JP5140822B2 - Cation conductive medium using ionic liquid and method for improving cation conductivity in ionic liquid - Google Patents
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Description
本発明は、イオン液体および無機酸化物粉体を含有するカチオン伝導媒体、並びにイオン液体中のカチオン伝導度向上に関する。 The present invention, cation-conductive medium containing an ionic liquid and an inorganic oxide powder, and about the upper cation conductivity direction of ionic liquid.
イオン性物質でありながら常温で液体であるというイオン液体は、不揮発性、不燃性、及び比較的高いイオン伝導性を有することから、二次電池、燃料電池等の電気化学デバイス用の新たな電解質材料として注目されている。
電気化学デバイスにおいては、目的とする反応のために、特定のイオン伝導のみが要求され、そのイオン移動度の増大が必要となる。
An ionic liquid that is an ionic substance and a liquid at room temperature is non-volatile, non-flammable, and has a relatively high ionic conductivity, so a new electrolyte for electrochemical devices such as secondary batteries and fuel cells. It is attracting attention as a material.
In electrochemical devices, only specific ion conduction is required for the intended reaction, and the ion mobility needs to be increased.
例えば、リチウムイオン電池は、リチウム塩を溶解させた電解液において、リチウムイオン伝導を生じさせ、反応させるものであり、イオン液体は、不揮発性、不燃性の電解質として期待されている。
しかし、イオン液体にリチウムイオンを添加した場合、リチウムはそのイオン半径が小さいことから、リチウムイオンとアニオンとは強い静電的相互作用を示す。その結果、系の粘性が増大し、粘性抵抗によるイオン伝導の低下が起こり電気伝導度は低下する。このような現象もあり、イオン液体のリチウムイオン伝導度は、リチウムイオン電池の電解質用途には不十分であり、リチウムイオン電池においては、イオン液体のリチウムイオンの伝導性を向上させる方法の開発が望まれている。
For example, a lithium ion battery is one in which lithium ion conduction is caused to react in an electrolyte solution in which a lithium salt is dissolved, and the ionic liquid is expected as a nonvolatile and nonflammable electrolyte.
However, when lithium ions are added to the ionic liquid, lithium has a small ionic radius, so that lithium ions and anions exhibit a strong electrostatic interaction. As a result, the viscosity of the system increases, the ionic conduction decreases due to viscous resistance, and the electrical conductivity decreases. Because of this phenomenon, the lithium ion conductivity of ionic liquids is insufficient for electrolyte applications of lithium ion batteries, and in lithium ion batteries, methods for improving the conductivity of lithium ions in ionic liquids have not been developed. It is desired.
また、燃料電池は、燃料極から空気極へ電解質を通してプロトンを伝導させ、反応させるものであり、イオン液体は、不揮発性であって熱安定性が高く、そして加湿する必要のない電解質として期待されている。
しかし、通常のイオン液体のプロトン伝導度は、燃料電池用途に要求されるレベルに達しておらず、従って、燃料電池においては、プロトン伝導度の高いイオン液体の開発が望まれている。
In addition, the fuel cell conducts and reacts protons through the electrolyte from the fuel electrode to the air electrode, and the ionic liquid is expected to be non-volatile, has high thermal stability, and does not need to be humidified. ing.
However, the proton conductivity of ordinary ionic liquids does not reach the level required for fuel cell applications, and therefore, development of ionic liquids with high proton conductivity is desired in fuel cells.
特許文献1には、物質透過性の担体からなり、空隙にイオン液体を有するカチオン伝導性またはプロトン伝導性膜が開示されている。当該膜の空隙には、有機イオン伝導性材料または無機イオン伝導性材料が存在していてもよいとされており、無機イオン伝導性材料としては無機酸化物も例示されている。しかし、無機イオン伝導性材料としては、スルホン酸等が志向されており、無機酸化物は単なる例示に過ぎず、無機イオン伝導性材料の具体的な態様及び具体的な作用についての記載はない。また、実施例は膜の製造例のみで、カチオン伝導性またはプロトン伝導性についての効果は不明である。
上記事情に鑑み、本発明が解決しようとする課題は、イオン液体中のカチオン伝導度を向上させたカチオン伝導性媒体を提供することにある。 In view of the above circumstances, the problem to be solved by the present invention is to provide a cation conductive medium having improved cation conductivity in an ionic liquid.
本発明者らが鋭意検討した結果、イオン液体に、特定の比表面積を有する無機酸化物粉体であって、その表面が電荷ゼロ点換算において特定の電荷を有する無機酸化物粉体を添加することにより、イオン液体中でのカチオン伝導度を顕著に向上させることができることを見出した。 As a result of intensive studies by the present inventors, an inorganic oxide powder having a specific specific surface area, the surface of which has a specific charge in terms of zero charge, is added to the ionic liquid. Thus, it has been found that the cation conductivity in the ionic liquid can be remarkably improved.
すなわち、本発明は、イオン液体および無機酸化物粉体を含有し、当該無機酸化物粉体の表面電荷が電荷ゼロ点換算においてpH5〜13であり、比表面積が0.3〜50m2/gであって、かつイオン液体の含有量が10〜30体積%であることを特徴とする、カチオン伝導媒体である。
本発明は、イオン液体の含有量が、カチオン伝導媒体中、1〜70体積%であることが好ましく、無機酸化物粉体が、酸化アルミニウム、酸化チタンおよび酸化ジルコニウムからなる群より選ばれる少なくとも1種であることが好ましく、イオン液体が、後述の式(I)で表されるカチオンとフッ素系有機アニオンとの組み合わせであることが好ましい。これらの好ましい態様では、極めて優れたカチオン伝導を示す。
また、本発明のカチオン伝導媒体が、プロトンイオン伝導性媒体又はリチウムイオン伝導性媒体である場合には、燃料電池、リチウムイオン二次電池等に応用でき、有用性が特に高い。
That is, the present invention contains an ionic liquid and an inorganic oxide powder, the surface charge of the inorganic oxide powder is pH 5 to 13 in terms of zero charge, and the specific surface area is 0.3 to 50 m 2 / g. The cation conductive medium is characterized in that the content of the ionic liquid is 10 to 30% by volume .
