CN103370827A - 离子性化合物及其制备方法以及使用了该离子性化合物的电解液和蓄电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种含有氰基硼酸盐的离子性化合物及其制备方法以及使用了该离子性化合物的电解液和蓄电装置。本发明的电解液含有式(1)所示离子性化合物和溶剂。另外,本发明的制备方法是使式(8)所示化合物与取代反应试剂反应制备式(1)所示化合物的方法。Mn+([B(CN)4-mYm]-)n(1)Mn+([B(CN)4-m(XR13)m]-)n(8)(式中,Mn+表示1价~3价的有机阳离子或无机阳离子,Y表示卤素、可任意具有卤素的主链碳原子数为1~10的烃基、C(O)R14、S(O)lR14、Z(R14)2或XR14,R14表示H、卤素或主链碳原子数为1~10的有机取代基,Z表示N或P,X表示O或S,R13表示H或主链碳原子数为1~10的烃基,l表示1~2的整数,m和n分别表示1~3的整数。)
Description
技术领域
本发明涉及一种离子性化合物及其制备方法,以及使用了该离子性化合物的电解液和蓄电装置。
背景技术
离子性化合物和含有离子性化合物的电解质材料,被用于通过离子传导的各种电池等的离子传导体中,除了被用于一次电池、锂离子二次电池或燃料电池等具有充放电结构的电池之外,还被用于电界电容器、双电层电容器、锂离子电容器、太阳能电池、电致变色显示元件等电化学装置中。
作为适用于这些电化学装置的离子性化合物,研究了多种化合物,例如,提出了:六氟磷酸盐、四氟硼酸盐、三氟甲烷磺酰亚胺(TFSI)、二氰胺(DCA)、三氰基甲烷化物(TCM)等的碱金属盐或有机阳离子盐。
专利文献1、2研究了在上述离子性化合物中,以N、C、B作为中心元素,具有在该处结合了氰基的结构的阴离子的化合物,这些专利文献表明,由于具有上述阴离子结构的离子性化合物显示出优异的离子传导性,稳定的热、物理、电化学性质,因此适合用作各种电化学装置中的电解质。
特别是关于将中心元素为硼的氰基硼酸盐作为阴离子的离子性化合物,例如,专利文献3、4中记载了四氰基硼酸盐([B-(CN)4]、以下也称为TCB)作为阴离子的离子性化合物(TCB盐)。由于TCB盐作为离子性液体的性质,也就是说,即使在室温下也是液体,显示了稳定的热、物理、电化学性质,因此除了其制造方法之外、研究了面向各种用途的应用(专利文献3、4)。
另外,专利文献5中公开了与TCB的硼原子键合的氰基的一部分被烷氧基或硫烷氧基取代的离子性化合物,记载了该离子性化合物作为离子性液体等有用的要点。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:特开2004-165131号公报
专利文献2:特开2004-6240号公报
专利文献3:特表2006-517546号公报
专利文献4:国际公开第2010/021391号小册子
专利文献5:国际公开第2010/086131号小册子
发明内容
例如,作为上述离子性化合物的用途,研究用于手机、电脑、家电制品、甚至是汽车等电源的蓄电装置。这些用途对小型化和高性能化的要求日益增高,对蓄电装置有高输出化的要求。
关于提高蓄电装置的性能,也考虑研究离子性化合物。也就是说,认为氰基硼酸盐的取代基如果可以变换为任意取代基,在拥有作为TCB的性质的同时,根据用途,可以变更熔点或对于有机溶剂的溶解度等物性,从而能够提供实现上述要求的离子性化合物。
另外,虽然离子性化合物具有良好的物性,但是离子性化合物含有杂质时,离子性化合物原有的特性不能充分地发挥,存在容易发生离子性化合物自身劣化的情况。由此,存在将这样的离子性化合物用于各种用途时难以获得所期待的性能的问题。特别是通过本发明的发明人的研究清楚了氰基硼酸盐和水的亲和性非常高,即使加热至高温也难以减少水分量。也就是说,在含有氰基硼酸盐阴离子的化合物中,水分或游离的CN-在生成的离子性化合物中容易残留,含有这样的杂质时,离子性化合物的耐热性有变低的倾向。因此,将这样的离子性化合物用于蓄电装置的电解液中时,分解电解液,降低耐电压性,进而,蓄电装置所具备的电极和其他周边材料容易发生腐蚀,其结果是,存在降低蓄电装置的循环特性等性能的问题。
本发明鉴于上述的各种问题而完成,其目标在于提供一种含有氰基硼酸盐的离子性化合物,特别是降低了规定的杂质的含量的离子性化合物;提供该离子性化合物的制备方法;提供即使在高电压下也难以分解的用于蓄电装置的电解质材料、降低了给蓄电装置的电化学特性带来坏影响的水分含量的电解质材料、以及使用该电解质材料的蓄电装置。
本发明的电解液,其特征在于,含有通式(1)所示离子性化合物和溶剂。
Mn+([B(CN)4-mYm]-)n (1)
(式中,Mn+表示1价、2价或3价的有机阳离子或无机阳离子,Y表示卤素、可任意具有卤素的主链碳原子数为1~10的烃基、-C(O)R14、-S(O)lR14、-Z(R14)2或-XR14,R14表示H、卤素或主链碳原子数为1~10的有机取代基,Z表示N或P,X表示O或S,l表示1~2的整数,m表示1~3的整数,n表示1~3的整数。)
本发明所述的离子性化合物,在上述通式(1)中,Y优选为可任意具有卤素的主链碳原子数为1~10的烃基、-C(O)R14、-S(O)lR14、-Z(R14)2或-XR14,Y更优选为可任意具有卤素的主链碳原子数为1~10的烃基或-OR14。另外,在上述通式(1)中,Mn+为金属离子的离子性化合物,所述Mn+为有机阳离子的离子性化合物均为本发明的优选实施方式。
本发明也包括使用上述电解液的蓄电装置。
另外,本发明还包括制备通式(1)所示离子性化合物的方法。本发明的制备方法,其特征在于,使通式(8)所示化合物与取代反应试剂反应。
Mn+([B(CN)4-mYm]-)n (1)
(通式(1)中,Mn+表示1价、2价或3价的有机阳离子或无机阳离子,Y表示卤素、可任意具有卤素的主链碳原子数为1~10的烃基、-C(O)R14、-S(O)lR14、-Z(R14)2或-XR14,R14表示H、卤素或主链碳原子数为1~10的有机取代基,Z表示N或P,X表示O或S,l表示1~2的整数,m表示1~3的整数,n表示1~3的整数。)
Mn+([B(CN)4-m(XR13)m]-)n (8)
(通式(8)中,Mn+表示1价、2价或3价的有机阳离子或无机阳离子,X表示O或S,R13表示H或主链碳原子数为1~10的烃基,m表示1~3的整数,n表示1~3的整数。)
上述取代反应试剂优选为烷基氰硅烷、有机镁试剂、有机锂试剂、脂肪醇类、卤化醇类、酚类、羧酸酐类、磺酸或磺酸酐类。
另外,本发明所述的离子性化合物,在通式(1)中,所述Y为-OR14,R14所示有机取代基优选为可任意具有卤素的主链碳原子数为1~10的烷基、可任意具有卤素的碳原子数为6~10的芳基、可任意具有卤素的主链碳原子数为1~10的酰基、卤化亚磺酰基、可任意具有卤素的碳原子数为1~10的烷基亚磺酰基、可任意具有卤素的碳原子数为6~10的芳基亚磺酰基、卤化磺酰基、可任意具有卤素的碳原子数为1~10的烷基磺酰基、可任意具有卤素的碳原子数为6~10的芳基磺酰基、或者碳原子数为1~10的烷基硅烷基。
更进一步,本发明还包括一种离子性化合物,该离子性化合物为通式(6)所示离子性化合物,其特征在于,作为杂质的水分的含量为3000ppm以下。
Mn+([B(CN)4-m(XR14)m]-)n (6)
(通式(6)中,Mn+表示1价、2价或3价的有机阳离子或无机阳离子,X表示O或S,R14表示H、卤素或主链碳原子数为1~10的有机取代基,m表示1~3的整数,n表示1~3的整数。)
上述离子性化合物,优选作为杂质的CN-的含量为10000ppm以下。
另外,本发明还包括通式(6)所示化合物的制备方法。本发明的制备方法的特征在于,使氰化合物、硼化合物与有机阳离子或者无机阳离子的卤素盐反应。
Mn+([B(CN)4-m(XR14)m]-)n (6)
(通式(6)中,Mn+表示1价、2价或3价的有机阳离子或无机阳离子,X表示O或S,R14表示H、卤素或主链碳原子数为1~10的有机取代基,m表示1~3的整数,n表示1~3的整数。)
所述氰化合物优选为三烷基氰硅烷。
上述通式(1)所示的本发明的离子性化合物,由于降低了规定的杂质的含量,因此认为难以发生由离子性化合物含有的杂质引起的物性降低。
另外,含有离子性化合物(1)和溶剂的本发明的电解液,即使在高电压区域也难以发生分解。
更进一步,根据本发明,得到了降低了给蓄电装置的电化学特性带来坏影响的水分含量等的电解液等电解质材料。因此,通过将本发明的电解质材料用于电解液,能够得到耐电压性良好的电解液。另外,该电解液为难以腐蚀劣化电极等蓄电装置部件的电解液,其结果,能够抑制蓄电装置的电化学特性的劣化。
另外,根据本发明,可以得到具有1~3个氰基和任意取代基的氰基硼酸盐。
附图说明
图1是表示实施例2-3-1的LSV测定结果的图。
图2是表示实施例2-3-2的LSV测定结果的图。
图3是表示实施例2-4的第1次充放电试验结果的图。
图4是表示实施例4-2的LSV测定结果的图。
具体实施方式
1.离子性化合物
本发明所述的离子性化合物为通式(1):Mn+([B(CN)4-mYm]-)n所示化合物(以下,称为离子性化合物(1)),是由Mn+所示有机阳离子或无机阳离子和[B(CN)4-mYm]-所示氰基硼酸盐阴离子组成的离子性化合物。另外,上述通式(1)中,Y表示卤素、可任意具有卤素的主链碳原子数为1~10的烃基、-C(O)R14、-S(O)lR14、-Z(R14)2或-XR14,R14表示H、卤素或主链碳原子数为1~10的有机取代基,Z表示N或P(优选为N),X表示O或S(优选为O),l表示1~2的整数,m表示1~3的整数,n表示1~3的整数。
本发明所述的离子性化合物(1),在构成该离子性化合物(1)的氰基硼酸盐阴离子中,在与硼原子键合的氰基的一部分被Y基取代的方面,与TCB盐不同。也就是说,TCB盐具有硼原子仅直接键合了氰基的结构,与此相对,本发明所述的离子性化合物(1)具有硼原子键合了氰基和Y基的结构。从而,由于这样的结构的不同,在熔点或有机溶剂的溶解度方面,期待与TCB盐具有不同的物性。因此,将该氰基硼酸盐作为电解质的电解液用于各种蓄电装置,能够得到与TCB盐相同或者类似的性能,另外,由于与TCB盐相比溶剂的选择面更广,从而存在能够使用对于TCB而言不能使用的溶剂的可能性,可以期待成为通用性高的电解质。以下,以构成本发明所述的离子性化合物的阴离子、阳离子的顺序进行说明。
氰基硼酸盐阴离子:[B(CN)4-mYm]-
本发明所述的氰基硼酸盐阴离子具有硼原子键合了氰基(-CN)和Y基的通式:[B(CN)4-mYm]-所示结构。另外,上述通式中,由于m为1~3的整数,本发明所述的氰基硼酸盐阴离子包括以下的氰基硼酸盐阴离子类,即m为1的三氰基硼酸盐阴离子:[B(CN)3Y]-;m为2的二氰基硼酸盐阴离子:[B(CN)2Y2]-;m为3的单氰基硼酸盐阴离子:[B(CN)Y3]-。
上述通式所示氰基硼酸盐阴离子中,Y表示卤素、可任意具有卤素的主链碳原子数为1~10的烃基、-C(O)R14、-S(O)lR14、-Z(R14)2或-XR14。另外,m为2或3时,2个以上的Y可以相同也可以不同,另外,2个以上的Y也可以相互键合形成含有B原子的环状结构。
构成上述氰基硼酸盐阴离子的Y为卤素时,作为Y可以举出F、Cl、Br或I。另外,Y为卤素时,m优选为2以上。另外,这时,2个以上的Y优选为有不同的卤素,或者有卤素和卤素以外的取代基。
作为主链的碳原子数为1~10的烃基,可以举出,甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、异丁基、仲丁基、叔丁基、戊基、己基、庚基、辛基、2-乙基己基等碳原子数为1~10的烷基;乙烯基、丙烯基、异丙烯基、烯丙基、1-丁烯基、2-丁烯基、3-丁烯基、1,3-丁二烯基、1-环己烯基、2-环己烯基、3-环己烯基、甲基环己烯基、乙基环己烯基等碳原子数1~10的烯基;乙炔基、丙炔基、环己基乙炔基、苯乙炔基等碳原子数为1~10的炔基;苯基、苄基、噻吩基、吡啶基、咪唑基等碳原子数6~10的芳基或含有杂原子的芳基。
作为主链的碳原子数为1~10的卤化烃基,可以举出,氟甲基、二氟甲基、三氟甲基、氯甲基、溴甲基、碘甲基、二氟氯甲基、二氯氟甲基、氟乙基、二氟乙基、三氟乙基、四氟乙基、全氟乙基、氟化氯化乙基、氯乙基、氟丙基、全氟丙基、氟化氯化丙基、全氟丁基、全氟辛基、五氟环己基、全氟环己基、五氟苯基、全氯苯基、氟亚甲基、氟亚乙基、氟环己烯基等,上述烃基中的氢原子的一部分或全部以卤素(F、Br或I)取代的卤化烷基或卤化芳基。
上述可任意具有卤素的主链碳原子数为1~10的烃基Y也可任意具有取代基(例如,烷氧基、氨基、氰基、羰基、磺酰基等)。
如上所述,Y为可任意具有卤素的主链碳原子数为1~10的烃基时,由于提高了氰基硼酸盐在有机溶剂中的溶解性,作为蓄电装置等电解液使用时能够成为高性能的电解液,因此优选。
上述-C(O)R14、-S(O)lR14、-Z(R14)2以及-XR14,R14表示H、卤素或主链碳原子数为1~10的有机取代基。作为卤素优选为氟、氯、溴或碘等。上述有机取代基,可以为直链状、支链状、环状中的任意一种,也可以同时含有它们中的2种以上的结构,另外,还可以有取代基。更进一步,有机取代基R14可以含有不饱和键。虽然有机取代基R14的主链原子数如上述,但有机取代基R14所含有的碳原子数优选为1~20的范围,进一步优选为1~10的范围。有机取代基R14的价态,也就是键末端数可以为一个也可以为两个以上。有机取代基R14也可以含有碳原子和氢原子以外的杂原子(O、N、Si等)或卤素原子(F、Cl、Br等),其数量和位置没有特别的限定。从而,例如,关于通式(1)中的Y,Y为XR14时,X邻接的原子的种类并没有特别限定为碳原子,例如也可以为Si和Al等杂原子。另外,有机取代基R14还可以为仅由碳原子以外的原子构成的取代基。
作为具体的有机取代基R14可以举出,甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、异丁基、仲丁基、叔丁基、戊基、己基、庚基、辛基、2-乙基己基、环己基、甲基环己基、环己基甲基、金刚烷基等的,含有直链状、支链状、环状或者其组合的饱和烃基;乙烯基、丙烯基、异丙烯基、烯丙基、1-丁烯基、2-丁烯基、3-丁烯基、1,3-丁二烯基、1-环己烯基、2-环己烯基、3-环己烯基、甲基环己烯基、乙基环己烯基、环己烯基甲基、苯基、甲苯基(甲基苯基)、苄基、苯乙基、甲基苯乙基、环己基苯基、乙烯苯基、二甲基苯基、萘基、甲基萘基、亚甲基(次甲基)、亚乙基(次乙基)、亚丙基(次丙基)、环己烯(1,2-、1,3-、1,4-)基、亚苯(o-、m-、p-)基等的,含有1价或2价以上的直链状、支链状、环状或者其组合的不饱和烃基;氟甲基、二氟甲基、三氟甲基、氯甲基、溴甲基、碘甲基、二氟氯甲基、二氯氟甲基、氟乙基、二氟乙基、三氟乙基、四氟乙基、全氟乙基、氟化氯化乙基、氯乙基、氟丙基、全氟丙基、氟化氯化丙基、全氟丁基、全氟辛基、五氟环己基、全氟环己基、五氟苯基、全氯苯基、氟亚甲基、氟亚乙基、氟环己烯基、氟亚苯基等的,含有1价或2价以上的直链状、支链状、环状或者其组合的卤化烃基;氰基甲基、二氰基甲基、三氰基甲基、氰基乙基、二氰基乙基、三氰基乙基、四氰基乙基、氰基丙基、氰基丁基、氰基辛基、氰基环己基、氰基苯基、氰基亚甲基、氰基亚乙基、二氰基亚乙基、氰基环己烯基等的,含有1价或2价以上的直链状、支链状、环状或者其组合的氰化烃基;甲氧基甲基、甲氧基乙基、甲氧基丙基、甲氧基丁基、甲氧基环己基、甲氧基乙烯基、甲氧基苯基、甲氧基萘基、乙氧基甲基、丙氧基甲基、丁氧基甲基、戊氧基甲基、己氧基甲基、环己氧基甲基、苯氧基甲基、乙烯氧基甲基、异丙烯氧基甲基、叔丁氧基甲基、萘氧基甲基、甲氧基乙氧基甲基、乙氧基乙氧基甲基、乙氧基乙基、丙氧基乙基、丁氧基乙基、戊氧基乙基、己氧基乙基、环己氧基乙基、苯氧基乙基、乙烯氧基乙基、异丙烯氧基乙基、叔丁氧基乙基、萘氧基乙基、甲氧基乙氧基乙基、乙氧基乙氧基乙基、亚甲氧基甲基、亚乙氧基乙基、亚苯氧基苯基等的,含有1价或2价以上的直链状、支链状、环状或者其组合的烷氧基化和/或芳氧基化烃基;乙酰基、丙酰基、丁酰基、戊酰基、己酰基、庚酰基、辛酰基、异丁酰基、丙烯酰基、甲基丙烯酰基、甲基乙二酰基、甲基丙二酰基、甲基丁二酰基、乙二酰基、丙二酰基、丁二酰基等的,含有1价或2价以上的直链状、支链状、环状或者其组合的酰基或含有酰基的有机取代基;乙酰氧基甲基、乙酰氧基乙基、苯甲酰氧基乙基、丁酸乙酰基(ブチロラクチル基)、己酸乙酰基(カプロラクチル基)、甲氧羧基、乙氧羧基、甲氧亚乙氧羧基等的,含有1价或2价以上的直链状、支链状、环状或者其组合的具有酯键的有机取代基;氨基、二甲基氨基、乙基甲基氨基、甲基苯基氨基、二苯基氨基、乙酰氨基、叔丁氧基羰基氨基、苄氧基羰基氨基、9-芴甲氧基羰基氨基、二甲基氨基乙基、吡咯烷基乙基、吡咯烷酮基乙基等的,含有1价或2价以上的直链状、支链状、环状或者其组合的含氮有机取代基;甲硫基、乙硫基、苯甲硫基等烷基硫基或芳基硫基;氟硫基、氯硫基等卤硫基;具有三氟甲硫基、五氟乙硫基、五氟苯硫基等所谓卤化烷基硫基或芳基硫基的硫烷结构的基团;甲基亚磺酰基等烷基亚磺酰基、甲苯基亚磺酰基等芳基亚磺酰基、氟亚磺酰基、氯亚磺酰基等卤代磺酰基、三氟甲基亚磺酰基、五氟苯基亚磺酰基等具有卤化烷基或芳基亚磺酰基等亚磺酰基的有机取代基;甲基磺酰基、甲苯基磺酰基、氟磺酰基、三氟甲基磺酰基、五氟苯基磺酰基等具有磺酰基的有机取代基;三甲基硅基、三乙基硅基、二甲氧基铝基等具有杂原子的有机取代基;-CH2CH2OB(CN)3、-C3H6OB(CN)3等。另外,有机取代基R14也可以为具有将2个以上的从上述有机取代基中选出的1种或2种以上的有机取代基连接的结构。
上述有机取代基R14中优选为,氟、氯等卤素,甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、异丁基、仲丁基、叔丁基、戊基、己基、庚基、辛基以及2-乙基己基、乙烯基、丙烯基等碳原子数为1~10的烃基;氟甲基、二氟甲基、三氟甲基、氯甲基、溴甲基、碘甲基、二氟氯甲基、二氯氟甲基、氟乙基、二氟乙基、三氟乙基、四氟乙基、全氟乙基、氟化氯化乙基、氯乙基、氟丙基、全氟丙基、氟化氯化丙基、全氟丁基、全氟辛基、五氟环己基、全氟环己基、氟亚甲基、氟亚乙基以及氟环己烯基等碳原子数为1~10的卤化烃基;苯基、甲苯基、苄基、苯乙基、甲基苯乙基、环己基苯基、乙烯苯基、萘基、甲基萘基以及亚苯(o-、m-、p-)基、五氟苯基、全氯苯基等碳原子数为6~10的芳基或卤化芳基;氰基甲基、二氰基甲基、三氰基甲基、氰基乙基等氰化烃基;乙酰基、丙酰基、丁酰基、戊酰基、己酰基、庚酰基、辛酰基、异丁酰基、丙烯酰基、甲基丙烯酰基、甲基乙二酰基、甲基丙二酰基、甲基丁二酰基、乙二酰基以及丙二酰基、丁二酰基等碳原子数为1~10的酰基;甲氧羧基、乙氧羧基、甲氧亚乙氧羧基等碳原子数为1~10的具有酯键的有机取代基,或者,三甲基硅基、三乙基硅基等碳原子数为1~10的烷基硅烷基。
作为进一步优选的有机取代基R14,可以举出,氟、甲基、乙基、丙基、异丙基、丁基、苯基、亚乙基、亚丙基、三氟甲基、全氟乙基、氰基乙基、乙酰基、丙酰基、乙二酰基、甲氧亚乙氧羧基、三甲基硅基。
从而,作为-C(O)R14所示基团,R14优选为卤素,饱和或不饱和的烃基或者卤化烃基,烷氧化或芳氧化烃基,或者含氮有机取代基,R14更优选为甲基、乙基、苯基、三氟甲基、五氟苯基。
作为-S(O)lR14所示基团,R14优选为卤素、饱和或不饱和的烃基或者卤化烃基,具体地,作为进一步优选的-S(O)lR14,可以举出,氟亚磺酰基、氯亚磺酰基、三氟甲基亚磺酰基、五氟乙基亚磺酰基、苯亚磺酰基、五氟苯亚磺酰基、甲苯亚磺酰基等亚磺酰基(l=1),氟磺酰基、氯磺酰基、三氟甲基磺酰基、五氟乙基磺酰基、甲苯磺酰基、苯磺酰基、五氟苯磺酰基等的磺酰基(l=2)。
-C(O)R14和-S(O)lR14是与氰基同样的吸电子性取代基,中心元素被带电的负电化离域。其结果是,由于氰基硼酸盐阴离子稳定,能够形成即使在高电压下或高温下也难以分解的盐。
作为-Z(R14)2所示基团,可以举出,二甲基氨基、甲基乙基氨基等Z为N的氨基;二苯基膦基、二环己基膦基等Z为P的膦基。
作为-XR14所示基团,可以举出,X为O时,R14为可任意具有卤素的碳原子数为1~20的烃基(例如,甲基、乙基、苯基、三氟甲基、五氟乙基等)的基团;X为O时,R14为烷基硅烷基(例如,三甲基硅烷基,三乙基硅烷基等)的基团;X为O时,R14为从1价或2价以上的直链状、支链状、环状或者其组合中选择的酰基(例如,乙酰基,丙酰基、丁酰基、戊酰基、己酰基、庚酰基、辛酰基、异丙酰基、异丁酰基、丙烯酰基、甲基丙烯酰基、甲基乙二酰基、甲基丙二酰基、甲基丁二酰基、乙二酰基、丙二酰基、丁二酰基等)的基团;X为O时,R14为亚磺酰基(例如,氟亚磺酰基、氯亚磺酰基、三氟甲基亚磺酰基、甲苯亚磺酰基等)的基团,或者磺酰基(氟磺酰基、氯磺酰基、三氟甲基磺酰基、甲苯磺酰基等)的基团;X为S时,R14为可任意具有卤素的碳原子数为1~20的烃基的基团(例如,甲硫基、三氟甲硫基等)等。另外,2个以上的XR14与B键合时,2个以上的R14也可以键合形成环。另外,虽然X为O或S,但是从原料入手方便、成本方面考虑,X优选为O。
