JP2020155279A - Aqueous electrolyte solution for power storage device, and power storage device including the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、不燃性の蓄電デバイス用水系電解液及びこの水系電解液を含む蓄電デバイスに関する。 The present invention relates to a nonflammable water-based electrolytic solution for a power storage device and a power storage device containing the water-based electrolytic solution.
従来、リチウムイオン電池に代わる蓄電デバイスとして、カリウムイオン電池が提唱されている(例えば、特許文献1(請求項1〜3、段落[0010]、段落[0036])参照)。このカリウムイオン電池は、KmFexMny(CN)6・zH2Oの式(1)で表される化合物を含む(式(1)中、mは0.5以上2以下の数を表し、xは0.5以上1.5以下の数を表し、yは0.5以上1.5以下の数を表し、zは0又は正数を表す。)カリウムイオン電池用正極活物質を含むカリウムイオン電池用正極を備える。
Conventionally, a potassium ion battery has been proposed as a power storage device in place of the lithium ion battery (see, for example, Patent Document 1 (
このカリウムイオン電池は、上記カリウムイオン電池用正極活物質を含むカリウムイオン電池用正極を備えるため、エネルギー密度が高い特長があるとされる。このカリウムイオン電池では、電解質としての電解液には、水系電解液及び非水系電解液が例示され、水系電解液の場合には、カリウム塩として、KClO4、KPF6、KNO3、KOH、KCl、K2SO4、K2S等が挙げられる。 Since this potassium ion battery includes a positive electrode for a potassium ion battery containing the positive electrode active material for the potassium ion battery, it is said to have a feature of high energy density. In this potassium ion battery, an aqueous electrolyte and a non-aqueous electrolyte are exemplified as the electrolyte as the electrolyte, and in the case of the aqueous electrolyte, KClO 4 , KPF 6 , KNO 3 , KOH, and KCl are as potassium salts. , K 2 SO 4 , K 2 S, etc.
一方、水を溶媒として含む蓄電装置用電解液であって、前記電解液の組成がアルカリ金属塩1モルに対して溶媒量が4モル以下であることを特徴とする電解液及びアルカリ金属塩がリチウム塩又はナトリウム塩であることが開示されている(特許文献2(請求項1、段落[0028]、段落[0087]、請求項6)参照。)。この蓄電装置用電解液は、かかる高濃度のアルカリ金属塩を用いることにより、純水の電位窓(安定電位領域)を超える電位窓、好ましくは、2V以上の電位窓を有すること、及びこの実施例では電解液No.4の電位窓が3.2Vと算出されることが特許文献2に示される。
On the other hand, an electrolytic solution for a power storage device containing water as a solvent, wherein the composition of the electrolytic solution is 4 mol or less with respect to 1 mol of the alkali metal salt, and the electrolytic solution and the alkali metal salt are characterized. It is disclosed that it is a lithium salt or a sodium salt (see Patent Document 2 (
しかしながら、特許文献1に示される、上記カリウム塩を含む水系電解液を用いたカリウムイオン電池では、水の分解電圧1.2Vに制限されるため、電圧及び容量の高い蓄電デバイスを実現できない課題があった。また特許文献1では、その実施例及び比較例において、水系電解液は示されず、非水系電解液のみが示される。また特許文献2には、電解液の組成として、リチウム塩又はナトリウム塩であるアルカリ金属塩が示されるが、カリウム塩についての記載はない。
However, in the potassium ion battery using the aqueous electrolyte solution containing the potassium salt shown in
本発明の目的は、蓄電デバイスのクーロン効率を高めることが可能な蓄電デバイス用水系電解液及びこの水系電解液を含む蓄電デバイスを提供することにある。 An object of the present invention is to provide a water-based electrolytic solution for a power storage device capable of increasing the Coulomb efficiency of the power storage device, and a power storage device containing the water-based electrolytic solution.
本発明者らは、水系電解液の電解質として、特定のペルフルオロアルキル基を有する非対称性イミドの1種又は2種以上のカリウム塩、特定のペルフルオロアルキル基を有する非対称性イミドのカリウム塩と特定のペルフルオロアルキル基を有する対称性イミドのカリウム塩との混合塩、又はこれらのカリウム塩と特定のスルホン酸カリウム塩との混合塩を用いると、イオン半径の比較的大きなカリウムにおいても、カリウム塩1モルに対して溶媒量が2モル以上40モル未満の範囲で、前記1種又は2種以上のカリウム塩又は混合塩が水溶液になること、及び水を用いても水の電気分解が抑制されることを見出し、本発明に到達した。本明細書において、「非対称性イミド」とは構造において組成が対称でないイミドをいい、「対称性イミド」とは構造において組成が対称であるイミドをいう。 The present inventors specify one or more potassium salts of asymmetric imide having a specific perfluoroalkyl group, and potassium salt of asymmetric imide having a specific perfluoroalkyl group as an electrolyte of an aqueous electrolyte solution. When a mixed salt of a symmetric imide having a perfluoroalkyl group or a mixed salt of these potassium salts and a specific potassium sulfonic acid salt is used, 1 mol of the potassium salt is used even in potassium having a relatively large ionic radius. On the other hand, when the amount of the solvent is 2 mol or more and less than 40 mol, the above-mentioned one or more kinds of potassium salt or mixed salt becomes an aqueous solution, and the electrolysis of water is suppressed even if water is used. And arrived at the present invention. In the present specification, "asymmetric imide" means an imide whose composition is not symmetric in structure, and "symmetric imide" means an imide whose composition is symmetric in structure.
本発明の第1の観点は、水を溶媒として含む蓄電デバイス用水系電解液において、電解質が、ペルフルオロアルキル基を有する非対称性イミドの1種又は2種以上のカリウム塩であるか、前記非対称性イミドのカリウム塩とペルフルオロアルキル基を有する対称性イミドのカリウム塩との混合塩であるか、又は前記非対称性イミドのカリウム塩と前記対称性イミドのカリウム塩とペルフルオロアルキル基を有するスルホン酸カリウム塩との混合塩であり、前記1種又は2種以上のカリウム塩及び前記混合塩の組成割合は、モル比で、(非対称性イミドのカリウム塩)x(対称性イミドのカリウム塩)y(スルホン酸カリウム塩)1-(x+y)であり(但し、xは0.1〜1.0であり、yは0〜0.9であり、x+y≦1.0である。)、前記非対称性イミドカリウム塩が、カリウム(ペンタフルオロエタンスルホニル)(トリフルオロメタンスルホニル)イミド((C2F5SO2)(CF3SO2)NK、以下、「化合物1」という。)、カリウム(ヘプタフルオロプロパンスルホニル)(トリフルオロメタンスルホニル)イミド((C3F7SO2)(CF3SO2)NK、以下、「化合物2」という。)又はカリウム(ノナフルオロブタンスルホニル)(トリフルオロメタンスルホニル)イミド((C4F9SO2)(CF3SO2)NK、以下、「化合物4」という。)であり、前記対称性イミドカリウム塩が、カリウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド((CF3SO2)2NK、以下、「化合物3」という。)又はカリウムビス(ペンタフルオロエタンスルホニル)イミド((C2F5SO2)2NK、以下、「化合物5」という。)であり、前記スルホン酸カリウム塩が、トリフルオロメタンスルホン酸カリウム(CF3SO3K、以下、「化合物8」という。)であり、前記電解液の組成が、前記1種又は2種以上のカリウム塩又は前記混合塩のカリウム塩1モルに対して溶媒量が2モル以上40モル未満であることを特徴とする。 The first aspect of the present invention is that in an aqueous electrolyte for a power storage device containing water as a solvent, the electrolyte is one or more potassium salts of an asymmetric imide having a perfluoroalkyl group, or the asymmetry. A mixed salt of a potassium salt of an imide and a potassium salt of a symmetric imide having a perfluoroalkyl group, or a potassium sulfonate having a potassium salt of the asymmetric imide, a potassium salt of the symmetric imide and a perfluoroalkyl group. The composition ratio of the one or more potassium salts and the mixed salt is (asymmetric imide potassium salt) x (symmetric imide potassium salt) y (sulfone). Potassium acid salt) 1- (x + y) (where x is 0.1 to 1.0, y is 0 to 0.9, and x + y ≦ 1.0), and the asymmetry. The sex imide potassium salt is potassium (pentafluoroethanesulfonyl) (trifluoromethanesulfonyl) imide ((C 2 F 5 SO 2 ) (CF 3 SO 2 ) NK, hereinafter referred to as “Compound 1”), potassium (heptafluoro). Propanesulfonyl) (trifluoromethanesulfonyl) imide ((C 3 F 7 SO 2 ) (CF 3 SO 2 ) NK, hereinafter referred to as "Compound 2") or potassium (nonafluorobutanesulfonyl) (trifluoromethanesulfonyl) imide ( (C 4 F 9 SO 2 ) (CF 3 SO 2 ) NK, hereinafter referred to as “Compound 4”), and the symmetric imide potassium salt is potassium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide ((CF 3 SO 2). ) 2 NK, hereinafter referred to as “Compound 3”) or potassium bis (pentafluoroethanesulfonyl) imide ((C 2 F 5 SO 2 ) 2 NK, hereinafter referred to as “Compound 5”), which is the sulfonic acid. The potassium salt is potassium trifluoromethanesulfonate (CF 3 SO 3 K, hereinafter referred to as “Compound 8”), and the composition of the electrolytic solution is one or more of the above potassium salts or the mixed salts. The amount of the solvent is 2 mol or more and less than 40 mol with respect to 1 mol of the potassium salt.
