JP5727372B2 - 陰イオン界面活性剤を含むイオン性液状電解質およびそれらを含む蓄電池のような電気化学的デバイス - Google Patents
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Description
− 2つの電極、すなわち、陽極および陰極。陽極は通例、電気化学的な活物質として、リチウム化された(lithiated)遷移金属、オリビン(かんらん石)(LiFePO4)またはスピネル(尖晶石)(たとえば、スピネルLiNi0,5Mn1,5O4)の層状酸化物のようなリチウムインターカレーション物質を備える。陰極は通例、電気化学的に活性な物質として、一次アキュムレーター、バッテリーの場合での金属リチウム、またはグラファイトカーボン(黒鉛炭素)(Cgr)のようなインターカレーション物質、またはリチウムイオン技術に基づくアキュムレーター、バッテリーの場合でのリチウム化された酸化チタン(Li4Ti5O12)を備える。
− 電流コレクターで、通例、陰極のための銅で、または陽極のためのアルミニウムであり、それは電子の循環、および従って電子伝導を、外側の回路において可能にする。
− 1種の電極から別のものまでリチウムイオンの通過を確実にするイオン伝導が起こる電解質、
− 接触すること、および従って短絡を電極間で防止することができるセパレーター。これらのセパレーターは、微小孔性ポリマー膜であってよい。
○ LiPF6:リチウムヘキサフルオロホスフェート、
○ LiBF4:リチウムテトラフルオロボラート、
○ LiAsF6:リチウムヘキサフルオロアルセナート、
○ LiClO4:リチウムペルクロラート(過塩素酸塩)、
○ LiBOB:リチウムビスオキサラートボラート(oxalatoborate)、
○ LiTFSI:リチウムビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド、
○ LiBeti:リチウムビス(ペルフルオロエチルスルホニル)イミド、
○ LiFSI:リチウムビス(フルオロスルホニル)イミジド(imidure、imidide)、
○ または一般式Li[N(SO2CnF2n+1)(SO2CmF2m+1)]、式中、nおよびmは、同一または異なるかのいずれかのもので、1および10の間で、選択的に1および5の間で含まれる自然整数であるものの塩類。
○ ジ−またはトリ−置換されたイミダゾリウム陽イオン、
○ 四級アンモニウム、
○ ジアルキルピペリジニウム、
○ ジアルキルピロリジニウム、
○ ジアルキルピラゾリウム(dialkyle pyrazolium)、
○ アルキルピリジニウム、
○ テトラ-アルキルホスホニウム、
○ トリアルキルスルホニウム。
○ 第1:LiTFSI、
○ 第2:LiPF6、
○ 第3:LiFSI、
○ 第4:LiBF4。
○ 無極の、‘脂肪’物質(炭素鎖をもつ)を保持する脂溶性部分、
○ 極性の親水性部分。
○ 陰イオン性テンサイド類で、分子の親水性の極性部分が負に帯電するもの、
○ 陽イオン性テンサイド類で、親水性部分が正に帯電するもの、
○ 両性イオン性または両性のテンサイド類で、正および負の電荷を有し、極性部分の全体的な電荷はゼロであるもの、
○ ノニオン性テンサイド類で、分子は正味の電荷を含まないもの。
○ 第1の作用は導電性塩、たとえば、リチウムイオンのようなものの陽イオンのまわりの複雑な構造の立体障害を減らすことであり、それでそれによってリチウム陽イオンのようなこの陽イオンの移動性を増やすことであり、
○ 第2の作用は、それをかさ高な負に帯電する分子と関連させることによってイオン性液体の陽イオンを捕捉することであり、それと共にそれがクーロン力の相互作用によって組み合わされ、それによってその拡散係数、そしてそのため、媒体でのその移動性の縮小が引き起こされる。
