JP2015209427A - マグネシウム塩を調製する方法、マグネシウム電解質塩およびマグネシウム電池 - Google Patents
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Abstract
Description
発明の背景
発明の分野
本発明は、塩化物を含有しないマグネシウム電解質を調製する方法および塩化物を含有しない活物質を含有するマグネシウム電解質に関連する。
マグネシウム電池は、従来のリチウム電池に取って代わるまたは補足されるより経済的で、安全で、高容量の電池を提供するために、高い関心の対象かつ多大な研究および開発の労力の対象となっている。リチウムと比較して、Mgは、Liの2062mAh cm−3よりずっと大きい3832mAh cm−3の体積測定容量を有する可能性がある。さらに、Mgは、−2.356V対NHEのマイナスの還元電位を有する。地球の地殻において7番目に最も豊富な元素として、Mgは、より低い資源コストおよびより低い環境影響特性を有する(Aurbach: Nature, Vol 407, pp 724-727, 2000を参照)。
(Mg2(μ-Cl)3・6THF)+
これらおよび他の目的は、本発明によって達成されており、本発明の第1の実施形態は、次の式(I)
[A]2Mg(溶媒)y (I)
(式中、溶媒は、エーテル酸素を含有する非水溶媒であり、yは、2から6の整数であり、Aは、水安定性のホウ酸アニオンまたはカルボランアニオンである)のマグネシウム塩を調製する方法を含む。当該方法は、次の反応式(c)
2(A-M+) + MgBr2 → A2Mg(溶媒)y + 2MBr(s) (c)
(式中、M+は、Li+、Na+、K+ Rb+、Cs+およびAg+からなる群から選択される少なくとも1つである)
に従う非水溶媒(溶媒)における金属イオンM+に対する少なくとも1つのMg2+のイオン交換操作を含む。
(化4)
(BR4)- (II)
(式中、R基は、それぞれ独立して、任意にFで置換された1から6個の炭素原子のアルキル基、任意にFで置換されたアリール基、および任意にFで置換されたアルキルフェニル基である)のホウ酸アニオンである。
(化5)
[BPh4]- (IV)
(式中、各Ph基は、独立して任意にFで置換されたアリール基、および任意にFで置換されたアルキルフェニル基である)のアニオンである。
(化6)
(C2B10H11)- (III)
のカルボランアニオンであり、当該カルボランアニオンは、オルト−カルボラン、メタ−カルボランまたはパラ−カルボランのアニオンである。
(化7)
[A]2Mg(溶媒)y (I)
(式中、溶媒は、エーテル酸素を含有する非水溶媒であり、yは、2から6の整数であり、Aは、水安定性ホウ酸アニオンまたはカルボランアニオンの少なくとも1つである)のマグネシウム電解質を含み、マグネシウム電解質塩は、塩化物を含まない。
[(C6F5)3BPh]- (V)
[(Mes)3BPh]- (VI)
(式中、Mesは、3,5−ジメチルフェニル基である。)
(化10)
[A]2Mg(溶媒)y (I)
(式中、溶媒は、エーテル酸素を含有する非水溶媒であり、yは、2から6の整数であり、Aは、水安定性かつ空気安定性ホウ酸アニオンまたはカルボランアニオンの少なくとも1つである)のマグネシウム電解質とを含み、当該マグネシウム電解質は塩化物を含まない、マグネシウム電池を含む。
本発明の説明の範囲内において、著者、共同著者または譲受人の組織の一員に帰するすべての引用される引用文献、特許、出願、刊行物および論文は、本明細書において参照により援用される。数値限定または範囲が記載される場合、終点が含まれる。さらに、数値限定または範囲内のすべての値および下位範囲は、明確に記載されるように具体的に含まれる。本明細書で用いられる「a」および「an」などの用語は、「1つ以上」の意味を持つ。「からなる群から選択される」、「から選ばれる」などの表現は、特定された材料の混合物を含む。「含有する」などの用語は、別段の具体的な指摘がない限り、「少なくとも含む」を意味するオープンな用語である。
(Mg2(μ-Cl)3・6THF)+
(化12)
[A]2Mg(溶媒)y (I)
(式中、溶媒は、エーテル酸素を含有する非水溶媒であり、yは、2から6の整数であり、Aは、空気安定性および水安定性のホウ酸アニオンまたはカルボランアニオンの少なくとも1つである)のマグネシウム塩を調製する方法を提供する。方法は、次の反応式(c)
