JPH06196016A - プロトン伝導性ポリマー固体電解質 - Google Patents

プロトン伝導性ポリマー固体電解質

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JPH06196016A
JPH06196016A JP5217755A JP21775593A JPH06196016A JP H06196016 A JPH06196016 A JP H06196016A JP 5217755 A JP5217755 A JP 5217755A JP 21775593 A JP21775593 A JP 21775593A JP H06196016 A JPH06196016 A JP H06196016A
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グザビエ・アンドリユー
Laurence Kerreneur
ロランス・ケルヌール
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 室温でのイオン伝導率が高いと同時に機械的
性質の良好なプロトン伝導性ポリマー固体電解質を提供
する。 【構成】 本発明のプロトン伝導性ポリマー固体電解質
は、2個のエポキシ官能基を含む硬化剤で網状化した、
2個の第一アミン末端官能基を含むポリエーテルからな
り、この網状化ポリエーテル内に酸が導入されているこ
とを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、例えば電気化学又はマ
イクロイオン(microionique)分野で多数
の用途に使用可能なプロトン伝導性ポリマー固体電解質
に関する。
【0002】
【従来の技術】プロトン伝導性材料としては、無水無機
化合物(ランタン−ストロンチウム−アルミニウムの灰
チタン石若しくはKHPO4)又は水和化合物(例えば
リン酸ウラニル)が存在する。無水材料には、約300
℃の高温でしか作用しないという欠点がある。室温では
伝導率は大幅に下がる。水和材料では、安定度の範囲は
溶媒和水の範囲によって制限される。湿気がなければ、
高い伝導率は得られない。更には、これらの硬質無機材
料は使用が困難であり、固体電極との界面(電気接触及
びイオン接触)の品質が良くない。
【0003】公知の一次プロトン伝導性ポリマーは高分
子電解質であり、これはイオンがグラフトされているポ
リマー(例えばパーフルオロスルホン化膜)である。こ
の型の材料では、イオン伝導率は、ポリマーを膨張させ
る液相に起因する。室温では、伝導率は水の割合が30
%以上になると10-3S/cmを超える。しかし、これ
らの高分子電解質は原価が高く、複合電極製造での使用
が困難なために、適用が制限されている。
【0004】最近、ほとんど又は全く網状化しておら
ず、ヘテロ原子供与体を含み、酸が溶解しているポリマ
ーからなるプロトン伝導性ポリマーが開発された。頻繁
に引用されるポリマーはポリエーテル又はポリエチレン
イミンである。市販製品から製造すべき最も簡単な系
は、酸化ポリエチレン/リン酸会合である。
【0005】室温では、これらの無水材料のイオン伝導
率は約10-5S/cmにすぎない。伝導率を増すために
これらの電解質内に水を導入することができるが、電解
質の機械的性質は大幅に損なわれる。これらのポリマー
の他の重大な欠点は、水溶性であるために、特に燃料電
池又は電解槽での使用が困難なことである。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、室温でのイ
オン伝導率が高いと同時に機械的性質の良好なプロトン
伝導性ポリマー固体電解質の製造を目的とする。更に
は、この電解質は水不溶性であって、使用が容易でなけ
ればならない。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明は、2個のエポキ
シ官能基を含む硬化剤で網状化した、2個の第一アミン
末端官能基を含むポリエーテルからなり、この網状化ポ
リエーテル内に酸が導入されていることを特徴とするプ
ロトン伝導性ポリマー固体電解質に関する。
【0008】酸は、無機酸(例えばH2SO4又はH3
3)、−COOH官能基を含む有機酸及び多酸(例え
ばポリアクリル酸又はポリメタクリル酸)、−SO3
官能基を含む有機酸及び多酸、並びにこれらの混合物の
中から選択する。
【0009】電解質中の酸の重量比は5%〜50%であ
る。酸の量が少なすぎると、伝導率は不十分である。ポ
リマーへの酸の溶解度が制限されると、酸の割合が多く
なりすぎて、生成物が不安定になるか又は酸の可溶化が
非常に困難になる。
【0010】ポリエーテルは、酸化ポリエチレン、酸化
ポリプロピレン、及びこれら2種の単位のランダムコポ
リマー、交互コポリマー、序列コポリマー又はポリエー
テルをグラフトさせたグラフトコポリマーの中から選択
されたポリマーをベースとする。例えば酸化ポリエチレ
ンから誘導される本発明のポリエーテルは、一般式H2
N−〔−O−(CH22−〕p−NH2で表される。例え
ば酸化ポリプロピレンから誘導される本発明のポリエー
テルは、一般式H2N−〔−O−CHCH3−CH2−〕q
−NH2で表される。
【0011】ポリエーテルの分子量は300〜1000
00である。
【0012】好ましい実施例によれば、硬化剤の割合
は、アミン官能基1個当たり1〜4個のエポキシ官能基
が存在するように選択する。これによって、網状化率は
50%を超える。
【0013】更に好ましくは硬化剤の割合は、アミン官
能基1個当たり2個のエポキシ官能基が存在するように
選択する。この場合網状化率は100%近くになる。こ
