JP6671079B2 - イオン液体、その製造方法及びその用途 - Google Patents
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Description
本発明は、アルカリ金属塩とオニウム塩とを混合してなるイオン液体、その製造方法、及びその用途に関する。
本発明の製造方法は、融点が50℃以上であるオニウム塩と、融点が50℃以上であるアルカリ金属塩と、を混合することを特徴とし、本発明の製造方法では、元のオニウム塩及びアルカリ金属塩の両者の融点よりも低くかつ100℃以下の融点を有するイオン液体を得る。
上記アルカリ金属塩は好ましくはリチウム塩である。
上記オニウム塩におけるオニウムカチオンは、好ましくは第四級アンモニウムカチオン、ピロリジニウムカチオン、ピペリジニウムカチオン又はイミダゾリウムカチオンである。
本発明によれば、原料として用いるオニウム塩自体が高融点であっても、融点の低いイオン液体が得られる。このようにして得られるイオン液体は、使用するカチオンの分子量が小さいため、粘性も低くなる傾向があり、融点が低い溶融塩であるため、例えば常温で1mS/cmを超える高いイオン伝導度を達成し得る。本発明によって得られる溶融塩は混合組成によっては、0℃以下の低温でも液状を保つことができる。
本発明により得られたイオン液体を電解液として用いた二次電池は、電解液が低粘度・高イオン伝導度を呈するため、常温においても良好なレート特性を有し、かつ溶媒を用いなくてもよいので、揮発性がなく、難燃であり、安全性に優れる。
本発明では、オニウム塩は融点が50℃以上であるものが用いられ、アルカリ金属塩も融点が50℃以上であるものが用いられる。イオン液体はイオン(アニオン、カチオン)からなる液体の塩であり、本発明では融点が100℃以下のものをイオン液体と呼ぶ。イオン液体の融点は好ましくは65℃以下であり、より好ましくは、30℃以下である。本発明で得るイオン液体は、用いたオニウム塩の融点よりも融点が低く、また、用いたアルカリ金属の融点よりも融点が低い。
本発明では融点が50℃以上であるオニウム塩を用いる。好適には、オニウムカチオン部分の分子量(式量)が150以下である。概略的には、分子が小さいことは、粘度が低くなり、導電性が高くなりがちであるが、分子が小さく分子構造の対称性が高いことは、固化する際の結晶性が高くなる傾向があるから、単一のオニウム塩での融点は高くなる。よって、小分子量のオニウム塩を混合してイオン液体化することは、得られるイオン液体の粘性の低下、導電性向上等に有効である。この観点からオニウム塩の融点は50℃以上であり、好ましくは55℃以上であり、より好ましくは90℃以上であり、さらに好ましくは150℃以上である。オニウム塩の融点の上限値は特に限定は無く、例えば400℃などが挙げられる。オニウムカチオン部分の分子量(式量)は好ましくは150以下、より好ましくは120以下であり、前記分子量(式量)の下限値は特に限定は無く、例えば70である。
これらの中でもアゾニアスピロ[4.4]ノナンカチオン又はジエチルジメチルアンモニウムカチオンと、N(FSO2)2 −、N(CF3SO2)2 −、BF4 −から選ばれる1種と、の組み合わせが溶融塩の粘度をより下げられる点から好ましく挙げられる。
アルカリ金属塩におけるアルカリ金属カチオンとしては、リチウムカチオン、ナトリウムカチオン、カリウムカチオン等が挙げられる。本発明では、融点が50℃以上のアルカリ金属塩を用いる。通常のアルカリ金属塩の融点は50℃以上であり、これらを特に限定無く用いることができる。
本発明では、上述のオニウム塩とアルカリ金属塩とを混合してイオン液体を得る。混合においては、オニウム塩と金属塩とが化学的に接触し得るようにすればよく、例えば、乾式混合であってもよいし、適宜な溶媒等を用いた湿式混合であってもよい。湿式混合の場合は、好ましくは、混合後に溶媒を留去させる。本発明では、混合により、元のオニウム塩よりも低融点であり、かつ、元のアルカリ金属塩よりも低融点であり、さらに融点が100℃以下である混合物を得る。具体的な混合工程の非限定的な例は後述の実施例に記載する。