向氰基硼酸盐导入Z(R14)2或XR14时,高耐电压是当然的,成为在溶剂中的溶解性优异的盐。这种情况下,R14含有吸电子性的取代基时,增加了氰基硼酸盐的稳定性,因此优选。具体地,优选R14含有酰基、亚磺酰基、磺酰基。同样地,也优选R14为氟或者氟烷基等含有氟的基团。
作为具体的氰基硼酸盐阴离子,可以举出,[B(CN)3(OMe)]-、[B(CN)3(OEt)]-、[B(CN)3(O-i-Pr)]-(在此,“-i-”表示“iso”。以下相同。)、[B(CN)3(OBu)]-、[B(CN)3(OPh)]-、[B(CN)3(OCH2CH2O)B(CN)3]2-、[B(CN)3(OC3H6O)B(CN)3]2-等烷氧基三氰基硼酸盐阴离子类;[B(CN)2(OMe)2]-、[B(CN)2(OEt)2]-、[B(CN)2(O-i-Pr)2]-、[B(CN)2(OBu)2]-、[B(CN)2(OPh)2]-等二烷氧基二氰基硼酸盐阴离子类;[B(CN)(OMe)3]-、[B(CN)(OEt)3]-、[B(CN)(O-i-Pr)3]-、[B(CN)(OBu)3]-、[B(CN)(OPh)3]-等三烷氧基氰基硼酸盐阴离子类;[B(CN)3(SMe)]-等硫烷基三氰基硼酸盐阴离子类;[B(CN)3(CF3)]-、[B(CN)3(C2F5)]-等卤化或者卤化烷基氰基硼酸盐阴离子类;[B(CN)3(Ph)]-、[B(CN)3(Me)]-、[B(CN)3(CH2)6B(CN)3]2-等烷基化或芳基化氰基硼酸盐阴离子类;[B(CN)3(OCF3)]-、[B(CN)3(OC2F5)]-等卤化烷氧基氰基硼酸盐阴离子类;[B(CN)3(OC2H4CN)]-等氰化烷氧基氰基硼酸盐阴离子类;[B(CN)3(OCOCH3)]-、[B(CN)3(OCOCF3)]-、[B(CN)3(OCOHC2H5)]-、[B(CN)3(OCOOCH3)]-、[B(CN)3(OCOOC2H5)]-等酯系氰基硼酸盐阴离子类;[B(CN)3(OSO2F)]-、[B(CN)3(OSO2CF3)]-、[B(CN)3(OSO2CH3)]-、[B(CN)3(OSO2C6H4CH3)]-、[B(CN)3(SO2F)]-、[B(CN)3(SO2CF3)]-、[B(CN)3(SO2CH3)]-、[B(CN)3(SO2C6H4CH3)]-等具有磺酰基的氰基硼酸盐阴离子类;[B(CN)3(COCH3)]-、[B(CN)3(COCF3)]-等酰化氰基硼酸盐阴离子;[B(CN)3(OSiCH3)]-等烷基硅氧基氰基硼酸盐阴离子类;下述通式(8-1)、(8-2)所示的氰基硼酸盐阴离子等。
(通式(8-1)、(8-2)中,p表示0~10的整数。优选地,p为0~4,进一步优选为0~1。)
另外,Y(除去作为卤素的情况)可以具有含有Si、B、O、N、Al等杂原子的官能团。作为官能团,可以举出例如,三甲基硅烷基、三乙基硅烷基、二甲氧基铝基、-CH2CH2B(CN)3、-C3H6B(CN)3等。
有机阳离子或无机阳离子:Mn+
作为构成本发明所述的离子性化合物的有机阳离子Mn+,优选为通式(2)L+-Rs(式中,L表示C、Si、N、P、S或O,R为相同或不同的有机基团,也可以相互键合。s表示与L键合的R的数量,为3或4。另外,s为由元素L的价态以及与L直接键合的双键的数量决定的值)所示的鎓阳离子。
作为上述R所示的“有机基团”,意思是氢原子、氟原子或者具有至少1个碳原子的基团。上述“具有至少1个碳原子的基团”,只要具有至少1个碳原子即可,另外,也可任意具有卤素原子或杂原子等其他原子、或者取代基等。作为取代基,可以举出,氨基、亚氨基、酰胺基、具有醚键的基团、具有硫醚键的基团、酯基、羟基、烷氧基、羰基、氨基甲酰基、氰基、二硫基、硝基、亚硝基、磺酰基等。
作为通式(2)所示鎓阳离子,例如,可以举出下述通式所示的鎓阳离子。
(式中的R与通式(2)相同)
上述通式所示的6种鎓阳离子中,优选L为N、P、S或者O,进一步优选L为N的鎓阳离子。上述鎓阳离子可以单独使用,也可以2种以上并用。具体地,作为L为N、P、S或者O的鎓阳离子,可以举出下述通式(3)-(5)所示作为优选的鎓阳离子。
通式(3):
[化3]
所示15种杂环鎓阳离子中的至少一种。
上述有机基团R1~R8,可以举出与通式(2)例示的有机基团R相同的有机基团。更详细地,R1~R8为氢原子、氟原子、或者有机基团,作为有机基团,优选为直链、支链或者环状(但是R1-R8相互结合形成环的情况除外)的碳原子数为1~18的烃基、或者碳氟基,进一步优选为碳原子数为1~8的烃基、碳氟基。另外,有机基团还可以包括与上述通式(2)有关的例示的取代基、或者N、O、S原子等杂原子以及卤素原子。
通式(4):
(式中,R1~R12与通式(3)中的R1~R8相同)
所示9种饱和环鎓阳离子中的至少一种。
通式(5):
[化5]
(式中,R1-R4与通式(3)中的R1-R8相同)
所示链状鎓阳离子。
例如,作为上述链状鎓阳离子,可以举出四甲基铵、四乙基铵、四丙基铵、四丁基铵、四戊基铵、四己基铵、四辛基铵、三乙基甲基铵、甲氧基乙基二乙基甲基铵、三甲基苯基铵、苄基三甲基铵、苄基三乙基铵、苄基三丁基铵、二甲基二硬酯酰基铵、二烯丙基二甲基铵、2-甲氧基乙氧基甲基三甲基铵以及四(五氟乙基)铵、N-甲氧基三甲基铵、N-乙氧基三甲基铵、N-丙氧基三甲基铵等季铵类,三甲基铵、三乙基铵、三丁基铵、二乙基甲基铵、二甲基乙基铵、二丁基甲基铵等叔铵类,二甲基铵、二乙基铵、二丁基铵等仲铵类,甲基铵、乙基铵、丁基铵、己基铵、辛基铵等伯铵类,以及用NH4所示铵化合物等。
上述通式(3)~(5)的鎓阳离子中,进一步优选为含有氮原子的鎓阳离子,作为更优选的鎓阳离子,可以举出下述通式:
(式中,R1~R12与通式(3)中的R1~R8相同)
所示6种鎓阳离子中的至少一种。
上述6种鎓阳离子中,四乙基铵、四丁基铵以及三乙基甲基铵等链状季铵;三乙基铵、三丁基铵、二丁基甲基铵以及二甲基乙基铵等链状叔铵;1-乙基-3-甲基咪唑鎓以及1,2,3-三甲基咪唑鎓等咪唑鎓;N,N-二甲基吡咯烷鎓以及N-乙基-N-甲基吡咯烷鎓等吡咯烷鎓容易得到,因此优选。作为更优选的鎓阳离子,可以举出季铵、咪唑鎓。另外,从耐还原性的观点考虑,更优选为被分类为上述链状鎓阳离子的四乙基铵、四丁基铵以及三乙基甲基铵等季铵。
作为无机阳离子Mn+,可以举出,Li+、Na+、K+、Cs+、Pd+等1价无机阳离子M1+;Mg2+、Ca2+、Zn2+、Pd2+、Sn2+、Hg2+、Rh2+、Cu2+、Be2+、Sr2+、Ba2+等2价无机阳离子M2+;以及,Ga3+等3价无机阳离子M3+。其中,Li+、Na+、Mg2+和Ca2+离子半径小容易用于蓄电装置等,因此优选,进一步优选的无机阳离子Mn+为Li+。
离子性化合物:Mn+([B(CN)4-mYm]-)n
本发明所述的离子性化合物(1),包括由上述阳离子和阴离子组合而成的全部离子性化合物。作为具体的离子性化合物(1)可以举出,三氰基甲氧基硼酸三乙基甲基铵、三氰基甲氧基硼酸三乙基铵、三氰基甲氧基硼酸三丁基铵、三氰基异丙氧基硼酸三乙基铵、三氰基甲氧基硼酸1-乙基-3-甲基咪唑鎓、三氰基苯基硼酸三乙基甲基铵、二氰基乙二酰基硼酸三乙基甲基铵、三氰基(三氟甲基)硼酸三乙基甲基铵、三氰基(氰基乙氧基)硼酸三乙基甲基铵、三氰基苯基硼酸1-乙基-3-甲基咪唑鎓等的有机阳离子盐;三氰基甲氧基硼酸锂、三氰基甲氧基硼酸钠、二(三氰基甲氧基硼酸)镁、三氰基异丙氧基硼酸锂、三氰基乙氧基硼酸锂、三氰基丁氧基硼酸锂、三氰基苯氧基硼酸锂、三氰基甲硫基硼酸锂、三氰基(三氟甲基)硼酸锂、三氰基苯基硼酸锂、三氰基甲基硼酸锂、三氰基(三氟甲氧基)硼酸锂、三氰基(六氟异丙氧基)硼酸锂、三氰基(五氟苯氧基)硼酸锂、三氰基乙酰氧基硼酸锂、三氰基(三氟乙酰氧基)硼酸锂、三氰基((甲氧基羰基)羰基)硼酸锂、三氰基(氟磺酸基)硼酸锂、三氰基(三氟甲磺酸基)硼酸锂、三氰基(甲磺酸基)硼酸锂、三氰基(p-甲苯磺酸基)硼酸锂、三氰基(氟亚磺酸基)硼酸锂、三氰基乙酰基硼酸锂、三氰基(三氟乙酰基)硼酸锂、三氰基(三甲基硅烷氧基)硼酸锂、二氰基乙二酰基硼酸锂、氰基氟乙二酰基硼酸锂、二氰基二甲氧基硼酸锂、氰基三甲氧基硼酸锂等无机阳离子盐。
本发明所述的离子性化合物(1)优选作为杂质的水分的含量为3000ppm以下。特别地,离子性化合物(1)中,在通式(6):Mn+([B(CN)4-m(XR14)m]-)n所示化合物中,优选作为杂质的水分的含量为大约3000ppm以下(通式(6)中的符号与离子性化合物(1)的情况相同)。
本发明的发明人,通过反复研究关于上述通式(1)所示离子性化合物的特性,发现离子性化合物中含有的水分等杂质的量,给离子性化合物的特性降低带来影响,为了提供难以发生特性降低的离子性化合物,进一步反复研究的结果是,发现通式(1)所示离子性化合物(特别是离子化合物(6))中含有的杂质中,水分的含量为大约3000ppm以下时,难以发生离子性化合物特性的降低。
离子性化合物中的水分,认为是在本发明的离子性化合物的制造工序中,作为反应溶剂的水,或者精制时使用的水,或者从空气等环境中吸湿混入的水分,残留在最终反应物中。本发明的离子性化合物,在作为如后所述的各种蓄电装置的电解液使用时,如果离子性化合物中含有水分,蓄电装置运转时该水分被电解,生成氢离子,因此电解液的pH值降低(酸性)。其结果是,电极材料被电解液中生成的酸性成分溶解,蓄电装置的性能降低。另外,水分被电解时生成气体,从而,存在密封结构的各种蓄电装置的内压上升导致变形或损坏的情况。因此装置全变成不能使用的状态,或者变得安全上有问题。从而,本发明的离子性化合物中含有的水分量优选为大约1000ppm以下,更优选为大约550ppm以下,进一步优选为大约500ppm以下,更进一步优选为大约200ppm以下。另外,因为水分是杂质,虽然其含量越低越好,最优选为0ppm,但是减少到0ppm在技术上存在困难,有从经济的理由考虑不优选的情况。从而,在本发明中水分含量的下限为1ppm的程度时对离子性化合物特性的影响小,因此优选,另外,下限为5ppm的程度也可以。这是因为难以发生特性显著地降低而在实用上难以产生问题。另外,在本发明中水分的含量为使用卡尔费休水分测定装置(例如,平沼产业株式会社制的卡尔费休水分测定仪),通过后述实施例记载的方法测定的值。
另外,本发明的离子性化合物,优选为氰化物离子(CN-)含量低的离子性化合物。优选氰化物离子含量为10000ppm以下。如后所述,虽然本发明的离子性化合物适合用于各种蓄电装置的电解液,但是该电解液中含有氰化物离子时,其与电极反应,使离子传导性降低,另外,可能存在发生气体产生而装置变形的问题。优选的氰化物离子的含量为大约5000ppm以下,更优选为大约1000ppm以下,进一步优选为大约300ppm以下,更进一步优选为大约100ppm以下,进一步优选为大约50ppm以下。另外,虽然在本发明的离子性化合物中氰化物离子的含量越少越优选,即0ppm时为最优选,但是例如,氰化物离子的含量为0.02ppm的程度时对离子性化合物特性的影响小,另外,即使下限为0.1ppm的程度,也难以发生特性显著地降低而在实用上难以产生问题。
进而,本发明的离子性化合物,优选为从由不构成上述通式(1)所示离子性化合物的碱金属和碱土金属组成的组中选出的1种以上的杂质离子的含量以总量计为大约20000ppm以下(大约2质量%以下)的离子性化合物。作为杂质的碱金属和/或碱土金属离子的含量更优选为大约10000ppm以下,进一步优选为大约5000ppm以下。作为更优选的含量为大约1000ppm以下,更进一步优选为500ppm以下,进一步优选为100ppm以下。本发明的离子性化合物中,虽然最优选为不含上述杂质离子(0ppm),但是从由碱金属和碱土金属组成的组中选出的1种以上的杂质离子的含量为0.1ppm的程度时,对于离子性化合物特性的影响少,另外,即使为1ppm的程度,也难以发生特性显著地降低。另外,作为杂质的碱金属,可以举出Li、Na、K、Cs等;作为杂质的碱土金属,可以举出Mg、Ca、Sr、Ba等。其中,特别地优选为Na、K、Ca的含量在上述范围的情况。
另外,上述“不构成通式(1)所示离子性化合物的碱金属和碱土金属”的意思是,碱金属和碱土金属中,不是构成通式(1)的阳离子Mn+的碱金属和碱土金属。如后所述,本发明的离子性化合物,虽然有含有作为阳离子Mn+的碱金属或碱土金属的情况,但是在本发明中没有将这样的构成离子性化合物的碱金属或碱土金属视为杂质。也就是说,在本发明中,在含有作为构成目标物离子性化合物的阳离子以外的成分的碱金属和/或碱土金属的情况下,这些成分为杂质。例如,通式(1)所示离子性化合物,Li+作为阳离子Mn+的情况下,Li+以外的碱金属和/或碱土金属为杂质。也就是说,在这种情况下,Na+、Rb+、Cs+、Fr+、Be2+、Mg2+、Ca2+、Sr2+、Ba2+和Ra2+中的一种以上的含量(总量)优选为在上述范围。另外,在Mn+为K+的离子性化合物的情况下,K+以外的碱金属和/或碱土金属成为杂质。在Mn+为Mg2+的离子性化合物的情况下,Mg2+以外的碱金属和/或碱土金属成为杂质。在Mn+为上述以外的碱金属和/或碱土金属的情况下也相同。
本发明的离子性化合物(1),优选为来自于起始原料或反应中混入的成分等的杂质的含量也少的离子性化合物,具体地,优选为周期表第5族~第11族的元素的含量(总量、质量基准)为大约1000ppm以下的,更优选为大约100ppm以下,进一步优选为大约10ppm以下。虽然周期表第5族~第11族的元素的含量,最优选为在本发明的离子性化合物(1)中不含有,但是例如,下限可以为0.1ppm的程度,更进一步下限也可以为0.5ppm的程度。杂质的含量在上述范围时,对离子性化合物特性的影响小,另外,难以发生特性显著地降低。另外,周期表第5族~第11族的元素中,被降低的元素优选为Fe、V、Cr、Mo、W、Mn、Re、Ru、Co、Rh、Ir、Ni、Pd、Cu、Ag、Au,进一步优选为Fe、V、Cr、Mo、Mn、Co、Ni、Cu。
上述杂质离子的含量的测定,可以使用任意以往公知的测定方法,例如,可以举出原子吸收光谱分析法或ICP发光分光分析法(电感耦合等离子体发光分光分析法)、离子色谱等实施例中记载的方法。
另外,使杂质的含量在上述范围的方法并没有特别的限定,例如,通过采用后述的本发明的制备方法,或者,通过使以本发明的制备方法或公知的方法得到的离子性化合物通过氧化剂处理法、活性炭处理法、通过水·有机溶剂的分液萃取法、电化学处理法、再结晶法、再沉淀法、通过色谱的精制法精制,可以得到上述杂质量被降低的离子性化合物。
2.离子性化合物(1)的制备方法
本发明还包括上述离子性化合物(1)的制备方法。作为本发明的制备方法包括,从起始原料直接制备离子性化合物(1)的制备方法[1]、[2]和以预先合成的中间体作为原料制备目标离子性化合物(1)的制备方法[3]。
2-1.制备方法[1]
首先,对本发明的离子性化合物(1)的制备方法[1]进行说明。在本发明的制备方法[1]中,通过氰化合物、硼化合物与有机阳离子或无机阳离子的卤素盐反应来制备离子性化合物(1)。
氰化合物
作为上述通式(1)所示离子性化合物(1)的CN来源,使用氰化合物。作为具体的氰化合物可以举出,三甲基氰硅烷、三乙基氰硅烷、三异丙基氰硅烷、乙基二甲基氰硅烷、异丙基二甲基氰硅烷、叔丁基二甲基氰硅烷等烷基氰硅烷;二甲基苯基氰硅烷、苯基二甲基氰硅烷等烷基芳基氰硅烷;氰化铜、氰化锌、氰化钾、氰化钠、氰化锂等金属氰化物。其中,优选为烷基氰硅烷,更优选为三烷基氰硅烷。进一步优选为三甲基氰硅烷(以下,有简称为TMSCN的情况)。
氰化合物可以使用市售的,另外,也可以使用以公知方法合成的。
硼化合物
上述通式(1)所示离子性化合物(1),通过使含有上述氰化合物、有机阳离子或无机阳离子的卤素盐和硼化合物的起始原料反应而得到。硼化合物是本发明所述的离子性化合物的硼元素来源,作为具体的硼化合物,可以举出硼酸、硼酸酯或硼酸硫酯。
上述硼化合物中,作为硼酸酯,优选使用通式:B(OR14)3(R14表示主链原子数为1~10的有机取代基,与上述通式(1)中的有机取代基R14相同。以下相同。)所示硼化合物。作为本发明所述的硼酸酯可以举出B(OMe)3、B(OEt)3、B(O-i-Pr)3、B(O-t-Bu)3(“-t-”表示“tert”。以下相同。)和B(OPh)3。其中,由于B(OMe)3和B(OEt)3的反应活性比较高,因此优选。
另外,作为硼酸硫酯,优选使用通式:B(SR14)3所示硼化合物。作为本发明所述的硼酸硫酯可以举出B(SMe)3和B(SEt)3、B(S-i-Pr)3、B(S-t-Bu)3、B(SPh)3等。其中,优选为B(SMe)3和B(SEt)3,进一步优选为B(SMe)3。上述所举的硼化合物中,从通用性的角度考虑优选为使用硼酸酯的。另外,氰基硼酸盐的制备方法中,虽然以BCI3作为必须的起始原料的情况较多,但是由于BCl3毒性高,反应活性高而有操作困难的问题。与BCl3相比硼酸酯便宜,另外,有毒性低而操作容易的优点。
上述原料的掺合比例,在目标产物的离子性化合物(1)中,可以根据在硼原子上取代的氰基的数量来变更其比例,由此,从氰基的1取代体单氰基硼酸盐,可以得到二氰基硼酸盐(2取代体),或者,三氰基硼酸盐(3取代体)。另外,在本发明的制备方法[1]中,例如,优选为相对于硼化合物的氰化合物的掺合比例为0.5:1~10:1(氰化合物:硼化合物,摩尔比)。更优选为0.8:1~5:1,进一步优选为1:1~4:1。氰化合物的掺合量过少时,有目标离子性化合物的产量变少,或副产物生成的情况。另一方面,氰化合物的掺合量过多时,来自CN的杂质量增加,目标产物的精制有变得困难的倾向。
有机阳离子或无机阳离子的卤素盐
上述氰化合物和硼化合物的反应,优选在有机阳离子或无机阳离子的卤素盐存在下进行。
作为构成有机阳离子或无机阳离子的卤素盐的卤素,优选为F、Cl、Br和I,进一步优选为Cl或Br。另一方面,作为构成有机阳离子或无机阳离子的卤素盐的有机阳离子或无机阳离子,可以举出上述的有机阳离子或无机阳离子。
作为优选的有机阳离子或无机阳离子的卤素盐可以举出,三乙基溴化铵、三丁基溴化铵、三乙基甲基溴化铵、1-乙基-3-甲基溴化咪唑鎓、溴化锂、三乙基氯化铵、三丁基氯化铵、三乙基甲基氯化铵、1-乙基-3-甲基氯化咪唑鎓、三乙基甲基氯化铵、氯化锂。更优选的有机阳离子或无机阳离子的卤素盐为三乙基溴化铵、三乙基甲基溴化铵、溴化锂、三乙基氯化铵、三乙基甲基氯化铵、氯化锂,进一步优选为三乙基溴化铵、三乙基甲基溴化铵、溴化锂。
另外,从降低上述的各种杂质量的观点考虑,作为原料的氰化合物、硼化合物和有机阳离子或无机阳离子的卤素盐,优选为采用不含有上述杂质离子的化合物。
上述有机阳离子或无机阳离子的卤素盐的用量,优选为相对于硼化合物为1:5~5:1(硼化合物:有机阳离子或无机阳离子的卤素盐,摩尔比)的。更优选为1:2~2:1,进一步优选为1:0.8~1:1.2。有机阳离子或无机阳离子的卤素盐的用量过少时,有副产物的除去变得不充分,或阳离子量不足从而无法有效地生成目标物的情况。另一方面,有机阳离子或无机阳离子的卤素盐的用量过多时,存在有机阳离子或无机阳离子的卤素盐作为杂质残存的倾向。
在制备方法[1]中,为了使反应均匀地进行,优选使用反应溶剂。作为反应溶剂,只要能够溶解上述原料的溶剂就没有特别的限定,可以使用水或有机溶剂。作为有机溶剂可以举出,甲苯、二甲苯、苯、己烷等烃系溶剂,氯仿、二氯甲烷、二氯乙烷、氯苯、二氯苯等氯系溶剂,二乙基醚、环己基甲醚、二丁基醚、二甲氧基乙烷、二恶烷、四氢呋喃等醚系溶剂,乙酸乙酯、乙酸丁酯等酯系溶剂,2-丁酮、甲基异丁酮等酮系溶剂,甲醇、乙醇、2-丙醇、丁醇等醇系溶剂,乙腈、异丁腈、戊腈、苯甲腈等腈系溶剂,四氢呋喃,二氧戊烷,γ-丁内酯,ε-己内酯,碳酸乙烯酯,碳酸丙烯酯,碳酸二甲基酯,碳酸甲基乙基酯,碳酸二乙基酯,二甲基亚砜,二甲基甲酰胺,N-甲基-2-吡咯烷酮等。这些反应溶剂可以单独使用,也可以2种以上并用。
在制备方法[1]中,添加上述原料进行混合的顺序没有特别的限定。另外,由于有机阳离子或无机阳离子的卤素盐含有对水以外的有机溶剂的溶解度低的物质,因此优选在预先混合反应溶剂和铵盐后,向该溶液添加剩余的原料硼化合物和氰化合物。进一步优选为,向铵盐和反应溶剂的混合溶液中添加硼化合物,然后添加氰化合物的方式。
使上述起始原料反应时的条件没有特别的限定,可以根据反应的进行状态适当调节,例如,反应温度优选为20℃~180℃。更优选为40℃~120℃,进一步优选为50℃~80℃。反应时间优选为1小时~50小时,更优选为5小时~40小时,进一步优选为10小时~30小时。