The present invention, the content of the ionic liquid is, in the cationic conductive medium, preferably from 1 to 70% by volume, the inorganic oxide powder is selected from aluminum oxide, titanium oxide and zirconium bromide or Ranaru group At least one kind is preferable, and the ionic liquid is preferably a combination of a cation represented by the formula (I) described later and a fluorine-based organic anion. These preferred embodiments exhibit very good cation conduction.
In addition, when the cation conductive medium of the present invention is a proton ion conductive medium or a lithium ion conductive medium, it can be applied to a fuel cell, a lithium ion secondary battery, and the like, and is particularly useful.
また、本発明は、カチオン伝導媒体において、10〜30体積%のイオン液体と、表面電荷が電荷ゼロ点換算においてpH5〜13であり、かつ比表面積が0.3〜50m2/gである無機酸化物粉体を含有させることを特徴としており、イオン液体中を伝導するカチオンのイオン液体中の濃度を、モル分率で0.01〜0.6とすることが、極めて優れたカチオン伝導度向上効果が発揮されるために、好ましい。 In addition, the present invention provides an inorganic cation liquid having 10 to 30% by volume of an ionic liquid , a surface charge of pH 5 to 13 in terms of zero charge, and a specific surface area of 0.3 to 50 m 2 / g. and characterized by the inclusion of oxide powder, the concentration of ionic liquid cation conducting ionic liquid, a molar fraction be 0.01 to 0.6, very excellent cation This is preferable because the effect of improving the conductivity is exhibited.
本発明によれば、イオン液体中のカチオン伝導度を向上させることができる。よって、イオン液体の電気伝導度を向上させることができる。また、本発明のカチオン伝導媒体は、イオン液体独自の不揮発性、不燃性等の特性を有し、カチオン伝導性に優れるため、二次電池、燃料電池等の電気化学デバイス用の電解質材料として有用である。 According to the onset bright, it is possible to improve the cation conductivity of the ionic liquid. Therefore, the electrical conductivity of the ionic liquid can be improved. In addition, the cation conductive medium of the present invention has characteristics unique to ionic liquids such as non-volatility and non-flammability, and is excellent in cation conductivity, and therefore useful as an electrolyte material for electrochemical devices such as secondary batteries and fuel cells. It is.
本発明のカチオン伝導媒体は、イオン液体および無機酸化物粉体を含有し、当該無機酸化物粉体の表面電荷が電荷ゼロ点換算においてpH5〜13であり、比表面積が0.3〜50m2/gであって、かつイオン液体の含有量が10〜30体積%であることを特徴とする、カチオン伝導媒体である。 The cation conducting medium of the present invention contains an ionic liquid and an inorganic oxide powder, the surface charge of the inorganic oxide powder is pH 5 to 13 in terms of zero charge, and the specific surface area is 0.3 to 50 m 2. / G and a ionic liquid content of 10 to 30% by volume .
イオン液体は、イオン伝導性が高いといわれているものの、特にイオン半径の小さいカチオンをイオン液体に添加した場合には、アニオンと強い静電的相互作用を示すために系の粘性が増大し、粘性抵抗によってイオンの伝導が妨げられるため、そのカチオン伝導度は電気化学デバイス用途に適用し得るレベルではなかった。 Although the ionic liquid is said to have high ionic conductivity, especially when a cation with a small ionic radius is added to the ionic liquid, the viscosity of the system increases to show strong electrostatic interaction with the anion, Since viscous resistance hinders the conduction of ions, its cation conductivity was not at a level applicable to electrochemical device applications.
本発明者等は、カチオンが添加されたイオン液体に、特定の無機酸化物粉体を添加した場合には、カチオン伝導度が向上することを見出した。カチオン伝導度が向上する理由としては、イオン液体と無機酸化物粉体の固液界面にイオン伝導層が生成していることが考えられる。実際、本発明者らが、プロトン、イオン液体および酸化アルミニウム粉体からなるコンポジットについてFT−IR測定を行ったところ(図1参照)、イオン液体のみの系、イオン液体に無機酸化物粉体を加えた系では見られなかった、OH結合の伸縮振動による吸収が3600cm−1付近に現れた。このことより、無機酸化物粉体の表面電荷が電荷ゼロ点換算において特定の範囲内であれば、添加されたカチオンが、当該表面との相互作用により、その対となるアニオンから解離するようになり、当該表面に存在するようになるものと考えられる。そして、この無機酸化物粉体の表面に存在するカチオンは、無機酸化物粉体が特定の比表面積である場合のみ当該粉体の表面をスムーズに移動し(ちょうど無機酸化物粉体表面にイオン伝導層が形成される)、その結果カチオンの伝導度が向上するものと考えられる。 The present inventors have found that when a specific inorganic oxide powder is added to an ionic liquid to which a cation has been added, the cation conductivity is improved. The reason why the cation conductivity is improved may be that an ion conductive layer is formed at the solid-liquid interface between the ionic liquid and the inorganic oxide powder. In fact, when the present inventors performed FT-IR measurement on a composite made of proton, ionic liquid and aluminum oxide powder (see FIG. 1), the ionic liquid only system, inorganic oxide powder was added to the ionic liquid. Absorption due to stretching vibration of OH bond, which was not seen in the added system, appeared in the vicinity of 3600 cm −1 . From this, if the surface charge of the inorganic oxide powder is within a specific range in terms of zero charge, the added cation is dissociated from the anion as a pair by interaction with the surface. Therefore, it is considered that it exists on the surface. The cations present on the surface of the inorganic oxide powder move smoothly on the surface of the powder only when the inorganic oxide powder has a specific specific surface area. As a result, it is considered that the conductivity of the cation is improved.