このようにして得られるイオン液体もまた本発明の実施の一形態である。換言すると、本発明のイオン液体は、融点が50℃以上であるオニウム塩と、融点が50℃以上であるアルカリ金属塩と、の混合物からなり、元のオニウム塩及びアルカリ金属塩の両者の融点よりも低くかつ100℃以下の融点を有する。本発明のイオン液体は好ましくは溶媒を含まない。ここで、「溶媒」は上記混合物以外の物質であって融点が50℃未満であるものをいう。溶媒を含まないことにより、イオン液体そのものの利点をより実効あらしめることができる。
LiFSI:リチウムビス(フルオロスルホニル)イミド
LiTFSI:リチウムビス(フルオロメタンスルホニル)イミド
SBP−FSI:5−アゾニアスピロ[4,4]ノナンビス(フルオロスルホニル)イミド
SBP−BF4:5−アゾニアスピロ[4,4]ノナンテトラフルオロボレート
SBP−TFSI:5−アゾニアスピロ[4,4]ノナンビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド
TMA−FSI:テトラメチルアンモニウムビス(フルオロスルホニル)イミド
DMI−FSI:ジメチルイミダゾリウムビス(フルオロスルホニル)イミド
DEDMA−FSI:ジエチルジメチルアンモニウムビス(フルオロスルホニル)イミド
DEDMA−TFSI:ジエチルジメチルアンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド
DMI−FSI:ジメチルイミダゾリウムビス(フルオロスルホニル)イミド
この実施例では、以下のようにして、LiFSIとSBP−FSIとを混合してなるイオン液体を製造した(モル比、3:7)。
アルゴン置換した500ml、4つ口フラスコに公知の方法で製造したSBP−Cl(5−アゾニアスピロ[4.4]ノナンクロライド)50g(0.309mol)を投入し、純水150gに溶解させた。そこに三菱マテリアル電子化成(株)製カリウムビス(フルオロスルホニル)イミド(KFSI)67.8g(0.309mol)を投入し、70℃で30分間攪拌を行い、その後室温まで冷却した。そこに酢酸エチル120gを投入し、合成したSBP−FSIを有機層に抽出した。混合液を1L、分液ロートに移し変え、分液ロートにて純水150gで5回洗浄を繰り返した。洗浄後の有機層、すなわちSBP−FSIの酢酸エチル溶液を300ml、4つ口フラスコに移し替え、酢酸エチルを350mmHgにて減圧留去した。次いで、常圧に戻し、イソプロピルアルコール100gを投入して再結晶し、SBP−FSIのイソプロピルアルコール湿結晶を得た。露点−40℃以下に管理されたドライルームに設置した減圧乾燥機にて、この湿結晶を10mmHg、80℃で8時間乾燥を行い、75.5gのSBP−FSIを得た(収率:80%)。
合成したSBP−FSIは、NMRを用いて同定を行った。
SBP−FSI
1H-NMR(CD3OD,TMS,300.4MHz)δ2.22(m,8H),δ3.55(m,8H)
19F-NMR(CD3CN,CFCl3,470.6MHz):δ56.6(s,2F)
露点−40℃以下に管理されたドライルーム内で200ml、4つ口フラスコにLiFSIとSBP−FSIとのモル比が3:7となるように日本触媒(株)製LiFSI粉末14.52g(0.181mol)と合成したSBP−FSI粉末55.48g(0.776mol)とを投入し、室温で緩やかに攪拌を行った。混合粉体は攪拌開始直後から緩やかに液状へ変化し、一晩攪拌後、均一な無色透明液体としてLiFSI−SBP−FSIのイオン液体(常温溶融塩)を得た。
(株)トキメック製E型粘度計を用いた。まず、JS50標準液にて粘度計を校正した。その後、恒温槽を25℃に設定、装置に試料1mlを注入し、25℃における試料の粘度を測定した。
セイコーインスツルメンツ(株)製示差走査熱量分析DSC装置Exstar6000を用いた。試料1〜5mgを露点−40℃以下に管理されたドライルーム内でSUS316製容器に入れて密閉した。測定条件は30℃保持3minの後、400℃まで10℃/minで昇温させ、その際のリファレンスに対する熱量変化から融点を求めた。図1は、DSC装置からの出力例である。
