JPWO2006098213A1 - Electrochemical element - Google Patents
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Abstract
両極性の導電性高分子と、イオン性液体を含む電解質とを有する電気化学素子であって、好ましくは前記電解質はアセトニトリル、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、γ−ブチルラクトンの中から選ばれる少なくともいずれか1つと、イオン性液体とを1:3〜10:1の体積比で混合したものである電気化学素子。これにより、ドープ・脱ドープ反応の繰り返し安定性が改良された新規な電気化学素子を提供する。An electrochemical element having a bipolar conductive polymer and an electrolyte containing an ionic liquid, preferably the electrolyte is at least one selected from acetonitrile, propylene carbonate, ethylene carbonate, and γ-butyllactone 1 and an ionic liquid mixed in a volume ratio of 1: 3 to 10: 1. This provides a novel electrochemical device with improved repeated stability of the doping / dedoping reaction.
Description
本発明は、電気化学素子に関し、特に、両極性の導電性高分子のドープ・脱ドープ反応を用いたレドックスキャパシタに関する。 The present invention relates to an electrochemical device, and more particularly, to a redox capacitor using a doping and dedoping reaction of a bipolar conductive polymer.
電気化学素子は電気化学反応を利用した素子であり、電池、コンデンサ、燃料電池などのエネルギー蓄積に用いられる素子を含む。このような素子において古くから導電性高分子のドープ・脱ドープ反応を利用することが考えられてきた。しかしながら、導電性高分子のドープ・脱ドープ反応は、繰り返し安定性に欠け、反応を繰り返しているうちにドーピングが起きなくなるという問題があり、このような原理に基づく電気化学素子は実用上大きな問題がある。 The electrochemical element is an element utilizing an electrochemical reaction, and includes elements used for energy storage such as a battery, a capacitor, and a fuel cell. It has been considered for a long time to use a conductive polymer doping / dedoping reaction in such an element. However, the doping and dedoping reactions of conductive polymers have a problem in that they are not repeatedly stable and do not occur during repeated reactions. Electrochemical devices based on these principles are a major problem in practical use. There is.
電気二重層キャパシタは、電圧を加えたときに電極と電解質との界面に生じる電気二重層容量を利用した蓄電用電気化学素子である。この電気二重層容量による蓄電のメカニズムは、電気化学反応を伴う二次電池に比較してより早い充放電が可能で、繰り返し寿命特性にも優れているという特徴を有している。しかしながら、電気二重層キャパシタは二次電池に比べてそのエネルギー密度がはるかに小さいという欠点がある。電気二重層容量は電極の表面積に比例することから、表面積の大きな賦活した活性炭が一般に電極として用いられている。しかしながら、このように表面積が大きな活性炭電極を用いても、電気二重層キャパシタのエネルギー密度は5Wh/kg程度に留まっており、その容量密度は二次電池に比較して1/10以下である。 An electric double layer capacitor is an electrochemical element for electrical storage that utilizes an electric double layer capacity generated at the interface between an electrode and an electrolyte when a voltage is applied. The mechanism of electricity storage by this electric double layer capacity has the characteristics that it can be charged / discharged faster than a secondary battery with an electrochemical reaction, and has excellent repeated life characteristics. However, the electric double layer capacitor has a drawback that its energy density is much smaller than that of the secondary battery. Since the electric double layer capacity is proportional to the surface area of the electrode, activated carbon having a large surface area is generally used as the electrode. However, even when such an activated carbon electrode having a large surface area is used, the energy density of the electric double layer capacitor remains at about 5 Wh / kg, and its capacity density is 1/10 or less as compared with the secondary battery.
そのような現状に鑑み、電気二重層キャパシタの容量密度を飛躍的に向上させるために、導電性高分子による擬似容量を用いた蓄電器が提案されている。擬似容量は、電気二重層容量とは異なり、電極界面での電子移動過程(ファラデー過程)を伴って蓄えられる。また、擬似容量が発現する過程でも、界面で電気二重層が形成されるため、電気二重層容量と擬似容量とが並行して発現し、結果として大容量化につながる。このような擬似容量は導電性高分子を用いる場合には導電性高分子のレドックス反応、すなわちドープ・脱ドープ反応によって発現する。このレドックス反応によって発現する擬似容量は、理論的には電気二重層容量の106倍と見積もられ、したがって、擬似容量を利用したキャパシタ(レドックスキャパシタという)は、電気二重層容量のみを利用する従来の電気二重層キャパシタに比べて、飛躍的に高容量なキャパシタとなる。一例として、たとえば特開平6−104141号公報(特許文献1)には、導電性高分子膜によって構成されるキャパシタが開示されている。In view of such a current situation, in order to drastically improve the capacitance density of the electric double layer capacitor, a capacitor using a pseudo capacitance by a conductive polymer has been proposed. Unlike the electric double layer capacity, the pseudo capacity is stored with an electron transfer process (Faraday process) at the electrode interface. Further, even in the process in which the pseudo capacity is developed, the electric double layer is formed at the interface, so that the electric double layer capacity and the pseudo capacity are developed in parallel, resulting in an increase in capacity. Such a pseudo capacity is manifested by a redox reaction of the conductive polymer, that is, a doping / dedoping reaction when the conductive polymer is used. The pseudocapacitance expressed by this redox reaction is theoretically estimated to be 10 6 times the electric double layer capacitance. Therefore, a capacitor using the pseudocapacitance (referred to as a redox capacitor) uses only the electric double layer capacitance. Compared with a conventional electric double layer capacitor, the capacitor has a significantly higher capacity. As an example, for example, JP-A-6-104141 (Patent Document 1) discloses a capacitor formed of a conductive polymer film.
以上に述べたように、擬似容量を用いたキャパシタ(レドックスキャパシタ)は画期的な特性を発現できる素子ではあるが、二つの大きな技術的な問題のために実用化には至っていない。 As described above, a capacitor using a pseudo capacitance (redox capacitor) is an element capable of exhibiting breakthrough characteristics, but has not been put into practical use due to two major technical problems.
第一には、導電性高分子が脱ドープ状態では絶縁体であるために電極として動作しないという問題が挙げられる。この問題については、高比表面積を有する炭素材料の表面が導電性高分子によって被覆された構造の炭素/導電性高分子複合体からなる蓄電素子用電極に関する提案がある(たとえば、特開2003−109875号公報(特許文献2)を参照。)。 First, there is a problem that the conductive polymer does not operate as an electrode because it is an insulator in an undoped state. Regarding this problem, there is a proposal relating to an electrode for a power storage element made of a carbon / conductive polymer composite having a structure in which the surface of a carbon material having a high specific surface area is coated with a conductive polymer (for example, Japanese Patent Laid-Open No. 2003-2003). No. 109875 (see Patent Document 2).
また第二には、導電性高分子のドープ・脱ドープ反応の繰り返し安定性が悪いという問題がある。この第二の問題については、基本的な解決がなされていないのが実情である。 The second problem is that the repeated stability of the conducting polymer doping / dedoping reaction is poor. The fact is that the second problem has not been fundamentally solved.
以上のような電気化学素子に関連した技術とは別に、近年常温で液体状である溶融塩が開発され注目されている。これらはイオン性液体と呼称され、イミダゾリウムやピリジウムなどの四級塩カチオンと適当なアニオン(Br-、AlCl4 -、BF4 -、PF6 -など)との組み合わせで構成される。イオン性液体は、不揮発性、不燃性、化学的安定性、高イオン伝導性などの特徴をもち、各種合成や触媒反応などの化学反応に用いられ再利用可能なグリーンソルベントとして注目されている。イオン性液体は、電位窓が大きく、耐電圧性に優れており、イオン濃度も高い。また、難燃性で揮発しないため、蒸発する心配が無く、安全性にも優れている。このため、イオン性液体は、電気二重層キャパシタの電解液としての応用が検討されている。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的とするところは、ドープ・脱ドープ反応の繰り返し安定性が改良された新規な電気化学素子を提供することである。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a novel electrochemical device having improved repeated stability of doping and dedoping reactions.
