JP4239537B2 - Room temperature molten salt electrolyte and electrochemical device using the same - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、耐還元性に優れた常温溶融塩型電解質に関する。また、それを用いた電気化学デバイスに関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、高性能化、小型化が進む電子機器用電源、電力貯蔵用電源、電気自動車用電源等に用いる電源として、高エネルギー密度が得られる種々の非水系の電池や電気二重層キャパシタなどの電気化学デバイスが注目されている。
【0003】
一般に、非水系の電池や電気二重層キャパシタには、プロピレンカーボネートやγ―ブチロラクトンに代表されるような常温で液体のイオン性化合物でない有機溶媒に、常温で固体のリチウムカチオンからなるイオン性化合物(リチウム塩)や脂肪族アンモニウムカチオンからなるイオン性化合物(アンモニウム塩)を溶解させた液状の非水電解質(非水電解液)が多用されている。
【0004】
他方、常温で液状を呈する常温溶融塩型電解質を前記非水電解質電池や電気二重層キャパシタ等の電気化学デバイスに用いることが提案されている。このような常温溶融塩型電解質は可燃性の前記有機溶媒を用いる必要がなく、極めて高い難燃性を有するので、電気化学デバイスの電解質として用いると、高い安全性を有する電気化学デバイスを得ることが可能となる。
【0005】
電気化学デバイス用電解質として、従来提案されてきた常温溶融塩型電解質としては、イミダゾリウムイオンやピリジニウムイオンなどの芳香族性環を有する四級アンモニウムカチオンを有するイオン性化合物と、リチウムカチオンを有するイオン性化合物と、からなっている(例えば、特許文献1、特許文献2,特許文献3,特許文献4参照)。
【0006】
しかし、従来の常温溶融塩型電解質には、次のような問題があった。すなわち、イミダゾリウムイオンやピリジニウムイオンなどの芳香族性環を有する四級アンモニウムカチオンを用いた従来の常温溶融塩型電解質は、一般的な非水電解液に比較して、還元電位が貴である。一方、電池等の電気化学デバイスにおいて、例えばリチウムイオンをキャリアイオンとする非水電解質電池の負極作動電位は、一般に金属リチウムの電位(−3.045V vs.NHE)と同等であり非常に卑であるため、従来の常温溶融塩型電解質を用いた場合、四級アンモニウムカチオンや負極活物質そのものが還元分解されてしまい、サイクル性能や充放電効率性能等の電気的特性が低下するといった問題点があった。
【0007】
また、前記特許文献1に記載の常温溶融塩型電解質は、ハロゲン化アルミニウムを含有しているため、ハロゲン化アルミニウムイオン(例えばAlCl4 −)の腐食性により、電気化学デバイスに適用した場合、電気的性能を劣化させてしまうという問題があった。さらに、ハロゲン化アルミニウムは、一般に、激しい反応性を有するので、取り扱いが困難であった。
【0008】
これに対して、特許文献5には、0.5mol/l以上のリチウムカチオンを有するイオン性化合物(リチウム塩)を併用することで、還元電位を下げ、取り扱いの困難なハロゲン化アルミニウムを不要とした常温溶融塩型電解質が提案されている。
【0009】
しかしながら、特に、リチウムイオンが関与する非水系電極を用いた電気化学デバイスに適用しようとする場合には、より還元電位が卑な常温溶融塩型電解質が求められていた。
【0010】
なお、特許文献6には、非水電解液にイミダゾリウムカチオンを有するイオン性化合物を添加して非水電解液の難燃性を向上させる技術が記載されている。
【0011】
【特許文献1】
特開平4−349365号公報
【特許文献2】
特開平10−92467号公報
【特許文献3】
特開平11−86905号公報
【特許文献4】
特開平11−260400号公報
【特許文献5】
特開2002−110230号公報
【特許文献6】
特許第3060107号公報
【非特許文献1】
溶融塩・熱技術研究会編「溶融塩・熱技術の基礎」アグネ技術センター出版、1993年、313p(ISBN 4−900041−24−6)
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記問題点に鑑みなされたものであり、耐還元性に優れた常温溶融塩型電解質を提供することを目的とする。また、電気的特性に優れた電気化学デバイスを提供することを目的とする。
【0013】
【0014】
【0015】
【課題を解決するための手段】
本発明は、請求項1に記載したように、(化学式5)の構造を有するイミダゾリウムカチオンを含む常温溶融塩型電解質が、(化学式1)の構造を有するピロリニウムカチオンをさらに含んでいることを特徴とする常温溶融塩型電解質である。
【化5】
ただし、
R1、R3は、炭素数1〜6のアルキル基、
R2、R4、R5は、水素原子または炭素数1〜6のアルキル基、
である。
【0016】
【化6】
【0017】
ただし、
R1は、炭素数1〜6のアルキル基、
R2〜R8は、水素原子または炭素数1〜6のアルキル基、
である。
【0018】
また、本発明は、請求項2に記載したように、(化学式5)の構造を有するイミダゾリウムカチオンを含む常温溶融塩型電解質が、(化学式2)の構造を有するピロリウムカチオンをさらに含んでいることを特徴としている。
【0019】
【化7】
【0020】
ただし、
R1、R2は、炭素数1〜6のアルキル基、
R3〜R6は、水素原子または炭素数1〜6のアルキル基、
である。
【0021】
【0022】
【0023】
【0024】
【0025】
【0026】
【0027】
以上のような構成によれば、(化学式5)の構造を有するイミダゾリウムカチオンを含む常温溶融塩型電解質の耐還元性を向上できる。
【0028】
【0029】
【0030】
【0031】
【0032】
【0033】
【0034】
【0035】
【0036】
【0037】
【0038】
【0039】
【0040】
【0041】
【0042】
【0043】
また、本発明は、請求項3に記載したように、前記常温溶融塩型電解質は、非金属元素のみからなるアニオンから構成されることを特徴としている。
【0044】
このような構成によれば、常温溶融塩型電解質は、非金属元素のみからなるアニオンを用いて形成されることにより、ハロゲン化アルミニウムイオンを含んでいないので、腐食性を有するハロゲン化アルミニウムイオンに起因した電池性能の劣化や取り扱いの困難さを生じないといった特徴をさらに付加することができる。
