CN103765662B - 非水二次电池用电解液和二次电池 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种非水电解液和二次电池,其在提高阻燃性的同时不会降低基本性能,还可使其性能良化。本发明的非水二次电池用电解液是在非质子性溶剂中含有金属盐与具有磷和氮原子的特定环状化合物的非水二次电池用电解液,该金属盐含有属于元素周期表第一族或第二族的金属的离子;其中,上述非质子性溶剂为含有羧酸酯化合物和碳酸酯化合物中的至少一种化合物的溶剂,上述含有金属盐的非质子性溶剂的质量(Ms)与上述环状化合物的质量(MPN)之比(MPN/Ms)为0.01~1。
Description
【技术领域】
本发明涉及含有非质子性溶剂的非水二次电池用电解液和使用其的二次电池。
【背景技术】
近来,引人注目的被称为锂离子电池的二次电池大致被分为在充放电反应中利用锂的包藏和放出的二次电池(所谓的锂离子二次电池)、以及利用锂的析出和溶解的二次电池(所谓的锂金属二次电池)。这些电池中,与铅电池或镍镉电池相比,得到了较大的能量密度。利用该特性,近年来,其在照相机一体型VTR(videotaperecorder,磁带录像机)、移动电话或者笔记本电脑等便携式电子仪器中的应用广泛普及。与此相伴,作为便携式电子仪器的电源,人们正在推进开发电池、特别是轻量且可得到高能量密度的二次电池。进而人们强烈要求其小型化、轻量化和长寿命化、高安全化。
作为锂离子二次电池、锂金属二次电池(下文中,有时将它们简单地总称为锂二次电池。)的电解液,广泛使用碳酸亚丙酯或者碳酸二乙酯等碳酸酯系溶剂与六氟磷酸锂等电解质盐的组合。这是由于它们的电导率高、电位也稳定。
另一方面,现有的电解液中,由于在成分中包含这样的低分子量有机化合物,因而从安全性的方面出发,对其赋予阻燃性是重要的。以阻燃性的改善为目的,有人提出了使电解液中含有环状膦腈的技术(专利文献1~3)。
【现有技术文献】
【专利文献】
专利文献1:日本特开2005-190873号公报
专利文献2:日本特开2009-016106号公报
专利文献3:日本特开平6-13108号公报
【发明内容】
【发明所要解决的课题】
上述专利文献的技术还不能说充分,希望实现更高的阻燃性。另外希望通过添加阻燃剂抑制电池诸性能的降低,如果可能,还希望通过其添加实现性能优化。
本发明是鉴于该课题进行的,其目的在于提供一种非水电解液和二次电池,其在提高阻燃性的同时不会降低基本性能,还可使其性能良化。
进一步地,本发明的目的在于提供可带来上述良好性能的非水电解液二次电池用的添加剂,同时提供作为该添加剂有用的新颖化合物。
【解决课题的手段】
上述课题通过下述手段解决。
[1]一种非水二次电池用电解液,其是在非质子性溶剂中含有金属盐与下式(1)所表示的环状化合物的非水二次电池用电解液,该金属盐含有属于元素周期表第一族或第二族的金属的离子;其中,非质子性溶剂为含有羧酸酯化合物和碳酸酯化合物中的至少一种化合物的溶剂,含有金属盐的非质子性溶剂的质量(Ms)与环状化合物的质量(MPN)之比(MPN/Ms)为0.005~1。
【化1】
(式中,R1~R6表示1价的取代基。这些取代基中的至少1个为-NRARB、-N=RC或叠氮基,此外的至少1个为卤原子。n表示1以上的整数。n为2以上的情况下,2个以上的R5、R6可以分别相同,也可以分别不同。RA、RB为氢原子、烷基、链烯基、炔基、芳基、杂环基、氰基、甲硅烷基、或下式(1A)、(1B)、(1C)或(1D)所表示的取代基。RC表示下式(C1)~(C6)中的任意之一所示的取代基。)
【化2】
(式中,R1A1、R1C1、R1D1、R1D2表示烷基、烷氧基、芳基、芳氧基、卤原子或氨基。XA1表示氧原子或硫原子。XD1表示氧原子、硫原子或氮原子,XD1为氧原子、硫原子的情况下,不存在R1D3。XD1为氮原子的情况下,R1D3表示烷基、芳基、甲硅烷基或膦酰基。R1B1、R1B2表示烷基、芳基、烷氧基羰基、芳氧基羰基、烷基磺酰基、芳基磺酰基、膦酰基、或甲硅烷基。*表示结合键。)
【化3】
(式中,RX1、RX2、RX3表示烷基、芳基、烷氧基、芳氧基、烷硫基、芳硫基、杂环基、卤原子或甲硅烷基。RY1、RY2表示卤原子。*表示结合键。)
[2]如[1]所述的非水二次电池用电解液,其中,非质子性溶剂含有下式(3A)和(3B)所表示的碳酸酯化合物以及下式(3C)所表示的羧酸酯化合物(即下式(3A)、(3B)以及(3C)所表示的化合物)中的至少一种。
【化4】
(式中,R31~R34表示氢原子、烷基(不含有卤素)、芳基(不含有卤素)。R35~R36表示氢原子、可以被氟取代的烷基、具有醚链的烷基或可以被氟取代的芳基。)
[3]如[1]或[2]所述的非水二次电池用电解液,其进一步含有下式(4A)、(4B)、(4C)或(4D)所表示的化合物中的至少一种化合物,含有金属盐的非质子性溶剂的质量(Ms)与式(4A)、(4B)、(4C)或(4D)所表示的化合物的总质量(M4)的比例(M4/Ms)为0.001~0.25。
【化5】
(式中,R4a1、R4a2表示氢原子、卤素(优选氟、溴、氯,更优选氟)、氟取代烷基、氟取代芳基或乙烯基。此时R4a1和R4a2中的至少一者表示卤素、氟取代烷基、氟取代芳基或乙烯基。R4b1、R4b2表示氢原子、烷基或芳基。R4c1、R4c2、R4d1、R4d2表示氢原子、氟取代烷基、氟取代芳基或乙烯基。X表示亚甲基或者氧原子。)
[4]如[2]或[3]所述的非水二次电池用电解液,其中,含有式(3A)所表示的化合物和式(3C)所表示的化合物中的至少一种以及式(3B)所表示的化合物,式(3B)所表示的化合物的体积(M3B)与式(3A)所表示的化合物和式(3C)所表示的化合物的体积的总量(MAC)的比例(M3B/MAC)为0.2~5。
[5]如[1]~[4]所述的非水二次电池用电解液,其特征在于,其进一步含有芳香族化合物作为过充电防止剂。
[6]如[1]~[5]的任一项所述的非水二次电池用电解液,其中,上述环状化合物为下式(2A)或式(2B)所表示的化合物。
【化6】
(式中,R21~R28与式(1)的R1~R6含义相同。)
[7]如[6]所述的非水二次电池用电解液,其含有2种以上的式(2A)或式(2B)所表示的化合物,上述化合物中的至少一种在TG-DTA(热重-差热同时测定)中的20%失重温度为110℃以下。
[8]如[6]或[7]所述的非水二次电池用电解液,其中,上述20%失重温度为110℃以下的化合物的质量(M110)为式(2A)或式(2B)所表示的化合物的总质量(M2A2B)的20%~80%。
[9]如[1]~[8]所述的非水二次电池用电解液,该电解液与钛酸锂一起作为负极活性物质使用。
[10]一种非水二次电池,其具备:[1]~[8]的任一项所述的非水二次电池用电解液;能够嵌入放出属于元素周期表第一族或第二族的金属的离子的正极;以及能够嵌入放出或溶解析出离子的负极。
[11]一种非水二次电池用电解液套件,其为将含有属于元素周期表第一族或第二族的金属的离子的金属盐、下式(1)所表示的环状化合物、以及非质子性溶剂组合而成的非水二次电池用电解液套件,其中,非质子性溶剂为含有羧酸酯化合物和碳酸酯化合物中的至少一种化合物的溶剂,含有金属盐的非质子性溶剂的质量(Ms)与环状化合物的质量(MPN)之比(MPN/Ms)为0.005~1。
【化7】
(式中,R1~R6表示1价的取代基。这些取代基中的至少1个为-NRARB、-N=RC或叠氮基,此外的至少1个为卤原子。N表示1以上的整数。n为2以上的情况下,2个以上的R5、R6可以分别相同,也可以分别不同。RA、RB为氢原子、烷基、链烯基、炔基、芳基、杂环基、氰基、甲硅烷基、或下式(1A)、(1B)、(1C)或(1D)所表示的取代基。RC表示下式(C1)~(C6)中的任意之一所示的取代基。)
【化8】
(式中,R1A1、R1C1、R1D1、R1D2表示烷基、烷氧基、芳基、芳氧基、卤原子或氨基。XA1表示氧原子或硫原子。XD1表示氧原子、硫原子或氮原子;XD1为氧原子、硫原子的情况下,不存在R1D3。XD1为氮原子的情况下,R1D3表示烷基、芳基、甲硅烷基或膦酰基。R1B1、R1B2表示烷基、芳基、烷氧基羰基、芳氧基羰基、烷基磺酰基、芳基磺酰基或膦酰基、甲硅烷基。)
【化9】
(式中,RX1、RX2、RX3表示烷基、芳基、烷氧基、芳氧基、烷硫基、芳硫基、杂环基、卤原子或甲硅烷基。RY1、RY2表示卤原子。)
[12]非水二次电池电解液用添加剂,其以下式(1)所表示。
【化10】
(式中,R1~R6分别表示-NRARB所示的氨基、或氟原子,其至少3个表示氟原子,至少1个具有-NRARB所示的氨基。RA、RB表示碳原子数为1~4的烷基,烷基可于其前端形成环。n为1。)
[13]一种膦腈化合物,其由下式(1)所表示,由条件1A、1B、或1C来定义。
【化11】
(1A:R1~R6分别表示-NRARB所示的氨基或氟基,其至少3个为氟原子,至少1个为-NRARB所示的氨基。RA、RB分别表示不同的烷基,烷基的前端可形成非对称的环。n为1。)
(1B:R1~R6分别表示-NRARB所示的氨基或氟基,其至少3个为氟原子,至少2个为-NRARB所示的氨基。此处,2个以上的-NRARB包括相互不同的基团。RA、RB表示具有或不具有取代基的烷基,烷基的前端可以形成环。n为1。)
(1C:R1~R6分别表示-NRARB所示的氨基和氟基,其至少3个为氟原子,至少1个具有-NRARB所示的氨基。此处,NRARB为2个以上时,它们具有相同结构。RA、RB表示具有或不具有取代基的碳原子数为3以上的烷基,烷基的前端可以形成环。n为1。)
在本说明书中,在特定符号所表示的取代基具有2个以上时、或者对2个以上的取代基或配位体(包括取代基数)等进行同时或者择一规定时,各取代基或配位体等可以相互相同、也可以不同。并且,2个以上的取代基或配位体接近时,它们可以相互连结或发生缩环而形成环。
【发明的效果】
具备本发明的非水电解液的二次电池可发挥出下述优异的效果:其具有高阻燃性,并且其抑制高阻燃性导致的诸性能的降低,进而还可实现性能优化。
进一步地,本发明的非水电解液二次电池用的添加剂可带来上述良好的性能,并且,本发明的新颖化合物具有作为上述添加剂的有用性。
【附图说明】
图1为示意性示出本发明优选实施方式的锂离子二次电池的构成的截面图。
图2为示意性示出本发明优选实施方式的锂离子二次电池的具体构成的截面图。
图3为示出实施例中使用的环状膦腈化合物(示例化合物1-2)的Tg-DTA测定结果的图表。
【具体实施方式】