2(A-M+) + MgBr2 → A2Mg(溶媒)y + 2MBr(s) (c)
(式中、M+は、Li+、Na+、K+ Rb+、Cs+およびAg+からなる群から選択される少なくとも1つである)に従う非水溶媒(溶媒)における金属イオンM+に対するMg2+の少なくとも1つのイオン交換操作を含む。
[Mg2(μ-Cl)3・6THF]+A-+ M2CO3 + MHCO3 → MA + [Mg2(μ-Cl)3・6THF]+
によって示されてもよい。
(化15)
[Mg2(μ-Cl)3・6THF]+A- + K2CO3 + KHCO3→ KA + [Mg2(μ-Cl)3・6THF]+ (a)
によって示される。
(化16)
(BR4)- (II)
(式中、R基は、それぞれ独立して、任意にFで置換された1から6個の炭素原子のアルキル基、任意にFで置換されたアリール基、および任意にFで置換されたアルキルフェニル基である)のホウ酸アニオンであってもよい。
(化17)
[BPh4]- (IV)
(式中、各Ph基は、独立して任意にFによって置換されたアリール基、および任意にFで置換されたアルキルフェニル基である)のアニオンである。この実施形態の明確なアニオンは、次の式(V)
[(C6F5)3B(C6H5)]- (V)
のアニオン、または、次の式(VI)
[(Mes)3B(C6H5)]- (VI)
(式中、Mesは、3,5−ジメチルフェニル基である)のアニオンを含む。
MA + AgNO3 → AgA + MNO3(s)
に従ってアセトニトリル中で第2のイオン交換反応において反応されてもよい。
(化21)
KA + AgNO3 → AgA + KNO3(s)
に従ってアセトニトリル中でイオン交換を介してAg塩に変換されてもよい。
(化22)
2(A-M+) + MgBr2 → A2Mg(溶媒)y + 2MBr(s) (c)
に従う非水エーテル溶媒における2当量のMAと1当量の臭化マグネシウムとのイオン交換反応によってマグネシウム塩に変換されてもよい。
2((C6H5)B(C6F5)3)Ag + MgBr2 → ((C6H5)B(C6F5)3)2Mg(THF)6 + 2AgBr 反応式(VII)
2((C6H5)B(Mes)3)Ag + MgBr2 → ((C6H5)B(C6H5)3)2Mg(THF)6 + 2AgBr 反応式(VIII)
によって示される。
(化25)
[A]2Mg(溶媒)y (I)
(式中、溶媒は、エーテル酸素を含有する非水溶媒であり、yは、2から6の整数である。)の電解質塩とを含むマグネシウム電池を提供する。
2gのルイス酸B(C6F5)3を10mlのTHFに溶解した。5.5714mlのPhMgClを含むTHF(2.0M溶液)を素早く加えた。反応物を3日間攪拌させ、その後、その場で生成されたgen3の電解質を100mlの1M K2CO3およびKHCO3の水性溶液に加えた。反応物を4時間攪拌させ、その後、カリウム塩をエーテルで抽出した。エーテル抽出物を無水硫酸マグネシウムで乾燥させ、高真空下に1晩置いた。カリウム塩の収率は2.5gであった。カリウム塩のNMRを添付書類に示す。19Fおよび1H NMRに基づいて、gen3電解質と(PhB(C6F5)3)Kとを区別することは不可能であった。(カリウム塩の構造は、質量分析法によってのみ確認でき、同位体パターンおよび666.9487の正確な質量は、((PhB(C6F5)3)K2)+と一致していた。)X線構造を図1に示す。C32H23BF15KO3の結晶データ; Mr = 790.41; 単斜晶; 空間群P21/c; a = 19.5325(15) Å; b = 10.0374(7) Å; c = 18.1523(14) Å; α = 90°; β = 117.094(3)°; γ = 90°; V = 3168.3(4) Å3; Z = 4; T = 120(2) K; λ(Mo-Kα) = 0.71073 Å; μ(Mo-Kα) = 0.292 mm-1; dcalc = 1.657g.cm-3; 66367回の反射を収集した; 7938がユニークであり (Rint= 0.0403); [I>2σ(I)]であった6173個のデータについてR1 = 0.0485、wR2 = 0.1234が得られ、すべての7938個のデータについてR1= 0.0667、wR2 = 0.1364が得られた。