JP2005251510A - 電解液及び電気化学デバイス - Google Patents

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Abstract

【課題】常温特性を維持し、かつ、低温特性に優れた常温溶融塩を含んだ電解液及び前記電解液を具備する電気化学デバイスを提供する。
【解決手段】本電解液は、式(1)に示す第1の塩(式中、R1とR2は、夫々炭素数1以上4以下のアルキル基若しくはR1とR2が結合して構成される炭素数3以上6以下の含窒素飽和複素環基であり、X-は、BF4 -、B(OOC−COO)2―、PF6 -、CF3SO3 -、CF3(CF23SO3 -、(CF3SO22-、(CF3CF2SO22-、(NC)2-、より選ばれる少なくとも一つを示す。)を成分とする。
Figure 2005251510

【選択図】なし

Description

本発明は、常温溶融塩を成分とする電解液及びその電解液を備えた電気化学デバイスに関する。
常温溶融塩は、不燃性及び不揮発性の導電体であるため、電気化学デバイスの電解液としての活用が期待されている。特に、常温溶融塩のカチオンに関する研究は盛んである。
耐還元性の高い常温溶融塩として、カチオンに種種の脂肪族4級アンモニウム類を用いることが提案された(非特許文献1及び特許文献1参照)。しかし、後述するような構造を有するこれらの常温溶融塩は、高融点高粘度であるため、電解液として用いると、低温特性が低いという問題があった。そこで、4級アンモニウム類において、窒素に結合する置換基を検討することにより、低融点化、低粘度化が試みられている。
特開平11−297355号公報 J. Sun, M. Forsyth, and D. R. MacFarlane, J. Phys. Chem. B, 102, 8858 (1998)
本発明者は、鋭意研究を重ねた結果、以下のことを見出した。
非特許文献1は、カチオンに鎖状アルキル基を置換基とした4級アンモニウムを用いた常温溶融塩を挙げている。しかし、これらの常温溶融塩は、鎖長が長いため、高融点及び高粘度を有する。例えば、非特許文献1中、最も低い融点が記載された化合物は、N,N,N−トリエチルヘキシルアンモニウムをカチオンとして有する常温溶融塩であり、その融点は20℃である。
一方、電解液のキャリアがカチオンの場合、高伝導率化の観点から、マイナスに帯電する酸素原子を有する置換基が好ましい。特に、エステル結合を有する置換基は、エーテルを有する置換基に比して、カチオンに4級アンモニウムを備える常温溶融塩の耐酸化性を高める要因となる。しかし、これらの常温溶融塩は、以下のような問題が生じていた。
特許文献1は、エステル結合を有する置換基を備える4級アンモニウムカチオンとして、トリメチル(メトキシカルボニルエチル)アンモニウムを挙げている。しかし、このメトキシカルボニルエチル基は、鎖長が長いため、常温溶融塩の高融点化高粘度化の要因となる。
エステル結合を有する類似の置換基として、エトキシカルボニルメチル基、プロポキシカルボニルメチル基等が挙げられる。しかし、これらの置換基も同様に、鎖長が長いため、常温溶融塩の高融点化高粘度化の要因となる。
また、同じくエステル結合を有する類似の置換基として、アルコール残基側で窒素と結合した構造のアセトキシメチル基等が挙げられる。しかし、N−C−Oの結合が不安定であるため、電解液としては不適である。
また、アルコール残基側の炭素数の異なる置換基として、アセトキシエチル基、アセトキシプロピル基等が挙げられる。しかし、これらの置換基も同様に、鎖長が長いため、常
温溶融塩の高融点化高粘度化の要因となる。
本発明は、常温溶融塩の低融点化及び低粘度化を果たし、常温特性を維持し、かつ、低温特性に優れた電解液及びその電解液を具備する電気化学デバイスを提供するものである。
本発明の電解液は、式(1)に示す第1の塩を成分とすることを特徴とする。
また、本発明の電気化学デバイスは、上述した電解液を具備することを特徴とする。
本発明は、式(1)に示す第1の塩を成分とする電解液により、常温特性を維持し、かつ、低温特性に優れた電解液を提供する。
