JP2014075540A - Electrochemical device - Google Patents

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Takeo Tsuzuki
武男 続木
Yuriko Ito
ゆり子 伊藤
Teruo Atsumi
照夫 渥美
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrochemical device arranged so that the expansion of an electrochemical device container, the drop in electrostatic capacitance, and the rise in internal resistance after continuous charging can be suppressed efficiently without worsening an initial property.SOLUTION: An electrochemical device is e.g. an electric double layer capacitor which comprises an electrolytic solution including a nonaqueous solvent and an electrolyte. The nonaqueous solvent preferably includes 20 wt% or more of a lactone compound expressed by the following formula (1) or (2). (In the formula, R-Rare as described in the specification hereof.)

Description

本発明は電気二重層キャパシタや二次電池などといった電気化学デバイスに関する。   The present invention relates to an electrochemical device such as an electric double layer capacitor or a secondary battery.

非水電解液を用いた電気二重層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、電極の活物質の細孔に水分が吸着している等の理由により、デバイス内に混入する水分を完全に除去することは難しい。デバイス内に存在する水分が炭酸エステルやエステル等の非水溶媒と反応して、非水溶媒が徐々に分解する。非水溶媒が分解することにより、電気二重層キャパシタなどの静電容量が低下するとともに内部抵抗が上昇する。加えて、非水溶媒が分解することによりガスが発生し、電気二重層キャパシタなどの容器内圧力の上昇や容器の膨張、さらには破損が懸念される。   Electrochemical devices such as electric double layer 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, it is difficult to completely remove the moisture mixed in the device because of moisture adsorbed on the pores of the active material of the electrode. The water present in the device reacts with a nonaqueous solvent such as carbonate ester or ester, and the nonaqueous solvent gradually decomposes. Decomposition of the non-aqueous solvent decreases the electrostatic capacity of the electric double layer capacitor and increases the internal resistance. In addition, decomposition of the non-aqueous solvent generates gas, and there is a concern that the pressure inside the container such as an electric double layer capacitor will increase, the container may expand, and may be damaged.

水分の電気分解に起因するこのような非水電解液の劣化を防止するために、非水溶媒としてエチルイソプロピルスルホン等の鎖状スルホン溶媒を用いることが提案されている(特許文献1)。プロピレンカーボネート等のエステル系溶媒と比較して鎖状スルホン溶媒は水分の電気分解に起因する分解反応が起こりにくい。そのため、使用電圧を高く設定することができ、エネルギー密度が高くなる。しかし、鎖状スルホンはエステル系溶媒と比較して粘度が高く、電解質の溶解性が低いなどの欠点を有している。これらの欠点に起因して、鎖状スルホン溶媒電解液を用いた場合、電気二重層キャパシタの内部抵抗が高くなってしまう問題もある。さらに、電気二重層キャパシタの内部抵抗が高いと、電気二重層キャパシタを放電する際のエネルギー損失(IRドロップ)が大きくなり、取り出せるエネルギーが小さくなる。したがって、電気二重層キャパシタの初期の内部抵抗を低くし、且つ連続充電後に容量低下、内部抵抗増加や電気二重層キャパシタの容器の膨張が起こりにくくする必要がある。   In order to prevent such deterioration of the non-aqueous electrolyte due to water electrolysis, it has been proposed to use a chain sulfone solvent such as ethyl isopropyl sulfone as the non-aqueous solvent (Patent Document 1). Compared with ester solvents such as propylene carbonate, chain sulfone solvents are less prone to decomposition reactions due to water electrolysis. Therefore, the working voltage can be set high, and the energy density becomes high. However, chain sulfones have disadvantages such as higher viscosity and lower electrolyte solubility than ester solvents. Due to these drawbacks, when a chain sulfone solvent electrolyte is used, there is a problem that the internal resistance of the electric double layer capacitor is increased. Furthermore, when the internal resistance of the electric double layer capacitor is high, energy loss (IR drop) when discharging the electric double layer capacitor increases, and the energy that can be extracted decreases. Therefore, it is necessary to reduce the initial internal resistance of the electric double layer capacitor, and to reduce the capacity, increase the internal resistance, and expand the container of the electric double layer capacitor after continuous charging.