本発明の第2の観点は、第1の観点に基づく発明であって、前記1種又は2種以上のカリウム塩の融点が、230℃以下である蓄電デバイス用水系電解液である。 A second aspect of the present invention is an invention based on the first aspect, which is an aqueous electrolytic solution for a power storage device in which the melting point of one or more potassium salts is 230 ° C. or lower.
本発明の第3の観点は、第1又は第2の観点に基づく発明であって、水系電解液中のフッ素イオン含有量が10ppm以下であり、前記水系電解液中の水素含有量が10ppm以下である蓄電デバイス用水系電解液である。ここで、水系電解液中のフッ素イオンとは、カリウム塩の製造時に生じる副反応生成物が完全に除去されずに残存しているフッ素イオン、及び/又は反応生成物の分解により混入するフッ素イオンであり、イミドカリウム塩に由来する。また水系電解液中の水素とは、カリウム塩が完全にフッ素化されずにイミドカリウム塩の分子内に残存している水素原子である。 The third aspect of the present invention is the invention based on the first or second aspect, in which the fluorine ion content in the aqueous electrolytic solution is 10 ppm or less and the hydrogen content in the aqueous electrolytic solution is 10 ppm or less. It is an aqueous electrolyte for a power storage device. Here, the fluorine ions in the aqueous electrolyte are the fluorine ions remaining without completely removing the side reaction products generated during the production of the potassium salt, and / or the fluorine ions mixed by the decomposition of the reaction products. And is derived from the imide potassium salt. Further, hydrogen in the aqueous electrolytic solution is a hydrogen atom in which the potassium salt is not completely fluorinated and remains in the molecule of the imide potassium salt.
本発明の第4の観点は、第1ないし第3の観点のいずれかの観点に基づく発明であって、前記蓄電デバイスが、カリウムイオン二次電池、電気二重層キャパシタ又はカリウムイオンキャパシタである蓄電デバイス用水系電解液である。 A fourth aspect of the present invention is an invention based on any one of the first to third aspects, wherein the electricity storage device is a potassium ion secondary battery, an electric double layer capacitor, or a potassium ion capacitor. It is an aqueous electrolyte for devices.
本発明の第5の観点は、第1ないし第4の観点のいずれかの観点の蓄電デバイス用水系電解液の電解質として用いられ、フッ素イオン含有量が10ppm以下であり、水素含有量が10ppm以下である第1の観点のペルフルオロアルキル基を有する非対称性イミドの1種又は2種以上のカリウム塩である。 The fifth aspect of the present invention is used as an electrolyte of an aqueous electrolyte solution for a power storage device according to any one of the first to fourth aspects, and has a fluorine ion content of 10 ppm or less and a hydrogen content of 10 ppm or less. A potassium salt of one or more asymmetric imides having a perfluoroalkyl group of the first aspect.
本発明の第6の観点は、第1ないし第4の観点のいずれかの観点の蓄電デバイス用水系電解液の電解質として用いられ、フッ素イオン含有量が10ppm以下であり、水素含有量が10ppm以下である、第1の観点のペルフルオロアルキル基を有する非対称性イミドのカリウム塩と第1の観点のペルフルオロアルキル基を有する対称性イミドのカリウム塩との混合塩である。 The sixth aspect of the present invention is used as an electrolyte of an aqueous electrolyte solution for a power storage device according to any one of the first to fourth aspects, and has a fluorine ion content of 10 ppm or less and a hydrogen content of 10 ppm or less. It is a mixed salt of an asymmetric imide potassium salt having a perfluoroalkyl group of the first aspect and a symmetric imide potassium salt having a perfluoroalkyl group of the first aspect.
本発明の第7の観点は、第1ないし第4の観点のいずれかの観点の蓄電デバイス用水系電解液の電解質として用いられ、フッ素イオン含有量が10ppm以下であり、水素含有量が10ppm以下である、第1の観点のペルフルオロアルキル基を有する非対称性イミドのカリウム塩と第1の観点のペルフルオロアルキル基を有する対称性イミドのカリウム塩と第1の観点のペルフルオロアルキル基を有するスルホン酸カリウム塩との混合塩である。 The seventh aspect of the present invention is used as an electrolyte of an aqueous electrolyte solution for a power storage device according to any one of the first to fourth aspects, and has a fluorine ion content of 10 ppm or less and a hydrogen content of 10 ppm or less. The potassium salt of an asymmetric imide having a perfluoroalkyl group of the first aspect, the potassium salt of a symmetric imide having a perfluoroalkyl group of the first aspect, and the potassium sulfonate having a perfluoroalkyl group of the first aspect. It is a mixed salt with salt.
本発明の第1の観点の蓄電デバイス用水系電解液では、水系電解液の電解質として、特定のペルフルオロアルキル基を有する非対称性イミドの1種又は2種以上のカリウム塩、前記非対称性イミドのカリウム塩と特定のペルフルオロアルキル基を有する対称性イミドのカリウム塩との混合塩、又は前記非対称性イミドのカリウム塩と前記対称性イミドのカリウム塩とペルフルオロアルキル基を有するスルホン酸カリウム塩との混合塩を用いて、前記1種又は2種以上のカリウム塩及び混合塩の組成割合を、モル比で、(非対称性イミドのカリウム塩)x(対称性イミドのカリウム塩)y(スルホン酸カリウム塩)1-(x+y)に特定する(但し、xは0.1〜1.0であり、yは0〜0.9であり、x+y≦1.0である。)。こうすることにより、前記1種又は2種以上のカリウム塩又は前記混合塩の溶解度が上昇し、イオン半径の比較的大きなカリウムにおいても、カリウム塩1モルに対して溶媒量が2モル以上40モル未満の範囲で、前記1種又は2種以上のカリウム塩又は混合塩のカリウム塩が水溶液になるとともに、水の電気分解が抑制されることにより、特許文献2に示される実施例から示唆されるカリウム電池のクーロン効率より高いクーロン効率にすることができる。 In the aqueous electrolyte solution for a power storage device according to the first aspect of the present invention, one or more potassium salts of an asymmetric imide having a specific perfluoroalkyl group and potassium of the asymmetric imide as an electrolyte of the aqueous electrolyte solution. A mixed salt of a salt and a potassium salt of a symmetric imide having a specific perfluoroalkyl group, or a mixed salt of the potassium salt of the asymmetric imide, the potassium salt of the symmetric imide, and a potassium sulfonic acid having a perfluoroalkyl group. The composition ratio of one or more potassium salts and mixed salts is determined by molar ratio of (potassium salt of asymmetric imide) x (potassium salt of symmetric imide) y (potassium sulfonate). It is specified as 1- (x + y) (where x is 0.1 to 1.0, y is 0 to 0.9, and x + y ≦ 1.0). By doing so, the solubility of the one or more potassium salts or the mixed salts is increased, and even in potassium having a relatively large ionic radius, the amount of solvent is 2 mol or more and 40 mol per 1 mol of potassium salt. In the range of less than, the potassium salt of one or more of the above or two or more kinds of potassium salts or mixed salts becomes an aqueous solution, and the electrolysis of water is suppressed, which is suggested from the examples shown in Patent Document 2. The Coulomb efficiency can be higher than the Coulomb efficiency of the potassium battery.
