JP4732764B2 - イオン性化合物の製造方法 - Google Patents
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Description
以下に本発明を詳述する。
上記イオン交換樹脂としてはまた、固体であることが好ましい。これにより、アニオン(又はカチオン)を有する化合物と反応させたイオン交換樹脂に、後述する工程(II)の反応に使用する量よりも過剰のアニオン(又はカチオン)が付着していた場合であっても、これらの未反応原料は、固体である該イオン交換樹脂に付着したままであり、生成物に混入することがほとんどないことから、生成物中の不純物含有量をより充分に低減することが可能となる。
以下では、イオン交換樹脂としてアニオン交換樹脂を用いた場合について主に説明する。
ここで、「結合」とは、共有結合、イオン結合、配位結合、分子間による結合等、分子間の相互作用によって結びついている状態を意味し、好ましくはイオン結合や配位結合等の静電気力による結合である。
また上記工程(I)としては、イオン交換樹脂を固定相とすることが好適であり、これにより、大量合成に好適な製造方法とすることが可能となる。この場合、上記工程(I)としては、一般式(1)で表されるアニオンを有する化合物を、イオン交換樹脂を固定相としたカラムを通過させることにより該樹脂と接触させる工程であることが好適である。
なお、イオン交換樹脂としてカチオン交換樹脂を用いる場合には、カチオンを有する化合物をカチオン交換樹脂と結合させ、該カチオン交換樹脂と一般式(1)で表されるアニオンを有する化合物とをイオン交換反応させることとしてもよい。すなわち、上記製造方法は、イオン交換樹脂と、イオン性化合物を構成するカチオンとを結合させる工程を含む形態であることが好適である。
上記オニウムカチオンとしては、例えば、下記一般式(3);
上記一般式(3)で表されるオニウムカチオンとしては、下記一般式;
(a)下記一般式で表される10種類の複素環オニウムカチオン。
(d)Rが、C1〜C8のアルキル基である鎖状オニウムカチオン。
これらのオニウムカチオンの中でも、上記一般式(3)におけるLが窒素原子であるものが特に好ましい。最も好ましくは、下記一般式;
上記R1〜R12の有機基としては、水素原子、フッ素原子、アミノ基、イミノ基、アミド基、エーテル基、エステル基、ヒドロキシル基、カルボキシル基、カルバモイル基、シアノ基、スルホン基、スルフィド基や、直鎖、分岐鎖又は環状で、窒素原子、酸素原子、硫黄原子等を含んでもよい炭素数1〜18の炭化水素基、炭化フッ素基等であることが好適である。より好ましくは、水素原子、フッ素原子、シアノ基、スルホン基、炭素数1〜8の炭化水素基、炭化フッ素基である。
上記イオン性化合物としては、上記一般式(1)で表されるアニオンを有することとなるが、一般式(1)において、X、Q、M1、M2、a、b、c、d及びeは、上述した一般式(2)と同様である。
上記一般式(1)で表されるアニオンとしては、一般式(1)においてeが0である下記一般式(4)で表されるアニオンが好ましい。中でも、ジシアノアミドアニオン(DCA)、チオシアネートアニオン、トリシアノメチドアニオン(TCM)、シアノオキシアニオン(CYO)等が、フッ素を含まず、電極等の耐腐食性に優れるため好ましい。中でも、トリシアノメチドアニオン及びジシアノアミドアニオンがより好ましく、上記一般式(1)で表されるアニオンが、トリシアノメチドアニオン及び/又はジシアノアミドアニオンである形態は、本発明の好適な形態の1つである。また、下記一般式(5)や一般式(6)で表されるもの等も好ましいアニオンである。
上記一般式(1)で表されるアニオンと上述のようなオニウムカチオンとから構成される化合物は、常温で溶融した状態を安定に保つ常温溶融塩となり、このような溶融塩を含む本発明のイオン性化合物は、長期間に耐える電気化学デバイスのイオン伝導体の材料として好適なものとなる。なお、溶融塩とは、室温から80℃の温度範囲において液体状態を安定に保つことができるものである。
上記イオン性化合物におけるカチオンの存在量としては、イオン性化合物中に存在するアニオン1molに対し、下限が0.5mol、上限が2.0molであることが好ましい。より好ましくは、下限が0.8mol、上限が1.2molである。