本発明において、イオン液体とは、イオンのみからなる溶融体のうち、常温において液体状態となるものを意味する。イオン液体のカチオン種としては、例えば、下記式(I)で表されるカチオン(脂肪族4級アンモニウムイオン)、式(II)で表されるカチオン(ホスホニウムイオン)、式(III)で表されるカチオン(イミダゾリウムイオン)、式(IV)で表されるカチオン(ピリジニウムイオン)等が挙げられる。 In the present invention, the ionic liquid means a liquid that is in a liquid state at room temperature among melts composed only of ions. Examples of the cation species of the ionic liquid include a cation (aliphatic quaternary ammonium ion) represented by the following formula (I), a cation (phosphonium ion) represented by the formula (II), and a formula (III). Cations (imidazolium ions), cations represented by formula (IV) (pyridinium ions), and the like.
(式中、R1〜R11は、同一または異なって、それぞれ飽和脂肪族基を表すか、あるいは、R3およびR4は、結合する窒素原子と一緒になって脂肪族へテロ環を形成してもよい。ただし、R1〜R4およびR5〜R8のそれぞれの炭素数の和は6以上、R9とR10との炭素数の和は3以上、R11の炭素数は2以上である。) Wherein R 1 to R 11 are the same or different and each represents a saturated aliphatic group, or R 3 and R 4 together with the nitrogen atom to which they are bonded form an aliphatic heterocyclic ring However, the sum of the carbon numbers of R 1 to R 4 and R 5 to R 8 is 6 or more, the sum of the carbon numbers of R 9 and R 10 is 3 or more, and the carbon number of R 11 is 2 or more.)
R1〜R11で表される飽和脂肪族基は、直鎖状でも分岐状であってもよく、例として、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、イソブチル基、sec−ブチル基、tert−ブチル基、ヘキシル基、オクチル基、デシル基等が挙げられ、さらに、当該例示した基に、−S−、−O−で示される結合により、S、O等のヘテロ原子が含まれている基等が挙げられる(ただし、R11は、これらのうち炭素数が2以上のものである。)。飽和脂肪族基として好ましくは、炭素数1〜8のアルキル基であり、さらに好ましくは炭素数1〜4のアルキル基である。 The saturated aliphatic group represented by R 1 to R 11 may be linear or branched, and examples thereof include methyl group, ethyl group, propyl group, isopropyl group, butyl group, isobutyl group, sec- Examples include a butyl group, a tert-butyl group, a hexyl group, an octyl group, a decyl group, and the like, and further, a heteroatom such as S or O is bonded to the exemplified group by a bond represented by -S- or -O-. Examples thereof include groups and the like (provided that R 11 has 2 or more carbon atoms). The saturated aliphatic group is preferably an alkyl group having 1 to 8 carbon atoms, and more preferably an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms.
R3およびR4が、結合する窒素原子と一緒になって形成する脂肪族へテロ環の例としては、ピロリジン環、ピペリジン環、ジアゼピン環、ピペラジン環、モルホリン環等が挙げられ、5〜6員の脂肪族へテロ環が好ましい。 Examples of the aliphatic hetero ring formed by R 3 and R 4 together with the nitrogen atom to which they are bonded include a pyrrolidine ring, a piperidine ring, a diazepine ring, a piperazine ring, a morpholine ring, and the like. A membered aliphatic heterocycle is preferred.
上記式(I)〜(IV)で表されるカチオンのうち、好ましくは、式(I)で表されるカチオンである。 Of the cations represented by the above formulas (I) to (IV), the cation represented by the formula (I) is preferable.
式(I)で表されるカチオンとして好ましくは、R1およびR2がメチル基又はエチル基であり、R3が炭素数1〜4のアルキル基であり、R4が炭素数1〜8のアルキル基であるカチオンである。式(I)で表されるカチオンとして特に好ましくは、R1〜R3がメチル基、R4がプロピル基であるカチオン(TMPA);R1およびR2がメチル基であり、R3がイソプロピル基、R4がヘキシル基であるカチオン;R1がメチル基、R2およびR3がエチル基、R4が2−メトキシエチル基であるカチオンである。
また、式(I)で表されるカチオンのR3およびR4が、結合する窒素原子と一緒になって脂肪族へテロ環を形成する場合には、式(I)で表されるカチオンとして好ましくは、R1がメチル基、R2がエチル基、R3およびR4が結合する窒素原子と一緒になってピロリジン環を形成するカチオン;R1がメチル基、R2がブチル基、R3およびR4が結合する窒素原子と一緒になってピロリジン環を形成するカチオン(BMP)である。
As the cation represented by the formula (I), R 1 and R 2 are preferably a methyl group or an ethyl group, R 3 is an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, and R 4 is an alkyl group having 1 to 8 carbon atoms. It is a cation which is an alkyl group. The cation represented by formula (I) is particularly preferably a cation (TMPA) in which R 1 to R 3 are methyl groups and R 4 is a propyl group; R 1 and R 2 are methyl groups, and R 3 is isopropyl. A cation in which R 4 is a hexyl group; R 1 is a methyl group, R 2 and R 3 are ethyl groups, and R 4 is a 2-methoxyethyl group.
Further, when R 3 and R 4 of the cation represented by the formula (I) form an aliphatic heterocyclic ring together with the nitrogen atom to which the cation is bonded, the cation represented by the formula (I) Preferably, a cation in which R 1 is a methyl group, R 2 is an ethyl group, and a nitrogen atom to which R 3 and R 4 are bonded together forms a pyrrolidine ring; R 1 is a methyl group, R 2 is a butyl group, R A cation (BMP) that forms a pyrrolidine ring together with the nitrogen atom to which 3 and R 4 are bonded.
