JP2014192128A - Molten salt, electrolyte for batteries, and polyvalent ion battery - Google Patents

Molten salt, electrolyte for batteries, and polyvalent ion battery Download PDF

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Toshiyuki Nohira
俊之 野平
Rika Hagiwara
理加 萩原
Yuki Orikasa
有基 折笠
Yoshiharu Uchimoto
喜晴 内本
Manabu Tokushige
学 徳重
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrolyte which can electrochemically precipitate and dissolve a polyvalent metal, and to provide a polyvalent ion battery arranged by use thereof.SOLUTION: A molten salt of the present invention comprises: an amide anion expressed by the formula (1) below; an alkali-earth metal cation; and an alkali metal cation.

Description

本発明は溶融塩に関する。より詳しくは多価イオン電池の電解質として好適な溶融塩に関する。   The present invention relates to a molten salt. More specifically, the present invention relates to a molten salt suitable as an electrolyte for a multivalent ion battery.

化学反応のエネルギーを電気エネルギーに変換する化学電池としては種々のものが知られている。中でも、リチウムイオン電池は、携帯電話をはじめとするモバイル機器の電源として広く普及している。近年、地球環境問題に対する社会的関心の高まりから、環境負荷の少ない電気自動車が注目されており、リチウムイオン電池を搭載した電気自動車などが実用化されはじめている。   Various types of chemical batteries that convert energy of chemical reaction into electric energy are known. In particular, lithium ion batteries are widely used as power sources for mobile devices such as mobile phones. In recent years, due to increasing social interest in global environmental problems, electric vehicles with a low environmental load have attracted attention, and electric vehicles equipped with lithium ion batteries have begun to be put into practical use.

リチウムイオン電池に使用されるリチウムは、地殻中の元素の存在率(クラーク数とも呼ばれる)が、比較的多い金属ではあるものの、産地が偏在しているため、今後、電気自動車市場が拡大した場合、調達リスクの顕在化や材料コストの高騰などの懸念点が指摘されている。   The lithium used in lithium ion batteries is a metal with a relatively high abundance of elements in the earth's crust (also called the Clark number), but the production area is unevenly distributed, so if the electric vehicle market expands in the future Concerns have been pointed out, such as the realization of procurement risks and rising material costs.

また、電気自動車用の電池には、大型化と高い安全性が要求される。リチウムイオン電池は、融点の低い金属であるリチウムと、揮発性、可燃性である有機溶媒とを主要な要素として含むため、大型化と安全性の両立には一定の限界があると予想されている。   Further, batteries for electric vehicles are required to be large and have high safety. Lithium-ion batteries include lithium, which is a metal with a low melting point, and organic solvents that are volatile and flammable as the main elements, so it is expected that there will be certain limits to achieving both large size and safety. Yes.

さらに、自動車用途に限らず、あらゆる用途において、リチウムイオン電池を超える高いエネルギー密度を有する、革新的な次世代電池の開発が待ち望まれている。   Furthermore, development of an innovative next-generation battery having a high energy density exceeding that of a lithium ion battery is awaited in every application, not limited to automobile applications.

このような次世代電池を担う技術の一つとして、国際公開第2006/101141号(特許文献1)や特開2009−67644号公報(特許文献2)には、電池用電解質として利用できる溶融塩(イオン液体とも呼ばれる)が開示されている。   As one of the technologies for such next-generation batteries, International Publication No. 2006/101141 (Patent Document 1) and Japanese Patent Application Laid-Open No. 2009-67644 (Patent Document 2) include molten salts that can be used as battery electrolytes. (Also referred to as ionic liquid).

国際公開第2006/101141号International Publication No. 2006/101141 特開2009−67644号公報JP 2009-67644 A

リチウムイオン電池に代わる次世代電池として、多価イオン電池が期待されている。「多価イオン電池」とは、たとえば、マグネシウムイオン(Mg2+)やアルミニウムイオン(Al3+)のように価数が2以上の陽イオン(以下、カチオンとも記す)が、充放電時の電気伝導を担う電池である。すなわち、多価イオン電池では、1つの原子からカチオンの価数に対応した複数の電子を取り出し、電気エネルギーとして利用することができる。したがって、1価のカチオンであるリチウムイオンが電気伝導を担うリチウムイオン電池に比べて、高いエネルギー密度が期待できる。なお、これ以降、イオン化して多価イオンとなる金属を「多価金属」とも記す。 As a next-generation battery that replaces the lithium ion battery, a polyvalent ion battery is expected. “Polyvalent ion battery” means, for example, a cation having a valence of 2 or more (hereinafter also referred to as a cation) such as magnesium ion (Mg 2+ ) or aluminum ion (Al 3+ ) It is a battery responsible for electrical conduction. That is, in the multivalent ion battery, a plurality of electrons corresponding to the valence of the cation can be taken out from one atom and used as electric energy. Accordingly, a higher energy density can be expected as compared with a lithium ion battery in which lithium ions that are monovalent cations are responsible for electrical conduction. Hereinafter, a metal that is ionized to become a polyvalent ion is also referred to as a “multivalent metal”.

多価イオン電池に用いる金属としては、マグネシウム、アルミニウム、カルシウム、亜鉛などが検討されている。これらのうち、マグネシウムは、酸化還元電位が低く、クラーク数が多く、かつ融点が高い金属であるため、高エネルギー密度、低コスト、高安全性を高度に両立し得る次世代電池の材料として最も有望である。   Magnesium, aluminum, calcium, zinc, and the like have been studied as metals used in multivalent ion batteries. Of these, magnesium is a metal with a low oxidation-reduction potential, a large number of Clarkes, and a high melting point, and is therefore the most powerful next-generation battery material that is highly compatible with high energy density, low cost, and high safety. Promising.

しかしながら、これまでマグネシウムの電気化学的な析出と溶解を可能とさせる、電位窓の広い電解質が存在しなかったため、このようなマグネシウムのポテンシャルを活用した多価イオン電池、すなわち、マグネシウムイオン電池は、未だ実現には至っていない。   However, since there has not been an electrolyte with a wide potential window that enables electrochemical deposition and dissolution of magnesium, a multivalent ion battery utilizing such a magnesium potential, that is, a magnesium ion battery, It has not yet been realized.

たとえば、Grignard試薬(有機マグネシウムハロゲン化物)や、マグネシウムの臭化物などを含有する有機溶媒を電解質として用いることにより、マグネシウムの析出と溶解が確認された例が報告されているが、これらの電解質は、化学的に不安定であり、正極側(酸化側)の電位窓が狭いため、必然的に起電力の小さい電池しか構成することができなかった。また、これらの電解質の反応性、揮発性、可燃性などを考慮すると安全性の観点からも好ましいものではない。また、不揮発性、不燃性を特徴とする有機カチオンを含む室温イオン液体を用いた試みもなされているが、マグネシウムの析出と溶解が起こり難い、導電性が低い、有機カチオンが高価である、など多くの課題があり、実現性のある電池系を構築するには至っていないのが現状である。   For example, examples in which precipitation and dissolution of magnesium were confirmed by using an organic solvent containing Grignard reagent (organomagnesium halide) or magnesium bromide as an electrolyte have been reported. Since it is chemically unstable and the potential window on the positive electrode side (oxidation side) is narrow, only a battery with a small electromotive force can inevitably be constructed. Further, considering the reactivity, volatility, flammability, etc. of these electrolytes, it is not preferable from the viewpoint of safety. In addition, attempts have been made to use room temperature ionic liquids containing organic cations characterized by non-volatility and non-flammability, but precipitation and dissolution of magnesium are unlikely to occur, conductivity is low, organic cations are expensive, etc. There are many problems, and the present situation is that a viable battery system has not been constructed.

本発明は、上記のような現状に鑑み、なされたものであって、その目的とするところは、多価金属の電気化学的な析出と溶解が可能である電解質およびそれを用いた多価イオン電池を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above situation, and an object of the present invention is an electrolyte capable of electrochemically depositing and dissolving a polyvalent metal and a polyvalent ion using the same To provide a battery.

本発明者らは、これまでに、リチウムイオン電池やナトリウムイオン電池の電解質として用いるアルカリ金属カチオンと特定のアミドアニオンからなる溶融塩の研究を行なってきた。この過程で、カチオンとして還元電位が極めて卑であり、かつ貴な電位でも分解しないアルカリ金属カチオンと、特定のアミドアニオンとを組み合わせることで、電位窓の広い電池用電解質が得られるのではないかという知見を得、かかる知見に基づき、さらに研究を重ねたところ、アルカリ金属カチオンと特定のアミドアニオンからなる溶融塩に、アルカリ土類金属カチオンを適量含有させた場合、驚くべきことに、溶融塩中においてマグネシウムをはじめとする多価金属の電気化学的な析出と溶解が可能であることを見出し、本発明を完成させるに至った。   The inventors of the present invention have so far studied a molten salt composed of an alkali metal cation and a specific amide anion used as an electrolyte of a lithium ion battery or a sodium ion battery. In this process, it may be possible to obtain a battery electrolyte having a wide potential window by combining an alkali metal cation that has a very low reduction potential as a cation and does not decompose even at a noble potential and a specific amide anion. As a result of further research based on such knowledge, it is surprising that when a suitable amount of an alkaline earth metal cation is contained in a molten salt composed of an alkali metal cation and a specific amide anion, the molten salt The inventors have found that polyvalent metals such as magnesium can be electrochemically deposited and dissolved, and have completed the present invention.

すなわち、本発明の溶融塩は、下記式(1)で表わされるアミドアニオンと、アルカリ土類金属カチオンおよびアルカリ金属カチオンとを含むことを特徴とする。   That is, the molten salt of the present invention includes an amide anion represented by the following formula (1), an alkaline earth metal cation and an alkali metal cation.

Figure 2014192128
Figure 2014192128

上記式(1)中、X1、X2は、それぞれ独立して、フッ素原子、フルオロメチル基またはフルオロエチル基を示す。   In the above formula (1), X1 and X2 each independently represent a fluorine atom, a fluoromethyl group or a fluoroethyl group.

ここで、上記アルカリ土類金属カチオンは、マグネシウムイオン、カルシウムイオンの少なくともいずれかであることが好ましい。   Here, the alkaline earth metal cation is preferably at least one of magnesium ion and calcium ion.

また、上記アルカリ金属カチオンは、リチウムイオン、ナトリウムイオン、カリウムイオン、ルビジウムイオン、セシウムイオンおよびフランシウムイオンからなる群より選ばれた1種以上の金属イオンであることが好ましい。   The alkali metal cation is preferably one or more metal ions selected from the group consisting of lithium ions, sodium ions, potassium ions, rubidium ions, cesium ions, and francium ions.

また、上記溶融塩に含まれる全カチオン中において、上記アルカリ土類金属カチオンの占める割合は、モル比で0.01以上0.50以下であることが好ましい。   In the total cation contained in the molten salt, the proportion of the alkaline earth metal cation is preferably 0.01 or more and 0.50 or less in terms of molar ratio.

また、上記溶融塩は、フッ化物イオン、塩化物イオン、臭化物イオンおよびヨウ化物イオンからなる群より選ばれた1種以上のハロゲン化物イオンをさらに含み、該溶融塩に含まれる全アニオン中において、該ハロゲン化物イオンの占める割合は、モル比で0.001以上0.10以下であることが好ましい。   The molten salt further includes one or more halide ions selected from the group consisting of fluoride ions, chloride ions, bromide ions, and iodide ions, and in all the anions contained in the molten salt, The ratio of the halide ions is preferably 0.001 or more and 0.10 or less in terms of molar ratio.

また、本発明は、電池用電解質にも係わり、該電池用電解質は上記溶融塩を含むことを特徴とする。   The present invention also relates to a battery electrolyte, wherein the battery electrolyte contains the molten salt.

さらに、本発明は、上記電池用電解質を用いた多価イオン電池にも係わり、該多価イオン電池は、正極と、負極と、上記溶融塩を含む電解質とを備え、放電反応は、該正極における多価金属カチオンが関与する還元反応と、該負極における多価金属カチオンが関与する酸化反応とを伴うことを特徴とする。   Furthermore, the present invention relates to a polyvalent ion battery using the battery electrolyte, and the polyvalent ion battery includes a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte containing the molten salt, and a discharge reaction is performed on the positive electrode. And a reduction reaction involving a polyvalent metal cation and an oxidation reaction involving a polyvalent metal cation in the negative electrode.

また、本発明の多価イオン電池は、空気電池とすることもでき、該空気電池は、正極と、負極と、上記溶融塩を含む電解質とを備え、放電反応は、該正極における酸素の還元反応と、該負極における多価金属カチオンが関与する酸化反応とを伴うことを特徴とする。   The multivalent ion battery of the present invention can also be an air battery, and the air battery includes a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte containing the molten salt, and the discharge reaction reduces oxygen at the positive electrode. The reaction is accompanied by an oxidation reaction involving a polyvalent metal cation in the negative electrode.

ここで、上記多価イオン電池または空気電池は、60℃以上300℃以下の温度領域で充放電可能な二次電池であることが好ましい。   Here, the multivalent ion battery or the air battery is preferably a secondary battery that can be charged and discharged in a temperature range of 60 ° C. or higher and 300 ° C. or lower.

また、上記多価金属カチオンとしては、マグネシウムイオンが好適である。   The polyvalent metal cation is preferably magnesium ion.

本発明の溶融塩中では、多価金属の電気化学的な析出と溶解が可能である。そして、本発明の溶融塩を電池用電解質として用いることにより、多価イオン電池の実現が可能である。   In the molten salt of the present invention, electrochemical precipitation and dissolution of polyvalent metals are possible. And a polyvalent ion battery is realizable by using the molten salt of this invention as an electrolyte for batteries.

