(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの電気的導電ポリマーを含む少なくとも１つの電極を備え、前記少なくとも１つの電気的導電ポリマーはポリ（３（２−フルオロフェニル）チオフェン）、ポリ（３（３−フルオロフェニル）チオフェン）、ポリ（３（２，４−ジフルオロフェニル）チオフェン）、ポリ（３（３，４−ジフルオロフェニル）チオフェン）、ポリ（３（３，５−ジフルオロフェニル）チオフェン）およびポリ（３（３，４，５−トリフルオロフェニル）チオフェン）からなる群から選ばれる少なくとも１つのフルオロフェニルポリチオフェンを含む電気化学的蓄電池。
【請求項２】
前記少なくとも１つの電極はアノードである請求項１記載の電気化学的蓄電池。
【請求項３】
前記アノードは、ポリ（３（３，４，５−トリフルオロフェニル）チオフェンで表わされる請求項２記載の電気化学的蓄電池。
【請求項４】
前記少なくとも１つの電極は、ポリ（３（３，５−ジフルオロフェニル）チオフェンで表わされるカソードである請求項１記載の電気化学的蓄電池。
【請求項５】
前記少なくとも１つの電極の前記少なくとも１つのポリマーは、エレクトロポリマー化によって表わされる請求項１記載の電気化学的蓄電池。
【請求項６】
前記少なくとも１つの電極の前記少なくとも１つのポリマーは、化学ポリマー化によって表わされる請求項１記載の電気化学的蓄電池。
【請求項７】
さらにポリマーゲル電解質フィルムを備える請求項１記載の電気化学的蓄電池。
【請求項８】
前記ポリマーゲル電解質フィルムは、プロピレンカーボネート溶媒中のテトラブチルアンモニウムテトラフルオロボレートを含む請求項７記載の電気化学的蓄電池。
【請求項９】
前記少なくとも１つのポリマーは、ホモポリマーである請求項１記載の電気化学的蓄電池。
【請求項１０】
ポリマーアノードおよびポリマーカソードを備え、前記アノードおよびカソードは各々ポリ（３（２−フルオロフェニル）チオフェン）、ポリ（３（３−フルオロフェニル）チオフェン）、ポリ（３（２，４−ジフルオロフェニル）チオフェン）、ポリ（３（３，４−ジフルオロフェニル）チオフェン）、ポリ（３（３，５−ジフルオロフェニル）チオフェン）およびポリ（３（３，４，５−トリフルオロフェニル）チオフェン）からなる群から選ばれる少なくとも１つのフルオロフェニルポリチオフェンを含む電気化学的蓄電池。
【請求項１１】
前記アノードは、ポリ（３（３，４，５−トリフルオロフェニル）チオフェンで表わされる請求項１０記載の電気化学的蓄電池。
【請求項１２】
前記アノードは、ポリ（３（３，５−ジフルオロフェニル）チオフェンで表わされる請求項１０記載の電気化学的蓄電池。
【請求項１３】
前記カソードは、ポリ（３（３，５−ジフルオロフェニル）チオフェンで表わされる請求項１１記載の電気化学的蓄電池。
【請求項１４】
前記アノードおよび前記カソードは、各々エレクトロポリマー化によって表わされる請求項１０記載の電気化学的蓄電池。
【請求項１５】
さらにポリマーゲル電解質フィルムを備える請求項１４記載の電気化学的蓄電池。
【請求項１６】
前記ポリマーゲル電解質フィルムは、プロピレンカーボネート溶媒中のテトラブチルアンモニウムテトラフルオロボレートを含む請求項１０記載の電気化学的蓄電池。
【請求項１７】
前記少なくとも１つのポリマーは、ホモポリマーである請求項１０記載の電気化学的蓄電池。
【請求項１８】
請求項１記載の電気化学的蓄電池を備える電池。
【請求項１９】
請求項１０記載の電気化学的蓄電池を備える電池。
【請求項２０】
ポリ（３（２−フルオロフェニル）チオフェン）、ポリ（３（３−フルオロフェニル）チオフェン）、ポリ（３（２，４−ジフルオロフェニル）チオフェン）、ポリ（３（３，４−ジフルオロフェニル）チオフェン）、ポリ（３（３，５−ジフルオロフェニル）チオフェン）およびポリ（３（３，４，５−トリフルオロフェニル）チオフェン）からなる群から選ばれる少なくとも１つのフルオロフェニルポリチオフェンを備える電極。
【請求項２１】
前記電極は、アノードある請求項２０記載の電極。
【請求項２２】
前記フルオロフェニルポリチオフェンは、ホモポリマーである請求項２０記載の電極。
【発明の詳細な説明】
発明の背景
１．発明の分野
本発明は、電池もしくは電気化学的蓄電池に、特には、少なくとも１種の導電性で電気化学的に酸化性および／または還元性ポリマーから調製された少なくとも１つの電極を含む二次電池に関する。
２．関連技術の説明
ポリマー材料、特にポリアセチレンが可逆的にドープおよびアンドープされ得、従って電荷蓄積用途のための電極材料として採用し得ることが発見されて以来、エネルギー蓄積（Ｒ．Ｂ．カナーら、Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．，９０，５１０２（１９８９）；Ｋ．カネトら、Ｊａｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，２２，Ｌ５６７（１９８３））、発光ダイオード（Ｄ．ブラウンら、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，５８，１９８２（１９９１）；Ｊ．Ｊ．Ｍ．ホールズら、ネイチャー，３７６，４９８（１９９５）；Ｍ．グランストロームら、サイエンス，２６７，１４７９（１９９５））、センサー（Ｊ．Ｗ．タッケレーら、Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．