本発明の電気化学素子は、両極性の導電性高分子と、イオン性液体を含む電解質とを有することを特徴とする。従来技術において、電解質中で繰り返しドープ、脱ドープ反応を行っている間に次第にドーピング反応が起きなくなる原因は、脱ドープされたドーパントが電解質中に拡散して、ドーピング時に導電性高分子の近傍に有効なドーパントが存在しなくなるためである。そこで我々は、まず、導電性高分子とイオン性液体との組み合わせについて検討した。イオン性液体を構成するアニオン成分および/またはカチオン成分として導電性高分子のドーパントともなり得る成分を選択すれば、ドーパントを常に導電性高分子の近傍に存在させることができるはずである。このようなイオン性液体中ではドープ、脱ドープ反応を繰り返している間にイオン性液体を構成するアニオン成分および/またはカチオン成分が導電性高分子のドーパントとして取り込まれ、イオン性液体を構成するアニオン成分および/またはカチオン成分と導電性高分子のドーパントの一部とが同一成分であるイオン性液体・導電性高分子複合体を形成すると考えられ、このイオン性液体・導電性高分子複合体は、優れたドープ・脱ドープ反応の繰り返し安定性の発現に寄与するものと考えられる。本発明者らは、さらに、導電性高分子の中でも両極性のものを用いることで、特に高性能な電気化学素子を実現できることを見出し、本発明を完成するに至った。すなわち、本発明は以下のとおりである。 The electrochemical element of the present invention is characterized by having a bipolar conductive polymer and an electrolyte containing an ionic liquid. In the prior art, the reason why the doping reaction does not gradually occur during repeated doping and dedoping reactions in the electrolyte is that the dedope dopant diffuses into the electrolyte and is in the vicinity of the conductive polymer during doping. This is because there is no effective dopant. Therefore, we first examined the combination of a conductive polymer and an ionic liquid. If a component that can also be a dopant of a conductive polymer is selected as the anion component and / or cation component constituting the ionic liquid, the dopant should always be present in the vicinity of the conductive polymer. In such an ionic liquid, the anion and / or cation component constituting the ionic liquid is incorporated as a dopant of the conductive polymer while repeating the doping and dedoping reactions, and the anion constituting the ionic liquid. It is considered that the ionic liquid / conductive polymer composite is formed in which the component and / or cation component and part of the dopant of the conductive polymer are the same component. It is thought that it contributes to the development of excellent repeat stability of doping and dedoping reactions. Furthermore, the present inventors have found that a particularly high-performance electrochemical device can be realized by using bipolar polymers among conductive polymers, and have completed the present invention. That is, the present invention is as follows.
本発明の電気化学素子は、両極性の導電性高分子と、イオン性液体を含む電解質とを有することを特徴とする。 The electrochemical element of the present invention is characterized by having a bipolar conductive polymer and an electrolyte containing an ionic liquid.
ここにおいて前記電解質はイオン性液体と有機溶媒との混合物であるのが好ましく、アセトニトリル、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、γ−ブチルラクトンの中から選ばれる少なくともいずれか1つと、イオン性液体とを1:3〜10:1の体積比で混合したものであるのがより好ましい。 Here, the electrolyte is preferably a mixture of an ionic liquid and an organic solvent, and at least one selected from acetonitrile, propylene carbonate, ethylene carbonate, and γ-butyl lactone and the ionic liquid is 1: More preferably, the mixture is mixed at a volume ratio of 3 to 10: 1.
本発明の電気化学素子において、両極性の導電性高分子がさらにイオン性液体を含むのが好ましい。 In the electrochemical device of the present invention, the bipolar conductive polymer preferably further contains an ionic liquid.
本発明に用いるイオン性液体は、BF4 -アニオン、PF6 -アニオンまたはスルホン酸アニオンを含むイオン性液体であるのが好ましく、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムヘキサフルオロホスフェート、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムヘキサフルオロホスフェート、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムトシレート、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムトシレートから選ばれる少なくとも1つであるのがより好ましい。Ionic liquids used in the present invention, BF 4 - anion, PF 6 - is preferably an ionic liquid comprising an anion or sulfonate anion, 1-ethyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate, 1-butyl - 3-methylimidazolium tetrafluoroborate, 1-ethyl-3-methylimidazolium hexafluorophosphate, 1-butyl-3-methylimidazolium hexafluorophosphate, 1-ethyl-3-methylimidazolium tosylate, 1-butyl More preferably, it is at least one selected from -3-methylimidazolium tosylate.
本発明に用いる両極性の導電性高分子は、ドープ状態と脱ドープ状態で電気伝導度が1000倍以上変化し、ドープ状態での導電率が0.01S/cm以上であるものであることが好ましい。 The bipolar conductive polymer used in the present invention has an electric conductivity of 1000 times or more in the doped state and in the undoped state, and the conductivity in the doped state is 0.01 S / cm or more. preferable.
また本発明に用いる両極性の導電性高分子は、ポリチオフェン誘導体であるのが好ましく、ポリ−3−(4−フルオロフェニル)チオフェン、ポリ−3−(4−t−ブチルフェニル)チオフェン、ポリ−3−(4−トリフルオロメチルフェニル)チオフェン、ポリ−3−(2,4−ジフルオロフェニル)チオフェン、ポリ−3−(2,3,4,5,6−ペンタフルオロフェニル)チオフェン、から選ばれる少なくとも1つであるのがより好ましい。 The bipolar conductive polymer used in the present invention is preferably a polythiophene derivative, such as poly-3- (4-fluorophenyl) thiophene, poly-3- (4-t-butylphenyl) thiophene, poly- Selected from 3- (4-trifluoromethylphenyl) thiophene, poly-3- (2,4-difluorophenyl) thiophene, poly-3- (2,3,4,5,6-pentafluorophenyl) thiophene More preferably, there is at least one.
また本発明の電気化学素子は、対向する2つの電極と、該電極間に挟まれたイオン性液体を含む電解質とを備え、該電極の少なくとも表面には、両極性の導電性高分子が前記電解質に接するように存在するものであることが好ましい。 The electrochemical element of the present invention includes two electrodes facing each other and an electrolyte containing an ionic liquid sandwiched between the electrodes, and at least a surface of the electrode includes a bipolar conductive polymer. It is preferable that it exists so that it may contact | connect electrolyte.
本発明の電気化学素子は、極性デバイスとして使用されるレドックスキャパシタであることが好ましい。 The electrochemical element of the present invention is preferably a redox capacitor used as a polar device.
本発明によれば、両極性の導電性高分子と、イオン性液体を含む電解質とを有することにより、ドープ・脱ドープ反応の繰り返し安定性が改良された高性能な電気化学素子を提供することができる。 According to the present invention, there is provided a high-performance electrochemical device having improved repeated stability of doping and dedoping reactions by having a bipolar conductive polymer and an electrolyte containing an ionic liquid. Can do.
1 レドックスキャパシタ、2,3 電極、4 セパレータ、5,6 電極素子、7 ガスケット。 1 Redox capacitor, 2, 3 electrodes, 4 separators, 5, 6 electrode elements, 7 gaskets.
本発明における両極性の導電性高分子とは、Pドープ、Nドープの両方が可能な導電性高分子(アニオン・カチオン両ドープ型の導電性高分子)である。図2には、2つの電極に両極性の導電性高分子を用いた系の充放電の様子を、縦軸に電流、横軸に電圧をとって模式的に表してある。図2の矢印は、放電の場合の電圧および電流の変化の向きを表している。図2に示すように、両極性の導電性高分子を各電極の活物質としてそれぞれ用いた系では、充電の場合には、一方の導電性高分子はPドープされ(アニオンがドープされ)、他方の導電性高分子はNドープ(カチオンがドープ)される。その結果、充電後の系の電圧(2つの電極間の電圧)はV1となる。放電の場合には、充電の場合と逆に、一方の導電性高分子はアニオンが脱ドープされ、他方の導電性高分子はカチオンが脱ドープされ、ドーピング電荷Q1が放出される。そして、放電完了後には、両方の導電性高分子はアニオンおよびカチオンがドープされていない状態に戻る。本発明においては、導電性高分子の中でも、このような両極性のものを用いることによって、放電電圧、蓄積電荷、エネルギー密度などの特性において特に高性能な電気化学素子を実現することができる。The bipolar conductive polymer in the present invention is a conductive polymer that can be both P-doped and N-doped (anion / cation both-doped type conductive polymer). FIG. 2 schematically shows the state of charging and discharging in a system using a bipolar conductive polymer for two electrodes, with current on the vertical axis and voltage on the horizontal axis. The arrows in FIG. 2 represent the direction of change in voltage and current in the case of discharge. As shown in FIG. 2, in a system using a bipolar conductive polymer as an active material of each electrode, in the case of charging, one conductive polymer is P-doped (anion doped), The other conductive polymer is N-doped (cation doped). As a result, the voltage of the system after charging (voltage between the two electrodes) becomes V 1 . In the case of discharging, contrary to the case of charging, one conductive polymer is dedoped with anions, the other conductive polymer is dedoped with cations, and a doping charge Q 1 is released. Then, after the discharge is completed, both conductive polymers return to a state in which anions and cations are not doped. In the present invention, by using such a bipolar polymer among conductive polymers, it is possible to realize an electrochemical device having particularly high performance in characteristics such as discharge voltage, stored charge, and energy density.
両極性の導電性高分子としては、特に限定はなく、たとえば様々なポリチオフェン誘導体を挙げることができる。 There are no particular limitations on the bipolar conductive polymer, and examples include various polythiophene derivatives.