また、本発明は、式(1)に示す第1の塩を成分とする電解液を具備することにより、常温特性を維持し、かつ、低温特性に優れた電気化学デバイスを提供する。
(第一の実施の形態)
本実施の形態に係わる電解液について説明する。
本実施の形態に係わる電解液は、式(1)に示す第1の塩を成分とすることを特徴とする。
Figure 2005251510
(式(1)中、R1とR2は、夫々炭素数1以上4以下のアルキル基若しくはR1とR2が結合して構成される炭素数3以上6以下の含窒素飽和複素環基であり、X-は、BF4 -、B(OOC−COO)2―、PF6 -、CF3SO3 -、CF3(CF23SO3 -、(CF3SO22-、(CF3CF2SO22-、(NC)2-、より選ばれる少なくとも一つを示す。)
第1の塩は、単一の物質であってもよいし、上記式(1)で示される複数の化合物を混合したものであってもよい。低融点化の観点から、複数の化合物の混合物であることが好ましい。
本実施の形態の電解液は、上記式(1)で示される第1の塩単独で構成することもできるし、他の電解液との混合でも良い。また、適宜、電解質等を加えてもよい(他の電解質等を添加する場合については後述する。)。
第1の塩は、低融点低粘度であるため、第1の塩を成分とする電解液は、常温特性に加え、優れた低温特性を備える。
本実施の形態の電解液は、上記式(1)で示される第1の塩に上記(2)式で示される第2の塩を混合すると好ましい。さらに、第1の塩及び第2の塩の体積中における第1の
塩の体積割合が7体積%以上50体積%以下であると好ましい。
式(2)に示す第2の塩を成分とすることを特徴とする。
Figure 2005251510
(式(2)中、R3とR4は、夫々炭素数1以上4以下のアルキル基若しくはR3とR4が結合して構成される炭素数3以上6以下の含窒素飽和複素環基であり、R5とR6は、夫々炭素数1以上4以下のアルキル基であり、X-は、BF4 -、B(OOC−COO)2―、PF6 -、CF3SO3 -、CF3(CF23SO3 -、(CF3SO22-、(CF3CF2SO22-、(NC)2-、より選ばれる少なくとも一つを示す。)
第1の塩及び第2の塩の体積中における第1の塩の体積割合がこの範囲であることにより、第1の塩及び第2の塩の効果が充分に発揮され、電解液は、常温特性と低温特性の双方で優れた特性を示す。なお、これにより、電解液は高導電率化し、大電流特性が向上する効果もある。
以下、第1の塩について説明する。
第1の塩のカチオンは、式(1)に示すように、メトキシカルボニルメチル基、メチル基、R1、R2の4つの置換基が窒素に結合した4級アンモニウムカチオンである。
メトキシカルボニルメチル基は、他のエステル結合を有する置換基に比して、高安定性を備え、かつ、第1の塩を高融点化高粘度化する。
メチル基は、鎖長の長さによる第1の塩の高融点化高粘度化を抑制する。
1とR2は、夫々炭素数1以上4以下のアルキル基若しくはR1とR2が結合して構成される炭素数3以上6以下の含窒素飽和複素環基である。
1とR2が、炭素数5以上のアルキル基であるか、あるいはR1とR2が結合して構成される炭素数7以上の含窒素飽和複素環基である場合、常温溶融塩を高融点化高粘度化する。また、これは、低導電率化の要因となるので、電解液の大電流特性を低下させてしまう。また、R1とR2が結合して構成される炭素数2の含窒素飽和複素環基は、構造不安定であるため電解液としては不適である。
なお、R1とR2中に、アルキル基または含窒素飽和複素環基以外の置換基、例えば、エーテル、エステル、カルボニル基を含む場合、分子間の相互作用が強くなるため、常温溶融塩は、融点上昇し、低温特性が低下してしまう。
なお、第1の塩のカチオンは、低粘度化の観点から、非対称性が高い方が好ましい。
式(1)に示される第1の塩の具体例を挙げる。
