具体实施方式
以下,针对本发明的实施方式进行说明,但本发明并不限定于这些实施方式,可以在不脱离本发明主旨的范围内作出任意变形后实施。
1.<非水电解液>
1-1式(I)所示的芳香族化合物
本发明的非水电解液的特征在于,含有式(I)所示的芳香族化合物。需要说明的是,在式(I)所示的芳香族化合物中,不区分光学异构体,可以采用单独的异构体或是它们的混合物。
[化学式2]
(式中,
R1~R5独立地为氢、卤素、或者未取代或卤素取代的碳原子数1以上且20以下的烃基,
R6及R7独立地为碳原子数1以上且12以下的烃基,
R1~R7中的至少2个任选共同形成环,
但式(I)满足(A)及(B)中的至少一个条件:
(A)R1~R5中的至少一个为卤素、或者未取代或卤素取代的碳原子数1以上且20以下的烃基;
(B)R1~R7的碳原子数的总和为3以上且20以下。)
在R1~R7中的至少2个共同形成环的情况下,优选R1~R7中的2个共同形成环。
R6及R7独立地为碳原子数1以上且12以下的烃基(例如,烷基、芳基),R6和R7也可以共同形成环(例如,作为烃基的环式基团)。从改善初期效率及溶解性、保存特性的观点考虑,R6及R7优选为碳原子数1以上且12以下的烃基,或是R6和R7共同形成的作为烃基的环式基团,更优选为甲基、乙基、丙基、丁基、叔丁基,或是R6和R7共同形成的作为烃基的5~8元的环式基团,进一步优选为甲基、乙基,或是R6和R7共同形成的环己基、环戊基,最优选为甲基、乙基,或是R6和R7共同形成的环己基。
R1~R5独立地为氢、卤素、或者未取代或卤素取代的碳原子数1以上且20以下的烃基(例如,烷基、芳基、芳烷基),也可以是这些中的2个共同形成环(例如,作为烃基的环式基团)。从改善初期效率及溶解性、保存特性的观点考虑,优选为氢、氟、未取代或卤素取代的碳原子数1以上且12以下的烃基,更优选为氢、氟、未取代或氟取代的碳原子数1以上且10以下的烃基,进一步优选为氢、氟、叔丁基、叔戊基、叔己基、叔庚基、甲基、乙基、丙基、丁基、三氟甲基、九氟叔丁基、1-甲基-1-苯基乙基、1-乙基-1-苯基丙基,特别优选为氢、氟、叔丁基、1-甲基-1-苯基乙基,最优选为氢、叔丁基、1-甲基-1-苯基乙基。
也可以是R1~R5中的任一个和R6共同形成环(例如,作为烃基的环式基团)。优选为R1和R6共同形成环(例如,作为烃基的环式基团)。此时,R7优选为烷基。作为R7为甲基、且R1和R6共同形成了环的化合物,可列举:1-苯基-1,3,3-三甲基茚满、2,3-二氢-1,3-二甲基-1-(2-甲基-2-苯基丙基)-3-苯基-1H-茚满等。
式(I)满足(A)及(B)中的至少一个条件:
(A)R1~R5中的至少一个为卤素、或者未取代或卤素取代的碳原子数1以上且20以下的烃基;
(B)R1~R7的碳原子数的总和为3以上且20以下。
对于式(I)而言,从抑制在通常的电池工作电压范围内的正极上的氧化的观点考虑,优选满足(A),从在电解液中的溶解性的观点考虑,优选满足(B)。式(I)也可以满足(A)和(B)两者。
关于(A),如果R1~R5中的至少一个为卤素、或者未取代或卤素取代的碳原子数1以上且20以下的烃基,则其它的可以为氢原子,也可以形成环。从在电解液中的溶解性的观点考虑,未取代或卤素取代的烃基的碳原子数优选为1以上且10以下,更优选为1以上且5以下,进一步优选为1以上且3以下,更进一步优选为1或2,最优选为1。
关于(B),如果R1~R7的碳原子数的总和为3以上且20以下,则R1~R7中的至少2个也可以共同形成环。在R1~R7中的至少2个共同形成环的情况下,在计算碳原子数的总和时,在形成环的碳中,不与R1~R7对应的碳(对于R1~R5而言,是指构成与它们键合的苯环的碳;对于R6及R7而言,是指苄基位的碳)不计算在内。另外,在R1~R7中的至少2个共同形成环的情况下,构成环的碳链只要在不与结构式矛盾的情况下可以分配在任意的位置,可以适当地摊派至构成环的R1~R7来计算碳原子数。从在电解液中的溶解度方面考虑,碳原子数的总和优选为3以上且14以下、更优选为3以上且10以下。例如,作为R7为甲基、且R1和R6共同形成了环的化合物,可列举:1-苯基-1,3,3-三甲基茚满、2,3-二氢-1,3-二甲基-1-(2-甲基-2-苯基丙基)-3-苯基-1H-茚满等,这样的化合物满足条件(B)。
作为式(I)所示的芳香族化合物,可列举如下。
R6及R7独立地为碳原子数1以上且20以下的烃基(其中,R6及R7的总碳原子数为3以上且20以下)、且R1~R5为氢的化合物(满足(B))。
2,2-二苯基丁烷、3,3-二苯基戊烷、3,3-二苯基己烷、4,4-二苯基庚烷、5,5-二苯基辛烷、6,6-二苯基壬烷、1,1-二苯基-1,1-二叔丁基甲烷。
[化学式3]
R6及R7共同形成环、且R1~R5为氢的化合物(满足(B))。
1,1-二苯基环己烷、1,1-二苯基环戊烷、1,1-二苯基-4-甲基环己烷。
还可以是下述化合物(包括与上述例示的化合物重复的情况,但以结构式表示)。
[化学式4]
R1~R5中的至少一个为卤素、或者未取代或卤素取代的碳原子数1以上且20以下的烃基的化合物(满足(A))。
1,3-双(1-甲基-1-苯基乙基)苯、1,4-双(1-甲基-1-苯基乙基)苯。
还可以是下述化合物(包括与上述例示的化合物重复的情况,但以结构式表示)。
[化学式5]
R7为碳原子数1以上且20以下的烃基(例如,为碳原子数1以上且20以下的烷基、优选为甲基)、且R1和R6共同形成环的化合物(满足(B))。
1-苯基-1,3,3-三甲基茚满。
还可以是下述化合物(包括与上述例示的化合物重复的情况,但以结构式表示)。
[化学式6]
其中,从初期在负极上的还原性的观点考虑,优选为:
2,2-二苯基丁烷、3,3-二苯基戊烷、1,1-二苯基-1,1-二叔丁基甲烷、1,1-二苯基环己烷、1,1-二苯基环戊烷、1,1-二苯基-4-甲基环己烷、1,3-双(1-甲基-1-苯基乙基)苯、1,4-双(1-甲基-1-苯基乙基)苯、1-苯基-1,3,3-三甲基茚满。
还可以列举下述化合物作为优选的化合物(包括与上述优选的化合物重复的情况,但以结构式表示)。
[化学式7]
更优选的是:
2,2-二苯基丁烷、1,1-二苯基环己烷、1,1-二苯基-4-甲基环己烷、1,3-双(1-甲基-1-苯基乙基)苯、1,4-双(1-甲基-1-苯基乙基)苯、1-苯基-1,3,3-三甲基茚满。
还可以列举下述化合物作为更优选的化合物(包括与上述更优选的化合物重复的情况,但以结构式表示)。
[化学式8]
进一步优选的是:1,1-二苯基环己烷、1,1-二苯基-4-甲基环己烷、1,3-双(1-甲基-1-苯基乙基)苯、1,4-双(1-甲基-1-苯基乙基)苯、1-苯基-1,3,3-三甲基茚满。
还可以列举下述化合物作为进一步优选的化合物(包括与上述进一步优选的化合物重复的情况,但以结构式表示)。
[化学式9]
特别优选的是:1,1-二苯基环己烷、1,3-双(1-甲基-1-苯基乙基)苯、1,4-双(1-甲基-1-苯基乙基)苯、1-苯基-1,3,3-三甲基茚满,以下述结构式表示。
[化学式10]
最优选为1-苯基-1,3,3-三甲基茚满化合物,以下述结构式表示。
[化学式11]
式(I)所示的芳香族化合物可以单独使用,也可以将2种以上组合使用。在非水电解液总量(100质量%)中,式(I)所示的芳香族化合物的量(2种以上的情况下,为总量)可以为0.001质量%以上、优选为0.01质量%以上、更优选为0.05质量%以上、进一步优选为0.1质量%以上,另外,可以为10质量%以下、优选为8质量%以下、更优选为5质量%以下、进一步优选为3质量%以下、特别优选为2.5质量%以下。通过在上述范围内,容易表现出本发明的效果,另外,可以防止电池的阻抗增大。
1-2除式(I)所示的芳香族化合物以外可含有的化合物
本发明的非水电解液可以包含选自下组中的至少一种化合物:含氟环状碳酸酯、含硫有机化合物、含磷有机化合物、具有氰基的有机化合物、具有异氰酸酯基的有机化合物、含硅化合物、式(I)以外的芳香族化合物、具有碳-碳不饱和键的环状碳酸酯、不含氟的羧酸酯、环状醚及具有异氰尿酸骨架的化合物。
其中,从初期特性与高温耐久后特性的平衡的观点考虑,选自含氟环状碳酸酯、含硫有机化合物、含磷有机化合物、具有氰基的有机化合物、具有异氰酸酯基的有机化合物、含硅化合物、式(I)以外的芳香族化合物、具有碳-碳不饱和键的环状碳酸酯、不含氟的羧酸酯、及具有异氰尿酸骨架的化合物中的至少一种化合物由于可以在正极上形成优质的复合被膜,因此优选。
更优选为选自含氟环状碳酸酯、含硫有机化合物、含磷有机化合物、具有氰基的有机化合物、具有异氰酸酯基的有机化合物、含硅化合物、式(I)以外的芳香族化合物、具有碳-碳不饱和键的环状碳酸酯、及不含氟的羧酸酯中的至少一种化合物。其理由在于,在负极上形成分子量较低的被膜的这些添加剂所形成的负极被膜致密,因此,可有效地抑制式(I)所示的芳香族化合物的副反应引起的劣化,有效地抑制副反应、并抑制电阻上升,从而能够通过抑制初期、高温耐久时的副反应而抑制体积变化和确保高温耐久后安全性,并且使倍率特性提高。
特别是,选自含氟环状碳酸酯、含硫有机化合物、含磷有机化合物、具有氰基的有机化合物、式(I)以外的芳香族化合物、具有碳-碳不饱和键的环状碳酸酯及不含氟的羧酸酯中的至少一种化合物可引起在负极上形成的源自添加剂的被膜与式(I)所示的芳香族化合物之间发生静电排斥,从而特异性地抑制副反应,因此进一步优选。
本发明的电解液包含上述化合物的情况下,上述化合物可以单独使用,也可以组合使用2种以上。可以根据所需要的特性而选择要含有的化合物。非水电解液总量(100质量%)中,上述化合物的量(2种以上的情况下为其总量)可以为0.001质量%以上、优选为0.01质量%以上、更优选为0.1质量%以上、进一步优选为0.3质量%以上、特别优选为0.5质量%以上,另外,可以为20质量%以下、优选为10质量%以下、更优选为5质量%以下、进一步优选为3质量%以下、特别优选为2质量%以下。上述化合物的含量在上述范围内时,可充分地获得含有式(I)所示的芳香族化合物所带来的效果。
在本发明的电解液中配合上述化合物的方法没有特殊限制。除了将上述化合物直接添加到电解液中的方法以外,可列举在电池内或电解液中使上述化合物产生的方法。作为使上述化合物产生的方法,可列举添加这些化合物以外的化合物,使电解液等电池构成要素发生氧化或水解等而使上述化合物产生的方法。此外,还可以列举在制作电池后施加充放电等电气性负载,从而使上述化合物产生的方法。
以下,针对本发明的电解液包含上述化合物的实施方式进行说明。关于与上述化合物组合的式(I)所示的芳香族化合物,可适用包含例示及优选例在内的有关式(I)所示的芳香族化合物的上述记载。另外,在包含某化合物的实施方式中,也可以包含上述化合物中的除其以外的化合物。
1-2-1.含氟环状碳酸酯
本发明的电解液可以进一步含有含氟环状碳酸酯。含氟环状碳酸酯只要是具有氟原子的环状碳酸酯则没有特殊限制。可以认为,在本发明的电解液中,上述式(I)所示的芳香族化合物和含氟环状碳酸酯相互作用而在负极上形成复合性的界面保护被膜,由此可以谋求电池的高温保存特性的提高。另外,同时还可以对电池赋予优异的初期倍率特性。
作为含氟环状碳酸酯,可列举具有碳原子数2以上且6以下的亚烷基的环状碳酸酯的氟化物及其衍生物,可列举例如碳酸亚乙酯的氟化物(以下,也记作“氟代碳酸亚乙酯”)及其衍生物。作为碳酸亚乙酯的氟化物的衍生物,可列举被烷基(例如,碳原子数1以上且4以下的烷基)取代的碳酸亚乙酯的氟化物。其中,优选氟原子数1以上且8以下的氟代碳酸亚乙酯及其衍生物。
作为氟原子数1~8个的氟代碳酸亚乙酯及其衍生物,可列举:单氟碳酸亚乙酯、4,4-二氟碳酸亚乙酯、4,5-二氟碳酸亚乙酯、4-氟-4-甲基碳酸亚乙酯、4,5-二氟-4-甲基碳酸亚乙酯、4-氟-5-甲基碳酸亚乙酯、4,4-二氟-5-甲基碳酸亚乙酯、4-(氟甲基)碳酸亚乙酯、4-(二氟甲基)碳酸亚乙酯、4-(三氟甲基)碳酸亚乙酯、4-(氟甲基)-4-氟碳酸亚乙酯、4-(氟甲基)-5-氟碳酸亚乙酯、4-氟-4,5-二甲基碳酸亚乙酯、4,5-二氟-4,5-二甲基碳酸亚乙酯、4,4-二氟-5,5-二甲基碳酸亚乙酯等。
其中,从可以对电解液赋予高离子导电性、并且容易形成稳定的界面保护被膜的观点考虑,优选单氟碳酸亚乙酯、4,4-二氟碳酸亚乙酯、4,5-二氟碳酸亚乙酯。
氟代环状碳酸酯可以单独使用一种,也可以以任意组合及比率将两种以上组合使用。在电解液100质量%中,氟代环状碳酸酯的量(2种以上的情况下为其总量)优选为0.001质量%以上、更优选为0.01质量%以上、进一步优选为0.1质量%以上、更进一步优选为0.5质量%以上、特别优选为1质量%以上、最优选为2质量%以上,另外,优选为10质量%以下、更优选为7质量%以下、进一步优选为5质量%以下。另外,在使用氟代环状碳酸酯作为非水溶剂的情况下,其配合量在非水溶剂100体积%中优选为1体积%以上、更优选为5体积%以上、进一步优选为10体积%以上,另外,优选为50体积%以下、更优选为35体积%以下、进一步优选为25体积%以下。
另外,作为含氟环状碳酸酯,还可以使用具有不饱和键和氟原子的环状碳酸酯(以下也记作“氟代不饱和环状碳酸酯”)。氟代不饱和环状碳酸酯所具有的氟原子数只要为1以上就没有特殊限制。可以使氟原子数为6以下、优选为4以下、更优选为1或2。
作为氟代不饱和环状碳酸酯,可列举:氟代碳酸亚乙烯酯衍生物、被具有芳环或碳-碳双键的取代基取代的氟代碳酸亚乙酯衍生物等。
作为氟代碳酸亚乙烯酯衍生物,可列举:4-氟碳酸亚乙烯酯、4-氟-5-甲基碳酸亚乙烯酯、4-氟-5-苯基碳酸亚乙烯酯、4-烯丙基-5-氟碳酸亚乙烯酯、4-氟-5-乙烯基碳酸亚乙烯酯等。
作为被具有芳环或碳-碳双键的取代基取代的氟代碳酸亚乙酯衍生物,可列举:4-氟-4-乙烯基碳酸亚乙酯、4-氟-4-烯丙基碳酸亚乙酯、4-氟-5-乙烯基碳酸亚乙酯、4-氟-5-烯丙基碳酸亚乙酯、4,4-二氟-4-乙烯基碳酸亚乙酯、4,4-二氟-4-烯丙基碳酸亚乙酯、4,5-二氟-4-乙烯基碳酸亚乙酯、4,5-二氟-4-烯丙基碳酸亚乙酯、4-氟-4,5-二乙烯基碳酸亚乙酯、4-氟-4,5-二烯丙基碳酸亚乙酯、4,5-二氟-4,5-二乙烯基碳酸亚乙酯、4,5-二氟-4,5-二烯丙基碳酸亚乙酯、4-氟-4-苯基碳酸亚乙酯、4-氟-5-苯基碳酸亚乙酯、4,4-二氟-5-苯基碳酸亚乙酯、4,5-二氟-4-苯基碳酸亚乙酯等。
其中,作为氟代不饱和环状碳酸酯,4-氟碳酸亚乙烯酯、4-氟-5-甲基碳酸亚乙烯酯、4-氟-5-乙烯基碳酸亚乙烯酯、4-烯丙基-5-氟碳酸亚乙烯酯、4-氟-4-乙烯基碳酸亚乙酯、4-氟-4-烯丙基碳酸亚乙酯、4-氟-5-乙烯基碳酸亚乙酯、4-氟-5-烯丙基碳酸亚乙酯、4,4-二氟-4-乙烯基碳酸亚乙酯、4,4-二氟-4-烯丙基碳酸亚乙酯、4,5-二氟-4-乙烯基碳酸亚乙酯、4,5-二氟-4-烯丙基碳酸亚乙酯、4-氟-4,5-二乙烯基碳酸亚乙酯、4-氟-4,5-二烯丙基碳酸亚乙酯、4,5-二氟-4,5-二乙烯基碳酸亚乙酯、4,5-二氟-4,5-二烯丙基碳酸亚乙酯由于可形成稳定的界面保护被膜,因此优选。
氟代不饱和环状碳酸酯的分子量没有特殊限制。其分子量优选为50以上,并且为250以下。如果在该范围,容易确保氟代环状碳酸酯在非水电解液中的溶解性,容易表现出本发明的效果。氟代不饱和环状碳酸酯的制造方法没有特别限制,可任意选择公知的方法进行制造。分子量更优选为100以上,另外,更优选为200以下。
氟代不饱和环状碳酸酯可以单独使用一种,也可以以任意组合及比率将两种以上组合使用。
在电解液100质量%中,氟代不饱和环状碳酸酯(2种以上的情况下为其总量)的量优选为0.001质量%以上、更优选为0.01质量%以上、进一步优选为0.1质量%以上、特别优选为0.2质量%以上,另外,优选为10质量%以下、更优选为5质量%以下、进一步优选为4质量%以下、特别优选为3质量%以下。在该范围内时,非水电解质电池容易表现出充分的循环特性改善效果,另外,容易避免高温保存特性降低、气体产生量增多、放电容量保持率下降这样的情况。
从在负极上形成复合性的界面保护被膜的观点考虑,上述式(I)所示的芳香族化合物与含氟环状碳酸酯的质量比优选为0.4:100~100:100、更优选为1:100~50:100、进一步优选为1.4:100~35:100。在该范围内进行配合的情况下,能够有效地抑制各添加剂在正负极上的副反应,提高电池特性。特别是,对于高温保存特性的提高是有用的。
1-2-2.含硫有机化合物
本发明的电解液可以进一步含有含硫有机化合物。含硫有机化合物只要是分子内具有至少1个硫原子的有机化合物就没有特殊限制,但优选为分子内具有S=O基的有机化合物,可列举:链状磺酸酯、环状磺酸酯、链状硫酸酯、环状硫酸酯、链状亚硫酸酯及环状亚硫酸酯。需要说明的是,属于氟磺酸盐的化合物并不是1-2-2.含硫有机化合物,而是包含在后述的作为电解质的氟磺酸盐中。
其中,优选链状磺酸酯、环状磺酸酯、链状硫酸酯、环状硫酸酯、链状亚硫酸酯及环状亚硫酸酯,更优选为具有S(=O)2基的化合物。
这些酯也可以具有取代基。这里所说的取代基指的是由选自碳原子、氢原子、氮原子、氧原子、硫原子、磷原子及卤原子中的1种以上原子构成的基团,优选为由选自碳原子、氢原子、氧原子及卤原子中的1种以上原子构成的基团,更优选为由选自碳原子、氢原子及氧原子中的1种以上原子构成的基团。作为取代基,可列举:卤原子;未取代或卤素取代的烷基、烯基、炔基、芳基或烷氧基;氰基;异氰酸酯基;烷氧基羰氧基;酰基;羧基;烷氧羰基;酰氧基;烷基磺酰基;烷氧基磺酰基;二烷氧基膦三基(dialkoxy phosphane triyl);二烷氧基磷酰基及二烷氧基磷酰氧基等。这些当中,优选为卤原子;烷氧基;未取代或卤素取代的烷基、烯基或炔基;异氰酸酯基;氰基;烷氧基羰氧基;酰基;烷氧羰基;酰氧基,更优选为卤原子、未取代烷基、烷氧基羰氧基;酰基;烷氧羰基或酰氧基,更优选为卤原子、未取代烷基及烷氧羰基。有关这些取代基的例示及优选例可适用于后述的式(2-1)中的A12及A13、以及式(2-2)中的A14的定义中的取代基。
进一步优选为链状磺酸酯及环状磺酸酯,其中,优选式(2-1)所示的链状磺酸酯及式(2-2)所示的环状磺酸酯。
1-2-2-1.式(2-1)所示的链状磺酸酯
[化学式12]
(式中,
A12为任选具有取代基的碳原子数1以上且12以下的n21价的烃基,
A13为任选具有取代基的碳原子数1以上且12以下的烃基,
n21为1以上且4以下的整数,
n21为2的情况下,A12及A13可以相同,也可以不同。)
式(2-1)中,A12及A13不共同形成环,因此,式(2-1)是链状磺酸酯。
n21优选为1以上且3以下的整数,更优选为1以上且2以下的整数,进一步优选为2。
作为A12中的碳原子数1以上且12以下的n21价的烃基,可列举:
烷基、烯基、炔基及芳基等1价烃基;
亚烷基、亚烯基、亚炔基及亚芳基等2价烃基;
烷烃三基、烯烃三基、炔烃三基及芳烃三基等3价烃基;
烷烃四基、烯烃四基、炔烃四基及芳烃四基等4价烃基;等等。
这些当中,优选亚烷基、亚烯基、亚炔基及亚芳基等2价烃基,更优选亚烷基。它们对应于n21为2的情况。
在碳原子数1以上且12以下的n21价的烃基中,作为1价的烃基,可列举:甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、仲丁基、异丁基、叔丁基、正戊基、异戊基、仲戊基、新戊基、1-甲基丁基、2-甲基丁基、1,1-二甲基丙基、1,2-二甲基丙基等碳原子数1~5的烷基;乙烯基、1-丙烯基、2-丙烯基、异丙烯基、1-丁烯基、2-丁烯基、3-丁烯基、1-戊烯基、2-戊烯基、3-戊烯基、4-戊烯基等碳原子数2以上且5以下的烯基;乙炔基、1-丙炔基、2-丙炔基、1-丁炔基、2-丁炔基、3-丁炔基、1-戊炔基、2-戊炔基、3-戊炔基、4-戊炔基等碳原子数2以上且5以下的炔基。
