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WO2007013693A2 - 電気化学素子 - Google Patents

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WO2007013693A2
WO2007013693A2 PCT/JP2006/315451 JP2006315451W WO2007013693A2 WO 2007013693 A2 WO2007013693 A2 WO 2007013693A2 JP 2006315451 W JP2006315451 W JP 2006315451W WO 2007013693 A2 WO2007013693 A2 WO 2007013693A2
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Inventor
Atushi Nishino
Original Assignee
Koei Chemical Company, Limited
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Publication date
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    • H01G11/58Liquid electrolytes
    • H01G11/60Liquid electrolytes characterised by the solvent

Definitions

  • the present invention relates to an electrochemical element, and more particularly to an electric double layer capacitor and a polarizable electrode that can be used therefor.
  • Electric double layer capacitors which are representative of electrochemical devices, use a technology that accumulates electrical energy in an electric double layer formed at the interface between a polarizable electrode such as activated carbon and an electrolyte, and is rapidly It is a capacitor that can be charged and has a long charge / discharge cycle life.
  • Applications of this electric double layer capacitor include memory backup, electric vehicle power assist, and power storage battery replacement, and are being widely studied from small-capacity products to large-capacity products.
  • the quaternary ammonium salt (ionic liquid, ionic liquid, or room temperature melting) exists as a stable liquid in a wide temperature range including near room temperature in order to maintain high temperature stability in the electrolyte.
  • ionic liquid ionic liquid, or room temperature melting
  • polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PTFE) and poly (vinylidene fluoride) are used for polarizable electrodes to maintain their shape and strength.
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • PTFE polyvinylidene fluoride
  • PVDF activated carbon containing polyfluorinated olefins
  • the time required for impregnation of the ionic liquid into the polarizable electrode is relatively long, which is not yet satisfactory for industrial production of the above-described electrochemical device.
  • the above-mentioned electrochemical element cannot be sufficiently impregnated with an ionic liquid, it is also satisfactory in terms of stability at high temperatures, which is likely to cause leakage of the ionic liquid, particularly at high temperatures where the viscosity of the ionic liquid decreases. It is difficult. Disclosure of the invention
  • An object of the present invention is to provide an electrochemical device in which the above-mentioned drawbacks are improved.
  • Another object of the present invention is to provide a polarizable electrode suitable for use in such an electrochemical device.
  • a polarizable electrode can be impregnated into a polarizable electrode in a short time by using rubber as a binder for a polarizable electrode.
  • the inventors have also found that the use of a polarizable electrode improves the productivity and high-temperature stability of the electrochemical device, and the present invention has been completed.
  • the present invention relates to an electrochemical element comprising at least an ionic liquid as an electrolyte and a polarizable electrode, wherein the polarizable electrode is an activated carbon containing rubber, and
  • the present invention relates to a polarizable electrode characterized by containing at least rubber, an ionic liquid and activated carbon.
  • the electric double layer capacitor of the present invention includes a polarizable electrode, an electrolytic solution, a current collector, and a separator overnight as constituent elements.
  • the electric double layer capacitor of the present invention has a current collector and a separator electrode sandwiched between two polarizable electrodes impregnated with the electrolytic solution of the present invention, and impregnated with the electrolytic solution of the present invention. It is manufactured by being housed in a stainless steel outer case.
  • the configuration of a polarizable electrode is usually composed of activated carbon as an electrode active material, rubber as a binder material, and a conductive agent, and is used as a thin coating film, a sheet-like or plate-like molded body.
  • the specific surface area of the activated carbon cannot be generally stated due to the decrease in the bulk density associated with the increase in specific surface area due to the carbonaceous species, the capacitance (F / m 2 ), and the increase in the specific surface area.
  • the specific surface area determined by the BET method is preferably from 500 to 300 m 2 Z g, and in particular, the activated carbon having a specific surface area of from 10 Q to 200 m 2 Z g
  • the electrostatic capacity is large and preferable.
  • the method for producing such activated carbon is particularly limited.
  • the activation method includes a gas activation method in which the carbonized raw material is brought into contact with water vapor, carbon dioxide gas, oxygen, and other oxidizing gas at high temperature, and the carbonized raw material is mixed with zinc chloride, phosphoric acid, sodium phosphate, Calcium chloride, potassium sulfide, hydroxylating power Liu soot, sodium hydroxide, potassium carbonate, sodium carbonate, sodium sulfate soot, potassium sulfate, calcium carbonate, boric acid, nitric acid, etc. are evenly impregnated in an inert gas atmosphere.
  • a chemical activation method that heats and obtains activated carbon for dehydration and oxidation reaction of chemicals, both of which can be used.
  • the activated carbon after the activation treatment is heat-treated at 500 to 2500 ° C, preferably 700 to 1500 ° C in an inert gas atmosphere such as nitrogen, argon, helium, xenon, etc. to remove unnecessary surface functional groups.
  • carbon conductivity may be developed to increase electron conductivity.
  • the shape of the activated carbon can be used without any particular limitation, such as crushing, granulation, granule, fiber, ferrule, woven fabric, and sheet shape, but in the case of granular, the improvement of the bulk density of the electrode, the internal resistance In terms of reduction, the average particle size is preferably 30 im or less.
  • the average pore diameter is preferably 2.5 nm or less.
  • the average pore size of activated carbon is measured by the BET method with nitrogen adsorption.
  • Examples of the rubber used as a binder material of the polarizable electrode of the present invention include conjugated digens, acrylates, methacrylic compounds disclosed in, for example, JP-A No. 200-076731, JP-A No. 2005-064288, and the like.
  • a copolymer cross-linked polymer or the like derived from at least 1 layer selected from acid esters and the like is used.