，８９，５１３３（１９８５）；Ｇ．フォルチエら、バイオセンサーズ・アンド・バイオエレクトロニクス，５，４７３（１９９０）；Ｐ．Ｎ．バートレットら、Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．，２２４，２７（１９８７））およびエレクトロクロミックデバイス（Ｈ．ヤシマら、Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．，１３４，４６（１９８７）；Ｍ．ガザード、ハンドブック・オブ・コンダクティング・ポリマーズ，Ｖｏｌ．１、ｅｄ．（１９８３））を含む広範な電気および電子デバイス用途にポリマーを採用することに多くの考察および研究が向けられてきている。
中性ポリマーの導電性は、制御された方法によりポリマーを電子アクセプターおよび／または電子ドナードーパントで化学的にドープすることにより劇的に増加し得る。導電性ポリマーに関して使用されるドーピングという用語は、ポリマー中へのまたはポリマーからの電荷補償ドーパントイオンの輸送と結合した、ポリマーの部分酸化（ｐ−ドーピング）または部分還元（ｎ−ドーピング）を指す。導電性ポリマーは、中性（または絶縁性）状態と１またはそれ以上のドープ（導電性）状態との間を切り替えるその能力により特徴づけられる。
電気化学的二次蓄電池のような電荷蓄積用途において、電極材料は、高い利用効率と化学的安定性を持って多重ドーピングおよびアンドーピングサイクルを受け得るものでなければならない。加えて、２つの電極材料は、高い充電容量を有し、高い電池電圧を示すように組み合わせなければならない。
ポリアセチレン、ポリピロール、ポリアニリン、ポリチエニレン、ポリチオフェンは、とりわけ、今日まで電荷蓄積用途に関連して研究され、強い興味を引いたものである。しかしながら、電気化学的蓄電池構造に使用されたとき、充電および／または放電中に繰り返されるドーピングおよびアンドーピングは、当該ポリマーの劣化を引き起こす。従って、ポリアセチレン等の多くのポリマーは、劣った化学的および電気化学的安定性故に乏しい充電／放電サイクル特性（すなわち、可逆性）が問題となっている。さらに、これらのポリマーを含むそれらの電池構造からいずれもの金属成分もしくは液相電解質を完全に取り除くことは達成されていない。ポリ（３（４−フルオロフェニル）チオフェン）のｐ−ドーピングに関して充電容量と可逆性における改善が報告されてはいるが、このポリチオフェン誘導体は、ｎ−ドープされると限界の充電容量と可逆性を示すのである。
すなわち、導電性ポリマーにおける導電機構、電子構造、ドーピング特性および光学特性の理解において幾分かの進展がなされているが、ｎ−ドープ状態およびｐ−ドープ状態の両方において好適な充電要領と可逆性を示し、金属成分を必要とすることなく商業用途に使用し得る電気化学的蓄電池のためのポリマー電極を開発するために多くの改善の必要性が残されている。
発明の概要
従って、本発明の目的は、高いサイクル効率と化学的安定性を持って多重ドーピングおよびアンドーピングサイクルを受け得る電極材料を含む電気化学的蓄電池を提供することによって上記関連技術に関する問題および他の問題を解決することである。
本発明のもう一つの目的は、顕著に高い充電容量を有し、組み合わされたとき高い電池電圧を生じするアノードおよびカソードを調製するために適合するポリマー材料を含む電気化学的蓄電池を提供することである。
本発明の今一つの目的は、金属成分または金属イオンを全くあるいは少なくとも実質的に全く有することなく電気化学的蓄電池に組み込むことができるポリマー電極材料を提供することである。
本発明のさらにもう一つの目的は、電池設計を軽量化し、柔軟化し得、代わりの二次電池技術に付随する安全性および環境的懸念を克服する電気化学的蓄電池のための構造を提供することである。
上記諸目的に案内されて、本発明者らは、フェニルチオフェン上のフッ素の数および一を体系的に変化させるべく調製技術を開発することにより一連の異なるフルオロフェニルチオフェンポリマーを合成した。この研究の結果、本発明者らは、
ポリ（３（２−フルオロフェニル）チオフェン）、
ポリ（３（３−フルオロフェニル）チオフェン）、
ポリ（３（２，４−ジフルオロフェニル）チオフェン）、
ポリ（３（３，４−ジフルオロフェニル）チオフェン）、
ポリ（３（３，５−ジフルオロフェニル）チオフェン）および
ポリ（３（３，４，５−トリフルオロフェニル）チオフェン）
からなる群の中から選ばれる少なくとも１種の導電性ポリマーから電極を調製することにより、ｎ−ドープ状態とｐ−ドープ状態の両方において顕著に改善された充電容量と可逆性を示すポリマー電極が得られることを見いだした。
従って、本発明は、上記フルオロフェニルチオフェンポリマーの少なくとも１つから調製されたポリマー電極に向けられている。
本発明は、さらに、上記フルオロフェニルチオフェンポリマーの少なくとも１つから調製された少なくとも１つの電極を含む電気化学的蓄電池に関する。本発明の好ましい態様において、アノードの導電性ポリマーとしてポリ（３（３，４，５−トリフルオロフェニル）チオフェン）が選択され、カソードの導電性ポリマーとしてポリ（３（３，５−ジフルオロフェニル）チオフェン）が選択される。