作为2价的烃基,可列举:亚甲基、亚乙基、三亚甲基、四亚甲基、五亚甲基等碳原子数1以上且5以下的亚烷基;亚乙烯基、1-亚丙烯基、2-亚丙烯基、1-亚丁烯基、2-亚丁烯基、1-亚戊烯基、2-亚戊烯基等碳原子数2以上且5以下的亚烯基;亚乙炔基、亚丙炔基、1-亚丁炔基、2-亚丁炔基、1-亚戊炔基及2-亚戊炔基等碳原子数2以上且5以下的亚炔基等,优选为亚甲基、亚乙基、三亚甲基、四亚甲基、五亚甲基等碳原子数1~5的亚烷基,更优选为亚乙基、三亚甲基、四亚甲基、五亚甲基等碳原子数2以上且5以下的亚烷基,进一步优选为三亚甲基、四亚甲基、五亚甲基等碳原子数3以上且5以下的亚烷基。
作为3价及4价的烃基,可列举:与上述1价的烃基对应的3价及4价的烃基。
A12中的所述具有取代基的碳原子数1以上且12以下的n21价的烃基是指,由上述取代基和上述碳原子数1以上且12以下的n21价的烃基组合而成的基团。作为A12,优选不具有取代基的碳原子数1以上且5以下的n21价的烃基。
作为A13中的碳原子数1以上且12以下的烃基,优选为烷基、烯基、炔基及芳基等1价的烃基,更优选为烷基。
作为碳原子数1以上且12以下的烃基,可列举:甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、仲丁基、异丁基、叔丁基、正戊基、异戊基、仲戊基、新戊基、1-甲基丁基、2-甲基丁基、1,1-二甲基丙基、1,2-二甲基丙基等碳原子数1~5的烷基等,优选为甲基、乙基、正丙基、正丁基、正戊基,更优选为甲基、乙基、正丙基,进一步优选为乙基、正丙基。
A13中的所述具有取代基的碳原子数1以上且12以下的烃基是指,由上述取代基和上述碳原子数1以上且12以下的烃基组合而成的基团。作为A13,优选为任选具有取代基的碳原子数1以上且5以下的烃基,更优选为具有取代基的碳原子数1以上且5以下的烃基,进一步优选具有烷氧羰基作为取代基的烷基。其中,优选为甲氧基羰基甲基、乙氧基羰基甲基、1-甲氧基羰基乙基、1-乙氧基羰基乙基、2-甲氧基羰基乙基、2-乙氧基羰基乙基、1-甲氧基羰基丙基、1-乙氧基羰基丙基、2-甲氧基羰基丙基、2-乙氧基羰基丙基、3-甲氧基羰基丙基、3-乙氧基羰基丙基,更优选为1-甲氧基羰基乙基、1-乙氧基羰基乙基。
使用了进一步包含式(2-1)所示的链状磺酸酯的本发明的电解液的电池的初期气体抑制及保存气体抑制效果优异。在电解液100质量%中,式(2-1)所示的链状磺酸酯的含量(有2种以上的情况下为其总含量)可以为0.001质量%以上、优选为0.01质量%以上、更优选为0.1质量%以上、进一步优选为0.3质量%以上、特别优选为0.5质量%以上,另外,可以为10质量%以下、优选为5质量%以下、更优选为3质量%以下、进一步优选为2质量%以下、特别优选为1.5质量%以下。在该范围内时,高温保存特性良好。
1-2-2-2.式(2-2)所示的环状磺酸酯
[化学式13]
(式中,
A14为任选具有取代基的碳原子数1以上且12以下的2价烃基。)
作为A14中的碳原子数1以上且12以下的2价烃基,可列举亚烷基、亚烯基、亚炔基及亚芳基等,优选为亚烷基、亚烯基。
作为碳原子数1以上且12以下的2价烃基,可列举:亚甲基、亚乙基、三亚甲基、四亚甲基、五亚甲基等碳原子数1~5的亚烷基;亚乙烯基、1-亚丙烯基、2-亚丙烯基、1-亚丁烯基、2-亚丁烯基、1-亚戊烯基、2-亚戊烯基等碳原子数2~5的亚烯基;
亚乙炔基、亚丙炔基、1-亚丁炔基、2-亚丁炔基、1-亚戊炔基及2-亚戊炔基等碳原子数2~5的亚炔基等。
这些当中,优选为亚甲基、亚乙基、三亚甲基、四亚甲基、五亚甲基等碳原子数1~5的亚烷基以及亚乙烯基、1-亚丙烯基、2-亚丙烯基、1-亚丁烯基、2-亚丁烯基、1-亚戊烯基、2-亚戊烯基等碳原子数2~5的亚烯基,更优选为三亚甲基、四亚甲基、五亚甲基等碳原子数3~5的亚烷基以及1-亚丙烯基、2-亚丙烯基、1-亚丁烯基、2-亚丁烯基、1-亚戊烯基、2-亚戊烯基等碳原子数3~5的亚烯基,进一步优选为三亚甲基、1-亚丙烯基、2-亚丙烯基。
需要说明的是,A14中的所述具有取代基的碳原子数1以上且12以下的2价烃基是指,由上述取代基和上述碳原子数1以上且12以下的2价烃基组合而成的基团。A14优选为不具有取代基的碳原子数1以上且5以下的2价烃基。
使用了进一步包含式(2-2)所示的环状磺酸酯的本发明的电解液的电池的初期容量损失减少、高温保存后的容量恢复率良好。此外,还能够使过充电时安全性进一步提高。在电解液100质量%中,式(2-2)所示的环状磺酸酯的含量(有2种以上的情况下为其总含量)可以为0.001质量%以上、优选为0.01质量%以上、更优选为0.1质量%以上、进一步优选为0.3质量%以上、特别优选为0.5质量%以上,另外,可以为10质量%以下、优选为5质量%以下、更优选为3质量%以下、进一步优选为2质量%以下、特别优选为1.5质量%以下。
作为含硫有机化合物,可列举如下。
《链状磺酸酯》
氟磺酸甲酯及氟磺酸乙酯等氟磺酸酯;
甲磺酸甲酯、甲磺酸乙酯、甲磺酸2-丙炔酯、甲磺酸3-丁炔酯、二甲磺酸丁酯(Busulfan)、2-(甲磺酰氧基)丙酸甲酯、2-(甲磺酰氧基)丙酸乙酯、2-(甲磺酰氧基)丙酸2-丙炔酯、2-(甲磺酰氧基)丙酸3-丁炔酯、甲磺酰氧基乙酸甲酯、甲磺酰氧基乙酸乙酯、甲磺酰氧基乙酸2-丙炔酯及甲磺酰氧基乙酸3-丁炔酯等甲磺酸酯;
乙烯基磺酸甲酯、乙烯基磺酸乙酯、乙烯基磺酸烯丙酯、乙烯基磺酸炔丙酯、烯丙基磺酸甲酯、烯丙基磺酸乙酯、烯丙基磺酸烯丙酯、烯丙基磺酸炔丙酯及1,2-双(乙烯基磺酰氧基)乙烷等烯基磺酸酯;
甲烷二磺酸甲氧基羰基甲酯、甲烷二磺酸乙氧基羰基甲酯、甲烷二磺酸1-甲氧基羰基乙酯、甲烷二磺酸1-乙氧基羰基乙酯、1,2-乙烷二磺酸甲氧基羰基甲酯、1,2-乙烷二磺酸乙氧基羰基甲酯、1,2-乙烷二磺酸1-甲氧基羰基乙酯、1,2-乙烷二磺酸1-乙氧基羰基乙酯、1,3-丙烷二磺酸甲氧基羰基甲酯、1,3-丙烷二磺酸乙氧基羰基甲酯、1,3-丙烷二磺酸1-甲氧基羰基乙酯、1,3-丙烷二磺酸1-乙氧基羰基乙酯、1,3-丁烷二磺酸甲氧基羰基甲酯、1,3-丁烷二磺酸乙氧基羰基甲酯、1,3-丁烷二磺酸1-甲氧基羰基乙酯、1,3-丁烷二磺酸1-乙氧基羰基乙酯等烷基二磺酸酯;
《环状磺酸酯》
1,3-丙磺酸内酯、1-氟-1,3-丙磺酸内酯、2-氟-1,3-丙磺酸内酯、3-氟-1,3-丙磺酸内酯、1-甲基-1,3-丙磺酸内酯、2-甲基-1,3-丙磺酸内酯、3-甲基-1,3-丙磺酸内酯、1-丙烯-1,3-磺酸内酯、2-丙烯-1,3-磺酸内酯、1-氟-1-丙烯-1,3-磺酸内酯、2-氟-1-丙烯-1,3-磺酸内酯、3-氟-1-丙烯-1,3-磺酸内酯、1-氟-2-丙烯-1,3-磺酸内酯、2-氟-2-丙烯-1,3-磺酸内酯、3-氟-2-丙烯-1,3-磺酸内酯、1-甲基-1-丙烯-1,3-磺酸内酯、2-甲基-1-丙烯-1,3-磺酸内酯、3-甲基-1-丙烯-1,3-磺酸内酯、1-甲基-2-丙烯-1,3-磺酸内酯、2-甲基-2-丙烯-1,3-磺酸内酯、3-甲基-2-丙烯-1,3-磺酸内酯、1,4-丁磺酸内酯及1,5-戊磺酸内酯等磺酸内酯化合物;
甲烷二磺酸亚甲酯、甲烷二磺酸亚乙酯等二磺酸酯化合物;
1,2,3-氧杂四氢噻唑(oxathiazolidine)-2,2-二氧化物、3-甲基-1,2,3-氧杂四氢噻唑-2,2-二氧化物、3H-1,2,3-氧杂噻唑(oxathiazole)-2,2-二氧化物、5H-1,2,3-氧杂噻唑-2,2-二氧化物、1,2,4-氧杂四氢噻唑-2,2-二氧化物、1,2,5-氧杂四氢噻唑-2,2-二氧化物、1,2,3-氧杂噻嗪烷(oxathiazinane)-2,2-二氧化物、3-甲基-1,2,3-氧杂噻嗪烷-2,2-二氧化物、5,6-二氢-1,2,3-氧杂噻嗪(oxathiazin)-2,2-二氧化物及1,2,4-氧杂噻嗪烷-2,2-二氧化物等含氮化合物。
1,2,3-氧硫磷杂戊环(oxathiaphosrane)-2,2-二氧化物、3-甲基-1,2,3-氧硫磷杂戊环-2,2-二氧化物、3-甲基-1,2,3-氧硫磷杂戊环-2,2,3-三氧化物、3-甲氧基-1,2,3-氧硫磷杂戊环-2,2,3-三氧化物、1,2,4-氧硫磷杂戊环-2,2-二氧化物、1,2,5-氧硫磷杂戊环-2,2-二氧化物、1,2,3-氧硫磷杂己环(oxathiaphosphinane)-2,2-二氧化物、3-甲基-1,2,3-氧硫磷杂己环-2,2-二氧化物、3-甲基-1,2,3-氧硫磷杂己环-2,2,3-三氧化物、3-甲氧基-1,2,3-氧硫磷杂己环-2,2,3-三氧化物、1,2,4-氧硫磷杂己环-2,2-二氧化物、1,2,5-氧硫磷杂己环-2,2-二氧化物及1,2,6-氧硫磷杂己环-2,2-二氧化物等含磷化合物。
《链状硫酸酯》
硫酸二甲酯、硫酸甲乙酯及硫酸二乙酯等硫酸二烷基酯化合物。
《环状硫酸酯》
1,2-乙二醇硫酸酯、1,2-丙二醇硫酸酯、1,3-丙二醇硫酸酯、1,2-丁二醇硫酸酯、1,3-丁二醇硫酸酯、1,4-丁二醇硫酸酯、1,2-戊二醇硫酸酯、1,3-戊二醇硫酸酯、1,4-戊二醇硫酸酯及1,5-戊二醇硫酸酯等亚烷基二醇硫酸酯化合物。
《链状亚硫酸酯》
亚硫酸二甲酯、亚硫酸甲乙酯及亚硫酸二乙酯等亚硫酸二烷基酯化合物。
《环状亚硫酸酯》
1,2-乙二醇亚硫酸酯、1,2-丙二醇亚硫酸酯、1,3-丙二醇亚硫酸酯、1,2-丁二醇亚硫酸酯、1,3-丁二醇亚硫酸酯、1,4-丁二醇亚硫酸酯、1,2-戊二醇亚硫酸酯、1,3-戊二醇亚硫酸酯、1,4-戊二醇亚硫酸酯及1,5-戊二醇亚硫酸酯等亚烷基二醇亚硫酸酯化合物。
这些当中,从提高保存特性的观点考虑,优选2-(甲磺酰氧基)丙酸甲酯、2-(甲磺酰氧基)丙酸乙酯、2-(甲磺酰氧基)丙酸2-丙炔酯、丙烷二磺酸1-甲氧基羰基乙酯、丙烷二磺酸1-乙氧基羰基乙酯、丁烷二磺酸1-甲氧基羰基乙酯、丁烷二磺酸1-乙氧基羰基乙酯、1,3-丙磺酸内酯、1-丙烯-1,3-磺酸内酯、1,4-丁磺酸内酯、1,2-乙二醇硫酸酯、1,2-乙二醇亚硫酸酯、甲磺酸甲酯及甲磺酸乙酯,更优选丙烷二磺酸1-甲氧基羰基乙酯、丙烷二磺酸1-乙氧基羰基乙酯、丁烷二磺酸1-甲氧基羰基乙酯、丁烷二磺酸1-乙氧基羰基乙酯、1,3-丙磺酸内酯、1-丙烯-1,3-磺酸内酯、1,2-乙二醇硫酸酯、1,2-乙二醇亚硫酸酯,进一步优选1,3-丙磺酸内酯、1-丙烯-1,3-磺酸内酯。
含硫有机化合物可以单独使用1种,也可以以任意组合及比率组合使用2种以上。
在电解液100质量%中,含硫有机化合物的含量(2种以上的情况下为其总量)可以为0.001质量%以上、优选为0.01质量%以上、更优选为0.1质量%以上、特别优选为0.3质量%以上,另外,可以为10质量%以下、优选为5质量%以下、更优选为3质量%以下、特别优选为2质量%以下。在该范围内时,容易控制输出特性、负载特性、低温特性、循环特性、高温保存特性等。
上述式(I)所示的芳香族化合物与含硫有机化合物的质量比优选为1:99~99:1、更优选为10:90~90:10、特别优选为20:80~80:20。在该范围进行配合的情况下,能够有效地抑制各添加剂在正负极的副反应,从而提高电池特性。特别是,有利于高温保存特性的提高。
1-2-3.含磷有机化合物
本发明的电解液可以进一步含有含磷有机化合物。含磷有机化合物只要是分子内具有至少1个磷原子的有机化合物则没有特殊限制。使用了含有含磷有机化合物的本发明的电解液的电池可抑制高温保存后的气体产生,恢复率也良好,并且具有良好的初期充放电效率。
作为含磷有机化合物,优选为磷酸酯、膦酸酯、次膦酸酯、亚磷酸酯,更优选为磷酸酯及膦酸酯,进一步优选为膦酸酯。这些酯还可以具有取代基。这里所说的取代基是由选自碳原子、氢原子、氮原子、氧原子、硫原子、磷原子及卤原子中的1种以上原子构成的基团,优选由选自碳原子、氢原子、氧原子及卤原子中的1种以上原子构成的基团。作为取代基,可列举:卤原子;未取代或卤素取代的烷基、烯基、炔基、芳基或烷氧基;氰基;异氰酸酯基;烷氧基羰氧基;酰基;羧基;烷氧羰基;酰氧基;烷基磺酰基;烷氧基磺酰基;二烷氧基膦三基;二烷氧基磷酰基及二烷氧基磷酰氧基等。这些中,优选列举卤原子;烷氧基;烷氧基羰氧基;酰基;羧基及酰氧基等,更优选为卤原子及酰氧基,进一步优选为酰氧基。作为上述酰氧基,可列举乙酰氧基、丙酰氧基、丁酰氧基、丙烯酰氧基、甲基丙烯酰氧基及巴豆酰氧基等,优选为丙烯酰氧基。有关这些取代基的例示及优选例可适用于后述的式(3-1)中的A6~A8的定义中的取代基。
进一步优选磷酸酯及膦酸酯,其中,优选式(3-1)所示的磷酸酯及式(3-2)所示的膦酸酯。
1-2-3-1.式(3-1)所示的磷酸酯
[化学式14]
(式中,
A6、A7及A8独立地为任选具有取代基的碳原子数1以上且5以下的烷基、烯基或炔基,并且,A6~A8中的至少一个具有碳-碳不饱和键。)
作为碳原子数1~5的烷基、烯基或炔基,可列举:甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、仲丁基、异丁基、叔丁基、正戊基、异戊基、仲戊基、新戊基、1-甲基丁基、2-甲基丁基、1,1-二甲基丙基、1,2-二甲基丙基等烷基;乙烯基、1-丙烯基、2-丙烯基(烯丙基)、异丙烯基、1-丁烯基、2-丁烯基、3-丁烯基、1-戊烯基、2-戊烯基、3-戊烯基、4-戊烯基等烯基;乙炔基、1-丙炔基、2-丙炔基(炔丙基)、1-丁炔基、2-丁炔基、3-丁炔基、1-戊炔基、2-戊炔基、3-戊炔基、4-戊炔基等炔基,优选甲基、乙基、正丙基、正丁基、正戊基、乙烯基、2-丙烯基(烯丙基)、3-丁烯基、4-戊烯基、2-丙炔基(炔丙基)、3-丁炔基及4-戊炔基,更优选甲基、乙基、2-丙烯基(烯丙基)及2-丙炔基(炔丙基),进一步优选甲基、乙基及2-丙烯基(烯丙基)。
需要说明的是,所述具有取代基的碳原子数1以上且5以下的烷基、烯基或炔基是指由上述取代基和上述碳原子数1以上且5以下的烷基、烯基或炔基组合而成的基团,优选为2-丙烯酰氧基甲基及2-丙烯酰氧基乙基。
作为式(3-1)所示的化合物,可列举如下。
<具有1个碳-碳不饱和键的化合物>
磷酸二甲基乙烯基酯、磷酸二乙基乙烯基酯、磷酸二丙基乙烯基酯、磷酸二丁基乙烯基酯及磷酸二戊基乙烯基酯等具有乙烯基的化合物;
磷酸烯丙基二甲基酯、磷酸烯丙基二乙基酯、磷酸烯丙基二丙基酯、磷酸烯丙基二丁基酯及磷酸烯丙基二戊基酯等具有烯丙基的化合物;
磷酸炔丙基二甲基酯、磷酸炔丙基二乙基酯、磷酸炔丙基二丙基酯、磷酸炔丙基二丁基酯及磷酸炔丙基二戊基酯等具有炔丙基的化合物;
磷酸2-丙烯酰氧基甲基二甲基酯、磷酸2-丙烯酰氧基甲基二乙基酯、磷酸2-丙烯酰氧基甲基二丙基酯、磷酸2-丙烯酰氧基甲基二丁基酯及磷酸2-丙烯酰氧基甲基二戊基酯等具有2-丙烯酰氧基甲基的化合物;
磷酸2-丙烯酰氧基乙基二甲基酯、磷酸2-丙烯酰氧基乙基二乙基酯、磷酸2-丙烯酰氧基乙基二丙基酯、磷酸2-丙烯酰氧基乙基二丁基酯及磷酸2-丙烯酰氧基乙基二戊基酯等具有2-丙烯酰氧基乙基的化合物;
<具有2个碳-碳不饱和键的化合物>
磷酸甲基二乙烯基酯、磷酸乙基二乙烯基酯、磷酸丙基二乙烯基酯、磷酸丁基二乙烯基酯及磷酸戊基二乙烯基酯等具有乙烯基的化合物;
磷酸二烯丙基甲基酯、磷酸二烯丙基乙基酯、磷酸二烯丙基丙基酯、磷酸二烯丙基丁基酯及磷酸二烯丙基戊基酯等具有烯丙基的化合物;
磷酸二炔丙基甲基酯、磷酸二炔丙基乙基酯、磷酸二炔丙基丙基酯、磷酸二炔丙基丁基酯及磷酸二炔丙基戊基酯等具有炔丙基的化合物;
磷酸双(2-丙烯酰氧基甲基)甲基酯、磷酸双(2-丙烯酰氧基甲基)乙基酯、磷酸双(2-丙烯酰氧基甲基)丙基酯、磷酸双(2-丙烯酰氧基甲基)丁基酯及磷酸双(2-丙烯酰氧基甲基)戊基酯等具有2-丙烯酰氧基甲基的化合物;
磷酸双(2-丙烯酰氧基乙基)甲基酯、磷酸双(2-丙烯酰氧基乙基)乙基酯、磷酸双(2-丙烯酰氧基乙基)丙基酯、磷酸双(2-丙烯酰氧基乙基)丁基酯及磷酸双(2-丙烯酰氧基乙基)戊基酯等具有2-丙烯酰氧基乙基的化合物;
<具有3个碳-碳不饱和键的化合物>
磷酸三乙烯酯、磷酸三烯丙酯、磷酸三炔丙酯、磷酸三(2-丙烯酰氧基甲基)酯及磷酸三(2-丙烯酰氧基乙基)酯等
这些当中,从提高电池特性的观点考虑,优选具有3个碳-碳不饱和键的化合物,更优选磷酸三烯丙酯及磷酸三(2-丙烯酰氧基乙基)酯。
1-2-3-2.式(3-2)所示的膦酸酯
[化学式15]
(式中,
A9、A10及A11独立地为未取代或卤素取代的碳原子数1~5的烷基、烯基或炔基,
n32为0~6的整数。)
作为碳原子数1~5的烷基、烯基或炔基,可列举:甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、仲丁基、异丁基、叔丁基、正戊基、异戊基、仲戊基、新戊基、1-甲基丁基、2-甲基丁基、1,1-二甲基丙基、1,2-二甲基丙基等烷基;乙烯基、1-丙烯基、2-丙烯基(烯丙基)、异丙烯基、1-丁烯基、2-丁烯基、3-丁烯基、1-戊烯基、2-戊烯基、3-戊烯基、4-戊烯基等烯基;乙炔基、1-丙炔基、2-丙炔基(炔丙基)、1-丁炔基、2-丁炔基、3-丁炔基、1-戊炔基、2-戊炔基、3-戊炔基、4-戊炔基等炔基,优选甲基、乙基、正丙基、正丁基、正戊基、乙烯基、2-丙烯基(烯丙基)、3-丁烯基、4-戊烯基、2-丙炔基(炔丙基)、3-丁炔基及4-戊炔基,更优选甲基、乙基、2-丙烯基(烯丙基)及2-丙炔基(炔丙基),进一步优选甲基、乙基及2-丙炔基(炔丙基)。
作为式(3-2)所示的膦酸酯,可列举以下化合物。
<式(3-2)中n32=0的化合物>
三甲基膦酰基甲酸酯、二乙基膦酰基甲酸甲酯、二丙基膦酰基甲酸甲酯、二丁基膦酰基甲酸甲酯、三乙基膦酰基甲酸酯、二甲基膦酰基甲酸乙酯、二丙基膦酰基甲酸乙酯、二丁基膦酰基甲酸乙酯、三丙基膦酰基甲酸酯、二甲基膦酰基甲酸丙酯、二乙基膦酰基甲酸丙酯、二丁基膦酰基甲酸丙酯、三丁基膦酰基甲酸酯、二甲基膦酰基甲酸丁酯、二乙基膦酰基甲酸丁酯、二丙基膦酰基甲酸丁酯、双(2,2,2-三氟乙基)膦酰基甲酸甲酯、双(2,2,2-三氟乙基)膦酰基甲酸乙酯、双(2,2,2-三氟乙基)膦酰基甲酸丙酯、双(2,2,2-三氟乙基)膦酰基甲酸丁酯等。
<式(3-2)中n32=1的化合物>
三甲基膦酰基乙酸酯、二乙基膦酰基乙酸甲酯、二丙基膦酰基乙酸甲酯、二丁基膦酰基乙酸甲酯、三乙基膦酰基乙酸酯、二甲基膦酰基乙酸乙酯、二丙基膦酰基乙酸乙酯、二丁基膦酰基乙酸乙酯、三丙基膦酰基乙酸酯、二甲基膦酰基乙酸丙酯、二乙基膦酰基乙酸丙酯、二丁基膦酰基乙酸丙酯、三丁基膦酰基乙酸酯、二甲基膦酰基乙酸丁酯、二乙基膦酰基乙酸丁酯、二丙基膦酰基乙酸丁酯、双(2,2,2-三氟乙基)膦酰基乙酸甲酯、双(2,2,2-三氟乙基)膦酰基乙酸乙酯、双(2,2,2-三氟乙基)膦酰基乙酸丙酯、双(2,2,2-三氟乙基)膦酰基乙酸丁酯、二甲基膦酰基乙酸烯丙酯、二乙基膦酰基乙酸烯丙酯、二甲基膦酰基乙酸2-丙炔酯、二乙基膦酰基乙酸2-丙炔酯等。
<式(3-2)中n32=2的化合物>
三甲基3-膦酰基丙酸酯、3-(二乙基膦酰基)丙酸甲酯、3-(二丙基膦酰基)丙酸甲酯、3-(二丁基膦酰基)丙酸甲酯、三乙基3-膦酰基丙酸酯、3-(二甲基膦酰基)丙酸乙酯、3-(二丙基膦酰基)丙酸乙酯、3-(二丁基膦酰基)丙酸乙酯、三丙基3-膦酰基丙酸酯、3-(二甲基膦酰基)丙酸丙酯、3-(二乙基膦酰基)丙酸丙酯、3-(二丁基膦酰基)丙酸丙酯、三丁基3-膦酰基丙酸酯、3-(二甲基膦酰基)丙酸丁酯、3-(二乙基膦酰基)丙酸丁酯、3-(二丙基膦酰基)丙酸丁酯、3-(双(2,2,2-三氟乙基)膦酰基)丙酸甲酯、3-(双(2,2,2-三氟乙基)膦酰基)丙酸乙酯、3-(双(2,2,2-三氟乙基)膦酰基)丙酸丙酯、3-(双(2,2,2-三氟乙基)膦酰基)丙酸丁酯等。
<式(3-2)中n32=3的化合物>
三甲基4-膦酰基丁酸酯、4-(二乙基膦酰基)丁酸甲酯、4-(二丙基膦酰基)丁酸甲酯、4-(二丁基膦酰基)丁酸甲酯、三乙基4-膦酰基丁酸酯、4-(二甲基膦酰基)丁酸乙酯、4-(二丙基膦酰基)丁酸乙酯、4-(二丁基膦酰基)丁酸乙酯、三丙基4-膦酰基丁酸酯、4-(二甲基膦酰基)丁酸丙酯、4-(二乙基膦酰基)丁酸丙酯、4-(二丁基膦酰基)丁酸丙酯、三丁基4-膦酰基丁酸酯、4-(二甲基膦酰基)丁酸丁酯、4-(二乙基膦酰基)丁酸丁酯、4-(二丙基膦酰基)丁酸丁酯等。