○ 添加物としての陰イオン界面活性剤を有するイオン性液状電解質では、何らの陰イオン界面活性剤添加物を伴わないイオン性液状電解質が含まれるアキュムレーターと比較して、アキュムレーターの実際上の性能を高めることが可能である。
○ 本発明に従う電解質は、溶液において非有機的なイオンの溶媒和における減少が許容される。
○ 電解質は、インターカレーション物質においてリチウムの挿入を促進する。
○ 本発明に従う電解質は、高温で安定であり、そしてそのために、60℃よりも十分に高い温度で用いることができる。
○ 電解質はリチウム陽イオンの拡散を促す。
− ステンレス鋼ケースの上側部分(5)および下側部分(6)、
− ポリプロピレンガスケット(8)、
− ステンレス鋼シム、スキッド(4)で、それらは双方とも、随意に金属リチウムを切断するために、そして次いでしかる後に電流コレクターと電池セルの外側部分との良好な接触を確かにするために用い、
− スプリング(7)で、それはすべての要素の間の接触を確かにし、
− 微小孔性セパレーター(2)、
− 電極(1)(3)。
例:
○ イオン性液体は、BMIBF4すなわち1-ブチル-3-メチルイミダゾリウムテトラフルオロボラートである。
○ リチウム塩は、LiPF6すなわちリチウムヘキサフルオロホスフェートである。
○ 界面活性剤は、ドデシル硫酸ナトリウムすなわちSDSである。
− 陰極(1)φ14mm、これがこれらのテストのための電極であり、その活物質はLi4Ti5O12であるが、特に、非水性媒体にて陰極のために、この技術において用いられる標準的、慣習的、活物質の間で選ばれる任意の他の陰極活物質も用いることができた;
− 例で調製されるような電解質またはその他ではどんな陰イオン界面活性剤も伴わない電解質の200μl;
− ポリオレフィンにおいての微小孔性膜、より一層具体的にはポリプロピレンCelgard(c)(セルガード商標)(2)φ16.5mmでの微小孔性膜であるセパレーター;
− 陽極で、その活物質はLiNi0.5Mn1.5O4であるが、リチウムの、または特に、非水性媒体にて陽極のために、この技術において用いられる標準的、慣習的、活物質の間で選ばれる任意の他のタイプの陽極活物質のディスクも用いることができた;
− ステンレス鋼ディスクまたはシム、スキッド(4)、
− ステンレス鋼リッド(ふた)(5)およびステンレス鋼での底部(6)
− ステンレス鋼スプリング(7)およびポリプロピレンガスケット、ジョイント(8)。
[1] J. FULLER(フラー)ら、J. Electrochem. Soc.(ジャーナル・オブ・ザ・エレクトロケミカル・ソサエティー)、第144巻、第11号、1997年11月、3881-3886.
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Claims (36)
- 式C+A-、式中、C+は陽イオンを表し、およびA-は陰イオンを表すものの少なくとも1種のイオン性液体、および少なくとも1種の導電性塩を含むイオン性液状電解質であって、それがさらに少なくとも1種の陰イオン界面活性剤を含むことを特徴とする、イオン性液状電解質。
- 前記陰イオン界面活性剤は、アルキルスルファート類およびアルキルアリールスルファート類、石けん類、アルキルベンゼンスルホナート(ABS)類、アルコールスルファート類、アルコールアルキルスルファート類、ホスフェート類、セルロースガム類、およびそれらの混合物から選ばれる、請求項1に記載の電解質。
- 前記石けん類が脂肪酸のナトリウム塩類であり、前記セルロースガム類がカルボキシメチルセルロースナトリウムである、請求項2に記載の電解質。
- 前記陰イオン界面活性剤は、アルキルスルファート類、カルボキシメチルセルロースナトリウム、およびステアリン酸ナトリウムから選ばれる、請求項2に記載の電解質。