本発明の第2の観点の蓄電デバイス用水系電解液では、前記非対称性イミド構造を有する1種又は2種以上のカリウム塩の融点は、230℃以下という低温である。これは、非対称性イミド構造を有するカリウム塩は、その非対称な分子構造により結晶性の低下が起こり、対称性イミド構造を有するカリウム塩よりも融点が低下し、水への溶解性が高くなることによる。特に融点が230℃以下を有する非対称性イミドを有するカリウム塩が、水への溶解性が高く水系電解液として有用である。 In the aqueous electrolyte solution for a power storage device according to the second aspect of the present invention, the melting point of one or more potassium salts having the asymmetric imide structure is as low as 230 ° C. or lower. This is because a potassium salt having an asymmetric imide structure has a lower crystallinity due to its asymmetric molecular structure, has a lower melting point than a potassium salt having a symmetric imide structure, and has higher solubility in water. by. In particular, a potassium salt having an asymmetric imide having a melting point of 230 ° C. or lower is highly soluble in water and is useful as an aqueous electrolytic solution.
本発明の第3の観点の蓄電デバイス用水系電解液では、水系電解液中のフッ素イオン含有量が10ppm以下であり、前記水系電解液中の水素含有量が10ppm以下であると、良好な溶融塩状態の形成が可能となり、更にフッ素イオンや水素のような不純物に由来する副反応が減少することから、カリウム電池にしたときに、クーロン効率をより高めることができる。 In the aqueous electrolytic solution for a power storage device according to the third aspect of the present invention, when the fluorine ion content in the aqueous electrolytic solution is 10 ppm or less and the hydrogen content in the aqueous electrolytic solution is 10 ppm or less, good melting is performed. Since the salt state can be formed and side reactions derived from impurities such as fluorine ions and hydrogen are reduced, the Coulomb efficiency can be further improved when the potassium battery is used.
本発明の第4の観点の蓄電デバイス用水系電解液では、カリウムイオン二次電池、電気二重層キャパシタ又はカリウムイオンキャパシタに好適に用いることができる。 The aqueous electrolyte solution for a power storage device according to the fourth aspect of the present invention can be suitably used for a potassium ion secondary battery, an electric double layer capacitor or a potassium ion capacitor.
本発明の第5の観点の特定の非対称性イミドの1種又は2種以上のカリウム塩又は本発明の第6の観点の特定の非対称性イミドのカリウム塩と特定の対称性イミドのカリウム塩との混合塩或いは第7の観点の特定の非対称性イミドのカリウム塩と特定の対称性イミドのカリウム塩とペルフルオロアルキル基を有するスルホン酸カリウム塩との混合塩は、フッ素イオンや水素のような不純物が少ないため、蓄電デバイス用水系電解液の電解質として好適に用いることができる。 One or more potassium salts of the specific asymmetric imide of the fifth aspect of the present invention or the potassium salt of the specific asymmetric imide of the sixth aspect of the present invention and the potassium salt of the specific symmetric imide. A mixed salt of a specific asymmetric imide potassium salt of a seventh aspect, a specific symmetric imide potassium salt, and a sulfonic acid potassium salt having a perfluoroalkyl group are impurities such as fluorine ions and hydrogen. Therefore, it can be suitably used as an electrolyte for an aqueous electrolyte solution for a power storage device.
次に本発明を実施するための形態を説明する。 Next, a mode for carrying out the present invention will be described.
〔電解液〕
(1)溶媒
本実施形態の蓄電デバイス用電解液(以下、単に「電解液」ということがある。)は、水系電解液であることを特徴とする。従って、本実施形態の蓄電デバイス用水系電解液において用いられる溶媒は水である。ただし、溶媒を、水及びその他の非水溶媒を含む混合溶媒とすることも可能である。そのような非水溶媒は、水に可溶なものであり、例えば、メタノール等のアルコール類、並びに、アセトン、アセトニトリル、ジメチルスルホキシド、又は、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート等のカーボネート類等の非プロトン性極性溶媒を挙げることができる。かかる混合溶媒の場合でも、水の割合は体積比で90%以上であることが好ましい。
[Electrolytic solution]
(1) Solvent The electrolytic solution for a power storage device of the present embodiment (hereinafter, may be simply referred to as “electrolytic solution”) is characterized by being an aqueous electrolytic solution. Therefore, the solvent used in the aqueous electrolytic solution for the power storage device of the present embodiment is water. However, the solvent can be a mixed solvent containing water and other non-aqueous solvents. Such non-aqueous solvents are soluble in water and are, for example, alcohols such as methanol, as well as acetone, acetonitrile, dimethyl sulfoxide, or dimethyl carbonate, ethylmethyl carbonate, diethyl carbonate, ethylene carbonate, propylene. Examples thereof include aprotic polar solvents such as carbonates such as carbonates. Even in the case of such a mixed solvent, the ratio of water is preferably 90% or more by volume.
(2)電解質としてのカリウム塩
本実施形態の蓄電デバイス用水系電解液において電解質として用いられるカリウム塩は、(i)ペルフルオロアルキル基を有する非対称性イミドの1種又は2種以上のカリウム塩であるか、又は(ii)前記非対称性イミドのカリウム塩とペルフルオロアルキル基を有する対称性イミドのカリウム塩との混合塩であるか、或いは(iii)前記非対称性イミドのカリウム塩と前記対称性イミドのカリウム塩とペルフルオロアルキル基を有するスルホン酸カリウム塩との混合塩である。前記1種又は2種以上のカリウム塩及び混合塩の組成割合をモル比で表すと、(非対称性イミドのカリウム塩)x(対称性イミドのカリウム塩)y(スルホン酸カリウム塩)1-(x+y)である(但し、xは0.1〜1.0であり、yは0〜0.9であり、x+y≦1.0である。)。即ち、前記1種又は2種以上のカリウム塩及び前記混合塩の組成割合は、対称性イミドのカリウム塩と非対称性イミドのカリウム塩を合計したモル数を1モルとしたときに、非対称性イミドのカリウム塩が、0.1モル〜1.0モルである。その組成は、好ましくは、モル比で、非対称性イミドのカリウム塩:対称性イミドのカリウム塩=0.2:0.8〜1.0:0であり、更に好ましくは0.4:0.6〜0.8:0.2である。非対称性イミドのカリウム塩が前記モル比の下限値未満では、水溶液にならないため、カリウム塩1モルに対して溶媒量が40モル以上必要となる。
(2) Potassium salt as an electrolyte The potassium salt used as an electrolyte in the aqueous electrolyte solution for a power storage device of the present embodiment is (i) one or more potassium salts of an asymmetric imide having a perfluoroalkyl group. Or (ii) a mixed salt of the potassium salt of the asymmetric imide and a potassium salt of the symmetric imide having a perfluoroalkyl group, or (iii) the potassium salt of the asymmetric imide and the symmetric imide. It is a mixed salt of a potassium salt and a potassium sulfonic acid salt having a perfluoroalkyl group. When the composition ratio of one or more potassium salts and mixed salts is expressed in molar ratio, (potassium salt of asymmetric imide) x (potassium salt of symmetric imide) y (potassium sulfonate) 1-( x + y) (where x is 0.1 to 1.0, y is 0 to 0.9, and x + y ≦ 1.0). That is, the composition ratio of the one or more potassium salts and the mixed salt is asymmetric imide when the total number of moles of the symmetric imide potassium salt and the asymmetric imide potassium salt is 1 mol. The potassium salt of is 0.1 mol to 1.0 mol. The composition is preferably in molar ratio, potassium salt of asymmetric imide: potassium salt of symmetric imide = 0.2: 0.8 to 1.0: 0, and more preferably 0.4: 0. 6 to 0.8: 0.2. If the potassium salt of the asymmetric imide is less than the lower limit of the molar ratio, it does not become an aqueous solution, so that the amount of solvent is 40 mol or more per 1 mol of the potassium salt.