【0045】
また、本発明は、請求項4に記載したように、前記常温溶融塩型電解質は、リチウムイオンを含んでいることを特徴としている。
【0046】
このような構成によれば、広電位領域において耐還元性に優れ、かつ、高いリチウムイオン移動度を得ることができるので、特に、リチウム電池等、リチウムイオンをキャリアイオンとする電気化学デバイスに適用すると、電気的特性に優れた電気化学デバイスを提供することができる。
【0047】
ここで、リチウムイオンの含有量は、0.1〜3mol/lの範囲であることが好ましい。リチウム塩の含有量が0.1mol/l以上とすることにより、電解質としての抵抗が大きくなりすぎず、電池の充放電効率を高く保つことができる。また、リチウム塩の含有量を3mol/l以下とすることにより、常温溶融塩型電解質の融点を低く抑え、常温で液状を保ちやすくなる。以上の観点から、さらには、非水電解質中のリチウム塩の含有量は、0.5〜2mol/lの範囲であることが望ましい。
【0048】
また、本発明は、請求項5に記載したように、前記常温溶融塩型電解質を用いた電気化学デバイスである。
【0049】
このような構成によれば、電気化学デバイスの電解質に、本発明に係る耐還元性に優れた常温溶融塩型電解質を用いているので、電池、電気二重層キャパシタ等の電気化学デバイスを電気的特性に優れたものとすることができる。
【0050】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について詳述するが、本発明はこれらの記載によって限定されるものではない。
【0051】
(化学式1)、(化学式2)、(化学式5)に示されるカチオンを有するイオン性化合物は、高い難燃性を有し、さらに、比較的融点が低く、常温で液体を呈する常温溶融塩を構成しうる化合物である。従って、常温溶融塩型電解質としたときに、高いイオン伝導度を得ることができるだけでなく、難燃性を付与させることができる。
【0052】
(化学式1)の構造を有するピロリニウムカチオンとしては、1,2−ジメチルピロリニウムイオン、1−エチル−2−メチルピロリニウムイオン、1−プロピル−2−メチルピロリニウムイオン、1−ブチル−2−メチルピロリニウムイオンなどが挙げられるが、これらに限定されるものではない。
【0053】
(化学式2)の構造を有するピロリウムカチオンとしては、1,1−ジメチルピロリウムイオン、1−エチル−1−メチルピロリウムイオン、1−メチル−1−プロピルピロリウムイオン、1−ブチル−1−メチルピロリウムイオンなどが挙げられるが、これらに限定されるものではない。
【0054】
【0055】
【0056】
(化学式5)の構造を有するイミダゾリウムカチオンとしては、ジアルキルイミダゾリウムイオンとしては、1,3−ジメチルイミダゾリウムイオン、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムイオン、1,3−ジエチルイミダゾリウムイオン、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムイオンなどが、トリアルキルイミダゾリウムイオンとしては、1、2、3−トリメチルイミダゾリウムイオン、1、2−ジメチル−3−エチルイミダゾリウムイオン、1、2−ジメチル−3−プロピルイミダゾリウムイオン、1−ブチル−2、3−ジメチルイミダゾリウムイオンなどが挙げられるが、これらに限定されるものではない。
【0057】
【0058】
本発明の常温溶融塩型電解質は、非金属元素のみからなるアニオンから構成されるものであることが好ましい。前記非金属元素のみからなるアニオンとしては、BF4 −、PF6 −、CF3SO3 −、N(CF3SO2)2 −、N(C2F5SO2)2 −、N(CF3SO2)(C4F9SO2)−、C(CF3SO2)3 −およびC(C2F5SO2)3 −からなる群から選択されることが好ましい。アニオンをこのように選択することにより、融点の低い常温溶融塩型電解質を形成しやすくなるので、確実に高いイオン伝導度を有した常温溶融塩型電解質とすることができる。これらのアニオンは、2種以上が混合されていてもよい。
【0059】
この観点から、本発明の常温溶融塩型電解質を調整するにあたって用いられるイオン性化合物は、上記したアニオンを有するものを選択することが好ましい。これらのアニオンは、2種以上が混合されていてもよい。
【0060】
本願にいう常温溶融塩とは、常温において少なくとも一部が液状を呈するイオン性化合物をいう。常温とは、電気化学デバイスが通常作動すると想定される温度範囲であり、上限が100℃程度、場合によっては60℃程度であり、下限が−50℃程度、場合によっては−20℃程度である。一方、非特許文献1に記載されているような、各種電析などに用いられるLi2CO3−Na2CO3−K2CO3などの無機系溶融塩は、融点が300℃以上のものが大半であり、通常電気化学デバイスが作動すると想定される温度範囲内で液状を呈するものではなく、本願にいう常温溶融塩には含まれない。
【0061】
また、本願にいう常温溶融塩型電解質は、前記常温溶融塩からなる電解質である。本願の常温溶融塩型電解質は、後述する実施例に示すように、イオン性化合物のみからなり、一般的なリチウム電池用電解液に用いられるプロピレンカーボネートやγ―ブチロラクトンに代表されるようなイオン性化合物でない有機溶媒を含まないものとすることができる。イオン性化合物でない有機溶媒を含まないものとすることにより、より一層、高い難燃性と高い熱安定性を享受できる。従って、難燃性のイオン性化合物のみからなるので、これを電解質として用いた場合、高い安全性を有する電気化学デバイスを得ることが可能となる。さらに、揮発性の有機溶媒を含まないので、外装体の材質を選択する上で自由度が高くなり、例えば、アルミラミネートフィルムに代表されるような金属樹脂複合フィルムを用いた電気化学デバイスを提供することが極めて容易になる。さらに、電気化学デバイスの製造工程においても、従来の非水電解液を用いる場合には電解液の揮発を避けるために最終工程に近い密封工程の直前に電解液の注液工程を配置する等の配慮を必要としていたが、前記有機溶媒を含まないものとすることにより、前記配慮が不要となるといった利点を有する。
【0062】