- 前記アルキルスルファート類がドデシルスルファートナトリウム(SDS)である、請求項4に記載の電解質。
- さらに、陽イオン界面活性剤類、ノニオン界面活性剤類および双性イオン界面活性剤類から選ばれる少なくとも1種の他の界面活性剤を含む、請求項1〜5のいずれか一項に記載の電解質。
- 前記ノニオン界面活性剤は、(ポリ)エトキシル化および/または(ポリ)プロポキシル化されたアルコール類およびアルキルフェノール類、ポリオールエステル類、サッカロースエステル類、脂肪族アルカノールアミド、エチレンオキシド/プロピレンオキシドのコポリマー、およびそれらの混合物から選ばれる、請求項6に記載の電解質。
- 前記アルキルフェノール類のアルキル基が8〜9個の炭素原子を含む、請求項7に記載の電解質。
- 前記ノニオン界面活性剤は、トリトン(商標)〔TRITON(R)〕X、テルギトール(商標)〔Tergitol(R)〕Lおよびテルギトール(商標)NPから選ばれる、請求項7に記載の電解質。
- 前記トリトン(商標)〔TRITON(R)〕Xがトリトン(商標)〔Triton(R)〕X−100である、請求項9に記載の電解質。
- 前記イオン性液体の陽イオンC+は有機陽イオン類から選ばれる、請求項1〜10のいずれか一項に記載の電解質。
- 前記イオン性液体の陽イオンC+は、ヒドロキソニウム、オキソニウム、アンモニウム、アミジニウム、ホスホニウム、ウロニウム、チオウロニウム、グアニジニウム、スルホニウム、ホスホリウム、ホスホロリウム、ヨードニウム、カルボニウム;および複素環陽イオン;およびそれらの互変異性型から選ばれる、請求項11に記載の電解質。
- 前記複素環陽イオンが、ピリヂニウム、キノリニウム、イソキノリニウム、イミダゾリウム、ピラゾリウム、イミダゾリニウム、トリアゾリウム、ピリダジニウム、ピリミジニウム、ピロリジニウム、チアゾリウム、オキサゾリウム、ピラジニウム、ピペラジニウム、ピペリジニウム、ピロリウム、ピリジニウム、インドリウム、キノキサリニウム、チオモルホリニウム、モルホリニウム、およびインドリニウム陽イオンから選ばれる、請求項12に記載の電解質。
- 前記イオン性液体の陽イオンC+は、非置換または置換されたイミダゾリウム類、四級アンモニウム類、非置換または置換されたピペリジニウム類、非置換または置換されたピロリジニウム類、非置換または置換されたピラゾリウム類、非置換または置換されたピリヂニウム類、ホスホニウム類、スルホニウム類;およびそれらの互変異性型から選ばれる、請求項12に記載の電解質。
- 前記非置換または置換されたイミダゾリウム類がジ−、トリ−、テトラ−およびペンタ−アルキルイミダゾリウム類から選択され、前記非置換または置換されたピペリジニウム類がジアルキルピペリジニウム類であり、前記非置換または置換されたピロリジニウム類がジアルキルピロリジニウム類であり、前記非置換または置換されたピラゾリウム類がジアルキルピラゾリウム類であり、前記非置換または置換されたピリヂニウム類がアルキルピリヂニウム類であり、前記ホスホニウム類がテトラアルキルホスホニウム類であり、前記スルホニウム類がトリアルキルスルホニウム類である、請求項14に記載の電解質。
- 前記イオン性液体の陽イオンC+は、ピペリジニウム類、四級アンモニウム類、イミダゾリウム類;およびそれらの互変異性型から選ばれる、請求項14に記載の電解質。
- 前記ピペリジニウム類がジアルキルピペリジニウム類であり、前記四級アンモニウム類が4つのアルキル基を有する四級アンモニウム類であり、前記イミダゾリウム類がジ−、トリ−、テトラ−およびペンタ−置換されたイミダゾリウム類から選択される、請求項16に記載の電解質。
- 前記イミダゾリウム類が、ジ−、トリ−、テトラ−およびペンタ−アルキルイミダゾリウム類から選択される、請求項17に記載の電解質。