前記非対称性イミドカリウム塩は、化合物1であるカリウム(ペンタフルオロエタンスルホニル)(トリフルオロメタンスルホニル)イミド((C2F5SO2)(CF3SO2)NK)であるか、又は化合物2であるカリウム(ヘプタフルオロプロパンスルホニル)(トリフルオロメタンスルホニル)イミド((C3F7SO2)(CF3SO2)NK)であるか、或いは化合物4であるカリウム(ノナフルオロブタンスルホニル)(トリフルオロメタンスルホニル)イミド((C4F9SO2)(CF3SO2)NK)である。また前記対称性イミドアニオンは、化合物3であるカリウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド((CF3SO2)2NK)であるか、又は化合物5であるカリウムビス(ペンタフルオロエタンスルホニル)イミド((C2F5SO2)2NK)である。
The asymmetric imide potassium salt is either the
前記化合物1〜5以外の非対称性イミドカリウム塩及び対称性イミドカリウム塩には、以下の表1に示すカリウム塩がある。表1には、化合物1〜5のカリウム塩と、化合物6〜7のカリウム塩と、前記化合物8のスルホン酸カリウム塩とを、それぞれの融点及びそれぞれの呼称(化合物1〜化合物8)とともに示す。カリウム塩の融点はTG−DTA(ネッチジャパン製 TG−DTA2000SA)による測定値である。表1から明らかなように、化合物1〜4のカリウム塩の融点が230℃以下であり、それ以外の化合物5〜7のイミドカリウム塩の融点は230℃を超える。
Asymmetric imide potassium salts and symmetric imide potassium salts other than the
また本実施形態の蓄電デバイス用水系電解液は、高濃度のカリウム塩を含むことを特徴とする。これによって、従来は、水系電解液では可逆的に作動し得なかった電極構成においても、高い電圧を発生する二次電池などの蓄電デバイスを実現することができる。前記電解液中におけるカリウム塩と溶媒の混合比は、前記1種又は2種以上のカリウム塩又は前記混合塩のカリウム塩1モルに対して溶媒が2モル以上40モル未満であり、好ましくは、溶媒が4モル以上34モル以下である。本実施形態の蓄電デバイス用電解液は、かかる高濃度のカリウム塩を用いることにより、純水の電位窓(安定電位領域)を超える電位窓を有し、好ましくは、2.0V以上の電位窓を有する。 Further, the aqueous electrolytic solution for a power storage device of the present embodiment is characterized by containing a high concentration of potassium salt. As a result, it is possible to realize a power storage device such as a secondary battery that generates a high voltage even in an electrode configuration that could not operate reversibly with an aqueous electrolytic solution in the past. The mixing ratio of the potassium salt and the solvent in the electrolytic solution is such that the solvent is 2 mol or more and less than 40 mol with respect to 1 mol of the potassium salt of one or more kinds or the mixed salt, and preferably. The solvent is 4 mol or more and 34 mol or less. The electrolytic solution for a power storage device of the present embodiment has a potential window that exceeds the potential window (stable potential region) of pure water by using such a high concentration potassium salt, and preferably has a potential window of 2.0 V or higher. Has.
また本実施形態の蓄電デバイス用水系電解液中の前記混合塩のカリウム塩の融点が低いものが好ましい。非対称性イミド構造を有するカリウム塩は、その非対称な分子構造により、結晶性の低下が起こり、対称性イミド構造を有するカリウム塩よりも融点が低下し、水への溶解性が高くなる。特に融点が230℃以下を有する非対称性イミドを有するカリウム塩が、水への溶解性が高く、水系電解液として有用である。更に水系電解液中のフッ素イオン含有量が10ppm以下であり、水系電解液中の水素含有量が10ppm以下であることが好ましい。こうすることにより良好な溶融塩状態の形成が可能となり、更にフッ素イオンや水素のような不純物に由来する副反応が減少することから、カリウム電池のクーロン効率がより一層高まる。前記フッ素イオン含有量が10ppmを超えると、また前記水素含有量が10ppmを超えると、良好な溶融塩の形成が阻害され、フッ素イオンや水素のような不純物に由来する副反応が増加することから、カリウム電池のクーロン効率が低下し易い。 Further, it is preferable that the potassium salt of the mixed salt in the aqueous electrolytic solution for the power storage device of the present embodiment has a low melting point. A potassium salt having an asymmetric imide structure has a lower crystallinity due to its asymmetric molecular structure, has a lower melting point than a potassium salt having a symmetric imide structure, and has higher solubility in water. In particular, a potassium salt having an asymmetric imide having a melting point of 230 ° C. or lower is highly soluble in water and is useful as an aqueous electrolytic solution. Further, it is preferable that the fluorine ion content in the water-based electrolytic solution is 10 ppm or less and the hydrogen content in the water-based electrolytic solution is 10 ppm or less. By doing so, a good molten salt state can be formed, and side reactions derived from impurities such as fluorine ions and hydrogen are reduced, so that the Coulomb efficiency of the potassium battery is further enhanced. When the fluorine ion content exceeds 10 ppm, and when the hydrogen content exceeds 10 ppm, the formation of a good molten salt is inhibited and side reactions derived from impurities such as fluorine ions and hydrogen increase. , The Coulomb efficiency of potassium batteries tends to decrease.
上述したカリウム塩に加えて、当該技術分野において公知の支持電解質を含むことができる。そのような支持電解質は、例えば、二次電池がカリウムイオン二次電池である場合には、KPF6、KBF4、KClO4、KNO3、KCl、K2SO4及びK2S等及びこれらの任意の組み合わせから選択されるものが挙げられる。 In addition to the potassium salt described above, supporting electrolytes known in the art can be included. Such supporting electrolytes include, for example, KPF 6 , KBF 4 , KClO 4 , KNO 3 , KCl, K 2 SO 4 and K 2 S, etc., and these, when the secondary battery is a potassium ion secondary battery. The one selected from any combination can be mentioned.
(3)その他の成分
また本実施形態の蓄電デバイス用電解液は、その機能の向上等の目的で、必要に応じて他の成分を含むこともできる。他の成分としては、例えば、従来公知の過充電防止剤、脱酸剤、高温保存後の容量維持特性及びサイクル特性を改善するための特性改善助剤が挙げられる。
(3) Other Components The electrolytic solution for a power storage device of the present embodiment may contain other components as necessary for the purpose of improving its function. Examples of other components include conventionally known overcharge inhibitors, deoxidizers, and property improving aids for improving capacity retention characteristics and cycle characteristics after high temperature storage.
当該電解液が過充電防止剤を含有する場合、電解液中の過充電防止剤の含有量は、0.01質量%〜5質量%であることが好ましい。電解液に過充電防止剤を0.1質量%以上含有させることにより、過充電による蓄電デバイスの破裂・発火を抑制することが更に容易になり、蓄電デバイスをより安定に使用できる。 When the electrolytic solution contains an overcharge inhibitor, the content of the overcharge inhibitor in the electrolytic solution is preferably 0.01% by mass to 5% by mass. By containing 0.1% by mass or more of the overcharge inhibitor in the electrolytic solution, it becomes easier to suppress the bursting and ignition of the power storage device due to overcharge, and the power storage device can be used more stably.
〔蓄電デバイス〕
本実施形態の蓄電デバイスは、正極及び負極と、本実施形態の水系電解液を備えるものである。蓄電デバイスとしては、カリウムイオン二次電池、電気二重層キャパシタ又はカリウムイオンキャパシタが例示できる。
[Power storage device]
The power storage device of the present embodiment includes a positive electrode and a negative electrode, and the aqueous electrolytic solution of the present embodiment. Examples of the power storage device include a potassium ion secondary battery, an electric double layer capacitor, and a potassium ion capacitor.
(1)負極
本実施形態の蓄電デバイスにおける負極としては、当該技術分野において公知の電極構成を用いることができる。例えば、蓄電デバイスがカリウムイオン二次電池の場合には、電気化学的にカリウムイオンを吸蔵・放出できる負極活物質を含む電極が挙げられる。このような負極活物質としては、公知のカリウムイオン二次電池用負極活物質を用いることができ、例えば、易黒鉛化性炭素、難黒鉛化性炭素(ハードカーボン)等の炭素質材料が挙げられる。更に他の例として、カリウム元素を有する合金や金属酸化物のような金属化合物が挙げられる。カリウム元素を有する合金としては、例えばカリウムアルミニウム合金、カリウムスズ合金、カリウム鉛合金、カリウムケイ素合金等が挙げられる。またカリウム元素を有する金属化合物としては、例えばチタン酸カリウム(K2Ti3O7又はK4Ti5O12)等のカリウム含有チタン酸化物等が挙げられる。これら負極活物質は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。なかでも、カリウムイオン二次電池の場合の負極活物質としては、チタン酸カリウムが好ましい。
(1) Negative electrode As the negative electrode in the power storage device of the present embodiment, an electrode configuration known in the art can be used. For example, when the power storage device is a potassium ion secondary battery, an electrode containing a negative electrode active material capable of electrochemically storing and releasing potassium ions can be mentioned. As such a negative electrode active material, a known negative electrode active material for a potassium ion secondary battery can be used, and examples thereof include carbonaceous materials such as graphitizable carbon and non-graphitizable carbon (hard carbon). Be done. Still other examples include metal compounds such as alloys having potassium elements and metal oxides. Examples of alloys having a potassium element include potassium aluminum alloys, potassium tin alloys, potassium lead alloys, potassium silicon alloys and the like. Examples of the metal compound having a potassium element include potassium-containing titanium oxides such as potassium titanate (K 2 Ti 3 O 7 or K 4 Ti 5 O 12 ). These negative electrode active materials may be used alone or in combination of two or more. Of these, potassium titanate is preferable as the negative electrode active material in the case of a potassium ion secondary battery.