上述反应后,可以通过精制来提高生成的离子性化合物(氰基硼酸盐)的纯度。精制方法没有特别的限定,可以举出例如,用水、有机溶剂及其混合溶剂进行洗涤、吸附精制法、再沉淀法、分液萃取法、再结晶法、晶析法和通过色谱的精制方法。
2-2.制备方法[2]
另外,本发明所述的离子性化合物(1)中,在通式(1)中,通式:Mn+([B(CN)4-mY’qX15 r]-)所示化合物(以下,称作离子性化合物(7)。通式(7)中,Y’为可任意具有卤素的主链碳原子数为1~10的烃基、-C(O)R14、-S(O)lR14、-Z(R14)2或-XR14,X15相同或者不同,为F、Cl、Br或I,q为1到3的整数,r为0到2的整数,q+r为m,其它符号与通式(1)相同。),可以通过特定的硼化合物与烷基硅烷基化合物反应来制备(制备方法[2])。另外,上述反应,根据需要,可以使用有机阳离子或无机阳离子的卤素盐。
作为制备方法[2]中可以使用的优选的硼化合物,可以举出以B(Y’)q(X15)3-q或Mn+B(Y’)q(X15)4-q的通式所示的硼化合物,具体地,可以举出PhB(Cl)2、C6F5B(Cl)2、MeB(Cl)2、Me2B(F)、n-C6H11B(F)2、Me2NB(F)2、(Me2N)2BF、LiB(F)2(OCOCOO)、LiB(F)2(OCOCH3)2、LiB(F)2(OCOCF3)2等的,卤素和烷基、芳基、氨基或酰基等的有机基团与硼原子键合的有机卤化硼化合物。在有机卤化硼化合物中,优选为芳基、烷基与硼原子键合的有机卤化硼化合物,其中,PhB(Cl)2和MeB(Cl)2的反应活性比较高,因此可以优选使用。
另一方面,作为烷基硅烷基化合物,制备方法[1]中示例的烷基氰硅烷或芳基氰硅烷适合使用。其中,优选为烷基氰硅烷,更优选为三烷基氰硅烷。进一步优选为三甲基氰硅烷。
作为有机阳离子或无机阳离子的卤素盐,制备方法[1]中描述的有机阳离子或无机阳离子的卤素盐同样适用。
作为反应溶剂,可以使用与制备方法[1]同样的反应溶剂。优选为氯仿、二氯甲烷、二氯乙烷、氯苯、二氯苯等氯系溶剂,乙腈、异丁腈、戊腈、苯甲腈等腈系溶剂。反应条件没有特别的限定,例如,反应温度可以为20℃~80℃(更优选为30℃~120℃,进一步优选为50℃~100℃),反应时间可以为1小时~50小时(更优选为2小时~10小时)。
在离子性化合物(7)中,制备方法[2]适合作为氰基(氟)乙二酰基硼酸锂、二氰基乙二酰基硼酸锂、三氰基苯基硼酸三乙基甲基铵等的制备方法。
2-3.制备方法[3]
可以通过上述制备方法[1]或[2],直接制备作为目标的离子性化合物(1),也可以通过制备方法[1]、[2],暂时合成离子性化合物之后,修饰或取代通式(1)中的有机取代基R14,通过形成与当初不同的有机取代基,制备作为目标的离子性化合物(1)(制备方法[3])。
也就是说,本发明的制备方法[3]是制备通式(1)所示离子性化合物的方法,其特征在于,使通式(8)所示化合物和取代反应试剂反应。
Mn+([B(CN)4-m(XR13)m]-)n (8)
(式(8)中,Mn+表示1价、2价或3价的有机阳离子或无机阳离子,X表示O或S,R13表示H或主链碳原子数为1~10的烃基,m表示1~3的整数,n表示1~3的整数。)
Mn+([B(CN)4-mYm]-)n (1)
制备方法[3]中,作为制备离子性化合物(1)时的中间体,使用上述通式(8)所示化合物(以下,有只称为“中间体(8)”的情况)。通过使用该中间体(8),可以得到根据目的具有任意取代基的氰基硼酸盐。
2-3-1.中间体(8)
本发明所述的中间体(8):Mn+([B(CN)4-m(XR13)m]-)n,为本发明所述的离子性化合物(1),并且可以用作离子性化合物(1)的原料。
作为有机阳离子或无机阳离子:Mn+,可以具有与离子性化合物(1)相同的阳离子。优选的有机阳离子或无机阳离子也相同。
氰基硼酸盐阴离子:[B(CN)4-m(XR13)m]-
在中间体(8)所涉及的阴离子:[B(CN)4-m(XR13)m]-中,X表示O或S,优选为O。R13表示H或主链碳原子数为1~10的烃基。另外,烃基可任意具有取代基,这时,构成取代基的碳原子的数量不包括在上述的碳原子数中。作为烃基,优选为碳原子数为1~10的直链、支链或环状的饱和和/或不饱和烃基,作为更进一步优选的烃基,可以举出碳原子数为1~10的烷基、环烷基、烯基、炔基、芳基以及芳烷基等。作为具体的烃基R13,例如可以举出,甲基、乙基、丙基、异丙基、正丁基、叔丁基、仲丁基、戊基、己基、辛基等直链或支链烷基;环己基、环戊基等环烷基;乙烯基等烯基;苯基、甲基苯基、甲氧基苯基、二甲基苯基、萘基等芳基;苄基等芳烷基等。优选为甲基、乙基、丙基、异丙基、丁基、苯基。
作为构成中间体(8)的具体的氰基硼酸盐阴离子,可以举出,[B(CN)3(OMe)]-、[B(CN)3(OEt)]-、[B(CN)3(O-i-Pr)]-、[B(CN)3(OBu)]-、[B(CN)3(OPh)]-等烷氧基三氰基硼酸盐阴离子;[B(CN)2(OMe)2]-、[B(CN)2(OEt)2]-、[B(CN)2(O-i-Pr)2]-、[B(CN)2(OBu)2]-、[B(CN)2(OPh)2]-等二烷氧基二氰基硼酸盐阴离子;[B(CN)(OMe)3]-、[B(CN)(OEt)3]-、[B(CN)(O-i-Pr)3]-、[B(CN)(OBu)3]-、[B(CN)(OPh)3]-等三烷氧基氰基硼酸盐阴离子;[B(CN)3(SMe)]-等烷硫基三氰基硼酸盐阴离子等。
本发明的中间体(8)包括由上述阳离子:Mn+和阴离子:[B(CN)4-mYm]-组合而成的全部离子性化合物。作为具体的中间体(8),可以举出,三氰基甲氧基硼酸三乙基甲基铵、三氰基甲氧基硼酸三乙基铵、三氰基甲氧基硼酸三丁基铵、三氰基异丙氧基硼酸三乙基铵、三氰基甲氧基硼酸-1-乙基-3-甲基咪唑鎓等有机阳离子盐;三氰基甲氧基硼酸锂、三氰基甲氧基硼酸钠等无机阳离子盐。其中,优选为三氰基甲氧基硼酸三乙基甲基铵、三氰基甲氧基硼酸锂。
另外,本发明所述的中间体(8)的制备方法没有特别的限定,可以根据上述制备方法[1]、[2]或基于专利文献5等以往公知的方法制备。
本发明的制备方法[3]包括,[3-1]通过使上述中间体(8)和取代反应试剂反应,制备构成中间体(8)的阴离子中的XR13被取代的离子性化合物(1)的方法(以下,称为制备方法[3-1]),以及[3-2]通过使上述中间体(8)和取代反应试剂反应,制备构成中间体(8)的阴离子中的R13被取代的离子性化合物(1)的方法(以下,称为制备方法[3-2])。以下,按照顺序对这些方法进行说明。
2-3-2.制备方法[3-1]
作为在本发明的制备方法[3-1]中使用的取代反应试剂,可以举出,三甲基氰硅烷、三乙基氰硅烷、三异丙基氰硅烷、乙基二甲基氰硅烷、异丙基二甲基氰硅烷、叔丁基二甲基氰硅烷等烷基氰硅烷;二甲基苯基氰硅烷、二苯基二甲基氰硅烷等烷基芳基氰硅烷;氰化铜、氰化锌、氰化钾、氰化钠、氰化锂等金属氰化物;甲基溴化镁、乙基溴化镁、丙基溴化镁、异丙基溴化镁、丁基溴化镁、苯基溴化镁、甲苯基溴化镁、乙烯基溴化镁、己基二溴化二镁(BrMg(CH2)6MgBr)等有机镁试剂;甲基锂、乙基锂、丙基锂、正丁基锂、仲丁基锂、叔丁基锂、苯基锂、五氟乙基锂、五氟苯基锂、二甲基氨基锂、二苯基膦基锂、乙炔锂等有机锂试剂;苯基碘化锌、二甲基锌、二乙基锌、甲基二碘化二锌(IZnCH2ZnI)等有机锌试剂;二甲基铜锂、二苯基铜锂等有机铜试剂;三甲基铝、二甲基氯化铝等有机铝试剂;氟化锌、氟化铜、氯化锌、溴化锌等金属卤化物;三甲基(三氟甲基)硅烷(Ruppert-Prakash试剂)等。如上所述,在本发明制备方法[3-1]中可以使用的取代反应试剂,不仅仅是反应位置为1个的单官能性试剂,也包括具有2个以上反应位置的多官能性试剂。优选为烷基氰硅烷、有机镁试剂、有机锂试剂、金属卤化物。
取代反应试剂的用量,可以根据中间体(8)具有的-XR13基团的数量适当地决定,例如,中间体(8)的通式中m为1的情况下,相对于中间体(8)的取代反应试剂的用量优选为5:1~1:9(中间体(8):取代反应试剂。摩尔比。以下相同。)。更优选为2:1~1:5,进一步优选为1:1~1:3。m为2的情况下,相对于中间体(8)的取代反应试剂的用量优选为4:1~1:12(更优选为1:1~1:6,进一步优选为1:2~1:4),m为3的情况下,相对于中间体(8)的取代反应试剂的用量优选为3:1~1:15(更优选为1:1.5~1:7,进一步优选为1:3~1:5)。在任意情况下,取代反应试剂的用量过少时,有目标离子性化合物的产量变少,或副产物生成的情况,另一方面过多时,来自取代反应试剂的杂质增加,有目标产物的生成变得困难的倾向。
制备方法[1]中,除了中间体(8)和取代反应试剂之外,也可以使用作为阳离子交换试剂的有机阳离子的卤素盐。作为有机阳离子的卤素盐,可以使用与制备中间体(8)时使用的有机阳离子的卤素盐相同的有机阳离子的卤素盐。上述例示的有机阳离子的卤素盐中,优选为通式(3)~(5)所示的鎓阳离子中的铵盐,作为优选的铵盐,可以举出三乙基氯化铵、三乙基溴化铵、三乙基碘化铵等。
另外,制备方法[3-1]中,为了促进取代反应,还可以使用催化剂。这时,作为可以使用的催化剂没有特别的限定,例如可以使用硫酸、盐酸、磷酸、硝酸、甲酸、乙酸、乙二酸、三氟乙酸、三氟甲磺酸、对甲苯磺酸等布朗斯特酸类;氟化硼、氯化硼、氯化铝、氯化铁、三氟甲磺酸酐、乙酸酐等路易斯酸类;氨、三乙胺、苯胺、吡啶、三苯基膦、三丁基膦等路易斯碱类。上述催化剂可以单独使用1种,也可以2种以上组合使用。
中间体(8)和取代反应试剂的反应中,还可以使用反应溶剂。作为反应溶剂,能溶解中间体(8)和取代反应试剂的溶剂即可,例如可以举出二氯甲烷、氯仿、氯苯、二氯乙烷等氯系溶剂;甲苯、二甲苯等芳香族烃系溶剂;二乙基乙醚、四氢呋喃等醚系溶剂。优选为氯系溶剂。上述溶剂可以单独使用,也可以2种以上混合使用。
本发明的制备方法[3-1]中,反应温度优选为20℃~250℃(更优选为40℃~180℃、进一步优选为50℃~120℃),反应时间优选为1小时~80小时(更优选为5小时~70小时、进一步优选为10小时~60小时)。
本发明的制备方法[3-1]中,生成构成中间体(8)的阴离子中的XR13被取代的离子性化合物(1):Mn+([B(CN)4-mYm]-)n。
作为构成通过以本发明的制备方法[3-1]得到的离子性化合物(2)的具体的氰基硼酸盐阴离子,例如可以举出以下优选的氰基硼酸盐阴离子,即[B(CN)3(F)]-、[B(CN)3(Cl)]-、[B(CN)3(CF3)]-、[B(CN)3(C2F5)]-、[B(CN)3(Ph)]-、[B(CN)3(Me)]-、[B(CN)3(CH2)6B(CN)3]2-等三氰基硼酸盐阴离子;[B(CN)2(F)2]-、[B(CN)2(Cl)2]-、[B(CN)2(CF3)2]-、[B(CN)2(Me)2]-、[B(CN)2(NMe2)2]-等二氰基硼酸盐阴离子;[B(CN)(F)3]-、[B(CN)(Cl)3]-、[B(CN)(CF3)3]-、[B(CN)(Me)3]-、[B(CN)(Ph)3]-等氰基硼酸盐阴离子。
从而,根据本发明的制备方法[3-1],得到由上述有机阳离子或无机阳离子Mn+和具有上述的Y的氰基硼酸盐阴离子形成的离子性化合物(1)。
2-3-3.制备方法[3-2]
作为本发明的制备方法[3-2]中使用的取代反应试剂,可以举出,甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、异丁醇、仲丁醇、叔丁醇、戊醇、己醇、庚醇、辛醇、2-乙基己醇、环己醇、甲基环己醇、环己醇、金刚烷醇等含有直链状、支链状、环状或其组合的饱和脂肪族醇类;2-丙烯醇、烯丙基醇、2-丁烯醇、3-丁烯醇、2-环己烯醇、3-环己烯醇、甲基环己烯醇、乙基环己烯醇、环己烯甲基醇、苄基醇、苯基乙基醇、甲基苯基乙基醇、乙二醇、丙二醇、环己二醇等1价或2价以上的含有直链状、支链状、环状或其组合的不饱和脂肪族和/或芳香族醇类;苯酚、甲基苯酚、环己基苯酚、乙烯苯酚、萘酚、甲基萘芬、对苯二酚、甲氧基苯酚等1价或2价以上的酚类;氟甲基醇、二氟甲基醇、三氟甲基醇、氯甲基醇、溴甲基醇、碘甲基醇、二氟氯甲基醇、二氯氟甲基醇、氟乙基醇、二氟乙基醇、三氟乙基醇、四氟乙基醇、全氟乙基醇、氟氯乙基醇、氯乙基醇、氟丙基醇、全氟丙基醇、六氟异丙基醇、氟氯丙基醇、全氟丁基醇、全氟辛基醇、五氟环己基醇、全氟环己基醇、五氟苯酚、全氯苯酚、氟乙二醇、二氟乙二醇、三氟乙二醇、四氟乙二醇、氟环己醇、氟对苯二酚、双酚F等1价或2价以上的含有直链状、支链状、环状或其组合的卤化醇类和/或卤化酚类;氰基甲基醇、二氰基甲基醇、三氰基甲基醇、氰基乙基醇、二氰基乙基醇、三氰基乙基醇、四氰基乙基醇、氰基丙基醇、氰基丁基醇、氰基辛基醇、氰基环己基醇、氰基苯酚、氰基乙二醇、二氰基乙二醇、氰基环己二醇、氰基对苯二酚等1价或2价以上的含有直链状、支链状、环状或其组合的氰化醇类或氰化酚类;甲氧基甲基醇、甲氧基乙基醇、甲氧基丙基醇、甲氧基丁基醇、甲氧基环己基醇、甲氧基苯酚、甲氧基萘酚、乙氧基甲基醇、丙氧基甲基醇、丁氧基甲基醇、戊氧基甲基醇、己氧基甲基醇、环己氧基甲基醇、苯氧基甲基醇、乙烯氧基甲基醇、异丙烯氧基甲基醇、叔丁基氧基甲基醇、萘氧基甲基醇、甲氧基乙氧基甲基醇、乙氧基乙氧基甲基醇、乙氧基乙基醇、丙氧基乙基醇、丁氧基乙基醇、戊氧基乙基醇、己氧基乙基醇、环己氧基乙基醇、苯氧基乙基醇、乙烯氧基乙基醇、异丙烯氧基乙基醇、叔丁烯氧基乙基醇、萘氧基乙基醇、甲氧基乙氧基乙基醇、乙氧基乙氧基乙基醇、二乙二醇、三乙二醇、四乙二醇等1价或2价以上的含有直链状、支链状、环状或其组合的烷氧基化和/或芳氧基化醇和/或酚类;甲醛、多聚甲醛、三氧杂环己烷(变甲醛)、乙醛、丙醛、丁醛、丙烯醛、苯甲醛、肉桂醛等1价或2价以上的含有直链状、支链状、环状或其组合的醛类;丙酮、甲基乙基酮、苯乙酮、苯甲酮、环己酮、乙酰丙酮等1价或2价以上的含有直链状、支链状、环状或其组合的酮类;乙酸酐、丙酸酐、丁酸酐、戊酸酐、己酸酐、庚酸酐、辛酸酐、异丙酸酐、异丁酸酐、丙烯酸酐、甲基丙烯酸酐、乙二酸酐、丙二酸酐、丁二酸酐(琥珀酸酐)、苯甲酸酐等1价或2价以上的含有直链状、支链状、环状或其组合的羧酸酐类;乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸丁酯、乙酸环己酯、乙酸苯酯、乙二醇二乙酸酯、二乙二醇二乙酸酯、丙酸甲酯、丁酸甲酯、戊酸甲酯、己酸甲酯、庚酸甲酯、辛酸甲酯、异丙酸甲酯、异丁酸甲酯、丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸甲酯、乙二酸二甲酯、丙二酸二甲酯、丁二酸二甲酯(琥珀酸二甲酯)、苯甲酸二甲酯、γ-丁内酯、ε-己内酯、碳酸二甲酯、碳酸甲基乙基酯、碳酸二乙酯、碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸亚乙烯酯、原乙酸三甲酯(オルト酢酸トリメチル)、原乙酸三乙酯、氰基乙酸乙酯、碳酸丙三醇酯等1价或2价以上的含有直链状、支链状、环状或其组合的有机酸酯类和/或原酸酯类;甲酰胺、二甲基甲酰胺、乙酰胺、甲基乙酰胺、二甲基乙酰胺、二乙基乙酰胺、二丁基乙酰胺、二苯基乙酰胺、丙烯酰胺、二甲基丙烯酰胺、二丁基丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺、二甲基丙烯酰胺、乙二酰胺、丙二酰胺、丁二酰胺(琥珀酸二酰胺)、丁二酰亚胺、甲基丁二酰亚胺、苯甲酰胺、γ-丁内酰胺、ε-己内酰胺等1价或2价以上的含有直链状、支链状、环状或其组合的羧酸酰胺类和/或酰亚胺类;三甲基氰硅烷、三甲基甲氧硅烷等烷基氰硅烷、三甲基氯硅烷、三甲基溴硅烷等有机硅烷化合物类;铝酸三甲酯、铝酸三乙酯等有机铝化合物;氟磺酸、三氟甲烷磺酸、氟磺酸酐、三氟甲烷磺酸酐等磺酸和/或磺酸酐类等。优选为烷基氰硅烷、脂肪族醇类、卤化醇类、酚类、羧酸酐、磺酸和/或磺酸酐类。
取代反应试剂的用量,可以根据中间体(8)具有的-R13基团的数量适当地决定,例如,中间体(8)的通式中m为1的情况下,相对于中间体(8)的取代反应试剂的用量优选为5:1~1:10(中间体(8):取代反应试剂。摩尔比。以下相同)。更优选为2:1~1:9,进一步优选为1:1~1:8。m为2的情况下,相对于中间体(8)的取代反应试剂的用量优选为4:1~1:12(更优选为1:1~1:6,进一步优选为1:2~1:4),m为3的情况下,相对于中间体(8)的取代反应试剂的用量优选为3:1~1:15(更优选为1:1.5~1:7,进一步优选为1:3~1:5)。在任意情况下,取代反应试剂的用量过少时,有目标离子性化合物的产量变少,或副产物生成的情况,另一方面过多时,来自取代反应试剂的杂质增加,有目标产物的生成变得困难的倾向。
制备方法[3-2]中,与制备方法[3-1]相同,除了中间体(8)和取代反应试剂之外,可以使用作为阳离子交换试剂的有机阳离子的卤素盐。作为有机阳离子的卤素盐,可以使用与制备方法[3-1]同样的有机阳离子的卤素盐。
另外,制备方法[3-2]中,为了促进取代反应,还可以使用催化剂。这时,作为可以使用的催化剂没有特别的限定,例如可以使用硫酸、盐酸、磷酸、硝酸、甲酸、乙酸、乙二酸、三氟乙酸、三氟甲磺酸、对甲苯磺酸等布朗斯特酸类;氟化硼、氯化硼、氯化铝、氯化铁等路易斯酸类;氨、三乙胺、苯胺、吡啶、三苯基膦、三丁基膦等路易斯碱类。上述催化剂可以单独使用1种,也可以2种以上组合使用。
中间体(8)和取代反应试剂的反应,还可以使用反应溶剂。作为反应溶剂,能溶解中间体(8)和取代反应试剂的溶剂即可,可以使用与制备方法[3-1]同样的反应溶剂。另外,取代反应试剂也可以作为反应溶剂使用。另外,制备方法[3-2]中,上述的反应溶剂中,优选为甲苯、二甲苯等芳香族烃系溶剂。上述溶剂可以单独使用,也可以2种以上混合使用。另外,上述取代反应试剂,有兼备作为溶剂的作用,还可以将取代反应试剂作为反应溶剂使用。另外,取代反应试剂,并不仅仅作为置换反应试剂,也想作为反应溶剂的情况下,控制反应条件即可,例如,调整反应时的温度即可。
本发明的制备方法[3-2]中,反应温度优选为20℃~250℃(更优选为40℃~180℃、进一步优选为50℃~120℃),反应时间优选为1小时~80小时(更优选为5小时~70小时、进一步优选为10小时~60小时)。
如上所述,根据本发明的制备方法[3-2],生成构成中间体(8)的阴离子中的R13被取代的离子性化合物(1):Mn+([B(CN)4-mYm]-)n。
从而,作为构成通过以本发明的制备方法[3-2]得到的离子性化合物的具体的氰基硼酸盐阴离子,可以举出,[B(CN)3(OMe)]-、[B(CN)3(OEt)]-、[B(CN)3(O-i-Pr)]-、[B(CN)3(OBu)]-、[B(CN)3(OPh)]-、[B(CN)3(OCH2CH2O)B(CN)3]2-、[B(CN)3(OC3H6O)B(CN)3]2-等烷氧基三氰基硼酸盐阴离子;[B(CN)2(OMe)2]-、[B(CN)2(OEt)2]-、[B(CN)2(O-i-Pr)2]-、[B(CN)2(OBu)2]-、[B(CN)2(OPh)2]-等二烷氧基二氰基硼酸盐阴离子;[B(CN)(OMe)3]-、[B(CN)(OEt)3]-、[B(CN)(O-i-Pr)3]-、[B(CN)(OBu)3]-、[B(CN)(OPh)3]-等三烷氧基氰基硼酸盐阴离子;[B(CN)3(SMe)]-等烷硫基三氰基硼酸盐阴离子;[B(CN)3(OCF3)]-、[B(CN)3(OC2F5)]-等的卤化烷氧基氰基硼酸盐阴离子类;[B(CN)3(OC2H4CN)]-等的氰化烷氧基氰基硼酸盐阴离子类;[B(CN)3(OCOCH3)]-、[B(CN)3(OCOC2H5)]-、[B(CN)3(OCOOCH3)]-、[B(CN)3(OCOOC2H5)]-、[B(CN)3(OCH2CH2OCOOCH3)]-等酯系氰基硼酸盐阴离子类;[B(CN)3(OSO2F)]-、[B(CN)3(OSO2CF3)]-、[B(CN)3(OSO2CH3)]-、[B(CN)3(OSO2C6H4CH3)]-等具有磺酰基的氰基硼酸盐阴离子类;[B(CN)3(OSiCH3)]-等烷基硅烷氧基氰基硼酸盐阴离子类。
从而,根据本发明的制备方法[3-2],得到由上述有机阳离子或无机阳离子Mn+和具有上述的Y的氰基硼酸盐阴离子形成的离子性化合物(1)。另外,作为取代反应试剂,在使用制备方法[3-1]、[3-2]中任意一种举出的化合物的情况下,反应温度变高时(例如110℃以上),容易得到制备方法[1]中的产物。
制备方法[3-1]、[3-2]中,虽然对暂时将合成的离子性化合物(中间体)作为原料,修饰或取代其一部分的有机取代基R13,制备目标的离子性化合物(1)的方法进行了说明,但是取代反应试剂也可以在中间体(8)合成时,与中间体(8)合成用的原料一起投入反应体系中。另外,也可以在合成中间体(8)后,向该反应体系中投入取代反应试剂,或者,还可以在暂时合成的中间体(8)精制后,重新使中间体(8)和取代反应试剂混合反应。
