JP5667328B2

JP5667328B2 - ２つの中心を有するビス第四級アンモニウム塩のイオン液体、その調製方法及び使用

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Publication number: JP5667328B2
Application number: JP2014527453A
Authority: JP
Inventors: ミンジェチョウ; ダーシーリゥ; ヤオビンワン
Original assignee: Shenzhen Oceans King Lighting Engineering Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Oceans King Lighting Engineering Co Ltd
Priority date: 2011-08-30
Filing date: 2011-08-30
Publication date: 2015-02-12
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Description

本発明は、イオン液体に関し、特に、２つの中心を有するビス第四級アンモニウム塩のイオン液体、その調製方法、当該２つの中心を有するビス第四級アンモニウム塩のイオン液体を使用した電解液、及びその電解液の調製方法に関する。

イオン液体は、室温又は室温に近い温度の条件における、完全にイオンから構成される有機液体物質である。新規の電解液としてのイオン液体は、広い電位窓、不揮発性、不燃性、及び優れた熱安定性といったメリットを有する。イオン液体は、有望な電気二重層キャパシタの電解液である。高電圧下では、従来の電解液が分解しやすく、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。

したがって、本発明の課題は、安定性の比較的高い２つの中心を有するビス第四級アンモニウム塩のイオン液体を提供することである。

さらに、本発明の別の課題は、安定性の比較的高い２つの中心を有するビス第四級アンモニウム塩のイオン液体の調製方法を提供することである。

さらに、本発明の別の課題は、２つの中心を有するビス第四級アンモニウム塩のイオン液体の、電解液における使用及びその電解液の調製方法を提供することである。

本発明に係る２つの中心を有するビス第四級アンモニウム塩のイオン液体は、下記に示す構造式を有する。

ここで、ｎは、２、３又は６であり，Ｙ⁻は、ＢＦ_４ ⁻、ＰＦ_６ ⁻、（ＦＳＯ_２）_２Ｎ⁻、（ＣＦ_３ＳＯ_２）_２Ｎ⁻又はＣＦ_３ＳＯ_３ ⁻である。

本発明に係る２つの中心を有するビス第四級アンモニウム塩のイオン液体の調製方法は、下記のステップを含む。

［ステップ１］２つの中心を有するビス第四級アンモニウム塩とハロゲン化アルキルとを１：２〜１：２．５のモル比で混合した後、６０℃〜８０℃に加熱し、撹拌して反応させることで、アルキルビス第四級アンモニウムハライドを得る。ここで、前記２つの中心を有するビス第四級アンモニウム塩は、Ｎ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’−テトラメチル−エチレンジアミン、Ｎ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’−テトラメチル−１，３−プロパンジアミン、又はＮ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’−テトラメチル−１，６−ヘキサンジアミンであり、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２］ステップ１で調製したアルキルビス第四級アンモニウムハライドと、一般式がＭ^＋Ｙ⁻である塩とを、１：２のモル比で混合して脱イオン水に添加し、撹拌してイオン交換反応を行い、さらに精製した後、下記に示す構造式を有する２つの中心を有するビス第四級アンモニウム塩のイオン液体を得る。

ここで、ｎは２、３又は６であり、Ｍ^＋はＮａ^＋、Ｋ^＋又はＮＨ_４ ^＋であり、Ｙ⁻はＢＦ_４ ⁻、ＰＦ_６ ⁻、（ＦＳＯ_２）_２Ｎ⁻、（ＣＦ_３ＳＯ_２）_２Ｎ⁻又はＣＦ_３ＳＯ_３ ⁻である。

好適な実施例において、ステップ１では、前記２つの中心を有するビス第四級アンモニウム塩と前記ハロゲン化アルキルとの撹拌反応時間は、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、洗浄した後に得られた生成物を真空乾燥して、精製されたアルキルビス第四級アンモニウムハライドを得る。

好適な実施例において、ステップ１では、前記２つの中心を有するビス第四級アンモニウム塩と前記ハロゲン化アルキルとの反応は、窒素ガス又はアルゴンガス雰囲気下で行う。

好適な実施例において、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。

好適な実施例において、ステップ２では、前記精製のステップは、次の通りである。すなわち、アルキルビス第四級アンモニウムハライドと、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する。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２つの中心を有するビス第四級アンモニウム塩のイオン液体を得る。

