WO2015001897A1 - 電気二重層キャパシタ用非水電解液 - Google Patents

電気二重層キャパシタ用非水電解液 Download PDF

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祥久 徳丸
中川 泰治
章二 引田
弘一 空處
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大塚化学株式会社
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    • Y02E60/13Energy storage using capacitors

Definitions

  • the present invention relates to a non-aqueous electrolyte for an electric double layer capacitor and an electric double layer capacitor.
  • An electric double layer capacitor is characterized by storing electricity by utilizing the phenomenon that ions in an electrolyte form an electric double layer by physical adsorption with an electrode when an electric field is applied to the electrolyte.
  • Power storage device Compared to a secondary battery such as a lithium ion battery that generates electricity by a chemical reaction, the charge / discharge speed is faster, and therefore, it is widely used in, for example, an instantaneous power failure compensation device (UPS).
  • UPS instantaneous power failure compensation device
  • society's demands on the environment and energy efficiency have become more and more stringent. Recently, taking advantage of these characteristics, energy recovery from automobiles, auxiliary power, wind power generation, etc. This is one of the power storage devices that attracts widespread demand as a power source for power supply and the like when returning from the market.
  • organic electrolyte examples include an electrolyte obtained by dissolving a solid ammonium salt (electrolyte), for example, a linear aliphatic ammonium salt such as tetraethylammonium salt or triethylmethylammonium salt in an organic solvent such as propylene carbonate (Patent Document) 1) Electrolysis in which a cyclic aliphatic ammonium salt such as N-ethyl-N-methylpyrrolidinium salt (Patent Document 2) or spiro- (1,1) -bipiperidinium salt is dissolved in an organic solvent such as propylene carbonate Liquid (Patent Document 3) is widely known and used.
  • electrolyte obtained by dissolving a solid ammonium salt
  • electrolyte a linear aliphatic ammonium salt such as tetraethylammonium salt or triethylmethylammonium salt in an organic solvent such as propylene carbonate
  • Patent Document 2
  • the electrolyte solution has a problem that durability is not sufficient when used in an electric double layer capacitor.
  • One of the causes of insufficient durability is due to decomposition of a carbonate-based solvent used as a solvent. Carbon monoxide or carbon dioxide is generated when the carbonate solvent is decomposed, but this reacts with the electrolyte, causing the reaction product to undergo a more complex decomposition reaction, resulting in a decrease in the performance of the electrolyte. Conceivable.
  • an object of the present invention is to provide a nonaqueous electrolytic solution that provides an electric double layer capacitor having excellent durability.
  • X ⁇ represents PF 6 ⁇ , BF 4 ⁇ , AsF 6 ⁇ , N (CF 3 SO 3 ) 2 ⁇ , N (FSO 3 ) 2 ⁇ , SbF 6 ⁇ and RfSO 3 (Rf).
  • Y ⁇ represents PF 6 ⁇ , BF 4 ⁇ , AsF 6 ⁇ , N (CF 3 SO 3 ) 2 ⁇ , N (FSO 3 ) 2 ⁇ , SbF 6 ⁇ and RfSO 3.
  • Rf represents a counter ion selected from the group consisting of (wherein Rf is a C 1-8 fluoroalkyl group), and may be the same as or different from the counter ion (X ⁇ ) contained in the general formula (I). .
  • Z ⁇ represents PF 6 ⁇ , BF 4 ⁇ , AsF 6 ⁇ , N (CF 3 SO 3 ) 2 ⁇ , N (FSO 3 ) 2 ⁇ , SbF 6 ⁇ and RfSO 3.
  • Rf represents a counter ion selected from the group consisting of (wherein Rf is a C 1-8 fluoroalkyl group), and may be the same as or different from the counter ion (X ⁇ ) contained in the general formula (I). .
  • the present invention includes the following contents.
  • X ⁇ represents PF 6 ⁇ , BF 4 ⁇ , AsF 6 ⁇ , N (CF 3 SO 3 ) 2 ⁇ , N (FSO 3 ) 2 ⁇ , SbF 6 ⁇ and RfSO 3 (Rf represents 1 carbon atom)
  • a quaternary ammonium salt represented by the formula (1) represents a counter ion selected from the group consisting of 8 to 8 fluoroalkyl groups
  • Y ⁇ represents PF 6 ⁇ , BF 4 ⁇ , AsF 6 ⁇ , N (CF 3 SO 3 ) 2 ⁇ , N (FSO 3 ) 2 ⁇ , SbF 6 ⁇ and RfSO 3 ⁇ (Rf represents the number of carbon atoms).
  • Z ⁇ represents PF 6 ⁇ , BF 4 ⁇ , AsF 6 ⁇ , N (CF 3 SO 3 ) 2 ⁇ , N (FSO 3 ) 2 ⁇ , SbF 6 ⁇ and RfSO 3 ⁇ (Rf represents the number of carbon atoms).
  • 1 to 8 represents a counter ion selected from the group consisting of 1 to 8 fluoroalkyl groups, which may be the same as or different from the counter ion (X ⁇ ) contained in the general formula (I).
  • a non-aqueous electrolyte characterized in that it contains ethyl-1,3-dimethylpyrrolidinium salt.
  • the counter ion (X ⁇ ) of the quaternary ammonium salt represented by the general formula (I) is a borofluoride ion (BF 4 ⁇ ),
  • the nonaqueous solvent is at least one selected from the group consisting of propylene carbonate, ethylene carbonate, butylene carbonate, sulfolane, methyl sulfolane, dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, and diethyl carbonate (1 )
  • the nonaqueous electrolytic solution according to any one of (6) (8)
  • An electric double layer capacitor comprising the non-aqueous electrolyte according to any one of (1) to (7) as an electrolyte.
  • an electric double layer capacitor excellent in durability with reduced capacity (capacity deterioration) and increased resistance can be obtained over a long period of time.
  • the nonaqueous electrolytic solution of the present invention is a nonaqueous electrolytic solution obtained by dissolving a quaternary ammonium salt represented by the above general formula (I) as an electrolyte in a nonaqueous solvent.
  • the non-aqueous electrolyte of the present invention includes a diethylpyrrolidinium salt represented by the general formula (II-1) and / or 1-ethyl-1,3-dimethyl represented by the general formula (II-2). It contains pyrrolidinium salt.