从提高电池特性的观点考虑,优选n32=0、1、2的化合物,更优选n32=0、1的化合物,进一步优选n32=1的化合物,在n32=1的化合物中,优选A9~A11为饱和烃基的化合物。
特别优选三甲基膦酰基乙酸酯、膦酰基乙酸三乙酯、二甲基膦酰基乙酸2-丙炔酯、二乙基膦酰基乙酸2-丙炔酯。
含磷有机化合物可以单独使用1种,也可以以任意组合及比率组合使用2种以上。
在电解液100质量%中,含磷有机化合物(2种以上的情况下为其总量)可以为0.001质量%以上、优选为0.01质量%以上、更优选为0.1质量%以上,另外,可以为10质量%以下、优选为5质量%以下、更优选为3质量%以下、进一步优选为2质量%以下、特别优选为1质量%以下、最优选为0.5质量%以下。在该范围时,容易控制输出特性、负载特性、低温特性、循环特性、高温保存特性等。
上述式(I)所示的芳香族化合物和含磷有机化合物的质量比优选为1:99~99:1、更优选为10:90~90:10、特别优选为20:80~80:20。以该范围进行配合的情况下,能够有效地抑制各添加剂在正负极的副反应,从而提高电池特性。特别是对于高温保存特性的提高是有用的。
1-2-4.具有氰基的有机化合物
本发明的电解液可以包含具有氰基的有机化合物。使用了具有氰基的本发明的电解液的电池的初期容量损失小,可抑制高温保存后的气体产生。作为具有氰基的有机化合物,只要是分子内具有至少1个氰基的有机化合物则没有特殊限制,优选为式(4-1)、式(4-2)及式(4-3)所示的化合物、更优选为式(4-1)及式(4-2)所示的化合物,进一步优选为式(4-2)所示的化合物。
1-2-4-1.式(4-1)所示的化合物
A1-CN(4-1)
(式中,A表示碳原子数2以上且20以下的烃基。)
式(4-1)所示的化合物的分子量没有特殊限制。其分子量优选为55以上、更优选为65以上、进一步优选为80以上,另外,优选为310以下、更优选为185以下、进一步优选为155以下。如果在该范围,则容易确保式(4-1)所示的化合物在非水电解液中的溶解性,容易表现出本发明的效果。式(4-1)所示的化合物的制造方法没有特别限制,可以任意地选择公知的方法来制造。
式(4-1)中,作为碳原子数2以上且20以下的烃基,可列举烷基、烯基、炔基及芳基等,优选为:乙基、正丙基、异丙基、异丙基、正丁基、仲丁基、异丁基、叔丁基、正戊基、叔戊基、己基、庚基、辛基、壬基、癸基、十一烷基、十二烷基、十三烷基、十四烷基、十五烷基、十六烷基、十七烷基、十八烷基、十九烷基、二十烷基等烷基;乙烯基、1-丙烯基、异丙烯基、1-丁烯基、1-戊烯基等烯基;乙炔基、1-丙炔基、1-丁炔基、1-戊炔基等炔基;苯基、甲苯基、乙基苯基、正丙基苯基、异丙基苯基、正丁基苯基、仲丁基苯基、异丁基苯基、叔丁基苯基、三氟甲基苯基、二甲苯基、苄基、苯乙基、甲氧基苯基、乙氧基苯基、三氟甲氧基苯基等芳基等。
其中,从氰基在分子整体中的比例高、电池特性提高效果高这样的观点考虑,更优选碳原子数2以上且15以下的直链或分支状的烷基及碳原子数2以上且4以下的烯基,进一步优选碳原子数2以上且12以下的直链或分支状的烷基,特别优选碳原子数4以上且11以下的直链或分支状的烷基。
作为式(4-1)所示的化合物,可列举:丙腈、丁腈、戊腈、己腈、庚腈、辛腈、壬腈、癸腈、十一碳腈、十二碳腈、环戊烷甲腈、环己烷甲腈、丙烯腈、甲基丙烯腈、巴豆腈、3-甲基巴豆腈、2-甲基-2-丁烯腈、2-戊烯腈、2-甲基-2-戊烯腈、3-甲基-2-戊烯腈及2-己烯腈等。
其中,从化合物的稳定性、电池特性、制造方面的观点考虑,优选戊腈、辛腈、癸腈、十二碳腈及巴豆腈,更优选戊腈、癸腈、十二碳腈及巴豆腈,进一步优选戊腈、癸腈及巴豆腈。
式(4-1)所示的化合物可以单独使用1种,也可以以任意组合及比率组合使用2种以上。在非水电解液100质量%中,式(4-1)所示的化合物的量(2种以上的情况下为其总量)可以为0.001质量%以上、优选为0.01质量%以上、更优选为0.1质量%以上,另外,可以为10质量%以下、优选为5质量%以下、更优选为3质量%以下、进一步优选为2质量%以下、特别优选为1质量%以下、最优选为0.5质量%以下。在上述范围时,容易控制输出特性、负载特性、低温特性、循环特性、高温保存特性等。
1-2-4-2.式(4-2)所示的化合物
NC-A2-CN(4-2)
(式中,
A2是由选自氢原子、碳原子、氮原子、氧原子、硫原子、磷原子及卤原子中的1种以上原子构成的碳原子数1以上且10以下的有机基团。)
所述由选自氢原子、碳原子、氮原子、氧原子、硫原子、磷原子及卤原子中的1种以上原子构成的碳原子数1以上且10以下的有机基团,除了由碳原子及氢原子构成的有机基团以外,还包括任选包含氮原子、氧原子、硫原子、磷原子、或卤原子的有机基团。任选包含氮原子、氧原子、硫原子、磷原子或卤原子的有机基团包括:由碳原子及氢原子构成的基团的骨架碳原子的一部分被这些原子取代而成的有机基团、或具有由这些原子构成的取代基的有机基团。
式(4-2)所示的化合物的分子量没有特殊限制。其分子量优选为65以上、更优选为80以上、进一步优选为90以上,另外,优选为270以下、更优选为160以下、进一步优选为135以下。如果在该范围,则容易确保式(4-2)所示的化合物在非水电解液中的溶解性,容易表现出本发明的效果。式(4-2)所示的化合物的制造方法没有特别限制,可以任意地选择公知的方法来制造。
作为式(4-2)所示的化合物中的A2,可列举:亚烷基或其衍生物、亚烯基或其衍生物、亚环烷基或其衍生物、亚炔基或其衍生物、亚环烯基或其衍生物、亚芳基或其衍生物、羰基或其衍生物、磺酰基或其衍生物、亚磺酰基或其衍生物、膦酰基或其衍生物、氧膦基或其衍生物、酰胺基或其衍生物、酰亚胺基或其衍生物、醚基或其衍生物、硫醚基或其衍生物、二取代硼酸基或其衍生物、硼烷基或其衍生物等。
其中,从提高电池特性的观点考虑,优选亚烷基或其衍生物、亚烯基或其衍生物、亚环烷基或其衍生物、亚炔基或其衍生物、亚芳基或其衍生物。另外,A2更优选为任选具有取代基的碳原子数2以上且5以下的亚烷基。
作为式(4-2)所示的化合物,可列举:丙二腈、丁二腈、戊二腈、己二腈、庚二腈、辛二腈、壬二腈、癸二腈、十一烷二腈、十二烷二腈、甲基丙二腈、乙基丙二腈、异丙基丙二腈、叔丁基丙二腈、甲基丁二腈、2,2-二甲基丁二腈、2,3-二甲基丁二腈、2,3,3-三甲基丁二腈、2,2,3,3-四甲基丁二腈、2,3-二乙基-2,3-二甲基丁二腈、2,2-二乙基-3,3-二甲基丁二腈、联环己烷-1,1-二甲腈、联环己烷-2,2-二甲腈、联环己烷-3,3-二甲腈、2,5-二甲基-2,5-己烷二甲腈、2,3-二异丁基-2,3-二甲基丁二腈、2,2-二异丁基-3,3-二甲基丁二腈、2-甲基戊二腈、2,3-二甲基戊二腈、2,4-二甲基戊二腈、2,2,3,3-四甲基戊二腈、2,2,4,4-四甲基戊二腈、2,2,3,4-四甲基戊二腈、2,3,3,4-四甲基戊二腈、顺丁烯二腈、反丁烯二腈、1,4-二氰基戊烷、2,6-二氰基庚烷、2,7-二氰基辛烷、2,8-二氰基壬烷、1,6-二氰基癸烷、1,2-二氰基苯、1,3-二氰基苯、1,4-二氰基苯、3,3’-(亚乙基二氧)二丙腈、3,3’-(亚乙基二硫)二丙腈及3,9-双(2-氰基乙基)-2,4,8,10-四氧杂螺[5,5]十一碳烷等。
这些当中,从提高保存特性的观点考虑,优选丙二腈、丁二腈、戊二腈、己二腈、庚二腈、辛二腈、壬二腈、癸二腈、十一烷二腈、十二烷二腈及3,9-双(2-氰基乙基)-2,4,8,10-四氧杂螺[5,5]十一碳烷、反丁烯二腈。进一步,由于丁二腈、戊二腈、己二腈、庚二腈、辛二腈、戊二腈及3,9-双(2-氰基乙基)-2,4,8,10-四氧杂螺[5,5]十一碳烷的保存特性提高效果特别优异、并且由电极的副反应引起的劣化少,因此更为优选。通常,对于二腈化合物而言,分子量越小则每一分子中氰基的量比例越大、分子的粘度越高,另一方面,分子量越大,则化合物的沸点越高。因此,从作业效率的提高方面考虑,进一步优选丁二腈、戊二腈、己二腈及庚二腈。
式(4-2)所示的化合物可以单独使用1种,也可以以任意组合及比率组合使用2种以上。对于式(4-2)所示的化合物的量(2种以上的情况下为其总量)而言,在电解液100质量%中,其含有浓度可以为0.001质量%以上、优选为0.01质量%以上、更优选为0.1质量%以上、特别优选为0.3质量%以上,另外,可以为10质量%以下、优选为5质量%以下、更优选为3质量%以下。满足上述范围的情况下,输出特性、负载特性、低温特性、循环特性、高温保存特性等效果进一步提高。
1-2-4-3.式(4-3)所示的化合物
[化学式16]
(式中,
A3为由选自氢原子、碳原子、氮原子、氧原子、硫原子、磷原子及卤原子中的1种以上原子构成的碳原子数1以上且12以下的有机基团,n43为0以上且5以下的整数。)
所述由选自氢原子、碳原子、氮原子、氧原子、硫原子、磷原子、及卤原子中的1种以上原子构成的碳原子数1以上且12以下的有机基团,除了由碳原子及氢原子构成的有机基团以外,还包括任选包含氮原子、氧原子、硫原子、磷原子或卤原子的有机基团。任选包含氮原子、氧原子、硫原子、磷原子或卤原子的有机基团包括:由碳原子及氢原子构成的基团的骨架碳原子的一部分被这些原子取代而成的有机基团、或具有由这些原子构成的取代基的有机基团。
上述n43为0以上且5以下、优选0以上且3以下、更优选0以上且1以下的整数,特别优选为0。
另外,上述A3优选为由选自氢原子、碳原子、氮原子、氧原子及硫原子中的1种以上原子构成的碳原子数1以上且12以下的有机基团,更优选为由选自氢原子、碳原子及氧原子中的1种以上原子构成的碳原子数1以上且12以下的有机基团,进一步优选为任选具有取代基的碳原子数1以上且12以下的脂肪族烃基。
这里所说的取代基,表示由选自碳原子、氢原子、氮原子、氧原子、硫原子、磷原子及卤原子中的1种以上原子构成的基团。
作为取代基,可列举:卤原子;未取代或卤素取代的烷基、烯基、炔基、芳基、烷氧基;异氰酸酯基;烷氧基羰氧基;酰基;羧基;烷氧羰基;酰氧基;烷基磺酰基;烷氧基磺酰基;二烷氧基膦三基;二烷氧基磷酰基及二烷氧基磷酰氧基等,优选为卤原子;烷氧基或未取代或卤素取代的烷基,更优选为卤原子或未取代或卤素取代的烷基,进一步优选为未取代的烷基。
上述脂肪族烃基没有特殊限制,其碳原子数可以为1以上、优选为2以上、更优选为3以上,另外,可以为12以下、优选为8以下、更优选为6以下。
作为脂肪族烃基,根据n43不同,可列举:烷烃三基、烷烃四基、烷烃五基、烷烃四基、烯烃三基、烯烃四基、烯烃五基、烯烃四基、炔烃三基、炔烃四基、炔烃五基及炔烃四基等。
这些当中,更优选烷烃三基、烷烃四基、烷烃五基及烷烃四基等饱和烃基,进一步优选烷烃三基。
进一步,上述式(4-3)所示的化合物更优选为式(4-3’)所示的化合物。
[化学式17]
(式中,A4及A5与上述A3同义。)
另外,上述A4及A5更优选为任选具有取代基的碳原子数1以上且5以下的烃基。
作为烃基,可列举:亚甲基、亚乙基、三亚甲基、四亚乙基、五亚甲基、亚乙烯基、1-亚丙烯基、2-亚丙烯基、1-亚丁烯基、2-亚丁烯基、1-亚戊烯基、2-亚戊烯基、亚乙炔基、亚丙炔基、1-亚丁炔基、2-亚丁炔基、1-亚戊炔基及2-亚戊炔基等。
这些当中,优选亚甲基、亚乙基、三亚甲基、四亚乙基、五亚甲基,更优选亚甲基、亚乙基、三亚甲基。
优选上述A4及A5互不相同,为不同的基团。
式(4-3)所示的化合物的分子量没有特殊限制。其分子量优选为90以上、更优选为120以上、进一步优选为150以上,另外,优选为450以下、更优选为300以下、进一步优选为250以下。如果在该范围,则容易确保式(4-3)所示的化合物在非水电解液中的溶解性,容易表现出本发明的效果。式(4-3)所示的化合物的制造方法没有特别限制,可以任意地选择公知的方法来制造。
作为式(4-3)所示的化合物,可列举以下的化合物。
[化学式18]
这些当中,从提高保存特性的方面考虑,优选:
[化学式19]
具有氰基的有机化合物可以单独使用1种,也可以以任意组合及比率组合使用2种以上。
对于式(4-3)所示的化合物的量(2种以上的情况下为其总量)而言,在电解液100质量%中,其含有浓度可以为0.001质量%以上、优选为0.01质量%以上、更优选为0.1质量%以上、特别优选为0.3质量%以上,另外,可以为10质量%以下、优选为5质量%以下、更优选为3质量%以下、特别优选为2质量%以下。在该范围时,容易控制输出特性、负载特性、低温特性、循环特性、高温保存特性等。
对于式(I)所示的芳香族化合物和具有氰基的有机化合物的质量比而言,具有氰基的有机化合物:式(I)所示的芳香族化合物可以为50:50以上、优选为40:60以上、进一步优选为35:65以上,另外,可以为1:99以下、优选为10:90以下、更优选为20:80以下。如果在该范围,则能够使电池特性、尤其是保存特性显著提高。关于其原理尚不确定,但可以认为是由于通过以该比例进行混合,可以将在电极上的添加剂的副反应抑制在最低限度。
1-2-5.具有异氰酸酯基的有机化合物
本发明的电解液中可以包含具有异氰酸酯基的有机化合物。具有异氰酸酯基的有机化合物只要是分子内具有至少1个异氰酸酯基的有机化合物则没有特殊限制。对于异氰酸酯基的数量而言,在一分子中优选为1以上且4以下、更优选为2以上且3以下、进一步优选为2。
通过在本发明的电解液中组合使用式(I)所示的芳香族化合物和具有异氰酸酯基的化合物,在使用了该电解液的电池中,可以在保持负载特性的同时抑制高温保存时的气体产生,另一方面,可以在过充电时使气体产生从而确保安全性。具有异氰酸酯基的有机化合物优选为在具有下述结构的化合物上键合有异氰酸酯基的化合物,所述结构为直链状或分支状的亚烷基、亚环烷基、亚环烷基与亚烷基连结而成的结构、芳香族烃基、芳香族烃基与亚烷基连结而成的结构、醚结构(-O-)、醚结构(-O-)与亚烷基连结而成的结构、羰基(-C(=O)-)、羰基与亚烷基连结而成的结构、磺酰基(-S(=O)-)、磺酰基与亚烷基连结而成的结构、或它们经过卤代而成的结构等;更优选为在下述结构上键合有异氰酸酯基的化合物,所述结构为直链状或分支状的亚烷基、亚环烷基、亚环烷基与亚烷基连结而成的结构、芳香族烃基或芳香族烃基与亚烷基连结而成的结构;进一步优选为在亚环烷基与亚烷基连结而成的结构上键合有异氰酸酯基的化合物。具有异氰酸酯基的有机化合物的分子量没有特殊限制。其分子量优选为80以上、更优选为115以上、进一步优选为170以上,另外,为300以下、更优选为230以下。如果在该范围,则容易确保具有异氰酸酯基的有机化合物在非水电解液中的溶解性,容易表现出本发明的效果。具有异氰酸酯基的有机化合物的制造方法没有特别限制,可以任意地选择公知的方法来制造。另外,也可以使用市售品。
作为具有异氰酸酯基的有机化合物,可列举:甲基异氰酸酯、乙基异氰酸酯、丙基异氰酸酯、异丙基异氰酸酯、丁基异氰酸酯、叔丁基异氰酸酯、戊基异氰酸酯、己基异氰酸酯、环己基异氰酸酯、乙烯基异氰酸酯、烯丙基异氰酸酯、乙炔基异氰酸酯、丙炔基异氰酸酯、苯基异氰酸酯、氟苯基异氰酸酯等具有1个异氰酸酯基的有机化合物;
单亚甲基二异氰酸酯、二亚甲基二异氰酸酯、三亚甲基二异氰酸酯、四亚甲基二异氰酸酯、五亚甲基二异氰酸酯、六亚甲基二异氰酸酯、七亚甲基二异氰酸酯、八亚甲基二异氰酸酯、九亚甲基二异氰酸酯、十亚甲基二异氰酸酯、十二亚甲基二异氰酸酯、1,3-亚丙基二异氰酸酯、1,4-二异氰酸酯-2-丁烯、1,4-二异氰酸酯基-2-氟丁烷、1,4-二异氰酸酯基-2,3-二氟丁烷、1,5-二异氰酸酯基-2-戊烯、1,5-二异氰酸酯基-2-甲基戊烷、1,6-二异氰酸酯基-2-己烯、1,6-二异氰酸酯基-3-己烯、1,6-二异氰酸酯基-3-氟己烷、1,6-二异氰酸酯基-3,4-二氟己烷、甲苯二异氰酸酯、二甲苯二异氰酸酯、亚苄基二异氰酸酯、1,2-双(异氰酸酯基甲基)环己烷、1,3-双(异氰酸酯基甲基)环己烷、1,4-双(异氰酸酯基甲基)环己烷、1,2-二异氰酸酯基环己烷、1,3-二异氰酸酯基环己烷、1,4-二异氰酸酯基环己烷、二环己基甲烷-1,1’-二异氰酸酯、二环己基甲烷-2,2’-二异氰酸酯、二环己基甲烷-3,3’-二异氰酸酯、二环己基甲烷-4,4’-二异氰酸酯、双环[2.2.1]庚烷-2,5-二基双(甲基异氰酸酯)、双环[2.2.1]庚烷-2,6-二基双(甲基异氰酸酯)、异佛尔酮二异氰酸酯、碳酰二异氰酸酯、1,4-亚丁基二异氰酸酯-1,4-二酮、1,5-亚戊基二异氰酸酯-1,5-二酮、2,2,4-三甲基六亚甲基二异氰酸酯、2,4,4-三甲基六亚甲基二异氰酸酯等具有2个异氰酸酯基的有机化合物;等等。
这些当中,从提高保存特性方面考虑,优选单亚甲基二异氰酸酯、二亚甲基二异氰酸酯、三亚甲基二异氰酸酯、四亚甲基二异氰酸酯、五亚甲基二异氰酸酯、六亚甲基二异氰酸酯、七亚甲基二异氰酸酯、八亚甲基二异氰酸酯、九亚甲基二异氰酸酯、十亚甲基二异氰酸酯、十二亚甲基二异氰酸酯、1,3-双(异氰酸酯基甲基)环己烷、二环己基甲烷-4,4’-二异氰酸酯、双环[2.2.1]庚烷-2,5-二基双(甲基异氰酸酯)、双环[2.2.1]庚烷-2,6-二基双(甲基异氰酸酯)、异佛尔酮二异氰酸酯、2,2,4-三甲基六亚甲基二异氰酸酯、2,4,4-三甲基六亚甲基二异氰酸酯等具有2个异氰酸酯基的有机化合物,更优选六亚甲基二异氰酸酯、1,3-双(异氰酸酯基甲基)环己烷、二环己基甲烷-4,4’-二异氰酸酯、双环[2.2.1]庚烷-2,5-二基双(甲基异氰酸酯)、双环[2.2.1]庚烷-2,6-二基双(甲基异氰酸酯)、异佛尔酮二异氰酸酯、2,2,4-三甲基六亚甲基二异氰酸酯、2,4,4-三甲基六亚甲基二异氰酸酯,进一步优选1,3-双(异氰酸酯基甲基)环己烷、二环己基甲烷-4,4’-二异氰酸酯、双环[2.2.1]庚烷-2,5-二基双(甲基异氰酸酯)、双环[2.2.1]庚烷-2,6-二基双(甲基异氰酸酯)。
具有异氰酸酯基的有机化合物可以是由分子内具有至少2个异氰酸酯基的化合物衍生而来的三聚体化合物、或在该化合物上加成多元醇而成的脂肪族多异氰酸酯。例如,可列举下述式(5-1)~(5-4)的基本结构所示的双缩脲、三聚异氰酸酯、加合物及二官能型的改性多异氰酸酯等。
[化学式20]
(式中,R51~R54及R54’独立地为2价的烃基(例如,四亚甲基、六亚甲基),R53’独立地为3价的烃基。)
分子内至少具有2个异氰酸酯基的有机化合物也包括用封端剂封端而提高了保存稳定性的所谓封端异氰酸酯。封端剂可列举:醇类、酚类、有机胺类、肟类、内酰胺类,具体可列举:正丁醇、苯酚、三丁基胺、二乙基乙醇胺、甲基乙基酮肟、ε-己内酰胺等。
为了促进基于具有异氰酸酯基的有机化合物的反应、获得更高的效果,还优选组合使用诸如二月桂酸二丁基锡等这样的金属催化剂、诸如1,8-二氮杂双环[5.4.0]十一碳烯-7这样的胺类催化剂等。
具有异氰酸酯基的有机化合物可以单独使用1种,也可以以任意组合及比率组合使用2种以上。
在电解液100质量%中,具有异氰酸酯基的有机化合物的量(2种以上的情况下为其总量)可以为0.001质量%以上、优选为0.1质量%以上、更优选为0.3质量%以上,另外,可以为10质量%以下、优选为5质量%以下、更优选为3质量%以下。如果在该范围,则容易控制输出特性、负载特性、低温特性、循环特性、高温保存特性等。
对于上述式(I)所示的芳香族化合物和具有异氰酸酯基的有机化合物的质量比而言,具有异氰酸酯基的有机化合物:式(I)所示的芳香族化合物可以为50:50以上、优选为40:60以上、进一步优选为25:75以上,另外,可以为1:99以下、优选为5:95以下、更优选为10:90以下。如果在该范围,则能够使电池特性、尤其是保存特性显著提高。关于其原理,虽尚未确定,但可以认为是由于通过以该比例进行混合,可以将在电极上的添加剂的副反应抑制在最低限度。
1-2-6.含硅化合物
本发明的电解液中可以包含含硅化合物。含硅化合物只要是分子内具有至少1个硅原子的化合物则没有特殊限制。在本发明的电解液中,通过将式(I)所示的芳香族化合物与含硅化合物组合使用,可以进一步减小初期体积变化率,使高温保存后的倍率容量率及过充电时安全性提高。
作为含硅化合物,优选下述式(6)所示的化合物。
[化学式21]
(式中,
R61、R62及R63独立地为氢原子、卤原子或碳原子数10以下的烃基,
