特許 5796128 ２つの中心を有するビピリジルカチオン系イオン液体、その調製方法及び使用

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5796128

(24)【登録日】2015年8月21日

(45)【発行日】2015年10月21日

(54)【発明の名称】２つの中心を有するビピリジルカチオン系イオン液体、その調製方法及び使用

(51)【国際特許分類】

   C07D 213/22 20060101AFI20151001BHJP

【ＦＩ】

   C07D213/22CSP

【請求項の数】10

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2014-527454(P2014-527454)

(86)(22)【出願日】2011年8月30日

(65)【公表番号】特表2014-525419(P2014-525419A)

(43)【公表日】2014年9月29日

(86)【国際出願番号】CN2011079118

(87)【国際公開番号】WO2013029237

(87)【国際公開日】20130307

【審査請求日】2014年2月28日

(73)【特許権者】

【識別番号】511215230

【氏名又は名称】オーシャンズ キング ライティング サイエンスアンドテクノロジー カンパニー リミテッド

(73)【特許権者】

【識別番号】514052553

【氏名又は名称】シェンジェン オーシャンズ キング ライティング エンジニアリング カンパニー リミテッド

【氏名又は名称原語表記】ＳＨＥＮＺＨＥＮ ＯＣＥＡＮ’Ｓ ＫＩＮＧ ＬＩＧＨＴＩＮＧ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ ＣＯ．， ＬＴＤ

(74)【代理人】

【識別番号】100121728

【弁理士】

【氏名又は名称】井関 勝守

(72)【発明者】

【氏名】チョウ ミンジェ

(72)【発明者】

【氏名】リゥ ダーシー

(72)【発明者】

【氏名】ワン ヤオビン

【審査官】 早乙女 智美

(56)【参考文献】

【文献】 特開昭５４−１４３７８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００５−５３０８９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 K. Chandrasekaran et al.，Photoelectrochemical Cells Based on Hydrogen-Atom Abstraction and Electron-Transfer Reactions in Solution: Systems Based on Benzophenone, 2-Propanol, Trialkylamines, and Methyl Viologen，Journal of the American Chemical Society，１９８１年，103(24)，p. 7270-7275

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ０７Ｄ

Ｈ０１Ｇ９／０２

Ｈ０１Ｍ１０／０５６８

ＣＡｐｌｕｓ／ＲＥＧＩＳＴＲＹ（ＳＴＮ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

下記の構造式を有することを特徴とする、２つの中心を有するビピリジルカチオン系イオン液体。

【化1】

（ここで、Ｙ⁻はＢＦ_４⁻、ＰＦ_６⁻、（ＣＦ_３ＳＯ_２）_２Ｎ⁻又は（ＦＳＯ_２）_２Ｎ⁻である。）

【請求項2】

［ステップ１］保護雰囲気下で、ビピリジンとハロゲン化アルキルとをモル比１：２〜１：２．５で混合した後、６０℃〜８０℃に加熱し、撹拌して反応させることによりジアルキルビピリジルハライドを得、ここで、前記ハロゲン化アルキルはメトキシエトキシクロロメタン又はメトキシエトキシブロモメタンであるステップと、
［ステップ２］ステップ１で調製したジアルキルビピリジルハライドと、一般式がＭ^＋Ｙ⁻の塩とをモル比１：２で混合した後、脱イオン水に添加し、撹拌してイオン交換反応を行い、下記の構造式で示す２つの中心を有するビピリジルカチオン系イオン液体を得るステップとを含むことを特徴とする、２つの中心を有するビピリジルカチオン系イオン液体の調製方法。

【化2】

（ここで、Ｍ^＋はＮａ^＋、Ｋ^＋又はＮＨ_４^＋，Ｙ⁻はＢＦ_４⁻、ＰＦ_６⁻、（ＣＦ_３ＳＯ_２）_２Ｎ⁻又は（ＦＳＯ_２）_２Ｎ⁻である。）

【請求項3】

ステップ１では、前記ビピリジンと前記ハロゲン化アルキルとを撹拌して反応させる時間は、２４時間〜７２時間であり、反応液を冷却した後、酢酸エチルで洗浄し、洗浄後に得られた生成物を真空乾燥させ、精製のジアルキルビピリジルハライドを得ることを特徴とする、請求項２に記載の２つの中心を有するビピリジルカチオン系イオン液体の調製方法。

【請求項4】

ステップ１では、前記保護ガス雰囲気は、窒素ガス雰囲気又はアルゴンガス雰囲気であることを特徴とする、請求項２に記載の２つの中心を有するビピリジルカチオン系イオン液体の調製方法。

【請求項5】

ステップ２では、前記イオン交換反応において、温度が室温であり、反応時間が８時間〜２４時間であることを特徴とする、請求項２に記載の２つの中心を有するビピリジルカチオン系イオン液体の調製方法。

【請求項6】

ステップ２は、前記２つの中心を有するビピリジルカチオン系イオン液体を分離して精製するステップをさらに含み、前記分離精製ステップにおいて、ジアルキルビピリジルハライドと、一般式がＭ^＋Ｙ⁻である塩とを撹拌して反応させた後に得られた混合溶液を、ジクロロメタンで抽出し、得られた水相をＡｇＮＯ_３飽和水溶液で滴定して沈殿が生じなくなるまで、当該抽出を続け、ジクロロメタンの抽出液を蒸発させ濃縮した後、真空乾燥して、精製の２つの中心を有するビピリジルカチオン系イオン液体を得ることを特徴とする、請求項２に記載の２つの中心を有するビピリジルカチオン系イオン液体の調製方法。