1とR2は、夫々炭素数1以上4以下のアルキル基である場合のカチオンとして、N−メトキシカルボニルメチルトリメチルアンモニウムイオン、N−メトキシカルボニルメチル−N,N−ジメチルエチルアンモニウムイオン、N−メトキシカルボニルメチル−N,N−ジメチルプロピルアンモニウムイオン、N−メトキシカルボニルメチル−N,N−ジメチルイソプロピルアンモニウムイオン、N−メトキシカルボニルメチル−N,N−ジメチルブチルアンモニウムイオン、N−メトキシカルボニルメチル−N,N−ジメチルイソブチルアンモニウムイオン、N−メトキシカルボニルメチル−N,N−ジメチル−sec−ブチルアンモニウムイオン、N−メトキシカルボニルメチル−N,N−ジメチル−tert−ブチルアンモニウムイオン、N−メトキシカルボニルメチル−N−メチルジエチルアンモニウムイオン、N−メトキシカルボニルメチル−N−エチル−N−メチルプロピルアンモニウムイオン、N−メトキシカルボニルメチル−N−エチル−N−メチルイソプロピルアンモニウムイオン、N−メトキシカルボニルメチル−N−エチル−N−メチルブチルアンモニウムイオン、N−メトキシカルボニルメチル−N−エチル−N−メチルイソブチルアンモニウムイオン、N−メトキシカルボニルメチル−N−エチル−N−メチル−sec−ブチルアンモニウムイオン、N−メトキシカルボニルメチル−N−エチル−N−メチル−tert−ブチルアンモニウムイオン、N−メトキシカルボニルメチル−N−メチルジプロピルアンモニウムイオン、N−メトキシカルボニルメチル−N−メチル−N−プロピルイソプロピルアンモニウムイオン、N−メトキシカルボニルメチル−N−メチルジイソプロピルアンモニウムイオン、N−メトキシカルボニルメチル−N−メチル−N−プロピルブチルアンモニウムイオン、N−メトキシカルボニルメチル−N−メチルジブチルアンモニウムイオン等を挙げることができる。
また、R1とR2は炭素数3以上6以下の含窒素飽和複素環基である場合のカチオンとして、含窒素飽和複素環基中の炭素数が3である1−メトキシカルボニルメチル−1−メチルアゼチジニウムイオン、同炭素数が4である1−メトキシカルボニルメチル−1−メチルピロリジニウムイオン、同炭素数が5である1−メトキシカルボニルメチル−1,2−ジメチルピロリジニウムイオン、1−メトキシカルボニルメチル−1−メチルピペリジニウムイオン、同炭素数が6である1−メトキシカルボニルメチル−1,2,4−トリメチルピロリジニウムイオン、1−メトキシカルボニルメチル−1,2−ジメチルピペリジニウムイオン、1−メトキシカルボニルメチル−1−メチルヘキサメチレンイミニイウムイオン、を挙げることができる。
低融点化低粘度化の観点から、特に好ましい第1の塩のカチオンとして、N−メトキシカルボニルメチル−N,N−ジメチルブチルアンモニウムイオン、1−メトキシカルボニルメチル−1−メチルピロリジニウムイオン、1−メトキシカルボニルメチル−1,2−ジメチルピロリジニウムイオン、1−メトキシカルボニルメチル−1−メチルピペリジニウムイオン等、を挙げることができる。
第1の塩のアニオンであるX-は、BF4 -、B(OOC−COO)2―(以後、BOB―)、PF6 -、CF3SO3 -(以後、Tf-)、CF3(CF23SO3 -(以後、Nf-)、(CF3SO22-(以後、TFSI-)、(CF3CF2SO22-(以後、BETI-)、(NC)2-(以後、DCA-)より選ばれる。なお、TFSI-は、ビス(トリフルオロメチルスルホニル)アミドの通称である。同様に、BETI-は、ビス(ペンタフルオロエチルスルホニル)アミドの通称である。
これらのX-を選択することにより、高い耐酸化還元性を備える電解液となる。
低融点化の観点から、特に好ましいX-として、BF4 -、TFSI-、BETI-、DCA-が挙げられる。
以下第2の塩について説明する。
第2の塩のカチオンは、式(2)に示すように、R3、R4、R5、R6の4つの置換基が窒素に結合した4級アンモニウムカチオンである。
3とR4は、夫々炭素数1以上4以下のアルキル基若しくはR3とR4が結合して構成される炭素数3以上6以下の含窒素飽和複素環基であり、R5とR6は、夫々炭素数1以上4以下のアルキル基である。
3とR4が、夫々炭素数5以上のアルキル基であるか、あるいはR3とR4が結合して構成される炭素数7以上の含窒素飽和複素環基である場合、常温溶融塩を高融点化高粘度化する。また、これは、低導電率化の要因となるので、電解液の大電流特性を低下させてしまう。また、R3とR4が結合して構成される炭素数2の含窒素飽和複素環基である場合、構造不安定であるため電解液としては不適である。
