(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
非水溶媒、
マグネシウム塩、および
置換基である脂肪族炭化水素基を有する芳香族複素環化合物
を含有し、
ここで、
前記芳香族複素環化合物は、窒素原子、酸素原子、リン原子、及び硫黄原子からなる群より選ばれる少なくとも１つを環の構成原子として含み、かつ
前記芳香族複素環化合物が非電解質であり、
前記脂肪族炭化水素基が分岐鎖状である、
マグネシウム二次電池用非水電解液。
【請求項２】
非水溶媒、
マグネシウム塩、および
置換基である脂肪族炭化水素基を有する芳香族複素環化合物
を含有し、
ここで、
前記芳香族複素環化合物は、窒素原子、酸素原子、リン原子、及び硫黄原子からなる群より選ばれる少なくとも１つを環の構成原子として含み、かつ
前記芳香族複素環化合物が非電解質であり、
前記脂肪族炭化水素基が、ｎ−プロピル基、ｉｓｏ−プロピル基、ｎ−ブチル基、ｉｓｏ−ブチル基、ｓｅｃ−ブチル基及びｔｅｒｔ−ブチル基のいずれかである、
マグネシウム二次電池用非水電解液。
【請求項３】
非水溶媒、
マグネシウム塩、および
置換基である脂肪族炭化水素基を有する芳香族複素環化合物
を含有し、
ここで、
前記芳香族複素環化合物は、窒素原子、酸素原子、リン原子、及び硫黄原子からなる群より選ばれる少なくとも１つを環の構成原子として含み、かつ
前記芳香族複素環化合物が非電解質であり、
前記非水溶媒は、環状炭酸エステル、環状エーテル、鎖状エーテル、ホウ酸エステル、環状スルホン、鎖状スルホン、ニトリル、及びスルトンのいずれかを含む、
マグネシウム二次電池用非水電解液。
【請求項４】
前記芳香族複素環化合物は、下記式（１）で表される、請求項１−３のいずれか１項に記載のマグネシウム二次電池用非水電解液。
【化１】
0006775209.tif 000003
ここで、
Ｒ1〜Ｒ5は、それぞれ独立して、水素原子または脂肪族炭化水素基であり、
Ｒ1〜Ｒ5の少なくとも一つは、脂肪族炭化水素基であり、かつ
Ｘは、窒素原子又はリン原子である。
【請求項５】
Ｒ3が脂肪族炭化水素基である、
請求項４記載のマグネシウム二次電池用非水電解液。
【請求項６】
Ｒ1、Ｒ2、Ｒ4、およびＲ5が水素原子である、
請求項５記載のマグネシウム二次電池用非水電解液。
【請求項７】
前記芳香族複素環化合物が添加剤である、
請求項１−６のいずれか１項に記載のマグネシウム二次電池用非水電解液。
【請求項８】
前記芳香族複素環化合物は、ピリジン環を含む、
請求項１−７のいずれか１項に記載のマグネシウム二次電池用非水電解液。
【請求項９】
前記マグネシウム塩に含まれるアニオンが、Ｃｌ-、Ｂｒ-、Ｉ-、ＢＦ4-、ＰＦ6-、ＡｓＦ6-、ＳｂＦ6-、ＳｉＦ6-、ＣｌＯ4-、ＡｌＣｌ4-、ＦＳＯ3-、ＣＦ3ＳＯ3-、Ｃ4Ｆ9ＳＯ3-、［Ｎ（ＦＳＯ2）2］-、［Ｎ（ＣＦ3ＳＯ2）2］-、［Ｎ（Ｃ2Ｆ5ＳＯ2）2］-、［Ｎ（ＦＳＯ2）（ＣＦ3ＳＯ2）］-、ＣＦ3ＢＦ3-、Ｃ2Ｆ5ＢＦ3-、及びＣＢ11Ｈ12-からなる群より選ばれる少なくとも１つである、
請求項１−８のいずれか１項に記載のマグネシウム二次電池用非水電解液。
【請求項１０】
前記マグネシウム塩に含まれるアニオンが、ＰＦ6-、ＦＳＯ3-、［Ｎ（ＦＳＯ2）2］-、［Ｎ（ＣＦ3ＳＯ2）2］-、［Ｎ（Ｃ2Ｆ5ＳＯ2）2］-、及びＣＢ11Ｈ12-からなる群より選ばれる少なくとも１つである、
請求項９に記載のマグネシウム二次電池用非水電解液。
【請求項１１】
正極、
負極、および
請求項１−１０のいずれか１項に記載のマグネシウム二次電池用非水電解液、