本発明に用いる両極性の導電性高分子であるポリチオフェン誘導体として好適な例としては、ポリ−3−(4−フルオロフェニル)チオフェン、ポリ−3−(4−トリフルオロメチルフェニル)チオフェン、ポリ−3−(2,4−ジフルオロフェニル)チオフェン、ポリ−3−(2,3,4,5,6−ペンタフルオロフェニル)チオフェン、から選ばれる少なくとも1つを挙げることができる。中でも、モノマーユニットあたりのフッ素原子数が1〜4個のポリチオフェン誘導体は、Nドープ状態のポリマーが適度に安定化されるため、好ましい。すなわち、ポリ−3−(4−フルオロフェニル)チオフェン、ポリ−3−(4−t−ブチルフェニル)チオフェン、ポリ−3−(4−トリフルオロメチルフェニル)チオフェン、ポリ−3−(2,4−ジフルオロフェニル)チオフェンから選ばれる少なくとも1つを用いるのが好ましい。 Preferred examples of polythiophene derivatives that are bipolar conductive polymers used in the present invention include poly-3- (4-fluorophenyl) thiophene, poly-3- (4-trifluoromethylphenyl) thiophene, poly- There may be mentioned at least one selected from 3- (2,4-difluorophenyl) thiophene and poly-3- (2,3,4,5,6-pentafluorophenyl) thiophene. Among these, a polythiophene derivative having 1 to 4 fluorine atoms per monomer unit is preferable because an N-doped polymer is moderately stabilized. That is, poly-3- (4-fluorophenyl) thiophene, poly-3- (4-t-butylphenyl) thiophene, poly-3- (4-trifluoromethylphenyl) thiophene, poly-3- (2,4 It is preferable to use at least one selected from -difluorophenyl) thiophene.
本発明に使用する両極性の導電性高分子は、多くのドーパントをドープ・脱ドープできるものが、電気化学素子の静電容量を大きくする観点から好ましい。このためには、ドープ・脱ドープによる電気伝導度の変化が1000倍以上である導電性高分子を用いることが好ましいが、たとえば上記に例示したポリチオフェン誘導体は問題なく使用することができる。なお、上記ドープ・脱ドープによる電気伝導度の変化は、たとえば、以下のようにして知ることができる。すなわち、電解重合法によりSnO2ガラスなどの導電性基板上に導電性高分子膜を形成し、作製した導電性高分子膜つきの導電性基板を、参照電極(たとえばBAS株式会社製 RE5参照極)および対極(たとえば白金板)とともにドーパントとなるイオンを含む電解液(たとえば1mol/Lのテトラエチルアンモニウムテトラフルオロボレートのプロピレンカーボネート溶液)に浸し、この電解液中で導電性高分子膜つきの導電性基板を、導電性高分子のドーピングが起こる電位に一定時間保つことにより導電性高分子膜に十分なドーピングを行う。次に導電性高分子膜つき導電性基板を溶液から取り出して、導電性高分子膜を導電性基板からはがし、メタノールなどで洗浄し乾燥させる。得られたドープ状態の導電性高分子膜の電気伝導度は4端子法などの一般的な電気伝導度測定方法によって測定する。次に、上と同様にして導電性高分子膜を電解重合し、これを電解液中で脱ドープが起こる電位に一定時間保つことにより脱ドープ状態の導電性高分子膜を作製し、脱ドープ状態の導電性高分子膜の電気伝導度を測定する。これらの2つの電気伝導度測定によって導電性高分子のドープ状態と脱ドープ状態の電気伝導度の変化が分かる。導電性高分子が化学重合などで粉末状サンプルとして得られる場合には、導電性高分子粉末をプレスして固めてペレット状とし、このペレット状導電性高分子を上記と同様にしてドーパントとなるイオンを含む電解液中で一定電位に一定時間保つことによってドープ状態、および脱ドープ状態の導電性高分子ペレットを作製する。4端子法などによりこれらのペレットの電気伝導度を測定すれば、ドープ状態と脱ドープ状態における導電性高分子の電気伝導度の変化が分かる。たとえば、0.1mol/Lのモノマーと1mol/Lのテトラエチルアンモニウムテトラフルオロボレートを含むプロピレンカーボネート溶液中においてSnO2ガラスをRE5参照極に対して+1.2Vに120秒保つことにより電解重合したポリ−3−(4−フルオロフェニル)チオフェンは、1mol/Lのテトラエチルアンモニウムテトラフルオロボレートのプロピレンカーボネート溶液中で、RE5参照極に対し電位を+1.0Vに600秒間保てば、十分なPドープがされた状態となる。また、RE5参照極に対して−1.0Vに600秒間保てば十分な脱ドープ状態となり、−2.0Vに600秒間保てば十分なNドープがされた状態になる。The bipolar conductive polymer used in the present invention is preferably one that can be doped / undoped with many dopants from the viewpoint of increasing the capacitance of the electrochemical device. For this purpose, it is preferable to use a conductive polymer whose electrical conductivity change due to doping / dedoping is 1000 times or more. For example, the polythiophene derivatives exemplified above can be used without any problem. In addition, the change of the electrical conductivity by the said dope and dedope can be known as follows, for example. That is, a conductive polymer film is formed on a conductive substrate such as SnO 2 glass by an electropolymerization method, and the produced conductive substrate with the conductive polymer film is used as a reference electrode (for example, RE5 reference electrode manufactured by BAS Co., Ltd.). And a counter electrode (for example, a platinum plate) and an electrolytic solution containing ions as a dopant (for example, a 1 mol / L tetraethylammonium tetrafluoroborate propylene carbonate solution), and a conductive substrate with a conductive polymer film in the electrolytic solution. The conductive polymer film is sufficiently doped by maintaining the potential at which doping of the conductive polymer occurs for a certain period of time. Next, the conductive substrate with the conductive polymer film is taken out of the solution, and the conductive polymer film is peeled off from the conductive substrate, washed with methanol or the like, and dried. The electric conductivity of the obtained conductive polymer film in a doped state is measured by a general electric conductivity measuring method such as a four-terminal method. Next, electroconductive polymer film is electropolymerized in the same manner as above, and this is kept at a potential at which de-doping occurs in the electrolyte for a certain period of time, thereby producing a de-doped conductive polymer film. The electrical conductivity of the conductive polymer film in the state is measured. These two electrical conductivity measurements show the change in electrical conductivity between the doped state and the undoped state of the conductive polymer. When the conductive polymer is obtained as a powder sample by chemical polymerization or the like, the conductive polymer powder is pressed and hardened into a pellet, and this pellet-like conductive polymer is used as a dopant in the same manner as described above. Conductive polymer pellets in a doped state and a dedope state are prepared by maintaining a constant potential for a certain period of time in an electrolyte containing ions. If the electrical conductivity of these pellets is measured by a four-terminal method or the like, the change in the electrical conductivity of the conductive polymer in the doped state and the undoped state can be understood. For example, poly-polymerized by electropolymerization by maintaining SnO 2 glass at +1.2 V for 120 seconds with respect to the RE5 reference electrode in a propylene carbonate solution containing 0.1 mol / L monomer and 1 mol / L tetraethylammonium tetrafluoroborate. 3- (4-Fluorophenyl) thiophene is sufficiently P-doped by maintaining the potential at +1.0 V for 600 seconds with respect to the RE5 reference electrode in a propylene carbonate solution of 1 mol / L tetraethylammonium tetrafluoroborate. It becomes a state. Moreover, if it keeps to -1.0V for 600 second with respect to RE5 reference pole, it will be in the state in which it was fully dedope, and if it was kept at -2.0V for 600 seconds, it will be in the state where sufficient N dope was carried out.
また、本発明に使用する導電性高分子は、電気伝導度の高いものが、キャパシタの内部抵抗を低くする観点から好ましい。このためにはドープ状態で0.01S/cm以上(より好適には1.0S/cm以上)の導電率を示す導電性高分子を用いることが好ましいが、たとえば上記例示したポリチオフェン誘導体は問題なく使用することができる。なお、上記ドープ状態での導電率は、たとえば、上述した方法を用いて測定することができる。 In addition, the conductive polymer used in the present invention is preferably one having high electrical conductivity from the viewpoint of reducing the internal resistance of the capacitor. For this purpose, it is preferable to use a conductive polymer exhibiting a conductivity of 0.01 S / cm or more (more preferably 1.0 S / cm or more) in a doped state. For example, the polythiophene derivatives exemplified above have no problem. Can be used. In addition, the electrical conductivity in the said dope state can be measured using the method mentioned above, for example.
本発明に好ましく用いられる両極性の導電性高分子のドーパントとしては、それが両極性の導電性高分子の伝導度や熱安定性、ドープ・脱ドープの容量、安定性、速度に与える影響を考慮して選択される。本発明の両極性の導電性高分子に好ましく用いられるドーパントとしては、p−トルエンスルホン酸イオン、ベンゼンスルホン酸イオン、アントラキノン−2−スルホン酸イオン、トリイソプロピルナフタレンスルホン酸イオン、ポリビニルスルホン酸イオン、ドデシルベンゼンスルホン酸イオン、アルキルスルホン酸イオン、n−プロピルリン酸イオン、過塩素酸イオン、四フッ化ホウ酸イオンなどを例示することができる。ドーパントは、その大きさの小さい方がドープ・脱ドープの性能に優れている傾向が見られ、中でもp−トルエンスルホン酸、ベンゼンスルホン酸または四フッ化ホウ酸イオンが好ましい。 The bipolar conductive polymer dopant preferably used in the present invention has the effect on the conductivity and thermal stability of the bipolar conductive polymer, the capacity, stability and speed of doping and dedoping. Selected in consideration. As a dopant preferably used for the bipolar conductive polymer of the present invention, p-toluenesulfonate ion, benzenesulfonate ion, anthraquinone-2-sulfonate ion, triisopropylnaphthalenesulfonate ion, polyvinylsulfonate ion, Examples include dodecylbenzene sulfonate ion, alkyl sulfonate ion, n-propyl phosphate ion, perchlorate ion, and tetrafluoroborate ion. The smaller the size of the dopant, the better the performance of doping / dedoping, and p-toluenesulfonic acid, benzenesulfonic acid or tetrafluoroborate ions are preferred.