上記課題を解決するために、環状エステルであるラクトン系溶媒について検討したものとして、特許文献2が挙げられ、当該文献には、ラクトン系溶媒の電位窓を広げるために、炭化水素基で置換されたδ−ラクトンの使用が開示されている。   In order to solve the above-mentioned problem, Patent Literature 2 is cited as a study on a lactone solvent that is a cyclic ester, and the literature is substituted with a hydrocarbon group in order to widen the potential window of the lactone solvent. The use of δ-lactones is disclosed.

特開2011−44632号公報JP 2011-44632 A 特開平9−50944号公報Japanese Patent Laid-Open No. 9-50944

電気二重層キャパシタを低抵抗化するために、プロピレンカーボネート(PC)に代表されるカーボネート系溶媒やγ−ブチロラクトン(GBL)に代表されるラクトン系溶媒を用いる事は有効な手段の1つである。しかし、これらの溶媒を用いたセルに高い電気的負荷をかけると、電極近傍で加水分解を経て溶媒が電気分解することが明らかになっている。一方、上述のとおり、スルホン系溶媒を用いると、セルに高い負荷をかけても溶媒の分解は起こりにくいが、粘度が高いためにセルの内部抵抗が上昇してしまう。電気化学デバイスの初期の特性を悪化させることなく、連続充電した後の電気化学デバイスの容器の膨張、静電容量の低下、及び内部抵抗の上昇を効果的に抑制することが課題である。   In order to reduce the resistance of the electric double layer capacitor, it is one of effective means to use a carbonate solvent typified by propylene carbonate (PC) or a lactone solvent typified by γ-butyrolactone (GBL). . However, it has been clarified that when a high electrical load is applied to a cell using these solvents, the solvent is electrolyzed through hydrolysis near the electrodes. On the other hand, as described above, when a sulfone solvent is used, the decomposition of the solvent hardly occurs even when a high load is applied to the cell, but the internal resistance of the cell increases due to the high viscosity. The problem is to effectively suppress the expansion of the container of the electrochemical device after continuous charging, the decrease in capacitance, and the increase in internal resistance without deteriorating the initial characteristics of the electrochemical device.

本発明者らが鋭意検討した結果、以下の内容の本発明を完成した。
本発明によれば、電気化学デバイスに用いられる電解液は、下記式(1)又は(2):
As a result of intensive studies by the present inventors, the present invention having the following contents was completed.
According to the present invention, the electrolytic solution used in the electrochemical device has the following formula (1) or (2):

Figure 2014075540
Figure 2014075540

で表されるラクトン化合物を含む非水溶媒と電解質とを含有する。R〜Rは後述する。好適には、非水溶媒が前記式(1)又は(2)で表されるラクトン化合物を20wt%以上含む。別途好適には、電気化学デバイスは電気二重層キャパシタであり、この電気二重層キャパシタは、上述の電解液が含浸されてなるセパレータと、前記セパレータを挟むように位置する正極及び負極と、を備える。 A non-aqueous solvent containing a lactone compound represented by the formula (1) and an electrolyte. R 1 to R 3 will be described later. Preferably, the non-aqueous solvent contains 20 wt% or more of the lactone compound represented by the formula (1) or (2). In another preferred embodiment, the electrochemical device is an electric double layer capacitor, and the electric double layer capacitor includes a separator impregnated with the above-described electrolyte, and a positive electrode and a negative electrode positioned so as to sandwich the separator. .

本発明によれば、α位に所定の鎖状アルキル基が結合したγ−ブチルラクトンを電解液の溶媒として含有させることで、ラクトンのCOO部位の加水分解を効果的に抑制する作用を介して、電気化学デバイスの初期の特性を悪化させることなく、連続充電した後の電気化学デバイスの容器の膨張、静電容量の低下、及び内部抵抗の上昇を効果的に抑制する効果が奏される。   According to the present invention, γ-butyllactone having a predetermined chain alkyl group bonded to the α-position is contained as a solvent of the electrolytic solution, thereby effectively suppressing hydrolysis of the COO site of the lactone. The effect of effectively suppressing the expansion of the container of the electrochemical device after continuous charging, the decrease in capacitance, and the increase in internal resistance is exhibited without deteriorating the initial characteristics of the electrochemical device.

