説明

反応性イオン液体

本発明は、電気化学的に還元可能な官能基または置換基を備えた有機カチオン、ならびに、フルオロアルキルホスフェート、フルオロアルキルホスフィネート、フルオロアルキルホスホネート、アセテート、トリフラート、イミド、メチド、ボレート、ホスフェートおよび/またはアルミネートのアニオンを含む、リチウムイオンバッテリーおよび二重層コンデンサまたはリチウムコンデンサなどの電気化学セルに用いるための反応性イオン液体に関する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、電気化学的に還元を受けやすい官能基または置換基を備えた有機カチオンならびにフルオロアルキルホスフェート、フルオロアルキルホスフィネート、フルオロアルキルホスホネート、アセテート、トリフレート、メチド、ボレート、ホスフェートおよびアルミネートから得られたアニオンを含有する、リチウムイオンバッテリーおよび二重層コンデンサなどの電気化学セルに用いる反応性イオン液体に関する。
【0002】
イオン液体または液体塩は、有機カチオンおよび一般的な無機アニオンからなるイオン種(ionic species)である。それらには、如何なる中性分子も含まれず、通常、373Kより低い融点を有する。
【0003】
「反応性イオン液体」は、有機カチオンにおいて、シアノ基、エステル基、カルボネート基または二重結合を備えた側鎖などの電気化学的に還元を受けやすい官能基または置換基を含むイオン液体を意味する。
【背景技術】
【0004】
近年、イオン液体は、ますます高まる関心を引いてきており、多数の総説がイオン液体(「IL」と略される)のユニークな特性を記述し、種々の潜在的な用途を示してきた。
とくに、イオン液体は、とくに電気車両およびハイブリッド車両を中心とした、二重層コンデンサおよびバッテリーなどのエネルギー貯蔵媒体において使用するために非常に有望とされている。
イオン液体の飛び抜けた特性には、
・実質的に揮発度がゼロであり、したがって非常に引火点が高い
・非常に大きな液体範囲、場合によって、数100Kを超える
・非常に高い極性、したがって無機塩および有機塩に対し、非常に良好な溶解性
が含まれる。
【0005】
例えば、エチルメチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート(EMIBF)などのイオン液体が既に二重層コンデンサ(スーパーまたはウルトラコンデンサ)において商業的に用いられている一方、バッテリー、とくにリチウムイオンバッテリーにおける使用は困難なままである。
【0006】
バッテリーの適用のために、イオン液体を含む以下のシステムが特徴づけられる:
・Li塩を含む電解質と組み合わせたイオン液体
・Li塩と添加剤とを含む電解質と組み合わせたイオン液体
【0007】
以下のイオン液体がここで用いられる:
・AlClをアニオンとして有するイオン液体(第0世代、非常に早期の研究)
・イミダゾリウムベースのカチオンおよび(パー)フルオロ化無機または有機アニオンを有するイオン液体(第1世代)
・「非イミダゾリウム」ベースのカチオンおよび(パー)フルオロ化無機または有機アニオンを有するイオン液体(第2世代)
【0008】
AlClベースのイオン液体は、加水分解に極めて敏感であり、塩酸HClの放出(liberation)を伴い水と反応する。バッテリーシステムの開発は、このことを理由に止まっていた。イミダゾリウムベースのILは、不十分な還元安定性を示し、したがって、高エネルギーバッテリーにおける商業的適用に非常に見込みがあるとはみなされていない。無機アニオン、とくにBFを有するイオン液体は、キャパシタンスにおいて、とくに最初の充電/放電サイクルにおいて、有意な還元を起こす。現在、Liイオンバッテリーに最も適していると思われるイオン液体は、ビス(トリフルオロメチル)イミドと組み合わせてN,N−ジアルキルピロリジニウムを用いる(例えば、JP 2006-260952参照)。
しかしながら、これらのイオン液体でさえ、まだリチウムイオンバッテリーの出力密度の有意な低下を起こす。
【0009】
この理由は、とくに、電気化学的に安定したイオン液体の高い粘度にある。これによって、イオン液体を用いない標準的な電解質システムに比べて、ILベースの電解質の有意により低いリチウムイオン伝導度となる(O. Borodin et al., J. of Physical Chemistry B, 2006, 110 (34), pp. 16879-16886)。したがって、ILベースの電解質を含むリチウムイオンバッテリーは、未だ今日において、標準的な電解質を含むリチウムイオンバッテリーに比べて、有意により低い出力密度および荷電容量(charge-carrying capacity)を示す。
後者は、とくに、電気車両およびハイブリッド車両における適用に非常に重大であるとみなされなければならず、安全性の増大にかかわらず、ILベースの電解質の使用が妨げられる。
Lee et al. (Electrochem. Comm. 8 (2006) 460)は、バッテリー電解質における、窒素にエステルリガンドを有するイミダゾリウムベースのILの使用によって、リチウム伝導度およびLiイオンの拡散係数が改善されることを示すことができている。
しかしながら、これらのイミダゾリウムベースのイオン液体は、十分な電気化学的に安定ではない。
【発明の概要】
【0010】
したがって、本発明の目的は、高い温度安定性、非常に良好な酸化安定性および低い腐食性を有し、低価格で合成することができるアニオンを有し、上記の欠点を有していないイオン液体を開発することにあった。
【0011】
本目的は、一般式I
【化1】