本发明的非水电解液中以特定量组合含有具有特定含氮基团的环状膦腈化合物与特定的羧酸酯化合物和/或碳酸酯化合物(下文中有时称为特定酯化合物)。由此,将电解液应用于二次电池时,可抑制性能的降低,优选还可实现性能优化,可谋求阻燃性的提高。其理由尚不确定,但可认为阻燃性的优化是由具有环状膦腈骨架的化合物带来的。进一步地,与烷氧基膦腈化合物相比,上述具有特定含氮基团和卤原子的膦腈化合物不含有容易促进燃烧的氧原子,从这方面考虑,其在特定电解液的阻燃化中可发挥出有利作用。另外据推测,在抑制或者改善循环特性、充电率(Rate)特性的降低、进而在初期容量或其维持率的提高中发挥作用的原因在于,膦腈化合物中的特定含氮基团与羧酸酯化合物和碳酸酯化合物的羰基一同与电解液中的锂离子发生作用,由此容易到达负极表面,可形成良好的SEI(钝化膜(不導体被膜));等等。以该优选实施方式为中心详细说明本发明。
[式(1)所表示的化合物]
本发明的非水二次电池用电解液含有下式(1)所表示的具有磷和氮原子的环状化合物。
【化12】
·R1~R6
式中,R1~R6表示1价的取代基。R1~R6取代基中的至少1个为-NRARB、-N=RC或叠氮基,此外的至少1个为卤原子。其中优选R1~R6全部由选自-NRARB、-N=RC以及叠氮基中的基团或者其组合(下文中有时将其称为“特定含氮基团”)与卤原子的组合来构成。作为卤原子优选氟。上述特定含氮基团的数目没有特别限定,优选为1~4个、更优选为1~3个、特别优选为1~2个、进一步优选为1个。作为取代位置,优选在1个磷原子上取代1个上述特定含氮基团。
R1~R6中,相互邻接的基团可以彼此键合,形成包含磷原子的环。R1~R6彼此可以不同、也可以相同。特别是在形成环的情况下,优选R1与R2、R3与R4、R5与R6形成环的情况。
上述的取代基R1~R6优选为烷基、芳基、烷氧基、芳氧基、烷硫基、芳硫基、上述特定含氮基团、卤原子。进一步优选碳原子数为1~6的烷基、碳原子数为6~12的芳基、碳原子数为1~6的烷氧基、碳原子数为6~12的芳氧基、碳原子数为1~6的烷硫基、碳原子数为6~12的芳硫基、卤原子(优选氯、氟)、上述特定含氮基团,特别优选上述特定含氮基团、氟原子、碳原子数为1~6的烷基或碳原子数为1~6的烷氧基。上述烷基和芳基可以具有或不具有取代基。烷基可以为直链,也可以为支链。
·n
n表示1以上的整数,优选为1~3、更优选为1~2、进一步优选为1。
·RA、RB
RA、RB为氢原子、烷基、芳基、链烯基、炔基、杂环基、氰基、甲硅烷基、或下式(1A)、(1B)、(1C)或(1D)所表示的取代基。
【化13】
RA、RB之中,优选烷基、芳基、式(1A)、式(1D)所表示的取代基,特别优选碳原子数为1~8的烷基、碳原子数为1~6且被氟取代了的烷基、碳原子数为1~6且具有醚基的烷基、碳原子数为6~12的芳基、碳原子数为1~7的式(1A)所表示的取代基。进一步优选碳原子数为1~4的烷基、碳原子数为1~4且被氟取代了的烷基,其中优选取代基中的碳原子数合计为6以下的取代基。特别优选碳原子数合计为4以下的取代基。RA、RB可以相互键合或者缩环形成包含氮原子的环。烷基可以为直链、也可以为支链。RA、RB彼此可以相同、也可以不同。RA与RB形成环时,优选为氮杂环丙烷环、吖丁啶环、吡咯烷环、吡咯啉环、哌嗪环、吗啉环、硫代吗啉环、噁唑烷环、噻唑烷环、咪唑啉环、(异)吲哚环、咔唑环。
·R1A1、R1C1、R1D1、R1D2
式中,R1A1、R1C1、R1D1、R1D2表示烷基、烷氧基、芳基、芳氧基、卤原子或氨基。这些取代基的优选物可以举出下述示例。即,优选碳原子数为1~6的烷基、碳原子数为1~6的烷氧基、碳原子数为6~12的芳基、碳原子数为6~12的芳氧基、氯基、氟原子,更优选碳原子数为1~6的烷基、碳原子数为1~6的烷氧基、氯基、氟原子。这些取代可以进一步具有取代基。*表示结合键。
·R1B1、R1B2
R1B1、R1B2表示氢原子、烷基、芳基、烷氧基羰基、芳氧基羰基、烷基磺酰基、芳基磺酰基、甲硅烷基或膦酰基。这些取代基的优选物可以举出下述示例。即,优选碳原子数为1~6的烷基、碳原子数为1~7的烷氧基羰基、碳原子数为6~12的芳基、碳原子数为7~12的芳氧基羰基、碳原子数为1~6的烷基磺酰基、碳原子数为6~12的芳基磺酰基、碳原子数为1~6的甲硅烷基、碳原子数为1~12的膦酰基,特别优选碳原子数为1~6的烷基、碳原子数为1~7的烷氧基羰基、碳原子数为1~6的烷基磺酰基、碳原子数为1~6的甲硅烷基、碳原子数为1~12的膦酰基。
·XA1、XD1、R1D3
式中,XA1表示氧原子或硫原子。
XD1表示氧原子、硫原子或氮原子,XD1为氧原子、硫原子的情况下,不存在R1D3。XD1为氮原子的情况下,R1D3表示烷基(优选碳原子数为1~4)、芳基(优选碳原子数为6~12)、甲硅烷基(优选碳原子数为1~6)或膦酰基(优选碳原子数为1~12)。
·Rc
Rc表示式(C1)~(C6)的任意之一所表示的取代基。
【化14】
RX1、RX2、RX3表示烷基(优选碳原子数为1~6)、芳基(优选碳原子数为6~24)、烷氧基(优选碳原子数为1~6)、芳氧基(优选碳原子数为6~24)、烷硫基(优选碳原子数为1~6)、芳硫基(优选碳原子数为6~24)、杂环基(优选碳原子数为1~12)、卤原子或甲硅烷基(优选碳原子数为1~6)。
RY1、RY2表示卤原子。优选RX1、RX2、RX3是碳原子数为1~6的烷基、碳原子数为1~6的烷氧基、碳原子数为1~6的烷硫基、氯原子、氟原子、碳原子数为1~6的甲硅烷基。
R1~R6的取代基的种类和数目没有特别限制,从维持电池性能、确保阻燃性的方面出发,优选全部取代基中的2个以上为氟原子、其余的取代基为上述特定含氮基团和烷氧基,进一步优选全部取代基中的3个以上为氟原子的情况。最优选4个以上为氟原子。或者从同样的角度出发,优选R1~R6全部由卤原子(优选氟原子)与上述特定含氮基团构成,优选其中1~3个为上述特定含氮基团,该特定含氮基团更优选为1或2个,进一步优选特定含氮基团为1个。
[MPN/Ms]
本发明的非水电解液中,含有金属盐(该金属盐含有后述属于元素周期表第一族或第二族的金属的离子)的非质子性溶剂的质量(Ms)与上述环状化合物的质量(MPN)的比例(MPN/Ms)为0.005~1。从通过发挥出电解液的阻燃性而使安全性和电池性能提高的方面考虑,MPN/Ms的下限为0.005以上、优选为0.01以上、更优选为0.02以上、进一步优选为0.025以上。上限为1以下、优选为0.6以下、更优选为0.4以下、进一步优选为0.25以下、特别优选为0.15以下。通过使该比例为上述下限值以上,能够确保充分的阻燃性;通过使其为上述上限值以下,能够有效抑制电池性能的降低,此时为优选的。
需要说明的是,对于溶剂质量(Ms),在含有其它种类溶剂的情况下,以包含该其它种类溶剂的质量的形式进行评价。作为其它种类的溶剂,可以举出例如腈系溶剂(乙腈、丙腈、己二腈、异丁腈、琥珀腈等)、酰胺系溶剂(N-甲基-2-吡咯烷酮、二甲基甲酰胺、二甲基咪唑啉酮、二甲基乙酰胺等)、醚系溶剂(呋喃、2,5-二甲基呋喃、四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃、四氢吡喃、1,4-二氧六环、12-冠-4-醚、18-冠-4-醚、二甲氧基甲烷、二甲氧基乙烷、二乙氧基乙烷、二甘醇二甲醚、三甘醇二甲醚等)、二甲基砜、二甲基亚砜等。
[式(2A)、(2B)所表示的化合物]
上述式(1)所表示的化合物优选为下式(2A)或(2B)所表示的化合物。
【化15】
·R21~R28
式中,R21~R28与上述式(1)的R1~R6的含义相同。其中优选卤原子、烷基、芳基、烷氧基、芳氧基、硫烷基、硫芳基、上述特定含氮基团。特别优选碳原子数为1~8的烷基、碳原子数为6~12的芳基、碳原子数为1~6的烷氧基、碳原子数为6~12的芳氧基、碳原子数为1~6的烷硫基、碳原子数为6~12的芳硫基、卤原子(优选氯、氟)、上述特定含氮基团,特别优选上述特定含氮基团、氟原子、碳原子数为1~6的烷基或碳原子数为1~6的烷氧基。上述烷基和芳基可以具有或不具有取代基。烷基可以为直链、也可以为支链。R21~R28中的至少一种为上述-NRARB、-N=RC或叠氮基或者其组合(特定含氮基团),此外的至少一种为氟原子。作为进一步优选的形态,为取代基由特定含氮基团与氟原子构成的化合物,作为特定含氮基团的数目为1~4、优选1~3、特别优选为1~2、进一步优选为1,优选含氮基团以外全部为氟原子的情况。
·上述特定含氮基团
上述特定含氮基团的优选物、其数目或取代位置、进而与卤原子的关系或其优选范围等与上述式(1)的情况是同样的。具体地说,R21~R28的取代基的种类与数目没有特别限制,从维持电池性能、确保阻燃性的的方面出发,优选全部取代基中的2个以上为氟原子、其余的取代基为上述特定含氮基团和烷氧基,进一步优选全部取代基中的3个以上为氟原子的情况。最优选4个以上为氟原子的情况。进一步优选为5个氟原子。或者,从同样的角度出发,优选R21~R28全部由卤原子(优选氟原子)和上述特定含氮基团构成,其中优选1~3个为上述特定含氮基团,更优选上述特定含氮基团为1或2个,进一步优选上述特定含氮基团为1个的情况。
本发明中,优选含有2种以上的上述式(2A)或式(2B)所表示的化合物,上述化合物中的至少一种在TG-DTA(热重-差热同时测定)中的20%失重温度为110℃以下。并且优选该TG-DTA(热重-差热同时测定)中的20%失重温度为110℃以下的化合物的质量(M110)为上述式(2A)或式(2B)所表示化合物的总质量(M2A2B)的20%~80%、更优选为40%~70%。通过使该比例为上述下限值以上,能够有效地使低沸点(低闪点)的电解液阻燃化;通过使该比例为上述上限值以下,能够抑制挥散所致的电池内的气体发生。
下面示出式(1)所表示的化合物的具体例,但本发明并不由此限定地解释。这些化合物可以单独使用,也可将任意两种以上组合使用。
【化16】
【化17】
【化18】
【化19】
【化20】
上述式(1)所表示的化合物可通过常规方法合成,例如可参考德国公开专利公报第2139691号说明书所记载的方法。
首先,在氯环三膦腈中导入与目的生成物同样的氨基,之后利用氟化钠、氟化钾、氟化锑等氟化剂进行氟化,从而可得到目的生成物。上述方法中的对氯环三膦腈进行的氨基化中,也可将与目的生成物同样的胺作为所生成的酸的除去剂使用,通过使与目的生成物同样的胺与无机碱和有机碱并存,也可同样地合成。作为上述无机碱,优选由阴离子和金属阳离子构成的无机碱,特别优选阴离子为氢氧化物、碳酸化物、重碳酸化物、氟化物;金属阳离子选自碱金属、碱土金属中的组合。作为金属阳离子,更优选选自钠、钾、镁、钙。作为优选的实例,具体地说,可以列举出:氢氧化钠、氢氧化钾之类的氢氧化物;碳酸钾、碳酸钠、碳酸氢钠之类的碳酸化物;氟化钠、氟化钾之类的氟化物,作为上述有机碱,可以列举出:三乙胺、二异丙基乙胺、甲基吗啉、二氮杂双环十一碳烯之类的三烷基胺;吡啶、二甲基吡啶之类的芳香族碱。该合成时所用的溶剂只要为通常所用的溶剂就可以没有问题地使用,优选可以举出酯系溶剂、醚系溶剂、腈系溶剂、脂肪族系溶剂和有机溶剂-水系的二相溶剂。具体地说,优选可以举出:乙酸乙酯、乙酸丁酯等酯系溶剂;二乙醚、叔丁基甲醚、环戊基甲醚等醚系溶剂;乙腈等腈系溶剂;己烷、癸烷等脂肪族溶剂;甲苯-水、乙酸乙酯-水等二相溶剂等。其中优选可以举出醚系溶剂、腈系溶剂。