X61为包含选自氧原子、氮原子及硅原子中的至少1个原子的有机基团。)
关于烃基,可适用式(I)中的烃基的例示及优选例。R61、R62及R63优选为氢原子、氟原子、甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、仲丁基、异丁基、叔丁基、苯基,更优选为甲基。
X61为包含选自氧原子、氮原子及硅原子中的至少1个原子的有机基团,优选为至少包含氧原子或硅原子的有机基团。这里,所述有机基团表示的是由选自碳原子、氢原子、氮原子、氧原子、硅原子、硫原子、磷原子及卤原子中的1个以上原子构成的基团。作为有机基团,可列举:烷基、烯基、炔基、芳基、烷氧基、CN基、异氰酸酯基、氟基、烷基磺酸基及三烷基甲硅烷基等。需要说明的是,1价的有机基团的一部分也可以被卤原子取代。另外,有机基团的碳原子数可以为1以上、优选为3以上、更优选为5以上,另外,可以为15以下、优选为12以下、更优选为8以下。
这些当中,优选烷基磺酸基、三烷基甲硅烷基、硼酸基、磷酸基及亚磷酸基。
作为含硅化合物,可列举以下的化合物。
硼酸三(三甲基甲硅烷基)酯、硼酸三(三甲氧基甲硅烷基)酯、硼酸三(三乙基甲硅烷基)酯、硼酸三(三乙氧基甲硅烷基)酯、硼酸三(二甲基乙烯基甲硅烷基)及硼酸三(二乙基乙烯基甲硅烷基)酯等硼酸化合物;磷酸三(三甲基甲硅烷基)酯、磷酸三(三乙基甲硅烷基)酯、磷酸三(三丙基甲硅烷基)酯、磷酸三(三苯基甲硅烷基)酯、磷酸三(三甲氧基甲硅烷基)酯、磷酸三(三乙氧基甲硅烷基)酯、磷酸三(三苯氧基甲硅烷基)酯、磷酸三(二甲基乙烯基甲硅烷基)酯及磷酸三(二乙基乙烯基甲硅烷基)酯等磷酸化合物;
亚磷酸三(三甲基甲硅烷基)酯、亚磷酸三(三乙基甲硅烷基)酯、亚磷酸三(三丙基甲硅烷基)酯、亚磷酸三(三苯基甲硅烷基)酯、亚磷酸三(三甲氧基甲硅烷基)酯、亚磷酸三(三乙氧基甲硅烷基)酯、亚磷酸三(三苯氧基甲硅烷基)酯、亚磷酸三(二甲基乙烯基甲硅烷基)酯及亚磷酸三(二乙基乙烯基甲硅烷基)酯等亚磷酸化合物;
甲磺酸三甲基甲硅烷基酯、四氟甲磺酸三甲基甲硅烷基酯等磺酸化合物;
六甲基二硅烷、六乙基二硅烷、1,1,2,2-四甲基二硅烷、1,1,2,2-四乙基二硅烷、1,2-二苯基四甲基二硅烷及1,1,2,2-四苯基二硅烷等二硅烷化合物;等等。
这些当中,优选硼酸三(三甲基甲硅烷基)酯、磷酸三(三甲基甲硅烷基)酯、亚磷酸三(三甲基甲硅烷基)酯、甲磺酸三甲基甲硅烷基酯、四氟甲磺酸三甲基甲硅烷基酯、六甲基二硅烷、六乙基二硅烷、1,2-二苯基四甲基二硅烷及1,1,2,2-四苯基二硅烷,更优选硼酸三(三甲基甲硅烷基)酯、磷酸三(三甲基甲硅烷基)酯、亚磷酸三(三甲基甲硅烷基)酯及六甲基二硅烷。
需要说明的是,这些含硅化合物可以单独使用一种,也可以以任意组合及比率将两种以上组合使用。
在电解液100质量%中,含硅化合物(2种以上的情况下为其总量)可以为0.001质量%以上、优选为0.1质量%以上、更优选为0.3质量%以上,另外,可以为10质量%以下、优选为5质量%以下、更优选为3质量%以下。如果在该范围,则容易控制输出特性、负载特性、低温特性、循环特性、高温保存特性等。
上述式(I)所示的芳香族化合物与含硅化合物(2种以上的情况下为其总量)的质量比优选为99:1~1:99、更优选为10:90~90:10、特别优选为20:80~80:20。在该范围时,容易保持输出特性、高温耐久性等的平衡。
1-2-7.式(I)以外的芳香族化合物
本发明的电解液可以包含式(I)以外的芳香族化合物。
作为式(I)以外的芳香族化合物,只要是分子内具有芳环的式(I)以外的有机化合物,则对其种类没有特殊限定,但优选为下述式(7)所示的具有至少1个取代基的芳香族化合物。通过使本发明的电解液中包含式(I)以外的芳香族化合物,可以使使用电解液的电池的过充电时安全性进一步提高,从而赋予良好的高温保存特性。
[化学式22]
(式中,
取代基X71表示卤原子、任选具有卤原子或杂原子的有机基团。所述任选具有杂原子的有机基团表示的是碳原子数1以上且12以下的直链或支链或环状的饱和烃基、具有羧酸酯结构的基团、具有碳酸酯结构的基团、具有磷原子的基团、具有硫原子的基团、具有硅原子的基团。另外,各个取代基也可以进一步被卤原子、烃基、芳基、含卤素烃基、含卤素芳基等取代。另外,取代基X71的数量n71为1以上且6以下,在具有多个取代基的情况下,各个取代基可以相同也可以不同,另外还可以形成环。)
其中,从电池特性的观点考虑,优选碳原子数1以上且12以下的直链或支链或环状的饱和烃基、具有羧酸酯结构的基团、具有碳酸酯结构的基团。更优选为碳原子数3以上且12以下的直链或支链或环状的饱和烃基、具有羧酸酯结构的基团。
取代基X71的数量n71优选为1以上且5以下、更优选为1以上且3以下、进一步优选为1以上且2以下、特别优选为1。
X71表示卤原子、任选具有卤原子或杂原子的有机基团。
作为卤原子,可列举氯、氟等,优选为氟。
作为不具有杂原子的有机基团,可列举碳原子数3以上且12以下的直链状、分支状、环状的饱和烃基,直链状、分支状的饱和烃基也包括具有环结构的饱和烃基。作为碳原子数1以上且12以下的直链状、分支状、环状的饱和烃基,具体可列举:甲基、乙基、丙基、异丙基、丁基、异丁基、叔丁基、戊基、叔戊基、环戊基、环己基、丁基环己基等。碳原子数优选为3以上且12以下、更优选为3以上且10以下、进一步优选为3以上且8以下、更进一步优选为3以上且6以下、最优选为3以上且5以下。
作为构成具有杂原子的有机基团的杂原子,可列举氧原子、硫原子、磷原子、硅原子等。作为具有氧原子的有机基团,可列举:具有羧酸酯结构的基团、具有碳酸酯结构的基团等。作为具有硫原子的有机基团,可列举具有磺酸酯结构的基团等。作为具有磷原子的有机基团,可列举具有磷酸酯结构的基团、具有膦酸酯结构的基团等。作为具有硅原子的有机基团,可列举具有硅-碳结构的基团等。
作为式(7)所示的芳香族化合物,可列举例如以下的具体例。
作为X71为卤原子或任选具有卤原子的有机基团的式(7)所示的芳香族化合物,可列举:一氯苯、一氟苯、二氟苯、三氟苯、四氟苯、五氟苯、六氟苯、三氟甲苯等,优选为一氟苯、六氟苯。更优选为一氟苯。
作为X71为碳原子数1~12的烃基的式(7)所示的芳香族化合物,可列举:2,2-二苯基丙烷、1,4-二苯基环己烷、环戊基苯、环己基苯、顺-1-丙基-4-苯基环己烷、反-1-丙基-4-苯基环己烷、顺-1-丁基-4-苯基环己烷、反-1-丁基-4-苯基环己烷、丙基苯、丁基苯、叔丁基苯、叔戊基苯等,优选为2,2-二苯基丙烷、1,4-二苯基环己烷、环戊基苯、环己基苯、顺-1-丙基-4-苯基环己烷、反-1-丙基-4-苯基环己烷、顺-1-丁基-4-苯基环己烷、反-1-丁基-4-苯基环己烷、甲苯、乙基苯、丙基苯、丁基苯、叔丁基苯、叔戊基苯,更优选为2,2-二苯基丙烷、环戊基苯、环己基苯、1,1-二苯基环己烷、叔丁基苯、叔戊基苯,进一步优选为环己基苯、叔丁基苯、叔戊基苯。
作为X71为具有羧酸酯结构的基团的式(7)所示的芳香族化合物,可列举:乙酸苯酯、乙酸苄酯、乙酸2-苯基乙酯、乙酸3-苯基丙酯、乙酸4-苯基丁酯、丙酸苯酯、丙酸苄酯、丙酸2-苯基乙酯、丙酸3-苯基丙酯、丙酸4-苯基丁酯、丁酸苯酯、丁酸苄酯、丁酸2-苯基乙酯、丁酸3-苯基丙酯、丁酸4-苯基丁酯、2,2-双(4-乙酰氧基苯基)丙烷等,优选为乙酸2-苯基乙酯、乙酸3-苯基丙酯、丙酸2-苯基乙酯、丙酸3-苯基丙酯、2,2-双(4-乙酰氧基苯基)丙烷,更优选为乙酸2-苯基乙酯、乙酸3-苯基丙酯。
作为X71为具有碳酸酯结构的基团的式(7)所示的芳香族化合物,可列举:2,2-双(4-甲氧基羰氧基苯基)丙烷、1,1-双(4-甲氧基羰氧基苯基)环己烷、碳酸二苯酯、碳酸甲基苯基酯、碳酸乙基苯基酯、碳酸2-叔丁基苯基甲基酯、碳酸2-叔丁基苯基乙基酯、碳酸双(2-叔丁基苯基)酯、碳酸4-叔丁基苯基甲基酯、碳酸4-叔丁基苯基乙基酯、碳酸双(4-叔丁基苯基)酯、碳酸苄基甲基酯、碳酸苄基乙基酯、碳酸二苄酯等,优选为2,2-双(4-甲氧基羰氧基苯基)丙烷、1,1-双(4-甲氧基羰氧基苯基)环己烷、碳酸二苯酯、碳酸甲基苯基酯,更优选为碳酸二苯酯、碳酸甲基苯基酯,进一步优选为碳酸甲基苯基酯。
作为X71为具有磺酸酯结构的基团的式(7)所示的芳香族化合物,可列举:磺酸甲基苯基酯、磺酸乙基苯基酯、磺酸二苯酯、磺酸苯基甲基酯、磺酸2-叔丁基苯基甲基酯、磺酸4-叔丁基苯基甲基酯、磺酸环己基苯基甲基酯等,优选为磺酸甲基苯基酯、磺酸二苯酯、磺酸2-叔丁基苯基甲基酯、磺酸4-叔丁基苯基甲基酯、磺酸环己基苯基甲基酯,更优选为磺酸甲基苯基酯、磺酸2-叔丁基苯基甲基酯、磺酸4-叔丁基苯基甲基酯、磺酸环己基苯基甲基酯。
作为X71为具有硅-碳结构的基团的式(7)所示的芳香族化合物,可列举:三甲基苯基硅烷、二苯基硅烷、二苯基四甲基二硅烷等,优选为三甲基苯基硅烷。
作为X71为具有磷酸酯结构的基团的式(7)所示的芳香族化合物,可列举:磷酸三苯酯、磷酸三(2-叔丁基苯基)酯、磷酸三(3-叔丁基苯基)酯、磷酸三(4-叔丁基苯基)酯、磷酸三(2-叔戊基苯基)酯、磷酸三(3-叔戊基苯基)酯、磷酸三(4-叔戊基苯基)酯、磷酸三(2-环己基苯基)酯、磷酸三(3-环己基苯基)酯、磷酸三(4-环己基苯基)酯、磷酸二乙基(4-甲基苄基)酯等,优选为磷酸三苯酯、磷酸三(2-叔丁基苯基)酯、磷酸三(3-叔丁基苯基)酯、磷酸三(4-叔丁基苯基)酯、磷酸三(2-叔戊基苯基)酯、磷酸三(3-叔戊基苯基)酯、磷酸三(4-叔戊基苯基)酯、磷酸三(2-环己基苯基)酯、磷酸三(3-环己基苯基)酯、磷酸三(4-环己基苯基)酯,更优选为磷酸三(2-叔丁基苯基)酯、磷酸三(4-叔丁基苯基)酯、磷酸三(2-环己基苯基)酯、磷酸三(4-环己基苯基)酯。
作为X71为具有膦酸酯结构的基团的式(7)所示的芳香族化合物,可列举:膦酸二甲基苯基酯、膦酸二乙基苯基酯、膦酸甲基苯基苯基酯、膦酸乙基苯基苯基酯、膦酸二苯基苯基酯、膦酸二甲基(4-氟苯基)酯、膦酸二甲基苄基酯、膦酸二乙基苄基酯、膦酸甲基苯基苄基酯、膦酸乙基苯基苄基酯、膦酸二苯基苄基酯、膦酸二甲基(4-氟苄基)酯、膦酸二乙基(4-氟苄基)酯等,优选为膦酸二甲基苯基酯、膦酸二乙基苯基酯、膦酸二甲基(4-氟苯基)酯、膦酸二甲基苄基酯、膦酸二乙基苄基酯、膦酸二甲基(4-氟苄基)酯、膦酸二乙基(4-氟苄基)酯,更优选为膦酸二甲基苯基酯、膦酸二乙基苯基酯、膦酸二甲基苄基酯、膦酸二乙基苄基酯、膦酸二甲基(4-氟苄基)酯、膦酸二乙基-(4-氟苄基)酯。
另外,作为式(I)以外的芳香族化合物,也包括上述芳香族化合物的氟化物。具体可列举:三氟甲基苯、2-氟甲苯、3-氟甲苯、4-氟甲苯、三氟甲基苯、邻环己基氟苯、对环己基氟苯等具有烃基的芳香族化合物的部分氟化物;乙酸2-氟苯酯、乙酸4-氟苯酯等具有羧酸酯结构的芳香族化合物的部分氟化物;三氟甲氧基苯、2-氟苯甲醚、3-氟苯甲醚、4-氟苯甲醚、2,4-二氟苯甲醚、2,5-二氟苯甲醚、2,6-二氟苯甲醚、3,5-二氟苯甲醚、4-三氟甲氧基苯甲醚等具有醚结构的芳香族化合物的部分氟化物等,优选为三氟甲基苯、2-氟甲苯、3-氟甲苯、4-氟甲苯、邻环己基氟苯、对环己基氟苯等具有烃基的芳香族化合物的部分氟化物;2-氟苯基乙酸酯、4-氟苯基乙酸酯等具有羧酸酯结构的的芳香族化合物的部分氟化物;三氟甲氧基苯2-氟苯甲醚、4-氟苯甲醚、2,4-二氟苯甲醚、4-三氟甲氧基苯甲醚等具有醚结构的芳香族化合物的部分氟化物等,更优选为2-氟甲苯、3-氟甲苯、4-氟甲苯等具有烃基的芳香族化合物的部分氟化物;2-氟苯基乙酸酯、4-氟苯基乙酸酯等具有羧酸酯结构的芳香族化合物的部分氟化物;三氟甲氧基苯、2-氟苯甲醚、4-氟苯甲醚、2,4-二氟苯甲醚、4-三氟甲氧基苯甲醚等具有醚结构的芳香族化合物的部分氟化物等。
式(I)以外的芳香族化合物可以单独使用1种,也可以以任意组合及比率组合使用2种以上。在电解液100质量%中,式(I)以外的芳香族化合物的量(2种以上的情况下为其总量)可以为0.001质量%以上、优选为0.01质量%以上、更优选为0.1质量%以上、进一步优选为0.5质量%以上、更进一步优选为1质量%以上、特别优选为2质量%以上、特别更优选为3质量%以上,另外,可以为10质量%以下、优选为8质量%以下、更优选为5质量%以下、进一步优选为4质量%以下。通过在上述范围内,容易表现出本发明的效果,另外,容易防止电池的电阻增大。
上述式(I)所示的芳香族化合物与式(I)以外的芳香族化合物(2种以上的情况下为其总量)的质量比优选为1:99~99:1、更优选为10:90~90:10、特别优选为20:80~80:20。在该范围时,可以在不降低电池特性的情况下提高过充电特性。
1-2-8.具有碳-碳不饱和键的环状碳酸酯
作为具有碳-碳不饱和键的环状碳酸酯(以下也称为“不饱和环状碳酸酯”),只要是具有碳-碳双键或碳-碳三键的环状碳酸酯则没有特殊限制。具有芳环的环状碳酸酯也包括在不饱和环状碳酸酯中。使用了含有不饱和环状碳酸酯的本发明的电解液的电池,初期不可逆容量及放电保存后OCV优异。经过了氟代的具有碳-碳不饱和键的环状碳酸酯也包括在含氟环状碳酸酯中。
作为不饱和环状碳酸酯,可列举具有碳-碳不饱和键且具有五元环结构的环状碳酸酯、具有碳-碳不饱和键且具有六元环结构的环状碳酸酯,优选为具有碳-碳不饱和键且具有五元环结构的环状碳酸酯。
作为具有碳-碳不饱和键且具有五元环结构的环状碳酸酯,可列举:碳酸亚乙烯酯类、被具有芳环或碳-碳双键或碳-碳三键的取代基取代了的碳酸亚乙酯类、邻苯二酚碳酸酯类,作为具有碳-碳不饱和键且具有六元环结构的环状碳酸酯,可列举4H-1,3-二氧杂环己烯-2-酮类等。
作为碳酸亚乙烯酯类,可列举:碳酸亚乙烯酯、甲基碳酸亚乙烯酯、4,5-二甲基碳酸亚乙烯酯、苯基碳酸亚乙烯酯、4,5-二苯基碳酸亚乙烯酯、乙烯基碳酸亚乙烯酯、4,5-二乙烯基碳酸亚乙烯酯、烯丙基碳酸亚乙烯酯、4,5-二烯丙基碳酸亚乙烯酯等。
作为被具有芳环或碳-碳双键或碳-碳三键的取代基取代了的碳酸亚乙酯类,可列举:乙烯基碳酸亚乙酯、4,5-二乙烯基碳酸亚乙酯、4-甲基-5-乙烯基碳酸亚乙酯、4-烯丙基-5-乙烯基碳酸亚乙酯、乙炔基碳酸亚乙酯、4,5-二乙炔基碳酸亚乙酯、4-甲基-5-乙炔基碳酸亚乙酯、4-乙烯基-5-乙炔基碳酸亚乙酯、4-烯丙基-5-乙炔基碳酸亚乙酯、苯基碳酸亚乙酯、4,5-二苯基碳酸亚乙酯、4-苯基-5-乙烯基碳酸亚乙酯、4-烯丙基-5-苯基碳酸亚乙酯、烯丙基碳酸亚乙酯、4,5-二烯丙基碳酸亚乙酯、4-甲基-5-烯丙基碳酸亚乙酯等。
作为4H-1,3-二氧杂环己烯-2-酮类的具体例,可列举:4H-1,3-二氧杂环己烯-2-酮、4-甲基-4H-1,3-二氧杂环己烯-2-酮、5-甲基-4H-1,3-二氧杂环己烯-2-酮、6-甲基-4H-1,3-二氧杂环己烯-2-酮、4,5-二甲基-4H-1,3-二氧杂环己烯-2-酮、4,6-二甲基-4H-1,3-二氧杂环己烯-2-酮、5,6-二甲基-4H-1,3-二氧杂环己烯-2-酮、4-苯基-4H-1,3-二氧杂环己烯-2-酮、5-苯基-4H-1,3-二氧杂环己烯-2-酮、6-苯基-4H-1,3-二氧杂环己烯-2-酮等。
作为被具有芳环或碳-碳双键或碳-碳三键的取代基取代了的三亚甲基碳酸酯类的具体例,可列举:4-乙烯基-1,3-二氧杂环己烷-2-酮、4,5-二乙烯基-1,3-二氧杂环己烷-2-酮、4-甲基-5-乙烯基-1,3-二氧杂环己烷-2-酮、4-烯丙基-5-乙烯基-1,3-二氧杂环己烷-2-酮、乙炔基-1,3-二氧杂环己烷-2-酮、4,5-二乙炔基-1,3-二氧杂环己烷-2-酮、4-甲基-5-乙炔基-1,3-二氧杂环己烷-2-酮、4-乙烯基-5-乙炔基-1,3-二氧杂环己烷-2-酮、4-烯丙基-5-乙炔基-1,3-二氧杂环己烷-2-酮、4-苯基-1,3-二氧杂环己烷-2-酮、4,5-二苯基-1,3-二氧杂环己烷-2-酮、4-苯基-5-乙烯基-1,3-二氧杂环己烷-2-酮、4-烯丙基-5-苯基-1,3-二氧杂环己烷-2-酮、4-烯丙基-1,3-二氧杂环己烷-2-酮、4,5-二烯丙基-1,3-二氧杂环己烷-2-酮、4-甲基-5-烯丙基-1,3-二氧杂环己烷-2-酮等。
其中,作为特别是优选与式(I)所示的芳香族化合物组合使用的不饱和环状碳酸酯,可列举:碳酸亚乙烯酯、甲基碳酸亚乙烯酯、4,5-二甲基碳酸亚乙烯酯、乙烯基碳酸亚乙烯酯、4,5-乙烯基碳酸亚乙烯酯、烯丙基碳酸亚乙烯酯、4,5-二烯丙基碳酸亚乙烯酯、乙烯基碳酸亚乙酯、4,5-二乙烯基碳酸亚乙酯、4-甲基-5-乙烯基碳酸亚乙酯、烯丙基碳酸亚乙酯、4,5-二烯丙基碳酸亚乙酯、4-甲基-5-烯丙基碳酸亚乙酯、4-烯丙基-5-乙烯基碳酸亚乙酯、乙炔基碳酸亚乙酯、4,5-二乙炔基碳酸亚乙酯、4-甲基-5-乙炔基碳酸亚乙酯、4-乙烯基-5-乙炔基碳酸亚乙酯。另外,碳酸亚乙烯酯、乙烯基碳酸亚乙酯、乙炔基碳酸亚乙酯由于可形成更为稳定的界面保护被膜,因此特别优选。
不饱和环状碳酸酯的分子量优选为86以上,另外,优选为250以下、更优选为150以下。如果在该范围,则容易确保不饱和环状碳酸酯在非水电解液中的溶解性,容易充分显示出本发明的效果。不饱和环状碳酸酯的制造方法没有特别限制,可以任意地选择公知的方法来制造。
不饱和环状碳酸酯可以单独使用1种,也可以以任意的组合及比率组合具有2种以上。
在电解液100质量%中,不饱和环状碳酸酯的量(2种以上的情况下为其总量)可以为0.001质量%以上、优选为0.01质量%以上、更优选为0.1质量%以上,另外,可优选为5质量%、优选为4质量%以下、更优选为3质量%以下。在该范围内时,非水电解质电池容易表现出充分的循环特性改善效果,另外,容易避免高温保存特性降低、气体产生量增多、放电容量保持率下降这样的情况。
上述式(I)所示的芳香族化合物与不饱和环状碳酸酯(2种以上的情况下为其总量)的质量比优选为1:99~99:1、更优选为10:90~90:10、特别优选为20:80~80:20。在该范围时,可以在不降低电池特性的情况下提高放电保存后OCV。
1-2-9.不含氟的羧酸酯
本发明的电解液中可以含有不含氟的羧酸酯。通过在本发明的电解液中组合使用式(I)所示的芳香族化合物和不含氟的羧酸酯,可以改善电池的高温保存特性。不含氟的羧酸酯只要是分子内不具有氟原子的羧酸酯则没有特殊限制,但优选为不含氟的链状羧酸酯。不含氟的链状羧酸酯的总碳原子数优选为3以上且7以下、更优选为4以上且6以下、进一步优选为5。
作为不含氟的链状羧酸酯,可列举如下。
乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸正丙酯、乙酸异丙酯、乙酸正丁酯、乙酸异丁酯、乙酸叔丁酯、丙酸甲酯、丙酸乙酯、丙酸正丙酯、丙酸异丙酯、丙酸正丁酯、丙酸异丁酯、丙酸叔丁酯、丁酸甲酯、丁酸乙酯、丁酸正丙酯、丁酸异丙酯、异丁酸甲酯、异丁酸乙酯、异丁酸正丙酯、异丁酸异丙酯。
这些当中,从通过降低粘度而改善离子电导率的观点考虑,优选乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸正丙酯、乙酸正丁酯、丙酸甲酯、丙酸乙酯、丙酸正丙酯、丙酸异丙酯、丁酸甲酯、丁酸乙酯、丁酸正丙酯、丁酸正丁酯等,更优选乙酸甲酯、乙酸乙酯、丙酸甲酯、丙酸乙酯、丙酸正丙酯、丙酸异丙酯,进一步优选丙酸甲酯、丙酸乙酯。
不含氟的羧酸酯可以单独使用一种,也可以以任意组合及比率将两种以上组合使用。
不含氟的羧酸酯的量(2种以上的情况下为其总量)可以为0.1质量%以上、优选为0.5质量%以上、更优选为1质量%以上,另外,可优选为10质量%以下、优选为5质量%以下、更优选为3质量%以下。在非水溶剂100体积%中,可以以1体积%以上含有不含氟的羧酸酯,优选为5体积%以上、更优选为10体积%以上、进一步优选为20体积%以上,另外,可以以50体积%以下含有不含氟的羧酸酯,更优选为45体积%以下、进一步优选为40体积%以下。在这样的范围时,容易抑制负极电阻的增大,从而控制输出特性、负载特性、低温特性、循环特性、高温保存特性。
1-2-10.环状醚
作为环状醚,只要是分子内具有环状结构的醚则没有特殊限定,但优选为式(10)所示的化合物。环状醚是有利于电池的高温保存特性提高的物质,通过在本发明的电解液中将其与式(I)所示的芳香族化合物组合使用,还可以保持良好的初期特性。
