説明

4級アンモニウムテトラフルオロボレート塩の精製方法

【課題】 収率の低下を抑制しつつ、不純物としての3級アミン又は3級アンモニウム塩を除去して高純度に精製可能な4級アンモニウムテトラフルオロボレート塩の精製方法を提供する。
【解決手段】 本発明の4級アンモニウムテトラフルオロボレート塩の精製方法は、4級アンモニウムテトラフルオロボレート塩中に含まれる3級アミン又は3級アンモニウム塩の少なくとも何れかに対し過剰となる量のフッ化水素酸を、該4級アンモニウムテトラフルオロボレート塩に添加することにより、3級アミン又は3級アンモニウム塩の少なくとも何れかと反応させて3級アンモニウムフルオロライドのフッ化水素塩を生成させ、前記3級アンモニウムフルオロライドのフッ化水素塩を除去することを特徴とする。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、4級アンモニウムテトラフルオロボレート塩の精製方法に関し、より詳細には、電気二重層キャパシタ等の非水電解液電池の電解質として使用される4級アンモニウムテトラフルオロボレート塩中に含まれる不純物としての3級アミン又は3級アンモニウム塩を除去することが可能な4級アンモニウムテトラフルオロボレート塩の精製方法に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、バッテリーや電気二重層キャパシタをはじめとする電気化学デバイスの出力密度、エネルギー密度向上の要求が高まっており、それと同時に、長期的に使用した際の性能劣化を如何に低く抑えられるかということも重要な課題となっている。なかでも電気二重層キャパシタはバッテリーと比較して化学反応を伴わない為、性能劣化が起こりにくいことが長所の一つである。その信頼性を高く維持するには使用する電解質に含まれる不純物の含有量の制御が必要不可欠である。電気二重層キャパシタの電解質としては4級アンモニウムテトラフルオロボレートがしばしば使用される。テトラフルオロボレートアニオンは電気化学的な耐酸化性に優れており、分子容がコンパクトでありながらマイナス電荷が分散しており、電気伝導性に優れるためである。
【0003】
従来、4級アンモニウムテトラフルオロボレートの製造方法としては、3級アミンにアルキルハライドを反応させて4級アンモニウムハライドとし、これにホウフッ化水素酸水溶液を反応させる方法がある。また、3級アミンに炭酸ジエステルを反応させて4級アンモニウム塩を生成させ、次いでホウフッ化水素酸水溶液を反応させて脱炭酸させる方法がある。いずれの方法も3級アミンの4級化反応が完全に行われなかった場合、未反応の3級アミンは次工程でホウフッ化水素酸と反応して3級アンモニウムテトラフルオロボレートを生成し、主生成物である4級アンモニウムテトラフルオロボレート中に混入することになる。また、3級アミンは4級アンモニウムテトラフルオロボレートの製造工程に於いて熱分解により生成する場合もある。3級アミンは、電気二重層キャパシタ等の非水電解液電池の長期信頼性低下の原因となる。3級アンモニウムテトラフルオロボレートのカチオンの水素原子はプロトンとして放出されやすいため、特に還元反応に対して不安定であり、電気二重層キャパシタの耐電圧及び長期信頼性低下の原因となることが知られている(例えば、下記特許文献1参照)。
【0004】
従って、電解質として用いられる4級アンモニウムテトラフルオロボレート中の3級アミン又は3級アンモニウム塩については、これらを除去する必要がある。
【0005】
3級アミン又は3級アンモニウム塩の含有を極力回避する最も直接的な方法としては、3級アミンとアルキルハライド又は炭酸ジエステルとによる4級化反応の際に、3級アミンが極力混入しないようにすることである。即ち、4級化反応の転化率を極力高めることである。或いは、4級化反応により得られた4級アンモニウム塩中に残留する未反応の3級アミンを再結晶する等の方法により除去する手法が挙げられる。
【0006】