除了上述方法以外,还能够通过形成胺-金属键合,使其与氯环三膦腈发生反应来合成。作为胺-金属键合,可以举出:胺-锂、胺-钠键合之类的与碱金属的键合;胺-钙键合之类的与碱土金属的键合;胺-三甲基甲硅烷基键合之类的与硅的键合。
下面,对于作为非水二次电池电解液用的添加剂或者新颖化合物的发明,叙述其优选方式。
本发明的非水二次电池电解液用添加剂优选为上述式(1)所表示的化合物。本化合物满足下述的条件1。
·条件1:
式中,R1~R6分别表示-NRARB所示的氨基、或氟原子,其至少3个表示氟原子,至少1个具有-NRARB所示的氨基。RA、RB表示碳原子数为1~8(优选为4以下)的烷基,该烷基可于其前端形成环。n为1。
作为上述非水二次电池电解液用添加剂的优选例,可以举出上述说明的膦腈化合物的示例。
本发明中,还包括由上述式(1)所表示、由条件1A、1B或1C来定义的膦腈化合物。这规定了形成上述非水电解液二次电池用添加剂的化合物的一部分,本发明人新发现了其作为新颖化合物的有用性。
·条件1A:
R1~R6分别表示-NRARB所示的氨基、或氟原子,其至少3个以上为氟原子,至少1个为-NRARB所示的氨基。RA、RB分别表示不同的烷基,于该烷基的前端可形成非对称的环。n为1。需要说明的是,此处的非对称的环是指,在假设有穿过氮原子的旋转轴时,在该旋转操作中不具有C2的对称性的结构。例如可以举出2-甲基氮杂环丙烷、2-甲基吡咯烷等。
作为RA、RB,优选碳原子数为1~8的烷基、进一步优选碳原子数为1~4的烷基。作为RA、RB,特别优选RA、RB的碳原子数之和为8以下,进一步优选RA、RB的碳原子数之和为6以下,更进一步优选RA、RB的碳原子数之和为4以下。即,优选为包括甲基、乙基、丙基、异丙基、正丁基、仲丁基、叔丁基的烷基。烷基的前端所形成的环优选碳原子数为2~8的环结构(该数目不包括取代基的碳。以下同样。),更优选碳原子数为2~5的环结构。
·条件1B:
R1~R6分别表示-NRARB所示的氨基、或氟原子,其至少3个为氟原子,至少2个为-NRARB所示的氨基。此处,2个以上的-NRARB包括相互不同的基团。RA、RB表示具有或不具有取代基的烷基,于该烷基的前端可以形成环。n为1。
作为RA、RB,优选碳原子数为1~8的烷基,进一步优选碳原子数为1~4的烷基,特别优选为甲基、乙基。作为RA、RB,特别优选RA、RB的碳原子数之和为8以下,进一步优选RA、RB的碳原子数之和为6以下,更进一步优选RA、RB的碳原子数之和为4以下。即,优选为包括甲基、乙基、丙基、异丙基、正丁基、仲丁基、叔丁基的烷基。烷基的前端所形成的环优选碳原子数为2~8的环结构、更优选碳原子数为2~5的环结构。
·条件1C:
R1~R6分别表示-NRARB所示的氨基和氟基,其至少3个为氟原子,至少1个具有-NRARB所示的氨基。此处,NRARB为2个以上时,它们具有相同结构。RA、RB表示具有或不具有取代基的碳原子数为3以上的烷基,于该烷基的前端可以形成环。
作为RA、RB,优选碳原子数为3~8的烷基,进一步优选碳原子数为3~4的烷基,特别优选为正丙基、异丙基。作为RA、RB,特别优选RA、RB的碳原子数之和为8以下,进一步优选RA、RB的碳原子数之和为6以下。即,优选为包含丙基、异丙基、正丁基、仲丁基、叔丁基的烷基。烷基的前端所形成的环优选碳原子数为3~8的环结构,更优选碳原子数为3~4的环结构。n为1。
需要说明的是,条件1、1A~1C中的RA、RB为烷基时,该烷基可以进一步带有取代基。作为可以取代的取代基的示例,可以举出上述取代基R1~R6的示例。并且RA和RB可以相互连结形成环。
[非质子性溶剂]
本发明的非水电解液含有非质子性溶剂,该非质子性溶剂优选含有下式(3A)和(3B)所表示的碳酸酯化合物以及下式(3C)所表示的羧酸酯化合物(即式(3A)、(3B)以及(3C)所表示的化合物)中的至少一种。
【化21】
·R31~R36
式中,R31~R34表示氢原子、烷基(不包括卤素元素)、芳基(不包括卤素元素)。并且,R35~R36表示氢原子、可以被氟取代的烷基、具有醚链的烷基、或可以被氟取代的芳基。作为R31~R34的烷基,优选直链或带支链的烷基、具有醚链的烷基。其中特别优选碳原子数为1~6的烷基、具有醚基且碳原子数为1~6的烷基。作为R35~R36的烷基,优选直链或带支链的烷基、具有氟原子的烷基、具有醚链的烷基。其中特别优选碳原子数为1~6的烷基、被氟部分取代的碳原子数为1~6的烷基、具有醚基的碳原子数为1~6的烷基。式(3B)和式(3C)的R31~R34特别优选为氢原子、碳原子数为1~4的烷基,进而更优选为氢原子。式(3C)的R35~R36特别优选氢原子、被氟取代了的碳原子数为1~4的烷基、碳原子数为1~4的烷基,进而更优选为氢原子。另外,如上所述,相邻的取代基可以彼此形成环,特别是式(3B)的取代基R31与R32、R33与R34可以形成环。并且,式(3C)的取代基R31与R32、R33与R34、R35与R36可以形成环。
另外,上述非质子性溶剂含有式(3A)所表示的化合物和式(3C)所表示的化合物中的至少一种、以及式(3B)所表示的化合物,式(3B)所表示的化合物的体积(M3B)与式(3A)所表示的化合物和式(3C)所表示的化合物的体积的总量(MAC)的比例(M3B/MAC)优选为0.2~5、更优选为0.3~1。通过使该比例为上述上限值以下,可具有充分的介电常数、防止粘度的大幅上升,而不会过度降低锂离子电导率、能够维持良好的循环特性。另一方面,通过使该比例为上述下限值以上,不会降低介电常数、能够实现良好的循环特性。
[式(4)所表示的化合物]
本发明的非水电解液中,进一步优选含有下式(4A)、(4B)、(4C)或(4D)所表示的化合物中的至少一种。由此能够期待循环特性、充电率特性提高的效果。
【化22】
·R4a1、R4a2
式中,R4a1、R4a2表示氢原子、卤素(优选氟、溴、氯,进一步优选氟)、氟取代烷基、氟取代芳基或乙烯基。此时,R4a1和R4a2中的至少一者表示卤素、氟取代烷基、氟取代芳基或乙烯基。乙烯基可以与其它取代基同样地进一步带有取代基。作为烷基、芳基的优选物,可以举出下述示例。即,作为R4a1、R4a2,其中优选碳原子数为1~6的氟取代烷基、乙烯基。
·R4b1、R4b2
R4b1、R4b2表示氢原子、烷基或芳基。它们之中,作为优选的取代基,可以举出氢原子、碳原子数为1~6的烷基、碳原子数为6~12的芳基。作为R4b1、R4b2,其中优选氢原子、碳原子数为1~6的烷基、碳原子数为1~6的氟取代烷基。
·R4c1、R4c2、R4d1、R4d2
R4c1、R4c2、R4d1、R4d2表示氢原子、烷基、芳基、氟取代烷基、氟取代芳基或乙烯基。作为烷基、芳基的优选物,可以举出氢原子、碳原子数为1~6的烷基、碳原子数为1~6且被氟取代了的烷基、碳原子数为1~6且具有醚基的烷基、苯基、乙烯基。这些烷基、苯基可以与其它取代基同样地进一步带有取代基。作为R4c1、R4c2、R4d1、R4d2,其中优选碳原子数为1~6的烷基、氟取代烷基、乙烯基。这些取代基可以进一步具有取代基。
·X
X表示亚甲基或者氧原子。亚甲基可以与其它取代基同样地进一步具有取代基,作为优选的取代基,可以举出碳原子数为1~6的烷基、碳原子数为6~12的芳基、乙烯基。
本发明中,上述溶剂质量(Ms)与上述式(4A)、(4B)、(4C)或(4D)所表示的化合物的总质量(M4)的比例(M4/Ms)优选为0.001~0.25、更优选为0.005~0.2、特别优选为0.01~0.2。若以其它形式规定上述M4/Ms,则优选为0.001以上、更优选为0.005以上、特别优选为0.01以上。上限优选为0.25以下、更优选为0.2以下。通过使该比例为上述下限值以上,由此与电极表面的反应概率足够高,还能够显示出所期望的良好的循环特性提高效果。另一方面,通过使其为上述上限值以下,不会使粘度过高,能够在不降低锂离子电导率的情况下维持良好的循环特性。
(第一族或第二族离子等)
作为本发明的电解液所含有的属于元素周期表第一族或第二族的金属离子或者其盐,可根据电解液的使用目的进行酌情选择,可以举出例如锂盐、钾盐、钠盐、钙盐、镁盐等,它们可以单独使用,也可以将两种以上组合使用。在用于二次电池等中的情况下,从输出功率的方面出发,优选锂盐。将本发明的电解液作为锂二次电池用非水系电解液的电解质使用的情况下,作为金属离子的盐,可以选择锂盐。作为锂盐,只要为锂二次电池用非水系电解液的电解质中通常使用的锂盐就没有特别限制,例如优选为以下所述的锂盐。
(L-1)无机锂盐:LiPF6、LiBF4、LiAsF6、LiSbF6等无机氟化物盐;LiClO4、LiBRO4、LiIO4等高卤酸盐;LiAlCl4等无机氯化物盐等。
(L-2)含氟有机锂盐:LiCF3SO3等全氟链烷烃磺酸盐;LiN(CF3SO2)2、LiN(CF3CF2SO2)2、LiN(FSO2)2、LiN(CF3SO2)(C4F9SO2)等全氟链烷烃磺酰亚胺盐;LiC(CF3SO2)3等全氟链烷烃磺酰甲基化物盐;Li[PF5(CF2CF2CF3)]、Li[PF4(CF2CF2CF3)2]、Li[PF3(CF2CF2CF3)3]、Li[PF5(CF2CF2CF2CF3)]、Li[PF4(CF2CF2CF2CF3)2]、Li[PF3(CF2CF2CF2CF3)3]等氟代烷基氟化磷酸盐等。
(L-3)草酸硼酸盐:双(草酸)硼酸锂、二氟草酸硼酸锂等。
它们之中,优选LiPF6、LiBF4、LiAsF6、LiSbF6、LiClO4、Li(Rf1SO3)、LiN(Rf1SO2)2、LiN(FSO2)2以及LiN(Rf1SO2)(Rf2SO2)2、双(草酸)硼酸锂,更优选LiPF6、LiBF4、LiN(Rf1SO2)2、LiN(FSO2)2以及LiN(Rf1SO2)(Rf2SO2)2等酰亚胺锂盐、双(草酸)硼酸锂。此处,Rf1、Rf2分别表示全氟烷基。
需要说明的是,电解液中所用的锂盐可以单独使用1种,也可以任意组合2种以上。
电解液中的属于元素周期表第一族或第二族的金属的离子或者其金属盐的含量优选以达到在下述电解液的制备法中所述的优选盐浓度的量进行添加。盐浓度根据电解液的使用目的酌情选择,通常为电解液全部质量中的10质量%以上50质量%以下、进一步优选为15质量%以上30质量%以下。需要说明的是,在以离子浓度的形式进行评价时,以其适合应用的与金属的盐换算的形式进行计算即可。
作为电解液中的属于元素周期表第一族或第二族的金属的离子或者其金属盐的含量,优选摩尔浓度为0.6mol/L~1.5mol/L、进一步优选为0.8mol/L~1.2mol/L。