を備えた、マグネシウム二次電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、マグネシウム二次電池用非水電解液及びそれを用いたマグネシウム二次電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、マグネシウム二次電池の開発が期待されている。特許文献１は、Ｍｇ（ＣＨ3ＣＮ）6（ＰＦ6）2を含有する電解液を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１７−１４５１９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本開示は、マグネシウム二次電池用の新規な非水電解液、及びそれを用いたマグネシウム二次電池を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本開示は、
非水溶媒、
マグネシウム塩、および
置換基である脂肪族炭化水素基を有する芳香族複素環化合物
を含有し、
前記芳香族複素環化合物は、窒素原子、酸素原子、リン原子、及び硫黄原子からなる群より選ばれる少なくとも１つを環の構成原子として含み、かつ
前記芳香族複素環化合物が非電解質である、
マグネシウム二次電池用非水電解液を提供する。
【発明の効果】
【０００６】
本開示によれば、マグネシウム二次電池用の新規な非水電解液、及びそれを用いたマグネシウム二次電池が提供されうる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１は、マグネシウム二次電池の構成例を模式的に示す断面図である。
【図２Ａ】図２Ａは、サンプル１のサイクリックボルタモグラム（掃引範囲：−１〜２Ｖ）を示すグラフである。
【図２Ｂ】図２Ｂは、サンプル１のサイクリックボルタモグラム（掃引範囲：０〜２Ｖ）を示すグラフである。
【図２Ｃ】図２Ｃは、サンプル１のサイクリックボルタモグラム（掃引範囲：０．５〜２Ｖ）を示すグラフである。
【図３】図３は、サンプル１及び２のサイクリックボルタモグラムを示すグラフである。
【図４】図４は、サンプル１及び３のサイクリックボルタモグラムを示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
（本開示の基礎となった知見）
マグネシウム二次電池は、マグネシウムの二電子反応を利用できるため、高容量な二次電池としての実用化が期待されている。しかし、２価のマグネシウムイオンと周りの溶媒との相互作用が強いため、溶媒がマグネシウムイオンから脱離しにくい。つまり、マグネシウム二次電池用電解液では、マグネシウム金属の析出及び溶解が生じにくい。これは、マグネシウム二次電池用の非水電解液に特有の課題である。例えば、現行のリチウムイオン電池では、ＬｉＰＦ6をカーボネートなどの溶媒に溶解させることによって得られた非水電解液が用いられる。Ｍｇ（ＡＮ）6（ＰＦ6）2（ＡＮはアセトニトリルを意味する）などのマグネシウム塩をカーボネートに溶解させることによって得られた非水電解液では、マグネシウム金属の析出及び溶解が生じない。このような課題により、マグネシウム二次電池においては、非水溶媒とマグネシウム塩との組み合わせに、強い制限が課されている。
【０００９】
これに対して、本発明者らは、以下の新規な非水電解液を見出した。
【００１０】
（本開示に係る一態様の概要）
本開示の第１態様にかかるマグネシウム二次電池用非水電解液は、
非水溶媒、
マグネシウム塩、および
置換基である脂肪族炭化水素基を有する芳香族複素環化合物
を含有し、
前記芳香族複素環化合物は、窒素原子、酸素原子、リン原子、及び硫黄原子からなる群より選ばれる少なくとも１つを環の構成原子として含み、かつ
前記芳香族複素環化合物が非電解質である。
【００１１】
第１態様によれば、脂肪族炭化水素基を有する芳香族複素環化合物は、マグネシウムイオンに溶媒と競争的に配位結合を形成することで、マグネシウムイオンと溶媒との間の相互作用を弱め、金属マグネシウムの析出及び溶解を促進しうる。
【００１２】
本開示の第２態様において、例えば、第１態様にかかるマグネシウム二次電池用非水電解液では、芳香族複素環化合物は、下記式（１）で表されてもよい。