なお、その熱安定性、難燃性、不揮発性といった上記利点を損なわない程度に、イオン性化合物でない有機溶媒を併用してもよい。イオン性化合物でない有機溶媒としては、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、クロロエチレンカーボネート、ビニレンカーボネート等の環状炭酸エステル類;γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン等の環状エステル類;ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート等の鎖状カーボネート類;ギ酸メチル、酢酸メチル、酪酸メチル等の鎖状エステル類;テトラヒドロフランまたはその誘導体;1,3−ジオキサン、1,4−ジオキサン、1,2−ジメトキシエタン、1,4−ジブトキシエタン、メチルジグライム等のエーテル類;アセトニトリル、ベンゾニトリル等のニトリル類;ジオキソランまたはその誘導体;エチレンスルフィド、スルホラン、スルトンまたはその誘導体等の単独またはそれら2種以上の混合物等を挙げることができるが、これらに限定されるものではない。
【0063】
ところで、本発明における常温溶融塩型電解質は、高分子を複合化させることにより、ゲル状に固体化して使用してもよい。ここで、前記高分子としては、例えば、ポリエチレンオキサイド、ポリプロピレンオキサイド、ポリアクリロニトリル、ポリメタクリル酸メチル、ポリフッ化ビニリデン、各種アクリル系モノマー、メタクリル系モノマー、アクリルアミド系モノマー、アリル系モノマー、スチレン系モノマーの重合体などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。これらは単独で用いてもよく、2種以上混合して用いてもよい。
【0064】
以下に、本発明を実施例に基づき、さらに詳細に説明するが、本発明はこれらの記載によって限定されるものではない。
【0065】
(参考例1)
ピロリジニウムカチオンを有するイオン性化合物である1−ブチル−1−メチルピロリジニウムビス(トリフルオロメタンスルフォニル)イミドに、1モルのLiN(CF3SO2)2を混合することにより、常温溶融塩型電解質を得た。
【0066】
(実施例2)
(化学式2)の構造を有するピロリウムカチオンを有するイオン性化合物である1−エチル−1−メチルピロリウムテトラフルオロボラートに、2モルの1−エチル−3−メチルイミダゾリウムテトラフルオロボラートと、1モルのLiBF4を混合することにより、常温溶融塩型電解質を得た。
【0067】
(実施例3)
(化学式2)の構造を有するピロリウムカチオンを有するイオン性化合物である1,1−ジメチルピロリウムヘキサフルオロホスファートに、2モルの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ァートと、1モルのLiPF6を混合することにより、常温溶融塩型電解質を得た。
【0068】
(参考例4)
ピラゾリウムカチオンを有するイオン性化合物である1,2−ジメチルピラゾリウムビス(ペルフルオロエタンスルフォニル)イミドに、3モルの1−エチル−3−メチルイミダゾリウムビス(ペルフルオロエタンスルフォニル)イミドを混合することにより、常温溶融塩型電解質を得た。
【0069】
(実施例5)
(化学式5)の構造を有するイミダゾリウムカチオンを有するイオン性化合物である2モルの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に、(化学式1)の構造を有するピロリニウムカチオンを有するイオン性化合物である2モルの1−エチルピロリニウムテトラフルオロボレートと、1モルのLiBF4を混合することにより、常温溶融塩型電解質を得た。
【0070】
(参考例6)
(化学式2)の構造を有するピロリウムカチオンを有するイオン性化合物である2モルの1−エチル−1−メチルピロリウムビス(ペルフルオロエチルスルフォニル)イミドに、2モルのトリメチルヘキシルアンモニウムビス(ペルフルオロエチルスルフォニル)イミドと、1モルのLiN(CF3SO2)2を混合することにより、常温溶融塩型電解質を得た。
【0071】
(参考例7)
ピラゾリウムカチオンを有するイオン性化合物である2モルの1,2−ジメチルピラゾリウムビス(トリフルオロメタンスルフォニル)イミドに、ピロリジニウムカチオンを有するイオン性化合物である2モルの1−ブチル−1−メチルピロリジニウムビス(トリフルオロメタンスルフォニル)イミドと、1モルのLiN(CF3SO2)2を混合することにより、常温溶融塩型電解質を得た。
【0072】
(参考例8)
ピリジニウムカチオンを有するイオン性化合物である2モルの1−ブチルピリジニウムテトラフルオロボラートに、2モルの1−エチル−1−メチルピペリジニウムテトラフルオロボラートと、1モルのLiN(CF3SO2)2を混合することにより、常温溶融塩型電解質を得た。
【0073】
(比較例1)
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に、1モルのLiBF4を混合することにより、常温溶融塩型電解質を得た。
【0074】
(比較例2)
プロピレンカーボネートに1モルのLiBF4を混合することにより、液状非水電解質(非水電解液)を得た。
【0075】
(耐還元性試験)
上記実施例2,3,5、参考例1,4,6−8及び比較例1で得られた常温溶融塩型電解質を用いて、耐還元性試験を行った。試験セルは、3端子セルとし、作用極には白金を用いた。走査電位範囲は自然電極電位から還元方向に−2V(v.s.Li/Li+)までとした。電位走査速度は5mV/secとした。表1に結果を示す。ここで、各電解質を用いて測定を行ったときに、比較例1で得られた常温溶融塩型電解質において観察された還元ピークの電位よりも卑で0Vよりも貴な電位に還元ピークが観察されたものを○印、0Vよりも貴な電位において還元ピークが観察されなかったものを◎印で示した。
【0076】
この結果、実施例2,3,5、参考例1,4,6−8の常温溶融塩型電解質は、いずれも、比較例1の常温溶融塩型電解質よりも耐還元性が優れていることがわかった。
【0077】
(電池性能試験)
上記実施例および比較例で得られた電解質を用いて、電気化学デバイスとしてリチウム電池を作製した。作製したリチウム電池の断面図を図1に示す。本発明にかかるリチウム電池は、正極1、負極2、およびセパレータ3からなる極群4と、電解質と、外装材としての金属樹脂複合フィルム5から構成されている。正極1は、正極合剤11が正極集電体12上に塗布されてなる。また、負極2は、負極合剤21が負極集電体22上に塗布されてなる。電解質は極群4に含浸されている。金属樹脂複合フィルム5は、極群4を覆い、その四方を熱溶着により封止されている。