上記アニオンを必須とする化合物である場合には、上記一般式(1)で表されるアニオンのアルカリ金属塩及び/又はアルカリ土類金属塩であることが好ましく、リチウム塩であることがより好ましい。このようなリチウム塩としては、上述した好ましいアニオンのリチウム塩の他にも、LiC(CN)3、LiSi(CN)3、LiB(CN)4、LiAl(CN)4、LiP(CN)2、LiP(CN)6、LiAs(CN)6、LiOCN、LiSCN等が好適である。
上記電解質塩の存在量としては、イオン性化合物100質量%に対して、下限が0.1質量%、上限が50質量%であることが好適である。0.1質量%未満であると、イオンの絶対量が充分なものとはならず、イオン伝導度が小さくなるおそれがあり、50質量%を超えると、イオンの移動が大きく阻害されるおそれがある。より好ましい上限は30質量%である。
上記プロトンの存在量としては、イオン性化合物に対して、下限が0.01mol/L、上限が10mol/Lであることが好ましい。0.01mol/L未満であると、プロトンの絶対量が充分なものとはならず、プロトン伝導度が小さくなるおそれがあり、10mol/Lを超えると、プロトンの移動が大きく阻害されるおそれがある。より好ましい上限は5mol/Lである。
上記重合体の存在量としては、イオン性化合物100重量部に対して、下限が0.1重量部、上限が5000重量部であることが好ましい。0.1重量部未満であると、固体化の効果を充分に得られないおそれがあり、5000重量部を超えると、イオン伝導度が充分とはならないおそれがある。より好ましくは、下限が1重量部、上限が1000重量部である。
上記無機酸化物微粒子としては、非電子伝導性、電気化学的に安定なものが好適であり、また、イオン伝導性を有するものがより好ましい。このような微粒子としては、α、β、γ−アルミナ、シリカ、チタニア、ジルコニア、マグネシア、チタン酸バリウム、酸化チタン、ハイドロタルサイト等のイオン伝導性又は非電導性セラミックス微粒子が好適である。
上記無機酸化物微粒子の形状としては、球形、卵形、立方体状、直方体状、円筒、棒状等の種々の形状を有するものを用いることができる。
上記無機酸化物微粒子の添加量としては、イオン性化合物100質量%に対して、上限値が50質量%であることが好ましい。50質量%を超えると、逆にイオン伝導性が充分とはならなかったり、成膜しづらくなったりするおそれがある。より好ましくは、30質量%である。また、下限値は0.1質量%であることが好適である。
また、その他、無水酢酸、無水フタル酸、無水マレイン酸、無水コハク酸、無水ピロメリット酸等の酸無水物やその酸化合物、トリエチルアミン、メチルイミダゾール等の塩基性化合物を添加してもよい。添加量としては、イオン性化合物100質量%に対して、50質量%以下であることが好ましい。より好ましくは、0.01質量%以上、20質量%以下である。
上記添加剤の含有量は特に限定されないが、例えば、イオン性化合物100質量%に対して、下限が0.1質量%、上限が20質量%であることが好ましい。より好ましくは、下限が0.5質量%、上限が10質量%である。
上記イオン伝導度の測定方法としては、SUS電極を用いたインピーダンスアナライザーHP4294A(商品名、東陽テクニカ社製)を用いて行う複素インピーダンス法により測定する方法が好適である。
上記粘度の測定方法としては特に限定されないが、例えば、40℃において、TV−20形粘度計 コープレートタイプ(トキメック社製)を用いて測定する方法が好適である。
本発明は更に、下記一般式(7);
このようなイオン性液体の製造方法としては、上述したイオン性化合物の製造方法と同様に、イオン交換樹脂と、イオン性液体を構成するアニオン又はカチオンとを結合させる工程を含むことが適当であるが、これにより、従来の手法に比べて反応工程数が低減され、製造コストが更に充分に低減されることとなる。その他の点についても、上述したイオン性化合物の製造方法と同様であることが好適である。また、得られるイオン性液体としては、上記(a)又は(b)を満たすものであればよく、上述したイオン性化合物と同様であることが好適である。