蓄電デバイスが電気二重層キャパシタの場合は、分極性電極材料を負極に含む。分極性電極材料としては、通常の電気二重層キャパシタに用いられるものであればよく、種々の原料から製造した活性炭を例示できる。活性炭は、比表面積の大きなものが好ましい。 When the power storage device is an electric double layer capacitor, the negative electrode material contains a polarizable electrode material. The polar electrode material may be any material used for ordinary electric double layer capacitors, and activated carbon produced from various raw materials can be exemplified. The activated carbon preferably has a large specific surface area.
蓄電デバイスがカリウムイオンキャパシタの場合は、カリウムイオンを吸蔵及び放出し得る材料を負極に含む。当該材料として、天然黒鉛又は人造黒鉛などの黒鉛含有材料を例示できる。またカリウムイオンなどのカチオンを挿入及び脱離して一定電位でレドックス容量を示す、チタン酸カリウムなどの材料を用いてもよい。負極活物質にカリウムを含まない材料を用いる場合、金属カリウムやカリウムを多く含む化合物を負極もしくは正極に添加し、これらからカリウムを負極活物質に予めドープしたものを使用してもよい。 When the power storage device is a potassium ion capacitor, the negative electrode contains a material capable of occluding and releasing potassium ions. Examples of the material include graphite-containing materials such as natural graphite and artificial graphite. Further, a material such as potassium titanate, which exhibits a redox capacity at a constant potential by inserting and desorbing a cation such as potassium ion, may be used. When a potassium-free material is used as the negative electrode active material, a metal potassium or a compound containing a large amount of potassium may be added to the negative electrode or the positive electrode, and potassium may be pre-doped into the negative electrode active material.
蓄電デバイスが二次電池の場合、前記負極は、負極活物質のみを含有するものであっても良く、負極活物質の他に、導電性材料及び結着材(バインダ)の少なくとも一方を含有し、負極合材として負極集電体に付着させた形態であるものであっても良い。例えば、負極活物質が箔状である場合は、負極活物質のみを含有する負極とすることができる。一方、負極活物質が粉末状である場合は、負極活物質及び結着材(バインダ)を有する負極とすることができる。粉末状の負極活物質を用いて負極を形成する方法としては、ドクターブレード法や圧着プレスによる成型方法等を用いることができる。蓄電デバイスがキャパシタの場合も同様である。 When the power storage device is a secondary battery, the negative electrode may contain only the negative electrode active material, and contains at least one of a conductive material and a binder (binder) in addition to the negative electrode active material. , The negative electrode mixture may be attached to the negative electrode current collector. For example, when the negative electrode active material is in the form of a foil, it can be a negative electrode containing only the negative electrode active material. On the other hand, when the negative electrode active material is in the form of powder, it can be a negative electrode having a negative electrode active material and a binder. As a method for forming the negative electrode using the powdered negative electrode active material, a doctor blade method, a molding method by a crimp press, or the like can be used. The same applies when the power storage device is a capacitor.
導電性材料としては、例えば、炭素材料、金属繊維等の導電性繊維、銅、銀、ニッケル、アルミニウム等の金属粉末、ポリフェニレン誘導体等の有機導電性材料を使用することができる。炭素材料として、黒鉛、ソフトカーボン、ハードカーボン、カーボンブラック、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、グラファイト、活性炭、カーボンナノチューブ、カーボンファイバー等を使用することができる。また芳香環を含む合成樹脂、石油ピッチ等を焼成して得られたメソポーラスカーボンを使用することもできる。 As the conductive material, for example, a carbon material, a conductive fiber such as a metal fiber, a metal powder such as copper, silver, nickel or aluminum, or an organic conductive material such as a polyphenylene derivative can be used. As the carbon material, graphite, soft carbon, hard carbon, carbon black, Ketjen black, acetylene black, graphite, activated carbon, carbon nanotubes, carbon fiber and the like can be used. It is also possible to use mesoporous carbon obtained by firing a synthetic resin containing an aromatic ring, petroleum pitch, or the like.
結着剤としては、例えば、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)、エチレンテトラフルオロエチレン(ETFE)等のフッ素系樹脂、或いは、ポリエチレン、ポリプロピレンなどを好ましく用いることができる。負極集電体としては、銅、ニッケル、アルミニウム、亜鉛、チタン、白金、ステンレススチール等の金属を主体とする棒状体、板状体、箔状体、網状体等を使用することができる。 As the binder, for example, a fluororesin such as polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene (PTFE), or ethylene tetrafluoroethylene (ETFE), or polyethylene or polypropylene can be preferably used. As the negative electrode current collector, a rod-shaped body, a plate-shaped body, a foil-shaped body, a net-like body or the like mainly made of a metal such as copper, nickel, aluminum, zinc, titanium, platinum or stainless steel can be used.
(2)正極
本実施形態の蓄電デバイスの正極としては、当該技術分野において公知の電極構成を用いることができる。例えば、蓄電デバイスがカリウムイオン二次電池の場合には、正極活物質としては、コバルト酸カリウム(KCoO2)、マンガン酸カリウム(KMnO2)、ニッケル酸カリウム(KNiO2)、バナジン酸カリウム(KVO2)。鉄酸カリウム(KFeO2)等の1種類以上の遷移金属を含むカリウム含有遷移金属酸化物、遷移金属硫化物、金属酸化物、リン酸鉄カリウム(KFePO4)、或いはリン酸コバルトカリウム(K2CoPO4)フッ化リン酸コバルトカリウム(KCoPO4F)フッ化リン酸鉄カリウム(K2FePO4F)等の1種類以上の遷移金属を含むカリウム含有リン酸化合物等が挙げられる。当該正極には、導電性材料や結着剤を含有してもよい。
(2) Positive Electrode As the positive electrode of the power storage device of the present embodiment, an electrode configuration known in the art can be used. For example, when the power storage device is a potassium ion secondary battery, the positive electrode active material includes potassium cobaltate (KCoO 2 ), potassium manganate (KMnO 2 ), potassium nickelate (KNiO 2 ), and potassium vanadate (KVO). 2 ). Potassium-containing transition metal oxides containing one or more transition metals such as potassium ironate (KFeO 2 ), transition metal sulfides, metal oxides, potassium iron phosphate (KFePO 4 ), or potassium cobalt phosphate (K 2). CoPO 4) and potassium-containing phosphate compounds containing one or more transition metals such as fluoride cobalt phosphate potassium (KCoPO 4 F) of potassium fluoride iron phosphate (K 2 FePO 4 F) is. The positive electrode may contain a conductive material or a binder.
また正極活物質として酸素や酸化カリウムなどの酸素含有金属塩を採用してもよい。そして、かかる正極活物質を具備する正極は、かかる正極活物質における酸素の酸化還元反応を促進する触媒を含有してもよい。好ましい正極活物質としては、カリウムを過剰に含有する遷移金属酸化物(当該遷移金属は、例えばマンガン、コバルト、鉄、ニッケル、銅である。)を例示できる。また大気中の酸素を効率よくレドックスさせて容量を取り出すための反応場を作り出すために、正極内に活性炭などの高比表面積材料を用いることもできる。 Further, an oxygen-containing metal salt such as oxygen or potassium oxide may be used as the positive electrode active material. Then, the positive electrode including the positive electrode active material may contain a catalyst that promotes the redox reaction of oxygen in the positive electrode active material. As a preferable positive electrode active material, a transition metal oxide containing an excess of potassium (the transition metal is, for example, manganese, cobalt, iron, nickel, copper) can be exemplified. In addition, a high specific surface area material such as activated carbon can be used in the positive electrode in order to efficiently redox oxygen in the atmosphere and create a reaction field for extracting the capacity.