本発明の実施例に係るMg(TFSA)2−Cs(TFSA)二元系溶融塩の熱分解温度の測定結果の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the measurement result of the thermal decomposition temperature of Mg (TFSA) 2- Cs (TFSA) binary system molten salt which concerns on the Example of this invention. 本発明の実施例に係るMg(TFSA)2−Cs(TFSA)二元系溶融塩の状態図である。1 is a phase diagram of a Mg (TFSA) 2 —Cs (TFSA) binary molten salt according to an example of the present invention. 本発明の実施例に係るMg(TFSA)2−Cs(TFSA)二元系溶融塩の粘性率の測定結果の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the measurement result of the viscosity of the Mg (TFSA) 2- Cs (TFSA) binary molten salt which concerns on the Example of this invention. 導電率測定に用いた実験器具を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the experimental instrument used for electrical conductivity measurement. 本発明の実施例に係るMg(TFSA)2−Cs(TFSA)二元系溶融塩の導電率の測定結果の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the measurement result of the electrical conductivity of Mg (TFSA) 2- Cs (TFSA) binary system molten salt which concerns on the Example of this invention. 電気化学測定に用いた実験器具を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the experimental instrument used for the electrochemical measurement. 本発明の実施例に係るMg(TFSA)2−Cs(TFSA)二元系溶融塩のサイクリックボルタモグラムの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the cyclic voltammogram of Mg (TFSA) 2- Cs (TFSA) binary system molten salt which concerns on the Example of this invention. 本発明の実施例に係るMg(TFSA)2−Cs(TFSA)二元系溶融塩のサイクリックボルタモグラムの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the cyclic voltammogram of Mg (TFSA) 2- Cs (TFSA) binary system molten salt which concerns on the Example of this invention. 本発明の実施例に係るMg(TFSA)2−Cs(TFSA)二元系溶融塩のサイクリックボルタモグラムの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the cyclic voltammogram of Mg (TFSA) 2- Cs (TFSA) binary system molten salt which concerns on the Example of this invention. 本発明の実施例に係るMg(TFSA)2−Li(TFSA)−Cs(TFSA)三元系溶融塩のサイクリックボルタモグラムの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the cyclic voltammogram of Mg (TFSA) 2- Li (TFSA) -Cs (TFSA) ternary molten salt which concerns on the Example of this invention. 定電位電解試験後の電極のX線回折の測定結果の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the measurement result of the X-ray diffraction of the electrode after a constant potential electrolysis test. 本発明の実施例に係るMg(TFSA)2−Rb(TFSA)二元系溶融塩の熱分解温度の測定結果の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the measurement result of the thermal decomposition temperature of Mg (TFSA) 2- Rb (TFSA) binary molten salt which concerns on the Example of this invention. 本発明の実施例に係るMg(TFSA)2−Rb(TFSA)二元系溶融塩の状態図である。1 is a phase diagram of a binary molten salt of Mg (TFSA) 2 —Rb (TFSA) according to an example of the present invention. 本発明の実施例に係るMg(TFSA)2−Rb(TFSA)二元系溶融塩の粘性率の測定結果の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the measurement result of the viscosity of the Mg (TFSA) 2- Rb (TFSA) binary molten salt which concerns on the Example of this invention. 本発明の実施例に係るMg(TFSA)2−Rb(TFSA)二元系溶融塩の粘性率の測定結果の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the measurement result of the viscosity of the Mg (TFSA) 2- Rb (TFSA) binary molten salt which concerns on the Example of this invention. 本発明の実施例に係るMg(TFSA)2−Rb(TFSA)二元系溶融塩のサイクリックボルタモグラムの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the cyclic voltammogram of Mg (TFSA) 2- Rb (TFSA) binary system molten salt which concerns on the Example of this invention. 本発明の実施例に係るMg(TFSA)2−Rb(TFSA)二元系溶融塩のサイクリックボルタモグラムの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the cyclic voltammogram of Mg (TFSA) 2- Rb (TFSA) binary system molten salt which concerns on the Example of this invention. 本発明の実施例に係るMg(TFSA)2−Rb(TFSA)二元系溶融塩のサイクリックボルタモグラムの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the cyclic voltammogram of Mg (TFSA) 2- Rb (TFSA) binary system molten salt which concerns on the Example of this invention. 本発明の実施例に係るMg(TFSA)2−K(FSA)二元系溶融塩の融点の混合モル比への依存性を示す図である。It is a figure which shows the dependence to the mixing molar ratio of melting | fusing point of Mg (TFSA) 2- K (FSA) binary molten salt which concerns on the Example of this invention. 本発明の実施例に係るMg(TFSA)2−K(FSA)二元系溶融塩におけるNi電極上でのサイクリックボルタモグラムの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the cyclic voltammogram on Ni electrode in the Mg (TFSA) 2- K (FSA) binary system molten salt which concerns on the Example of this invention. 本発明の実施例に係るMg(TFSA)2−K(FSA)二元系溶融塩におけるグラッシーカーボン(G.C.)電極上でのサイクリックボルタモグラムの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the cyclic voltammogram on the glassy carbon (GC) electrode in the Mg (TFSA) 2- K (FSA) binary system molten salt which concerns on the Example of this invention. 本発明の実施例に係るMg(TFSA)2−K(FSA)二元系溶融塩におけるMg電極上でのサイクリックボルタモグラムの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the cyclic voltammogram on the Mg electrode in the Mg (TFSA) 2- K (FSA) binary molten salt which concerns on the Example of this invention.

以下、本発明に係わる実施の形態について、さらに詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。   Hereinafter, although the embodiment concerning the present invention is described in detail, the present invention is not limited to these.

<実施の形態1:溶融塩>
本実施の形態の溶融塩は、スルフォニルアミドを基本骨格とするアミドアニオンと、該アミドアニオンのカウンターカチオンとして、アルカリ土類金属カチオンおよびアルカリ金属カチオンとを少なくとも含んでいる。かかる溶融塩は、これらの成分を含む限り、他に任意の成分を含むことができ、他の成分を含んでいたとしても本発明の効果は示される。
<Embodiment 1: Molten salt>
The molten salt of the present embodiment includes at least an amide anion having sulfonylamide as a basic skeleton and an alkaline earth metal cation and an alkali metal cation as counter cations of the amide anion. As long as such a molten salt contains these components, it can contain any other components, and even if other components are contained, the effects of the present invention are shown.

上記のようなアニオンおよびカチオンを含む本実施の形態の溶融塩は、典型的には、アミドアニオンとアルカリ土類金属カチオンとからなる第1の溶融塩と、アミドアニオンとアルカリ金属カチオンとからなる第2の溶融塩とを混合することにより得ることができる。また、たとえば、アミドアニオンと、アルカリ土類金属カチオンおよびアルカリ金属カチオンとからなる複合的な塩を合成することにより得ることもできる。   The molten salt of the present embodiment containing the anion and cation as described above typically comprises a first molten salt comprising an amide anion and an alkaline earth metal cation, and an amide anion and an alkali metal cation. It can be obtained by mixing with the second molten salt. It can also be obtained, for example, by synthesizing a complex salt composed of an amide anion, an alkaline earth metal cation and an alkali metal cation.

上記のような成分を含む本実施の形態の溶融塩は、60℃〜300℃の広い液相範囲を有するため、広い作動温度を有する電池系を構築できる。従来、有機カチオンなどを用いた常温型溶融塩電池では、電極反応速度やイオン拡散速度が遅いことが課題であった。これに対して、本実施の形態の溶融塩では、60℃〜300℃を電池の作動温度とすることができるため、電極反応速度やイオン拡散速度を飛躍的に向上させることができる。すなわち、大電流充放電にも対応できる電池を実現することができる。   Since the molten salt of the present embodiment including the above components has a wide liquid phase range of 60 ° C. to 300 ° C., a battery system having a wide operating temperature can be constructed. Conventionally, in a room temperature molten salt battery using an organic cation or the like, the problem is that the electrode reaction rate and the ion diffusion rate are slow. On the other hand, in the molten salt of the present embodiment, the battery operating temperature can be set to 60 ° C. to 300 ° C., so that the electrode reaction rate and the ion diffusion rate can be dramatically improved. That is, it is possible to realize a battery that can cope with large current charge / discharge.

また、本実施の形態の溶融塩は、有機カチオンを用いる溶融塩に比べて安価に製造することができ、高い経済性を有する。   Moreover, the molten salt of this Embodiment can be manufactured cheaply compared with the molten salt using an organic cation, and has high economical efficiency.

また、本実施の形態の溶融塩は、3.0V〜5.5Vの広い電位窓を有する。したがって、起電力の大きい電池構成が可能となり、高エネルギー密度を有する電池を実現することができる。   Moreover, the molten salt of this Embodiment has a wide electric potential window of 3.0V-5.5V. Therefore, a battery configuration having a large electromotive force is possible, and a battery having a high energy density can be realized.

さらに、本実施の形態の溶融塩は、従来からリチウムイオン電池に用いられている電解液とは異なり、不燃性である。したがって、従来型の電池系では実現できなかった高度な安全性を実現できる。   Furthermore, the molten salt of the present embodiment is nonflammable, unlike the electrolytic solution conventionally used for lithium ion batteries. Therefore, it is possible to realize a high level of safety that could not be realized with a conventional battery system.

そして、本実施の形態の溶融塩中では、多価金属の電気化学的な析出と溶解が可能である。これにより多価金属カチオンが充放電の電気伝導を担う多価イオン電池という革新的な電池系を提供することができる。多価イオン電池は、多電子反応によって充放電を行なうため、電池のエネルギー密度を飛躍的に高めることができる。   And in the molten salt of this Embodiment, the electrochemical precipitation and melt | dissolution of a polyvalent metal are possible. Thereby, an innovative battery system called a polyvalent ion battery in which the polyvalent metal cation is responsible for charge / discharge electrical conduction can be provided. Since the polyvalent ion battery is charged and discharged by a multi-electron reaction, the energy density of the battery can be dramatically increased.

以下、本実施の形態の溶融塩の各成分について説明する。
<アミドアニオン>
本実施の形態の溶融塩は、上記式(1)で表わされるアミドアニオンを含んでいる。このアミドアニオンは、アルカリ土類金属カチオンおよびアルカリ金属カチオンをカウンターカチオンとすることにより、顕著に低い融点を示すという特徴を有する。したがって、本実施の形態の溶融塩は広い液相範囲(液体状態である温度範囲)を有することができる。また、このアミドアニオンは、電気化学的、熱的にも極めて安定であるため、溶融塩の電位窓、液相範囲の拡大に大きく寄与している。
Hereinafter, each component of the molten salt of this Embodiment is demonstrated.
<Amide anion>
The molten salt of the present embodiment contains an amide anion represented by the above formula (1). This amide anion has a feature of showing a remarkably low melting point by using an alkaline earth metal cation and an alkali metal cation as a counter cation. Therefore, the molten salt of the present embodiment can have a wide liquid phase range (temperature range in a liquid state). In addition, since this amide anion is extremely stable electrochemically and thermally, it greatly contributes to the expansion of the potential window of the molten salt and the liquid phase range.

ここで、上記式(1)中、X1、X2は、それぞれ独立して、フッ素原子(F)、フルオロメチル基またはフルオロエチル基を示している。フルオロメチル基またはフルオロエチル基としては、たとえば、トリフルオロメチル基(CF3)、ジフルオロメチル基(CHF2)、モノフルオロメチル基(CH2F)、ペンタフルオロエチル基(CF2CF3)、1,2,2,2−テトラフルオロエチル基(CHFCF3)、1,1,2,2−テトラフルオロエチル基(CF2CHF2)、2,2,2−トリフルオロエチル基(CH2CF3)、1,2,2−トリフルオロエチル基(CHFCHF2)、1,1,2−トリフルオロエチル基(CF2CHF)、2,2−ジフルオロエチル基(CH2CHF2)、1,2−ジフルオロエチル基(CHFCH2F)、1,1−ジフルオロエチル基(CF2CH3)、2−モノフルオロエチル基(CH2CH2F)、1−モノフルオロエチル基(CHFCH3)などを挙げることができる。本実施の形態においては、これらのうち、トリフルオロメチル基(CF3)、ペンタフルオロエチル基(CF2CF3)が好ましい。 Here, in the above formula (1), X1 and X2 each independently represent a fluorine atom (F), a fluoromethyl group or a fluoroethyl group. Examples of the fluoromethyl group or fluoroethyl group include a trifluoromethyl group (CF 3 ), a difluoromethyl group (CHF 2 ), a monofluoromethyl group (CH 2 F), a pentafluoroethyl group (CF 2 CF 3 ), 1,2,2,2-tetrafluoroethyl group (CHFCF 3 ), 1,1,2,2-tetrafluoroethyl group (CF 2 CHF 2 ), 2,2,2-trifluoroethyl group (CH 2 CF 3 ), 1,2,2-trifluoroethyl group (CHFCHF 2 ), 1,1,2-trifluoroethyl group (CF 2 CHF), 2,2-difluoroethyl group (CH 2 CHF 2 ), 1, 2-difluoroethyl group (CHFCH 2 F), 1,1- difluoroethyl group (CF 2 CH 3), 2- monofluoroethyl group (CH 2 CH 2 F), 1- monofluoroethyl group CHFCH 3), and the like. In the present embodiment, among these, a trifluoromethyl group (CF 3 ) and a pentafluoroethyl group (CF 2 CF 3 ) are preferable.

なお、本明細書において、X1およびX2が、それぞれフッ素原子を示すアミドアニオン、すなわち、ビスフルオロスルフォニルアミドイオンを「FSAアニオン、またはFSA-」とも記す。 In the present specification, an amide anion in which X1 and X2 each represent a fluorine atom, that is, a bisfluorosulfonylamide ion is also referred to as “FSA anion or FSA ”.