本発明における両極性の導電性高分子は、容易に薄く均一な導電性高分子膜が作製でき、膜厚の制御も可能であるとの理由から、有機溶媒の存在下における電解重合により得られることが好ましい。電解重合では、たとえば、モノマーを支持電解質と共に溶媒に溶解し、陽極酸化することにより脱水素重合する方法で、陽極上に両極性の導電性高分子を析出させることができる。一般的に、ポリマーの酸化還元電位はモノマーに比べて低いため、重合過程でさらにポリマー骨格の酸化が進み、それに伴って支持電解質であるアニオンがドーパントとしてポリマー中に取り込まれる。電解重合においては、こうしたメカニズムにより、後でドーパントを加えなくても、導電性を有するポリマーが得られるという利点がある。また後述するように、電解重合に炭素電極を用いその表面に導電性高分子を析出させることは、そのような電極をそのままレドックスキャパシタなどの分極電極として使用できるので好ましい。 The bipolar conductive polymer in the present invention can be obtained by electropolymerization in the presence of an organic solvent because a thin and uniform conductive polymer film can be easily prepared and the film thickness can be controlled. It is preferable. In the electropolymerization, for example, a bipolar conductive polymer can be deposited on the anode by a method in which a monomer is dissolved in a solvent together with a supporting electrolyte and anodized to perform dehydrogenation polymerization. Generally, since the oxidation-reduction potential of a polymer is lower than that of a monomer, the oxidation of the polymer skeleton further proceeds in the polymerization process, and accordingly, an anion which is a supporting electrolyte is incorporated into the polymer as a dopant. In electropolymerization, such a mechanism has an advantage that a polymer having conductivity can be obtained without adding a dopant later. As will be described later, it is preferable to use a carbon electrode for electrolytic polymerization and to deposit a conductive polymer on the surface thereof, because such an electrode can be used as it is as a polarization electrode for a redox capacitor or the like.
アニオン成分および/またはカチオン成分がドーパントとしてポリマー中に取り込まれる支持電解質としては、たとえば、アルキルスルホン酸ナトリウム、p−トルエンスルホン酸ナトリウム、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム、トリイソプロピルナフタレンスルホン酸ナトリウム、安息香酸ナトリウム、ドデシル硫酸ナトリウム、n−プロピルリン酸エステル、イソプロピルリン酸エステル、n−ブチルリン酸エステル、n−ヘキシルリン酸エステル、ポリスチレンスルホン酸ナトリウム、ポリビニルスルホン酸ナトリウム、過塩素酸テトラn−ブチルアンモニウム、四フッ化ホウ素テトラエチルアンモニウム、四フッ化ホウ素テトラ−n−ブチルアンモニウムなどが挙げられる。中でも、容易に入手可能なイオン性液体とアニオン成分が共通である、p−トルエンスルホン酸ナトリウム、四フッ化ホウ素テトラエチルアンモニウム、四フッ化ホウ素テトラ−n−ブチルアンモニウムなどが好ましい。 Examples of the supporting electrolyte in which the anionic component and / or the cationic component are incorporated into the polymer as a dopant include sodium alkylsulfonate, sodium p-toluenesulfonate, sodium dodecylbenzenesulfonate, sodium triisopropylnaphthalenesulfonate, sodium benzoate. Sodium dodecyl sulfate, n-propyl phosphate ester, isopropyl phosphate ester, n-butyl phosphate ester, n-hexyl phosphate ester, sodium polystyrene sulfonate, sodium polyvinyl sulfonate, tetra n-butyl ammonium perchlorate, tetrafluoro Examples thereof include tetraethylammonium borohydride and tetra-n-butylammonium tetrafluoride. Among these, sodium p-toluenesulfonate, tetraethylammonium boron tetrafluoride, tetra-n-butylammonium tetrafluoride, and the like, which have a common anionic component and anion component, are preferable.
また、本発明における両極性の導電性高分子は、イオン性液体中で重合するようにしてもよい。これにより、予めイオン性液体を含む両極性の導電性高分子(後述)を作製することができる。 In addition, the bipolar conductive polymer in the present invention may be polymerized in an ionic liquid. Thereby, the bipolar electroconductive polymer (after-mentioned) containing an ionic liquid can be produced previously.
本発明の電気化学素子に用いられる電解質は、イオン性液体を含むことを特徴とする。ここで、本明細書における「イオン性液体」とは、イオンのみから構成されているにもかかわらず常温で液体であるものを指し、イミダゾリウムなどのカチオンと適当なアニオンの組み合わせで構成される。このようなイオン性液体は難燃性、不揮発性であるため、電解質がイオン性液体を含むことで、通常の有機溶媒のみからなる電解質を用いた場合と比較して、耐久性および安全性に優れた電気化学素子を実現することができる。また、イオン性液体はイオンのみからなる液体であり、イオン濃度が高いため、イオン性液体を含む電解質を用いた電気化学素子は、ドープ・脱ドープ容量、応答性が高くなるという利点がある。さらに、イオン性液体は電位窓が広い(耐電圧性が高い)ため、イオン性液体を含む電解質を用いることで、高耐電圧の電気化学素子を作製することができるという利点もある。 The electrolyte used for the electrochemical device of the present invention is characterized by containing an ionic liquid. Here, the “ionic liquid” in the present specification refers to a liquid that is liquid only at room temperature despite being composed only of ions, and is composed of a combination of a cation such as imidazolium and an appropriate anion. . Since such an ionic liquid is flame retardant and non-volatile, the electrolyte contains an ionic liquid, which makes it more durable and safer than the case of using an electrolyte consisting of only an ordinary organic solvent. An excellent electrochemical device can be realized. Further, since the ionic liquid is a liquid composed only of ions and has a high ion concentration, an electrochemical element using an electrolyte containing the ionic liquid has an advantage of high doping / de-doping capacity and responsiveness. Furthermore, since the ionic liquid has a wide potential window (high withstand voltage), there is an advantage that an electrochemical element having a high withstand voltage can be produced by using an electrolyte containing the ionic liquid.
本発明に好適に用いられるイオン性液体を構成するカチオンとしては、イミダゾリウムカチオン、ピリジニウムカチオン、ピロリジウムカチオン、アンモニウムカチオン、トリアジン誘導体カチオンなどを例示することができるが、これらに限定されるものではない。中でもイミダゾリウムカチオンは使い易さの観点から好ましく用いられる。 Examples of the cation constituting the ionic liquid preferably used in the present invention include an imidazolium cation, a pyridinium cation, a pyrrolidinium cation, an ammonium cation, and a triazine derivative cation, but are not limited thereto. Absent. Of these, the imidazolium cation is preferably used from the viewpoint of ease of use.
イオン性液体を構成するアニオン成分としては、Br-、AlCl4 -、PF6 -、NO3 -、RANO3 -、NH2CHRACOO-、(CF3SO2)2N-、SO4 2-などを例示することができるが、これに限定されるものではない。ここで、RAは脂肪族炭化水素基、脂環式炭化水素基、芳香族炭化水素基、エーテル基、エステル基、アシル基などを含む置換基を示し、フッ素を含んでいてもよい。Examples of the anion component constituting the ionic liquid include Br − , AlCl 4 − , PF 6 − , NO 3 − , R A NO 3 − , NH 2 CHR A COO − , (CF 3 SO 2 ) 2 N − , SO 4 2- etc. can be exemplified, but is not limited thereto. Here, R A represents a substituent containing an aliphatic hydrocarbon group, an alicyclic hydrocarbon group, an aromatic hydrocarbon group, an ether group, an ester group, an acyl group, or the like, and may contain fluorine.
さらに、カルボキシラト(−COO−)を含むアニオンである、RBCOO-、-OOCRBCOOH、-OOCRBCCOO-、NH2CHRBCOO-(ここで、RBは脂肪族炭化水素基、脂環式炭化水素基、芳香族炭化水素基、エーテル基、エステル基、アシル基などを含む置換基を示し、フッ素を含んでいてもよい。)は、本発明に好ましく用いられる。Furthermore, an anion containing carboxylato (-COO-), R B COO - , - OOCR B COOH, - OOCR B CCOO -,
また、スルホン酸アニオン(−SO3 -)を含むアニオンである、RCSO3 -、RCOSO3 -(ここで、RCは脂肪族炭化水素基、脂環式炭化水素基、芳香族炭化水素基、エーテル基、エステル基、アシル基などを含む置換基を示し、フッ素を含んでいてもよい。)、ベンゼンスルホン酸、トルエンスルホン酸などは、本発明に好ましく用いられる。R C SO 3 − , R C OSO 3 − (where R C is an aliphatic hydrocarbon group, alicyclic hydrocarbon group, aromatic, which is an anion including a sulfonate anion (—SO 3 − )). Substituents containing a hydrocarbon group, an ether group, an ester group, an acyl group and the like are shown, and fluorine may be contained.), Benzenesulfonic acid, toluenesulfonic acid and the like are preferably used in the present invention.