【請求項7】

下記の構造式で示す２つの中心を有するビピリジルカチオン系イオン液体と、有機溶剤と、リチウム塩とを含むことを特徴とする、有機電解液。

【化3】

（ここで、Ｙ⁻はＢＦ_４⁻、ＰＦ_６⁻、（ＣＦ_３ＳＯ_２）_２Ｎ⁻又は（ＦＳＯ_２）_２Ｎ⁻であり、前記有機溶剤と前記２つの中心を有するビピリジルカチオン系イオン液体との質量比は１：１００〜１００：１であり、前記リチウム塩の濃度は０．３〜１．２ ｍｏｌ／Ｌである。）

【請求項8】

前記リチウム塩は、テトラフルオロほう酸リチウム、ヘキサフルオロリン酸リチウム、リチウム・ビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミド及びリチウム・ビス（フルオロメタンスルホニル）イミドからなる群から任意に選択される少なくとも１つであることを特徴とする、請求項７に記載の有機電解液。

【請求項9】

前記有機溶剤は、エチレンカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジメチルカーボネート及びプロピオン酸エチルから任意に選択される少なくとも１つであることを特徴とする、請求項７に記載の有機電解液。

【請求項10】

［ステップ１］保護雰囲気下で、ビピリジンとハロゲン化アルキルとをモル比１：２〜１：２．５で混合した後、６０℃〜８０℃に加熱し、撹拌して反応させることによりジアルキルビピリジルハライドを得、ここで、前記ハロゲン化アルキルはメトキシエトキシクロロメタン又はメトキシエトキシブロモメタンであるステップと、
［ステップ２］ステップ１で調製したジアルキルビピリジルハライドと、一般式がＭ^＋Ｙ⁻の塩とをモル比１：２で混合した後、脱イオン水に添加し、撹拌してイオン交換反応を行い、下記の構造式で示す２つの中心を有するビピリジルカチオン系イオン液体を得るステップと、

【化4】

（ここで、Ｍ^＋はＮａ^＋、Ｋ^＋又はＮＨ_４^＋であり、Ｙ⁻はＢＦ_４⁻、ＰＦ_６⁻、（ＣＦ_３ＳＯ_２）_２Ｎ⁻又は（ＦＳＯ_２）_２Ｎ⁻である。）
［ステップ３］有機溶剤を提供し、前記有機溶剤に、前記２つの中心を有するビピリジルカチオン系イオン液体を添加して均一になるように撹拌し、前記有機溶剤と前記２つの中心を有するビピリジルカチオン系イオン液体との質量比は１：１００〜１００：１であるステップと、
［ステップ４］前記有機溶剤及び前記２つの中心を有するビピリジルカチオン系イオン液体とから形成された混合液に対して、リチウム塩を添加し、さらに撹拌して溶解させることにより前記有機電解液を得、前記有機電解液における前記リチウム塩の濃度は０．３ｍｏｌ／Ｌ〜１．２ｍｏｌ／Ｌであるステップとを含むことを特徴とする、有機電解液の調製方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、イオン液体に関し、特に、２つの中心を有するビピリジルカチオン系イオン液体、その調製方法、当該２つの中心を有するビピリジルカチオン系イオン液体を含む有機電解液、及びその有機電解液の調製方法に関する。

【背景技術】

【0002】

イオン液体（Ｉｏｎｉｃ ｌｉｑｕｉｄｓ）は、室温範囲内（一般的に、１００℃以下）で液体を呈し、有機カチオンと無機アニオン（又は有機アニオン）とから構成されるものである。イオン液体は、調節可能であり、必要に応じてその陰陽イオンの構造を変更することで設計者の目的を果たすことができる。そのため、イオン液体はデザイナーのための溶剤であると呼ばれる。１９１４年に、最初のイオン液体として、エチルアンモニウムニトラートが発見されていたが、当該分野におけるその後の進展が遅れていた。その後、１９９２年に、Ｗｉｋｅｓが率いた研究チームにより、低融点、耐加水分解性、かつ安定性が優れた１−エチル−３−メチルイミダゾリウム・テトラフルオロボラートのイオン液体（［ＥＭＩＭ］ＢＦ_４）を合成した後、イオン液体の研究が飛躍的な発展を遂げ、さらに一連のイオン液体系が開発されてきた。最初に開発されたイオン液体は、主に電気化学的な研究に使用されていたが、最近、イオン液体は、グリーン溶剤として、有機及び高分子の合成において有用であることが重要視されている。

【0003】

従来の有機溶剤と電解質とに対して、イオン液体は、次のメリットを有する。すなわち、（１）融点が室温より低く、又は室温に近いため、液体を呈する温度範囲が広い。（２）蒸気圧が低く、ほとんど揮発せず、無色、無臭である。（３）安定的な温度範囲が比較的大きく、良好な化学安定性及び比較的広い電位窓を有する。（４）良好な溶解性を有し、無機物及び有機物のいずれにとっても良好な溶解能力を示す。（５）着火点を有しておらず、難燃的である。（６）リサイクル可能であり、環境を汚染しない。したがって、イオン液体は、有望な二重層キャパシタの電解液である。

【0004】

しかしながら、有機電解液は、高電圧下で分解しやすく、キャパシタの内部抵抗の急増加及び電気容量の急低下を引き起こすことがある。そのため、電解液の安定性は、キャパシタの比エネルギーを制約する要因の１つである。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

上述したことに鑑みて、本発明の課題は、高電圧で分解しにくい２つの中心を有するビピリジルカチオン系イオン液体を提供することである。

【0006】

さらに、本発明の別の課題は、上述した２つの中心を有するビピリジルカチオン系イオン液体の調製方法を提供することである。

【0007】

さらに、本発明の別の課題は、上述した２つの中心を有するビピリジルカチオン系イオン液体を含む有機電解液、及びその調製方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明に係る２つの中心を有するビピリジルカチオン系イオン液体は、下記の構造式を有する。