しかしながら、この様にして3級アミンの含有量を極力低減させた4級アンモニウムハライドあるいは4級アンモニウム炭酸塩を原料として、4級アンモニウムテトラフルオロボレートに塩交換しても、その後の乾燥工程等で4級アンモニウムテトラフルオロボレートの熱分解により3級アミンが生成する場合もある。4級アンモニウムテトラフルオロボレート中の3級アミンを除去する方法としては、該塩を減圧下で加熱することにより含有する3級アミンを蒸発させて除去する方法や、該塩を再結晶する方法等が挙げられる。
【0007】
4級アンモニウムテトラフルオロボレート塩中に3級アミンが存在すれば減圧下で加熱する等の操作により効果的に除去することができる。しかし、4級アンモニウムテトラフルオロボレート塩の製造工程でホウフッ化水素酸を使用する場合には、3級アンモニウムテトラフルオロボレートとして存在する為、減圧下で加熱しても3級アミンを除去することは困難である。一方、4級アンモニウムテトラフルオロボレート塩中の3級アンモニウム塩を除去するために、該塩をアルコール類等の有機溶媒中に於いて再結晶する方法が、例えば下記特許文献1に開示されている。
【0008】
しかしながら、再結晶による方法では、アルコール類に対する溶解度が高い4級アンモニウムテトラフルオロボレート塩の場合には、その精製工程を繰り返す必要があり、収率が低下する問題がある。更に、4級アンモニウムテトラフルオロボレートの中には常温溶融塩も存在し、こうした場合、再結晶できないといった問題点が生じる。また、4級アンモニウムテトラフルオロボレート塩中の3級アンモニウム塩を除去するために、該塩を再結晶化する為のアルコール類等の有機溶媒を使用する必要がある場合、防爆設備を導入する必要も生じ、工業的な実施方法としては適切ではないという問題がある。
【特許文献1】特開2000−311839号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
本発明は前記問題点に鑑みなされたものであり、その目的は、収率の低下を抑制しつつ、不純物としての3級アミン又は3級アンモニウム塩を除去して高純度に精製可能な4級アンモニウムテトラフルオロボレート塩の精製方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本願発明者等は、前記従来の問題点を解決すべく、4級アンモニウムテトラフルオロボレート塩の精製方法について検討した。その結果、下記構成を採用することにより前記目的を達成できることを見出して、本発明を完成させるに至った。
【0011】
本発明の4級アンモニウムテトラフルオロボレート塩の精製方法は、前記の課題を解決する為に、4級アンモニウムテトラフルオロボレート塩中に含まれる3級アミン又は3級アンモニウム塩の少なくとも何れかに対し過剰となる量のフッ化水素酸を、該4級アンモニウムテトラフルオロボレート塩に添加することにより、3級アミン又は3級アンモニウム塩の少なくとも何れかと反応させて3級アンモニウムフルオロライドのフッ化水素塩を生成させ、前記3級アンモニウムフルオロライドのフッ化水素塩を除去することを特徴とする。
【0012】
前記方法によれば、4級アンモニウムテトラフルオロボレート塩にフッ化水素酸を添加することにより、不純物として含まれる3級アミン又は3級アンモニウム塩とフッ化水素酸とを反応させる。この反応により、前記3級アミン又は3級アンモニウム塩よりも沸点又は分解温度の低い3級アンモニウムフルオロライドのフッ化水素塩が生成する。更に、未反応の残存しているフッ化水素酸を留去することにより、従来よりも容易に不純物を除去することができる。即ち、前記方法によれば、従来繰り返し行われていた精製工程が不要となり、収率の低下を抑制することができる。また、3級アンモニウム塩を除去するために、4級アンモニウムテトラフルオロボレート塩を再結晶化する為の有機溶媒を使用する必要もない。その結果、防爆設備を導入する必要もなく、製造コストを低減し工業的な実施を可能にする。
【0013】