[化学式23]
(式中,
A15~A20独立地表示氢原子、氟原子或任选具有取代基的碳原子数1以上且5以下的烃基。n101为1以上且4以下的整数,n101为2以上的整数的情况下,多个A17及A18可以相同也可以不同。)
需要说明的是,也可以由选自A15~A20中的2个相互键合而形成环。该情况下,优选由A17及A18形成环结构。另外,A15~A20的碳原子数的总和优选为0以上且8以下、更优选为0以上且4以下、进一步优选为0以上且2以下、特别优选为0以上且1以下。
作为取代基的具体例,可列举:卤原子、任选被卤原子取代的烷基、烯基、炔基、芳基、烷氧基、以及氰基、异氰酸酯基、醚基、碳酸酯基、羰基、羧基、烷氧羰基、酰氧基、磺酰基、膦三基及磷酰基等。这些当中,优选为卤原子、烷氧基、任选被卤原子取代的烷基、烯基、炔基、以及异氰酸酯基、氰基、醚基、羰基、烷氧羰基、酰氧基,更优选为未被卤原子取代的烷基、氰基及醚基。
式(10)中,n101优选为1以上且3以下的整数、更优选为1以上且2以下的整数、进一步优选n101为2。
作为A15~A20中的碳原子数1以上且5以下的烃基,可列举:烷基、烯基、炔基及芳基等1价烃基;亚烷基、亚烯基、亚炔基及亚芳基等2价烃基;等等。这些当中,优选烷基、亚烷基,更优选烷基。
作为碳原子数1以上且5以下的烃基的具体例,可列举:
甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、仲丁基、异丁基、叔丁基、正戊基、异戊基、仲戊基、新戊基、1-甲基丁基、2-甲基丁基、1,1-二甲基丙基、1,2-二甲基丙基等碳原子数1以上且5以下的烷基;
乙烯基、1-丙烯基、2-丙烯基、异丙烯基、1-丁烯基、2-丁烯基、3-丁烯基、1-戊烯基、2-戊烯基、3-戊烯基、4-戊烯基等碳原子数2以上且5以下的烯基;
乙炔基、1-丙炔基、2-丙炔基、1-丁炔基、2-丁炔基、3-丁炔基、1-戊炔基、2-戊炔基、3-戊炔基、4-戊炔基等碳原子数2以上且5以下的炔基;
亚甲基、亚乙基、三亚甲基、四亚甲基、五亚甲基等碳原子数1以上且5以下的亚烷基;
亚乙烯基、1-亚丙烯基、2-亚丙烯基、1-亚丁烯基、2-亚丁烯基、1-亚戊烯基、2-亚戊烯基等碳原子数2以上且5以下的亚烯基;
亚乙炔基、亚丙炔基、1-亚丁炔基、2-亚丁炔基、1-亚戊炔基及2-亚戊炔基等的碳原子数2以上且5以下的亚炔基等。
这些当中,优选为亚甲基、亚乙基、三亚甲基、四亚甲基、五亚甲基等碳原子数1以上且5以下的亚烷基,更优选为亚乙基、三亚甲基、四亚甲基、五亚甲基等碳原子数2以上且5以下的亚烷基,进一步优选为三亚甲基、四亚甲基、五亚甲基等碳原子数3以上且5以下的亚烷基。
A15~A20中的氢原子、氟原子或碳原子数1以上且5以下的烃基,表示的是氢原子、氟原子或由上述取代基和上述碳原子数1以上且5以下的烃基组合而成的基团,优选为氢原子、不具有取代基的碳原子数1以上且5以下的烃基及具有亚烷基的碳链的一部分被醚基取代而成的醚结构的亚烷基,更优选为氢原子。
作为式(10)所示的化合物,可列举例如以下的化合物。
[化学式24]
其中,优选下述等化合物。
[化学式25]
更优选下述化合物。
[化学式26]
环状醚可以单独使用1种,也可以以任意组合及比率组合使用2种以上。在电解液100质量%中,环状醚的量(2种以上的情况下为其总量)可以为0.001质量%以上、优选为0.01质量%以上、更优选为0.1质量%以上、特别优选为0.3质量%以上,另外,可以为10质量%以下、优选为5质量%以下、更优选为3质量%以下、进一步优选为2质量%以下。在满足上述范围的情况下,容易控制输出特性、负载特性、低温特性、循环特性、高温保存特性等。
1-2-11.具有异氰尿酸骨架的化合物
具有异氰尿酸骨架的化合物只要具有异氰尿酸骨架则没有特殊限定,但优选为下述式(11)所示的化合物。
[化学式27]
(式中,
R111~R113各自独立地表示由选自氢原子、碳原子、氮原子、氧原子、硫原子、磷原子、硅原子及卤原子中的1种以上原子构成的碳原子数1以上且12以下的有机基团。)
需要说明的是,R111~R113不相互键合而形成环。
这里,所述由选自氢原子、碳原子、氮原子、氧原子、硫原子、磷原子、硅原子及卤原子中的1种以上原子构成的碳原子数1以上且12以下的有机基团,除了由碳原子及氢原子构成的有机基团以外,还指任选含有氮原子、氧原子、硫原子、磷原子、硅原子或卤原子的有机基团。所述任选含有氮原子、氧原子、硫原子、磷原子、硅原子或卤原子的有机基团是指,骨架碳原子的一部分被这些原子取代而成的有机基团、或具有由这些原子构成的取代基的有机基团。
另外,R111~R113优选为任选具有取代基的碳原子数1以上且10以下的烃基,更优选为任选具有取代基的碳原子数1以上且5以下的烃基。
作为上述取代基的具体例,可列举:卤原子、任选被卤原子取代的烷基、烯基、炔基、芳基、烷氧基、以及氰基、异氰酸酯基、醚基、碳酸酯基、羰基、羧基、烷氧羰基、烷氧羰基、酰氧基、磺酰基、膦三基及磷酰基等。这些当中,优选列举卤原子、烷基、氰基、醚基、碳酸酯基、羰基、羧基及酰氧基等,更优选为卤原子、烷基、氰基及酰氧基,进一步优选为烷基、氰基及酰氧基,特别优选为烷基。
另外,优选R111~R113中的至少一个为具有碳-碳不饱和键或氰基的有机基团,进一步优选R111~R113中的至少一个为具有碳-碳不饱和键的有机基团。
作为上述烃基,优选为烷基、烯基、炔基、芳基,更优选为烷基、烯基。
作为上述碳原子数1以上且10以下的烃基的具体例,可列举:甲基、乙基、正丙基、正丁基、正戊基、环丙基、环戊基、环己基等烷基;乙烯基、1-丙烯基、2-丙烯基(烯丙基)、1-丁烯基、2-丁烯基、3-丁烯基、1-戊烯基、2-戊烯基、3-戊烯基、4-戊烯基等烯基;乙炔基、1-丙炔基、2-丙炔基、1-丁炔基、2-丁炔基、3-丁炔基、1-戊炔基、2-戊炔基、3-戊炔基、4-戊炔基等炔基;苯基、甲苯基、苄基、苯乙基等芳基;等等。
这些当中,优选为甲基、乙基、正丙基、正丁基、正戊基、环丙基、环戊基、环己基等烷基、或乙烯基、1-丙烯基、2-丙烯基(烯丙基)、1-丁烯基、2-丁烯基、3-丁烯基、1-戊烯基、2-戊烯基、3-戊烯基、4-戊烯基等烯基,更优选为甲基、乙基、正丙基、正丁基、乙烯基、1-丙烯基、2-丙烯基(烯丙基)、1-丁烯基、2-丁烯基、3-丁烯基,进一步优选为乙基、正丙基、2-丙烯基(烯丙基)。
需要说明的是,任选具有取代基的碳原子数1以上且10以下的烃基,表示的是由上述取代基和上述碳原子数1以上且10以下的烃基组合而成的基团,例如,可列举2-甲基烯丙基(甲基烯丙基)、2-氰基乙基、2-丙烯酰氧基乙基、2-甲基丙烯酰氧基乙基等,优选为2-甲基烯丙基(甲基烯丙基)、2-丙烯酰氧基乙基,更优选为2-丙烯基(烯丙基)。需要说明的是,优选不具有取代基的碳原子数1以上且10以下的烃基。
用于本发明的化合物可使用式(11)所示的化合物,作为其具体例,可列举以下结构的化合物。
[化学式28]
优选列举以下结构的化合物。
[化学式29]
进一步优选列举以下结构的化合物。
[化学式30]
特别优选列举以下结构的化合物。
[化学式31]
最优选列举以下结构的化合物。
[化学式32]
另外,在这些最优选的化合物中,从负极被膜形成能力的观点考虑,优选以下结构的化合物。
[化学式33]
关于具有异氰尿酸骨架的化合物,对其制造方法也没有特殊限制,可以任意地选择公知的方法来制造。
以具有异氰尿酸骨架的化合物表示的化合物可以单独使用1种,也可以以任意组合及比率组合使用2种以上。在电解液100质量%中,具有异氰尿酸骨架的化合物的量(2种以上的情况下为其总量)可以为0.001质量%以上、优选为0.01质量%以上、更优选为0.1质量%以上、进一步优选为0.2质量%以上,另外,可以为10质量%以下、优选为5质量%以下、更优选为3质量%以下、进一步优选为2质量%以下、特别优选为1质量%以下、最优选为0.5质量%以下。在上述范围内时,可防止由于还原产物过度地覆盖负极表面而对电极反应造成阻碍。另外,由于可使电极界面处的作用更适宜地进行,因此能够使电池特性达到最佳。
使具有异氰尿酸骨架的化合物包含于非水电解液中而实际地用于非水电解质二次电池的制作时,很多情况下即使在将该电池拆解而再次抽取非水电解液,其中的含量也显著降低。因此,从抽取自电池的非水电解液中极少量地检测到具有异氰尿酸骨架的化合物的情况也视为包含在本发明中。另外,具有异氰尿酸骨架的化合物在制成非水电解液而实际地用于非水电解质二次电池的制作时,即使在将该电池拆解而再次抽取出的非水电解液中仅含有极少量的具有异氰尿酸骨架的化合物的情况下,很多情况下也会在作为非水电解质二次电池的其它构成构件的正极、负极或隔板上被检测到。因此,在从正极、负极、隔板上检测到了具有异氰尿酸骨架的化合物的情况下,可假定其总量包含于非水电解液中。在该假定下,优选特定化合物的含量达到上述范围。
1-3.电解质
电解质没有特殊限制,可以任意地使用作为电解质而公知的材料。对于锂二次电池的情况而言,通常使用锂盐。具体可列举:LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAlF4、LiSbF6、LiTaF6、LiWF7等无机锂盐;LiWOF5等钨酸锂类;HCO2Li、CH3CO2Li、CH2FCO2Li、CHF2CO2Li、CF3CO2Li、CF3CH2CO2Li、CF3CF2CO2Li、CF3CF2CF2CO2Li、CF3CF2CF2CF2CO2Li等羧酸锂盐类;FSO3Li、CH3SO3Li、CH2FSO3Li、CHF2SO3Li、CF3SO3Li、CF3CF2SO3Li、CF3CF2CF2SO3Li、CF3CF2CF2CF2SO3Li等磺酸锂盐类;LiN(FCO)2、LiN(FCO)(FSO2)、LiN(FSO2)2、LiN(FSO2)(CF3SO2)、LiN(CF3SO2)2、LiN(C2F5SO2)2、环状1,2-全氟乙烷二磺酰亚胺锂、环状1,3-全氟丙烷二磺酰亚胺锂、LiN(CF3SO2)(C4F9SO2)等酰亚胺锂盐类;LiC(FSO2)3、LiC(CF3SO2)3、LiC(C2F5SO2)3等甲基化锂盐类;双(丙二酸根合)硼酸锂、二氟(丙二酸根合)硼酸锂等丙二酸根合硼酸锂盐类;三(丙二酸根合)磷酸锂、二氟双(丙二酸根合)磷酸锂、四氟(丙二酸根合)磷酸锂等丙二酸根合磷酸锂盐类;以及LiPF4(CF3)2、LiPF4(C2F5)2、LiPF4(CF3SO2)2、LiPF4(C2F5SO2)2、LiBF3CF3、LiBF3C2F5、LiBF3C3F7、LiBF2(CF3)2、LiBF2(C2F5)2、LiBF2(CF3SO2)2、LiBF2(C2F5SO2)2等含氟有机锂盐类;二氟草酸根合硼酸锂、双(草酸根合)硼酸锂等草酸根合硼酸锂盐类;
四氟草酸根合磷酸锂、二氟双(草酸根合)磷酸锂、三(草酸根合)磷酸锂等草酸根合磷酸锂盐类;等等。
其中,LiPF6、LiSbF6、LiTaF6、FSO3Li、CF3SO3Li、LiN(FSO2)2、LiN(FSO2)(CF3SO2)、LiN(CF3SO2)2、LiN(C2F5SO2)2、环状1,2-全氟乙烷二磺酰亚胺锂、环状1,3-全氟丙烷二磺酰亚胺锂、LiC(FSO2)3、LiC(CF3SO2)3、LiC(C2F5SO2)3、LiBF3CF3、LiBF3C2F5、LiPF3(CF3)3、LiPF3(C2F5)3、二氟草酸根合硼酸锂、双(草酸根合)硼酸锂、二氟双(草酸根合)磷酸锂等由于具有使输出特性、高速充放电特性、高温保存特性、循环特性等提高的效果,因此特别优选。
对于非水电解液中的这些电解质的浓度而言,在不破坏本发明效果的范围内,对其含量没有特殊限制,但从使电解液的电导率达到良好的范围、确保良好的电池性能方面考虑,非水电解液中锂的总摩尔浓度优选为0.3mol/L以上、更优选为0.4mol/L以上、进一步优选为0.5mol/L以上,另外,优选为3mol/L以下、更优选为2.5mol/L以下、进一步优选为2.0mol/L以下。如果在该范围,则作为带电粒子的锂不会过少,并且可以使粘度达到适当的范围,因此容易确保良好的电导率。
将2种以上电解质组合使用的情况下,还优选至少1种为选自单氟磷酸盐、二氟磷酸盐、硼酸盐、草酸盐及氟磺酸盐中的盐。这些当中,优选锂盐。选自单氟磷酸盐、二氟磷酸盐、硼酸盐、草酸盐及氟磺酸盐中的盐可以为0.01质量%以上、优选为0.1质量%以上,另外,可以为20质量%以下、优选为10质量%以下。
作为电解质,优选包含选自单氟磷酸盐、二氟磷酸盐、硼酸盐、草酸盐及氟磺酸盐中的1种以上,还包含除其以外的盐中的1种以上。作为除其以外的盐,可列举上述中例示的锂盐,特别是,优选LiPF6、LiN(FSO2)(CF3SO2)、LiN(CF3SO2)2、LiN(C2F5SO2)2、环状1,2-全氟乙烷二磺酰亚胺锂、环状1,3-全氟丙烷二磺酰亚胺锂、LiC(FSO2)3、LiC(CF3SO2)3、LiC(C2F5SO2)3、LiBF3CF3、LiBF3C2F5、LiPF3(CF3)3、LiPF3(C2F5)3,更优选LiPF6。从确保电解液的电导率和粘度的适当平衡的观点考虑,除其以外的盐可以为0.01质量%以上、优选为0.1质量%以上,另外,可以为20质量%以下、优选为15质量%以下、更优选为10质量%以下。
从确保良好的电池性能的观点考虑,在非水电解液中,电解质的总量优选为0.3mol/L以上、更优选为0.4mol/L以上、进一步优选为0.5mol/L以上,另外,优选为3mol/L以下、更优选为2.5mol/L以下、进一步优选为2.0mol/L以下、特别优选为1.5mol/L以下。
1-3-1.单氟磷酸盐、二氟磷酸盐
单氟磷酸盐及二氟磷酸盐只要分别为分子内具有至少1个单氟磷酸或二氟磷酸结构的盐则没有特殊限制。在本发明的电解液中,通过将上述式(I)所示的芳香族化合物和选自单氟磷酸盐及二氟磷酸盐中的1种以上组合使用,可显著抑制电池的初期充放电后的体积变化,谋求过充电时安全性的进一步提高。另外,通过组合使用,还可以减小电池的初期不可逆容量、使放电保存特性提高。与此同时,可以使电池具有优异的高温循环特性。
单氟磷酸盐及二氟磷酸盐中的抗衡阳离子没有特别限制,可列举:锂、钠、钾、镁、钙、NR121R122R123R124(式中,R121~R124独立地为氢原子或碳原子数1以上且12以下的有机基团)所示的铵等。上述铵的R121~R124所表示的碳原子数1以上且12以下的有机基团没有特别限制,可列举例如:任选被卤原子取代的烷基、任选被卤原子或烷基取代的环烷基、任选被卤原子或烷基取代的芳基、任选具有取代基的含氮原子杂环基团等。其中,R121~R124独立地优选为氢原子、烷基、环烷基或含氮原子杂环基团等。作为抗衡阳离子,优选锂、钠、钾,其中更优选锂。
作为单氟磷酸盐及二氟磷酸盐,可列举:单氟磷酸锂、单氟磷酸钠、单氟磷酸钾、二氟磷酸锂、二氟磷酸钠、二氟磷酸钾等,优选单氟磷酸锂、二氟磷酸锂,更优选二氟磷酸锂。
单氟磷酸盐及二氟磷酸盐可以单独使用一种,也可以以任意组合及比率将两种以上组合使用。
选自单氟磷酸盐及二氟磷酸盐中的1种以上的量(2种以上的情况下为其总量)可以为0.001质量%以上、优选为0.01质量%以上、更优选为0.1质量%以上、进一步优选为0.2质量%以上、特别优选为0.3质量%以上,另外,可以为5质量%以下、优选为3质量%以下、更优选为2质量%以下、进一步优选为1.5质量%以下、特别优选为1质量%以下。在该范围内时,可显著地显示出初期不可逆容量提高的效果。
上述式(I)所示的芳香族化合物与选自单氟磷酸盐及二氟磷酸盐中的1种以上(2种以上的情况下为其总量)的质量比优选为1:99~99:1、更优选为10:90~90:10、特别优选为20:80~80:20。在该范围时,可以在不导致其它电池特性下降的情况下使目标特性提高。
1-3-2.硼酸盐
硼酸盐只要是分子内具有至少1个硼原子的盐则没有特殊限制。但需要说明的是,属于草酸盐的盐不是1-3-2.硼酸盐、而是属于后述的1-3-3.草酸盐。
通过在本发明的电解液中组合使用式(I)所示的芳香族化合物和硼酸盐,可获得初期充放电后的体积变化得到抑制、具有良好的高温循环特性的电池。与此同时,可使电池具有良好的过充电时安全性。
作为硼酸盐中的抗衡阳离子,可列举:锂、钠、钾、镁、钙、铷、铯、钡等,其中优选锂。
作为硼酸盐,优选锂盐,还可优选使用含硼酸锂盐。可列举例如:LiBF4、LiBF3CF3、LiBF3C2F5、LiBF3C3F7、LiBF2(CF3)2、LiBF2(C2F5)2、LiBF2(CF3SO2)2、LiBF2(C2F5SO2)2等。其中,从具有使初期充放电效率和高温循环特性等提高的效果方面考虑,更优选LiBF4。
硼酸盐可以单独使用一种,也可以以任意组合及比率将两种以上组合使用。
硼酸盐的量(2种以上的情况下为其总量)可以为0.05质量%以上、优选为0.1质量%以上、更优选为0.2质量%以上、进一步优选为0.3质量%以上、特别优选为0.5质量%以上,另外,可以为10.0质量%以下、优选为5.0质量%以下、更优选为3.0质量%以下、进一步优选为2.0质量%以下、特别优选为1.0质量%以下。在该范围内时,可抑制电池负极的副反应,不易引起电阻上升。
上述式(I)所示的芳香族化合物与硼酸盐的质量比优选为1:99~99:1、更优选为10:90~90:10、特别优选为20:80~80:20。在该范围时,可抑制电池中正负极上的副反应,不易引起电池的电阻上升。
1-3-3.草酸盐
草酸盐只要是分子内具有至少1个草酸结构的化合物则没有特殊限制。使用了含有草酸盐的本发明的电解液的电池,初期充放电体积变化率小、高温循环后的电池的膨胀得到抑制
作为草酸盐,优选下述式(9)所示的金属盐。该盐是以草酸根配合物为阴离子的盐。
[化学式34]
M1 a[M2(C2O4)bRc 91]d (9)
(式中,
M1为选自元素周期表的第1族、第2族及铝(Al)中的元素,
M2为选自过渡金属、元素周期表第13族、第14族及第15族中的元素,
R91为选自卤素、碳原子数1以上且11以下的烷基及碳原子数1以上且11以下的卤素取代烷基中的基团,
a及b为正整数,
c为0或正整数,
d为1~3的整数。)
从将本发明的电解液用于锂二次电池时的电池特性方面考虑,M1优选为锂、钠、钾、镁、钙,特别优选为锂。
从用于锂二次电池时的电化学稳定性方面考虑,M2特别优选为硼及磷。
作为R91,可列举:氟、氯、甲基、三氟甲基、乙基、五氟乙基、丙基、异丙基、丁基、仲丁基、叔丁基等,优选为氟、三氟甲基。
作为式(9)所示的金属盐,可列举如下。
二氟草酸根合硼酸锂及双(草酸根合)硼酸锂等草酸根合硼酸锂盐类;
四氟草酸根合磷酸锂、二氟双(草酸根合)磷酸锂、三(草酸根合)磷酸锂等草酸根合磷酸锂盐类;
这些当中,优选双(草酸根合)硼酸锂及二氟双(草酸根合)磷酸锂,更优选为双(草酸根合)硼酸锂。
草酸盐可以单独使用一种,也可以以任意组合及比率将两种以上组合使用。
草酸盐的量(2种以上的情况下为其总量)可以为0.001质量%以上、优选为0.01质量%以上、更优选为0.1质量%以上、特别优选为0.3质量%以上,另外,可以为10质量%以下、优选为5质量%以下、更优选为3质量%以下、进一步优选为2质量%以下、特别优选为1质量%以下。在该范围时,容易控制输出特性、负载特性、低温特性、循环特性、高温保存特性等。
上述式(I)所示的芳香族化合物与草酸盐的质量比优选为1:99~99:1、更优选为10:90~90:10、特别优选为20:80~80:20。在该范围时,容易平衡性良好地抑制在电池的正负极上的副反应、从而改善电池特性。
1-3-4.氟磺酸盐
作为氟磺酸盐,只要是分子内具有至少1个氟磺酸结构的盐则没有特殊限制。通过在本发明的电解液中组合使用上述式(I)所示的芳香族化合物和氟磺酸盐,可减小电池的初期不可逆容量、使高温循环特性提高。该电池还可确保过充电时安全性。