  • the amount of binder contained in the polarizable electrode depends on the type and form of carbonaceous material The amount of activated carbon decreases and the capacity decreases when it is too much, but when it is too small, the binding strength is poor and the strength is lowered, so 0.5 to 30% of the weight of the activated carbon is preferable. ⁇ 30% is particularly preferred.
  • a polarizable electrode that can be impregnated with a ionic liquid in a short time can be produced. Moreover, you may mix and use a fluorine-type binder etc. as needed.
  • the conductive agent is at least selected from the group consisting of carbon black such as acetylene black and ketjen black, natural graphite, thermally expanded graphite, carbon fiber, ruthenium oxide, titanium oxide, aluminum, nickel, and the like.
  • a kind of conductive agent is preferred.
  • Acetylene black and ketjen black are particularly preferred in that the conductivity is effectively improved with a small amount.
  • the amount of activated carbon varies depending on the bulk density of the activated carbon, but if the amount is too large, the proportion of activated carbon decreases and the capacity decreases. Therefore, ⁇ 50% of the weight of the activated carbon is preferable, especially 3 to 30%.
  • the polarizable electrode can be formed by a conventionally known method, for example, by rolling, extruding, coating, or the like. Specifically, for example, it is obtained by adding rubber to a mixture of activated carbon and a conductive agent and then press-molding. In addition, activated carbon and rubber are mixed and molded, and then heat-treated in an inert atmosphere to obtain a sintered body. Furthermore, it is also possible to sinter activated carbon and rubber into an electrode.
  • the film thickness of the shaped polarizable electrode is usually preferably about 80 to 3000 m.
  • an electrolytic solution containing an ionic liquid as a main component is used.
  • an ionic liquid a known one can be used and is not particularly limited.
  • Q + represents a quaternary ammonium cation, A— (mabis (Rifrutal Lomethanesulfonyl) imidazole ion [N (S0 2 CF 3 ) ⁇ ]) [BF 4 -] or to Kisafuru old Rofosufue one Bok ion [PF 6 -].. represented will leave quaternary salt (hereinafter ,, ⁇ (1) in which are shown)) can be mentioned.
  • Examples of the quaternary ammonium cation represented by Q + include formula (2):
  • R 1 to R 4 may be the same or different from each other, and each represents an optionally substituted alkyl group.
  • Aliphatic ammonium cation (2) formula (3):
  • Q 1 represents an optionally substituted nitrogen-containing aliphatic cyclic group.
  • R 1 and R 2 are the same as above.
  • An alicyclic ammonium cation hereinafter referred to as alicyclic
  • Q 2 represents an optionally substituted nitrogen-containing heteroaromatic ring group.
  • R 1 is the same as described above.
  • alkyl group which may be substituted include, for example, methyl group, ethyl group, propyl group, isopropyl group, butyl group, isobutyl group, sec-butyl group, tert-butyl group, pentyl group, pentyl group, neopentyl group, and A linear, branched or cyclic unsubstituted alkyl group having 1 to 18 carbon atoms, such as a xyl group, an isohexyl group, a decyl group, a dodecyl group, a tectadecyl group, a cyclopentyl group, and a cyclohexyl group;
  • one or two or more hydrogen atoms constituting such an unsubstituted alkyl group are, for example, an aryl group such as a phenyl group, a disubstituted amino group such as a dimethylamino group
  • Examples of the optionally substituted nitrogen-containing aliphatic cyclic group include pyrrolidyl group, 2-methylpyrrolidyl group, 3-methylpyrrolidyl group, 2-ethylpyrrolidyl group, 3-ethylpyrrolidyl group, 2,2-dimethylpyrrolidyl group.
  • nitrogen-containing heteroaromatic group examples include pyridyl group, 2-methylpyridyl group, 3-methylpyridyl group, 4-methylpyridyl group, 2,6-dimethylpyridyl group, 2-methyl- 6-Ethylpyridyl group, 1-methylimidazolyl group, 1,2-dimethylimidazolyl group, 1-ethylimidazolyl group, 1-propylimidazolyl group, 1-pentylimidazolyl group, 1-pentylimidazolyl group, 1-hexylimidazolyl group Groups and the like.
  • Examples of the aliphatic ammonium cation (2) include tetrapentylmonium cation, tetrahexylammonium cation, trimethylpolypyrammonium cation, tert-butyl triethylammonium cation, benzyltrimethyl.
  • Ammonium cation benzyl triethyl moncation, dimethyl (2-methichetil) Ammon cation, dimethylethyl (2-methichetil) Ammon cation, methyl methyl (2-methichetil) ammonium cation , Limethyl [2-(2-Methyloxy) ethyl] Ammonium Cation, Dimethylethyl [2— (2-Mexoxy) Ethyl] Ammonium Cation, Jetylmethyl [2— (2-Methoxyoxy) ) Echiru] Ammonyu Kachi ON, diallylmethylhexyl ammonium cation, diallyl-methyl-octyl-monoxide-cation, and the like.
  • Examples of the alicyclic ammonium cation (3) include 1,1-dimethylpyrrolidinium cation, 1,1-jetylpyrrolidinium cation, 1-ethyl-1-methylpyrrolidinium cation, 1-propyl monocation.
  • Nitrogen-containing heteroaromatic ammonium cations (4) include, for example, 1-methylpyridinium cation, 1-ethylpyridinium cation, 1,2-dimethylpyridinium cation, 1,3-dimethylpyridinium cation, 1, 4-dimethylpyridinium cation, ⁇ , 2, 6-trimethylpyridini Cations, 1—propylpyridinium cations, 1-pentylpyridinium cations, 1—pentylpyridinium cations, 1-hexylpyridinium cations, 1,3-dimethylimidazolium cations, 1, 3 —Jetyl imidazolium cation, 1-ethyl 3-methyl imidazolium cation, 1 —Butyl 3-methyl imidazolium cation, 1-hexyl 3—Methyl imidazolium cation, 1-year-old kutiru 3—Methyl imida
  • Quaternary salts (1) include, for example, 1-ptyl-1-methylpyrrolidinium
  • Moisture contained in the ionic liquid causes a decrease in the withstand voltage of the electric double layer capacitor, so the water content is usually 1% or less, preferably 100 ppm or less, more preferably 500 ppm. Below, particularly below 100 ppm.