[电解液的制备方法]
接着举出将锂盐用作金属离子的盐的情况为例对本发明电解液的代表性制备方法进行说明。
本发明的电解液是将锂盐以及根据需要添加的各种添加剂溶解在上述非水电解液溶剂中进行制备的。
本发明中,“非水”是指实质上不含有水,在不妨碍发明效果的范围内,也可含有微量的水。若考虑到可得到良好的特性的方面来说,水的含量优选为200ppm(质量基准)以下、更优选为100ppm以下。下限值并无特定,考虑到不可避免的混入,实际上为10ppm以上。
(套件(キット))
本发明的电解液可以为由2种以上的液体或粉末等构成的套件。例如可为下述形态:1液由上述膦腈化合物与非质子性溶剂构成,2液由电解质与非质子性溶剂构成,在使用前将2液混合进行液体制备;等等。
[二次电池]
对于本发明二次电池的优选实施方式,参照图1进行说明,图1大幅模式化地示出其截面图。其中,并不解释为通过该图和基于此的说明限定本发明。
本实施方式的锂离子二次电池10具备:上述本发明的非水电解液5;能够嵌入放出锂离子的正极C(正极集电体1、正极活性物质层2);以及能够嵌入放出或溶解析出锂离子的负极A(负极集电体3、负极活性物质层4)。除了这些必须部件外,考虑到电池的使用目的、电位形状等,在构成中还可以含有配设在正极与负极之间的隔板9、集电端子(未图示)、以及外装盒等(未图示)。也可以根据需要在电池内部和电池外部的至少任意一处装配保护元件。通过制成这样的结构,可以在电解液5内产生锂离子的授受a,b、进行充电·放电α·β,能够藉由回路配线7通过工作单元6进行运转或者蓄电。下面对作为本发明优选实施方式的锂二次电池的构成进行详细说明。
(电池形状)
对于本实施方式的锂二次电池所适用的电池形状没有特别限制,可以举出例如有底筒状、有底方形、薄型形状、片状以及纸状等,可以为它们中的任意一种。另外,考虑到组装系统或机器的形状,也可以为马蹄形或梳形等异型的形状。其中,从有效地将电池内部的热放出到外部的方面考虑,优选具有至少一个比较平且面积大的面的有底方形或薄型形状等方形。
在有底筒状的电池中,相对于所填充的发电元件的外表面积减小,因此优选采用在充电或放电时可有效地将由内部电阻产生的焦耳热释放至外部的设计。另外优选按照提高热传导性高的物质的填充比例、使内部的温度分布减小的方式进行设计。关于有底筒状的二次电池,与图2一起在下文中说明。
(构成电池的部件)
对于本实施方式的锂二次电池,若基于图1来说,则通过具备电解液5、正极和负极的电极合材C,A、隔板的基本部件9来构成。下面对这些各部件进行叙述。
(电解液)
本实施方式的锂二次电池中所用的电解液优选含有本发明的非水二次电池用电解液作为主成分,该非水二次电池用电解液含有非水电解液溶剂、膦腈化合物以及作为电解质盐的锂盐,该膦腈化合物是通过上述方法制备并且至少含有特定含氮基团与卤原子。即,电解液5优选为含有上述特定膦腈化合物、非水电解液以及作为电解质盐的锂盐的非水二次电池用电解液。作为非水二次电池用电解液中所用的电解质盐,为上述属于元素周期表第一族或第二族的金属离子的盐,可以使用在上述本发明非水二次电池用电解液的实施方式中详细记载的物质。并且,本发明的锂二次电池中所用的非水电解液溶剂也同样地可以使用在上述本发明非水二次电池用电解液的实施方式中详细记载的物质。进而还可以添加其它添加剂使性能更进一步提高。
在本发明的电解液中,为了提高电池的性能,只要无损于本发明的效果,也可以根据目的添加各种添加剂。作为这样的添加剂,可以使用过充电防止剂、负极覆膜形成剂、正极保护剂等这样的功能性添加剂。
并且,特别优选负极被膜形成剂与正极保护剂两者的合用;过充电防止剂、负极被膜形成剂与正极保护剂三者的合用。
作为过充电防止剂,优选芳香族化合物,更优选联苯衍生物、萘衍生物和苯衍生物,进一步优选联苯、氟联苯、烷基联苯、氟萘、氟苯、烷基苯、环烷基苯、烷氧基苯衍生物等。
非水系电解液中,这些功能性添加剂的含有比例没有特别限定,相对于非水系电解液整体,分别优选为0.01质量%以上、特别优选为0.1质量%以上、进一步优选为0.2质量%以上,上限优选5质量%以下、特别优选为3质量%以下、进一步优选为2质量%以下。通过添加这些化合物,能够在由于过充电所致的异常时抑制电池的破裂·起火、提高高温保存后的容量维持特性和循环特性。
(电极合材)
电极合材是通过将活性物质与导电剂、粘结剂、填料等分散物涂布于集电体(电极基材)上并成型为片状而得到的。在锂电池中,优选使用活性物质为正极活性物质的正极合材与活性物质为负极活性物质的负极合材。接下来对构成电极合材的分散物(合剂、电极用组合物)中的各成分等进行说明。
(正极活性物质)
作为正极活性物质,可以使用颗粒状的正极活性物质。作为正极活性物质,可以使用能够可逆地进行锂离子的插入·放出的过渡金属氧化物,优选使用含有锂的过渡金属氧化物。对于作为正极活性物质优选使用的含有锂的过渡金属氧化物来说,可以适当地举出含有锂且含有Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Mo、W的氧化物等。并且可以混合锂以外的碱金属(元素周期表第1(Ia)族、第2(IIa)族的元素)和/或Al、Ga、In、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Si、P、B等。作为混合量,相对于过渡金属优选为0~30mol%。
上述作为正极活性物质优选使用的含有锂的过渡金属氧化物中,更优选按照锂化合物/过渡金属化合物(此处的过渡金属是指选自Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Mo、W中的至少一种。)的合计摩尔比为0.3~2.2进行混合而合成得到的物质。
进一步地,上述锂化合物/过渡金属化合物中,特别优选含有LigM3O2(M3表示选自Co、Ni、Fe以及Mn中的1种以上的元素。G表示0~1.2。)的材料、或具有LihM42O4(M4表示Mn。h表示0~2。)所表示的尖晶石结构的材料。作为上述M3、M4,除过渡金属以外,还可以混合Al、Ga、In、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Si、P、B等。混合量相对于过渡金属优选为0~30mol%。
上述含有LigM3O2的材料、具有LihM42O4所表示的尖晶石结构的材料中,特别优选LigCoO2、LigNiO2、LigMnO2、LigCojNi1-jO2、LihMn2O4、LiNijMn1-jO2、LiCojNihAl1-j-hO2、LiCojNihMn1-j-hO2、LiMnhAl2-hO4、LiMnhNi2-hO4(此处g表示0.02~1.2。j表示0.1~0.9。h表示0~2。),进一步优选LigCoO2、LihMn2O4、LiCojNihAl1-j-hO2、LiCojNihMn1-j-hO2、LiMnhAl2-hO4、LiMnhNi2-。从高容量、高输出功率的方面出发,上述中更优选含有Ni的电极。此处,上述g值和h值为充放电开始前的值、由于充放电而增减的值。具体地说,可以举出LiCoO2LiNi0.85Co0.01Al0.05O2、LiNi0.33Co0.33Mn0.33O2、LiMn1.8Al0.2O4、LiMn1.5Ni0.5O4等。
作为含有锂的过渡金属磷酸化合物的过渡金属,优选为V、Ti、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu等,作为具体例,可以举出例如:LiFePO4、Li3Fe2(PO4)3、LiFeP2O7等磷酸铁类;LiCoPO4等磷酸钴类;这些锂过渡金属磷酸化合物中作为主体的过渡金属原子的一部分被置换为Al、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Li、Ni、Cu、Zn、Mg、Ga、Zr、Nb、Si等其它金属而得到的物质;等等。
上述正极活性物质的平均颗粒尺寸没有特别限定,优选为0.1μm~50μm。作为比表面积没有特别限定,优选利用BET法测定为0.01m2/g~50m2/g。并且,将正极活性物质5g溶解在蒸馏水100ml中时,上层清液的pH优选为7以上12以下。
为了使上述正极活性物质为规定的颗粒尺寸,可以使用广泛为人所知的粉碎机或分级机。例如可以使用研钵、球磨机、振动球磨机、振动研磨机、卫星球磨机、行星球磨机、旋转气流型喷射式粉碎机或筛等。通过上述烧制法得到的正极活性物质可以利用水、酸性水溶液、碱性水溶液、有机溶剂清洗后进行使用。
正极活性物质的混合量没有特别限定,在制成电极合材的分散物(合剂)中,在固体成分100质量%中,优选其为60质量%~98质量%、更优选其为70质量%~95质量%。
(负极活性物质)
作为负极活性物质,只要能够可逆地插入·放出锂离子就没有特别限制,可以举出碳质材料、氧化锡或二氧化硅等金属氧化物、金属复合氧化物、锂单质或铝锂合金等锂合金、以及Sn或Si等能够与锂形成合金的金属等。这些物质可以单独使用1种,也可以以任意组合和比例合用两种以上。其中,从安全性的方面考虑,优选使用碳质材料或锂复合氧化物。
另外,作为金属复合氧化物,只要能够包藏、放出锂就没有特别限制,从高电流密度充放电特性的角度出发,优选含有硅、钛和/或锂(例如钛酸锂)作为构成成分。
作为负极活性物质使用的碳质材料是指实质上由碳构成的材料。可以举出例如石油沥青、天然石墨、气相成长石墨等人造石墨;以及对PAN系树脂或糠醇树脂等各种合成树脂进行烧制而得到的碳质材料。进一步可以举出PAN系碳纤维、纤维素系碳纤维、沥青系碳纤维、气相成长碳纤维、脱水PVA系碳纤维、木质素碳纤维、玻璃状碳纤维、活性碳纤维等各种碳纤维类;中间相微小球体、石墨晶须、平板状石墨等。
这些碳质材料可以根据石墨化的程度分类为难石墨化碳材料与石墨系碳材料。并且,作为碳质材料,优选具有日本特开昭62-22066号公报、日本特开平2-6856号公报、日本特开平3-45473号公报中记载的面间隔、密度、微晶尺寸。碳质材料无需为单一的材料,也可以使用日本特开平5-90844号公报记载的天然石墨与人造石墨的混合物、日本特开平6-4516号公报记载的具有被覆层的石墨等。
对于作为锂二次电池中使用的负极活性物质的金属氧化物和金属复合氧化物来说,只要含有它们中的至少一种即可。作为金属氧化物和金属复合氧化物,特别优选非晶态氧化物,进一步优选使用金属元素与元素周期表第16族元素的反应生成物——硫属化物。此处所说的非晶态意味着在使用了CuKα射线的X射线衍射法中具有以2θ值计在20°~40°的区域具有顶点的宽散射带,其也可以具有结晶性的衍射线。以2θ值计在40°以上70°以下所看到的结晶性衍射线中的最强强度优选为以2θ值计在20°以上40°以下所看到的宽散射带的顶点的衍射线强度的100倍以下、更优选为5倍以下,特别优选不具有结晶性的衍射线。