氟磺酸盐中的抗衡阳离子没有特别限制,可列举:锂、钠、钾、铷、铯、镁、钙、钡、及NR131R132R133R134(式中,R131~R134各自独立地为氢原子或碳原子数1以上且12以下的有机基团)所示的铵等。关于R131~R134的例示及优选例,可适用上述1-2-2中的R131~R134。作为抗衡阳离子,优选为锂、钠、钾,其中优选锂。
作为氟磺酸盐,可列举氟磺酸锂、氟磺酸钠、氟磺酸钾、氟磺酸铷、氟磺酸铯等,优选氟磺酸锂。双(氟磺酰基)酰亚胺锂等具有氟磺酸结构的酰亚胺盐也可以作为氟磺酸盐使用。
氟磺酸盐可以单独使用一种,也可以以任意组合及比率将两种以上组合使用。
氟磺酸盐的含量(2种以上的情况下为其总量)可以为0.05质量%以上、优选为0.1质量%以上、更优选为0.2质量%以上、进一步优选为0.3质量%以上、特别优选为0.5质量%以上,另外,可以为10质量%以下、优选为8质量%以下、更优选为5质量%以下、进一步优选为2质量%以下、特别优选为1质量%以下。在该范围内时,电池中的副反应少,不易引起电阻上升。
上述式(I)所示的芳香族化合物与氟磺酸盐的质量比优选为1:99~99:1、更优选为10:90~90:10、特别优选为20:80~80:20。在该范围时,可适当地抑制电池中的副反应,不易导致高温耐久特性下降。
1-4.非水溶剂
对于本发明中的非水溶剂并无特殊限制,可使用公知的有机溶剂。具体可列举:不具有氟原子的环状碳酸酯、链状碳酸酯、环状及链状羧酸酯、醚类化合物、砜类化合物等。
另外,在本说明书中,非水溶剂的体积为25℃下的测定值,对于诸如碳酸亚乙酯这样的25℃下为固体的溶剂,使用的是熔点下的测定值。
1-4-1.不具有氟原子的环状碳酸酯
作为不具有氟原子的环状碳酸酯,可列举具有碳原子数2~4的亚烷基的环状碳酸酯。
作为具有碳原子数2~4的亚烷基且不具有氟原子的环状碳酸酯的具体例,可列举:碳酸亚乙酯、碳酸亚丙酯、碳酸亚丁酯。其中,从通过提高锂离子离解度而提高电池特性的观点考虑,特别优选碳酸亚乙酯和碳酸亚丙酯。
不具有氟原子的环状碳酸酯可以单独使用一种,也可以以任意组合及比率将两种以上组合使用。
不具有氟原子的环状碳酸酯的配合量没有特别限制,在不明显破坏本发明效果的范围内是任意的,在单独使用1种的情况下,其配合量在非水溶剂100体积%中为5体积%以上、更优选为10体积%以上。通过使配合量在该范围,可以避免由非水电解液的介电常数降低而引起的电导率下降,容易使非水电解质电池的大电流放电特性、相对于负极的稳定性、循环特性达到良好的范围。另外,其配合量为为95体积%以下、更优选为90体积%以下、进一步优选为85体积%以下。通过使其配合量在该范围,容易使非水电解液的粘度达到适当范围,抑制离子电导率的降低,进而使非水电解质电池的负载特性达到良好的范围。
1-4-2.链状碳酸酯
作为链状碳酸酯,优选碳原子数3~7的链状碳酸酯,更优选碳原子数3~7的碳酸二烷基酯。
作为链状碳酸酯,可列举:碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸二正丙酯、碳酸二异丙酯、碳酸正丙基异丙基酯、碳酸甲乙酯、碳酸甲基正丙基酯、碳酸甲基正丁基酯、碳酸甲基异丁基酯、碳酸甲基叔丁基酯、碳酸乙基正丙基酯、碳酸乙基正丁基酯、碳酸乙基异丁基酯、碳酸乙基叔丁基酯等。
其中,优选为碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸二正丙酯、碳酸二异丙酯、碳酸正丙基异丙基酯、碳酸甲乙酯、碳酸甲基正丙基酯,特别优选为碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯。
另外,还可优选使用具有氟原子的链状碳酸酯类(以下也记作“氟代链状碳酸酯”)。
氟代链状碳酸酯所具有的氟原子数只要为1以上则没有特殊限制,但通常为6以下、优选为4以下。氟代链状碳酸酯具有多个氟原子的情况下,它们可以彼此键合在同一个碳上,也可以键合在不同的碳上。
作为氟代链状碳酸酯,可列举:氟代碳酸二甲酯及其衍生物、氟代碳酸甲乙酯及其衍生物、氟代碳酸二乙酯及其衍生物等。
作为氟代碳酸二甲酯及其衍生物,可列举:碳酸氟甲基甲基酯、碳酸二氟甲基甲基酯、碳酸三氟甲基甲基酯、碳酸双(氟甲基)酯、碳酸双(二氟甲基)酯、碳酸双(三氟甲基)酯等。
作为氟代碳酸甲乙酯及其衍生物,可列举:2-氟乙基甲基碳酸酯、乙基氟甲基碳酸酯、2,2-二氟乙基甲基碳酸酯、2-氟乙基氟甲基碳酸酯、乙基二氟甲基碳酸酯、2,2,2-三氟乙基甲基碳酸酯、2,2-二氟乙基氟甲基碳酸酯、2-氟乙基二氟甲基碳酸酯、乙基三氟甲基碳酸酯等。
作为氟代碳酸二乙酯及其衍生物,可列举:乙基-(2-氟乙基)碳酸酯、乙基-(2,2-二氟乙基)碳酸酯、双(2-氟乙基)碳酸酯、乙基-(2,2,2-三氟乙基)碳酸酯、2,2-二氟乙基-2’-氟乙基碳酸酯、双(2,2-二氟乙基)碳酸酯、2,2,2-三氟乙基-2’-氟乙基碳酸酯、2,2,2-三氟乙基-2’,2’-二氟乙基碳酸酯、双(2,2,2-三氟乙基)碳酸酯等。
链状碳酸酯可以单独使用一种,也可以以任意组合及比率将两种以上组合使用。在非水溶剂100体积%中,链状碳酸酯的配合量优选为5体积%以上、更优选为10体积%以上、进一步优选为15体积%以上。通过这样地设定下限,容易使非水电解液的粘度达到适当范围,抑制离子电导率的降低,进而使非水电解质电池的大电流放电特性达到良好的范围。另外,在非水溶剂100体积%中,链状碳酸酯优选为90体积%以下、更优选为85体积%以下。通过这样地设定上限,可以避免由非水电解液的介电常数降低而引起的电导率下降,容易使非水电解质电池的大电流放电特性达到良好的范围。
1-4-3.环状羧酸酯
作为环状羧酸酯,优选碳原子数为3~12的环状羧酸酯。
具体可列举:γ-丁内酯、γ-戊内酯、γ-己内酯、ε-己内酯等。其中,从通过提高锂离子离解度而提高电池特性的观点考虑,特别优选γ-丁内酯。
环状羧酸酯可以单独使用一种,也可以以任意组合及比率将两种以上组合使用。
在非水溶剂100体积%中,环状羧酸酯的配合量通常优选为5体积%以上、更优选为10体积%以上。如果在该范围,则容易改善非水电解液的电导率、从而使非水电解质电池的大电流放电特性提高。另外,环状羧酸酯的配合量优选为50体积%以下、更优选为40体积%以下。通过这样地设定上限,容易使非水电解液的粘度达到适当范围,避免电导率的下降、抑制负极电阻的增大、从而使非水电解质二次电池的大电流放电特性达到良好的范围。
1-4-4.醚类化合物
作为醚类化合物,优选有部分氢任选被氟取代的碳原子数3~10的链状醚、及碳原子数3~6的环状醚。
作为碳原子数3~10的链状醚,可列举:
乙醚、二(2-氟乙基)醚、二(2,2-二氟乙基)醚、二(2,2,2-三氟乙基)醚、乙基(2-氟乙基)醚、乙基(2,2,2-三氟乙基)醚、乙基(1,1,2,2-四氟乙基)醚、(2-氟乙基)(2,2,2-三氟乙基)醚、(2-氟乙基)(1,1,2,2-四氟乙基)醚、(2,2,2-三氟乙基)(1,1,2,2-四氟乙基)醚、乙基-正丙基醚、乙基(3-氟正丙基)醚、乙基(3,3,3-三氟正丙基)醚、乙基(2,2,3,3-四氟正丙基)醚、乙基(2,2,3,3,3-五氟正丙基)醚、2-氟乙基-正丙基醚、(2-氟乙基)(3-氟正丙基)醚、(2-氟乙基)(3,3,3-三氟正丙基)醚、(2-氟乙基)(2,2,3,3-四氟正丙基)醚、(2-氟乙基)(2,2,3,3,3-五氟正丙基)醚、2,2,2-三氟乙基-正丙基醚、(2,2,2-三氟乙基)(3-氟正丙基)醚、(2,2,2-三氟乙基)(3,3,3-三氟正丙基)醚、(2,2,2-三氟乙基)(2,2,3,3-四氟正丙基)醚、(2,2,2-三氟乙基)(2,2,3,3,3-五氟正丙基)醚、1,1,2,2-四氟乙基-正丙基醚、(1,1,2,2-四氟乙基)(3-氟正丙基)醚、(1,1,2,2-四氟乙基)(3,3,3-三氟正丙基)醚、(1,1,2,2-四氟乙基)(2,2,3,3-四氟正丙基)醚、(1,1,2,2-四氟乙基)(2,2,3,3,3-五氟正丙基)醚、二正丙基醚、(正丙基)(3-氟正丙基)醚、(正丙基)(3,3,3-三氟正丙基)醚、(正丙基)(2,2,3,3-四氟正丙基)醚、(正丙基)(2,2,3,3,3-五氟正丙基)醚、二(3-氟正丙基)醚、(3-氟正丙基)(3,3,3-三氟正丙基)醚、(3-氟正丙基)(2,2,3,3-四氟正丙基)醚、(3-氟正丙基)(2,2,3,3,3-五氟正丙基)醚、二(3,3,3-三氟正丙基)醚、(3,3,3-三氟正丙基)(2,2,3,3-四氟正丙基)醚、(3,3,3-三氟正丙基)(2,2,3,3,3-五氟正丙基)醚、二(2,2,3,3-四氟正丙基)醚、(2,2,3,3-四氟正丙基)(2,2,3,3,3-五氟正丙基)醚、二(2,2,3,3,3-五氟正丙基)醚、二正丁基醚、二甲氧基甲烷、甲氧基乙氧基甲烷、甲氧基(2-氟乙氧基)甲烷、甲氧基(2,2,2-三氟乙氧基)甲烷甲氧基(1,1,2,2-四氟乙氧基)甲烷、二乙氧基甲烷、乙氧基(2-氟乙氧基)甲烷、乙氧基(2,2,2-三氟乙氧基)甲烷、乙氧基(1,1,2,2-四氟乙氧基)甲烷、二(2-氟乙氧基)甲烷、(2-氟乙氧基)(2,2,2-三氟乙氧基)甲烷、(2-氟乙氧基)(1,1,2,2-四氟乙氧基)甲烷、二(2,2,2-三氟乙氧基)甲烷、(2,2,2-三氟乙氧基)(1,1,2,2-四氟乙氧基)甲烷、二(1,1,2,2-四氟乙氧基)甲烷、二甲氧基乙烷、甲氧基乙氧基乙烷、甲氧基(2-氟乙氧基)乙烷、甲氧基(2,2,2-三氟乙氧基)乙烷、甲氧基(1,1,2,2-四氟乙氧基)乙烷、二乙氧基乙烷、乙氧基(2-氟乙氧基)乙烷、乙氧基(2,2,2-三氟乙氧基)乙烷、乙氧基(1,1,2,2-四氟乙氧基)乙烷、二(2-氟乙氧基)乙烷、(2-氟乙氧基)(2,2,2-三氟乙氧基)乙烷、(2-氟乙氧基)(1,1,2,2-四氟乙氧基)乙烷、二(2,2,2-三氟乙氧基)乙烷、(2,2,2-三氟乙氧基)(1,1,2,2-四氟乙氧基)乙烷、二(1,1,2,2-四氟乙氧基)乙烷、乙二醇二正丙基醚、乙二醇二正丁基醚、二乙二醇二甲基醚等。
作为碳原子数3~6的环状醚,可列举:四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃、3-甲基四氢呋喃、1,3-二氧杂环己烷、2-甲基-1,3-二氧杂环己烷、4-甲基-1,3-二氧杂环己烷、1,4-二氧杂环己烷等、及它们的氟代化合物。
其中,从对锂离子的溶剂化能力高、使离子解离性提高的观点考虑,优选二甲氧基甲烷、二乙氧基甲烷、乙氧基甲氧基甲烷、乙二醇二正丙基醚、乙二醇二正丁基醚、二乙二醇二甲基醚,从粘性低、可赋予高离子电导率方面考虑,特别优选为二甲氧基甲烷、二乙氧基甲烷、乙氧基甲氧基甲烷。
醚类化合物可以单独使用一种,也可以以任意组合及比率将两种以上组合使用。
通常,在非水溶剂100体积%中,醚类化合物的配合量优选为5体积%以上、更优选为10体积%以上、进一步优选为15体积%以上,另外,优选为70体积%以下、更优选为60体积%以下、进一步优选为50体积%以下。如果在该范围,则容易确保由链状醚的锂离子离解度提高和粘度降低所带来的离子电导率的提高效果,在负极活性物质为碳质材料的情况下,容易避免链状醚与锂离子一起发生共嵌入而导致容量下降的问题。
1-4-5.砜类化合物
作为砜类化合物,优选碳原子数3~6的环状砜、及碳原子数2~6的链状砜。优选1分子中的磺酰基数为1个或2个。
作为碳原子数3~6的环状砜,可列举:作为单砜化合物的三亚甲基砜类、四亚甲基砜类、六亚甲基砜类;
作为二砜化合物的三亚甲基二砜类、四亚甲基二砜类、六亚甲基二砜类等。
其中,从介电常数和粘性方面考虑,更优选四亚甲基砜类、四亚甲基二砜类、六亚甲基砜类、六亚甲基二砜类,特别优选四亚甲基砜类(环丁砜类)。
作为环丁砜类,优选环丁砜及/或环丁砜衍生物(以下,也将包括环丁砜在内而记作“环丁砜类”)。作为环丁砜衍生物,优选构成环丁砜的环的碳原子上键合的1个以上氢原子被氟原子、烷基取代而得到的环丁砜衍生物。
其中,从离子电导率高、输入输出特性高方面考虑,优选2-甲基环丁砜、3-甲基环丁砜、2-氟环丁砜、3-氟环丁砜、2,2-二氟环丁砜、2,3-二氟环丁砜、2,4-二氟环丁砜、2,5-二氟环丁砜、3,4-二氟环丁砜、2-氟-3-甲基环丁砜、2-氟-2-甲基环丁砜、3-氟-3-甲基环丁砜、3-氟-2-甲基环丁砜、4-氟-3-甲基环丁砜、4-氟-2-甲基环丁砜、5-氟-3-甲基环丁砜、5-氟-2-甲基环丁砜、2-氟甲基环丁砜、3-氟甲基环丁砜、2-二氟甲基环丁砜、3-二氟甲基环丁砜、2-三氟甲基环丁砜、3-三氟甲基环丁砜、2-氟-3-(三氟甲基)环丁砜、3-氟-3-(三氟甲基)环丁砜、4-氟-3-(三氟甲基)环丁砜、5-氟-3-(三氟甲基)环丁砜等。
另外,作为碳原子数2~6的链状砜,可列举:
二甲基砜、乙基甲基砜、二乙基砜、正丙基甲基砜、正丙基乙基砜、二正丙基砜、异丙基甲基砜、异丙基乙基砜、二异丙基砜、正丁基甲基砜、正丁基乙基砜、叔丁基甲基砜、叔丁基乙基砜、单氟甲基甲基砜、二氟甲基甲基砜、三氟甲基甲基砜、单氟乙基甲基砜、二氟乙基甲基砜、三氟乙基甲基砜、五氟乙基甲基砜、乙基单氟甲基砜、乙基二氟甲基砜、乙基三氟甲基砜、全氟乙基甲基砜、乙基三氟乙基砜、乙基五氟乙基砜、二(三氟乙基)砜、全氟二乙基砜、氟甲基正丙基砜、二氟甲基正丙基砜、三氟甲基正丙基砜、氟甲基异丙基砜、二氟甲基异丙基砜、三氟甲基异丙基砜、三氟乙基正丙基砜、三氟乙基异丙基砜、五氟乙基正丙基砜、五氟乙基异丙基砜、三氟乙基正丁基砜、三氟乙基叔丁基砜、五氟乙基正丁基砜、五氟乙基叔丁基砜等。
其中,从离子电导率高、输入输出特性高方面考虑,优选二甲基砜、乙基甲基砜、二乙基砜、正丙基甲基砜、异丙基甲基砜、正丁基甲基砜、叔丁基甲基砜、单氟甲基甲基砜、二氟甲基甲基砜、三氟甲基甲基砜、单氟乙基甲基砜、二氟乙基甲基砜、三氟乙基甲基砜、五氟乙基甲基砜、乙基单氟甲基砜、乙基二氟甲基砜、乙基三氟甲基砜、乙基三氟乙基砜、乙基五氟乙基砜、三氟甲基正丙基砜、三氟甲基异丙基砜、三氟乙基正丁基砜、三氟乙基-叔丁基砜、三氟甲基正丁基砜、三氟甲基叔丁基砜等。
砜类化合物可以单独使用一种,也可以以任意组合及比率将两种以上组合使用。
通常,在非水溶剂100体积%中,砜类化合物的配合量优选为0.3体积%以上、更优选为1体积%以上、进一步优选为5体积%以上,另外,优选为40体积%以下、更优选为35体积%以下、进一步优选为30体积%以下。如果在该范围,则容易获得循环特性、保存特性等耐久性的提高效果,另外,能够使非水电解液的粘度达到适当范围、避免电导率的下降,在以高电流密度进行非水电解质电池的充放电的情况下,容易避免充放电容量保持率降低的问题。
1-4-6.非水溶剂的组成
作为本发明的非水溶剂,上述例示的非水溶剂可以单独使用一种,也可以以任意组合及比率将两种以上组合使用。
例如,作为非水溶剂的优选的组合之一,可列举以不具有氟原子的环状碳酸酯和链状碳酸酯为主体的组合。
其中,不具有氟原子的环状碳酸酯和链状碳酸酯的总量在非水溶剂中优选占70体积%以上、更优选占80体积%以上、进一步优选占90体积%以上,并且,相对于环状碳酸酯和链状碳酸酯的总量,不具有氟原子的环状碳酸酯的比例优选为5体积%以上、更优选为10体积%以上、进一步优选为15体积%以上,另外,优选为50体积%以下、更优选为35体积%以下、进一步优选为30体积%以下、特别优选为25体积%以下。
采用这些非水溶剂的组合时,使用其制作的电池的循环特性和高温保存特性(特别是高温保存后的残存容量及高负载放电容量)的平衡有时变得良好。
例如,作为不具有氟原子的环状碳酸酯和链状碳酸酯的优选组合,可列举:
碳酸亚乙酯和碳酸二甲酯、碳酸亚乙酯和碳酸二乙酯、碳酸亚乙酯和碳酸甲乙酯、碳酸亚乙酯和碳酸二甲酯和碳酸二乙酯、碳酸亚乙酯和碳酸二甲酯和碳酸甲乙酯、碳酸亚乙酯和碳酸二乙酯和碳酸甲乙酯、碳酸亚乙酯和碳酸二甲酯和碳酸二乙酯和碳酸甲乙酯等。
在不具有氟原子的环状碳酸酯和链状碳酸酯的组合中,更优选含有不对称链状碳酸烷基酯类作为链状碳酸酯,特别是,由于循环特性和大电流放电特性的平衡良好,因此优选含有碳酸亚乙酯和碳酸二甲酯和碳酸甲乙酯、碳酸亚乙酯和碳酸二乙酯和碳酸甲乙酯、碳酸亚乙酯和碳酸二甲酯和碳酸二乙酯和碳酸甲乙酯这样的碳酸亚乙酯和对称链状碳酸酯类和不对称链状碳酸酯类的组合。
其中,优选不对称链状碳酸酯类为碳酸甲乙酯,另外,链状碳酸酯的烷基的碳原子数优选为1~2。
作为优选的组合,还可以列举在这些碳酸亚乙酯和链状碳酸酯类的组合中进一步加入碳酸亚丙酯的组合。
含有碳酸亚丙酯的情况下,碳酸亚乙酯和碳酸亚丙酯的体积比优选为99:1~40:60、特别优选为95:5~50:50。另外,碳酸亚丙酯在全部非水溶剂中所占的比例优选为0.1体积%以上、更优选为1体积%以上、进一步优选为2体积%以上,另外,优选为20体积%以下、更优选为8体积%以下、进一步优选为5体积%以下。
以该浓度范围含有碳酸亚丙酯时,有时能够在保持碳酸亚乙酯和链状碳酸酯的组合的特性的情况下进一步获得优异的低温特性。
非水溶剂中含有碳酸二甲酯的情况下,碳酸二甲酯在全部非水溶剂中所占的比例优选为10体积%以上、更优选为20体积%以上、进一步优选为25体积%以上、特别优选为30体积%以上,另外,优选为90体积%以下、更优选为80体积%以下、进一步优选为75体积%以下、特别优选为70体积%以下,如果以这样的范围含有碳酸二甲酯,则有时会使电池的负载特性提高。
其中,通过含有碳酸二甲酯和碳酸甲乙酯、且使碳酸二甲酯的含有比例比碳酸甲乙酯的含有比例多,可以保持电解液的电导率,同时有时会使高温保存后的电池特性提高,故优选。
从提高电解液的电导率和提高保存后的电池特性方面考虑,在全部非水溶剂中碳酸二甲酯相对于碳酸甲乙酯的体积比(碳酸二甲酯/碳酸甲乙酯)优选为1.1以上、更优选为1.5以上、进一步优选2.5以上。从提高在低温下的电池特性方面考虑,上述体积比(碳酸二甲酯/碳酸甲乙酯)优选为40以下、更优选为20以下、进一步优选为10以下、特别优选为8以下。
在上述以不具有氟原子的环状碳酸酯和链状碳酸酯为主体的组合中,还可以混合环状羧酸酯类、链状羧酸酯类、环状醚类、链状醚类、含硫有机溶剂、含磷有机溶剂、芳香族含氟溶剂等其它溶剂。
1-5.助剂
在本发明的电解液电池中,除了上述化合物以外,还可以根据目的适当使用助剂。作为助剂,可列举如下所示的助剂等。
本发明的电解液中可使用公知的助剂。作为助剂,可列举:赤藓醇碳酸酯(erythritan carbonate)、螺-双二亚甲基碳酸酯(spiro-bis-dimethylene-carbonate)、甲氧基乙基-甲基碳酸酯等碳酸酯化合物;琥珀酸酐、戊二酸酐、马来酸酐、柠康酸酐、戊烯二酸酐、衣康酸酐、二甘醇酸酐、环己烷二羧酸酐、环戊烷四羧酸二酐及苯基琥珀酸酐等羧酸酐;2,4,8,10-四氧杂螺[5.5]十一碳烷、3,9-二乙烯基-2,4,8,10-四氧杂螺[5.5]十一碳烷等螺环化合物;N,N-二甲基甲磺酰胺、N,N-二乙基甲磺酰胺等含硫化合物;亚磷酸三甲酯、亚磷酸三乙酯、亚磷酸三苯酯、磷酸三甲酯、磷酸三乙酯、磷酸三苯酯、甲基膦酸二甲酯、乙基膦酸二乙酯、乙烯基膦酸二甲酯、乙烯基膦酸二乙酯、二乙基膦酰基乙酸乙酯、二甲基次膦酸甲酯、二乙基次膦酸乙酯、三甲基氧化膦、三乙基氧化膦等含磷化合物;1-甲基-2-吡咯烷酮、1-甲基-2-哌啶酮、3-甲基-2-唑啉酮、1,3-二甲基-2-咪唑啉酮及N-甲基琥珀酰亚胺等含氮化合物;庚烷、辛烷、壬烷、癸烷、环庚烷等烃化合物等。这些助剂可以单独使用1种,也可以将2种以上组合使用。通过添加这些助剂,可提高高温保存后的容量保持特性及循环特性。
其它助剂的配合量没有特别限制,在不明显破坏本发明效果的范围内可以为任意配合量。在非水电解液100质量%中,其它助剂优选为0.01质量%以上,另外,5质量%以下。如果在该范围,则容易充分显示出其它助剂的效果,还容易避免高负载放电特性等电池特性降低的问题。其它助剂的配合量更优选为0.1质量%以上、进一步优选为0.2质量%以上,另外,更优选为3质量%以下、进一步优选为1质量%以下。
2.电池构成
在非水电解质电池中,本发明的电解液适合用于二次电池用途、例如适合作为锂二次电池用电解液使用。以下,针对使用了本发明的电解液的非水电解质电池进行说明。
本发明的电解质电池可采用公知的结构,典型的结构具备能够吸留和放出离子(例如锂离子)的负极及正极、以及上述本发明的电解液。