【化１】
0006775209.tif 000002
ここで、
Ｒ１〜Ｒ５は、それぞれ独立して、水素または脂肪族炭化水素基であり、
Ｒ１〜Ｒ５の少なくとも一つは、脂肪族炭化水素基であり、かつ
Ｘは、窒素原子又はリン原子である。
【００１３】
本開示の第３態様において、例えば、第２態様にかかるマグネシウム二次電池用非水電解液では、Ｒ３が脂肪族炭化水素基であってもよい。Ｒ３を脂肪族炭化水素基にすることで、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ４、Ｒ５のいずれかを脂肪族炭化水素基にする場合に比べ、芳香族複素環中のヘテロ原子（すなわち、上記の式（１）に含まれるＸ）のＭｇイオンへの配位を促進できる。これは、Ｒ３が、芳香族複素環中のヘテロ原子から最も離れているため、ヘテロ原子のMgイオンへの配位を阻害しにくい。第３態様においては、Ｒ３以外のＲ１、Ｒ２、Ｒ４、およびＲ５は、それぞれ独立して、水素または脂肪族炭化水素基である。
【００１４】
本開示の第４態様において、例えば、第３態様にかかるマグネシウム二次電池用非水電解液では、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ４、およびＲ５が水素原子であってもよい。
【００１５】
本開示の第５態様において、例えば、第１〜第４態様にかかるマグネシウム二次電池用非水電解液では、芳香族複素環化合物が添加剤であってもよい。
【００１６】
本開示の第６態様において、例えば、第１〜第５態様にかかるマグネシウム二次電池用非水電解液では、芳香族複素環化合物は、ピリジン環を含んでいてもよい。
【００１７】
本開示の第７態様において、例えば、第１〜第６態様にかかるマグネシウム二次電池用非水電解液では、マグネシウム塩に含まれるアニオンが、Ｃｌ-、Ｂｒ-、Ｉ-、ＢＦ4-、ＰＦ6-、ＡｓＦ6-、ＳｂＦ6-、ＳｉＦ6-、ＣｌＯ4-、ＡｌＣｌ4-、ＦＳＯ3-、ＣＦ3ＳＯ3-、Ｃ4Ｆ9ＳＯ3-、［Ｎ（ＦＳＯ2）2］-、［Ｎ（ＣＦ3ＳＯ2）2］-、［Ｎ（Ｃ2Ｆ5ＳＯ2）2］-、［Ｎ（ＦＳＯ2）（ＣＦ3ＳＯ2）］-、ＣＦ3ＢＦ3-、Ｃ2Ｆ5ＢＦ3-、及びＣＢ11Ｈ12-からなる群より選ばれる少なくとも１種であってもよい。これらのアニオンは、マグネシウムと塩を形成することができる。
【００１８】
本開示の第８態様において、例えば、第７態様にかかるマグネシウム二次電池用非水電解液では、前記マグネシウム塩に含まれるアニオンが、ＰＦ6-、ＦＳＯ3-、［Ｎ（ＦＳＯ2）2］-、［Ｎ（ＣＦ3ＳＯ2）2］-、［Ｎ（Ｃ2Ｆ5ＳＯ2）2］-、及びＣＢ11Ｈ12-からなる群より選ばれる少なくとも１種であってもよい。これらのアニオンとマグネシウム塩を形成することで、溶解性を向上させることができる。
【００１９】
本開示の第９態様において、例えば、第１〜第８態様にかかるマグネシウム二次電池用非水電解液では、脂肪族炭化水素基が鎖状であってもよい。
【００２０】
本開示の第１０態様にかかるマグネシウム二次電池は、
正極、
負極、および
第１から第９態様のいずれか１つのマグネシウム二次電池用非水電解液、
を備えている。
【００２１】
第９態様によれば、例えば、第１から第８態様のいずれか１つのマグネシウム二次電池用非水電解液を用いることで、非水電解液の電解化学安定性を高めることができる。そのためマグネシウム二次電池の機能を発揮させることができる。
【００２２】
以下、実施形態に係る非水電解液、及び、それを用いたマグネシウム二次電池について、図面を用いて詳細に説明する。
【００２３】
以下の説明は、いずれも包括的又は具体的な例を示すものである。以下に示される数値、組成、形状、膜厚、電気特性、二次電池の構造などは、一例であり、本開示を限定する主旨ではない。加えて、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素は、任意の構成要素である。