前記フッ化水素酸の添加量は、4級アンモニウムテトラフルオロボレート塩の重量に対し、0.01〜10重量倍であることが好ましい。
【0014】
前記4級アンモニウムテトラフルオロボレート塩は常温溶融塩であってもよい。従来の有機溶媒を用いた再結晶化法では、4級アンモニウムテトラフルオロボレート塩が常温溶融塩として存在する場合、再結晶できなかった。しかし、本発明の精製方法であると、その様な場合であっても、収率の低下を抑制して4級アンモニウムテトラフルオロボレート塩の精製が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0015】
本発明の実施の形態について、以下に説明する。
本実施の形態に係る4級アンモニウムテトラフルオロボレート塩の精製方法は、フッ化水素酸を添加することにより3級アンモニウムフルオロライドのフッ化水素塩を生成させた後、これを除去して3級アミン又は3級アンモニウム塩の少なくとも何れか一方を低減又は除去しようとするものである。この精製方法の原理は明らかではないが、4級アンモニウムテトラフルオロボレート塩中に含まれる3級アミン又は3級アンモニウム塩が、それらより沸点又は分解温度の低い3級アンモニウムフルオライドのフッ化水素酸塩に変換されることにより、容易に系外に3級アンモニウムフルオライドのフッ化水素酸塩を留去できるものと推測される。尚、4級アンモニウムテトラフルオロボレート塩の詳細については後述する。
【0016】
前記フッ化水素酸を4級アンモニウムテトラフルオロボレート塩に添加する際の温度としては、−20℃〜200℃が好ましく、0℃〜100℃がより好ましく、0℃〜30℃が更に好ましい。前記温度範囲内で、必要に応じて沸騰しない程度に加熱することもできる。
【0017】
フッ化水素酸の添加量は少量でも十分効果が得られるが、4級アンモニウムテトラフルオロボレート塩が固体の場合は完溶させるだけのフッ化水素酸を添加することが好ましい。より好ましくは、工業的な実用性の観点から4級アンモニウムテトラフルオロボレート塩の重量に対して0.01重量倍〜10重量倍、更に好ましくは0.2重量倍〜2重量倍である。添加量が0.01重量倍未満であると、フッ化水素酸に対し未反応の3級アミン又は3級アンモニウム塩が多く含まれる結果、これらの不純物の除去を十分に行うことができない場合がある。その一方、添加量が10重量倍を超えると、添加したフッ化水素酸の留去工程が長時間必要であるという不都合な場合がある。
【0018】
また、前記フッ化水素酸としては特に限定されず、例えば無水フッ化水素酸が使用できる。フッ化水素酸の濃度としては、20〜100重量%が好ましく、より好ましくは50〜100重量%、さらに好ましくは75〜100重量%である。
【0019】
3級アミン又は3級アンモニウム塩とフッ化水素酸との反応は、常温でも速やかに進行する。よって、反応時間は長くとる必要がなく、4級アンモニウムテトラフルオロボレート塩にフッ化水素酸を添加後、直ちに3級アンモニウムフルオライドのフッ化水素酸塩の除去を行ってもよい。フッ化水素酸塩の除去方法は特に限定するものではなく、定法により蒸留でき、減圧又は加熱してもよく、これらを組み合わせてもよい。また、加熱を行いながら、窒素、アルゴン又は空気など、4級アンモニウムテトラフルオロボレートと反応しないガスを吹き込んで除去を行うこともできる。前記フッ化水素酸塩を除去する際の温度は、4級アンモニウムテトラフルオロボレート塩の分解温度を上限温度として行うのが好ましい。より具体的には、50〜200℃が好ましく、110〜200℃がより好ましく、150〜200℃が特に好ましい。
【0020】
本発明の精製方法によって、4級アンモニウムテトラフルオロボレートに含まれる3級アミン又は3級アンモニウム塩の含有量が1回の操作で所望の数値に達しない場合には、本発明の精製方法を繰り返し行うことができる。これにより、3級アミン又は3級アンモニウム塩の含有量を一層低減することができる。
【0021】