また、さらに、BF4 -を用いると、低粘度のイオン性液体が得られ、本発明に好ましく用いることができる。Further, when BF 4 − is used, an ionic liquid having a low viscosity can be obtained and can be preferably used in the present invention.
本発明におけるイオン性液体は、ドープ・脱ドープの繰り返し安定性に優れている理由から、上述した中でもBF4 -アニオン、PF6 -アニオンまたはスルホン酸アニオンを含むイオン性液体であるのが好ましい。Ionic liquids according to the present invention, for reasons of excellent repetition stability of doping and dedoping, BF 4 among the above - anionic, PF 6 - is preferably an ionic liquid comprising an anion or sulfonate anion.
本発明に好ましく用いられるイオン性液体として、具体的には、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムヘキサフルオロホスフェート、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムヘキサフルオロホスフェート、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムトシレート、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムトシレートから選ばれる少なくとも1つが挙げられる。中でも、ドープ・脱ドープによる蓄積電荷が大きく、ドープ・脱ドープの繰り返し安定性に優れている理由から、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムテトラフルオロボレートおよび1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムテトラフルオロボレートをイオン性液体として用いるのが好ましい。 Specific examples of the ionic liquid preferably used in the present invention include 1-ethyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate, 1-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate, and 1-ethyl-3-methylimidazole. Examples thereof include at least one selected from lithium hexafluorophosphate, 1-butyl-3-methylimidazolium hexafluorophosphate, 1-ethyl-3-methylimidazolium tosylate, and 1-butyl-3-methylimidazolium tosylate. Among them, 1-ethyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate and 1-butyl-3-methylimidazolium tetratetraborate are preferred because of the large accumulated charge due to doping and dedoping and excellent repeatability of doping and dedoping. It is preferred to use fluoroborate as the ionic liquid.
イオン性液体は、両極性の導電性高分子に対して、1:3〜1:10000の比率となるように含有されるのが好ましく、1:5〜1:100の比率となるように含有されるのがより好ましい。当該イオン性液体が両極性の導電性高分子に対して1:10000未満であると、イオン性液体の割合が少な過ぎてドープ・脱ドープ性能の向上に寄与できない傾向にあるためであり、またイオン性液体が両極性の導電性高分子に対して1:3を超えると、導電性高分子膜の強度が弱くなる問題があるためである。 The ionic liquid is preferably contained in a ratio of 1: 3 to 1: 10000, preferably in a ratio of 1: 5 to 1: 100 with respect to the bipolar conductive polymer. More preferably. This is because if the ionic liquid is less than 1: 10000 relative to the bipolar conductive polymer, the proportion of the ionic liquid tends to be too small to contribute to the improvement of the doping / dedoping performance, and This is because when the ionic liquid exceeds 1: 3 with respect to the bipolar conductive polymer, there is a problem that the strength of the conductive polymer film becomes weak.
本発明に好ましく用いられるイオン性液体は、公知の方法を用いて、上記のアニオンとカチオンを組み合わせることで合成することができる。具体的な合成方法としては、アニオン交換法、酸エステル法、中和法などを挙げることができる。 The ionic liquid preferably used in the present invention can be synthesized by combining the above anions and cations using a known method. Specific examples of the synthesis method include an anion exchange method, an acid ester method, and a neutralization method.
本発明に用いられる電解質は、イオン性液体を含んでいるのであれば、イオン性液体のみから構成されていてもよいし、イオン性液体と有機溶媒との混合物であってもよいが、イオン性液体と有機溶媒との混合物を電解質として用いることで、適度なバランスで高イオン濃度、低粘度を実現できるため、これを電解液として用いることで非常にドープ・脱ドープ容量、応答速度を稼ぐことができ、好ましい。 As long as the electrolyte used in the present invention contains an ionic liquid, it may be composed of only an ionic liquid or a mixture of an ionic liquid and an organic solvent. By using a mixture of liquid and organic solvent as the electrolyte, high ion concentration and low viscosity can be realized with a reasonable balance. By using this as an electrolyte, extremely high doping and dedoping capacity and response speed can be obtained. This is preferable.
前記混合物に用いられる有機溶媒としては、たとえば、アセトニトリル、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、γ−ブチルラクトンなど、当分野において従来より広く用いられてきた有機溶媒を特に制限されることなく用いることができる。中でも、様々のイオン性液体と任意の割合でよく混合し、混合液の粘度が低くなるという理由から、アセトニトリルを用いることが好ましい。 As an organic solvent used for the said mixture, the organic solvent conventionally used widely in this field | area, such as acetonitrile, propylene carbonate, ethylene carbonate, (gamma) -butyllactone, can be used without a restriction | limiting in particular. Among them, it is preferable to use acetonitrile because it is well mixed with various ionic liquids at an arbitrary ratio and the viscosity of the mixed liquid becomes low.
電解質をイオン性液体と有機溶媒の混合物とする場合、その混合比率は特に制限されるものではないが、上述したように有機溶媒としてアセトニトリル、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、γ−ブチルラクトンの中から選ばれる少なくともいずれかを用いる場合、有機溶媒:イオン性液体=1:3〜10:1(体積比)であるのが好ましく、1:3〜3:1であるのがより好ましい。イオン性液体の有機溶媒に対する体積比1:10未満であると、イオン濃度が薄くなり、ドープ・脱ドープに有利でなくなる傾向にあるためであり、また、イオン性液体の有機溶媒に対する体積比が3:1を超えると、混合液の粘度が高くなり、電気伝導度が低くなってしまう傾向にあるためである。 When the electrolyte is a mixture of an ionic liquid and an organic solvent, the mixing ratio is not particularly limited. As described above, the organic solvent is selected from acetonitrile, propylene carbonate, ethylene carbonate, and γ-butyllactone. When at least one of the above is used, the organic solvent: ionic liquid is preferably 1: 3 to 10: 1 (volume ratio), more preferably 1: 3 to 3: 1. This is because when the volume ratio of the ionic liquid to the organic solvent is less than 1:10, the ion concentration tends to be thin, and the volume ratio of the ionic liquid to the organic solvent tends not to be advantageous. This is because when it exceeds 3: 1, the viscosity of the liquid mixture tends to be high and the electric conductivity tends to be low.
本発明の電気化学素子において、両極性の導電性高分子がイオン性液体をさらに含むのが好ましい。ここで、イオン性液体を含む両極性の導電性高分子は、当該導電性高分子に後からイオン性液体を含浸させることによって作製されてもよいし、また、当該導電性高分子の重合過程からイオン性液体を共存させることによって作製されてもよい。なお、両極性の導電性高分子に含まれるイオン性液体としては、上述したものを特に制限なく用いることができる。このイオン性液体を構成するカチオン成分やアニオン成分は、両極性の導電性高分子のドーパントとなり得る成分であってもよく、また導電性高分子のドーパントとなり得ない成分であってもよい。導電性高分子のドーパントとならない場合であっても、導電性高分子の中に含まれる(導電性高分子と共存する)ことは可能である。このように、イオン性液体をさらに含む両極性の導電性高分子を用いることで、より一層電荷蓄積、放出能力の向上された電気化学素子を実現することができる。 In the electrochemical device of the present invention, the bipolar conductive polymer preferably further contains an ionic liquid. Here, the bipolar conductive polymer containing the ionic liquid may be prepared by later impregnating the conductive polymer with the ionic liquid, or the polymerization process of the conductive polymer. May be prepared by coexisting an ionic liquid. In addition, as an ionic liquid contained in a bipolar conductive polymer, what was mentioned above can be especially used without a restriction | limiting. The cation component or anion component constituting the ionic liquid may be a component that can be a dopant for a bipolar conductive polymer or a component that cannot be a dopant for a conductive polymer. Even if it is not a dopant for a conductive polymer, it can be contained in the conductive polymer (coexist with the conductive polymer). As described above, by using a bipolar conductive polymer further containing an ionic liquid, an electrochemical device having further improved charge storage and release capability can be realized.
イオン性液体を構成するカチオン成分やアニオン成分は、両極性の導電性高分子のドーパントとなり得る成分である場合、両極性の導電性高分子の脱ドープ反応が起きた場合でも、両極性の導電性高分子に対して有効にドーパントとなり得るアニオン成分および/またはカチオン成分が常に導電性高分子の近傍に存在する状態を実現することが可能となる。したがって、イオン性液体中でドープ・脱ドープ反応を実施し、さらにその際、イオン性液体を構成するアニオン成分を両極性の導電性高分子のドーパントとなり得る成分としておくことは、ドープ・脱ドープ反応の繰り返し安定性の向上に著しい効果をもたらすものとなる。 When the cation component or anion component constituting the ionic liquid is a component that can be a dopant of a bipolar conductive polymer, even if a dedoping reaction of the bipolar conductive polymer occurs, It is possible to realize a state in which an anionic component and / or a cationic component that can effectively serve as a dopant for the conductive polymer are always present in the vicinity of the conductive polymer. Therefore, the doping / de-doping reaction is carried out in an ionic liquid, and at that time, the anion component constituting the ionic liquid is set as a component that can be a dopant for a bipolar conductive polymer. This will have a significant effect on improving the repeated stability of the reaction.
