CN111628217B - 锂离子二次电池用电解液、锂离子二次电池及组件 - Google Patents

锂离子二次电池用电解液、锂离子二次电池及组件 Download PDF

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Abstract

本发明所要解决的技术问题在于:提供一种不仅能够抑制锂离子二次电池的初始电阻,还能够抑制高温循环时的电阻升高,另外,也能够抑制高温时产生气体的电解液。本发明解决上述技术问题的技术手段是:一种锂离子二次电池用电解液,其特征在于,包含通式(1)所示的化合物(1)、二氟磷酸锂及草酸根离子,通式(1):通式(1)中,R1及R2独立地为甲基、乙基、丙基或丁基。

Description

锂离子二次电池用电解液、锂离子二次电池及组件
技术领域
本发明涉及一种锂离子二次电池用电解液、锂离子二次电池及组件。
背景技术
随着近年来电器产品的轻量化、小型化,正在开发具有高能量密度的锂离子二次电池等电化学器件。另外,随着锂离子二次电池等电化学器件的应用领域的扩大,需要改善其特性。特别是今后在将锂离子二次电池用于车载的情况下,电池特性的改善将日益重要。
另一方面,针对电容器,也进行了为了改善特性的研究,例如,专利文献1中记载了一种电解电容器用电解液,其特征在于,将特定的含硼阴离子的季铵盐或者季鏻盐用作溶质。
另外,专利文献2中记载了一·种电化学电容器用电解液,其含有由特定的含硼阴离子和2位被烷基取代的咪唑鎓阳离子构成的脒盐。
另外,专利文献3中记载了添加有二氟燐酸锂等的非水系电解液。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开平1-194313号公报
专利文献2:日本特开2008-218487号公报
专利文献3:日本特开平11-67270号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
本发明的目的在于,提供一种不仅能够抑制锂离子二次电池的初始电阻,还能够抑制高温循环时的电阻升高,另外,也能够抑制高温时产生气体的电解液、及具备该电解液的锂离子二次电池。
用于解决问题的技术方案
本发明涉及一种锂离子二次电池用电解液,其特征在于,
包含通式(1)所示的化合物(1)、二氟磷酸锂及草酸根离子,
通式(1):
【化学式1】
通式(1)中,R1及R2独立地为甲基、乙基、丙基或丁基。。
优选地,上述化合物(1)为1-乙基-3-甲基咪唑鎓双(草酸根合)硼酸盐。
优选地,相对于电解液,上述化合物(1)的含量为0.05~10质量%。
优选地,相对于电解液,二氟磷酸锂的含量为0.1~2.0质量%。
本发明还涉及一种锂离子二次电池用电解液,其特征在于,
包含通式(1-1)所示的咪唑鎓阳离子(1-1)、双(草酸根合)硼酸根阴离子、二氟磷酸根离子及草酸根离子,
通式(1-1):
【化学式2】
通式(1-1)中,R1及R2独立地为甲基、乙基、丙基或丁基。
优选地,相对于电解液,草酸根离子的含量为0.5~6000质量ppm。
本发明还涉及一种锂离子二次电池,其特征在于,具备上述电解液。
本发明还涉及一种组件,其特征在于,具备上述锂离子二次电池。
发明效果
根据本发明,能够提供一种不仅能够抑制锂离子二次电池的初始电阻,还能够抑制高温循环时的电阻升高,另外,也能够抑制高温时产生气体的电解液、及具备该电解液的锂离子二次电池。
具体实施方式
下面,对本发明进行具体说明。
本发明涉及一种锂离子二次电池用电解液(下面,也称为第一电解液),其特征在于,包括通式(1)所示的化合物(1)、二氟磷酸锂(LiPO2F2)、及草酸根离子(C2O4 2-),
通式(1):
【化学式3】
通式(1)中,R1及R2独立地为甲基、乙基、丙基或丁基。。
通过具有上述特征,本发明的第一电解液不仅能够抑制锂离子二次电池的初始电阻,还能够抑制高温循环时的电阻升高,另外,也能够抑制高温时产生气体。
另外,本发明的第一电解液也能够提高锂离子二次电池的高温循环特性(例如,高温循环时的容量保持率)。
