JP2007335536A - 電気化学キャパシタ用電解液及びこれを用いた電気化学キャパシタ - Google Patents

電気化学キャパシタ用電解液及びこれを用いた電気化学キャパシタ Download PDF

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啓一郎 東
Yasuyuki Ito
靖幸 伊藤
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Abstract

【課題】電気化学キャパシタの経時的な性能劣化を更に改善しうる電解液を提供することである。
【解決手段】一般式(1)で表される電解質塩(A)を含有してなることを特長とする電気化学キャパシタ用電解液を用いる。
【化1】
Figure 2007335536

(式中Rはメチル基又はエチル基である。Rは水素原子、メチル基、エチル基、プロピル基又はブチル基である。R、Rは水素原子、メチル基又はエチル基であって、同じであっても異なっていてもよい。Qは電子供与基である1価の置換基を表す。Xは対イオンを表す。)
【選択図】 なし

Description

本発明は電気化学キャパシタ用電解液及びこれを用いた電気化学キャパシタに関する。さらに詳しくは、各種電子機器のメモリーバックアップ用、および大電流を必要とする電気自動車などの電力用として用いられる好適な電気化学キャパシタ、並びにこれに好適な電解液に関する。
プロピレンカーボネート溶媒に環状アミジニウム塩を溶解させた電気化学キャパシタ用非水電解液が知られている(例えば、特許文献1)。また、経時的な性能劣化が改善された電気化学キャパシタ用非水電解液も知られている(例えば、特許文献2)。
特許文献1記載の非水電解液は耐電圧が十分でなく、これを改善した特許文献2記載の非水電解液を用いてもまだ十分でない場合があるため、これらの電解液を用いる電気化学キャパシタには経時的な性能劣化が生じる場合がある。
国際公開第95/15572号パンフレット 特開2005−197666号公報
すなわち、本発明の目的は、電気化学キャパシタの経時的な性能劣化を更に改善しうる電解液を提供することである。
本発明の電気化学キャパシタ用電解液の特徴は、一般式(1)で表される電解質塩(A)を含有してなる点を要旨とする。
Figure 2007335536
(式中、Rはメチル基又はエチル基である。Rは水素原子、メチル基、エチル基、プロピル基又はブチル基である。R、Rは水素原子、メチル基又はエチル基であって、同じであっても異なっていてもよい。Qは電子供与基である1価の置換基を表す。Xは対イオンを表す。)
本発明は、また、上記の電解液を用いることを特徴とする電気化学キャパシタ及び電気二重層キャパシタである。
以下に本発明を詳細に説明する。
本発明の電気化学キャパシタ用電解液を構成する電解質塩(A)を示す一般式(1)において、イミダゾリウム環の位置を示す数字は、下記一般式(9)に示すとおり、化学式の左の窒素を1とし、窒素1の右に隣接した炭素を2とし、炭素2の右に隣接した窒素を3とし、窒素3の右に隣接した炭素を炭素4とし、残りを炭素5とする。
Figure 2007335536
イミダゾリウム環からなる電解質において、イミダゾリウム環の2位にアルキル基(C1〜3)を結合することにより、耐電圧が著しく向上することが知られている。これは、電気化学的に不安定な2位を置換基により保護することで達成される。本発明においては、一般式(1)に示したとおり、電子供与基を結合することにより2位置換基での電子授受による反応を抑制でき、従来の2位の置換基であったアルキル基よりも強固に保護することで、更なる耐電圧の向上をもたらすことができる。
一般式(1)の置換基Qは、置換基の電子供与性度と分子の電気化学的安定性の観点から、下記一般式(2)〜(8)、
−OR (2)、
−SR (3)、
−NR (4)、
−SiR1011 (5)、
−R20−O−R12 (6)、
−O−R21−O−R13 (7)、
−NR14−R22−NR1516 (8)
(式中、R〜R16はそれぞれ水素原子又は1価の炭素数1〜4の炭化水素基を表し、R20〜R22はそれぞれ2価の炭素数1〜4の炭化水素基を表す。)で示される基からなる群より選ばれる少なくとも1種であることが好ましく、分子サイズの点から(2)〜(6)がさらに好ましい。
〜R16における1価の炭素数1〜4の炭化水素基としては、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基等が挙げられる。
20〜R22における2価の炭素数1〜4の炭化水素基としては、メチレン基、エチレン基、プロピレン基、ブチレン基等が挙げられる。
特に好ましいQの例としては、−OH(Q1)、−O−CH(Q2)、−O−CH−CH(Q3)、−O−CH−CH−CH(Q4)、−O−CH−CH−CH−CH(Q5)、−SH(Q6)、−S−CH(Q7)、−S−CH−CH(Q8)、−S−CH−CH−CH(Q9)、−S−CH−CH−CH−CH(Q10)、−NH(Q11)、−NH−CH(Q12)、−N(CH(Q13)、−NH(CH−CH)(Q14)、−N(CH)(CH−CH)(Q15)、−N(CH−CH(Q16)、−NH(CH−CH−CH)(Q17)、−N(CH)(CH−CH−CH)(Q18)、−N(CH−CH)(CH−CH−CH)(Q19)、−N(CH−CH−CH(Q20)、−NH(CH−CH−CH−CH)(Q21)、−N(CH)(CH−CH−CH−CH)(Q22)、−N(CH−CH)(CH−CH−CH−CH)(Q23)、−N(CH−CH−CH)(CH−CH−CH−CH)(Q24)、−N(CH−CH−CH−CH(Q25)、−SiH(Q26)、−SiH(CH)(Q27)、−SiH(CH(Q28)、−Si(CH(Q29)、−Si(CH(CH−CH)(Q30)、−Si(CH)(CH−CH(Q31)、−Si(CH−CH(Q32)、−CH−OH(Q33)、−CH−O−CH(Q34)、−CH−O−CH−CH(Q35)、−CH−O−CH−CH−CH(Q36)、−CH−O−CH−CH−CH−CH(Q37)、−CH−CH−OH(Q38)、−CH−CH−O−CH(Q39)、−CH−CH−O−CH−CH(Q40)、−CH−CH−CH−OH(Q41)、−CH−CH−CH−O−CH(Q42)、−CH−CH−CH−O−CH−CH(Q43)、−CH−CH−CH−CH−OH(Q44)、−CH−CH−CH−CH−O−CH(Q45)、−CH−CH−CH−CH−O−CH−CH(Q46)。
一般式(1)で表される電解質塩(A)のカチオンの好ましい例としては、以下のものが挙げられる。
Figure 2007335536
一般式(1)において、Rはメチル基であることが好ましく、Rはメチル基又はエチル基であることが好ましく、R、Rは水素原子又はメチル基であることが好ましい。
また、一般式(2)〜(6)において、R〜R12は水素原子またはメチル基であることが好ましい。
一般式(1)のQとしては、(Q2)、(Q3)、(Q6)、(Q11)、(Q13)、(Q29)、(Q34)、(Q39)がより好ましい。
これらの電解質塩(A)のカチオンのうち、耐電圧および溶解度の観点等から、(a5)〜(a16)が好ましく、さらに好ましくは(a11)〜(a14)である。
対イオン(X)としては、特に限定されるものではないが、PF 、BF 、AsF 、SbF 、N(RfSO 、C(RfSO 、RfSO (Rfは炭素数1〜12のフルオロアルキル基)、N(FSO 、Cl、Br、I、AlCl 、HSO 、CHSO 、CHOSO 、COSO 、NO 、N(CN) 、CHCOO、CH(C)SO 、SCN、ビス(オキサラト)ホウ酸イオン、ジフルオロ(オキサラト)ホウ酸イオン、テトラフルオロ(オキサラト)リン酸イオン等が挙げられ、より好ましくはPF 、BF 、AsF 、SbF 、N(RfSO 、C(RfSO 、RfSO 、N(FSO で表されるアニオンであり、さらに好ましくは、耐電圧の観点等から、PF 、BF 又はN(RfSO で表されるアニオン、特に好ましくはPF 又はBF で表されるアニオン、最も好ましくはBF で表されるアニオンである。