なお、本発明の電気化学素子でドープ・脱ドープ反応を繰り返した後では、両極性の導電性高分子のドーパントとイオン性液体を構成するアニオン成分および/またはカチオン成分の一部とが、共通成分であるイオン性液体−導電性高分子複合体が形成される。すなわち、ドープ・脱ドープ反応の開始時点では、両極性の導電性高分子のドーパントとイオン性液体を構成するアニオン成分および/またはカチオン成分とが必ずしも同一である必要はないが、繰り返しドープ・脱ドープ反応が進行した後の時点では、少なくともイオン性液体を構成するアニオン成分および/またはカチオン成分の一部が両極性の導電性高分子のドーパントとして取り込まれ、イオン性液体を構成するアニオン成分、カチオン成分および導電性高分子のドーパントの少なくとも一部が同一の成分を有することになる。無論、たとえば四フッ化ホウ酸イオン(BF4 -)などを用いて最初からアニオン成分および/またはカチオン成分とドーパントを同一の成分とすることがより好ましい。In addition, after repeating the doping and dedoping reactions in the electrochemical device of the present invention, the bipolar conductive polymer dopant and a part of the anionic component and / or cationic component constituting the ionic liquid are common. An ionic liquid-conductive polymer complex as a component is formed. That is, at the start of the doping / de-doping reaction, the bipolar conductive polymer dopant and the anionic component and / or cation component constituting the ionic liquid are not necessarily the same, but are repeatedly doped / de-doped. At the time after the dope reaction has progressed, at least a part of the anionic component and / or cation component constituting the ionic liquid is taken in as a bipolar conductive polymer dopant, and the anionic component constituting the ionic liquid, At least a part of the cation component and the dopant of the conductive polymer have the same component. Of course, it is more preferable that the anion component and / or the cation component and the dopant are made the same component from the beginning using, for example, tetrafluoroborate ion (BF 4 − ).
また本発明では、イオン性液体を含む有機溶媒中で電解重合した両極性の導電性高分子を含む電解重合膜と、電極とからなる電極複合体と、イオン性液体を含む電解質とを組み合わせた電気化学素子としてもよい。この場合、ドープ・脱ドープ反応を実施し、さらにその際、イオン性液体を構成するアニオン成分および/またはカチオン成分を両極性の導電性高分子のドーパントになり得る成分としておくことは、ドープ・脱ドープ反応の繰り返し安定性の向上に著しい効果をもたらすものとなる。 Further, in the present invention, an electropolymerized film containing a bipolar conductive polymer electropolymerized in an organic solvent containing an ionic liquid, an electrode complex composed of an electrode, and an electrolyte containing an ionic liquid are combined. It may be an electrochemical element. In this case, the doping / de-doping reaction is carried out, and at that time, the anion component and / or the cation component constituting the ionic liquid is set as a component that can be a dopant of a bipolar conductive polymer. This will have a significant effect on improving the repeated stability of the dedoping reaction.
本明細書中でいう「電気化学素子」は、導電性高分子のドープ・脱ドープ反応を繰り返し利用する素子全般を指し、レドックスキャパシタなどのキャパシタ、電池、エレクトロクロミック素子、センサーなどを包含する。中でも、本発明の電気化学素子は、レドックスキャパシタ(タイプIIIレドックスキャパシタ)で実現されるのが好ましい。 The term “electrochemical element” as used in the present specification refers to all elements that repeatedly use the doping and dedoping reactions of conductive polymers, and includes capacitors such as redox capacitors, batteries, electrochromic elements, sensors, and the like. Especially, it is preferable that the electrochemical element of this invention is implement | achieved by the redox capacitor (type III redox capacitor).
本発明の電気化学素子は、たとえば、対向する2つの電極と、該電極間に挟まれたイオン性液体を含む電解質とを備え、該電極の少なくとも表面には、両極性の導電性高分子が前記電解質に接するように存在するような構造にて実現されることが、好ましい。 The electrochemical device of the present invention includes, for example, two electrodes facing each other and an electrolyte containing an ionic liquid sandwiched between the electrodes, and a bipolar conductive polymer is formed on at least the surface of the electrode. It is preferable to be realized by a structure that exists so as to be in contact with the electrolyte.
図1は、本発明の電気化学素子の好ましい一例であるレドックスキャパシタ1の構成を模式的に示す図である。ここで、レドックスキャパシタとは、擬似容量を利用して、電気二重層キャパシタの容量拡大をしたキャパシタである。本発明のレドックスキャパシタは、電気エネルギの貯蔵と放出に、電極材料の酸化還元、電気二重層における充放電、電極表面でのイオンの脱吸着の全てあるいは一部を利用するものであり、金属酸化物電極系、可逆レドックス溶液系、アンダーポテンシャル系などを含めた電気化学キャパシタの1種である。一般的に、活物質レベルで容量密度120Wh/kg、出力密度が20kw/kg程度以上で、数秒以内に高速度充放電可能な電気化学キャパシタが開発されている。 FIG. 1 is a diagram schematically showing a configuration of a redox capacitor 1 which is a preferred example of the electrochemical device of the present invention. Here, the redox capacitor is a capacitor obtained by expanding the capacitance of the electric double layer capacitor by using a pseudo capacitance. The redox capacitor of the present invention uses all or part of oxidation / reduction of electrode material, charge / discharge in the electric double layer, and desorption of ions on the electrode surface for storage and release of electric energy. This is one type of electrochemical capacitor including a physical electrode system, a reversible redox solution system, an underpotential system, and the like. In general, an electrochemical capacitor having a capacity density of 120 Wh / kg at an active material level, an output density of about 20 kw / kg or more and capable of high-speed charge / discharge within a few seconds has been developed.
図1に示す例のレドックスキャパシタ1は、たとえば、2枚の板状の電極2,3をセパレータ4を間に介して配置してなり、電極2,3にのみそれぞれ電極素子5,6を当接させた構造を備える。電極2、セパレータ4、電極3で構成される積層構造体は、電極素子5,6が互いに接触しないようにガスケット7で電極素子5,6間に固定される。
The redox capacitor 1 of the example shown in FIG. 1 has, for example, two plate-
電極2,3を形成する材料としては、レドックスキャパシタ用として用いることができる限りにおいては、特に素材を限定されるものではない。たとえば、両極性の導電性高分子のみで形成された電極、炭素材料と両極性の導電性高分子との複合材料電極、金属材料と両極性の導電性高分子との複合材料電極、金属材料と炭素材料および両極性の導電性高分子との複合材料電極などを用いることができる。このように、本発明においては、電極の少なくとも表面に上述した両極性の導電性高分子が、電解質に接するように存在してなるように実現されることが、好ましい。
The material for forming the
炭素材料と両極性の導電性高分子との複合材料電極は、たとえば、エタノールやメタノール、メチルピロリドンなどの有機溶媒に、電極材料である両極性の導電性高分子と炭素材料と、さらに結着剤を加えて分散液とし、これを金属集電体の表面に塗布した後乾燥することにより作製することができる。結着剤としてはポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデンなどのフッ素樹脂が好ましく用いられる。結着剤の前記電極材料に対する使用量は5〜20重量%程度であることが好ましい。前記金属集電体としては、アルミニウム、ニッケル、ステンレス、チタン、タンタルなどの金属が好ましく用いられ、これらの金属に金や白金メッキを施したものでもよく、高分子フィルムに金属層を形成したものでもよい。また、前記金属集電体は圧延箔、パンチング箔、エッチド箔、エキスパンドメタル箔などのかたちで用いられることがより好ましい。分極電極を、集電体とせずシート状とする場合には、導電性高分子/炭素複合材料を上記結着剤とともに混合し、さらに潤滑剤を加えてペースト状としてから、押出し成形して、これを圧延ロールで圧延して電極シートとすることができる。 A composite material electrode of a carbon material and a bipolar conductive polymer is, for example, bound to an organic solvent such as ethanol, methanol, or methylpyrrolidone, and the bipolar conductive polymer that is the electrode material and the carbon material. It can be produced by adding an agent to form a dispersion, applying this to the surface of the metal current collector, and then drying. As the binder, fluorine resins such as polytetrafluoroethylene and polyvinylidene fluoride are preferably used. It is preferable that the usage-amount with respect to the said electrode material of a binder is about 5 to 20 weight%. As the metal current collector, metals such as aluminum, nickel, stainless steel, titanium, and tantalum are preferably used. These metals may be plated with gold or platinum, or a metal film formed on a polymer film. But you can. The metal current collector is more preferably used in the form of a rolled foil, a punching foil, an etched foil, an expanded metal foil, or the like. When the polarizing electrode is not a current collector but in the form of a sheet, the conductive polymer / carbon composite material is mixed with the above binder, and further a lubricant is added to form a paste, which is then extruded. This can be rolled with a rolling roll to form an electrode sheet.