【0012】
式中、
は、一般式IIからIX
【化2】

【0013】
式中、
Xは、CH、O、SまたはNR’を示し、
R’は、−(CH−CN、C〜C16−アルキル、好ましくは、メチル、エチル、プロピル、Hを示し、
Rは、H、C〜C16−アルキル、好ましくは、メチル、エチル、プロピルを示し、
R5は、−(CH−O−C(O)−R、−(CH−C(O)−OR、−(CH−O−C(O)−OR、−(CH−HC=CH−Rまたは−(CH−CNを示し、ここで、個々のCH基は、O,SまたはNRで置き換えられており、n=1〜8である、
の基から選択されるカチオン、好ましくは還元安定であるものを示し、かつ、
【0014】
は、
[FP(C2m+16−y
(C2m+1P(O)O
2m+1P(O)O2-
O−C(O)−C2m+1
O−S(O)−C2m+1
N(C(O)−C2m+1
N(S(O)−C2m+1
N(C(O)−C2m+1)(S(O)−C2m+1
N(C(O)−C2m+1)(C(O)F)
N(S(O)−C2m+1)(S(O)F)
N(S(O)F)
C(C(O)−C2m+1
C(S(O)−C2m+1
【0015】
【化3】

式中、y=1、2、3、4または5であり、m=1〜8、好ましくは1〜4であり、
ここで、いくつかのCF基は、O、S(O)、NRまたはCHで置き換えられていてもよく、
【0016】
式中、
【化4】

は、1,2−または1,3−ジオール、1,2−または1,3−ジカルボン酸、1,2−または1,3−ヒドロキシカルボン酸を示し、
Xは、BまたはAlを示し、
R1〜R4は、ハロゲン、とくにF、および/または、フッ素化された、またはフッ素化されていない、アルコキシもしくはカルボニルラジカルを示す、
の基から選択されるアニオンを示す、
で表される、イオン液体によって達成される。
【0017】
従来のイオン液体と比べて、本発明の反応性イオン液体は、有機カチオンにおいて、電気化学的還元の影響を受けやすい官能基/置換基または側鎖を含むという事実によって区別される。これらは、とくに、
・シアノ基 −CN
・エステル基 −R−C(O)−ORまたは−R−O−C(O)−R
・カルボネート官能基 −R−O−C(O)−OR
・側鎖における二重結合 −R−CH=CH−R
である。
【0018】
驚くべきことに、本発明の反応性イオン液体は、エチレンカルボネート(Li/Liに対して0.7から0.8V)よりも有意に早く、Li/Liに対して約2Vから0.9Vの間の電位で、不動態化被覆層を形成する。この被覆層は電気的に不動態化しているが、リチウムイオンを透過し得る。さらなる利点は、Li/Liに対して>5Vの格別の酸化安定性にある。現在用いられている多くの他の添加剤(一部は高い毒性を有している(例えば、プロパンスルトン))と比べて、本発明の反応性イオン液体は、非揮発性であり、測定可能な蒸気圧を有していない。
【0019】
本発明のイオン液体のカチオンKは、好ましくは、一般式IV
【化5】

【0020】
式中、
Xは、CH、O、SまたはNR’を示し、
R’は、−(CH−CN、メチル、エチル、プロピル、ブチル、Hを示し、
Rは、H、メチル、エチル、プロピル、ブチルを示し、
は、−(CH−O−C(O)−R、−(CH−C(O)−OR、−(CH−O−C(O)−OR、−(CH−HC=CH−Rまたは−(CH−CNを示し、ここで、個々のCH基は、O,SまたはNRで置き換えられていてもよく、n=1〜8である、
から選択されたカチオンである。
【0021】
本発明のイオン液体のアニオンAは、好ましくは、以下のアニオン:[FP(C、[FP(C、[FP(C、[FP(C、[FP(C、[FP(C、[FP(C、[FP(C、[FP(C、パーフルオロアルキルカルボキシレート、パーフルオロアルキルスルホネート、ビス(パーフルオロアルキルスルホニル)イミド、(パーフルオロアルキルスルホニル)(パーフルオロアルキルカルボキシル)イミド、トリス(パーフルオロアルキルスルホニル)メチド、とくに好ましくは、トリフルオロアセテート、トリフルオロメタンスルホネート(トリフレート)、ビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミドおよびトリス(トリフルオロメチルスルホニル)メチドである。好ましいものとしてまた、スピロオキソボレート(spiro-oxo borates)およびスピロオキソホスフェートが挙げられ、とくに好ましくはスピロオキソボレートが挙げられる。
【0022】
本発明はさらに、少なくとも1種の伝導性塩、非プロトン性溶媒または溶媒混合物、少なくとも1種の本発明の前記式Iで表されるイオン液体、および任意にさらなる添加剤を含む電解質に関する。
【0023】
好ましい態様において(例えば、リチウムまたはリチウムイオンバッテリーにおける電解質の使用において)、伝導性塩は、LiPF、LiN(SOCF、LiN(SO、LiFP(C、LiFP(C、LiB(CまたはLiFB(Cなどのリチウム伝導性塩である。
【0024】
さらに好ましい態様において(例えば、二重層コンデンサまたはスーパーコンデンサにおける電解質の使用において)、伝導性塩は、N(CBF、N(CPF、N(C(CH)BF、N(C(CH)PF、N(CN(SOCF、N(C(CH)N(SOCF、N(CP(C、N(C(CH)FP(Cの群からの化合物である。
【0025】
電解質の非プロトン性溶媒は、好ましくは、有機開鎖または環状カルボネート、カルボン酸エステル、ニトリル、エーテルまたはそれらの混合物からなる。ニトリル、とくにアセトニトリルが、二重層コンデンサにおける溶媒として好ましく用いられる。
【0026】
本発明は、さらに、式Iのイオン液体の製造方法に関する:
・慣用の湿式化学方法によって、対応するアミン、ホスフィン、ハロカルボキシレート、ハロカルボネート、ハロアルキルニトリルまたはアルキルハライドから、オニウムクロリドまたはブロミドとして、請求項1に記載のアルキル−、カルボキシレート−、カルボネート−またはシアノ−含有側鎖を有する複素環カチオンKを製造すること、
【0027】
・これらのカチオン性オニウムクロリドまたはブロミドと、
対応するアニオン性の
−カリウムおよび/またはナトリウムフルオロアルキルホスフェート、または、カリウムおよび/またはナトリウムビス(フルオロアルキル)ホスフィネート、または、カリウムおよび/またはナトリウムフルオロアルキルホスホネート、または、フルオロアルキルリン酸、または、ビス(フルオロアルキル)ホスフィン酸、または、フルオロアルキルホスホン酸、または、アルキル、とくにメチル、ビス(フルオロアルキル)ホスフィネート、または、
−リチウムイミドまたはメチド、または、トリフルオロメタンスルホン酸、または、カリウムまたはリチウムトリフルオロアセテートまたはトリフレート、または、アルキルトリフレートまたはトリメチルシリルトリフレート、または、トリフルオロメタンスルホン酸無水物、または、トリフルオロ酢酸無水物、または、
−リチウムまたはカリウムボレート、ホスフェートまたはアルミネート
とを、水性および/またはアルコール性媒体または有機溶媒において、または溶媒なしに反応すること。
【0028】
カチオンの製造は、当業者に知られており、例えば、一般的に、P. Wasserscheid and T. Welton (Eds.) "Ionic Liquids in Synthesis", Wiley -VCH, 2003, pp. 7-40、または、イミダゾリウムカチオンについて、N. Gathergood, P.J. Scammells, Aust. J. Chem, 55 (2002), No. 9, pp. 557-560; E. Alcalde, M. Gisbert, L. Perez-Garcia, Heterocycles, 43 (1996), No. 3, pp. 567-580; Z. Fei, D. Zhao, T. J. Geldbach, R. Scopelliti, P.J. Dyson, Chem. Europ. J., 10 (2004), No. 19, pp. 4886-4893; D. Liu, Ji. Gui, X. Zhu, L. Song, Z. Sun, Synth. Commun., 37 (2007), No. 5, pp. 759-765; Ya. Peng, F. Yi, G. Song, Yi. Zhang, Monatsh. Chem., 136 (2005), No. 10, pp. 1751-1755; J. F. Dubreuil, J.P. Bazureau, Tetrahedron Lett., 41 (2000), No. 38, pp. 7351-7356; S.-K. Fu, Sh.-T. Liu, Synth. Commun., 36 (2006), No. 14, pp. 2059-2067; M. Yoshizawa, A. Narita, H. Ohno, Aust. J. Chem., 57 (2004), No. 2, pp. 139-144; A. Narita, W. Shibayama, H. Ohno, J. Mater. Chem., 16 (2006), No. 15, pp. 1475-1482; T. Mizumo, E. Marwanta, N. Matsumi, H. Ohno, Chem. Lett., 33 (2004), No. 10, pp. 1360-1361; D. Zhao, Zh. Fei, T. J. Geldbach, R. Scopelliti, G. Laurenczy, P.J. Dyson, Hel. Chim. Acta., 88 (2005), No. 3, pp. 665-675; A. Horvath, Synthesis, 1994, pp. 102-106、
【0029】
または、ピロリジニウムカチオンについて、L. Horner, A. Mentrup, Justus Liebigs Ann. Chem. 646 (1961), pp. 49-64; Bates et al., J. Chem. Soc. 1956, pp. 388-395, v.Braun Chem. Ber. 70 (1937), p. 983; Z. Dega-Szafran, R. Przybylak, J. Mol. Struct., 436 (1997), No. 1, pp. 107-122、または、ピペリジニウムカチオンについて、Walther et al., Chem. Ber., 89 (1956), pp. 60-65、または、モルホリニウムカチオンについて、Gresham et al., J. Am. Chem. Soc., 73 (1951), pp. 3168-3171; D. Le Berre, Bull. Soc. Chim. Fr., 1973, pp. 2404-2407; O.A. Kazantsev, S.A. Kazakov, K.V. Shirshin, S.M. Danov, Russ. J. Org. Chem., 36 (2000), No. 3, pp. 343-349; or for piperazinium cations in Z. Dega-Szafran, M. Jaskolski, I. Kurzyca, P. Barczynski, M. Szafran, J. Mol. Struct., 614 (2002), No. 1-3, pp. 23-32に記載されているような方法によって行うことができる。
【0030】
本発明のアニオンは、表1.1から1.3にみられるように、酸化安定性である。
表1.1
トリフレートおよびテトラフルオロボレートアニオンを有する類似のイオン液体と比較した、トリス(ペンタフルオロエチル)トリフルオロホスフェートアニオン(FAPアニオン)およびビス(ペンタフルオロエチル)ホスフィネートアニオン、(CP(O)Oを有する反応性イオン液体の電気化学的安定性
【0031】
【表1】