本発明に係る電解液は、２つの中心を有するビス第四級アンモニウム塩のイオン液体と、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ス第四級アンモニウム塩のイオン液体は、下記に示す構造式を有する。

ここで、ｎは、２、３又は６であり、Ｙ⁻はＢＦ_４ ⁻、ＰＦ_６ ⁻、（ＦＳＯ_２）_２Ｎ⁻、（ＣＦ_３ＳＯ_２）_２Ｎ⁻又はＣＦ_３ＳＯ_３ ⁻であり、前記有機溶剤と前記２つの中心を有するビス第四級アンモニウム塩のイオン液体との質量比が０〜１００であり、前記リチウム塩の濃度が０．３ｍｏｌ／Ｌ〜１．２ｍｏｌ／Ｌである。

好適な実施例において、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。

好適な実施例において、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。

本発明に係る電解液の調製方法は、下記のステップを含む。

［ステップ１］有機溶剤を提供し、前記有機溶剤に対して、２つの中心を有するビス第四級アンモニウム塩のイオン液体を添加し均一に撹拌し、前記有機溶剤と前記２つの中心を有するビス第四級アンモニウム塩のイオン液体との質量比が０〜１００であり、前記２つの中心を有するビス第四級アンモニウム塩のイオン液体は下記に示す構造式を有する。

ここで、ｎは２、３又は６であり、Ｙ⁻はＢＦ_４ ⁻、ＰＦ_６ ⁻、（ＦＳＯ_２）_２Ｎ⁻、（ＣＦ_３ＳＯ_２）_２Ｎ⁻又はＣＦ_３ＳＯ_３ ⁻である。

［ステップ２］前記有機溶剤と前記２つの中心を有するビス第四級アンモニウム塩のイオン液体とから構成される混合溶液に対してリチウム塩を添加し、撹拌して溶解させる。前記リチウム塩の濃度は０．３ｍｏｌ／Ｌ〜１．２ｍｏｌ／Ｌである。

当該２つの中心を有するビス第四級アンモニウム塩のイオン液体は、比較的高い安定性を有し、その調製過程において、使用する溶剤の毒性が比較低く、調製工程は比較的簡単である。そのため、コストが低く、大規模の製造に好適である。当該２つの中心を有するビス第四級アンモニウム塩のイオン液体的電解液は、比較的高い充電電圧内において比較的良好な安定性を有する。

実施例９で調製した電解液の充放電曲線である。

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ス第四級アンモニウム塩のイオン液体、その調製方法及び使用についてさらに詳細に説明する。

本発明の一実施形態において、２つの中心を有するビス第四級アンモニウム塩のイオン液体は、下記に示す構造式を有する。

上述した２つの中心を有するビス第四級アンモニウム塩のイオン液体は、４００℃の高い温度でも分解することなく、安定性が比較的高く、かつ、不燃性を有するため、電解液における使用の安全性が向上する。また、このようなイオン液体は、４Ｖより高い電位窓、比較的良好な電気化学的安定性を有するため、スーパーキャパシタ及びリチウム電池の電解液に適用可能である。

本発明の一実施形態における２つの中心を有するビス第四級アンモニウム塩のイオン液体の調製方法は、下記のステップを含む。

［ステップＳ１１］窒素ガス又はアルゴンガスの雰囲気下で、２つの中心を有するビス第四級アンモニウム塩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２４時間〜７２時間反応させる。反応液を冷却した後、酢酸エチルで三回洗浄し、洗浄した生成物を真空干燥し、精製されたアルキルビス第四級アンモニウムハライドを得る。

ここで、２つの中心を有するビス第四級アンモニウム塩は、Ｎ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’−テトラメチル−エチレンジアミン、Ｎ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’−テトラメチル−１，３−プロパンジアミン又はＮ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’−テトラメチル−１，６−ヘキサンジアミンである。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。洗浄後の生成物は、８０℃で４８時間真空干燥した後、アルキルビス第四級アンモニウムハライドを得る。