また、X1およびX2が、それぞれトリフルオロメチル基を示すアミドアニオン、すなわち、ビストリフルオロメチルスルフォニルアミドイオンを「TFSAアニオン、またはTFSA-」とも記す。 Further, an amide anion in which X1 and X2 each represent a trifluoromethyl group, that is, a bistrifluoromethylsulfonylamide ion is also referred to as “TFSA anion or TFSA ”.

さらに、また、X1およびX2が、それぞれペンタフルオロエチル基を示すアミドアニオン、すなわち、ビスペンタフルオロエチルスルフォニルアミドイオンを「BETAアニオン、またはBETA-」とも記す。 Furthermore, an amide anion in which X1 and X2 each represent a pentafluoroethyl group, that is, a bispentafluoroethylsulfonylamide ion is also referred to as “BETA anion or BETA ”.

そして、たとえば、TFSAアニオンと、マグネシウムイオン(Mg2+)とからなる化合物を、Mg(TFSA)2のように記すこともある。 For example, a compound composed of a TFSA anion and a magnesium ion (Mg 2+ ) may be described as Mg (TFSA) 2 .

本実施の形態の溶融塩は、上記のようなアミドアニオンを2種以上含むこともでき、たとえば、溶融塩中にアミドアニオンとして、TFSA-とFSA-などが共存していてもよい。 The molten salt of the present embodiment may contain two or more amide anions as described above. For example, TFSA and FSA may coexist as amide anions in the molten salt.

<アルカリ金属カチオン>
本実施の形態のアルカリ金属カチオンとは、周期表第1族に属する金属元素のイオンを示す。本実施の形態のアルカリ金属カチオンとしては、リチウムイオン(Li+)、ナトリウムイオン(Na+)、カリウムイオン(K+)、ルビジウムイオン(Rb+)、セシウムイオン(Cs+)およびフランシウムイオン(Fr+)から選ばれた少なくとも1種以上を用いることが好ましい。このようなアルカリ金属カチオンは、還元電位が極めて卑であり、かつ貴な電位でも分解しないものであるため、溶融塩の電位窓を拡大することができ、これにより、本実施の形態の溶融塩は起電力の大きい電池系においても使用できる電解質となることができる。
<Alkali metal cation>
The alkali metal cation in this embodiment refers to an ion of a metal element belonging to Group 1 of the periodic table. As the alkali metal cation of the present embodiment, lithium ion (Li + ), sodium ion (Na + ), potassium ion (K + ), rubidium ion (Rb + ), cesium ion (Cs + ), and francium ion (Fr) It is preferable to use at least one selected from + ). Since such an alkali metal cation has a very low reduction potential and does not decompose even at a noble potential, the potential window of the molten salt can be expanded, whereby the molten salt of the present embodiment can be expanded. Can be used as an electrolyte even in a battery system having a large electromotive force.

<アルカリ土類金属カチオン>
本実施の形態のアルカリ土類金属カチオンとは、周期表第2族に属する金属元素のイオンを示し、具体的には、ベリリウムイオン(Be2+)、マグネシウムイオン(Mg2+)、カルシウムイオン(Ca2+)、ストロンチウムイオン(Sr2+)、バリウムイオン(Ba2+)、ラジウムイオン(Ra2+)を挙げることができる。
<Alkaline earth metal cations>
The alkaline earth metal cation of the present embodiment refers to ions of metal elements belonging to Group 2 of the periodic table. Specifically, beryllium ions (Be 2+ ), magnesium ions (Mg 2+ ), calcium ions (Ca 2+ ), strontium ion (Sr 2+ ), barium ion (Ba 2+ ), radium ion (Ra 2+ ) can be mentioned.

本実施の形態のアルカリ土類金属カチオンは、本実施の形態の溶融塩を多価イオン電池の電解質として用いた場合、電気伝導を担うイオンとなることができる。ここで、電池の正極および負極では充放電反応に伴い当該アルカリ土類金属カチオンが反応に関与するため、正極および負極の容量密度を高くするためには原子番号の小さなアルカリ土類金属カチオンであることが好ましい。さらにベリリウムは毒性が高いことを鑑みると、本実施の形態のアルカリ土類金属カチオンとしては、マグネシウムイオン、カルシウムイオンの少なくともいずれかであることが好ましい。   The alkaline earth metal cation of the present embodiment can be an ion responsible for electrical conduction when the molten salt of the present embodiment is used as an electrolyte of a multivalent ion battery. Here, since the alkaline earth metal cation is involved in the reaction at the positive and negative electrodes of the battery, the alkaline earth metal cation having a small atomic number is required to increase the capacity density of the positive and negative electrodes. It is preferable. Furthermore, considering that beryllium has high toxicity, the alkaline earth metal cation of the present embodiment is preferably at least one of magnesium ion and calcium ion.

また、本実施の形態の溶融塩に含まれる全カチオン中において、アルカリ土類金属カチオンの占める割合は、モル比で0.01以上0.50以下であることが好ましい。アルカリ土類金属カチオンが、このような範囲のモル比で存在することにより、溶融塩の液相範囲が広がる傾向にある。また、電池用電解質として好適な粘性率、導電率を示す傾向にもある。   In the total cation contained in the molten salt of the present embodiment, the proportion of the alkaline earth metal cation is preferably 0.01 or more and 0.50 or less in terms of molar ratio. When the alkaline earth metal cation is present in such a molar ratio, the liquid phase range of the molten salt tends to be widened. Moreover, it also exists in the tendency which shows suitable viscosity and electrical conductivity as an electrolyte for batteries.

ここで、溶融塩に含まれる全カチオン中において、アルカリ土類金属カチオンの占める割合を、たとえば、0.50とするには、アミドアニオンとアルカリ土類金属カチオンとからなる第1の溶融塩と、アミドアニオンとアルカリ金属カチオンとからなる第2の溶融塩とをモル比で50:50として混合すればよい。また、たとえば、アルカリ土類金属カチオンの占める割合を、0.01とするためには、前述の第1の溶融塩と第2の溶融塩とをモル比で1:99として混合すればよい。すなわち、溶融塩に含まれる全カチオン中において、アルカリ土類金属カチオンの占める割合が、モル比で0.01以上0.50以下であるとは、前述の第1の溶融塩と第2の溶融塩とが、モル比で1:99〜50:50として混合されていることと等価である。   Here, in the total cation contained in the molten salt, the proportion of the alkaline earth metal cation is, for example, 0.50, the first molten salt composed of an amide anion and an alkaline earth metal cation The second molten salt composed of an amide anion and an alkali metal cation may be mixed at a molar ratio of 50:50. For example, in order to set the ratio of the alkaline earth metal cation to 0.01, the first molten salt and the second molten salt described above may be mixed at a molar ratio of 1:99. That is, the ratio of the alkaline earth metal cation in the total cation contained in the molten salt is 0.01 or more and 0.50 or less in terms of molar ratio means that the first molten salt and the second molten salt described above are used. It is equivalent to the salt being mixed at a molar ratio of 1:99 to 50:50.

また、前述の第1の溶融塩と第2の溶融塩とは、モル比で1:99〜50:50の範囲内で混合した場合、共晶を形成することが好ましい。このような組み合わせを採用することにより、溶融塩の液相範囲をさらに広げることができる。ここで、Mg(TFSA)2とCs(TFSA)とを混合することにより得た溶融塩を、「Mg(TFSA)2−Cs(TFSA)」と記すとすると、上記のモル比範囲で共晶を形成し得る組み合わせとしては、たとえば、Mg(TFSA)2−Cs(TFSA)、Mg(TFSA)2−Rb(TFSA)、Mg(TFSA)2−K(TFSA)、Mg(TFSA)2−Na(TFSA)、Mg(TFSA)2−Li(TFSA)、Mg(TFSA)2−Cs(FSA)、Mg(TFSA)2−Rb(FSA)、Mg(TFSA)2−K(FSA)、Mg(TFSA)2−Na(FSA)、Mg(TFSA)2−Li(FSA)、Mg(FSA)2−Cs(FSA)、Mg(FSA)2−Rb(FSA)、Mg(FSA)2−K(FSA)、Mg(FSA)2−Na(FSA)、Mg(FSA)2−Li(FSA)、Ca(TFSA)2−Cs(TFSA)、Ca(TFSA)2−Rb(TFSA)、Ca(TFSA)2−K(TFSA)、Ca(TFSA)2−Na(TFSA)、Ca(TFSA)2−Li(TFSA)、Ca(TFSA)2−Cs(FSA)、Ca(TFSA)2−Rb(FSA)、Ca(TFSA)2−K(FSA)、Ca(TFSA)2−Na(FSA)、Ca(TFSA)2−Li(FSA)、Ca(FSA)2−Cs(FSA)、Ca(FSA)2−Rb(FSA)、Ca(FSA)2−K(FSA)、Ca(FSA)2−Na(FSA)、Ca(FSA)2−Li(FSA)などを挙げることができる。 The first molten salt and the second molten salt described above preferably form a eutectic when mixed in a molar ratio of 1:99 to 50:50. By adopting such a combination, the liquid phase range of the molten salt can be further expanded. Here, when the molten salt obtained by mixing Mg (TFSA) 2 and Cs (TFSA) is referred to as “Mg (TFSA) 2 -Cs (TFSA)”, the eutectic is in the above molar ratio range. As a combination that can form, for example, Mg (TFSA) 2 -Cs (TFSA), Mg (TFSA) 2 -Rb (TFSA), Mg (TFSA) 2 -K (TFSA), Mg (TFSA) 2 -Na (TFSA), Mg (TFSA) 2 -Li (TFSA), Mg (TFSA) 2 -Cs (FSA), Mg (TFSA) 2 -Rb (FSA), Mg (TFSA) 2 -K (FSA), Mg ( TFSA) 2 -Na (FSA), Mg (TFSA) 2 -Li (FSA), Mg (FSA) 2 -Cs (FSA), Mg (FSA) 2 -Rb (FSA), Mg (FSA) 2 -K ( FSA), g (FSA) 2 -Na (FSA ), Mg (FSA) 2 -Li (FSA), Ca (TFSA) 2 -Cs (TFSA), Ca (TFSA) 2 -Rb (TFSA), Ca (TFSA) 2 - K (TFSA), Ca (TFSA) 2 -Na (TFSA), Ca (TFSA) 2 -Li (TFSA), Ca (TFSA) 2 -Cs (FSA), Ca (TFSA) 2 -Rb (FSA), Ca (TFSA) 2- K (FSA), Ca (TFSA) 2- Na (FSA), Ca (TFSA) 2- Li (FSA), Ca (FSA) 2- Cs (FSA), Ca (FSA) 2- Rb (FSA), Ca (FSA) 2- K (FSA), Ca (FSA) 2- Na (FSA), Ca (FSA) 2- Li (FSA), and the like can be given.

なお、本実施の形態の溶融塩に含まれる全カチオン中において、アルカリ土類金属カチオンの占める割合は、より好ましくはモル比で0.05以上0.40以下であり、特に好ましくは0.10以上0.30以下である。このような範囲でアルカリ土類金属カチオンが含まれることにより、溶融塩の液相範囲がより一層広がるとともに、電池用電解質としてさらに好適な粘性率および導電率を示すことができる。   In the total cation contained in the molten salt of the present embodiment, the proportion of the alkaline earth metal cation is more preferably 0.05 or more and 0.40 or less, and particularly preferably 0.10 in molar ratio. It is 0.30 or less. By including the alkaline earth metal cation in such a range, the liquid phase range of the molten salt can be further expanded, and a viscosity and conductivity more suitable as a battery electrolyte can be exhibited.

<ハロゲン化物イオン>
本実施の形態の溶融塩は、さらにハロゲン化物イオンを含むことができる。ハロゲン化物イオンを含むことにより、溶融塩を電池用電解質として用いた場合、負極において多価イオンの析出と溶解が起こり易い傾向にあるため好ましい。ここで、ハロゲン化物イオンとしては、フッ化物イオン(F-)、塩化物イオン(Cl-)、臭化物イオン(Br-)およびヨウ化物イオン(I-)からなる群より選ばれた1種以上のイオンを用いることが好ましい。
<Halide ion>
The molten salt of the present embodiment can further contain halide ions. The inclusion of halide ions is preferred when the molten salt is used as an electrolyte for batteries because it tends to cause precipitation and dissolution of multivalent ions in the negative electrode. Here, as the halide ions, at least one selected from the group consisting of fluoride ions (F ), chloride ions (Cl ), bromide ions (Br ), and iodide ions (I ). It is preferable to use ions.

本実施の形態の溶融塩に、ハロゲン化物イオンを含ませる方法としては、たとえば、アルカリ土類金属やアルカリ金属との塩として、溶融塩に添加する方法を挙げることができる。たとえば、フッ化マグネシウム(MgF2)、塩化マグネシウム(MgCl2)、臭化マグネシウム(MgBr2)、ヨウ化マグネシウム(MgI2)のような塩として、溶融塩に添加することができる。 Examples of the method of including halide ions in the molten salt of the present embodiment include a method of adding to the molten salt as a salt with an alkaline earth metal or an alkali metal. For example, it can be added to the molten salt as a salt such as magnesium fluoride (MgF 2 ), magnesium chloride (MgCl 2 ), magnesium bromide (MgBr 2 ), or magnesium iodide (MgI 2 ).

ここで、溶融塩に含まれる全アニオン中において、ハロゲン化物イオンの占める割合は、モル比で0.001以上0.10以下であることが好ましい。   Here, the proportion of halide ions in all the anions contained in the molten salt is preferably 0.001 or more and 0.10 or less in terms of molar ratio.