  • the electrolytic solution used in the present invention usually does not contain a solvent, but if necessary, an organic solvent such as propylene carbonate or acetonitrile may be added. However, as described above, when these addition amounts are large, it is disadvantageous to the safety and stability of the electric double layer capacitor. In addition, an additive such as a surfactant may be added.
  • the material of the separator used for the capacitor element of the present invention paper, polypropylene, polyethylene, glass fiber, etc. are used.
  • the shape of the electric double layer capacitor may be any shape such as a coin shape, a winding shape, a square shape, and an aluminum laminar shape, and is not limited to these shapes.
  • the current collector is preferably a material with excellent conductivity and electrochemical durability, such as valve metals such as aluminum and titanium, stainless steel, precious metals such as gold and platinum, carbon materials such as graphite, Examples include conductive rubber mixed with conductive material.
  • Aluminum wire is preferred because it is particularly lightweight, excellent in electrical conductivity, and electrochemically stable.
  • the activated carbon and the molding method of the positive electrode and the negative electrode may be the same or different, and any material may be used as long as the negative electrode and the positive electrode have the same specific surface area.
  • coconut shell activated carbon with a specific surface area of 1 50 O m 2 Z g, carbon black, CMC and BM—400 B (manufactured by Nippon Zensain Co., Ltd .; butadiene rubber-based binder) in a weight ratio of 8 6 Ethanol was added to the mixture weighed so as to have a ratio of 9: 1: 4, kneaded, molded into a sheet and dried to obtain a 2 mm thick polarizable electrode sheet.
  • This polarizable electrode sheet was joined to one side of a current collector made of electrolytically etched aluminum foil (2), and then pressed and heat-treated to obtain a polarizable electrode having a current collector.
  • the polarizable electrode having a current collector obtained as described above was bent 10 times along a stainless rod shape having a diameter of 2 mm, and a test for determining the adhesive strength between the current collector and the polarizable electrode was performed. The results are shown in Table 2. 10 Bending R test, ⁇ indicates no peeling or cracking, ⁇ is 1-2 occurrences, X is 3 or more occurrences.