【００２４】
［１．非水電解液］
本開示の一態様に係るマグネシウム二次電池用非水電解液は、非水溶媒、マグネシウム塩、および芳香族複素環化合物を含有する。芳香族複素環化合物は、置換基である脂肪族炭化水素基を有する。マグネシウム塩及び芳香族複素環化合物は、非水溶媒に溶解している。
【００２５】
この芳香族複素環化合物は、マグネシウムイオンに溶媒と競争的に配位結合を形成することで、マグネシウムイオンと溶媒との間の相互作用を弱め、金属マグネシウムの析出及び溶解を促進しうる。したがって、所望の条件に応じて非水溶媒の選択性を拡張することができる。「所望の条件」は、例えば、マグネシウムイオン伝導性が高いこと、電気化学的に安定であること、化学的に安定であること、熱的に安定であること、安全であること、環境負荷が低いこと、及び、安価であることのうちの少なくとも１つであってもよい。例えば、非水溶媒にマグネシウム塩を高濃度で溶解させることにより、非水電解液のマグネシウムイオン伝導性を高めることができる。例えば、耐酸化性の高い非水溶媒を選択することにより、電気化学的な安定性を有する非水電解液を得ることができる。例えば、毒性の低い非水溶媒を選択することにより、安全性の高い非水電解液を得ることができる。
【００２６】
本開示における「芳香族複素環化合物」は、芳香族性を有する複素環化合物を意味する。複素環化合物は、少なくとも１つのヘテロ原子を環の構成原子として含む化合物を意味する。ヘテロ原子としては、窒素原子、酸素原子、リン原子、及び硫黄原子が挙げられる。芳香族複素環化合物は非電解質である。言い換えれば、芳香族複素環化合物は塩ではない。芳香族複素環化合物は、非水溶媒に溶解しても電離しない物質である。
【００２７】
芳香族複素環化合物は、カーボネートに比べて高い電子供与性を示す傾向があり、芳香族複素環化合物およびマグネシウムイオンの間の配位結合は、カーボネートおよびマグネシウムイオンの間の配位結合より容易に形成される。言い換えれば、カーボネートおよびマグネシウムイオンの間の配位結合と比較して、芳香族複素環化合物およびマグネシウムイオンの間の配位結合は、選択的に形成される。そのため、芳香族複素環化合物は、マグネシウムイオンと溶媒との間の相互作用を弱め、金属マグネシウムを析出及び溶解しやすくする。芳香族複素環化合物は、非共有電子対を有するヘテロ原子を１つ以上含んでいてもよい。芳香族複素環化合物は、２つ以上のヘテロ原子を含んでいてもよい。
【００２８】
芳香族複素環化合物としては、例えば、２Ｈ−アジリン誘導体、アゼト誘導体、ピリジン誘導体、イミダゾール誘導体、ピラゾール誘導体、オキサゾール誘導体、チアゾール誘導体、イミダゾリン誘導体、２−オキシレン誘導体、オキソール誘導体、オキセピン誘導体、チイレン誘導体、チオール誘導体、及びチエピン誘導体が挙げられる。
【００２９】
本実施形態では、ピリジン環を有する芳香族複素環化合物を使用できる。ピリジン環は、高い電子供与性を持つ窒素原子を有し、更に誘電率も高い。そのため、ピリジン環を有する芳香族複素環化合物は、マグネシウムイオンとの配位結合を選択的に形成し、かつ非水溶媒と均一に混ざり合う。
【００３０】
芳香族複素環化合物は、置換基である脂肪族炭化水素基を有する。芳香族複素環化合物は、複数の脂肪族炭化水素基を有していてもよい。脂肪族炭化水素基は、鎖状であってもよい。より詳細には、脂肪族炭化水素基は、直鎖状であってもよいし、分岐鎖状であってもよい。脂肪族炭化水素基を有していると芳香族複素環化合物の立体的な嵩高さが増し、速度論的に芳香族複素環化合物の電気化学的安定性を向上させることができる。これにより、芳香族複素環化合物と極性溶媒との相溶性が高くなる。脂肪族炭化水素基は、複素環に直接結合していてもよい。脂肪族炭化水素基の炭素数は、例えば、１〜４である。脂肪族炭化水素基としては、メチル基、エチル基、ｎ−プロピル基、ｉｓｏ−プロピル基、ｎ−ブチル基、ｉｓｏ−ブチル基、ｓｅｃ−ブチル基及びｔｅｒｔ−ブチル基が挙げられる。芳香族複素化合物の添加量が増加すると、電解液の粘性が増加する。この電解液の粘性の増加を抑制するため、芳香族複素化合物の添加量は、体積比率で５０％以下が適当である。