  • the quaternary ammonium salt represented by the general formula (I) is also referred to as an ethylmethylpyrrolidinium salt (I).
  • Diethylpyrrolidinium salt (II-1) and 1-ethyl-1,3-dimethylpyrrolidinium salt (II-2) are used for improving the durability of the electric double layer capacitor.
  • the non-aqueous electrolytic solution was prepared by adding diethyl pyrrolidinium salt (II-1) and / or 1-ethyl-1,3-dimethylpyrrolidinium salt (II-) together with ethyl methyl pyrrolidinium salt (I) and a non-aqueous solvent. 2), it is possible to effectively reduce the capacity reduction and resistance increase of the electric double layer capacitor manufactured using the non-aqueous electrolyte, and to improve the durability of the electric double layer capacitor. .
  • the upper limit of the concentration of diethylpyrrolidinium salt (II-1) and / or 1-ethyl-1,3-dimethylpyrrolidinium salt (II-2) in the non-aqueous electrolyte is preferably about 30000 ppm, More preferably, it is about 20000 ppm, More preferably, it is about 15000 ppm, Especially preferably, it is about 10,000 ppm, Most preferably, it is about 6000 ppm.
  • the lower limit of the concentration of diethylpyrrolidinium salt (II-1) and / or 1-ethyl-1,3-dimethylpyrrolidinium salt (II-2) in the non-aqueous electrolyte is preferably about 0.1 ppm. More preferably about 1 ppm, still more preferably about 10 ppm, particularly preferably about 50 ppm.
  • the nonaqueous electrolytic solution of the present invention contains diethylpyrrolidinium salt (II-1) and / or 1-ethyl-1,3-dimethylpyrrolidinium salt (II-2), diethylpyrrolidinium
  • the salt (II-1) and / or 1-ethyl-1,3-dimethylpyrrolidinium salt (II-2) is 0.1 ppm to 30000 ppm in the non-aqueous electrolyte. More preferably, it is 20000 ppm, more preferably 10 ppm to 15000 ppm, and particularly preferably 50 ppm to 10000 ppm.
  • the nonaqueous electrolytic solution When diethylpyrrolidinium salt (II-1) and / or 1-ethyl-1,3-dimethylpyrrolidinium salt (II-2) is contained in the nonaqueous electrolytic solution, the nonaqueous electrolytic solution is used.
  • the manufactured electric double layer capacitor is excellent in durability.
  • an ethylmethylpyrrolidinium salt represented by the above general formula (I) is usually used as the electrolyte.
  • the counter ion (anion) (X ⁇ ) in the general formula (I) is preferably a borofluoride ion (BF 4 ⁇ ).
  • the concentration of ethylmethylpyrrolidinium salt (I) in the non-aqueous electrolyte is preferably about 0.1 to 3 mol / L, particularly preferably about 0.5 to 1.5 mol / L. It is preferable for the ethylmethylpyrrolidinium salt (I) to be in this concentration range because the non-aqueous electrolyte has high conductivity. In addition, when the electrolyte concentration is in such a range, an increase in internal resistance of the electric double layer capacitor manufactured using the nonaqueous electrolytic solution can be more effectively suppressed. Furthermore, it is preferable that the electrolyte concentration be in such a range because salt does not precipitate in the non-aqueous electrolyte even at low temperatures.
  • the counter ion (anion) (Y ⁇ ) may be the same as or different from the counter ion (X ⁇ ) contained in the general formula (I). May be.
  • the counter ion (Y ⁇ ) is preferably a borofluoride ion (BF 4 ⁇ ).
  • the diethylpyrrolidinium salt represented by the general formula (II-1) is preferably diethylpyrrolidinium tetrafluoroborate.
  • the counter ion (anion) (Z ⁇ ) is a counter ion (X ⁇ ) included in the general formula (I). ) May be the same or different.
  • the counter ion (Z ⁇ ) in the general formula (II-2) is preferably a borofluoride ion (BF 4 ⁇ ).
  • the 1-ethyl-1,3-dimethylpyrrolidinium salt represented by the general formula (II-2) is preferably 1-ethyl-1,3-dimethylpyrrolidinium tetrafluoroborate.
  • Counter ion (X ⁇ ) in general formula (I), counter ion (Y ⁇ ) in general formula (II-1), and counter ion (Z ⁇ ) in general formula (II-2) are all It may be the same or different.
  • Ethylmethylpyrrolidinium salt (I), diethylpyrrolidinium salt (II-1) and 1-ethyl-1,3-dimethylpyrrolidinium salt (II-2) are all commercially available compounds. can do. Further, it can also be produced according to a known method, for example, the method described in Japanese Patent Publication No. 08-31401.
  • the non-aqueous solvent used in the electrolytic solution is not particularly limited, but ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, ethyl methyl carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, gamma butyrolactone, acetonitrile, sulfolane, methyl sulfolane, etc. These may be used alone or in combination.
  • the non-aqueous solvent is preferably at least one solvent selected from the group consisting of propylene carbonate, ethylene carbonate, butylene carbonate, sulfolane, methyl sulfolane, dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, and diethyl carbonate.
  • the non-aqueous solvent is particularly preferably propylene carbonate.
  • commercially available ones may be used, or those further purified by distillation or the like may be used as necessary.
  • the method for producing the nonaqueous electrolytic solution containing diethylpyrrolidinium salt (II-1) and / or 1-ethyl-1,3-dimethylpyrrolidinium salt (II-2) is not particularly limited. Further, the method for controlling the concentration of diethylpyrrolidinium salt (II-1) and / or 1-ethyl-1,3-dimethylpyrrolidinium salt (II-2) in the nonaqueous electrolytic solution is not particularly limited.
  • diethylpyrrolidinium salt (II-1) and / or 1-ethyl-1,3-dimethylpyrrolidinium in an electrolyte ethylmethylpyrrolidinium salt (I)
  • the content of these compounds in the obtained nonaqueous electrolytic solution can be adjusted.
  • diethylpyrrolidinium salt (II-1) and / or 1-ethyl-1,3-dimethylpyrrolidinium salt (II-2) may be separately added to the non-aqueous electrolyte.