また上記一般式(8)中のX3〜6としては、その少なくとも1種の構造が、−Xm(Q5)=、−Xm(Q6)−、−Xm(Q7)(Q8)=、又は、−Xm(Q9)(Q10)−、のいずれかであることが好適であり、また、B、C、N、O、S、SO、SO2、NOであることが好ましい。また、Q5〜10としては、ClO3、NO、NO2、NO3、F、N2、Cl、Br、I、CN、N3、NO2、CnF2n+1、CnF2n+1O、SCF3、SCnF2n+1、CnH2n+1、CnH2n+1O、SCH3、SCnH2n+1、アリール基、置換基を有するアリール基、NH2、NR11H、NR11R12が好ましい。
なお、イオン伝導性材料とは、電解液又は電解質用材料であって、電解液を構成する溶媒及び/又は電解質の材料(イオン伝導体用材料)として、また、固体電解質の材料(電解質用材料)として電気化学デバイスのイオン伝導体に好適に用いることができるものである。
上記イオン伝導体としては、電解質と有機溶媒又は重合体との混合物が好適である。有機溶媒を用いれば、一般にこのイオン伝導体は電解液と呼ばれ、重合体を用いれば、高分子固体電解質と呼ばれるものとなる。高分子固体電解質には可塑剤として有機溶媒を含有するものも含まれる。本発明のイオン伝導性材料は、このようなイオン伝導体において、電解液における電解質や有機溶媒の代替として、また、高分子固体電解質として好適に適用することができ、本発明のイオン伝導性材料をイオン伝導体の材料として用いてなる電気化学デバイスでは、これらのうちの少なくとも1つが、本発明のイオン伝導性材料により構成されることになる。これらの中でも、電解液における有機溶媒の代替、又は、高分子固体電解質として用いることが好ましい。
(1)リチウム二次電池
リチウム二次電池は、正極、負極、正極と負極との間に介在するセパレータ及び本発明の電解液材料を用いてなるイオン伝導体を基本構成要素として構成されるものである。この場合、本発明のイオン伝導性材料には、電解質としてリチウム塩が含有されていることになる。このようなリチウム二次電池としては、水電解質以外のリチウム二次電池である非水電解質リチウム二次電池であることが好ましい。リチウム二次電池の一形態の断面模式図を図1に示す。このリチウム二次電池は、後述する負極活物質としてコークスを用い、正極活物質としてCoを含有する化合物を用いたものであるが、このようなリチウム二次電池おいて、充電時には、負極においてC6Li→6C+Li+eの反応が起こり、負極表面で発生した電子(e)は、電解液中をイオン伝導して正極表面に移動し、正極表面では、CoO2+Li+e→LiCoO2の反応が起こり、負極から正極へ電流が流れることになる。放電時には、充電時の逆反応が起こり、正極から負極へ電流が流れることになる。このように、イオンによる化学反応により電気を蓄えたり、供給したりすることとなる。
上記負極活物質としては、金属リチウム、リチウムイオンを吸蔵・放出することが可能な材料等が好適である。上記リチウムイオンを吸蔵・放出することが可能な材料としては、金属リチウム;熱分解炭素;ピッチコークス、ニードルコークス、石油コークス等のコークス;グラファイト;ガラス状炭素;フェノール樹脂、フラン樹脂等を適当な温度で焼成し炭素化したものである有機高分子化合物焼成体;炭素繊維;活性炭素等の炭素材料;ポリアセチレン、ポリピロール、ポリアセン等のポリマー;Li4/3Ti5/3O4、TiS2等のリチウム含有遷移金属酸化物又は遷移金属硫化物;アルカリ金属と合金化するAl、Pb、Sn、Bi、Si等の金属;アルカリ金属を格子間に挿入することのできる、AlSb、Mg2Si、NiSi2等の立方晶系の金属間化合物や、Li3−fGfN(G:遷移金属)等のリチウム窒素化合物等が好適である。これらは1種又は2種以上を用いることができる。これらの中でも、アルカリ金属イオンを吸蔵・放出できる金属リチウムや炭素材料がより好ましい。
上記正極活物質としては、金属Li、LixCoO2 、LixNiO2、LixMnO2、LixCoyNi1−yO2、LixCoyJ1−yOz、LixNi1−yJyOz、LixMn2O4、LixMn2−yJyO4;MnO2、VgOh、CrgOh(g及びhは、1以上の整数)等のリチウムを含まない酸化物等が好適である。これらは1種又は2種以上を用いることができる。