蓄電デバイスがキャパシタの場合は、分極性電極材料を正極に含有する。分極性電極材料としては、負極で説明したものを採用すればよい。また分極性電極材料には、ポリアセンなどの導電性高分子や2,2,6,6−テトラメチルピペリジン−N−オキシル(TEMPO)のようにアニオンの吸脱着により容量が大きくなるようなレドックスキャパシタに使われる材料を用いても良い。またカリウムイオンなどのカチオンを挿入及び脱離して3V以上の一定電位でレドックス容量を示す、スピネル構造のマンガン酸カリウムやオリビン構造のリン酸鉄カリウムなどの材料を含んでもよい。 When the power storage device is a capacitor, the polar electrode material is contained in the positive electrode. As the partial polarity electrode material, the material described for the negative electrode may be adopted. In addition, polar electrode materials include conductive polymers such as polyacene and redox capacitors such as 2,2,6,6-tetramethylpiperidine-N-oxyl (TEMPO) whose capacitance increases due to the adsorption and desorption of anions. You may use the material used for. Further, a material such as potassium manganate having a spinel structure or potassium iron phosphate having an olivine structure, which exhibits a redox capacity at a constant potential of 3 V or more by inserting and removing a cation such as potassium ion, may be contained.
導電性材料及び結着剤としては、前記負極と同様のものを用いることができる。 As the conductive material and the binder, the same materials as those for the negative electrode can be used.
正極集電体としては、ニッケル、アルミニウム、チタン、白金、ステンレススチール等の金属を主体とする棒状体、板状体、箔状体、網状体等を使用することができる。金属は、例えば、銅、ニッケル、アルミニウム、ステンレススチール等である。 As the positive electrode current collector, a rod-shaped body, a plate-shaped body, a foil-shaped body, a net-like body, or the like mainly made of a metal such as nickel, aluminum, titanium, platinum, or stainless steel can be used. The metal is, for example, copper, nickel, aluminum, stainless steel and the like.
(3)セパレータ
本実施形態の蓄電デバイスにおいて用いられるセパレータとしては、正極層と負極層とを電気的に分離する機能を有するものであれば特に限定されるものではないが、例えばポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリエステル、セルロース、ポリアミド等の樹脂からなる多孔質シートや、不織布、ガラス繊維不織布等の不織布等の多孔質絶縁材料等を挙げることができる。
(3) Separator The separator used in the power storage device of the present embodiment is not particularly limited as long as it has a function of electrically separating the positive electrode layer and the negative electrode layer, but for example, polyethylene (PE). , Polypropylene (PP), polyester, cellulose, polyamide and other resin-based porous sheets, and non-woven fabrics such as non-woven fabrics and glass fiber non-woven fabrics and other porous insulating materials can be mentioned.
(4)形状等
本実施形態の蓄電デバイスの形状は、正極、負極、及び電解液を収納することができれば特に限定されるものではないが、例えば、円筒型、コイン型、平板型、ラミネート型等を挙げることができる。
(4) Shape, etc. The shape of the power storage device of the present embodiment is not particularly limited as long as it can store the positive electrode, the negative electrode, and the electrolytic solution, but for example, it is a cylindrical type, a coin type, a flat plate type, or a laminated type. And so on.
また蓄電デバイスを収納するケースは、大気開放型のケースであっても良く、密閉型のケースであっても良い。 Further, the case for storing the power storage device may be an open-air case or a closed-type case.
なお、本実施形態の電解液及び二次電池は、二次電池としての用途に好適ではあるが、一次電池として用いることを除外するものではない。 Although the electrolytic solution and the secondary battery of the present embodiment are suitable for use as a secondary battery, the use as a primary battery is not excluded.
次に本発明の実施例を比較例とともに詳しく説明する。 Next, examples of the present invention will be described in detail together with comparative examples.
<実施例1−1>
非対称性イミドとして、フッ素イオンを9ppm及び水素を8ppmそれぞれ含む「化合物1」1.0モルの単独塩に水16.0モルを加え、50℃で加熱溶融し、室温におけるカリウム塩の飽和水溶液としての電解液を調製した。
<Example 1-1>
As an asymmetric imide, 16.0 mol of water was added to 1.0 mol of a single salt of "
<実施例1−2>
対称性イミドとして、表1に「化合物3」として示されるカリウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド((CF3SO2)2NK)を用いた。実施例1−1と同じ「化合物1」0.8モルと、フッ素イオンを8ppm及び水素を4ppmそれぞれ含む「化合物3」0.2モルとを混合した混合塩に水13.5モルを加え、50℃で加熱溶融し、室温におけるカリウム塩の飽和水溶液としての電解液を調製した。
<Example 1-2>
As the symmetric imide, potassium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide ((CF 3 SO 2 ) 2 NK) shown as “
<実施例1−3>
実施例1−1と同じ「化合物1」0.6モルと、実施例1−2と同じ「化合物3」0.4モルとを混合した混合塩に水11.0モルを加え、50℃で加熱溶融し、室温におけるカリウム塩の飽和水溶液としての電解液を調製した。
<Example 1-3>
Add 11.0 mol of water to a mixed salt obtained by mixing 0.6 mol of “
<実施例1−4>
実施例1−1と同じ「化合物1」0.4モルと、実施例1−2と同じ「化合物3」0.6モルとを混合した混合塩に水22.0モルを加え、50℃で加熱溶融し、室温におけるカリウム塩の飽和水溶液としての電解液を調製した。
<Example 1-4>
Add 22.0 mol of water to a mixed salt in which 0.4 mol of "
<実施例1−5>
実施例1−1と同じ「化合物1」0.2モルと、実施例1−2と同じ「化合物3」0.8モルとを混合した混合塩に水34.0モルを加え、50℃で加熱溶融し、室温におけるカリウム塩の飽和水溶液としての電解液を調製した。
<Example 1-5>
Add 34.0 mol of water to a mixed salt in which 0.2 mol of "
<実施例1−6>
フッ素イオンを26ppm及び水素を11ppmそれぞれ含む「化合物1」0.8モルと、フッ素イオンを12ppm及び水素を30ppmそれぞれ含む「化合物3」0.2モルとを混合した混合塩に水13.5モルを加え、50℃で加熱溶融し、室温におけるカリウム塩の飽和水溶液としての電解液を調製した。
<Example 1-6>
13.5 mol of water in a mixed salt containing 0.8 mol of "
<実施例1−7>
実施例1−6と同じ「化合物1」0.6モルと、実施例1−6と同じ「化合物3」0.4モルとを混合した混合塩に水11.0モルを加え、50℃で加熱溶融し、室温におけるカリウム塩の飽和水溶液としての電解液を調製した。
<Example 1-7>
Add 11.0 mol of water to a mixed salt in which 0.6 mol of "
<実施例1−8>
実施例1−6と同じ「化合物1」0.4モルと、実施例1−6と同じ「化合物3」0.6モルとを混合した混合塩に水22.0モルを加え、50℃で加熱溶融し、室温におけるカリウム塩の飽和水溶液としての電解液を調製した。
<Example 1-8>
Add 22.0 mol of water to a mixed salt in which 0.4 mol of "
<比較例1>
実施例1−2と同じ対称性イミド構造のカリウム塩である「化合物3」1モルの単独塩に水42.0モルを加え、50℃で加熱溶融し、室温におけるカリウム塩の飽和水溶液としての電解液を調製した。
<Comparative example 1>
42.0 mol of water was added to 1 mol of a single salt of "
図1に、化合物1と化合物3の混合塩である実施例1−2〜1−5、化合物1の単独塩である実施例1−1、及び化合物3の単独塩である比較例1のカリウム塩の各組成比と溶解に必要なそれぞれの水分量を示す。図1において、縦軸は(水のモル数)/(全カリウム塩のモル数)を示し、横軸は化合物1と化合物3の合計量に対する化合物1のモル比を示す。図1から、実施例1−2〜1−5の混合塩又は実施例1−1の非対称性イミド構造の単独塩では、(水のモル数)/(全カリウム塩のモル数)が11.0〜34.0で水溶液になることが実証された。一方、比較例1の対称性イミド構造の単独塩では(水のモル数)/(全カリウム塩のモル数)が42.0にならないと水溶液にならないことが実証された。
FIG. 1 shows the potassium of Examples 1-2-1-5, which is a mixed salt of
<実施例2>
実施例1−1と同じ「化合物1」0.12モルと、実施例1−2と同じ「化合物3」0.08モルと、スルホン酸カリウム塩として、フッ素イオンを8ppm及び水素を3ppmそれぞれ含む「化合物8」0.8モルとを混合した混合塩に水2.0モルを加え、50℃で加熱溶融し、室温におけるカリウム塩の飽和水溶液としての電解液を調製した。
<Example 2>
0.12 mol of "
<実施例3−1>
非対称性イミドとして、フッ素イオンを7ppm及び水素を7ppmそれぞれ含む「化合物2」1モルの単独塩に水6.0モルを加え、50℃で加熱溶融し、室温におけるカリウム塩の飽和水溶液としての電解液を調製した。
<Example 3-1>
As an asymmetric imide, 6.0 mol of water was added to 1 mol of a single salt of "Compound 2" containing 7 ppm of fluorine ions and 7 ppm of hydrogen, and the mixture was heated and melted at 50 ° C. and electrolyzed as a saturated aqueous solution of potassium salt at room temperature. The liquid was prepared.