- 前記イオン性液体の陰イオンA-は、ハロゲン化物、BF4 -、B(CN)4 -、CH3BF3 -、CH2CHBF3 -、CF3BF3 -、m−CnF2n+1BF3 -で、式中、nが1≦n≦10である整数であるもの、PF6 -、CF3CO2 -、CF3SO3 -、N(SO2CF3)2 -、N(COCF3)(SOCF3)-、N(CN)2 -、C(CN)3 -、SCN-、SeCN-、CuCl2 -、およびAlCl4 - から選ばれる、請求項1〜18のいずれか一項に記載の電解質。
- 前記ハロゲン化物がCl - である、請求項19に記載の電解質。
- 前記イオン性液体の陰イオンA-は、BF4 -およびTFSI−(N(SO2CF3)2 -)から選ばれる、請求項19に記載の電解質。
- 前記イオン性液体は、BF4 -およびTFSI−(N(SO2CF3)2 -)から選ばれる陰イオンA- と、ピペリジニウム類、四級アンモニウム類およびイミダゾリウム類から選ばれる陽イオンC+を含む、請求項1〜21のいずれか一項に記載の電解質。
- 前記イオン性液体は、BMIBF4または1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムテトラフルオロボラートである、請求項22に記載の電解質。
- 前記導電性塩はリチウム塩類から選ばれる、請求項1〜23のいずれか一項に記載の電解質。
- 前記導電性塩は、LiPF6:リチウムヘキサフルオロホスフェート、LiBF4:リチウムテトラフルオロボラート、LiAsF6:リチウムヘキサフルオロアルセナート、LiClO4:リチウムパーコラート、LiBOB:リチウムビスオキサラトボラート、LiFSI:リチウムビス(フルオロスルホニル)イミジド、一般式Li[N(SO2CnF2n+1)(SO2CmF2m+1)]の塩類で、式中、nおよびmは、いずれも同じか、または異なり、1および10の間に含まれる自然整数である塩類、LiODBF、LiB(C6H5)、LiCF3SO3、LiC(CF3SO2)3(LiTFSM)、およびそれらの混合物から選ばれる、請求項24に記載の電解質。
- 前記一般式Li[N(SO 2 C n F 2n+1 )(SO 2 C m F 2m+1 )]の塩類が、LiTFSI:リチウムビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミジド、またはLiN(CF 3 SO 2 ) 2 、またはLiBeti:リチウムビス(ペルフルオロエチルスルホニル)イミジドである、請求項25に記載の電解質。
- 前記導電性塩は、LiTFSI、LiPF6、LiFSI、LiBF4、およびそれらの混合物から選ばれる、請求項25に記載の電解質。
- イオン性液体の溶媒1モル当たり0.001から0.5モルまでの陰イオン界面活性剤を含む、請求項1〜27のいずれか一項に記載の電解質。
- 0.1から10モル/Lまでの導電性塩を含む、請求項1〜28のいずれか一項に記載の電解質。
- さらに、少なくとも1種の有機溶媒を含む、請求項1〜29のいずれか一項に記載の電解質。
- 前記イオン性液体、前記導電性塩、前記陰イオン界面活性剤、および前記他の随意の界面活性剤から構成される、請求項1〜29のいずれか一項に記載の電解質。
- 1.6モル/lのLiPF6 を、イオン性液体溶媒BMIBF4およびSDSの等モル混合物に含む、請求項1〜31のいずれか一項に記載の液状電解質。
- 請求項1〜32のいずれか一項に記載の電解質を含む、電気化学的システム。
- 請求項1〜32のいずれか一項に記載の電解質、陽極および陰極を含む、再充電可能な電気化学的アキュムレーター。
- リチウムアキュムレーターである、請求項34に記載のアキュムレーター。
- ボタン電池セルである、請求項34に記載のアキュムレーター。
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