なお、N(RfSO 、C(RfSO 又はRfSO で表されるアニオンに含まれるRfは、炭素数1〜12のフルオロアルキル基を表し、トリフルオロメチル、ペンタフルオロエチル、ヘプタフルオロプロピル及びノナフルオロブチルなどが挙げられる。これらのうち、トリフルオロメチル、ペンタフルオロエチル及びヘプタフルオロプロピルが好ましく、さらに好ましくはトリフルオロメチル及びペンタフルオロエチル、特に好ましくはトリフルオロメチルである。
電解質塩(A)の好ましい例としては、以下のものが挙げられる。
Figure 2007335536
電解質塩(A)は、1種又は2種以上を用いることができる。
電解質塩(A)の製造法としては公知の方法が利用でき、例えば、イミダゾールの合成方法(例えば、特開昭56−61359号公報、特開2004−207451号公報)、あるいは2位に置換基を持つイミダゾールの合成方法(例えば、特開2005−82570号公報、特表2002−515915号公報)、2−アミノイミダゾールの合成方法(例えば、特開2001−328980号公報)、2−メルカプトイミダゾールの合成方法(例えば、特開2004−143056号公報)などにより置換イミダゾール化合物を合成し、該イミダゾール化合物を鎖状カーボネートにより3級化、4級化する方法(例えば、特許第3145049号明細書)等が利用できる。
本発明の電解液には既知の電解質塩(B)を含んでも良い。電解質塩(B)としては公知のものが使用され特に限定されるものではないが、電解質塩(A)との溶解性と電気化学的安定性とを考慮して適宜選択でき、例えば電解質塩(B)のカチオンとしては、テトラエチルアンモニウム、トリメチルエチルアンモニウム、ジメチルジエチルアンモニウム、トリエチルメチルアンモニウム、テトラメチルアンモニウム、テトラ−n−ブチルアンモニウム、トリメチル−n−プロピルアンモニウム、トリメチルイソプロピルアンモニウム、エチルジメチル−n−プロピルアンモニウム、エチルジメチルイソプロピルアンモニウム、ジエチルメチル−n−プロピルアンモニウム、ジエチルメチルイソプロピルアンモニウム、ジメチルジ−n−プロピルアンモニウム、ジメチル−n−プロピルイソプロピルアンモニウム、ジメチルジイソプロピルアンモニウム、トリエチル−n−プロピルアンモニウム、n−ブチルトリメチルアンモニウム、イソブチルトリメチルアンモニウム、t−ブチルトリメチルアンモニウム、トリエチルイソプロピルアンモニウム、エチルメチルジ−n−プロピルアンモニウム、エチルメチル−n−プロピルイソプロピルアンモニウム、エチルメチルジイソプロピルアンモニウム、n−ブチルエチルジメチルアンモニウム、イソブチルエチルジメチルアンモニウム、t−ブチルエチルジメチルアンモニウム、ジエチルジ−n−プロピルアンモニウム、ジエチル−n−プロピルイソプロピルアンモニウム、ジエチルジイソプロピルアンモニウム、メチルトリ−n−プロピルアンモニウム、メチルジ−n−プロピルイソプロピルアンモニウム、メチル−n−プロピルジイソプロピルアンモニウム、n−ブチルトリエチルアンモニウム、イソブチルトリエチルアンモニウム、t−ブチルトリエチルアンモニウム、ジ−n−ブチルジメチルアンモニウム、ジイソブチルジメチルアンモニウム、ジ−t−ブチルジメチルアンモニウム、n−ブチルイソブチルジメチルアンモニウム、n−ブチル−t−ブチルジメチルアンモニウム、ジエチルメチル(2−メトキシエチル)アンモニウム、イソブチル−t−ブチルジメチルアンモニウム等のテトラアルキルアンモニウムイオン及び窒素原子をリン原子に置き換えたテトラアルキルホスホニウムイオン;
N,N−ジメチルピペリジニウム、N,N−エチルメチルピペリジニウム、N,N−ジエチルピペリジニウム、N,N−ジメチルピロリジニウム、N−エチル−N−メチルピロリジニウム、N,N−ジエチルピロリジニウム、1,1,2−トリメチルピロリジニウム、1,1,3−トリメチルピロリジニウム、1−エチル−1,2−ジメチルピロリジニウム、1−エチル−1,3−ジメチルピロリジニウム、2−エチル−1,1−ジメチルピロリジニウム、3−エチル−1,1−ジメチルピロリジニウム、1,1−ジエチル−2−メチルピロリジニウム、1,1−ジエチル−3−メチルピロリジニウム、1,2−ジエチル−1−メチルピロリジニウム、1,3−ジエチル−1−メチルピロリジニウム、1,1,2−トリエチルピロリジニウム、1,1,3−トリエチルピロリジニウム、1,1,2,2−テトラメチルピロリジニウム、1,1,2,3−テトラメチルピロリジニウム、1,1,2,4−テトラメチルピロリジニウム、1,1,2,5−テトラメチルピロリジニウム、1,1,3,4−テトラメチルピロリジニウム、1,1,3,3−テトラメチルピロリジニウム、2−エチル−1,1,2−トリメチルピロリジニウム、2−エチル−1,1,3−トリメチルピロリジニウム、3−エチル−1,1,2−トリメチルピロリジニウム、3−エチル−1,1,3−トリメチルピロリジニウム、2−エチル−1,1,4−トリメチルピロリジニウム、4−エチル−1,1,2−トリメチルピロリジニウム、2−エチル−1,1,5−トリメチルピロリジニウム、3−エチル−1,1,4−トリメチルピロリジニウム、1−エチル−1,2,2−トリメチルピロリジニウム、1−エチル−1,2,3−トリメチルピロリジニウム、1−エチル−1,3,3−トリメチルピロリジニウム、1−エチル−1,2,4−トリメチルピロリジニウム、1−エチル−1,2,5−トリメチルピロリジニウム、1−エチル−1,3,4−トリメチルピロリジニウム、2,2−ジエチル−1,1−ジメチルピロリジニウム、2,3−ジエチル−1,1−ジメチルピロリジニウム、3,3−ジエチル−1,1−ジメチルピロリジニウム、2,4−ジエチル−1,1−ジメチルピロリジニウム、2,5−ジエチル−1,1−ジメチルピロリジニウム、3,4−ジエチル−1,1−ジメチルピロリジニウム、1,2−ジエチル−1,2−ジメチルピロリジニウム、1,2−ジエチル−1,3−ジメチルピロリジニウム、1,3−ジエチル−1,2−ジメチルピロリジニウム、1,3−ジエチル−1,3−ジメチルピロリジニウム、1,2−ジエチル−1,4−ジメチルピロリジニウム、1,4−ジエチル−1,2−ジメチルピロリジニウム、1,2−ジエチル−1,5−ジメチルピロリジニウム、1,3−ジエチル−1,4−ジメチルピロリジニウム等のアルキルピロリジニウムイオン;
N,N′−ジメチルイミダゾリニウム、N−エチル−N′−メチルイミダゾリニウム、N,N′−ジエチルイミダゾリニウム、1,2,3−トリメチルイミダゾリニウム、1,3,4−トリメチルイミダゾリニウム、1−エチル−2,3−ジメチルイミダゾリニウム、1−エチル−3,4−ジメチルイミダゾリニウム、1−エチル−3,5−ジメチルイミダゾリニウム、2−エチル−1,3−ジメチルイミダゾリニウム、4−エチル−1,3−ジメチルイミダゾリニウム、1,2−ジエチル−3−メチルイミダゾリニウム、1,4−ジエチル−3−メチルイミダゾリニウム、1,5−ジエチル−3−メチルイミダゾリニウム、1,3−ジエチル−2−メチルイミダゾリニウム、1,3−ジエチル−4−メチルイミダゾリニウム、1,2,3−トリエチルイミダゾリニウム、1,3,4−トリエチルイミダゾリニウム、1,2,3,4−テトラメチルイミダゾリニウム、1−エチル−2,3,4−トリメチルイミダゾリニウム、1−エチル−2,3,5−トリメチルイミダゾリニウム、1−エチル−3,4,5−トリメチルイミダゾリニウム、2−エチル−1,3,4−トリメチルイミダゾリニウム、4−エチル−1,2,3−トリメチルイミダゾリニウム、1,2−ジエチル−3,4−ジメチルイミダゾリニウム、1,3−ジエチル−2,4−ジメチルイミダゾリニウム、1,4−ジエチル−2,3−ジメチルイミダゾリニウム、2,4−ジエチル−1,3−ジメチルイミダゾリニウム、4,5−ジエチル−1,3−ジメチルイミダゾリニウム、1,2,3−トリエチル−4−メチルイミダゾリニウム、1,2,4−トリエチル−3−メチルイミダゾリニウム、1,2,5−トリエチル−3−メチルイミダゾリニウム、1,3,4−トリエチル−2−メチルイミダゾリニウム、1,3,4−トリエチル−5−メチルイミダゾリニウム、1,4,5−トリエチル−3−メチルイミダゾリニウム、1,2,3,4,5−ペンタメチルイミダゾリニウム等のアルキルイミダゾリニウムイオン;