<実施例3−2>
実施例3−1と同じ「化合物2」0.8モルと、実施例1−2と同じ「化合物3」0.2モルとを混合した混合塩に水4.0モルを加え、50℃で加熱溶融し、室温におけるカリウム塩の飽和水溶液としての電解液を調製した。
<Example 3-2>
4.0 mol of water was added to a mixed salt obtained by mixing 0.8 mol of the same "Compound 2" as in Example 3-1 and 0.2 mol of the same "
<実施例3−3>
実施例3−1と同じ「化合物2」0.6モルと実施例1−2と同じ「化合物3」0.4モルとを混合した混合塩に水3.0モルを加え、50℃で加熱溶融し、室温におけるカリウム塩の飽和水溶液としての電解液を調製した。
<Example 3-3>
Add 3.0 mol of water to a mixed salt in which 0.6 mol of "Compound 2" same as Example 3-1 and 0.4 mol of "
<実施例3−4>
実施例3−1と同じ「化合物2」0.4モルと実施例1−2と同じ「化合物3」0.6モルとを混合した混合塩に水9.0モルを加え、50℃で加熱溶融し、室温におけるカリウム塩の飽和水溶液としての電解液を調製した。
<Example 3-4>
9.0 mol of water was added to a mixed salt obtained by mixing 0.4 mol of "Compound 2" same as Example 3-1 and 0.6 mol of "
<実施例3−5>
実施例3−1と同じ「化合物2」0.2モルと実施例1−2と同じ「化合物3」0.8モルとを混合した混合塩に水18.0モルを加え、50℃で加熱溶融し、室温におけるカリウム塩の飽和水溶液としての電解液を調製した。
<Example 3-5>
Add 18.0 mol of water to a mixed salt obtained by mixing 0.2 mol of "Compound 2" same as Example 3-1 and 0.8 mol of "
図2に、化合物2と化合物3の混合塩である実施例3−2〜3−5、化合物2の非対称性イミド構造の単独塩である実施例3−1、及び化合物3の前述した対称性イミド構造の単独塩である比較例1のカリウム塩の各組成比と溶解に必要なそれぞれの水分量を示す。図2の縦軸は図1と同じである。横軸は化合物2と化合物3の合計量に対する化合物2のモル比を示す。図2から、実施例3−2〜3−5の混合塩又は実施例3−1の非対称性イミド構造の単独塩では、(水のモル数)/(全カリウム塩のモル数)が3.0〜18.0で水溶液になることが実証された。一方、比較例1の対称性イミド構造の単独塩では(水のモル数)/(全カリウム塩のモル数)が42.0にならないと水溶液にならないことが実証された。
FIG. 2 shows Examples 3-2-3-5, which is a mixed salt of Compound 2 and
<実施例4>
実施例1−1と同じ「化合物1」0.2モルと、非対称性イミドとして、フッ素イオンを8ppm及び水素を9ppmそれぞれ含む、表1に「化合物4」として示されるカリウム(ノナフルオロブタンスルホニル)(トリフルオロメタンスルホニル)イミド((C4F9SO2)(CF3SO2)NK)0.2モルと、対称性イミドとして、フッ素イオンを6ppm及び水素を1ppmそれぞれ含む、表1に「化合物5」として示されるカリウムビス(ペンタフルオロエタンスルホニル)イミド((C2F5SO2)2NK)「化合物5」0.6モルとを混合した混合塩に水38.0モルを加え、50℃で加熱溶融し、室温におけるカリウム塩の飽和水溶液としての電解液を調製した。
<Example 4>
Potassium (nonafluorobutanesulfonyl) shown as "Compound 4" in Table 1 containing 0.2 mol of "
<実施例5>
実施例1−1と同じ「化合物1」0.5モルと、実施例3−1と同じ「化合物2」0.5モルとを混合した混合塩に水2.5モルを加え、50℃で加熱溶融し、室温におけるカリウム塩の飽和水溶液としての電解液を調製した。
<Example 5>
Add 2.5 mol of water to a mixed salt in which 0.5 mol of "
<比較例2>
非対称性イミドとして、実施例3−1と同じ「化合物3」と、対称性イミドとして、フッ素イオンを8ppm及び水素を4ppmそれぞれ含む、表1に「化合物6」として示されるカリウムビス(ペンタフルオロエタンスルホニル)イミド((C3F7SO2)2NK)を用いた。「化合物3」0.3モルと、「化合物6」0.7モルとを混合した混合塩に水120.0モルを加え、50℃で加熱溶融し、室温におけるカリウム塩の飽和水溶液としての電解液を調製した。
<Comparative example 2>
The potassium bis (pentafluoroethane) shown as "Compound 6" in Table 1 contains the same "
<評価試験>
前記実施例1−1〜実施例1−8、比較例1、実施例2、実施例3−1〜実施例3−5、実施例4、実施例5及び比較例2の18種類の電解液中のフッ素イオン含有量と、水素含有量と、これらの電解液を用いたコイン型カリウムイオン二次電池のクーロン効率(充放電効率)をそれぞれ測定した。以下、各測定方法について述べる。
<Evaluation test>
18 kinds of electrolytic solutions of Examples 1-1 to 1-8, Comparative Example 1, Example 2, Example 3-1 to Example 3-5, Example 4, Example 5 and Comparative Example 2. The fluorine ion content, the hydrogen content, and the coulombic efficiency (charge / discharge efficiency) of the coin-type potassium ion secondary battery using these electrolytic solutions were measured. Hereinafter, each measurement method will be described.
(1)フッ素イオン含有量
化合物1〜6、8のそれぞれのフッ素イオン含有量、及び電解液中のフッ素イオン含有量はイオンクロマトグラフ(サーモ社製 ICS−2100)により測定した。
(1) Fluorine ion content The fluorine ion content of each of
(2)水素含有量
化合物1〜6、8のそれぞれの水素含有量、及び電解液中の水素含有量は1H−NMR(ブルカー社製 AV400M)の測定結果より、その濃度を算出した。
(2) Hydrogen content The hydrogen content of each of
(3)クーロン効率
測定に用いた二次電池の構成は次の通りである。正極は、85質量%のKCoO2、9質量%のPVDF及び6質量%のアセチレンブラックを含む正極合材層と、チタン製の集電体とにより構成した。負極は、85質量%のK4Ti5O12、5質量%のPVDF及び10質量%のアセチレンブラックを含む負極合材層と、アルミニウム製の集電体とにより構成した。セパレータはガラス繊維不織布フィルターを用いた。25℃の温度で1.7V〜2.8Vの範囲で、二次電池の充放電を10サイクル行い、10サイクル目の値をクーロン効率とした。
(3) The configuration of the secondary battery used for the Coulomb efficiency measurement is as follows. The positive electrode was composed of a positive electrode mixture layer containing 85% by mass of KCoO 2 , 9% by mass of PVDF and 6% by mass of acetylene black, and a current collector made of titanium. The negative electrode was composed of a negative electrode mixture layer containing 85% by mass of K 4 Ti 5 O 12 , 5% by mass of PVDF and 10% by mass of acetylene black, and an aluminum current collector. A glass fiber non-woven fabric filter was used as the separator. The secondary battery was charged and discharged for 10 cycles in the range of 1.7 V to 2.8 V at a temperature of 25 ° C., and the value at the 10th cycle was taken as the Coulomb efficiency.