在由上述非晶态氧化物和硫属化物组成的化合物组中,更优选半金属元素的非晶态氧化物以及硫属化物,特别优选为由元素周期表第13(IIIB)族~15(VB)族的元素、Al、Ga、Si、Sn、Ge、Pb、Sb、Bi中的单独一种或者它们2种以上的组合构成的氧化物以及硫属化物。作为优选的非晶态氧化物和硫属化物的具体例,作为金属化合物可以优选举出例如Ga2O3、SiO、GeO、SnO、SnO2、PbO、PbO2、Pb2O3、Pb2O4、Pb3O4、Sb2O3、Sb2O4、Sb2O5、Bi2O3、Bi2O4、SnSiO3、GeS、SnS、SnS2、PbS、PbS2、Sb2S3、Sb2S5、SnSiS3等。并且,它们也可以为与氧化锂的复合氧化物,例如可以为Li2SnO2。
在非水电解质二次电池中,所使用的上述负极活性物质的平均颗粒尺寸优选为0.1μm~60μm。为了使其为规定的颗粒尺寸,可以使用广为人知的粉碎机或分级机。例如可以适当地使用研钵、球磨机、砂磨机、振动球磨机、卫星球磨机、行星球磨机、旋转气流型喷射式粉碎机或筛等。在进行粉碎时,也可以根据需要进行使水或甲醇等有机溶剂共存的湿式粉碎。为了制成所期望的粒径,优选进行分级。作为分级方法没有特别限定,可以根据需要使用筛、风力分级机等。分级可以使用干式、湿式。
由上述烧制法得到的化合物的化学式可以利用电感耦合等离子体(ICP)发光分光分析法作为测定方法计算出,作为简便法,可由烧制前后的粉体的质量差计算出。
作为能够与以Sn、Si、Ge为中心的非晶态氧化物负极活性物质一起使用的负极活性物质,可以适当地举出能够包藏·放出锂离子或锂金属的碳材料、锂、锂合金、能够与锂形成合金的金属。
本发明中,优选使用钛酸锂、更具体地使用锂·钛氧化物(Li[Li1/3Ti5/3]O4)作为负极活性物质。
形成电极合材的分散物(合剂)中,负极活性物质的混合量没有特别限定,在固体成分100质量%中优选为60质量%~98质量%、更优选为70质量%~95质量%。
(导电材料)
对于导电材料,只要为在所构成的二次电池中不会发生化学变化的电子传导性材料,就可以使用任何材料,可以任意使用公知的导电材料。通常能够含有天然石墨(鳞状石墨、鳞片状石墨、土状石墨等)、人工石墨、炭黑、乙炔黑、科琴黑、碳纤维或金属粉末(铜、镍、铝、银(记载于日本特开昭63-10148,554号中)等)、金属纤维或者聚苯撑衍生物(记载于日本特开昭59-20,971号中)等导电性材料中的1种或以它们的混合物的形式含有。其中特别优选合用石墨与乙炔黑。作为上述导电剂的添加量,在形成电极合剂的分散物(合剂)中,在固体成分100质量%中优选为1质量%~50质量%、更优选为2质量%~30质量%。在碳、石墨的情况下,特别优选为2质量%~15质量%。
(粘结剂)
作为粘结剂,可以举出多糖类、热塑性树脂和具有橡胶弹性的聚合物等,其中例如优选:淀粉、羧甲基纤维素、纤维素、二乙酰纤维素、甲基纤维素、羟乙基纤维素、羟丙基纤维素、藻酸钠、聚丙烯酸、聚丙烯酸钠、聚乙烯基苯酚、聚乙烯基甲醚、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯腈、聚丙烯酰胺、聚羟基(甲基)丙烯酸酯、苯乙烯-马来酸共聚物等水溶性聚合物;聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物、偏二氟乙烯-四氟乙烯-六氟丙烯共聚物、聚乙烯、聚丙烯、乙烯-丙烯-二烯烃三元共聚物(EPDM)、磺化EPDM、聚乙烯醇缩醛树脂;含有甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸-2-乙基己酯等(甲基)丙烯酸酯的(甲基)丙烯酸酯共聚物;(甲基)丙烯酸酯-丙烯腈共聚物;含有乙酸乙烯酯等乙烯基酯的聚乙烯基酯共聚物;苯乙烯-丁二烯共聚物、丙烯腈-丁二烯共聚物、聚丁二烯、氯丁橡胶、氟橡胶、聚氧乙烯、聚酯聚氨酯树脂、聚醚聚氨酯树脂、聚碳酸酯聚氨酯树脂、聚酯树脂、酚树脂、环氧树脂等的乳液(胶乳)或者悬浮液,进一步优选聚丙烯酸酯系的乳液、羧甲基纤维素、聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯。
粘结剂可以单独使用一种或混合使用两种以上。若粘结剂的添加量少,则电极合剂的保持力·凝聚力变弱。若过多,则电极体积增加,电极单位体积或者单位质量的容量减少。基于这样的理由,在形成电极合剂的分散物(合剂)中,在固体成分100质量%中,粘结剂的添加量优选为1质量%~30质量%、更优选为2质量%~10质量%。
(填料)
电极合材可以含有填料。对于形成填料的材料,只要为在二次电池中不会引起化学变化的纤维状材料,就可以使用任何材料。通常使用由聚丙烯、聚乙烯等烯烃系聚合物;玻璃、碳等材料构成的纤维状的填料。填料的添加量没有特别限定,在形成电极合材的分散物(合剂)中,在固体成分100质量%中优选为0~30质量%。
(集电体)
作为正·负极的集电体,使用在非水电解质二次电池中不会发生化学变化的电子传导体。作为正极的集电体,优选铝、不锈钢、镍、钛等以及在铝或不锈钢的表面进行了碳处理、镍处理、钛处理或者银处理而得到的材料,其中更优选铝、铝合金。
作为负极的集电体,优选铝、铜、不锈钢、镍、钛,更优选铝、铜或者铜合金。
作为上述集电体的形状,通常使用膜片状的集电体,也可以使用网状、冲压而成的形状、条状体、多孔质体、发泡体、纤维组的成形体等。作为上述集电体的厚度没有特别限定,优选为1μm~500μm。另外,集电体表面还优选通过表面处理使之具有凹凸。
利用从这些材料中适当选择的部件形成锂二次电池的电极合材。
(隔板)
对于能够在锂二次电池中使用的隔板没有特别限定,只要为能够将正极与负极电子性绝缘且具有机械强度、离子透过性并且在正极与负极的接触面具有氧化·还原耐性的材料即可。作为这样的材料,使用多孔质的聚合物材料或无机材料、有机无机杂化材料或玻璃纤维等。这些隔板优选具有用于确保安全性的停机(シャットダウン)功能、即在80℃以上将缝隙闭塞而提高电阻、切断电流的功能,闭塞温度优选为90℃以上、180℃以下。从隔板强度的方面出发,特别优选使用经无机材料、玻璃纤维增强的隔板。
上述隔板的孔的形状通常为圆形或椭圆形,尺寸为0.05μm~30μm、优选为0.1μm~20μm。进一步地,在如利用拉伸法、相分离法进行制作的情况下,也可以为棒状或无定形的孔。这些缝隙所占的比例、即气孔率为20%~90%,优选为35%~80%。
作为上述聚合物材料,可以使用纤维素无纺布、聚乙烯、聚丙烯等单一材料,也可以使用2种以上的复合化材料。优选为将改变了孔径、气孔率或孔的闭塞温度等的2种以上的微多孔膜层积而得到的材料。
作为上述无机材料,使用氧化铝或二氧化硅等氧化物类、氮化铝或氮化硅等氮化物类、硫酸钡或硫酸钙等硫酸盐类,使用颗粒形状或者纤维形状的材料。作为形态,使用无纺布、机织物、微多孔性膜等薄膜形状的形成。在薄膜形状时,适于使用孔径为0.01μm~1μm、厚度为5μm~50μm的材料。除了上述独立的薄膜形状以外,还可以使用如下的隔板,该隔板是使用树脂制造的粘结剂在正极和/或负极的表层形成含有上述无机物颗粒的复合多孔层而成的。例如可以举出使用氟树脂粘结剂以多孔层的形式在正极的两面形成90%粒径小于1μm的氧化铝颗粒。
[锂二次电池的用途]
由于锂二次电池能够制作循环性良好的二次电池,因而可适用于各种用途中。
适用方式没有特别限定,例如在搭载于电子仪器的情况下,可以举出笔记本电脑、笔输入个人电脑、移动个人电脑、电子书播放器、移动电话、无绳电话子机、寻呼机、手持终端机、便携传真机、便携复印机、便携打印机、耳机立体声系统、摄录机、液晶电视机、手持清洗剂、便携CD、迷你光碟、电动剃须刀、步话机、电子记事本、计算器、存储卡、便携录音机、收音机、备用电源、存储卡等。作为其他民生用途,可以举出汽车、电动车、发动机、照明器具、玩具、游戏机、负载调节器、钟表、闪光灯、照相机、医疗仪器(心脏节律器、助听器、肩部按摩机等)等。进一步还可作为各种军需用途、宇宙用途。并且还可与太阳能电池组合。
二次电池中的电荷传输中所用的金属离子没有特别限定,优选利用属于元素周期表第一族或第二族的金属离子。其中优选使用锂离子、钠离子、镁离子、钙离子、铝离子等。关于使用锂离子的二次电池中的一般技术事项,可参考开头举出的专利文献等多种文献或书籍。此外,关于使用钠离子的二次电池,可以参照JournalofElectrochemicalSociety,ElectrochemicalScienceandTechnology,美国,1980年,第127卷,第2097~2099页等。关于镁离子,可以参照Nature407,p.724-727(2000)等。关于钙离子,可以参照J.Electrochem.Soc.,Vol.138,3536(1991)等。本发明中,根据其普及程度,优选应用于锂离子二次电池,但用于此外的电池也能发挥出所期望的效果,并不解释为限定于此。
【实施例】
下面对本发明的实施例进行说明,但本发明并不受这些实施例的任何限定。
实施例1
(电解液的制备)
按下述表1和表2的组成混合非质子性溶剂,添加锂盐。向其中添加表中所示的环状膦腈化合物,制备电解液。试验No.101~129为实施例、C11~C16为比较例。
(2032型纽扣电池的制作)
正极利用活性物质:钴酸锂(LiCoO2)85质量%、导电助剂:炭黑7.5质量%、粘结剂:PVDF7.5质量%来制作。负极利用活性物质:石墨85质量%、导电助剂:炭黑7.5质量%、粘结剂:PVDF7.5质量%来制作。隔板为聚丙烯制,24μm厚。使用上述的正负极、隔板、各试验用电解液,制作2032型纽扣电池,进行下述电池特性项目的评价。结果列于表1和表2。
<阻燃性>
以UL-94HB水平燃烧试验为参考,利用下述试验体系实施评价。切出宽13mm、长110mm的玻璃滤纸(ADVANTECGA-100),将制备后的电解液1.5ml均匀滴加在玻璃滤纸上。在电解液充分渗入到玻璃滤纸内之后,擦去剩余的电解液,水平悬挂。将丁烷煤气灯调整为整个火焰长2cm,使内炎与玻璃滤纸前端接触并燃烧3秒,利用火焰离开后的状态进行评价。
AA…不燃或者消焰级别
B…观察到了燃烧抑制效果但未达到不燃、消焰的级别
C…未观察到燃烧抑制效果的级别。
<循环特性>
使用经上述方法制作出的纽扣电池,在30℃的恒温槽中在2.0mA进行1C恒电流充电直至电池电压为4.2V,之后在4.2V定电压下进行充电直至电流值为0.12mA、或进行2小时充电,接着在2.0mA进行1C恒电流放电直至电池电压为2.7V,以此为1次循环。反复进行该操作,测定放电容量值为第1次循环的放电容量(mAh)值的70%以下的循环数。
<充电率(Rate)特性>