N,N′−ジメチルイミダゾリウム、N−エチル−N′−メチルイミダゾリウム、N,N′−ジエチルイミダゾリウム、1,2,3−トリメチルイミダゾリウム、1,3,4−トリメチルイミダゾリウム、1−エチル−2,3−ジメチルイミダゾリウム、1−エチル−3,4−ジメチルイミダゾリウム、1−エチル−3,5−ジメチルイミダゾリウム、2−エチル−1,3−ジメチルイミダゾリウム、4−エチル−1,3−ジメチルイミダゾリウム、1,2−ジエチル−3−メチルイミダゾリウム、1,4−ジエチル−3−メチルイミダゾリウム、1,5−ジエチル−3−メチルイミダゾリウム、1,3−ジエチル−2−メチルイミダゾリウム、1,3−ジエチル−4−メチルイミダゾリウム、1,2,3−トリエチルイミダゾリウム、1,3,4−トリエチルイミダゾリウム、1,2,3,4−テトラメチルイミダゾリウム、1−エチル−2,3,4−トリメチルイミダゾリウム、1−エチル−2,3,5−トリメチルイミダゾリウム、1−エチル−3,4,5−トリメチルイミダゾリウム、2−エチル−1,3,4−トリメチルイミダゾリウム、4−エチル−1,2,3−トリメチルイミダゾリウム、1,2−ジエチル−3,4−ジメチルイミダゾリウム、1,3−ジエチル−2,4−ジメチルイミダゾリウム、1,4−ジエチル−2,3−ジメチルイミダゾリウム、1,4−ジエチル−2,5−ジメチルイミダゾリウム、2,4−ジエチル−1,3−ジメチルイミダゾリウム、4,5−ジエチル−1,3−ジメチルイミダゾリウム、1,2,3−トリエチル−4−メチルイミダゾリウム、1,2,4−トリエチル−3−メチルイミダゾリウム、1,2,5−トリエチル−3−メチルイミダゾリウム、1,3,4−トリエチル−2−メチルイミダゾリウム、1,3,4−トリエチル−5−メチルイミダゾリウム、1,4,5−トリエチル−3−メチルイミダゾリウム、1,2,3,4,5−ペンタメチルイミダゾリウム等のアルキルイミダゾリウムイオン;
アザシクロブタン−1−スピロ−1’−アザシクロブチルイオン、ピロリジン−1−スピロ−1’−アザシクロブチルイオン、スピロ−(1,1’)−ビピロリジニウムイオン、ピペリジン−1−スピロ−1’−ピロリジニウムイオン、スピロ−(1,1’)−ビピペリジニウムイオン、3−エチルピロリジニウム−1−スピロ−1’−ピロリジニウムイオン、3−エチルピロリジニウム−1−スピロ−1’−(3’−エチル)ピロリジニウムイオン、2,4−ジフルオロピロリジニウム−1−スピロ−1’−ピロリジニウムイオン、2,4−ジフルオロピロリジニウム−1−スピロ−1’−(2’,4’−ジフルオロ)ピロリジニウムイオン等のスピロアンモニウムイオン;
1,3−ジメチル−1,4,5,6−テトラヒドロピリミジウム、1,2,3−トリメチル−1,4,5,6−テトラヒドロピリミジウム、1−メチル−1,8−ジアザビシクロ[5.4.0]ウンデセン−7、1−メチル−1,5−ジアザビシクロ[4.3.0]ノネン−5等の4級アミジニウムイオン及び窒素原子をリン原子に置き換えた化合物のイオン、トリメチルスルホニウム、トリエチルスルホニウム等のトリアルキルスルホニウムイオン等が挙げられる。
アニオンとしてはPF 、BF 、AsF 、SbF 、N(RfSO 、C(RfSO 、RfSO (Rfは炭素数1〜12のフルオロアルキル基)、N(FSO 、Cl、Br、I、AlCl 、HSO 、CHSO 、CHOSO 、COSO 、NO 、N(CN) 、CHCOO、CH(C)SO 、SCN、ビス(オキサラト)ホウ酸イオン、ジフルオロ(オキソラト)ホウ酸イオン、テトラフルオロ(オキソラト)リン酸イオン等が挙げられる。
これらを組み合わせた電解質塩として、例えば、1−エチル−3−メチルイミダゾリウム・BF (EMI・BF)、1−エチル−2,3−ジメチルイミダゾリウム・BF (EDMI・BF)、トリエチルメチルアンモニウム・BF 、テトラエチルアンモニウム・BF 、スピロ−(1,1’)−ビピロリジニウム・BF 、ピペリジン−1−スピロ−1’−ピロリジニウム・BF 、ジエチルメチル(2−メトキシエチル)アンモニウム・BF などが例示される。これらのうち2種以上を併用することも可能である。
電解質塩(B)の含有量(重量%)は、(A)の合計重量に対して、0〜200が好ましく、さらに好ましくは0〜50、最も好ましくは5〜30である。この範囲であると、電解質塩の低温での固化が起こりにくくなり電気化学キャパシタの経時的な性能劣化をさらに改善しうる。
電解質塩(A)、(B)の含有量は、高速液体クロマトグラフィー(HPLC)により定量できる。HPLCの条件は、カラム:ポリマーコート型充填剤を充填したもの、移動相:リン酸緩衝液(pH2〜3)、流速:0.8ml/min、検出器:UV、温度:40℃である(例えば、機器:LC−10A(島津製作所社製)、カラム:CAPCELL PAK UG120C18(4.6mmφ×25cm、資生堂社製)、移動相:リン酸の濃度10mmol/l、過塩素酸ナトリウムの濃度100mmol/lの水溶液、流速:0.8ml/min、検出器:UV(210nm)、注入量:20μl、カラム温度:40℃)。なお、(A)の化学構造は、通常の有機化学的手法で特定することができ、例えば、H−NMR(例えば機器:AVANCE300(日本ブルカー株式会社製)、溶媒:重水素化ジメチルスルホキシド、周波数:300MHz)、19F−NMR(例えば機器:XL−300(バリアン製)、溶媒:重水素化ジメチルスルホキシド、周波数:300MHz)、13C−NMR(例えば機器:AL−300(日本電子製)、溶媒:重水素化ジメチルスルホキシド、周波数:300MHz)等によって特定することができる。
本発明の電解液には非水溶媒(C)を含むことが好ましい。非水溶媒(C)としては公知のものが使用され、電解質塩(A)の溶解性と電気化学的安定性とを考慮して適宜選択でき、例えば、以下のものが含まれる。非水溶媒(C)は、単独で用いても良いし、これらのうち2種以上を併用することも可能である。
・エーテル:炭素数4〜12の鎖状エーテル(ジエチルエーテル、メチルイソプロピルエーテル、エチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールジメチルエーテル、トリエチレングリコールジエチルエーテル、テトラエチレングリコールジエチルエーテル、ジエチレングリコールジエチルエーテル、トリエチレングリコールジメチルエーテル等)、炭素数4〜12の環状エーテル{テトラヒドロフラン、1,3−ジオキソラン、1,4−ジオキサン、4−ブチルジオキソラン、クラウンエーテル(1,4,7,10,13,16−ヘキサオキサシクロオクタデカン等)等}等。
・アミド:炭素数3〜6の鎖状アミド(N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジメチルプロピオンアミド、ヘキサメチルホスホリルアミド等)、炭素数4〜6の環状アミド(ピロリジノン、N−メチルピロリジノン、N−ビニルピロリジノン等)。