【0032】
表1.2
テトラフルオロボレートアニオンを有するイオン液体と比較した、ビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミドアニオンおよびトリフレートアニオンを有する反応性イオン液体の電気化学的安定性
【0033】
【表2】

【0034】
表1.3
ボレート、ホスフェートおよびアルミネートアニオンを有するイオン液体の電気化学的安定性
【表3】

【0035】
フルオロアルキルホスフェートベースの反応性イオン液体は、対応するカチオン性オニウムクロリドまたはオニウムブロミドと、対応するカリウムまたはナトリウムフルオロアルキルホスフェートまたはフルオロアルキルリン酸(HFAP)との水性媒体における反応によって製造される。
【0036】
ビス(フルオロアルキル)ホスフィネートベースのイオン液体は、3つの異なる方法によって製造される:
・ホスフィン酸によるこれらのイオン液体の製造(例5.1参照)
・対応するカリウム塩(カリウムフルオロアルキルホスフィネートなど)を介したこれらのイオン液体の製造(例5.2参照)
・対応するアルキルビス(フルオロアルキル)ホスフィネート、好ましくはメチルホスフィネートを介したこれらのイオン液体の製造(例5.3参照)。
【0037】
ホスフィン酸およびメチルホスフィネートを介したビス(フルオロアルキル)ホスフィネートベースのイオン液体の製造がここで好ましい。
イミドおよびメチドベースのイオン液体は、対応するカチオンオニウムクロリドまたはオニウムブロミドと、対応するリチウム塩との水性媒体における反応によって製造される。
【0038】
トリフルオロアセテートおよびトリフレートベースのイオン液体は、3つの異なる方法によって製造される:
・トリフリル酸によるトリフレートベースのイオン液体の製造(例5.1参照)
・対応するカリウムまたはリチウムトリフルオロアセテートまたはトリフレートを介したイオン液体の製造(例5.2参照)
・対応するメチルトリフレート、トリメチルシリルトリフレート、トリフリル酸無水物またはトリフルオロ酢酸無水物を介したイオン液体の製造(例5.3参照)。
【0039】
ここで、トリフリル酸またはトリフルオロ酢酸および/またはメチルまたはエチルトリフレートまたはトリフルオロアセテートまたはトリメチルシリルトリフレート、トリフリル酸無水物またはトリフルオロ酢酸無水物法を介したトリフルオロアセテートおよびトリフレートベースのイオン液体の製造が好ましい。
【0040】
ボレート、ホスフェートまたはアルミネートベースの反応性イオン液体は、対応するカチオンオニウムクロリドまたはオニウムブロミドと、対応するアニオンカリウムまたはリチウムボレート、ホスフェートまたはアルミネートとの水性または有機媒体における反応によって製造される。
最終製品を得るための本発明によるカチオンとアニオンとの反応は、0から150℃、好ましくは、0から50℃の温度で、とくに室温で行うことができる。
【0041】
好適な溶媒または溶媒混合物は、水または脱イオン水、アルコール、ジオキサン、アセトニトリルおよびアセトンである。用いられるアルコールは、好ましくは、メタノールまたはイソプロパノールである。メチルホスフィネートを用いる場合、溶媒は、通常、必要とされない。
本発明はさらに、一般式Iで表される少なくとも1種のイオン液体を含む少なくとも1種の電解質を含有する、電気化学および/または電気光学デバイスに関する。デバイスは、好ましくは、太陽電池、リチウムまたはリチウムイオンバッテリー、二重層コンデンサまたはスーパーコンデンサ、リチウムコンデンサ、発光デバイス、電気化学センサおよび/またはバイオセンサである。
【0042】
本発明はさらに、電気化学または電気光学セル用電解質における伝導性塩または添加剤としての、一般式Iで表される反応性イオン液体の使用に関する。
さらに好ましい態様において、本発明の反応性イオン液体は、バッテリー、リチウム二次バッテリー、二重層コンデンサおよびスーパーコンデンサまたはリチウムコンデンサにおける伝導性塩または添加剤として用いる。
【0043】
本発明はさらに、電気化学および/または電気光学デバイスにおける本発明の電解質の使用に関する。これらのデバイスは、好ましくは、リチウムまたはリチウムイオンバッテリー、二重層コンデンサ、スーパーコンデンサまたはリチウムコンデンサである。
【0044】
以下の例は、本発明を示すことを意図する。しかしながら、それらは限定しているとみなすべきではない。組成物に用いることができる全ての化合物または成分は、既知であり商業的に入手可能であるか、既知の方法によって合成することができる。例において示された温度は常に℃である。さらに、言うまでもないが、詳細な説明および例の両方において、組成物の成分の添加した量は、常に総計100%まで加える。パーセンテージのデータは、常に与えられた状況(context)において留意されるべきである。しかしながら、それらは大抵常に、示された部分量または総量の重量に関する。
【0045】