【0009】

【化1】

【0010】

ここで、Ｙ⁻はＢＦ_４⁻、ＰＦ_６⁻、（ＣＦ_３ＳＯ_２）_２Ｎ⁻又は（ＦＳＯ_２）_２Ｎ⁻である。

【0011】

本発明に係る２つの中心を有するビピリジルカチオン系イオン液体の調製方法は、下記のステップを含む。

【0012】

［ステップ１］保護ガス雰囲気下で、ビピリジンとハロゲン化アルキルとをモル比１：２〜１：２．５で混合した後、６０℃〜８０℃に加熱し、撹拌して反応させることによりジアルキルビピリジルハライドを得る。ここで、前記ハロゲン化アルキルはメトキシエトキシクロロメタン又はメトキシエトキシブロモメタンである。

【0013】

［ステップ２］ステップ１で調製したジアルキルビピリジルハライドと、一般式がＭ^＋Ｙ⁻である塩とをモル比１：２で混合した後、脱イオン水に添加し、撹拌してイオン交換反応を行う。下記の構造式で示す２つの中心を有するビピリジルカチオン系イオン液体を得る。

【0014】

【化2】

【0015】

ここで、Ｍ^＋はＮａ^＋、Ｋ^＋又はＮＨ_４^＋であり、Ｙ⁻はＢＦ_４⁻、ＰＦ_６⁻、（ＣＦ_３ＳＯ_２）_２Ｎ⁻又は（ＦＳＯ_２）_２Ｎ⁻である。

【0016】

好ましくは、ステップ１では、前記ビピリジンと前記ハロゲン化アルキルとを撹拌して反応させる時間は、２４時間〜７２時間であり、反応液を冷却した後、酢酸エチルで洗浄した。洗浄後に得られた生成物を真空乾燥させ、精製されたジアルキルビピリジルハライドを得る。

【0017】

好ましくは、ステップ１では、前記保護ガス雰囲気は、窒素ガス雰囲気又はアルゴンガス雰囲気である。

【0018】

好ましくは、ステップ２では、前記イオン交換反応において、温度が室温であり、反応時間が８時間〜２４時間である。

【0019】

好ましくは、ステップ２は、前記２つの中心を有するビピリジルカチオン系イオン液体を分離して精製するステップをさらに含む。前記分離精製ステップにおいて、ジアルキルビピリジルハライドと、一般式がＭ^＋Ｙ⁻である塩とを撹拌して反応させた後に得られた混合溶液を、ジクロロメタンで抽出し、得られた水相をＡｇＮＯ_３飽和水溶液で滴定して沈殿が生じなくなるまで、当該抽出を続ける。ジクロロメタンの抽出液を蒸発させ濃縮した後、真空乾燥して、精製された２つの中心を有するビピリジルカチオン系イオン液体を得る。

【0020】

本発明に係る有機電解液は、２つの中心を有するビピリジルカチオン系イオン液体と、有機溶剤と、リチウム塩とを含み、前記２つの中心を有するビピリジルカチオン系イオン液体は、下記に示す構造式を有する。

【0021】

【化3】

【0022】

ここで、Ｙ⁻はＢＦ_４⁻、ＰＦ_６⁻、（ＣＦ_３ＳＯ_２）_２Ｎ⁻又は（ＦＳＯ_２）_２Ｎ⁻であり、前記有機溶剤と前記２つの中心を有するビピリジルカチオン系イオン液体との質量比は０〜１００であり、前記リチウム塩の濃度は０．３ｍｏｌ／Ｌ〜１．２ｍｏｌ／Ｌである。

【0023】

好ましくは、前記リチウム塩は、テトラフルオロほう酸リチウム、ヘキサフルオロリン酸リチウム、リチウム・ビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミド及びリチウム・ビス（フルオロスルホニル）イミドからなる群から任意に選択される少なくとも１つである。

【0024】

好ましくは，前記有機溶剤は、エチレンカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジメチルカーボネート及びプロピオン酸エチルから任意に選択される少なくとも１つである。

【0025】

本発明に係る有機電解液の調製方法は、その特徴として、下記のステップを含む。

【0026】

［ステップ１］保護ガス雰囲気下で、ビピリジンとハロゲン化アルキルとをモル比１：２〜１：２．５で混合した後、６０℃〜８０℃に加熱し、撹拌して反応させることによりジアルキルビピリジルハライドを得る。ここで、前記ハロゲン化アルキルはメトキシエトキシクロロメタン又はメトキシエトキシブロモメタンである。

【0027】

［ステップ２］ステップ１で調製したジアルキルビピリジルハライドと、一般式がＭ^＋Ｙ⁻である塩とをモル比１：２で混合した後、脱イオン水に添加し、撹拌してイオン交換反応を行う。下記の構造式で示す２つの中心を有するビピリジルカチオン系イオン液体を得る。

【0028】

【化4】

【0029】

ここで、Ｍ^＋はＮａ^＋、Ｋ^＋又はＮＨ_４^＋であり、Ｙ⁻はＢＦ_４⁻、ＰＦ_６⁻、（ＣＦ_３ＳＯ_２）_２Ｎ⁻又は（ＦＳＯ_２）_２Ｎ⁻である。

【0030】

［ステップ３］有機溶剤を提供し、前記有機溶剤に、前記２つの中心を有するビピリジルカチオン系イオン液体を添加して均一になるように撹拌する。前記有機溶剤と前記２つの中心を有するビピリジルカチオン系イオン液体との質量比は０〜１００である。

【0031】

［ステップ４］前記有機溶剤及び前記２つの中心を有するビピリジルカチオン系イオン液体とから形成された混合液に対して、リチウム塩を添加し、さらに撹拌して溶解させることにより前記有機電解液を得る。前記有機電解液における前記リチウム塩の濃度は０．３ｍｏｌ／Ｌ〜１．２ｍｏｌ／Ｌである。