2-4.精制
在制备方法[1]~[3]中任意一种中,上述反应后,为了进一步降低生成的离子性化合物(2)(粗离子性化合物)中的杂质量,提高纯度,可以进行提高纯度的精制。精制方法没有特别的限定,可以采用任意以往公知的精制方法,例如,用水、有机溶剂及其混合溶剂洗涤产物、使产物与氧化剂接触的氧化剂处理、或吸附精制法、再沉淀法、分液萃取法、再结晶法、晶析法和通过色谱等的精制。
这些精制方法可以单独实施1种,也可以2种以上组合实施。另外,从减少上述杂质的观点考虑,优选采用氧化剂处理、吸附精制法、分液萃取法、晶析法中的1种以上,特别地,优选为这些全部实施。
2-4-1.分液萃取法
通过分液萃取法处理中使用的溶剂没有特别的限定,优选为能与上述的离子性化合物的制备中使用的溶剂形成2层状态的溶剂。例如,在上述的离子性化合物的制备中使用有机溶剂的情况下,优选在洗涤、分液萃取中使用水。通过使用水,可以有效地将碱金属离子以及卤化物离子甚至硅萃取到水层,从而可以从离子性化合物中除去这些离子成分。另外,作为优选的萃取溶剂的组合,从与水进行分层以及离子性化合物的回收率的观点考虑,可以举出水/己烷、水/甲基乙基酮、水/甲基异丁基酮、水/二甲基醚、水/二乙基醚、水/乙酸乙酯、水/乙酸丁酯、以及水/二氯甲烷的组合,其中,优选为水/乙酸乙酯、水/乙酸丁酯、水/甲基异丁基酮、水/二乙基醚的组合,进一步优选为水/乙酸乙酯、水/乙酸丁酯、水/二乙基醚的组合。
2-4-2.晶析法
通过晶析法处理中使用的溶剂没有特别的限定,优选使用溶解上述的离子性化合物的溶剂(以下,好溶剂),另外根据需要也可以组合使用离子性化合物溶解性低的溶剂(差溶剂)。只以好溶剂进行晶析的情况下,通常在高温下尽可能使粗离子性化合物以高浓度溶解,然后冷却利用溶解度的差异可以只有作为目标的离子性化合物被结晶化,相反也可以只有杂质被结晶化,与溶解的部分(精制离子性化合物)分离(被称作再结晶法)。另外,该温度条件没有限定,优选为在20℃~250℃的范围内实施。更优选为在20℃~200℃的范围内实施,进一步优选为在20℃~160℃的范围内实施。
与好溶剂组合,使用差溶剂的情况下,使粗离子性化合物尽可能在好溶剂中以高浓度溶解,然后混合差溶剂利用溶解度的差异可以只有作为目标的离子性化合物被沉淀或悬浮,相反也可以只有杂质被沉淀或悬浮,与溶解的部分分离(被称作再沉淀法)。进而,这时,还可以以控制溶解度的差异为目标变化温度。这种情况下,温度条件没有特别的限定,优选为在20℃~250℃的范围内实施。更优选为在20℃~180℃的范围内实施,进一步优选为在20℃~120℃的范围内实施。另外,也可以组合实施上述再结晶法和再沉淀法。
这些晶析法实施时使用的溶剂的种类没有特别的限定,无论哪种溶剂如果在提纯后的制品中残留,都可能会给使用其的装置的性能带来坏影响。因此,优选为使用电化学稳定的溶剂。具体地,优选为己烷、庚烷、辛烷、癸烷、十二烷等烃类或其混合物的石油醚类,乙腈、丁腈、己腈、戊腈、苯甲腈、丁二腈等有机腈类,乙酸乙酯、乙酸丁酯、乙酸己酯、乙酸辛酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲基乙基酯、碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯等有机酯类,二氯甲烷、氯仿、四氯化碳、二氯乙烷、四氯乙烷、氯苯、二氯苯等卤化烃类,更优选为己烷、庚烷、辛烷、癸烷、十二烷、石油醚类、乙腈、丁腈、戊腈、乙酸乙酯、乙酸丁酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲基乙基酯、碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、二氯甲烷、氯仿、二氯乙烷、四氯乙烷。这些溶剂可以1种单独使用,另外,也可以2种以上组合使用。另外上述溶剂是作为好溶剂使用,还是作为差溶剂使用,可以根据离子性化合物的种类,晶析精制时的温度条件、浓度条件,或者离子性化合物的用途而变更,没有特别的限制。
2-4-3.氧化剂处理
氧化剂处理是使粗离子性化合物与氧化剂接触,通过采用该氧化剂处理,可以得到氰化合物离子等杂质离子成分含量低的高纯度离子性化合物。
如上所述,离子性化合物中含有的杂质离子成分,有可能使使用了离子性化合物的电化学装置或其周边部件劣化,进而使电化学装置的性能降低。另外,在本发明的制备方法中,由于以氰化合物为起始原料,产物中残留有游离的氰化物离子(CN-)等来自于起始原料的成分,或者存在有制备过程中不可避免地混入的杂质。本发明所述的离子性化合物在用于电化学装置的构成材料时,存在于离子性化合物中的CN-等杂质,会引起离子传导性能降低或电极腐蚀,成为使电化学性能劣化的原因。
另外,通常认为有机化合物在氧化剂存在下容易氧化分解,以氰基硼酸盐([B(CN)4-a(XR14)a]-)作为阴离子的离子性化合物也进行同样的氧化分解。因此,虽然通过使用NaOH水溶液等的萃取处理,离子性化合物中不纯的离子成分成为碱金属盐(NaCN、NaCl)转移到水层中除去,但是氰化物离子(CN-)为弱酸,由于其与碱金属的盐在水中的溶解度不太高萃取效率低下。另外,为了充分降低杂质量,需要多次反复萃取操作,从而存在离子性化合物产率降低的问题。
但是,本发明的发明人通过研究明确了,具有氰基硼酸盐阴离子的离子性化合物,意外地,与一般的有机化合物相比,相对于氧化剂的稳定性高,从而,通过使制备后的离子性化合物与氧化剂接触,可以使产物中所含的过量的氰化物离子(CN-)分解,更进一步,还可以降低起始原料或在制造工序中不可避免地混入的杂质的含量。
特别是在三甲基氰硅烷和硼化合物反应得到的产物与氧化剂接触的情况下,通过使生成的粗离子型化合物和氧化剂接触进行氧化处理,硅、卤化物离子等杂质或水分量被降低,得到高纯度的离子性化合物。
作为用于上述氧化剂处理的氧化剂,可以举出,过氧化氢、高氯酸钠、过乙酸、间氯过氧苯甲酸(mCPBA)等过氧化物,高锰酸钾、氧化锰等锰化合物,重铬酸钾等铬化合物,氯酸钾、溴酸钠、溴酸钾、次氯酸钠、二氧化氯等含卤素化合物,硝酸、氯胺等无机氮化合物,乙酸,四氧化锇等。其中,优选为过氧化物,进一步优选为过氧化氢、高氯酸钠。特别是在使用过氧化氢作为氧化剂的情况下,氯化物离子(Cl-)、氰酸离子(NCO-)等杂质被有效地分配到过氧化氢水层中,离子性化合物的萃取效率提高,因此特别优选。另外,在使用过氧化氢的情况下,由于杂质中吸湿性的物质、容易水合的成分被有效地分配到过氧化氢水层,在离子性化合物纯度提高的同时,还能够容易地降低离子性化合物中的水分量。
上述氧化剂可以是固体状,也可以是液体状,固体状的情况可以溶解在溶剂中使用。另外,还可以将液体状的氧化剂、固体状的氧化剂溶解在溶剂中的氧化剂溶液进一步稀释后使用。
氧化剂的用量,因粗离子性化合物中所含的杂质的量(特别是CN-等)而异,但是,相对于每100质量份的粗离子性化合物,优选为1质量份~1000质量份,更优选为10质量份~500质量份,进一步优选为20质量份~300质量份,特别优选为50质量份~100质量份。另外,氧化剂的量过多时,离子性化合物有可能会分解,另一方面,过少时,有难以充分降低过量的离子成分或杂质的情况。另外,上述“粗离子性化合物”的意思是,从制备后的反应溶液中馏去溶剂而得到的成分。但是,也可以在制备后、或者上述的其它的精制处理后,不进行反应溶剂等的馏去,直接进行氧化剂处理。
氧化剂处理并不特别限定于粗离子性化合物与氧化剂接触,也可以使制备(合成)后的粗离子性化合物直接与氧化剂接触,另外,还可以制备粗离子性化合物溶液,使该粗离子性化合物溶液与氧化剂混合接触。也就是说,作为接触的形式,可以举出,向粗离子性化合物溶液中添加固体状的氧化剂,使两者接触的形式;粗离子性化合物溶液与氧化剂溶液混合,使两者接触的形式;将固体状的粗离子性化合物添加到氧化剂溶液中,使两者接触的形式。另外,作为使粗离子性化合物溶解的溶剂,优选后述的活性炭处理所使用的溶剂。
如上所述,本发明的离子性化合物,虽然与一般的有机物相比相对于氧化剂的耐受性高,但是与氧化剂的过度接触会成为离子性化合物分解的原因。因此,从抑制离子性化合物分解的观点考虑,推荐在低温下且在短时间内进行氧化剂处理。例如,氧化剂处理优选在制备离子性化合物时的反应温度以下进行,进一步优选为在溶剂的沸点以下进行。具体地,优选为0℃-150℃,更优选为0℃-130℃,进一步优选为10℃-100℃,特别优选为10℃-80℃。
2-4-5.吸附精制方法
作为吸附精制方法所使用的吸附剂,可以举出活性炭、硅胶、氧化铝、沸石等。其中,以活性炭为吸附剂的吸附处理(活性炭处理),由于混入到离子性化合物中的杂质少而优选。
能用于吸附处理的活性炭没有特别的限定。作为活性炭的形状,只要是表面积大的活性炭就没有特别的限定,可以举出粉末状、粉碎状、颗粒状、造粒状以及球状等,其中,从表面积大的方面考虑,优选为使用粉末状的活性炭。另外,活性炭优选为表面积在100m2/g以上的,进一步优选为400m2/g以上,特别优选为800m2/g以上。另外,为了避免活性炭中所含的杂质混入到离子性化合物中,优选为使用杂质含量少的活性炭,作为所述的活性炭的一个例子,可以举出日本エンバイロケミカルズ株式会社制的カルボラフィン(注册商标)-6。
活性炭等的用量,相对于100质量份的粗离子性化合物,优选为1质量份以上,500质量份以下;进一步优选为10质量份以上,300质量份以下;更优选为20质量份以上,200质量份以下。
不限于活性炭处理,作为吸附处理时能够使用的溶剂,虽然没有特别的限定,但是优选为能够溶解粗离子性化合物的溶剂。例如可以举出,水;甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、1-丁醇、仲丁醇、叔丁醇、1-戊醇、2-戊醇、3-戊醇、3-甲基-1-丁醇、3-甲基-2-丁醇、2-甲基-1-丁醇、叔戊醇、新戊醇、1-己醇、2-己醇、3-己醇、2-甲基-1-戊醇、3-甲基-3-戊醇、4-甲基-2-戊醇、3,3-二甲基-2-丁醇、1-庚醇、2-庚醇、3-庚醇、2-甲基-3-己醇、2,4-二甲基-3-戊醇、1-辛醇、2-辛醇、3-辛醇、2-乙基-壬醇、2,4,4-三甲基-1-戊醇、1-壬醇、2-壬醇、2,6-二甲基-4-庚醇、3,5,5-三甲基-1-己醇、1-癸醇、2-癸醇、4-癸醇、以及3,7-二甲基-1-辛醇等脂肪族单醇类;环戊醇、环己醇等脂环式单醇类;乙二醇、丙二醇、1,4-丁二醇、1,4-二羟基-2-丁烯、1,2-二羟基-3-丁烯以及丙三醇等多元醇类;丙酮、甲基乙基酮、甲基丁基酮、甲基异丁基酮以及甲基异丙基酮等酮类;二甲基醚、二乙基醚、二丙基醚、甲基叔丁基醚、丁基乙基醚、二丁基醚、二戊基醚、四氢呋喃以及四氢吡喃等醚类;乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸异丙酯、乙酸丁酯、丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯等酯类;正戊烷、正己烷、甲基戊烷、正庚烷、甲基己烷、二甲基戊烷、正辛烷、甲基庚烷、二甲基己烷、三甲基戊烷、二甲基庚烷、正癸烷等直链状或者支链状的脂肪族饱和烃类;1-戊烯、1-己烯、4-甲基-1-戊烯、1-庚烯等直链状或者支链状的脂肪族不饱和烃类;苯、甲苯、二甲苯、乙苯、丙苯等芳香族烃类;环戊烷、甲基环戊烷、环己烷、甲基环己烷、二甲基环己烷、乙基环己烷、丙基环己烷等脂环式化合物类;氯甲烷、二氯甲烷、三氯甲烷、四氯化碳、二氯乙烯、三氯乙烯以及四氯乙烯等含卤素溶剂;乙腈、丙腈、丁腈、戊腈、己腈、苄腈等腈类等。其中,可以举出水、酮类、醚类、酯类、脂肪族饱和烃以及含卤素溶剂。其中,优选为水、甲基乙基酮、二甲基醚、二乙基醚、乙酸乙酯、乙酸丁酯以及己烷。上述溶剂可以单独使用,也可以2种以上混合使用。另外,用于活性炭处理的水,优选为以具有过滤器或离子交换膜、反渗透膜等各种过滤材料的超纯水装置进行处理过的超纯水(离子电阻为1.0Ω·cm以上)。
上述溶剂的用量,相对于100质量份的粗离子性化合物,优选为10质量份以上、2000质量份以下,更优选为100质量份以上、1000质量份以下,进一步优选为200质量份以上、1000质量份以下。溶剂量过多时,反应装置变大,成本高,并且有收率降低的倾向,经济上的优点少。另一方面,用量过少时,有离子性化合物的纯度降低的情况。
上述精制方法的实施顺序虽然没有特别的限定,但是例如,如果在氧化剂处理、吸附精制方法、分液萃取法都是采用的情况下,优选为以分液萃取法、氧化剂处理、吸附精制方法这样的顺序进行实施。
2-5.阳离子交换反应
通过上述制备方法得到的离子性化合物,更进一步,可以进行阳离子交换反应。因为通式(2)所示离子性化合物的特性依存于阳离子的种类,通过进行阳离子交换,可以容易地得到特性不同的氰基硼酸盐。
阳离子交换反应,可以使通过上述制备方法得到的通式(2)所示离子性化合物和具有期望的阳离子的离子性物质反应即可。作为上述离子性物质,可以为具有期望的阳离子的化合物,可以举出例如,氢氧化物、卤素盐、四氟化硼酸盐、六氟化磷酸盐、高氯酸盐、二(三氟甲烷磺酰)亚胺盐等。阳离子交换反应时的条件没有特别的限定,反应温度或时间,可以根据反应的进行状况适当调整。另外,根据需要,可以使用溶剂,例如可以优选使用上述的溶剂。
3.电解质材料
本发明包括(ⅰ)含有离子性化合物(1)和媒介物的电解质材料(以下,有称作电解质材料(ⅰ)的情况);(ⅱ)含有离子性化合物(1)和媒介物,离子性化合物的浓度为1质量%以上,并且水的含量为50ppm以下的电解质材料(以下,有称作电解质材料(ⅱ)的情况);或者,(ⅲ)含有离子性化合物(1),并且水的含量为2000ppm以下的电解质材料(以下,有称作电解质材料(ⅲ)的情况)。
本发明的发明人发现,通过将上述通式(1)所示离子性化合物用作电解质,可以提高电解液的耐电压性,即使在高电压下反复进行充放电,蓄电装置也能稳定地工作,从而完成了本发明。以下,对这些电解质材料(ⅰ)~(ⅲ)进行说明。
3-1.电解质材料(ⅰ)
本发明的电解质材料(ⅰ),其特征在于,含有上述通式(1)所示离子性化合物和溶剂(媒介物)。以下,本发明的电解质材料(ⅰ),有只称作电解液的情况。
3-1-1.离子性化合物
本发明的电解液,含有上述离子性化合物(1)。电解液中,离子性化合物(1)的浓度优选为0.1质量%以上,另外,优选为饱和浓度以下。小于0.1质量%时,离子电导率变低,因此不优选。更优选为1质量%以上,进一步优选为5质量%以上,另外,进一步优选为50质量%以下,更优选为40质量%以下。如果电解质浓度太低,有难以得到期望的电导率的情况,另一方面,浓度太高时,特别在低温区域(约-20℃)变得显著,电解液的粘度上升,电荷的移动效率降低,在电解液中离子性化合物(1)分离、析出,给装置带来坏影响。另外,由于离子性化合物(1)的过量使用,还产生成本上升的问题。
3-1-2.媒介物(溶剂)
作为能适合用于本发明的电解液的媒介物(溶剂),可以举出能溶解上述离子性化合物(1)的非质子性溶剂。
通常,由于有机溶剂在高电压下分解,发生电解液的劣化。但是,本发明的发明人认为,通过使用含有通式(1)所示氰基硼酸盐的本发明的电解液,即使在超过公知溶剂的耐电压的高电压下也不流过分解电流,难以发生电解质的劣化。该效果特别在离子性化合物(1)所含有的规定杂质的量降低时变得特别显著。也就是说,本发明的电解液,与以往的电解液相比耐电压性高,因此,在使用该电解液的蓄电装置中,充放电循环特性提高。另外,该耐电压特性或循环特性的提高效果,电解液中除了上述通式(1)所示离子性化合物(1)之外,添加其它电解质的情况下也同样能够得到。
作为能用于本发明的电解液的非质子性溶剂,优选为介电常数大的,电解质盐的溶解性高的,沸点在60℃以上的,且电化学稳定范围大的溶剂。进一步优选为含水分量低的有机溶剂(非水系溶剂)。作为这样的有机溶剂,可以举出,乙二醇二甲基醚(1,2-二甲氧基乙烷)、乙二醇二乙基醚、四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃、2,6-二甲基四氢呋喃、四氢吡喃、冠醚、三乙二醇二甲基醚、四乙二醇二甲基醚、1,4-二恶烷,1,3-二氧戊环等醚类;碳酸二甲酯、碳酸乙基甲酯(碳酸甲基乙基酯)、碳酸二乙酯(二乙基碳酸酯)、碳酸二苯酯、碳酸甲基苯酯等链状碳酸酯类;碳酸乙烯酯(乙烯基碳酸酯)、碳酸丙烯酯(丙烯基碳酸酯)、2,3-二甲基碳酸乙烯酯、碳酸丁烯酯、碳酸亚乙烯酯、2-乙烯基碳酸乙烯酯等环状碳酸酯类;甲酸甲酯、乙酸甲酯、丙酸、丙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸丙酯、乙酸丁酯、乙酸戊酯等脂肪族羧酸酯类;苯甲酸甲酯、苯甲酸乙酯等芳香族羧酸酯类;γ-丁内酯、γ-戊内酯、δ-戊内酯等羧酸酯类;磷酸三甲酯、磷酸乙基二甲酯、磷酸二乙基甲酯、磷酸三乙酯等磷酸酯类;乙腈、丙腈、甲氧基丙腈、戊二腈、己二腈、2-甲基戊二腈、戊腈、丁腈、异丁腈等腈类;N-甲基甲酰胺、N-乙基甲酰胺、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮、N-乙烯基吡咯烷酮等酰胺类;二甲基砜、乙基甲基砜、二乙基砜、环丁砜、3-甲基环丁砜、2,4-二甲基环丁砜等硫化合物类;乙二醇、丙二醇、乙二醇单甲基醚、乙二醇单乙基醚等醇类;二甲基亚砜、甲基乙基亚砜、二乙基亚砜等亚砜类;苄腈、苯甲腈等芳香族腈类;硝基甲烷、1,3-二甲基-2-咪唑啉酮、1,3-二甲基-3,4,5,6-四氢-2(1H)-嘧啶酮、3-甲基-2-恶唑烷酮等。其中,优选为链状碳酸酯类、环状碳酸酯类、脂肪族羧酸酯类、羧酸酯类、醚类,进一步优选为碳酸二甲酯、碳酸甲基乙基酯、碳酸二乙酯、碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、γ-丁内酯、γ-戊内酯。上述溶剂可以单独使用1种,也可以2种以上组合使用。
3-1-3.其它电解质
本发明的电解液,还可以包括上述离子性化合物(1)以外的其它电解质。作为其它电解质,优选为在电解液中解离常数大的电解质。作为其它电解质含有的阳离子种类,可以举出例如Li+、Na+、K+等碱金属离子,Ca2+、Mg2+等碱土金属离子,以及上述的鎓阳离子,特别优选为链状季铵或锂离子。另一方面,作为阴离子种类,可以举出PF6 -、BF4 -、Cl-、Br-、ClO4 -、AlCl4 -、C[(CN)3]-、N[(CN)2]-、N[(SO2CF3)2]-、N[(SO2F)2]-、CF3(SO3)-、C[(CF3SO2)3]-、AsF6 -、SbF6 -和二氰基三偶氮盐(DCTA)等。其中,进一步优选为PF6 -、BF4 -,特别优选为BF4 -。
具体地,作为优选的其它电解质可以举出,含有三乙基甲基铵作为阳离子成分、BF4 -作为阴离子成分的四氟硼酸三乙基甲基铵,含有四乙基铵作为阳离子成分、BF4 -作为阴离子成分的四氟硼酸四乙基铵等。
在使用上述其它电解质的情况下,作为其存在量,在上述离子性化合物(1)和其它电解质合计100质量%中,优选为0.1质量%以上、50质量%以下。不满0.1质量%时,离子的绝对量不充分,电导率可能变小,超过50质量%时,离子的移动可能被严重阻碍。进一步优选为1质量%以上,更进一步优选为5质量%以上,进一步优选为6质量%以上,进一步优选为10质量%以上,进一步优选为40质量%以下,更进一步优选为30质量%以下,进一步优选为25质量%以下。
另外,在其它电解质并用的情况下,本发明的电解液中的电解质浓度(离子性化合物(1),或者离子性化合物(1)和其它电解质的总量),优选为1质量%以上,另外,优选为饱和浓度以下。不满1质量%时,离子传导率变低,因此不优选。进一步优选为5质量%以上,另外,进一步优选为50质量%以下,更优选为40质量%以下。如果电解质浓度太低,有难以得到期望的电导率的情况,另一方面,浓度太高时,特别在低温区域(约-20℃)变得显著,电解液的粘度上升,电荷的移动效率降低,在电解液中电解质(离子性化合物(1))分离、析出,给装置带来坏影响。另外,由于电解质的过量使用,还产生成本上升的问题。
本发明的电解液,在下述条件进行LSV测定时,优选为在6.9V以上,13.8V以下(vs.Li/Li+)具有耐电压性的电解液。
这里,“在6.9V以上,13.8V以下(vs.Li/Li+)具有耐电压性”,意思是以后述条件进行LSV测定时,在6.9V~13.8V的范围中基准电流值以上的电流不流过,也就是说,电解液的分解难以发生。从而,具备具有上述耐电压的本发明的电解液的蓄电装置,可以在高电位充电,另外,即使在高电位运转电解液以及电极的劣化也难以发生,因此成为能量密度高的蓄电装置。另外,基准电流值以上的电流被观测的电压高的程度,可以称为高性能电解液。从而,作为本发明的电解液,优选为在7V以上,13.8V以下(锂基准)具有耐电压的电解液,进一步优选为在8V~13.8V(锂基准)具有耐电压的电解液,更优选为在10V~13.8V(锂基准)具有耐电压的电解液。