<有機カチオン>
本実施の形態の溶融塩は、さらに有機カチオンを含むこともできる。有機カチオンを含むことにより、電解質の導電率が高まるとともに、融点が下がる、すなわち液相範囲が広がる傾向にあり好ましい。ここで、有機カチオンとしては、たとえば、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムカチオンなどのアルキルイミダゾリウム系カチオン、N−エチル−N−メチルピロリジニウムカチオンなどのアルキルピロリジニウム系カチオン、1−メチル−ピリジニウムカチオンなどのアルキルピリジニウム系カチオン、トリメチルヘキシルアンモニウムカチオンなどの4級アンモニウム系カチオン、トリエチルペンチルホスホニウムカチオンなどの4級ホスホニウム系カチオン、トリエチルスルホニウムカチオンなどの3級スルホニウム系カチオンなどを用いることができる。
<Organic cation>
The molten salt of the present embodiment can further contain an organic cation. The inclusion of the organic cation is preferable because the conductivity of the electrolyte is increased and the melting point is lowered, that is, the liquid phase range tends to be widened. Here, as the organic cation, for example, alkyl imidazolium cation such as 1-ethyl-3-methylimidazolium cation, alkyl pyrrolidinium cation such as N-ethyl-N-methylpyrrolidinium cation, 1- Alkylpyridinium cations such as methyl-pyridinium cation, quaternary ammonium cations such as trimethylhexylammonium cation, quaternary phosphonium cations such as triethylpentylphosphonium cation, tertiary sulfonium cations such as triethylsulfonium cation, etc. it can.

<実施の形態2:多価イオン電池>
以下、本発明の実施の形態2である多価イオン電池について説明する。
<Embodiment 2: Multivalent ion battery>
Hereinafter, the multivalent ion battery according to the second embodiment of the present invention will be described.

本実施の形態の多価イオン電池は、正極と、負極と、電解質とを備え、該電解質は上記式(1)で表わされるアミドアニオンとアルカリ土類金属カチオンおよびアルカリ金属カチオンとを含む溶融塩からなり、放電反応は、該正極における多価金属カチオンが関与する還元反応と該負極における多価金属カチオンが関与する酸化反応とを伴う、多価イオン電池である。すなわち、本実施の形態の多価イオン電池は、実施の形態1の溶融塩を電解質として備える電池である。   The multivalent ion battery of the present embodiment includes a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte, and the electrolyte includes an amide anion represented by the above formula (1), an alkaline earth metal cation, and an alkali metal cation. The discharge reaction is a multivalent ion battery with a reduction reaction involving the polyvalent metal cation in the positive electrode and an oxidation reaction involving the polyvalent metal cation in the negative electrode. That is, the multivalent ion battery of the present embodiment is a battery provided with the molten salt of the first embodiment as an electrolyte.

本実施の形態の多価イオン電池の典型的な構成としては、電解質は正極と負極との間に設けられる。そして、上記の構成の他、正極と負極とを隔離するセパレータや、これらを格納する外装体、筐体を備えることができる。上記以外の電池の内部構造は、特に限定されず、従来公知のあらゆる構造を採用することができる。たとえば、シート状である正極とセパレータと負極とを回捲することにより回捲式電極群としてもよいし、正極とセパレータと負極とを順次積層してスタック式電極群としてもよい。また、電池の外形も特に限定されず、円筒形、角形、コイン形、シート形などあらゆる形状を採用することができる。このような多価イオン電池は、放電のみを行なう一次電池としてもよいし、充電および放電が可能である二次電池とすることもできる。   As a typical configuration of the multivalent ion battery of the present embodiment, the electrolyte is provided between the positive electrode and the negative electrode. In addition to the above configuration, a separator that separates the positive electrode and the negative electrode, an exterior body that stores them, and a housing can be provided. The internal structure of the battery other than the above is not particularly limited, and any conventionally known structure can be adopted. For example, a revolving electrode group may be formed by rotating a sheet-like positive electrode, a separator, and a negative electrode, or a positive electrode, a separator, and a negative electrode may be sequentially stacked to form a stacked electrode group. Further, the outer shape of the battery is not particularly limited, and any shape such as a cylindrical shape, a square shape, a coin shape, and a sheet shape can be adopted. Such a polyvalent ion battery may be a primary battery that only discharges, or a secondary battery that can be charged and discharged.

本実施の形態の多価イオン電池において、上記多価金属カチオンはマグネシウムイオン(Mg2+)、カルシウムイオン(Ca2+)、アルミニウムイオン(Al3+)が好ましい。これらのうち、マグネシウムイオンが特に好ましい。マグネシウムは卑な還元電位を有するため、電位窓の広い実施の形態1に係る溶融塩と組み合わせることにより、起電力の大きい電池を構成することができる。また、マグネシウムは資源的に豊富であるため、電池製造コストの観点からも好ましい。さらに、マグネシウムは、リチウムやナトリウムなどに比べて融点が顕著に高いため、電池の安全性の観点からも好ましい材料である。 In the polyvalent ion battery of the present embodiment, the polyvalent metal cation is preferably magnesium ion (Mg 2+ ), calcium ion (Ca 2+ ), or aluminum ion (Al 3+ ). Of these, magnesium ions are particularly preferred. Since magnesium has a base reduction potential, a battery having a large electromotive force can be formed by combining with the molten salt according to Embodiment 1 having a wide potential window. Moreover, since magnesium is abundant in resources, it is preferable from the viewpoint of battery manufacturing cost. Further, magnesium has a remarkably high melting point compared to lithium, sodium, and the like, and therefore is a preferable material from the viewpoint of battery safety.

本実施の形態の多価イオン電池の作動温度は60℃以上300℃以下であることが好ましい。このような温度範囲において、充放電を行なう電池とすることにより、充放電に伴う電極反応速度を飛躍的に高めることができ、実施の形態1に係る溶融塩の有する高い導電率を最大限に活用することができる。   The operating temperature of the multivalent ion battery of the present embodiment is preferably 60 ° C. or higher and 300 ° C. or lower. In such a temperature range, by making a battery that performs charging and discharging, the electrode reaction rate accompanying charging and discharging can be dramatically increased, and the high conductivity of the molten salt according to Embodiment 1 is maximized. Can be used.

<正極>
本実施の形態の正極では、電池が放電する際、多価金属カチオンが関与する還元反応が起こる。多価金属カチオンがマグネシウムイオンである場合には、正極活物質としては、たとえば、MgFeSiO4、MgNiSiO4などを用いることができる。また、たとえば、結晶中にマグネシウムイオンの挿入脱離が可能なサイトを有する、マグネシウムと遷移金属とを含む複合金属酸化物や、マグネシウムと遷移金属とを含む複合金属硫化物などを採用することもできる。このように、正極活物質が多価金属カチオンの挿入脱離が可能な材料であれば、本実施の形態の多価イオン電池は、二次電池として使用することができる。
<Positive electrode>
In the positive electrode of the present embodiment, when the battery is discharged, a reduction reaction involving a polyvalent metal cation occurs. When the polyvalent metal cation is magnesium ion, for example, MgFeSiO 4 , MgNiSiO 4 or the like can be used as the positive electrode active material. In addition, for example, a composite metal oxide containing magnesium and a transition metal, a composite metal sulfide containing magnesium and a transition metal, or the like having a site capable of inserting and releasing magnesium ions in the crystal may be employed. it can. As described above, if the positive electrode active material is a material capable of inserting and releasing polyvalent metal cations, the polyvalent ion battery of this embodiment can be used as a secondary battery.

本実施の形態の正極は、典型的には、正極活物質の他、導電助剤と、結着剤とを備えることができる。そして、正極活物質と導電助剤とが結着剤によって固着されて電極を構成することができる。また、たとえば、アルミニウムなどの金属からなる集電芯材に、これらを固着して電極としてもよい。   The positive electrode of the present embodiment can typically include a conductive additive and a binder in addition to the positive electrode active material. And a positive electrode active material and a conductive support agent are adhere | attached with a binder, and an electrode can be comprised. Further, for example, these may be fixed to a current collector core made of a metal such as aluminum to form an electrode.

導電助剤は、導電性のものであればよく、従来公知のものを特に限定なく用いることができる。たとえば、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、気相成長炭素繊維(VGCF;Vapor-Grown Carbon Fiber)、天然黒鉛などを用いることができる。また、正極中における導電助剤の含有率は、たとえば、1質量%〜30質量%程度とすることができ、好ましくは1質量%以上20質量%以下とすることができ、より好ましくは1質量%以上10質量%以下とすることができる。   The conductive auxiliary agent only needs to be conductive, and a conventionally known conductive auxiliary agent can be used without any particular limitation. For example, acetylene black, ketjen black, vapor-grown carbon fiber (VGCF), natural graphite, or the like can be used. Moreover, the content rate of the conductive support agent in a positive electrode can be made into about 1 mass%-about 30 mass%, for example, Preferably it can be 1 mass% or more and 20 mass% or less, More preferably, it is 1 mass. % To 10% by mass.

結着剤は、正極活物質と導電助剤とを固着できるものであればよく、従来公知のものを特に限定なく用いることができる。たとえば、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂などを用いることができる。また、正極中における結着剤の含有率は、たとえば、1質量%〜20質量%程度とすることができ、好ましくは1質量%以上10質量%以下とすることができ、より好ましくは1質量%以上5質量%以下とすることができる。   Any binder can be used as long as it can fix the positive electrode active material and the conductive additive, and any conventionally known binder can be used without any particular limitation. For example, polyvinylidene fluoride (PVdF), polytetrafluoroethylene (PTFE), polyamide resin, polyimide resin, or the like can be used. The content of the binder in the positive electrode can be, for example, about 1% by mass to 20% by mass, preferably 1% by mass to 10% by mass, and more preferably 1% by mass. % Or more and 5% by mass or less.

集電芯材としては、たとえば、正極電位に耐え得る金属材料からなる、シート状の金属箔、パンチングメタル、金属の発泡体などを特に限定なく用いることができる。   As the current collector core, for example, a sheet-like metal foil, a punching metal, a metal foam, or the like made of a metal material that can withstand the positive electrode potential can be used without any particular limitation.

<負極>
本実施の形態の負極では、電池が放電する際、多価金属カチオンが関与する酸化反応、すなわち、多価金属のイオン化が起こる。また、本実施の形態の多価イオン電池が二次電池である場合には、充電時に多価金属カチオンの析出が起こる。これは、本実施の形態の多価イオン電池が、多価金属の析出と溶解を可能とさせる実施の形態1に係る溶融塩を備えることにより実現される。
<Negative electrode>
In the negative electrode of the present embodiment, when the battery is discharged, an oxidation reaction involving polyvalent metal cations, that is, ionization of the polyvalent metal occurs. Moreover, when the multivalent ion battery of this Embodiment is a secondary battery, precipitation of a polyvalent metal cation occurs at the time of charge. This is realized by including the molten salt according to Embodiment 1 in which the multivalent ion battery of the present embodiment enables the precipitation and dissolution of the multivalent metal.

本実施の形態の負極は負極活物質から構成される。負極活物質としては、多価金属、多価金属と他の金属とからなる合金などを用いることができる。多価金属カチオンがマグネシウムイオンである場合には、たとえば、マグネシウム(Mg)、マグネシウム鉛合金(Mg2Pb)、マグネシウム亜鉛合金(MgZn)、マグネシウムスズ合金(Mg2Sn)、マグネシウムアルミ合金(Mg17Al12)、マグネシウムビスマス合金(Mg3Bi2)、マグネシウムガリウム合金(Mg5Ga2)、マグネシウムアンチモン合金(Mg3Sb2)、マグネシウムシリコン合金(Mg2Si)などを採用することができる。電極形状は特に限定されず、板状、シート状などとすることができる。また、電極を多孔質体とすることもできる。 The negative electrode of the present embodiment is composed of a negative electrode active material. As the negative electrode active material, a polyvalent metal, an alloy composed of a polyvalent metal and another metal, or the like can be used. When the polyvalent metal cation is magnesium ion, for example, magnesium (Mg), magnesium lead alloy (Mg 2 Pb), magnesium zinc alloy (MgZn), magnesium tin alloy (Mg 2 Sn), magnesium aluminum alloy (Mg) 17 Al 12 ), magnesium bismuth alloy (Mg 3 Bi 2 ), magnesium gallium alloy (Mg 5 Ga 2 ), magnesium antimony alloy (Mg 3 Sb 2 ), magnesium silicon alloy (Mg 2 Si), etc. can be adopted. . The electrode shape is not particularly limited, and may be a plate shape, a sheet shape, or the like. The electrode can also be a porous body.

<実施の形態3:空気電池>
以下、本発明の実施の形態3である空気電池について説明する。
<Embodiment 3: Air battery>
Hereinafter, an air battery according to Embodiment 3 of the present invention will be described.

本実施の形態の空気電池は、正極と負極と電解質とを備え、該電解質は上記式(1)で表わされるアミドアニオンとアルカリ土類金属カチオンおよびアルカリ金属カチオンとを含む溶融塩からなり、放電反応は、該正極における酸素の還元反応と該負極における多価金属カチオンが関与する酸化反応とを伴う、多価イオン電池である。すなわち、正極が空気極であり、正極活物質が酸素である点において、実施の形態2に係る多価イオン電池と相違する。なお、電解質、負極としては、実施の形態2の多価イオン電池の中で説明したものと同様の構成を採用することができる。   The air battery according to the present embodiment includes a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte. The electrolyte includes a molten salt containing an amide anion represented by the above formula (1), an alkaline earth metal cation, and an alkali metal cation. The reaction is a polyvalent ion battery involving an oxygen reduction reaction at the positive electrode and an oxidation reaction involving the polyvalent metal cation at the negative electrode. That is, it differs from the multivalent ion battery according to Embodiment 2 in that the positive electrode is an air electrode and the positive electrode active material is oxygen. In addition, as an electrolyte and a negative electrode, the structure similar to what was demonstrated in the multivalent ion battery of Embodiment 2 is employable.