場合により、グラファイト集電体やポリ（テトラフルオロエチレン）（テフロン）支持体のような非金属性集電体および支持体を設けることにより実質的に金属フリーの電池を構成することができる。さらに、電解質は、プロピレンカーボネート溶媒中にテトラブチルアンモニウムテトラフルオロボレートを伴うポリ（アクリロニトリル）のようなポリマーゲルフィルムから調製することができる。
本発明の電池は多重ポリマーフィルムから作製し得るので、電池は、軽量で柔軟であり、通常の高性能電池に付随する安全および環境の懸念はない。
さらに、本発明の電池の成分は種々の形状に成形し得るものであるとともに柔軟であるので、電池は、ライニングとしてデバイスに組み込むことができ、従って当該デバイス中ではるかに少ないスペースを占める。この特徴は、本発明の電気化学的電池を電池動作自動車および人工衛星における適用に特に適合するものとさせる。
さらにまた、本発明は、本発明の電解質蓄電池を含む電池に関する。その電池は、単一電池構造のものであるか、多層電池構造のものであり得、一次電池または二次電池として実施されうる。
本発明のこれらの目的および他の目的、特徴並びに利点は、本発明の原理を例によって説明する添付の図面とともに考慮したとき、以下の詳細な既述から明らかとなるであろう。
【図面の簡単な説明】
添付の図面は、本発明を例示するものである。図面において、
図１は、本発明の一態様に従う電気化学的蓄電池の構成の展開図であり、
図２Ａは、３（３，４，５−トリフルオロフェニル）チオフェンモノマーの分子構造を示す概略図であり、図２Ｂは、３（３，４，５−トリフルオロフェニル）チオフェンの骨格を有する導電性ポリマーを示す概略図であり、
図３Ａは、３（３，５−ジフルオロフェニル）チオフェンモノマーの分子構造を示す概略図であり、図２Ｂは、３（３，５−ジフルオロフェニル）チオフェンの骨格を有する導電性ポリマーを示す概略図であり、
図４は、プロピレンカーボネート中の０．２５Ｍテトラブチルアンモニウムテトラフルオロボレートにおいてポリ（３（３，４，５−トリフルオロフェニル）チオフェン）をｎ−ドーピング／アンドーピングし、ポリ（３（３，５−ジフルオロフェニル）チオフェン）をｐ−ドーピング／アンドーピングすることにより示される電気化学的性質を示すボルタモグラムであり、
図５は、温度の関数としてのイオン伝導性ポリマーゲル電解質の伝導性のアルレニウスプロットであり、
図６は、図１に示す本発明の態様に従う電気化学的蓄電池についての電圧対容量放電曲線を示すグラフである。
発明の詳細な説明
本発明の好ましい例の詳細を以下に供する。
参照符号１００による図１に一般的に設計された本発明の第１例に係わる電気化学的蓄電池は、第１電極１０２、第２電極１０４およびこれらの間に位置し、前記電極１０２，１０４の番号のついていない第１面にそれぞれインターフェースする対向する面を持つ電解質物１０６を含む。前記第１電極１０２は、支持体１１０を持つ集電体１０８を含み、前記集電体１０８は第１電極１０２の第１面と反対の番号のついていない第１電極１０２の第２面に配列されている。前記第２電極１０４は、やはり支持体１１４を持つ集電体１１２を含み、前記集電体１１２は第２電極１０４の第１面と反対の番号のついていない第２面に配列されている。前記第１電極１０２は、正極（カソード）として設計することができ、前記第２電極１０４は負極（アノード）として設計することができる。
図１に示されていないが、従来の液状電解質は前記電解質物１０６として供することができる。このような配置において、前記蓄電池は前記カソードから前記アノードを分離する各膜またはセパレータ（図示せず）をさらに含む。多孔質または半透過性のポリマーまたはガラス材料は、前記セパレータを調製ようとして選択することができる。１またはそれ以上の電気的導電性高分子電極の逐次酸化および蓄電池または電池の容量の減少を避けるために、蓄電池または電池は酸素、本質的的に水なしの状態を作るように密閉すべきである。したがって、前記蓄電池または電池は例えば金属、プラスチックまたはそれらの組み合わせから調製されたハーメティックシール容器内に収容すべきである。
前記第１電極１０２および第２電極１０４の厚さは、蓄電池１００の全体容量に非常に影響する。最も実際的な適用にとって、前記電極１０２，１０４は各々一般的に約１０ｎｍ〜約１ｍｍの範囲、より好ましくは約１μｍ〜約１００μｍの範囲の厚さを有する。
前記集電体１０８，１１２は、白金、パラジウム、金、銀、銅、チタンおよびステンレス鋼のようないくつかの組み合わせ、合金のような元素金属を含む金属基板から調製することができる。択一的に、前記集電体１０８，１１２はカーボン、グラファイトまたはテフロン、ポリエチレン、カプトンマタハポリビニレンジフルオライドのようなプラスチックフィルムに支持されたカーボン、グラファイトから調製することができる。前記集電体１０８，１１２は一般的に約１００ｎｍ〜約１ｍｍの範囲の厚さを有することができる。カーボンまたはグラファイトフィルムが１つまたはそれ以上の前記集電体１０８，１１２として供する場合、各集電体１０８，１１２のフィルム厚さは好ましくは約１μｍ〜約１０μｍの範囲である。金属または合金が１つまたはそれ以上の前記集電体１０８，１１２として供する場合、前記金属または合金基板の厚さが少なくとも約５μｍであれば、各金属基板は一般的に自己支持、つまり支持体１１０，１１４を必要としない。
前記支持体１１０，１１４は、好ましくはテトラフルオロエチレンポリマー（テフロン）から調製されたフィルムによって規定され、かつ各々のフィルムは約１０ｎｍ〜約１ｍｍの範囲、好ましくは約１０μｍ〜約５００μｍの範囲の厚さを有することができる。