使用经上述方法制作出的2032型电池,在30℃的恒温槽中在0.4mA(0.2C)进行恒电流充电直至电池电压为4.2V,之后在0.4mA(0.2C)下进行恒电流放电直至电池电压为2.75V,该操作反复进行3次。在0.4mA下进行0.2C恒电流充电直至电池电压为4.2V,之后在4.0mA(2C)下进行2C恒电流放电直至电池电压为2.75V,测定放电容量。将2C恒电流放电时的放电容量相对于0.2C恒电流放电时的放电容量的值作为充电率特性值进行评价。
充电率特性值(2C)=(0.2C充放电时放电容量/2C充放电时放电容量)×100(%)
(简称的含义)
(非质子性溶剂)
EC:碳酸亚乙酯
EMC:碳酸甲乙酯
DEC:碳酸二乙酯
DMC:碳酸二甲酯
(添加剂)
VC:碳酸亚乙烯酯
FEC:氟代碳酸亚乙酯
VEC:碳酸乙烯亚乙酯
CHB:环己基苯
AB:戊基苯
BP:联苯
【化23】
由上述结果所知,可知通过使用本发明的电解液,能够在二次电池中实现极为良好的阻燃性,并且还能够抑制循环特性和充电率特性的大幅降低,发挥出高性能。
具体地说,若与比较例对比,则试验101(实施例)与试验C11(比较例)相对应,通过使用本发明的环状膦腈化合物,阻燃性提高,同时小幅抑制了充电率特性的降低,循环特性显示出了显著的提高。与此相对,在用于比较的使用了环状膦腈S-1、S-2的试验C13、C14中,尽管阻燃性良化,但循环特性和充电率特性均呈大幅降低的结果。需要说明的是,化合物S-1相当于日本特开平05-92204号公报所公开的示例化合物No.1,S-2相当于日本特开2005-190873号公报的实施例1所述的化合物。
试验114、115中使用的示例化合物1-2在TG-DTA(热重-差热同时测定)中的20%失重温度为79℃。由TG-DTA(热重-差热同时测定)中的20%失重温度为110℃以下所表示的化合物的质量(M110)为整体质量(M2A2B)的50%。示例化合物1-2的测定结果记载于所附图3中。
20%失重温度使用TG-DTA(热重-差热同时测定)在下述条件下测定。
·测定室内的气氛:氮气(以200L/min供给)
·升温速度:10℃/min
·测定起始温度:室温(约25℃)
·测定终止温度:400℃
·试样盘:铝制盘
·测定试样的质量:4mg
实施例2
(电解液的制备)
按下述表3的组成混合非质子性溶剂,按1M浓度添加锂盐(LiBF4)。向其中添加表中所示的环状膦腈化合物,制备非水电解液。
(2032型纽扣电池的制作)
正极利用活性物质:锰酸锂(LiMn2O4)85质量%、导电助剂:炭黑7.0质量%、粘结剂:PVDF8.0质量%来制作。负极利用活性物质:钛酸锂(Li4Ti5O12)94质量%、导电助剂:炭黑3质量%、粘结剂:PVDF3质量%来制作。隔板为纤维素膜。使用上述的正负极、隔板、各试验用电解液来制作2032型纽扣电池,进行下述电池特性项目的评价。结果列于表3。
<阻燃性>
与实施例1同样地评价。
<电池初期容量>
使用上述制作的纽扣电池,在30℃的恒温槽中在0.4mA(0.2C)下进行恒电流充电直至电池电压为2.75V,之后在0.4mA(0.2C)下进行恒电流放电直至电池电压为1.25V,反复进行7次该操作,将第7次的放电容量作为初期放电容量。
<容量维持率-250循环>
使用以上述方法制作出的纽扣电池,在30℃的恒温槽中,在2.0mA下进行1C恒电流充电直至电池电压为2.75V,之后在2.75V定电压下进行充电直至电流值为0.12mA、或进行2小时充电,接着在2.0mA下进行1C恒电流放电直至电池电压为1.25V,以此为1次循环。反复进行该操作直至达到250次循环,测定第250次循环的放电容量(mAh)。将该第250次循环的放电容量相对于第1次循环的比例作为容量维持率。
【表3】
正极:LiMn2O4负极:LTO隔板:纤维素
*1~*5与表1相同
*6为250次循环后的容量维持率
仅将与表1不同的简称记述如下。
·LTO:钛酸锂
·GBL:γ丁内酯
·PC:碳酸亚丙酯
实施例3
(电解液的制备)
按下述表4的组成混合非质子性溶剂,按1M浓度添加锂盐(LiBF4)。向其中添加表中所示的环状膦腈化合物,制备非水电解液。
(2032型纽扣电池的制作)
正极利用活性物质:锰酸锂(LiMn2O4)85质量%、导电助剂:炭黑7.0质量%、粘结剂:PVDF8.0质量%来制作。负极利用活性物质:石墨(Gr)85质量%、导电助剂:炭黑7.5质量%、粘结剂:PVDF7.5质量%来制作。隔板为聚丙烯制,24μm厚。使用上述的正负极、隔板、各试验用电解液来制作2032型纽扣电池,进行下述电池特性项目的评价。结果列于表4。
<阻燃性>
与实施例1同样地评价。
<电池初期容量>
使用上述制作的纽扣电池,在30℃的恒温槽中,在0.4mA(0.2C)下进行恒电流充电直至电池电压为4.2V,之后在0.4mA(0.2C)下进行恒电流放电直至电池电压为3.0V,反复进行7次该操作,将第7次的放电容量作为初期放电容量。
<容量维持率-250循环>
使用以上述方法制作出的2032型电池,在30℃的恒温槽中,在2.0mA下进行1C恒电流充电直至电池电压为4.2V,之后在4.2V定电压下进行充电直至电流值为0.12mA、或进行2小时充电,接着在2.0mA下进行1C恒电流放电直至电池电压为3.0V,以此为1次循环。反复进行该操作直至达到250次循环,测定第250次循环的放电容量(mAh)。将该第250次循环的放电容量相对于第1次循环的比例作为容量维持率。
【表4】
正极:LiMn2O4负极:Gr隔板:PP多孔质膜(celgard2400)
*1~*5与表1相同
*6为250次循环后的容量维持率
实施例4
(电解液的制备)
按下述表5的组成混合非质子性溶剂,按1M浓度添加锂盐(LiBF4)。向其中添加表中所示的环状膦腈化合物,制备非水电解液。
(2032型纽扣电池的制作)
正极利用活性物质:镍锰钴酸锂(LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2)85质量%、导电助剂:炭黑7.5质量%、粘结剂:PVDF7.5质量%来制作。负极利用活性物质:钛酸锂(Li4Ti5O12)94质量%、导电助剂:炭黑3质量%、粘结剂:PVDF3质量%来制作。隔板为纤维素膜。使用上述的正负极、隔板、各试验用电解液来制作2032型纽扣电池,进行下述电池特性项目的评价。结果列于表5。
<阻燃性>
与实施例1同样地评价。
<电池初期容量>
使用上述制作的纽扣电池,在30℃的恒温槽中,在0.4mA(0.2C)下进行恒电流充电直至电池电压为2.85V,之后在0.4mA(0.2C)下进行恒电流放电直至电池电压为1.25V,反复进行7次该操作,将第7次的放电容量作为初期放电容量。
<容量维持率-250循环>
使用以上述方法制作出的2032型电池,在30℃的恒温槽中,在2.0mA下进行1C恒电流充电直至电池电压为2.85V,之后在2.85V定电压下进行充电直至电流值为0.12mA、或进行2小时充电,接着在2.0mA下进行1C恒电流放电直至电池电压为1.25V,以此为1次循环。反复进行该操作直至达到250次循环,测定第250次循环的放电容量(mAh)。将该第250次循环的放电容量相对于第1次循环的比例作为容量维持率。
【表5】
正极:LiNi0.33Mn0.33Co0.33O2负极:LTO隔板:纤维素
*1~*5与表1相同
*6为250次循环后的容量维持率
实施例5
(电解液的制备)
按下述表6的组成混合非质子性溶剂,锂盐(LiBF4)按1M浓度添加。向其中添加表中所示的环状膦腈化合物,制备电解液。
(2032型纽扣电池的制作)
正极利用活性物质:镍锰钴酸锂(LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2)85质量%、导电助剂:炭黑7.5质量%、粘结剂:PVDF7.5质量%来制作。负极利用活性物质:石墨85质量%、导电助剂:炭黑7.5质量%、粘结剂:PVDF7.5质量%来制作。隔板为聚丙烯制,24μm厚。使用上述的正负极、隔板、各试验用电解液来制作2032型纽扣电池,进行下述电池特性项目的评价。结果列于表6。
<阻燃性>
与实施例1同样地评价。
<电池初期容量>
使用上述制作的纽扣电池,在30℃的恒温槽中,在0.4mA(0.2C)下进行恒电流充电直至电池电压为4.30V,之后在0.4mA(0.2C)下进行恒电流放电直至电池电压为2.75V,反复进行7次该操作,将第7次的放电容量作为初期放电容量。
<容量维持率-250循环>
使用以上述方法制作出的2032型电池,在30℃的恒温槽中,在2.0mA下进行1C恒电流充电直至电池电压为4.30V,之后在4.30V定电压下进行充电直至电流值为0.12mA、或进行2小时充电,接着在2.0mA下进行1C恒电流放电直至电池电压为2.75V,以此为1次循环。反复进行该操作直至达到250次循环,测定第250次循环的放电容量(mAh)。将该第250次循环的放电容量相对于第1次循环的比例作为容量维持率。
【表6】
正极:LiNi0.33Mn0.33Co0.33O2负极:Gr隔板:PP多孔质膜(celgard2400)
*1~*5与表1相同
*6为250次循环后的容量维持率
实施例6
(电解液的制备)
按下述表7的组成混合非质子性溶剂,锂盐(LiTFSA:双三氟甲基磺酰胺锂盐)按1M浓度添加。向其中添加表中所示的环状膦腈化合物,制备电解液。
(2032型纽扣电池的制作)
正极利用活性物质:镍锰钴酸锂(LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2)85质量%、导电助剂:炭黑7.5质量%、粘结剂:PVDF7.5质量%来制作。负极利用活性物质:石墨85质量%、导电助剂:炭黑7.5质量%、粘结剂:PVDF7.5质量%来制作。隔板为聚丙烯制,24μm厚。使用上述的正负极、隔板、各试验用电解液来制作2032型纽扣电池,进行下述电池特性项目的评价。结果列于表7。
<阻燃性>
与实施例1同样地评价。
<电池初期容量>
使用上述制作的纽扣电池,在30℃的恒温槽中,在0.4mA(0.2C)下进行恒电流充电直至电池电压为4.3V,之后在0.4mA(0.2C)下进行恒电流放电直至电池电压为2.75V,反复进行7次该操作,将第7次的放电容量作为初期放电容量。
<容量维持率-250循环>
使用以上述方法制作出的2032型电池,在30℃的恒温槽中,在2.0mA下进行1C恒电流充电直至电池电压为4.3V,之后在4.3V定电压下进行充电直至电流值为0.12mA、或进行2小时充电,接着在2.0mA下进行1C恒电流放电直至电池电压为2.75V,以此为1次循环。反复进行该操作直至达到250次循环,测定第250次循环的放电容量(mAh)。将该第250次循环的放电容量相对于第1次循环的比例作为容量维持率。
【表7】
正极:LiNi0.33Mn0.33Co0.33O2负极:Gr隔板:PP多孔质膜(celgard2400)