  • diethylpyrrolidinium salt (II-1) or 1-ethyl-1,3-dimethylpyrrolidinium in an electrolyte that is, ethylmethylpyrrolidinium salt (I)
  • ethylmethylpyrrolidinium salt (I) that is a raw material of the nonaqueous electrolytic solution.
  • the nium salt (II-2) is contained in a high content
  • the content of these compounds in the nonaqueous electrolytic solution can be adjusted by, for example, the following method. More specifically, for example, when the ethylmethylpyrrolidinium salt (I) as an electrolyte is dissolved in the non-aqueous solvent so as to have a concentration of about 0.5 to 1.5 mol / L, a non-obtainable product obtained is obtained.
  • diethylpyrrolidinium salt (II-1) and / or 1-ethyl-1,3-dimethylpyrrolidinium salt (II-2) in the aqueous electrolyte exceeds 30000 ppm
  • diethylpyrrolidinium salt (II-1) and / or 1-ethyl-1,3-dimethylpyrrolidinium salt (II-2) is re-crystallized with a solvent having high solubility and filtered to give diethylpyrrolidinium from the electrolyte.
  • An appropriate amount of the salt (II-1) and / or 1-ethyl-1,3-dimethylpyrrolidinium salt (II-2) can be removed.
  • the purified electrolyte is then dissolved in the non-aqueous solvent, and the crystallization solvent used is removed, whereby diethylpyrrolidinium salt (II-1) and / or 1-ethyl-1,3-dimethylpyrrole is removed.
  • a nonaqueous electrolytic solution with a reduced amount of dinium salt (II-2) can be obtained.
  • the content of diethylpyrrolidinium salt (II-1) and 1-ethyl-1,3-dimethylpyrrolidinium salt (II-2) controlled by this operation is usually determined by the crystallization solvent used, the crystal Depends on the conversion temperature.
  • the electrolyte is dissolved in butanol at about 60 to 105 ° C., then recrystallized, filtered, and the resulting crystals are dissolved in a non-aqueous solvent, and the crystallization solvent is removed to remove non-aqueous solvent.
  • the content of diethylpyrrolidinium salt (II-1) and / or 1-ethyl-1,3-dimethylpyrrolidinium salt (II-2) in the electrolytic solution can be controlled to about 0.1 ppm to 30000 ppm. it can.
  • non-aqueous electrolytes having a content of diethylpyrrolidinium salt (II-1) and / or 1-ethyl-1,3-dimethylpyrrolidinium salt (II-2) of less than about 0.1 ppm include
  • diethylpyrrolidinium salt (II-1) and / or 1-ethyl-1,3-dimethylpyrrolidinium salt (II-1) can be added to prepare an appropriate concentration.
  • the concentrations of diethylpyrrolidinium salt (II-1) and 1-ethyl-1,3-dimethylpyrrolidinium salt (II-2) contained in the nonaqueous electrolytic solution are determined by a known method such as ion chromatography. Can be measured. For example, when measuring by ion chromatography, for example, the conditions described in the Examples can be employed.
  • the electrolytic solution of the present invention has ethylmethylpyrrolidinium salt (I), ethylpyrrolidinium salt (II-1), and 1-ethyl-1,3-dimethylpyrrole.
  • One or more components other than the dinium salt (II-2) may be contained.
  • An electric double layer capacitor using the non-aqueous electrolyte as an electrolyte is also included in the present invention.
  • the electric double layer capacitor of the present invention only needs to use the above non-aqueous electrolyte as the electrolyte, and the manufacturing method thereof is not particularly limited.
  • the electric double layer capacitor of the present invention has excellent durability in which a decrease in capacity (capacity deterioration) and an increase in resistance are reduced by using the non-aqueous electrolyte described above.
  • electrolyte solution Diethylpyrrolidinium salt concentration in each non-aqueous electrolyte solution (hereinafter simply referred to as electrolyte solution) prepared in Examples 1 to 5 and Comparative Example 1, and characteristics of an electric double layer capacitor manufactured using this electrolyte solution was measured by the following method.
  • the solution was diluted with ultrapure water to make a 50 mL solution.
  • Sample solution About 500 mg of the sample was diluted with ultrapure water to make a 50 mL solution.
  • Measurement method Standard products and sample solutions were analyzed, and the content was calculated by the following formula based on the obtained peaks.
  • Diethylpyrrolidinium salt content diethylpyrrolidinium salt peak area in sample solution ⁇ 0.01 (mg / mL) ⁇ 50 (mL) / sampled amount (mg) / K + peak in standard solution Area x 1000000 (ppm)
  • the initial capacity and internal resistance of this electric double layer capacitor when a voltage of 2.7 V was applied were measured. Further, the capacity after storage for 2000 hours at 60 ° C. while applying a voltage of 2.7 V was measured, and the capacity deterioration rate from the initial capacity was calculated.
  • the internal resistance was measured by an AC two-terminal method at a frequency of 1 kHz.
  • the methods for preparing the electrolytic solutions of Examples 1 to 5 and Comparative Example 1 are as follows.
  • the propylene carbonate used in the Example and the comparative example is the highly purified propylene carbonate (purity 99.99%, GC analysis value) which carried out precision distillation.
  • Comparative Example 1 An electrolytic solution obtained by dissolving N-ethyl-N-methylpyrrolidinium tetrafluoroborate as an electrolyte in high-purity propylene carbonate at 1.5 mol / L in a dry nitrogen atmosphere at a dew point of ⁇ 40 ° C. at room temperature was prepared.
  • the content of diethylpyrrolidinium tetrafluoroborate in this electrolytic solution is N.P. D. (Below the detection limit).
  • Table 1 shows the characteristics of the electric double layer capacitor manufactured using this electrolytic solution.
  • Examples 1-5 Diethylpyrrolidinium tetrafluoroborate was dissolved in the electrolytic solution prepared in Comparative Example 1 and homogenized to prepare each electrolytic solution containing diethylpyrrolidinium tetrafluoroborate having the concentrations shown in Table 1. Table 1 shows the characteristics of the electric double layer capacitor manufactured using each of these electrolytic solutions.
  • the solvent is PC (propylene carbonate).
  • PC propylene carbonate
  • concentration of diethylpyrrolidinium tetrafluoroborate is analyzed by ion chromatography.