電解質フィルムゲルが前記電解質物１０６として供される場合、前記電解質フィルムは一般的に約１００ｎｍ〜約１ｍｍの範囲、好ましくは約１０μｍ〜約５００μｍの範囲を厚さを有することができる。電解質物１０６の前記フィルムの厚さは、スピンまたは浸漬被覆による電解質の調製によって制御することができる。
本発明の好ましい例において、前記電極１０２，１０４、前記集電体１０８，１１２および電解質は約５０μｍ〜２ｍｍの範囲、より好ましくは約５００μｍの厚さで集合的に供する。
本発明の例によれば、前記第１、第２の電極１０２，１０４の少なくとも１つ、好ましくは両者はポリ（３（２−フルオロフェニル）チオフェノン）、ポリ（３（３−フルオロフェニル）チオフェノン）、ポリ（３（２，４−ジフルオロフェニル）チオフェノン）、ポリ（３（３，４−ジフルオロフェニル）チオフェノン）、ポリ（３（３，５−ジフルオロフェニル）チオフェノン）、ポリ（３（３，４，５−トリフルオロフェニル）チオフェノン）から選ばれる少なくとも１つの電気的導電フルオロフェニルチオフェノンポリマーから調製される。好ましい例において、図３Ｂに示されるポリ（３（３，５−ジフルオロフェニル）チオフェノン）は良好な可逆性を持つｐドープ状態で高い充電容量を示すので、それは前記カソード１０６の電気的導電ポリマーとして選択される。ポリ（３（３，５−ジフルオロフェニル）チオフェノン）を調製するためのフルオロフェニルチオフェノンモノマユニットの分子構造は、図３Ａに示す。ポリ（３（３，４，５−トリフルオロフェニル）チオフェノン）（図２Ｂ）は、良好なサイクル性を持つｎドープ状態で高い充電容量を示すので、それは前記アノード１０４の電気的導電ポリマーとして選択される。ポリ（３（３，４，５−トリフルオロフェニル）チオフェノン）を調製するためのフルオロフェニルチオフェノンモノマーユニットの分子構造は、図２Ａに示す。前記電極１０３，１０４の１のみが本発明の前記電気的導電ポリフルオロフェニルチオフェンで調製されるなら、他の電極は別のよく知られたポリマーまたは金属化合物から選択することができる。
前記フルオロ置換フェルチオフェノンを調製するために選択されるモノマーは、例えば種々のフルオロ置換１−ブロモフェニル試薬の亜鉛錯体と市販の３−ブロモチオフェノンとのカップリング反応によって合成することができる。このカップリング反応は、［１，１−ビス（ジフェニルホスフェノン）フェロセン］パラジウム（II）クロライド（“Ｐｄ（dppf）Ｃｌ2”）触媒、好ましくは非水条件の下および乾燥アルゴン雰囲気の存在で起こる。この合成ルーチンは、７０％以上の高単離収率として供される。
反応時間、温度およびカップリング反応混合物のフルオロ置換１−ブロモフェニル試薬を制御することは、フェニルチオフェンのフルオロ化の程度を決める。例えばポリ（３（３，４，５−トリフルオロフェニル）チオフェン）、ポリ（３（３，４−ジフルオロフェニル）チオフェン）およびポリ（３（３，５−ジフルオロフェニル）チオフェン）は、カップリング反応を約６０℃、約３０分間続行するようにすることによって調製される。ポリ（３（２，４−ジフルオロフェニル）チオフェン）、ポリ（３（２−フルオロフェニル）チオフェン）およびポリ（３（３−フルオロフェニル）チオフェン）は、カップリング反応混合物をそれぞれ１０時間、２時間、０．７５時間逆流するようにすることによって調製される。カップリング反応の終結は、ガスクロマトグラフィによってモニターした。例えば各フルオロフェニル置換チオフェンを調製する手順は、以下に明らかにする。
前記電極１０２，１０４に規定するポリマーフィルムは、フルオロフェニル置換チオフェンモノマーをホモポリマー化することによって調製できるか、もしくは任意に２つ以上のフルオロフェニル置換チオフェンの混合物または１つ以上の共重合可能なモノマーを持つ１つ以上のフルオロフェニル置換チオフェンモノマーの混合物を共重合化することによって調製することができる。例えば、適切な共重合化モノマーは、チオフェンモノマーのような骨格に沿って共役エチレン不飽和結合を持つモノマーをを含有する。
ホモポリマー化またはコポリマー化を遂行するのに適切な技術は、化学経過、例えば酸化剤の存在中か、または電気的ポリマー化によるを含む。
化学ポリマー化技術によれば、強酸化剤は反応の初期に添加される。典型的な酸化剤は、限定されないがフェロリッククロライド（ＦｅＣｌ3）、モリブデンクロライド（ＭｏＣｌ5）、およびルテニウムクロライド（ＲｕＣｌ5）のようなルイス酸、カッパークロレイト［Ｃｕ（ＣｌＯ4）2］のような酸化剤を含む。ポリマー化は、ポリプロピレンカーボネートのような適切な溶媒で続行をなした後、前記ポリマーは粉末形状に分離するすることができる。粉末は、活電極材料としていくつかの適切な形状に形付けることができる。例えば、前記粉末はペレット、自己支持フィルム、支持シートに成形するか、または有機高分子材料のようなキャリアマトリックスに分散することができる。前記化学ポリマー化は、例えば大気条件下に置くことができる。粉末の分離は、濾過、溶媒の蒸発または他のよく知られた技術により達成することができる。