本発明では、２つの中心を有するビス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ればよく、反応時間が２４時間〜７２時間であることに限定することないこと、２つの中心を有するビス第四級アンモニウム塩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こと、及び、反応液の冷却後に、酢酸エチルで三回洗浄することでアルキルビス第四級アンモニウム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アルキルビス第四級アンモニウムハライドを精製してもよいことが理解されるべきである。

［ステップＳ１２］ステップＳ１１で調製したアルキルビス第四級アンモニウムハライドと、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、アルキルビス第四級アンモニウムハライドと、一般式Ｍ^＋Ｙ⁻の塩とがイオン交換反応を行い、反応温度が室温であり、反応時間が８時間〜２４時間である。アルキルビス第四級アンモニウムハライドと、一般式がＭ^＋Ｙ⁻の塩とを撹拌し反応させた後得られた混合溶液をジクロロメタンで抽出する。当該抽出は、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ス第四級アンモニウム塩のイオン液体を得る。

ここで、ｎは２、３又は６であり、Ｍ^＋は、Ｎａ^＋、Ｋ^＋又はＮＨ_４ ^＋であり、Ｙ⁻は、ＢＦ_４ ⁻、ＰＦ_６ ⁻、（ＦＳＯ_２）_２Ｎ⁻、（ＣＦ_３ＳＯ_２）_２Ｎ⁻又はＣＦ_３ＳＯ_３ ⁻である。

全体の反応式は、下記に示す。

ここで、ＲＸは、

又は、

である。

Ｘ⁻は、Ｃｌ⁻、又はＢｒ⁻を示し、Ｒ-は

を示す。

本発明では、ビス第四級アンモニウムハライドと、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ス第四級アンモニウム塩の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。

上述した２つの中心を有するビス第四級アンモニウム塩の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。

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ス第四級アンモニウム塩のイオン液体と、有機溶剤と、リチウム塩とを含む。

２つの中心を有するビス第四級アンモニウム塩のイオン液体は、下記に示す構造式を有する。

有機溶剤と２つの中心を有するビス第四級アンモニウム塩の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。

リチウム塩の濃度は０．３ｍｏｌ／Ｌ〜１．２ｍｏｌ／Ｌであり、好ましくは、１ｍｏｌ／Ｌである。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。

本発明の一実施形態における電解液の調製方法は、下記のステップを含む。

［ステップＳ２１］有機溶剤を提供し、有機溶剤に対して２つの中心を有するビス第四級アンモニウム塩のイオン液体を添加し、均一に撹拌する。有機溶剤と２つの中心を有するビス第四級アンモニウム塩のイオン液体との質量比は、０以上１００以下である。２つの中心を有するビス第四級アンモニウム塩のイオン液体は、下記に示す構造式を有する。

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。

好ましくは、ステップＳ２１は、不活性ガス雰囲気下で行われる。不活性ガスは、窒素ガス又はアルゴンガスである。

［ステップＳ２２］有機溶剤と２つの中心を有するビス第四級アンモニウム塩のイオン液体とから構成される混合溶液に対して、リチウム塩を添加し、撹拌して溶解させる。リチウム塩の濃度は０．３ｍｏｌ／Ｌ〜１．２ｍｏｌ／Ｌである。

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。リチウム塩の濃度は、好ましくは１ｍｏｌ／Ｌである。

上述した電解液及びその調製方法において、２つの中心を有するビス第四級アンモニウム塩のイオン液体の安定性が良好であり、電解液の分解電圧が高い。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。

以下、具体的な実施例を説明する。
［実施例１］
本実施例は、ビス第四級アンモニウムテトラフルオロほう酸塩（ｎ＝２）を調製した。

２５０ｍＬのフラスコに、１ｍｏｌのＮ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’−テトラメチル−エチレンジアミンと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、６０℃〜８０℃に昇温し、撹拌して２４時間〜７２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、薄黄色の固体を得た（収率が７８％）。