通式(1)中,R1及R2独立地为碳原子数1~4的可具有醚键的烷基。作为上述烷基,可举出:甲基、乙基、丙基、丁基等。优选R1及R2的至少一方为甲基;优选R1及R2的一方为甲基,另一方为乙基、丙基或丁基。
作为化合物(1),其中,优选为选自由式(1-a):
【化学式4】
所示的化合物(1-a)(1-乙基-3-甲基咪唑鎓双(草酸根合)硼酸盐)、及式(1-b):
【化学式5】
所示的化合物(1-b)(1-丁基-3-甲基咪唑鎓双(草酸根合)硼酸盐)构成的组中的至少一种,更优选为化合物(1-a)(1-乙基-3-甲基咪唑鎓双(草酸根合)硼酸盐)。
化合物(1)可以单独使用一种,也可以并用两种以上。
优选地,在第一电解液中,相对于上述电解液,化合物(1)的含量为0.05~10质量%。通过使化合物(1)的含量在上述范围,能够进一步抑制锂离子二次电池的初始电阻及高温循环时的电阻升高,另外,也能够进一步抑制高温时产生气体。
作为化合物(1)的含量,相对于上述电解液,更优选为0.1质量%以上,进一步优选为0.5质量%以上,特别优选为1.0质量%以上。另外,更优选为8.0质量%以下,进一步优选为3.0质量%以下,特别优选为2.0质量%以下。
优选地,在第一电解液中,相对于上述电解液,二氟磷酸锂的含量为0.1~2.0质量%。通过使二氟磷酸锂的含量在上述范围,能够进一步抑制锂离子二次电池的初始电阻及高温循环时的电阻升高,另外,也能够进一步抑制高温时产生气体。
作为二氟磷酸锂的含量,相对于上述电解液,更优选为0.5质量%以上,进一步优选0.8质量%以上。另外,更优选为1.5质量%以下,进一步优选为1.1质量%以下。
优选地,在第一电解液中,相对于上述电解液,草酸根离子的含量为0.5~6000质量ppm。通过使草酸根离子的含量在上述范围,能够进一步抑制锂离子二次电池的初始电阻及高温循环时的电阻升高,另外,也能够进一步抑制高温时产生气体。
作为草酸根离子的含量,相对于上述电解液,更优选为5质量ppm以上,进一步优选为20质量ppm以上,特别优选为30质量ppm以上。另外,更优选为5000质量ppm以下,进一步优选为1000质量ppm以下,特别优选为150质量ppm以下。
本发明还涉及一种锂离子二次电池用电解液(下面,也称为第二电解液),其特征在于,包含通式(1-1)所示的咪唑鎓阳离子(1-1)、双(草酸根合)硼酸根阴离子、二氟磷酸根离子(PO2F2 -)、及草酸根离子(C2O4 2-),
通式(1-1):
【化学式6】
通式(1-1)中,R1及R2独立地为甲基、乙基、丙基或丁基。
需要说明的是,双(草酸根合)硼酸根阴离子为下述式所示的阴离子。
【化学式7】
通过具有上述特征,本发明的第二电解液不仅能够抑制锂离子二次电池的初始电阻,还能够抑制高温循环时的电阻升高,另外,也能够抑制高温时产生气体。
另外,本发明的第二电解液也能够提高锂离子二次电池的高温循环特性(例如,高温循环时的容量保持率)。
通式(1-1)中,R1及R2独立地为甲基、乙基、丙基或丁基。R1及R2的优选的组合如针对通式(1)所说明那样。
作为咪唑鎓阳离子(1-1),其中,优选为选自由
【化学式8】
所示的咪唑鎓阳离子(1-1a)、及
【化学式9】
所示的咪唑鎓阳离子(1-1b)构成的组中的至少一种,更优选为咪唑鎓阳离子(1-1a)。
优选地,在第二电解液中,咪唑鎓阳离子(1-1)的含量(a)和双(草酸根合)硼酸根阴离子的含量(b)的摩尔比(a/b)为0.03~1。通过使摩尔比(a/b)在上述范围,能够进一步抑制锂离子二次电池的初始电阻及高温循环时的电阻升高,另外,也能够进一步抑制高温时产生气体。
作为摩尔比(a/b),更优选为0.1以上,进一步优选为0.3以上,进一步更优选为0.5以上,特别优选为0.9以上。
优选地,在第二电解液中,咪唑鎓阳离子(1-1)的含量(a)和二氟磷酸根离子的含量(c)的摩尔比(a/c)为0.01~30。通过使摩尔比(a/c)在上述范围,能够进一步抑制锂离子二次电池的初始电阻及高温循环时的电阻升高,另外,也能够进一步抑制高温时产生气体。
作为摩尔比(a/c),优选为0.02以上,特别优选为0.1以上。另外,更优选为10以下,特别优选为6以下。