本実施の形態の空気電池は、実施の形態1に係る溶融塩を含む電解質を備えるため、その作動温度を60℃〜300℃とすることができる。これにより、従来の空気電池において課題であった空気中の水分の影響を除去することができ、反応効率を飛躍的に高めることができる。なお、かかる作動温度はより好ましくは80℃以上300℃以下であり、特に好ましくは100℃以上300℃以下である。   Since the air battery of the present embodiment includes the electrolyte containing the molten salt according to the first embodiment, the operating temperature can be set to 60 ° C to 300 ° C. Thereby, the influence of the moisture in the air which was a problem in the conventional air battery can be removed, and the reaction efficiency can be dramatically increased. The operating temperature is more preferably 80 ° C. or higher and 300 ° C. or lower, and particularly preferably 100 ° C. or higher and 300 ° C. or lower.

<正極(空気極)>
本実施の形態の正極は、電池が放電する際、正極活物質である酸素の還元反応が行われる反応場であり、空気極とも呼ばれるものである。空気極は、典型的には、導電性材料、
触媒材料、集電芯材などを備える。さらには、多価金属カチオンを貯蔵できる材料を採用することもできる。このような材料を採用することにより、従来の空気電池において課題であった空気極に多価金属カチオンの反応生成物が蓄積することによる反応効率の低下を抑制することができる。
<Positive electrode (air electrode)>
The positive electrode of the present embodiment is a reaction field where a reduction reaction of oxygen, which is a positive electrode active material, is performed when the battery is discharged, and is also called an air electrode. The air electrode is typically a conductive material,
Provided with catalyst material, current collector core material, etc. Furthermore, a material capable of storing a polyvalent metal cation may be employed. By adopting such a material, it is possible to suppress a decrease in reaction efficiency due to accumulation of reaction products of polyvalent metal cations at the air electrode, which was a problem in conventional air batteries.

以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example is given and this invention is demonstrated in detail, this invention is not limited to these.

<溶融塩の作製>
(1)試薬の準備
溶融塩として、Mg(TFSA)2(純度99.9%以上、キシダ化学製)、Li(TFSA)(純度99.0%以上、森田化学工業製)、K(FSA)(純度99%以上、三菱マテリアル電子化成製)を準備した。なお、Mg(TFSA)2およびLi(TFSA)は、開封後、120℃で12時間、K(FSA)は80℃で48時間真空乾燥した後、使用した。
<Production of molten salt>
(1) Preparation of reagents As molten salt, Mg (TFSA) 2 (purity 99.9% or more, manufactured by Kishida Chemical), Li (TFSA) (purity 99.0% or more, manufactured by Morita Chemical Co., Ltd.), K (FSA) (Purity 99% or more, manufactured by Mitsubishi Materials Electronic Chemicals) was prepared. In addition, Mg (TFSA) 2 and Li (TFSA) were used after being vacuum-dried at 120 ° C. for 12 hours and K (FSA) for 48 hours at 80 ° C. after opening.

また、その他の溶融塩の合成に必要な試薬として、Rb2CO3(純度99.0%以上、Sigma-Aldrich社製)、Cs2CO3(純度99.9%以上、Sigma-Aldrich社製)、H(TFSA)(純度99.0%以上、森田化学工業製)をそれぞれ準備した。そして、以下の手順に従って、M(TFSA)溶融塩を得た。なお、Mは、RbまたはCsを示す。 Other reagents necessary for the synthesis of the molten salt include Rb 2 CO 3 (purity 99.0% or more, Sigma-Aldrich), Cs 2 CO 3 (purity 99.9% or more, Sigma-Aldrich) ), H (TFSA) (purity 99.0% or more, manufactured by Morita Chemical Industries), respectively. And according to the following procedures, M (TFSA) molten salt was obtained. M represents Rb or Cs.

アルゴン雰囲気のグローブボックス中で、M2CO3とH(TFSA)とを秤量し、次いで、ドラフト内でこれらをエタノール溶媒に溶解させ、該溶媒中で下記化学反応式(2)に従った反応を進行させた。この際、どちらかが過剰になることがないようにpH試験紙を用いて溶液のpHを逐次確認し、適宜中和を保つ操作を行なった。なお、エタノールは市販のもの(純度99%)を使用した。 M 2 CO 3 and H (TFSA) are weighed in a glove box under an argon atmosphere, and then dissolved in an ethanol solvent in a fume hood, and the reaction according to the following chemical reaction formula (2) is carried out in the solvent. Made progress. At this time, the pH of the solution was sequentially confirmed using a pH test paper so that one of them would not become excessive, and an operation for appropriately maintaining neutralization was performed. In addition, commercially available ethanol (purity 99%) was used.

2CO3+2H(TFSA)→2M(TFSA)+CO2+H2O ・・・(2)
その後、エバポレーターで溶媒を除去し、白色の粗結晶の粉末を得た。そして、この粗結晶の粉末を90℃で真空乾燥した。このようにして得られた粗結晶の粉末をエタノールに再度溶解させ飽和溶液を得、該溶液にトリフルオロベンゼンを加えて、結晶を再析出させた。次いで、エバポレーターを用いて吸引濾過を行ない、白色の結晶粉末を得た。
M 2 CO 3 + 2H (TFSA) → 2M (TFSA) + CO 2 + H 2 O (2)
Thereafter, the solvent was removed by an evaporator to obtain white coarse crystal powder. The crude crystal powder was vacuum-dried at 90 ° C. The crude crystal powder thus obtained was dissolved again in ethanol to obtain a saturated solution, and trifluorobenzene was added to the solution to reprecipitate crystals. Subsequently, suction filtration was performed using an evaporator to obtain a white crystalline powder.

その後、この結晶粉末を室温で12時間真空乾燥し、次いで90℃で12時間真空乾燥した。次いで、この結晶粉末を粉砕し、粒度を調整したのち、再び90℃で12時間真空乾燥することにより、高純度のM(TFSA)を得た。   Thereafter, the crystal powder was vacuum-dried at room temperature for 12 hours, and then vacuum-dried at 90 ° C. for 12 hours. Next, the crystal powder was pulverized, the particle size was adjusted, and vacuum dried again at 90 ° C. for 12 hours to obtain high-purity M (TFSA).

以上のようにして得られたMg(TFSA)2と、Li(TFSA)、K(FSA)、Rb(TFSA)およびCs(TFSA)とを、所定のモル比で混合し、上記式(1)で表わされるアミドアニオンと、アルカリ土類金属カチオンおよびアルカリ金属カチオンとを含む、溶融塩を作製した。 Mg (TFSA) 2 obtained as described above, Li (TFSA), K (FSA), Rb (TFSA) and Cs (TFSA) are mixed at a predetermined molar ratio, and the above formula (1) A molten salt containing an amide anion represented by the following formula, an alkaline earth metal cation and an alkali metal cation was prepared.

<実験例1:Mg(TFSA)2−Cs(TFSA)>
まず、Mg(TFSA)2とCs(TFSA)とを所定のモル比で混合することにより得た各溶融塩について、電池用電解質として求められる諸特性の評価を行なった。なお、以下の説明において、このような溶融塩を、「Mg(TFSA)2−Cs(TFSA)二元系溶融塩」などとも記す。
<Experimental example 1: Mg (TFSA) 2- Cs (TFSA)>
First, various characteristics required as a battery electrolyte were evaluated for each molten salt obtained by mixing Mg (TFSA) 2 and Cs (TFSA) at a predetermined molar ratio. In the following description, such a molten salt is also referred to as “Mg (TFSA) 2 —Cs (TFSA) binary molten salt” or the like.

(1)熱分解温度の測定
Mg(TFSA)2とCs(TFSA)とを50:50(モル比)で混合したMg(TFSA)2−Cs(TFSA)二元系溶融塩の熱分解温度を、熱分析装置(製品名「DTG−60H」、島津製作所製)を用いて測定した。なお、測定はアルゴン(Ar)雰囲気下で行い、走査速度は5K/minとした。また、参考試験として、Mg(TFSA)2およびCs(TFSA)それぞれ単独の溶融塩についても同様に測定を行なった。その結果を、表1および図1に示す。
(1) Measurement of thermal decomposition temperature The thermal decomposition temperature of Mg (TFSA) 2 -Cs (TFSA) binary molten salt obtained by mixing Mg (TFSA) 2 and Cs (TFSA) at 50:50 (molar ratio). , And was measured using a thermal analyzer (product name “DTG-60H”, manufactured by Shimadzu Corporation). The measurement was performed in an argon (Ar) atmosphere, and the scanning speed was 5 K / min. Further, as a reference test, the same measurement was performed for each molten salt of Mg (TFSA) 2 and Cs (TFSA). The results are shown in Table 1 and FIG.

Figure 2014192128
Figure 2014192128

表1および図1に示すように、Mg(TFSA)2:Cs(TFSA)=50:50(モル比)で混合したMg(TFSA)2−Cs(TFSA)二元系溶融塩は、601K(328℃)まで安定であることが確認された。 As shown in Table 1 and FIG. 1, Mg (TFSA) 2 -Cs (TFSA) binary molten salt mixed at Mg (TFSA) 2 : Cs (TFSA) = 50: 50 (molar ratio) is 601K ( 328 ° C.).

(2)状態図の作成
Mg(TFSA)2とCs(TFSA)とを、モル比で10:90〜80:20の範囲で混合したMg(TFSA)2−Cs(TFSA)二元系溶融塩をそれぞれ作製し、示差走査熱量測定装置(製品名「DSC60」、島津製作所製)を用いて示差走査熱量測定を行ない、その結果からMg(TFSA)2−Cs(TFSA)二元系溶融塩の状態図を作成した。図2にMg(TFSA)2−Cs(TFSA)二元系溶融塩の状態図を示す。また表2には、混合モル比と融点との関係を示す。
(2) Preparation of phase diagram Mg (TFSA) 2 -Cs (TFSA) binary molten salt in which Mg (TFSA) 2 and Cs (TFSA) are mixed in a molar ratio of 10:90 to 80:20. Were respectively measured, and differential scanning calorimetry was performed using a differential scanning calorimeter (product name “DSC60”, manufactured by Shimadzu Corporation). From the results, Mg (TFSA) 2 -Cs (TFSA) binary molten salt A state diagram was created. FIG. 2 shows a phase diagram of the Mg (TFSA) 2 —Cs (TFSA) binary molten salt. Table 2 shows the relationship between the mixing molar ratio and the melting point.

Figure 2014192128
Figure 2014192128

表2および図2に示すように、この二元系溶融塩は、Mg(TFSA)2:Cs(TFSA)=0:100〜50:50(モル比)である領域に広い液相範囲を有していることが確認された。すなわち、該範囲のモル比で、アルカリ土類金属カチオンとアルカリ金属カチオンとを含む、溶融塩は、電池用電解質として適用範囲が広く好適である。さらに、該溶融塩は、Mg(TFSA)2:Cs(TFSA)=10:90である組成付近で共晶を形成し、この組成付近を中心として特に広い液相範囲を示すことが確認された。したがって、液相範囲の観点からは、Mg(TFSA)2−Cs(TFSA)二元系溶融塩は、Mg(TFSA)2:Cs(TFSA)=1:99〜30:70(モル比)であることが好ましい。 As shown in Table 2 and FIG. 2, this binary molten salt has a wide liquidus range in the region where Mg (TFSA) 2 : Cs (TFSA) = 0: 100 to 50:50 (molar ratio). It was confirmed that That is, a molten salt containing an alkaline earth metal cation and an alkali metal cation at a molar ratio within this range is suitable for a wide range of applications as an electrolyte for batteries. Further, it was confirmed that the molten salt forms a eutectic near the composition where Mg (TFSA) 2 : Cs (TFSA) = 10: 90, and shows a particularly wide liquid phase range around this composition. . Therefore, from the viewpoint of the liquid phase range, the Mg (TFSA) 2 —Cs (TFSA) binary molten salt is Mg (TFSA) 2 : Cs (TFSA) = 1: 99 to 30:70 (molar ratio). Preferably there is.

(3)粘性率の測定
Mg(TFSA)2とCs(TFSA)とを、モル比でMg(TFSA)2:Cs(TFSA)=10:90、20:80、0:100として混合したMg(TFSA)2−Cs(TFSA)二元系溶融塩をそれぞれ作製し、粘性計(製品名「DV−II+PRO」、Brookfield Engineering laboratories製)を用いて粘性率を測定した。その結果を表3および図3に示す。なお、粘性率の測定は空気中で行なった。
(3) Measurement of Viscosity Mg (TFSA) 2 and Cs (TFSA) mixed at a molar ratio of Mg (TFSA) 2 : Cs (TFSA) = 10: 90, 20:80, 0: 100 TFSA) 2 -Cs (TFSA) binary molten salt was prepared, and the viscosity was measured using a viscometer (product name “DV-II + PRO”, manufactured by Brookfield Engineering laboratories). The results are shown in Table 3 and FIG. The viscosity was measured in air.

Figure 2014192128
Figure 2014192128

表3および図3に示すように、Cs(TFSA)の混合比(モル比)が増えるほど、温度が上昇するほど、粘性率が低下する傾向が確認された。また、Mg(TFSA)2とCs(TFSA)とを、モル比でMg(TFSA)2:Cs(TFSA)=10:90、20:80として混合したMg(TFSA)2−Cs(TFSA)二元系溶融塩は、測定を行なった温度範囲において、いずれも電池用電解質として十分低い粘性率を有していることが確認された。 As shown in Table 3 and FIG. 3, it was confirmed that as the mixing ratio (molar ratio) of Cs (TFSA) increases and the temperature rises, the viscosity decreases. Moreover, Mg (TFSA) 2 and Cs (TFSA) and a, Mg in a molar ratio (TFSA) 2: Cs (TFSA ) = 10: 90,20: mixed Mg as 80 (TFSA) 2 -Cs (TFSA ) two It was confirmed that any of the original molten salts had a sufficiently low viscosity as a battery electrolyte in the measured temperature range.