【0078】
次に、上記構成のリチウム電池の製造方法を説明する。正極1は次のようにして得た。まず、LiCoO2と、導電剤であるアセチレンブラックを混合し、さらに結着剤としてポリフッ化ビニリデンのN−メチル−2−ピロリドン溶液を混合し、この混合物をアルミ箔からなる正極集電体12の片面に塗布した後、乾燥し、正極合剤11の厚さが0.1mmとなるようにプレスした。以上の工程により正極1を得た。負極2は、次のようにして得た。まず、負極活物質であるLi4/3Ti5/3O4と、導電剤であるケッチェンブラックを混合し、さらに結着剤としてポリフッ化ビニリデンのN−メチル−2−ピロリドン溶液を混合し、この混合物を銅箔からなる負極集電体22の片面に塗布した後、乾燥し、負極合剤21の厚さが0.1mmとなるようにプレスした。以上の工程により負極2を得た。セパレータ3は、ポリエチレン性微孔膜を用いた。極群4は、正極合剤11と負極合剤21とを対向させ、その間にセパレータ3を配し、正極1、セパレータ3、負極2の順に積層することにより、構成した。次に、電解質中に極群4を浸漬させることにより、極群4に電解質を含浸させた。さらに、金属樹脂複合フィルム5で極群4を覆い、その四方を熱溶着により封止した。
【0079】
上記電解質として、上記実施例2,3,5、参考例1,4,6,7,8および比較例1,2にかかる電解質をそれぞれ用いてリチウム電池を作製した。これをそれぞれ本発明電池2,3,5、参考例電池1,4,6,7,8および比較電池1,2とする。なお、参考例4にかかる電解質はリチウムイオンを含有しないため、リチウム電池は作製しなかった。
【0080】
(初期放電容量試験)
上記の本発明電池、参考例電池および比較電池について、初期放電容量試験を行った。試験温度は20℃とした。充電は、電流1mA、終止電圧2.7Vの定電流充電とした。放電は、電流1mA、終止電圧1.2Vの定電流放電とした。得られた電池容量を、初期放電容量とした。なお、本発明電池、参考例電池および比較電池の設計容量は、全て同一である。
【0081】
(温度サイクル試験)
上記の本発明電池、参考例電池および比較電池について、温度サイクル試験を行った。前述の初期放電容量試験と同様の条件で、初期容量の確認を行った電池を、前述した条件で充電後、100℃で3時間保存後室温で21時間保存する温度サイクルを30日間繰り返し、前述した条件で保存後の放電容量を測定し、自己放電率を求めた。初期放電容量試験および温度サイクル試験の結果を表1に併せて示す。なお、自己放電率は(式1)により算出した。
【0082】
【式1】
【0083】
【表1】
【0084】
表1から明らかなように、本発明電池及び参考例電池は、初期放電容量について各電池とも設計容量のほぼ100%が得られたことから、充放電効率もほぼ100%が得られていることがわかった。温度サイクル試験による自己放電率については、比較電池2よりも優れ、比較電池1と比べて遜色のない性能を示した。
【0085】
なお、以上例示した常温溶融塩型電解質の用途として、リチウム電池を例に説明したが、電気二重層キャパシタ等その他の電気化学デバイス用の電解質としても好適に利用できる。
【0086】
本発明の常温溶融塩型電解質は、上述したように耐還元性に優れているので、これを用いた本発明電池は、繰り返し充放電サイクル性能等、電気的特性の優れたものとなる。
【0087】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、耐還元性に優れる常温溶融塩型電解質を提供でき、これを用いた電気化学デバイスは電気的特性に優れたものとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例に係るリチウム電池の断面図である。
【符号の説明】
1 正極
11 正極合剤
12 正極集電体
2 負極
21 負極合剤
22 負極集電体
3 セパレータ
4 極群
5 金属樹脂複合フィルム[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a room temperature molten salt electrolyte excellent in reduction resistance. The present invention also relates to an electrochemical device using the same.
[0002]
[Prior art]
In recent years, as power sources for electronic devices, power storage power sources, electric vehicle power sources, etc., which have been improved in performance and size, electric power such as various non-aqueous batteries and electric double layer capacitors that can obtain high energy density. Chemical devices are attracting attention.
[0003]
In general, non-aqueous batteries and electric double layer capacitors include ionic compounds composed of lithium cations that are solid at room temperature in organic solvents that are not liquid ionic compounds, such as propylene carbonate and γ-butyrolactone. Lithium salts) and liquid nonaqueous electrolytes (nonaqueous electrolytes) in which ionic compounds (ammonium salts) composed of aliphatic ammonium cations are dissolved are frequently used.