另外,表示耐电压的范围,通过以下说明的以线性扫描伏安法(LSV)测定分解电压求出。
线性扫描伏安法,以规定的电解质浓度(离子性化合物(1)和上述其它电解质的总量)的碳酸丙烯酯溶液或者γ-丁内酯溶液作为电解液,以玻璃碳电极作为工作电极,以Ag电极作为参比电极,以白金电极作为对电极,使用具备盐桥的3极式电化电池和标准的伏安工具(スタンダードボルタンメトリツール)(“HSV-100”或“HSV-3000”,均为北斗电工社制),在20℃的干燥室中,以扫描速度:10mV/s,扫描范围:-5V~10V(vs.Ag/Ag+)进行,测定0.01mA(12.7mA/cm2)的电流流过时的分解电位。另外,在比自然电位高的电位侧扫描时可以测定氧化分解电位,比自然电位低的电位侧扫描时可以测定还原分解电位。电解液的浓度,在阳离子Mn+为鎓阳离子时为1mol/L,阳离子Mn+为无机阳离子(例如金属阳离子等)时为0.7mol/L。
上述耐电压的评价,通过设定比0.1mA更低的基准电流值,可以确认为更高性能的电解液。也就是说,以上述LSV测定的条件测定时,一点点电流也观测不到的程度,称为高性能电解液。
另外,本发明包括通式(1):Mn+([B(CN)4-mYm]-)n所示离子性化合物(1)和溶剂,也包括基准电流值为0.1mA以外,以与上述相同条件进行LSV测定时在0V以上,小于6.9V(vs.Li/Li+)具有耐电压的电解液。基准电流值以外的LSV测定条件,如上所述,“在0V以上,小于6.9V(vs.Li/Li+)具有耐电压”,意思是以上述的条件进行LSV测定时,在0V以上,小于6.9V的范围基准电流值(0.1mA)以上的电流值不流过,也就是说,电解液的分解不发生。
另外,在0V以上,小于6.9V(vs.Li/Li+)的耐电压评价,也同样地通过设定比0.1mA更低的基准电流值,可以确认为更高性能的电解液。
3-2.电解质材料(ⅱ)、电解质材料(ⅲ)
接着对电解质材料(ⅱ)、(ⅲ)进行说明。电解质材料(ⅱ)、(ⅲ)均含有离子性化合物(1)。这里,电解质材料(ⅱ)、(ⅲ)中含有的离子性化合物(1)优选为阳离子Mn+为无机阳离子的。作为电解质材料(ⅱ)、(ⅲ)中含有的离子性化合物(1),可以举出,三氰基甲氧基硼酸锂、三氰基乙氧基硼酸锂、三氰基甲氧基硼酸钠、二(三氰基甲氧基硼酸)镁、三氰基异丙氧基硼酸锂、三氰基丁氧基硼酸锂、三氰基苯氧基硼酸锂、三氰基(五氟苯氧基)硼酸锂、三氰基(三甲基硅烷氧基)硼酸锂、三氰基(六氟异丙氧基)硼酸锂、三甲基硫基硼酸锂、二氰基二甲氧基硼酸锂、氰基三甲氧基硼酸锂。其中,优选为三氰基甲氧基硼酸锂、三氰基乙氧基硼酸锂、三氰基苯氧基硼酸锂、三氰基丁氧基硼酸锂。
3-2-1.电解质材料(ⅱ)
本发明的电解质材料(ⅱ),其特征在于,含有上述通式(1)所示的离子性化合物(1)和媒介物,电解质材料(ⅱ)中的离子性化合物的浓度为1质量%以上,并且,水的含量为50ppm以下。
本发明的发明人,对上述通式(1)所示的离子性化合物的特性进行了反复研究,发现电解质材料(ⅱ)含有的水分量给电解液、甚至蓄电装置的耐电压特性、循环特性的电化学特性的降低带来影响,为了提供所述的特性降低难以发生的离子性化合物,进一步进行了反复的研究,其结果发现,如果以离子性化合物的浓度成为1质量%以上的方式含有通式(1)所示的离子性化合物和媒介物的电解质材料(ⅰ)的水分含量为50ppm以下(质量基准、以下相同)时,离子性化合物的特性的降低难以发生,进而使用该离子性化合物的各种蓄电装置的构成部件以及电化学的特性的劣化难以发生。
电解质材料含有的水分,认为是在电介质材料的制备工序中,例如由于离子性化合物(1)的合成反应、或者精制时使用的水或溶剂、从空气中等环境吸湿混入的水分残留的水分。作为本发明的电解质材料的用途,虽然可以为各种蓄电装置的电解液,但是如果电解质材料含有水分,电解液的耐电压性被降低,或者蓄电装置运转时水分被电解而生成氢离子,因此电解液的pH值降低(酸性),其结果是,发生所谓由于电解液中生成的酸性成分溶解电极材料,或者和电极材料反应、腐蚀电极材料从而蓄电装置的性能降低的问题。另外,水分被电解时生成气体,因此有密封结构的各种蓄电装置的内压上升导致变形或损坏的情况。由此,装置全变成不能使用的状态,或者变得安全上有问题。
因此,水分的含量越低越好,电解质材料(ⅱ)含有的水分量优选为大约30ppm以下,更优选为大约20ppm以下,进一步优选为大约15ppm以下,特别优选为大约10ppm以下。另外,虽然水分含量的下限没有特别的限定,最优选为0ppm,但是减少到0ppm有技术上的困难,有从经济的理由考虑存在不优选的情况。因此,在本发明中的电解质材料(ⅱ)的水分含量的下限可以为0.1ppm的程度。水分含量为0.1ppm的程度时对离子性化合物特性的影响小。另外,下限也可以为1ppm的程度。这是因为难以发生特性显著地降低而在实用上难以产生问题。
在本发明中,水分的含量为通过使用例如电量滴定法或容量滴定法的卡尔费休水分测定装置(例如,平沼产业株式会社制的卡尔费休水分测定仪),通过后述实施例记载的顺序测定的值。
作为上述媒介物没有特别的限定,可以举出非水系溶剂、聚合物、聚合物凝胶等。作为非水性溶剂,优选为介电常数大的,对离子性化合物(1)的溶解性高的,沸点在60℃以上的,且电化学稳定范围大的溶剂。进一步优选为含水分量低的非质子性有机溶剂。作为所述的有机溶剂的例子,可以优选使用电解质材料(ⅰ)的说明中例示的非质子性溶剂。
作为用做媒介物的聚合物,可以举出,作为环氧化合物(环氧乙烯、环氧丙烯、环氧丁烯、烯丙基缩水甘油醚等)的均聚物或共聚物的聚环氧乙烯(PEO)、聚环氧丙烯等聚醚系聚合物,聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等的甲基丙烯酸系聚合物,聚丙烯腈等腈系聚合物,聚偏氟乙烯(PVDF)、聚偏氟乙烯-六氟丙烯等氟系聚合物,以及它们的共聚物。另外,这些聚合物和其它有机溶剂混合的聚合物凝胶也可以作为本发明所述的媒介物使用。作为其它有机溶剂可以举出上述的非质子性溶剂。
作为在上述聚合物凝胶作为媒介物时的电解质材料(ⅱ)的制备方法,可以举出,向用以往公知的方法成膜的高分子中滴下在上述非质子性溶剂中溶解了离子性化合物(1)的溶液,浸渍、负载离子性化合物(1)和非质子性溶剂的方法;聚合物和离子性化合物(1)在聚合物熔点以上的温度熔融,混合后成膜,在此浸渍非质子性有机溶剂的方法;将预先在有机溶剂中溶解了离子性化合物(1)的溶液和聚合物混合后,通过铸造法(キャスト法)或涂覆法对其成膜,挥发有机溶剂的方法(以上,凝胶电解质);聚合物和离子性化合物(1)在聚合物熔点以上的温度熔融,混合后成型的方法(真性聚合物电解质)。
媒介物的量优选为,使本发明所述的电介质材料(ⅱ)中的离子性化合物(1)的浓度为1质量%以上,饱和浓度以下。例如,相对于γ-丁内酯,三氰基甲氧基硼酸锂的饱和浓度为20.2质量%。更优选为,电解质材料(ⅱ)中的离子性化合物(1)的浓度为5质量%以上,进一步优选为6质量%以上,进一步优选为30质量%以下,更优选为25质量%以下。
3-2-2.电解质材料(ⅲ)
本发明包括上述通式(1)所示的离子性化合物,也包括水含量为大约2000ppm程度以下的电解质材料(ⅲ)。
与电解质材料(ⅱ)相同,在电解质材料(ⅲ)含有水分的情况下,电解液的耐电特性被降低,进而,成为具备电解质材料(ⅲ)的电化学装置不良的原因。因此,水分的含量越低越好,优选为本发明的电解质材料(ⅲ)含有水分量为1500ppm程度以下,更优选为1000ppm程度以下,进一步优选为800ppm程度以下,更优选为600ppm程度以下,更优选为500ppm程度以下,更优选为300ppm程度以下,更优选为200ppm程度以下,特别优选为150ppm程度以下,最优选为100ppm程度以下。另外,虽然水分含量的下限没有特别的限定,最优选为0ppm,但是减少到0ppm有技术上的困难,有从经济的理由考虑不优选的情况。因此,在本发明中水分含量的下限可以为0.1ppm的程度。这是因为水分含量为0.1ppm的程度时对离子性化合物特性的影响小。另外,下限也可以为1ppm的程度。这是因为难以发生特性显著地降低而在实用上难以产生问题。
这里,本发明的电解质材料(ⅲ)可以含有上述离子性化合物(1)。从而,在本发明中,优选离子性化合物(1)(固体状)含有的水分含量在上述范围内。
电解质材料(ⅲ)中的水分含量也与电解质材料(ⅱ)相同,可以通过后述的实施例记载的方法测定。
另外,使电解质材料的水分含量在上述范围的方法没有特别的限定,例如,通过采用后述的制备方法,可以得到含有水分量被降低的离子性化合物(1)的电解质材料(ⅱ)、(ⅲ)。
关于以离子性化合物(1)的浓度为5质量%~饱和浓度的范围的方式在蓄电装置用溶剂(媒介物)中溶解电解质材料(ⅱ)或(ⅲ)调制的电解液,本发明的电解质材料(ⅱ)、(ⅲ)优选为使用以玻璃碳电极作为工作电极,以Ag电极作为参比电极,以白金电极作为对电极的3极式电化电池,以扫描范围为自然电位~10V,扫描速度100mV/sec的条件进行线性扫描伏安法测定时,在3.8V~13.8V(v.s.Li/Li+)(=0~10.0V v.s.Ag/Ag+)区域观测的峰电流值为2mA/cm2以下的。
这里,上述“蓄电装置用溶剂”为从内酯系和碳酸酯系溶剂中选择的溶剂,它们可以单独使用,另外,也可以2种以上的溶剂混合。作为例子,可以举出从由γ-丁内酯、碳酸丙烯酯、碳酸乙烯酯和碳酸乙基甲基酯形成的群中选择的1种以上的溶剂或混合溶剂,但并不仅限定于这些溶剂。
使用上述LSV测定的电解液,可以举出,使电解质材料(ⅱ)或(ⅲ)被分散、溶解于蓄电装置用溶剂的电解液,或者通过后述的制备方法,使用以作为溶剂的内酯系溶剂和/或碳酸酯系溶剂中用作蓄电装置用溶剂的溶剂,实施使离子性化合物(1)的浓度为7质量%的工序(ⅱ)和/或工序(ⅲ)而得到的离子性化合物(1)溶液(电解质材料(ⅱ))。在本发明中,优选为对这些电解液进行LSV测定时观测的峰电流值在上述范围。
如上所述,本发明的电解质材料(ⅱ)和(ⅲ)降低了水分含量,因此水引起的电解液分解难以发生,在锂基准即使扫描电位到13.8V的高电位侧,也可以将观测的峰电流值(分解电流值)抑制为低。从而可知本发明的电解质材料(ⅱ)和(ⅲ),可以作为耐电压性优异的电解液材料或电解液使用。另外,由于峰电流值越低意味着耐电压性越优异,因此更优选为峰电流值为1.5mA/cm2以下,进一步优选为1.3mA/cm2以下。特别优选为1.0mA/cm2以下。
另外,在对将电解质材料(ⅱ)和(ⅲ)在溶剂中溶解调制的电解液进行LSV测定时,优选为来自于溶剂的水分对测定值没有影响。具体地,LSV测定使用的溶剂使用水分量为30ppm以下的脱水级别的溶剂。
虽然本发明的电解质材料(ⅱ)、(ⅲ)中,可以含有上述通式(1)所示离子性化合物和媒介物或只有离子性化合物(1),但也可以含有离子性化合物(1)以外的其它电解质。通过使用其它电解质,可以增加电解质材料中的离子的绝对量,在使用本发明的电解质材料的离子传导材料中可以谋求电导率的提高。
作为其它电解质,优选为在电解液中的解离常数大的,并且具有与后述的非质子性溶剂溶剂化难的阴离子的电解质。作为构成其它电解质的阳离子种类和阴离子种类,可以举出在电解质材料(ⅰ)的说明中例示的阳离子种类和阴离子种类。
具体地,作为其它电解质优选为,LiCF3SO3、NaCF3SO3、KCF3SO3等三氟甲磺酸的碱金属盐或碱土金属盐;LiC(CF3SO2)3、LiN(CF3CF2SO2)2、LiN(FSO2)2等全氟烷基磺酸亚胺的碱金属盐或碱土金属盐;LiPF6、NaPF6、KPF6等六氟磷酸的碱金属盐或碱土金属盐;LiClO4、NaClO4等高氯酸碱金属盐或碱土金属盐;LiBF4、NaBF4等四氟硼酸盐;LiAsF6、LiI、LiSbF6、LiAlO4、LiAlCl4、LiCl、NaI、NaAsF6、KI等碱金属盐;高氯酸四乙基铵等高氯酸的季铵盐;(C2H5)4NBF4、(C2H5)3(CH3)NBF4等四氟硼酸的季铵盐;(C2H5)4NPF6等季铵盐;(CH3)4P·BF4、(C2H5)4P·BF4等季鏻盐等。其中,优选为碱金属盐和/或碱土金属盐。另外,从在非质子性有机溶剂中的溶解性、离子传导率的观点考虑,优选为LiPF6、LiBF4、LiAsF6、全氟烷基磺酸亚胺的碱金属盐或碱土金属盐、链状季铵盐,从耐还原性的观点考虑,优选为链状季铵盐。另外,作为碱金属盐优选为锂盐、钠盐、钾盐,作为碱土金属盐优选为钙盐、镁盐。更优选为锂盐。
作为上述其它电解质的存在量,在上述通式(1)所示离子性化合物和其它电解质的合计100质量%中,优选为0.1质量%以上,90质量%以下。其它电解质量过少时,有用其它电解质的效果(例如离子的绝对量不充分,电导率变小)难以得到的情况。其它电解质过多时,离子的移动可能被严重阻碍。进一步优选为1质量%以上,更优选为5质量%以上,进一步优选为80质量%以下,更优选为70质量%以下。
3-2-3.电解质材料(ⅱ)、(ⅲ)的制备方法
作为电解质材料(ⅱ)、(ⅲ)的制备方法,其为上述电解质材料(ⅱ)、(ⅲ)的制备方法,其特征在于,该方法包括将上述通式(1)所示离子性化合物与从内酯系溶剂和/或碳酸酯系溶剂中选择的溶剂混合后,
(ⅰ)进行蒸馏的工序,和/或
(ⅱ)与分子筛接触的工序。
本发明的电解质材料(ⅱ)、(ⅲ)中含有的离子性化合物(1)与水的亲和性非常高,即使在高真空下在超过100℃的温度下连续加热,也难以充分降低离子性化合物(1)中含有的水分量。因此,本发明的发明人反复研究关于降低水分量的方法,发现了通过在离子性化合物(1)被有机溶剂溶解的状态下进行处理,能够有效降低水分量。但是,在比水沸点低的有机溶剂中,有相比水分除去溶剂先被馏去的问题,另外,在离子性化合物(1)的溶解度低的有机溶剂中,在脱水处理时离子性化合物(1)析出,有水分量难以充分降低的问题。更进一步,虽然也从离子性化合物溶解性的观点考虑使用极性溶剂,但是在这种情况下,干燥后的离子性化合物中极性溶剂残留。离子性化合物含有极性溶剂时,将其用于电化学用途时,发生产生溶剂分解导致的异常电流,离子传导性降低等电化学特性被降低的问题。因此,进一步反复研究的结果,本发明的发明人惊奇地发现在离子性化合物被从可以作为电解液用溶剂使用的内酯系或碳酸酯系溶剂中选择的溶剂溶解的状态下,通过进行(ⅰ)蒸馏工序,和/或(ⅱ)分子筛的接触工序,可以在防止离子性化合物析出的同时充分地降低水分量,另外,用于电化学用途时也能够得到电化学特性难以降低的电解质材料。
另外,离子性化合物(1)的制备方法没有特别的限定,例如,可以通过上述的制备方法[1]~[3]制备。
内酯系溶剂和碳酸酯系溶剂,与其它溶剂相比离子性化合物(1)的溶解度高,另外,沸点也比较高,因此如果使用内酯系溶剂或碳酸酯系溶剂,在抑制离子性化合物(1)析出的同时,可以有效地降低水分含量。另外,内酯系溶剂和碳酸酯系溶剂,可以作为各种蓄电装置的电解液用溶剂,因此即使在离子性化合物(1),更进一步电解质材料(ⅰ)、(ⅱ)中残留,对其电化学特性的影响也小。更进一步,由于经过上述工序(ⅰ)和/或工序(ⅱ)水分含量被降低的离子性化合物(1)溶液可以直接用于电解液等蓄电装置用途,因此也可以得到工序上的好处。
作为具体的内酯系溶剂,可以举出γ-丁内酯、γ-戊内酯、δ-戊内酯、γ-己内酯、α-乙内酯、β-丙内酯。内酯系溶剂可以单独使用1种,也可以2种以上组合使用。上述内酯系溶剂中,优选为γ-丁内酯、γ-戊内酯。
作为碳酸酯系溶剂的具体例子,可以举出碳酸二甲酯(二甲基碳酸酯)、碳酸二乙酯(二乙基碳酸酯)、碳酸乙基甲基酯(乙基甲基碳酸酯)、碳酸二苯酯、碳酸甲基苯基酯、碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯等。碳酸酯系溶剂可以单独使用1种,也可以2种以上组合使用。上述碳酸酯系溶剂中,优选为碳酸丙烯酯、碳酸乙烯酯、碳酸乙基甲基酯。
另外,根据需要,也可以并用上述内酯系溶剂和碳酸酯系溶剂。
和这些溶剂混合的离子性化合物(1),可以直接使用含有合成或其它精制工序中使用的溶剂的离子性化合物(1)的溶液,或者,也可以除去部分或全部的溶剂后,和内酯系溶剂或碳酸酯系溶剂混合。
内酯系溶剂和/或碳酸酯系溶剂的使用量,优选为相对于离子性化合物(1)或溶液中含有的离子性化合物(1)100质量份为100质量份~1000000质量份,更优选为100质量份~100000质量份,进一步优选为100质量份~10000质量份。上述溶剂的使用量过少时,离子性化合物析出而难以充分除去水分,过多时生产率降低。
离子性化合物(1)以及内酯系溶剂和/或碳酸酯系溶剂的混合溶液,可以含有其它溶剂。其它溶剂可以为上述反应溶液含有的溶剂,另外,也可以为内酯系溶剂和/或碳酸酯系溶剂一同混合在离子性化合物(1)中的溶剂。
作为所述合成或其它精制工序中使用的溶剂,以及其它溶剂,可以包括例如,己烷或环己烷、甲苯等(芳香族)烃系溶剂,乙酸乙酯、乙酸丁酯等酯系溶剂,丙酮或甲基乙基酮等酮系溶剂,氯仿或二氯甲烷、氯苯、二氯苯等含卤素溶剂,乙腈、戊腈等腈系溶剂,醚系溶剂、酰胺系溶剂、醇系溶剂等。
虽然其它溶剂的量没有特别的限定,但是基于前述理由,在进行后述的(ⅰ)和/或(ⅱ)的工序(脱水工序)的过程中,优选为其它溶剂被馏去,最终,推荐在前述内酯系和/或碳酸酯系溶剂中离子性化合物(1)溶解的状态下实施(ⅰ)和/或(ⅱ)的工序。
3-2-3-1.(ⅰ)蒸馏工序
蒸馏工序(ⅰ)为,混合上述通式(1)所示的离子性化合物和内酯系溶剂和/或碳酸酯系溶剂后,向蒸馏装置供给该混合溶液进行蒸馏。该蒸馏工序为,上述混合溶液含有的上述其它溶剂(合成或精制工序中使用的溶剂等)或水和上述内酯系溶剂、碳酸酯系溶剂一同被蒸馏的工序。作为本发明中可以使用的蒸馏操作没有特别的限定,可以为单蒸馏形式,可以举出,使用薄膜蒸馏器的形式,设置蒸馏塔的分馏形式,来自蒸馏塔的馏出液以一定的回流比返回塔内的同时馏出的蒸馏方式,蒸馏塔保持在全回流在回流槽中浓缩水分,使回流槽的成分稳定,在短时间内进行一次馏出的蒸馏形式。通过反复全回流和一次馏出,可以更进一步除去水分。保持在全回流的时间根据蒸馏设备的而不同,优选为比相对于回流槽的液体量2倍的液体从塔顶馏出的时间长。蒸馏工序中使用的装置,优选为具备任意公知的加热手段的设备。
混合溶液的加热温度优选为30℃以上、250℃以下,更优选为40℃以上、200℃以下,进一步优选为50℃以上、150℃以下。温度过低时,有难以充分降低水分的情况,另一方面,如果过高时,有离子性化合物(1)或上述溶剂分解的可能。另外,蒸馏可以在减压下进行。因为通过控制减压度即使在低温也可以有效地降低含水量。减压度优选为例如20kPa以下,进一步优选为10kPa以下、更优选为5kPa以下。
蒸馏工序的时间没有特别的限定,可以在规定的溶剂馏出量,或者,离子性化合物(1)的浓度达到期望的值为止进行蒸馏操作。因此,可以得到含有期望的浓度的离子性化合物(1)的离子性传导材料(电解液)。
3-2-3-2.(ⅱ)与分子筛的接触工序
在与分子筛的接触工序(ⅱ)中,混合上述通式(1)所示离子性化合物和内酯系溶剂后,使该混合溶液和分子筛接触。
这里,分子筛为通式:M’2/qO·Al2O3·xSiO2·yH2O(M’为碱金属、碱土金属的金属阳离子,q为M的原子价态,表示1~2)所示的分子筛。分子筛的形状没有特别的限定,可以使用粉状、球(珠)状、柱状(子弹型)、多个圆柱组合的多柱(トライシブ)型等中的任意一种。根据需要,分子筛在不给离子性化合物的电化学特性带来影响的范围可以含有粘着剂成分。分子筛可以使用合成的,另外,也可以使用市售的。更进一步,根据需要,还可以在实施煅烧处理后使用。作为具体的分子筛,可以举出,3A型、4A型、5A型、13X型为基础的平均细孔径为(标称值)的分子筛。从用于蓄电装置的观点考虑,优选为金属阳离子等溶解析出成分少的分子筛。另外,其中作为金属阳离子含有Li的分子筛,在该接触工序后,即使分子筛由来的金属阳离子残留,对蓄电装置的性能影响也小,因此被优选使用。另外,在本发明中,根据需要,也可以将分子筛中含有的阳离子M’与其它金属阳离子进行交换处理。
分子筛的使用量没有特别的限定,可以根据上述离子性化合物或混合溶液中含有的水分量适当决定,例如,相对于混合溶液100质量份,分子筛优选为0.01质量份~10000质量份,更优选为0.05质量份~1000质量份,进一步优选为0.1质量份~100质量份。如果分子筛的使用量过低有难以充分降低水分量的情况,即使过量使用,也难以体现与使用量相应的水分降低效果。
混合溶液和分子筛的接触方式,虽然只要离子性化合物(1)和分子筛接触就没有特别的限定,但是为了得到良好的脱水效果,优选为与分子筛接触的混合溶液被更新的方法。作为具体的接触方式,可以举出例如,混合溶液和分子筛混合,并搅拌的方式;在分子筛的填充层通过离子性化合物溶液的方式等。在分子筛的填充层通过离子性化合物溶液的方式中,根据需要,通过在填充层反复通过同一离子性化合物溶液,可以更进一步降低该溶液的水分含量。上述方式中,在分子筛的填充层通过离子性化合物的方式,没有必要设置离子性化合物和分子筛的分离工序(过滤、沉淀分离、离心分离等),工序不复杂,特别适合在工业化程度中实施。