【００３１】
マグネシウム塩はアニオンを有する。アニオンは、例えば、１価のアニオンである。
【００３２】
アニオンは、Ｃｌ-、Ｂｒ-、Ｉ-、ＢＦ4-、ＰＦ6-、ＡｓＦ6-、ＳｂＦ6-、ＳｉＦ6-、ＣｌＯ4-、ＡｌＣｌ4-、ＦＳＯ3-、ＣＦ3ＳＯ3-、Ｃ4Ｆ9ＳＯ3-、［Ｎ（ＦＳＯ2）2］-、［Ｎ（ＣＦ3ＳＯ2）2］-、［Ｎ（Ｃ2Ｆ5ＳＯ2）2］-、［Ｎ（ＦＳＯ2）（ＣＦ3ＳＯ2）］-、ＣＦ3ＢＦ3-、Ｃ2Ｆ5ＢＦ3-、及びＣＢ11Ｈ12-からなる群より選ばれる少なくとも１つでありうる。アニオンは、これらの誘導体であってもよい。これらのアニオンは、マグネシウムと塩を形成しうる。
【００３３】
電気化学的安定性の観点から、アニオンは、ＢＦ4-、ＰＦ6-、ＣｌＯ4-、ＡｌＣｌ4-、［Ｎ（ＣＦ3ＳＯ2）2］-、［Ｎ（Ｃ2Ｆ5ＳＯ2）2］-、及びＣＢ11Ｈ12-からなる群より選ばれる少なくとも１つであってもよい。
【００３４】
溶解性の観点から、アニオンは、ＰＦ6-、ＦＳＯ3-、［Ｎ（ＦＳＯ2）2］-、［Ｎ（ＣＦ3ＳＯ2）2］-、［Ｎ（Ｃ2Ｆ5ＳＯ2）2］-、及びＣＢ11Ｈ12-からなる群より選ばれる少なくとも１つであってもよい。これらのアニオンは、溶媒へのマグネシウム塩の溶解性を高めることができるとともに、溶解したマグネシウム塩のイオン解離性を高めることができる。
【００３５】
非水溶媒は、マグネシウム塩を溶解させることができる液体である限り特に限定されない。高誘電率の観点から、非水溶媒は、環状炭酸エステルを含んでいてもよい。これにより、非水溶媒へのマグネシウム塩の溶解性を高めることができる。環状炭酸エステルは、例えば、エチレンカーボネート又はプロピレンカーボネートであってもよい。
【００３６】
非水溶媒は、その他の溶媒を含有していてもよい。その他の溶媒としては、環状エーテル、鎖状エーテル、ホウ酸エステル、環状スルホン、鎖状スルホン、ニトリル、及びスルトンが挙げられる。
【００３７】
［２．マグネシウム二次電池］
［２−１．全体構成］
本実施形態に係る非水電解液は、マグネシウム二次電池に利用されうる。マグネシウム二次電池は、正極と、負極と、マグネシウムイオン伝導性を有する非水電解液と、を備える。非水電解液は、上記［１．非水電解液］で説明されたものを適宜利用することができる。本開示の非水電解液を用いることによって、マグネシウム二次電池の機能を発揮させることができる。
【００３８】
図１は、マグネシウム二次電池１０の構成例を模式的に示す断面図である。
【００３９】
マグネシウム二次電池１０は、正極２１と、負極２２と、セパレータ１４と、ケース１１と、封口板１５と、ガスケット１８と、を備えている。セパレータ１４は、正極２１と負極２２との間に配置されている。正極２１、負極２２、及びセパレータ１４には、非水電解液が含浸されており、これらがケース１１の中に収められている。ケース１１は、ガスケット１８及び封口板１５によって閉じられている。
【００４０】
マグネシウム二次電池１０の構造は、例えば、円筒型、角型、ボタン型、コイン型、又は扁平型であってもよい。
【００４１】
［２−２．正極］
正極２１は、正極集電体１２と、正極集電体１２の上に配置された正極活物質層１３と、を含む。正極活物質層１３は、正極集電体１２とセパレータ１４との間に配置されている。
【００４２】
正極活物質層１３は、正極活物質を含有する。正極活物質は、例えば、フッ化黒鉛、金属酸化物、又は金属ハロゲン化物であってもよい。金属酸化物及び金属ハロゲン化物は、例えば、スカンジウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、及び亜鉛から選択される少なくとも１種と、マグネシウムとを含有してもよい。正極活物質は、Ｍｏ6Ｓ8のような硫化物であってもよく、Ｍｏ9Ｓｅ11のようなカルコゲナイド化合物であってもよい。
