが生成される。Ｃｈｕｎｇら（Ｎａｔｕｒｅ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，２０１３，５，５１８－５２４）は、Ｌｉ－Ｓ電池用の、硫黄に富む共重合体を開発した。硫黄元素は、逆加硫により、異なるパーセンテージの１，３－ジイソプロペニルベンゼン（ＤＩＢ）と共重合された。共重合により、ポリスルフィドの溶解を制限することができるマトリックスを作製することが可能になる。それらの電気化学的結果は、優れたクーロン効率および良好な容量保持を示す。しかし、上に提示されるように、使用される有機モノマーは電気化学的に非活性であり、そのことにより、不活性な塊の存在、および結果的にエネルギー密度の低下がもたらされる。
したがって、例えば、先行する材料のいくつかの利点を組み合わせると同時に、それらの少なくとも１つの欠点を排除する、新しい電極材料の開発が必要である。
Ａｒｍａｎｄら、Ｎａｔｕｒｅ，２００８，４５１，６５２ Ｌｅ Ｇａｌｌら、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｏｗｅｒ Ｓｏｕｒｃｅｓ，２００３，３１６－３２０ Ｃｈｅｎら、ＣｈｅｍＳｕｓＣｈｅｍ．，２００８，１，３４８－３５５ Ｚｅｎｇら、Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｉｍｉｃａ Ａｃｔａ，２０１４，４４７－４５４ Ｈｙｕｎら、ＡＣＳ Ｅｎｅｒｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ，２０１６，１，５６６－５７２ Ｚｈｏｕら、Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．２０１３，１３５，１６７３６－１６７４３ Ｗａｎｇら、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｏｗｅｒ Ｓｏｕｒｃｅｓ，２０１１，７０３０－７０３４ Ｃｈｕｎｇら、Ｎａｔｕｒｅ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，２０１３，５，５１８－５２４
第１の態様によれば、本記載は、式Ｉのポリマー：
Figure 0007547554000001
 （式中、
Ａは、電子の非局在化を許容する不飽和基、例えば、置換または非置換のアリールおよびヘテロアリール基、ならびにそれらの縮合または非縮合多環式対応物から選択され；
Ｒは、直鎖または分岐鎖Ｃ２－６アルキレン、直鎖または分岐鎖Ｃ２－６アルキレンオキシ、直鎖または分岐鎖Ｃ２－６アルキレングリコール、直鎖または分岐鎖Ｃ２－６アルキレンオキシＣ２－６アルキレン、直線状または分岐鎖ポリ（Ｃ２－６アルキレングリコール）、Ｃ６－１２アリーレン、Ｃ３－１２シクロアルキレン、Ｃ５－１２ヘテロアリーレン、およびＣ３－１２ヘテロシクロアルキレンから選択される置換または非置換有機連結基であり；
ｍは、ポリマーリンクのジスルフィド結合に挿入された硫黄原子の平均数を表し、ゼロであり得ず、すなわち、ｍ＞０、例えば０＜ｍ≦８、または１≦ｍ≦６、または１≦ｍ≦４であり；かつ
ｎは、ポリマー中の単位の平均数を表し、例えば、ｎは２～５００、または５～３００の範囲内であり得る）
に関する。
一実施形態によれば、Ａは、ベンゼン、ナフタレン、ペリレンおよびビフェニル基から選択される。例えば、Ａは、ベンゼン基であり、ポリマーは式Ｉ（ａ）：
Figure 0007547554000002
 （式中、Ｒ、ｍおよびｎは、本明細書に定義される通りである）
のポリマーである。
別の実施形態によれば、Ｒは、ベンゼン、エチレン、プロピレン、ポリ（エチレングリコール）、ポリ（プロピレングリコール）、およびエチレングリコールとプロピレングリコールの共重合体の基から選択される。
ポリマーの例は、式Ｉ（ｂ）：
Figure 0007547554000003
 （式中、ｍおよびｎは、本明細書に定義される通りである）
によっても例示される。
別の態様によれば、本記載は、式ＩＩの化合物：
Figure 0007547554000004
 （式中、ＡおよびＲは、本明細書に定義される通りであり、ｍは、化合物のジスルフィド結合に挿入された硫黄原子の数を表し、例えば、ｍ＞０、例えば、０＜ｍ≦８、または１≦ｍ≦６、または１≦ｍ≦４である）
に関する。
この化合物の一例は、式ＩＩ（ａ）：
Figure 0007547554000005
 （式中、Ｒおよびｍは、本明細書に定義される通りである）
で表される。
化合物の別の例は、式ＩＩ（ｂ）：
Figure 0007547554000006
 （式中、ｍは本明細書に定義される通りである）
によって例示される。
別の態様によれば、本記載は、本明細書において定義されるポリマーまたは化合物を含む電極材料に関する。例えば、電極材料は、導電性材料、バインダー、または両方の組合せをさらに含む。電極材料は、遊離硫黄元素（Ｓｘ）を含むこともある。
一実施形態によれば、導電性材料は、カーボンブラック、Ｋｅｔｊｅｎ（商標）カーボン、シャウィニガンカーボン、アセチレンブラック、グラファイト、グラフェン、カーボンファイバー（例えばカーボンナノファイバー（例えば、気相で形成されたＶＧＣＦ）など）、カーボンナノチューブ、またはそれらの少なくとも２つの組合せから選択される。
一実施形態によれば、バインダーは、ポリエーテル型のポリマーバインダー、フッ素化ポリマー型、または水溶性バインダーである。一例によれば、ポリエーテル型のポリマーバインダーは、直線状、分岐鎖、および／または架橋したものであり、ポリ（エチレンオキシド）（ＰＥＯ）、ポリ（プロピレンオキシド）（ＰＰＯ）、またはこれら２つの組合せ（またはＥＯ／ＰＯ共重合体）に基づき、架橋可能な単位を必要に応じて含む。別の例によれば、フッ素化ポリマーバインダーは、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）またはＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）である。最後に、水溶性バインダーの例には、ＳＢＲ（スチレン－ブタジエンゴム）、ＮＢＲ（アクリロニトリル－ブタジエンゴム）、ＨＮＢＲ（水素化ＮＢＲ）、ＣＨＲ（エピクロロヒドリンゴム）、またはＡＣＭ（アクリレートゴム）が挙げられ、必要に応じてＣＭＣ（カルボキシメチルセルロース）を含む。
さらなる態様によれば、本記載は、集電体に適用された、本明細書において定義される電極材料を含む正極に関する。
さらなる態様によれば、本記載は、本明細書において定義されるポリマーまたは本明細書において定義される化合物を含む電解質にも関する。一実施形態によれば、電解質は、溶媒中の塩を含む液体電解質である。一代替形態によれば、電解質は、溶媒中の塩および必要に応じて溶媒和ポリマーを含むゲル電解質である。第２の代替形態によれば、電解質は、溶媒和ポリマー中に塩を含む固体ポリマー電解質（ＳＰＥ）である。例えば、本明細書において定義されるポリマー、または本明細書において定義される化合物は添加剤である。あるいは、ＳＰＥの溶媒和ポリマーは、本明細書において定義されるポリマー、または本明細書において定義される化合物である。別の実施形態によれば、塩はリチウム塩である。一実施形態によれば、電解質は、硫黄元素、バインダー、添加剤またはそれらの少なくとも２つの組合せをさらに含む。