・カルボン酸エステル:炭素数3〜8の鎖状エステル(酢酸メチル、プロピオン酸メチル、アジピン酸ジメチル等)、炭素数4〜5の環状エステル(γ−ブチロラクトン、α−アセチル−γ−ブチロラクトン、β−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン、δ−バレロラクトン等)。
・ニトリル:炭素数2〜5のニトリル(アセトニトリル、グルタロニトリル、アジポニトリル、メトキシアセトニトリル、3−メトキシプロピオニトリル、3−エトキシプロピオニトリル、アクリロニトリル等)。
・カーボネート:炭素数3〜4の鎖状カーボネート(ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジエチルカーボネート等)、炭素数3〜4の環状カーボネート(エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ビニレンカーボネート等)。
・スルホキシド:炭素数2〜6の鎖状スルホキシド(ジメチルスルホキシド、ジプロピルスルホキシド等)。
・スルホン:炭素数4〜6の環状スルホン(スルホラン、3−メチルスルホラン、2,4−ジメチルスルホラン等)。
・ニトロ化合物:ニトロメタン、ニトロエタン等。
・他の環状化合物:N−メチル−2−オキサゾリジノン、3,5−ジメチル−2−オキサゾリジノン、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン等。
これらのうち、カーボネート、スルホン、カルボン酸エステル及びニトリルが好ましく、さらに好ましくはカーボネート、スルホン及びニトリル、特に好ましくはエチレンカーボネート、プロピレンカーボネート及びスルホラン、最も好ましくはプロピレンカーボネート及びスルホランである。これらの非水溶媒は、2種以上の混合物であってもよいが、混合物の場合、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ブチレンカーボネート、スルホラン、3−メチルスルホラン、アセトニトリル、γ−ブチロラクトン、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート及びジエチルカーボネートからなる群より選ばれた少なくとも1種を主成分とすることが好ましく、さらに好ましくはプロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、スルホラン、アセトニトリル及びγ−ブチロラクトンからなる群より選ばれた少なくとも1種を主成分とすること、特に好ましくはプロピレンカーボネート、スルホラン及びアセトニトリルからなる群より選ばれた少なくとも1種を主成分とすることである。ここで「主成分とする」とは、非水溶媒のうち、50〜99重量%、好ましくは70〜90重量%を含有することを意味する。
上記のように、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、スルホラン、アセトニトリル及びγ−ブチロラクトンからなる群より選ばれる少なくとも1種を主成分とする場合は、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート及びジエチルカーボネートからなる群より選ばれる少なくとも1種を副溶媒とすることが好ましい。副溶媒として、さらに好ましくは、ジメチルカーボネートおよびエチルメチルカーボネート、特に好ましくはジメチルカーボネートである。ここで、「副溶媒とする」とは、非水溶媒のうち、1〜50重量%、好ましくは10〜30重量%を含有することを意味する。
電解液中に占める非水溶媒の含有量(重量%)は、電解質塩(A)の重量に基づいて0〜900が好ましく、さらに好ましくは100〜900、特に好ましくは200〜700である。この範囲であると、低温での塩析出が起こりにくくなり電気化学キャパシタの経時的な性能劣化をさらに改善しうる。
本発明の電解液中の含水量(ppm)は、電気化学的安定性の観点から、電解液の容量に基づいて300以下が好ましく、さらに好ましくは100以下、特に好ましくは50以下である。この範囲であると、電気化学キャパシタの経時的な性能低下を抑制できる。
電解液中の含水量はカールフィッシャー法(JIS K0113−1997、電量滴定方法)で測定することができる。
電解液中の水分を上記の範囲にする方法としては、あらかじめ十分に乾燥した電解質塩(A)と、あらかじめ十分に脱水した非水溶媒(C)とを使用する方法等が挙げられる。
電解質塩(A)の乾燥方法としては、減圧下加熱乾燥(例えば20Torr減圧下で150℃で加熱)して、含有されている微量の水を蒸発させて除去する方法等が挙げられる。
非水溶媒(C)の脱水方法としては、減圧下加熱脱水(例えば100Torr、130℃で加熱)して、含有されている微量の水を蒸発させて除去する方法、モレキュラーシーブ(ナカライテスク製、3A 1/16等)、活性アルミナ粉末などの除水剤を使用する方法等が挙げられる。
また、これらの他に、電解液を減圧下加熱脱水(例えば100Torr減圧下で100℃で加熱)して、含有されている微量の水を蒸発させて除去する方法、モレキュラーシーブ、活性アルミナ粉末などの除水剤を使用する方法等が挙げられる。これらの方法は、それぞれ単独で行ってもよいし、組み合わせて行ってもよい。これらのうち、(A)を減圧下加熱乾燥する方法、電解液にモレキュラーシーブを加える方法が好ましい。
本発明の電気化学キャパシタ用電解液は、電解質塩(A)、電解質塩(B)及び非水溶媒(C)の他に、種々の添加剤を含有してもよい。添加剤としては、リン酸類及びその誘導体(リン酸、亜リン酸、リン酸エステル類、ホスホン酸類等)、ホウ酸類及びその誘導体(ホウ酸、酸化ホウ酸、ホウ酸エステル類、ホウ素と水酸基及び/又はカルボキシル基を有する化合物との錯体等)、硝酸塩(硝酸リチウム等)、ニトロ化合物(ニトロ安息香酸、ニトロフェノール、ニトロフェネトール、ニトロアセトフェノン、芳香族ニトロ化合物等)等があげられる。添加剤量は、導電性の観点から好ましくは電解質塩(A)及び(B)の10重量%以下であり、さらに好ましくは5重量%以下である。
本発明の電解液は電気化学キャパシタに用いることができる。電気化学キャパシタは、基本構成物品として、電極、集電体、セパレーターを備えるとともに、キャパシタに通常用いられるケース、ガスケットなどを任意に備えるものである。電解液は、アルゴンガス雰囲気(露点−50℃)のグローブボックス内等で電極及びセパレーターに含浸される。本発明の電解液は、電気化学キャパシタのうち、電気二重層コンデンサ(電極に分極性電極、例えば活性炭、カーボンナノチューブ等を使用するもの)に好適である。
電気二重層コンデンサの基本構造としては、2つの分極性電極の間にセパレーターを挟み、電解液を含浸させたものである。分極性電極の主成分は、電解液に対して電気化学的に不活性で、かつ、適度な電気伝導度を有することから活性炭、カーボンナノチューブ、グラファイト、ポリアセン系有機半導体などの炭素質物質が好ましく、正極と負極の少なくとも一方は炭素質物質である。電荷が蓄積する電極界面が大きい点から、窒素吸着法によるBET法により求めた比表面積が10m/g以上の多孔性炭素物質(例えば活性炭)がさらに好ましい。多孔性炭素物質の比表面積は、目的とする単位面積あたりの静電容量(F/m)と、高比表面積化に伴う嵩密度の低下を勘案して選択されるが、窒素吸着法によるBET法により求めた比表面積が30〜2,500m/gのものが好ましく、体積あたりの静電容量が大きいことから、比表面積が300〜2,300m/gの活性炭が特に好ましい。