  • a tape peeling test was conducted by attaching 3 cm of a 10 mm wide scotch to the surface of the polarizable electrode having the current collector obtained as described above. The results are shown in Table 2. ⁇ indicates no peeling, X indicates cracking or partial peeling.
  • Example 1 The binder and the ionic liquid in Example 1 were replaced as shown in Table 1, and the ionic liquid was replaced with a fluorosurfactant (produced by Daikin Industries, Ltd.) or propylene force one pone cake (PC). The same procedure as in Example 1 was performed except that the amount shown in Table 1 was added to the ionic liquid. The results are shown in Table 2. Table 1
  • Binder AD 1 8 1: Acrylic rubber binder (manufactured by Nippon Zeon Co., Ltd.)
  • Ionic liquid B 1, 1 —Dimethyl-1-ethyl-1-ethyl [2— (2-Methyl Shechoxy) -ethyl]
  • Ammonium Full-fledged Robola (viscosity 22 5 m Pa ⁇ s 25 ° C) Table 2
  • the polarizable electrode which can be impregnated with the ionic liquid which is electrolyte solution in a short time can be provided.
  • a polarizable electrode since such a polarizable electrode is used, it is possible to provide an electrochemical device that is impregnated with an ionic liquid in a short time, further reduces leakage of the ionic liquid at high temperatures, and has improved productivity and high-temperature stability. .

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Abstract

少なくとも電解液としてのイオン性液体および分極性電極から構成される電気化学素子において、分極性電極がゴムを含有する活性炭であることを特徴とする電気化学素子、及び少なくともゴム、イオン性液体および活性炭を含有することを特徴とする分極性電極。

Description

明 細 書 電気化学素子
技術分野
本発明は、電気化学素子に関し、 さらに詳しくは電気二重層キャパシタ 並びにそれに用いることのできる分極性電極に関する。 背景技術
電気化学素子の代表として挙げられる電気二重層キャパシタは、活性炭 などの分極性電極と電解液との界面に形成される電気二重層に電気工ネル ギーを蓄積する技術を利用したものであり、急速充電が可能で充放電サイク ル寿命の長いコンデンサである。 この電気二重層キャパシタの用途として、 メモリバックアップ用や電気自動車のパワーアシス卜用や電力貯蔵用蓄電 池代替などがあり、 小容量品から大容量品まで幅広く検討されている。
最近の電気二重層キャパシタとして、電解液には、高温安定性を保った め、室温付近を含む広い温度範囲において安定な液体として存在する第四級 アンモニゥム塩 (イオン性液体、 イオン液体又は常温溶融塩とよばれる。) をそのまま又は有機溶媒に溶解させたものを用い、分極性電極には、その形 状や強度を保っため、 通常ポリテトラフルォロエチレン (P T F E )、 ポリ フッ化ビニリデン(P V D F )等のポリフッ素ォレフィンをバインダーとし て含有する活性炭を用いるものが提案されている (例えば、特開 2 0 0 4 - 3 3 5 7 0 2号公報参照)。 しかしながら、 分極性電極内部へのイオン性液 体の含浸に要する時間が比較的長く、上述の電気化学素子を工業的に生産す るには未だ満足するものではない。さらに上述の電気化学素子はイオン性液 体の含浸が十分とはいえないので、特にイオン性液体の粘度が低下する高温 下ではイオン性液体の漏れが生じやすくなリ高温安定性の点でも満足しが たい。 発明の開示
本発明の目的は、上述した欠点を改良した電気化学素子を提供すること にめ 。
本発明の他の目的はかかる電気化学素子に用いるのに好適な分極性電 極を提供することにある。
本発明者等が鋭意検討したところ、 驚くべきことに、 分極性電極のバ インダ一にゴムを用いることで、ィ才ン性液体が短時間で分極性電極に含浸 することを見出し、さらにこの分極性電極を使用すれば電気化学素子の生産 性および高温安定性が改善されることも見出し本発明を完成するに至った。
即ち、本発明は、少なくとも電解液としてのイオン性液体および分極性 電極から構成される電気化学素子において、分極性電極がゴムを含有する活 性炭であることを特徴とする電気化学素子、並びに少なく、ともゴム、イオン 性液体および活性炭を含有することを特徴とする分極性電極に関する。 発明を実施するための最良の形態
以下、本発明を、電気化学素子の代表として挙げられる電気二重層キヤ パシ夕を例として、 詳細に説明する。