上記Jは、Na、Mg、Sc、Y、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Al、Cr、Pb、Sb及びBから選ばれた少なくとも1種の元素を表す。また、xは、0≦x≦1.2であり、yは、0≦y≦0.9であり、zは、2.0≦z≦2.3であり、xは、電池の充放電により増減することとなる。また、正極活物質としては、遷移金属カルコゲン化物、リチウムを含んでいてもよいバナジウム酸化物やニオブ酸化物、共役系ポリマーからなる有機導電性物質、シェブレル相化合物等を用いてもよい。正極活物質粒子の平均粒径としては、1〜30μmであることが好ましい。
また、セパレータの表面は予めコロナ放電処理、プラズマ放電処理、その他界面活性剤を用いた湿式処理により、その疎水性が低減するように改質しておくことが好ましい。これによりセパレータの表面及び空孔内部の濡れ性が向上し、電池の内部抵抗の増加を極力抑制することが可能となる。
上記リチウム二次電池の形状としては、コイン形、ボタン形、シート形、積層形、円筒形、偏平形、角形、電気自動車等に用いる大形等が挙げられる。
電解コンデンサは、陽極箔、陰極箔、陽極箔と陰極箔との間に挟まれたセパレータである電解紙及びリード線より構成されるコンデンサ素子と、本発明のイオン伝導性材料を用いてなるイオン伝導体と、有底筒状の外装ケースと、外装ケースを密封する封口体とを基本構成要素として構成されているものである。コンデンサ素子の一形態の斜視図を図2(a)に示す。本発明における電解コンデンサは、コンデンサ素子に本発明のイオン伝導性材料を用いてなるイオン伝導体である電解液を含浸し、該コンデンサ素子を有底筒状の外装ケースに収納し、外装ケースの開口部に封口体を装着するとともに、外装ケースの端部に絞り加工を施して外装ケースを密封することにより得ることができるものである。このような電解コンデンサとしては、アルミ電解コンデンサ、タンタル電解コンデンサ、ニオブ電解コンデンサが好適である。アルミ電解コンデンサの一形態の断面模式図を図2(b)に示す。
上記陰極箔としては、表面の一部又は全部に、窒化チタン、窒化ジルコニウム、窒化タンタル及び窒化ニオブから選ばれる1種以上の金属窒化物、及び/又は、チタン、ジルコニウム、タンタル及びニオブから選ばれる1種以上の金属より構成される皮膜を形成したアルミニウム箔を用いることができる。
上記皮膜の形成方法としては、蒸着法、メッキ法、塗布法等を挙げることができ、皮膜を形成する部分としては、陰極箔の全面に被覆してもよいし、必要に応じて陰極箔の一部、例えば陰極箔の一面のみに金属窒化物又は金属を被覆してもよい。
上記封口体は、リード線をそれぞれ導出する貫通孔を備え、例えば、ブチルゴム等の弾性ゴムより構成されるものであることが好適であり、ブチルゴムとしては、例えば、イソブチレンとイソプレンとの共重合体からなる生ゴムに補強剤(カーボンブラック等)、増量剤(クレイ、タルク、炭酸カルシウム等)、加工助剤(ステアリン酸、酸化亜鉛等)、加硫剤等を添加して混練した後、圧延、成型したゴム弾性体を用いることができる。加硫剤としては、アルキルフェノールホルマリン樹脂;過酸化物(ジクミルペルオキシド、1,1−ジ−(t−ブチルペルオキシ)−3,3,5−トリメチルシクロヘキサン、2,5−ジメチル−2,5−ジ−(t−ブチルペルオキシ)ヘキサン等);キノイド(p−キノンジオキシム、p,p′−ジベンゾイルキノンジオキシム等);イオウ等を用いることができる。なお、封口体の表面をテフロン(登録商標)等の樹脂でコーティングしたり、ベークライト等の板を貼り付けたりすると、溶媒蒸気の透過性が低減するので更に好ましい。
上記セパレータとしては、通常マニラ紙やクラフト紙等の紙が用いられるが、ガラス繊維、ポリプロピレン、ポリエチレン等の不織布を用いることもできる。
電気二重層キャパシタは、負極、正極及び本発明のイオン伝導性材料を用いてなるイオン伝導体を基本構成要素として構成されているものであり、好ましい形態としては、対向配置した正極及び負極からなる電極素子に、イオン伝導体である電解液を含ませたものである。このような電気二重層キャパシタの一形態の断面模式図及び電極表面の拡大模式図を図3に示す。
上記電極活物質としては、活性炭以外にも上述の高比表面積を有する炭素材料を用いてもよく、例えば、カーボンナノチューブやプラズマCVDにより作製したダイヤモンド等を用いてもよい。
上記電気二重層キャパシタの形状としては、コイン型、巻回型、角型、アルミラミネート型等が挙げられ、いずれの形状としてもよい。