上述混合溶液和分子筛接触时的温度优选为-40℃~200℃,更优选为-20℃~100℃,进一步优选为0℃~50℃。接触时间没有特别的限定,从生产效率的观点考虑优选为72小时以下,更优选为24小时以下,进一步优选为6小时以下。
另外,使用后的分子筛,通过加热处理可以再利用。作为分子筛的再生条件,可以举出例如,在氮气等惰性气体流通下,在200℃以上加热处理的方法,或者在更低温预热后高温处理的方法,没有特别的限定。
与分子筛的接触工序后,根据需要,通过进行固液分离,得到含有离子性化合物(1)的溶液。
上述工序(ⅰ)、(ⅱ),优选与离子性化合物的合成和其他精制工序连续实施。另外,即使在不与合成工序连续实施的情况下,也能得到通过工序(ⅰ)、(ⅱ)的水分含量的降低效果。从而,在固体状的离子性化合物(1)中含有水分的情况下,其被内酯系溶剂和/或碳酸酯系溶剂混合溶解后,或者,以液体状态入手的离子性化合物(1)的溶液,可以实施工序(ⅰ)、(ⅱ)。另外,虽然通过实施工序(ⅰ)或(ⅱ)中任意一项能够充分地得到水分含量的降低效果,但也可以组合实施这些工序。
通过进行上述工序(ⅰ)或(ⅱ),能够得到水分含量降低到50ppm以下的含有离子性化合物(1)的溶液。该含有离子性化合物(1)的溶液,由于水分含量降低,可以直接用于各种用途。也就是说,根据本发明,与固体状的离子性化合物在溶剂中溶解的情况相比,可以防止溶剂由来的水分量的增加。另外,由于内酯系溶剂和/或碳酸酯系溶剂相当于上述媒介物,上述工序(ⅰ)或(ⅱ)得到的离子性化合物(1)溶液,相当于本发明的电解质材料(ⅰ)或(ⅱ)。
上述工序(ⅰ)和/或工序(ⅱ)后,以提高保存时的稳定性,或者使制品容易流通为目标,可以从得到的离子性化合物(1)溶液馏去溶剂。作为固体状的离子性化合物。另外,这里所谓的固体状的离子性化合物,相当于上述电解质材料(ⅲ)。
得到固体状的离子性化合物(1)的方法没有特别的限定,可以举出例如,(a)加热离子性化合物(1)溶液至离子性化合物(1)析出,分离析出物,干燥而固体(粉末)化的方法;(b)从离子性化合物(1)溶液中馏出内酯系溶液和/或碳酸酯系溶剂而浓缩后,根据需要边冷却边静置浓缩液,使离子性化合物(1)析出,将离子性化合物(1)分离、干燥而固体化的方法;(c)向上述浓缩液中添加溶剂使离子性化合物(1)析出,将离子性化合物(1)分离、干燥而固体化的方法;(d)添加更高沸点的差溶剂馏去内酯系或碳酸酯系溶剂,固液分离浆体的方法。(e)加热离子性化合物(1)溶液至溶剂被除去后干燥的方法等。
离子性化合物(1)的干燥方法没有特别的限定,可以使用以往公知的干燥装置。干燥时的温度优选为0℃~400℃。更优选为10℃以上,进一步优选为20℃以上,进一步优选为300℃以下,更优选为200℃以下。
另外,离子性化合物(1)的干燥,可以边向干燥装置供给气体边进行。作为可以使用的气体,可以举出例如,氮气、氩气等的干燥惰性气体或干燥空气。
含有上述离子性化合物(1)的电解质材料(ⅰ)~(ⅲ),除了一次电池、锂(离子)二次电池、燃料电池等具有充电和放电机构的电池之外,还被期待电解电容器、双电层电容器、太阳能电池等各种蓄电装置中具备的电解液等电化学材料用途,或者被期待利用兼备电化学特性和热稳定性的聚合物用作导电性给予剂。
4.蓄电装置
本发明的电解质材料(ⅰ)~(ⅲ),适合作为各种蓄电装置的电解液或者电解液材料使用。作为具备了本发明的电解液的蓄电装置,除了一次电池、锂(离子)二次电池、燃料电池等具有充电和放电机构的电池之外,还可以举出电解电容器、双电层电容器、锂离子电容器、太阳能电池等,其中,对(1)锂离子二次电磁、(2)电解电容器、(3)双电层电容器、以及(4)锂离子电容器进行详细说明。
(1)锂离子二次电池
锂离子二次电池为正极、负极、介于正极和负极之间的隔膜以及电解液作为基本构成要素构成的。本发明的锂离子二次电池,其特征在于,作为上述基本构成中的电解液,包括本发明的电解液。具有上述构成的锂离子二次电池,即使在高电压下反复充放电也能稳定地工作。
作为这样的锂离子二次电池,优选为水电解质以外的锂离子二次电池的非水电解质锂离子二次电池。该锂离子二次电池,作为后述的负极活性物质使用石墨等碳素材料,作为正极活性物质使用含有LiCoO2等金属氧化物的化合物,这样形成的锂离子二次电池,在充电时,在负极,例如C6Li→6C+Li+e的反应发生,在负极表面生成的电子(e),在电解液中离子传导向正极移动,另一方面,正极表面,例如CoO2+Li+e→LiCoO2的反应发生,电流变为从负极向正极流动。另一方面,在放电时,充电时的逆反应发生,电流变为从正极向负极流动。这样,锂离子二次电池变得,通过离子的化学反应而蓄存或供给电。
本发明的锂离子二次电池所具备的电解液,含有锂离子、氰基硼酸盐阴离子和非质子性溶剂,锂离子和氰基硼酸盐阴离子分别在电解液中行使作为电荷载体的机能。特别是氰基硼酸盐阴离子耐电压特性优异(正极侧的耐电压性的提高效果),即使在高电压下使用也难以分解。从而,本发明的锂离子二次电池,即使在高电压下也可以稳定地运转,成为具有高能量密度的锂离子二次电池。
作为本发明的锂离子二次电池的电解液,优选为使用本发明的电解液。本发明所述的电解液中含有的锂离子和氰基硼酸盐阴离子来自于含有这些的阴离子和/或阳离子的化合物。生成这些离子的化合物,可以来自于离子性化合物(1),也可以来自于其它电解质。例外,离子性化合物(1)中不含有锂离子时,本发明所述的电解液中含有的锂离子来自于其它电解质由来。
电解液中的锂离子的浓度,优选为5.0×10-4质量%以上,5质量%以下。更优选为2.5×10-3质量%以上,更进一步优选为1.0×10-2质量%以上,更进一步优选为3质量%以下,更优选为2质量%以下。另一方面,氰基硼酸盐阴离子的浓度优选为0.1质量%以上,50质量%以下。更优选为1质量%以上,进一步优选为5质量%以上,进一步优选为40质量%以下,更优选为30质量%以下。锂离子、氰基硼酸盐阴离子中的任意一项,在电解液中的存在量过少时,有难以得到期望的电传导率的情况,另一方面,浓度过高时,特别在低温区域(约-20℃)变得显著,电解液的粘度上升,电荷的移动效率降低,在电解液中氰基硼酸锂析出,给电极带来坏影响。另外,过量使用还导致成本上升。
另外,电解液中的离子性化合物(1)和其它电解质的浓度,虽然只要锂离子量和氰基硼酸盐阴离子的量在上述范围就没有特别的限定,但是优选为例如,Mn+为鎓阳离子的离子性化合物(1)的浓度为0.01质量%以上,小于50质量%。电解质的浓度在上述范围时,显示良好的电传导率,因此优选。另外,离子性化合物(1)的浓度,进一步优选为0.05质量%以上,更优选为0.1质量%以上,进一步优选为20质量%以下,更优选为10质量%以下。浓度过低时,有难以得到期望的电传导率的情况,另一方面,浓度过高时,特别在低温区域(约-20℃)变得显著,电解液的粘度上升,电荷的移动效率降低,在电解液中离子性化合物(1)分离、析出,给电极带来坏影响。另外,过量的离子性化合物(1)的使用还导致成本上升。
另外,本发明的锂离子二次电池中,作为电解质可以使用聚合物电解质或者聚合物凝胶电解液。聚合物电解质,为在成为基材的聚合物上负载电解质的聚合物电解质,可以举出例如,聚合物浸渍了本发明的电解液的聚合物电解质(聚合物凝胶电解液),或者离子性化合物(1)或上述其它电解质固溶于基材聚合物上的聚合物电解质(真性聚合物电解质)。在本发明中,优选为使用含有锂离子和氰基硼酸盐阴离子的聚合物电解质。作为形成上述聚合物-电解质基材的聚合物,可以举出聚环氧乙烯、聚环氧丙烯等聚醚系共聚物,其中优选地使用聚环氧乙烯。
本发明的锂离子二次电池,具有正极、负极和电解液。正极和负极之间为了防止两者接触引起的短路,设置有隔膜。
正极、负极、分别由集电体、正极活性物质或负极活性物质、导电剂和粘结剂(粘着剂物质)等构成,这些材料通过在正极集电体上成型为薄涂层、片状或板状,形成各电极。
正极没有特别的限定,可以使用公知的正极,例如,使用以正极集电体、正极活性物质、导电剂和粘结剂等构成的正极。作为正极的集电体,可以例示例如铝或不锈钢等。作为正极活性物质,可以使用例如LiNiVO4、LiCoPO4、LiCoVO4、LiCrMnO4、LiCrxMn2-xO4(0<x<0.5)、LiCr0.2Ni0.4Mn1.4O4、LiPtO3、LixFe2(SO4)3、LiFeO2、LiMnO2、LiMn2O4、LiCoO2、LiMn1.6Ni0.4O4、LiFePO4、LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2、LiNi1/2Mn1/2O2、LiNi0.5Mn1.5O4、LiNi0.8Co0.2O2、LiNiO2、Li1+x(Fe0.4Mn0.4Co0.2)1-xO2等。其中,优选为LiMn2O4、LiCoO2、LiFePO4、LiCoPO4、LiNiPO4、LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2以及LiNi0.8Co0.2O2、NMC(=LiNiMnCo)1/302、NCA(=Ni0.8Co0.15Al0.05O2)。另外,为了高输出化,优选为具有4V以上的高电位的材料用作正极材料。作为具有高电位的材料,可以举出例如,LiCoO2(4.2V)、LiCrxMn2-xO4(0<x<0.5)(4.2V)、LiCr0.2Ni0.4Mn1.4O4(4.7V)、LiNi0.5Mn1.5O4(4.7V)、LiCoPO4(4.8V)、LiNiPO4(5.1V)、NMC(=LiNiMnCo)1/302(4.2V)、NCA(=Ni0.8Co0.15Al0.05)O2(4.2V)等。
正极活性物质优选为粉末状(粒状),优选为具有10nm以上、500μm以下粒径。粒径更优选为20nm以上、100μm以下,进一步优选为50nm以上、50μm以下,特别优选为100nm以上、30μm以下,更进一步优选为10μm以下。这里平均粒径为通过激光衍射式粒度分布测量装置测定的体积平均粒径的值。另外,也可以参考销售方的标称值。
负极也没有特别的限定,虽然用于锂离子二次电池的公知的负极均可以使用,但是具体地,优选使用由负极集电体、负极活性物质、导电剂和粘结剂等构成的负极。这些材料与正极相同,通过在负极集电体上成型为薄涂层、片状或板状,形成负极。
作为负极集电体,可以举出铜、镍、不锈钢等。作为负极活性物质,可以使用在锂离子二次电池中使用的以往公知的负极活性物质。具体地,可以举出,天然石墨、人造石墨、无定形碳、焦炭以及中间相沥青系炭纤维、石墨、非晶碳的硬碳、C-Si复合材料等碳素材料,或者锂-铝合金、锂-镁合金、锂-铟合金、锂-鉈合金、锂-铅合金、锂-铋合金等锂合金,或者含有钛、锡、铁、钼、铌、钒和锌等中的1种或2种以上金属氧化物或金属硫化物。其中,进一步优选为可以吸纳、释放碱金属离子的金属锂或碳素材料。
作为导电剂,优选为乙炔黑、科琴黑等碳黑,天然石墨、热膨胀石墨、炭纤维、氧化钌、氧化钛、铝、镍等金属纤维等。这些可以使用1种或使用2种以上。其中,从以少量即可有效地提高导电性方面考虑,优选为乙炔黑和科琴黑。导电剂的掺合量,虽然根据使用的活性物质的种类的而不同,但是相对于正极或负极活性物质100质量份,优选为1质量份~10质量份,进一步优选为3质量份~5质量份。
作为粘着剂物质,优选为聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、羧甲基纤维素、氟烯共聚物交联聚合物、聚乙烯醇、聚丙烯酸、聚酰亚胺、石油沥青、煤沥青(石炭ピッチ)、酚醛树脂等。这些可以使用1种或使用2种以上。作为粘着剂的掺合量,虽然根据使用的活性物质的种类而不同,但是相对于正极或负极活性物质100质量份,优选为0.5质量份~10质量份,进一步优选为3质量份~5质量份。
作为上述正极和负极的成型方法,例如,优选为,(1)向正极或负极的电极活性物质和作为导电剂的乙炔黑的混合物中,添加混合粘着剂物质之后,分别在集电体上涂覆,冲压成型的方法,(2)将电极活性物质和粘着剂物质混合、成型,并与集电体一体化后,在惰性气氛下热处理为作为烧结体的电极的方法等。另外,使用炭纤维布进行活化处理得到的活性炭纤维布时,可以不使用粘着剂直接作为电极使用。
本发明的锂离子二次电池,优选为通过在正极和负极之间插入隔膜的方法,或者,使用固定单元,使各电极隔开间隔而相对的方法等,从而防止正极和负极的接触或短路。
作为隔膜,优选使用在使用温度区域内不与离子性化合物(1)或其它电解质等发生化学反应的多孔性薄膜。作为隔膜的材质,优选为,纸;聚烯烃(聚丙烯、乙烯等)、芳纶等有机系材料;芳纶纤维等有机多孔质系材料;玻璃纤维等无机系材料等。特别是蓄电装置在高电压下工作时,要求高的绝缘性,因此优选为由无机系材料、聚烯烃系材料或它们的混合物形成的隔膜。从绝缘性的观点考虑,优选为,聚丙烯(PP)膜、聚乙烯(PE)膜或这些膜的层压膜(例如,PP/PE/PP3层压膜等);聚烯烃系材料和无机系材料的混合物的成型体;在含有纤维素的多孔质片上涂覆或浸渍上述有机系材料的隔膜。
另外,以往的电解液中使用LiPF6等的电解液,即使电解液中含有微量的水分也分解生成氟化氢(HF)。该氟化氢,不仅溶解电极活性物质,还和玻璃纤维等隔膜用无机系材料反应,使其被溶解,因此有蓄电装置的内部电阻增大的问题。但是,如果使用不含氟(F)的离子性化合物(1)作为电解质,也可以使用陶瓷等金属氧化物或玻璃纤维等绝缘性无机系材料作为隔膜材料。绝缘性无机系材料可以单独使用,另外也可以作为填充剂以混合在有机物中的状态使用。
本发明的锂离子二次电池,具有正极、负极和电解液即可,另外,也可以具备多个以正极、负极和电解液作为一个单元的电池。只要具备上述构成,本发明的锂离子二次电池的形状就没有特别的限定,可以采用硬币型、卷起的圆柱型、层压方型、铝层压片型等以往公知的形状中的任意一种。另外,上述包装壳也没有特别的限定,可以采用铝制的、不锈钢制的壳等以往公知的包装壳。
(2)电解电容器
电解电容器是由阳极箔、阴极箔、作为阳极箔和阴极箔之间插入的隔膜的电解纸、导线以及本发明的电解液作为基本构成要素构成的。作为这样的电解电容器,优选铝电解电容器。作为这样的铝电解电容器,优选以在铝箔的表面上通过电解阳极氧化而形成的薄的氧化皮膜(氧化铝)为电介质,其中所述铝箔为通过电解蚀刻来作成细微凹凸而粗糙化的铝箔。
(3)双电层电容器
双电层电容器是由极化电极(负极、正极)和电解液作为基本构成要素构成的。本发明的双电层电容器,其特征在于,作为上述基本构成中的电解液,为具有含有离子性化合物(1)和溶剂的本发明的电解液。另外,离子性化合物(1),优选阳离子Mn+为鎓阳离子。另外,本发明的双电层电容器中,作为电解质可以使用上述的聚合物电解质或聚合物凝胶电解质。具有上述构成的双电层电容器,与以往相比充满电时的正极电位高,并且,即使在高电压下反复充放电也能稳定地工作。
在本发明的双电层电容器中,相对的一对极化电极,一方作为正极,另一方作为负极分别发挥机能。极化电极设置在集电电极上,由正极或负极的电极活性物质、导电剂和粘结剂(粘着剂物质)构成,这些材料通过在集电电极上成型为薄涂层、片状或板状,形成各电极。
作为电极活性物质,可以举出,活性炭纤维、活性炭粒子的成型体、活性碳粒子等的活性炭,多孔质金属氧化物,多孔质金属,导电性聚合物等。另外,作为负极优选活性炭,作为正极优选活性炭、多孔质金属氧化物、多孔质金属、导电性聚合体。其中,优选为活性炭,作为活性炭,优选为平均细孔径为2.5nm以下。这里的平均细孔经为通过由氮气吸附的BET法测定的值。作为活性炭的比表面积,根据由于碳素质种类的每单位面积的静电容量(F/m2)、伴随着高比表面积化而体积密度的降低而不同,例如,通过由氮气吸附的BET法求出的比表面积优选为500m2/g~2500m2/g,进一步优选为1000m2/g~2000m2/g。
作为上述活性炭的制造方法,优选为,将植物系的木材、锯末、椰子壳、纸浆废液,化石燃料系的煤、石油重油、或者热解这些的煤和石油系沥青、石油焦炭、碳气凝胶、中间相碳、焦油沥青纺织的纤维、合成高分子、酚醛树脂、呋喃树脂、聚氯乙烯树脂、聚偏氯乙烯树脂、聚酰亚胺树脂、聚酰胺树脂、离子交换树脂、液晶高分子、塑料废弃物、废轮胎等原料进行炭化后,使用进行活化而制备的活化法。
作为活化法,可以使用下述的任意一种,(1)被炭化的原料在高温下与水蒸气、二氧化碳、氧气、其它氧化气体等接触反应的气体活化法,(2)以氯化锌、磷酸、磷酸钠、氯化钙、硫化钾、氢氧化钾、氢氧化钠、碳酸钾、碳酸钠、硫酸钠、硫酸钾、碳酸钙、硼酸、硝酸等均匀浸渍被炭化的原料,在惰性气体气氛中加热,通过药品的脱水和氧化反应得到活性炭的药品活化法。
通过上述活化法得到的活性炭进行加热处理,可以除去不需要的表面官能团,或者可以使碳素的结晶性发展而增加导电性。加热处理,优选在氮气、氩气、氦气、氙气等惰性气体气氛下,在500℃~2500℃,更优选为在700℃~1500℃的温度下进行。作为活性炭的形状,可以举出粉碎、造粒、颗粒、纤维、毡、织物、片状。其中,活性炭的形状优选为粒状,在这种情况下,从提高电极体积密度,降低内部电阻的方面考虑,活性炭的平均粒径优选为30μm以下。这里,作为平均粒径,为通过激光衍射式粒度分布测量装置测定的体积平均粒径的值。另外,也可以参考销售方的标称值。
作为电极活性物质,可以使用活性炭以外的具有上述比表面积的碳素材料,例如,可以使用由碳纳米管或等离子CVD制作的金刚石等。
作为导电剂,优选为在锂离子二次电池的说明中作为导电剂例示的导电剂。作为导电剂的掺合量,根据作为电极活性物质使用的材料或其形状而不同,例如在使用活性炭的情况下,相对于活性炭100质量份,优选为0.5质量份~50质量份,进一步优选为10质量份~30质量份。
作为粘结剂物质,优选为在锂离子二次电池的说明中作为粘结剂物质例示的粘结剂。作为粘结剂物质的掺合量,根据作为电极活性物质使用的材料或其形状而不同,例如在使用活性炭的情况下,相对于活性炭100质量份,优选为0.5质量份~50质量份,进一步优选为2质量份~30质量份。
为了将极化电极存储的电容量,向外部输出,使用集电电极。作为集电电极,可以举出铝箔或铜箔,铝或镍等的金属纤维等。
作为上述极化电极(正极和负极)的成型方法,例如,优选为,(1)向作为电极活性物质的活性炭和作为导电剂的乙炔黑的混合物中,添加混合作为粘着剂物质的聚四氟乙烯后,在集电电极上涂覆,冲压成型的方法,(2)将活性炭和沥青、焦油、酚醛树脂等粘着剂物质混合、成型,与集电电极一体化后,在惰性气氛下热处理为作为烧结体的电极的方法,(3)活性炭和粘着剂物质或活性炭单独烧结成为电极的方法等。另外,使用活化处理炭纤维布得到的活性炭纤维布时,可以不使用粘着剂物质而直接作为电极使用。
本发明的双电层电容器中,优选为通过将隔膜插入到极化电极的方法,或者,使用固定单元,使各极化电极隔开间隔而相对的方法等,来防止极化电极之间的接触或短路。
作为隔膜,优选使用在使用温度区域内不与离子性化合物(1)或其它电解质等发生化学反应的多孔性薄膜。作为隔膜的材质,可以举出,由牛皮纸或马尼拉(マニラ)麻纸等的纤维素纤维形成的不织布,由陶瓷纤维等无机纤维形成的纤维材料,含有脂肪族聚酮纤维的多孔质片,含有纤维素的多孔质片在乳胶等高分子中浸渍的材料。
本发明的双电层电容器,具有通过隔膜相对的极化电极和本发明的电解液即可,另外,也可以具备多个通过隔膜相对的极化电极和非水电解质作为一个单元的电池。只要具备上述构成,本发明的双电层电容器的形状就没有特别的限定,可以采用硬币型、卷起的圆柱型、层压方型、铝层压片型等以往公知的形状中的任意一种。
在本发明的双电层电容器中,通过离子的物理吸附·脱附而向极化电极和电解液的界面上生成的双电层存蓄电荷。接着,存蓄的电荷通过集电电极,作为电能输出。
(4)锂离子电容器
锂离子电容器,使用普通双电层电容器的原理的同时,使用可以吸纳锂离子的碳素系材料作为负极材料,通过在此添加锂离子提高能量密度的电容器,在正极和负极的充放电原理不同,具有锂离子二次电池的负极和双电层电容器的正极的组合结构。
本发明的锂离子电容器,其特征在于,锂离子电容器的基本构成为,即除了极化电极(正极),含有能吸纳、释放锂离子的负极活性物质的负极之外,具备本发明的电解液。具有上述构成的锂离子电容器,即使在高电压下反复充放电也能稳定地工作。
本发明的锂离子电容器具备的电解液,优选为含有阳离子Mn+为锂离子的离子性化合物(1)和非质子性有机溶剂的电解液。锂离子和氰基硼酸盐阴离子,在电解液中分别行使电荷载体的机能。特别是氰基硼酸盐阴离子耐电压特性优异(正极侧的耐电压性的提高效果),即使在高电压下使用也难以分解。从而,本发明的锂离子电容器,变为即使在高电压下也可以稳定地工作,具有高能量密度。