本発明の電気化学キャパシタ用電解液は、アルミ電解コンデンサにも用いることができる。アルミ電解コンデンサの基本構造としては、電極となるアルミ箔の表面に電気化学処理で酸化膜をつくってこれを誘電体とし、もう一方の電極となるアルミ箔との間に電解液を含浸させた電解紙を挟んだものである。
本発明の電気化学キャパシタの態様としては、コイン型、捲回型、積層形、角形のものがあげられる。本発明の電気化学キャパシタ用電解液は、いずれの電気二重層コンデンサ又はいずれのアルミ電解コンデンサにも適用できる。
以下、実施例および比較例により本発明を説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。以下、特に記載のないかぎり、「部」は「重量部」を意味する。
<実施例1>
撹拌装置、温度計、滴下ロート、還流冷却器、及び窒素ガス導入管を取り付けた反応フラスコに、エチルアミン(70%水溶液)152部とアンモニア(25%水溶液)80部、及び硫酸12部を仕込んだ。ここにグリオキザール(40%水溶液)172部、ぎ酸メチル138部の混合物を窒素気流下、フラスコ内温度を40〜50℃に保ちながら、4時間かけて全量を滴下した。滴下が終了したのち、45℃でさらに1時間熟成させて、反応混合物を得た。反応混合物中の水分をエバポレートし、蒸留した後1−エチル−2−メトキシイミダゾール126部を得た。
得られた1−エチル−2−メトキシイミダゾール126部、ジメチル炭酸135部及びメタノール192部を冷却コンデンサ付きステンレス製オートクレーブに仕込み均一に溶解させた。次いで窒素置換後密閉下で130℃まで昇温し反応を開始した。圧力は最初約4.2kg/cmであったが、炭酸ガスの発生で徐々に上昇したので、適宜冷却コンデンサの上部からガス抜きを行い、圧力を約7kg/cm以下に調節した。70時間後25℃まで冷却して、反応液をH−NMR分析した結果、1−エチル−2−メトキシイミダゾールが消失し、1−エチル−2−メトキシ−3−メチルイミダゾリウムモノメチル炭酸塩がほぼ定量的に生成していることがわかった。得られた溶液348部に、撹拌下に42重量%のホウフッ化水素酸水溶液199部を25℃で約30分かけて徐々に滴下した。滴下に伴い、炭酸ガスの泡が発生した。滴下が終了して、泡の発生がおさまった後、20Torr、150℃で、溶媒を全量留去して、白色の固体が228部得られた。この固体、電解質塩(A−1)をH−NMR、19F−NMR、13C−NMR及びHPLC分析した結果、1−エチル−2−メトキシ−3−メチルイミダゾリウムテトラフルオロボラート98mol%、その他不純物2mol%であった。H−NMR、19F−NMR、13C−NMR及びHPLC分析の測定条件は上記に記載したとおりである。以下の実施例についても同じである。
得られた電解質塩(A−1)228gを全量プロピレンカーボネートに溶解し全体を1リットルとし、電解液を調製した。この電解液100部に対してモレキュラーシーブ(ナカライテスク製、3A 1/16)3部を加えて25℃で60時間放置して乾燥して電解液1を得た。この電解液の水分は9ppmであった。
<実施例2>
撹拌装置、温度計、滴下ロート、還流冷却器、及び窒素ガス導入管を取り付けた反応フラスコに、エチルアミン(70%水溶液)152部とアンモニア(25%水溶液)80部、ホルムアミド94部、及び硫酸12部を仕込んだ。ここにグリオキザール(40%水溶液)172部を窒素気流下、フラスコ内温度を40〜50℃に保ちながら、4時間かけて全量を滴下した。滴下が終了したのち、45℃でさらに1時間熟成させて、反応混合物を得た。反応混合物中の水分をエバポレートし、蒸留した後1−エチル−2−アミノイミダゾール111部を得た。
得られた1−エチル−2−アミノイミダゾール111部、ジメチル炭酸135部及びメタノール192部を冷却コンデンサ付きステンレス製オートクレーブに仕込み均一に溶解させた。次いで窒素置換後密閉下で130℃まで昇温し反応を開始した。圧力は最初約4.8kg/cmであったが、炭酸ガスの発生で徐々に上昇したので、適宜冷却コンデンサの上部からガス抜きを行い、圧力を約7kg/cm以下に調節した。70時間後25℃まで冷却して、反応液をH−NMR分析した結果、1−エチル−2−アミノイミダゾールが消失し、1−エチル−2−アミノ−3−メチルイミダゾリウムモノメチル炭酸塩がほぼ定量的に生成していることがわかった。得られた溶液428部に、撹拌下に42重量%のホウフッ化水素酸水溶液209部を25℃で約30分かけて徐々に滴下した。滴下に伴い、炭酸ガスの泡が発生した。滴下が終了して、泡の発生がおさまった後、20Torr、150℃で、溶媒を全量留去して、白色の固体が213部得られた。この固体、電解質塩(A−2)をH−NMR、19F−NMR、13C−NMR及びHPLC分析した結果、1−エチル−2−アミノ−3−メチルイミダゾリウムテトラフルオロボラート99mol%、その他不純物1mol%であった。
得られた電解質(A−2)213gを全量プロピレンカーボネートに溶解し全体を1リットルとし、電解液を調製した。この電解液100部に対してモレキュラーシーブ3部を加えて25℃で60時間放置して乾燥して電解液2を得た。この電解液の水分は6ppmであった。
<実施例3>
塩化メチレンにトリフェニルメタノールを溶解し、クロロスルホン酸およびイミダゾールを添加し反応させることにより、1−トリチル−1H−イミダゾールを合成した(詳細は特開昭58−170766号公報参照)。得られた1−トリチル−1H−イミダゾール620部をテトラヒドロフラン7000部に加え、窒素雰囲気下0℃にて1.6M n−ブチルリチウムのヘキサン溶液(和光純薬工業製)1500部を加えた後、室温で3時間撹拌し、1−トリチル−2−リチオイミダゾールの赤色溶液を得た。その後、0℃に冷却し、トリメチルクロロシラン(和光純薬工業製)109部を含むテトラヒドロフラン溶液5500部を1時間掛けて徐々に加えた。0℃にて更に1時間反応後、イオン交換水4000部を加え、エバポレーターにて濃縮し、エーテルにて抽出することにより1−トリチル−2−トリメチルシリルイミダゾールが収率60%で得られた。得られた1−トリチル−2−トリメチルシリルメチルイミダゾール418部と酢酸500部、メタノール9500部を混合し、70℃にて4時間還流し2−トリメチルシリル−1H−イミダゾールを得た。エバポレーターにより溶媒を除去後、イオン交換水を340部加えて冷却し、溶液をろ過した。ろ液をエバポレーターにより溶媒を除去し、2−トリメチルシリル−1H−イミダゾール145部を得た。
2−トリメチルシリル−1H−イミダゾール140部、テトラヒドロフラン144部、水酸化カリウム56部を冷却コンデンサ付きステンレス製オートクレーブに仕込み均一に溶解させた。ついで70℃まで昇温し、エチルクロライド71部を徐々に滴下した。反応に伴い温度上昇がみられたので、温度を70℃±5℃を保つように約2時間かけて滴下し、滴下終了後、約2時間熟成を行った。この反応物を蒸留して1−エチル−2−トリメチルシリルイミダゾール168部を得た。1−エチル−2−トリメチルシリルイミダゾール168部、ジメチル炭酸135部及びメタノール192部を冷却コンデンサ付きステンレス製オートクレーブに仕込み均一に溶解させた。次いで窒素置換後密閉下で130℃まで昇温し反応を開始した。圧力は最初約4.4kg/cmであったが、炭酸ガスの発生で徐々に上昇したので、適宜冷却コンデンサの上部からガス抜きを行い、圧力を約7kg/cm以下に調節した。70時間後25℃まで冷却して、反応液をH−NMR分析した結果、1−エチル−2−トリメチルシリルイミダゾールが消失し、1−エチル−2−トリメチルシリル−3−メチルイミダゾリウムモノメチル炭酸塩がほぼ定量的に生成していることがわかった。得られた溶液490部に、撹拌下に42重量%のホウフッ化水素酸水溶液205部を25℃で約30分かけて徐々に滴下した。滴下に伴い、炭酸ガスの泡が発生した。滴下が終了して、泡の発生がおさまった後、20Torr、150℃で、溶媒を全量留去して、褐色の固体が270部得られた。この固体、電解質塩(A−3)をH−NMR、19F−NMR、13C−NMR及びHPLC分析した結果、1−エチル−2−トリメチルシリル−3−メチルイミダゾリウムテトラフルオロボラート98mol%、その他不純物2mol%であった。