式(II)で表されるカチオンとして好ましくは、R5およびR6が、それぞれ独立してメチル基又はエチル基であり、R7が炭素数1〜4のアルキル基であり、R8が炭素数1〜8のアルキル基であるカチオンである。
式(III)で表されるカチオンとして好ましくは、R9〜R10が、それぞれ独立して炭素数1〜4のアルキル基であるカチオンであり、特に好ましくは、R9がメチル基であり、R10がエチル基であるカチオン(EMI);R9がメチル基であり、R10がブチル基であるカチオン(BMI)である。
式(IV)で表されるカチオンとして好ましくは、R11が炭素数2〜8のアルキル基であるカチオンであり、特に好ましくは、R11がブチル基であるカチオン(BP)である。
Preferably, as the cation represented by the formula (II), R 5 and R 6 are each independently a methyl group or an ethyl group, R 7 is an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, and R 8 is carbon. It is a cation which is an alkyl group of formula 1-8.
The cation represented by the formula (III) is preferably a cation in which R 9 to R 10 are each independently a C 1-4 alkyl group, particularly preferably R 9 is a methyl group, A cation (EMI) in which R 10 is an ethyl group; a cation (BMI) in which R 9 is a methyl group and R 10 is a butyl group.
The cation represented by the formula (IV) is preferably a cation in which R 11 is an alkyl group having 2 to 8 carbon atoms, and particularly preferably a cation (BP) in which R 11 is a butyl group.
イオン液体のアニオン種としては、例えば、AlCl4 −、Al2Cl7 −等のクロロアルミネートアニオン;BF4 −、PF6 −、F(HF)n −、等のフッ素系無機アニオン;CF3COO−、CF3SO3 −(TfO)、(CF3SO2)2N−(TFSI)、(CF3SO2)3C−(TFSM)等のフッ素系有機アニオン;NO3 −;CH3COO−等が挙げられる。これらのうち、フッ素系有機アニオンが好ましい。 Examples of the anionic species of the ionic liquid include chloroaluminate anions such as AlCl 4 − and Al 2 Cl 7 — ; fluorine inorganic anions such as BF 4 − , PF 6 − and F (HF) n − ; CF 3 COO -, CF 3 SO 3 - (TfO), (CF 3 SO 2) 2 N - (TFSI), (CF 3 SO 2) 3 C - (TFSM) fluorinated organic anions such as; NO 3 -; CH 3 COO -, and the like. Of these, fluorine-based organic anions are preferred.
イオン液体は、上記のカチオン種の1種又は2種以上および上記のアニオン種の1種又は2種以上の組み合わせによるものであってよいが、好ましくは、式(I)で表されるカチオンとフッ素系有機アニオンとの組み合わせであり、最も好ましくは、TMPAとTFSIとの組み合わせである。 The ionic liquid may be one or a combination of two or more of the above cation species and one or more of the above anion species, but preferably a cation represented by the formula (I) A combination with a fluorine-based organic anion, most preferably a combination of TMPA and TFSI.
なお、イオン液体は、公知方法(例えば、Chem.Lett.,2000,第922頁、J.Phys.Chem.B,103,第4164頁(1999)等参照)によって得ることができ、市販品を使用してもよい。 The ionic liquid can be obtained by a known method (for example, see Chem. Lett., 2000, page 922, J. Phys. Chem. B, 103, page 4164 (1999), etc.). May be used.
本発明において、無機酸化物粉体は、その粒子の表面の表面電荷が電荷ゼロ点換算においてpH5〜13であり、比表面積が0.3〜50m2/gである必要がある。
異質物質の界面にイオン伝導層が生成し得ることは、従来より知られていたが(例えば、Adv.Matter.2004,16,No.9−10,May 17参照)、本発明において、無機酸化物粉体は、特定の表面電荷を有することによって、イオン液体中において、カチオンを対イオンであるアニオンから解離させることを可能にし、さらに、この無機酸化物粉体の比表面積を特定のものとすることによって、そのイオン伝導層の形成を可能にせしめたものである。
In the present invention, the inorganic oxide powder needs to have a surface charge on the surface of the particle of pH 5 to 13 in terms of zero charge, and a specific surface area of 0.3 to 50 m 2 / g.
Although it has been conventionally known that an ion conductive layer can be formed at the interface of a foreign substance (see, for example, Adv. Matter. 2004, 16, No. 9-10, May 17), in the present invention, inorganic oxidation is performed. The substance powder has a specific surface charge, so that it is possible to dissociate the cation from the anion which is a counter ion in the ionic liquid. By doing so, the ion conductive layer can be formed.
本発明において、電荷ゼロ点(pzc)とは、無機酸化物粉体粒子が水中にある場合において、無機酸化物粉体粒子の表面がプラスにもマイナスにも帯電していないときのpH(水素イオン指数)を意味する。
電荷ゼロ点は、例えば、水、及び無機酸化物粉体を添加した水について、酸およびアルカリを用いてそれぞれ滴定曲線を作成し、得られた2本の滴定曲線の交点のpH値として求めることができる。
In the present invention, the zero charge point (pzc) is the pH (hydrogen) when the surface of the inorganic oxide powder particles is not charged positively or negatively when the inorganic oxide powder particles are in water. Ion index).
The zero charge point is obtained, for example, as a pH value at the intersection of two titration curves obtained by creating a titration curve using acid and alkali for water and water added with inorganic oxide powder, respectively. Can do.