別の態様は、カソード、電解質、およびアノードを含む電気化学セルに言及し、ここでカソードは、本明細書において定義される電極材料を含む。代替実施形態によれば、これらの電気化学セルは、本明細書において定義される、負極、電解質および正極を含む。代替実施形態によれば、これらの電気化学セルは、本明細書において定義される、カソード、アノードおよび電解質を含む。本記載は、そのような電気化学セルを含むリチウム電池にも言及する。
最後に、本記載は、本明細書において定義されるポリマーおよび化合物、電極材料、電解質材料、電極、電解質、およびそれらを含む電気化学セルを製造するためのプロセスに言及する。これらの電気化学セルの使用、より詳細には、携帯機器、例えば、携帯電話、カメラ、タブレットまたはラップトップでの、電気自動車またはハイブリッド車での、あるいは再生可能エネルギー貯蔵での使用も企図される。
本発明の実施形態において、例えば以下の項目が提供される。
（項目１）
式Ｉのポリマー：
Figure 0007547554000007
 ［式中、
Ａは、電子の非局在化を許容する不飽和基、例えば、置換または非置換のアリールおよびヘテロアリール基、ならびにそれらの縮合または非縮合多環式等価物から選択され；
Ｒは、直鎖または分岐鎖Ｃ２－６アルキレン、直鎖または分岐鎖Ｃ２－６アルキレンオキシ、直鎖または分岐鎖Ｃ２－６アルキレングリコール、直鎖または分岐鎖Ｃ２－６アルキレンオキシＣ２－６アルキレン、直線状または分岐鎖ポリ（Ｃ２－６アルキレングリコール）、Ｃ６－１２アリーレン、Ｃ３－１２シクロアルキレン、Ｃ５－１２ヘテロアリーレン、およびＣ３－１２ヘテロシクロアルキレンから選択される置換または非置換有機連結基であり；
ｍは、ポリマーリンクのジスルフィド結合に挿入された硫黄原子の平均数を表し、ゼロであり得ず、すなわち、ｍ＞０、例えば０＜ｍ≦８、または１≦ｍ≦６、または１≦ｍ≦４であり；かつ
ｎは、ポリマー中の単位の平均数を表し、例えば、ｎは２～５００、または５～３００の範囲内であり得る］。
（項目２）
Ａが、ベンゼン、ナフタレン、ペリレン、およびビフェニル基から選択される、項目１に記載のポリマー。
（項目３）
前記ポリマーが式Ｉ（ａ）：
Figure 0007547554000008
 ［式中、Ｒ、ｍおよびｎは項目１に定義される通りである］
のポリマーである項目１または２に記載のポリマー。
（項目４）
Ｒが、ベンゼン、エチレン、プロピレン、ポリ（エチレングリコール）、ポリ（プロピレングリコール）、およびエチレングリコールとプロピレングリコールの共重合体の基から選択される、項目１から３のいずれか一項に記載のポリマー。
（項目５）
前記ポリマーが式Ｉ（ｂ）：
Figure 0007547554000009
 ［式中、ｍおよびｎは項目１に定義される通りである］
のポリマーである、項目４に記載のポリマー。
（項目６）
式ＩＩの化合物：
Figure 0007547554000010
 ［式中、ＡおよびＲは、項目１、２および４のいずれか一項に定義される通りであり；ｍは、前記化合物のジスルフィド結合に挿入された硫黄原子の数を表し、例えば、ｍ＞０、例えば、０＜ｍ≦８、または１≦ｍ≦６、または１≦ｍ≦４である］。
（項目７）
前記化合物が式ＩＩ（ａ）：
Figure 0007547554000011
 ［式中、Ｒおよびｍは、項目６に定義される通りである］
の化合物である、項目６に記載の化合物。
（項目８）
前記化合物が式ＩＩ（ｂ）：
Figure 0007547554000012
 ［式中、ｍは、項目６に定義される通りである］
の化合物である、項目６に記載の化合物。
（項目９）
項目１から５のいずれか一項に定義されるポリマー、または項目６から８のいずれか一項に定義される化合物を含む電極材料。
（項目１０）
硫黄元素をさらに含む、項目９に記載の電極材料。
（項目１１）
導電性材料、バインダー、または両方の組合せをさらに含む、項目９または１０に記載の電極材料。
（項目１２）
前記導電性材料が、カーボンブラック、Ｋｅｔｊｅｎ（商標）カーボン、シャウィニガンカーボン、アセチレンブラック、グラファイト、グラフェン、カーボンファイバー（例えばカーボンナノファイバー（例えば、気相で形成されたＶＧＣＦ）など）、およびカーボンナノチューブ、またはそれらの少なくとも２つの組合せから選択される、項目１１に記載の電極材料。
（項目１３）
前記バインダーがポリエーテル型のポリマーバインダー、フッ素化ポリマー、または水溶性バインダーである、項目１１または１２に記載の電極材料。
（項目１４）
前記ポリエーテル型のポリマーバインダーが直線状、分岐鎖、および／または架橋したものであり、ポリ（エチレンオキシド）（ＰＥＯ）、ポリ（プロピレンオキシド）（ＰＰＯ）、またはこれら２つの混合物（またはＥＯ／ＰＯ共重合体）に基づき、架橋可能な単位を必要に応じて含む、項目１３に記載の電極材料。
（項目１５）
前記フッ素化ポリマーバインダーが、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）またはＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）である、項目１３に記載の電極材料。
（項目１６）
前記水溶性バインダーが、ＳＢＲ（スチレン－ブタジエンゴム）、ＮＢＲ（アクリロニトリル－ブタジエンゴム）、ＨＮＢＲ（水素化ＮＢＲ）、ＣＨＲ（エピクロロヒドリンゴム）、またはＡＣＭ（アクリレートゴム）であり、必要に応じてＣＭＣ（カルボキシメチルセルロース）を含む、項目１３に記載の電極材料。
（項目１７）
集電体に適用された、項目９から１６のいずれか一項に記載の電極材料を含む正極。
（項目１８）
項目１から５のいずれか一項に定義されるポリマー、または項目６から８のいずれか一項に定義される化合物を含む電解質。
（項目１９）
前記電解質が、溶媒中の塩を含む液体電解質である、項目１８に記載の電解質。
（項目２０）
前記電解質が、溶媒中の塩および必要に応じて溶媒和ポリマーを含むゲル電解質である、項目１８に記載の電解質。
（項目２１）
前記溶媒が、エチレンカーボネート（ＥＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）、γ－ブチロラクトン（γ－ＢＬ）、ビニレンカーボネート（ＶＣ）、酪酸メチル（ＭＢ）、γ－バレロラクトン（γ－ＶＬ）、１，２－ジメトキシエタン（ＤＭＥ）、１，２－ジエトキシエタン（ＤＥＥ）、２－メチルテトラヒドロフラン、ジメチルスルホキシド、ホルムアミド、アセトアミド、ジメチルホルムアミド、ジオキソラン、アセトニトリル、プロピルニトリル、ニトロメタン、エチルモノグリム、トリメトキシメタン、ジオキソラン誘導体、スルホラン、メチルスルホラン、プロピレンカーボネート誘導体、テトラヒドロフラン、およびそれらの混合物から選択される極性非プロトン性溶媒である、項目１９または２０に記載の電解質。
（項目２２）
前記電解質が、溶媒和ポリマー中の塩を含む固体ポリマー電解質（ＳＰＥ）である、項目１８に記載の電解質。
（項目２３）
前記ポリマーまたは前記化合物が添加剤である、項目１８から２２のいずれか一項に記載の電解質。
（項目２４）
前記溶媒和ポリマーが、項目１から５のいずれか一項に定義される前記ポリマーまたは項目６から８のいずれか一項に定義される前記化合物である、項目２２に記載の電解質。
（項目２５）
前記電解質が、硫黄元素をさらに含む、項目１８から２４のいずれか一項に記載の電解質。
（項目２６）
前記塩がリチウム塩である、項目１９から２５のいずれか一項に記載の電解質。
（項目２７）