30℃以下で液状のものは−20℃恒温槽にて24時間保持して、液状を保持する場合は−20℃未満であると判断し(後述の表では「<−20」と表記)、液状を保持しない場合には−20℃〜30℃であると判定した(後述の表では「<30」と表記)。
実施例1の場合と同様に、他の化合物を用いてイオン液体を製造し、評価した。なお、25℃において固体であるものについては粘度測定を行わなかった。そのようなイオン液体であっても、使用する温度領域によっては本発明の効果を享受することができるので、本発明の範囲内である。各イオン液体の製造にあたって用いた原料は以下のとおりである。なお、オニウムカチオンのハロゲン化物は公知の方法で製造したものを用いた。
LiTFSI:日本ソルベイ(株)製
KTFSI:三菱マテリアル電子化成(株)製
以下の要領で、実施例2のイオン液体の電位窓をリニアスイープボルタンメトリーで測定した。
25℃±1℃の恒温槽内で、北斗電工製電気化学測定システム「HZ−5000」を用いて、イオン液体還元側のリニアスイープボルタンメトリーを測定した。測定は3極式セル(対極:Li、参照極:Li、作用極:Ni)を使用した。作用極の面積は0.8cm2で、電圧掃引速度1mV/sで実施した。測定結果を図2に示す。符号11のカーブが還元側の測定結果である。
25℃±1℃の恒温槽内で、北斗電工製電気化学測定システム「HZ−5000」を用いて、イオン液体酸化側のリニアスイープボルタンメトリーを測定した。測定は3極式セル(対極:Li、参照極:Li、作用極:カーボンブラック)を使用した。作用極の面積は0.8cm2で、電圧掃引速度1mV/sで実施した。測定結果を図2に示す。符号12のカーブが酸化側の測定結果である。
(正極の作製)
正極活物質であるLiNi1/3Co1/3Mn1/3O2を173g、導電材としてアセチレンブラック(電気化学工業社製、商品名デンカブラック)を7.79g、炭素繊維(昭和電工社製、商品名VGCF)を3.89g、バインダーとしてPVdFを9.73g、分散媒としてN−メチル−2−ピロリドン(NMP)を130g、それぞれをミキサーで混合し、固形分60%の正極塗工液を調製した。この塗工液を塗工機で厚み20μmのアルミニウム箔上にコーティングし、80℃で乾燥後、ロールプレス処理を行い、正極活物質重量7.4mg/cm2の正極を得た。
負極活物質であるグラファイトを123g、導電材としてアセチレンブラック(電気化学工業社製、商品名デンカブラック)を1.28g、バインダーとしてカルボキシメチルセルロース(CMC)を12.8g、スチレンブタジエンゴム(SBR)を12.8g、分散媒として純水を105g、それぞれをミキサーで混合し、固形分55%の負極塗工液を調製した。この塗工液を塗工機で厚み18μmの銅箔上にコーティングし、80℃で乾燥後、ロールプレス処理を行い、負極活物質重量3.4mg/cm2の負極を得た。
電池評価は宝泉(株)製2032規格ステンレス製コインセルにて評価を行った。作製したコイン型電池10の断面図を図3に示す。正極1には、露点−40℃以下に管理されたドライルーム内にて作成した正極をφ14に打ち抜いた。次に作成した負極2をφ16に打ち抜いた。正極1には正極集電体1aをもち、負極2には負極集電体2aをもつ。同様にポリエチレン系セパレータ7をφ19に打ち抜き、負極2、セパレータ7、ガスケット6、正極1、ステンレススペーサ(1mm)板バネの順で組み合わせた。そこに電解液3として上記各実施例で得られたイオン液体を0.4μl注液した後、−0.09MPaにて1時間電解液を減圧含浸した。これらの発電要素をステンレス製のケース(正極ケース4と負極ケース5から構成されている)中に収納した。正極ケース4と負極ケース5とは正極端子と負極端子とを兼ねている。正極ケース4と負極ケース5との間にはポリプロピレン製のガスケット6を介装することで密閉性と正極ケース4と負極ケース5との間の絶縁性とを担保している。その後かしめ機にてセルを封止し、評価用二次電池セルとした。