残留電子密度(e-.Å-3) 最大/分: 2.498/-0.755。およそ0.128×0.119×0.160mmの寸法を有する、無色のブロック状結晶について、0.5°[1]のωおよびφスキャンの組合せを用いて、Bruker Kappa X8−APEX−II回折計により任意のデータの球体を収集した。データを吸収および偏光効果について較正し、空間群決定について分析した。構造は、固有位相化法によって解明され、通常通り拡大した[2]。モデルは、すべての反射に対してF2のフルマトリックス最小二乗分析によって改良された。すべての非水素原子は、異方性熱変位パラメータにより改良された。別段の指摘がない限り、水素元素は、算出される位置に含まれる。水素原子についての熱パラメータは、これらが結合される原子(メチルについては1.5×、他のすべてについては1.2×)の等方性熱パラメータに関連付けられる。
銀塩を、引用文献Buschmann et al.(Chem. Eur. J 1998, 4, no 9 1731)に基づいて調製した。要約すると、カリウム塩を、アセトニトリル中で硝酸銀と反応させることにより銀塩に変換した。反応中、硝酸カリウムを析出させる手助けをするためにエーテルを加えた。析出物をろ過によって除去し、アセトニトリルを蒸発させることによって銀塩を得た。残念ながら、銀塩は非常に反応性が高く、光下で急速に分解する。銀塩への変換は、質量分析法によって確認され、同位体パターンおよび1284.9523の正確な質量は、カチオン((C6H5)B(C6F5)3)Ag2)+と一致している。
マグネシウム塩を、銀塩と、2分の1当量の無水臭化マグネシウムを含むTHFとの反応によって得た。反応の過程で、臭化銀が析出し、この析出物は、変換を示す。生成物の結晶を、ヘキサンによりマグネシウム塩を含有するTHF溶液との層形成によって得た。
C39.50H33BF15Mg0.50O3の結晶データ; Mr = 863.62; 三斜晶系; 空間群 P-1; a = 12.0179(12) Å; b = 12.5648(13) Å; c = 13.7173(14) Å; α = 102.5881(16)°; β = 90.2857(17)°; γ = 115.1883(15)°; V = 1818.1(3) Å3; Z = 2; T = 120(2) K; λ(Mo-Kα) = 0.71073 Å; μ(Mo-Kα) = 0.158 mm-1; dcalc = 1.578g.cm-3; 42372回の反射を収集した; 7303がユニークであり (Rint = 0.0479); [I>2σ(I)]であった5451個のデータについてR1 = 0.0514、wR2 = 0.1098が得られ、すべての7303個のデータについてR1= 0.0757、wR2 = 0.1209が得られた。残留電子密度(e-.Å-3) 最大/分: 1.313/-0.576。およそ0.146×0.103×0.057mmの寸法を有する、無色の平板状結晶について、0.5°[1]のωおよびφスキャンの組合せを用いて、Bruker APEX−II回折計により、任意のデータの球体を収集した。データを吸収および偏光効果について較正し、空間群決定について分析した。構造をパターソン法によって解明し、通常通り拡大した[2]。モデルをすべての反射に対してF2のフルマトリックス最小二乗分析によって改良した。すべての非水素元素を異方性熱変位パラメータにより改良した。別段の指摘がない限り、水素原子は算出される位置に含まれる。水素原子についての熱パラメータは、これらが結合される原子(メチルについては1.5×、他のすべてについては1.2×)の等方性熱パラメータに関連付けられている。
Claims (29)
- 次の式(I)
(化1)
[A]2Mg(溶媒)y (I)
(式中、溶媒は、エーテル酸素を含有する非水溶媒であり、yは、2から6の整数であり、
Aは、水安定性ホウ酸アニオンまたはカルボランアニオンの少なくとも1つである)
のマグネシウム塩を調製する方法であって、前記方法は、
次の反応式(c)
(化2)
2(A-M+) + MgBr2 → A2Mg(溶媒)y + 2MBr(s) (c)
(式中、M+は、Li+、Na+、K+ Rb+、Cs+およびAg+からなる群から選択される少なくとも1つである)