2-1.负极
以下,针对用于负极的负极活性物质进行叙述。作为负极活性物质,只要是能够电化学地吸留和放出锂离子的物质即可,没有特殊限制。作为具体例,可列举碳质材料、合金类材料、含锂金属复合氧化物材料等。这些物质可以单独使用一种,也可以任意将两种以上组合使用。
<负极活性物质>
作为负极活性物质,可列举碳质材料、合金类材料、含锂金属复合氧化物材料等。
作为可被用作负极活性物质的碳质材料,选自下述(1)~(4)中的碳质材料可获得初期不可逆容量、高电流密度充放电特性的良好平衡,因此优选。
(1)天然石墨;
(2)在400~3200℃的范围对人造碳质物质及人造石墨质物质进行一次以上热处理而得到的碳质材料;
(3)负极活性物质层由具有不同结晶性的至少两种以上碳质构成、和/或具有结晶性不同的碳质相接的界面的碳质材料;
(4)负极活性物质层由具有不同取向性的至少两种以上碳质构成、和/或具有取向性不同的碳质相接的界面的碳质材料。
另外,(1)~(4)的碳质材料可以单独使用一种,也可以以任意组合及比率将两种以上组合使用。
作为上述(2)的人造碳质物质及人造石墨质物质,可列举:天然石墨、煤类焦炭、石油类焦炭、煤类沥青、石油类沥青、以及对这些沥青进行氧化处理而得到的物质、针状焦炭、沥青焦炭以及将它们部分石墨化而得到的碳材料、炉黑、乙炔黑、沥青类碳纤维等有机物的热分解物、可碳化的有机物、及它们的碳化物、或将可碳化的有机物溶解在苯、甲苯、二甲苯、喹啉、正己烷等低分子有机溶剂中而得到的溶液及它们的碳化物等。
作为可用作负极活性物质的合金类材料,只要能够吸留和放出锂即可,可以是锂单质、用以形成锂合金的单质金属及合金、或它们的氧化物、碳化物、氮化物、硅化物、硫化物及磷化物等化合物中的任意化合物,没有特别限制。作为用以形成锂合金的单质金属及合金,优选为包含第13族及第14族的金属/半金属元素(即,除碳以外)的材料,更优选为铝、硅及锡(以下,有时也简称为“特定金属元素”)的单质金属及包含这些原子的合金或化合物。这些材料可以单独使用一种,也可以以任意组合及比率将两种以上组合使用。
作为具有选自特定金属元素中的至少1种原子的负极活性物质,可列举:任意一种特定金属元素的金属单质、由两种以上特定金属元素形成的合金、由一种或两种以上特定金属元素与其它一种或两种以上金属元素形成的合金、以及含有一种或两种以上特定金属元素的化合物及该化合物的氧化物、碳化物、氮化物、硅化物、硫化物或磷化物等复合化合物。作为负极活性物质,通过使用这些金属单质、合金或金属化合物,可以实现电池的高容量化。
另外,作为它们的复合化合物,可列举与金属单质、合金或非金属元素等多种元素复杂结合而形成的化合物。具体而言,对于例如硅、锡而言,可以使用由这些元素与不会作为负极工作的金属形成的合金。例如,对于锡的情况,还可以使用由锡和除硅以外的作为负极发挥作用的金属、以及不会作为负极工作的金属、及非金属元素组合而得到的包含5~6种元素这样的复杂化合物。
在这些负极活性物质中,从制成电池时每单位质量的容量大这点考虑,优选任意一种特定金属元素的金属单质、两种以上特定金属元素的合金、特定金属元素的氧化物、碳化物、氮化物等,特别是,从每单位质量的容量及对环境造成的负担的观点考虑,优选硅和/或锡的金属单质、合金、氧化物、碳化物、氮化物等。
作为可被用作负极活性物质的含锂金属复合氧化物材料,只要能够吸留和放出锂即可,并无特殊限制,从高电流密度充放电特性方面考虑,优选含有钛及锂的材料,更优选包含钛的含锂复合金属氧化物材料,进一步优选锂和钛的复合氧化物(以下,有时记作“锂钛复合氧化物”)。即,在使非水电解质电池用负极活性物质中含有并使用具有尖晶石结构的锂钛复合氧化物时,输出电阻将大幅降低,因此特别优选。
另外,还优选锂钛复合氧化物中的锂、钛被其它金属元素、例如选自Na、K、Co、Al、Fe、Ti、Mg、Cr、Ga、Cu、Zn及Nb中的至少一种元素置换而得到的复合氧化物。
上述金属氧化物是式(A)所示的锂钛复合氧化物,式(A)中,0.7≤x≤1.5、1.5≤y≤2.3、0≤z≤1.6时,锂离子在掺杂/脱掺杂时的结构稳定,因此优选。
LixTiyMzO4 (A)
[式(A)中,M表示选自Na、K、Co、Al、Fe、Ti、Mg、Cr、Ga、Cu、Zn及Nb中的至少一种元素。]
在上述式(A)所示的组成中,下述(a)、(b)、(c)的结构的电池性能的平衡良好,因此特别优选。
(a)1.2≤x≤1.4、1.5≤y≤1.7、z=0
(b)0.9≤x≤1.1、1.9≤y≤2.1、z=0
(c)0.7≤x≤0.9、2.1≤y≤2.3、z=0。
作为上述化合物的特别优选的代表性组成,(a)为Li4/3Ti5/3O4、(b)为Li1Ti2O4、(c)为Li4/5Ti11/5O4。另外,作为Z≠0的结构的优选例,可列举例如Li4/3Ti4/3Al1/3O4。
<碳质材料的物性>
使用碳质材料作为负极活性物质的情况下,优选具有下述物性的材料。
(X射线参数)
通过采用学振法对碳质材料进行X射线衍射而求出的晶格面(002)的d值(层间距离)优选为0.335nm以上,另外,通常为0.360nm以下、优选为0.350nm以下、进一步优选为0.345nm以下。另外,通过采用学振法的X射线衍射求出的碳质材料的微晶尺寸(Lc)优选为1.0nm以上、其中进一步优选为1.5nm以上。
(体积基准平均粒径)
碳质材料的质量基准平均粒径是利用激光衍射/散射法求出的体积基准的平均粒径(中值粒径),其通常为1μm以上、优选为3μm以上、更优选为5μm以上、特别优选为7μm以上,另外,通常为100μm以下、优选为50μm以下、更优选为40μm以下、进一步优选为30μm以下、特别优选为25μm以下。
体积基准平均粒径低于上述范围时,可能会导致不可逆容量增大而引起初期电池容量的损失。另外,超过上述范围时,在通过涂布来制作电极时,容易形成不均匀的涂布面,在电池制作工序中可能是不理想的。
体积基准平均粒径的测定如下进行:使碳粉末分散在作为表面活性剂的聚氧乙烯(20)山梨糖醇酐单月桂酸酯的0.2质量%水溶液(约10mL)中,并利用激光衍射/散射式粒度分布计(株式会社堀场制作所制造的LA-700)进行测定。
(拉曼R值、拉曼半峰宽)
碳质材料的拉曼R值是利用氩离子激光拉曼光谱法测定的值,其通常为0.01以上、优选为0.03以上、更优选为0.1以上,另外,通常为1.5以下、优选为1.2以下、更优选为1以下、特别优选为0.5以下。
另外,碳质材料在1580cm-1附近的拉曼半峰宽没有特殊限制,但通常为10cm-1以上、优选为15cm-1以上,另外,通常为100cm-1以下、优选为80cm-1以下、更优选为60cm-1以下、特别优选为40cm-1以下。
拉曼R值及拉曼半峰宽是表征碳质材料表面的结晶性的指标,从化学稳定性的观点考虑,优选碳质材料具有适当的结晶性、且该结晶性为不会因充放电而导致Li进入了的层间的位点消失、即不会导致充电接受性降低的程度。需要说明的是,在将负极活性物质涂布于集电体之后,通过进行压制来对负极进行高密度化的情况下,容易使结晶沿着与电极板平行的方向取向,因此,优选考虑到这一影响。拉曼R值或拉曼半峰宽在上述范围内时,可在负极表面形成理想的被膜而使保存特性及循环特性、负载特性提高,并且,能够抑制由与非水电解液反应而导致的效率降低及产生气体。
拉曼光谱的测定如下进行:使用拉曼分光器(日本分光株式会社制造的拉曼分光器),使试样自然落下并填充于测定池(cell)内,对池内样品的表面照射氩离子激光,同时使测定池在与激光垂直的面内旋转。针对得到的拉曼光谱,测定在1580cm-1附近的峰PA的强度IA、和在1360cm-1附近的峰PB的强度IB,并计算出其强度比R(R=IB/IA)。
另外,上述拉曼测定条件如下所述。
·氩离子激光波长:514.5nm
·试样上的激光功率:15~25mW
·分辨率:10~20cm-1
·测定范围:1100cm-1~1730cm-1
·拉曼R值、拉曼半峰宽分析:本底(background)处理
·光滑(smoothing)处理:单纯平均、卷积5点(コンボリュション5ポイント,convolution 5point)
(BET比表面积)
碳质材料的BET比表面积是采用BET法测定的比表面积的值,其通常为0.1m2·g-1以上、优选为0.7m2·g-1以上、更优选为1.0m2·g-1以上、特别优选为1.5m2·g-1以上,另外,通常为100m2·g-1以下、优选为25m2·g-1以下、更优选为15m2·g-1以下、特别优选为10m2·g-1以下。
BET比表面积的值在上述范围内时,能够抑制锂在电极表面的析出,同时能够抑制因与非水电解液反应而引起的气体产生。
采用BET法进行的比表面积的测定如下进行:使用表面积计(大仓理研制造的全自动表面积测定装置),在氮气流中、350℃下对试样进行15分钟预干燥,然后使用氮气相对于大气压的相对压力值准确调节为0.3的氮氦混合气体,通过采用气体流动法的氮吸附BET 1点法行测定。
(圆度)
在测定作为碳质材料的球形程度的圆度的情况下,优选圆度在下述范围内。需要说明的是,圆度定义为:“圆度=(具有与粒子投影形状相同面积的等效圆的周长)/(粒子投影形状的实际周长)”,当圆度为1时,成为理论上的正球。碳质材料的粒径为3~40μm范围内的粒子的圆度越接近于1越理想,且优选为0.1以上、其中优选为0.5以上、更优选为0.8以上、进一步优选为0.85以上、特别优选为0.9以上。对于高电流密度充放电特性而言,由于圆度越大则填充性越高、越能够抑制粒子间的阻抗,因此高电流密度充放电特性越高。因此,圆度在上述范围内越高越优选。
圆度的测定使用流动式粒子图像分析装置(Sysmex Industrial公司制造的FPIA)进行。将约0.2g试样分散于作为表面活性剂的聚氧乙烯(20)山梨糖醇酐单月桂酸酯的0.2质量%水溶液(约50mL)中,以60W的输出功率照射1分钟28kHz的超声波后,指定0.6~400μm为检测范围,对粒径3~40μm范围的粒子进行测定。
对于提高圆度的方法并无特殊限制,但通过实施球形化处理而使粒子成为球形时,在应用于电极体时可实现粒子间空隙的形状的统一,因此优选。作为球形化处理的实例,可列举通过施加剪切力、压缩力来机械地接近球形的方法、利用粘合剂或粒子本身所具有的附着力进行多个微粒的造粒的机械/物理处理方法等。
(振实密度)
碳质材料的振实密度通常为0.1g·cm-3以上、优选为0.5g·cm-3以上、更优选为0.7g·cm-3以上、特别优选为1g·cm-3以上,另外,优选为2g·cm-3以下、更优选为1.8g·cm-3以下、特别优选为1.6g·cm-3以下。振实密度在上述范围内时,可以确保电池容量,同时能够抑制粒子间的阻抗增大。
振实密度的测定如下进行:使试样在通过网眼为300μm的筛子后落入20cm3的振实容器中,直到试样充满至容器的上端面之后,利用粉体密度测定器(例如,Seishin企业公司制造的Tap densor)进行1000次冲程长度为10mm的振动,由此时的质量和试样的质量求出振实密度。
(取向比)
碳质材料的取向比通常为0.005以上、优选为0.01以上、更优选为0.015以上,另外,通常为0.67以下。取向比在上述范围内时,可确保优异的高密度充放电特性。需要说明的是,上述范围的上限是碳质材料的取向比的理论上限值。
取向比是在对试样进行加压成型后利用X射线衍射测定的。将试样0.47g填充在直径17mm的成型机中,在58.8MN·m-2下压缩得到成型体,再用粘土固定测定用试样,使该试样与测定用试样架的面为同一面,从而进行X射线衍射测定。由得到的碳的(110)衍射与(004)衍射的峰强度计算出以(110)衍射峰强度/(004)衍射峰强度表示的比值。
X射线衍射测定条件如下所示。需要说明的是,“2θ”代表衍射角。
·靶:Cu(Kα射线)石墨单色光度仪
·狭缝:
发散狭缝=0.5度
受光狭缝=0.15mm
散射狭缝=0.5度
·测定范围及步进角/计测时间:
(110)面:75度≤2θ≤80度1度/60秒
(004)面:52度≤2θ≤57度1度/60秒
(长径比(粉末))
碳质材料的长径比通常为1以上,另外,通常为10以下、优选为8以下、进一步优选为5以下。在上述范围内时,可以抑制在极板化时产生条纹,进而能够实现均匀的涂布,因此可确保优异的高电流密度充放电特性。需要说明的是,上述范围的下限为碳质材料的长径比的理论下限值。
长径比的测定利用扫描电子显微镜对碳质材料的粒子进行放大观察来进行。选择固定在厚度为50μm以下的金属端面上的任意50个石墨粒子,对于这些石墨粒子,分别旋转、倾斜固定有试样的载物台,并测定进行三维观察时观察到的碳质材料粒子的最长粒径A和与其垂直的最短粒径B,求出A/B的平均值。
<负极的构成和制作方法>
在不明显破坏本发明效果的范围内,电极的制造可以采用任意公知的方法。例如,可以通过向负极活性物质中添加粘合剂、溶剂、根据需要而加入的增稠剂、导电材料、填充材料等,制成浆料,并将该浆料涂布在集电体上、使其干燥之后进行压制来形成电极。
另外,使用合金类材料的情况下,还可以采用通过蒸镀法、溅射法、镀敷法等方法来形成含有上述负极活性物质的薄膜层(负极活性物质层)的方法。
(集电体)
作为用以保持负极活性物质的集电体,可使用任意公知的集电体。作为负极的集电体,可列举例如铝、铜、镍、不锈钢、镀镍钢等金属材料,从加工简易性和成本方面考虑,特别优选铜。
另外,作为集电体的形状,当集电体为金属材料的情况下,可列举例如:金属箔、金属圆柱、金属线圈、金属板、金属薄膜、膨胀合金、穿孔金属、发泡金属等。其中,优选为金属薄膜、更优选为铜箔、进一步优选利用压延法得到的压延铜箔和利用电解法得到的电解铜箔,上述任一种均可以用作集电体。
从确保电池容量、操作性的观点考虑,集电体的厚度通常为1μm以上、优选为5μm以上,通常为100μm以下、优选为50μm以下。
(集电体与负极活性物质层的厚度比)
集电体与负极活性物质层的厚度比并无特殊限制,“(在即将进行非水电解液注液之前单面上的负极活性物质层厚度)/(集电体的厚度)”的值优选为150以下、更优选为20以下、特别优选为10以下,另外,优选为0.1以上、更优选为0.4以上、特别优选为1以上。集电体与负极活性物质层的厚度比在上述范围内时,可以确保电池容量,同时还能够抑制在高电流密度充放电时集电体的发热。
(粘结剂)
作为粘结负极活性物质的粘合剂,只要是相对于非水电解液及电极制造时使用的溶剂稳定的材料即可,没有特殊限制。
作为具体例,可列举:聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯、芳香族聚酰胺、聚酰亚胺、纤维素、硝基纤维素等树脂类高分子;SBR(丁苯橡胶)、异戊二烯橡胶、丁二烯橡胶、氟橡胶、NBR(丁腈橡胶)、乙丙橡胶等橡胶状高分子;苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物或其加氢产物;EPDM(乙烯-丙烯-二烯三元共聚物)、苯乙烯-乙烯-丁二烯-苯乙烯共聚物、苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物或其加氢产物等热塑性弹性体状高分子;间规立构1,2-聚丁二烯、聚乙酸乙烯酯、乙烯-乙酸乙烯酯共聚物、丙烯-α-烯烃共聚物等软质树脂状高分子;聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、氟化聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯-乙烯共聚物等氟类高分子;具有碱金属离子(特别是锂离子)的离子传导性的高分子组合物等。这些粘结剂可以单独使用一种,也可以以任意组合及比例组合使用两种以上。
粘合剂相对于负极活性物质的比例优选为0.1质量%以上、更优选为0.5质量%以上、特别优选为0.6质量%以上,另外,优选为20质量%以下、更优选为15质量%以下、进一步优选为10质量%以下、特别优选为8质量%以下。粘合剂相对于负极活性物质的比例在上述范围内时,可充分确保电池容量和负电极的强度。
特别是,主要成分中含有以SBR为代表的橡胶状高分子的情况下,粘合剂相对于负极活性物质的比例通常为0.1质量%以上、优选为0.5质量%以上、更优选为0.6质量%以上,另外,通常为5质量%以下、优选为3质量%以下、进一步优选2质量%以下。另外,主要成分中含有以聚偏氟乙烯为代表的氟类高分子的情况下,粘合剂相对于负极活性物质的比例通常为1质量%以上、优选为2质量%以上、更优选为3质量%以上,另外,通常为15质量%以下、优选为10质量%以下、进一步优选为8质量%以下。
(浆料形成溶剂)
作为用于形成浆料的溶剂,只要是可以溶解或分散负极活性物质、粘合剂、以及根据需要而使用的增稠剂及导电材料的溶剂即可,对其种类没有特殊限制,可以使用水性溶剂和非水溶剂中的任意溶剂。
作为水性溶剂,可列举水、醇等;作为非水溶剂,可列举N-甲基吡咯烷酮(NMP)、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、甲乙酮、环己酮、乙酸甲酯、丙烯酸甲酯、二乙基三胺、N,N-二甲基氨基丙胺、四氢呋喃(THF)、甲苯、丙酮、乙醚、六甲基磷酰胺、二甲亚砜、苯、二甲苯、喹啉、吡啶、甲基萘、己烷等。
特别是,使用水性溶剂的情况下,优选在使用增稠剂的同时使其中含有分散剂等,并利用SBR等胶乳进行浆料化。需要说明的是,这些溶剂可以单独使用一种,也可以以任意组合及比例组合使用两种以上。
(增稠剂)
增稠剂通常用于调节浆料的粘度。作为增稠剂,并无特殊限制,具体可列举:羧甲基纤维素、甲基纤维素、羟甲基纤维素、乙基纤维素、聚乙烯醇、氧化淀粉、磷酸化淀粉、酪蛋白及它们的盐等。这些增稠剂可以单独使用一种,也可以以任意组合及比例组合使用两种以上。
此外,使用增稠剂的情况下,增稠剂相对于负极活性物质的比例通常为0.1质量%以上、优选为0.5质量%以上、更优选为0.6质量%以上,另外,通常为5质量%以下、优选为3质量%以下、进一步优选2质量%以下。增稠剂相对于负极活性物质的比例在上述范围内时,可抑制电池容量的降低及阻抗的增大,并且能够确保良好的涂布性。
(电极密度)
对于将负极活性物质电极化时的电极结构并无特殊限制,但存在于集电体上的负极活性物质的密度优选为1g·cm-3以上、更优选为1.2g·cm-3以上、特别优选为1.3g·cm-3以上,另外,优选为2.2g·cm-3以下、更优选为2.1g·cm-3以下、进一步优选为2.0g·cm-3以下、特别优选为1.9g·cm-3以下。存在于集电体上的负极活性物质的密度在上述范围内时,可以防止负极活性物质粒子的破坏,能够抑制初期不可逆容量的增加、非水电解液向集电体/负极活性物质界面附近的浸透性降低引起的高电流密度充放电特性劣化,同时可以抑制电池容量的降低及电阻的增大。
(负极板的厚度)
负极板的厚度根据所使用的正极板进行设计,并无特殊限制,但减去芯材的金属箔厚度后的复层材料层的厚度通常为15μm以上、优选为20μm以上、更优选为30μm以上,另外,通常为300μm以下、优选为280μm以下、更优选为250μm以下。
(负极板的表面包覆)
另外,还可以使用在上述负极板的表面附着有与其组成不同的物质的材料。作为表面附着物质,可列举:氧化铝、氧化硅、氧化钛、氧化锆、氧化镁、氧化钙、氧化硼、氧化锑、氧化铋等氧化物,硫酸锂、硫酸钠、硫酸钾、硫酸镁、硫酸钙、硫酸铝等硫酸盐,碳酸锂、碳酸钙、碳酸镁等碳酸盐等。
2-2.正极
<正极活性物质>
以下,针对用于正极的正极活性物质进行说明。
(组成)
作为正极活性物质,只要是能够电化学地吸留和放出锂离子的物质则没有特殊限制,优选例如含有锂和至少一种过渡金属的物质。作为具体例,可列举锂过渡金属复合氧化物、含锂过渡金属磷酸化合物。