カチオンの製造
例1:アリル側鎖を含む複素環カチオンの製造
一般法:
1.1molのアリルクロリドを1molの対応するアミンまたはホスフィンに液滴で加える。ここで、温度を30から35℃の間に保たれることを確保しなければならない。次いで、反応混合物を40℃〜50℃で3時間〜48時間攪拌し(固体生成物が形成される場合、反応混合物をジクロロメタンまたはアセトニトリルで希釈する)、次いで、過剰なアリルクロリドおよび溶媒を減圧下(in vacuo)(2・10-3 mbar)で留去する。生成物の収量は、実質的に定量的である。
【0046】
【表4】

【0047】
例2:カルボキシレート側鎖またはカルボネート側鎖を含む複素環カチオンの製造
一般法:
300mlのアセトニトリル中、1molの対応するアミンまたはホスフィンを、最初に2l多首丸底フラスコへ精密ガラススターラーとともに導入し、80℃にする。1.1molの対応するハロカルボキシレートまたはカルボネート(好ましくは、ブロモカルボキシレートまたはカルボネート)を続いてゆっくりと1.5時間かけて液滴で加える。
【0048】
次いで、反応混合物をこの温度で0.5〜48時間、さらに反応させ、1lの酢酸エチルへ攪拌するとすぐに、生成物が白色固体として沈殿する。生成物を吸引しながら濾別し、酢酸エチルでリンスし、乾燥する(約30℃のウォーターバスを用いたロータリーエバポレーター)。収率は、90〜95%の間である。
【0049】
【表5−1】

【表5−2】

【表5−3】

【0050】
例3:シアノ含有側鎖を含有する複素環カチオンの製造
一般法:
1.1molのクロロアルキルニトリル(またはブロモもしくはヨウ化アルキルニトリル)を1molの対応するアミンまたはホスフィンに液滴で加える。ここで、温度を30から50℃の間に保たれることを確保しなければならない。次いで、反応混合物を50℃〜80℃で3時間〜48時間攪拌し(固体生成物が形成される場合、反応混合物をアセトニトリルで希釈する)、次いで、過剰なクロロアルキルニトリルおよび溶媒を減圧下(2・10-3 mbar)で留去する。生成物の収量は、実質的に定量的である。
【0051】
【表6】

【0052】
フルオロアルキルホスフェートおよびフルオロアルキルホスフィネートベースの反応性イオン液体の製造
例4:フルオロアルキルホスフェートベースの反応性イオン液体
一般法:
1molの対応するオニウムクロリドまたはオニウムブロミド(上記の例より)を、マグネットスターラーバー付きフラスコにおいて、200mlの脱イオン水に溶解し、1molの対応するカリウム(またはナトリウム)フルオロアルキルホスフェートを続いてゆっくりと加える。2つの相が直ちに形成される。
【0053】
これら2つの相を室温で、さらに1時間攪拌する。次いで、有機相を分離し、各回100mlの脱イオン水で、クロリドが無くなるまで(エビデンス:1molarの硝酸銀溶液)、5回洗浄し、減圧下で80℃〜90℃で乾燥する。
【0054】
例5.1:ホスホン酸によるビス(フルオロアルキル)ホスフィネートベースの反応性イオン液体の製造
一般法
1molの対応するオニウムクロリド(上記の例より)を、マグネットスターラーバー付きフラスコにおいて、200mlの脱イオン水に溶解し、1molの対応するビス(フルオロアルキル)ホスフィン酸を続いてゆっくりと加える。
【0055】
反応混合物を室温で、さらに1時間攪拌し、形成された塩酸とともに水を留去する。塩酸の完全な除去を達成するために、ジオキサンおよび水を用いる反復共沸蒸留(repeated azeotropic distillation)を使用することができる(硝酸銀溶液でのネガティブテストまで)。減圧下の80℃〜90℃での乾燥によって、実質的に定量的な収率において、ビス(フルオロアルキル)ホスフィネートを得る。
【0056】
例5.2:対応するカリウム塩を介したビス(フルオロアルキル)ホスフィネートベースの反応性イオン液体の製造
一般法
1molの対応するオニウムクロリド(上記の例より)を、マグネットスターラーバー付きフラスコにおいて、イソプロパノール(またはメタノールまたはアセトニトリル)に溶解し、1molの対応するカリウムフルオロアルキルホスフィネートを続いてゆっくり加える。
【0057】
反応混合物を室温で、さらに1時間攪拌し、形成したKClを濾別する。ロータリーエバポレーターの助けによる減圧下でのイソプロパノール(またはメタノールまたはアセトニトリル)の除去によって、実質的に定量的な収率において、ビス(フルオロアルキル)ホスフィネートを得る。
【0058】
例5.3:対応するメチルホスフィネートを介したビス(フルオロアルキル)ホスフィネートベースの反応性イオン液体の製造
1〜1.1molの対応するメチルビス(フルオロアルキル)ホスフィネートに、マグネットスターラーバー付きフラスコにおいて、1molの対応するオニウムクロリド(またはブロミド)(上記の例より)を加える。
【0059】
反応混合物を、室温で、または100℃まで加熱しながら、1〜20時間攪拌し、形成したCHCl(またはCHBr)および過剰のメチルビス(フルオロアルキル)ホスフィネートを減圧下で除去する。ビス(フルオロアルキル)ホスフィネートが実質的に定量的な収率で形成する。
【0060】
【表7】

