JP2015115221A - ナトリウムイオン電池用電解液およびナトリウムイオン電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】下式で表されるピロリジニウム類をカチオン成分として含むイオン液体を溶媒として含むナトリウムイオン電池用電解液を用いる。
(I)(Xは、C2〜8の直鎖アルキル基、メトキシエトキシメチル基、メトキシエトキシエトキシメチル基、メトキシエトキシエトキシエチル基、メトキシエトキシエトキシエトキシエチル基、メトキシプロポキシプロピル基、エトキシエトキシメチル基、エトキシエトキシエチル基、ブトキシエトキシメチル基、ブトキシエトキシエチル基、ブトキシエトキシエトキシメチル基、イソブトキシエトキシメチル基、及びイソブトキシエトキシエチル基から成る群から選択される1種の置換基)
【選択図】なし
Description
(ここで、Xは、炭素2から8の直鎖アルキル基、メトキシエトキシメチル基、メトキシエトキシエトキシメチル基、メトキシエトキシエトキシエチル基、メトキシエトキシエトキシエトキシエチル基、メトキシプロポキシプロピル基、エトキシエトキシメチル基、エトキシエトキシエチル基、ブトキシエトキシメチル基、ブトキシエトキシエチル基、ブトキシエトキシエトキシメチル基、イソブトキシエトキシメチル基、およびイソブトキシエトキシエチル基から成る群から選択される1種の置換基である。)
(ここで、Xは、炭素2から8の直鎖アルキル基、メトキシエトキシメチル基、メトキシエトキシエトキシメチル基、メトキシエトキシエトキシエチル基、メトキシエトキシエトキシエトキシエチル基、メトキシプロポキシプロピル基、エトキシエトキシメチル基、エトキシエトキシエチル基、ブトキシエトキシメチル基、ブトキシエトキシエチル基、ブトキシエトキシエトキシメチル基、イソブトキシエトキシメチル基、およびイソブトキシエトキシエチル基から成る群から選択される1種の置換基である。)
(電解液)
本発明の電解液は、ピロリジニウム類をカチオン成分として含むイオン液体を溶媒として含むものである。イオン液体は、カチオンとアニオンからなる塩であり、一般的に100℃以下の温度で液体であり、イオン導電性を有している。イオン液体は、難燃性、不揮発性であり、さらに非水溶媒に比べ、熱安定性が高く、電気化学的に安定であるという特性を有している。
ここで、Xは、炭素2から8の直鎖アルキル基、メトキシエトキシメチル基、メトキシエトキシエトキシメチル基、メトキシエトキシエトキシエチル基、メトキシエトキシエトキシエトキシエチル基、メトキシプロポキシプロピル基、エトキシエトキシメチル基、エトキシエトキシエチル基、ブトキシエトキシメチル基、ブトキシエトキシエチル基、ブトキシエトキシエトキシメチル基、イソブトキシエトキシメチル基、およびイソブトキシエトキシエチル基から成る群から選択される1種の置換基である。好ましくは、Xは、炭素2から8の直鎖アルキル基、メトキシエトキシメチル基、メトキシエトキシエトキシメチル基、メトキシエトキシエトキシエチル基、メトキシエトキシエトキシエトキシエチル基、メトキシプロポキシプロピル基、エトキシエトキシメチル基、またはエトキシエトキシエチル基である。より好ましくは、Xはヘキシル基またはメトキシエトキシメチル基である。Xがメトキシエトキシメチル基の場合、以下の化学式で表すことができる。
本発明に用いるイオン性液体は、上記のカチオン成分とアニオン成分とを組み合わせたものであり、公知の方法で製造することができる。例えば、アニオン交換法、酸エステル法、中和法等の方法を用いることができる。
本発明の電解液は、上記のイオン液体に上記の電解質を溶解させることにより製造することができる。また、本発明の電解液は、溶媒の粘度を調整するために、複数のイオン液体を混合して用いてもよい。電解質の濃度は、必要な導電率を確保するため、0.4〜1.2mol/L、好ましくは0.8〜1.0mol/Lである。
本発明の電解液を用いてナトリウムイオン電池を作製することができる。ナトリウムイオン電池は、少なくとも、正極と負極、正極と負極を隔離するセパレータ、電解液、および電池容器で構成される。
(負極活物質の合成)
赤リン(和光純薬製)をステンレスボール(φ15mm)との重量比が1:30になるようにステンレスポットに封入し、室温、回転速度380rpmで10時間機械的粉砕を行って黒リンを合成した。
得られた黒リンを原料として、ガスデポジション法を用いて黒リン粉末を集電体の銅箔上に堆積させて負極を得た。銅箔の厚さは、20μmである。また、銅箔面積0.8cm2に対し、堆積させた黒リンの面積は0.3cm2である。なお、ガスデポジション法の条件は以下の通りである。
ノズル−基板間距離:10mm
圧力差:7×105Pa
ノズル径:直径0.8mm
キャリアガス:He(6N)
活物質量:20〜40μg
膜厚:最大4μm
1−((2−メトキシエトキシ)メチル)−1−メチルピロリジウム(Py1MEMと略す)―ビス(フルオロスルホニル)アミド(FSAと略す)は、以下の方法で合成した。
1H-NMR (500 MHz, CDCl3) δ 2.20-2.33 (m, 4 H), 3.12 (s, 3 H), 3.38 (s, 3 H), 3.39-3.43 (m, 2 H), 3.59 (t, J = 4.8 Hz, 2 H), 3.65-3.67 (m, 2 H), 3.97 (t, J = 4.8 Hz, 2 H), 4.66 (s, 2 H).