  • the electric double layer capacitor using each of the electrolytic solutions of Examples 1 to 5 containing diethyl pyrrolidinium salt used the electrolytic solution of Comparative Example 1 not containing diethyl pyrrolidinium salt. As compared with the electric double layer capacitor, it was superior in durability with reduced capacity deterioration (decrease in capacity) and increase in resistance.
  • the concentration of 1-ethyl-1,3-dimethylpyrrolidinium salt in each electrolyte prepared in Examples 6 to 9 and Comparative Example 2 and the characteristics of the electric double layer capacitor produced using this electrolyte were as follows: Measured by the method.
  • Determination of 1-ethyl-1,3-dimethylpyrrolidinium salt Measurements were performed using ion chromatography. The equipment and measurement conditions used for the measurement were the same equipment and conditions as the above-described quantitative determination of diethylpyrrolidinium salt.
  • Sample preparation method Preparation method of standard product (about 10 ppm solution): Weigh accurately about 16.8 mg of 1-ethyl-1,3-dimethylpyrrolidinium tetrafluoroborate, dissolve in ultrapure water, and make up to 100 mL. 5 mL was sampled from this solution, and the volume was made up to 50 mL with ultrapure water. Sample solution: About 500 mg of the sample was diluted to 50 mL with ultrapure water. Measurement method: Standard products and sample solutions were analyzed, and the content was calculated by the following formula based on the obtained peaks.
  • 1-ethyl-1,3-dimethylpyrrolidinium content ⁇ 0.01 (mg / mL) ⁇ 50 (mL) / Sample collection amount (mg) / K + peak area in standard solution ⁇ 1000000 (ppm)
  • Comparative Example 2 An electrolytic solution obtained by dissolving 1-ethyl-1-methylpyrrolidinium tetrafluoroborate as an electrolyte in high-purity propylene carbonate at 1.5 mol / L in a dry nitrogen atmosphere at a dew point of ⁇ 40 ° C. at room temperature was prepared.
  • the content of diethylpyrrolidinium tetrafluoroborate in this electrolytic solution is N.P. D. (Below the detection limit).
  • Table 2 shows the characteristics of the electric double layer capacitor manufactured using this electrolytic solution.
  • Examples 6-9 By dissolving 1-ethyl-1,3-dimethylpyrrolidinium tetrafluoroborate in the electrolyte prepared in Comparative Example 2 and homogenizing it, the concentrations of 1-ethyl-1,3-dimethylpyrrole shown in Table 2 were obtained. Each electrolyte solution containing dinium tetrafluoroborate was prepared. Table 2 shows the characteristics of the electric double layer capacitor produced using each of these electrolytic solutions.
  • the solvent is PC (propylene carbonate).
  • concentration of 1-ethyl-1,3-dimethylpyrrolidinium tetrafluoroborate is the value determined by ion chromatography.
  • the electric double layer capacitor using each electrolyte solution of Examples 6 to 9 containing 1-ethyl-1,3-dimethylpyrrolidinium salt is 1-ethyl-1,3-dimethyl.

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Abstract

 耐久性に優れる電気二重層キャパシタを与える非水電解液を提供する。 非水溶媒に、第4級アンモニウム塩が電解質として溶解されてなる非水電解液であって、該非水電解液は、ジエチルピロリジニウム塩及び/又は1-エチル-1,3-ジメチルピロリジニウム塩を含むものである非水電解液。