[0004]
On the other hand, it has been proposed to use a room temperature molten salt electrolyte that is liquid at room temperature for electrochemical devices such as the non-aqueous electrolyte battery and the electric double layer capacitor. Such a room temperature molten salt electrolyte does not require the use of the flammable organic solvent, and has extremely high flame retardancy, so that when used as an electrolyte for an electrochemical device, an electrochemical device having high safety can be obtained. Is possible.
[0005]
As the electrolytes for electrochemical devices, conventionally proposed room temperature molten salt electrolytes include ionic compounds having quaternary ammonium cations having aromatic rings such as imidazolium ions and pyridinium ions, and ions having lithium cations. (For example, refer to Patent Document 1, Patent Document 2, Patent Document 3, and Patent Document 4).
[0006]
However, the conventional room temperature molten salt electrolyte has the following problems. That is, a conventional room temperature molten salt electrolyte using a quaternary ammonium cation having an aromatic ring such as an imidazolium ion or a pyridinium ion has a lower reduction potential than a general non-aqueous electrolyte. . On the other hand, in an electrochemical device such as a battery, for example, the negative electrode operating potential of a non-aqueous electrolyte battery using lithium ions as carrier ions is generally equivalent to the potential of metallic lithium (−3.045 V vs. NHE), which is very basic. For this reason, when a conventional room temperature molten salt electrolyte is used, the quaternary ammonium cation and the negative electrode active material itself are reduced and decomposed, and the electrical characteristics such as cycle performance and charge / discharge efficiency performance deteriorate. there were.
[0007]
Moreover, since the room temperature molten salt electrolyte described in Patent Document 1 contains an aluminum halide, when applied to an electrochemical device due to the corrosiveness of aluminum halide ions (for example, AlCl 4 − ), There was a problem of degrading the performance. Furthermore, aluminum halides are generally very reactive and difficult to handle.
[0008]
In contrast, Patent Document 5 uses an ionic compound (lithium salt) having a lithium cation of 0.5 mol / l or more in combination to reduce the reduction potential and eliminate the need for an aluminum halide that is difficult to handle. A room temperature molten salt electrolyte has been proposed.
[0009]
However, particularly when applying to an electrochemical device using a non-aqueous electrode involving lithium ions, a room temperature molten salt electrolyte having a lower reduction potential has been demanded.
[0010]
Patent Document 6 describes a technique for improving the flame retardancy of a non-aqueous electrolyte by adding an ionic compound having an imidazolium cation to the non-aqueous electrolyte.
[0011]
[Patent Document 1]
JP-A-4-349365 [Patent Document 2]
Japanese Patent Laid-Open No. 10-92467 [Patent Document 3]
Japanese Patent Laid-Open No. 11-86905 [Patent Document 4]
Japanese Patent Laid-Open No. 11-260400 [Patent Document 5]
JP 2002-110230 A [Patent Document 6]
Japanese Patent No. 3060107 [Non-Patent Document 1]
Study Group of Molten Salt / Thermal Technology “Basics of Molten Salt / Thermal Technology”, Agne Technology Center, 1993, 313p (ISBN 4-900041-24-6)
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
This invention is made | formed in view of the said problem, and it aims at providing the normal temperature molten salt type electrolyte excellent in reduction resistance. Moreover, it aims at providing the electrochemical device excellent in the electrical property.
[0013]
[0014]
[0015]
[Means for Solving the Problems]
According to the present invention, as described in claim 1 , the room temperature molten salt electrolyte containing an imidazolium cation having the structure of (Chemical Formula 5) further includes a pyrrolium cation having the structure of (Chemical Formula 1) . Is a room temperature molten salt electrolyte.
[Chemical formula 5]
However,
R1 and R3 are alkyl groups having 1 to 6 carbon atoms,
R2, R4, and R5 are a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms,
It is.
[0016]
[Chemical 6]
[0017]
However,
R1 is an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms,
R2 to R8 are a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms,
It is.
[0018]
Further, according to the present invention, as described in claim 2 , the room temperature molten salt electrolyte containing an imidazolium cation having the structure of (Chemical Formula 5) further includes a pyrrolium cation having the structure of (Chemical Formula 2). There is characterized in Rukoto.
[0019]
[Chemical 7]
[0020]
However,
R1 and R2 are alkyl groups having 1 to 6 carbon atoms,
R3 to R6 are a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms,
It is.
[0021]
[0022]
[0023]
[0024]
[0025]
[0026]
[0027]
According to the above configuration, the reduction resistance of a room temperature molten salt electrolyte containing an imidazolium cation having the structure of (Chemical Formula 5) can be improved .
[0028]
[0029]
[0030]
[0031]
[0032]
[0033]
[0034]
[0035]
[0036]
[0037]
[0038]
[0039]
[0040]
[0041]
[0042]
[0043]
Further, according to the present invention, as described in claim 3 , the room temperature molten salt electrolyte is composed of an anion consisting of only a nonmetallic element.
[0044]
According to such a configuration, the room temperature molten salt electrolyte is formed using an anion consisting of only a nonmetallic element, and thus does not contain aluminum halide ions. It is possible to further add features such as no deterioration in battery performance and difficulty in handling.
[0045]
Moreover, this invention is characterized by the said normal temperature molten salt type electrolyte containing lithium ion, as described in Claim 4 .
[0046]
According to such a configuration, it is excellent in reduction resistance in a wide potential region and high lithium ion mobility can be obtained, so that it is particularly applied to an electrochemical device using lithium ions as carrier ions, such as a lithium battery. Then, an electrochemical device having excellent electrical characteristics can be provided.
[0047]
Here, the lithium ion content is preferably in the range of 0.1 to 3 mol / l. When the content of the lithium salt is 0.1 mol / l or more, the resistance as an electrolyte does not increase too much, and the charge / discharge efficiency of the battery can be kept high. Moreover, by setting the content of the lithium salt to 3 mol / l or less, the melting point of the room temperature molten salt electrolyte is kept low, and the liquid state is easily maintained at room temperature. From the above viewpoint, the lithium salt content in the non-aqueous electrolyte is preferably in the range of 0.5 to 2 mol / l.