充放電試験装置を用いて、上限電圧を4.2V、下限電圧を2.7Vに規定し、初回充電を0.1C時間率、初回放電を0.1C時間率で実施した後、1C充電と1C放電による充放電サイクルを50サイクル繰り返した。初回の1C放電容量と比較し、50サイクル目の容量保持率を求めた。
充放電試験装置を用いて、上限電圧を4.2V、下限電圧を2.7Vに規定し、充電を0.1C時間率に規定し、放電レートを0.1C、0.2C、0.5C、1C、2C、3C、5C、10Cに規定し、急速放電時の発現容量の確認を行った。
二次電池 イオン液体
実施例19 実施例1
実施例20 実施例2
実施例21 実施例3
実施例22 実施例6
実施例23 実施例7
実施例24 実施例8
実施例25 実施例9
実施例26 実施例11
実施例27 実施例12
実施例28 実施例13
実施例29 実施例14
実施例30 実施例15
実施例31 実施例17
本発明のイオン液体を用いたリチウムイオン二次電池は、20℃の1Cレート放電において良好な放電容量を発現させることができる。また、実施例19、20、21の比較では、実施例21の電池で最も良いレート特性が得られる。粘度の低い実施例1のイオン液体を用いた実施例19の電池よりも、粘度の高いLi塩のモル比の高い実施例3のイオン液体のレート特性が良好な結果を得られる。本発明のイオン液体は、常温〜中温領域の広い温度範囲で良好な耐久性とレート特性で駆動する二次電池用の電解液として有用である。
2:負極 2a:負極集電体
3:電解液 4:正極ケース
5:負極ケース 6:ガスケット
7:セパレータ 10:コイン型電池
11:還元側のリニアスイープボルタンメトリーの測定結果
12:酸化側のリニアスイープボルタンメトリーの測定結果
Claims (6)
- 融点が50℃以上であるオニウム塩と、融点が50℃以上であるアルカリ金属塩と、を混合することを特徴とする、元のオニウム塩及びアルカリ金属塩の両者の融点よりも低くかつ100℃以下の融点を有するイオン液体の製造方法であって、
前記オニウム塩におけるオニウムカチオンは、テトラメチルアンモニウムカチオン、エチルトリメチルアンモニウムカチオン、ジエチルジメチルアンモニウムカチオン、5−アゾニアスピロ[4,4]ノナンカチオン及びジメチルイミダゾリウムカチオンからなる群から選ばれ、
前記オニウム塩におけるアニオンは、ビス(フルオロスルホニル)イミドアニオン、ビス(フルオロメタンスルホニル)イミドアニオン及びBF 4 − からなる群から選ばれ、
前記アルカリ金属塩は、リチウムビス(フルオロスルホニル)イミド及びリチウムビス(フルオロメタンスルホニル)イミドからなる群から選ばれる、
上記製造方法。 - 上記混合における上記アルカリ金属塩のモル量(MA)とオニウム塩のモル量(MO)との比MA/MOが1/9〜7/3である請求項1記載の製造方法。
- 融点が50℃以上であるオニウム塩と、融点が50℃以上であるアルカリ金属塩と、の混合物からなり、元のオニウム塩及びアルカリ金属塩の両者の融点よりも低くかつ100℃以下の融点を有するイオン液体であって、
前記オニウム塩におけるオニウムカチオンは、テトラメチルアンモニウムカチオン、エチルトリメチルアンモニウムカチオン、ジエチルジメチルアンモニウムカチオン、5−アゾニアスピロ[4,4]ノナンカチオン及びジメチルイミダゾリウムカチオンからなる群から選ばれ、
前記オニウム塩におけるアニオンは、ビス(フルオロスルホニル)イミドアニオン、ビス(フルオロメタンスルホニル)イミドアニオン及びBF 4 − からなる群から選ばれ、
前記アルカリ金属塩は、リチウムビス(フルオロスルホニル)イミド及びリチウムビス(フルオロメタンスルホニル)イミドからなる群から選ばれる、
上記イオン液体。 - 上記混合物のほかは融点が50℃未満である物質を含有しない請求項3記載のイオン液体。
- 電池の電解液、有機反応溶媒、抽出溶媒またはキャパシタの電解液である請求項3又は4記載のイオン液体。
- 請求項3又は4記載のイオン液体を電解液として有する二次電池。
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