Description

電気二重層キャパシタ用非水電解液
 本発明は、電気二重層キャパシタ用非水電解液及び電気二重層キャパシタに関する。
 電気二重層キャパシタ(EDLC)は、電解液に電場をかけたときに電解液中のイオンが電極との物理的吸着作用により電気二重層を形成する現象を利用して、蓄電することを特徴とする蓄電デバイスである。化学反応により起電する例えばリチウムイオン電池等の二次電池に比べて、充放電の速度が速いため、たとえば瞬時停電補償装置(UPS)などに広く使われている。近年、環境やエネルギー効率に対する社会の要求がますます厳しくなる中、最近ではその特性を生かして自動車などからのエネルギー回生や補助電力、風力発電等から電力の一時蓄電機器、コピー機等の待機状態からの復帰時の電力供給等の電源等として広く需要が高まってきており注目される蓄電デバイスの一つである。
 近年、バッテリー及びキャパシタをはじめとする電気化学デバイスの出力密度、エネルギー密度向上の要求が高まり、耐電圧性の観点から、水系電解液よりも有機系電解液(非水系電解液)が多用されつつある。
 有機系電解液としては、例えば、固体アンモニウム塩(電解質)、例えばテトラエチルアンモニウム塩やトリエチルメチルアンモニウム塩のような直鎖脂肪族アンモニウム塩をプロピレンカーボネート等の有機溶剤に溶解させた電解液(特許文献1)、N-エチル-N-メチルピロリジニウム塩(特許文献2)やスピロ-(1,1)-ビピペリジニウム塩のような環状脂肪族アンモニウム塩をプロピレンカーボネート等の有機溶剤に溶解させた電解液(特許文献3)が広く知られており用いられてきた。しかし、上記電解液は、電気二重層キャパシタに使用した場合、耐久性が十分でない、という問題点がある。耐久性が十分でない原因の一つとして、溶媒として用いているカーボネート系溶媒の分解によることが挙げられる。カーボネート系溶媒の分解時には一酸化炭素、又は二酸化炭素が発生するが、このものが電解質と反応し、反応物がさらに複雑な分解反応を起こすことで、結果として電解液の性能を落とすことなどが考えられる。
特公平03-58526号公報 特公平08-31401号公報 特開2008-210871公報
 本発明は、上記現状に鑑み、耐久性に優れる電気二重層キャパシタを与える非水電解液を提供することを課題とする。
 本発明者らは、上記課題を解決できる電気二重層キャパシタ用電解質及び電解液を開発すべく鋭意研究を重ねた結果、下記一般式(I)で表されるエチルメチルピロリジニウム塩を含む非水電解液において、下記一般式(II-1)で表されるジエチルピロリジニウム塩及び/又は下記一般式(II-2)で表される1-エチル-1,3-ジメチルピロリジニウム塩が含有されることにより、該電解液を用いて製造される電気二重層キャパシタが、高耐久性に優れるものとなることを見出した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000004
 上記一般式(I)中、Xは、PF 、BF 、AsF 、N(CFSO 、N(FSO 、SbF 及びRfSO(Rfは炭素数1~8のフルオロアルキル基)からなる群より選ばれる対イオンを表す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000005
 上記一般式(II-1)中、Yは、PF 、BF 、AsF 、N(CFSO 、N(FSO 、SbF 及びRfSO (Rfは炭素数1~8のフルオロアルキル基)からなる群より選ばれる対イオンを表し、一般式(I)に含まれる対イオン(X)と同じでも良いし、異なっていても良い。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000006
 上記一般式(II-2)中、Zは、PF 、BF 、AsF 、N(CFSO 、N(FSO 、SbF 及びRfSO (Rfは炭素数1~8のフルオロアルキル基)からなる群より選ばれる対イオンを表し、一般式(I)に含まれる対イオン(X)と同じでも良いし、異なっていても良い。
 すなわち本発明は以下の内容を包含する。
(1)非水溶媒に、下記一般式(I)
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000007
 (式中、Xは、PF 、BF 、AsF 、N(CFSO 、N(FSO 、SbF 及びRfSO(Rfは炭素数1~8のフルオロアルキル基)からなる群より選ばれる対イオンを表す)で表される第4級アンモニウム塩が電解質として溶解されてなる非水電解液であって、該非水電解液は、下記一般式(II-1)
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000008
 (式中、Yは、PF 、BF 、AsF 、N(CFSO 、N(FSO 、SbF 及びRfSO (Rfは炭素数1~8のフルオロアルキル基)からなる群より選ばれる対イオンを表し、一般式(I)に含まれる対イオン(X)と同じでも良いし、異なっていても良い)で表されるジエチルピロリジニウム塩及び/又は下記一般式(II-2)
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000009
 (式中、Zは、PF 、BF 、AsF 、N(CFSO 、N(FSO 、SbF 及びRfSO (Rfは炭素数1~8のフルオロアルキル基)からなる群より選ばれる対イオンを表し、一般式(I)に含まれる対イオン(X)と同じでも良いし、異なっていても良い)で表される1-エチル-1,3-ジメチルピロリジニウム塩を含むものであることを特徴とする非水電解液。
(2)前記一般式(II-1)で表されるジエチルピロリジニウム塩及び/又は前記一般式(II-2)で表される1-エチル-1,3-ジメチルピロリジニウム塩を0.1ppm~30000ppm含むことを特徴とする前記(1)に記載の非水電解液。
(3)前記一般式(II-1)で表されるジエチルピロリジニウム塩及び/又は前記一般式(II-2)で表される1-エチル-1,3-ジメチルピロリジニウム塩を1ppm~20000ppm含むことを特徴とする前記(1)に記載の非水電解液。
(4)前記一般式(II-1)で表されるジエチルピロリジニウム塩及び/又は前記一般式(II-2)で表される1-エチル-1,3-ジメチルピロリジニウム塩を10ppm~15000ppm含むことを特徴とする前記(1)に記載の非水電解液。
(5)前記一般式(II-1)で表されるジエチルピロリジニウム塩及び/又は前記一般式(II-2)で表される1-エチル-1,3-ジメチルピロリジニウム塩を50ppm~10000ppm含むことを特徴とする前記(1)に記載の非水電解液。
(6)前記一般式(I)で表される4級アンモニウム塩の対イオン(X)が、ホウフッ化イオン(BF )であることを特徴とする前記(1)~(5)のいずれか一項に記載の非水電解液。