なお、第2の塩のカチオンも、低粘度化の観点から、非対称性が高い方が好ましい。
式(2)に示される第2の塩の具体例を挙げる。
3とR4は夫々炭素数1以上4以下のアルキル基である場合のカチオンとして、テトラメチルアンモニウムイオン、N,N,N−トリメチルエチルアンモニウムイオン、N,N,N−トリメチルプロピルアンモニウムイオン、N,N,N−トリメチルイソプロピルアンモニウムイオン、N,N,N−トリメチルブチルアンモニウムイオン、N,N,N−トリメチルイソブチルアンモニウムイオン、N,N,N−トリメチル−sec−ブチルアンモニウムイオン、N,N,N−トリメチル−tert−ブチルアンモニウムイオン、N,N−ジメチルジエチルアンモニウムイオン、N−エチル−N,N−ジメチルプロピルアンモニウムイオン、N−エチル−N,N−ジメチルイソプロピルアンモニウムイオン、N−エチル−N,N−ジメチルブチルアンモニウムイオン、N−エチル−N,N−ジメチルイソブチルアンモニウムイオン、N−エチル−N,N−ジメチル−sec−ブチルアンモニウムイオン、N−エチル−N,N−ジメチル−tert−ブチルアンモニウムイオン、N,N−ジメチルジプロピルアンモニウムイオン、N,N−ジメチル−N−プロピルイソプロピルアンモニウムイオン、N,N−ジメチルジイソプロピルアンモニウムイオン、N,N−ジメチル−N−プロピルブチルアンモニウムイオン、N,N−ジメチル−N−イソプロピルブチルアンモニウムイオン、N−メチルトリエチルアンモニウムイオン、N,N−ジエチル−N−メチルプロピルアンモニウムイオン、N,N−ジエチル−N−メチルイソプロピルアンモニウムイオン、N,N−ジエチル−N−メチルブチルアンモニウムイオン、N,N−ジエチル−N−メチルイソブチルアンモニウムイオン、N,N−ジエチル−N−メチル−sec−ブチルアンモニウムイオン、N,N−ジエチル−N−メチル−tert−ブチルアンモニウムイオン、N−エチル−N−メチル−ジプロピルアンモニウムイオン、N−エチル−N−メチル−N−プロピルイソプロピルアンモニウムイオン、N−エチル−N−メチル−ジイソプロピルアンモニウムイオン、N−エチル−N−メチル−N−プロピルブチルアンモニウムイオン、N−エチル−N−メチル−N−プロピルイソブチルアンモニウムイオン、N−エチル−N−メチル−N−プロピル−sec−ブチルアンモニウムイオン、N−エチル−N−メチル−N−プロピル−tert−ブチルアンモニウムイオン、N−エチル−N−メチル−N−イソプロピルブチルアンモニウムイオン、N−エチル−N−メチル−N−イソプロピルイソブチルアンモニウムイオン、N−エチル−N−メチル−N−イソプロピル−sec−ブチルアンモニウムイオン、N−エチル−N−メチル−N−イソプロピル−tert−ブチルアンモニウムイオン等を挙げることができる。
また、R3とR4炭素数3以上6以下の含窒素飽和複素環基である場合のカチオンとして
、含窒素飽和複素環基中の炭素数が3である1,1−ジメチルアゼチジニウムイオン、1−エチル−1−メチルアゼチジニウムイオン、1−メチル−1−プロピルアゼチジニウムイオン、1−メチル−1−イソプロピルアゼチジニウムイオン、1−ブチル−1−メチルアゼチジニウムイオン、1−イソブチル−1−メチルアゼチジニウムイオン、1−sec−ブチル−1−メチルアゼチジニウムイオン、1−tert−ブチル−1−メチルアゼチジニウムイオン、1,1−ジエチルアゼチジニウムイオン、1−エチル−1−プロピルアゼチジニウムイオン、1−エチル−1−イソプロピルアゼチジニウムイオン、1−ブチル−1−エチルアゼチジニウムイオン、1−イソブチル−1−エチルアゼチジニウムイオン、1−sec−ブチル−1−エチルアゼチジニウムイオン、1−tert−ブチル−1−エチルアゼチジニウムイオン、同炭素数が4である1,1−ジメチルピロリジニウムイオン、1−エチル−1−メチルピロリジニウムイオン、1−メチル−1−プロピルピロリジニウムイオン、1−メチル−1−イソプロピルピロリジニウムイオン、1−ブチル−1−メチルピロリジニウムイオン、1−イソブチル−1−メチルピロリジニウムイオン、1−sec−ブチル−1−メチルピロリジニウムイオン、1−tert−ブチル−1−メチルピロリジニウムイオン、1,1−ジエチルピロリジニウムイオン、1−エチル−1−プロピルピロリジニウムイオン、1−エチル−1−イソプロピルピロリジニウムイオン、1−ブチル−1−エチルピロリジニウムイオン、1−イソブチル−1−エチルピロリジニウムイオン、1−sec−ブチル−1−エチルピロリジニウムイオン、1−tert−ブチル−1−エチルピロリジニウムイオン、同炭素数が5である1,1,2−トリメチルピロリジニウムイオン、1−エチル−1,2−ジメチルピロリジニウムイオン、1,2−ジメチル−1−プロピルピロリジニウムイオン、1−ブチル−1,2−ジメチルピロリジニウムイオン、1,1−ジメチルピペリジニウムイオン、1−エチル−1−メチルピペリジニウムイオン、1−メチル−1−プロピルピペリジニウムイオン、1−メチル−1−イソプロピルピペリジニウムイオン、1−ブチル−1−メチルピペリジニウムイオン、1−イソブチル−1−メチルピペリジニウムイオン、1−sec−ブチル−1−メチルピペリジニウムイオン、1−tert−ブチル−1−メチルピペリジニウムイオン、1,1−ジエチルピペリジニウムイオン、1−エチル−1−プロピルピペリジニウムイオン、1−エチル−1−イソプロピルピペリジニウムイオン、1−ブチル−1−エチルピペリジニウムイオン、1−イソブチル−1−エチルピペリジニウムイオン、1−sec−ブチル−1−エチルピペリジニウムイオン、1−tert−ブチル−1−エチルピペリジニウムイオン、同炭素数が6である1,1,2,4−テトラメチルピペリジニウムイオン、1−エチル−1,2,4−トリメチルピペリジニウムイオン、1,2,4−トリメチル−1−プロピルピペリジニウムイオン、1−ブチル−1,2,4−トリメチルピペリジニウムイオン、1,1,2−トリメチルピペリジニウムイオン、1−エチル−1,2−ジメチルピペリジニウムイオン、1,2−ジメチル−1−プロピルピペリジニウムイオン、1−ブチル−1,2−ジメチルピペリジニウムイオン、1,1−ジメチルヘキサメチレンイミニイウムイオン、1−エチル−1−メチルヘキサメチレンイミニイウムイオン、1−メチル−1−プロピルヘキサメチレンイミニイウムイオン、1−メチル−1−イソプロピルヘキサメチレンイミニイウムイオン、1−ブチル−1−メチルヘキサメチレンイミニイウムイオン、1−イソブチル−1−メチルヘキサメチレンイミニイウムイオン、1−sec−ブチル−1−メチルヘキサメチレンイミニイウムイオン、1−tert−ブチル−1−メチルヘキサメチレンイミニイウムイオン、1,1−ジエチルヘキサメチレンイミニイウムイオン、1−エチル−1−プロピルヘキサメチレンイミニイウムイオン、1−エチル−1−イソプロピルヘキサメチレンイミニイウムイオン、1−ブチル−1−エチルヘキサメチレンイミニイウムイオン、1−イソブチル−1−エチルヘキサメチレンイミニイウムイオン、1−sec−ブチル−1−エチルヘキサメチレンイミニイウムイオン、1−tert−ブチル−1−エチルヘキサメチレンイミニイウムイオン等を挙げることができる。
低融点化、低粘度化及び高伝導率化の観点から、特に好ましい第2の塩のカチオンとして、N,N,N−トリメチルブチルアンモニウムイオン、N−エチル−N,N−ジメチル
プロピルアンモニウムイオン、N−エチル−N,N−ジメチルブチルアンモニウムイオン、N,N−ジメチル−N−プロピルブチルアンモニウムイオン、1−メチル−1−プロピルピロリジニウムイオン、1−ブチル−1−メチルピロリジニウムイオン、1−sec−ブチル−1−メチルピロリジニウムイオン、1,2−ジメチル−1−プロピルピロリジニウムイオン、1−ブチル−1,2−ジメチルピロリジニウムイオン、1−メチル−1−プロピルピペリジニウムイオン、1−ブチル−1−メチルピペリジニウムイオン、1−sec−ブチル−1−メチルピペリジニウムイオン、1,2,4−トリメチル−1−プロピルピペリジニウムイオン、1−ブチル−1,2,4−トリメチルピペリジニウムイオン、1,2−ジメチル−1−プロピルピペリジニウムイオン、1−メチル−1−プロピルヘキサメチレンイミニイウムイオン等を挙げることができる。