【0061】
【表8−1】

【表8−2】

【表8−3】

【0062】
【表9−1】

【表9−2】

【0063】
アセテート、トリフレート、イミドおよびメチドベースの反応性イオン液体の製造
例5:イミドおよびメチドベースのイオン液体の製造
一般法
1molの対応するオニウムクロリドまたはオニウムブロミド(上記の例より)を、マグネットスターラーバー付きの1リットルのフラスコにおいて、200〜500mlの脱イオン水に溶解または部分的に懸濁し、1molの対応するリチウム塩またはカリウム塩または1molのビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド(N−H酸)またはトリス(トリフルオロメチルスルホニル)メチド(C−H酸)を続いてゆっくりと加える。2つの相が直ちに形成される。
【0064】
これらの2つの相を室温で、さらに1〜10時間攪拌する。次いで、該エマルジョンを各回50mlのジクロロメタンで、3回振とうすることによって抽出する。次いで、有機相を、各回100mlの脱イオン水で、クロリドが無くなるまで(エビデンス:1molarの硝酸銀溶液)、5回洗浄する。
【0065】
10gのAlおよび1.4gの活性炭を有機溶液に加え、該混合物を約1時間後に濾過し、約80℃のウォーターバスを用いたロータリーエバポレーターでエバポレートする。
【0066】
【表10】

【0067】
【表11−1】

【表11−2】

【0068】
【表12】

【0069】
トリフルオロアセテートまたはトリフレートベースのイオン液体の製造
例6.1:トリフリル酸によるトリフレートベースのイオン液体の製造
一般法
1molの対応するオニウムクロリド(上記の例より)を、マグネットスターラーバー付きのフラスコにおいて、200〜500mlの脱イオン水に溶解し、1molのトリフリル酸(=トリフルオロメタンスルホン酸)を続いてゆっくりと加える。
反応混合物を室温でさらに1時間攪拌し、形成したHClとともに水を留去する。HClの完全な除去を達成するために、ジオキサンおよび水を用いる反復共沸蒸留を使用することができる(硝酸銀溶液でのネガティブテストまで)。減圧下の80℃〜90℃での乾燥によって、実質的に定量的な収率において、対応するトリフレートを得る。
【0070】
例6.2:対応するカリウムまたはリチウム塩を介したトリフルオロアセテートまたはトリフレートベースのイオン液体の製造
一般法
1molの対応するオニウムクロリド(上記の例より)を、マグネットスターラーバー付きのフラスコにおいて、イソプロパノール(またはメタノールまたはアセトニトリル)に溶解し、1molの対応するカリウム(またはリチウム)トリフルオロアセテートまたはトリフレートを続いてゆっくりと加える。
反応混合物は室温で、さらに1時間攪拌し、形成されたKCl(またはLiCl)を濾別する。ロータリーエバポレーターの助けによる減圧下でのイソプロパノール(またはメタノールまたはアセトニトリル)の除去によって、実質的に定量的な収率において、トリフルオロアセテートまたはトリフレートが得られる。
【0071】
例6.3:対応するメチルトリフレート、トリメチルシリルトリフレート、トリフリル酸無水物またはトリフルオロ酢酸無水物を介したトリフルオロアセテートおよびトリフレートベースのイオン液体の製造
1〜1.1molの対応するメチルトリフレートまたはトリメチルシリルトリフレートまたはトリフリル酸無水物またはトリフルオロ酢酸無水物を、マグネットスターラーバー付きのフラスコにおいて、1molの対応するオニウムクロリド(またはブロミド)(上記の例より)に加える。
【0072】
反応混合物は、室温で、または100℃まで加熱しながら、さらに1〜48時間攪拌し、形成したCHCl(またはCHBrまたは(CHSiClまたはCFSOClまたはCFCOClまたはCFCOBr)および過剰のメチルまたはトリメチルシリルトリフレートまたは無水物を減圧下で除去する。トリフルオロアセテートまたはトリフレートは、実質的に定量的な収率において形成する。
【0073】
【表13−1】

【表13−2】

【0074】
【表14】

【0075】
例7:ボレート、ホスフェートおよびアルミネートベースのイオン液体の製造
一般法
1molの対応するオニウムクロリドまたはオニウムブロミド(上記の例より)を、マグネットスターラーバー付きの3リットルフラスコにおいて、2lのジクロロメタンに溶解し、1molの対応するカリウムまたはリチウム塩を続いてゆっくりと加える。加えた後、反応混合物を5日間攪拌する。次いで、500mlの脱イオン水をバッチに加える。2つの相が形成する。有機相を分離し、水相を300mlのジクロロメタンで洗浄し、全ての有機相を合わせる。有機相をさらに、各回250mlの脱イオン水で2回洗浄し、次いで、1/3にエバポレートし、続いて1lのn−ヘプタンへ攪拌する。
2つの相が形成する。イオン液体を含むn−ヘプタン相を一晩分離し、60〜70℃のウォーターバスを用いたロータリーエバポレーターでエバポレートする。
【0076】
【表15−1】