前記塩が、ヘキサフルオロリン酸リチウム（ＬｉＰＦ６）、リチウムビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミド（ＬｉＴＦＳＩ）、リチウムビス（フルオロスルホニル）イミド（ＬｉＦＳＩ）、リチウム２－トリフルオロメチル－４，５－ジシアノイミダゾレート（ＬｉＴＤＩ）、リチウム４，５－ジシアノ－１，２，３－トリアゾレート（ＬｉＤＣＴＡ）、リチウムビス（ペンタフルオロエチルスルホニル）イミド（ＬｉＢＥＴＩ）、テトラフルオロホウ酸リチウム（ＬｉＢＦ４）、リチウムビス（オキサラト）ボレート（ＬｉＢＯＢ）、硝酸リチウム（ＬｉＮＯ３）、塩化リチウム（ＬｉＣｌ）、臭化リチウム（ＬｉＢｒ）、フッ化リチウム（ＬｉＦ）、過塩素酸リチウム（ＬｉＣｌＯ４）、ヘキサフルオロヒ酸リチウム（ＬｉＡｓＦ６）、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム（ＬｉＳＯ３ＣＦ３）（ＬｉＴｆ）、フルオロアルキルリン酸リチウムＬｉ［ＰＦ３（ＣＦ２ＣＦ３）３］（ＬｉＦＡＰ）、リチウムテトラキス（トリフルオロアセトキシ）ボレートＬｉ［Ｂ（ＯＣＯＣＦ３）４］（ＬｉＴＦＡＢ）、リチウムビス（１，２－ベンゼンジオラト（２－）－Ｏ、Ｏ’）ボレートＬｉ［Ｂ（Ｃ６Ｏ２）２］（ＬＢＢＢ）およびそれらの組合せから選択される、項目２６に記載の電解質。
（項目２８）
前記電解質が、電解質バインダーをさらに含む、項目１８から２７のいずれか一項に記載の電解質。
（項目２９）
前記電解質バインダーが、ポリエーテル型のポリマーバインダー、フッ素化ポリマー、または水溶性バインダーである、項目２８に記載の電解質。
（項目３０）
前記フッ素化ポリマーバインダーがポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）である、項目２９に記載の電解質。
（項目３１）
カソード、電解質、およびアノードを含む電気化学セルであって、前記カソードが、項目９から１６のいずれか一項に定義される電極材料を含む、電気化学セル。
（項目３２）
負極、電解質および項目１７に定義される正極を含む、電気化学セル。
（項目３３）
カソード、アノードおよび項目１８から３０のいずれか一項に定義される電解質を含む電気化学セル。
（項目３４）
負極、電解質および正極を含む電気化学セルであって、前記正極が項目１７に定義されるものであり、前記電解質が項目１８から３０のいずれか一項に定義されるものである、電気化学セル。
（項目３５）
項目３１から３４のいずれか一項に定義される電気化学セルを含むリチウム電池。
図１は、容量（ｍＡｈ／ｇ）および容量保持の結果の割合を、（Ａ）ポリイミドジスルフィドを含むセル１（基準）のサイクル数、および（Ｂ）３５重量％の硫黄を含むポリイミド－ｃｏ－ポリスルフィドを含むセル２のサイクル数の関数として示す。
図２は、実施例１（ｃ）に示した共重合体を含むセル２のＣ／１０における第１のサイクルの容量の結果（ｍＡｈ／ｇ）を電圧（Ｖ）の関数として示す定電流曲線を示す。
図３は、セル３（点線）、セル４（太い実線）およびセル５（細い実線）の第１の充放電サイクルの容量の結果（ｍＡｈ／ｇ）を電圧（Ｖ）の関数として示す定電流曲線を示す。
図４は、セル６（点線）およびセル７（実線）の第１の充放電サイクルの容量の結果（ｍＡｈ／ｇ）を電圧（Ｖ）の関数として示す定電流曲線を示す。
図５（Ａ）は、実施例１（ｈ）の活物質を含むセル８（点線）および９（実線）のサイクリックボルタンメトリー曲線を示し、図５（Ｂ）は、セル８および９の第１の充放電サイクルの容量の結果（ｍＡｈ／ｇ）を電圧（Ｖ）の関数として表す定電流曲線を示す。
図６は、実施例１（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示した活性電極材料、共重合で使用したモノマー、硫黄を添加しないイミド共重合体、および硫黄元素の赤外線透過スペクトルを示す。
図７は、実施例１（ｆ）および１（ｇ）に示した活性電極材料、共重合で使用したモノマー、硫黄元素、および硫黄を添加しない共重合体の赤外線透過スペクトルを示す。
図８は、実施例１（ｈ）に示した活物質、共重合で使用したモノマー、硫黄元素、および硫黄を添加しない共重合体の赤外線透過スペクトルを示す。
図９は、実施例１（ｃ）に示した共重合体のイオン導電率の結果（Ｓ ｃｍ－１）を温度（Ｋ－１）の関数として示す。
図１０は、実施例１（ｄ）に示した共重合体のイオン導電率の結果（Ｓ ｃｍ－１）を温度（Ｋ－１）の関数として示す。
図１１は、実施例１（ｇ）に示した共重合体のイオン導電率の結果（Ｓ ｃｍ－１）を温度（Ｋ－１）の関数として示す。実施例５（ｃ）に記載されるフィルムのイオン導電率値は（Ａ）に示され；実施例５（ｄ）に記載されるプレスされた粉末の形態のイオン導電率値は（Ｂ）に示される。
本明細書で使用されるすべての技術的および科学的な用語および表現は、本技術に関連する分野の当業者によって一般に理解されるものと同じ定義を有する。それでも、使用されるいくつかの用語および表現の定義は、以下に提供される。
本明細書において使用される「約」という用語は、ほぼ、その付近、およびおよそを意味する。「約」という用語が数値に関連して使用される場合、それは、例えば、公称値に対して１０％の変動で数値を上下に変更する。この用語は、例えば、測定装置または丸めによる実験誤差も考慮に入れることがある。
値の範囲が本願において言及されている場合、その範囲の下限および上限は、特に明記しない限り、常に定義に含まれる。
本明細書に記載される化学構造は、当分野の基準に従って描かれている。また、描かれている炭素原子などの原子に不完全な原子価が含まれているように見える場合には、たとえ水素原子が明示的に描かれていない場合でも、原子価は１またはそれを超える水素原子によって満たされていると見なされる。
本明細書において使用される、用語「アルキル」または「アルキレン」とは、直鎖または分岐鎖基を含む、１～１６個の炭素原子を有する飽和炭化水素基を指す。アルキル基の例としては、限定されないが、メチル、エチル、プロピル、ブチル、ペンチル、ヘキシル、ヘプチル、オクチル、ノニル、デシル、イソプロピル、ｔｅｒｔ－ブチル、ｓｅｃ－ブチル、イソブチルなどが挙げられる。アルキル基が２つの官能基の間に位置する場合、アルキレンという用語、例えばメチレン、エチレン、プロピレンなども使用され得る。「Ｃｉ－Ｃｉｉアルキル」および「Ｃｉ－Ｃｉｉアルキレン」という用語は、数「ｉ」から数「ｉｉ」までの炭素原子を有するアルキルまたはアルキレン基をそれぞれ指す。
本明細書において使用される、「アリール」または「アリーレン」という用語は、共役した単環系または多環系（縮合もしくは非縮合）において、４ｎ＋２個のπ（パイ）電子（ｎは１～３の整数である）を有し、６～２０個の環原子を有する芳香族基を指す。多環系は、少なくとも１つの芳香環を含む。この基は、直接結合されるかまたはＣ１－Ｃ３アルキル基を介して接続されてよい。アリール基の例としては、限定されないが、フェニル、ベンジル、フェネチル、１－フェニルエチル、トリル、ナフチル、ビフェニル、テルフェニル、インデニル、ベンゾシクロオクテニル、ベンゾシクロヘプテニル、アズレニル、アセナフチレニル、フルオレニル、フェナントレニル、アントラセニル、ペリレニルなどが挙げられる。アリール基が２つの官能基の間に位置する場合、アリーレンという用語も使用され得る。アリールまたはアリーレンという用語には、置換された基または置換されていない基が含まれる。例えば、「Ｃ６－Ｃｎアリール」という用語は、環構造中に６個から指定された「ｎ」個の炭素原子を有するアリール基を指す。