本発明の電気的導電ポリマーを調製する好ましい手順は、エレクトロポリマー化である。このエレクトロポリマー化は、導電基板でモノマーをポリマー化し、固相を形成する限りでは、通常、異成分からなる。ポリマー化は、基板にわたって酸化電位を与えることにより開始される。前記基板にわたって与えられる酸化電位は、ポリマー化を開始するためのモノマーの閾値ポリマー化電位と等しいか、それ以上であるべきである。ここでは、閾値ポリマー化電位は電流ポリマー化し得る溶液を横切る流れ、かつモノマーが基板上でポリマー化するのを始める時の閾値電位である。択一的に、前記閾値ポリマー化電位は前記基板上のポリマーの形成によって視覚的に検出でき、しかしポリマー化のある度合は視覚的検出ができる前に生じる必要がある。
本発明のモノマーのポリマー化電位は、高品質フィルムの堆積をもたらすプロピレンカーボネートのような溶媒を近づけることによりわかった。このポリマーは、電極を調製するために圧縮され得る粉末として形成することができる。
エレクトロポリマー化がなされる温度は、一般的に室温であるが、室温より約２０℃高く、かつ２０℃低い範囲の温度を供することができる。前記エレクトロポリマー化は大気圧でなされる。
フルオロフェニル置換チオフェンモノマーのエレクトロポリマー化の適切な基板は、例えば白金、パラジウム、金、銀、チタン、銅、ステンレス鋼およびそれらの組み合わせまたは合金を含む。カーボン、グラファイト、導電酸化錫およびポリエチレンは、エレクトロポリマー化の基板として同様に選択することができる。これらの基板は、前記蓄電池１００の集電体１０８，１１２として供することができる。したがって、エレクトロポリマー化はポリマー電極１０２，１０４をそれぞれ集電体１０８，１１２に移す付加的な調製工程の必要を除去することができる。
また、望ましくはグラファイト、カーボンブラック、アセチレンブラック、金属粉末またはカーボン繊維のような従来の添加物は本発明のポリマー電解質に配合してもよいが、前記電極はそのような添加物なしで調製することが好ましい。
これら二次電池は、充電状態で最初に組み立てるか、もしくは放電状態で最初に組み立ててもよく、本質的に電気化学的ドーピングによる充電状態のような場で改変する。好ましくは、蓄電池は十分に中性状態で組み立て、ゲル中の電解質濃度がサイクル中の十分な放電状態で溶解限界を超えないように保証する、つまり電解質塩が蓄電池の放電中の析出しないように保証する。
例えば、電気化学的ドーピング技術はＤＣ電圧源を前記電極１０２，１０４に接続して前記電気化学的蓄電池１００を充電するのに適用できる。特に、前記電圧源の正電位はカソードとしてのポリマー電極に与え、負電位はアノードとしてのポリマー電極に与えられる。カソードとして選択された中性のポリマーへの正電位の付与は、網状正電荷をポリマーに伝えるポリマーからの電子転移によってポリマーの酸化状態を増大させるのに効果的である。したがって、カソードを形成する前記ポリマーはカウンターイオンとしての前記電極１０６からアニオンを引き付け、前記ポリマーの電気的中性を維持する。一方、アノードとして選択された中性のポリマーへの負電位の付与は、網状負電荷をポリマーに伝える、ポリマーへの電子転移によってポリマーの酸化状態を低減させるのに効果的である。したがって、アノードを形成する前記ポリマーはカウンターイオンとしての前記電極１０６からカチオンを引き付け、前記ポリマーの電気的中性を維持する。
ドーピングレベルは、前記蓄電池の充電中の電子流れの量を測定するか、もしくは電圧を測定することによって制御できる。ドーピングは、定電流もしくは定電圧条件の下または変動電流または変動電圧の条件の下でなされればよい。ドーピング電流、電圧および時間は、種類と、バルク密度と、選択されたポリマー電極の面積、電解質塩、溶媒と、望ましい温度に依存して変化する。
択一的に、前記ポリマーは最初にドーパント種の化学的にドープされることができる。
両方のカソードおよびアノードのための導電ポリマーを利用する実際の電荷蓄積デバイスは、適切な充電容量を提供するｎドープおよびｐドープできる２つの材料選択のみならず、それら材料と互換する電解質を必要とする。すなわち、選択される電解質塩および溶媒は、前記ポリマーのポリマー化電位（十分なｎドープおよびｐドープ状態と同様）を達成するのに十分大きな電位範囲を許容すべきである。
本発明の好ましい例によれば、選択される電解質はイオン的に導電ポリマーゲルである。本発明に関連して供される電解質を調製する典型的なカチオンは、限定されないが、テトラアルキルアンモニウム、ナトリウム、リチウム、カリウム、銀およびマグネシウムを含む。本発明にとって適切な電解質を調製する典型的なアニオンは、限定されないが、テトラフルオロボレート（ＢＦ4-）、ヘキサフルオロアルセネート（ＡｓＦ6-）、ヘキサフルオロホスフェート（ＰＦ6-）、ヘキサフルオロアンチモネート（ＳｂＦ6-）、トリフルオロメタンサルフォネート（ＣＦ3ＳＯ3-）、ビス−トリフルオロメチルサルフォニルイミドまたは“イミド塩”（（ＣＦ3ＳＯ2）2Ｎ-）、サイクリックイミド塩、パークロレート（ＣｌＯ4-）、チオシアネート（ＳＣＮ-）、およびヨウ素（Ｉ-）を含む。例えば、本発明で実行できる前記塩派、次のテトラブチルアンモニウム、ヘキサフルオロホスフェート、リチウムテトラフルオロボライト、テトラエチルアンモニウムテトフルオロボレート、リチウムパークロレート、テトラブチルアンモニウムパークロレート、テトラアンモニウムトリフルオロメタンサルフォネート、およびテトラブチルアンモニウムヘキサフルオロホスフェートである。好ましくは、テトラエチルアンモニウムテトフルオロボレートは高溶解性で電気化学的に安定性を有し、導電ポリマーに良好なサイクル効率を供するので電解質として選択される。
