JP2013045887A - Electrochemical device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電気化学キャパシタ、二次電池などの電気化学デバイスに関する。 The present invention relates to electrochemical devices such as electrochemical capacitors and secondary batteries.
非水電解液を用いた電気化学キャパシタや二次電池などの電気化学デバイスは、溶媒の電気分解電圧が高いために耐電圧を高くすることができ、大きなエネルギーを蓄えることが可能である。電解液の水分含有量は厳しく管理されており、水分含有量が数十ppm以下である電解液が通常用いられている。しかしながら、活物質の細孔に吸着している水分などに起因するセルの特性悪化が問題となっている。例えば、電気化学キャパシタや二次電池などの電気化学デバイスでは、電解液の電解質としてテトラフルオロホウ酸塩やヘキサフルオロリン酸塩などが用いられているが、これらの電解質は水と反応してフッ化水素を生成することが知られている。ここで生成したフッ化水素は、集電体の腐食や電解液溶媒の分解などを引き起こすため、電気化学デバイスの諸特性を悪化させる。なお、これらの電解質の分解は、熱が加わることで顕著に引き起こされるため、例えばリフローに対応した電気化学デバイスを開発する上で、フッ化水素の発生は特に大きな問題となる。 Electrochemical devices such as electrochemical capacitors and secondary batteries using a non-aqueous electrolyte can increase the withstand voltage because of the high electrolysis voltage of the solvent, and can store a large amount of energy. The water content of the electrolytic solution is strictly controlled, and an electrolytic solution having a water content of several tens of ppm or less is usually used. However, deterioration of the cell characteristics due to moisture adsorbed on the pores of the active material is a problem. For example, in electrochemical devices such as electrochemical capacitors and secondary batteries, tetrafluoroborate, hexafluorophosphate, etc. are used as the electrolyte of the electrolytic solution, but these electrolytes react with water and become fluorinated. It is known to produce hydrogen fluoride. The generated hydrogen fluoride causes corrosion of the current collector, decomposition of the electrolyte solvent, and the like, and thus deteriorates various characteristics of the electrochemical device. In addition, since decomposition | disassembly of these electrolytes is notably caused when heat is added, generation | occurrence | production of hydrogen fluoride becomes a big problem especially when developing the electrochemical device corresponding to reflow, for example.
特許文献1において、加水分解によるフッ化水素を発生する傾向の小さい電解質であるホウ素化合物の一種(X+[(Rf)nBF4-n]-(式中、X+はアルカリ金属イオン又はオニウムイオンを示し、Rfはパーフルオロアルキル基を示し、nは1ないし4の整数を示す。なお、nが2以上の場合には、複数のRfは相互に異っていてもよく、また複数のRfが相互に結合してホウ素と共に環構造を形成していてもよい。))が溶解した電解液を用いることが提案されている。しかしながら、nが1〜3の場合には、完全にフッ化水素の発生を抑えることはできず、nが4の化合物は合成するために大掛かりな設備を整える必要がある。また、特許文献2において、電解質(LiPF6)の分解により生じたフッ化水素を除くために、フッ化水素と反応するホウ酸リチウムを電解液中に添加することが提案されている。特許文献2においては、フッ化水素とホウ酸リチウムとの反応は以下のように考えられている。
Li2B4O7・10H2O+12HF→Li2O・4BF3+16H2O
この反応によりフッ化水素は除かれるものの、電解液に添加するホウ酸リチウムは10水和物であることに加えて、反応によって水が生成するために、発生した水によって電解質の更なる分解が起こるなど、水に起因する新たな問題が生じてしまう。また、特許文献3には、イオン性液体若しくは触媒を合成するための酸及びその塩として、ホウ素含有有機酸及びその塩に関する記載があるが、ここで述べられているのはこれらの酸及び塩の合成方法のみであり、塩の物性並びにデバイスに適用した時の特性に関しては全く述べられていない。
In Patent Document 1, a kind of boron compound (X + [(Rf) n BF 4-n ] − (where X + is an alkali metal ion or onium), which is an electrolyte having a small tendency to generate hydrogen fluoride by hydrolysis. Represents an ion, Rf represents a perfluoroalkyl group, and n represents an integer of 1 to 4. When n is 2 or more, a plurality of Rf may be different from each other. It has been proposed to use an electrolytic solution in which Rf is bonded to each other to form a ring structure with boron. However, when n is 1 to 3, generation of hydrogen fluoride cannot be completely suppressed, and it is necessary to prepare a large facility in order to synthesize a compound with n of 4. Further, in Patent Document 2, it is proposed to add lithium borate that reacts with hydrogen fluoride to the electrolytic solution in order to remove hydrogen fluoride generated by decomposition of the electrolyte (LiPF 6 ). In Patent Document 2, the reaction between hydrogen fluoride and lithium borate is considered as follows.
Li 2 B 4 O 7 .10H 2 O + 12HF → Li 2 O.4BF 3 + 16H 2 O
Although hydrogen fluoride is removed by this reaction, lithium borate added to the electrolytic solution is decahydrate, and in addition, water is generated by the reaction, so that the generated water further decomposes the electrolyte. A new problem caused by water occurs. In addition, Patent Document 3 describes a boron-containing organic acid and a salt thereof as an acid and a salt for synthesizing an ionic liquid or a catalyst, but these acids and salts are described here. However, the physical properties of the salt and the properties when applied to a device are not described at all.
本発明は、電解質の分解により生じたフッ化水素による集電体の腐食や電解液溶媒の分解などに起因する特性劣化を抑制した電気化学デバイスを提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide an electrochemical device that suppresses deterioration of characteristics caused by corrosion of a current collector due to hydrogen fluoride generated by decomposition of an electrolyte, decomposition of an electrolyte solvent, and the like.
本発明者らが鋭意検討した結果、電解液に溶解した電解質のアニオン成分として、特定の含ホウ素アニオンを用いることにより、上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。すなわち、本発明は、非水溶媒及び電解質を含む電解液を用いた電気化学デバイスであって、電解質のアニオン成分が下記一般式(1)で表される含ホウ素アニオンである、電気化学デバイスを提供する。
B-(CN)nR4-n (1)
(式中、Rは、互いに独立して、炭素数1〜4のパーフルオロアルキル基を表し、nは1〜3の整数を表し、nが1又は2の場合、2つのRは互いに結合して環を形成してもよい。)
As a result of intensive studies by the present inventors, it has been found that the above-mentioned problems can be solved by using a specific boron-containing anion as the anion component of the electrolyte dissolved in the electrolytic solution, and the present invention has been completed. That is, the present invention provides an electrochemical device using an electrolytic solution containing a nonaqueous solvent and an electrolyte, wherein the anion component of the electrolyte is a boron-containing anion represented by the following general formula (1). provide.
B - (CN) n R 4 -n (1)
(In the formula, R independently represents a perfluoroalkyl group having 1 to 4 carbon atoms, n represents an integer of 1 to 3, and when n is 1 or 2, two R's are bonded to each other. To form a ring.)
本発明によれば、電解液に溶解した電解質のアニオン成分として、特定の含ホウ素アニオンを用いることで、水の存在下でも電解質の分解によるフッ化水素が発生しないので、腐食を伴う集電極の劣化が抑制され、電気化学デバイスの静電容量や充放電効率などの電気特性の悪化を防止することができる。また、酸に起因する電解液の分解が抑制され、電気化学デバイスの膨張や内部抵抗の増大を防止することができる。さらに、本発明で用いている特定の含ホウ素アニオンはBF4 -よりも嵩高いため、カチオンとの相互作用が弱く、BF4 -をアニオン成分として用いたアンモニウム塩よりも溶解度が高くなり、低温から高温までの幅広い温度範囲で用いることができる。 According to the present invention, by using a specific boron-containing anion as the anion component of the electrolyte dissolved in the electrolytic solution, hydrogen fluoride is not generated due to decomposition of the electrolyte even in the presence of water. Deterioration is suppressed, and deterioration of electrical characteristics such as electrostatic capacity and charge / discharge efficiency of the electrochemical device can be prevented. In addition, decomposition of the electrolytic solution due to the acid is suppressed, and expansion of the electrochemical device and increase in internal resistance can be prevented. Furthermore, since the specific boron-containing anion used in the present invention is bulkier than BF 4 − , the interaction with the cation is weak, the solubility is higher than that of an ammonium salt using BF 4 − as an anion component, and the low temperature Can be used in a wide temperature range from high to high.