本発明の一実施形態の電気化学デバイスの側面断面図である。It is side surface sectional drawing of the electrochemical device of one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態の電気化学デバイスの平面図である。It is a top view of the electrochemical device of one embodiment of the present invention.

以下、図面を適宜参照しながら本発明を詳述する。但し、本発明は図示された態様に限定されるわけでなく、また、図面においては発明の特徴的な部分を強調して表現することがあるので、図面各部において縮尺の正確性は必ずしも担保されていない。   Hereinafter, the present invention will be described in detail with appropriate reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the illustrated embodiment, and in the drawings, the characteristic portions of the invention may be emphasized and expressed, so that the accuracy of the scale is not necessarily guaranteed in each part of the drawings. Not.

本発明の電気化学デバイスには、特定のラクトン化合物が非水溶媒として含まれる。前記特定のラクトン化合物はγーブチロラクトン(GBL)のα位に1つ又は2つのアルキル基が結合したものであり、具体的には、上述の式(1)又は(2)で表される化合物である。   The electrochemical device of the present invention contains a specific lactone compound as a non-aqueous solvent. The specific lactone compound is a compound in which one or two alkyl groups are bonded to the α-position of γ-butyrolactone (GBL), and specifically, a compound represented by the above formula (1) or (2) It is.

ここで、式(1)の化合物(以下、化合物(1)ともいう。)におけるRおよびRは同じであってもよいし、互いに異なっていてもよく、それぞれ、炭素数1〜6、好ましくは炭素数1〜3の直鎖アルキル基を示す。前記直鎖アルキル基における炭素原子の一部がヘテロ原子に置き換わっていてもよい。前記へテロ原子は好ましくは酸素原子である。より具体的には直鎖アルキル構造の一部を成すメチレン基が−O−に置き換わっていてもよい。化合物(1)の具体例として以下の式(3)〜式(7)の化合物(以下、化合物(3)〜化合物(7)ともいう。)が非限定的に挙げられる。 Here, R 1 and R 2 in the compound of the formula (1) (hereinafter also referred to as the compound (1)) may be the same or different from each other, each having 1 to 6 carbon atoms, Preferably a C1-C3 linear alkyl group is shown. A part of carbon atoms in the linear alkyl group may be replaced with a hetero atom. The hetero atom is preferably an oxygen atom. More specifically, a methylene group that forms part of a linear alkyl structure may be replaced by -O-. Specific examples of the compound (1) include, but are not limited to, compounds of the following formulas (3) to (7) (hereinafter also referred to as compounds (3) to (7)).

Figure 2014075540
Figure 2014075540

上述の式(2)の化合物(以下、化合物(2)ともいう。)は、GBLのα位に一つだけアルキル基Rが結合したものであり、ここで、Rは炭素数3〜7、好ましくは炭素数3〜5の枝分かれしたアルキル基を示す。化合物(2)の具体例として以下の式(8)〜式(11)の化合物(以下、化合物(8)〜化合物(11)ともいう。)が非限定的に挙げられる。 The compound of the above formula (2) (hereinafter also referred to as compound (2)) is a compound in which only one alkyl group R 3 is bonded to the α-position of GBL, where R 3 has 3 to 3 carbon atoms. 7, preferably a branched alkyl group having 3 to 5 carbon atoms. Specific examples of the compound (2) include, but are not limited to, compounds of the following formulas (8) to (11) (hereinafter also referred to as compounds (8) to (11)).

Figure 2014075540
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これら化合物(1)や化合物(2)は、例えば東京化成工業株式会社などから工業用化学材料として一般的に入手可能であるほか、一般的に入手可能なγ−ブチロラクトンやα−メチル−γ−ブチロラクトンを塩基で処理した後、対応するハロゲン化アルキルを作用させるなどの方法で合成することができる。   These compounds (1) and (2) are generally available as industrial chemical materials from, for example, Tokyo Chemical Industry Co., Ltd., as well as generally available γ-butyrolactone and α-methyl-γ-. After the butyrolactone is treated with a base, it can be synthesized by a method such as reacting a corresponding alkyl halide.