优选地,在第二电解液中,相对于上述电解液,上述双(草酸根合)硼酸根阴离子的含量为0.01~9质量%。
上述咪唑鎓阳离子(1-1)、双(草酸根合)硼酸根阴离子、及二氟磷酸根离子的含量能够通过NMR、液相色谱测定。
优选地,在第二电解液中,草酸根离子的含量相对于上述电解液为0.5~6000质量ppm。通过使草酸根离子的含量在上述范围,能够进一步抑制锂离子二次电池的初始电阻及高温循环时的电阻升高,另外,也能够进一步抑制高温时产生气体。
作为草酸根离子的含量,相对于上述电解液,更优选为5质量ppm以上,进一步优选为20质量ppm以上,特别优选为30质量ppm以上。另外,更优选为5000质量ppm以下,进一步优选为1000质量ppm以下,特别优选为150质量ppm以下。
上述草酸根离子的含量能够通过离子色谱测定。
作为提供第二电解液中所含的各离子的离子源,使用包含各离子且对于构成电解液的溶剂可溶的化合物。上述离子源能够分别使用一种或两种以上。
作为咪唑鎓阳离子(1-1)的离子源,可举出:上述化合物(1)、含有咪唑鎓阳离子(1-1)和抗衡阴离子(其中,排除双(草酸根合)硼酸根阴离子)的化合物。
作为上述抗衡阴离子(其中,排除双(草酸根合)硼酸根阴离子),可举出:PO2F2 -、PF6 -、N(FSO2)2 -、N(CF3SO2)2 -、ClO4 -、Cl-、BF4 -、草酸根离子等,其中,优选为PO2F2 -、草酸根离子,更优选为PO2F2 -
作为双(草酸根合)硼酸根阴离子的离子源,可举出:上述化合物(1)、含有双(草酸根合)硼酸根阴离子和抗衡阳离子(其中,排除咪唑鎓阳离子(1-1))的化合物。
作为上述抗衡阳离子(其中,排除咪唑鎓阳离子(1-1)),可举出:Li+、铵阳离子、吡啶鎓阳离子、吡咯烷鎓阳离子、哌啶鎓阳离子等,其中,优选为Li+
在能够进一步抑制锂离子二次电池的初始电阻及高温循环时的电阻升高,另外,也能够进一步抑制高温时产生气体方面,作为咪唑鎓阳离子(1-1)及双(草酸根合)硼酸根阴离子的双方的离子源,优选使用化合物(1)。
作为二氟磷酸根离子的离子源,可举出含有二氟磷酸根离子和抗衡阳离子的化合物。
作为上述抗衡阳离子,可举出:咪唑鎓阳离子(1-1)、Li+、铵阳离子、吡啶鎓阳离子、吡咯烷鎓阳离子、哌啶鎓阳离子等,其中,优选为咪唑鎓阳离子(1-1)、Li+,更优选为Li+
作为草酸根离子的离子源,可举出含有草酸根离子和抗衡阳离子的化合物。
作为上述抗衡阳离子,可举出:咪唑鎓阳离子(1-1)、Li+、铵阳离子、吡啶鎓阳离子、吡咯烷鎓阳离子、哌啶鎓阳离子等,其中,优选为咪唑鎓阳离子(1-1)、Li+,更优选为Li+
优选第二电解液进一步包含锂离子(Li+)。优选上述电解液中的锂离子的浓度为0.01~1.5mol/L。作为锂离子的浓度,更优选为0.10mol/L以上,进一步优选为0.50mol/L以上,特别优选为0.80mol/L以上。另外,更优选为1.2mol/L以下,进一步优选为1.1mol/L以下。
作为锂离子的离子源,可举出含有锂离子和抗衡阴离子的化合物,具体而言,可举出下述的化合物(5)(其中,Aa+为锂离子)、锂盐(其中,排除化合物(5))、以及草酸锂等。其中,优选为LiPF6、双(草酸根合)硼酸锂、氯化锂、LiPO2F2、草酸锂,更优选为LiPF6、双(草酸根合)硼酸锂、LiPO2F2、草酸锂。
优选本发明的电解液(第一及第二电解液)包含溶剂。
优选上述溶剂包含选自由碳酸酯及羧酸酯构成的组中的至少一种。
上述碳酸酯可以为环状碳酸酯,也可以为链状碳酸酯。
上述环状碳酸酯可以为未氟代环状碳酸酯,也可以为氟代环状碳酸酯。
作为上述未氟代环状碳酸酯,可举出未氟代饱和环状碳酸酯,优选为碳原子数2~6的具有亚烷基的未氟代饱和碳酸亚烷基酯,更优选为碳原子数2~4的具有亚烷基的未氟代饱和碳酸亚烷基酯。
其中,作为上述未氟代饱和环状碳酸酯,在介电常数高,粘度适当方面,优选为选自由碳酸亚乙酯、碳酸亚丙酯、顺式-2,3-亚戊基碳酸酯、顺式-2,3-亚丁基碳酸酯、2,3-亚戊基碳酸酯、2,3-亚丁基碳酸酯、1,2-亚戊基碳酸酯、1,2-亚丁基碳酸酯及碳酸亚丁酯构成的组中的至少一种。