(7)非水溶媒が、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ブチレンカーボネート、スルホラン、メチルスルホラン、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート及びジエチルカーボネートからなる群より選ばれる少なくとも1種であることを特徴とする前記(1)~(6)のいずれか一項に記載の非水電解液。
(8)前記(1)~(7)のいずれか一項に記載の非水電解液を電解液としてなることを特徴とする電気二重層キャパシタ。
 本発明の非水電解液を用いると、長期間において容量の低下(容量劣化)や抵抗の上昇が低減された耐久性に優れる電気二重層キャパシタを得ることができる。
 以下、本発明を詳細に説明する。
 本発明の非水電解液は、非水溶媒に、上記一般式(I)で表される第4級アンモニウム塩が電解質として溶解されてなる非水電解液である。本発明の非水電解液は、上記一般式(II-1)で表されるジエチルピロリジニウム塩及び/又は上記一般式(II-2)で表される1-エチル-1,3-ジメチルピロリジニウム塩を含むものである。
 本明細書中、上記一般式(I)で表される第4級アンモニウム塩をエチルメチルピロリジニウム塩(I)ともいう。上記一般式(II-1)で表されるジエチルピロリジニウム塩、及び上記一般式(II-2)で表される1-エチル-1,3-ジメチルピロリジニウム塩を、それぞれジエチルピロリジニウム塩(II-1)、及び1-エチル-1,3-ジメチルピロリジニウム塩(II-2)ともいう。
 ジエチルピロリジニウム塩(II-1)、及び1-エチル-1,3-ジメチルピロリジニウム塩(II-2)は、電気二重層キャパシタの耐久性を向上させるために使用される。非水電解液が、エチルメチルピロリジニウム塩(I)及び非水溶媒と共に、ジエチルピロリジニウム塩(II-1)及び/又は1-エチル-1,3-ジメチルピロリジニウム塩(II-2)を含むと、該非水電解液用いて製造される電気二重層キャパシタの容量の低下や抵抗の上昇を効果的に軽減することができ、電気二重層キャパシタの耐久性を向上させることができる。非水電解液中のジエチルピロリジニウム塩(II-1)及び/又は1-エチル-1,3-ジメチルピロリジニウム塩(II-2)の濃度の上限は、好ましくは約30000ppmであり、より好ましくは約20000ppmであり、さらに好ましくは約15000ppmであり、特に好ましくは約10000ppmであり、最も好ましくは約6000ppmである。非水電解液中のジエチルピロリジニウム塩(II-1)及び/又は1-エチル-1,3-ジメチルピロリジニウム塩(II-2)の濃度の下限は、好ましくは約0.1ppmであり、より好ましくは約1ppmであり、さらに好ましくは約10ppmであり、特に好ましくは約50ppmである。
 本発明の非水電解液は、ジエチルピロリジニウム塩(II-1)及び/又は1-エチル-1,3-ジメチルピロリジニウム塩(II-2)を含む場合には、ジエチルピロリジニウム塩(II-1)及び/又は1-エチル-1,3-ジメチルピロリジニウム塩(II-2)が非水電解液中に0.1ppm~30000ppmとなるようにすることが好ましく、1ppm~20000ppmとなるようにすることがより好ましく、10ppm~15000ppmとなるようにすることがさらに好ましく、50ppm~10000ppmとなるようにすることが特に好ましい。
 非水電解液中にジエチルピロリジニウム塩(II-1)及び/又は1-エチル-1,3-ジメチルピロリジニウム塩(II-2)が含有されると、該非水電解液を用いて製造される電気二重層キャパシタが耐久性に優れるものとなる。
 ジエチルピロリジニウム塩(II-1)及び/又は1-エチル-1,3-ジメチルピロリジニウム塩(II-2)を含有する非水電解液を用いて製造した電気二重層キャパシタの耐久性が向上する理由は明らかではないが、これらの物質が電極上にSEI膜を形成し、電解液の分解を抑制するためであると考えられる。
 本発明では、電解質として通常は上記一般式(I)で表されるエチルメチルピロリジニウム塩を用いる。一般式(I)中の対イオン(アニオン)(X)は、好ましくはホウフッ化イオン(BF )である。
 エチルメチルピロリジニウム塩(I)の非水電解液中の濃度は、約0.1~3mol/Lが好ましく、特に約0.5~1.5mol/Lが好ましい。エチルメチルピロリジニウム塩(I)がこの濃度範囲であると、非水電解液の導電率が高いために好ましい。また、電解質濃度がこのような範囲であると、該非水電解液を用いて製造される電気二重層キャパシタの内部抵抗の増大をより効果的に抑制することができる。さらに、電解質濃度がこのような範囲であると、低温下でも非水電解液中に塩が析出しないため好ましい。
 一般式(II-1)で表されるジエチルピロリジニウム塩において、対イオン(アニオン)(Y)は、一般式(I)に含まれる対イオン(X)と同じでも良いし、異なっていても良い。対イオン(Y)は、好ましくはホウフッ化イオン(BF )である。一般式(II-1)で表されるジエチルピロリジニウム塩は、好ましくはジエチルピロリジニウムテトラフルオロボレートである。
 一般式(II-2)で表される1-エチル-1,3-ジメチルピロリジニウム塩において、対イオン(アニオン)(Z)は、一般式(I)に含まれる対イオン(X)と同じでも良いし、異なっていても良い。一般式(II-2)中の対イオン(Z)は、好ましくはホウフッ化イオン(BF )である。一般式(II-2)で表される1-エチル-1,3-ジメチルピロリジニウム塩は、好ましくは1-エチル-1,3-ジメチルピロリジニウムテトラフルオロボレートである。
 非水電解液中にエチルメチルピロリジニウム塩(I)、ジエチルピロリジニウム塩(II-1)、及び1-エチル-1,3-ジメチルピロリジニウム塩(II-2)が含まれる場合、一般式(I)中の対イオン(X)、一般式(II-1)中の対イオン(Y)、及び一般式(II-2)中の対イオン(Z)は、全て同じであってもよく、異なっていてもよい。
 エチルメチルピロリジニウム塩(I)、ジエチルピロリジニウム塩(II-1)及び1-エチル-1,3-ジメチルピロリジニウム塩(II-2)は、いずれも市販されている化合物を使用することができる。また、公知の方法、例えば、特公平08-31401号公報に記載の方法等に従って製造することもできる。
 電解液に使用される非水溶媒としては、特に限定されるものではないが、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、ガンマブチロラクトン、アセトニトリル、スルホラン、メチルスルホランなどが挙げられ、これらを単独又はいくつかを混合して用いれば良い。非水溶媒は、好ましくはプロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ブチレンカーボネート、スルホラン、メチルスルホラン、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート及びジエチルカーボネートからなる群より選ばれる少なくとも1種の溶媒である。非水溶媒は、特に好ましくは、プロピレンカーボネートである。非水溶媒は、市販されているものを使用しても良いし、必要に応じて蒸留等によりさらに精製したものを用いても良い。