本发明所述的电解液中含有的锂离子和氰基硼酸盐阴离子来自于含有这些的阴离子和/或阳离子的化合物。生成这些离子的化合物,可以来自于离子性化合物(1),也可以来自于其它电解质。另外,离子性化合物(1)中不含有锂离子时,本发明所述的电解液中含有的锂离子来自于其它电解质。
电解液中锂离子的浓度,优选为5.0×10-4质量%以上、5质量%以下。更优选为2.5×10-3质量%以上,进一步优选为1.0×10-2质量%以上,更进一步优选为3质量%以下,更优选为2质量%以下。另一方面,氰基硼酸盐阴离子的浓度优选为0.1质量%以上、50质量%以下。更优选为1质量%以上,进一步优选为5质量%以上,进一步优选为40质量%以下,更优选为30质量%以下。锂离子、氰基硼酸盐阴离子中的任意一项,在电解液中的存在量过少时,有难以得到期望的电传导率的情况,另一方面,浓度过高时,特别在低温区域(约-20℃)变得显著,电解液的粘度上升,电荷的移动效率降低,在电解液中氰基硼酸锂析出,给电极带来坏影响。另外,过量使用还导致成本上升。
本发明的锂离子电容器,具有正极、负极和电解液。正极和负极间为了防止两者接触引起的短路,设置有隔膜。
正极、负极,分别由集电体、正极活性物质或负极活性物质、导电剂和粘结剂(粘着剂物质)等构成,这些材料通过在正极集电体上成型为薄涂层、片状或板状,形成各电极。
作为正极活性物质,优选为活性炭、多孔质金属氧化物、多孔质金属、导电性聚合物。作为活性炭,优选为在双电层电容器的说明中作为活性炭例示的活性炭,另外,作为其制备方法,也可以采用与双电层电容器中的活性炭同样的方法。
作为正极活性物质,可以使用活性炭以外的具有上述比表面积的碳素材料,例如,可以使用由碳纳米管或等离子CVD制作的金刚石等。
作为负极活性物质,使用可以吸纳、释放锂离子的材料。作为所述的材料优选为,热分解炭;沥青焦炭、针状焦炭、石油焦炭等焦炭;石墨;玻璃状炭;酚醛树脂、呋喃树脂等以适当的温度煅烧炭化的有机高分子化合物烧结体;炭纤维;活性炭等碳素材料;聚乙炔、聚吡咯、聚并苯等聚合物;Li4/3Ti5/3O4、TiS2等含有锂的过渡金属氧化物或过渡金属硫化物;与碱金属合金化的Al、Pb、Sn、Bi、Si等金属;可以在间隙插入碱金属的AlSb、Mg2Si、NiSi2等立方晶系的金属间化合物、或Li3-fGfN(G:过渡金属、f:超过0且小于8的实数)等锂氮化合物。这种可以使用1种或使用2种以上。其中,进一步优选为碳素材料。
作为导电剂,优选为在锂离子二次电池的说明中作为导电剂例示的导电剂。作为导电剂的掺合量,根据作为电极活性物质使用的材料或其形状的而不同,例如在使用活性炭的情况下,相对于活性炭100质量份,优选为5质量份~50质量份,进一步优选为10质量份~30质量份。
作为粘着剂物质,优选在锂离子二次电池的说明中作为粘着剂物质例示的粘着剂。作为粘着剂的掺合量,根据作为正极和负极活性物质使用的材料或其形状的而不同,例如在使用活性炭的情况下,相对于活性炭100质量份,优选为0.5质量份~30质量份,进一步优选为2质量份~30质量份。
为了将正极(极化电极)和负极存储的电容量,向外部输出,使用集电电极。作为正极集电电极,可以使用铝或不锈钢等,作为负极集电电极,可以使用铝、铜、镍等。
作为上述正极和负极的成型方法,例如,优选为,(1)向正极或负极的电极活性物质和作为导电剂的乙炔黑的混合物中,添加混合粘着剂物质之后,分别在集电电极上涂覆,冲压成型的方法,(2)将电极活性物质和粘着剂物质混合、成型、与集电电极一体化后,在惰性气氛下热处理为作为烧结体的电极的方法,(3)活性炭和粘着剂物质或活性炭单独烧结成为电极的方法等。另外,使用炭纤维布进行活化处理得到的活性炭纤维布时,可以不使用粘着剂而直接作为电极使用。
另外,如上所述地制作的负极,优选为通过化学方法或电化学方法吸纳锂离子。由此负极电位下降,因此可以在更广的电压区域使用,其结果锂离子电容器的能量密度提高。另外,作为吸纳锂离子的方法,可以采用任意一种以往公知的方法,例如可以举出,在电解液中,使负极和锂金属通过隔膜相对,恒流充电的方法;在电解液中,使负极和锂金属接触,加热的方法等。
本发明的锂离子电容器,优选为通过在正极和负极之间插入隔膜的方法,或者,使用固定单元,使各电极隔开间隔而相对的方法等,来防止正极和负极的接触或短路。
作为隔膜,优选使用在使用温度区域内不与离子性化合物(1)或其它电解质等发生化学反应的多孔性薄膜。作为隔膜的材质,优选为在锂离子二次电池和双电层电容器的说明中作为隔膜例示的材质。
本发明的锂离子电容器,具有正极、负极和电解液即可,另外,也可以具备多个以正极、负极和电解液作为一个单元的电池。只要具备上述构成,本发明的锂离子电容器的形状就没有特别的限定,可以采用硬币型、卷起的圆柱型、层压方型、铝层压片型等以往公知的形状中的任意一种。
本发明的锂离子电容器为由通过隔膜相对的正极和负极和在这些电极之间充满的电解液作为基本构成要素而构成的电容器。在本发明的锂离子电容器中,通过离子的物理吸纳·脱附向在正极和电解液的界面上生成的双电层存蓄电荷,另一方面,在负极,通过在负极活性物质上吸纳锂离子而存蓄电荷。并且,存蓄的电荷通过集电电极,作为电能输出时,正极附着的离子从电极分离,在负极活性物质上吸纳的锂离子也被释放。
另外,本发明所述的离子性化合物(1),通过选择阳离子Mn+,成为100℃以下为液体状态的离子液体。通常由于离子性液体有所谓带有离子键的特征,因此电化学稳定性、热稳定性高,更进一步,已知具有选择地吸收二氧化碳等特定气体的性质,本发明所述的离子性化合物(1)也被认为具有同样的特征。从而,本发明的离子性化合物(1)除了上述的各种蓄电装置等电化学材料用途(除了一次电池、锂(离子)二次电池、燃料电池等具有充电和放电机构的电池之外,电解电容器、双电层电容器、太阳能电池等各种蓄电装置中具备的电解液等的电化学材料用途)之外,期待利用热稳定性高的特性,用作可以反复利用的有机合成的反应溶剂、或者机械活动件的密封剂或润滑剂,期待利用兼备电化学特性和热稳定性的聚合物用作导电性给予剂,期待由于具有气体吸收能力的特征,用作二氧化碳等的气体吸收剂。
实施例
以下举出实施例对本发明进行更详细地说明,但是本发明并不限于下述实施例,可以在能够适合于前述和后述的宗旨的范围内适当进行变更而实施,这些变更均包含在本发明的技术范围内。
实验例1
[NMR测定]
使用Varian社制“Unity Plus”(400MHz),测定1H-NMR和13C-NMR谱,基于质子和碳的峰强度,分析样品的结构。对于11B-NMR谱的测定,使用Bruker社制“Advance 400M”(400MHz)。
另外,NMR谱的测定,将在氘代二甲基亚砜中,将以浓度为1质量%~5质量%的方式使反应溶液或者粗产物溶解的测试试料加入到不含硼的氧化铝制的NMR管中,在室温(25℃)下,以积累次数64进行测定。另外,1H-NMR和13C-NMR谱的测定中,以四甲基硅烷作为标准物质,11B-NMR谱的测定中,以三氟化硼的乙醚络合物(三フッ化ホウ素のジエチルエーテラート)作为标准物质。
制备例1-1 三氰基甲氧基硼酸三乙基铵(Et3NHB(CN)3OMe)的合成
在配备温度计、搅拌装置的容量为100mL的3口烧瓶中,加入三乙基溴化铵3.66g(20.10mmol),烧瓶内以氮气置换。向烧瓶中加入42.49g的1,2-二氯乙烷后,在室温下再加入2.07g(19.92mmol)的硼酸三甲酯。接着,边搅拌混合溶液,边在室温下滴加三甲基氰硅烷8.07g(81.34mmol、相对于硼化合物为4.1当量)后,通过油浴将反应溶液加热到60℃,搅拌反应。在该温度下连续搅拌20小时。
然后,从得到的黄色溶液中减压馏去有机溶剂进行浓缩,冷却至室温后,向得到的油状物加入甲苯26g并搅拌。过滤除去此时析出的晶体,以甲苯50g洗涤。向得到的滤液(甲苯层)中加入纯水40g分液,水层分离取出后,通过馏去纯水,得到黄色液体(三氰基甲氧基硼酸三乙基铵)(产量:1.85g(8.32mmol)、产率:42%)。
1H-NMR(d6-DMSO)δ1.22(t,J=7.2Hz,9H),3.11-3.18(m,9H)
13C-NMR(d6-DMSO)δ8.80,49.9,52.7,127.7(q,J=69.5Hz)
11B-NMR(d6-DMSO)δ-18.6(s)
制备例1-2 三氰基甲氧基硼酸三乙基甲基铵(Et3MeNB(CN)3OMe)的合成
在配备搅拌装置的容量为200mL的3口烧瓶中加入三乙基甲基氯化铵9.84g(64.90mmol),烧瓶内以氮气置换。在室温下向烧瓶中加入6.74g(64.90mmol)的硼酸三甲酯。接着,边搅拌混合溶液,边在室温下滴加三甲基氰硅烷35.42g(356.97mmol)。接着,通过油浴将反应溶液加热到140℃,进行5小时搅拌反应。得到的溶液冷却至室温,移到分液漏斗中后,加入乙酸丁酯135g、超纯水22.5g。通过分液萃取抽出下层(水相),对其进行浓缩、干燥,得到淡黄色液体(三氰基甲氧基硼酸三乙基甲基铵)(产量:9.30g(40.24mmol)、产率:62%)。
1H-NMR(d6-DMSO)δ1.20(tt,J=7.2Hz,1.8Hz,9H),2.88(s,3H),3.13(q,J=4.0Hz,3H),3.25(q,J=7.2Hz,6H)
13C-NMR(d6-DMSO)δ8.14,46.7,53.2,55.7,128.2(q,J=69.7Hz)
11B-NMR(d6-DMSO)δ-18.6(s)
实验例1-1 四氰基硼酸三乙基铵(Et3NHB(CN)4)的合成
在配备搅拌装置的容量为50mL的2口烧瓶内以氮气置换后,向烧瓶中加入三乙基溴化铵1.92g(10.54mmol),21.15g氯苯,搅拌。在室温下,向该溶液中加入与制备例1-1相同的方法得到的2.34g(10.54mmol)三氰基甲氧基硼酸三乙基铵(Et3NHB(CN)3OMe)。接着,边搅拌混合溶液,边在室温下滴加三甲基氰硅烷1.05g(10.54mmol、相对于硼化合物为1.0当量)。滴加结束后,在室温下连续搅拌13小时后,通过油浴将反应溶液加热到120℃,在该温度下加热、搅拌54小时。然后用注射器抽出得到的黑色液体进行11B-NMR测定(d6-DMSO),确认四氰基硼酸三乙基铵生成(NMR产率:22%)。
1H-NMR(d6-DMSO)δ8.83(s,1H),3.10(q,J=7.2Hz,6H),1.17(t,J=7.2Hz,9H)
13C-NMR(d6-DMSO)δ121.9(m),46.0(s),8.8(s)
11B-NMR(d6-DMSO)δ-39.6(s)
另外,“NMR产率”的意思是比较得到的图表中来自于目标产物的峰的积分值和除此以外的(杂质)峰的积分比而求得的四氰基硼酸三乙基铵粗产量(以下,相同)。
实验例1-2 三氰基(三甲基硅烷氧基)硼酸三乙基甲基铵(Et3MeNB(CN)3OSiMe3)的合成
装入搅拌子的容量为200mL的4口烧瓶内以氮气置换后,向烧瓶中加入8.5g(43.34mmol)的三乙基甲基溴化铵,与制备例1-2相同的方法得到的9.60g(43.21mmol)的三氰基甲氧基硼酸三乙基甲基铵(Et3MeNB(CN)3OMe),以及82g二甲苯。边搅拌混合溶液,边在室温下滴加三甲基氰硅烷34.33g(346.1mmol、相对于硼化合物为8.0当量)。滴加结束后,通过油浴将反应溶液加热到80℃,搅拌56小时后停止反应。
接着,从反应溶液馏去低沸点物(二甲苯,残留三甲基氰硅烷等)得到红褐色油状产物。对得到的产物进行11B-NMR测定,确认三氰基(三甲基硅烷氧基)硼酸三乙基甲基铵生成(NMR产率:77%)。
1H-NMR(d6-DMSO)δ0.06(s,9H),1.19(tt,J=7.2Hz,2.0Hz,9H),2.87(s,3H),3.25(q,J=7.2Hz,6H)
13C-NMR(d6-DMSO)δ2.17,8.28,46.9,55.9,129.6(q,J=68.8Hz)
11B-NMR(d6-DMSO)δ-21(s)
根据本发明,从上述通式(8)所示化合物,可以得到四氰基硼酸盐,或具有1~3个氰基和任意取代基的氰基硼酸盐(离子性化合物(1))。
实验例2
[NMR测定]
NMR测定以与实验例1相同的方法进行。
[杂质含量的测定]
测定下述实验例中得到的离子性化合物中含有的杂质量、各种杂质的测定方法如下所述。
[1]水分测定
使用平沼产业(株)制的卡尔费休水分测定装置“AQ-2000”,测定试料中的水分量。另外,试料使用在各实验例中干燥工序结束后,以装入螺口管的状态在干燥室(温度:20℃、露点:-70~-50℃)中保存1天的试料。注入量为0.5ml,发生液(発生液)使用“ハイドラナールアクアライトRS-A”(平沼产业株式会社销售),对电极溶液使用“アクアライトCN”(关东化学株式会社制)。试料使用注射器以不与空气接触的方式从试料注入口注入。
[2]CN-含量的测定
将下述实验例中得到的离子性化合物10mg以超纯水(超过18.2Ω·cm)稀释到100倍、1000倍或10000倍作为测试溶液,使用游离氰测定用简单包(シンプルパック)(柴田科学株式会社销售、4-吡啶羧酸法),测定化合物中所含有的氰基量。
[3]金属和半金属成分含量的测定
将下述实验例中得到的离子性化合物0.1g以超纯水(超过18.2Ω·cm)稀释到100倍或200倍作为测试溶液,使用ICP发光分析装置ICPE-9000(岛津制作所制),测定试料中含有的Na、Li、K、Si、Fe量。另外,定量界限(下限值)为10ppm。
实验例2-1 离子性化合物的合成
实验例2-1-1 三氰基甲氧基硼酸锂(LiB(CN)3OMe)的合成
向装入搅拌子的100mL的茄型烧瓶中,加入制备例1-1得到的三氰基甲氧基硼酸三乙基铵1.65g(7.43mmol)和16.01g的纯水,在室温下向烧瓶中加入0.85g(20.26mmol)的氢氧化锂一水合物,搅拌反应。在该温度连续搅拌4小时。
接着,从得到的黄色溶液减压馏去溶剂进行浓缩,冷却浓缩液到室温后,加入乙酸丁酯111g、纯水10g进行分液,分离取出乙酸丁酯层后,馏去乙酸丁酯,得到淡黄色固体(三氰基甲氧基硼酸锂)。另外馏去水层的纯水后,再加入乙酸丁酯45g,搅拌30分钟,然后过滤。从滤液馏去乙酸丁酯后,通过在设定为80℃的真空干燥机内静置3天干燥。得到淡黄色固体(三氰基甲氧基硼酸锂)(合计产量:0.66g(5.20mmol)、产率70%)。
1H-NMR(d6-DMSO)δ3.16(q,J=3.6Hz,3H)
13C-NMR(d6-DMSO)δ52.7,127.7(q,J=69.9Hz)
11B-NMR(d6-DMSO)δ-18.6(s)
实验例2-1-2 三氰基甲氧基硼酸三乙基甲基铵(Et3MeNB(CN)3OMe)的合成
在配备搅拌装置的容量为200mL的3口烧瓶中加入三乙基甲基氯化铵9.84g(64.90mmol),烧瓶内以氮气置换。在室温下向烧瓶中加入6.74g(64.90mmol)的硼酸三甲酯。接着,边搅拌混合溶液,边在室温下添加三甲基氰硅烷35.42g(356.97mmol)。接着,通过油浴将反应溶液加热到140℃,进行5小时搅拌反应。得到的溶液冷却至室温,移到分液漏斗中后,加入乙酸丁酯135g、超纯水22.5g。通过分液萃取抽出下层(水相),对其进行浓缩、干燥后,在设定为50℃的真空干燥机内静置3天,进而,在设定为25℃的真空干燥机内静置2天进行干燥,得到淡黄色液体(三氰基甲氧基硼酸三乙基甲基铵)(产量:9.30g(40.24mmol)、产率:62%)。
1H-NMR(d6-DMSO)δ1.20(tt,J=7.2Hz,1.8Hz,9H),2.88(s,3H),3.13(q,J=4.0Hz,3H),3.25(q,J=7.2Hz,6H)
13C-NMR(d6-DMSO)δ8.14,46.7,53.2,55.7,128.2(q,J=69.7Hz)
11B-NMR(d6-DMSO)δ-18.6(s)
实验例2-1-3 三氰基甲氧基硼酸钾(KB(CN)3OMe)的合成
在配备搅拌装置的容量为50mL的2口烧瓶中加入氰化钾1.30g(19.96mmol),烧瓶内以氮气置换。在室温下向烧瓶中加入2.07g(19.93mmol)的硼酸三甲酯。边搅拌该混合溶液,边在室温下添加三甲基氰硅烷7.16g(72.16mmol)。接着,通过油浴将反应溶液加热到70℃,进行18小时加热搅拌。得到的溶液冷却至室温,对其进行浓缩、干燥,得到黑色固体(三氰基甲氧基硼酸钾)(合计产量:2.44g(15.36mmol),收率:77%)。
1H-NMR(d6-DMSO)δ3.16(q,J=3.6Hz,3H)
13C-NMR(d6-DMSO)δ52.7,127.7(q,J=69.9Hz)
11B-NMR(d6-DMSO)δ-18.6(s)
实验例2-1-4 三氰基甲氧基硼酸钾(KB(CN)3OMe)的干燥
在50mL的茄型烧瓶中装入1.04g(6.57mmol)实验例2-1-3得到的黑色固体(三氰基甲氧基硼酸钾)。烧瓶内边以真空泵减压,边用油浴将烧瓶加热至80℃,干燥48小时。
实验例2-2 杂质的测定
根据上述测定方法,测定以实验例2-1-1~2-1-4得到的离子性化合物中含有的杂质量。结果在表1中表示。另外,构成产物的离子性化合物的阳离子,不视为杂质离子。也就是说,实验例2-1-1(M为锂离子)中,Li以外的碱金属和/或碱土金属为杂质,实验例2-1-2(M为鎓阳离子)中,碱金属和/或碱土金属为杂质,实验例2-1-3、2-1-4(M为钾离子)中,K以外的碱金属和/或碱土金属为杂质。
[表1]
表1中,“×”表示超过含量的上限值(Li离子或K离子:超过20000ppm),“N.D”表示小于检测界限(下限值),另外,实验例2-1-1中的Li、实验例2-1-3、2-1-4中的K,相当于构成离子性化合物的阳离子,因此不视为杂质。
实验例2-3 耐电压范围的测定
实验例2-3-1 三氰基甲氧基硼酸三乙基甲基铵的LSV测定
通过线性扫描伏安法(LSV)测定,测定实验例2-1-2中合成的三氰基甲氧基硼酸三乙基甲基铵的耐电压范围。作为测定用溶液,使用实验例2-1-2中得到的盐在脱水碳酸丙烯酯(キシダ化学制)中溶解,浓度调整到25质量%的溶液。以以下测定条件进行,在结果表示在图1中。
[LSV测定]
耐电压范围的测定,在设定为20℃干燥室中,使用使用3极电池的スタンダードボルタンメトリツールHSV-100(商品名称、北斗电工社制)进行。另外,测定条件如下所述。
(测定条件)
工作电极:玻碳电极、参比电极:Ag电极、对电极:铂电极
溶液浓度:25质量%
溶剂:碳酸丙烯酯
扫描速度:100mV/s
扫描范围:自然电位至±10V
基准电流值:0.1mA
从图1所示结果可知,到10V(银电极基准)观测不到电流(0.1mA以上),认为本发明的三氰基甲氧基硼酸三乙基甲基铵作为电解质的电解液,即使在高的电压范围使用也难以发生电解质分解。
实验例2-3-2 三氰基甲氧基硼酸锂的LSV测定
通过线性扫描伏安法(LSV)测定,测定实验例2-1-1中合成的三氰基甲氧基硼酸锂的耐电压范围。作为测定用溶液,使用实验例2-1-1中得到的盐在脱水γ-丁内酯(キシダ化学制)中溶解,浓度调整到7质量%的溶液。以以下测定条件进行测定,结果表示在图2中。
耐电压范围的测定,除了测定用溶液的溶剂变更为γ-丁内酯,溶液浓度变更为7质量%以外,与实验例2-3-1相同地进行。
从图2所示结果可知,到10V(银电极基准)观测不到电流(0.1mA以上),认为本发明的三氰基甲氧基硼酸锂作为电解质的电解液,即使在高的电压范围使用也难以发生电解质分解。
上述通式(1)所示的本发明的离子性化合物,降低了规定杂质的含量。另外,根据本发明的制备方法可以提供上述通式(1)所示离子性化合物,更进一步,可以提供各种杂质量降低的离子性化合物。本发明的离子性化合物,由于规定杂质量被降低,用于各种用途时,可以充分发挥离子性化合物的特性,适合用于各种用途。特别是本发明的离子性化合物,用作蓄电装置具备的电解液时,即使在高的电压区域运转,也难以发生分解,另外,循环特性良好,可以期待成为高性能的蓄电装置。
实验例2-4 充放电试验
使用上述实验例2-1-1中合成的三氰基甲氧基硼酸锂、市售的γ-丁内酯(LIB级,キシダ化学株式会社制)制作CR2032型纽扣电池,进行充放电试验。
纽扣电池使用LiMn2O4作为正极、锂箔(厚度:0.5mm、本城金属株式会社制)作为负极,该正极和负极夹着玻璃制不织布并相对,以浓度为7质量%(0.7M)的三氰基甲氧基硼酸锂的γ-丁内酯溶液(电解液)充满而制作。
使用制作的纽扣电池,通过充放电试验装置(“Battery Labo System[BS2501 Series]”,株式会社计测器中心制),测定第一次和10次循环后的放电容量,算出10次循环后的容量的维持率。另外,各充放电时设置10分钟的充放电停歇时间。以下,表示测试条件。另外。结果表示在表2中,第一次充放电时的充放电曲线图在图3中表示。
(测试条件)
充放电速度:0.2C
充放电模式:恒流模式
充放电范围:3.0V-4.2V(Li基准)
[表2]