第2の塩のアニオンは、第1の塩のアニオンと同様である。
本実施の形態の電解液は、用途により、電解質としての働きを有する塩あるいは酸化還元対を含ませてもよい。
例えば、本実施の形態の電解液をリチウム電池やリチウムイオン電池に用いる場合、LiClO4、LiBF4、LiBOB、LiPF6、LiTf、LiNf、LiTFSI、LiBETI、LiDCA等の1種以上のLi塩を含有させる。なお、電解液中のLi塩の濃度は、0.1mol/L以上3mol/L以下であることが好ましい。さらに好ましくは、0.5mol/L以上2mol/L以下である。
また、例えば、本実施の形態の電解液を電気化学太陽電池に用いる場合、ヨード、三ヨウ化物等のヨウ素イオンを含んだ化合物を含有させる。
以上詳述したように、本実施の形態の電解液は、常温特性を維持し、かつ、低温特性に優れる。
なお、本発明における常温とは、約15℃以上約25℃以下を示し、低温とは、約−30℃以上約10℃以下を示す。また、常温溶融塩の常温特性及び低温特性とは、該温度における電解液の粘度、導電率等の特性を示し、低粘度、高導電率であるほど優れている。
(第2の実施の形態)
本実施の形態に係わる電気化学デバイスについて説明する。
本実施の形態に係わる電気化学デバイスは、上述した本実施の形態に係わる電解液を具備する。
電気化学デバイスは、例えば、電池、コンデンサ等が挙げられる。
電池は、容器と、容器内に充填された電解液と、容器内に収納された正極活物質を含む正極と、容器内に収納された負極活物質を含む負極と、負極と正極に挟まれたセパレータとを具備する。
電池として、例えば、リチウム電池、リチウムイオン電池、電気化学太陽電池、燃料電池等が挙げられる。
コンデンサは、容器と、容器内に充填された電解液と、容器内に収納された少なくとも2つの電極と、少なくとも2つの電極に挟まれたセパレータとを具備する。
コンデンサとして、例えば、正極表面に誘電体被膜が形成されている電解コンデンサや、電気二重層コンデンサ等が挙げられる。
本実施の形態の電気化学デバイスは、上述した電解液を具備することにより、常温特性を維持し、かつ、低温特性に優れる。
なお、電気化学デバイスの常温特性及び低温特性とは、該温度における電気化学デバイスの放電容量、貯蔵後の容量維持率、大電流特性等の特性を示す。例えば、電気化学デバイスがリチウム電池である場合、常温特性及び低温特性は、定抵抗放電試験における放電時間に顕著に表れる。電気化学デバイスが太陽電池である場合、常温特性及び低温特性は、放電時の負荷と電流を表す電流電圧曲線に顕著に表れる。
以下、実施例に基づき、表1、表2、図1乃至図7を参照し、本発明を説明する。
表1は、実施例1〜9及び比較例1〜2のリチウム電池の電解液組成及び常温特性と低温特性を示す。また、表2は第1の塩に係わる実施例A〜D、第2の塩に係わる比較例A〜C及び比較例の塩に係わる比較例D〜Eの常温溶融塩の融点を示す。また、図1は、本実施例及び比較例のリチウム電池の部分切欠断面図を示す。また、図2乃至図7は、第1の塩に係わる実施例A、C、DのNMR及びIR測定結果を示す。
まず、表1に示す割合にて常温溶融塩を調合した後、表1に示すLi塩を0.5mol/L溶解させ、電解液を調整した。負極はリチウムを用いた。正極は、活物質として80重量%の二酸化マンガン、導電剤として15重量%のアセチレンブラック、結着剤として5重量%のテトラフルオロエチレンを用い、これらをペレット状にし、作成した。セパレータはポリプロピレン製不織布を用いた。
これらを用いて所謂コイン型電池を組み立てた。本実施例及び比較例のリチウム電池について図1を参照して説明する。図1は、本実施例及び比較例に係わるリチウム電池を示す部分切欠断面模式図である。収納ケース1の底面に正極集電体2が備わる。正極3は、正極集電体2を介して収納ケース1と電気的に接続する。負極5は負極封口板6と電気的に接続されている。正極3と負極5とは、セパレータ4を挟み、対向する位置にある。収納ケース1と負極封口板6は絶縁ガスケット7により電気的に絶縁されており、また絶縁ガスケット7によりコイン型電池は密閉される。電解液は、セパレータ4、正極3、負極5、あるいはコイン型電池内部の空隙に存在する。