のような割合であれば、機械的性質と電気化学的性質と
の間で最良の妥協が得られる。
【0014】第一アミン官能基が、開環したエポキシ官
能基と反応すると、今度はこのようにして生成した第二
アミン官能基が他のエポキシ官能基と反応し得る。この
反応全体によって三次元網が形成され、かくしてポリマ
ーが網状化する。
【0015】例えば一連の反応は以下の式:
【0016】
【化1】
【0017】で簡略的に示され得る。
【0018】ポリマーの網状化には、形成された三次元
網に起因する優れた機械耐性を電解質に付与するという
利点がある。特に、得られた電解質は寸法の点で安定し
ている。電解質は流動せず、酸によって膨張せず、使用
時に溶媒と接触しても膨張しない。
【0019】硬化剤は、ジグリシジルから誘導される低
分子量化合物、ポリエポキシド樹脂及び2個のエポキシ
官能基を含むポリエーテルの中から選択する。硬化剤が
ポリエーテルの場合、ポリエーテルは電解質のベースポ
リマーと同一の特性を有し得る。
【0020】好ましくは、硬化剤は2個のエポキシ末端
官能基を含む化合物の中から選択する。
【0021】第1の変形例によれば、電解質は無水物で
ある。
【0022】第2の変形例によれば、電解質は90%未
満の重量比で水を含んでいる。このために、機械的性質
を保持しながら電解質のイオン伝導率を増すことができ
る。
【0023】本発明は更に、2個のエポキシ官能基を含
む硬化剤で網状化した、2個の第一アミン末端官能基を
含むポリエーテルからなり、このポリエーテル内に酸が
導入されているプロトン伝導性ポリマー固体電解質の製
造方法に関する。該製造方法は、網状化ポリエーテルを
酸水溶液に浸漬させることにより酸をポリエーテル内に
導入することからなる。
【0024】好ましくは、熱を加えて硬化剤によるポリ
エーテルの網状化を開始する。場合によっては電子受容
体触媒の存在下、約80℃の温度で数分間処理すると網
状化する。
【0025】本発明に基づいて製造される電解質には更
に、水に溶解せず、使用が簡単であるという利点があ
る。このために、多数の用途(例えば電気化学発電機、
燃料電池、電解槽、スーパーコンデンサー、電気化学変
換器(capteurs)、ディスプレイ及びエレクト
ロクロミック(electrochromes)ウィン
ドウ)並びに固体電解質を必要とするマイクロイオンの
全ての用途での使用に特に適している。
【0026】
【実施例】例示的且つ非制限的な以下の実施例から、本
発明の他の特徴及び利点が明白となろう。
【0027】実施例1 4gの0,0’−ビス−(2−アミノプロピル)−ポリ
エチレングリコール6000(Texaco製Jeff
amine ED 6000)と、0.08gのブタン
ジオールジグリシジルエーテル硬化剤と、0.08gの
LiClO4触媒とを25℃でアセトニトリルに溶解し
た。
【0028】完全に溶解した後に、混合物を型に流し込
み、次いで溶媒を真空蒸発させた。このようにして得ら
れたフィルムを100℃で15時間処理して網状化させ
た。
【0029】網状化フィルムをリン酸水溶液で膨張さ
せ、次いで100℃で15時間真空乾燥して、水分を除
去した。得られた無水ポリマー固体電解質は30重量%
のリン酸を含んでいた。
【0030】複素インピーダンス方法によって2個のニ
ッケル電極間で測定したこの電解質の25℃でのイオン
伝導率は2・10-4S/cmであった。この値は従来技
術の非網状化無水電解質で得られた値(10-5S/c
m)よりもかなり高い(Synthetic Meta
ls,45(1991),323−333)。
【0031】実施例2 実施例1を繰り返したが、リン酸の代わりに硫酸を使用
した。20重量%の硫酸を含むポリマー固体電解質を得
た。
【0032】これは機械的性質の良好な電解質であり、
25℃での伝導率は1.4・10-3S/cmであった。
【0033】実施例3 実施例1に記載の手順に従って、1gの0,0’−ビス
−(2−アミノプロピル)−ポリエチレングリコール6
000と、0.05gのブタンジオールジグリシジルエ
ーテルと、0.05gのLiClO4触媒とから網状化
ポリマーフィルムを製造した。
【0034】網状化フィルムを30%硫酸水溶液で膨張
させた。ポリマー固体電解質中の液体溶液の重量比は8
0%であった。
【0035】実施例1と同一条件下で2個の金電極間で
測定したイオン伝導率は0.2S/cmであった。
【0036】実施例4 実施例1に記載の手順に従って、2gの0,0’−ビス
−(2−アミノプロピル)−ポリエチレングリコール1
900(Jeffamine ED 2001)と、
0.4gのブタンジオールジグリシジルエーテルとから
網状化ポリマーフィルムを製造した。
【0037】網状化フィルムを一次真空下、100℃で
15時間乾燥して、溶媒を除去した。25℃で測定した
伝導率が10-9S/cm未満の絶縁フィルムを得た。
【0038】同一の手順に従って、2gの0,0’−ビ
ス−(2−アミノプロピル)−ポリエチレングリコール
1900(Jeffamine ED 2001)と、
0.4gのブタンジオールジグリシジルエーテルと、
0.2gのパラトルエンスルホン酸とから網状化ポリマ
ーフィルムを製造した。
【0039】網状化フィルムを一次真空下、100℃で
15時間乾燥した。25℃での伝導率測定値は5・10
-6S/cmであった。
【0040】勿論本発明は前述した実施例に限定され
ず、当業者には本発明の範囲を逸脱することなく多数の
変形例が可能である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ロランス・ケルヌール フランス国、91460・マルクシ、ルート・ ドウ・ブリイ、27