本発明の電気二重層キャパシタは、 分極性電極、 電解液、 集電体及びセ パレ一夕を構成要素として含むものである。本発明の電気二重層キャパシタ は、 集電体を有しかつ本発明の電解液を含浸させた分極性電極 2枚の間に、 セパレ一夕を挟み込み、本発明の電解液を含浸させた後、ステンレス製外装 ケースに収容させて製造される。
分極性電極の構成は、 通常、 電極活物質としての活性炭、 バインダー物質と してのゴム及び導電剤から構成され、薄い塗布膜、 シー卜状又は板状の成形 体として使用する。
活性炭の比表面積は、炭素質種による単位面積あたリ^)静電容量(F / m 2 )、高比表面積化に伴う嵩密度の低下等の理由から一概には言えないが、 窒素吸着による B E T法により求めた比表面積は 5 0 0〜3 0 0 0 m 2 Z gが好ましく、特に比表面積が 1 0 0 Q〜 2 0 0 0 m 2 Z gの活性炭は、体 積あたリの静電容量が大きく好ましい。かかる活性炭の製 ¾方法は特に限定 されないが、 一般的には、 植物系の木材、 のこくず、 ヤシ殻、 パルプ廃液、 化石燃料系の石炭、石油重質油、或いはそれらを熱分解した石炭及び石油系 ピッチ、 石油コークス、 カーボンァエロゲル、 メソフェーズ力一ボン、 ター ルビッチを紡糸した繊維、 合成高分子、 フエノール樹脂、 フラン樹脂、 ポリ 塩化ビニル樹脂、 ポリ塩化ビニリデン樹脂、 ポリイミド樹脂、 ポリアミド樹 脂、 イオン交換樹脂、 液晶高分子、 プラスチック廃棄物、 廃タイヤ等多種多 用の原料を炭化した後、 賦活して製造される。
賦活法としては、 炭化された原料を高温で水蒸気、 炭酸ガス、 酸素、 そ の他の酸化ガス等と接触反応させるガス賦活法と炭化された原料に塩化亜 鉛、 リン酸、 リン酸ナトリウム、 塩化カルシウム、 硫化カリウム、 水酸化力 リウ厶、 水酸化ナトリウム、 炭酸カリウム、 炭酸ナトリウム、 硫酸ナトリウ 厶、 硫酸カリウム、 炭酸カルシウム、 ホウ酸、 硝酸等を均等に含浸させて、 不活性ガス雰囲気中で加熱し、薬品の脱水及び酸化反応にょリ活性炭を得る 薬品賦活法があり、 いずれも用いることができる。
賦活処理後の活性炭を、 窒素、 アルゴン、 ヘリウム、 キセノン等の不活 性ガス雰囲気下で、 500〜 2500 °C、好ましくは 700〜 1 500°Cで 熱処理し、不要な表面官能基を除去してもよいし、炭素の結晶性を発達させ て電子伝導性を増加させてもよい。 活性炭の形状は、 破砕、 造粒、 顆粒、 繊 維、フェル卜、織物、シー卜状等各種の形状等特に限定されず利用できるが、 粒状の場合、 電極の嵩密度の向上、 内部抵抗の低減という点で、 平均粒子径 は 30 im以下が好ましい。また、平均細孔径が 2.5 nm以下が好ましい。 活性炭の平均細孔径は窒素吸着による B E T法によって測定される。
活性炭以外にも上述の高比表面積の炭素材料、例えばカーボンナノチュ ーブゃプラズマ CV Dにより作製したダイヤモンドなどを使用することも 可能である。
本発明の分極性電極のバインダー物質として使用さ tl,るゴムは、例えば、 特開 200 1 — 07673 1号、特開 2005— 064288号等に開示さ れる共役ジェン類、アクリル酸エステル類、メタクリル酸エステル類等から 選ばれる少なくとも 1 ί重を原料由来とする共重合体架橋ポリマー等が用い られる。分極性電極中のバインダ一物質の配合量は、炭素質物質の種類と形 状によっても異なるが、 多すぎると活性炭の割合が減り容量が減少し、少な すぎると結着性が悪くなリ強度が低下するため、活性炭の重量の 0. 5〜3 0%が好ましく、 2〜30%が特に好ましい。 かかるゴムを使用すれば、 ィ オン性液体を短時間で含浸させることのできる分極性電極を製造すること ができる。また、必要に応じてフッ素系バインダー等と混合して用いてもよ い。
導電剤としては、アセチレンブラック、ケッチェンブラック等のカーボ ンブラック、 天然黒鉛、 熱膨張黒鉛、 炭素繊維、 酸化ルテニウム、 酸化チタ ン、アルミニウム、ニッケル等の金属ファイバーからなる群より選ばれる少 なくとも一種の導電剤が好ましい。 少量で効果的に導電性が向上する点で、 アセチレンブラック及びケッチェンブラックが特に好ましく、活性炭との配 合量は、活性炭の嵩密度により異なるが多すぎると活性炭の割合が減リ容量 が減少するため、活性炭の重量の 〜 50%、特には 3〜 30%程度が好ま しい。
分極性電極は、従来から知られている方法により成形することが可能で あり、例えば、圧延、押し出し、コーティング等で成形される。具体的には、 例えば、 活性炭と導電剤の混合物に、 ゴムを添加混合した後、 プレス成形し て得られる。 また、 活性炭とゴムを混合、 成型した後、 不活性雰囲気下で熱 処理して焼結体が得られる。 さらに、活性炭とゴムを焼結して電極とするこ とも可能である。成形された分極性電極の膜厚は、通常 80~3000 m 程度であることが好ましい。
本発明の電気二重層キャパシ夕にはイオン性液体を主成分とする電解液 が用いられる。かかるイオン性液体としては、公知のものを使用でき特に限 定されないが、 例えば式 (1 ):
Q+ A- ( 1 )
(式中、 Q+は第四級アンモニゥ厶カチオンを示し、 A— (まビス (卜リフル 才ロメタンスルホニル) イミデ一卜イオン [N (S02 C F3 ) ― ]、 テ卜 ラフル才ロボレ一卜イオン [B F4 ― ]又はへキサフル才ロフォスフエ一卜 イオン [P F6 ― ] を示す。) で表され 四級塩 (以下、, 噴塩 ( 1 ) とい う。) が挙げられる。 Q +で示される第四級アンモニゥ厶カチオンとしては、 例えば式(2 ):
Figure imgf000006_0001
(式中、 R 1 〜R 4 はそれぞれ互いに同じであっても異なっていても良く、 置換されていてもよいアルキル基を示す。) で表される脂肪族アンモニゥ厶 力チ才ン (以下、 脂肪族アンモニゥ厶カチオン (2 ) という。)、 式 (3 ) :