本発明によれば、電解液における非水溶媒に上述の化合物(1)又は化合物(2)が含まれている。非水溶媒には、化合物(1)又は化合物(2)の一種類が含まれていてもよいし、化合物(1)又は化合物(2)の2種類以上が含まれていてもよい。非水溶媒には、化合物(1)又は化合物(2)以外の溶媒が含まれていてもよい。非水溶媒に占める化合物(1)又は化合物(2)の合計量は好ましくは15wt%以上、より好ましくは20wt%以上、さらに好ましくは50wt%以上、特に好ましくは80wt%以上である。非水溶媒が全て化合物(1)又は化合物(2)からなるもの(つまり、100wt%)であってもよい。   According to this invention, the above-mentioned compound (1) or compound (2) is contained in the nonaqueous solvent in the electrolytic solution. One type of compound (1) or compound (2) may be contained in the nonaqueous solvent, or two or more types of compound (1) or compound (2) may be contained. The non-aqueous solvent may contain a solvent other than the compound (1) or the compound (2). The total amount of compound (1) or compound (2) in the non-aqueous solvent is preferably 15 wt% or more, more preferably 20 wt% or more, still more preferably 50 wt% or more, and particularly preferably 80 wt% or more. The non-aqueous solvent may be composed entirely of the compound (1) or the compound (2) (that is, 100 wt%).

化合物(1)又は化合物(2)とともに非水溶媒に含まれていてもよい溶媒としては、非限定的に、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ブチレンカーボネートなどの環状炭酸エステル、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の鎖状炭酸エステル、γ−ブチロラクトン(GBL)、γ−バレロラクトン(GVL)、3−メチル−γ−ブチロラクトン、2−メチル−γ−ブチロラクトンなどの環状エステル、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、吉草酸メチルなどの鎖状エステル、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−ジオキソランなどの環状エーテル、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の鎖状エーテル、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のニトリル化合物、及びスルホラン、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、エチルイソプロピルスルホン、ジメチルスルホキシドなどの含イオウ化合物などが挙げられる。これらは組み合わせて用いられてもよい。   Examples of the solvent that may be contained in the nonaqueous solvent together with the compound (1) or the compound (2) include, but are not limited to, cyclic carbonates such as ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), and butylene carbonate, dimethyl Chain carbonates such as carbonate, ethyl methyl carbonate, diethyl carbonate, methyl propyl carbonate, methyl isopropyl carbonate, γ-butyrolactone (GBL), γ-valerolactone (GVL), 3-methyl-γ-butyrolactone, 2-methyl- Cyclic esters such as γ-butyrolactone, chain esters such as methyl formate, ethyl formate, methyl acetate, ethyl acetate, propyl acetate, methyl propionate, methyl butyrate, methyl valerate, 1,4-dioxane, 1,3-dioxolane Tetrahydr Furan, 2-methyltetrahydrofuran, 3-methyl-1,3-dioxolane, cyclic ethers such as 2-methyl-1,3-dioxolane, 1,2-dimethoxyethane, 1,2-diethoxyethane, dimethyl-2, 5-dioxahexanedioate, chain ethers such as dipropyl ether, nitrile compounds such as acetonitrile, propanenitrile, glutaronitrile, adiponitrile, methoxyacetonitrile, 3-methoxypropionitrile, and sulfolane, dimethylsulfone, diethylsulfone And sulfur-containing compounds such as ethyl methyl sulfone, ethyl propyl sulfone, ethyl isopropyl sulfone, and dimethyl sulfoxide. These may be used in combination.