【0032】

当該２つの中心を有するビピリジルカチオン系イオン液体は、電位窓が４Ｖを超え、優れた電気化学的安定性を有し、高電圧下でも分解しにくい。したがって、当該２つの中心を有するビピリジルカチオン系イオン液体を含む有機電解液は、比較的高い充電電圧において、良好な安定性を有する。

【図面の簡単な説明】

【0033】

【図1】実施例６で調製した有機電解液と電極材料とから形成されたスーパーキャパシタを通常テストで測定した標準の充放電曲線である。

【発明を実施するための形態】

【0034】

以下、図面及び具体的な実施例を用いて、２つの中心を有するビピリジルカチオン系イオン液体及びその調製方法、使用についてさらに詳細に説明する。

【0035】

本発明の一実施形態における２つの中心を有するビピリジルカチオン系イオン液体は、下記の構造式を有する。

【0036】

【化5】

【0037】

ここで、Ｙ⁻はＢＦ_４⁻、ＰＦ_６⁻、（ＣＦ_３ＳＯ_２）_２Ｎ⁻又は（ＦＳＯ_２）_２Ｎ⁻である。

【0038】

当該２つの中心を有するビピリジルカチオン系イオン液体は、電位窓が４Ｖを超え、比較的良好な電気化学の安定性を有し、高電圧において分解しにくい。

【0039】

当該２つの中心を有するビピリジルカチオン系イオン液体は、その側鎖に導入されるアルコキシル基構造によれば、イオン液体の粘度を低減可能であると共に、このような酸素含有官能基が電解液中のリチウムイオンとの配位形成を助けるため、リチウム塩の溶解度を向上することができる。

【0040】

上述した２つの中心を有するビピリジルカチオン系イオン液体の調製方法を提供し、当該調製方法は、下記のステップを含む。

【0041】

［ステップＳ１１］窒素ガス又はアルゴンガスによる保護ガス雰囲気下で、ビピリジンとハロゲン化アルキルとをモル比１：２〜１：２．５で混合した後、６０℃〜８０℃に加熱し、撹拌して反応させることにより、ジアルキルビピリジルハライドを得る。

【0042】

反応式は、次の通りである。

【0043】

【化6】

【0044】

ＲＸはハロゲン化アルキルである。

【0045】

洗浄後の生成物を、８０℃で４８時間真空干燥し、精製のジアルキルビピリジルハライドを得る。

【0046】

ハロゲン化アルキルは、メトキシエトキシクロロメタン

【0047】

【化7】

【0048】

又はメトキシエトキシブロモメタン

【0049】

【化8】

【0050】

である。

【0051】

撹拌反応時間は、２４時間〜７２時間であってよく、通常、２つの中心を有する第四級アンモニウム塩とハロゲン化アルキルとを完全に反応させるように設定すればよい。

【0052】

ビピリジンとハロゲン化アルキルとの反応は、不活性ガス雰囲気において行われればよく、窒素ガス又はアルゴンガスの雰囲気に限定することない。

【0053】

反応液の冷却後に、酢酸エチルで三回洗浄することでジアルキルビピリジルハライドを精製することに限定することなく、当該技術分野におけるその他の方法を用いてジアルキルビピリジルハライドを精製してもよい。

【0054】

［ステップＳ１２］ステップＳ１１で調製したジアルキルビピリジルハライドと、一般式がＭ^＋Ｙ⁻である塩とをモル比１：２で混合した後、脱イオン水に添加し、反応温度が室温であり、反応時間が８時間〜２４時間である。ジアルキルビピリジルハライドと、一般式がＭ^＋Ｙ⁻である塩とを撹拌し、イオン交換反応させることで得られた混合溶液をジクロロメタンで抽出する。得られた脱イオン水相をＡｇＮＯ_３飽和水溶液で滴定して沈殿が生じなくなるまで当該抽出を続ける。ジクロロメタンの抽出液を蒸発させ濃縮した後、８０℃で４８時間真空乾燥して下記に示す構造式を有する２つの中心を有するビピリジルカチオン系イオン液体を得る。

【0055】

【化9】

【0056】

ここで、Ｍ^＋はＮａ^＋、Ｋ^＋又はＮＨ_４^＋であり、Ｙ⁻はＢＦ_４⁻、ＰＦ_６⁻、（ＣＦ_３ＳＯ_２）_２Ｎ⁻又は（ＦＳＯ_２）_２Ｎ⁻である。

【0057】

反応式は、次の通りである。

【0058】

【化10】

【0059】

本発明では、ジアルキルビピリジルハライドと、一般式がＭ^＋Ｙ⁻である塩とが、完全にイオン交換反応すればよく、前記イオン交換反応時間が８時間〜２４時間であることに限定することないこと、及び、２つの中心を有するビピリジルカチオン系イオン液体の分離と精製は、当該技術分野におけるその他の方法及びその他の溶剤を用いてもよいことが理解されるべきである。

【0060】

上述した２つの中心を有するビピリジルカチオン系イオン液体の調製方法は、使用する溶剤の毒性が低く、調製工程が比較的簡単であるため、コストが低くなり、大規模の生産に好適である。

【0061】

本発明の一実施形態における電解液は、２つの中心を有するビピリジルカチオン系イオン液体と、有機溶剤と、リチウム塩とを含む。

【0062】

２つの中心を有するビピリジルカチオン系イオン液体は、下記に示す構造式を有する。

【0063】

【化11】

【0064】

ここで、Ｙ⁻はＢＦ_４⁻、ＰＦ_６⁻、（ＣＦ_３ＳＯ_２）_２Ｎ⁻又は（ＦＳＯ_２）_２Ｎ⁻である。

【0065】

有機溶剤と２つの中心を有するビピリジルカチオン系イオン液体との質量比は、０以上であり、かつ１００以下である。有機溶剤は、エチレンカーボネート（ＥＣ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、及びプロピオン酸エチル（ＥＰ）からなる群から選択される少なくとも１つである。