【００４３】
正極活物質としては、ＭｇＭ2Ｏ4（ここで、ＭはＭｎ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｎｉ及びＦｅから選択される少なくとも１種である）、ＭｇＭＯ2（ここで、ＭはＭｎ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｎｉ及びＡｌから選択される少なくとも１種である）、ＭｇＭＳｉＯ4（ここで、ＭはＭｎ、Ｃｏ、Ｎｉ及びＦｅから選択される少なくとも１種である）、及びＭｇxＭyＡＯzＦw（ここで、Ｍは遷移金属、Ｓｎ、Ｓｂ又はＩｎであり、ＡはＰ、Ｓｉ又はＳであり、０＜ｘ≦２、０．５≦ｙ≦１．５、ｚは３又は４、０．５≦ｗ≦１．５）が挙げられる。
【００４４】
正極活物質層１３は、必要に応じて、導電剤及び／又は結着剤をさらに含んでいてもよい。
【００４５】
導電材としては、炭素材料、金属、無機化合物、及び導電性高分子が挙げられる。炭素材料としては、黒鉛、アセチレンブラック、カーボンブラック、ケッチェンブラック、カーボンウィスカ、ニードルコークス、及び、炭素繊維が挙げられる。黒鉛としては、天然黒鉛及び人造黒鉛が挙げられる。天然黒鉛としては、塊状黒鉛及び鱗片状黒鉛が挙げられる。金属としては、銅、ニッケル、アルミニウム、銀、及び金が挙げられる。無機化合物としては、タングステンカーバイド、炭化チタン、炭化タンタル、炭化モリブデン、ホウ化チタン、チッ化チタンが挙げられる。これらの材料は単独で用いられてもよいし、複数種が混合されて用いられてもよい。
【００４６】
結着材としては、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）、フッ素ゴム等の含フッ素樹脂、ポリプロピレン、ポリエチレン等の熱可塑性樹脂、エチレンプロピレンジエンモノマー（ＥＰＤＭ）ゴム、スルホン化ＥＰＤＭゴム、及び、天然ブチルゴム（ＮＢＲ）が挙げられる。これらの材料は単独で用いられてもよいし、複数種が混合されて用いられてもよい。
【００４７】
正極活物質、導電材、及び、結着材を分散させる溶剤としては、Ｎ−メチルピロリドン、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、メチルエチルケトン、シクロヘキサノン、酢酸メチル、アクリル酸メチル、ジエチレントリアミン、Ｎ，Ｎ−ジメチルアミノプロピルアミン、エチレンオキシド、及びテトラヒドロフランが挙げられる。例えば、分散剤に増粘剤を加えてもよい。増粘剤としては、カルボキシメチルセルロース、及び、メチルセルロースが挙げられる。
【００４８】
正極活物質層１３は、例えば、次の方法によって形成される。まず、正極活物質と導電材と結着材との混合物が得られるように、これらの材料が混合される。次に、この混合物に適切な溶剤が加えられ、これによりペースト状の正極合剤が得られる。次に、この正極合剤が正極集電体１２の表面に塗布され、乾燥される。これにより、正極集電体１２の上に正極活物質層１３が形成される。なお、正極活物質層１３は、電極密度を高めるために、圧縮されてもよい。
【００４９】
正極活物質層１３の膜厚は、特に限定されず、例えば、１μｍ以上、１００μｍ以下である。
【００５０】
正極集電体１２の材料は、例えば、金属又は合金である。より具体的には、正極集電体１２の材料は、銅、クロム、ニッケル、チタン、白金、金、アルミニウム、タングステン、鉄、及び、モリブデンからなる群から選択される少なくとも１種の金属またはその合金であってもよい。正極集電体１２の材料は、例えば、ステンレス鋼であってもよい。
【００５１】