「置換された」という用語は、基に関連している場合、少なくとも１つの水素原子が適切な置換基で置き換えられている基を指す。置換基の限定されない例は、シアノ、ハロゲン（すなわちＦ、Ｃｌ、Ｂｒ、またはＩ）、アミド、ニトロ、トリフルオロメチル、低級アルキル、シクロアルキル、ヘテロシクロアルキル、アリール、ヘテロアリール、低級アルコキシ、アリールオキシ、ベンジルオキシ、ベンジル、アルコキシカルボニル、スルホニル、スルホネート、シラン、シロキサン、ホスホナト、ホスフィナトなどを含む。これらの置換基は、許容される場合、例えば、この基がアルキル基、アルコキシ基、アリール基等を含む場合に置換されることもできる。
本記載は、硫黄元素と有機モノマーの共重合、または、硫黄と、ジスルフィド結合を含む化合物との反応に関する。例えば、本願は、硫黄と電気化学的に活性なポリイミドとの共重合の結果であるポリマーを含む。あるいは、硫黄の反応をジイミドジスルフィドと行い、それによりどちらも電気化学的に活性なスルフィドセグメントと有機セグメントを含む化合物を得る。これらの化合物およびポリマーは、溶解の問題を低減または排除することによって硫黄の電気化学的性能を改善するだけでなく、レドックス反応で同様に活性である有機セグメントの存在を考えると、容量に寄与することもあり得る。したがって、本明細書において定義されたポリマーまたは化合物を含む電極材料は、ハイブリッド有機硫黄正極材料と特徴付けることができる。
例えば、このポリマーは、電気化学的に活性なポリイミドセグメントと、－Ｓ－（Ｓ）ｍ－Ｓ－（ｍ≧１）の形式のポリスルフィドセグメントで構成される共重合体である。ポリマーの例は、式Ｉ：
Figure 0007547554000013
 （式中、
Ａは、電子の非局在化を許容する不飽和基、例えば、置換または非置換のアリールおよびヘテロアリール基、ならびにそれらの縮合または非縮合多環式対応物から選択され；
Ｒは、直鎖または分岐鎖Ｃ２－６アルキレン、直鎖または分岐鎖Ｃ２－６アルキレンオキシ、直鎖または分岐鎖Ｃ２－６アルキレングリコール、直鎖または分岐鎖Ｃ２－６アルキレンオキシＣ２－６アルキレン、直線状または分岐鎖ポリ（Ｃ２－６アルキレングリコール）、Ｃ６－１２アリーレン、Ｃ３－１２シクロアルキレン、Ｃ５－１２ヘテロアリーレン、およびＣ３－１２ヘテロシクロアルキレンから選択される置換または非置換有機連結基であり；
ｍは、ポリマーリンクのジスルフィド結合に挿入された硫黄原子の平均数を表し、ゼロであり得ず、すなわち、ｍ＞０、例えば０＜ｍ≦８、または１≦ｍ≦６、または１≦ｍ≦４であり；かつ
ｎは、ポリマー中の単位の平均数を表し、例えば、ｎは２～５００、または５～３００の範囲内であり得る）
によって表される。
一例によれば、Ａは、ベンゼン、ナフタレン、ペリレンおよびビフェニル基から選択されてよい。
例えば、Ａは、ベンゼン基であり、ポリマーは、式Ｉ（ａ）：
Figure 0007547554000014
 （式中、Ｒ、ｍおよびｎは、本明細書に定義される通りである）
のポリマーである。
別の例によれば、Ｒは、ベンゼン、エチレン、プロピレン、ポリ（エチレングリコール）、ポリ（プロピレングリコール）、およびエチレングリコールとプロピレングリコールの共重合体の基から選択されてよい。
例えば、ＡおよびＲは、ベンゼン基であり、ポリマーは、式Ｉ（ｂ）またはＩ（ｃ）：
Figure 0007547554000015
 （式中、ｍおよびｎは、本明細書に定義される通りである）
のポリマーである。
別の例によれば、活物質はむしろ式ＩＩの化合物：
Figure 0007547554000016
 （式中、ＡおよびＲは、本明細書に定義される通りであり、ｍは、化合物のジスルフィド結合に挿入された硫黄原子の平均数を表し、例えば、ｍ＞０、例えば、０＜ｍ≦８、または１≦ｍ≦６、または１≦ｍ≦４である）
である。
例えば、Ａは、ベンゼンであり、ポリマーは、式ＩＩ（ａ）：
Figure 0007547554000017
 （式中、Ｒおよびｍは、本明細書に定義される通りである）
のポリマーである。
例えば、Ｒはベンゼンであり、ポリマーは、式ＩＩ（ｂ）：
Figure 0007547554000018
 （式中、ｍは上記に定義される通りである）
のポリマーである。
本願はまた、硫黄元素との反応による重合および硫化のステップを含む、本明細書において定義され、有機硫化物ハイブリッドを含むポリマーの合成のためのプロセスを記載し、これらのステップは任意の順序で行われる。例えば、このプロセスは以下のステップを含む：
ａ）電気化学的に活性なポリイミドを形成するための、二無水物とジアミンジスルフィドとの間の重縮合による重合；および
ｂ）電気化学的に活性なポリイミドと硫黄元素Ｓ８の共重合による、ポリスルフィドセグメント（－（Ｓ）ｍ－の形式；ｍ≧１）の挿入。
一例によれば、共重合体の有機セグメントは、ピロメリト酸二無水物（１）と４－アミノフェニルジスルフィド（２）との間の重縮合によって合成されてポリイミド（３）を形成する。例えば、重縮合は約１５０℃の温度で行われる。共重合体は、スキーム１に例示される重合プロセスによって調製することができる：
Figure 0007547554000019
一例によれば、ポリスルフィドセグメント（－（Ｓ）ｍ－の形式；ｍ≧１）は、次にジスルフィド結合に挿入される。次に、挿入は、１５０℃もしくはそれを超える温度、または１８５℃もしくはそれを超える温度、または１６０℃～２００℃の間の温度で、ジスルフィド結合を含む電気化学的に活性なポリイミドおよび硫黄元素Ｓ８を加熱することにより、行うことができる。加熱ステップは、硫黄元素Ｓ８環を開環させて、ポリスルフィドセグメント（－（Ｓ）ｍ－の形式；ｍ≧１）をジスルフィド結合に挿入し、ポリスルフィドを形成することを可能にする。ポリスルフィドセグメントの挿入は、スキーム２に例示されるプロセスによって行うことができ、このプロセスでは、ポリスルフィドセグメント（－（Ｓ）ｍ－の形式；ｍ≧１）の挿入が１８５℃でポリイミド（３）のジスルフィド結合に対して行われ、ポリイミド－ｃｏ－ポリスルフィド（４）が得られる：
Figure 0007547554000020
 あるいは、本願は、以下のステップを含む、本明細書において定義され、有機硫化物ハイブリッドを含むポリマーを合成するためのプロセスを記載する：
ａ）ジアミンジスルフィドと硫黄元素Ｓ８の重合によって行われる、ポリスルフィドを形成するセグメント（－（Ｓ）ｍ－の形式；ｍ≧１）の挿入によるアミノ－硫黄コモノマーの合成；および
ｂ）ポリイミドを形成するためのアミノ－硫黄コモノマーと二無水物の重縮合。
一例によれば、ポリスルフィドセグメント（－（Ｓ）ｍ－の形式；ｍ≧１）は、ジアミンジスルフィドのジスルフィド結合に挿入される。挿入は、１５０℃もしくはそれを超える温度、または１８５℃もしくはそれを超える温度、または１６０℃～２００℃の間の温度で、硫黄元素Ｓ８およびジスルフィド結合を含むジアミンジスルフィドを加熱することにより行うことができる。加熱ステップは、硫黄元素Ｓ８環を開環させて、ポリスルフィドセグメントをジスルフィド結合に挿入し、ポリスルフィドを形成することを可能にする。ポリスルフィドセグメントの挿入は、スキーム３に例示されるプロセスによって行うことができ、このプロセスでは、ポリスルフィドセグメントの挿入が、１８５℃で４－アミノフェニルジスルフィド（２）のジスルフィド結合で行われ、アミノ－硫黄コモノマー（３）が得られる：
Figure 0007547554000021
一例によれば、次に、重合は、アミノ－硫黄コモノマー（３）とピロメリト酸二無水物（４）との間の重縮合によって行われて、ポリイミド－ｃｏ－ポリスルフィド（５）を形成する。重縮合は、例えば約１５０℃の温度で行うことができる。ポリマーは、スキーム４に例示される重合プロセスによって調製することができる：