無機酸化物の粉体粒子の表面電荷が電荷ゼロ点換算においてpH5〜13である無機酸化物の例としては、酸化アルミニウム(通常の市販品では、表面電荷の電荷ゼロ点換算値は約7〜11である)、酸化チタン(通常の市販品では、表面電荷の電荷ゼロ点換算値は約5〜7である)、酸化ジルコニウム(通常の市販品では、表面電荷の電荷ゼロ点換算値は約5〜7である)等が挙げられる。より高いカチオン伝導度向上効果の点から酸化アルミニウムが特に好ましい。
また、無機酸化物の粉体粒子の表面電荷が電荷ゼロ点換算において、pH7〜10であることが、より高いカチオン伝導度向上効果の点から好ましい。
Examples of inorganic oxide inorganic oxide is pH5~13 in surface charge zero charge point in terms of the powder particles, the aluminum oxide (conventional commercial product, zero charge point corresponding value of surface charge of about 7 to 11 at a), the titanium oxide (usually commercially available, zero charge point corresponding value of the surface charge is about 5-7), the oxide zirconium bromide (conventional commercial product, zero charge point of the surface charge The conversion value is about 5 to 7). Aluminum oxide is particularly preferred from the viewpoint of higher cation conductivity improving effect.
Moreover, it is preferable from the point of the higher cation conductivity improvement effect that the surface charge of the powder particle | grains of an inorganic oxide is pH 7-10 in conversion of a charge zero point.
なお、表面電荷の電荷ゼロ点換算値は、酸やアルカリ等により無機酸化物粉体を処理することによって調整することもできる。例えば、無機酸化物をアルカリに浸漬した場合には、当該無機酸化物粉体の表面電荷の電荷ゼロ点換算値はアルカリ側に増大する。よって、市販品の酸化チタン、酸化ジルコニウム等の中には、表面電荷の電荷ゼロ点換算値がpH4程度のものもあるのであるが、そのような電荷ゼロ点換算値pH5未満の無機酸化物粉体を使用する場合でも、当該アルカリ処理によって、表面電荷の電荷ゼロ点換算値を適正範囲に調整することができる。 The zero-point converted value of the surface charge can also be adjusted by treating the inorganic oxide powder with acid, alkali or the like. For example, when the inorganic oxide is immersed in an alkali, the zero-point converted value of the surface charge of the inorganic oxide powder increases to the alkali side. Therefore, titanium oxide commercial products, some of such oxide zirconium chloride, although zero charge point corresponding value of the surface charge is there also of about pH 4, an inorganic oxide such less than zero charge point conversion value pH5 Even when powder is used, the charge to zero point converted value of the surface charge can be adjusted to an appropriate range by the alkali treatment.
本発明において、無機酸化物は粉体の形状をとるが、当該粉体は粒度の基準として、比表面積が0.3〜50m2/gであることが必要であり、より高いカチオン伝導度向上効果の点から比表面積が1.1〜32.8m2/gである無機酸化物粉体が好ましく、2〜5m2/gである無機酸化物粉体がより好ましい。
本発明において比表面積とは、BET法により求められる値をいう。
In the present invention, the inorganic oxide takes the shape of a powder, but the powder needs to have a specific surface area of 0.3 to 50 m 2 / g as a particle size standard, and higher cation conductivity is improved. inorganic oxide powders are preferred specific surface area from the viewpoint of effect is 1.1~32.8m 2 / g, the inorganic oxide powder is 2 to 5 m 2 / g is more preferable.
In the present invention, the specific surface area means a value determined by the BET method.
本発明のカチオン伝導媒体は、無機酸化物粉体にイオン液体を含浸させることが好ましい態様である。イオン液体が含浸した無機酸化物粉体材料とした場合には、圧縮成形等による成形加工も容易であり利便性が高い。含浸の程度としては、無機酸化物粉体の表面がイオン液体でちょうど覆われた状態(無機酸化物粉体がイオン液体で湿ったように見える状態)になるまで含浸させることが好ましい。当該状態がイオン伝導層の形成に適しているためである。 In the cation conductive medium of the present invention, it is preferable that the inorganic oxide powder is impregnated with an ionic liquid. When an inorganic oxide powder material impregnated with an ionic liquid is used, the molding process by compression molding or the like is easy and the convenience is high. The degree of impregnation is preferably impregnated until the surface of the inorganic oxide powder is just covered with the ionic liquid (the inorganic oxide powder appears to be wet with the ionic liquid). This is because the state is suitable for forming the ion conductive layer.
このような状態にするためのイオン液体の使用量の目安としては、イオン伝導媒体の1〜70体積%、好ましくは、10〜30体積%である。なお、イオン液体がカチオンまたはカチオンを含む塩を含有している場合には、該カチオンまたは該カチオンを含む塩の体積も、イオン液体の体積に含めて考える。 As a standard of the usage amount of the ionic liquid for obtaining such a state, it is 1 to 70% by volume, preferably 10 to 30% by volume of the ion conductive medium. In addition, when the ionic liquid contains a cation or a salt containing a cation, the volume of the cation or the salt containing the cation is also included in the volume of the ionic liquid.
含浸は、常法により行うことができ、例えば、無機酸化物粉体とイオン液体を、撹拌機等を用いて混合する方法等によって行うことができる。 Impregnation can be performed by a conventional method, for example, by a method of mixing inorganic oxide powder and ionic liquid using a stirrer or the like.
本発明において、カチオン伝導媒体のカチオンとは、カチオン伝導媒体を構成するイオン液体自体のカチオンではなく、別途、当該伝導媒体に添加されるカチオンのことをいう。すなわち、本発明は、別途添加されるカチオンを伝導する媒体である。 In the present invention, the cation of the cation conductive medium means not a cation of the ionic liquid itself constituting the cation conductive medium but a cation added separately to the conductive medium. That is, the present invention is a medium that conducts separately added cations.