(4)導電率の測定
粘性率の測定を行なった3種の溶融塩と同じ溶融塩の抵抗値を、交流インピーダンス法により測定し、下記数式(3)により、溶融塩の導電率を算出した。ここで、抵抗値の測定には、電気化学測定システム(製品名「HZ−3000」、北斗電工製)を用いた。図4に、抵抗値の測定に用いたガラスセルの模式図を示す。このガラスセルはパイレックス(登録商標)ガラス製であり、セル定数は10.211cm-1であった。なお、このセル定数は抵抗率が既知であるKCl溶液を用いて求めた値である。導電率の測定結果を、表4および図5に示す。
(4) Measurement of electrical conductivity The resistance value of the same molten salt as the three types of molten salt for which the viscosity was measured was measured by the AC impedance method, and the electrical conductivity of the molten salt was calculated by the following mathematical formula (3). . Here, an electrochemical measurement system (product name “HZ-3000”, manufactured by Hokuto Denko) was used for measuring the resistance value. In FIG. 4, the schematic diagram of the glass cell used for the measurement of resistance value is shown. This glass cell was made of Pyrex (registered trademark) glass, and the cell constant was 10.211 cm −1 . This cell constant is a value obtained using a KCl solution whose resistivity is known. The measurement results of conductivity are shown in Table 4 and FIG.

K=χ/R・・・(3)
数式(3)中、Kは導電率(S/cm)示し、χはセル定数(cm-1)を示し、Rは抵抗値(Ω)を示している。
K = χ / R (3)
In Equation (3), K represents conductivity (S / cm), χ represents cell constant (cm −1 ), and R represents resistance (Ω).

Figure 2014192128
Figure 2014192128

表4および図5に示すように、Cs(TFSA)の混合比(モル比)が増えるほど、温度が上昇するほど、導電率が上昇する傾向が確認された。また、Mg(TFSA)2とCs(TFSA)とを、モル比で10:90、20:80として混合したMg(TFSA)2−Cs(TFSA)二元系溶融塩は、測定を行なった温度範囲において、いずれも電池用電解質として十分高い導電率を有していることが確認された。 As shown in Table 4 and FIG. 5, it was confirmed that the conductivity increased as the mixing ratio (molar ratio) of Cs (TFSA) increased and the temperature increased. Moreover, Mg (TFSA) and 2 and Cs (TFSA), in a molar ratio of 10: 90, 20: mixed Mg as 80 (TFSA) 2 -Cs (TFSA ) binary molten salt was measured temperature In the range, it was confirmed that all had sufficiently high conductivity as the electrolyte for batteries.

(5)電位窓の測定
Mg(TFSA)2とCs(TFSA)とを、モル比でMg(TFSA)2:Cs(TFSA)=10:90として混合したMg(TFSA)2−Cs(TFSA)二元系溶融塩のサイクリックボルタンメトリーを測定することにより、この溶融塩の電位窓を求めた。測定に用いた電解セルの模式図を図6に示す。ここでの測定において、図6における作用電極(WE)は、ニッケル線(還元側)またはグラッシーカーボン(「G.C.」と記すこともある)(酸化側)であり、対電極(CE)および参照電極(RE)はマグネシウムリボンである。測定には、電気化学測定システム(製品名「HZ−3000」、北斗電工製)を用い、走査速度は10mV/s、測定温度は473K(200℃)とした。測定結果を図7および図8に示す。
(5) the measurement of the potential window Mg (TFSA) 2 and Cs (TFSA), Mg in a molar ratio (TFSA) 2: Cs (TFSA ) = 10: Mg mixed as 90 (TFSA) 2 -Cs (TFSA) The potential window of this molten salt was determined by measuring the cyclic voltammetry of the binary molten salt. A schematic diagram of the electrolytic cell used for the measurement is shown in FIG. In this measurement, the working electrode (WE) in FIG. 6 is a nickel wire (reduction side) or glassy carbon (sometimes referred to as “GC”) (oxidation side), and the counter electrode (CE). And the reference electrode (RE) is a magnesium ribbon. For the measurement, an electrochemical measurement system (product name “HZ-3000”, manufactured by Hokuto Denko) was used, the scanning speed was 10 mV / s, and the measurement temperature was 473 K (200 ° C.). The measurement results are shown in FIGS.

図7および図8に示すように、Mg(TFSA)2とCs(TFSA)とを、モル比でMg(TFSA)2:Cs(TFSA)=10:90として混合したMg(TFSA)2−Cs(TFSA)二元系溶融塩は、還元限界が−1.83V(vs.RE)、酸化限界が3.18V(vs.RE)である。すなわち、5.01Vという極めて広い電位窓を有することが確認された。したがって、この溶融塩を電池用電解質として用いることにより、大きい起電力を有する電池系を構築することが可能である。 7 and FIG. 8, Mg (TFSA) 2 and Cs (TFSA) and a, Mg in a molar ratio (TFSA) 2: Cs (TFSA ) = 10: Mg mixed as 90 (TFSA) 2 -Cs The (TFSA) binary molten salt has a reduction limit of -1.83 V (vs. RE) and an oxidation limit of 3.18 V (vs. RE). That is, it was confirmed that it has a very wide potential window of 5.01V. Therefore, it is possible to construct a battery system having a large electromotive force by using this molten salt as a battery electrolyte.

(6)定電位電解試験I
Mg(TFSA)2とCs(TFSA)とを、モル比でMg(TFSA)2:Cs(TFSA)=10:90として混合したMg(TFSA)2−Cs(TFSA)二元系溶融塩について、還元限界である−1.83V(vs.RE)より貴な電位においてマグネシウムの析出と溶解が可能であるかを、定電位電解試験により確認した。電解セルには、上記と同様に、作用電極にニッケル線、対電極および参照電極にマグネシウムリボンを備えるものを使用した。測定温度は473K(200℃)とし、−1.75V(vs.RE)の定電位を1.5時間維持した。1.5時間経過後、作用電極を回収し、該電極表面をエネルギー分散型X線分光法(EDX;Energy Dispersive X-ray spectrometry)により分析した。分析結果を表5に示す。なお、分析にはEDX装置(製品名「EDAX Genesis APEX2」、AMETEK製)を用いた。
(6) Constant potential electrolysis test I
Regarding Mg (TFSA) 2 -Cs (TFSA) binary molten salt in which Mg (TFSA) 2 and Cs (TFSA) are mixed at a molar ratio of Mg (TFSA) 2 : Cs (TFSA) = 10: 90, Whether or not magnesium could be precipitated and dissolved at a potential nobler than the reduction limit of -1.83 V (vs. RE) was confirmed by a constant potential electrolysis test. As in the above, the electrolytic cell used was a nickel wire for the working electrode and a magnesium ribbon for the counter electrode and the reference electrode. The measurement temperature was 473 K (200 ° C.), and a constant potential of −1.75 V (vs. RE) was maintained for 1.5 hours. After 1.5 hours, the working electrode was collected, and the electrode surface was analyzed by energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX). The analysis results are shown in Table 5. For the analysis, an EDX apparatus (product name “EDAX Genesis APEX2”, manufactured by AMETEK) was used.

Figure 2014192128
Figure 2014192128

表5に示すように、定電位電解後の電極表面におけるマグネシウムの原子濃度は、セシウムよりも、高いものであることが確認された。溶融塩中において、マグネシウムイオン:セシウムイオン=10:90であり、マグネシウムイオンはセシウムイオンに比べて遥かに少ないことを勘案すると、電極表面において、マグネシウムの析出と溶解が起こっている可能性が示唆される。すなわち、該溶融塩は、マグネシウムイオン電池(多価イオン電池)の電解質として使用することができると考えられる。   As shown in Table 5, it was confirmed that the atomic concentration of magnesium on the electrode surface after constant potential electrolysis was higher than that of cesium. In the molten salt, magnesium ion: cesium ion = 10: 90, and considering that magnesium ion is far less than cesium ion, it is suggested that magnesium may be precipitated and dissolved on the electrode surface. Is done. That is, it is considered that the molten salt can be used as an electrolyte of a magnesium ion battery (multivalent ion battery).

(7)電気化学測定
作用電極(WE)を鉛(Pb)に変える以外は、前述の「(5)電位窓の測定」と同様にして、Mg(TFSA)2とCs(TFSA)とを、モル比でMg(TFSA)2:Cs(TFSA)=10:90として混合したMg(TFSA)2−Cs(TFSA)二元系溶融塩のサイクリックボルタンメトリー(還元側のみ)を測定した。その結果を図9に示す。図9に示すように、−1.1V(vs.RE)付近に金属の析出と溶解に由来するピークが観測された。
(7) Electrochemical measurement Except for changing the working electrode (WE) to lead (Pb), Mg (TFSA) 2 and Cs (TFSA) were converted in the same manner as in the above-mentioned “(5) Measurement of potential window”. Cyclic voltammetry (reduction side only) of Mg (TFSA) 2 -Cs (TFSA) binary molten salt mixed at a molar ratio of Mg (TFSA) 2 : Cs (TFSA) = 10: 90 was measured. The result is shown in FIG. As shown in FIG. 9, a peak derived from precipitation and dissolution of metal was observed in the vicinity of −1.1 V (vs. RE).

なお、ここで、鉛を使用した理由は、鉛はマグネシウムと合金を形成するが、セシウムとは合金を形成しないため、Mg(TFSA)2−Cs(TFSA)二元系溶融塩を電解質として用いた電池系において、マグネシウムと鉛の合金(たとえば、Mg2Pb)が負極活物質として有望だからである。 Here, the reason for using lead is that although lead forms an alloy with magnesium but does not form an alloy with cesium, Mg (TFSA) 2 -Cs (TFSA) binary molten salt is used as an electrolyte. This is because an alloy of magnesium and lead (for example, Mg 2 Pb) is promising as a negative electrode active material.

(8)定電位電解試験II
−1.1V付近のピークがマグネシウムの析出と溶解に由来するものであるかどうかを確認するため、定電位電解試験を行なった。電解セルには上記と同様に、作用電極を鉛とするセルを用い、473K(200℃)で−1.1V(vs.RE)の定電位を15時間維持した。15時間経過後、作用電極を回収し、該電極表面をEDX法により分析した。結果を表6に示す。
(8) Constant potential electrolysis test II
In order to confirm whether or not the peak in the vicinity of −1.1 V is derived from the precipitation and dissolution of magnesium, a constant potential electrolysis test was performed. Similarly to the above, a cell having lead as a working electrode was used as an electrolytic cell, and a constant potential of −1.1 V (vs. RE) was maintained at 473 K (200 ° C.) for 15 hours. After 15 hours, the working electrode was collected and the surface of the electrode was analyzed by the EDX method. The results are shown in Table 6.

Figure 2014192128
Figure 2014192128

表6に示すように、定電位電解後の電極表面におけるマグネシウムの原子濃度は、セシウムよりも、高いものであることが確認された。したがって、前述のサイクリックボルタンメトリー測定における−1.1V(vs.RE)付近のピークは、マグネシウムの析出と溶解に由来するものであることが示唆された。   As shown in Table 6, it was confirmed that the atomic concentration of magnesium on the electrode surface after constant potential electrolysis was higher than that of cesium. Therefore, it was suggested that the peak in the vicinity of −1.1 V (vs. RE) in the cyclic voltammetry measurement described above was derived from precipitation and dissolution of magnesium.

(9)まとめ
以上、「実験例1」の結果から、上記式(1)で表わされるアミドアニオンとアルカリ土類金属カチオンおよびアルカリ金属カチオンとを含む溶融塩である、Mg(TFSA)2−Cs(TFSA)二元系溶融塩は、以下の特性を有することが確認された。
(i)395K(122℃)〜601K(328℃)という広い液相範囲を有する。
(ii)電池用電解質として好適な粘性率および導電率を有する。
(iii)5.01Vという極めて広い電位窓を有する。
(iv)多価金属であるマグネシウムの析出と溶解が可能である。
(9) Summary As described above, from the result of “Experimental Example 1”, Mg (TFSA) 2 —Cs, which is a molten salt containing the amide anion represented by the above formula (1), the alkaline earth metal cation and the alkali metal cation. It was confirmed that the (TFSA) binary molten salt has the following characteristics.
(I) It has a wide liquid phase range of 395 K (122 ° C.) to 601 K (328 ° C.).
(Ii) It has a viscosity and conductivity suitable as an electrolyte for a battery.
(Iii) It has a very wide potential window of 5.01V.
(Iv) Magnesium, which is a polyvalent metal, can be precipitated and dissolved.

<実験例2:Mg(TFSA)2−Li(TFSA)−Cs(TFSA)>
Mg(TFSA)2とLi(TFSA)とCs(TFSA)とを、モル比で10:1:89、10:5:85、10:10:80として混合したMg(TFSA)2−Li(TFSA)−Cs(TFSA)三元系溶融塩をそれぞれ作製し、電気化学測定を行なった。
<Experimental example 2: Mg (TFSA) 2- Li (TFSA) -Cs (TFSA)>
Mg (TFSA) 2 and Li a (TFSA) and the Cs (TFSA), in a molar ratio of 10: 1: 89,10: 5: 85,10: 10: mixed Mg as 80 (TFSA) 2 -Li (TFSA ) -Cs (TFSA) ternary molten salts were prepared and subjected to electrochemical measurements.

(1)電気化学測定
ここでの測定に用いた電解セルは、上記と同様に、図6の模式図で表わされるものであり、作用電極(WE)はニッケル線、対電極(CE)および参照電極(RE)はリチウムリボンとした。測定には、電気化学測定システム(製品名「HZ−3000」、北斗電工製)を用い、走査速度は10mV/s、測定温度は443K(170℃)とした。測定結果を図10に示す。
(1) Electrochemical measurement The electrolytic cell used for the measurement here is represented by the schematic diagram of FIG. 6 in the same manner as described above. The working electrode (WE) is a nickel wire, the counter electrode (CE), and the reference. The electrode (RE) was a lithium ribbon. For the measurement, an electrochemical measurement system (product name “HZ-3000”, manufactured by Hokuto Denko) was used, the scanning speed was 10 mV / s, and the measurement temperature was 443 K (170 ° C.). The measurement results are shown in FIG.