ここで、4級アンモニウムテトラフルオロボレート塩を構成するカチオンとしては、テトラアルキルアンモニウムカチオン、テトラアルキルホスホニウムカチオン、イミダゾリウムカチオン、ピラゾリウムカチオン、ピリジニウムカチオン、トリアゾリウムカチオン、ピリダジニウムカチオン、チアゾリウムカチオン、オキサゾリウムカチオン、ピリミジニウムカチオン、ピラジニウムカチオン等が挙げられるがこの限りではない。
【0022】
テトラアルキルアンモニウムカチオンとしては、テトラエチルアンモニウム、テトラメチルアンモニウム、テトラプロピルアンモニウム、テトラブチルアンモニウム、トリエチルメチルアンモニウム、トリメチルエチルアンモニウム、ジメチルジエチルアンモニウム、トリメチルプロピルアンモニウム、トリメチルブチルアンモニウム、ジメチルエチルプロピルアンモニウム、メチルエチルプロピルブチルアンモニウム、N,N−ジメチルピロリジニウム、N−エチル−N−メチルピロリジニウム、N−メチル−N−プロピルピロリジニウム、N−エチル−N−プロピルピロリジニウム、N,N−ジメチルピペリジニウム、N−メチル−N−エチルピペリジニウム、N−メチル−N−プロピルピペリジニウム、N−エチル−N−プロピルピペリジニウム、スピロ−N,N’−ビピリジニウム、スピロ−N,N’−ビピペリジニウム、スピロ−N−ピペリジニウム−N−ピリジニウム、スピロ−N−アジリジニウム−N−ピリジニウム、スピロ−N−アジリジニウム−N−ピペリジニウム、N,N−ジメチルモルホリニウム、N−メチル−N−エチルモルホリニウム、N−メチル−N−プロピルモルホリニウム、N−エチル−N−プロピルモルホリニウム、トリメチルメトキシメチルアンモニウム、ジメチルエチルメトキシメチルアンモニウム、ジメチルプロピルメトキシメチルアンモニウム、ジメチルブチルメトキシメチルアンモニウム、ジエチルメチルメトキシメチルアンモニウム、メチルエチルプロピルメトキシメチルアンモニウム、トリエチルメトキシメチルアンモニウム、ジエチルプロピルメトキシメチルアンモニウム、ジエチルブチルメトキシメチルアンモニウム、ジプロピルメチルメトキシメチルアンモニウム、ジプロピルエチルメトキシメチルアンモニウム、トリプロピルメトキシメチルアンモニウム、トリブチルメトキシメチルアンモニウム、トリメチルエトキシメチルアンモニウム、ジメチルエチルエトキシメチルアンモニウム、ジメチルプロピルエトキシメチルアンモニウム、ジメチルブチルエトキシメチルアンモニウム、ジエチルメチルエトキシメチルアンモニウム、トリエチルエトキシメチルアンモニウム、ジエチルプロピルエトキシメチルアンモニウム、ジエチルブチルエトキシメチルアンモニウム、ジプロピルメチルエトキシメチルアンモニウム、ジプロピルエチルエトキシメチルアンモニウム、トリプロピルエトキシメチルアンモニウム、トリブチルエトキシメチルアンモニウム、N−メチル−N−メトキシメチルピロリジニウム、N−エチル−N−メトキシメチルピロリジニウム、N−プロピル−N−メトキシメチルピロリジニウム、N−ブチル−N−メトキシメチルピロリジニウム、N−メチル−N−エトキシメチルピロリジニウム、N−メチル−N−プロポキシメチルピロリジニウム、N−メチル−N−ブトキシメチルピロリジニウム、N−メチル−N−メトキシメチルピペリジニウム、N−エチル−N−メトキシメチルピロリジニウム、N−メチル−N−エトキシメチルピロリジニウム、N−プロピル−N−メトキシメチルピロリジニウム、N−メチル−N−プロポキシメチルピロリジニウム等が挙げられるがこれらの限りではない。
【0023】
テトラアルキルホスホニウムカチオンとしては、テトラエチルホスホニウム、テトラメチルホスホニウム、テトラプロピルホスホニウム、テトラブチルホスホニウム、トリエチルメチルホスホニウム、トリメチルエチルホスホニウム、ジメチルジエチルホスホニウム、トリメチルプロピルホスホニウム、トリメチルブチルホスホニウム、ジメチルエチルプロピルホスホニウム、メチルエチルプロピルブチルホスホニウム等が挙げられる。