当該別途添加され伝導されるカチオンの種類としては、単原子のカチオンであれば特に制限はない。単原子のカチオンであれば、イオン液体中の伝導度向上効果が得られる。
特に、イオン半径の小さいカチオンで構成される塩を、イオン液体に添加した場合、イオン半径の小さいカチオンは電荷密度が高いため、イオン液体中においてはその電離が困難であり、その結果、イオン伝導が起こらず、イオン液体の電気伝導度は低下する。従って、イオン半径の小さいカチオン程、本発明の効果の意義がある。本発明のカチオン伝導媒体により伝導されるカチオンとしては、アルカリ金属イオン、アルカリ土類金属イオン、銀イオン、遷移金属イオン等が特に高い伝導度向上効果を示し得るものであるため好ましく、さらに、燃料電池、二次電池への応用という観点から、プロトン、リチウムイオンが特に好ましい。
The type of cation added and conducted separately is not particularly limited as long as it is a monoatomic cation. If it is a monoatomic cation, the conductivity improvement effect in an ionic liquid will be acquired.
In particular, when a salt composed of a cation with a small ionic radius is added to the ionic liquid, the cation with a small ionic radius has a high charge density, so that it is difficult to ionize in the ionic liquid. Does not occur, and the electrical conductivity of the ionic liquid decreases. Therefore, a cation with a smaller ionic radius is more significant for the effect of the present invention. As the cation conducted by the cation conducting medium of the present invention, alkali metal ions, alkaline earth metal ions, silver ions, transition metal ions and the like are preferable because they can exhibit a particularly high conductivity improving effect. From the viewpoint of application to batteries and secondary batteries, protons and lithium ions are particularly preferable.
本発明において、カチオン伝導度の向上効果は、カチオンを添加したカチオン伝導媒体の電気伝導度を測定することにより評価することができる。電気伝導度で評価した場合に、通常、イオン液体に、リチウム等のカチオンのみを添加した場合および無機酸化物のみを添加した場合の双方において、その電気伝導度は、イオン液体そのものが有する電気伝導度よりも低下する。それにも係わらず、イオン液体に、リチウム等のカチオンおよび無機酸化物の両方が添加される本発明の場合には、電気伝導度が増大するという効果を有している。
電気伝導度の測定は、例えば、LCRメーターを用いて行うことができる。
In the present invention, the effect of improving cation conductivity can be evaluated by measuring the electric conductivity of a cation conductive medium to which a cation is added. When evaluated by electrical conductivity, the electrical conductivity of the ionic liquid itself is usually the same as when the ionic liquid is added only with a cation such as lithium or when only an inorganic oxide is added. Decrease than degree. Nevertheless, the present invention in which both a cation such as lithium and an inorganic oxide are added to the ionic liquid has the effect of increasing the electrical conductivity.
The electrical conductivity can be measured using, for example, an LCR meter.
本発明のカチオン伝導媒体は、優れたカチオン伝導性を示すため、公知方法に準じ、粉体電解質材料として電池等に適用することができる。
また、本発明のカチオン伝導媒体に、上記のカチオンを添加したコンポジットは、優れた電気伝導度を示すため、導電性材料として有用である。
Since the cation conductive medium of the present invention exhibits excellent cation conductivity, it can be applied to a battery or the like as a powder electrolyte material according to a known method.
Moreover, since the composite which added said cation to the cation conduction medium of this invention shows the outstanding electrical conductivity, it is useful as an electroconductive material.
本発明では、カチオン伝導媒体において、10〜30体積%のイオン液体と、表面電荷が電荷ゼロ点換算においてpH5〜13であり、かつ比表面積が0.3〜50m2/gである無機酸化物粉体を含有させることにより、イオン液体中のカチオン伝導度を高めることができる。 In the present invention , in the cation conducting medium, 10 to 30% by volume of an ionic liquid, an inorganic oxidation having a surface charge of pH 5 to 13 in terms of zero charge and a specific surface area of 0.3 to 50 m 2 / g by containing Monokotai can increase the cation conductivity of the ionic liquid.
本発明に用いられるイオン液体、無機酸化無水物粉体、カチオンについては上記と同様である。
本発明の実施態様としては、例えば、上記イオン液体に上記カチオンを添加し、そこに上記無機酸化物粉体を添加する態様、上記イオン液体に上記無機酸化物粉体を配合し、そこへ上記カチオンを添加する態様等が挙げられる。
Ionic liquids used in the present onset bright, inorganic oxide anhydride powder, for cation is the same as defined above.
As this onset Ming embodiment, for example, the addition of the cationic to the ionic liquid, manner thereto adding the inorganic oxide powder, blended the inorganic oxide powder in the ionic liquid thereto The aspect etc. which add the said cation are mentioned.
上記のカチオンは、そのままイオンの形態で添加されても良いし、塩の形態で添加されてもよい。塩の形態で添加する場合、カチオンの対イオンとなるアニオンの種類には特に限定はなく、前記イオン液体のアニオン種と同様のものであることが好ましく、より好ましくは、使用するイオン液体のアニオン種と同一種類のアニオンを選択する。 The cation may be added as it is in the form of ions or may be added in the form of a salt. When added in the form of a salt, there is no particular limitation on the type of anion serving as a counter ion of the cation, and it is preferably the same as the anion species of the ionic liquid, more preferably the anion of the ionic liquid to be used Select the same type of anion as the species.
添加するカチオンのイオン液体中の濃度は、添加するカチオンの種類に応じて適宜最適な濃度を選択すればよく、好ましくは0.01〜0.6モル/モルであり、プロトンを含む系(例、HTFSI等を含む系)の場合、0.2〜0.4モル/モルが、また、リチウムイオンを含む系(例、LiTFSI等を含む系)の場合、0.03〜0.06モル/モルが最も好ましい。カチオンの濃度が上記範囲内にある場合に、カチオン伝導度向上の効果が特に良好に得られる。 The concentration of the cation to be added in the ionic liquid may be appropriately selected according to the kind of the cation to be added, and is preferably 0.01 to 0.6 mol / mol. , A system containing HTFSI and the like) is 0.2 to 0.4 mol / mol, and in the case of a system containing lithium ions (eg, a system containing LiTFSI and the like), 0.03 to 0.06 mol / mol. Mole is most preferred. When the cation concentration is within the above range, the effect of improving the cation conductivity can be obtained particularly well.