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 2個のエポキシ官能基を含む硬化剤で網
    状化した、2個の第一アミン末端官能基を含むポリエー
    テルからなるプロトン伝導性ポリマー固体電解質であっ
    て、酸が網状化ポリエーテル内に導入されていることを
    特徴とする前記電解質。
  2. 【請求項2】 電解質中の酸の重量比が5%〜50%で
    あることを特徴とする請求項1に記載の電解質。
  3. 【請求項3】 酸が、無機酸、−COOH官能基を含む
    有機酸及び多酸、−SO3H官能基を含む有機酸及び多
    酸、並びにこれらの混合物の中から選択されることを特
    徴とする請求項1又は2に記載の電解質。
  4. 【請求項4】 ポリエーテルが、酸化ポリエチレン、酸
    化ポリプロピレン、及びこれら2種の単位のランダムコ
    ポリマー、交互コポリマー、序列コポリマー又はポリエ
    ーテルをグラフトさせたグラフトコポリマーの中から選
    択されたポリマーをベースとすることを特徴とする請求
    項1から3のいずれか一項に記載の電解質。
  5. 【請求項5】 ポリエーテルの分子量が300〜10
    0,000であることを特徴とする請求項1から4のい
    ずれか一項に記載の電解質。
  6. 【請求項6】 アミン官能基1個当たり1〜4個のエポ
    キシ官能基が存在するように硬化剤の割合が選択される
    ことを特徴とする請求項1から5のいずれか一項に記載
    の電解質。
  7. 【請求項7】 アミン官能基1個当たり2個のエポキシ
    官能基が存在するように硬化剤の割合が選択されること
    を特徴とする請求項6に記載の電解質。
  8. 【請求項8】 硬化剤が、ジグリシジルから誘導される
    低分子量化合物、ポリエポキシド樹脂及び2個のエポキ
    シ官能基を含むポリエーテルの中から選択されることを
    特徴とする請求項1から7のいずれか一項に記載の電解
    質。
  9. 【請求項9】 硬化剤が、2個のエポキシ末端官能基を
    含む化合物の中から選択されることを特徴とする請求項
    8に記載の電解質。
  10. 【請求項10】 電解質が無水物であることを特徴とす
    る請求項1から9のいずれか一項に記載の電解質。
  11. 【請求項11】 電解質が、総重量の90%未満の水を
    含んでいることを特徴とする請求項1から9のいずれか
    一項に記載の電解質。
  12. 【請求項12】 網状化ポリエーテルを酸水溶液に浸漬
    させて酸をポリエーテル内に導入することを特徴とする
    請求項1から11のいずれか一項に記載の電解質の製造
    方法。
  13. 【請求項13】 熱を加えて硬化剤によるポリエーテル
    の網状化を開始することを特徴とする請求項1から11
    のいずれか一項に記載の電解質の製造方法。
JP5217755A 1992-09-01 1993-09-01 プロトン伝導性ポリマー固体電解質 Pending JPH06196016A (ja)

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FR9210442 1992-09-01
FR929210442A FR2695131B1 (fr) 1992-09-01 1992-09-01 Electrolyte solide polymère conducteur protonique.

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US (1) US5429759A (ja)
EP (1) EP0591014B1 (ja)
JP (1) JPH06196016A (ja)
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CA (1) CA2105231A1 (ja)
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ES (1) ES2105164T3 (ja)
FR (1) FR2695131B1 (ja)

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