５００ｍＬのフラスコに、０．５ｍｏｌのアルキルアンモニウムクロライドと、１ｍｏｌのＮａＢＦ_４と、１００ｍＬ〜１５０ｍＬの脱イオン水とを添加し、室温で、８〜２４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、薄黄色の固体を得た。

ｎは２である場合、２つの中心を有するビス第四級アンモニウム塩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。

¹H NMR ((CD₃)₂CO, 400 MHz, ppm): 5.85 (s, 4H), 4.34 (m, 4H), 3.48 (s, 12H), 3.44 (m,8H), 3.24 (s, 6H).
［実施例２］
本実施例では、ビス第四級アンモニウムヘキサフルオロリン酸塩を調製した。

２５０ｍＬのフラスコに、１ｍｏｌのＮ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’−テトラメチル−１，３−プロパンジアミンと２．１ｍｏｌのメトキシエトキシブロモメタンとをそれぞれ入れ、Ａｒ_２雰囲気下で、６０℃〜８０℃に昇温し、撹拌して、２４時間〜７２時間反応させた。静置冷却した後、酢酸エチルで３回洗浄した。８０℃で真空干燥し、薄黄色の固体を得た（收率が８０％）。

５００ｍＬのフラスコに、０．５ｍｏｌのアルキル第四級アンモニウムブロミドと、１ｍｏｌのＫＰＦ_６と、１００ｍＬ〜１５０ｍＬの脱イオン水を入れ、室温下で、８時間〜２４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、薄黄色の固体を得た。

ｎは３である場合、ビス第四級アンモニウム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。

¹H NMR ((CD₃)₂CO, 400 MHz, ppm): 5.84 (s, 4H), 3.76 (m, 4H), 2.64 (m, 2H), 3.46 (s,12H), 3.43 (m, 8H), 3.24 (s, 6H).
［実施例３］
本実施例では、ビス第四級アンモニウム（トリフルオロメタンスルホニル）イミドを調製した。

２５０ｍＬのフラスコに、それぞれ、１ｍｏｌのＮ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’−テトラメチル−１，６−ヘキサンジアミンと、２．１ｍｏｌのメトキシエトキシクロロメタンとを入れ、Ｎ_２雰囲気下で、６０℃〜８０℃に昇温し、２４時間〜７２時間撹拌して反応させた。静置冷却した後、酢酸エチルで３回洗浄した。８０℃で真空干燥し、薄黄色の固体を得た（收率が７８％）。

５００ｍＬのフラスコに、それぞれ、０．５ｍｏｌのアルキル第四級アンモニウムクロライドと、カリウム・トリフルオロメタンスルホニルイミド（ＫＴＦＳＩ、３１９ｇ、１ｍｏｌ）と、１００ｍＬ〜１５０ｍＬの脱イオン水を入れ、室温下で、８時間〜２４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、薄黄色の固体を得た。

ｎは６である場合、ビス第四級アンモニウム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。

¹H NMR ((CD₃)₂CO, 400 MHz, ppm): 5.84 (s, 4H), 3.76 (m, 4H), 2.23 (m, 4H), 1.79 (m,4H), 3.46 (s, 12H), 3.43 (m, 8H), 3.24 (s, 6H).
［実施例４］
本実施例では、ビス第四級アンモニウムトリフルオロメタンスルホナートを調製した。

２５０ｍＬのフラスコに、それぞれ、１ｍｏｌのＮ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’−テトラメチル−エチレンジアミンと、２．１ｍｏｌのメトキシエトキシクロロメタンとを入れ、Ｎ_２雰囲気下で、６０℃〜８０℃に昇温し、２４時間〜７２時間撹拌して反応させた。静置冷却した後、酢酸エチルで３回洗浄した。８０℃で真空干燥し、薄黄色の固体を得た（收率が７８％）。

５００ｍＬのフラスコに、０．５ｍｏｌのアルキル第四級アンモニウムクロライドと、１ｍｏｌのＣＦ_３ＳＯ_３Ｎａと、１００ｍＬ〜１５０ｍＬの脱イオン水を入れ、室温下で、８時間〜２４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、薄黄色の固体を得た。