【0066】

有機電解液におけるリチウム塩の濃度は０．３ｍｏｌ／Ｌ〜１．２ｍｏｌ／Ｌである。

【0067】

好ましい実施例では、有機電解液におけるリチウム塩の濃度は１ｍｏｌ／Ｌである。

【0068】

リチウム塩は、テトラフルオロほう酸リチウム（ＬｉＢＦ_４）、ヘキサフルオロリン酸リチウム（ＬｉＰＦ_６）、リチウム・ビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミド（ＬｉＴＦＳＩ）及びリチウム・ビス（フルオロスルホニル）イミド（ＬｉＦＳＩ）からなる群から任意に選択される少なくとも１つである。

【0069】

本発明は、上述した有機電解液の調製方法を提供し、当該方法は下記のステップを含む。

【0070】

［Ｓ２１］窒素ガス又はアルゴンガスにより形成された保護ガス雰囲気下で、ビピリジンとハロゲン化アルキルとをモル比１：２〜１：２．５で混合した後、６０℃〜８０℃に加熱し、撹拌して反応させることにより、ジアルキルビピリジルハライドを得る。

【0071】

洗浄後の生成物を、８０℃で４８時間真空干燥し、精製のジアルキルビピリジルハライドを得る。

【0072】

ハロゲン化アルキルは、メトキシエトキシクロロメタン

【0073】

【化12】

【0074】

又はメトキシエトキシブロモメタン

【0075】

【化13】

【0076】

である。

【0077】

撹拌反応時間は、２４時間〜７２時間であってよく、通常、２つの中心を有する第四級アンモニウム塩とハロゲン化アルキルとを完全に反応させるように設定すればよい。

【0078】

ビピリジンとハロゲン化アルキルとの反応は、不活性ガス雰囲気において行われればよく、窒素ガス又はアルゴンガスの雰囲気に限定することない。

【0079】

反応液の冷却後に、酢酸エチルで三回洗浄することでジアルキルビピリジルハライドを精製することに限定することなく、当該技術分野におけるその他の方法を用いてジアルキルビピリジルハライドを精製してもよい。

【0080】

［ステップＳ２２］ステップＳ２１で調製したジアルキルビピリジルハライドと、一般式がＭ^＋Ｙ⁻である塩とをモル比１：２で混合した後、脱イオン水に添加し、反応温度が室温であり、反応時間が８時間〜２４時間である。ジアルキルビピリジルハライドと、一般式がＭ^＋Ｙ⁻である塩とを撹拌してイオン交換反応することにより得られた混合溶液をジクロロメタンで抽出する。得られた脱イオン水相をＡｇＮＯ_３飽和水溶液で滴定して沈殿が生じなくなるまで当該抽出を続ける。ジクロロメタンの抽出液を蒸発させ濃縮した後、８０℃で４８時間真空乾燥して下記に示す構造式を有する２つの中心を有するビピリジルカチオン系イオン液体を得る。

【0081】

【化14】

【0082】

ここで、Ｍ^＋はＮａ^＋、Ｋ^＋又はＮＨ_４^＋であり、Ｙ⁻はＢＦ_４⁻、ＰＦ_６⁻、（ＣＦ_３ＳＯ_２）_２Ｎ⁻又は（ＦＳＯ_２）_２Ｎ⁻である。

【0083】

本発明では、ジアルキルビピリジルハライドと、一般式がＭ^＋Ｙ⁻である塩とが、完全にイオン交換反応すればよく、前記イオン交換反応時間が８時間〜２４時間であることに限定することないこと、及び、２つの中心を有するビピリジルカチオン系イオン液体の分離と精製は、当該技術分野におけるその他の方法及びその他の溶剤を用いてもよいことが理解されるべきである。

【0084】

［ステップ２３］有機溶剤を提供し、有機溶剤に、前記２つの中心を有するビピリジルカチオン系イオン液体を添加して均一になるように撹拌する。前記有機溶剤と前記２つの中心を有するビピリジルカチオン系イオン液体との質量比は０〜１００である。

【0085】

有機溶剤は、エチレンカーボネート（ＥＣ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、及びプロピオン酸エチル（ＥＰ）からなる群から選択される少なくとも１つである。

【0086】

好ましくは、ステップＳ２３は、不活性ガスの保護下で行われ、不活性ガスは、窒素ガス又はアルゴンガスであってよい。

【0087】

［ステップ２４］前記有機溶剤及び前記２つの中心を有するビピリジルカチオン系イオン液体とから形成された混合液に対して、リチウム塩を添加し、さらに撹拌して溶解させることにより前記有機電解液を得る。

【0088】

前記有機電解液における前記リチウム塩の濃度は０．３ｍｏｌ／Ｌ〜１．２ｍｏｌ／Ｌである。

【0089】

好ましくい実施例では、リチウム塩の濃度は１ｍｏｌ／Ｌである。

【0090】

リチウム塩は、テトラフルオロほう酸リチウム（ＬｉＢＦ_４）、ヘキサフルオロリン酸リチウム（ＬｉＰＦ_６）、リチウム・ビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミド（ＬｉＴＦＳＩ）及びリチウム・ビス（フルオロスルホニル）イミド（ＬｉＦＳＩ）からなる群から任意に選択される少なくとも１つである。

【0091】

上述した有機電解液における２つの中心を有するビピリジルカチオン系イオン液体は、電位窓が４Ｖを超え、優れた電気化学安定性を有し、高電圧下でも分解しにくい。したがって、当該２つの中心を有するビピリジルカチオン系イオン液体を含む有機電解液は、比較的高い充電電圧において、良好な安定性を有する。リチウム塩は、リチウムイオン電池又はリチウムキャパシタにおける使用では、リチウムイオンを提供し、有機溶剤は電解液の粘度を降下させることができる。