図10に示すように、0.03V(vs.RE)にマグネシウムの析出と溶解に由来すると考えられるピークが観測された。また、Li(TFSA)の混合比(モル比)が増加するに従い、電流密度が増加し、マグネシウムの析出と溶解の過電圧も小さくなることが確認された。すなわち、Li(TFSA)がマグネシウムの析出と溶解に寄与していることが示唆される。   As shown in FIG. 10, a peak considered to be derived from precipitation and dissolution of magnesium was observed at 0.03 V (vs. RE). Further, it was confirmed that as the mixing ratio (molar ratio) of Li (TFSA) increases, the current density increases and the overvoltage of magnesium precipitation and dissolution decreases. That is, it is suggested that Li (TFSA) contributes to precipitation and dissolution of magnesium.

(2)定電位電解試験
次に、前述のMg(TFSA)2−Li(TFSA)−Cs(TFSA)三元系溶融塩を用いて定電位電解試験を行ない、0.03V(vs.RE)に観測されたピークがマグネシウムの析出と溶解に由来するものであるかどうかを確認した。測定に用いた電解セルは、上記と同様に、図6の模式図で表わされるものであり、作用電極(WE)はニッケル線、対電極(CE)および参照電極(RE)はリチウムリボンとした。そして、443K(170℃)で0.03V(vs.RE)の定電位を3時間維持した。3時間経過後、作用電極を回収し、X線回折(XRD;X-Ray Diffraction)法により分析し、電極表面の元素を同定した。結果を図11に示す。なお、分析には、XRD装置(製品名「Ultima IV」、リガク製)を用いた。
(2) Constant-potential electrolysis test Next, a constant-potential electrolysis test was performed using the above-mentioned Mg (TFSA) 2 -Li (TFSA) -Cs (TFSA) ternary molten salt, and 0.03 V (vs. RE). It was confirmed whether or not the peak observed in Fig. 1 was derived from the precipitation and dissolution of magnesium. The electrolytic cell used for the measurement is represented by the schematic diagram of FIG. 6 as described above, and the working electrode (WE) is a nickel wire, and the counter electrode (CE) and the reference electrode (RE) are lithium ribbons. . Then, a constant potential of 0.03 V (vs. RE) was maintained at 443 K (170 ° C.) for 3 hours. After 3 hours, the working electrode was collected and analyzed by X-ray diffraction (XRD) method to identify elements on the electrode surface. The results are shown in FIG. For the analysis, an XRD apparatus (product name “Ultima IV”, manufactured by Rigaku) was used.

図11に示すように、試験後の電極からはマグネシウムに由来するピークが観測されるとともに、Li(TFSA)の混合比(モル比)が増加するに従い、このマグネシウムに由来するピークの強度が高まることが確認された。この結果から、上記式(1)で表わされるアミドアニオンとアルカリ土類金属カチオンおよびアルカリ金属カチオンとを含む溶融塩は、リチウムイオンを含むことが好ましい。   As shown in FIG. 11, the peak derived from magnesium is observed from the electrode after the test, and the intensity of the peak derived from magnesium increases as the mixing ratio (molar ratio) of Li (TFSA) increases. It was confirmed. From this result, it is preferable that the molten salt containing the amide anion represented by the above formula (1), the alkaline earth metal cation and the alkali metal cation contains lithium ions.

<実験例3:Mg(TFSA)2−Rb(TFSA)>
Mg(TFSA)2とRb(TFSA)とを所定のモル比で混合することにより得たMg(TFSA)2−Rb(TFSA)二元系溶融塩溶融塩について、電池用電解質として求められる諸特性の評価を行なった。
<Experimental example 3: Mg (TFSA) 2- Rb (TFSA)>
Various characteristics required as a battery electrolyte for Mg (TFSA) 2 -Rb (TFSA) binary molten salt molten salt obtained by mixing Mg (TFSA) 2 and Rb (TFSA) at a predetermined molar ratio Was evaluated.

(1)熱分解温度の測定
Mg(TFSA)2とRb(TFSA)とを50:50(モル比)で混合したMg(TFSA)2−Rb(TFSA)二元系溶融塩の熱分解温度を、「実験例1」の「(1)熱分解温度の測定」と同様にして測定した。その結果を、表7および図12に示す。
(1) the thermal decomposition temperature of the measurement Mg (TFSA) 2 and Rb (TFSA) and a 50:50 Mg mixed (molar ratio) (TFSA) 2 -Rb (TFSA) binary molten salt thermal decomposition temperature The measurement was performed in the same manner as “(1) Measurement of thermal decomposition temperature” in “Experimental Example 1”. The results are shown in Table 7 and FIG.

Figure 2014192128
Figure 2014192128

表7および図12に示すように、Mg(TFSA)2:Rb(TFSA)=50:50(モル比)で混合したMg(TFSA)2−Rb(TFSA)二元系溶融塩は、587K(314℃)まで安定であることが確認された。 As shown in Table 7 and FIG. 12, Mg (TFSA) 2: Rb (TFSA) = 50: 50 Mg mixed (molar ratio) (TFSA) 2 -Rb (TFSA ) binary molten salt, 587K ( 314 ° C.).

(2)状態図の作成
Mg(TFSA)2とRb(TFSA)とを、モル比で100:0〜0:100の範囲で混合したMg(TFSA)2−Rb(TFSA)二元系溶融塩をそれぞれ作製し、「実験例1」の「(2)状態図の作成」と同様にして、Mg(TFSA)2−Rb(TFSA)二元系溶融塩の状態図を作成した。図13にMg(TFSA)2−Rb(TFSA)二元系溶融塩の状態図を示す。また表8には、混合モル比と融点との関係を示す。
(2) Preparation of phase diagram Mg (TFSA) 2 -Rb (TFSA) binary molten salt in which Mg (TFSA) 2 and Rb (TFSA) are mixed in a molar ratio of 100: 0 to 0: 100. Were prepared in the same manner as in “(2) Creation of phase diagram” in “Experimental example 1”, and a phase diagram of Mg (TFSA) 2 -Rb (TFSA) binary molten salt was created. FIG. 13 shows a phase diagram of the binary molten salt of Mg (TFSA) 2 —Rb (TFSA). Table 8 shows the relationship between the mixing molar ratio and the melting point.

Figure 2014192128
Figure 2014192128

表8および図13に示すように、この二元系溶融塩は、Mg(TFSA)2:Rb(TFSA)=0:100〜50:50(モル比)である領域に広い液相範囲を有していることが確認された。すなわち、該範囲のモル比で、アルカリ土類金属カチオンとアルカリ金属カチオンとを含む、溶融塩は、電池用電解質として適用範囲が広く好適である。さらに、該溶融塩は、Mg(TFSA)2:Rb(TFSA)=30:70である組成付近で共晶を形成し、この組成を中心として特に広い液相範囲を示すことが確認された。したがって、液相範囲の観点からは、Mg(TFSA)2−Rb(TFSA)二元系溶融塩は、Mg(TFSA)2:Rb(TFSA)=1:99〜30:70(モル比)であることが好ましい。 As shown in Table 8 and FIG. 13, this binary molten salt has a wide liquidus range in a region where Mg (TFSA) 2 : Rb (TFSA) = 0: 100 to 50:50 (molar ratio). It was confirmed that That is, a molten salt containing an alkaline earth metal cation and an alkali metal cation at a molar ratio within this range is suitable for a wide range of applications as an electrolyte for batteries. Further, it was confirmed that the molten salt formed a eutectic near the composition of Mg (TFSA) 2 : Rb (TFSA) = 30: 70 and showed a particularly wide liquid phase range centering on this composition. Therefore, from the viewpoint of the liquid phase range, the Mg (TFSA) 2 -Rb (TFSA) binary molten salt is Mg (TFSA) 2 : Rb (TFSA) = 1: 99 to 30:70 (molar ratio). Preferably there is.

(3)粘性率の測定
Mg(TFSA)2とRb(TFSA)とを、モル比でMg(TFSA)2:Rb(TFSA)=10:90、20:80、0:100として混合したMg(TFSA)2−Rb(TFSA)二元系溶融塩をそれぞれ作製し、「実験例1」の「(3)粘性率の測定」と同様にして、粘性率を測定した。結果を図14に示す。なお、図14は、粘性率の常用対数と温度の逆数との関係を示す、粘性率のアレニウスプロットである。
(3) Viscosity Measurement Mg (TFSA) 2 and Rb (TFSA) mixed in a molar ratio of Mg (TFSA) 2 : Rb (TFSA) = 10: 90, 20:80, 0: 100 TFSA) 2 -Rb (TFSA) binary molten salts were respectively prepared, and the viscosity was measured in the same manner as “(3) Measurement of viscosity” in “Experimental example 1”. The results are shown in FIG. FIG. 14 is an Arrhenius plot of the viscosity that shows the relationship between the common logarithm of the viscosity and the inverse of the temperature.

図14に示すように、Rb(TFSA)の混合比(モル比)が増えるほど、温度が上昇するほど、粘性率が低下する傾向が確認された。また、Mg(TFSA)2とRb(TFSA)とを、モル比でMg(TFSA)2:Rb(TFSA)=10:90、20:80として混合したMg(TFSA)2−Rb(TFSA)二元系溶融塩は、測定を行なった温度範囲において、いずれも電池用電解質として十分低い粘性率を有していることが確認された。 As shown in FIG. 14, it was confirmed that the viscosity decreases as the mixing ratio (molar ratio) of Rb (TFSA) increases and the temperature increases. Moreover, Mg (TFSA) 2 and Rb (TFSA) and a, Mg in a molar ratio (TFSA) 2: Rb (TFSA ) = 10: 90,20: mixed Mg as 80 (TFSA) 2 -Rb (TFSA ) two It was confirmed that any of the original molten salts had a sufficiently low viscosity as a battery electrolyte in the measured temperature range.

(4)導電率の測定
粘性率の測定を行なった3種の溶融塩について、「実験例1」の「(4)導電率の測定」と同様にして、導電率を測定した。結果を図15に示す。なお、図15は、導電率の常用対数と温度の逆数との関係を示す、導電率のアレニウスプロットである。
(4) Measurement of electrical conductivity The electrical conductivity was measured in the same manner as in “(4) Measurement of electrical conductivity” in “Experimental example 1” for the three types of molten salts for which the viscosity was measured. The results are shown in FIG. FIG. 15 is an Arrhenius plot of conductivity showing the relationship between the common logarithm of conductivity and the inverse of temperature.

図15に示すように、Rb(TFSA)の混合比(モル比)が増えるほど、温度が上昇するほど、導電率が上昇する傾向が確認された。また、Mg(TFSA)2とRb(TFSA)とを、モル比で10:90、20:80として混合したMg(TFSA)2−Rb(TFSA)二元系溶融塩は、測定を行なった温度範囲において、いずれも電池用電解質として十分高い導電率を有していることが確認された。 As shown in FIG. 15, it was confirmed that the conductivity increased as the mixing ratio (molar ratio) of Rb (TFSA) increased and the temperature increased. Further, Mg (TFSA) 2 -Rb (TFSA) binary molten salt in which Mg (TFSA) 2 and Rb (TFSA) are mixed at a molar ratio of 10:90 and 20:80 is measured at the temperature measured. In the range, it was confirmed that all had sufficiently high conductivity as the electrolyte for batteries.

(5)電位窓の測定
Mg(TFSA)2とRb(TFSA)とを、モル比でMg(TFSA)2:Rb(TFSA)=10:90として混合したMg(TFSA)2−Rb(TFSA)二元系溶融塩のサイクリックボルタンメトリーを測定することにより、この溶融塩の電位窓を求めた。なお、測定条件は、「実験例1」の「(5)電位窓の測定」と同様である。結果を図16および図17に示す。
(5) the measurement of the potential window Mg (TFSA) 2 and Rb (TFSA), Mg in a molar ratio (TFSA) 2: Rb (TFSA ) = 10: Mg mixed as 90 (TFSA) 2 -Rb (TFSA) The potential window of this molten salt was determined by measuring the cyclic voltammetry of the binary molten salt. Measurement conditions are the same as “(5) Measurement of potential window” in “Experiment 1”. The results are shown in FIG. 16 and FIG.

図16および図17に示すように、Mg(TFSA)2とRb(TFSA)とを、モル比でMg(TFSA)2:Rb(TFSA)=10:90として混合したMg(TFSA)2−Rb(TFSA)二元系溶融塩は、還元限界が−1.60V(vs.RE)、酸化限界が3.20V(vs.RE)である。すなわち、4.80Vという極めて広い電位窓を有することが確認された。したがって、この溶融塩を電池用電解質として用いることにより、大きい起電力を有する電池系を構築することが可能である。 As shown in FIG. 16 and FIG. 17, Mg (TFSA) 2 and Rb (TFSA) are mixed at a molar ratio of Mg (TFSA) 2 : Rb (TFSA) = 10: 90, Mg (TFSA) 2 -Rb The (TFSA) binary molten salt has a reduction limit of -1.60 V (vs. RE) and an oxidation limit of 3.20 V (vs. RE). That is, it was confirmed that it has a very wide potential window of 4.80V. Therefore, it is possible to construct a battery system having a large electromotive force by using this molten salt as a battery electrolyte.