Figure imgf000006_0002
(式中、 Q 1 は置換されていてもよい含窒素脂肪族環基を示す。 R 1 及び R 2 は前記に同じ。) で表される脂環式アンモニゥ厶カチオン (以下、 脂環式
Figure imgf000006_0003
アンモニゥ厶カチ才ン (3 ) という。) 又は式 (4 ):
(式中、 Q 2 は置換されていてもよい含窒素へテロ芳香族環基を示す。 R 1 は前記に同じ。) で表される含窒素へテロ芳香族アンモニゥ厶カチオン (以 下、 含窒素へテロ芳香族アンモニゥ厶カチオン (4 ) という。) 等が挙げら れる。
置換さていてもよいアルキル基としては、 例えばメチル基、 ェチル基、 プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、イソブチル基、 s e c一ブチル基、 t e r t一ブチル基、 ペンチル基、 ペンチル基、 ネオペンチル基、 へキシル 基、 イソへキシル基、 デシル基、 ドデシル基、 才クタデシル基、 シクロペン チル基、 シクロへキシル基等の炭素数 1〜 1 8の直鎖状、分岐鎖状若しくは 環状の無置換アルキル基、若しくはかかる無置換アルキル基を構成する一つ 若しくは二つ以上水素原子が、例えばフエニル基等のァリール基、例えばジ メチルァミノ基等の二置換アミノ基、二卜口基、シァノ基、カルボキシル基、 例えばホルミル基、 ァセチル基等のァシル基、 例えばメ卜キシ基、 エトキシ 基、 2—メ卜キシェ卜キジ基等のアルコキシ基、例えばビニル基等のアルケ ニル基、水酸基等の置換基で置換された、 例えば 1 ーメ卜キシェチル基、 2 - (ジメチルァミノ) メチル基、 ベンジル基、 1 —フエニルェチル基、 2— フエニルェチル基、 2—メ卜キシェチル基、 2— (2—メ卜キシェ卜キシ) ェチル基、 ァリル基等が挙げられる。
置換されていてもよい含窒素脂肪族環基としては、例えばピロリジル基、 2—メチルピロリジル基、 3—メチルピロリジル基、 2—ェチルピロリジル 基、 3—ェチルピロリジル基、 2, 2—ジメチルピロリジル基、 2, 3—ジ メチルピロリジル基、 ピペリジル基、 2—メチルビペリジル基、 3—メチル ピペリジル基、 4—メチルビペリジル基、 2, 6—ジメチルビペリジル基、 2, 2, 6, 6—テ卜ラメチルピペリジル基、 モルホリノ基、 2—メチルモ ルホリノ基、 3—メチルモルホリノ基等が挙げられる。置換されていてもよ い含窒素へテロ芳香族基としては、例えばピリジル基、 2—メチルピリジル 基、 3—メチルピリジル基、 4一メチルピリジル基、 2, 6—ジメチルピリ ジル基、 2—メチルー 6—ェチルピリジル基、 1 ーメチルイミダゾリル基、 1, 2—ジメチルイミダゾリル基、 1 ーェチルイミダゾリル基、 1 一プロピ ルイミダゾリル基、 〗一プチルイミダゾリル基、 1 —ペンチルイミダゾリル 基、 1—へキシルイミダゾリル基等が挙げられる。
脂肪族アンモニゥ厶カチオン(2 ) としては、 例えばテ卜ラペンチルァ ンモニゥ厶カチオン、テ卜ラへキシルアンモニゥ厶カチオン、 卜リメチルプ 口ピルアンモニゥ厶カチオン、 t e r t—プチル卜リエチルアンモニゥ厶カ チオン、ベンジル卜リメチルアンモニゥ厶カチオン、ベンジル卜リエチルァ ンモニゥ厶カチオン、 卜リメチル(2—メ卜キシェチル) アンモニゥ厶カチ オン、 ジメチルェチル(2—メ卜キシェチル) アンモニゥ厶カチオン、 ジェ チルメチル(2—メ卜キシェチル) アンモニゥ厶カチオン、 卜リメチル [ 2 一 (2—メ卜キシェ卜キシ) ェチル] アンモニゥ厶カチオン、 ジメチルェチ ル [ 2— (2—メ卜キシェトキシ) ェチル] アンモニゥ厶カチオン、 ジェチ ルメチル [ 2— ( 2—メトキシェ卜キシ) ェチル] アンモニゥ厶カチオン、 ジァリルメチルへキシルアンモニゥ厶カチオン、ジァリルメチル才クチルァ ンモニゥ厶カチ才ン等が挙げられる。 脂環式アンモニゥ厶カチオン (3 ) としては、 例えば 1, 1 —ジメチル ピロリジニゥ厶カチオン、 1, 1 ージェチルピロリジニゥ厶カチオン、 1 一 ェチルー 1 —メチルピロリジニゥ厶カチオン、 1 —プロピル一 1 ーメチルビ ロリジニゥ厶カチオン、 1 一プチル— 1 —メチルピロリジニゥ厶カチオン、 1 —へキシル— 1 —メチルピロリジニゥ厶カチオン、 1 一才クチルー 1 ーメ チルピロリジニゥ厶カチオン、 1 — ( 2—メトキシェチル) 一 1 ーメチルビ 口リジニゥ厶カチオン、 1 一 [ 2— ( 2—メ卜キシェ卜キシ) ェチル] 一 1 —メチルピロリジニゥ厶カチオン、 1 , 1, 2—卜リメチルピロリジニゥ厶 カチオン、 1, 1, 3—卜リエチルピロリジニゥ厶カチオン、 1, 1 —ジブ 口ピルピロリジニゥ厶カチオン、 1, 1 一ジブチルピロリジニゥ厶カチオン、
1, 1 —ジペンチルピロリジニゥ厶カチオン、 1, 1 ージへキシルピロリジ ニゥ厶カチオン、 1, 1 一ジメチルビペリジニゥ厶カチオン、 1, 1 —ジェ チルピペリジニゥ厶カチオン、 1 —ェチルー 1 ーメチルビペリジニゥ厶カチ オン、 1 —プロピル— 1 ーメチルビペリジニゥ厶カチオン、 1 —ブチル— 1 —メチルビペリジニゥ厶カチオン、 1一へキシル— 1 ーメチルビペリジニゥ 厶カチオン、 1 一才クチルー 1 —メチルビペリジニゥ厶カチオン、 1 一 (2 —メ卜キシェチル) 一 1 ーメチルビペリジニゥ厶カチオン、 〗 _ [ 2— (2 —メ卜キシェ卜キシ) ェチル] _ 1 —メチルビペリジニゥ厶カチオン、 1, 1, 4—卜リメチルピペリジニゥ厶カチオン、 1, 1 ージメチルモルホリニ ゥ厶カチ才ン、 1 , 〗 —ジェチルモルホリニゥ厶カチオン、 〗 —ェチル— 1 —メチルモルホニゥ厶カチオン、 1 一プロピル一 1 —メチルモルホニゥ厶カ チオン、 1 一プチルー 1 一メチルモルホニゥ厶カチオン、 1一へキシルー 1 一メチルモルホニゥ厶カチオン、 1 一才クチルー 1 一メチルモルホニゥ厶カ チオン、 1 — ( 2—メ卜キシェチル) 一 1 一メチルモルホニゥ厶カチオン、 1 - [ 2 - ( 2—メ卜キシェ卜キシ) ェチル] 一 1 一メチルモルホニゥ厶カ チ才ン等が挙げられる。