本発明の電気化学デバイスは、非水溶媒及び電解質を含む電解液を用い、電解質のアニオン成分として、下記一般式(1)で表される含ホウ素アニオンを用いる。
B-(CN)nR4-n (1)
(式中、Rは、互いに独立して、炭素数1〜4のパーフルオロアルキル基を表し、nは1〜3の整数を表し、nが1又は2の場合、2つのRは互いに結合して環を形成してもよい。)
nを1〜3の整数とし、含ホウ素アニオンの構造を非対称とすることで、電解質の溶解性を高めることができる。
Rによって表される炭素数1〜4のパーフルオロアルキル基としては、トリフルオロメチル基、ペンタフルオロエチル基、ヘプタフルオロプロピル基、ヘプタフルオロイソプロピル基、ノナフルオロブチル基、ノナフルオロイソブチル基、ノナフルオロtert−ブチル基などが挙げられる。
前記含ホウ素アニオンの具体例としては、例えば以下のものが挙げられる。
(1−4) (1−5) (1−6)
(1−7) (1−8) (1−9)
The electrochemical device of the present invention uses an electrolytic solution containing a nonaqueous solvent and an electrolyte, and uses a boron-containing anion represented by the following general formula (1) as the anion component of the electrolyte.
B - (CN) n R 4 -n (1)
(In the formula, R independently represents a perfluoroalkyl group having 1 to 4 carbon atoms, n represents an integer of 1 to 3, and when n is 1 or 2, two R's are bonded to each other. To form a ring.)
By making n an integer of 1 to 3 and making the structure of the boron-containing anion asymmetric, the solubility of the electrolyte can be enhanced.
Examples of the perfluoroalkyl group having 1 to 4 carbon atoms represented by R include trifluoromethyl group, pentafluoroethyl group, heptafluoropropyl group, heptafluoroisopropyl group, nonafluorobutyl group, nonafluoroisobutyl group, nonafluorotert. -A butyl group etc. are mentioned.
Specific examples of the boron-containing anion include the following.
(1-4) (1-5) (1-6)
(1-7) (1-8) (1-9)
電解質のカチオン成分としては、通常電気化学デバイスで使用される電解質のカチオン成分であれば、本発明の電気化学デバイス用の電解質のカチオン成分として使用することができる。例えば、カチオン成分として、下記一般式(2)〜(4)のカチオンが挙げられる。
(式中、R1〜R4はそれぞれ炭素数が1〜6の1価の飽和炭化水素基又は1価のヘテロ原子含有飽和炭化水素基を示す。)
R1〜R4によって表される炭素数が1〜6の1価の飽和炭化水素基又は1価のヘテロ原子含有飽和炭化水素基としては、例えばメチル基、エチル基、n−プロピル基、イソプロピル基、n−ブチル基、イソブチル基、sec−ブチル基、tert−ブチル基、n−ペンチル基、2−ペンチル基、3−ペンチル基、イソペンチル基、tert−ペンチル、ネオペンチル基、n−ヘキシル基、イソヘキシル基などの炭素数が1〜6のアルキル基、メトキシメチル基、エトキシメチル基、メトキシエチル基、エトキシエチル基などの炭素数が1〜6のアルコキシアルキル基などが挙げられる。R1〜R4は、好ましくはメチル基、エチル基などの炭素数が1〜3のアルキル基である。
The cation component of the electrolyte can be used as the cation component of the electrolyte for an electrochemical device of the present invention as long as it is a cation component of an electrolyte that is usually used in an electrochemical device. For example, as the cation component, cations of the following general formulas (2) to (4) may be mentioned.
(Wherein R 1 to R 4 each represent a monovalent saturated hydrocarbon group having 1 to 6 carbon atoms or a monovalent heteroatom-containing saturated hydrocarbon group.)
Examples of the monovalent saturated hydrocarbon group having 1 to 6 carbon atoms represented by R 1 to R 4 or the monovalent heteroatom-containing saturated hydrocarbon group include a methyl group, an ethyl group, an n-propyl group, and isopropyl. Group, n-butyl group, isobutyl group, sec-butyl group, tert-butyl group, n-pentyl group, 2-pentyl group, 3-pentyl group, isopentyl group, tert-pentyl, neopentyl group, n-hexyl group, Examples thereof include an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms such as an isohexyl group, an alkoxyalkyl group having 1 to 6 carbon atoms such as a methoxymethyl group, an ethoxymethyl group, a methoxyethyl group and an ethoxyethyl group. R 1 to R 4 are preferably alkyl groups having 1 to 3 carbon atoms such as a methyl group and an ethyl group.
(式中、R5及びR6はそれぞれ炭素数が1〜6の1価の飽和炭化水素基又は1価のヘテロ原子含有飽和炭化水素基を示し、Xは二価の飽和炭化水素基又は二価のヘテロ原子含有飽和炭化水素基であって、結合している窒素原子と共にヘテロ環を形成する。)
R5及びR6によって表される炭素数が1〜6の1価の飽和炭化水素基又は1価のヘテロ原子含有飽和炭化水素基としては、例えばメチル基、エチル基、n−プロピル基、イソプロピル基、n−ブチル基、イソブチル基、sec−ブチル基、tert−ブチル基、n−ペンチル基、2−ペンチル基、3−ペンチル基、イソペンチル基、tert−ペンチル、ネオペンチル基、n−ヘキシル基、イソヘキシル基などの炭素数が1〜6のアルキル基、メトキシメチル基、エトキシメチル基、メトキシエチル基、エトキシエチル基などの炭素数が1〜6のアルコキシアルキル基などが挙げられる。R5及びR6は、好ましくはメチル基、エチル基などの炭素数が1〜3のアルキル基である。
Xによって表される二価の飽和炭化水素基又は二価のヘテロ原子含有飽和炭化水素基としては、例えばブタン−1,4−ジイル基、2−メチルブタン−1,4−ジイル基、2,3−ジメチルブタン−1,4−ジイル基、ペンタン−1,4−ジイル基、ペンタン−1,5−ジイル基、ヘキサン−1,6−ジイル基、ヘキサン−1,5−ジイル基、ヘキサン−2,5−ジイル基、ヘプタン−2,6−ジイル基などの炭素数が4〜7のアルキレン基、3−オキサペンタン−1,5−ジイル基、1,4−ジメチル−3−オキサペンタン−1,5−ジイル基などの炭素数が3〜4のオキサアルキレン基、3−アザ−3−メチルペンタン−1,5−ジイル基などの炭素数が3〜4のアザアルキレン基などが挙げられる。Xは、好ましくはブタン−1,4−ジイル基、ペンタン−1,5−ジイル基などの炭素数が4〜5のアルキレン基である。
(In the formula, R 5 and R 6 each represent a monovalent saturated hydrocarbon group having 1 to 6 carbon atoms or a monovalent heteroatom-containing saturated hydrocarbon group, and X represents a divalent saturated hydrocarbon group or a divalent saturated hydrocarbon group. A valent heteroatom-containing saturated hydrocarbon group that forms a heterocycle with the nitrogen atom to which it is attached.