本発明によれば、電解液は、上述した非水溶媒に加えて、電解質が含まれる。電解液における電解質の濃度は特に限定されず、好ましくは1.0〜2.5mol/Lである。電解質の種類は特に限定されず、電気化学デバイスに通常使用される化合物などを適宜用いることができる。電解質として、例えば四級アンモニウム塩、四級ホスホニウム塩、リチウム化合物などが挙げられる。これらの電解質は、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。4級アンモニウム塩及び4級ホスホニウム塩としては、テトラエチルアンモニウムテトラフルオロボレート、テトラブチルアンモニウムテトラフルオロボレート、トリエチルメチルアンモニウムテトラフルオロボレート、1,1’−スピロビピロリジニウムテトラフルオロボレート、テトラエチルアンモニウムヘキサフルオロホスフェート、テトラブチルアンモニウムヘキサフルオロホスフェート、トリエチルメチルアンモニウムヘキサフルオロホスフェート、テトラエチルホスホニウムテトラフルオロボレート、テトラブチルホスホニウムテトラフルオロボレート、テトラエチルホスホニウムヘキサフルオロホスフェート、テトラブチルホスホニウムヘキサフルオロホスフェートなどが挙げられる。リチウム化合物としては、LiClO、LiBF、LiPF、LiCFSO、LiCSO、LiN(SOCF、LiN(SO、LiB(Cなどが挙げられる。上記の電解質の中でも、テトラエチルアンモニウムテトラフルオロボレート、トリエチルメチルアンモニウムテトラフルオロボレート、1,1’−スピロビピロリジニウムテトラフルオロボレートが好ましい。 According to the present invention, the electrolyte contains an electrolyte in addition to the non-aqueous solvent described above. The concentration of the electrolyte in the electrolytic solution is not particularly limited, and is preferably 1.0 to 2.5 mol / L. The type of the electrolyte is not particularly limited, and a compound or the like usually used in an electrochemical device can be used as appropriate. Examples of the electrolyte include quaternary ammonium salts, quaternary phosphonium salts, and lithium compounds. These electrolytes can be used alone or in combination of two or more. Examples of quaternary ammonium salts and quaternary phosphonium salts include tetraethylammonium tetrafluoroborate, tetrabutylammonium tetrafluoroborate, triethylmethylammonium tetrafluoroborate, 1,1′-spirobipyrrolidinium tetrafluoroborate, tetraethylammonium hexafluoro. Examples include phosphate, tetrabutylammonium hexafluorophosphate, triethylmethylammonium hexafluorophosphate, tetraethylphosphonium tetrafluoroborate, tetrabutylphosphonium tetrafluoroborate, tetraethylphosphonium hexafluorophosphate, tetrabutylphosphonium hexafluorophosphate, and the like. Lithium compounds include LiClO 4 , LiBF 4 , LiPF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiC 4 F 9 SO 3 , LiN (SO 2 CF 3 ) 2 , LiN (SO 2 C 2 F 5 ) 2 , LiB (C 2 O 4 ) 2 and the like. Among the above electrolytes, tetraethylammonium tetrafluoroborate, triethylmethylammonium tetrafluoroborate, and 1,1′-spirobipyrrolidinium tetrafluoroborate are preferable.

本発明の電気化学デバイスは、上述した電解液の電気化学反応を利用するデバイスであれば、その種類は特に限定されず、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。   The electrochemical device of the present invention is not particularly limited as long as it is a device that utilizes the above-described electrochemical reaction of the electrolytic solution, and includes an electrochemical capacitor, a secondary battery, and the like. Examples include an electric double layer capacitor, a lithium ion capacitor, a redox capacitor, and a hybrid capacitor.

図1は電気化学デバイス一例である電気二重層キャパシタの側面断面図である。図2は、その平面図である。電気二重層キャパシタは、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。電気二重層キャパシタは、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から導出している端子50を有している。フィルムパッケージ40には蓄電素子B及び非水電解液が封入されている。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。   FIG. 1 is a side sectional view of an electric double layer capacitor as an example of an electrochemical device. FIG. 2 is a plan view thereof. The electric double layer capacitor includes, for example, a positive electrode 10, a negative electrode 20, a storage element B having a separator 30 between the positive electrode 10 and the negative electrode 20, a nonaqueous electrolytic solution in which an electrolyte is dissolved in a nonaqueous solvent, and a laminate film. It is formed. The electric double layer capacitor has a terminal 50 whose one end is connected to the storage element B and the other end is led out from the film package 40. The film package 40 encloses the storage element B and a non-aqueous electrolyte. Polarizable electrode layers 12 and 22 are formed on the surfaces of current collectors 11 and 21 made of metal foil via a conductive adhesive (not shown), respectively. For example, the positive electrode 10 and the negative electrode 20 are disposed so that the polarizable electrode layer 12 of the positive electrode 10 and the polarizable electrode layer 22 of the negative electrode 20 face each other.