本発明によれば、イオン液体中のカチオン伝導度を効果的に向上させることができ、例えば、イオン液体を燃料電池の電解質に用いた場合のプロトン伝導度を向上させるため、また、イオン液体をリチウムイオン電池の電解質に用いた場合のリチウムイオン伝導度を向上させるために応用することが可能である。また、本発明によれば、カチオンを含むイオン液体の電気伝導度を向上させることもできる。 According to the onset bright, it is possible to effectively improve the cation conductivity of the ionic liquid, for example, for improving the proton conductivity in the case of using an ionic liquid electrolyte of the fuel cell, also ionic liquids Can be applied to improve the lithium ion conductivity when used as an electrolyte of a lithium ion battery. Further, according to this onset bright, it is possible to improve the electrical conductivity of the ionic liquid containing a cation.
以下、実施例および比較例を挙げて本発明を詳細に説明するが、本発明は、これら実施例に何ら制限されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although an Example and a comparative example are given and this invention is demonstrated in detail, this invention is not restrict | limited to these Examples at all.
実施例
イオン液体の調製
トリメチルプロピルアンモニウムビストリフルオロスルホイミド(TMPATFSI)の調製は、公知文献(例、Chem.Lett.,2000,第922頁、J.Phys.Chem.B,103,第4164頁(1999)に準じて行った。まずヨウ化トリメチルn−プロピルアンモニウム(TMPAI)を、ヨウ化n−プロピルとトリメチルアミンを反応させて得た。TMPAIの水溶液とLiTFSIの水溶液とを混合し、水による洗浄を、水層に硝酸銀水溶液を添加してもヨウ化リチウム等の副生物に由来する沈殿の生成が見られなくなるまで行った。水層から分離された層を、濃縮及び熱処理して精製しTMPATFSIを得た。カールフィッシャー滴定法により求めたTMPATFSIの含水量は、0.08重量%未満であった。
Examples Preparation of ionic liquid Preparation of trimethylpropylammonium bistrifluorosulfimide (TMPATFSI) was carried out using known literature (eg, Chem. Lett., 2000, page 922, J. Phys. Chem. B, 103, page 4164 ( First, trimethyl n-propylammonium iodide (TMPAI) was obtained by reacting n-propyl iodide with trimethylamine, and an aqueous solution of TMPAI and an aqueous solution of LiTFSI were mixed and washed with water. This was performed until a precipitate derived from by-products such as lithium iodide was not observed even when an aqueous silver nitrate solution was added to the aqueous layer, and the layer separated from the aqueous layer was purified by concentration and heat treatment to obtain TMPATFSI. The water content of TMPATFSI determined by Karl Fischer titration was 0. 08 was less than% by weight.
カチオン含有イオン液体の調製
HTFSIを、モル分率で0.1〜0.6の範囲でTMPATFSIに添加し、混合・加熱処理により溶解させた。なお、HTFSIの含水量は、1重量%未満であるが、数日間真空下に置くことによって、約0.25重量%まで減少させた。加熱処理後のプロトンを含有するTMPATFSI(HTFSI/TMPATFSI)の含水量は、0.2重量%であった。調製されたHTFSI/TMPATFSIは、五酸化二リンで乾燥した乾燥窒素で満たした、空気乾燥清浄器を有するグローブボックスに保管した。
また、LiTFSIを、モル分率で0.02〜0.15の範囲でTMPATFSIに添加し、混合・加熱処理を行って溶解させた。なお、LiTFSIの含水量は、1重量%未満であるが、数日間真空下に置くことによって、約0.25重量%まで減少させた。加熱処理後のリチウムイオンを含有するTMPATFSI(LiTFSI/TMPATFSI)の含水量は、0.2重量%であった。調製されたLiTFSI/TMPATFSIは、五酸化二リンで乾燥した乾燥窒素で満たした、空気乾燥清浄器を有するグローブボックスに保管した。
Preparation of cation-containing ionic liquid HTFSI was added to TMPATFSI in a molar fraction range of 0.1 to 0.6 and dissolved by mixing and heat treatment. Although the water content of HTFSI is less than 1% by weight, it was reduced to about 0.25% by weight under vacuum for several days. The water content of TMPATFSI (HTTFSI / TMPATFSI) containing protons after the heat treatment was 0.2% by weight. The prepared HTFSI / TMPATFSI was stored in a glove box with an air dry purifier filled with dry nitrogen dried with diphosphorus pentoxide.
Moreover, LiTFSI was added to TMPATFSI in the range of 0.02 to 0.15 in terms of molar fraction, and mixed and heated to dissolve. The water content of LiTFSI was less than 1% by weight, but it was reduced to about 0.25% by weight by placing it under vacuum for several days. The water content of TMPATFSI (LiTFSI / TMPATFSI) containing lithium ions after the heat treatment was 0.2% by weight. The prepared LiTFSI / TMPATFSI was stored in a glove box with an air dry purifier filled with dry nitrogen dried with diphosphorus pentoxide.