[0048]
Moreover, this invention is an electrochemical device using the said normal temperature molten salt type electrolyte, as described in Claim 5 .
[0049]
According to such a configuration, since the room temperature molten salt electrolyte excellent in reduction resistance according to the present invention is used for the electrolyte of the electrochemical device, the electrochemical device such as a battery or an electric double layer capacitor is electrically used. It can be excellent in characteristics.
[0050]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail, but the present invention is not limited to these descriptions.
[0051]
The ionic compound having a cation represented by ( Chemical Formula 1) , (Chemical Formula 2), or (Chemical Formula 5) has a high flame retardancy, a relatively low melting point, and a room temperature molten salt that exhibits a liquid at room temperature. It is a constitutive compound. Therefore, when a room temperature molten salt electrolyte is used, not only high ionic conductivity can be obtained, but also flame retardancy can be imparted.
[0052]
Examples of the pyrrolium cation having the structure of (Chemical Formula 1) include 1,2-dimethylpyrrolium ion, 1-ethyl-2-methylpyrrolium ion, 1-propyl-2-methylpyrrolium ion, 1-butyl-2. -Methyl pyrrolinium ion etc. are mentioned, However, It is not limited to these.
[0053]
Examples of the pyrrolium cation having the structure of (Chemical Formula 2) include 1,1-dimethylpyrrolium ion, 1-ethyl-1-methylpyrrolium ion, 1-methyl-1-propylpyrrolium ion, 1-butyl-1-methylpyrrole. Um ion etc. are mentioned, but it is not limited to these.
[0054]
[0055]
[0056]
As the imidazolium cation having the structure of (Chemical Formula 5), as the dialkylimidazolium ion, 1,3-dimethylimidazolium ion, 1-ethyl-3-methylimidazolium ion, 1,3-diethylimidazolium ion, Examples of the trialkylimidazolium ion include 1-butyl-3-methylimidazolium ion, 1,2,3-trimethylimidazolium ion, 1,2-dimethyl-3-ethylimidazolium ion, 1,2-dimethyl. Examples include, but are not limited to, -3-propylimidazolium ion, 1-butyl-2, 3-dimethylimidazolium ion, and the like.
[0057]
[0058]
The room temperature molten salt electrolyte of the present invention is preferably composed of an anion consisting only of a nonmetallic element. Examples of the anion consisting of the nonmetallic element include BF 4 − , PF 6 − , CF 3 SO 3 − , N (CF 3 SO 2 ) 2 − , N (C 2 F 5 SO 2 ) 2 − , N (CF 3 SO 2 ) (C 4 F 9 SO 2 ) − , C (CF 3 SO 2 ) 3 — and C (C 2 F 5 SO 2 ) 3 — are preferably selected. By selecting the anion in this way, it becomes easy to form a room temperature molten salt electrolyte having a low melting point, so that a room temperature molten salt electrolyte having a high ionic conductivity can be surely obtained. Two or more of these anions may be mixed.
[0059]
From this point of view, it is preferable to select an ionic compound having an anion as described above for adjusting the room temperature molten salt electrolyte of the present invention. Two or more of these anions may be mixed.
[0060]
The normal temperature molten salt referred to in the present application refers to an ionic compound that is at least partially liquid at normal temperature. The normal temperature is a temperature range in which the electrochemical device is assumed to normally operate, and the upper limit is about 100 ° C., in some cases about 60 ° C., and the lower limit is about −50 ° C., and in some cases about −20 ° C. . On the other hand, an inorganic molten salt such as Li 2 CO 3 —Na 2 CO 3 —K 2 CO 3 used for various electrodepositions as described in Non-Patent Document 1 has a melting point of 300 ° C. or higher. However, it does not exhibit a liquid form within a temperature range in which an electrochemical device is normally assumed to operate, and is not included in the room temperature molten salt referred to in the present application.
[0061]
Moreover, the room temperature molten salt electrolyte referred to in the present application is an electrolyte made of the room temperature molten salt. The room temperature molten salt electrolyte of the present application is composed of only an ionic compound, as shown in the examples described later, and is ionic such as propylene carbonate and γ-butyrolactone used in general lithium battery electrolytes. Organic solvents that are not compounds can be excluded. By not containing an organic solvent that is not an ionic compound, higher flame retardancy and higher thermal stability can be enjoyed. Therefore, since it consists only of a flame-retardant ionic compound, when this is used as an electrolyte, it becomes possible to obtain the electrochemical device which has high safety | security. Furthermore, since it does not contain a volatile organic solvent, it offers a high degree of freedom in selecting the material of the exterior body. For example, an electrochemical device using a metal resin composite film represented by an aluminum laminate film is provided. It becomes extremely easy to do. Furthermore, in the manufacturing process of electrochemical devices, when a conventional non-aqueous electrolyte is used, an electrolyte injection process is arranged immediately before the sealing process close to the final process in order to avoid volatilization of the electrolyte. Although consideration was required, by not including the organic solvent, there is an advantage that the consideration is not necessary.
[0062]
In addition, you may use together the organic solvent which is not an ionic compound to such an extent that the said advantages, such as the heat stability, a flame retardance, and nonvolatility, are not impaired. Examples of organic solvents that are not ionic compounds include cyclic carbonates such as propylene carbonate, ethylene carbonate, butylene carbonate, chloroethylene carbonate, and vinylene carbonate; cyclic esters such as γ-butyrolactone and γ-valerolactone; dimethyl carbonate, diethyl carbonate Chain carbonates such as ethyl methyl carbonate; chain esters such as methyl formate, methyl acetate, methyl butyrate; tetrahydrofuran or derivatives thereof; 1,3-dioxane, 1,4-dioxane, 1,2-dimethoxyethane, Ethers such as 1,4-dibutoxyethane and methyldiglyme; Nitriles such as acetonitrile and benzonitrile; Dioxolane or derivatives thereof; Ethylene sulfide, sulfolane, sultone or the like Examples thereof include a single derivative or a mixture of two or more thereof, but are not limited thereto.