(6)電気化学測定
作用電極(WE)をマグネシウム(Mg)に変える以外は、前述の「(5)電位窓の測定」と同様にして、Mg(TFSA)2とRb(TFSA)とを、モル比でMg(TFSA)2:Rb(TFSA)=10:90として混合したMg(TFSA)2−Rb(TFSA)二元系溶融塩のサイクリックボルタンメトリーを測定した。結果を図18に示す。
(6) Electrochemical measurement Except for changing the working electrode (WE) to magnesium (Mg), Mg (TFSA) 2 and Rb (TFSA) were converted in the same manner as in the above-mentioned “(5) Measurement of potential window”. Cyclic voltammetry of Mg (TFSA) 2 -Rb (TFSA) binary molten salt mixed at a molar ratio of Mg (TFSA) 2 : Rb (TFSA) = 10: 90 was measured. The results are shown in FIG.

図18に示すように、−1.2V(vs.RE)付近で還元電流が観測された。すなわち、−1.2V(vs.RE)付近でマグネシウムが析出していることが示唆される。したがって、このMg(TFSA)2−Rb(TFSA)二元系溶融塩はマグネシウムイオン電池(多価イオン電池)の電解質として使用することができると考えられる。 As shown in FIG. 18, a reduction current was observed in the vicinity of −1.2 V (vs. RE). That is, it is suggested that magnesium is precipitated around −1.2 V (vs. RE). Therefore, it is considered that this Mg (TFSA) 2 -Rb (TFSA) binary molten salt can be used as an electrolyte of a magnesium ion battery (multivalent ion battery).

(7)まとめ
以上、「実験例3」の結果から、上記式(1)で表わされるアミドアニオンとアルカリ土類金属カチオンおよびアルカリ金属カチオンとを含む溶融塩である、Mg(TFSA)2−Rb(TFSA)二元系溶融塩は、以下の特性を有することが確認された。
(i)420K(147℃)〜587K(314℃)という広い液相範囲を有する。
(ii)電池用電解質として好適な粘性率および導電率を有する。
(iii)4.80Vという極めて広い電位窓を有する。
(iv)多価金属であるマグネシウムの析出と溶解が可能である。
(7) Summary As described above, from the result of “Experimental Example 3”, Mg (TFSA) 2 -Rb, which is a molten salt containing the amide anion represented by the above formula (1), the alkaline earth metal cation and the alkali metal cation. It was confirmed that the (TFSA) binary molten salt has the following characteristics.
(I) It has a wide liquid phase range of 420 K (147 ° C.) to 587 K (314 ° C.).
(Ii) It has a viscosity and conductivity suitable as an electrolyte for a battery.
(Iii) It has a very wide potential window of 4.80V.
(Iv) Magnesium, which is a polyvalent metal, can be precipitated and dissolved.

<実験例4:Mg(TFSA)−K(FSA)>
Mg(TFSA)2とK(FSA)とを所定のモル比で混合することにより得たMg(TFSA)2−K(FSA)二元系溶融塩について、電池用電解質として求められる諸特性の評価を行なった。
<Experimental Example 4: Mg (TFSA) 2- K (FSA)>
Evaluation of various characteristics required for battery electrolytes for Mg (TFSA) 2 -K (FSA) binary molten salt obtained by mixing Mg (TFSA) 2 and K (FSA) at a predetermined molar ratio Was done.

(1)融点の測定
Mg(TFSA)2とK(FSA)とを各モル比で混合したMg(TFSA)2−K(FSA)二元系溶融塩の融点を、「実験例1」の「(2)状態図の作成」と同様にして測定した。その結果を図19に示す。
(1) Measurement of melting point The melting point of Mg (TFSA) 2 -K (FSA) binary molten salt in which Mg (TFSA) 2 and K (FSA) are mixed at respective molar ratios is expressed as “Experimental Example 1”. Measurement was performed in the same manner as (2) Creation of phase diagram. The result is shown in FIG.

図19に示すように、各組成で混合したMg(TFSA)2−K(FSA)二元系溶融塩は、組成(混合モル比)に依らず361K(88℃)の融点を持つことが確認された。 As shown in FIG. 19, it is confirmed that the Mg (TFSA) 2 -K (FSA) binary molten salt mixed in each composition has a melting point of 361 K (88 ° C.) regardless of the composition (mixing molar ratio). It was done.

(2)電位窓の測定
Mg(TFSA)2とK(FSA)とを、モル比でMg(TFSA)2:K(FSA)=10:90として混合したMg(TFSA)2−K(FSA)二元系溶融塩のサイクリックボルタンメトリーを測定することにより、この溶融塩の電位窓を求めた。なお、測定条件は、測定温度が383K(110℃)であること以外は、「実験例1」の「(5)電位窓の測定」と同様である。結果を図20および図21に示す。
(2) the measurement of the potential window Mg (TFSA) 2 and K (FSA), in a molar ratio Mg (TFSA) 2: K ( FSA) = 10: Mg mixed as 90 (TFSA) 2 -K (FSA) The potential window of this molten salt was determined by measuring the cyclic voltammetry of the binary molten salt. The measurement conditions are the same as “(5) Measurement of potential window” in “Experiment 1” except that the measurement temperature is 383 K (110 ° C.). The results are shown in FIG. 20 and FIG.

図20および図21に示すように、Mg(TFSA)2とK(FSA)とを、モル比でMg(TFSA)2:K(FSA)=10:90として混合したMg(TFSA)2−K(FSA)二元系溶融塩は、還元限界が−2.00V(vs.RE)、酸化限界が3.50V(vs.RE)である。すなわち、5.50Vという極めて広い電位窓を有することが確認された。したがって、この溶融塩を電池用電解質として用いることにより、大きい起電力を有する電池系を構築することが可能である。 20 and FIG. 21, Mg (TFSA) 2 and K (FSA) and a, Mg in a molar ratio (TFSA) 2: K (FSA ) = 10: Mg mixed as 90 (TFSA) 2 -K The (FSA) binary molten salt has a reduction limit of -2.00 V (vs. RE) and an oxidation limit of 3.50 V (vs. RE). That is, it was confirmed that it has a very wide potential window of 5.50V. Therefore, it is possible to construct a battery system having a large electromotive force by using this molten salt as a battery electrolyte.

(3)電気化学測定
作用電極(WE)をマグネシウム(Mg)に変える以外は、前述の「(2)電位窓の測定」と同様にして、Mg(TFSA)2とK(FSA)とを、モル比でMg(TFSA)2:K(FSA)=10:90として混合したMg(TFSA)2−K(FSA)二元系溶融塩のサイクリックボルタンメトリーを測定した。結果を図22に示す。
(3) Electrochemical measurement Except for changing the working electrode (WE) to magnesium (Mg), Mg (TFSA) 2 and K (FSA) are changed in the same manner as in the above-mentioned “(2) Measurement of potential window”. Cyclic voltammetry of Mg (TFSA) 2 -K (FSA) binary molten salt mixed at a molar ratio of Mg (TFSA) 2 : K (FSA) = 10: 90 was measured. The results are shown in FIG.

図22に示すように、−0.8V(vs.RE)付近で還元電流が観測された。すなわち、−0.8V(vs.RE)付近でマグネシウムが析出していることが示唆される。したがって、このMg(TFSA)2−K(FSA)二元系溶融塩はマグネシウムイオン電池(多価イオン電池)の電解質として使用することができると考えられる。 As shown in FIG. 22, a reduction current was observed around −0.8 V (vs. RE). That is, it is suggested that magnesium is precipitated around −0.8 V (vs. RE). Therefore, it is considered that this Mg (TFSA) 2 -K (FSA) binary molten salt can be used as an electrolyte of a magnesium ion battery (multivalent ion battery).

(4)まとめ
以上、「実験例4」の結果から、上記式(1)で表わされるアミドアニオンとアルカリ土類金属カチオンおよびアルカリ金属カチオンとを含む溶融塩である、Mg(TFSA)2−K(FSA)二元系溶融塩は、以下の特性を有することが確認された。
(i)融点は、組成に依らず、361K(88℃)である。
(ii)5.50Vという極めて広い電位窓を有する。
(iii)多価金属であるマグネシウムの析出と溶解が可能である。
(4) Summary As described above, from the result of “Experimental Example 4”, Mg (TFSA) 2 -K, which is a molten salt containing the amide anion represented by the above formula (1), the alkaline earth metal cation and the alkali metal cation. The (FSA) binary molten salt was confirmed to have the following characteristics.
(I) The melting point is 361 K (88 ° C.) regardless of the composition.
(Ii) It has a very wide potential window of 5.50V.
(Iii) Magnesium, which is a polyvalent metal, can be precipitated and dissolved.

以上のように本発明の実施の形態および実施例について説明を行なったが、上述の各実施の形態および実施例の構成を適宜組み合わせることも当初から予定している。   Although the embodiments and examples of the present invention have been described as described above, it is also planned from the beginning to appropriately combine the configurations of the above-described embodiments and examples.

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。   It should be understood that the embodiments and examples disclosed herein are illustrative and non-restrictive in every respect. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.

本発明は、あらゆる用途の電池に利用することができ、とりわけ、大型電池、自動車用電池、電力平準化用の電力貯蔵装置、太陽光発電および風力発電などに伴う電力貯蔵設備などに好適である。   INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used for batteries for all purposes, and is particularly suitable for large-sized batteries, automobile batteries, power storage devices for power leveling, power storage facilities associated with solar power generation and wind power generation, and the like. .

1 電解セル、2 溶融塩、3 作用電極、4 対電極、5 参照電極、6 熱電対、7 ヒーター、8 排気口。   1 electrolysis cell, 2 molten salt, 3 working electrode, 4 counter electrode, 5 reference electrode, 6 thermocouple, 7 heater, 8 exhaust port.

Claims (10)

下記式(1)で表わされるアミドアニオンと、アルカリ土類金属カチオンおよびアルカリ金属カチオンとを含む、溶融塩。
Figure 2014192128
(式(1)中、X1、X2は、それぞれ独立して、フッ素原子、フルオロメチル基またはフルオロエチル基を示す。)
A molten salt comprising an amide anion represented by the following formula (1), an alkaline earth metal cation and an alkali metal cation.
Figure 2014192128
(In formula (1), X1 and X2 each independently represent a fluorine atom, a fluoromethyl group or a fluoroethyl group.)
前記アルカリ土類金属カチオンは、マグネシウムイオン、カルシウムイオンの少なくともいずれかである、請求項1に記載の溶融塩。   The molten salt according to claim 1, wherein the alkaline earth metal cation is at least one of magnesium ion and calcium ion. 前記アルカリ金属カチオンは、リチウムイオン、ナトリウムイオン、カリウムイオン、ルビジウムイオン、セシウムイオンおよびフランシウムイオンからなる群より選ばれた1種以上の金属イオンである、請求項1または2に記載の溶融塩。   The molten salt according to claim 1 or 2, wherein the alkali metal cation is one or more metal ions selected from the group consisting of lithium ions, sodium ions, potassium ions, rubidium ions, cesium ions, and francium ions. 前記溶融塩に含まれる全カチオン中において、前記アルカリ土類金属カチオンの占める割合は、モル比で0.01以上0.50以下である、請求項1〜3のいずれかに記載の溶融塩。   The molten salt according to any one of claims 1 to 3, wherein a ratio of the alkaline earth metal cation in the total cation contained in the molten salt is 0.01 or more and 0.50 or less in terms of molar ratio. 前記溶融塩は、フッ化物イオン、塩化物イオン、臭化物イオンおよびヨウ化物イオンからなる群より選ばれた1種以上のハロゲン化物イオンをさらに含み、
前記溶融塩に含まれる全アニオン中において、前記ハロゲン化物イオンの占める割合は、モル比で0.001以上0.10以下である、請求項1〜4のいずれかに記載の溶融塩。
The molten salt further includes one or more halide ions selected from the group consisting of fluoride ions, chloride ions, bromide ions, and iodide ions,
The molten salt according to any one of claims 1 to 4, wherein a proportion of the halide ions in the total anion contained in the molten salt is 0.001 or more and 0.10 or less in terms of molar ratio.
請求項1〜5のいずれかに記載の溶融塩を含む、電池用電解質。   The electrolyte for batteries containing the molten salt in any one of Claims 1-5. 正極と、負極と、請求項6に記載の電解質とを備え、
放電反応は、前記正極における多価金属カチオンが関与する還元反応と前記負極における多価金属カチオンが関与する酸化反応とを伴う、多価イオン電池。
A positive electrode, a negative electrode, and the electrolyte according to claim 6,
The discharge reaction is a multivalent ion battery involving a reduction reaction involving a polyvalent metal cation in the positive electrode and an oxidation reaction involving a polyvalent metal cation in the negative electrode.
正極と、負極と、請求項6に記載の電解質とを備え、
放電反応は、前記正極における酸素の還元反応と前記負極における多価金属カチオンが関与する酸化反応とを伴う空気電池である、多価イオン電池。
A positive electrode, a negative electrode, and the electrolyte according to claim 6,
The discharge reaction is a polyvalent ion battery, which is an air battery with an oxygen reduction reaction at the positive electrode and an oxidation reaction involving a polyvalent metal cation at the negative electrode.
60℃以上300℃以下の温度領域で充放電可能な二次電池である、請求項7または請求項8に記載の多価イオン電池。   The multivalent ion battery according to claim 7 or 8, which is a secondary battery that can be charged and discharged in a temperature range of 60 ° C or higher and 300 ° C or lower. 前記多価金属カチオンはマグネシウムイオンである、請求項7〜9のいずれかに記載の多価イオン電池。   The multivalent ion battery according to claim 7, wherein the polyvalent metal cation is magnesium ion.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US10673042B2 (en) * 2017-04-10 2020-06-02 Imprint Energy, Inc. Protective films for printed electrochemical cells and methods of packaging electrochemical cells
WO2023026476A1 (en) * 2021-08-27 2023-03-02 国立大学法人東北大学 Electrolyte solution for alkali metal secondary batteries, and alkali metal secondary battery

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