13C-NMR (125 MHz, CDCl3,) δ 21.6, 47.0, 58.3, 60.6, 70.9, 71.8, 89.4.
19F NMR (470 MHz, CDCl3) δ 214.4.
IR (neat, cm-1) 3635, 2939, 2897, 1463, 1363, 1180, 1152, 831.
粘度: 26.7 mPa s (20 ℃, H2O= 523.1ppm).
1H-NMR (400 MHz, CDCl3) δ 0.90 (t, J = 6.6 Hz, 3 H), 1.32-1.41 (m, 6 H), 1.73-1.81 (m, 2 H), 2.29 (bs, 4 H), 3.06 (s, 3 H), 3.29-3.33 (m, 2 H), 3.49-3.56 (m, 4 H).
電解質には、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミドナトリウム(NaTFSAと略す)(キシダ化学製)を用い、以下の3種の電解液を調製した。
電解液A:1M NaTFSA/Py1MEM―FSA
電解液B:1M NaTFSA/Py16―FSA
電解液C:1M NaTFSA/PC
ここで、PCはプロピレンカーボネートの略である。
イオン液体と電解液の導電率を、両極に白金を用いた二極式セルで交流インピーダンス法により室温で測定した。用いた装置は、北斗電工製IviumCompactStatである。
上記の負極と、対極として金属ナトリウム箔(厚さ約1mm)、セパレータとしてポリプロピレン系セパレータを用い、上記の電解液を注入して、コインセル(CR2032)を作製した。以下、電解液A、B、Cを用いたコインセルをそれぞれコインセルA、B、Cという。
室温で、電位範囲0.005〜2.000V(vs.Na/Na+)、電流密度50mA/gで行った。
充放電前後の負極表面の形態観察を、電界放出走査型電子顕微鏡(FE−SEM)(日本電子製)を用いて行った。
表1にイオン液体と電解液の導電率の測定結果を示す。1M NaTFSA/PCは5.9mS/cm、1M NaTFSA/Py16―FSAは1.4mS/cm、1M NaTFSA/Py1MEM―FSAは3.4mS/cmであった。
Claims (4)
- 以下の一般式で表されるピロリジニウム類をカチオン成分として含むイオン液体を溶媒として含むナトリウムイオン電池用電解液。
(ここで、Xは、炭素2から8の直鎖アルキル基、メトキシエトキシメチル基、メトキシエトキシエトキシメチル基、メトキシエトキシエトキシエチル基、メトキシエトキシエトキシエトキシエチル基、メトキシプロポキシプロピル基、エトキシエトキシメチル基、エトキシエトキシエチル基、ブトキシエトキシメチル基、ブトキシエトキシエチル基、ブトキシエトキシエトキシメチル基、イソブトキシエトキシメチル基、およびイソブトキシエトキシエチル基から成る群から選択される1種の置換基である。) - アニオン成分が、I−、BF4 −、PF6 −、ビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミドアニオン、CHF2−CF2−CH2OSO3 −、CHF2−(CF2)3−CH2OSO3 −、CF3−(CF2)2−CH2OSO3 −、およびCF3−(CF2)6−CH2OSO3 −から成る群から選択される少なくとも1種である請求項1記載のナトリウムイオン電池用電解液。
- ビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミドナトリウムを電解質として含む請求項1または2に記載のナトリウムイオン電池用電解液。
- ナトリウムイオンを挿入・脱離可能な正極活物質を含む正極と、黒リンからなるナトリウムイオン電池用負極活物質を含む負極と、以下の一般式で表されるピロリジニウム類をカチオン成分として含むイオン液体を溶媒として含むナトリウムイオン電池用電解液とを含むナトリウムイオン電池。
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