得られた電解質塩(A−3)270gを全量プロピレンカーボネートに溶解し全体を1リットルとし、電解液を調製した。この電解液100部に対してモレキュラーシーブ3部を加えて25℃で60時間放置して乾燥して電解液3を得た。この電解液の水分は5ppmであった。
<実施例4>
撹拌装置、温度計、滴下ロート、還流冷却器、及び窒素ガス導入管を取り付けた反応フラスコに、エチルアミン(70%水溶液)152部とアンモニア(25%水溶液)80部、及び硫酸12部を仕込んだ。ここにグリオキザール(40%水溶液)172部、N,N−ジメチルホルムアミド168部の混合物をを窒素気流下、フラスコ内温度を40〜50℃に保ちながら、4時間かけて全量を滴下した。滴下が終了したのち、45℃でさらに1時間熟成させて、反応混合物を得た。反応混合物中の水分をエバポレートし、蒸留した後1−エチル−2−ジメチルアミノイミダゾール142部を得た。
得られた1−エチル−2−ジメチルアミノイミダゾール142部、ジメチル炭酸135部及びメタノール192部を冷却コンデンサ付きステンレス製オートクレーブに仕込み均一に溶解させた。次いで窒素置換後密閉下で130℃まで昇温し反応を開始した。圧力は最初約4.8kg/cmであったが、炭酸ガスの発生で徐々に上昇したので、適宜冷却コンデンサの上部からガス抜きを行い、圧力を約7kg/cm以下に調節した。70時間後25℃まで冷却して、反応液をH−NMR分析した結果、1−エチル−2−ジメチルアミノイミダゾールが消失し、1−エチル−2−ジメチルアミノ−3−メチルイミダゾリウムモノメチル炭酸塩がほぼ定量的に生成していることがわかった。得られた溶液455部に、撹拌下に42重量%のホウフッ化水素酸水溶液212部を25℃で約30分かけて徐々に滴下した。滴下に伴い、炭酸ガスの泡が発生した。滴下が終了して、泡の発生がおさまった後、20Torr、150℃で、溶媒を全量留去して、白色の固体が241部得られた。この固体、電解質塩(A−4)をH−NMR、19F−NMR、13C−NMR及びHPLC分析した結果、1−エチル−2−ジメチルアミノ−3−メチルイミダゾリウムテトラフルオロボラート98mol%、その他不純物2mol%であった。
得られた電解質塩(A−4)241gを全量プロピレンカーボネートに溶解し全体を1リットルとし、電解液を調製した。この電解液100部に対してモレキュラーシーブ3部を加えて25℃で60時間放置して乾燥して電解液4を得た。この電解液の水分は8ppmであった。
<実施例5>
実施例3と同様にして得られた1−トリチル−2−リチオイミダゾールの赤色溶液9120部を0℃に冷却し、クロロメチルメチルエーテル(和光純薬工業製)162部を含むテトラヒドロフラン溶液5500部を1時間掛けて徐々に加えた。0℃にて更に1時間反応後、イオン交換水4000部を加え、エバポレーターにて濃縮し、エーテルにて抽出することにより1−トリチル−2−メトキシメチルイミダゾールが収率60%で得られた。得られた1−トリチル−2−メトキシメチルイミダゾール426部と酢酸500部、メタノール9500部を混合し、70℃にて4時間還流し2−メトキシメチルイミダゾールを得た。エバポレーターにより溶媒を除去後、イオン交換水を340部加えて冷却し、溶液をろ過した。ろ液をエバポレーターにより溶媒を除去し、2−メトキシメチルイミダゾール115部を得た。
2−メトキシメチルイミダゾール115部、テトラヒドロフラン144部、水酸化カリウム56部を冷却コンデンサ付きステンレス製オートクレーブに仕込み均一に溶解させた。ついで70℃まで昇温し、エチルクロライド71部を徐々に滴下した。反応に伴い温度上昇がみられたので、温度を70℃±5℃を保つように約2時間かけて滴下し、滴下終了後、約2時間熟成を行った。この反応物を蒸留して1−エチル−2−メトキシメチルイミダゾール142部を得た。1−エチル−2−メトキシメチルイミダゾール142部、ジメチル炭酸135部及びメタノール192部を冷却コンデンサ付きステンレス製オートクレーブに仕込み均一に溶解させた。次いで窒素置換後密閉下で130℃まで昇温し反応を開始した。圧力は最初約4.8kg/cmであったが、炭酸ガスの発生で徐々に上昇したので、適宜冷却コンデンサの上部からガス抜きを行い、圧力を約7kg/cm以下に調節した。70時間後25℃まで冷却して、反応液をH−NMR分析した結果、1−エチル−2−メトキシメチルイミダゾールが消失し、1−エチル−2−メトキシメチル−3−メチルイミダゾリウムモノメチル炭酸塩がほぼ定量的に生成していることがわかった。得られた溶液455部に、撹拌下に42重量%のホウフッ化水素酸水溶液212部を25℃で約30分かけて徐々に滴下した。滴下に伴い、炭酸ガスの泡が発生した。滴下が終了して、泡の発生がおさまった後、20Torr、150℃で、溶媒を全量留去して、白色の固体が242部得られた。この固体、電解質塩(A−5)をH−NMR、19F−NMR、13C−NMR及びHPLC分析した結果、1−エチル−2−メトキシメチル−3−メチルイミダゾリウムテトラフルオロボラート98mol%、その他不純物2mol%であった。
得られた電解質塩(A−5)242gを全量プロピレンカーボネートに溶解し全体を1リットルとし、電解液を調製した。この電解液100部に対してモレキュラーシーブ3部を加えて25℃で60時間放置して乾燥して電解液5を得た。この電解液の水分は10ppmであった。
<実施例6>
N−メチルアミノアセトアルデヒドジメチルアセタール、チオシアン酸カリウム及び水を仕込み撹拌溶解した後、35%塩酸滴下および熟成し、pH調整後に酢酸エチルにて抽出、脱溶媒を行うことにより、1−メチル−2−メルカプトイミダゾールを合成した(詳細は特開2004−143056参照)。得られた1−メチル−2−メルカプトイミダゾール115部、ジメチル炭酸135部及びメタノール192部を冷却コンデンサ付きステンレス製オートクレーブに仕込み均一に溶解させた。次いで窒素置換後密閉下で130℃まで昇温し反応を開始した。圧力は最初約4.8kg/cmであったが、炭酸ガスの発生で徐々に上昇したので、適宜冷却コンデンサの上部からガス抜きを行い、圧力を約7kg/cm以下に調節した。70時間後25℃まで冷却して、反応液をH−NMR分析した結果、1−エチル−2−メルカプトイミダゾールが消失し、1,3−ジメチル−2−メルカプト−イミダゾリウムモノメチル炭酸塩がほぼ定量的に生成していることがわかった。得られた溶液432部に、撹拌下に42重量%のホウフッ化水素酸水溶液212部を25℃で約30分かけて徐々に滴下した。滴下に伴い、炭酸ガスの泡が発生した。滴下が終了して、泡の発生がおさまった後、20Torr、150℃で、溶媒を全量留去して、白色の固体が216部得られた。この固体、電解質塩(A−6)をH−NMR、19F−NMR、13C−NMR及びHPLC分析した結果、1,3−ジメチル−2−メルカプト−イミダゾリウムテトラフルオロボラート97mol%、その他不純物3mol%であった。
得られた電解質塩(A−6)216gを全量プロピレンカーボネートに溶解し全体を1リットルとし、電解液を調製した。この電解液100部に対してモレキュラーシーブ3部を加えて25℃で60時間放置して乾燥して電解液6を得た。この電解液の水分は7ppmであった。
<実施例7>