 ジエチルピロリジニウム塩(II-1)及び/又は1-エチル-1,3-ジメチルピロリジニウム塩(II-2)を含有する非水電解液を製造する方法は特に限定されない。また、非水電解液中のジエチルピロリジニウム塩(II-1)及び/又は1-エチル-1,3-ジメチルピロリジニウム塩(II-2)の濃度をコントロールする方法は特に限定されないが、例えば、非水電解液の原料である電解質(エチルメチルピロリジニウム塩(I))中のジエチルピロリジニウム塩(II-1)及び/又は1-エチル-1,3-ジメチルピロリジニウム塩(II-2)を調製することにより、得られる非水電解液中のこれらの化合物の含有量を調整することができる。また、非水電解液にジエチルピロリジニウム塩(II-1)及び/又は1-エチル-1,3-ジメチルピロリジニウム塩(II-2)を別途添加してもよい。例えば、非水電解液の原料となる電解質(すなわち、エチルメチルピロリジニウム塩(I))中に、ジエチルピロリジニウム塩(II-1)、又は1-エチル-1,3-ジメチルピロリジニウム塩(II-2)が高含量で含まれる場合には、例えば、次の方法等で非水電解液中のこれらの化合物の含有量を調整することができる。より具体的には、例えば、電解質であるエチルメチルピロリジニウム塩(I)を上記非水溶媒中に約0.5~1.5mol/Lとなるように溶解させた場合に、得られる非水電解液中のジエチルピロリジニウム塩(II-1)及び/又は1-エチル-1,3-ジメチルピロリジニウム塩(II-2)濃度が30000ppmを超える場合には、ジエチルピロリジニウム塩(II-1)及び/又は1-エチル-1,3-ジメチルピロリジニウム塩(II-2)に対する溶解性が高い溶媒で電解質を再結晶化、ろ過することで、電解質からジエチルピロリジニウム塩(II-1)及び/又は1-エチル-1,3-ジメチルピロリジニウム塩(II-2)を適量除去することができる。この精製した電解質を、その後上記非水溶媒へ溶解させて、使用した結晶化溶媒を除去することで、ジエチルピロリジニウム塩(II-1)及び/又は1-エチル-1,3-ジメチルピロリジニウム塩(II-2)量が低減された非水電解液を得ることができる。本操作によりコントロールされるジエチルピロリジニウム塩(II-1)、及び1-エチル-1,3-ジメチルピロリジニウム塩(II-2)の含有量は、通常、使用する結晶化溶媒、結晶化温度に依存する。例えば、ブタノール中、約60~105℃で電解質を溶解し、その後再結晶化し、このものをろ過し、得られる結晶を非水溶媒に溶解させ、結晶化溶媒の除去を行うことで、非水電解液中のジエチルピロリジニウム塩(II-1)及び/又は1-エチル-1,3-ジメチルピロリジニウム塩(II-2)の含有量を約0.1ppm~30000ppmにコントロールすることができる。また、ジエチルピロリジニウム塩(II-1)及び/又は1-エチル-1,3-ジメチルピロリジニウム塩(II-2)の含有量が約0.1ppm未満である非水電解液には、ジエチルピロリジニウム塩(II-1)及び/又は1-エチル-1,3-ジメチルピロリジニウム塩(II-1)を添加することで、適切な濃度に調製することもできる。
 非水電解液に含まれるジエチルピロリジニウム塩(II-1)、及び1-エチル-1,3-ジメチルピロリジニウム塩(II-2)の濃度は、イオンクロマトグラフィー等の公知の方法により測定することができる。例えば、イオンクロマトグラフィーにより測定する場合、例えば、実施例に記載の条件等を採用することができる。
 本発明の電解液は、本発明の効果を奏することになる限り、エチルメチルピロリジニウム塩(I)、エチルピロリジニウム塩(II-1)、及び1-エチル-1,3-ジメチルピロリジニウム塩(II-2)以外の成分1種又は2種以上を含んでもよい。
 前記非水電解液を電解液としてなる電気二重層キャパシタも、本発明に包含される。
 本発明の電気二重層キャパシタは、電解液として上記の非水電解液を使用するものであればよく、その製造方法等も特に限定されない。本発明の電気二重層キャパシタは、上述した非水電解液を使用することにより、容量の低下(容量劣化)や抵抗の上昇が低減された耐久性に優れるものである。
 以下に実施例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれら実施例により限定されるものではない。
 実施例1~5及び比較例1で調製した、各非水電解液(以下、単に電解液という)中のジエチルピロリジニウム塩濃度、及びこの電解液を用いて製造した電気二重層キャパシタの特性は、下記方法により測定した。
 ジエチルピロリジニウム塩の定量:
 イオンクロマトグラフィー法を用いて測定を実施した。
カラム:Dionex Ion Pac CS14 φ4×250mm(日本ダイオネクス社)
検出方法:電導度
サプレッサー:CSRS300(製品名、日本ダイオネクス社)
サプレッサー電流値:35mA
移動相:0.010Mメタンスルホン酸溶液
再生液:超純水(2mL/min)
移動相流量:1.0mL/min
カラム温度:30℃
セル温度:35℃
試料注入量:25μL
 サンプル調製法:
 標準品(約10ppm溶液)の調製方法:約16.8mgのジエチルピロリジニウムテトラフルオロボレートを正確に秤量し、超純水にて溶解し、100mL溶液にした後、この溶液から5mLサンプリングし、超純水にて希釈し50mL溶液にした。
 サンプル液:試料約500mgを超純水にて希釈し50mL溶液にした。
 測定方法:標準品、サンプル液をそれぞれ分析し、得られたピークを元に下記の計算式で含有量を算出した。
 ジエチルピロリジニウム塩含量(ppm)=試料溶液中のジエチルピロリジニウム塩ピーク面積×0.01(mg/mL)×50(mL)/試料採取量(mg)/標準溶液中のKピーク面積×1000000(ppm)
電気二重層キャパシタの特性
(キャパシタの作製方法)
 下記の材料を用いて素子(3cm×5cm:5枚積層)を作製、180℃で15時間真空乾燥を行った後、電解液を含浸(電解液量0.097cc/F)させてラミネートセル(電気二重層キャパシタ)を作製した。作製した電気二重層キャパシタは室温で2.7V印加した状態で24時間のエージング処理を実施し、それぞれの初期特性を測定した。
・電極:ジャパンゴアテックス社製シート電極
・電解紙(セパレータ):ニッポン高度紙工業製TF4050
・電解液:実施例1~5、比較例1で作製した電解液
 この電気二重層キャパシタについて、2.7Vの電圧を印加したときの初期容量及び内部抵抗を測定した。また、2.7Vの電圧を印加しながら60℃で2000時間保存した後の容量を測定し、初期容量からの容量劣化率を算出した。なお、内部抵抗は周波数1kHzで交流二端子法により測定した。
 実施例1~5及び比較例1の各電解液の調製方法は以下のとおりである。なお、実施例及び比較例において使用したプロピレンカーボネートは、精密蒸留した高純度のプロピレンカーボネート(純度99.99%、GC分析値)である。
比較例1:
 室温下、露点-40℃の乾燥窒素雰囲気中で、高純度のプロピレンカーボネートに電解質としてN-エチル-N-メチルピロリジニウムテトラフルオロボレートを1.5mol/Lとなるように溶解して電解液を調製した。この電解液のジエチルピロリジニウムテトラフルオロボレートの含有量はN.D.(検出限界以下)であった。この電解液を用いて製造した電気二重層キャパシタの特性を表1に示す。