Examples of the monovalent saturated hydrocarbon group having 1 to 6 carbon atoms or the monovalent heteroatom-containing saturated hydrocarbon group represented by R 5 and R 6 include a methyl group, an ethyl group, an n-propyl group, and isopropyl. Group, n-butyl group, isobutyl group, sec-butyl group, tert-butyl group, n-pentyl group, 2-pentyl group, 3-pentyl group, isopentyl group, tert-pentyl, neopentyl group, n-hexyl group, Examples thereof include an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms such as an isohexyl group, an alkoxyalkyl group having 1 to 6 carbon atoms such as a methoxymethyl group, an ethoxymethyl group, a methoxyethyl group and an ethoxyethyl group. R 5 and R 6 are preferably alkyl groups having 1 to 3 carbon atoms such as a methyl group and an ethyl group.
Examples of the divalent saturated hydrocarbon group or divalent heteroatom-containing saturated hydrocarbon group represented by X include a butane-1,4-diyl group, a 2-methylbutane-1,4-diyl group, and 2,3. -Dimethylbutane-1,4-diyl group, pentane-1,4-diyl group, pentane-1,5-diyl group, hexane-1,6-diyl group, hexane-1,5-diyl group, hexane-2 , 5-diyl group, heptane-2,6-diyl group and the like, an alkylene group having 4 to 7 carbon atoms, 3-oxapentane-1,5-diyl group, 1,4-dimethyl-3-oxapentane-1 Oxaalkylene groups having 3 to 4 carbon atoms such as 1,5-diyl group, and azaalkylene groups having 3 to 4 carbon atoms such as 3-aza-3-methylpentane-1,5-diyl group. X is preferably an alkylene group having 4 to 5 carbon atoms such as a butane-1,4-diyl group or a pentane-1,5-diyl group.
(式中、Xは二価の飽和炭化水素基又は二価のヘテロ原子含有飽和炭化水素基であって、結合している窒素原子と共にヘテロ環を形成し、Yは二価の飽和炭化水素基又は二価のヘテロ原子含有飽和炭化水素基であって、結合している窒素原子と共にヘテロ環を形成する。)
Xによって表される二価の飽和炭化水素基又は二価のヘテロ原子含有飽和炭化水素基としては、例えばブタン−1,4−ジイル基、2−メチルブタン−1,4−ジイル基、2,3−ジメチルブタン−1,4−ジイル基、ペンタン−1,4−ジイル基、ペンタン−1,5−ジイル基、ヘキサン−1,6−ジイル基、ヘキサン−1,5−ジイル基、ヘキサン−2,5−ジイル基、ヘプタン−2,6−ジイル基などの炭素数が4〜7のアルキレン基、3−オキサペンタン−1,5−ジイル基、1,4−ジメチル−3−オキサペンタン−1,5−ジイル基などの炭素数が3〜4のオキサアルキレン基、3−アザ−3−メチルペンタン−1,5−ジイル基などの炭素数が3〜4のアザアルキレン基などが挙げられる。Xは、好ましくはブタン−1,4−ジイル基、ペンタン−1,5−ジイル基などの炭素数が4〜5のアルキレン基である。
Yによって表される二価の飽和炭化水素基又は二価のヘテロ原子含有飽和炭化水素基としては、例えばブタン−1,4−ジイル基、2−メチルブタン−1,4−ジイル基、2,3−ジメチルブタン−1,4−ジイル基、ペンタン−1,4−ジイル基、ペンタン−1,5−ジイル基、ヘキサン−1,6−ジイル基、ヘキサン−1,5−ジイル基、ヘキサン−2,5−ジイル基、ヘプタン−2,6−ジイル基などの炭素数が4〜7のアルキレン基、3−オキサペンタン−1,5−ジイル基、1,4−ジメチル−3−オキサペンタン−1,5−ジイル基などの炭素数が3〜4のオキサアルキレン基、3−アザ−3−メチルペンタン−1,5−ジイル基などの炭素数が3〜4のアザアルキレン基などが挙げられる。Yは、好ましくはブタン−1,4−ジイル基、ペンタン−1,5−ジイル基などの炭素数が4〜5のアルキレン基である。
(In the formula, X is a divalent saturated hydrocarbon group or a divalent heteroatom-containing saturated hydrocarbon group, which forms a heterocycle together with the nitrogen atom bonded thereto, and Y is a divalent saturated hydrocarbon group. Or a divalent heteroatom-containing saturated hydrocarbon group that forms a heterocycle with the nitrogen atom to which it is attached.)
Examples of the divalent saturated hydrocarbon group or divalent heteroatom-containing saturated hydrocarbon group represented by X include a butane-1,4-diyl group, a 2-methylbutane-1,4-diyl group, and 2,3. -Dimethylbutane-1,4-diyl group, pentane-1,4-diyl group, pentane-1,5-diyl group, hexane-1,6-diyl group, hexane-1,5-diyl group, hexane-2 , 5-diyl group, heptane-2,6-diyl group and the like, an alkylene group having 4 to 7 carbon atoms, 3-oxapentane-1,5-diyl group, 1,4-dimethyl-3-oxapentane-1 Oxaalkylene groups having 3 to 4 carbon atoms such as 1,5-diyl group, and azaalkylene groups having 3 to 4 carbon atoms such as 3-aza-3-methylpentane-1,5-diyl group. X is preferably an alkylene group having 4 to 5 carbon atoms such as a butane-1,4-diyl group or a pentane-1,5-diyl group.
Examples of the divalent saturated hydrocarbon group or divalent heteroatom-containing saturated hydrocarbon group represented by Y include a butane-1,4-diyl group, a 2-methylbutane-1,4-diyl group, and 2,3. -Dimethylbutane-1,4-diyl group, pentane-1,4-diyl group, pentane-1,5-diyl group, hexane-1,6-diyl group, hexane-1,5-diyl group, hexane-2 , 5-diyl group, heptane-2,6-diyl group and the like, an alkylene group having 4 to 7 carbon atoms, 3-oxapentane-1,5-diyl group, 1,4-dimethyl-3-oxapentane-1 Oxaalkylene groups having 3 to 4 carbon atoms such as 1,5-diyl group, and azaalkylene groups having 3 to 4 carbon atoms such as 3-aza-3-methylpentane-1,5-diyl group. Y is preferably an alkylene group having 4 to 5 carbon atoms such as a butane-1,4-diyl group or a pentane-1,5-diyl group.
一般式(2)のカチオンの具体例としては、例えば下記カチオンなどが挙げられる。
(2−2)
一般式(3)のカチオンの具体例としては、例えば下記カチオンなどが挙げられる。
一般式(4)のカチオンの具体例としては、例えば下記カチオンなどが挙げられる。
(2-2)
Specific examples of the cation of the general formula (3) include the following cations.
Specific examples of the cation of the general formula (4) include the following cations.
電解液中の電解質のアニオン成分及びカチオン成分の含有量は、非水電解液1リットルに対して、それぞれ0.8モル以上3.0モル以下が好ましく、1.0モル以上2.5モル以下がより好ましい。
また、上記含ホウ素アニオンとアルカリ金属イオンとの塩からなる電解質を用いることで、二次電池やハイブリッドキャパシタの高温信頼性を改善させることも可能である。アルカリ金属イオンとしては、好ましくはリチウムイオンである。電解液中の上記含ホウ素アニオンとアルカリ金属イオンとの塩からなる電解質の含有量は、非水電解液1リットルに対して、例えば0.8モル以上3.0モル以下であり、1.0モル以上2.0モル以下が好ましい。
The content of the anion component and cation component of the electrolyte in the electrolytic solution is preferably 0.8 mol or more and 3.0 mol or less, and 1.0 mol or more and 2.5 mol or less with respect to 1 liter of the nonaqueous electrolytic solution. Is more preferable.
Moreover, it is also possible to improve the high temperature reliability of a secondary battery or a hybrid capacitor by using an electrolyte comprising a salt of the boron-containing anion and alkali metal ion. The alkali metal ion is preferably lithium ion. The content of the electrolyte composed of a salt of the boron-containing anion and the alkali metal ion in the electrolytic solution is, for example, 0.8 mol to 3.0 mol with respect to 1 liter of the nonaqueous electrolytic solution, and 1.0 The molar amount is preferably from 2.0 to 2.0 mol.