セパレータは、セルロース、ポリプロピレン、ポリエチレン、フッ素系樹脂などで例示される、非水電解液を含浸できる材料などから形成される。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二重層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 separator is formed from a material that can be impregnated with a non-aqueous electrolyte, such as cellulose, polypropylene, polyethylene, and fluorine resin. The separator 30 is disposed between the polarizable electrode layers 12 and 22 of the positive electrode 10 and the negative electrode 20 facing each other. A known structure used in a film package type electric double layer capacitor can be applied to the storage element B and the film package 40.

分極性電極層12及び22は、電気二重層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を使用することができる。分極性電極層12及び22には、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が含まれ、電気二重層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まれていてもよい。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 the electric double layer capacitor can be used. The polarizable electrode layers 12 and 22 include active materials such as polyacene (PAS), polyaniline (PAN), activated carbon, carbon black, graphite, and carbon nanotube, and are used for the polarizable electrode layer of the electric double layer capacitor. Other components such as a conductive agent and a binder may be included as necessary. 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.

電気化学デバイスの他の例としてのリチウムイオンキャパシタは、例えば正極、負極、及び正極と負極との間にセパレータを有する蓄電素子と、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。リチウムイオンキャパシタは、一端が蓄電素子に接続され、他端がフィルムパッケージ(蓄電素子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の集電体の表面には、導電性接着剤を介して分極性電極層が形成されている。分極性電極層は、前記電気二重層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集電体の表面には、活物質層が形成されている。正極及び負極は、例えば正極の分極性電極層と負極の活物質層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の活物質層にプレドープされ、充電前の状態で負極の電位が正極の電位に比べて、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。セパレータは、向きあっている正極の分極性電極層及び負極の活物質層の間に配置される。なお、蓄電素子やフィルムパッケージには、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。   A lithium ion capacitor as another example of an electrochemical device includes, for example, a positive electrode, a negative electrode, a power storage element having a separator between the positive electrode and the negative electrode, a non-aqueous electrolyte solution in which an electrolyte is dissolved in a non-aqueous solvent, and a laminate. Formed from film. One end of the lithium ion capacitor is connected to the power storage element, and the other end has a terminal that is led out from the film package (the power storage element and the non-aqueous electrolyte are enclosed). For example, a polarizable electrode layer is formed on the surface of a positive electrode current collector made of an aluminum metal foil via a conductive adhesive. As the polarizable electrode layer, one having the same material and structure as those used in the electric double layer capacitor can be used. Moreover, what has the well-known material and structure used with the polarizable electrode layer of the positive electrode of a lithium ion capacitor can be used. An active material layer is formed on the surface of a negative electrode current collector made of, for example, copper metal foil. The positive electrode and the negative electrode are arranged, for example, so that the polarizable electrode layer of the positive electrode and the active material layer of the negative electrode face each other. A lithium metal sheet is disposed in the vicinity of the negative electrode. As a result, lithium in the lithium metal sheet is dissolved in the non-aqueous electrolyte, and the lithium ions are pre-doped in the active material layer of the negative electrode, so that the potential of the negative electrode is 3 V, for example, compared with the potential of the positive electrode before charging. The level is lowered. The separator is formed from a material that can be impregnated with a nonaqueous electrolytic solution, such as cellulose, polypropylene, polyethylene, and fluorine resin. The separator is disposed between the positive polarizable electrode layer and the negative active material layer facing each other. A known structure used in a film package type lithium capacitor can be applied to the power storage element and the film package.

負極の活物質層は、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 active material layer of the negative electrode, a material having a known material and structure used in the active material layer of a lithium ion capacitor can be used. For example, active materials such as non-graphitizable carbon, graphite, tin oxide, silicon oxide, etc. And a conductive auxiliary such as carbon black and metal powder, and a binder such as polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), and styrene butadiene rubber (SBR) as necessary. .