作为锂过渡金属复合氧化物的过渡金属,优选V、Ti、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu等,作为具体例,可列举LiCoO2等锂-钴复合氧化物、LiNiO2等锂-镍复合氧化物、LiMnO2、LiMn2O4、Li2MnO4等锂-锰复合氧化物、LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2、LiNi0.5Mn0.3Co0.2O2等锂-镍-锰-钴复合氧化物、这些锂过渡金属复合氧化物中作为主体的过渡金属原子的一部分被Na、K、B、F、Al、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Li、Ni、Cu、Zn、Mg、Ga、Zr、Si、Nb、Mo、Sn、W等其它元素置换而得到的复合氧化物等。作为经置换而得到的复合氧化物的具体例,可列举例如:LiNi0.5Mn0.5O2、LiNi0.85Co0.10Al0.05O2、LiNi0.33Co0.33Mn0.33O2、LiNi0.45Co0.10Al0.45O2、LiMn1.8Al0.2O4、LiMn1.5Ni0.5O4等。
作为含锂过渡金属磷酸化合物的过渡金属,优选V、Ti、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu等,作为具体例,可列举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Al、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Li、Ni、Cu、Zn、Mg、Ga、Zr、Nb、Si等其它元素置换而得到的化合物等。
另外,正极活性物质中含有磷酸锂时,可提高连续充电特性,故优选。磷酸锂的使用并无限制,但优选将上述正极活性物质和磷酸锂混合使用。所使用的磷酸锂的量相对于上述正极活性物质和磷酸锂的总量,下限优选为0.1质量%以上、更优选为0.3质量%以上、进一步优选为0.5质量%以上,上限优选为10质量%以下、更优选为8质量%以下、进一步优选为5质量%以下。
(表面包覆)
另外,还可以使用在上述正极活性物质的表面附着有与其组成不同的物质的材料。作为表面附着物质,可列举:氧化铝、氧化硅、氧化钛、氧化锆、氧化镁、氧化钙、氧化硼、氧化锑、氧化铋等氧化物,硫酸锂、硫酸钠、硫酸钾、硫酸镁、硫酸钙、硫酸铝等硫酸盐,碳酸锂、碳酸钙、碳酸镁等碳酸盐,碳等。
可以通过下述方法使这些表面附着物质附着于该正极活性物质表面:例如,使表面附着物质溶解或悬浮于溶剂中,以使其浸渗添加在该正极活性物质中,然后进行干燥的方法;使表面附着物质前体溶解或悬浮于溶剂中,以使其浸渗添加在该正极活性物质中,然后通过进行加热等使其反应的方法;将表面附着物质添加到正极活性物质前体中并同时进行烧制的方法等。需要说明的是,使碳附着于正极活性物质表面的情况下,还可以采用使碳质以例如活性炭等的形式在之后进行机械附着的方法。
作为表面附着物质的量,相对于该正极活性物质,其用量以质量计,下限优选为0.1ppm以上、更优选为1ppm以上、进一步优选为10ppm以上,上限优选为20%以下、更优选为10%以下、进一步优选为5%以下。通过表面附着物质,可以抑制电解液在正极活性物质表面发生氧化反应,从而提高电池寿命,但如果附着量过少,则其效果无法充分表现出来,而过多的情况下,会对锂离子的进出造成阻碍,可能会导致电阻增加。
本发明中,将在正极活性物质的表面附着有与其组成不同的物质的材料也称为“正极活性物质”。
(形状)
正极活性物质的粒子形状可列举以往所使用那样的块状、多面体状、球状、椭球状、板状、针状、柱状等。另外,也可以由初级粒子凝聚而形成次级粒子。
(振实密度)
正极活性物质的振实密度优选为0.5g/cm3以上、更优选为0.8g/cm3以上、进一步优选为1.0g/cm3以上。该正极活性物质的振实密度在上述范围内时,形成正极活性物质层时所需要的分散介质量及导电材料、粘结材料的必要量可得到抑制,其结果,能够确保正极活性物质的填充率及电池容量。通过使用振实密度高的复合氧化物粉体,可以形成高密度的正极活性物质层。振实密度通常越大越优选,其没有特别的上限,但优选为4.0g/cm3以下、更优选为3.7g/cm3以下、进一步优选为3.5g/cm3以下。在上述范围内时,可抑制负载特性的降低。
需要说明的是,在本发明中,振实密度通过下述方法求出:将正极活性物质粉体5~10g加入到10ml的玻璃制量筒中,并以约20mm的冲程振实200次,求出此时的粉末填充密度(振实密度)g/cc。
(中值粒径d50)
正极活性物质的粒子的中值粒径d50(初级粒子凝聚形成次级粒子的情况下,为次级粒径)优选为0.3μm以上、更优选为0.5μm以上、进一步优选为0.8μm以上、最优选为1.0μm以上,其上限优选为30μm以下、更优选为27μm以下、进一步优选为25μm以下、最优选为22μm以下。在上述范围内时,可获得高振实密度品,能够抑制电池性能的降低,另一方面,在进行电池的正极制作、即利用溶剂将活性物质和导电材料、粘合剂等制成浆料并涂布成薄膜状时,能够防止产生条纹等问题。这里,还可以通过将2种以上具有不同中值粒径d50的该正极活性物质混合来进一步提高正极制作时的填充性。
需要说明的是,本发明中,中值粒径d50可利用公知的激光衍射/散射式粒度分布测定装置进行测定。使用HORIBA公司制造的LA-920作为粒度分布仪的情况下,使用0.1质量%六偏磷酸钠水溶液作为测定时使用的分散介质,在进行5分钟的超声波分散后,设定测定折射率为1.24来进行测定。
(平均初级粒径)
初级粒子凝聚而形成次级粒子的情况下,作为该正极活性物质的平均初级粒径,优选为0.05μm以上、更优选为0.1μm以上、进一步优选为0.2μm以上,其上限优选为5μm以下、更优选为4μm以下、进一步优选为3μm以下、最优选为2μm以下。在上述范围内时,可确保粉末填充性及比表面积,能够抑制电池性能的降低,另一方面,能够通过获得适度的结晶性来确保充放电的可逆性。
需要说明的是,本发明中,初级粒径通过使用扫描电子显微镜(SEM)进行观察来测定。具体如下:在倍率10000倍的照片中,针对任意50个初级粒子,求出初级粒子左右的边界线相对于水平方向直线的截距的最长值,再取其平均值而求出初级粒径。
(BET比表面积)
正极活性物质的BET比表面积优选为0.1m2/g以上、更优选为0.2m2/g以上、进一步优选为0.3m2/g以上,其上限为50m2/g以下、优选为40m2/g以下、进一步优选为30m2/g以下。BET比表面积在上述范围内时,可确保电池性能,同时能够良好地保持正极活性物质的涂布性。
需要说明的是,本发明中,将利用下述方法测定的值定义为BET比表面积:利用表面积计(例如,大仓理研制全自动表面积测定装置),在氮气流中、150℃下对试样进行30分钟预干燥,然后使用氮气相对于大气压的相对压力值准确调节为0.3的氮氦混合气体,通过采用气体流动法的氮吸附BET1点法进行测定。
(正极活性物质的制造方法)
作为正极活性物质的制造方法,可采用作为无机化合物的制造方法的通常的方法。特别是,可考虑各种方法来制作球状或椭球状的活性物质,例如,将过渡金属的原料物质溶解或粉碎分散于水等溶剂中,边搅拌边调节pH,制成球状的前体并进行回收,根据需要对其进行干燥,然后加入LiOH、Li2CO3、LiNO3等Li源,并在高温下进行烧制,从而获得活性物质。
为了制造正极,可以单独使用上述正极活性物质,也可以以任意组合或比率将具有不同组成的一种以上上述正极活性物质组合使用。作为此时的优选组合,可列举:LiCoO2与LiNi0.33Co0.33Mn0.33O2等LiMn2O4或该Mn的一部分被其它过渡金属等置换而得到的化合物的组合、或LiCoO2或该Co的一部分被其它过渡金属等置换而得到的化合物的组合。
<正极的构成和制作方法>
以下,针对正极的构成进行说明。本发明中,正极可通过在集电体上形成含有正极活性物质和粘结剂的正极活性物质层来制作。使用正极活性物质的正极的制造可利用常规方法进行。即,可以将正极活性物质和粘结剂、以及根据需要而使用的导电材料及增稠剂等进行干式混合并制成片状,再将该片状材料压合在正极集电体上,或将这些材料溶解或分散在液体介质中制成浆料,将该浆料涂布于正极集电体上并进行干燥,由此在集电体上形成正极活性物质层,从而获得正极。
正极活性物质在正极活性物质层中的含量优选为80质量%以上、更优选为82质量%以上、特别优选为84质量%以上。另外,其上限优选为99质量%以下、更优选为98质量%以下。在上述范围内时,可以确保正极活性物质层中的正极活性物质的电容量,同时可以保持正极的强度。为了提高经过涂布、干燥而得到的正极活性物质层中正极活性物质的填充密度,优选通过手动压机、辊压机等进行压实化。正极活性物质层的密度的下限优选为1.5g/cm3以上、更优选为2g/cm3、进一步优选为2.2g/cm3以上,上限优选为5g/cm3以下、更优选为4.5g/cm3以下、进一步优选为4g/cm3以下的范围。在上述范围内时,可以获得良好的充放电特性,同时能够抑制电阻的增大。
(导电材料)
作为导电材料,可任意使用公知的导电材料。作为具体例,可列举铜、镍等金属材料;天然石墨、人造石墨等石墨(graphite);乙炔黑等炭黑;针状焦等无定形碳等碳材料等。需要说明的是,这些导电材料可以单独使用一种,也可以以任意组合及比率将两种以上组合使用。所使用的导电材料在正极活性物质层中的含量通常为0.01质量%以上、优选为0.1质量%以上、更优选为1质量%以上,另外,上限通常为50质量%以下、优选为30质量%以下、更优选为15质量%以下。在上述范围时,可以确保充分的导电性和电池容量。
(粘结剂)
作为用于制造正极活性物质层的粘结剂,并无特殊限制,采用涂布法的情况下,只要是可溶解或分散于制造电极时所使用的液体介质中的材料即可,作为其具体例,可列举:聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰亚胺、芳香族聚酰胺、纤维素、硝基纤维素等树脂类高分子;SBR(苯乙烯-丁二烯橡胶)、NBR(丁腈橡胶)、氟橡胶、异戊二烯橡胶、丁二烯橡胶、乙丙橡胶等橡胶状高分子;苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物或其加氢产物、EPDM(乙烯-丙烯-二烯三元共聚物)、苯乙烯-乙烯-丁二烯-乙烯共聚物、苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物或其加氢产物等热塑性弹性体状高分子;间规立构1,2-聚丁二烯、聚乙酸乙烯酯、乙烯-乙酸乙烯酯共聚物、丙烯-α-烯烃共聚物等软质树脂状高分子;聚偏氟乙烯(PVdF)、聚四氟乙烯、氟化聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯-乙烯共聚物等氟类高分子;具有碱金属离子(特别是锂离子)的离子传导性的高分子组合物;等等。需要说明的是,这些物质可以单独使用一种,也可以以任意组合及比率将两种以上组合使用。
正极活性物质层中的粘结剂的比例通常为0.1质量%以上、优选为1质量%以上、进一步优选为1.5质量%以上,其上限通常为80质量%以下、优选为60质量%以下、进一步优选为40质量%以下、最优选为10质量%以下。如果粘结剂的比例过低,则可能无法充分保持正极活性物质,会导致正极的机械强度不足、循环特性等电池性能劣化。另一方面,如果过高,则可能导致电池容量或导电性降低。
(浆料形成溶剂)
作为用于形成浆料的溶剂,只要是可以溶解或分散正极活性物质、导电材料、粘结剂、以及根据需要而使用的增稠剂的溶剂即可,对其种类没有特殊限制,可以使用水性溶剂和有机类溶剂中的任意溶剂。作为水性介质,可列举水、醇与水的混合介质等。作为有机类溶剂,可列举例如:己烷等脂肪族烃类;苯、甲苯、二甲苯、甲基萘等芳香族烃类;喹啉、吡啶等杂环化合物;丙酮、甲乙酮、环己酮等酮类;乙酸甲酯、丙烯酸甲酯等酯类;二亚乙基三胺、N,N-二甲基氨基丙胺等胺类;乙醚、环氧丙烷、四氢呋喃(THF)等醚类;N-甲基吡咯烷酮(NMP)、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺等酰胺类;六甲基磷酰胺、二甲亚砜等极性非质子溶剂等。
特别是,使用水性介质的情况下,优选使用增稠剂和苯乙烯-丁二烯橡胶(SBR)等胶乳进行浆料化。增稠剂通常可用于调节浆料的粘度。作为增稠剂,并无特殊限制,具体可列举:羧甲基纤维素、甲基纤维素、羟甲基纤维素、乙基纤维素、聚乙烯醇、氧化淀粉、磷酸化淀粉、酪蛋白及它们的盐等。这些增稠剂可以单独使用一种,也可以以任意组合及比例组合使用两种以上。此外,添加增稠剂的情况下,增稠剂相对于活性物质的比例为0.1质量%以上、优选为0.2质量%以上、更优选为0.3质量%以上,另外,作为其上限,在5质量%以下、优选为3质量%以下、更优选为2质量%以下的范围。在上述范围内时,可获得良好的涂布性,同时能够抑制电池容量的降低及电阻的增大。
(集电体)
作为正极集电体的材质,没有特别限制,可使用任意公知的材质。作为具体例,可列举铝、不锈钢、镀镍、钛、钽等金属材料;碳布、碳纸等碳材料。其中,优选金属材料,尤其优选铝。
作为集电体的形状,对于材质为金属材料的情况而言,可列举金属箔、金属圆柱、金属线圈、金属板、金属薄膜、膨胀合金、穿孔金属、发泡金属等;对于材质为碳材料的情况而言,可列举碳板、碳薄膜、碳圆柱等。这些中,优选金属薄膜。需要说明的是,薄膜也可适当形成为网状。薄膜可以为任意厚度,但从作为集电体的强度及操作性的观点考虑,通常为1μm以上、优选为3μm以上、更优选为5μm以上,另外,其上限通常为1mm以下、优选为100μm以下、更优选为50μm以下。
另外,从降低集电体与正极活性物质层的接触电阻的观点考虑,还优选在集电体的表面涂布导电助剂。作为导电助剂,可列举碳、或金、铂、银等贵金属类。
集电体与正极活性物质层的厚度比并无特殊限制,但(在即将进行电解液注液之前单面上的正极活性物质层的厚度)/(集电体的厚度)的值优选为20以下、更优选为15以下、最优选为10以下,其下限优选为0.5以上、更优选为0.8以上、最优选为1以上的范围。超过该范围时,在进行高电流密度充放电时,集电体可能会因焦耳热而产生发热。在上述范围内时,可抑制在高电流密度充放电时的集电体的发热,能够确保电池容量。
(电极面积)
使用本发明的电解液的情况下,从高输出且提高高温时的稳定性的观点考虑,相对于电池外装壳体的外表面积,正极活性物质层的面积越大越优选。具体而言,正极的电极面积的总和相对于二次电池的外装表面积以面积比计优选为15倍以上、进一步优选为40倍以上。所述外装壳体的外表面积是指:对于有底方形形状的情况而言,由除了端子的突起部分之外填充有发电元件的壳体部分的纵、横及厚度的尺寸计算求出的总面积;对于有底圆筒形状的情况而言,将除了端子的突起部分之外填充有发电元件的壳体部分视为圆筒而近似求出的几何表面积。所述正极的电极面积的总和是指:与包含负极活性物质的复层材料层方向相对的正极复层材料层的几何表面积,对于隔着集电体箔在两面形成有正极复层材料层的结构而言,是指由各个面分别计算出的面积的总和。
(正极板的厚度)
正极板的厚度没有特殊限定,但从高容量且高输出的观点考虑,减去芯材的金属箔厚度后的复层材料层的厚度相对于集电体的单面的下限优选为10μm以上、更优选为20μm以上,其上限优选为500μm以下、更优选为450μm以下。
(正极板的表面包覆)
另外,也可以使用在上述正极板的表面附着有与其组成不同的物质的材料。作为表面附着物质,可列举:氧化铝、氧化硅、氧化钛、氧化锆、氧化镁、氧化钙、氧化硼、氧化锑、氧化铋等氧化物,硫酸锂、硫酸钠、硫酸钾、硫酸镁、硫酸钙、硫酸铝等硫酸盐,碳酸锂、碳酸钙、碳酸镁等碳酸盐,碳等。
2-3.隔板
为了防止短路,通常使正极和负极之间介入隔板。该情况下,通常使该隔板中浸渗有本发明的电解液后使用。
隔板的材料及形状没有特殊限制,在不明显破坏本发明效果的范围内可任意采用公知的隔板。其中,可使用由相对于本发明的电解液稳定的材料形成的树脂、玻璃纤维、无机物等,优选使用保液性优异的多孔片或无纺布状形态的材料等。
作为树脂、玻璃纤维隔板的材料,可使用例如聚乙烯、聚丙烯等聚烯烃、芳香族聚酰胺、聚四氟乙烯、聚醚砜、玻璃过滤器等。其中,优选玻璃过滤器、聚烯烃,进一步优选聚烯烃。这些材料可单独使用一种,也可以以任意组合及比率将2种以上组合使用,还可以使用叠层而成的材料。作为以任意的组合将2种以上叠层而成的材料的具体例,可列举:以聚丙烯、聚乙烯、聚丙烯的顺序叠层而成的三层隔板等。
隔板可以为任意厚度,但通常为1μm以上、优选为5μm以上、进一步优选为8μm以上,另外,通常为50μm以下、优选为40μm以下、进一步优选30μm以下。在上述范围内时,可确保绝缘性及机械强度,同时能够确保倍率特性等电池性能及能量密度。
进一步,使用多孔片、无纺布等多孔材料作为隔板的情况下,隔板的空隙率是任意的,但通常为20%以上、优选为35%以上、更优选为45%以上,另外,通常为90%以下、优选为85%以下、进一步优选75%以下。空隙率在上述范围内时,可确保绝缘性及机械强度,同时能够抑制膜电阻,获得良好的倍率特性。
另外,隔板的平均孔径也是任意的,但通常为0.5μm以下、优选为0.2μm以下,另外,通常为0.05μm以上。平均孔径超过上述范围时,容易发生短路。平均孔径在上述范围内时,可以防止短路,并且能够抑制膜电阻,获得良好的倍率特性。另一方面,作为无机物的材料,可使用氧化铝、二氧化硅等氧化物、氮化铝、氮化硅等氮化物、硫酸钡、硫酸钙等硫酸盐,可使用粒子形状或纤维形状的无机物材料。
作为隔板的形态,可采用无纺布、织布、微多孔膜等薄膜形状。在薄膜形状中,优选使用孔径为0.01~1μm、厚度为5~50μm的薄膜。除了上述独立的薄膜形状以外,还可以使用下述隔板:使用树脂制粘结剂在正极和/或负极的表层形成含有上述无机物粒子的复合多孔层而得到的隔板。例如,可列举如下:使用氟树脂作为粘结剂,使90%粒径小于1μm的氧化铝粒子在正极的两面形成多孔层。
2-4.电池设计
<电极组>
电极组可以是由上述正极板和负极板隔着上述隔板叠层而成的结构、以及由上述正极板和负极板隔着上述隔板卷绕成螺旋状而得到的结构中的任意结构。电极组的质量在电池内容积中所占的比例(以下称为电极组占有率)通常为40%以上、优选为50%以上,另外,通常为90%以下、优选为80%以下。电极组占有率在上述范围内时,可以确保电池容量,同时能够抑制伴随内部压力上升而导致的反复充放电性能及高温保存等特性的降低,进而能够防止气体释放阀工作。
<集电结构>
集电结构没有特殊限制,但优选制成降低配线部分及接合部分电阻的结构。电极组为上述叠层结构时,优选采用将各电极层的金属芯部分捆在一起并焊接在端子上而形成的结构。由于当有一片电极面积增大时,内部电阻随之增加,因此也优选采用在电极内设置多个端子来降低电阻的方法。电极组为上述卷绕结构时,可以通过在正极和负极上分别设置多个引线结构并捆在端子上来降低内部电阻。
<外装壳体>
作为外装壳体的材质,只要是相对于使用的非水电解液稳定的物质即可,并无特殊限制。具体而言,可采用:镀镍钢板、不锈钢、铝或铝合金、镁合金等金属类、或树脂与铝箔的叠层膜(层压膜)。从轻质化的观点考虑,优选使用铝或铝合金的金属、层压膜。
在使用金属类的外装壳体中,可列举具有下述结构的壳体:通过激光焊接、电阻焊接、超声波焊接将金属之间相互熔粘而形成的封装密闭结构;或隔着树脂制垫圈使用上述金属类而形成的铆接结构。在使用上述层压膜的外装外壳中,可列举通过将树脂层之间热熔合而制成的封装密闭结构。为了提高密封性,还可以在上述树脂层之间夹入与层压膜中所使用的树脂不同的树脂。特别是,在通过集电端子将树脂层热熔合来形成密闭结构时,由于金属和树脂之间的接合,优选使用具有极性基团的树脂或导入了极性基团的改性树脂作为夹入到树脂层之间的树脂。此外,外装体的形状也是任意的,可以是例如圆筒形、方形、层压型、硬币形、大型等中的任意形状。
<保护元件>
作为保护元件,可使用在异常发热或过大电流流过时电阻增加的PTC(PositiveTemperature Coefficient,正温度系数)、温度熔断器、热敏电阻、在异常发热时通过使电池内部压力或内部温度急剧上升而切断在电路中流过的电流的阀(电流切断阀)等。上述保护元件优选选择在高电流的常规使用中不工作的条件的元件,更优选设计成即使不存在保护元件也不至于发生异常发热或热逃逸的形式。