[0063]
By the way, the room temperature molten salt electrolyte in the present invention may be used by solidifying it into a gel by complexing a polymer. Here, examples of the polymer include, for example, polyethylene oxide, polypropylene oxide, polyacrylonitrile, polymethyl methacrylate, polyvinylidene fluoride, various acrylic monomers, methacrylic monomers, acrylamide monomers, allyl monomers, and styrene monomers. Examples include, but are not limited to, polymers. These may be used alone or in combination of two or more.
[0064]
Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on examples, but the present invention is not limited to these descriptions.
[0065]
( Reference Example 1)
The pin Lori pyridinium an ionic compound having a cation 1-butyl-1-methyl-pyrrolidinium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide, by mixing one mole of LiN (CF 3 SO 2) 2 , room temperature molten A salt electrolyte was obtained.
[0066]
(Example 2)
To 1-ethyl-1-methylpyrrolium tetrafluoroborate, which is an ionic compound having a pyrrolium cation having the structure of (Chemical Formula 2), 2 mol of 1-ethyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate and A normal temperature molten salt electrolyte was obtained by mixing 1 mol of LiBF 4 .
[0067]
(Example 3)
1,1-dimethylpyrrolium hexafluorophosphate, which is an ionic compound having a pyrrolium cation having the structure of (Chemical Formula 2), and 2 mol of 1-butyl-3-methylimidazolium hexafluorophosphate and 1 A normal temperature molten salt electrolyte was obtained by mixing molar LiPF 6 .
[0068]
( Reference Example 4)
An ionic compound having a pin Ratho cation in 1,2-dimethyl-pyrazolium bis (perfluoroalkyl ethane sulfonyl) imide, mixed with 3 moles of 1-ethyl-3-methylimidazolium bis (perfluoroalkyl ethane sulfonyl) imide Thus, a room temperature molten salt electrolyte was obtained.
[0069]
(Example 5)
2 mol 1-ethyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate which is an ionic compound having an imidazolium cation having the structure of (Chemical Formula 5) has an ionicity having a pyrrolium cation having the structure of (Chemical Formula 1). A room temperature molten salt electrolyte was obtained by mixing 2 mol of 1-ethylpyrrolium tetrafluoroborate as a compound and 1 mol of LiBF 4 .
[0070]
( Reference Example 6)
2 mol of 1-ethyl-1-methylpyrrolium bis (perfluoroethylsulfonyl) imide, which is an ionic compound having a pyrrolium cation having the structure of (Chemical Formula 2), and 2 mol of trimethylhexylammonium bis (perfluoroethylsulfonyl) ) Imide and 1 mol of LiN (CF 3 SO 2 ) 2 were mixed to obtain a room temperature molten salt electrolyte.
[0071]
( Reference Example 7)
2 moles of 1,2-dimethyl-pyrazolium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide is an ionic compound having a pin Ratho cation, 2 moles of 1-butyl is an ionic compound having a pin Lori pyridinium cation - A normal temperature molten salt electrolyte was obtained by mixing 1-methylpyrrolidinium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide and 1 mol of LiN (CF 3 SO 2 ) 2 .
[0072]
( Reference Example 8)
2 moles of 1-butyl pyridinium tetrafluoroborate as an ionic compound having a pin lysine cation, and 2 moles of 1-ethyl-1-methyl piperidinium tetrafluoroborate, 1 mole of LiN (CF 3 SO 2 ) 2 was mixed to obtain a room temperature molten salt electrolyte.
[0073]
(Comparative Example 1)
1 mol of LiBF 4 was mixed with 1-ethyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate to obtain a room temperature molten salt electrolyte.
[0074]
(Comparative Example 2)
A liquid non-aqueous electrolyte (non-aqueous electrolyte) was obtained by mixing 1 mol of LiBF 4 with propylene carbonate.
[0075]
(Reduction resistance test)
Using the room temperature molten salt electrolytes obtained in Examples 2, 3, 5, Reference Examples 1, 4, 6-8 and Comparative Example 1, a reduction resistance test was performed. The test cell was a three-terminal cell, and platinum was used for the working electrode. The scanning potential range was from natural electrode potential to −2 V (vs. Li / Li + ) in the reduction direction. The potential scanning speed was 5 mV / sec. Table 1 shows the results. Here, when measurement was performed using each electrolyte, a reduction peak was observed at a potential lower than 0 V and lower than 0 V observed in the room temperature molten salt electrolyte obtained in Comparative Example 1. The result was indicated by a circle, and the reduction peak not observed at a potential nobler than 0 V was indicated by a mark.
[0076]
As a result , all of the room temperature molten salt electrolytes of Examples 2, 3, 5 and Reference Examples 1, 4, 6-8 have better reduction resistance than the room temperature molten salt electrolyte of Comparative Example 1. I understood.
[0077]
(Battery performance test)
A lithium battery was produced as an electrochemical device using the electrolytes obtained in the above Examples and Comparative Examples. A cross-sectional view of the produced lithium battery is shown in FIG. The lithium battery according to the present invention includes a pole group 4 including a positive electrode 1, a negative electrode 2, and a separator 3, an electrolyte, and a metal resin composite film 5 as an exterior material. The positive electrode 1 is formed by applying a positive electrode mixture 11 on a positive electrode current collector 12. The negative electrode 2 is formed by applying a negative electrode mixture 21 on a negative electrode current collector 22. The electrolyte is impregnated in the pole group 4. The metal resin composite film 5 covers the pole group 4 and is sealed on all four sides by heat welding.