含窒素へテロ芳香族アンモニゥ厶カチオン(4 ) としては、例えば 1 一 メチルピリジニゥ厶カチオン、 1 一ェチルピリジニゥ厶カチオン、 1, 2— ジメチルピリジニゥ厶カチオン、 1, 3—ジメチルピリ ニゥ Aカチオン、 1 , 4—ジメチルピリジニゥ厶カチオン、 〗, 2, 6—トリメチルピリジニ ゥ厶カチオン、 1 —プロピルピリジニゥ厶カチ才ン、 〗一プチルピリジニゥ 厶カチオン、 1 —ペンチルピリジニゥ厶カチオン、 1一へキシルピリジニゥ 厶カチオン、 1, 3—ジメチルイミダゾリウ厶カチオン、 1, 3—ジェチル イミダゾリゥ厶カチオン、 1 ーェチルー 3—メチルイミダゾリゥ厶カチオン、 1 —ブチルー 3—メチルイミダゾリウ厶カチ才ン、 1一へキシルー 3—メチ ルイミダゾリウ厶カチオン、 1 一才クチルー 3—メチルイミダゾリウ厶カチ オン、 1, 3—ジプロピルイミダゾリウ厶カチオン、 1, 3—ジブチルイミ ダゾリウ厶カチオン、 1, 3—ジペンチルイミダゾリウ厶カチオン、 1, 3 —ジへキシルイミダゾリウ厶カチオン等が挙げられる。
四級塩(1 ) としては、 例えば 1 —プチル— 1 —メチルピロリジニゥ厶
=ビス (卜リフル才ロメタンスルホニル) イミダート、 1 —ェチルー 3—メ チルイミダゾリウ厶=ビス (卜リフル才ロメタンスルホニル) イミダー卜、 1一ブチルピリジニゥ厶==ビス(トリフルォロメタンスルホニル)イミダー 卜、 1—へキシルピリジニゥ厶=ビス (トリフル才ロメタンスルホニル) ィ ミダート、 1一へキシル— 4一メチルピリジニゥ厶=ビス(トリフル才ロメ タンスルホニル) イミダート、 1 , 1, 1 —卜リオクチル— 1 —メチルアン モニゥ厶=ビス (トリフル才ロメタンスルホニル) イミダート、 1, 1, 1 -卜リメチル— 1一へキシルアンモニゥ厶=ビス(トリフル才ロメタンスル ホニル)イミダー卜、 1, 1 , 1 —卜リメチルー 1 — ( 2—メ卜キシェチル) アンモニゥ厶=ビス (トリフル才ロメタンスルホニル) イミダート、 1, 1 ージメチル— 1—ェチル— 1 — ( 2—メ卜キシェチル)アンモニゥ厶=ビス (卜リフル才ロメタンスルホニル) イミダ一卜、 1, 1 —ジェチル— 1 ーメ チル一 1一(2—メ卜キシェチル) アンモニゥ厶=ビス (トリフルォロメタ ンスルホニル) イミダート、 1, 1, 1 —卜リメチル— 1 — [ 2— ( 2—メ 卜キシェトキシ)ェチル] アンモニゥ厶=ビス (卜リフル才ロメタンスルホ ニル) イミダ一卜、 1, 1 —ジメチルー 1 —ェチルー 1一 [ 2— (2—メ卜 キシェ卜キシ) ェチル] アンモニゥ厶=ビス (卜リフル才ロメタンスルホ二 ル) イミダート、 1, 1一ジェチルー 1 —メチルー 1 ― [ 2— ( 2—メ卜キ シェ卜キシ)ェチル]アンモニゥ厶=ビス(卜リフル才ロメタンスルホニル) イミダート、 1, 1 ージァリル— 1 —メチルー 1 一へキシルアンモニゥ厶= ビスズ卜リフル才ロメタンスルホニル) イミダート、 1, 1 —ジァリル一 1 —メチルー 1 一才クチルアンモニゥ厶=ビス(卜リフル才ロメタンスルホ二 ル) イミダート、 1 , 1, 1 _卜リオクチル— 1 ーメチルアンモニゥ厶=テ 卜ラフル才ロボラー卜、 1, 1, Ί一トリメチルー 1 一 (2—メ卜キシェチ ル) アンモニゥ厶=テ卜ラフルォロボラー卜、 1 —ジメチルー 1 ーェチ リレー 1 一 (2—メ卜キシェチル) アンモニゥ厶=テ卜ラフル才ロボラー卜、 1, 1 —ジェチルー 1 —メチルー 1 一 (2—メ卜キシェチル) アンモニゥ厶 =テ卜ラフル才ロボラー卜、 1, 1, 1一卜リメチル— 1 — [ 2— ( 2—メ 卜キシェ卜キシ) ェチル] アンモニゥ厶=テ卜ラフル才ロボラー卜、 1, 1 —ジメチルー 1 ーェチル— 1一 [ 2— ( 2—メ卜キシェ卜キシ) ェチル] ァ ンモニゥ厶 =テ卜ラフル才ロボラ一卜、 1, 1 ージェチル— 1 —メチル— 1 ― [ 2— (2—メ卜キシェ卜キシ) ェチル] アンモニゥ厶=テ卜ラフル才ロ ボラ一卜、 1, 1 —ジァリル— 1 ーメチルー 1 —へキシルアンモニゥ厶=テ 卜ラフル才ロボラ一卜、 1 ージァリル一 1一メチル— 1 一才クチルアン モニゥ厶=テ卜ラフル才ロポラー卜、 1 —プチル— 1 —メチルピロリジニゥ 厶=テトラフルォロボラー卜、 1 —ェチルー 3—メチルイミダゾリウ厶=テ 卜ラフル才ロボラー卜、 1 —プチルピリジニゥ厶=テ卜ラフル才ロボラー卜、 1 —へキシルピリジニゥ厶=テ卜ラフル才ロボラー卜、 1 一へキシルー 4一 メチルピリジニゥ厶=テ卜ラフル才ロボラ一卜、 1, 1 —ジメチルー 1 —ェ チルー 1 — [ 2— (2—メ卜キシェ卜キシ) ェチル] アンモニゥ厶=へキサ フル才ロフォスファー卜、 1 —プチル— 1 —メチルピロリジニゥ厶=へキサ フル才ロフォスファー卜、 1 —ェチルー 3—メチルイミダゾリゥ厶 =へキサ フルオロフォスファ一卜、 1一ブチルピリジニゥ厶=へキサフルオロフ才ス ファー卜、 1 —へキシルピリジニゥ厶=へキサフルオロフォスフアート、 1 一へキシル— 4—メチルピリジニゥ厶=へキサフルオロフォスファー卜、 1, Ί, 1 —卜リオクチルー 1 —メチルアンモニゥ厶 = キサフルオロフォスフ ァー卜等が挙げられる。