Figure 0007547554000022
 ここで、ｍおよびｎの値は、反応混合物中の硫黄の質量百分率の関数として決定される。共重合体中の硫黄の質量百分率は、０．１％～９９．９％、例えば、５％～９５％の間で変動し得る。ポリマーは、特に挿入ステップで高い割合の硫黄が含まれている場合に、ジスルフィド結合に挿入されていない、残留する一定量の遊離硫黄元素を含むこともある。
本願はまた、電気化学的活物質として本明細書において定義されるポリマーまたは化合物を含む正極材料を提唱する。一例によれば、正極材料は、導電性材料、バインダー、またはそれらの組合せをさらに含むことがある。電極材料は、遊離硫黄元素（Ｓｘ）を含むこともある。
導電性材料の限定されない例は、炭素源、例えばカーボンブラック、Ｋｅｔｊｅｎ（商標）カーボン、シャウィニガンカーボン、アセチレンブラック、グラファイト、グラフェン、カーボンファイバー（例えばカーボンナノファイバー、例えば、気相で形成されたＶＧＣＦなど）、およびカーボンナノチューブ、またはそれらの少なくとも２つの組合せなどを含み得る。例えば、導電性材料は、ＶＧＣＦとＫｅｔｊｅｎ（商標）ブラックの組合せである。
バインダーの限定されない例は、直線状、分岐鎖、および／または架橋ポリエーテル型のポリマーであり、ポリ（エチレンオキシド）（ＰＥＯ）、ポリ（プロピレンオキシド）（ＰＰＯ）、またはこれら２つの組合せ（またはＥＯ／ＰＯ共重合体）に基づき得、架橋可能な単位を必要に応じて含むポリマー；ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）またはポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などのフッ素化ポリマー；あるいは、例えばスチレン－ブタジエンゴム（ＳＢＲ）、アクリロニトリル－ブタジエンゴム（ＮＢＲ）、水素化ＮＢＲ（ＨＮＢＲ）、エピクロロヒドリンゴム（ＣＨＲ）、またはアクリレートゴム（ＡＣＭ）などの水溶性バインダーである水溶性バインダーを含み、必要に応じてカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）を含む。例えば、バインダーはＰＶＤＦであり、塗布のために正極材料の他の成分と混合されるときにＮ－メチル－２－ピロリドン（ＮＭＰ）に溶解され、この溶媒はその後に除去される。
一例によれば、正極材料は、集電体（例えば、アルミニウム、銅）に適用することができる。あるいは、正極は自立することができる。例えば、集電体はアルミニウムである。
本願はまた、少なくとも、本明細書において定義される正極材料、負極および電解質を含む電気化学セルも提唱する。次に、電池のさまざまな成分とのその適合性のために電解質が選択される。任意の種類の電解質、例えば、液体、ゲルまたは固体の電解質が企図される。
本願はまた、本明細書において定義されるポリマーまたは本明細書において定義される化合物を含む電解質を提唱する。
一例によれば、電解質は、溶媒中の塩を含む液体電解質である。一代替形態によれば、電解質は、溶媒中の塩および必要に応じて溶媒和ポリマーを含むゲル電解質である。別の代替形態によれば、電解質は、溶媒和ポリマー中に塩を含む固体ポリマー電解質（ＳＰＥ）である。
相溶性のある電解質は、通常、少なくとも１つのリチウム塩、例えばヘキサフルオロリン酸リチウム（ＬｉＰＦ６）、リチウムビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミド（ＬｉＴＦＳＩ）、リチウムビス（フルオロスルホニル）イミド（ＬｉＦＳＩ）、リチウム２－トリフルオロメチル－４，５－ジシアノイミダゾレート（ＬｉＴＤＩ）、リチウム４，５－ジシアノ－１，２，３－トリアゾレート（ＬｉＤＣＴＡ）、リチウムビス（ペンタフルオロエチルスルホニル）イミド（ＬｉＢＥＴＩ）、テトラフルオロホウ酸リチウム（ＬｉＢＦ４）、リチウムビス（オキサラト）ボレート（ＬｉＢＯＢ）、硝酸リチウム（ＬｉＮＯ３）、塩化リチウム（ＬｉＣｌ）、臭化リチウム（ＬｉＢｒ）、フッ化リチウム（ＬｉＦ）など、および非水性溶媒（有機）または溶媒和ポリマーに溶解したそれらを含む組成物を含む。例えば、電解質は、ジメトキシエタン（ＤＭＥ）および１，３－ジオキソラン（ＤＯＬ）（ＤＭＥ／ＤＯＬ）に溶解したＬｉＴＦＳＩであり、それには硝酸リチウム（１％、ＬｉＮＯ３）が含まれている。
別の例によれば、電解質は、硫黄元素、電解質バインダー、セパレータ、添加剤またはそれらの少なくとも２つの組合せをさらに含んでよい。
例えば、電解質バインダーはＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）である。例えば、電解質は、０重量％～２５重量％の間、特に０重量％～２０重量％の間、より特に５重量％～１５重量％の間、さらにより特に７重量％～１３重量％の間、理想的には１０重量％の電解質バインダーを含む（上限および下限を含む）。
セパレータの限定されない例には、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、セルロース、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）およびポリプロピレン－ポリエチレン－ポリプロピレン（ＰＰ／ＰＥ／ＰＰ）膜が含まれ得る。
別の例によれば、電解質は、本明細書において定義される塩を溶媒和ポリマー中に含む固体ポリマー電解質（ＳＰＥ）であり、該溶媒和ポリマーは本明細書において定義されるポリマーである。例えば、ＳＰＥは、６０重量％～９５重量％の間、特に６５重量％～９０重量％の間、より特に７０重量％～８５重量％の間、さらにより特に７５重量％～８５重量％の間、理想的には８０重量％の本明細書において定義されるポリマーを含む（上限および下限を含む）。例えば、ＳＰＥは、５重量％～４０重量％の間、特に１０重量％～３５重量％の間、より特に１５重量％～３０重量％の間、より特に１５重量％～２５重量％の間、理想的には２０重量％の塩を含む（上限および下限を含む）。
本願はまた、カソード、アノードおよび本明細書において定義される電解質を含む電気化学セルも提唱する。本願はまた、カソード、アノードおよび電解質を含む電気化学セルも企図し、ここで電解質およびカソードは本明細書において定義される通りである。
別の態様によれば、本願の電気化学セルは、リチウム電池に含まれる。例えば、リチウム電池はリチウム－硫黄電池である。
別の態様によれば、本願の電気化学セルは、携帯機器、例えば、携帯電話、カメラ、タブレットまたはラップトップで、電気自動車またはハイブリッド車で、あるいは再生可能エネルギー貯蔵で使用される。
以下の実施例は例示であり、記載された本発明の範囲をさらに限定するものと解釈されるべきではない。
実施例１－有機硫黄ハイブリッド活性電極材料の合成
ａ）ピロメリト酸二無水物、４－アミノフェニルジスルフィドおよび硫黄（５重量％）の共重合