*1~*5与表1相同
*6为250次循环后的容量维持率
*LiTFSA:双三氟甲烷磺酰亚胺锂
实施例7
(电解液的制备)
按下述表8的组成混合非质子性溶剂,锂盐(LiPF6)按1M浓度添加。向其中添加表中所示的环状膦腈化合物,制备电解液。
(2032型纽扣电池的制作)
正极利用活性物质:镍铝锰酸锂(LiNi1/3Mn1/3Al1/3O2)85质量%、导电助剂:炭黑7.5质量%、粘结剂:PVDF7.5质量%来制作。负极利用活性物质:石墨85质量%、导电助剂:炭黑7.5质量%、粘结剂:PVDF7.5质量%来制作。隔板为聚丙烯制,24μm厚。使用上述的正负极、隔板、各试验用电解液来制作2032型纽扣电池,进行下述电池特性项目的评价。结果列于表8。
<阻燃性>
与实施例1同样地评价。
<电池初期容量>
使用上述制作的纽扣电池,在30℃的恒温槽中,在0.4mA(0.2C)下进行恒电流充电直至电池电压为4.2V,之后在0.4mA(0.2C)下进行恒电流放电直至电池电压为2.75V,反复进行7次该操作,将第7次的放电容量作为初期放电容量。
<容量维持率-250循环>
使用以上述方法制作出的2032型电池,在30℃的恒温槽中,在2.0mA下进行1C恒电流充电直至电池电压为4.2V,之后在4.2V定电压下进行充电直至电流值为0.12mA、或进行2小时充电,接着在2.0mA下进行1C恒电流放电直至电池电压为2.75V,以此为1次循环。反复进行该操作直至达到250次循环,测定第250次循环的放电容量(mAh)。将该第250次循环的放电容量相对于第1次循环的比例作为容量维持率。
【表8】
正极:LiNi0.33Mn0.33Al0.33O2负极:Gr隔板:PP多孔质膜(celgard2400)
*1~*5与表1相同
*6为250次循环后的容量维持率
如上所述可知,利用本发明的非水电解液,通过添加本发明中的环状膦腈化合物,能够达成电解液的阻燃化,显示出充分的安全性。并且,与未添加环状膦腈化合物的体系比较也显示出了充分的容量维持性,在初期容量方面能够实现其性能的提高。具体地说,在本发明的实施例中,相对于未使用环状膦腈化合物的电解液(C11)、(C12)、(C22)、(C32)、(C42)、(C52)、(C62)、(C72),观察到了容量维持率的提高,其为在实用上可充分认识到的改良幅度,可在不大幅降低初期容量的情况下达成容量维持率的提高。进一步可知,与现有技术中的导入具有烷氧基、氟的膦腈化合物的情况相比,可在不会降低初期容量的情况下达成容量维持率的提高。即,对于最近的实现了高性能但发展前景受限的锂离子电池,性能进一步得到显著改良。
实施例8
(电解液的制备)
按下述表9的组成混合非质子性溶剂,添加锂盐。向其中添加表中所示的环状膦腈化合物,制备电解液。试验No.801~808为实施例、C81为比较例。
(2032型纽扣电池的制作)
正极利用活性物质:镍锰钴酸锂(LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2)85质量%、导电助剂:炭黑7.5质量%、粘结剂:PVDF7.5质量%来制作。负极利用活性物质:人造石墨85质量%、导电助剂:炭黑7.5质量%、粘结剂:PVDF7.5质量%来制作。隔板为聚丙烯制,24μm厚。使用上述的正负极、隔板、各试验用电解液来制作2032型纽扣电池,进行下述电池特性项目的评价。结果列于表9。
<阻燃性>
与实施例1同样地评价。
<电池初期容量>
使用上述制作的纽扣电池,在30℃的恒温槽中,在0.4mA(0.2C)下进行恒电流充电直至电池电压为4.3V,之后在0.4mA(0.2C)下进行直至恒电流放电电池电压为2.75V,反复进行7次该操作,将第7次的放电容量作为初期放电容量。
<1个月浮充电试验>
使用以上述方法制作出的纽扣电池,在30℃的恒温槽中,在2.0mA下进行1C恒电流充电直至电池电压为4.3V,之后在4.3V定电压下进行1个月充电,接着在0.4mA下进行0.2C恒电流放电直至电池电压为2.75V,测定其放电容量(mAh)。将该1个月后的放电容量相对于初期放电容量的比例作为容量维持率。
实施例9
(电解液的制备)
按下述表10的组成混合非质子性溶剂,添加锂盐。向其中添加表中所示的环状膦腈化合物,制备电解液。试验No.901~908为实施例、C91为比较例。
(积层电池的制作)
利用均质器将正极活性物质镍锰钴酸锂(LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2)200g与乙炔黑5g混合,接着混合作为粘结剂的聚偏二氟乙烯5g,进一步加入N-甲基-2-吡咯烷酮500ml进行混炼混合,制作正极合剂糊料。另外将石墨200g、作为粘结剂的聚偏二氟乙烯5g加入到N-甲基-2-吡咯烷酮500ml中进行混炼混合,制作负极合剂糊料。将上述制作的正极合剂糊料利用刮刀涂布机涂布在厚度为20μm的铝箔集电体的两面,在150℃干燥后,利用辊压力机压缩成型,裁剪成95×95mm的尺寸,制作正极片材。进一步利用远红外线加热器在干燥箱(露点为-50℃以下的干燥空气)中充分进行脱水干燥,制作正极片材。同样地将负极合剂糊料涂布在20μm的铜箔集电体的两面,在150℃干燥后,利用辊压力机压缩成型,裁剪成100×100mm的尺寸,制作负极片材。进一步在干燥箱(露点为-50℃以下的干燥空气)中利用远红外线加热器充分进行脱水干燥,制作负极片材。隔着隔板交互层叠所制作的正极片材(9片、其中两侧的2片为单面涂布)、所制作的负极片材(8片),通过将极耳(タブリード)焊接,由此制作层积体。使用热粘性铝塑膜作为电池外装材,由所制作的层积体与各试验用电解液制作积层型电池。
<电池初期容量>
使用上述制作的积层电池,在30℃的恒温槽中,在0.6A下进行恒电流充电直至电池电压为4.30V,之后在0.6A下进行恒电流放电至电池电压为2.75V,反复进行5次该操作,将第5次的放电容量作为初期放电容量。对该电池初期容量为2.8~2.9Ah的电池进行过充电评价。
<过充电评价>
使用进行了电池初期容量评价的积层电池,在30℃的恒温槽中,在定电流1A下进行充电直至电池电压为4.25V,之后进行2小时的定电压充电。其后,进行过充电试验直至充电电流3A、30V,对电池温度、燃烧状况(目视)进行评价。
A…在刚起火后(1~2秒)消焰
B…在起火后30秒以内消焰
C…在起火后1分钟以内消焰
正极:LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2
负极:石墨
隔板:PP多孔质膜
·(实验例A)
·六氟环三膦腈的合成
将温度计、转子、回流冷却器安装于500mL三口烧瓶,将内部置于氮气气氛下,装入六氯环三膦腈260.9g(0.75mol)、氟化钠282.8g(6.75mol)、脱水乙腈750ml,在油浴中于75度进行加热。反应5小时后进行冷却,使用韦氏管(リグリュー管)实施蒸馏,得到生成物175g(沸点:51℃)。生成物利用19FNMR进行确认。
·(1-36)的合成例(实施例A-1)…[条件1B]
将温度计、转子、回流冷却器、滴液漏斗安装于200mL三口烧瓶,将内部置于氮气气氛下,装入六氟环三膦腈4.97g(0.02mol)、脱水叔丁基甲醚30ml,利用冰浴冷却至0℃。在滴液漏斗中加入N-乙基甲基胺2.36g(0.04mol)、脱水叔丁基甲醚10ml,利用1小时时间滴加到冷却至0℃的溶液中。搅拌3小时后,在室温下搅拌4小时,进一步在油浴中在50℃下搅拌1小时。过滤析出的固体,对滤液进行蒸馏,从而得到目的生成物(1-36)[沸点:50℃(8.5mmHg)]。产率1.8g、收率31%。
1HNMR(ppm)1.12-1.21(m,3H)、2.72-2.80(m,3H)、3.10-3.23(m,2H)
19FNMR(ppm)-71.5--66.7(m4F)、-58.5--55.9(d1F)
·(1-37)的合成例(实施例A-2)…[条件1B]
除了将实施例A-1的N-乙基甲基胺变更为N-甲基正丙胺以外,与实施例A-1同样地得到目的生成物(1-37)[沸点:51℃(18mmHg)]。产率1.6g、收率26%。
1HNMR(ppm)0.89-0.96(m,3H)、1.51-1.67(m,2H)、2.70-2.76(m,3H)、3.00-3.13(m,2H)
19FNMR(ppm)-71.5--66.8(m4F)、-59.1--56.0(d1F)
·(1-40)的合成例(实施例A-3)…[条件1B]
将温度计、转子、滴液漏斗、回流冷却器安装于200mL三口烧瓶,将内部置于氮气气氛下,装入六氯环三膦腈6.95g(0.02mol)、脱水叔丁基甲醚40ml,利用冰浴冷却至0℃。在滴液漏斗中加入N-异丙基甲基胺2.57g(0.04mol)、脱水叔丁基甲醚10ml,利用1小时时间滴加到冷却至0℃的溶液中。搅拌3小时后恢复至室温,进一步在油浴中回流4小时。对析出的固体进行过滤,将滤液利用蒸发器浓缩。
将温度计、转子、滴液漏斗、回流冷却器安装于200ml三口烧瓶,将内部置于氮气气氛下,装入喷雾干燥氟化钾7g(0.12mol)和无水乙腈40ml,利用油浴加热至70℃。在滴液漏斗中加入前面那样的滤液的浓缩物和乙腈10ml,利用1小时的时间进行滴加。在70℃下搅拌5小时后,冷却至室温,对析出的固体进行过滤,对滤液进行蒸馏,从而得到目的生成物(1-40)[沸点:46℃(8mmHg)]。产率0.9g、收率15%。
1HNMR(ppm)1.14-1.21(m,6H)、2.62-2.78(m,3H)、3.89-4.92(m,1H)
19FNMR(ppm)-71.5--66.8(m4F)、-59.3--55.4(d1F)
·(1-51)的合成例(实施例A-4)…[条件1A]
将温度计、转子、滴液漏斗、回流冷却器安装于200ml三口烧瓶,将内部置于氮气气氛下,加入六氯环三膦腈10.43g(0.03mol)、脱水叔丁基甲醚70ml,利用冰浴冷却至0℃。在滴液漏斗中加入N-乙基-正丙胺5.23g(0.06mol)、脱水叔丁基甲醚10ml,利用1小时时间滴加到冷却至0℃的溶液中。搅拌3小时后,恢复至室温,进一步在油浴中回流4小时。对析出的固体进行过滤,将滤液利用蒸发器浓缩。
将温度计、转子、滴液漏斗、回流冷却器安装于200ml三口烧瓶,将内部置于氮气气氛下,装入喷雾干燥氟化钾10.5g(0.18mol)和无水乙腈70ml,利用油浴加热至70℃。在滴液漏斗中加入前面那样的滤液的浓缩物和乙腈10ml,利用1小时的时间进行滴加。在70℃下搅拌5小时后,冷却至室温,对析出的固体进行过滤,对滤液进行蒸馏,从而得到目的生成物(1-51)[沸点:52℃(6mmHg)]。产率1.2g、收率13%。
1HNMR(ppm)1.14-1.21(m,6H)、2.62-2.78(m,3H)、3.89-4.92(m,1H)