以下の表2に、18種類の電解液について、混合塩又は非対称性イミド構造のカリウム塩を構成するカリウム塩の種類と比率、カリウム塩1モルに対する水のモル量、フッ素イオン含有量及び水素含有量、並びに18種類の電解液を用いた二次電池のクーロン効率をそれぞれ示す。混合塩又は非対称性イミド構造のカリウム塩を構成するカリウム塩の種類と比率は、カリウム塩1及びカリウム塩2として、またスルホン酸カリウム塩の種類と比率は、カリウム塩3として、それぞれ示した。
Table 2 below shows the types and ratios of potassium salts constituting mixed salts or potassium salts having an asymmetric imide structure, molar amounts of water per 1 mol of potassium salts, fluorine ion content, and hydrogen content for 18 types of electrolytic solutions. The quantity and the Coulomb efficiency of the secondary battery using 18 kinds of electrolytic solutions are shown. The types and ratios of potassium salts constituting the mixed salt or potassium salt having an asymmetric imide structure are shown as
表2から明らかなように、比較例1では、非対称性イミドのカリウム塩を用いず、対称性イミドのカリウム塩のみを用いた(1モル)ため、カリウム塩1モルに対する水のモル量はそれぞれ42.0モル必要であった。これらの電解液を用いた二次電池のクーロン効率は90.3%と高くなかった。 As is clear from Table 2, in Comparative Example 1, since the potassium salt of the asymmetric imide was not used and only the potassium salt of the symmetric imide was used (1 mol), the molar amount of water per 1 mol of the potassium salt was different. 42.0 mol was required. The Coulomb efficiency of the secondary battery using these electrolytes was not as high as 90.3%.
比較例2では、対称性イミドのカリウム塩として、化合物6のカリウムビス(ペンタフルオロエタンスルホニル)イミド((C3F7SO2)2NK)を用いたため、カリウム塩1モルに対する水のモル量は120.0モル必要であった。これらの電解液を用いた二次電池のクーロン効率は76.8%とそれほど高くなかった。 In Comparative Example 2, since potassium bis (pentafluoroethanesulfonyl) imide ((C 3 F 7 SO 2 ) 2 NK) of compound 6 was used as the potassium salt of the symmetric imide, the molar amount of water per 1 mol of the potassium salt was used. Needed 120.0 mol. The Coulomb efficiency of the secondary battery using these electrolytes was not so high as 76.8%.
これに対して実施例1−1〜実施例1−8、実施例2、実施例3−1〜実施例3−5、実施例4及び実施例5では、カリウム塩が本発明の第1の観点の要件を備えた単独塩又は混合塩であって、その組成割合が本発明の第1の観点の要件を備えるため、カリウム塩1モルに対する水のモル量は2モル以上40モル未満であった。そのため、これらの電解液を用いた二次電池のクーロン効率は94.2%〜98.5%と高かった。 On the other hand, in Examples 1-1 to 1-8, Example 2, Example 3-1 to Example 3-5, Example 4 and Example 5, the potassium salt is the first of the present invention. A single salt or a mixed salt having the requirements of the viewpoint, and the composition ratio thereof meets the requirements of the first viewpoint of the present invention, the molar amount of water per 1 mol of the potassium salt is 2 mol or more and less than 40 mol. It was. Therefore, the Coulomb efficiency of the secondary battery using these electrolytic solutions was as high as 94.2% to 98.5%.
(4)電位窓の確認
実施例2の電解液について、以下の3極式電気化学セルを用いてリニアスープボルタムグラム測定を行い、その電位窓を確認した。測定温度は25℃、掃引速度は0.1mV/秒とした。
作用極及び対極:白金又はアルミニウム
参照電極:Ag/AgCl(飽和KCl)
以上の結果を図3に示す。図3の結果から、実施例2の電解液の電位窓が白金電極の場合、2.4Vと算出され、白金電極とアルミ電極の組合せでは、3.1Vと算出された。
(4) Confirmation of Electrochemical Window The electrolytic solution of Example 2 was subjected to linear soup voltamgram measurement using the following three-pole electrochemical cell, and the electrochemical window was confirmed. The measurement temperature was 25 ° C. and the sweep rate was 0.1 mV / sec.
Working electrode and counter electrode: Platinum or aluminum Reference electrode: Ag / AgCl (saturated KCl)
The above results are shown in FIG. From the results of FIG. 3, when the potential window of the electrolytic solution of Example 2 was a platinum electrode, it was calculated to be 2.4 V, and when the combination of the platinum electrode and the aluminum electrode was calculated to be 3.1 V.
本発明の水系電解液は、カリウムイオン二次電池、電気二重層キャパシタ又はカリウムイオンキャパシタ等の蓄電デバイスに利用することができる。 The aqueous electrolytic solution of the present invention can be used for a power storage device such as a potassium ion secondary battery, an electric double layer capacitor or a potassium ion capacitor.
Claims (7)
電解質が、ペルフルオロアルキル基を有する非対称性イミドの1種又は2種以上のカリウム塩であるか、前記非対称性イミドのカリウム塩とペルフルオロアルキル基を有する対称性イミドのカリウム塩との混合塩であるか、又は前記非対称性イミドのカリウム塩と前記対称性イミドのカリウム塩とペルフルオロアルキル基を有するスルホン酸カリウム塩との混合塩であり、
前記1種又は2種以上のカリウム塩及び前記混合塩の組成割合は、モル比で、(非対称性イミドのカリウム塩)x(対称性イミドのカリウム塩)y(スルホン酸カリウム塩)1-(x+y)であり(但し、xは0.1〜1.0であり、yは0〜0.9であり、x+y≦1.0である。)、
前記非対称性イミドカリウム塩が、カリウム(ペンタフルオロエタンスルホニル)(トリフルオロメタンスルホニル)イミド((C2F5SO2)(CF3SO2)NK)、カリウム(ヘプタフルオロプロパンスルホニル)(トリフルオロメタンスルホニル)イミド((C3F7SO2)(CF3SO2)NK)又はカリウム(ノナフルオロブタンスルホニル)(トリフルオロメタンスルホニル)イミド((C4F9SO2)(CF3SO2)NK)であり、
前記対称性イミドカリウム塩が、カリウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド((CF3SO2)2NK)又はカリウムビス(ペンタフルオロエタンスルホニル)イミド((C2F5SO2)2NK)であり、
前記スルホン酸カリウム塩が、トリフルオロメタンスルホン酸カリウム(CF3SO3K)であり、
前記電解液の組成が、前記1種又は2種以上のカリウム塩又は前記混合塩のカリウム塩1モルに対して溶媒量が2モル以上40モル未満であることを特徴とする蓄電デバイス用水系電解液。 In an aqueous electrolyte for a power storage device containing water as a solvent
The electrolyte is one or more potassium salts of the asymmetric imide having a perfluoroalkyl group, or a mixed salt of the potassium salt of the asymmetric imide and the potassium salt of the symmetric imide having a perfluoroalkyl group. Or, it is a mixed salt of the potassium salt of the asymmetric imide, the potassium salt of the symmetric imide, and the sulfonic acid potassium salt having a perfluoroalkyl group.
The composition ratio of the one or more potassium salts and the mixed salt is, in molar ratio, (potassium salt of asymmetric imide) x (potassium salt of symmetric imide) y (potassium sulfonate) 1-( x + y) (where x is 0.1 to 1.0, y is 0 to 0.9, and x + y ≦ 1.0).
The asymmetric imide potassium salt is potassium (pentafluoroethanesulfonyl) (trifluoromethanesulfonyl) imide ((C 2 F 5 SO 2 ) (CF 3 SO 2 ) NK), potassium (heptafluoropropanesulfonyl) (trifluoromethanesulfonyl). ) Imide ((C 3 F 7 SO 2 ) (CF 3 SO 2 ) NK) or potassium (nonafluorobutane sulfonyl) (trifluoromethanesulfonyl) imide ((C 4 F 9 SO 2 ) (CF 3 SO 2 ) NK) And
The symmetric imide potassium salt is potassium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide ((CF 3 SO 2 ) 2 NK) or potassium bis (pentafluoroethane sulfonyl) imide ((C 2 F 5 SO 2 ) 2 NK). ,
The potassium sulfonic acid salt is potassium trifluoromethanesulfonate (CF 3 SO 3 K).
The composition of the electrolytic solution is 2 mol or more and less than 40 mol of the solvent amount with respect to 1 mol of the potassium salt of the one or more kinds or the mixed salt. liquid.
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