得られたリチウム電池を20℃と0℃の温度条件において、50kΩの抵抗に接続し、直流放電を行った。電池電圧が2Vに達するまでの放電時間の測定結果を表1に示す。
Figure 2005251510
なお、後述する方法を用いて合成した比較例2の電解液は、20℃において白色固体であったため、電解液として用いることができず、測定できなかった。
実施例1は、比較例1〜2に比して、20℃放電時間及び0℃放電時間の双方に優れた値を示す。これより、第1の塩のみからなる電解液は、常温における電池寿命を維持し、かつ、低温における電池寿命が向上することが解る。後述するように、この測定結果は、第1の塩が低融点を有するためであると考えられる。
実施例2〜5及び比較例1より、第1の塩の割合が増えるに伴い、0℃放電時間が長くなる。これより、7体積%以上の第1の塩を成分とする電解液は、常温における電池寿命を維持し、かつ、さらに低温における電池寿命が向上することが解る。
実施例8〜9より、第1の塩の割合が50体積%であると、20℃放電時間及び0℃放電時間の双方に優れた値を示す。これより、少なくとも50体積%以下の第1の塩を成分とする電解液は、常温における電池寿命を維持し、かつ、さらに低温における電池寿命が向上することが解る。
以下、上述したリチウム電池の電解液に用いた常温溶融塩(実施例A乃至D及び比較例A乃至E)の合成方法、融点測定結果、1H NMR(核磁気共鳴分光法)、IR(赤外分光法)測定結果について述べる。
まず、常温溶融塩の合成方法について、実施例Aの1−メトキシカルボニルメチル−1−メチルピロリジニウムTFSIを例に述べる。
0.4molのブロモ酢酸メチルと0.3molの1−メチルピロリジンを200mlのアセトニトリルに加え、窒素下で8時間環流した。反応溶液に酢酸エチルを加え、生じた沈殿をろ過し、乾燥することにより1−メトキシカルボニルメチル−1−メチルピロリジニウム ブロマイドを淡黄白色固体として得た。この1−メトキシカルボニルメチル−1−メチルピロリジニウム ブロマイド0.20molを少量のイオン交換水に溶解し、0.21mol/LのLiTFSIの水溶液に加え、2時間攪拌した。水層を除き、さらにイオン交換水で洗浄を繰り返し、さらに加熱し、真空乾燥させることによって1−メトキシカルボニルメチル−1−メチルピロリ
ジニウム TFSIを常温溶融塩として得た。
同様の合成方法を用いて、実施例B乃至D、比較例A乃至Eの常温溶融塩を合成した。
次に、実施例A乃至D、比較例A乃至Eの常温溶融塩の融点測定結果について述べる。融点測定には、DSC(示差走査熱量計:セイコーインスツルメンツ社製EXSTAR6000)を用いた。測定結果を表2に示す。
Figure 2005251510
表2より、第1の塩である実施例A乃至Dは、第2の塩である比較例A乃至C及び比較例の塩である比較例D乃至Eに比して、低い融点を有する。これより、表1に示した実施例の優れた低温特性の一因は、第1の塩の低い融点に起因するものと考えられる。
実施例A及び比較例Eより、メトキシカルボニルメチル基を有する4級アンモニウム塩はメトキシカルボニルエチル基を有する4級アンモニウム塩に比して、低融点化の効果が大きいことが解った。
なお、比較例Eは、IR測定結果より、おそらく、構造異性体との混合物として存在する。この構造異性体は、メトキシカルボニルエチル基のカルボニル基に隣接する炭素に結合する水素原子の高活性に起因し、生成していると考えられる。再結晶等による精製を試みたが、比較例Eは安定に存在せず、分離することはできなかった。
最後に、合成した第1の塩に係わる1H NMR、IR測定結果について述べる。1H NMR測定には、JEOL社製 GSX−270Wを用いた。測定溶媒はDMSO−d6を用い、基準にはDMSO−d6のピークを用いた。IR測定には、PERKIN ELMER社製PARAGON 1000を用いた。