【0024】
イミダゾリウムカチオンとしては、1,3−ジメチルイミダゾリウム、1−エチル−3−メチルイミダゾリウム、1,3−ジエチルイミダゾリウム、1,2−ジメチル−3−エチルイミダゾリウム、1,2−ジメチル−3−プロピルイミダゾリウム等が挙げられるがこれらの限りではない。ピラゾリウムカチオンとしては1,2−ジメチルピラゾリウム、1−メチル−2−エチルピラゾリウム、1−プロピル−2−メチルピラゾリウム、1−メチル−2−ブチルピラゾリウム等が挙げられるがこれらの限りではない。ピリジニウムカチオンとしてはN−メチルピリジニウム、N−エチルピリジニウム、N−プロピルピリジニウム、N−ブチルピリジニウム等が挙げられるがこれらの限りではない。トリアゾリウムカチオンとしては、1−メチルトリアゾリウム、1−エチルトリアゾリウム、1−プロピルトリアゾリウム、1−ブチルトリアゾリウム等が挙げられるがこれらの限りではない。
【0025】
ピリダジニウムカチオンとしては1−メチルピリダジニウム、1−エチルピリダジニウム、1−プロピルピリダジニウム、1−ブチルピリダジニウム等が挙げられるがこれらの限りではない。チアゾリウムカチオンとしては、1,2−ジメチルチアゾリウム、1,2−ジメチル−3−プロピルチアゾリウム等が挙げられるがこれらの限りではない。オキサゾリウムカチオンとしては、1−エチル−2−メチルオキサゾリウム、1,3−ジメチルオキサゾリウム等が挙げられるがこれらの限りではない。ピリミジニウムカチオンとしては、1,2−ジメチルピリミジニウム、1−メチル−3−プロピルピリミジニウム等が挙げられるがこれらの限りではない。ピラジニウムカチオンとしては、1−エチル−2−メチルピラジニウム、1−ブチルピラジニウム等が挙げられるがこれらに限定されるものではない。
【0026】
前記4級アンモニウムテトラフルオロボレート塩の製造方法としては特に限定されず、従来公知の種々の方法を採用することができる。具体的には、例えば3級アミンにアルキルハライドを反応させて4級アンモニウムハライドとし、これにホウフッ化水素酸水溶液を反応させる方法や、3級アミンに炭酸ジエステルを反応させて4級アンモニウム塩を生成させ、次いでホウフッ化水素酸水溶液を反応させて脱炭酸させる方法等が挙げられる。
【実施例】
【0027】
以下に、この発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但し、この実施例に記載されている材料や配合量等は、特に限定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではなく、単なる説明例に過ぎない。
【0028】
(4級アンモニウムテトラフルオロボレート塩中に含まれる3級アミン及び3級アンモニウム塩の分析)
3級アミン及び3級アンモニウム塩の含有量は、液体クロマトグラフィーを用いて分析した。分析条件は、下記の通りである。即ち、カラムInertsil ODS−3 250mm×4.6mmI.D. 5.0μm(ジーエルサイエンス社製)、検出器L−7490 RI検出器(日立製作所社製)、L−7405 UV検出器(日立製作所社製)、移動相 {NaHPO 1mM + KHPO 9mM + NaClO 100mM}/HO、流速1.0mL/min、カラム温度40℃とした。
【0029】
(実施例1)
トリエチルアンモニウムテトラフルオロボレート塩410ppmを含むトリエチルメチルアンモニウムテトラフルオロボレート100.0gに対し、無水フッ化水素酸18.0gを添加し均一混合した。その後、130℃の条件下で、窒素5L/minにてバブリングしながら、15時間の加熱乾燥をして行った。精製後のトリエチルメチルアンモニウムテトラフルオロボレート99.9gについて、トリエチルアンモニウムテトラフルオロボレート塩の含有量を測定したところ360ppmであった。
【0030】
(実施例2)