【0092】

以下、具体的な実施例を説明する。
［実施例１］
本実施例は、２つの中心を有するビピリジルテトラフルオロほう酸塩を合成した。

【0093】

２５０ｍＬのフラスコに、それぞれ、１ｍｏｌのビピリジンと２．１ｍｏｌのメトキシエトキシクロロメタンとをそれぞれ添加し、Ｎ_２雰囲気下で、７０℃に昇温し、３６時間撹拌して反応させた。静置冷却して、酢酸エチルで３回洗浄した。８０℃で真空干燥し、薄黄色固体のジアルキルビピリジルクロライドを得た（収率が７８％）。

【0094】

５００ｍＬのフラスコに、０．５ｍｏｌのジアルキルビピリジルクロライドと、１ｍｏｌのＮａＢＦ_４と、１２０ｍＬの脱イオン水とを添加し、室温で、１６時間撹拌した。反応終了後、混合溶液を、２５０ｍＬのジクロロメタンで３回抽出し、抽出液を混合した。さらに、１回あたりに６０ｍＬの脱イオン水で逆抽出し、ＡｇＮＯ_３飽和水溶液で水相を滴定し、沈殿が生じなくなるまでに当該逆抽出を続けた。ジクロロメタン相に対して、エボパレーターで濃縮した後、８０℃で４８時間真空干燥して、薄黄色固体の２つの中心を有するビピリジルテトラフルオロほう酸塩を得た。

【0095】

本実施例で得られた２つの中心を有するビピリジルテトラフルオロほう酸塩のＮＭＲスペクトルデータは下記に示す。

【0096】

¹H NMR ((CD₃)₂CO, 400 MHz, ppm): 8.69 (d, 4H), 7.63 (d, 4H), 5.92 (s, 4H), 3.64 (m,8H), 3.24 (s, 6H)。
［実施例２］
本実施例では、２つの中心を有するビピリジルヘキサフルオロリン酸塩を合成した。

【0097】

２５０ｍＬのフラスコに、それぞれ、１ｍｏｌのビピリジンと２．１ｍｏｌのメトキシエトキシブロモメタンとをそれぞれ添加し、Ａｒ_２雰囲気下で、７０℃に昇温し、撹拌して３６時間反応させた。静置冷却して、酢酸エチルで３回洗浄した。８０℃で真空干燥し、薄黄色固体のジアルキルビピリジルブロミドを得た（収率が８０％）。

【0098】

５００ｍＬのフラスコに、０．５ｍｏｌのジアルキルビピリジルブロミドと、１ｍｏｌのＫＰＦ_６と、１２０ｍＬの脱イオン水とを添加し、室温で、１６時間撹拌した。反応終了後、混合溶液を、２５０ｍＬのジクロロメタンで３回抽出し、抽出液を混合した。さらに、１回あたりに６０ｍＬの脱イオン水で逆抽出し、ＡｇＮＯ_３飽和水溶液で水相を滴定し、沈殿が生じなくなるまでに当該逆抽出を続けた。ジクロロメタン相に対して、エボパレーターで濃縮した後、８０℃で４８時間真空干燥して、薄黄色固体の２つの中心を有するビピリジルヘキサフルオロリン酸塩を得た。

【0099】

本実施例で得られた２つの中心を有するビピリジルヘキサフルオロリン酸塩のＮＭＲスペクトルデータは下記に示す。

【0100】

¹H NMR ((CD₃)₂CO, 400 MHz, ppm): 8.70 (d, 4H), 7.63 (d, 4H), 5.93 (s, 4H), 3.64 (m,8H), 3.25 (s, 6H)。
［実施例３］
本実施例では、２つの中心を有するビピリジルトリフルオロメタンスルホニルイミドを合成した。

【0101】

５００ｍＬのフラスコに、０．５ｍｏｌのジアルキルビピリジルクロライドと、１ｍｏｌのカリウム・トリフルオロメタンスルホニルイミド（ＫＴＦＳＩ）と、１２０ｍＬの脱イオン水とを添加し、室温で、１６時間撹拌した。反応終了後、混合溶液を、２５０ｍＬのジクロロメタンで３回抽出し、抽出液を混合した。さらに、１回あたりに６０ｍＬの脱イオン水で逆抽出し、ＡｇＮＯ_３飽和水溶液で水相を滴定し、沈殿が生じなくなるまでに当該逆抽出を続けた。ジクロロメタン相に対して、エボパレーターで濃縮した後、８０℃で４８時間真空干燥して、薄黄色固体の２つの中心を有するビピリジルトリフルオロメタンスルホニルイミドを得た。

【0102】

本実施例で得られた２つの中心を有するビピリジルトリフルオロメタンスルホニルイミドのＮＭＲスペクトルデータは下記に示す。

【0103】

¹H NMR ((CD₃)₂CO, 400 MHz, ppm): 8.71 (d, 4H), 7.65 (d, 4H), 5.95 (s, 4H), 3.66 (m,8H), 3.26 (s, 6H)。
［実施例４］
本実施例では、２つの中心を有するビピリジルトリフルオロメタンスルホン酸塩を合成した。

【0104】

５００ｍＬのフラスコに、０．５ｍｏｌのジアルキルビピリジルブロミド（実施例２で調製）と、１ｍｏｌのＣＦ_３ＳＯ_３Ｎａと、１２０ｍＬの脱イオン水とを添加し、室温で、１６時間撹拌した。反応終了後、混合溶液を、２５０ｍＬのジクロロメタンで３回抽出し、抽出液を混合した。さらに、１回あたりに６０ｍＬの脱イオン水で逆抽出し、ＡｇＮＯ_３飽和水溶液で水相を滴定し、沈殿が生じなくなるまでに当該逆抽出を続けた。ジクロロメタン相に対して、エボパレーターで濃縮した後、８０℃で４８時間真空干燥して、薄黄色固体の２つの中心を有するビピリジルトリフルオロメタンスルホン酸塩を得た。