正極集電体１２は、板状又は箔状であってもよい。正極集電体１２は、積層膜であってもよい。
【００５２】
ケース１１が正極集電体を兼ねている場合は、正極集電体１２は省略されてもよい。
【００５３】
［２−３．負極］
負極２２は、例えば、負極活物質を含有する負極活物質層１７と、負極集電体１６とを含む。負極活物質層１７は、負極集電体１６とセパレータ１４との間に配置されている。
【００５４】
負極活物質層１７は、充電時にマグネシウムイオンが挿入され、かつ放電時にマグネシウムイオンが脱離する負極活物質を含有する。この場合、負極活物質としては、炭素材料が挙げられる。炭素材料としては、黒鉛、非黒鉛系炭素、及び黒鉛層間化合物が挙げられる。非黒鉛系炭素としては、ハードカーボン及びコークスが挙げられる。
【００５５】
負極活物質層１７は、必要に応じて、導電剤及び／又は結着剤をさらに含んでいてもよい。導電材、結着材、溶剤及び増粘剤は、例えば、［２−２．正極］で説明されたものを負極活物質層１７に適宜利用することができる。
【００５６】
負極活物質層１７の膜厚は、特に限定されず、例えば、１μｍ以上、５０μｍ以下である。
【００５７】
あるいは、負極活物質層１７は、充電時にマグネシウムがその上に析出し、放電時に当該マグネシウムがそこから非水電解液に溶解する負極活物質を含有する。この場合、負極活物質としては、Ｍｇ金属、及びＭｇ合金が挙げられる。Ｍｇ合金は、例えば、アルミニウム、シリコン、ガリウム、亜鉛、錫、マンガン、ビスマス、及びアンチモンから選択される少なくとも１種と、マグネシウムとの合金である。
【００５８】
負極集電体１６の材料は、例えば、［２−２．正極］で説明された正極集電体１２と同様の材料を適宜利用することができる。負極集電体１６は、板状又は箔状であってもよい。
【００５９】
封口板１５が負極集電体を兼ねている場合は、負極集電体１６は省略されてもよい。
【００６０】
負極集電体１６が、充電時にマグネシウムがその上に析出し、放電時に当該マグネシウムがそこから非水電解液に溶解する材料で構成される場合、負極活物質層１７は省略されてもよい。すなわち、負極２２は、充電時にマグネシウムがその上に析出し、放電時に当該マグネシウムがそこから非水電解液に溶解する負極集電体１６のみからなってもよい。この場合、負極集電体１６の材料は、ステンレス鋼、ニッケル、銅、又は、鉄であってもよい。
【００６１】
［２−４．セパレータ］
セパレータ１４の材料としては、微多孔性薄膜、織布、不織布が挙げられる。セパレータ１４の材料は、ポリプロピレン、ポリエチレンなどのポリオレフィンであってもよい。セパレータ１４の厚さは、例えば、１０〜３００μｍである。セパレータ１４は、１種の材料で構成された単層膜であってもよく、２種以上の材料で構成された複合膜、又は、多層膜であってもよい。セパレータ１４の空孔率は、例えば、３０〜７０％の範囲にある。
【００６２】
（実施例）
［３．実験結果］
［３−１．非水電解液の作製］
［３−１−１．サンプル１］
まず、エチレンカーボネートとジメチルカーボネートの混合溶媒（体積比率１：１）を調製した。得られた混合溶媒に、芳香族複素環化合物として４−ｔｅｒｔ−ブチルピリジン（CAS 3978-81-2, Mw:135）を、体積比率１：１になるように添加して非水溶媒を得た。次に、マグネシウム塩であるＭｇ（ＣＨ3ＣＮ）6（ＰＦ6）2を、非水溶媒に対して濃度０．１２ｍｏｌ／Ｌとなるように溶解させた。これにより、サンプル１の非水電解液を得た。非水電解液の調製は、アルゴングローブボックス内で行った。添加前に、４−ｔｅｒｔ−ブチルピリジンは、乾燥剤（商品名：モレキュラーシーブ（４Ａ））を用いて一晩脱水された。
【００６３】
［３−１−２．サンプル２］
４−ｔｅｒｔ−ブチルピリジンを非水電解液に加えなかったことを除き、サンプル１と同様の方法で、非水電解液を調製した。
【００６４】
［３−１−３．サンプル３］