本実施例に於いては、無水フッ化水素酸の添加量を36.0gに変更したこと以外は、前記実施例1と同様にしてトリエチルアンモニウム塩の精製を行った。その結果、トリエチルメチルアンモニウムテトラフルオロボレート99.9gに含まれるトリエチルアンモニウム塩は311ppmであった。
【0031】
(実施例3)
本実施例に於いては、温度条件を150℃に変更したこと以外は、前記実施例1と同様にしてトリエチルアンモニウム塩の精製を行った。その結果、トリエチルメチルアンモニウムテトラフルオロボレート99.9gに含まれるトリエチルアンモニウム塩は122ppmであった。
【0032】
(実施例4)
本実施例に於いては、精製時間を18時間に変更したこと以外は、前記実施例3と同様にしてトリエチルアンモニウム塩の精製を行った。その結果、トリエチルメチルアンモニウムテトラフルオロボレート99.9gに含まれるトリエチルアンモニウム塩は70ppmであった。
【0033】
(実施例5)
N−メチルイミダゾリウム塩500ppmを含む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100.0gに対し、無水フッ化水素酸10.0gを添加し均一混合した。その後、150℃の条件下で、窒素5L/minにてバブリングしながら、18時間の加熱乾燥をして行った。精製後の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99.9gについて、N−メチルイミダゾリウム塩の含有量を測定したところ60ppmであった。
【0034】
(比較例1)
トリエチルアンモニウム塩410ppmを含むトリエチルメチルアンモニウムテトラフルオロボレート100.0gに対し、130℃の条件下で、5L/minの窒素をフローしながら、18時間の加熱乾燥を行った。精製後のトリエチルメチルアンモニウムテトラフルオロボレート99.9gについて、トリエチルアンモニウム塩の含有量を測定したところ408ppmであった。
【0035】
(比較例2)
N−メチルイミダゾリウム塩500ppmを含む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100.0gに対し、150℃の条件下で、窒素 5L/minをフローしながら18時間処理をした。精製後の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99.9gについて、N−メチルイミダゾリウム塩の含有量を測定したところ499ppmであった。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
4級アンモニウムテトラフルオロボレート塩中に含まれる3級アミン又は3級アンモニウム塩の少なくとも何れかに対し過剰となる量のフッ化水素酸を、該4級アンモニウムテトラフルオロボレート塩に添加することにより、3級アミン又は3級アンモニウム塩の少なくとも何れかと反応させて3級アンモニウムフルオロライドのフッ化水素塩を生成させ、
前記3級アンモニウムフルオロライドのフッ化水素塩を除去することを特徴とする4級アンモニウムテトラフルオロボレート塩の精製方法。
【請求項2】
前記フッ化水素酸の添加量は、4級アンモニウムテトラフルオロボレート塩の重量に対し、0.01〜10重量倍であることを特徴とする請求項1に記載の4級アンモニウムテトラフルオロボレート塩の精製方法。
【請求項3】
前記4級アンモニウムテトラフルオロボレート塩は常温溶融塩であることを特徴とする請求項1又は2に記載の4級アンモニウムテトラフルオロボレート塩の精製方法。

【公開番号】特開2007−281014(P2007−281014A)
【公開日】平成19年10月25日(2007.10.25)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2006−102116(P2006−102116)
【出願日】平成18年4月3日(2006.4.3)
【出願人】(000162847)ステラケミファ株式会社 (81)
【Fターム(参考)】