イオン性液体中の混入水分は、電気二重層キャパシ夕の耐電圧の低下を 引き起.こすので、 含水量は通常 1 %以下、 好ましくは 1 0 0 0 p p m以下, さらに好ましくは 5 0 0 p p m以下、 特には 1 0 0 p p m以下である。 本発明に用いられる電解液には、通常は溶媒を含まないが、必要であれ ばプロピレンカーボネー卜、ァセ卜二卜リル等の有機系溶剤等を添加しても 良い。 しかし、 上述したように、 これらの添加量が多い場合は電気二重層キ ャパシ夕の安全性や安定性に不利となる。また、界面活性剤等の添加剤を添 加してもよい。
本発明のキャパシ夕素子に用いられるセパレー夕の材質としては、紙製、 ポリプロピレン製、 ポリエチレン製、 ガラス繊維製等が用いられる。 また、 電気二重層キャパシ夕の形状は、 コイン型、 巻回型、 角型、 アルミラミネ一 卜型などいずれの形状でも良く、またこれら形状に限定されるものではない。
集電体は、導電性に優れ、かつ電気化学的に耐久性のある材料が好まし く、 アルミニウムやチタンなどのバルブ金属、 ステンレス鋼、 金や白金など の貴金属、黒鉛などの炭素材料や、導電材を混入させた導霉性ゴムなどが挙 げられる。特に軽量で導電性に優れ、 電気化学的に安定なことから、 アルミ 二ゥ厶が好ましい。
また、正極と負極の活性炭及び成形方法は同一であっても異なっていて もよく、 負極と正極とが同程度の比表面積を備えるものであればよい。 実施例
以下に実施例を挙げて、本発明をより詳細に説明するが、 これらの実施 例に限定されるものではない。
実施例 1
[分極性電極の作成]
比表面積が 1 5 0 O m 2 Z gの椰子殻系活性炭、カーボンブラック、 C M C及びバインダーとして B M— 4 0 0 B (日本ゼ才ン社製;ブタジエンゴ 厶系バインダー) を、 重量比で 8 6 : 9 : 1 : 4となるように秤量した混合 物にエタノールを添加して混練後、 シ一卜状に成形して乾燥し、厚み 2 m m の分極性電極シー卜を得た。 この分極性電極シー卜を、電解エッチングした アルミニウム箔(2 からなる集電体の片面に接合した後、 これをプ レスして熱処理し、 集電体を有する分極性電極を得た。
[分極性電極の評価 (イオン性液体含浸試験)] 前記により得られた集電体を有する分極性電極の表面に、イオン性液体 として 1 ーェチルー 3—メチルイミダゾリウ厶=テ卜ラフル才ロボラー卜 (粘度: 4 3 m P a . s Z 2 5 °C) 1 μ. Iを注射器で摘下し、 その 1滴が分 極性電極表面から湿潤、 拡散し、 見えなくなるまでの時間を 2 5 °C及び 6 0 °Cで計測した。 その結果を表 2に示す。
[分極性電極の評価 (最小曲げ R試験)]
前記により得られた集電体を有する分極性電極を、直径 2 m mのステン レス棒状に沿うように 1 0回曲げ、集電体と分極性電極との接着強度を判定 する試験を実施した。 その結果を表 2に示す。 1 0回の曲げ R試験で、 〇は 剥離又はクラックの発生無し、△は 1 ~ 2ケ所発生、 Xは 3ケ所以上発生を 表す。
[分極性電極の評価 (剥離試験)]
前記により得られた集電体を有する分極性電極の表面に 1 0 m m幅の スコッチを 3 c m貼り付けて、テープ剥離試験を行った。その結果を表 2に 示す。 〇は剥離無し、 Xはクラック又は一部剥離の場合を表す。
[コイン型電気二重層キャパシ夕の評価(半田耐熱漏液試験)] 前記により得られた集電体を有する分極性電極を用い、イオン性液体と して 1 ーェチルー 3 —メチルイミダゾリウ厶=テ卜ラフル才ロボラー卜を 電解液に用いて、特公平 2— 1 3 4 5 3号に記載されているコイン型電気二 重層キャパシタを作成し、半田リフロー耐熱試験を行った。その結果を表 2 に示す。鉛フリー半田の半田リフロー炉の標準温度プロファイルは 2 6 0 °C X 4分である。この環境温度にコイン型電気二重層キャパシタを各々 1 0 0 個単位で入れ、 2 6 0 °Cで 4分経過後に室温に戻し、 3 0分後に光学顕微鏡 でコイン型のガスケッ卜部からの電解液の漏液状態を観察した。その漏液個 数を表す。
実施例 2〜 1 5、 比較例 1〜 4
実施例 1のバインダー及びイオン性液体を表 1 に示すとおりに代え、ま たイオン性液体に、 フッ素系界面活性剤(ダイキン工業株式会社製)又はプ ロピレン力一ポネー卜 (P C )を、 イオン性液体に対して表 1 に示す量を加 えた以外は、 実施例 1 と同様にして行った。 その結果を表 2に示す。 表 1
Figure imgf000013_0001
バインダー AD— 1 8 1 :アクリルゴム系バインダー (日本ゼオン社製) イオン性液体 A: 1 —ェチルー 3—メチルイミダゾリゥ厶 =テ卜ラフル才ロ ボラ一卜 (粘度 43 mP a - s/2 5°C) イオン性液体 B : 1 , 1 —ジメチルー 1 ーェチル— 1一 [2— (2—メ卜キ シェ卜キシ) ェチル] アンモニゥ厶=テ卜ラフル才ロボラ 一卜 (粘度 22 5 m P a ■ s 25 °C) 表 2
Figure imgf000014_0001
産業上の利用可能性
本発明によれば、短時間で電解液であるイオン性液体を含浸できる分極 性電極を提供できる。またかかる分極性電極を用いるので、短時間でイオン 性液体が含浸され、 さらに高温下でのイオン性液体の漏れが少なくなり、生 産性および高温安定性を向上させた電気化学素子を提供できる。

Claims

求 の 範
1 . 少なくとも電解液としてのイオン性液体および分極性電極から構成 される電気化学素子において、 分極性電極がゴムを含有する活性炭である ことを特徴とする電気化学素子。
2 . 電解液が溶媒を含まないことを特徴とする請求項 1 に記載の電気化 学素子。
3 . 電気化学素子が電気二重層キャパシタである請求項 1または 2に記 載の電気化学素子。
4 . 少なくともゴム、 イオン性液体および活性炭を含有することを特徴 とする分極性電極。
5 . 溶媒を含まないことを特徴とする請求項 4に記載の分極性電極。
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