通常電気化学デバイスで使用される非水溶媒であれば、本発明の電気化学デバイス用の非水溶媒として使用することができる。非水溶媒としては、例えば環状炭酸エステル、鎖状炭酸エステル、環状エステル、鎖状エステル、環状エーテル、鎖状エーテル、ニトリル化合物及び含イオウ化合物などが挙げられる。これらの非水溶媒は、単独で使用することもできるし、2種以上混合して使用することもできる。
環状炭酸エステルとしては、例えばエチレンカーボネート、プロピレンカーボネート(PC)、ブチレンカーボネート、ビニレンカーボネートなどが挙げられる。
鎖状炭酸エステルとしては、例えば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、メチルプロピルカーボネート、メチルイソプロピルカーボネートなどが挙げられる。
環状エステルとしては、例えばγ−ブチロラクトン(GBL)、γ−バレロラクトン、3−メチル−γ−ブチロラクトン、2−メチル−γ−ブチロラクトン、δ−バレロラクトン(DVL)などが挙げられる。
鎖状エステルとしては、例えば蟻酸メチル、蟻酸エチル、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸プロピル、プロピオン酸メチル、酪酸メチル、吉草酸メチルなどが挙げられる。
環状エーテルとしては、例えば1,4−ジオキサン、1,3−ジオキソラン、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、3−メチル−1,3−ジオキソラン、2−メチル−1,3−ジオキソランなどが挙げられる。
鎖状エーテルとしては、例えば1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキシエタン、ジメチル 2,5−ジオキサヘキサンジオエート、ジプロピルエーテルなどが挙げられる。
ニトリル化合物としては、例えばアセトニトリル、プロパンニトリル、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などが挙げられる。
含イオウ化合物としては、例えばスルホラン(SL)、ジメチルスルホン、ジエチルスルホン、エチルメチルスルホン(EMS)、エチルプロピルスルホン(EPS)、ジメチルスルホキシドなどが挙げられる。
上記の非水溶媒の中でも、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ビニレンカーボネート、ブチレンカーボネートなどの環状炭酸エステル;γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン、3−メチル−γ−ブチロラクトン、2−メチル−γ−ブチロラクトン、δ−バレロラクトンなどの環状エステル;グルタロニトリル、アジポニトリルなどのニトリル化合物;スルホラン、ジメチルスルホン、ジエチルスルホン、エチルメチルスルホン、エチルプロピルスルホンなどの含イオウ化合物が好ましい。近年では、電子部品の回路基板への半田付けの際にリフロー炉が用いられることが多くなってきている。リフロー炉内の温度プロファイルは様々であるが、250℃程度になる温度プロファイルを有する場合も多い。また、回路基板に取付けられる電気化学デバイスは小型のものも多く存在し、リフロー半田付けを行う際にフィルムパッケージ40の内部もリフロー炉内の温度に近い温度になる。従って、非水電解液の非水溶媒の沸点が低い場合は、リフロー炉を用いた半田付けの際に非水溶媒が気化し、フィルムパッケージ40の形状や電気化学デバイスの特性が低下する場合がある。耐熱性向上の観点や非水電解質の沸点を高くするという観点から、上記非水溶媒は好ましい。
Any non-aqueous solvent that is usually used in electrochemical devices can be used as the non-aqueous solvent for the electrochemical device of the present invention. Examples of the non-aqueous solvent include cyclic carbonates, chain carbonates, cyclic esters, chain esters, cyclic ethers, chain ethers, nitrile compounds, and sulfur-containing compounds. These nonaqueous solvents can be used alone or in combination of two or more.
Examples of the cyclic carbonate include ethylene carbonate, propylene carbonate (PC), butylene carbonate, vinylene carbonate and the like.
Examples of the chain carbonate include dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, diethyl carbonate, methyl propyl carbonate, and methyl isopropyl carbonate.
Examples of the cyclic ester include γ-butyrolactone (GBL), γ-valerolactone, 3-methyl-γ-butyrolactone, 2-methyl-γ-butyrolactone, δ-valerolactone (DVL), and the like.
Examples of the chain ester include methyl formate, ethyl formate, methyl acetate, ethyl acetate, propyl acetate, methyl propionate, methyl butyrate, and methyl valerate.
Examples of the cyclic ether include 1,4-dioxane, 1,3-dioxolane, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, 3-methyl-1,3-dioxolane, 2-methyl-1,3-dioxolane and the like.
Examples of the chain ether include 1,2-dimethoxyethane, 1,2-diethoxyethane, dimethyl 2,5-dioxahexanedioate, dipropyl ether and the like.
Examples of the nitrile compound include acetonitrile, propanenitrile, glutaronitrile, adiponitrile, methoxyacetonitrile, 3-methoxypropionitrile and the like.
Examples of the sulfur-containing compound include sulfolane (SL), dimethyl sulfone, diethyl sulfone, ethyl methyl sulfone (EMS), ethyl propyl sulfone (EPS), dimethyl sulfoxide and the like.
Among the above non-aqueous solvents, cyclic carbonates such as ethylene carbonate, propylene carbonate, vinylene carbonate, butylene carbonate; γ-butyrolactone, γ-valerolactone, 3-methyl-γ-butyrolactone, 2-methyl-γ-butyrolactone, Cyclic esters such as δ-valerolactone; nitrile compounds such as glutaronitrile and adiponitrile; sulfur-containing compounds such as sulfolane, dimethylsulfone, diethylsulfone, ethylmethylsulfone, and ethylpropylsulfone are preferred. In recent years, reflow furnaces are increasingly used for soldering electronic components to circuit boards. There are various temperature profiles in the reflow furnace, but there are many cases where the temperature profile is about 250 ° C. Many electrochemical devices attached to the circuit board also exist, and when reflow soldering is performed, the inside of the
本発明の電気化学デバイスとしては、電気化学キャパシタ、二次電池などが挙げられ、電気化学キャパシタとしては、電気二重層キャパシタ、リチウムイオンキャパシタ、レドックスキャパシタ、ハイブリッドキャパシタなどが挙げられる。 Examples of the electrochemical device of the present invention include an electrochemical capacitor and a secondary battery. Examples of the electrochemical capacitor include an electric double layer capacitor, a lithium ion capacitor, a redox capacitor, and a hybrid capacitor.
電気化学キャパシタは、例えば正極10、負極20、及び正極10と負極20との間にセパレータ30を有する蓄電素子Bと、電解質を非水溶媒中に溶解した非水電解液と、ラミネートフィルムから形成される(図1参照)。また、電気化学キャパシタは、一端が蓄電素子Bに接続され、他端がフィルムパッケージ40(蓄電素子B及び非水電解液が封入されている)から導出している端子50を有している。金属箔からなる集電体11及び21の表面には、それぞれ導電性接着剤(図示せず)を介して分極性電極層12及び22が形成されている。正極10及び負極20は、例えば正極10の分極性電極層12と負極20の分極性電極層22とが向き合うように配置されている。セパレータは、セルロース、ポリプロピレン、ポリエチレン、フッ素系樹脂などの、非水電解液を含浸できる材料から形成される。セパレータ30は、向きあっている正極10及び負極20の各分極性電極層12及び22の間に配置される。なお、蓄電素子Bやフィルムパッケージ40には、フィルムパッケージタイプの電気化学キャパシタで用いられている公知の構造を適用することができる。
The electrochemical capacitor is formed of, for example, a
分極性電極層12及び22は、電気化学キャパシタの分極性電極層で用いられている公知の材料及び構造を有するものが使用でき、例えばポリアセン(PAS)、ポリアニリン(PAN)、活性炭、カーボンブラック、グラファイト、カーボンナノチューブなどの活物質を含有し、電気化学キャパシタの分極性電極層に用いられる導電剤やバインダーなどの他の成分も必要に応じて含有してもよい。
活性炭の原料としては、例えばおが屑、椰子殻、フェノール樹脂、各種の耐熱性樹脂、ピッチなどが挙げられる。また、耐熱性樹脂としては、ポリイミド、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルケトン、ビスマレイミドトリアジン、アラミド、フッ素樹脂、ポリフェニレン、ポリフェニレンスルフィドなどが挙げられる。これらは1種でも使用可能であり、2種以上を併用することも可能である。
As the polarizable electrode layers 12 and 22, those having a known material and structure used in the polarizable electrode layer of an electrochemical capacitor can be used. For example, polyacene (PAS), polyaniline (PAN), activated carbon, carbon black, It contains an active material such as graphite and carbon nanotube, and may contain other components such as a conductive agent and a binder used for the polarizable electrode layer of the electrochemical capacitor as required.