ｎは２である場合、ビス第四級アンモニウムトリフルオロメタンスルホナートのＮＭＲスペクトルデータは下記に示す。

¹H NMR ((CD₃)₂CO, 400 MHz, ppm): 5.86 (s, 4H), 4.34 (m, 4H), 3.47 (s, 12H), 3.44 (m,8H), 3.25 (s, 6H).
［実施例５］
本実施例では、ビス第四級アンモニウムテトラフルオロほう酸塩を調製した（ｎ＝３）。

２５０ｍＬのフラスコに、それぞれ、Ｎ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’−テトラメチル−１，３−プロパンジアミンと、２．５ｍｏｌメトキシエトキシブロモメタンとを入れ、Ａｒ_２雰囲気下で、６０℃〜８０℃に昇温し、２４時間〜７２時間撹拌して反応させた。静置冷却した後、酢酸エチルで３回洗浄した。８０℃で真空干燥し、薄黄色の固体中間体であるアルキルビス第四級アンモニウムクロライドを得た。

５００ｍＬのフラスコに、０．５ｍｏｌのアルキルビス第四級アンモニウムブロミドと、１ｍｏｌのＫＢＦ_４と、１００ｍＬ〜１５０ｍＬの脱イオン水を入れ、室温下で、８時間〜２４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、薄黄色の固体を得た。

ｎは３である場合、ビス第四級アンモニウム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。

¹H NMR ((CD₃)₂CO, 400 MHz, ppm): 5.84 (s, 4H), 3.76 (m, 4H), 2.64 (m, 2H), 3.46 (s,12H), 3.43 (m, 8H), 3.24 (s, 6H).
［実施例６］
本実施例では、ビス第四級アンモニウムヘキサフルオロリン酸塩を調製した。

２５０ｍＬのフラスコに、それぞれ、１ｍｏｌのＮ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’−テトラメチル−１，６−ヘキサンジアミンと、メトキシエトキシブロモメタンとを入れ、Ｎ_２雰囲気下で、６０℃〜８０℃に昇温し、２４時間〜７２時間撹拌して反応させた。静置冷却した後、酢酸エチルで３回洗浄した。８０℃で真空干燥し、薄黄色の固体中間体であるアルキルビス第四級アンモニウムブロミドを得た。

５００ｍＬのフラスコに、０．５ｍｏｌのアルキルビス第四級アンモニウムブロミドと、１ｍｏｌのＫＰＦ_６と、１００ｍＬ〜１５０ｍＬの脱イオン水を入れ、室温下で、８時間〜２４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、薄黄色の固体を得た。

ｎは６である場合、ビス第四級アンモニウム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。

¹H NMR ((CD₃)₂CO, 400 MHz, ppm): 5.84 (s, 4H), 3.75 (m, 4H), 2.23 (m, 4H), 1.78 (m,4H), 3.46 (s, 12H), 3.43 (m, 8H), 3.24 (s, 6H).
［実施例７］
本実施例では、ビス第四級アンモニウムビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミドを調製した。

２５０ｍＬのフラスコに、それぞれ、１ｍｏｌのＮ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’−テトラメチル−１，６−ヘキサンジアミンと、２．４ｍｏｌのメトキシエトキシクロロメタンとを入れ、Ｎ_２雰囲気下で、６０℃〜８０℃に昇温し、２４時間〜７２時間撹拌して反応させた。静置冷却した後、酢酸エチルで３回洗浄した。８０℃で真空干燥し、薄黄色の固体中間体であるアルキルビス第四級アンモニウムクロライドを得た。

５００ｍＬのフラスコに、０．５ｍｏｌのアルキルビス第四級アンモニウムクロライドと、リチウム・ビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミド（（ＣＦ_３ＳＯ_２）_２ＮＫ、３１９ｇ，１ｍｏｌ）と、１００ｍＬ〜１５０ｍＬの脱イオン水とを入れ、室温下で、８時間〜２４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、薄黄色の固体を得た。