通过表2可知,具备含有三氰基甲氧基硼酸锂盐的电解液的蓄电装置,10次循环后的容量维持率的降低少。该结果显示,含有通式(1)所示离子性化合物和溶剂的电解液,适合作为蓄电装置的电解液,另外,也显示出具备本发明的电解液的蓄电装置,即使反复充放电也难以发生容量降低。
含有上述通式(1)所示离子性化合物和溶剂的本发明的电解液,即使在高电压区域也难以发生分解,因此认为适合用于各种蓄电装置所具备的电解液。另外,认为具备本发明的电解液的蓄电装置,即使在高电位运转也难以发生电解液的劣化,能稳定地工作。
实验例3
[NMR测定]
用Varian社制“Unity Plus”(400MHz),测定1H-NMR和13C-NMR谱,基于质子和碳的峰强度,分析试料的结构。7Li-NMR和11B-NMR谱的测定,使用Bruker社制“Advance 400M”(400MHz)。
另外,NMR谱的测定,在氘代二甲基亚砜中,将以浓度为1质量%~5质量%的方式使反应溶液或者粗产物溶解的测试试料加入到不含硼的氧化铝制的NMR管中,在室温(25℃)下,以积累次数64进行测定。另外,1H-NMR和13C-NMR谱的测定中,以四甲基硅烷作为标准物质,7Li-NMR谱的测定中,以氯化锂作为标准物质,11B-NMR谱的测定中,以1-乙基-3-甲基咪唑鎓四氟硼烷作为标准物质进行定量。
[水分含量的测定]
使用平沼产业(株)制的卡尔费休水分测定装置“AQ-2000”,测定下述实验例中得到的离子性化合物(电解质材料(ⅲ))、或含有离子性化合物的电解液(电解质材料(ⅱ))以及有机溶剂含有的水分量。另外,离子性化合物、或离子传导性材料的使用,对于水分含量的测定等一系列操作,在在干燥室(温度:20℃、露点:-70~-50℃)中进行。根据试料的水分含量,试料注入量为0.1ml~3ml,发生液使用“ハイドラナール(注册商标)クローマットAK”(Sigma Aldrich社制),对电极溶液使用“ハイドラナール(注册商标)クローマットCG-K”(Sigma Aldrich社制)。试料使用注射器以不与空气接触的方式从试料注入口注入。
关于含有离子性化合物(1)的溶液(本发明中的电解质材料(ⅱ))的水分含量,以下述实验例中得到的离子性化合物作为试料,通过上述卡尔费休水分测定装置测定。另外,关于固体状态的离子性化合物(1),对在预先测定了水分含量的溶剂中溶解并调制的试料溶液进行水分含量的测定,通过从测定溶液中的水分量(测定值)减去来自于溶剂的水分量,算出固体中(离子性化合物(1))的水分含量。另外,作为电解质材料(ⅱ)的媒介物含有聚合物时,和前述固体状离子性化合物(1)相同,可以分散于溶剂中进行测定。
[杂质含量的测定]
测定实验例中得到的离子性化合物中含有的杂质量。各种杂质的含量(CN-含量、金属以及半金属成分含量)的测定方法,与实验例2相同地进行。
实验例3-1 离子性化合物的合成
实验例3-1-1 三氰基甲氧基硼酸锂(LiB(CN)3OMe)的合成
在配备温度计、搅拌装置、滴液漏斗的容量为1L的3口烧瓶中加入三乙基溴化铵109g(600mmol),烧瓶内以氮气置换。向烧瓶中加入300mL的1,2-二氯乙烷后,进一步在室温(25℃)下加入62.3g(600mmol)的硼酸三甲酯。接着,边搅拌得到的混合溶液,边在室温下滴加三甲基氰硅烷238g(2400mmol、相对于硼化合物为4.0当量)后,通过油浴将反应溶液加热到60℃,在该温度下连续搅拌15小时进行反应。
然后,从得到的黄色溶液减压馏去有机溶剂进行浓缩,冷却至室温后,得到黄色油状的三氰基甲氧基硼酸三乙基铵(粗产物)。
接着,向装入搅拌子的1L的茄型烧瓶中,加入得到的三氰基甲氧基硼酸三乙基铵和纯水574g,然后,在室温下向烧瓶中加入30.2g(720mmol)的氢氧化锂一水合物,搅拌,在该温度连续搅拌4小时进行反应。
从得到的黄色溶液减压馏去溶剂进行浓缩,冷却浓缩液到室温后,在分液漏斗内混合浓缩液和乙酸乙酯1567g,振动搅拌,在有机层萃取产物。从水层分离有机层后,馏去乙酸乙酯,得到淡黄色固体三氰基甲氧基硼酸锂(粗产物)(产量:45.3g、产率59.5%)。
接着,在分液漏斗内,在5质量%氢氧化锂水溶液228g中溶解得到的三氰基甲氧基硼酸锂,进一步加入乙酸丁酯2273g,振动搅拌,在有机层萃取产物。从水层分离有机层后,馏去乙酸丁酯。重复该操作2次,得到白色固体三氰基甲氧基硼酸锂(洗净产物)(产量:25.3g)。
向得到的三氰基甲氧基硼酸锂中,加入脱水乙腈160g,在70℃加热形成均匀溶液,该溶液在-20℃静置一晚。静置后,通过过滤在烧瓶底部析出的固体得到三氰基甲氧基硼酸锂的白色结晶(再结晶产物初生晶体)。回收滤液,馏去乙腈,再次进行上述再结晶操作,得到二次晶体(合计产量:16.6g、131mmol,合计产率22%、水分含量:531ppm)。产物中含有的各种杂质量在表3中表示。
1H-NMR(d6-DMSO)δ3.16(q,J=3.6Hz,3H)
13C-NMR(d6-DMSO)δ8.80,49.9,52.7,127.7(q,J=69.5Hz)
11B-NMR(d6-DMSO)δ-18.6(s)
实验例3-1-2 三氰基乙氧基硼酸锂(LiB(CN)3OEt)的合成
在实验例3-1-1中,除了使用硼酸三乙酯72.7g(498mmol)代替硼酸三甲酯以外,与实验例3-1-1相同的条件进行反应、精制,得到白色结晶的三氰基乙氧基硼酸锂(再结晶产物)(产量:30.3g、215mmol,合计产率:43%,水分含量593ppm)。产物中含有的各种杂质量在表3中表示。
1H-NMR(d6-DMSO)δ1.12(t,J=7.2Hz,3H),3.37-3.38(m,2H)
13C-NMR(d6-DMSO)δ17.4,60.5,128.0(q,J=69.7Hz)
11B-NMR(d6-DMSO)δ-19.2(s)
[表3]
表3中,“×”表示超过含量的上限值(Li离子:超过20000ppm),“N.D”表示小于检测界限(下限值),另外,实验例3-1-1、3-1-2中,Li相当于构成离子性化合物的阳离子,因此不视为杂质。
实验例3-2 电解质材料的制备
实验例3-2-1
将实验例3-1-1中得到的三氰基甲氧基硼酸锂(LiB(CN)3OMe、再结晶产物)1.01g(水分含量:531ppm),在水分含量为12.8ppm的γ-丁内酯9.61g中溶解,得到均匀的试料溶液。这时试料溶液的水分含量为62.1ppm。
接着,在温度:25℃、露点温度:-70~-50℃的干燥室中,将试料溶液和相对于该试料溶液的质量为33质量%的分子筛2(具有钠阳离子的分子筛,型号“4A SDG”、平均孔径:(标称值)、球状、ユニオン昭和株式会社制)投入聚丙烯制螺口管并塞严,在温度:25℃、露点:-70~-50℃的环境下,以振动机(SHAKER RS-2、アズワン株式会社制)搅拌24小时,测定水分含量。结果在表4中表示。
实验例3-2-2
将实验例3-1-2中得到的三氰基乙氧基硼酸锂(LiB(CN)3OEt、再结晶产物)1.12g(水分含量:593ppm),在γ-丁内酯9.20g中溶解,得到均匀的试料溶液。这时试料溶液的水分含量为75.8ppm。
接着,与实验例3-2-1相同,在温度:25℃、露点温度:-70~-50℃的干燥室中,将试料溶液和相对于该试料溶液的质量为33质量%的分子筛2投入聚丙烯制螺口管并塞严,在温度:25℃、露点:-70~-50℃的环境下,以振动机(SHAKER RS-2、アズワン株式会社制)搅拌24小时,测定水分含量。结果在表4中表示。另外,从这时得到的水分含量(溶液)和从24小时搅拌后的试料溶液除去全部溶剂时得到的粉体的量算出的水分含量(粉体)在表4中一并表示。
[表4]
通过表4可知,在实验例3-2-1、3-2-2中任意一种的情况下,通过与分子筛接触,在维持离子性化合物浓度的同时,可以降低水分含量到作为导电性材料使用充分的程度。
根据本发明,可以提供给电化学的特性带来坏影响的水分含量被降低的电解质材料(ⅱ)、(ⅲ)及其制备方法。从而,水分含量被降低的本发明的电解质材料(ⅱ)、(ⅲ)显示良好的耐电压特性,适和用于各种电化学装置。
实验例4
实验例4-1 离子性化合物的合成
实验例4-1-1 三氰基苯基硼酸三乙基甲基铵(Et3MeNB(CN)3Ph)的合成
在配备搅拌装置的容量为30mL的2口烧瓶中加入三乙基溴化铵0.98g(5.0mmol),烧瓶内以氮气置换。向烧瓶中加入5mL的氯苯后,进一步在室温(25℃)下加入0.65ml(4.9mmol)的二氯苯基硼烷。接着,边搅拌混合溶液,边在室温下滴加三甲基氰硅烷2.6ml(21.1mmol、相对于硼化合物为4.2当量)后,通过油浴将反应溶液加热到80℃,搅拌反应,在该温度连续搅拌9小时。
然后,从得到的黄色溶液减压馏去有机溶剂进行浓缩,冷却浓缩液到室温后,向得到的粉体加入乙酸乙酯50g、纯水10g分液,分离取出乙酸乙酯层。接着,馏去乙酸乙酯,得到褐色固体(三氰基苯基硼酸三乙基甲基铵)的粗产物。通过将该粗产物再结晶进行精制得到白色结晶(产量:0.43g(1.51mmol)、产率30%)。
1H-NMR(d6-DMSO)δ1.22(t,J=7.2Hz,9H),2.90(s,3H),3.27(q,J=7.2Hz,6H),7.25-7.28(m,1H),7.29-7.36(m,2H),7.43-7.45(m,2H)
13C-NMR(d6-DMSO)δ7.37,45.9,54.9,126.8,127.9,128.5-129.5(m),132.3,138.1-139.3(m)
11B-NMR(d6-DMSO)δ-29.0(s)
实验例4-1-2 氰基(氟)乙二酰基硼酸锂(LiB(CN)(F)(OC(O)C(O)O))的合成
[化7]
在配备搅拌装置的容量为100mL的3口烧瓶中加入二氟乙二酰基硼酸锂2.19g(15.2mmol,另外,二氟乙二酰基硼酸锂为参考Chemistry-A EuropeanJournal 2009,15,10,p2270-p2272.中记载方法制造的),烧瓶内以氮气置换。向烧瓶中加入20mL的异丁腈,边搅拌得到的混合溶液,边在室温下滴加三甲基氰硅烷4.7ml(37.9mmol、相对于硼化合物为2.5当量)后,通过油浴将反应溶液加热到80℃,在该温度下连续搅拌2.5小时进行反应。
然后,从得到的黄色溶液减压馏去有机溶剂进行浓缩,得到淡黄色固体(氰基(氟)乙二酰基硼酸锂)。(产量:0.55g(3.65mmol)、产率73%)。
19F-NMR(d6-DMSO)δ-140.79(q,J=30.8Hz)
11B-NMR(d6-DMSO)δ-0.37(d,J=30.8Hz)
实验例4-1-3 二氰基乙二酰基硼酸锂(LiB(CN)2(OC(O)C(O)O))的合成
在配备搅拌装置的容量为100mL的3口烧瓶中加入二氟乙二酰基硼酸锂0.72g(5.0mmol),烧瓶内以氮气置换。向烧瓶中加入5mL的苄腈。边搅拌得到的混合溶液,边在室温(25℃)下滴加三甲基氰硅烷1.6ml(12.9mmol、相对于硼化合物为2.6当量)。然后,通过油浴将反应溶剂加热到80℃,在同温度连续搅拌47小时进行反应。
然后,从得到的黄色溶液减压馏去有机溶剂进行浓缩,得到淡黄色固体(二氰基乙二酰基硼酸锂)。(产量:0.40g(2.53mmol)、产率51%)。
11B-NMR(d6-DMSO)δ-6.9(s)
实验例4-2 耐电压范围的测定
实验例4-2-1 三氰基苯基硼酸三乙基甲基铵的LSV测定
通过线性扫描伏安法(LSV)测定,测定了实验例4-1-1中合成的三氰基苯基硼酸三乙基甲基铵的耐电压范围。作为测定用溶液,使用实验例4-1-1得到的盐在脱水碳酸丙烯酯(キシダ化学制)中溶解,浓度调整到19质量%(1.0M)的溶液。以以下测定条件进行,结果表示在图4中。
[LSV测定]
耐电压范围的测定,除了测定用溶液的浓度变更为10质量%以外,和实验例2-3-1同样地进行。
从图4所示结果可知,到10V(银电极基准)观测不到电流(0.1mA以上),认为本发明的三氰基苯基硼酸三乙基甲基铵作为电解质的电解液,即使在高的电压范围使用也难以发生电解质分解。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种电解液,其特征在于,该电解液含有通式(1)所示离子性化合物和溶剂,
Mn+([B(CN)4-mYm]-)n (1)
式(1)中,Mn+表示1价、2价或3价的有机阳离子或无机阳离子,Y表示卤素、可任意具有卤素的主链碳原子数为1~10的烃基、-C(O)R14、-S(O)lR14、-Z(R14)2或-XR14,R14表示H、卤素或主链碳原子数为1~10的有机取代基,Z表示N或P,X表示O或S,l表示1~2的整数,m表示1~3的整数,n表示1~3的整数。
2.根据权利要求1所述的电解液,其中,所述Y为碳原子数1~10的烷基、碳原子数1~10的烯基、含有杂原子的芳基、-C(O)R14、-S(O)lR14、-Z(R14)2或-XR14中任意一种,R14表示H、卤素或主链碳原子数为1~10的有机取代基,Z表示N或P,X表示O或S,l表示1~2的整数。
3.根据权利要求1或2所述的电解液,其中,所述Y为-XR14,X为O,R14为选自含有1价或2价以上的直链状、支链状、环状或者其组合的烃基,含有1价或2价以上的直链状、支链状、环状或者其组合的卤化烃基,含有从1价或2价以上的直链状、支链状、环状或者其组合中选择的酰基的有机取代基,具有亚磺酰基的有机取代基,具有磺酰基的有机取代基,具有杂原子的有机取代基中的1种。
4.根据权利要求1或2所述的电解液,其中,所述Y为碳原子数1~10的烯基、含有杂原子的芳基、-C(O)R14、-S(O)lR14、-Z(R14)2或-XR14中任意一种,R14表示H、卤素或主链碳原子数为1~10的有机取代基,Z表示N或P,X表示O或S,l表示1~2的整数。
5.根据权利要求2或4所述的电解液,其中,所述Y为-S(O)lR14,R14为卤素。
6.根据权利要求1~4中任意一项所述的电解液,其中,所述Y为-XR14,X为O,R14为选自含有1价或2价以上的直链状、支链状、环状或者其组合的不饱和烃基,含有从1价或2价以上的直链状、支链状、环状或者其组合中选择的酰基的有机取代基,具有杂原子的有机取代基中的1种。
7.根据权利要求1~6中任意一项所述的电解液,其中,所述Mn+为金属离子。
8.根据权利要求1~6中任意一项所述的电解液,其中,所述Mn+为有机阳离子。
9.一种装置,其特征在于,该装置使用了权利要求1~8中任意一项所述的电解液。
10.一种离子性化合物的制备方法,该制备方法为通式(1)所示离子性化合物的制备方法,其特征在于,使通式(8)所示化合物与取代反应试剂反应,
Mn+([B(CN)4-mYm]-)n (1)
式(1)中,Mn+表示1价、2价或3价的有机阳离子或无机阳离子,Y表示卤素、可任意具有卤素的主链碳原子数为1~10的烃基、-C(O)R14、-S(O)lR14、-Z(R14)2或-XR14,R14表示H、卤素或主链碳原子数为1~10的有机取代基,Z表示N或P,X表示O或S,l表示1~2的整数,m表示1~3的整数,n表示1~3的整数,
Mn+([B(CN)4-m(XR13)m]-)n (8)
式(8)中,Mn+表示1价、2价或3价的有机阳离子或无机阳离子,X表示O或S,R13表示H或主链碳原子数为1~10的烃基,m表示1~3的整数,n表示1~3的整数。
11.根据权利要求10所述的制备方法,其中,所述取代反应试剂为烷基氰硅烷、有机镁试剂、有机锂试剂、脂肪醇类、卤化醇类、酚类、羧酸酐类、磺酸或磺酸酐类。
12.根据权利要求10或11所述的制备方法,其中,所述Y为-OR14,R14所示有机取代基是可任意具有卤素的主链碳原子数为1~10的烷基、可任意具有卤素的碳原子数为6~10的芳基、可任意具有卤素的主链碳原子数为1~10的酰基、卤化亚磺酰基、可任意具有卤素的碳原子数为1~10的烷基亚磺酰基、可任意具有卤素的碳原子数为6~10的芳基亚磺酰基、卤化磺酰基、可任意具有卤素的碳原子数为1~10的烷基磺酰基、可任意具有卤素的碳原子数为6~10的芳基磺酰基、或者碳原子数为1~10的烷基硅烷基。
13.一种离子性化合物,该离子性化合物为通式(6)所示离子性化合物,其特征在于,作为杂质的水分的含量为3000ppm以下,
Mn+([B(CN)4-m(XR14)m]-)n (6)
式(6)中,Mn+表示1价、2价或3价的有机阳离子或无机阳离子,X表示O或S,R14表示H、卤素或主链碳原子数为1~10的有机取代基,m表示1~3的整数,n表示1~3的整数。
14.根据权利要求13所述的离子性化合物,其中,作为杂质的CN-的含量为10000ppm以下。
15.一种通式(6)所示离子性化合物的制备方法,其特征在于,使氰化合物、硼化合物与有机阳离子或者无机阳离子的卤素盐反应,
Mn+([B(CN)4-m(XR14)m]-)n (6)
式(6)中,Mn+表示1价、2价或3价的有机阳离子或无机阳离子,X表示O或S,R14表示H、卤素或主链碳原子数为1~10的有机取代基,m表示1~3的整数,n表示1~3的整数。
16.根据权利要求15所述的制备方法,其中,氰化合物为三烷基氰硅烷。
Claims (13)
1.一种电解液,其特征在于,该电解液含有通式(1)所示离子性化合物和溶剂,
Mn+([B(CN)4-mYm]-)n (1)
式(1)中,Mn+表示1价、2价或3价的有机阳离子或无机阳离子,Y表示卤素、可任意具有卤素的主链碳原子数为1~10的烃基、-C(O)R14、-S(O)lR14、-Z(R14)2或-XR14,R14表示H、卤素或主链碳原子数为1~10的有机取代基,Z表示N或P,X表示O或S,l表示1~2的整数,m表示1~3的整数,n表示1~3的整数。
2.根据权利要求1所述的电解液,其中,所述Y为可任意具有卤素的主链碳原子数为1~10的烃基、-C(O)R14、-S(O)lR14、-Z(R14)2或-XR14。
3.根据权利要求1或2所述的电解液,其中,所述Y为可任意具有卤素的主链碳原子数为1~10的烃基或-OR14。
4.根据权利要求1~3中任意一项所述的电解液,其中,所述Mn+为金属离子。
5.根据权利要求1~3中任意一项所述的电解液,其中,所述Mn+为有机阳离子。
6.一种装置,其特征在于,该装置使用权利要求1~5中任意一项所述的电解液。
7.一种离子性化合物的制备方法,该制备方法为通式(1)所示离子性化合物的制备方法,其特征在于,使通式(8)所示化合物与取代反应试剂反应,
Mn+([B(CN)4-mYm]-)n (1)
式(1)中,Mn+表示1价、2价或3价的有机阳离子或无机阳离子,Y表示卤素、可任意具有卤素的主链碳原子数为1~10的烃基、-C(O)R14、-S(O)lR14、-Z(R14)2或-XR14,R14表示H、卤素或主链碳原子数为1~10的有机取代基,Z表示N或P,X表示O或S,l表示1~2的整数,m表示1~3的整数,n表示1~3的整数,
Mn+([B(CN)4-m(XR13)m]-)n (8)
式(8)中,Mn+表示1价、2价或3价的有机阳离子或无机阳离子,X表示O或S,R13表示H或主链碳原子数为1~10的烃基,m表示1~3的整数,n表示1~3的整数。
8.根据权利要求7所述的制备方法,其中,所述取代反应试剂为烷基氰硅烷、有机镁试剂、有机锂试剂、脂肪醇类、卤化醇类、酚类、羧酸酐类、磺酸或磺酸酐类。
9.根据权利要求7或8所述的制备方法,其中,所述Y为-OR14,R14所示有机取代基为可任意具有卤素的主链碳原子数为1~10的烷基、可任意具有卤素的碳原子数为6~10的芳基、可任意具有卤素的主链碳原子数为1~10的酰基、卤化亚磺酰基、可任意具有卤素的碳原子数为1~10的烷基亚磺酰基、可任意具有卤素的碳原子数为6~10的芳基亚磺酰基、卤化磺酰基、可任意具有卤素的碳原子数为1~10的烷基磺酰基、可任意具有卤素的碳原子数为6~10的芳基磺酰基、或者碳原子数为1~10的烷基硅烷基。
10.一种离子性化合物,该离子性化合物为通式(6)所示离子性化合物,其特征在于,作为杂质的水分的含量为3000ppm以下,
Mn+([B(CN)4-m(XR14)m]-)n (6)
式(6)中,Mn+表示1价、2价或3价的有机阳离子或无机阳离子,X表示O或S,R14表示H、卤素或主链碳原子数为1~10的有机取代基,m表示1~3的整数,n表示1~3的整数。
11.根据权利要求10所述的离子性化合物,其中,作为杂质的CN-的含量为10000ppm以下。
12.一种通式(6)所示离子性化合物的制备方法,其特征在于,使氰化合物、硼化合物与有机阳离子或者无机阳离子的卤素盐反应,
Mn+([B(CN)4-m(XR14)m]-)n (6)
式(6)中,Mn+表示1价、2价或3价的有机阳离子或无机阳离子,X表示O或S,R14表示H、卤素或主链碳原子数为1~10的有机取代基,m表示1~3的整数,n表示1~3的整数。
13.根据权利要求12所述的制备方法,其中,氰化合物为三烷基氰硅烷。
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