適切な電解質溶媒は、例えば次のテトラヒドロフラン（ＴＨＭ）、ジメトキシエンタ、ジオキソラン、２−メチルテトラヒドロフラン、およびジエチルエーテルのようなエーテル；γ−ブチロラクトン、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、ジ゛ブチルカーボネート、メチルフォーメイト、エチルフォーメイト、エチルアセテートおよびメチルアセテートのようなエステル；ニトロベンゼン、ニトロメタン、アセトニトリル、ベンゾニトリル、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルルムアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド、ニトロエタン、およびプロピロニトリルのような窒素含有化合物；ジメチルスルホキドおよびスルホランのような硫黄含有化合物；ジクロロメタンおよびアセトンのようなその他を含む。好ましくは、プロピレンカーボネートは電解質溶媒として選択される。
ポリマーゲルは、溶液を薄い柔軟フィルムにキャストできる良好なイオン導電性を持つ混合相材料としてここで規定される。ゲルを前記電極上で予めゲル化してキャストされる溶液の能力は、ポリマー電極と電解質フィルム間の良好な接触を保証する。そのようなキャストは、従来よく知られた他の技術と同様、スピンコートまたはデップコートにによりなすことができる。任意に、前記ゲルは仮の基板に形成され、そして電極に移される。電解質がゲルフィルムとして調製する場合、供することができる適切なゲル化剤は、ポリ（エチレンオキシド）、ポリ（プロピレンオキシド）、ポリ（ビニリデンジクロライド）、ポリ（ビニルスルホン）、ポリ（ビニリデンジフルオライド）、ポリ（２，２−ジメチルトリメチレンカーボネート）、ポリ（アクリロニトリル）、ポリ（ビニルクロライド）、ポリ（エチレングリコール）、ポリ（プロピレングリコール）、ポリ（テトラヒドロフラン）、ポリ（ジオキソラン）、ポリ（シロキサン）、ポリ（エトキシエトキシエトキシビニルエーテル）、ポリ（ホスファゼン）、ポリ（メチルメタアクリレート）、ポリ（スチレン）、ポリ（ビス（メトキシエトキシ）ホスファゼン）、ポリ（アクリル酸）、ポリ（メチルアクリレート）、ポリ（ビニルフルマル）、ポリ（ビニレンカーボネート）、ポリ（ビニルアセテート）、ポリ（ビニルピロリドン）、ポリ（アクリルアミド）、ポリ（エトキシ（プロピレングリコール）アクリレート）およびその他を含む。好ましくはポリ（アクリロニトリル）がゲル化剤として選択される。
前記溶媒中の電解質塩の濃度は、選択される電極、充放電条件、作動温度および特定の電解質塩および選択された溶媒に依存し、それゆえ前記濃度は一般的に限定されない。しかしながら、通常、前記濃度は約０．１〜約３Ｍ、最も好ましくは約１．０Ｍであることが望ましい。
前記電極の充電は上述されている。電気化学的蓄電池の操作において、前記電極は可逆的に放電される。例えば、ポリ（３（３，４，５−トリフルオロフェニル）チオフェン）アノード、ポリ（３（３，５−ジフルオロフェニル）チオフェン）カソードおよびプロピレンカーボネート中のテトラブチルアンモニウムテトラフルオロボレート電解質を含む蓄電池の放電中の蓄電池反応は、次の通りである。
（１）アノード
ポリ（３（３，４，５−トリフルオロフェニル）チオフェン）n-・ＴＡＢ+→ポリ（３（３，４，５−トリフルオロフェニル）チオフェン）0＋ＴＡＢ+＋ｅ-
（２）カソード
ポリ（３（３，５−ジフルオロフェニル）チオフェン）m-・ＢＦ4-＋ｅ-→ポリ（３（３，５−ジフルオロフェニル）チオフェン）0＋ＢＦ4-
ここで、ＴＡＢ+はテトラフルオロボレートカチオンを表わし、ＢＦ4-はテトラアンモニウムアニオンを表わし、かつｍ，ｎはモノマーユニットの数を示す。
これらの式から明らかなように充電状態の両電極は放電中で十分にドープされ、そのポリマーは中和され、かつ電解質ポリマーゲルのイオン濃度はＴＡＢ+とＢＦ4-のカウンタイオンを償う電荷が電極から注入されるので増加する。したがって、蓄電池電気化学的特性を最大限活用するためにゲルフィルムの最低厚さは前記ゲル中の塩の溶解限界によって決められる。
本発明のフルオロフェニルチオフェンの電気化学的特性、比較例としてのポリ（３（４−フルオロフェニル）チオフェンの同様な電気化学的特性は以下に表わされる。
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表１に表わされるように本発明の各ポリマーは、ポリ（３（４−フルオロフェニル）チオフェン）より著しく優れた充電容量を示す。ポリ（３（３，４，５−トリフルオロフェニル）チオフェン）は、ｎドープ状態で最も高い充電容量を示すとともに、優れた電気化学的安定性を有する。したがって、ポリ（３（３，４，５−トリフルオロフェニル）チオフェン）はアノード１０４の電気的導電ポリマーとして選択される。一方、ポリ（３（３，５−ジフルオロフェニル）チオフェン）はｐドープ状態で非常に高い充電容量および非常に高い電気化学的安定性を示し、それゆえカソードの電気的導電ポリマーとして選択された。
次の非限定例は、フルオロ置換フェニルチオフェンのモノマーおよびポリマー調製、およびそのようなポリマーを含む電気化学的蓄電池の調製および特性をより詳細に説明するために供される。
実施例
（１）フルオロフェニルチオフェンモノマーの合成
（ａ）３（３，４，５−トリフルオロフェニル）チオフェンの合成