ｎは６である場合、ビス第四級アンモニウムビス（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。

¹H NMR ((CD₃)₂CO, 400 MHz, ppm): 5.84 (s, 4H), 3.76 (m, 4H), 2.23 (m, 4H), 1.79 (m,4H), 3.46 (s, 12H), 3.43 (m, 8H), 3.24 (s, 6H).
［実施例８］
本実施例では、ビス第四級アンモニウムビス（フルオロスルホニル）イミドを調製した。

２５０ｍＬのフラスコに、それぞれ、１ｍｏｌのＮ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’−テトラメチル−エチレンジアミンと、２．５ｍｏｌのメトキシエトキシクロロメタンとを入れ、Ｎ_２雰囲気下で、６０℃〜８０℃に昇温し、２４時間〜７２時間撹拌して反応させた。静置冷却した後、酢酸エチルで３回洗浄した。８０℃で真空干燥し、薄黄色の固体中間体であるアルキルビス第四級アンモニウムクロライドを得た。

５００ｍＬのフラスコに、０．５ｍｏｌのアルキルビス第四級アンモニウムクロライドと、１ｍｏｌ（ＦＳＯ_２）_２ＮＮａと、１００ｍＬ〜１５０ｍＬの脱イオン水とを入れ、室温下で、８時間〜２４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、薄黄色の固体を得た。

ｎは６である場合、ビス第四級アンモニウムビス（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。

¹H NMR ((CD₃)₂CO, 400 MHz, ppm): 5.84 (s, 4H), 3.75 (m, 4H), 2.24 (m, 4H), 1.78 (m,4H), 3.45 (s, 12H), 3.42 (m, 8H), 3.24 (s, 6H).
［実施例９］
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、プロピレンカーボネート（ＰＣ）とを、２：３：１：２の体積比で、有機溶剤（混合溶剤_{ＥＣ＋ＥＭＣ＋ＤＭＣ＋ＰＣ}と略し）を調製した。さらに、混合溶剤_{ＥＣ＋ＥＭＣ＋ＤＭＣ＋ＰＣ}：２つの中心を有するビス第四級アンモニウム塩のイオン液体を質量比１０：１で、ビス第四級アンモニウム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＋ＰＣ＋２つの中心を有するビス第四級アンモニウム塩のイオン液体}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（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。

図１を参照し、図１では、グラフェンを電極材料とし、実施例９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のモデルＣＨＩ６６０Ａを使用して、０Ｖ〜２．７Ｖの電位窓内で、０．７５Ａ／ｇの電流で充放電テストを行い、充放電曲線を得た。