電極材料の合成を、マグネチックバーを装備した２５ｍＬフラスコ内で行った。活性電極材料を、０．０８５ｇの硫黄元素Ｓ８（０．３３ｍｍｏｌ）と０．７４５ｇの４－アミノフェニルジスルフィド（３ｍｍｏｌ）を合わせることにより調製した。次に、フラスコを密閉し、不活性ガス（Ｎ２）流下に置いた。フラスコの空気がパージされたら、混合物を、均一な液体が得られるまで約３０分間、５００ｒｐｍの一定の撹拌下で１８５℃の温度に加熱した。次に、混合物を１５０℃の温度に冷却した後、密閉したキャップを取り外して、事前に有機溶媒であるＮ，Ｎ－ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）に溶解させた０．６５４ｇのピロメリト酸二無水物（３ｍｍｏｌ）を添加した。次に、混合物を含有するフラスコを覆い、撹拌下（５００ｒｐｍ）で２６時間、１５０℃の温度で保持した。次に、混合物を冷却した。このようにして生成された固体を回収し、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）で洗浄し、未反応の硫黄を昇華させるために真空下で乾燥させた。最後に、生成された活性電極材料（ポリマー）中の硫黄の割合を元素分析によって測定した。この実施例の活性電極材料は、５％の硫黄を含んでいた。
ｂ）ピロメリト酸二無水物、４－アミノフェニルジスルフィドおよび硫黄（２５重量％）の共重合
この活性電極材料の合成を、実施例１（ａ）に示されるプロセスに従って行った。アミノ－硫黄コモノマーの合成のための硫黄元素Ｓ８および４－アミノフェニルジスルフィドの質量は、それぞれ０．３０９ｇ（１．２０６ｍｍｏｌ）および０．４４７ｇ（１．８ｍｍｏｌ）であり、重縮合のためのピロメリト酸二無水物の質量は、０．３９３ｇ（１．８ｍｍｏｌ）であった。このように生成された活性電極材料は、元素分析により測定して２５重量％の硫黄を含んでいた。
ｃ）ピロメリト酸二無水物、４－アミノフェニルジスルフィドおよび硫黄（３５重量％）の共重合
この活性電極材料の合成を、実施例１（ａ）に示されるプロセスに従って行った。アミノ－硫黄コモノマーの合成のための硫黄元素Ｓ８および４－アミノフェニルジスルフィドの質量は、それぞれ１．０３３ｇ（４．０２６ｍｍｏｌ）および１ｇ（４．０２６ｍｍｏｌ）であり、重縮合のためのピロメリト酸二無水物の質量は、０．８７８ｇ（４．０２６ｍｍｏｌ）であった。このように生成された活性電極材料は、元素分析により測定して３５重量％の硫黄を含んでいた。
ｄ）ピロメリト酸二無水物、４－アミノフェニルジスルフィドおよび硫黄（６３重量％）の共重合
この活性電極材料の合成を、実施例１（ａ）に示されるプロセスに従って行った。アミノ－硫黄コモノマーの合成のための硫黄元素Ｓ８および４－アミノフェニルジスルフィドの質量は、それぞれ２．４６３ｇ（９．６ｍｍｏｌ）および０．３９７ｇ（１．６ｍｍｏｌ）であり、重縮合のためのピロメリト酸二無水物の質量は、０．３４９ｇ（１．６ｍｍｏｌ）であった。このように得られた活性電極材料は、元素分析により測定して６３重量％の硫黄を含んでいた。
ｅ）ピロメリト酸二無水物、４－アミノフェニルジスルフィドおよび硫黄（９５重量％）の共重合
この活性電極材料の合成を、実施例１（ａ）に示されるプロセスに従って行った。アミノ－硫黄コモノマーの合成のための硫黄元素Ｓ８および４－アミノフェニルジスルフィドの質量は、それぞれ８．９７８ｇ（３５ｍｍｏｌ）および０．２４８ｇ（１ｍｍｏｌ）であり、重縮合のためのピロメリト酸二無水物の質量は、０．２１８ｇ（１ｍｍｏｌ）であった。このように生成された活性電極材料は、元素分析により測定して９５重量％の硫黄を含んでいた。
ｆ）１，４，５，８－ナフタレンテトラカルボン酸二無水物、４－アミノフェニルジスルフィドおよび硫黄（２０重量％）の共重合
Figure 0007547554000023
 電極材料の合成を、マグネチックバーを装備した２５ｍＬフラスコ内で行った。活性電極材料を、０．９２３ｇの硫黄元素Ｓ８（３．６ｍｍｏｌ）と０．４４７ｇの４－アミノフェニルジスルフィド（１．８ｍｍｏｌ）を合わせることにより調製した。次に、フラスコを密閉し、不活性ガス（Ｎ２）流下に置いた。フラスコの空気がパージされたら、混合物を、均一な液体が得られるまで約３０分間、５００ｒｐｍの一定の撹拌下で１８５℃の温度に加熱した。次に、混合物を１５０℃の温度に冷却した後、密閉したキャップを取り外して、事前に有機溶媒であるＮ，Ｎ－ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）に溶解させた０．４８３ｇの１，４，５，８－ナフタレンテトラカルボン酸二無水物（１．８ｍｍｏｌ）を添加した。次に、混合物を含有するフラスコに覆いをし、撹拌下（５００ｒｐｍ）で２６時間、１５０℃の温度で保持した。次に、混合物を冷却した。このようにして生成された固体を集め、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）で洗浄し、未反応の硫黄を昇華させるために真空下で乾燥させた。最後に、生成された活性電極材料（ポリマー）中の硫黄の割合を元素分析によって測定した。この実施例の活性電極材料は、２０％の硫黄を含んでいた。
ｇ）１，４，５，８－ナフタレンテトラカルボン酸二無水物、４－アミノフェニルジスルフィドおよび硫黄（３０重量％）の共重合
活性電極材料の合成を、実施例１（ｆ）に示されるプロセスに従って行った。アミノ－硫黄コモノマーの合成のための硫黄元素Ｓ８および４－アミノフェニルジスルフィドの質量は、それぞれ２．０５２ｇ（８ｍｍｏｌ）および１．９８７ｇ（８ｍｍｏｌ）であり、重縮合のための１，４，５，８－ナフタレンテトラカルボン酸二無水物の質量は、２．１４５ｇ（８ｍｍｏｌ）であった。このように生成された活性電極材料は、元素分析により測定して３０重量％の硫黄を含んでいた。
ｈ）重縮合とそれに続く硫黄（２０重量％）の挿入によるピロメリト酸二無水物とシスタミンの共重合
共重合体の合成を、マグネチックバーを装備した１００ｍＬフラスコ内で行った。この物質は、７．６１４ｇのシスタミン二塩酸塩（０．５ｍｏｌ）と１０．９１ｇのピロメリト酸二無水物（０．５ｍｏｌ）を合わせることにより調製した。次に、混合物を撹拌下（５００ｒｐｍ）で２６時間、１５０℃の温度に加熱した。次に、混合物を冷却した。このようにして生成された固体を回収し、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）で洗浄した。次に、１．２０４ｇのこの共重合体をＮＭＰに分散させ、１．８５６ｇの硫黄元素Ｓ８（５０重量％）を添加した。次に、フラスコを密閉し、不活性ガス（Ｎ２）流下に置いた。フラスコの空気がパージされたら、混合物を５００ｒｐｍの一定の撹拌下で約２０時間、１８５℃の温度に加熱した。次に、混合物を冷却した。このようにして生成された固体を回収し、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）で洗浄し、真空下で乾燥させて未反応の硫黄を昇華させた。最後に、生成された活性電極材料（ポリマー）中の硫黄の割合を元素分析によって測定した。この実施例の活性電極材料は、２０％の硫黄を含んでいた。
実施例２－電気化学セルの調製
ａ）カソード
カソード材料は、６０重量％のハイブリッド有機硫化物電極材料、すなわち実施例１のポリイミド－ｃｏ－ポリスルフィド、またはポリイミドジスルフィド（基準）、３０重量％の導電性カーボン（１５％ ＶＧＣＦおよび１５％ Ｋｅｔｊｅｎ（商標）６００カーボン）および１０重量％のバインダー、すなわちＮ－メチル－２－ピロリドン（ＮＭＰ）に溶解したポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）で構成される。集電体はアルミニウムである。溶媒は塗布後に蒸発する。
ｂ）電解質
電解質は、ジメトキシエタン（ＤＭＥ）と１，３－ジオキソランの混合物（ＤＭＥ／ＤＯＬ）に溶解したリチウムビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミド（ＬｉＴＦＳＩ）の１Ｍ溶液、および硝酸リチウム（１％、ＬｉＮＯ３）で構成される。
ｃ）アノード
アノードは薄膜の形態の金属リチウムで構成される。