【0105】

本実施例で得られた２つの中心を有するビピリジルトリフルオロメタンスルホン酸塩のＮＭＲスペクトルデータは下記に示す。

【0106】

¹H NMR ((CD₃)₂CO, 400 MHz, ppm): 8.70 (d, 4H), 7.63 (d, 4H), 5.93 (s, 4H), 3.65 (m,8H), 3.23 (s, 6H)。
［実施例５］
本実施例では、２つの中心を有するビピリジルビス（フルオロスルホニル）イミドを合成した。

【0107】

詳細な調製過程は、実施例１と同様であり、１ｍｏｌ的ＮａＢＦ_４の代わりに、１ｍｏｌのカリウム・ビス（フルオロスルホニル）イミド（ＦＳＯ_２）_２ＮＫを使用した。

【0108】

本実施例で得られた２つの中心を有するビピリジルビス（フルオロスルホニル）イミドのＮＭＲスペクトルデータは下記に示す。

【0109】

¹H NMR ((CD₃)₂CO, 400 MHz, ppm): 8.70 (d, 4H), 7.64 (d, 4H), 5.92 (s, 4H), 3.66 (m,8H), 3.25 (s, 6H)。
［実施例６］
Ｎ_２雰囲気下で、エチレンカーボネート（ＥＣ）と、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）と、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）と、プロピオン酸エチル（ＥＰ）とを、２：５：２：３の体積比で、有機溶剤（混合溶剤_{ＥＣ＋ ＥＭＣ ＋ ＤＭＣ ＋ ＥＰ}と略し）を調製した。さらに、混合溶剤_{ＥＣ＋ ＥＭＣ ＋ ＤＭＣ ＋ ＥＰ} ：２つの中心を有するビピリジルイオン液体を質量比１０：１で、中心ビピリジルテトラフルオロほう酸塩（実施例１で調製）を添加し、４０℃に加熱して、均一な有機相になるように撹拌した。最後、リチウム塩のモル濃度が１ｍｏｌ／Ｌ（有機相の体積であるＶ_{ＥＣ＋ ＥＭＣ ＋ ＤＭＣ ＋ ＥＰ＋２つの中心を有するビピリジルイオン液体}に基づいてリチウム塩の量を算出）になるように、所定量のリチウム塩（本実施例ではＬｉＢＦ_４）を添加し、さらに、リチウム塩が完全に溶解するまでに撹拌し、目的の有機電解液を得た。

【0110】

図１を参照し、図１では、グラフェンを電極材料とし、本実施例で得られた目的の有機電解液を電解液として使用し、ボタン式電池に組み立てた。エレクトロケミカルワークステーション、モデルＣＨＩ６６０Ａを使用して、０Ｖ〜３．２Ｖの電位窓内で、０．２５Ａ／ｇの電流で定電流の充放電テストを行い、充放電曲線を得た。