【表15−2】

【表15−3】

【表15−4】

【0077】
【表16−1】

【表16−2】

【表16−3】

【表16−4】

【表16−5】

【0078】
【表17−1】

【表17−2】

【0079】
例8:グラファイトでの調査
夫々の場合において、5回のサイクリックボルタモグラムを、グラファイトアノード(PVDFバインダーを有するSFG44)、リチウム対電極およびリチウム参照電極を備えた測定セルにおいて、逐次的に記録する。この目的のため、電位を最初、残留電位から始め、0.1mV/sの割合でLi/Liに対して0Vまで低くし、次いで、残留電位まで戻す。
用いた電解質は、夫々の場合において、表7から選択される約2%の反応性イオン液体を加えた、エチレンカーボネート:ジエチレンカーボネート(比3:7)中、1M LiPFである。反応性イオン液体は、Li/Liに対して約2V〜0.9Vの間の電位で、最外保護層を形成する。第2サイクルから、グラファイトのリチウムイオンの封入(inclusion)および抽出(extraction)の95%収率(±5%測定誤差)が達成される。
グラファイトにおける表15から選択される反応性イオン液体の共インターカレーションは観察することはできない。
【0080】
【表18−1】

【表18−2】

【表18−3】

【表18−4】

【0081】
例9:グラファイトでの調査
夫々の場合において、5回のサイクリックボルタモグラムを、グラファイトアノード(PVDFバインダーを有するSFG44)、リチウム対電極およびリチウム参照電極を備えた測定セルにおいて、逐次的に記録する。この目的のため、電位を最初、残留電位から始め、0.1mV/sの割合でLi/Liに対して0Vまで低くし、次いで、残留電位まで戻す。
用いた電解質は、夫々の場合において、表8から選択される約10%の反応性イオン液体を加えた、EC:DEC(3:7)中、1M LiPFである。反応性イオン液体は、Li/Liに対して約2V〜0.9Vの間の電位で、最外保護層を形成する。第2サイクルから、グラファイトのリチウムイオンの封入および抽出の90%より多くの収率(±5%測定誤差)が達成される。
グラファイトにおける表16から選択される反応性イオン液体の共インターカレーションは観察することはできない。
【0082】
【表19−1】

【表19−2】

【表19−3】

【表19−4】

【0083】
例10:酸化安定性の調査
夫々の場合において、5回のサイクリックボルタモグラムを、白金作用電極、リチウム対電極およびリチウム参照電極を備えた測定セルにおいて、逐次的に記録する。この目的のため、電位を最初、残留電位から始め、10mV/sの割合でLi/Liに対して6.0Vまで高くし、次いで、残留電位まで戻す。
用いた電解質は、夫々の場合において、表17から選択される約2%の反応性イオン液体を加えた、EC:DEC(3:7)中、1M LiPFである。酸化電位は、Li/Liに対して>5Vとして決定される。
参照電極の酸化安定性より下のシグナルは、調査したいかなる系においても見出されない。
【0084】
【表20−1】

【表20−2】

【表20−3】

【表20−4】

【0085】
例11:酸化安定性の調査
夫々の場合において、5回のサイクリックボルタモグラムを、白金作用電極、リチウム対電極およびリチウム参照電極を備えた測定セルにおいて、逐次的に記録する。この目的のため、電位を最初、残留電位から始め、10mV/sの割合でLi/Liに対して6.0Vまで高くし、次いで、残留電位まで戻す。
用いた電解質は、夫々の場合において、表18から選択される約10%の反応性イオン液体を加えた、EC:DEC中、1M LiPFである。酸化電位は、Li/Liに対して>5Vとして決定される。
参照電極の酸化安定性より下のシグナルは、調査したいかなる系においても見出されない。
【0086】
【表21−1】

【表21−2】

【表21−3】

【表21−4】


【特許請求の範囲】
【請求項1】
一般式I
【化1】

式中、
は、一般式IIからIX
【化2】

式中、
Xは、CH、O、SまたはNR’を示し、
R’は、−(CH−CN、C〜C16−アルキル、好ましくは、メチル、エチル、プロピル、Hを示し、
Rは、H、C〜C16−アルキル、好ましくは、メチル、エチル、プロピルを示し、
R5は、−(CH−O−C(O)−R、−(CH−C(O)−OR、−(CH−O−C(O)−OR、−(CH−HC=CH−Rまたは−(CH−CNを示し、ここで、個々のCH基は、O,SまたはNRで置き換えられていてもよく、n=1〜8である、
の基から選択されるカチオンを示し、かつ、
は、
[FP(C2m+16−y
(C2m+1P(O)O
2m+1P(O)O2-
O−C(O)−C2m+1
O−S(O)−C2m+1
N(C(O)−C2m+1
N(S(O)−C2m+1
N(C(O)−C2m+1)(S(O)−C2m+1
N(C(O)−C2m+1)(C(O)F)
N(S(O)−C2m+1)(S(O)F)
N(S(O)F)
C(C(O)−C2m+1
C(S(O)−C2m+1
【化3】

【化4】

式中、y=1、2、3、4または5であり、m=1〜8、好ましくは1〜4であり、
ここで、いくつかのCF基は、O、S(O)、NRまたはCHで置き換えられていてもよく、
式中、
【化5】

は、1,2−または1,3−ジオール、1,2−または1,3−ジカルボン酸、1,2−または1,3−ヒドロキシカルボン酸を示し、
Xは、BまたはAlを示し、
R1〜R4は、ハロゲン、とくにF、および/または、フッ素化された、またはフッ素化されていない、アルコキシもしくはカルボニルラジカルを示す、
の基から選択されるアニオンを示す、
で表される、イオン液体。
【請求項2】
カチオンKが、一般式IV
【化6】