無機酸化物粉体の調製
BET法により求めた比表面積が、それぞれ1.18m2/g、3.00m2/g、10m2/g、32.8m2/gであるα−Al2O3粉末を、400℃を超える温度で6時間熱処理した。
なお、これらのα−Al2O3粉末について、0.1mol/Lの塩酸および水酸化ナトリウム水溶液をそれぞれ用いて酸塩基滴定を行った結果、その表面電荷は、電荷ゼロ点換算で9.1であった。
The specific surface area was determined by preparing the BET method of the inorganic oxide powder, respectively 1.18m 2 /g,3.00m 2 / g, 10m 2 /g,32.8m is 2 / g α-Al 2 O 3 The powder was heat treated at a temperature above 400 ° C. for 6 hours.
The α-Al 2 O 3 powder was subjected to acid-base titration using 0.1 mol / L hydrochloric acid and a sodium hydroxide aqueous solution, respectively. As a result, the surface charge was 9.1 in terms of zero charge. Met.
カチオン含有カチオン伝導媒体サンプルの作成
上記で調製したカチオン含有イオン液体と上記で調整した無機酸化物粉体とを、体積比30:70で、乾燥窒素で満たしたグローブボックス中でミキサーを用いて激しく撹拌して混合した。得られた混合物を、アルミナプレスを用いて、真空下、53MPaの圧力をかけて30分間圧縮成形して、直径20mmのタブレット形サンプルを作成した。
Preparation of cation-containing cation-conducting medium sample The cation-containing ionic liquid prepared above and the inorganic oxide powder prepared above were vigorously used in a glove box filled with dry nitrogen at a volume ratio of 30:70 using a mixer. Stir and mix. The obtained mixture was compression-molded using an alumina press under a vacuum at a pressure of 53 MPa for 30 minutes to prepare a tablet-shaped sample having a diameter of 20 mm.
電気伝導度の測定
上記で作成したカチオン伝導媒体のタブレット形サンプルの電気伝導度を、ヒューレッドパッカード社製4286Aおよび4285Aを用い、周波数レンジ20〜30Hzで測定した。電気伝導度は、Hittorf型セルの中室に挿入したPt電極間の電位差を測定する方法により試み、25℃〜50℃においてI−Eプロットを得、その傾きから算出した。また、セル定数はKCl溶液を用い25℃で算出した。
得られた結果を図2、図3に示す。
Measurement of electric conductivity The electric conductivity of the tablet-type sample of the cation conductive medium prepared above was measured in a frequency range of 20 to 30 Hz using 4286A and 4285A manufactured by Hured Packard. The electric conductivity was tried by a method of measuring a potential difference between Pt electrodes inserted in the middle chamber of the Hittorf cell, and an IE plot was obtained at 25 ° C. to 50 ° C. and calculated from the slope. The cell constant was calculated at 25 ° C. using a KCl solution.
The obtained results are shown in FIGS.
比較例
BET法により求めた比表面積が7.83m2/g、電荷ゼロ換算での表面電荷が3.1(α−Al2O3粉末と同様の手法で評価)であるSiO2粉末を、800℃で4時間熱処理した。実施例と同様にして調製したLiTFSI/TMPATFSIおよびこのSiO2粉末を用いて、上記実施例と同様にして直径20mmのタブレット形サンプルを作成した。得られたサンプルについて、上記と同様にして電気伝導度を測定した。
得られた結果を図4に示す。
Comparative Example An SiO 2 powder having a specific surface area of 7.83 m 2 / g determined by the BET method and a surface charge of 3.1 (evaluated by the same method as the α-Al 2 O 3 powder) in terms of zero charge, Heat treatment was performed at 800 ° C. for 4 hours. Using the LiTFSI / TMPATFSI prepared in the same manner as in the example and this SiO 2 powder, a tablet-shaped sample having a diameter of 20 mm was prepared in the same manner as in the above example. About the obtained sample, it carried out similarly to the above, and measured the electrical conductivity.
The obtained results are shown in FIG.
図2、図3より明らかなように、イオン液体中のカチオン伝導度は、イオン液体にα−Al2O3を添加することにより劇的に向上していることがわかる。また、イオン液体中のカチオン伝導度の向上効果は、α−Al2O3粉体の比表面積によって差があることがわかる。
一方、図4の結果より明らかなように、SiO2粉末を用いた場合には、イオン液体中のカチオン伝導度は、イオン液体以上のカチオン伝導度示すことはなかった。従って、イオン液体中のカチオン伝導度を向上させるには、無機酸化物粉体の表面電荷が特定範囲内にあるものを用いなければならないことがわかる。
As is clear from FIGS. 2 and 3, it can be seen that the cation conductivity in the ionic liquid is dramatically improved by adding α-Al 2 O 3 to the ionic liquid. Moreover, the effect of improving the cation conductivity of ionic liquids, it can be seen that there is a difference by the specific surface area of α-Al 2 O 3 powder.
On the other hand, as apparent from the results of FIG. 4, when SiO 2 powder was used, the cation conductivity in the ionic liquid did not show a cation conductivity higher than that of the ionic liquid. Therefore, it can be seen that in order to improve the cation conductivity in the ionic liquid, the inorganic oxide powder having a surface charge within a specific range must be used.
本発明のカチオン伝導媒体は、電気化学デバイス分野において、電気化学反応媒体として用いられ得るものであり、電池、燃料電池、電解槽等、センサなどに使用可能である。
The cation conductive medium of the present invention can be used as an electrochemical reaction medium in the electrochemical device field, and can be used for sensors, such as batteries, fuel cells, and electrolytic cells .
Claims (4)
当該無機酸化物粉体の表面電荷が電荷ゼロ点換算においてpH5〜13であり、比表面積が0.3〜50m2/gであって、
かつイオン液体の含有量が10〜30体積%であることを特徴とする、カチオン伝導媒体。 Containing ionic liquid and inorganic oxide powder,
The surface charge of the inorganic oxide powder is pH 5 to 13 in terms of zero charge , the specific surface area is 0.3 to 50 m 2 / g ,
And the content of an ionic liquid is 10-30 volume% , The cation conductive medium characterized by the above-mentioned.
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