【0111】

図１により、調製した電解液は、スーパーキャパシタの電解液に適用可能であり、３．２Ｖの高い充電電圧内の電解液は、比較的良好な安定性を有することが確認された。
［実施例７］
Ａｒの雰囲気下で、１００ｍＬの２つの中心を有するビピリジルヘキサフルオロリン酸塩（実施例２で調製）のイオン液体を入れ、４０℃に加熱して撹拌して、さらに、リチウム塩のモル濃度が０．３ｍｏｌ／Ｌであるように、所定量のリチウム塩（ＬｉＰＦ_６）を添加し、リチウムが完全に溶解するまで撹拌し、目的の有機電解液を得た。
［実施例８］
Ｎ_２雰囲気下で、エチレンカーボネート（ＥＣ）と、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）と、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）と、プロピオン酸エチル（ＥＰ）とを、２：５：２：３の体積比で、有機溶剤（混合溶剤_{ＥＣ＋ ＥＭＣ ＋ ＤＭＣ ＋ ＥＰ}と略し）を調製した。さらに、混合溶剤_{ＥＣ＋ ＥＭＣ ＋ ＤＭＣ ＋ ＥＰ} ：２つの中心を有するビピリジルイオン液体を質量比１：１００で、２つの中心を有するビピリジルビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミド（実施例３で調製）イオン液体を添加し、４０℃に加熱し、均一の有機相になるまで撹拌した。最後、リチウム塩のモル濃度が０．５ｍｏｌ／Ｌ（有機相の体積であるＶ_{ＥＣ＋ ＥＭＣ ＋ ＤＭＣ ＋ ＥＰ＋２つの中心を有するビピリジルイオン液体}に基づいてリチウム塩の量を算出）になるように、所定量のリチウム塩（ＬｉＴＦＳＩ）を添加し、さらに、リチウム塩が完全に溶解するまでに撹拌し、目的の有機電解液を得た。
［実施例９］
Ａｒ雰囲気下で、エチレンカーボネート（ＥＣ）と、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）と、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）と、プロピオン酸エチル（ＥＰ）とを、２：５：２：３の体積比で、有機溶剤（混合溶剤_{ＥＣ＋ ＥＭＣ ＋ ＤＭＣ ＋ ＥＰ}と略し）を調製した。さらに、混合溶剤_{ＥＣ＋ ＥＭＣ ＋ ＤＭＣ ＋ ＥＰ} ：２つの中心を有するビピリジルイオン液体を質量比１：１０で、２つの中心を有するビピリジルビス（フルオロスルホニル）イミド（実施例４で調製）イオン液体を添加し、４０℃に加熱し、均一の有機相になるまで撹拌した。最後、リチウム塩のモル濃度が０．７ｍｏｌ／Ｌ（有機相の体積であるＶ_{ＥＣ＋ ＥＭＣ ＋ ＤＭＣ ＋ ＥＰ＋２つの中心を有するビピリジルイオン液体}に基づいてリチウム塩の量を算出）になるように、所定量のリチウム塩（ＬｉＦＳＩ）を添加し、さらに、リチウム塩が完全に溶解するまでに撹拌し、目的の有機電解液を得た。
［実施例１０］
Ｎ_２雰囲気下で、エチレンカーボネート（ＥＣ）と、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）と、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）と、プロピオン酸エチル（ＥＰ）とを、２：５：２：３の体積比で、有機溶剤（混合溶剤_{ＥＣ＋ ＥＭＣ ＋ ＤＭＣ ＋ ＥＰ}と略し）を調製した。さらに、混合溶剤_{ＥＣ＋ ＥＭＣ ＋ ＤＭＣ ＋ ＥＰ} ：２つの中心を有するビピリジルイオン液体を質量比１：１で、２つの中心を有するビピリジルテトラフルオロほう酸塩イオン液体を添加し、４０℃に加熱し、均一の有機相になるまで撹拌した。最後、リチウム塩のモル濃度が０．９ｍｏｌ／Ｌ（有機相の体積であるＶ_{ＥＣ＋ ＥＭＣ ＋ ＤＭＣ ＋ ＥＰ＋２つの中心を有するビピリジルイオン液体}に基づいてリチウム塩の量を算出）になるように、所定量のリチウム塩（ＬｉＴＦＳＩ）を添加し、さらに、リチウム塩が完全に溶解するまでに撹拌し、目的の有機電解液を得た。
［実施例１１］
Ａｒ雰囲気下で、エチレンカーボネート（ＥＣ）と、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）と、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）と、プロピオン酸エチル（ＥＰ）とを、２：５：２：３の体積比で、有機溶剤（混合溶剤_{ＥＣ＋ ＥＭＣ ＋ ＤＭＣ ＋ ＥＰ}と略し）を調製した。さらに、混合溶剤_{ＥＣ＋ ＥＭＣ ＋ ＤＭＣ ＋ ＥＰ} ：２つの中心を有するビピリジルイオン液体を質量比４０：１で、２つの中心を有するビピリジルイオン液体（本実施例ではモル比が１：１の２つの中心を有するビピリジルテトラフルオロほう酸塩と２つの中心を有するビピリジルヘキサフルオロリン酸塩とを調製）を添加し、４０℃に加熱して、均一な有機相になるように撹拌した。最後、リチウム塩のモル濃度が１ｍｏｌ／Ｌ（有機相の体積であるＶ_{ＥＣ＋ ＥＭＣ ＋ ＤＭＣ ＋ ＥＰ＋２つの中心を有するビピリジルイオン液体}に基づいてリチウム塩の量を算出）になるように、所定量のリチウム塩（本実施例ではモル比が１：１のＬｉＴＦＳＩとＬｉＦＳＩ）を添加し、さらに、リチウム塩が完全に溶解するまでに撹拌し、目的の有機電解液を得た。
［実施例１２］
Ａｒ雰囲気下で、エチレンカーボネート（ＥＣ）と、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）と、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）と、プロピオン酸エチル（ＥＰ）とを、２：５：２：３の体積比で、有機溶剤（混合溶剤_{ＥＣ＋ ＥＭＣ ＋ ＤＭＣ ＋ ＥＰ}と略し）を調製した。さらに、混合溶剤_{ＥＣ＋ ＥＭＣ ＋ ＤＭＣ ＋ ＥＰ} ：２つの中心を有するビピリジルイオン液体を質量比７０：１で、２つの中心を有するビピリジルイオン液体（本実施例ではモル比が１：１の２つの中心を有するビピリジルビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミドと２つの中心を有するビピリジルビス（フルオロスルホニル）イミド）を添加し、４０℃に加熱して、均一な有機相になるように撹拌した。最後、リチウム塩のモル濃度が１．１ｍｏｌ／Ｌ（有機相の体積であるＶ_{ＥＣ＋ ＥＭＣ ＋ ＤＭＣ ＋ ＥＰ＋２つの中心を有するビピリジルイオン液体}に基づいてリチウム塩の量を算出）になるように、所定量のリチウム塩（本実施例ではモル比が１：１のＬｉＰＦ_６とＬｉＴＦＳＩ）を添加し、さらに、リチウム塩が完全に溶解するまでに撹拌し、目的の有機電解液を得た。
［実施例１３］
Ｎ_２雰囲気下で、エチレンカーボネート（ＥＣ）と、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）と、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）と、プロピオン酸エチル（ＥＰ）とを、２：５：２：３の体積比で、有機溶剤（混合溶剤_{ＥＣ＋ ＥＭＣ ＋ ＤＭＣ ＋ ＥＰ}と略し）を調製した。さらに、混合溶剤_{ＥＣ＋ ＥＭＣ ＋ ＤＭＣ ＋ ＥＰ} ：２つの中心を有するビピリジルイオン液体を質量比１００：１で、２つの中心を有するビピリジルビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミドを添加し、４０℃に加熱して、均一な有機相になるように撹拌した。最後、リチウム塩のモル濃度が１．２ｍｏｌ／Ｌ（有機相の体積であるＶ_{ＥＣ＋ ＥＭＣ ＋ ＤＭＣ ＋ ＥＰ＋２つの中心を有するビピリジルイオン液体}に基づいてリチウム塩の量を算出）になるように、所定量のリチウム塩（本実施例ではＬｉＴＦＳＩ）を添加し、さらに、リチウム塩が完全に溶解するまでに撹拌し、目的の有機電解液を得た。

【0112】

上述した実施例は、具体的、かつ詳細に説明しており、本発明のいくつかの実施形態を示すものであり、本発明の特許請求の範囲を限定するものではないと理解されるべきである。本発明の思想を逸脱しないことを前提とする場合、当業者が、複数の変形及び変更をしても、本発明の保護範囲に属するものであると理解されるべきである。したがって、本発明の保護範囲は、特許請求の範囲に基づくものである。

【図1】