式中、
Xは、CH、O、SまたはNR’を示し、
R’は、−(CH−CN、C〜C16−アルキル、好ましくは、メチル、エチル、プロピル、Hを示し、
Rは、H、C〜C16−アルキル、好ましくは、メチル、エチル、プロピルを示し、
は、−(CH−O−C(O)−R、−(CH−C(O)−OR、−(CH−O−C(O)−OR、−(CH−HC=CH−Rまたは−(CH−CNを示し、ここで、個々のCH基は、O,SまたはNRで置き換えられており、n=1〜8である、
から選択された化合物であることを特徴とする、請求項1に記載のイオン液体。
【請求項3】
少なくとも1種の伝導性塩、非プロトン性溶媒または溶媒混合物、少なくとも1種の請求項1または2に記載のイオン液体、および、任意にさらなる添加剤を含む、電解質。
【請求項4】
伝導性塩が、LiPF、LiN(SOCF、LiN(SO、LiFP(C、LiFP(C、LiB(CまたはLiFB(Cなどのリチウム伝導性塩であることを特徴とする、請求項3に記載の電解質。
【請求項5】
伝導性塩が、以下の化合物:
N(CBF、N(CPF、N(C(CH)BF、N(C(CH)PF、N(CN(SOCF、N(C(CH)N(SOCF、N(CP(C、N(C(CH)FP(C
から選択される伝導性塩であることを特徴とする、請求項3に記載の電解質。
【請求項6】
非プロトン性溶媒が、有機開鎖または環状カルボネート、カルボン酸エステル、ニトリル、エーテル、ラクトンまたはそれらの混合物からなることを特徴とする、請求項3〜5のいずれか一項に記載の電解質。
【請求項7】
以下のステップ:
・慣用の湿式化学方法によって、対応するアミン、ホスフィン、ハロカルボキシレート、ハロカルボネート、ハロアルキルニトリルまたはアルキルハライドから、オニウムクロリドまたはブロミドとして、請求項1に記載のアルキル−、カルボキシレート−、カルボネート−またはシアノ−含有側鎖を有する複素環カチオンKを製造すること、
・これらのカチオン性オニウムクロリドまたはブロミドと、
対応するアニオン性のカリウムおよび/またはナトリウムフルオロアルキルホスフェート、および/または、カリウムおよび/またはナトリウムビス(フルオロアルキル)ホスフィネート、および/または、カリウムおよび/またはナトリウムフルオロアルキルホスホネート、および/または、フルオロアルキルリン酸、および/または、ビス(フルオロアルキル)ホスフィン酸、および/または、フルオロアルキルホスホン酸、および/または、アルキル、とくにメチル、ビス(フルオロアルキル)ホスフィネート、または、
−リチウムイミドまたはメチド、および/または、トリフルオロメタンスルホン酸、または、カリウムまたはリチウムトリフルオロアセテートまたはトリフレート、または、アルキルトリフレートまたはトリメチルシリルトリフレート、および/または、トリフルオロメタンスルホン酸無水物、または、トリフルオロ酢酸無水物、または、
−リチウムまたはカリウムボレート、ホスフェートまたはアルミネート
とを、水性および/またはアルコール性媒体または有機溶媒において、または溶媒なしに反応すること、
を含む、請求項1に記載の式Iで表されるイオン液体の製造方法。
【請求項8】
請求項1に記載の一般式Iで表される少なくとも1種のイオン液体を含む少なくとも1種の電解質を含有する、電気化学および/または電気光学デバイス。
【請求項9】
少なくとも1種の太陽電池、リチウムイオンバッテリー、リチウムバッテリー、二重層コンデンサまたはスーパーコンデンサ、リチウムコンデンサ、発光デバイス、電気化学センサおよび/またはバイオセンサであることを特徴とする、請求項8に記載の電気化学および/または電気光学デバイス。
【請求項10】
電気化学または電気光学セル用電解質における伝導性塩または添加剤としての、請求項1に記載の一般式Iで表されるイオン液体の使用。
【請求項11】
バッテリー用電解質における伝導性塩または添加剤としての、請求項1に記載の式Iで表されるイオン液体の使用。
【請求項12】
リチウム二次バッテリーの電解質における伝導性塩または添加剤としての、請求項1に記載の式Iで表されるイオン液体の使用。
【請求項13】
二重層コンデンサおよびスーパーコンデンサまたはリチウムコンデンサにおける請求項1に記載の式Iで表されるイオン液体の使用。
【請求項14】
電気化学および/または電気光学デバイスにおける請求項3〜6のいずれか一項に記載の電解質の使用。
【請求項15】
リチウムまたはリチウムイオンバッテリーにおける請求項3〜6のいずれか一項に記載の電解質の使用。
【請求項16】
二重層コンデンサおよびスーパーコンデンサまたはリチウムコンデンサにおける請求項3〜6のいずれか一項に記載の電解質の使用。

【公表番号】特表2011−525173(P2011−525173A)
【公表日】平成23年9月15日(2011.9.15)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−506585(P2011−506585)
【出願日】平成21年3月31日(2009.3.31)
【国際出願番号】PCT/EP2009/002329
【国際公開番号】WO2009/132740
【国際公開日】平成21年11月5日(2009.11.5)
【出願人】(591032596)メルク パテント ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング (1,043)
【氏名又は名称原語表記】Merck Patent Gesellschaft mit beschraenkter Haftung
【住所又は居所原語表記】Frankfurter Str. 250,D−64293 Darmstadt,Federal Republic of Germany
【Fターム(参考)】