以下、実施例により本発明をより詳細に説明する。しかし、本発明は実施例の態様に限定される訳ではない。各実施例及び比較例で用いられる非水溶媒の化合物は東京化成工業株式会社などから入手したもの、もしくは適宜合成したものを使用した。電解質のトリエチルメチルアンモニウムテトラフルオロボレートは東京化成工業株式会社から入手した。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. However, the present invention is not limited to the embodiments. Nonaqueous solvent compounds used in each example and comparative example were those obtained from Tokyo Chemical Industry Co., Ltd. or the like, or those appropriately synthesized. The electrolyte triethylmethylammonium tetrafluoroborate was obtained from Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.

[実施例1]
電解質としてトリエチルメチルアンモニウムテトラフルオロボレートを用い、非水溶媒として上述の化合物(3)を用いて、濃度1.5mol/Lの電解液を調製した。活物質としての活性炭、ならびに、バインダーとしてのカルボキシメチルセルロース及びスチレンブタジエンゴムを含むスラリーを調製し、このスラリーをアルミ箔上に塗布してシート状の分極性電極を作製した。分極性電極間に、セルロースからなるセパレータを挟み、引出し端子を超音波溶接により取り付け、約180℃で真空乾燥して素子を得た。電極サイズにカットした封止材に、素子を入れ、さらに、電解液を注入した。その後、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。封止材として、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]
An electrolytic solution having a concentration of 1.5 mol / L was prepared using triethylmethylammonium tetrafluoroborate as an electrolyte and the above-mentioned compound (3) as a nonaqueous solvent. A slurry containing activated carbon as an active material and carboxymethyl cellulose and styrene butadiene rubber as a binder was prepared, and this slurry was applied on an aluminum foil to prepare a sheet-like polarizable electrode. A separator made of cellulose was sandwiched between polarizable electrodes, a lead terminal was attached by ultrasonic welding, and vacuum drying was performed at about 180 ° C. to obtain a device. An element was put into a sealing material cut into an electrode size, and an electrolytic solution was further injected. Then, the sealing material was heat-sealed using the sealing material, and a cell having a size of about 20 mm × 26 mm was produced. As the sealing material, a laminate film of nylon / aluminum / CPP (unstretched polypropylene) was used.

[実施例2〜9]
電解液の製造において化合物(3)の代わりに表1記載のとおりに化合物(4)〜化合物(11)を用いたこと以外は、実施例1と同様の方法で電気化学キャパシタを作製した。
[Examples 2 to 9]
An electrochemical capacitor was produced in the same manner as in Example 1 except that the compounds (4) to (11) were used as shown in Table 1 instead of the compound (3) in the production of the electrolytic solution.

[実施例10〜15]
電解液の製造において化合物(3)の代わりに表1記載のとおりの混合溶媒を用いたこと以外は、実施例1と同様の方法で電気化学キャパシタを作製した。ここで、混合溶媒に関する表1記載の混合比率は、重量比率である。
[Examples 10 to 15]
An electrochemical capacitor was produced in the same manner as in Example 1 except that the mixed solvent as shown in Table 1 was used instead of the compound (3) in the production of the electrolytic solution. Here, the mixing ratio of Table 1 regarding the mixed solvent is a weight ratio.

[比較例1〜5]
電解液の製造において化合物(3)の代わりに表1記載のとおりの化合物又は混合溶媒を用いたこと以外は、実施例1と同様の方法で電気化学キャパシタを作製した。ここで、混合溶媒に関する表1記載の混合比率は、重量比率である。
[Comparative Examples 1-5]
An electrochemical capacitor was produced in the same manner as in Example 1 except that the compound or mixed solvent shown in Table 1 was used instead of compound (3) in the production of the electrolytic solution. Here, the mixing ratio of Table 1 regarding the mixed solvent is a weight ratio.

[評価方法]
各実施例、比較例で作製した電気化学キャパシタについて、初期特性として、静電容量、直流抵抗及びキャパシタ容器の厚み(T1)を測定した。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。キャパシタ容器の厚みはマイクロメーターを用い、セルの中央部分の厚みを計測した。
[Evaluation method]
For the electrochemical capacitors produced in each Example and Comparative Example, the capacitance, DC resistance, and capacitor container thickness (T1) were measured as initial characteristics. Capacitance was discharged when a cell discharged at room temperature for 30 minutes was charged at 100 mA to 2.5 V for 10 minutes and then discharged at 10 mA to 0 V using a charge / discharge tester (Toyo System Co., Ltd. TOSCAT-3200). Calculated from the slope of the 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 was measured using a micrometer and the thickness of the central portion of the cell.