19FNMR(ppm)-71.5--66.8(m4F)、-59.3--55.4(d1F)
·(1-55)的合成例(实施例A-5)…[条件1C]
将温度计、转子、回流冷却器、滴液漏斗安装于200mL三口烧瓶,将内部置于氮气气氛下,装入六氟环三膦腈4.97g(0.02mol)、脱水叔丁基甲醚40ml,利用冰浴冷却至0℃。在滴液漏斗中加入二正丁胺5.17g(0.04mol)、脱水叔丁基甲醚10ml,利用1小时时间滴加到冷却至0℃的溶液中。搅拌3小时后,在室温下搅拌4小时,进一步在油浴中在50℃下搅拌1小时。对析出的固体进行过滤,对滤液进行蒸馏,由此得到目的生成物(1-55)[沸点:120℃(0.5mmHg)]。产率0.5g、收率7%。
1HNMR(ppm)0.86-0.97(m,3H)、1.24-1.42(m,2H)、1.45-1.61(m,2H)、3.01-3.12(m,2H)
19FNMR(ppm)-71.5--66.8(m4F)、-56--53(d1F)
·(1-56)的合成例(实施例A-6)
除了将实施例A-1的N-乙基甲基胺的添加量变更为4.72g(0.08mol)以外,与A-1同样地进行合成。
·(1-57)的合成例(实施例A-7)
除了将实施例A-1的N-乙基甲基胺的添加量变更为7.08g(0.12mol)以外,与实施例A-1同样地进行合成。
·化合物(1-4)的合成(实施例A-8)
将转子、球塞、冷却管、滴液漏斗安装于2L三口烧瓶,将内部置于氮气气氛下,装入六氟环三膦腈124.5g(0.5mol)、脱水叔丁基甲醚750ml,利用冰浴冷却至0℃。在滴液漏斗中加入二乙胺73.1g(1mol)、脱水叔丁基甲醚250ml,利用1小时时间滴加到冷却至0℃的溶液中。搅拌3小时后,在室温下搅拌1小时,进一步在油浴中在50℃下搅拌3小时。对析出的固体进行过滤,对滤液进行蒸馏,从而得到目的生成物(1-4)[沸点:52℃(10mmHg)]。
1HNMR(ppm)1.11-1.19(t,9H)3.10-3.27(m,4H)
19FNMR(ppm)-71.5--74(m4F)、-56--53(d1F)
对于上述实施例A新合成的化合物(化合物1-37、1-51、1-56、1-57),进行与实施例1相同的试验,结果确认到,同样得到了良好的结果(阻燃性、循环特性、充电率特性)(有用性)。
【符号的说明】
C正极(正极合材)
1正极导电材料(集电体)
2正极活性物质层
A正极(正极合材)
3负极导电材料(集电体)
4负极活性物质层
5电解液
6工作单元
7配线
9隔板
10锂离子二次电池
12隔板
14正极片材
16负极片材
18兼作负极的外装缶
20绝缘板
22封口板
24正极集电体
26垫圈
28压力感应阀体
30电流屏蔽元件
100有底筒状形状锂二次电池
Claims (14)
1.一种非水二次电池用电解液,其是在非质子性溶剂中含有金属盐与下式(1)所表示的环状化合物的非水二次电池用电解液,该金属盐含有属于元素周期表第一族或第二族的金属的离子;其中,所述非质子性溶剂为含有羧酸酯化合物和碳酸酯化合物中的至少一种化合物的溶剂,所述含有金属盐的非质子性溶剂的质量(Ms)与所述环状化合物的质量(MPN)之比MPN/Ms为0.005~1;
【化1】
式(1)中,R1~R6表示1价的取代基;这些取代基中的至少1个为-NRARB、-N=RC或叠氮基,此外的至少1个为卤原子;n表示1以上的整数;n为2以上的情况下,2个以上的R5、R6可以分别相同,也可以分别不同;RA、RB为氢原子、烷基、链烯基、炔基、芳基、杂环基、氰基、甲硅烷基或下式(1A)、(1B)、(1C)或(1D)所表示的取代基;RC表示下式(C1)~(C6)中的任意之一所示的取代基;
【化2】
式(1A)、(1B)、(1C)、(1D)中,R1A1、R1C1、R1D1、R1D2表示烷基、烷氧基、芳基、芳氧基、卤原子或氨基;XA1表示氧原子或硫原子;XD1表示氧原子、硫原子或氮原子;XD1为氧原子、硫原子的情况下,不存在R1D3;XD1为氮原子的情况下,R1D3表示烷基、芳基、甲硅烷基或膦酰基;R1B1、R1B2表示烷基、芳基、烷氧基羰基、芳氧基羰基、烷基磺酰基、芳基磺酰基、膦酰基或甲硅烷基;*表示结合键;
【化3】
式(C1)、(C2)、(C3)、(C4)、(C5)、(C6)中,RX1、RX2、RX3表示烷基、芳基、烷氧基、芳氧基、烷硫基、芳硫基、杂环基、卤原子或甲硅烷基;RY1、RY2表示卤原子;*表示结合键。
2.如权利要求1所述的非水二次电池用电解液,其中,所述非质子性溶剂含有下式(3A)和(3B)所表示的碳酸酯化合物以及下式(3C)所表示的羧酸酯化合物中的至少一种化合物,
【化4】
式(3A)、(3B)、(3C)中,R31~R34表示氢原子、不含有卤素的烷基、不含有卤素的芳基;R35~R36表示氢原子、可以被氟取代的烷基、具有醚链的烷基或可以被氟取代的芳基。
3.如权利要求1所述的非水二次电池用电解液,其进一步含有下式(4A)、(4B)、(4C)或(4D)所表示的化合物中的至少一种化合物,所述含有金属盐的非质子性溶剂的质量(Ms)与所述式(4A)、(4B)、(4C)或(4D)所表示的化合物的总质量(M4)的比例M4/Ms为0.001~0.25;
【化5】
式(4A)、(4B)、(4C)、(4D)中,R4a1、R4a2表示氢原子、卤素、氟取代烷基、氟取代芳基或乙烯基;此时R4a1和R4a2中的至少一者表示卤素、氟取代烷基、氟取代芳基或乙烯基;R4b1、R4b2表示氢原子、烷基或芳基;R4c1、R4c2、R4d1、R4d2表示氢原子、氟取代烷基、氟取代芳基或乙烯基;X表示亚甲基或者氧原子。
4.如权利要求2所述的非水二次电池用电解液,其进一步含有下式(4A)、(4B)、(4C)或(4D)所表示的化合物中的至少一种化合物,所述含有金属盐的非质子性溶剂的质量(Ms)与所述式(4A)、(4B)、(4C)或(4D)所表示的化合物的总质量(M4)的比例M4/Ms为0.001~0.25;
【化6】
式(4A)、(4B)、(4C)、(4D)中,R4a1、R4a2表示氢原子、卤素、氟取代烷基、氟取代芳基或乙烯基;此时R4a1和R4a2中的至少一者表示卤素、氟取代烷基、氟取代芳基或乙烯基;R4b1、R4b2表示氢原子、烷基或芳基;R4c1、R4c2、R4d1、R4d2表示氢原子、氟取代烷基、氟取代芳基或乙烯基;X表示亚甲基或者氧原子。
5.如权利要求2所述的非水二次电池用电解液,其中,所述非质子性溶剂含有式(3A)所表示的化合物和式(3C)所表示的化合物中的至少一种以及式(3B)所表示的化合物,式(3B)所表示的化合物的体积(M3B)与式(3A)所表示的化合物和式(3C)所表示的化合物的体积的总量(MAC)的比例M3B/MAC为0.2~5。
6.如权利要求4所述的非水二次电池用电解液,其中,所述非质子性溶剂含有式(3A)所表示的化合物和式(3C)所表示的化合物中的至少一种以及式(3B)所表示的化合物,式(3B)所表示的化合物的体积(M3B)与式(3A)所表示的化合物和式(3C)所表示的化合物的体积的总量(MAC)的比例M3B/MAC为0.2~5。
7.如权利要求1~6的任一项所述的非水二次电池用电解液,其进一步含有芳香族化合物作为过充电防止剂。
8.如权利要求1~6的任一项所述的非水二次电池用电解液,其中,所述环状化合物为下式(2A)或式(2B)所表示的化合物,
【化7】
所述式(2A)、(2B)中,R21~R28与式(1)的R1~R6含义相同。
9.如权利要求8所述的非水二次电池用电解液,其含有2种以上的所述式(2A)或式(2B)所表示的化合物,所述化合物中的至少一种在TG-DTA中的20%失重温度为110℃以下,TG-DTA即热重-差热同时测定。
10.如权利要求9所述的非水二次电池用电解液,其中,所述20%失重温度为110℃以下的化合物的质量(M110)为式(2A)或式(2B)所表示的化合物的总质量(M2A2B)的20%~80%。
11.一种非水二次电池,其具备:权利要求1~6的任一项所述的非水二次电池用电解液;能够嵌入放出所述属于元素周期表第一族或第二族的金属的离子的正极;以及能够嵌入放出或溶解析出该离子的负极。
12.一种非水二次电池用电解液套件,其为将含有属于元素周期表第一族或第二族的金属的离子的金属盐、下式(1)所表示的环状化合物、以及非质子性溶剂组合而成的非水二次电池用电解液套件,其中,所述非质子性溶剂为含有羧酸酯化合物和碳酸酯化合物中的至少一种化合物的溶剂,所述含有金属盐的非质子性溶剂的质量(Ms)与所述环状化合物的质量(MPN)之比MPN/Ms为0.005~1;
【化8】
式(1)中,R1~R6表示1价的取代基;这些取代基中的至少1个为-NRARB、-N=RC或叠氮基,此外的至少1个为卤原子;n表示1以上的整数;n为2以上的情况下,2个以上的R5、R6可以分别相同,也可以分别不同;RA、RB为氢原子、烷基、链烯基、炔基、芳基、杂环基、氰基、甲硅烷基或下式(1A)、(1B)、(1C)或(1D)所表示的取代基;RC表示下式(C1)~(C6)中的任意之一所示的取代基;
【化9】
式(1A)、(1B)、(1C)、(1D)中,R1A1、R1C1、R1D1、R1D2表示烷基、烷氧基、芳基、芳氧基、卤原子或氨基;XA1表示氧原子或硫原子;XD1表示氧原子、硫原子或氮原子;XD1为氧原子、硫原子的情况下,不存在R1D3;XD1为氮原子的情况下,R1D3表示烷基、芳基、甲硅烷基或膦酰基;R1B1、R1B2表示烷基、芳基、烷氧基羰基、芳氧基羰基、烷基磺酰基、芳基磺酰基、膦酰基或甲硅烷基;
【化10】
式(C1)、(C2)、(C3)、(C4)、(C5)、(C6)中,RX1、RX2、RX3表示烷基、芳基、烷氧基、芳氧基、烷硫基、芳硫基、杂环基、卤原子或甲硅烷基;RY1、RY2表示卤原子。
13.一种非水二次电池电解液用添加剂,其以下式(1)所表示,
【化11】
式(1)中,R1~R6分别表示-NRARB所示的氨基、或氟原子,其至少3个表示氟原子,至少1个具有-NRARB所示的氨基;RA、RB表示碳原子数为1~4的烷基,该烷基可于其前端形成环;n为1。
14.一种膦腈化合物,其由下式(1)所表示,由条件1A或1B来定义;
【化12】
1A:R1~R6分别表示-NRARB所示的氨基、或氟基,其至少3个为氟原子,至少1个为-NRARB所示的氨基;RA、RB分别表示不同的烷基,于该烷基的前端可形成非对称的环;n为1;
1B:R1~R6分别表示-NRARB所示的氨基、或氟基,其至少3个为氟原子,至少2个为-NRARB所示的氨基;此处,2个以上的-NRARB包括相互不同的基团;RA、RB表示具有或不具有取代基的烷基,于该烷基的前端可以形成环;n为1。
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