アンバーライトIRA−400−OH(商品名、オルガノ社製)(40ml)をカラム管に充填し、ここに、ジシアノアミドのナトリウム塩(NaDCA)5%水溶液(75ml)を1時間かけてゆっくりと通液した。NaDCAの通液を終了後、イオン交換水(200ml)を1時間かけてカラム管に通液し、カラム中の樹脂を洗浄した。洗浄後、カラム管に、エチルメチルイミダゾリウムブロマイド(EMImBr)(1.5g)の1%水溶液(150ml)を2時間かけてゆっくりと通液した。得られた液を集め、エバポレーターで濃縮し、生成物エチルメチルイミダゾリウムジシアノアミド(EMImDCA)を得た(収率91%)。このイオン性化合物を分析したところ、40℃粘度16Pa・s、塩素イオン濃度3ppmであった。
アンバーライトIRA−400−OH(商品名、オルガノ社製)(40ml)をカラム管に充填し、ここに、トリシアノメチドのナトリウム塩(NaTCM)5%水溶液(75ml)を1時間かけてゆっくりと通液した。NaTCMの通液を終了後、イオン交換水(200ml)を1時間かけてカラム管に通液し、カラム中の樹脂を洗浄した。洗浄後、カラム管に、エチルメチルイミダゾリウムブロマイド(EMImBr)(1.0g)の1%水溶液(150ml)を2時間かけてゆっくりと通液した。得られた液を集め、エバポレーターで濃縮し、生成物エチルメチルイミダゾリウムトリシアノメチド(EMImTCM)を得た(収率91%)。このイオン性化合物を分析したところ、40℃粘度16Pa・s、塩素イオン濃度3ppmであった。
アンバーライトIRA−400−OH(商品名、オルガノ社製)(40ml)をカラム管に充填し、ここに、4,5−ジシアノトリアゾレートのナトリウム塩(NaDCTA)5%水溶液(150ml)を1時間かけてゆっくりと通液した。NaDCTAの通液を終了後、イオン交換水(200ml)を1時間かけてカラム管に通液し、カラム中の樹脂を洗浄した。洗浄後、カラム管に、エチルメチルイミダゾリウムブロマイド(EMImBr)(1.5g)の1%水溶液(150ml)を2時間かけてゆっくりと通液した。得られた液を集め、エバポレーターで濃縮し、生成物エチルメチルイミダゾリウム(4,5−ジシアノトリアゾレート)(EMImDCTA)を得た(収率91%)。このイオン性化合物を分析したところ、塩素イオン濃度は3ppmであった。
AgNO318.6g(0.11mol(モル))をイオン交換水100mlに溶解し、ここにNaDCA10.2g(0.10mmol)を50mlのイオン交換水に溶解させたものを1時間かけて滴下した。2時間攪拌後、得られた白色固体(AgDCA)をろ別し、更に固体をイオン交換樹脂で繰り返し洗浄した後、得られた白色固体に200mlのイオン交換樹脂を加えスラリー状にした。このスラリー液に、EMImBr14.6g(0.07mol)をイオン交換水100mlに溶解させた溶液を1時間かけて滴下した。更に1時間攪拌した後、反応液をろ過して水溶液を濃縮し、生成物EMImDCA13.5g(収率97%)を得た。
EMImDCAを中和法(例えば、特開平10−17554号公報、特開2004−99452号公報等参照。)で合成するため、まずはH−DCAの合成を行った。
NaDCA0.11g(1.2mmol)、アンバーリスト15DRY(商品名、オルガノ社製)0.55g、水3mlをサンプル管で混合し、2時間室温で撹拌した。攪拌後、イオン交換樹脂をろ過し、溶液を濃縮すると、白色固体を得た。この白色固体は、水やエタノール、クロロホルム等の溶媒には溶解せず、また、EMImOH水溶液と反応させてもEMImDCAはほとんど得られなかった。
Claims (4)
- 前記イオン性化合物は、カチオンとしてオニウムカチオンを有するか、またはアルカリ金属塩もしくはアルカリ土類金属塩であることを特徴とする請求項1に記載のイオン性化合物の製造方法。
- 前記イオン性化合物は、カチオンとして、オニウムカチオンを有することを特徴とする請求項1または2に記載のイオン性化合物の製造方法。
- 前記イオン性化合物の40℃での粘度が500mPa・s以下であることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載のイオン性化合物の製造方法。
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