ｄ）電気化学セル
セルは、したがって次の要素で調製される：
Ｌｉ／電解質／カソード／Ａｌ
セル１
セル１は、実施例２（ａ）に示されるジスルフィドポリイミドを含む基準カソード、実施例２（ｂ）に示される電解質、および実施例２（ｃ）に示される金属リチウムで構成されるアノードを含む。
セル２
セル２は、実施例１（ｃ）の電極材料を含む実施例２（ａ）に示されるカソード、実施例２（ｂ）に示される電解質、および実施例２（ｃ）に示される金属リチウムで構成されるアノードを含む。
セル３
セル３は、実施例１（ｄ）の電極材料を含む実施例２（ａ）に示されるカソード、実施例２（ｂ）に示される電解質、および実施例２（ｃ）に示される金属リチウムで構成されるアノードを含む。
セル４
セル４は、実施例１（ｅ）の電極材料を含む実施例２（ａ）に示されるカソード、実施例２（ｂ）に示される電解質、および実施例２（ｃ）に示される金属リチウムで構成されるアノードを含む。
セル５
セル５は、実施例１（ｂ）の電極材料を含む実施例２（ａ）に示されるカソード、実施例２（ｂ）に示される電解質、および実施例２（ｃ）に示される金属リチウムで構成されるアノードを含む。
セル６
セル６は、実施例１（ｆ）の電極材料を含む実施例２（ａ）に示されるカソード、実施例２（ｂ）に示される電解質、および実施例２（ｃ）に示される金属リチウムで構成されるアノードを含む。
セル７
セル７は、実施例１（ｇ）の電極材料を含む実施例２（ａ）に示されるカソード、実施例２（ｂ）に示される電解質、および実施例２（ｃ）に示される金属リチウムで構成されるアノードを含む。
セル８
セル８は、実施例１（ｈ）の（硫黄を添加しない）電極材料を含む実施例２（ａ）に示されるカソード、実施例２（ｂ）に示される電解質、および実施例２（ｃ）に示される金属リチウムで構成されるアノードを含む。
セル９
セル９は、２０重量％の硫黄を含有する実施例１（ａ）の電極材料を含む実施例２（ａ）に示されるカソード、実施例２（ｂ）に示される電解質、および実施例２（ｃ）に示される金属リチウムで構成されるアノードを含む。
実施例３－電気化学的特性
電気化学測定を、実施例２（ｄ）の電気化学セルで実施した。図１に実証されるように、ジスルフィド結合に挿入された硫黄の存在により、改良された容量およびサイクル性を有する、より性能の高い材料を得ることが可能になる。図１（Ａ）および１（Ｂ）はそれぞれ、セル１（基準）およびセル２のサイクル数の関数として、容量および容量保持の結果を示す。実際、提示された結果を比較することにより、容量および容量保持の割合の大幅な改善を、セル１と比較してセル２について観察することができる。
図２は、セル２のＣ／１０における第１のサイクルの容量の結果を電圧の関数として示す。新しい材料の容量へのポリマーの寄与は、約２．２Ｖのプラトーの存在によって確認することができる。セル２は、Ｃ／１０で２９０ｍＡｈ ｇ－１の第１の放電容量を得、Ｃ／２で１００サイクル後に、６５％の容量保持率を得る。
図３は、Ｃ／１０におけるセル３～５の第１の充放電曲線を示す。初期容量は、活物質の性質によって異なる。セル３、セル４およびセル５で得た容量は、それぞれ４０７ｍＡｈ ｇ－１、５７０ｍＡｈ ｇ－１および２７７ｍＡｈ ｇ－１である。
図４は、セル６および７のＣ／１０における第１のサイクルの容量の結果を電圧の関数として示す。新しい材料の容量への硫黄の寄与は、およそ２．０５Ｖのプラトーの存在によって確認することができる。セル６は、Ｃ／１０で３０５ｍＡｈ ｇ－１の第１の放電容量と、Ｃ／２で５０サイクル後に９１％の容量保持率を得る。セル７の場合、第１の放電の容量はＣ／１０で４４３ｍＡｈ ｇ－１であり、５０サイクル後の容量保持率は７５％である。
図５（ａ）は、セル８および９のサイクリックボルタモグラムを示す。硫黄の添加の、酸化および還元ピークの強度への影響を確認することが可能である。さらに、図５（ｂ）で観察され得るように、硫黄を追加すると容量の増加が得られる。セル８は、Ｃ／１０で１３８ｍＡｈ ｇ－１の初期放電容量と、Ｃ／２で１００サイクル後に３７％の容量保持率を得る。セル９の場合、第１の放電で得られる容量はＣ／１０で１９５ｍＡｈ ｇ－１であり、１００サイクル後の容量保持率は５０％である。
実施例４－材料組成の特性評価および決定
実施例１に提示された材料の組成は、透過赤外分光スペクトルを使用して決定した。図６は、実施例１（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示した活性電極材料の赤外線透過スペクトルならびに共重合中に使用したモノマーのスペクトル、硫黄を添加しないイミド共重合体の赤外線透過スペクトルおよび硫黄元素の赤外線透過スペクトルを示す。
図７は、実施例１（ｆ）および１（ｇ）に示した活性電極材料の赤外線透過スペクトルならびに共重合で使用したモノマーのスペクトル、硫黄元素の赤外線透過スペクトルおよび硫黄を含まない共重合体の赤外線透過スペクトルを示す。
図８は、実施例１（ｈ）に示した活性電極材料の赤外線透過スペクトルならびに共重合で使用したモノマーのスペクトル、硫黄元素の赤外線透過スペクトルおよび硫黄を添加しない共重合体の赤外線透過スペクトルを示す。
実施例５－イオン導電率
ａ）実施例１（ｃ）に示した材料のイオン導電率の測定
イオン導電率の結果を、実施例１（ｃ）に示した共重合体について得た。これを行うために、実施例１（ｃ）に示した共重合体を、有機溶媒（ＮＭＰ）中で、リチウム塩（ＬｉＴＦＳＩ）およびバインダー（ＰＶＤＦ）と混合した。均一な分散液を、厚さ２７μｍのステンレス鋼箔に塗布した。次に、フィルムを１２０℃の温度で１６時間乾燥させた。ＮＭＰが蒸発し、７０：２０：１０（質量百分率）の比（共重合体：ＬｉＴＦＳＩ：ＰＶＤＦ）が得られた。
次に、得られたフィルムを２つのステンレス鋼電極の間に配置し、コインセルに組み立てて、イオン導電率を測定した。電気化学インピーダンス分光測定を、さまざまな温度（２５℃、４０℃、６０℃および８０℃）で８００ｋＨｚと１００Ｈｚの間で実施した。
図９のグラフは、測定された導電率値を温度の関数として示す。３．０６×１０－６Ｓ・ｃｍ－１の最大値が８０℃の温度で得られた。
ｂ）実施例１（ｄ）に示した材料のイオン導電率の測定
実施例１（ｄ）に示した硫黄含有共重合体の温度の関数としての導電率を、実施例５（ａ）に示した方法および比を使用して測定した。イオン導電率の結果を図１０に示す。１．１２×１０－８Ｓ・ｃｍ－１の最大値が８０℃の温度で得られた。
ｃ）実施例１（ｇ）に示した材料のイオン導電率の測定
実施例１（ｇ）に示した硫黄含有共重合体の温度の関数としての導電率を、実施例５（ａ）に示した方法および比を使用して測定した。結果を図１１（Ａ）に示す。６．４３×１０－９Ｓ・ｃｍ－１の最大値が８０℃の温度で得られた。
ｄ）実施例１（ｇ）に示した材料のイオン導電率の測定
イオン導電率を、実施例１（ｇ）に示した硫黄含有共重合体について２度目として測定した。これを行うために、実施例１（ｇ）に示した硫黄含有共重合体を、２０重量％のリチウム塩（ＬｉＴＦＳＩ）と混合した。この固体混合物を、１５０℃の温度で３０分間、２つのステンレス鋼電極間でプレスした。次に、電気化学インピーダンス分光測定を、さまざまな温度（２５℃、４０℃、６０℃および８０℃）で８００ｋＨｚと１００Ｈｚの間で測定した。結果を図１１（Ｂ）に示す。１．１×１０－５Ｓ・ｃｍ－１の最大イオン導電率が４０℃の温度で得られた。
企図される本発明の範囲から逸脱することなく、上記の実施形態のいずれかに多数の修正を行うことができる。本願において言及されるいずれの参考文献、特許、または科学文献の文書も、あらゆる目的においてその全文が参照により本明細書に組み込まれる。