実施例1~5:
 比較例1で調製した電解液にジエチルピロリジニウムテトラフルオロボレートを溶解し、均一化させることで、表1に示す濃度のジエチルピロリジニウムテトラフルオロボレートを含有する各電解液を調製した。これらの各電解液を用いて製造した電気二重層キャパシタの特性を表1に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000010
溶媒はPC(プロピレンカーボネート)を使用
ジエチルピロリジニウムテトラフルオロボレートの濃度はイオンクロマトによる分析値
 表1に示す結果から、ジエチルピロリジニウム塩を含有する実施例1~5の各電解液を用いた電気二重層キャパシタは、ジエチルピロリジニウム塩を含有しない比較例1の電解液を用いた電気二重層キャパシタよりも、容量劣化(容量の低下)及び抵抗の上昇が低減された耐久性に優れるものであった。
 実施例6~9及び比較例2で調製した各電解液中の1-エチル-1,3-ジメチルピロリジニウム塩濃度、及びこの電解液を用いて製造した電気二重層キャパシタの特性は、下記方法により測定した。
 1-エチル-1,3-ジメチルピロリジニウム塩の定量:
 イオンクロマトグラフィー法を用いて測定を実施した。測定に用いた機器や測定条件は、上述したジエチルピロリジニウム塩の定量と同じ機器及び条件を使用した。
サンプル調製法:
 標準品(約10ppm溶液)の調製方法:約16.8mgの1-エチル-1,3-ジメチルピロリジニウムテトラフルオロボレートを正確に秤量し、超純水にて溶解し、100mLにメスアップ後、この溶液から5mLサンプリングし、超純水にて50mLにメスアップした。
 サンプル液:試料約500mgを超純水にて50mLにメスアップした。
 測定方法:標準品、サンプル液をそれぞれ分析し、得られたピークを元に下記の計算式で含有量を算出した。
 1-エチル-1,3-ジメチルピロリジニウム含量(ppm)=試料溶液中の1-エチル-1,3-ジメチルピロリジニウム塩ピーク面積×0.01(mg/mL)×50(mL)/試料採取量(mg)/標準溶液中のKピーク面積×1000000(ppm)
 電気二重層キャパシタの特性
 電解液として、実施例6~9及び比較例2で調製した各電解液を用いた以外は、上記と同様の方法で電気二重層キャパシタを作製し、同様の評価を行った。
比較例2:
 室温下、露点-40℃の乾燥窒素雰囲気中で、高純度のプロピレンカーボネートに電解質として1-エチル-1-メチルピロリジニウムテトラフルオロボレートを1.5mol/Lとなるように溶解して電解液を調製した。この電解液のジエチルピロリジニウムテトラフルオロボレートの含有量はN.D.(検出限界以下)であった。この電解液を用いて製造した電気二重層キャパシタの特性を表2に示す。
実施例6~9:
 比較例2で調製した電解液に1-エチル-1,3-ジメチルピロリジニウムテトラフルオロボレートを溶解し、均一化させることで、表2に示す濃度の1-エチル-1,3-ジメチルピロリジニウムテトラフルオロボレートを含有する各電解液を調製した。これらの各電解液を用いて製造した電気二重層キャパシタの特性を表2に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000011
溶媒はPC(プロピレンカーボネート)を使用
1-エチル-1,3-ジメチルピロリジニウムテトラフルオロボレートの濃度はイオンクロマトによる分析値
 表2に示す結果から、1-エチル-1,3-ジメチルピロリジニウム塩を含有する実施例6~9の各電解液を用いた電気二重層キャパシタは、1-エチル-1,3-ジメチルピロリジニウム塩を含有しない比較例2の電解液を用いた電気二重層キャパシタよりも、容量劣化(容量の低下)及び抵抗の上昇が低減された耐久性に優れるものであった。

Claims (8)

  1.  非水溶媒に、下記一般式(I)
    Figure JPOXMLDOC01-appb-C000001
    (式中、Xは、PF 、BF 、AsF 、N(CFSO 、N(FSO 、SbF 及びRfSO(Rfは炭素数1~8のフルオロアルキル基)からなる群より選ばれる対イオンを表す)で表される第4級アンモニウム塩が電解質として溶解されてなる非水電解液であって、該非水電解液は、下記一般式(II-1)
    Figure JPOXMLDOC01-appb-C000002
    (式中、Yは、PF 、BF 、AsF 、N(CFSO 、N(FSO 、SbF 及びRfSO (Rfは炭素数1~8のフルオロアルキル基)からなる群より選ばれる対イオンを表し、一般式(I)に含まれる対イオン(X)と同じでも良いし、異なっていても良い)で表されるジエチルピロリジニウム塩及び/又は下記一般式(II-2)
    Figure JPOXMLDOC01-appb-C000003
    (式中、Zは、PF 、BF 、AsF 、N(CFSO 、N(FSO 、SbF 及びRfSO (Rfは炭素数1~8のフルオロアルキル基)からなる群より選ばれる対イオンを表し、一般式(I)に含まれる対イオン(X)と同じでも良いし、異なっていても良い)で表される1-エチル-1,3-ジメチルピロリジニウム塩を含むものであることを特徴とする非水電解液。
  2.  前記一般式(II-1)で表されるジエチルピロリジニウム塩及び/又は前記一般式(II-2)で表される1-エチル-1,3-ジメチルピロリジニウム塩を0.1ppm~30000ppm含むことを特徴とする請求項1に記載の非水電解液。
  3.  前記一般式(II-1)で表されるジエチルピロリジニウム塩及び/又は前記一般式(II-2)で表される1-エチル-1,3-ジメチルピロリジニウム塩を1ppm~20000ppm含むことを特徴とする請求項1に記載の非水電解液。
  4.  前記一般式(II-1)で表されるジエチルピロリジニウム塩及び/又は前記一般式(II-2)で表される1-エチル-1,3-ジメチルピロリジニウム塩を10ppm~15000ppm含むことを特徴とする請求項1に記載の非水電解液。
  5.  前記一般式(II-1)で表されるジエチルピロリジニウム塩及び/又は前記一般式(II-2)で表される1-エチル-1,3-ジメチルピロリジニウム塩を50ppm~10000ppm含むことを特徴とする請求項1に記載の非水電解液。
  6.  前記一般式(I)で表される4級アンモニウム塩の対イオン(X)が、ホウフッ化イオン(BF )であることを特徴とする請求項1~5のいずれか一項に記載の非水電解液。
  7.  非水溶媒が、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ブチレンカーボネート、スルホラン、メチルスルホラン、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート及びジエチルカーボネートからなる群より選ばれる少なくとも1種であることを特徴とする請求項1~6のいずれか一項に記載の非水電解液。
  8.  請求項1~7のいずれか一項に記載の非水電解液を電解液としてなることを特徴とする電気二重層キャパシタ。
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