また、両極性の導電性高分子の重合液に炭素材料を分散させておいて化学重合を行い、炭素材料の表面を両極性の導電性高分子によって被覆する方法によっても、炭素材料と両極性の導電性高分子との複合材料電極を作製することができる。このようにして作製した両極性の導電性高分子で被覆された炭素材料を用いて、上述と同様に電極を作製する。 Also, the carbon material can be mixed with the bipolar material by a method in which the carbon material is dispersed in a polymerization solution of the bipolar conductive polymer and chemical polymerization is performed to coat the surface of the carbon material with the bipolar conductive polymer. It is possible to produce a composite material electrode with a conductive polymer. An electrode is produced in the same manner as described above using the carbon material coated with the bipolar conductive polymer thus produced.
炭素材料と両極性の導電性高分子との複合材料電極はまた、次のようにしても作製することができる。まずエタノールやメタノール、メチルピロリドンなどの有機溶媒に炭素材料および結着剤を加えて分散液とし、これを金属集電体の表面に塗布後乾燥することにより炭素電極を作製する。次にこれを電極として用いて電解重合を行い炭素電極の表面に導電性高分子の薄膜を形成し、炭素材料の表面に導電性高分子が薄く被覆された構成とすることである。この方法で作製された電極は導電性高分子の層を極めて薄くできるので、インピーダンスの低減には有益な方法である。 A composite electrode of a carbon material and a bipolar conductive polymer can also be produced as follows. First, a carbon material and a binder are added to an organic solvent such as ethanol, methanol, or methylpyrrolidone to form a dispersion, which is applied to the surface of a metal current collector and then dried to produce a carbon electrode. Next, electrolytic polymerization is performed using this as an electrode to form a thin film of a conductive polymer on the surface of the carbon electrode, and the conductive polymer is thinly coated on the surface of the carbon material. The electrode produced by this method is a useful method for reducing impedance because the conductive polymer layer can be made extremely thin.
上記炭素材料と両極性の導電性高分子との複合材料電極に用いられる炭素材料としては、当分野において電極形成用に用いられる炭素材料であれば特に制限されるものではないが、活性炭粉末、および/またはグラファイト粉末を含むものであることが好ましい。活性炭粉末やグラファイト粉末を添加することにより、電極抵抗の低減と表面積の拡大とを図ることができるためである。したがって、炭素材料として、表面積の大きなアセチレンブラックやファーネストブラックなどのカーボンブラック、細孔径の比較的大きな活性炭粒子、粒径の比較的小さなカーボンファイバー、グラファイトファイバー、カーボンナノチューブなどが、特に好ましいものとして挙げられる。なお、炭素材料は、比表面積(液体窒素温度での窒素の吸着等温線のデータを解析して求めたBET比表面積)の値が、20m2/g以上のものを用いるのが好ましい。The carbon material used for the composite material electrode of the carbon material and the bipolar conductive polymer is not particularly limited as long as it is a carbon material used for electrode formation in this field, but activated carbon powder, And / or containing graphite powder. This is because the addition of activated carbon powder or graphite powder can reduce electrode resistance and increase surface area. Therefore, as carbon materials, carbon blacks such as acetylene black and furnace black having a large surface area, activated carbon particles having a relatively large pore diameter, carbon fibers having a relatively small particle diameter, graphite fibers, carbon nanotubes, and the like are particularly preferable. Can be mentioned. The carbon material preferably has a specific surface area (BET specific surface area obtained by analyzing data of nitrogen adsorption isotherm at liquid nitrogen temperature) of 20 m 2 / g or more.
図1に示す電極2、セパレータ4、電極3の積層構造物には、上述したイオン性液体を含む(好ましくは、イオン性液体と有機溶媒との混合物である)電解質が含浸される。なお、セパレータ4としては、キャパシタ用として従来より用いられてきたものを特に制限されず用いることができ、多孔質のものを用いるのが好ましい。また、電極素子5,6、ガスケット7もキャパシタ用として従来より用いられてきたものを特に制限されず用いることができる。ガスケット7としては、電気絶縁性を有するものを用いる。
The laminated structure of the
本発明の電気化学素子の充放電方法は通常の電気二重層キャパシタと同様であって、一対の電極間に電圧を印加することや、電流を流すことにより行なうことが可能であり、特に制限されるものではない。しかし、片側の電極は正極としてのみ、もう一方の電極は負極としてのみ使用する方が、本発明の電気化学素子の寿命を大幅に長くできる。このため、本発明の電気化学素子は、正極と負極を区別して使う極性デバイスとして使用されるレドックスキャパシタとして実現されると、サイクル寿命を延ばすことができるため、好ましい。これは、一般的に両極性の導電性高分子においてアニオンまたはカチオンの一方のドープ・脱ドープのみを繰り返す方が、アニオンとカチオンの両方のドープ・脱ドープを繰り返すよりも、ドープ・脱ドープ特性の劣化が少ないためである。 The method of charging / discharging the electrochemical device of the present invention is the same as that of a normal electric double layer capacitor, and can be performed by applying a voltage between a pair of electrodes or passing a current, and is particularly limited. It is not something. However, the lifetime of the electrochemical device of the present invention can be significantly increased by using one electrode only as a positive electrode and the other electrode only as a negative electrode. For this reason, since the electrochemical element of this invention is realizable as a redox capacitor used as a polar device which distinguishes and uses a positive electrode and a negative electrode, since a cycle life can be extended, it is preferable. In general, it is better to repeat doping and dedoping of either anion or cation in bipolar conductive polymer than repeating doping and dedoping of both anion and cation. It is because there is little deterioration of.
また、本発明の電気化学素子は、適正な電圧範囲で、過充電状態にならないようにして使用することがサイクル寿命を延ばす観点から好ましい。これは、ドーパントを過剰にドーピングすると、両極性の導電性高分子が強く酸化または還元されるため、両極性の導電性高分子自体が劣化し、ドープ・脱ドープを繰り返す電極としての機能が低下するからである。 Moreover, it is preferable from the viewpoint of extending the cycle life that the electrochemical element of the present invention is used in an appropriate voltage range without being overcharged. This is because, when the dopant is excessively doped, the bipolar conductive polymer is strongly oxidized or reduced, so that the bipolar conductive polymer itself deteriorates and the function as an electrode that repeats doping and dedoping decreases. Because it does.
以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although an Example is given and this invention is demonstrated in detail, this invention is not limited to these.
<比較例1>
図3に模式的に示すセルを用いて、電解重合によって、SnO2ガラス上に両極性の導電性高分子であるポリ−3−(4−フルオロフェニル)チオフェンの膜を形成した。なお、図3に示すセルを用いた操作は、大気中の水分、酸素の影響を排除するため、すべて高純度アルゴンガスで置換したグローブボックス中で行った。<Comparative Example 1>
A film of poly-3- (4-fluorophenyl) thiophene, which is a bipolar conductive polymer, was formed on SnO 2 glass by electrolytic polymerization using the cell schematically shown in FIG. Note that the operation using the cell shown in FIG. 3 was performed in a glove box substituted with high-purity argon gas in order to eliminate the influence of moisture and oxygen in the atmosphere.
電解重合溶液はモノマーとして4−フルオロフェニルチオフェン0.1M、支持塩として四フッ化ホウ素テトラエチルアンモニウム(テトラエチルアンモニウムテトラフルオロボレート(TEA・BF4))1Mを含むプロピレンカーボネート(PC)溶液を用いた。ここで使用したTEA・BF4の1Mプロピレンカーボネート溶液は三和油化から購入したものである。The electrolytic polymerization solution used was a propylene carbonate (PC) solution containing 0.1M 4-fluorophenylthiophene as a monomer and 1M boron tetrafluoride tetraethylammonium (tetraethylammonium tetrafluoroborate (TEA · BF 4 )) as a supporting salt. The 1M propylene carbonate solution of TEA · BF 4 used here was purchased from Sanwa Oil.
作用極としては、3×3cmのSnO2ガラス板を用いた。また対極としては、3×4cmの白金板を用いた。なお、作用極であるSnO2ガラス板には、一面にSnO2コーティングを予め施してなるものを用い、このSnO2コーティングした側が対極と対向するように配置した。また、参照極としては、BAS社製RE−5参照電極(Ag/Ag+参照極、参照極内の溶液は過塩素酸テトラブチルアンモニウム(Bu4N・ClO4)を0.1M、硝酸銀(AgNO3)を0.01M含むアセトニトリル溶液)を用いた。この参照電極の電位は標準水素電極(NHE)に比べて+490mV(+0.49V)である。As a working electrode, a 3 × 3 cm SnO 2 glass plate was used. As a counter electrode, a 3 × 4 cm platinum plate was used. In addition, the SnO 2 glass plate which is a working electrode was prepared by applying SnO 2 coating on one surface in advance, and the SnO 2 coated side was arranged so as to face the counter electrode. In addition, as a reference electrode, RE-5 reference electrode (Ag / Ag + reference electrode manufactured by BAS), the solution in the reference electrode was 0.1 M tetrabutylammonium perchlorate (Bu 4 N · ClO 4 ), silver nitrate ( Acetonitrile solution containing 0.01M AgNO 3 ) was used. The potential of this reference electrode is +490 mV (+0.49 V) compared to the standard hydrogen electrode (NHE).