Examples of the activated carbon material include sawdust, coconut shell, phenol resin, various heat-resistant resins, and pitch. Examples of the heat resistant resin include polyimide, polyamide, polyamideimide, polyetherimide, polyethersulfone, polyetherketone, bismaleimide triazine, aramid, fluororesin, polyphenylene, polyphenylene sulfide and the like. These can be used alone or in combination of two or more.
また、リチウムイオンキャパシタは、例えば正極10、負極20、及び正極10と負極20との間にセパレータ30を有する蓄電素子Bと、電解質を非水溶媒中に溶解した非水電解液と、ラミネートフィルムから形成される(図3参照)。また、リチウムイオンキャパシタは、一端が蓄電素子Bに接続され、他端がフィルムパッケージ40(蓄電素子B及び非水電解液が封入されている)から導出している端子50を有している。例えばアルミニウムの金属箔からなる正極10の集電体11の表面には、導電性接着剤(図示せず)を介して分極性電極層12が形成されている。分極性電極層12は、前記電気化学キャパシタで用いられるものと同様の材料及び構造を有するものが使用できる。また、リチウムイオンキャパシタの正極の分極性電極層で用いられている公知の材料及び構造を有するものが使用できる。また、例えば銅の金属箔からなる負極20集電体21の表面には、活物質層23が形成されている。正極10及び負極20は、例えば正極10の分極性電極層12と負極20の活物質層23とが向き合うように配置されている。また、リチウム金属のシートが負極20の近傍に配置される。これにより、リチウム金属シートのリチウムが非水電解液内に溶解するとともに、そのリチウムイオンが負極20の活物質層にプレドープされ、充電前の状態で負極20の電位が正極10の電位に比べて、例えば3V程度低くなる。セパレータは、セルロース、ポリプロピレン、ポリエチレン、フッ素系樹脂などの、非水電解液を含浸できる材料から形成される。セパレータ30は、向きあっている正極10の分極性電極層12及び負極20の活物質層23の間に配置される。なお、蓄電素子Bやフィルムパッケージ40には、フィルムパッケージタイプのリチウムキャパシタで用いられている公知の構造を適用することができる。
The lithium ion capacitor includes, for example, a
負極の活物質層23は、リチウムイオンキャパシタの活物質層で用いられている公知の材料及び構造を有するものが使用でき、例えば難黒鉛化炭素、グラファイト、錫酸化物、珪素酸化物等の活物質を含有し、カーボンブラックや金属粉末等の導電助剤や、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)やポリフッ化ビニリデン(PVDF)やスチレンブタジエンゴム(SBR)等のバインダーも必要に応じて含有してもよい。
As the negative electrode
(実施例1)
アニオン成分が式(1−3)の含ホウ素アニオンであり、カチオン成分が式(2−1)のカチオンである電解質1.5モルを、プロピレンカーボネート(PC)からなる非水溶媒1リットル中に溶解した電解液を調製した。また、薄型の電気化学キャパシタは以下の方法で作製した。PASを分極性電極材として用いた電極(正極10及び負極20)及びセルロースからなるセパレータをそれぞれカットした後に交互に積層し、引出し端子を超音波溶接により取り付けた(図1)。作成した素子を約180℃で真空乾燥した後、電極サイズにカットした封止材に素子を入れて電解液を注入し、シール材を用いて封止材を熱融着し、約20mm×26mmのサイズのセルを作製した。なお、封止材としてはナイロン/アルミ/CPP(無延伸ポリプロピレン)のラミネートフィルムを用いた。
Example 1
In 1 liter of a non-aqueous solvent composed of propylene carbonate (PC), 1.5 mol of an electrolyte in which the anion component is a boron-containing anion of formula (1-3) and the cation component is a cation of formula (2-1) A dissolved electrolyte was prepared. A thin electrochemical capacitor was produced by the following method. The electrodes (
(実施例2)
電解質のアニオン成分を式(1−6)の含ホウ素アニオンに変更した以外は、実施例1と同様の方法で電気二重層キャパシタを作製した。
(Example 2)
An electric double layer capacitor was produced in the same manner as in Example 1 except that the anion component of the electrolyte was changed to the boron-containing anion of formula (1-6).
(実施例3)
電解質のアニオン成分を式(1−7)の含ホウ素アニオンに変更した以外は、実施例1と同様の方法で電気二重層キャパシタを作製した。
(Example 3)
An electric double layer capacitor was produced in the same manner as in Example 1 except that the anion component of the electrolyte was changed to the boron-containing anion of formula (1-7).
(実施例4)
電解質のアニオン成分を式(1−8)の含ホウ素アニオンに変更した以外は、実施例1と同様の方法で電気二重層キャパシタを作製した。
Example 4
An electric double layer capacitor was produced in the same manner as in Example 1 except that the anion component of the electrolyte was changed to the boron-containing anion of formula (1-8).
(実施例5)
電解質のカチオン成分を式(2−2)のカチオンに変更した以外は、実施例1と同様の方法で電気二重層キャパシタを作製した。
(Example 5)
An electric double layer capacitor was produced in the same manner as in Example 1 except that the cation component of the electrolyte was changed to the cation of formula (2-2).
(実施例6)
電解質のカチオン成分を式(3−1)のカチオンに変更した以外は、実施例1と同様の方法で電気二重層キャパシタを作製した。
(Example 6)
An electric double layer capacitor was produced in the same manner as in Example 1 except that the cation component of the electrolyte was changed to the cation of formula (3-1).
(実施例7)
電解質のカチオン成分を式(4−1)のカチオンに変更した以外は、実施例1と同様の方法で電気二重層キャパシタを作製した。
(Example 7)
An electric double layer capacitor was produced in the same manner as in Example 1 except that the cation component of the electrolyte was changed to the cation of formula (4-1).
(実施例8)
非水溶媒をγ−ブチロラクトン(GBL)に変更した以外は、実施例1と同様の方法で電気二重層キャパシタを作製した。
(Example 8)
An electric double layer capacitor was produced in the same manner as in Example 1 except that the nonaqueous solvent was changed to γ-butyrolactone (GBL).
(実施例9)
非水溶媒をδ−バレロラクトン(DVL)に変更した以外は、実施例1と同様の方法で電気二重層キャパシタを作製した。
Example 9
An electric double layer capacitor was produced in the same manner as in Example 1 except that the nonaqueous solvent was changed to δ-valerolactone (DVL).
(実施例10)
非水溶媒をスルホラン(SL)に変更した以外は、実施例1と同様の方法で電気二重層キャパシタを作製した。
(Example 10)
An electric double layer capacitor was produced in the same manner as in Example 1 except that the non-aqueous solvent was changed to sulfolane (SL).
(実施例11)
非水溶媒をエチルプロピルスルホン(EPS)に変更した以外は、実施例1と同様の方法で電気二重層キャパシタを作製した。
(Example 11)
An electric double layer capacitor was produced in the same manner as in Example 1 except that the nonaqueous solvent was changed to ethylpropylsulfone (EPS).