４−ｔｅｒｔ−ブチルピリジンに代えてピリジンを使用したことを除き、サンプル１と同様の方法で、非水電解液を調製した。
【００６５】
［３−２．ＣＶ特性評価］
得られた非水電解液に対してサイクリックボルタンメトリー（ＣＶ）測定を行った。測定セルとしてビーカーセルを用い、測定装置としてポテンシオガルバノスタット（バイオロジック社製、ＶＳＰ−３００）を用いた。作用極として、５ｍｍ×４０ｍｍのアルミニウム箔を用いた。参照極及び対極として、５ｍｍ×４０ｍｍのマグネシウムリボンを用いた。結果を図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃ、図３、および図４に示す。
【００６６】
図２Ａ〜２Ｃは、サンプル１のサイクリックボルタモグラムを示すグラフである。縦軸は作用極に流れた電流を示し、横軸は参照極に対する作用極の電位を示している。図２Ａは、−１〜２Ｖの掃引範囲での結果を示している。図２Ｂは、０〜２Ｖの掃引範囲での結果を示している。図２Ｃは、０．５〜２Ｖの掃引範囲での結果を示している。電位の掃引速度は５ｍＶ／ｓであった。図２Ａに示すように、掃引範囲が−１〜２Ｖの場合、すなわちＭｇ／Ｍｇ2+の平衡電位よりも卑の電位に掃引した場合のみ、対応する酸化電流が観測された。つまり、観測された酸化電流は、溶媒の分解電流ではなく、レドックス反応に対応する電流であると考えられる。図２Ｂ及び図２Ｃに示すように、掃引範囲が０〜２Ｖ及び０．５〜２Ｖであるとき、電流は観測されなかった。
【００６７】
図３は、サンプル１及び２のサイクリックボルタモグラムを示すグラフである。電位の掃引速度は２５ｍＶ／ｓとし、掃引範囲は−１．０〜２．０Ｖとした。サンプル１において、還元電流及び酸化電流が観測された。サンプル２では、還元電流及び酸化電流ほとんど観測されなかった。つまり、サンプル１において還元電流及び酸化電流が観測された理由は、サンプル１に含有される４−ｔｅｒｔ−ブチルピリジンが、マグネシウムイオンの析出及び溶解を促進しているためであると考えられる。
【００６８】
図４は、サンプル１及び３のサイクリックボルタモグラムを示すグラフである。電位の掃引速度は２５ｍＶ／ｓとし、その掃引範囲は−１．０〜２．０Ｖとした。サンプル１及び３の両方において、還元電流及び酸化電流が観測された。サンプル１の非水電解液は、ＣＶ測定後、変色しなかった。これに対し、サンプル３の非水電解液は青色に変色した。サンプル１の非水電解液が変色しなかった理由としては、サンプル１に含有される４−ｔｅｒｔ−ブチルピリジンが、非水電解液の電解化学安定性を高めているためであると考えられる。
【００６９】
以上の結果から、サンプル１の非水電解液は、マグネシウム二次電池に適していると考えられる。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
本開示の非水電解液は、マグネシウム二次電池に利用されうる。
【符号の説明】
【００７１】
１０  マグネシウム二次電池
１１  ケース
１２  正極集電体
１３  正極活物質層
１４  セパレータ
１５  封口板
１６  負極集電体
１７  負極活物質層
１８  ガスケット
２１  正極
２２  負極
【要約】
本開示の一態様に係るマグネシウム二次電池用非水電解液は、非水溶媒、マグネシウム塩、および置換基である脂肪族炭化水素基を有する芳香族複素環化合物を含有する。芳香族複素環化合物は、窒素原子、酸素原子、リン原子、及び硫黄原子からなる群より選ばれる少なくとも１つを環の構成原子として含む。芳香族複素環化合物が非電解質である。【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３】
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【図４】
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