に従う前記非水溶媒(溶媒)における金属イオンM+に対する少なくとも1つのMg2+のイオン交換操作を含む、方法。 - M+は、Ag+である、請求項1に記載の方法。
- M+は、K+である、請求項1に記載の方法。
- 水性媒体において次のイオン交換(a)
(化3)
[Mg2(μ-Cl)3・6THF]+A- + K2CO3 + KHCO3→ KA + [Mg2(μ-Cl)3・6THF]+ (a)
に従ってアニオンA−のK+塩を形成するステップと、
エーテルでKA塩を抽出するステップと、
真空下で前記エーテルを除去し、遊離KA塩を得るステップとをさらに含む、請求項1に記載の方法。 - KNO3が不溶性である媒体において、次のイオン交換(b)
(化4)
KA + AgNO3 → AgA + KNO3(s) (b)
に従ってアニオンA−のAg+塩を形成するステップと、
AgA塩の溶液から析出されるKNO3(s)を除去するステップとをさらに含む、請求項4に記載の方法。 - Aは、次の式(II)
(化5)
(BR4)- (II)
(式中、R基は、それぞれ独立して、任意にFで置換された1から6個の炭素原子のアルキル基、任意にFで置換されたアリール基、および任意にFで置換されたアルキルフェニル基である)
のホウ酸アニオンである、請求項1に記載の方法。 - 前記式(II)のホウ酸アニオンは、次の式(IV)
(化6)
[BPh4]- (IV)
(式中、各Ph基は独立して、任意にFで置換されたアリール基、および任意にFで置換されたアルキルフェニル基である)
のアニオンである、請求項6に記載の方法。 - 前記式(IV)のホウ酸アニオンは、次の式(V)
(化7)
[(C6F5)3B (C6H5)]- (V)
のアニオンである、請求項7に記載の方法。 - 前記式(IV)のホウ酸アニオンは、次の式(VI)
(化8)
[(Mes)3B (C6H5)]- (VI)
(式中、Mesは、3,5−ジメチルフェニル基である)
のアニオンである、請求項7に記載の方法。 - Aは、次の式(III)
(化9)
(C2B10H11)- (III)
(式中、カルボランは、オルト−カルボラン、メタ−カルボランまたはパラ−カルボランのアニオンである)
のカルボランアニオンである、請求項1に記載の方法。 - 前記エーテル酸素を含有する非水溶媒は、テトラヒドロフラン(THF)、ジメトキシエタン(DME)およびジエチレングリコールジメチルエーテル(ジグリム)(DGM)の少なくとも1つである、請求項1に記載の方法。
- 次の式(VII)
(化10)
[(C6F5)3B(C6H5)]2Mg(THF)6 (VII)
(式中、THFは、テトラヒドロフラン分子であり、
Phは、C6H5基である)
のマグネシウム塩を調製する方法であって、前記方法は、
次の反応式
(化11)
2((C6H5)B(C6F5)3)Ag + MgBr2 → ((C6H5)B(C6F5)3)2Mg(THF)6 + 2AgBr
に従うTHFにおけるAgに対するMgのイオン交換のステップと、
前記式(VII)のマグネシウム塩からのAgBrの除去のステップとを含む、方法。 - 次の式(VIII)
(化12)
[(Mes)3B (C6H5)]2Mg(THF)6 (VIII)
(式中、THFは、テトラヒドロフラン分子であり、
Phは、C6H5基であり、
Mesは、3,5−ジメチルフェニル基である)
のマグネシウム塩を調製する方法であって、前記方法は、
次の式
(化13)
2((C6H5)B(Mes)3)Ag + MgBr2 → ((C6H5)B(C6H5)3)2Mg(THF)6 + 2AgBr
に従うTHFにおけるAgに対するMgのイオン交換のステップと、
前記式(VIII)のマグネシウム塩からのAgBrの除去のステップとを含む、方法。 - 次の式(I)
(化14)
[A]2Mg(溶媒)y (I)
(式中、溶媒は、エーテル酸素を含有する非水溶媒であり、yは、2から6の整数であり、
Aは、水安定性ホウ酸アニオンまたはカルボランアニオンの少なくとも1つである)
の、塩化物を含有しない、マグネシウム電解質塩。 - 前記エーテル酸素を含有する非水溶媒は、テトラヒドロフラン(THF)、ジメトキシエタン(DME)およびジエチレングリコールジメチルエーテル(ジグリム)(DGM)の少なくとも1つである、請求項14に記載のマグネシウム電解質塩。
- Aは、次の式(II)
(化15)
(BR4)- (II)