(実施例12)
非水溶媒をスルホラン(SL)80重量%とエチルメチルスルホン(EMS)20重量%とからなる混合溶媒に変更した以外は、実施例1と同様の方法で電気二重層キャパシタを作製した。
(Example 12)
An electric double layer capacitor was produced in the same manner as in Example 1 except that the non-aqueous solvent was changed to a mixed solvent composed of 80% by weight of sulfolane (SL) and 20% by weight of ethyl methyl sulfone (EMS).
(実施例13)
非水溶媒をγ−ブチロラクトン(GBL)50重量%とエチルプロピルスルホン(EPS)50重量%とからなる混合溶媒に変更した以外は、実施例1と同様の方法で電気二重層キャパシタを作製した。
(Example 13)
An electric double layer capacitor was produced in the same manner as in Example 1 except that the non-aqueous solvent was changed to a mixed solvent composed of 50% by weight of γ-butyrolactone (GBL) and 50% by weight of ethylpropylsulfone (EPS).
(実施例14)
電解質のカチオン成分をMe4N+に変更した以外は、実施例11と同様の方法で電気二重層キャパシタを作製した。
(Example 14)
An electric double layer capacitor was produced in the same manner as in Example 11 except that the cation component of the electrolyte was changed to Me 4 N + .
(比較例1)
電解質のアニオン成分をテトラフルオロボレート(BF4 -)に変更した以外は、実施例1と同様の方法で電気二重層キャパシタを作製した。
(Comparative Example 1)
An electric double layer capacitor was produced in the same manner as in Example 1 except that the anion component of the electrolyte was changed to tetrafluoroborate (BF 4 − ).
(比較例2)
非水溶媒をγ−ブチロラクトン(GBL)に変更した以外は、比較例1と同様の方法で電気二重層キャパシタを作製した。
(Comparative Example 2)
An electric double layer capacitor was produced in the same manner as in Comparative Example 1 except that the non-aqueous solvent was changed to γ-butyrolactone (GBL).
(比較例3)
非水溶媒をδ−バレロラクトン(DVL)に変更した以外は、比較例1と同様の方法で電気二重層キャパシタを作製した。
(Comparative Example 3)
An electric double layer capacitor was produced in the same manner as in Comparative Example 1 except that the non-aqueous solvent was changed to δ-valerolactone (DVL).
(比較例4)
非水溶媒をスルホラン(SL)に変更した以外は、比較例1と同様の方法で電気二重層キャパシタを作製した。
(Comparative Example 4)
An electric double layer capacitor was produced in the same manner as in Comparative Example 1 except that the non-aqueous solvent was changed to sulfolane (SL).
(比較例5)
非水溶媒をエチルプロピルスルホン(EPS)に変更した以外は、比較例1と同様の方法で電気二重層キャパシタを作製した。
(Comparative Example 5)
An electric double layer capacitor was produced in the same manner as in Comparative Example 1 except that the nonaqueous solvent was changed to ethylpropylsulfone (EPS).
(比較例6)
非水溶媒をスルホラン(SL)80重量%とエチルメチルスルホン(EMS)20重量%とからなる混合溶媒に変更した以外は、比較例1と同様の方法で電気二重層キャパシタを作製した。
(Comparative Example 6)
An electric double layer capacitor was produced in the same manner as in Comparative Example 1 except that the non-aqueous solvent was changed to a mixed solvent composed of 80% by weight of sulfolane (SL) and 20% by weight of ethyl methyl sulfone (EMS).
(比較例7)
非水溶媒をγ−ブチロラクトン(GBL)50重量%とエチルプロピルスルホン(EPS)50重量%とからなる混合溶媒に変更した以外は、比較例1と同様の方法で電気二重層キャパシタを作製した。
(Comparative Example 7)
An electric double layer capacitor was produced in the same manner as in Comparative Example 1 except that the non-aqueous solvent was changed to a mixed solvent composed of 50% by weight of γ-butyrolactone (GBL) and 50% by weight of ethylpropylsulfone (EPS).
(比較例8)
電解質を、アニオン成分がB(CF3)4 -)であり、カチオン成分がMe4N+である電解質とした以外は、比較例5と同様の方法で電気二重層キャパシタを作製した。
(Comparative Example 8)
An electric double layer capacitor was produced in the same manner as in Comparative Example 5 except that the electrolyte was an electrolyte having an anion component of B (CF 3 ) 4 − ) and a cation component of Me 4 N + .
(信頼性試験)
実施例1〜14及び比較例1〜7で作製した電気化学キャパシタを、それぞれ25℃雰囲気中で12時間放置後、同雰囲気内で静電容量及び直流抵抗を測定してこれらの初期値を得た。なお、静電容量は充放電試験器(東洋システム株式会社製TOSCAT−3200)を用い、室温で30分間放電したセルを100mAで2.5Vまで10分間充電した後に10mAで0Vまで放電させた時の放電カーブの傾きから算出した。直流抵抗は充放電試験器(東洋システム株式会社製TOSCAT−3200)を用い、室温で30分間放電したセルを100mAで2.5Vまで10分間充電した後に2Aで0Vまで放電させた時の電圧降下から算出した。
また、150℃から5分間かけて250℃に達する温度プロファイルのリフロー炉に5分間投入する工程を5回繰り返し、60℃の雰囲気中で2.5Vの電圧を1000時間印加し続け、その後に25℃雰囲気中で静電容量及び直流抵抗を測定した。その測定結果を初期の静電容量及び直流抵抗の測定結果で割って、静電容量変化率及び直流抵抗変化率を百分率で表した(リフロー+フロート試験後)。結果を下記表1及び表2にまとめる。
(Reliability test)
The electrochemical capacitors prepared in Examples 1 to 14 and Comparative Examples 1 to 7 were each left in a 25 ° C. atmosphere for 12 hours, and then measured for capacitance and DC resistance in the same atmosphere to obtain these initial values. It was. In addition, the electrostatic capacity was obtained by using a charge / discharge tester (TOSCAT-3200 manufactured by Toyo System Co., Ltd.) and charging a cell discharged for 30 minutes at room temperature to 2.5 V at 100 mA for 10 minutes and then discharging to 0 V at 10 mA. It was calculated from the slope of the discharge curve. DC resistance is a voltage drop when a charge / discharge tester (TOSCAT-3200 manufactured by Toyo System Co., Ltd.) is used and a cell discharged at room temperature for 30 minutes is charged at 100 mA to 2.5 V for 10 minutes and then discharged at 2 A to 0 V. Calculated from
In addition, a process of putting in a reflow furnace having a temperature profile from 150 ° C. to 250 ° C. over 5 minutes for 5 minutes is repeated 5 times, and a voltage of 2.5 V is continuously applied for 1000 hours in an atmosphere of 60 ° C., and then 25 Capacitance and DC resistance were measured in an atmosphere at 0 ° C. The measurement results were divided by the initial measurement results of capacitance and DC resistance, and the capacitance change rate and DC resistance change rate were expressed as percentages (after reflow + float test). The results are summarized in Tables 1 and 2 below.