Claims (19)

  1. 式ＩＩの化合物：
    Figure 0007547554000024
    ［式中、
    Ａは、置換または非置換のアリールおよびヘテロアリール基、ならびにそれらの縮合または非縮合多環式等価物から選択される電子の非局在化を許容する不飽和基であり；
    Ｒは、非置換直鎖または分岐鎖Ｃ２－６アルキレン、置換または非置換直鎖または分岐鎖Ｃ２－６アルキレンオキシ、置換または非置換直鎖または分岐鎖Ｃ２－６アルキレングリコール、置換または非置換直鎖または分岐鎖Ｃ２－６アルキレンオキシＣ２－６アルキレン、置換または非置換直線状または分岐鎖ポリ（Ｃ２－６アルキレングリコール）、置換または非置換Ｃ６－１２アリーレン、置換または非置換Ｃ３－１２シクロアルキレン、置換または非置換Ｃ５－１２ヘテロアリーレン、および置換または非置換Ｃ３－１２ヘテロシクロアルキレンから選択される有機連結基であり；
    ｍは、前記化合物のジスルフィド結合に挿入された硫黄原子の数を表し、０ではない、すなわち、ｍ＞０である］。
  2. ｍは、０＜ｍ≦８、または１≦ｍ≦６、または１≦ｍ≦４である、請求項１に記載の化合物。
  3. Ｒが、ベンゼン、エチレン、プロピレン、ポリ（エチレングリコール）、ポリ（プロピレングリコール）、およびエチレングリコールとプロピレングリコールの共重合体の基から選択される、請求項１または２に記載の化合物。
  4. Ａが、ベンゼン、ナフタレン、ペリレン、およびビフェニル基から選択される、請求項１から３のいずれか一項に記載の化合物。
  5. 前記化合物が式ＩＩ（ａ）：
    Figure 0007547554000025
    ［式中、Ｒおよびｍは、請求項１から３のいずれか一項に定義される通りである］
    の化合物である、請求項１から４のいずれか一項に記載の化合物。
  6. 前記化合物が式ＩＩ（ｂ）：
    Figure 0007547554000026
    ［式中、ｍは、請求項１または２に定義される通りである］
    の化合物である、請求項１から４のいずれか一項に記載の化合物。
  7. 請求項１から６のいずれか一項に定義される化合物および必要に応じて硫黄元素、導電性材料、バインダー、またはそれらの少なくとも２つの組合せを含む電極材料。
  8. 前記導電性材料が、カーボンブラック、Ｋｅｔｊｅｎ（商標）カーボン、シャウィニガンカーボン、アセチレンブラック、グラファイト、グラフェン、カーボンファイバー、およびカーボンナノチューブ、またはそれらの少なくとも２つの組合せから選択される、請求項７に記載の電極材料。
  9. 前記バインダーがポリエーテル型のポリマーバインダー、またはフッ素化ポリマーである、請求項７または８に記載の電極材料。
  10. 前記バインダーが、
    直線状、分岐鎖、および／または架橋したものから選択され、ポリ（エチレンオキシド）（ＰＥＯ）、ポリ（プロピレンオキシド）（ＰＰＯ）、およびこれら２つの混合物（またはＥＯ／ＰＯ共重合体）に基づき、架橋可能な単位を必要に応じて含むポリエーテル型のポリマーバインダーであるか；
    ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）およびＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）から選択されるフッ素化ポリマーバインダーであるか；または
    ＳＢＲ（スチレン－ブタジエンゴム）、ＮＢＲ（アクリロニトリル－ブタジエンゴム）、ＨＮＢＲ（水素化ＮＢＲ）、ＣＨＲ（エピクロロヒドリンゴム）、およびＡＣＭ（アクリレートゴム）から選択され、必要に応じてＣＭＣ（カルボキシメチルセルロース）を含む、
    請求項７または８に記載の電極材料。
  11. 集電体に適用された、請求項７から１０のいずれか一項に記載の電極材料を含む正極。
  12. 請求項１から６のいずれか一項に定義される化合物および必要に応じて硫黄元素を含む電解質。
  13. 前記電解質が、溶媒中の塩を含む液体電解質であるか、または溶媒中の塩および必要に応じて溶媒和ポリマーを含むゲル電解質であるか、または溶媒和ポリマー中の塩を含む固体ポリマー電解質（ＳＰＥ）である、請求項１２に記載の電解質。
  14. 前記液体またはゲル電解質の前記溶媒が、エチレンカーボネート（ＥＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）、γ－ブチロラクトン（γ－ＢＬ）、ビニレンカーボネート（ＶＣ）、酪酸メチル（ＭＢ）、γ－バレロラクトン（γ－ＶＬ）、１，２－ジメトキシエタン（ＤＭＥ）、１，２－ジエトキシエタン（ＤＥＥ）、２－メチルテトラヒドロフラン、ジメチルスルホキシド、ホルムアミド、アセトアミド、ジメチルホルムアミド、ジオキソラン、アセトニトリル、プロピルニトリル、ニトロメタン、エチルモノグリム、トリメトキシメタン、スルホラン、メチルスルホラン、テトラヒドロフラン、およびそれらの混合物から選択される極性非プロトン性溶媒である、請求項１３に記載の電解質。
  15. 前記液体、ゲルまたは固体ポリマー電解質の前記塩が、ヘキサフルオロリン酸リチウム（ＬｉＰＦ６）、リチウムビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミド（ＬｉＴＦＳＩ）、リチウムビス（フルオロスルホニル）イミド（ＬｉＦＳＩ）、リチウム２－トリフルオロメチル－４，５－ジシアノイミダゾレート（ＬｉＴＤＩ）、リチウム４，５－ジシアノ－１，２，３－トリアゾレート（ＬｉＤＣＴＡ）、リチウムビス（ペンタフルオロエチルスルホニル）イミド（ＬｉＢＥＴＩ）、テトラフルオロホウ酸リチウム（ＬｉＢＦ４）、リチウムビス（オキサラト）ボレート（ＬｉＢＯＢ）、硝酸リチウム（ＬｉＮＯ３）、塩化リチウム（ＬｉＣｌ）、臭化リチウム（ＬｉＢｒ）、フッ化リチウム（ＬｉＦ）、過塩素酸リチウム（ＬｉＣｌＯ４）、ヘキサフルオロヒ酸リチウム（ＬｉＡｓＦ６）、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム（ＬｉＳＯ３ＣＦ３）（ＬｉＴｆ）、フルオロアルキルリン酸リチウムＬｉ［ＰＦ３（ＣＦ２ＣＦ３）３］（ＬｉＦＡＰ）、リチウムテトラキス（トリフルオロアセトキシ）ボレートＬｉ［Ｂ（ＯＣＯＣＦ３）４］（ＬｉＴＦＡＢ）、リチウムビス（１，２－ベンゼンジオラト（２－）－Ｏ，Ｏ’）ボレートＬｉ［Ｂ（Ｃ６Ｏ２）２］（ＬＢＢＢ）およびそれらの組合せから選択されるリチウム塩である、請求項１３または１４に記載の電解質。
  16. 前記化合物が添加剤である、請求項１２から１５のいずれか一項に記載の電解質。
  17. 前記電解質が、電解質バインダーをさらに含む、請求項１２から１６のいずれか一項に記載の電解質。
  18. カソード、電解質、およびアノードを含む電気化学セルであって、
    前記カソードが、請求項７から１０のいずれか一項に定義される電極材料を含む：
    前記カソードが、請求項１１に定義される正極である；
    前記電解質が、請求項１２から１７のいずれか一項に定義される通りである；または
    前記カソードが、正極であり、請求項１１に定義される通りであり、そして前記電解質が、請求項１２から１７のいずれか一項に定義される通りである、
    電気化学セル。
  19. 請求項１８に定義される電気化学セルを含むリチウム電池。
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