1−メトキシカルボニルメチル−1−メチルピロリジニウム TFSIに係わる1H NMR測定結果を図2に示し、IR測定結果を図3に示す。1−メトキシカルボニルメチル−1−メチルピペリジニウム TFSIに係わる1H NMR測定結果を図4に示し、IR測定結果を図5に示す。N−メトキシカルボニルメチル−N,N−ジメチルブチルアンモニウム TFSIに係わる1H NMR測定結果を図6に示し、IR測定結果を図7に示す。なお、アニオンについては、Hを有さないため1H NMR測定結果には現れない。
これらのNMR及びIR測定結果の解析から、上記実施例における各化合物の構造決定を行った。
本実施例に係わる非水電解質電池を示す部分切欠断面模式図。 本実施例の1−メトキシカルボニルメチル−1−メチルピロリジニウムTFSIを示すNMR図。 本実施例の1−メトキシカルボニルメチル−1−メチルピロリジニウムTFSIを示すIR図。 本実施例の1−メトキシカルボニルメチル−1−メチルピぺリジニウムTFSIを示すNMR図。 本実施例の1−メトキシカルボニルメチル−1−メチルピぺリジニウムTFSIを示すIR図。 本実施例のN−メトキシカルボニルメチル−N,N−ジメチルブチルアンモニウムTFSIを示すNMR図。 本実施例のN−メトキシカルボニルメチル−N,N−ジメチルブチルアンモニウムTFSIを示すIR図。
符号の説明
1…収納ケース
2…正極集電体
3…正極
4…セパレータ
5…負極
6…負極封口板
7…絶縁ガスケット

Claims (7)

  1. 式(1)に示す第1の塩を成分とすることを特徴とする電解液。
    Figure 2005251510
    (式(1)中、R1とR2は、夫々炭素数1以上4以下のアルキル基若しくは前記R1と前記R2が結合して構成される炭素数3以上6以下の含窒素飽和複素環基であり、X-は、BF4 -、B(OOC−COO)2―、PF6 -、CF3SO3 -、CF3(CF23SO3 -、(CF3SO22-、(CF3CF2SO22-、(NC)2-、より選ばれる少なくとも一つを示す。)
  2. 前記R1は、メチル基、前記R2はブチル基である、若しくは、前記R1と前記R2は、前記R1と前記R2が結合して構成される炭素数4以上5以下の含窒素飽和複素環基であり、前記X-は、(CF3SO22-若しくは(CF3CF2SO22-であることを特徴とする請求項1記載の電解液。
  3. 前記電解液は、式(2)に示す第2の塩を成分とし、前記第1の塩及び前記第2の塩の混合物における第1の塩の割合は7体積%以上50体積%以下であることを特徴とする請求項1又は2記載の電解液。
    Figure 2005251510
    (式(2)中、R3とR4は、夫々炭素数1以上4以下のアルキル基若しくは前記R3と前記R4が結合して構成される炭素数3以上6以下の含窒素飽和複素環基であり、R5とR6は、夫々炭素数1以上4以下のアルキル基であり、X-は、BF4 -、B(OOC−COO)2―、PF6 -、CF3SO3 -、CF3(CF23SO3 -、(CF3SO22-、(CF3CF2SO22-、(NC)2-、より選ばれる少なくとも一つを示す。)
  4. 式(1)に示す第1の塩を成分とする電解液と、
    前記電解液が充填された容器と、
    前記容器内に収納された第1の電極と、
    前記容器内に収納された第2の電極とを具備する電気化学デバイス。
  5. 前記第1の電極は正極であり、前記第2の電極は負極であり、前記正極と前記負極に挟まれたセパレータとを具備することを特徴とする請求項4記載の電気化学デバイス。
  6. 前記R1は、メチル基、前記R2はブチル基である、若しくは、前記R1と前記R2は、前記R1と前記R2が結合して構成される炭素数4以上5以下の含窒素飽和複素環基であり、前記X-は、(CF3SO22-若しくは(CF3CF2SO22-である電解液を具備することを特徴とする請求項4又は5記載の電気化学デバイス。
  7. 前記電解液は、式(2)に示す第2の塩を成分とし、前記第1の塩及び前記第2の塩の体積中における第1の塩の割合が7体積%以上50体積%以下であることを特徴とする請求項4乃至6何れか1項に記載の電気化学デバイス。
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