実施例1〜7と比較例1との比較、実施例8と比較例2との比較、実施例9と比較例3との比較、実施例10と比較例4との比較、実施例11と比較例5との比較、実施例129と比較例6との比較、及び実施例13と比較例7との比較より、電解質のアニオン成分として一般式(1)で表される含ホウ素アニオンを用いる場合には、電解質のアニオン成分としてテトラフルオロボレートを用いる場合と比較してリフロー+フロート試験後の静電容量の低下率及び直流抵抗の上昇率が小さいことがわかった。このように、本発明の電気化学デバイスでは、リフロー後の特性悪化が抑制される。
この効果が得られる理由は明確ではないが、電解質アニオン成分としてテトラフルオロボレートを用いる場合、リフローの高熱下においてテトラフルオロボレートアニオンが非水電解液中の水分と反応してフッ化水素を生じ、生じたフッ化水素は集電体金属の腐食やプロピレンカーボネート等の非水溶媒の分解を引き起こすため、リフロー+フロート試験後の静電容量の低下率及び直流抵抗の上昇率が大きくなっていると推定される。一方、実験例1〜13では、電解質中のアニオン成分からフッ化水素が発生しないため、フッ化水素による集電体金属の腐食やプロピレンカーボネート等の非水溶媒の分解が防止され、リフロー+フロート試験後の静電容量の低下率及び直流抵抗の上昇率が小さくなっていると推定される。
また、実施例14及び比較例8の静電容量の初期値を比較すると、比較例8に比べて実施例14の方が大きくなっている。これは、実施例14で使用したアニオンは非対称であるため、対称である比較例8で使用したアニオンに比べて電解質の溶媒に対する溶解度が高いことによると考えられる。
尚、本実施形態では、蓄電素子B及び非水電解液がラミネートフィルムからなるフィルムパッケージ40内に封入されるフィルムパッケージタイプの電気二重層キャパシタを用いているが、金属缶等を使ったボタン型、円筒型、角型等の他のタイプの電気二重層キャパシタの非水電解液に、電解質アニオン成分として一般式(1)で表される含フッ素アニオンを含有させることも可能であり、この場合でも前述と同様の効果を達成することが可能である。
Comparison between Examples 1 to 7 and Comparative Example 1, Comparison between Example 8 and Comparative Example 2, Comparison between Example 9 and Comparative Example 3, Comparison between Example 10 and Comparative Example 4, Example 11 and From the comparison with Comparative Example 5, the comparison between Example 129 and Comparative Example 6, and the comparison between Example 13 and Comparative Example 7, the boron-containing anion represented by the general formula (1) is used as the anion component of the electrolyte. In some cases, it was found that the rate of decrease in capacitance and the rate of increase in DC resistance after the reflow + float test were smaller than when tetrafluoroborate was used as the anion component of the electrolyte. Thus, in the electrochemical device of this invention, the characteristic deterioration after reflow is suppressed.
The reason why this effect is obtained is not clear, but when tetrafluoroborate is used as the electrolyte anion component, the tetrafluoroborate anion reacts with moisture in the non-aqueous electrolyte under high heat of reflow to produce hydrogen fluoride, The generated hydrogen fluoride causes corrosion of the current collector metal and decomposition of non-aqueous solvents such as propylene carbonate. Therefore, the rate of decrease in capacitance and the rate of increase in DC resistance after the reflow + float test are large. Presumed. On the other hand, in Experimental Examples 1 to 13, since hydrogen fluoride is not generated from the anion component in the electrolyte, corrosion of the current collector metal by hydrogen fluoride and decomposition of a non-aqueous solvent such as propylene carbonate are prevented, and reflow + float It is estimated that the rate of decrease in capacitance and the rate of increase in DC resistance after the test are small.
Further, when the initial capacitance values of Example 14 and Comparative Example 8 are compared, Example 14 is larger than Comparative Example 8. This is presumably because the anion used in Example 14 is asymmetric, and therefore the solubility of the electrolyte in the solvent is higher than that of the anion used in Comparative Example 8 which is symmetrical.
In this embodiment, a film package type electric double layer capacitor in which the storage element B and the non-aqueous electrolyte are enclosed in a
(実施例15)
アニオン成分が式(1−3)の含ホウ素アニオンであり、カチオン成分がリチウムイオンである電解質1.2モルを、プロピレンカーボネート(PC)からなる非水溶媒1リットル中に溶解した電解液を調製した。また、リチウムイオンキャパシタは以下の方法で作製した。PASを分極性電極材として用いた正極10、フェノール樹脂原料からなる難黒鉛化炭素を活物質として用いた負極20及びセルロースからなるセパレータをそれぞれカットした後に交互に積層し、引出し端子を超音波溶接により取り付けた(図3)。作成した素子を約180℃で真空乾燥した後、負極にリチウム箔を張り、電極サイズにカットした封止材に素子を入れて電解液を注入し、シール材を用いて封止材を熱融着し、約20mm×26mmのサイズのセルを作製した。なお、封止材としてはナイロン/アルミ/CPP(無延伸ポリプロピレン)のラミネートフィルムを用いた。
(Example 15)
An electrolyte solution is prepared by dissolving 1.2 mol of an electrolyte in which the anion component is a boron-containing anion of formula (1-3) and the cation component is lithium ion in 1 liter of a non-aqueous solvent made of propylene carbonate (PC). did. Moreover, the lithium ion capacitor was produced by the following method. A
(実施例16)
電解質のアニオン成分を式(1−6)の含ホウ素アニオンに変更した以外は、実施例15と同様の方法でリチウムイオンキャパシタを作製した。
(Example 16)
A lithium ion capacitor was produced in the same manner as in Example 15 except that the anion component of the electrolyte was changed to the boron-containing anion of formula (1-6).
(実施例17)
電解質のアニオン成分を式(1−7)の含ホウ素アニオンに変更した以外は、実施例15と同様の方法でリチウムイオンキャパシタを作製した。
(Example 17)
A lithium ion capacitor was produced in the same manner as in Example 15 except that the anion component of the electrolyte was changed to the boron-containing anion of formula (1-7).
(実施例18)
電解質のアニオン成分を式(1−8)の含ホウ素アニオンに変更した以外は、実施例15と同様の方法でリチウムイオンキャパシタを作製した。
(Example 18)
A lithium ion capacitor was produced in the same manner as in Example 15 except that the anion component of the electrolyte was changed to the boron-containing anion of formula (1-8).
(実施例19)
非水溶媒をプロピレンカーボネート(PC)とエチルメチルカーボネート(EMC)の混合比が2:1の割合である混合溶媒に変更した以外は、実施例15と同様の方法でリチウムイオンキャパシタを作製した。
(Example 19)
A lithium ion capacitor was produced in the same manner as in Example 15 except that the non-aqueous solvent was changed to a mixed solvent having a mixing ratio of propylene carbonate (PC) and ethyl methyl carbonate (EMC) of 2: 1.
(実施例20)
非水溶媒をプロピレンカーボネート(PC)とエチレンカーボネート(EC)とエチルメチルカーボネート(EMC)の混合比が3:1:4の割合である混合溶媒に変更した以外は、実施例15と同様の方法でリチウムイオンキャパシタを作製した。
(Example 20)
The same method as in Example 15 except that the non-aqueous solvent was changed to a mixed solvent in which the mixing ratio of propylene carbonate (PC), ethylene carbonate (EC), and ethyl methyl carbonate (EMC) was a ratio of 3: 1: 4. A lithium ion capacitor was produced.
(実施例21)
非水溶媒をプロピレンカーボネート(PC)とエチレンカーボネート(EC)とγ−ブチロラクトン(GBL)の混合比が3:1:2の割合である混合溶媒に変更した以外は、実施例15と同様の方法でリチウムイオンキャパシタを作製した。
(Example 21)
The same method as in Example 15 except that the nonaqueous solvent was changed to a mixed solvent in which the mixing ratio of propylene carbonate (PC), ethylene carbonate (EC) and γ-butyrolactone (GBL) was a ratio of 3: 1: 2. A lithium ion capacitor was produced.
(比較例9)
電解質のアニオン成分をヘキサフルオロホスフェート(PF6 -)に変更した以外は、実施例15と同様の方法でリチウムイオンキャパシタを作製した。
(Comparative Example 9)
A lithium ion capacitor was produced in the same manner as in Example 15 except that the anion component of the electrolyte was changed to hexafluorophosphate (PF 6 − ).