第１三つ口丸底フラスコ（１００ｍｌ）で、金属マグネシウム（５２ｍモル）（アルドリッヒケミカルにより製造された製品  ♯２５４１１−８）はアルゴン雰囲気、３〜４分間火炎乾燥した。アルゴン雰囲気の下での冷却で、５０ｍｌの新鮮乾燥テトラヒドロフラン（フィッシャサイエンティフィクにより製造された製品  ♯Ｔ３９７−４）は予めナトリウム／テベントフェノン混合物から蒸留され、蒸留ヘッドから前記フラスコに直接導入された。マグネシウムとテトラヒドロフランの混合物は、アルゴン雰囲気が残され、攪拌された中で１−ブロモ−３，４，５−トリフルオロベンゼン（２６ｍモル）（アルデリッヒケミカルにより製造された製品  ♯３３０８４−１）が加えられた。前記混合物を約４０℃（約３〜４分後）に暖められた後、前記フラスコは冷却（例えばアイスバスを通して）され、かつ２時間攪拌を続行してマグネシウム錯体（コンプレックス）を形成した。予め１６０℃で乾燥され、かつ減圧条件下で秤量された無水塩化亜鉛（ＺｎＣｌ2）（３１ｍモル）（アルデリッヒケミカルにより製造された製品  ♯２０８０８−６）は前記マグネシウム錯体に室温で添加された。３０分間の攪拌後、亜鉛錯体懸濁液はアルゴン圧の下で例えばテフロンチューブを通して３−ブロモチオフェン（２１ｍモル）（アルデリッヒケミカルにより製造された製品  ♯１０６２２−４）およびＰｄ（dppf）Ｃｌ2触媒（アルデリッヒケミカルにより製造された製品  ♯３７９６７−０）を含む第２三つ口丸底フラスコ（２５０ｍＬ）に移された。このカップリング反応混合物は、それから例えば油浴を通して攪拌を続行しながら６０℃、０．５時間加熱された。
前記カップリング反応の終了は、後述する仕上げ後の反応混合物のアリコートを用いてガスクロマトグラフィにより監視された。殆どの３−ブロモチオフェンがガスクロマトグラフイにより決定されたとして消費されると、未精製反応混合物は次のように仕上げられた。反応混合物は、室温にて５重量％硫酸水溶液１０ｍＬで冷却された。テトラヒドロフランを回転蒸発器で蒸発した後、ジクロロエタン（４０ｍＬ）及び水（４０ｍＬ）が前記未精製反応混合物に添加され、抽出された。有機層は、水で３回洗浄され、それから無水硫酸ナトリウムで乾燥された後に蒸発される。油状褐色液体が得られた。未精製生成物の精製は、シリカゲル（固定相）およびｎ−ペンタン（溶離液として）を用いるカラムクロマトグラフィによりなされた。未精製生成物は、最初にシリカゲル（約２〜３ｇ）に吸着され、カラムに放出された。シリカゲル固定相に対する未精製生成物の真重量比は、約５０：１である。クロマトグラフ分解能は、シリカゲル薄層クロマドグラフプレート（アルデリッヒケミカルにより製造された製品  ♯Ｚ１２２７８−５）および溶離液としてのｎ−ペンタンを用いて定期的にチェックされた。３，４，５−トリフルオロフェニルチオフェンは、０℃でｎ−ペンタンからの結晶化によってさらに精製して９８〜９９％純度生成物を得た。
（ｂ）３（３，４−ジフルオロフェニル）チオフェンの合成
１−ブロモ−３，４−ジフルオロベンゼンが１−ブロモ置換フルオロベンゼンとしての１−ブロモ−３，４，５−トリフルオロベンゼンに置き換えられた以外、３（３，４，５−トリフルオロフェニル）チオフェンを合成するための前述した例（１）（ａ）と同様な手順に従った。
（ｃ）３（３，５−ジフルオロフェニル）チオフェンの合成
１−ブロモ−３，５−ジフルオロベンゼンが１−ブロモ置換フルオロベンゼンとしての１−ブロモ−３，４，５−トリフルオロベンゼンに置き換えられた以外、３（３，４，５−トリフルオロフェニル）チオフェンを合成するための前述した例（１）（ａ）と同様な手順に従った。
（ｄ）３（２，４−ジフルオロフェニル）チオフェンの合成
１−ブロモ−２，４−ジフルオロベンゼンが１−ブロモ置換フルオロベンゼンとしての１−ブロモ−３，４，５−トリフルオロベンゼンに置き換えられ、かつカップリング反応混合物が８０℃、攪拌の下で１０時間油浴で還流して加熱された（対立するものとして定期的な攪拌で０．５時間油浴で加熱される）以外、３（３，４，５−トリフルオロフェニル）チオフェンを合成するための前述した例（１）（ａ）と同様な手順に従った。再結晶化による精製を必要とせずに９７〜９８％純度の生成物を得た。
（ｅ）３（２−フルオロフェニル）チオフェンの合成
１−ブロモ−２−フルオロベンゼンが１−ブロモ置換フルオロベンゼンとしての１−ブロモ−２，４−ジフルオロベンゼンに置き換えられ、かつカップリング反応混合物が８０℃、攪拌の下で２時間油浴で還流して加熱された以外、３（２，４−ジフルオロフェニル）チオフェンを合成するための前述した例（１）（ｄ）と同様な手順に従った。再結晶化による精製を必要とせずに９７〜９８％純度の生成物を得た。
（ｆ）３（３−フルオロフェニル）チオフェンの合成
１−ブロモ−３−フルオロベンゼンが１−ブロモ置換フルオロベンゼンとしての１−ブロモ−２，４−ジフルオロベンゼンに置き換えられ、かつカップリング反応混合物が８０℃、攪拌の下で０．７５時間油浴で還流して加熱された以外、３（２，４−ジフルオロフェニル）チオフェンを合成するための前述した例（１）（ｄ）と同様な手順に従った。
（２）電解質ゲルの調製