次いで、60℃の恒温槽中で1000時間2.5Vの電圧で連続充電した。その後、室温まで放冷し、0Vまで放電した後、静電容量、直流抵抗及びキャパシタ容器の厚み(T2)を測定した。各測定値について初期特性としての測定値(100%)に対する、連続充放電を行った後の測定値のパーセンテージを算出した。
各実施例・比較例の製造条件及び結果を表1にまとめる。
Next, the battery was continuously charged at a voltage of 2.5 V for 1000 hours in a constant temperature bath at 60 ° C. Then, after cooling to room temperature and discharging to 0 V, the capacitance, DC resistance, and capacitor container thickness (T2) were measured. For each measured value, the percentage of the measured value after continuous charge / discharge with respect to the measured value (100%) as the initial characteristic was calculated.
The production conditions and results of each example and comparative example are summarized in Table 1.

Figure 2014075540
Figure 2014075540

[評価結果]
比較例1と比べて実施例1〜9では、連続充電後の特性劣化が抑制された。具体的には、比較例1と比べて容量が大きく、抵抗値が低いことが確認された。また、キャパシタセルの厚さも小さいことが確認された。この効果は混合溶媒を用いた場合においても確認され、比較例2〜5と比べて実施例10〜15は、連続充電後の特性劣化が抑制された結果となった。以上の効果は、本発明で記載した化合物(3)〜(11)に導入した置換基が、ラクトンのCOO部位の加水分解を効果的に抑制する作用にもとづくものと考察される。
[Evaluation results]
Compared to Comparative Example 1, in Examples 1 to 9, characteristic deterioration after continuous charging was suppressed. Specifically, it was confirmed that the capacitance was larger and the resistance value was lower than that of Comparative Example 1. It was also confirmed that the thickness of the capacitor cell was small. This effect was confirmed even when a mixed solvent was used, and in Examples 10 to 15 compared to Comparative Examples 2 to 5, the characteristic deterioration after continuous charging was suppressed. The above effects are considered to be based on the action of the substituent introduced into the compounds (3) to (11) described in the present invention effectively suppressing hydrolysis of the COO site of the lactone.

10 正極、20 負極、11・21 集電体、12・22 分極性電極層、30 セパレータ、40 フィルムパッケージ、50 端子、B 蓄電素子。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Positive electrode, 20 Negative electrode, 11.21 Current collector, 12.22 Polarization electrode layer, 30 Separator, 40 Film package, 50 terminal, B electrical storage element.

Claims (3)

下記式(1)又は(2):
Figure 2014075540
(式中、RおよびRは互いに独立して、炭素数1〜6であって炭素原子の一部がヘテロ原子に置き換わっていてもよい直鎖アルキル基を示し、Rは炭素数3〜7の枝分かれしたアルキル基を示す。)で表されるラクトン化合物を含む非水溶媒と電解質とを含有する電解液を用いた電気化学デバイス。
Following formula (1) or (2):
Figure 2014075540
(In the formula, R 1 and R 2 are each independently a straight-chain alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, in which some of the carbon atoms may be replaced by hetero atoms, and R 3 has 3 carbon atoms. An electrochemical device using an electrolytic solution containing a non-aqueous solvent containing a lactone compound represented by (7) and an electrolyte.
前記非水溶媒が前記式(1)又は(2)で表されるラクトン化合物を20wt%以上含む請求項1記載の電気化学デバイス。   The electrochemical device according to claim 1, wherein the non-aqueous solvent contains 20 wt% or more of the lactone compound represented by the formula (1) or (2). 前記電解液が含浸されてなるセパレータと、前記セパレータを挟むように位置する正極及び負極と、を備える電気二重層キャパシタである請求項1又は2記載の電気化学デバイス。   The electrochemical device according to claim 1 or 2, which is an electric double layer capacitor comprising a separator impregnated with the electrolytic solution, and a positive electrode and a negative electrode positioned so as to sandwich the separator.
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