実施例1で得られた電解質塩(A−1)228gを全量プロピレンカーボネートとジメチルカーボネートの混合溶媒(重量比で75:25)に溶解し全体を1リットルとし、電解液を調製した。この電解液100部に対してモレキュラーシーブ3部を加えて25℃で60時間放置して乾燥して電解液7を得た。この電解液の水分は6ppmであった。
<実施例8>
実施例1で得られた電解質塩(A−1)228gを全量スルホランに溶解し全体を1リットルとし、電解液を調製した。この電解液100部に対してモレキュラーシーブ3部を加えて25℃で60時間放置して乾燥して電解液8を得た。この電解液の水分は5ppmであった。
<実施例9>
実施例1で得られた電解質塩(A−1)228gを全量スルホランとエチルメチルカーボネートの混合溶媒(重量比で1:1)に溶解し全体を1リットルとし、電解液を調製した。この電解液100部に対してモレキュラーシーブ3部を加えて25℃で60時間放置して乾燥して電解液9を得た。この電解液の水分は4ppmであった。
<実施例10>
実施例1において42重量%のホウフッ化水素酸水溶液の代わりに60重量%のHPF水溶液59部を用いた。滴下が終了して、泡の発生がおさまった後、20Torr、150℃で、溶媒を全量留去して、白色の固体を得た。この固体をH−NMR分析した結果、1−エチル−2−メトキシイミダゾールが消失し、カチオン(a11)がほぼ定量的に生成していることが分かった。この固体電解質塩(A−7)をH−NMR、19F−NMR、13C−NMR及びHPLC分析した結果、カチオン(a11)のPF 塩98mol%、その他不純物2mol%であった。
得られた電解質塩(A−7)286gを全量プロピレンカーボネートに溶解し全体を1リットルとし、電解液を調製した。この電解液100部に対してモレキュラーシーブ3部を加えて25℃で60時間放置して乾燥して電解液10を得た。この電解液の水分は8ppmであった。
<実施例11>
実施例1において42重量%のホウフッ化水素酸水溶液の代わりに60重量%のCFSOH水溶液63部を用いた。滴下が終了して、泡の発生がおさまった後、20Torr、150℃で、溶媒を全量留去して、白色の固体を得た。この固体をH−NMR分析した結果、1−エチル−2−メトキシイミダゾールが消失し、カチオン(a11)がほぼ定量的に生成していることが分かった。この固体、電解質塩(A−8)をH−NMR、19F−NMR、13C−NMR及びHPLC分析した結果、カチオン(a11)のCFSO 塩98mol%、その他不純物2mol%であった。
得られた電解質塩(A−8)290gを全量プロピレンカーボネートに溶解し全体を1リットルとし、電解液を調製した。この電解液100部に対してモレキュラーシーブ3部を加えて25℃で60時間放置して乾燥して電解液11を得た。この電解液の水分は8ppmであった。
<比較例1>
1−エチルイミダゾール96部、ジメチル炭酸135部及びメタノール192部を冷却コンデンサ付きステンレス製オートクレーブに仕込み均一に溶解させた。次いで窒素置換後密閉下で130℃まで昇温し反応を開始した。圧力は最初約4.5kg/cmであったが、炭酸ガスの発生で徐々に上昇したので、適宜冷却コンデンサの上部からガス抜きを行い、圧力を約7kg/cm以下に調節した。60時間後30℃まで冷却して、反応液をH−NMR分析した結果、1−エチルイミダゾールが消失し、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムモノメチル炭酸塩がほぼ定量的に生成していることがわかった。得られた溶液415部に、攪拌下に42重量%のホウフッ化水素酸水溶液205部を25℃で約30分かけて徐々に滴下した。滴下に伴い、炭酸ガスの泡が発生した。滴下が終了して、泡の発生がおさまった後、20Torr、150℃で、溶媒を全量留去して、無色透明の液体が194部得られた。この液体、電解質塩(X−1)をH−NMR、19F−NMR、13C−NMR及びHPLC分析した結果、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムテトラフルオロボーレート98mol%、その他不純物2mol%
であった。
得られた電解質塩(X−1)198gを全量プロピレンカーボネートに溶解し全体を1リットルとし、電解液を調製した。この電解液100部に対してモレキュラーシーブ3部を加え25℃で60時間放置して乾燥して比較電解液1を得た。電解液中の水分は10ppmであった。
<比較例2>
1−メチルイミダゾール82部、ジメチル炭酸135部及びメタノール192部を冷却コンデンサ付きステンレス製オートクレーブに仕込み均一に溶解させた。次いで窒素置換後密閉下で130℃まで昇温し反応を開始した。圧力は最初約4.5kg/cmであったが、炭酸ガスの発生で徐々に上昇したので、適宜冷却コンデンサの上部からガス抜きを行い、圧力を約7kg/cm以下に調節した。60時間後30℃まで冷却して、反応液をH−NMR分析した結果、1−メチルイミダゾールが消失し、1,3−ジメチルイミダゾリウムモノメチル炭酸塩がほぼ定量的に生成していることがわかった。得られた溶液401部に、攪拌下に42重量%のホウフッ化水素酸水溶液205部を室温下約30分かけて徐々に滴下した。滴下に伴い、炭酸ガスの泡が発生した。滴下が終了して、泡の発生がおさまった後、20Torr、150℃で、溶媒を全量留去して、白色の固体が180部得られた。この固体、電解質塩(X−2)をH−NMR、19F−NMR、13C−NMR及びHPLC分析した結果、1,3−ジメチルイミダゾリウムテトラフルオロボーレート98mol%、その他不純物2mol%であった。
得られた電解質塩(X−2)184gを全量プロピレンカーボネートに溶解し全体を1リットルとし、電解液を調製した。この電解液100部に対してモレキュラーシーブ3部を加え25℃で60時間放置して乾燥して比較電解液2を得た。電解液中の水分は8ppmであった。
<比較例3>
2−メチルイミダゾール(キュアゾール2MZ−P、四国化成工業社製)82部、テトラヒドロフラン144部、水酸化カリウム56部を冷却コンデンサ付きステンレス製オートクレーブに仕込み均一に溶解させた。ついで70℃まで昇温し、エチルクロライド71部を徐々に滴下した。反応に伴い温度上昇がみられたので、温度を70℃±5℃を保つように約2時間かけて滴下し、滴下終了後、約2時間熟成を行った。この反応物を蒸留して1−エチル−2−メチルイミダゾール50部を得た。得られた1−エチル−2−メチルイミダゾール110部、ジメチル炭酸135部及びメタノール192部を冷却コンデンサ付きステンレス製オートクレーブに仕込み均一に溶解させた。次いで窒素置換後、密閉下で130℃まで昇温し反応を開始した。圧力は最初約4.5kg/cmであったが、炭酸ガスの発生で徐々に上昇したので、適宜冷却コンデンサの上部からガス抜きを行い、圧力を約7kg/cm以下に調節した。60時間後30℃まで冷却して、反応液をH−NMR分析した結果、1−エチル−2−メチルイミダゾールが消失し、1−エチル−2,3−ジメチルイミダゾリウムモノメチル炭酸塩がほぼ定量的に生成していることがわかった。得られた溶液428部に、攪拌下に42重量%のホウフッ化水素酸水溶液205部を25℃で約30分かけて徐々に滴下した。滴下に伴い、炭酸ガスの泡が発生した。滴下が終了して、泡の発生がおさまった後、20Torr、150℃で、溶媒を全量留去して、白色の固体が208部得られた。この固体、電解質塩(X−3)をH−NMR、19F−NMR、13C−NMR及びHPLC分析した結果、1−エチル−2,3−ジメチルイミダゾリウムテトラフルオロボーレート98mol%、その他不純物2mol%であった。