(式中、R基は、それぞれ独立して、任意にFで置換された1から6個の炭素原子のアルキル基、任意にFで置換されたアリール基、および任意にFで置換されたアルキルフェニル基である)
のホウ酸アニオンである、請求項14に記載のマグネシウム電解質塩。 - 前記式(II)のホウ酸アニオンは、次の式(IV)
(化16)
[BPh4]- (IV)
(式中、各Ph基は独立して、任意にFで置換されたアリール基、および任意にFで置換されたアルキルフェニル基である)
のアニオンである、請求項16に記載のマグネシウム電解質塩。 - 前記式(IV)のホウ酸アニオンは、次の式(V)
(化17)
[(C6F5)3B (C6H5)]- (V)
のアニオンである、請求項17に記載のマグネシウム電解質塩。 - 前記式(IV)のホウ酸アニオンは、次の式(VI)
(化18)
[(Mes)3B (C6H5)]- (VI)
(式中、Mesは、3,5−ジメチルフェニル基である)
のアニオンである、請求項17に記載のマグネシウム電解質塩。 - Aは、次の式(III)
(化19)
(C2B10H11)- (III)
(式中、カルボランは、オルト−カルボラン、メタ−カルボランまたはパラ−カルボランのアニオンである)
のカルボランアニオンである、請求項14に記載のマグネシウム電解質。 - マグネシウムを含む負極と、
正極と、
溶媒と、
次の式(I)
(化20)
[A]2Mg(溶媒)y (I)
(式中、溶媒は、エーテル酸素を含有する非水溶媒であり、yは、2から6の整数であり、
Aは、水安定性ホウ酸アニオンまたはカルボランアニオンの少なくとも1つである)
のマグネシウム電解質とを含み、
前記マグネシウム電解質は、塩化物を含有しない、マグネシウム電池。 - 前記負極は、マグネシウムである、請求項21に記載のマグネシウム電池。
- 前記正極の活物質は、硫黄、黒鉛炭素、炭素繊維、ガラス状炭素、熱分解炭素、アモルファス炭素、Mo6S8、MnO2、CuS、Cu2S、Ag2S、CrS2、VOPO4、TiS2、V2O5、MgVO3、MoS2、MgV2O5、MoO3、CuCr2S4、MgCr2S4、MgMn2O4、Mg2MnO4、MgFe2(PO4)3、MgV2(PO4)3、MgMnSiO4、MgFe2(PO4)2、Mg0.5VPO4F、TiP2O7、VP2O7およびFeF3からなる群から選択される少なくとも1つの成分を含む、請求項21に記載のマグネシウム電池。
- 前記溶媒は、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、ジメトキシエタン、グリム、モノグリム、ジメチルグリコール、エチレングリコールジメチルエーテル、ジエチルエーテル、エチルグリム、ジグリム、プログリム、エチルジグリム、トリグリム、ブチルジグリム、テトラグリム、ポリグリム、ハイグリム、およびこれらの混合物からなる群から選択される、請求項21に記載のマグネシウム電池。
- Aは、次の式(II)
(化21)
(BR4)- (II)
(式中、R基は、それぞれ独立して、任意にFで置換された1から6個の炭素原子のアルキル基、任意にFで置換されたアリール基、および任意にFで置換されたアルキルフェニル基である)
のホウ酸アニオンである、請求項21に記載のマグネシウム電池。 - 前記式(II)のホウ酸アニオンは、次の式(IV)
(化22)
[B (C6H5)4]- (IV)
(式中、各Ph基は、独立して、任意にFで置換されたアリール基、および任意にFで置換されたアルキルフェニル基である)
のアニオンである、請求項25に記載のマグネシウム電池。 - 前記式(IV)のホウ酸アニオンは、次の式(V)
(化23)
[(C6F5)3B (C6H5)]- (V)
のアニオンである、請求項26に記載のマグネシウム電池。 - 前記式(IV)のホウ酸アニオンは、次の式(VI)
(化24)
[(Mes)3B (C6H5)]- (VI)
(式中、Mesは、3,5−ジメチルフェニル基である)
のアニオンである、請求項26に記載のマグネシウム電池。 - Aは、次の式(III)
(化25)
(C2B10H11)- (III)
(式中、カルボランは、オルト−カルボラン、メタ−カルボランまたはパラ−カルボランのアニオンである)
のカルボランアニオンである、請求項21に記載のマグネシウム電池。
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