図１により、当該電解液と電極材料とから形成したスーパーキャパシタに対して、通常のテストを行うことで、標準の充放電曲線が得られることから、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、２．７Ｖ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１０］
Ａｒ_２の雰囲気下で、１００ｍＬのビス第四級アンモニウムヘキサフルオロリン酸塩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１ｍｏｌ／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１１］
Ｎ_２（又はＡｒ_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、プロピレンカーボネート（ＰＣ）とを２：３：１：２の体積比で、有機溶剤（混合溶剤_{ＥＣ＋ＥＭＣ＋ＤＭＣ＋ＰＣ}と略し）を調製した。さらに、混合溶剤_{ＥＣ＋ＥＭＣ＋ＤＭＣ＋ＰＣ}：２つの中心を有するビス第四級アンモニウム塩のイオン液体を質量比１：１００で、ビス第四級アンモニウムヘキサフルオロリン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０．３ｍｏｌ／Ｌ（有機相の体積であるＶ_{ＥＣ＋ＥＭＣ＋ＤＭＣ＋ＰＣ＋２つの中心を有するビス第四級アンモニウム塩のイオン液体}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１２］
Ｎ_２（又はＡｒ_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、プロピレンカーボネート（ＰＣ）とを２：３：１：２の体積比で、有機溶剤（混合溶剤_{ＥＣ＋ＥＭＣ＋ＤＭＣ＋ＰＣ}と略し）を調製した。さらに、混合溶剤_{ＥＣ＋ＥＭＣ＋ＤＭＣ＋ＰＣ}：２つの中心を有するビス第四級アンモニウム塩のイオン液体を質量比１：１０で、ビス第四級アンモニウムビス（トリフルオロメタスルホニル）イミドの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１．２ｍｏｌ／Ｌ（有機相の体積であるＶ_{ＥＣ＋ＥＭＣ＋ＤＭＣ＋ＰＣ＋２つの中心を有するビス第四級アンモニウム塩のイオン液体}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（例えば、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＴＦＳＩ、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１３］
Ｎ_２（又はＡｒ_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、プロピレンカーボネート（ＰＣ）とを２：３：１：２の体積比で、有機溶剤（混合溶剤_{ＥＣ＋ＥＭＣ＋ＤＭＣ＋ＰＣ}と略し）を調製した。さらに、混合溶剤_{ＥＣ＋ＥＭＣ＋ＤＭＣ＋ＰＣ}：２つの中心を有するビス第四級アンモニウム塩のイオン液体を質量比１：１で、ビス第四級アンモニウムビス（フルオロメタスルホニル）イミドの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１．２ｍｏｌ／Ｌ（有機相の体積であるＶ_{ＥＣ＋ＥＭＣ＋ＤＭＣ＋ＰＣ＋２つの中心を有するビス第四級アンモニウム塩のイオン液体}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、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１４］
Ｎ_２（又はＡｒ_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、プロピレンカーボネート（ＰＣ）とを２：３：１：２の体積比で、有機溶剤（混合溶剤_{ＥＣ＋ＥＭＣ＋ＤＭＣ＋ＰＣ}と略し）を調製した。さらに、混合溶剤_{ＥＣ＋ＥＭＣ＋ＤＭＣ＋ＰＣ}：２つの中心を有するビス第四級アンモニウム塩のイオン液体を質量比４０：１で、ビス第四級アンモニウムビス（フルオロメタスルホニル）イミドの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１ｍｏｌ／Ｌ（有機相の体積であるＶ_{ＥＣ＋ＥＭＣ＋ＤＭＣ＋ＰＣ＋２つの中心を有するビス第四級アンモニウム塩のイオン液体}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１５］
Ｎ_２（又はＡｒ_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、プロピレンカーボネート（ＰＣ）とを２：３：１：２の体積比で、有機溶剤（混合溶剤_{ＥＣ＋ＥＭＣ＋ＤＭＣ＋ＰＣ}と略し）を調製した。さらに、混合溶剤_{ＥＣ＋ＥＭＣ＋ＤＭＣ＋ＰＣ}：２つの中心を有するビス第四級アンモニウム塩のイオン液体を質量比７０：１で、ビス第四級アンモニウムヘキサフルオロリン酸塩の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１ｍｏｌ／Ｌ（有機相の体積であるＶ_{ＥＣ＋ＥＭＣ＋ＤＭＣ＋ＰＣ＋２つの中心を有するビス第四級アンモニウム塩のイオン液体}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１６］
Ｎ_２（又はＡｒ_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、プロピレンカーボネート（ＰＣ）とを２：３：１：２の体積比で、有機溶剤（混合溶剤_{ＥＣ＋ＥＭＣ＋ＤＭＣ＋ＰＣ}と略し）を調製した。さらに、混合溶剤_{ＥＣ＋ＥＭＣ＋ＤＭＣ＋ＰＣ}：２つの中心を有するビス第四級アンモニウム塩のイオン液体を質量比１００：１で、ビス第四級アンモニウムテトラフルオロほう酸塩の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１ｍｏｌ／Ｌ（有機相の体積であるＶ_{ＥＣ＋ＥＭＣ＋ＤＭＣ＋ＰＣ＋２つの中心を有するビス第四級アンモニウム塩のイオン液体}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（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。