[0078]
Next, a method for manufacturing the lithium battery having the above configuration will be described. The positive electrode 1 was obtained as follows. First, LiCoO 2 and acetylene black, which is a conductive agent, are mixed, and an N-methyl-2-pyrrolidone solution of polyvinylidene fluoride is further mixed as a binder, and this mixture is used as a positive electrode current collector 12 made of an aluminum foil. After coating on one side, it was dried and pressed so that the thickness of the positive electrode mixture 11 was 0.1 mm. The positive electrode 1 was obtained by the above process. The negative electrode 2 was obtained as follows. First, Li 4/3 Ti 5/3 O 4 as a negative electrode active material and Ketjen black as a conductive agent are mixed, and further, an N-methyl-2-pyrrolidone solution of polyvinylidene fluoride is mixed as a binder. The mixture was applied to one side of a negative electrode current collector 22 made of copper foil, dried, and pressed so that the thickness of the negative electrode mixture 21 was 0.1 mm. The negative electrode 2 was obtained by the above process. As the separator 3, a polyethylene microporous film was used. The pole group 4 was configured by facing the positive electrode mixture 11 and the negative electrode mixture 21, placing the separator 3 therebetween, and laminating the positive electrode 1, the separator 3, and the negative electrode 2 in this order. Next, the electrode group 4 was impregnated with the electrolyte by immersing the electrode group 4 in the electrolyte. Furthermore, the pole group 4 was covered with the metal resin composite film 5, and the four sides were sealed by heat welding.
[0079]
As the electrolyte, the examples 2, 3 and 5, Reference Examples 1 and 4, to prepare a lithium battery using 6, 7, 8 and Comparative Examples 1 and 2 electrolyte according to each. This respectively present invention batteries 2,3,5, and Reference Example batteries 1,4, 6, 7, 8 and comparative batteries 1 and 2. Since the electrolyte according to Reference Example 4 did not contain lithium ions, no lithium battery was produced.
[0080]
(Initial discharge capacity test)
An initial discharge capacity test was performed on the above-described battery of the present invention , the reference battery, and the comparative battery. The test temperature was 20 ° C. The charging was a constant current charging with a current of 1 mA and a final voltage of 2.7 V. The discharge was a constant current discharge with a current of 1 mA and a final voltage of 1.2V. The obtained battery capacity was defined as the initial discharge capacity. The design capacities of the present invention battery , the reference example battery, and the comparative battery are all the same.
[0081]
(Temperature cycle test)
A temperature cycle test was performed on the above-described battery of the present invention , the reference battery, and the comparative battery. A battery whose initial capacity was confirmed under the same conditions as in the initial discharge capacity test described above was charged under the conditions described above, then stored at 100 ° C. for 3 hours and then stored at room temperature for 21 hours, and repeated for 30 days. The discharge capacity after storage was measured under the conditions described above to determine the self-discharge rate. The results of the initial discharge capacity test and the temperature cycle test are also shown in Table 1. The self-discharge rate was calculated by (Equation 1).
[0082]
[Formula 1]
[0083]
[Table 1]
[0084]
As is apparent from Table 1, the battery of the present invention and the reference example battery had an initial discharge capacity of about 100% of the design capacity for each battery, and therefore the charge / discharge efficiency was also about 100%. I understood. About the self-discharge rate by a temperature cycle test, it was superior to the comparative battery 2 and showed performance comparable to that of the comparative battery 1.
[0085]
In addition, although the lithium battery was demonstrated to the example as a use of the normal temperature molten salt type electrolyte illustrated above, it can utilize suitably also as electrolytes for other electrochemical devices, such as an electric double layer capacitor.
[0086]
Since the room temperature molten salt electrolyte of the present invention is excellent in reduction resistance as described above, the battery of the present invention using the electrolyte has excellent electrical characteristics such as repeated charge / discharge cycle performance.
[0087]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a room temperature molten salt electrolyte excellent in reduction resistance can be provided, and an electrochemical device using the electrolyte can be excellent in electrical characteristics.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a lithium battery according to an example.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Positive electrode 11 Positive electrode mixture 12 Positive electrode collector 2 Negative electrode 21 Negative electrode mixture 22 Negative electrode collector 3 Separator 4 Electrode group 5 Metal resin composite film
Claims (5)
R1、R3は、炭素数1〜6のアルキル基、
R2、R4、R5は、水素原子または炭素数1〜6のアルキル基、
である。
R1は、炭素数1〜6のアルキル基、
R2〜R8は、水素原子または炭素数1〜6のアルキル基、
である。A room temperature molten salt electrolyte, wherein the room temperature molten salt electrolyte containing an imidazolium cation having the structure of (Chemical Formula 5) further contains a pyrrolium cation having the structure of (Chemical Formula 1).
R1 and R3 are alkyl groups having 1 to 6 carbon atoms,
R2, R4, and R5 are a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms,
It is.
R1 is an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms,
R2 to R8 are a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms,
It is.
R1、R3は、炭素数1〜6のアルキル基、
R2、R4、R5は、水素原子または炭素数1〜6のアルキル基、
である。
R1、R2は、炭素数1〜6のアルキル基、
R3〜R6は、水素原子または炭素数1〜6のアルキル基、
である。A room temperature molten salt electrolyte, wherein the room temperature molten salt electrolyte containing an imidazolium cation having the structure of (Chemical Formula 5) further contains a pyrrolium cation having the structure of (Chemical Formula 2).
R1 and R3 are alkyl groups having 1 to 6 carbon atoms,
R2, R4, and R5 are a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms,
It is.
R1 and R2 are alkyl groups having 1 to 6 carbon atoms,
R3 to R6 are a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms,
It is.
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