提示されるポリマーゲルは、１４１℃で０．２５Ｍテトラブチルアンモニウムテトラフルオロボレート塩（４８時間減圧下で１３０℃脱水によって調製されたサケムエレクトロメメトリックグレード[Sachem electrometric grade]）を含むポリプロピレンカーボネート溶媒中にて約１５００００ｇ／モルの分子量を有するゲル剤としての３．７重量％のポリアクリロニトリルを加熱することによって調製された。図５は、温度係数に対する得られたゲルの導電性を示し、ここで横軸は温度（Ｋ-1）の逆数であり、縦軸は導電性（Ｓ／ｃｍ）である。前記ゲルの導電性は、液相有機電解質のそれと実質的に同じであり、低温度でさえ相対的に高い状態を維持した。これに対し、ポリエチレンオキシド系電解質のような単相固体電解質の導電性はポリマーのガラス転移温度以下で急激に低下した。
（３）全てのポリマー電池の調製
アノードとしてポリ（３（３，４，５−トリフルオロフェニル）チオフェン）、カソードとしてポリ（３（３，５−ジフルオロフェニル）チオフェン）および例（２）の電解質が組込まれた全てのポリマー電池は、次のように調製された。
全てのポリマー電池のポリマー電極は、０．１Ｍのモノマー溶液から総注入１．５Ｃ／ｃｍ2（１．４ｍｇ／ｃｍ2のポリ（３（３，４，５−トリフルオロフェニル）チオフェン）に相当）および１．２ｍｇ／ｃｍ2のポリ（３（３，５−ジフルオロフェニル）チオフェン）を電気化学的に堆積された。その結果、各ポリマーの９５ｍＣ／ｃｍ2は２５μｍ厚さのグラファイト被覆テフロンフィルムに堆積され、金属化合物なしで厚さおよび表面積がそれぞれ１０μｍ、６．７ｃｍ2の薄く柔軟な電極をもたらす。これら堆積条件の下で前記フィルムは、多くの導電ポリマーの結節性構造特性を持つ平滑かつ連続であった。
電気化学蓄電池は、ポリマー電極が無水プロピレンカーボネートでポリマー電極フィルムを浸し、貯蔵されるような領域でポリマー電極フィルムの電位をずらすことによって中性状態で組み立てられた。
図４は、液体電解質中のポリ３（３，４，５−トリフルオロフェニル）チオフェン）のｎ−ドーピング／ノンドーピングおよびポリ（３（３，５−ジフルオロフェニル）チオフェン）のｐ−ドーピング／ノンドーピングのためのサイクル電圧電流図を示す。電圧電流図は、これらのポリマーに関連する高い可逆的ドーピング過程を示す。電圧電流図を得るにあたって、２５ｍＶ／ｓの走査速度は前記フィルムが連続的な走査中に十分にドーピンクまたはノンドーピングされることを保証するために用いられる。全ての電位は、同じ溶液でＡｇ+／Ａｇレドックスカップルが参照される。
２つのポリマーの関連した特性は表２に表わされる。
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これら例の電極材料は、良好な充電容量およびサイクル性を示した。２つのポリマーのフルｐ-ドープおよびフルｎ-ドープ状態間の電位差は、これら２つの材料から構成されたフル充電蓄電池の開回路電圧から予想される最大値に相当する、２．９６Ｖである。両ｎ-ドープおよびｐ-ドープ状態の中性に関連する電流ピーク間の電位差から、放電中のプラトー電圧は、約２．３５Ｖであることが予想される。乾燥量、中性化ポリマーに基づく平均充電容量は、ポリ３（３，４，５−トリフルオロフェニル）チオフェンで３２．１ｍＡｈ／ｇ、ポリ（３（３，５−ジフルオロフェニル）チオフェンで２９．０ｍＡｈ/ｇであった。ポリ３（３，４，５−トリフルオロフェニル）チオフェンのサイクル効率は、１００サイクルにわたる平均化されたサイクル当り９９．５３％であった。これは、１００サイクルにわたる４７％容量の総ロスに対応し、他のｎ-ドーピングポリマーより十分に良好である。容量ロスは、フィルムは通常の電池使用での完全に充電、放電され個とを予想されないので特別な場合である。
これらの蓄電池は、アノードおよびカソードの総活性量に基づいて９．５〜１１．５ｍＡｈ／ｇの間の特有の充電容量および２２．８〜２７．６ｍＷｈ／ｇのエネルギー密度を示した。最大１５０サイクル後に保持された電荷から計算された平均サイクル効率は、９９．１％であった。図６に示すように放電カーブは、２つのポリマーのサイクル電圧電流図から予想される値に一致して２．２〜２．７Ｖの間の電圧で広がった領域を示す。これらの操作電圧は、伝統的な水系電池に比べて高く、かついくつかのリチウムインターカレーションシステムと同様なＬｉ／ＭｏＳ2およびＬｉ／ＴｉＳ2のようなリチウム電池システムと同様である。しかしながら、ここで報告されている特有の充電容量はリチウム電池ほど大きくなく、蓄電池は良好なサイクル性を与える実際的に興味のあるものである。
電気化学的蓄電池の前述した性能は、いくつかの試料蓄電池の多数の充電／放電を記録することによって特徴づけられた。充電および放電の手順は、次の通りである。蓄電池は、２００μＡの定電流で２．８Ｖまで充電され、電流４０μＡに下がるまでこの電圧を保持した。この時、蓄電池は蓄電池電圧が１Ｖに下がるまで２００μＡの定電流で放電された。この手順は、殆ど１００％の放電深度に相当する。図６は、この例（固体線）により調製された電池の充電時間、電圧（描かれた線）と放電時間、電圧の両者の関係を示す。
本発明は疎の好ましい例を参照して詳細に述べたが、本発明に対して種々の変更、改良は当業者であれば明らかであることは当業者によって理解される。例は、本発明の基本およびその実際の適用を説明するために選ばれ、かつ述べられ、それによって種々の例および種々の変更で発明の最高の有用さを当業者にわからせることは実際的な使用に適している。請求の範囲で規定される本発明の沿革はここに添えるつもりである。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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