得られた電解質塩(X−3)212gを全量プロピレンカーボネートに溶解し全体を1リットルとし、電解液を調製した。この電解液100部に対してモレキュラーシーブ3部を加えて25℃で60時間放置して乾燥して比較電解液3を得た。この電解液の水分は5ppmであった。
<比較例4>
1,2−ジメチルイミダゾール(キュアゾール1.2DMZ、四国化成工業社製)96部、ジメチル炭酸135部及びメタノール192部を冷却コンデンサ付きステンレス製オートクレーブに仕込み均一に溶解させた。次いで窒素置換後、密閉下で130℃まで昇温し反応を開始した。圧力は最初約4.5kg/cmであったが、炭酸ガスの発生で徐々に上昇したので、適宜冷却コンデンサの上部からガス抜きを行い、圧力を約7kg/cm以下に調節した。60時間後30℃まで冷却して、反応液をH−NMR分析した結果、1,2−ジメチルイミダゾールが消失し、1,2,3−トリメチルイミダゾリウムモノメチル炭酸塩がほぼ定量的に生成していることがわかった。得られた溶液415部に、攪拌下に42重量%のホウフッ化水素酸水溶液205部を25℃で約30分かけて徐々に滴下した。滴下に伴い、炭酸ガスの泡が発生した。滴下が終了して、泡の発生がおさまった後、20Torr、150℃で、溶媒を全量留去して、白色の固体が194部得られた。この固体、電解質塩(X−4)をH−NMR、19F−NMR、13C−NMR及びHPLC分析した結果、1,2,3−トリメチルイミダゾリウムテトラフルオロボーレート98mol%、その他不純物2mol%であった。
得られた電解質塩(X−4)198gを全量プロピレンカーボネートに溶解し全体を1リットルとし、電解液を調製した。この電解液100部に対してモレキュラーシーブ3部を加えて25℃で60時間放置して乾燥して比較電解液4を得た。この電解液の水分は5ppmであった。
<比較例5>
比較例3で得られた電解質塩(X−3)212gを全量スルホランに溶解し全体を1リットルとし、電解液を調製した。この電解液100部に対してモレキュラーシーブ3部を加え25℃で60時間放置して乾燥して比較電解液5を得た。電解液中の水分は5ppmであった。
本発明の電解液1〜11及び比較電解液1〜5を使用して、捲回形の電気化学キャパシタを作製し、自己放電特性(耐電圧)及び容量保持率について評価し、これらの結果を表3に示した。
(1)自己放電特性
実施例1〜11の電解液と比較例1〜5の電解液を用いて、16種類の捲回形電気化学キャパシタ(サイズ;φ18mm×L50mm,定格電圧;2.3V、正極及び負極;活性炭)を作製し、この捲回形電気化学キャパシタを使用して、自己放電特性を測定し、これを電解液の耐電圧とした。
<自己放電特性の測定方法>
捲回形電気化学キャパシタを25℃、2.5Vで24時間充電した後、25℃で50時間放置した。その後、この捲回形電気化学キャパシタの端子間電圧を測定した。この測定で得られた端子間電圧(残存電圧)を自己放電特性とした。残存電圧が高いほど自己放電特性が良好であり(耐電圧が高い)、低いほど自己放電特性が悪い(耐電圧が低い)ことになる。
(2)容量保持率
(1)で作製した捲回形電気化学キャパシタを用いて、70℃、2.3Vの高温負荷試験を行い、1000時間経過後の容量保持率を以下の式で算出した。
容量保持率(%)=[(1,000時間後の容量)/(初期の容量)]×100
<容量測定方法>
捲回形電気化学キャパシタを25℃、2.5Vで1時間充電した後、定電流負荷装置を用いて1Aで定電流放電を行い、捲回形電気化学キャパシタの端子間電圧が1.7Vから1.3Vへ変化する間の時間を測定し、次式から容量を算出した。
C=i×Δt/ΔV
なお、この式はQ=i×t=C×Vの関係から導き出され、Qは放電電荷量(C)、iは放電電流(A)、tは放電時間(sec)、Cは容量(F)、Vは電圧(V)であり、i=1(A)、ΔV=1.7−1.3=0.4(V)である。
Figure 2007335536
表3から明らかなように、本発明の実施例1〜11の電解液を使用した電気化学キャパシタは、比較例1〜5の電解液を使用した電気化学キャパシタに比べて自己放電特性及び容量保持率が高い。よって、本発明の電解液は、電気化学キャパシタの経時的な性能劣化を飛躍的に改善し、高信頼性の電気化学キャパシタを構成できることが明らかである。なお、本発明の実施例1〜11の電解液は、電気化学キャパシタに用いた場合で、電圧を継続的に印加した時にも、例えば、液漏れ防止用として用いるゴムパッキングを劣化させる程のアルカリ性を示すものとはならず、液漏れに対する信頼性の高いものとなる。
本発明の電解液は、耐電圧に優れていることから、この電解液を用いて作成した電気化学キャパシタは従来の電気化学キャパシタと比較して、経時的な性能劣化がごくわずかであるため、各種電子機器のメモリーバックアップ用、各種電源のバックアップ電源、太陽電池との組み合わせで使用される蓄電素子等の2次電池を代替する蓄電装置としてや大電流を必要とするモーター駆動用電源、電動工具等のパワーツール用電源、電気自動車用のパワー用電源用途に適用できる。

Claims (11)

  1. 一般式(1)で表される電解質塩(A)を含有してなる電気化学キャパシタ用電解液。
    Figure 2007335536
    (式中、Rはメチル基又はエチル基である。Rは水素原子、メチル基、エチル基、プロピル基又はブチル基である。R、Rは水素原子、メチル基又はエチル基であって、同じであっても異なっていてもよい。Qは電子供与基である1価の置換基を表す。Xは対イオンを表す。)
  2. 一般式(1)の置換基Qが下記一般式(2)〜(8)、
    −OR (2)、
    −SR (3)、
    −NR (4)、
    −SiR1011 (5)、
    −R20−O−R12 (6)、
    −O−R21−O−R13 (7)、
    −NR14−R22−NR1516 (8)
    (式中、R〜R16はそれぞれ水素原子又は1価の炭素数1〜4の炭化水素基を表し、R20〜R22はそれぞれ2価の炭素数1〜4の炭化水素基を表す。)
    で示される基からなる群より選ばれる少なくとも1種である請求項1に記載の電解液。
  3. 一般式(1)において、Rがメチル基である請求項1又は2に記載の電解液。
  4. 一般式(1)において、Rがメチル基又はエチル基である請求項1〜3のいずれか1項に記載の電解液。
  5. 一般式(1)において、R、Rが水素原子またはメチル基である請求項1〜4のいずれか1項に記載の電解液。
  6. 一般式(2)〜(6)において、R〜R12が水素原子またはメチル基である請求項2〜5のいずれか1項に記載の電解液。
  7. 一般式(1)において、対イオンXが、PF 、BF 、AsF 、SbF 、N(RfSO 、C(RfSO 、RfSO (Rfは炭素数1〜12のフルオロアルキル基)及びN(FSO からなる群より選ばれる少なくとも1種である請求項1〜6のいずれか1項に記載の電解液。
  8. さらに非水溶媒(C)を含有してなる請求項1〜7のいずれか1項に記載の電解液。
  9. 非水溶媒(C)がプロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ブチレンカーボネート、スルホラン、メチルスルホラン、アセトニトリル、γ−ブチロラクトン、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート及びジエチルカーボネートからなる群より選ばれる少なくとも1種である請求項8に記載の電解液。
  10. 請求項1〜9のいずれか1項に記載の電解液を用いることを特徴とする電気化学キャパシタ。
  11. 請求項1〜9のいずれか1項に記載の電解液を用いることを特徴とする電気二重層キャパシタ。
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