(比較例10)
非水溶媒をプロピレンカーボネート(PC)とエチルメチルカーボネート(EMC)の混合比が2:1の割合である混合溶媒に変更した以外は、比較例9と同様の方法でリチウムイオンキャパシタを作製した。
(Comparative Example 10)
A lithium ion capacitor was produced in the same manner as in Comparative Example 9, except that the non-aqueous solvent was changed to a mixed solvent in which the mixing ratio of propylene carbonate (PC) and ethyl methyl carbonate (EMC) was 2: 1.
(比較例11)
非水溶媒をプロピレンカーボネート(PC)とエチレンカーボネート(EC)とエチルメチルカーボネート(EMC)の混合比が3:1:4の割合である混合溶媒に変更した以外は、比較例9と同様の方法でリチウムイオンキャパシタを作製した。
(Comparative Example 11)
The same method as in Comparative Example 9 except that the non-aqueous solvent was changed to a mixed solvent in which the mixing ratio of propylene carbonate (PC), ethylene carbonate (EC), and ethyl methyl carbonate (EMC) was a ratio of 3: 1: 4. A lithium ion capacitor was produced.
(比較例12)
非水溶媒をプロピレンカーボネート(PC)とエチレンカーボネート(EC)とγ−ブチロラクトン(GBL)の混合比が3:1:2の割合である混合溶媒に変更した以外は、比較例9と同様の方法でリチウムイオンキャパシタを作製した。
(Comparative Example 12)
The same method as in Comparative Example 9 except that the non-aqueous solvent was changed to a mixed solvent in which the mixing ratio of propylene carbonate (PC), ethylene carbonate (EC), and γ-butyrolactone (GBL) was a ratio of 3: 1: 2. A lithium ion capacitor was produced.
(信頼性試験)
実施例15〜21及び比較例9〜12で作製したリチウムイオンキャパシタを、それぞれ25℃雰囲気中で12時間放置後、同雰囲気内で静電容量、直流抵抗及びキャパシタ容器厚さ(T1)を測定してこれらの初期値を得た。なお、静電容量は充放電試験器(東洋システム株式会社製TOSCAT−3200)を用い、室温で30分間放電したセルを100mAで2.5Vまで10分間充電した後に10mAで0Vまで放電させた時の放電カーブの傾きから算出した。直流抵抗は充放電試験器(東洋システム株式会社製TOSCAT−3200)を用い、室温で30分間放電したセルを100mAで2.5Vまで10分間充電した後に2Aで0Vまで放電させた時の電圧降下から算出した。キャパシタ容器(フィルムパッケージ40)の厚さはノギスにより計測した。
また、80℃の雰囲気中で3.8Vの電圧を1000時間印加し続け、その後に25℃雰囲気中で静電容量、直流抵抗及びキャパシタ容器(フィルムパッケージ40)厚さ(T2)を測定した。その測定結果を初期の静電容量、直流抵抗及びキャパシタ容器厚さ(T1)の測定結果で割って、静電容量変化率、直流抵抗変化率及びキャパシタ容器厚さ変化率を百分率で表した(信頼性試験後)。結果を下記表3にまとめる。
(Reliability test)
The lithium ion capacitors produced in Examples 15 to 21 and Comparative Examples 9 to 12 were each left in a 25 ° C. atmosphere for 12 hours, and then the capacitance, DC resistance, and capacitor container thickness (T1) were measured in the same atmosphere. These initial values were obtained. In addition, the electrostatic capacity was obtained by using a charge / discharge tester (TOSCAT-3200 manufactured by Toyo System Co., Ltd.) and charging a cell discharged for 30 minutes at room temperature to 2.5 V at 100 mA for 10 minutes and then discharging to 0 V at 10 mA. It was calculated from the slope of the discharge curve. DC resistance is a voltage drop when a charge / discharge tester (TOSCAT-3200 manufactured by Toyo System Co., Ltd.) is used and a cell discharged at room temperature for 30 minutes is charged at 100 mA to 2.5 V for 10 minutes and then discharged at 2 A to 0 V. Calculated from The thickness of the capacitor container (film package 40) was measured with a caliper.
Further, a voltage of 3.8 V was continuously applied for 1000 hours in an atmosphere of 80 ° C., and thereafter, the capacitance, the DC resistance, and the thickness (T2) of the capacitor container (film package 40) were measured in an atmosphere of 25 ° C. The measurement results were divided by the initial measurement results of capacitance, DC resistance, and capacitor container thickness (T1), and the capacitance change rate, DC resistance change rate, and capacitor vessel thickness change rate were expressed as percentages ( After reliability test). The results are summarized in Table 3 below.
実施例15〜21と比較例9〜12との比較より、電解質のアニオン成分として一般式(1)で表される含ホウ素アニオンを用いる場合には、電解質のアニオン成分としてヘキサフルオロホスフェートを用いる場合と比較して信頼性試験後の静電容量の低下率、直流抵抗の上昇率、及びキャパシタ容器厚さの増加率が小さいことがわかった。このように、本発明の電気化学デバイスでは、高温安定性が向上する。 From the comparison between Examples 15 to 21 and Comparative Examples 9 to 12, when the boron-containing anion represented by the general formula (1) is used as the anion component of the electrolyte, hexafluorophosphate is used as the anion component of the electrolyte. It was found that the rate of decrease in capacitance, the rate of increase in direct current resistance, and the rate of increase in capacitor container thickness after the reliability test were smaller than those in FIG. Thus, in the electrochemical device of the present invention, high temperature stability is improved.
Claims (4)
B-(CN)nR4-n (1)
(式中、Rは、互いに独立して、炭素数1〜4のパーフルオロアルキル基を表し、nは1〜3の整数を表し、nが1又は2の場合、2つのRは互いに結合して環を形成してもよい。) An electrochemical device using an electrolytic solution containing a nonaqueous solvent and an electrolyte, wherein the anion component of the electrolyte is a boron-containing anion represented by the following general formula (1).
B - (CN) n R 4 -n (1)
(In the formula, R independently represents a perfluoroalkyl group having 1 to 4 carbon atoms, n represents an integer of 1 to 3, and when n is 1 or 2, two R's are bonded to each other. To form a ring.)
(式中、R1〜R4はそれぞれ炭素数が1〜6の1価の飽和炭化水素基又は1価のヘテロ原子含有飽和炭化水素基を示す。)
(式中、R5及びR6はそれぞれ炭素数が1〜6の1価の飽和炭化水素基又は1価のヘテロ原子含有飽和炭化水素基を示し、Xは二価の飽和炭化水素基又は二価のヘテロ原子含有飽和炭化水素基であって、結合している窒素原子と共にヘテロ環を形成する。)
(式中、Xは二価の飽和炭化水素基又は二価のヘテロ原子含有飽和炭化水素基であって、結合している窒素原子と共にヘテロ環を形成し、Yは二価の飽和炭化水素基又は二価のヘテロ原子含有飽和炭化水素基であって、結合している窒素原子と共にヘテロ環を形成する。) The electrochemical device according to claim 1, wherein the cation component of the electrolyte is a cation of the following general formulas (2) to (4).
(Wherein R 1 to R 4 each represent a monovalent saturated hydrocarbon group having 1 to 6 carbon atoms or a monovalent heteroatom-containing saturated hydrocarbon group.)
(In the formula, R 5 and R 6 each represent a monovalent saturated hydrocarbon group having 1 to 6 carbon atoms or a monovalent heteroatom-containing saturated hydrocarbon group, and X represents a divalent saturated hydrocarbon group or a divalent saturated hydrocarbon group. A valent heteroatom-containing saturated hydrocarbon group that forms a heterocycle with the nitrogen atom to which it is attached.
(In the formula, X is a divalent saturated hydrocarbon group or a divalent heteroatom-containing saturated hydrocarbon group, which forms a heterocycle together with the nitrogen atom bonded thereto, and Y is a divalent saturated hydrocarbon group. Or a divalent heteroatom-containing saturated hydrocarbon group that forms a heterocycle with the nitrogen atom to which it is attached.)
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