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。

Claims

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ス第四級アンモニウム塩のイオン液体。

（ここで、ｎ＝２、３又は６，Ｙ⁻はＢＦ_４ ⁻、ＰＦ_６ ⁻、（ＦＳＯ_２）_２Ｎ⁻、（ＣＦ_３ＳＯ_２）_２Ｎ⁻又はＣＦ_３ＳＯ_３ ⁻である。）
［ステップ１］２つの中心を有するビス第四級アンモニウム塩とハロゲン化アルキルとを１：２〜１：２．５のモル比で混合した後、６０℃〜８０℃に加熱し、撹拌して反応させることで、アルキルビス第四級アンモニウムハライドを得、前記２つの中心を有するビス第四級アンモニウム塩は、Ｎ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’−テトラメチル−エチレンジアミン、Ｎ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’−テトラメチル−１，３−プロパンジアミン、又はＮ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’−テトラメチル−１，６−ヘキサンジアミンであり、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で調製したアルキルビス第四級アンモニウムハライドと、一般式がＭ^＋Ｙ⁻である塩とを、１：２のモル比で混合して脱イオン水に添加し、撹拌してイオン交換反応を行い、さらに精製した後、下記に示す構造式を有する２つの中心を有するビス第四級アンモニウム塩の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ス第四級アンモニウム塩のイオン液体の調製方法。

（ここで、ｎは２、３又は６であり、Ｍ^＋はＮａ^＋、Ｋ^＋又はＮＨ_４ ^＋であり、Ｙ⁻はＢＦ_４ ⁻、ＰＦ_６ ⁻、（ＦＳＯ_２）_２Ｎ⁻、（ＣＦ_３ＳＯ_２）_２Ｎ⁻又はＣＦ_３ＳＯ_３ ⁻である。）
ステップ１では、前記２つの中心を有するビス第四級アンモニウム塩と前記ハロゲン化アルキルとの撹拌反応時間は、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、精製のアルキルビス第四級アンモニウム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ス第四級アンモニウム塩のイオン液体の調製方法。
ステップ１では、前記２つの中心を有するビス第四級アンモニウム塩と前記ハロゲン化アルキルとの反応は、窒素ガス又はアルゴンガスにより形成された雰囲気下で行うことを特徴とする、請求項２に記載の２つの中心を有するビス第四級アンモニウム塩のイオン液体の調製方法。
前記ステップ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ス第四級アンモニウム塩のイオン液体の調製方法。
ステップ２では、前記精製のステップは、アルキルビス第四級アンモニウムハライドと、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２つの中心を有するビス第四級アンモニウム塩の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ス第四級アンモニウム塩のイオン液体の調製方法。
２つの中心を有するビス第四級アンモニウム塩のイオン液体と、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ス第四級アンモニウム塩のイオン液体は、下記に示す構造式を有し、

（ここで、ｎは、２、３又は６であり、Ｙ⁻はＢＦ_４ ⁻、ＰＦ_６ ⁻、（ＦＳＯ_２）_２Ｎ⁻、（ＣＦ_３ＳＯ_２）_２Ｎ⁻又はＣＦ_３ＳＯ_３ ⁻である。）
前記有機溶剤と前記２つの中心を有するビス第四級アンモニウム塩のイオン液体との質量比が０〜１００であり、前記リチウム塩の濃度が０．３ｍｏｌ／Ｌ〜１．２ｍｏｌ／Ｌであることを特徴とする、電解液。
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つであることを特徴とする、請求項７に記載の電解液。
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に記載の電解液。
［ステップ１］有機溶剤を提供し、前記有機溶剤に対して、２つの中心を有するビス第四級アンモニウム塩のイオン液体を添加し均一に撹拌し、前記有機溶剤と前記２つの中心を有するビス第四級アンモニウム塩のイオン液体との質量比が０〜１００であり、前記２つの中心を有するビス第四級アンモニウム塩のイオン液体は下記に示す構造式を有するステップと、

（ここで、ｎは２、３又は６であり、Ｙ⁻はＢＦ_４ ⁻、ＰＦ_６ ⁻、（ＦＳＯ_２）_２Ｎ⁻、（ＣＦ_３ＳＯ_２）_２Ｎ⁻又はＣＦ_３ＳＯ_３ ⁻である。）
［ステップ２］前記有機溶剤と前記２つの中心を有するビス第四級アンモニウム塩のイオン液体とから構成される混合溶液に対してリチウム塩を添加し、撹拌して溶解させ、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、電解液の調製方法。