図3に示すように、容器内に上記電解重合液を収容し、参照極と対極との間にそれぞれ1cmの間隔をあけて作用極を配置させた状態で、これらを電解重合液に浸漬させた。なお、作用極は、端辺から1cmの領域のみが電解重合液に浸漬するようにした(すなわち、作用極の電解重合液に漬かった面積は3×1cm)。この状態で、作用極の電位を参照極に対して+1.2Vに120秒間保持し、SnO2ガラスの一部にポリ−3−(4−フルオロフェニル)チオフェンの膜を形成した。この時点でポリ−3−(4−フルオロフェニル)チオフェン膜はPドープ(この場合BF4アニオンがドープ)された状態にある。次に、ポリ−3−(4−フルオロフェニル)チオフェンの膜が一部形成されたSnO2ガラス(作用極)の電位をRE−5参照極に対して0.0Vに240秒間保ち、ポリ−3−(4−フルオロフェニル)チオフェン膜の脱ドープを行った。As shown in FIG. 3, the electrolytic polymerization solution is accommodated in a container, and these are immersed in the electrolytic polymerization solution in a state where the working electrode is arranged with a 1 cm gap between the reference electrode and the counter electrode. It was. It should be noted that the working electrode was immersed in the electrolytic polymerization solution only in a region 1 cm from the end side (that is, the area immersed in the electrolytic polymerization solution of the working electrode was 3 × 1 cm). In this state, the potential of the working electrode was maintained at +1.2 V for 120 seconds with respect to the reference electrode, and a film of poly-3- (4-fluorophenyl) thiophene was formed on part of the SnO 2 glass. At this point, the poly-3- (4-fluorophenyl) thiophene film is P-doped (in this case, doped with BF 4 anion). Next, the potential of the SnO 2 glass (working electrode) on which a poly-3- (4-fluorophenyl) thiophene film is partially formed is maintained at 0.0 V with respect to the RE-5 reference electrode for 240 seconds. The 3- (4-fluorophenyl) thiophene film was dedoped.
上述のようにして形成したポリ−3−(4−フルオロフェニル)チオフェンの脱ドープ膜をSnO2ガラス(作用極)に形成したままプロピレンカーボネートで軽く洗い流した後、支持塩としてTEA・BF4を1M含むPC溶液(三和油化製)を収容した容器を用意し、この溶液に上述と同様にして参照極、作用極および対極を浸漬し(作用極は端辺から1cmの領域のみが浸漬)、サイクリックボルタンメトリー(CV)測定を行った。CV測定は、ポリ−3−(4−フルオロフェニル)チオフェンの脱ドープ膜の自然電位からプラス側に向かって電位スイープを開始した。得られたCVを図4に示す。図4に示すように、電位スイープの幅はRE−5参照極に対して−2.1V〜+0.8Vであり、電位スイープ(掃引)速度は25mV/sであった。The poly-3- (4-fluorophenyl) thiophene dedope film formed as described above was washed lightly with propylene carbonate while being formed on the SnO 2 glass (working electrode), and then TEA · BF 4 was used as a supporting salt. Prepare a container containing 1M PC solution (manufactured by Sanwa Oil Chemical Co., Ltd.) and immerse the reference electrode, working electrode and counter electrode in this solution in the same manner as described above. ) And cyclic voltammetry (CV) measurement. In the CV measurement, a potential sweep was started from the natural potential of the poly-3- (4-fluorophenyl) thiophene dedope film toward the positive side. The obtained CV is shown in FIG. As shown in FIG. 4, the width of the potential sweep was -2.1 V to +0.8 V with respect to the RE-5 reference electrode, and the potential sweep (sweep) speed was 25 mV / s.
ここで、図4に示すCVにおいて、横軸は、参照極の電位を0Vの基準とした作用極の電位を示し、当該グラフにおける横軸の0Vは標準水素電極の+490mV(+0.49V)に相当する。また図4における右側の上向きのピーク(横軸0V以上の領域の、+方向に電流の絶対値が増大する方向の電流のピーク)はPドープ(BF4 -のドーピング)に相当し、右側の下向きのピーク(横軸0V以上の領域の、−方向に電流の絶対値が増大する方向の電流のピーク)はP脱ドープ(BF4 -の脱ドープ)に相当する。また、図4における左側の下向きのピーク(横軸−1.5V以下の領域の、−方向に電流の絶対値が増大する方向の電流のピーク)はNドープ(テトラエチルアンモニウムカチオンのドーピング)に相当し、左側の上向きのピーク(横軸0V以上の領域の、+方向に電流の絶対値が増大する方向の電流のピーク)はN脱ドープ(テトラエチルアンモニウムカチオンの脱ドープ)に相当する。Here, in the CV shown in FIG. 4, the horizontal axis indicates the potential of the working electrode with the reference electrode potential set to 0 V, and the horizontal axis of 0 V in the graph is +490 mV (+0.49 V) of the standard hydrogen electrode. Equivalent to. Also, the upward peak on the right side of FIG. 4 (the peak of the current in the direction where the absolute value of the current increases in the + direction in the region of 0 V or more on the horizontal axis) corresponds to P doping (BF 4 − doping). The downward peak (the peak of the current in the direction in which the absolute value of the current increases in the − direction in the region of 0 V or more on the horizontal axis) corresponds to P dedoping (BF 4 − dedoping). Further, the downward peak on the left side in FIG. 4 (the peak of the current in the direction in which the absolute value of the current increases in the − direction in the region of −1.5 V or less on the horizontal axis) corresponds to N doping (tetraethylammonium cation doping). The upward peak on the left side (the peak of the current in the direction in which the absolute value of the current increases in the + direction in the region of 0 V or more on the horizontal axis) corresponds to N undoping (de-doping of tetraethylammonium cation).
図4に示すグラフの電流値の時間積分によって算出されたPドープ・脱ドープおよびNドープ・脱ドープの容量は、それぞれ0.025Cおよび0.021Cであった。 The capacities of P-doped / undoped and N-doped / dedope calculated by time integration of the current values in the graph shown in FIG. 4 were 0.025C and 0.021C, respectively.
<実施例1>
上述と同様にSnO2の一部にポリ−3−(4−フルオロフェニル)チオフェン膜を形成した。その後、TEA・BF4を1M含むPC溶液に換えて、イオン性液体である1−エチル−3−メチルイミダゾリウムテトラフルオロボレートとアセトニトリルを体積比1:1で混合した混合液を用いた以外は、上述した比較例1と同様にしてCV測定を行い、同様にしてPドープ・脱ドープおよびNドープ・脱ドープの容量を求めたところ、それぞれ0.029Cおよび0.024Cであった。実施例1では、上述した比較例1と比べて、繰り返し安定性(サイクル特性)が向上された。<Example 1>
As described above, a poly-3- (4-fluorophenyl) thiophene film was formed on a part of SnO 2 . Then, instead of using a PC solution containing 1M TEA · BF 4 , a mixed solution in which 1-ethyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate, which is an ionic liquid, and acetonitrile was mixed at a volume ratio of 1: 1 was used. The CV measurement was performed in the same manner as in Comparative Example 1 described above, and the capacities of P-doped / dedope and N-doped / dedope were determined in the same manner, and were 0.029C and 0.024C, respectively. In Example 1, repeated stability (cycle characteristics) was improved as compared with Comparative Example 1 described above.
<実施例2>
上述と同様にSnO2の一部にポリ−3−(4−フルオロフェニル)チオフェン膜を形成した。その後、TEA・BF4を1M含むPC溶液に換えて、イオン性液体である1−エチル−3−メチルイミダゾリウムテトラフルオロボレートを用いた以外は、上述した比較例1と同様にしてCV測定を行い、同様にしてPドープ・脱ドープおよびNドープ・脱ドープの容量を求めたところ、それぞれ0.003Cおよび0.002Cであった。実施例2でも、上述した比較例1と比べて、繰り返し安定性(サイクル特性)が向上された。<Example 2>
As described above, a poly-3- (4-fluorophenyl) thiophene film was formed on a part of SnO 2 . Thereafter, CV measurement was performed in the same manner as in Comparative Example 1 except that 1-ethyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate, which is an ionic liquid, was used instead of the PC solution containing 1M TEA · BF 4. The capacities of P-doped / de-doped and N-doped / dedope were determined in the same manner, and they were 0.003C and 0.002C, respectively. In Example 2, repeat stability (cycle characteristics) was improved as compared with Comparative Example 1 described above.
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 It should be understood that the embodiments and examples disclosed herein are illustrative and non-restrictive in every respect. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
Claims (11)
該電極の少なくとも表面には、両極性の導電性高分子が前記電解質に接するように存在するものであることを特徴とする、請求の範囲第1項に記載の電気化学素子。Two opposing electrodes, and an electrolyte containing an ionic liquid sandwiched between the electrodes,
2. The electrochemical element according to claim 1, wherein a bipolar conductive polymer is present on at least the surface of the electrode so as to be in contact with the electrolyte.
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JP2001338846A (en) * | 2000-05-30 | 2001-12-07 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Electrochemical capacitor |
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- 2006-03-09 JP JP2007508091A patent/JPWO2006098213A1/en active Pending
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