上述未氟代饱和环状碳酸酯可以单独使用一种,也可以以任意的组合及比率并用两种以上。
在包含上述未氟代饱和环状碳酸酯的情况下,优选上述未氟代饱和环状碳酸酯的含量相对上述溶剂为5~90体积%,更优选为10~60体积%,进一步优选为15~45体积%。
上述氟代环状碳酸酯为具有氟原子的环状碳酸酯。包含氟代环状碳酸酯的溶剂即使在高电压下也能够优选使用。
需要说明的是,在本说明书中,“高电压”是指4.2V以上的电压。另外,“高电压”的上限优选为4.9V。
上述氟代环状碳酸酯可以为氟代饱和环状碳酸酯,也可以为氟代不饱和环状碳酸酯。
上述氟代饱和环状碳酸酯为具有氟原子的饱和环状碳酸酯,具体而言,可举出下述通式(A)所示的化合物:
【化学式10】
式中,X1~X4可以相同或不同,分别表示-H、-CH3、-C2H5、-F、可具有醚键的氟代烷基或可具有醚键的氟代烷氧基。其中,X1~X4中的至少一个为-F、可具有醚键的氟代烷基或可具有醚键的氟代烷氧基。上述氟代烷基为-CF3、-CF2H、-CH2F等。
若包含上述氟代饱和环状碳酸酯,则在将本发明的电解液用于高电压锂离子二次电池等的情况下,电解液的抗氧化性提高,能够得到稳定且优异的充放电特性。
需要说明的是,本说明书中,“醚键”为-O-所示的键。
从介电常数、抗氧化性良好方面出发,优选X1~X4中的一个或两个为-F、可具有醚键的氟代烷基或可具有醚键的氟代烷氧基。
由于能够期待降低低温下的粘性、升高闪点、以及提高电解质盐的溶解性,因此,优选X1~X4为-H、-F、氟代烷基(a)、具有醚键的氟代烷基(b)或氟代烷氧基(c)。
上述氟代烷基(a)可以为烷基所具有的氢原子的至少一个被氟原子取代而成。氟代烷基(a)的碳原子数优选为1~20,更优选为1~17,进一步优选为1~7,特别优选为1~5。
若碳原子数过多,则可能会导致低温特性降低或电解质盐的溶解性降低,若碳原子数过少,则有时会出现电解质盐的溶解性降低、放电效率降低、以及粘性增大等情况。
上述氟代烷基(a)中,作为碳原子数为1的基团,可举出:CFH2-、CF2H-、CF3-。特别是,在高温储存特性方面,优选为CF2H-或CF3-,最优选为CF3-。
上述氟代烷基(a)中,作为碳原子数为2以上的基团,从电解质盐的溶解性良好方面出发,能够优选例示下述通式(a-1)所示的氟代烷基:
R1-R2-(a-1)
式中,R1为可具有氟原子的碳原子数1以上的烷基;R2为可具有氟原子的碳原子数1~3的亚烷基;其中,R1及R2的至少一方具有氟原子。
需要说明的是,R1及R2可以进一步具有除碳原子、氢原子及氟原子以外的其它原子。
R1为可具有氟原子的碳原子数1以上的烷基。作为R1,优选为碳原子数1~16的直链状或支链状的烷基。作为R1的碳原子数,更优选为1~6,进一步优选为1~3。
就R1而言,具体而言,作为直链状或支链状的烷基,可举出:CH3-、CH3CH2-、CH3CH2CH2-、CH3CH2CH2CH2-、
【化学式11】
等。
另外,在R1为具有氟原子的直链状的烷基的情况下,可举出:CF3-、CF3CH2-、CF3CF2-、CF3CH2CH2-、CF3CF2CH2-、CF3CF2CF2-、CF3CH2CF2-、CF3CH2CH2CH2-、CF3CF2CH2CH2-、CF3CH2CF2CH2-、CF3CF2CF2CH2-、CF3CF2CF2CF2-、CF3CF2CH2CF2-、CF3CH2CH2CH2CH2-、CF3CF2CH2CH2CH2-、CF3CH2CF2CH2CH2-、CF3CF2CF2CH2CH2-、CF3CF2CF2CF2CH2-、CF3CF2CH2CF2CH2-、CF3CF2CH2CH2CH2CH2-、CF3CF2CF2CF2CH2CH2-、CF3CF2CH2CF2CH2CH2-、HCF2-、HCF2CH2-、HCF2CF2-、HCF2CH2CH2-、HCF2CF2CH2-、HCF2CH2CF2-、HCF2CF2CH2CH2-、HCF2CH2CF2CH2-、HCF2CF2CF2CF2-、HCF2CF2CH2CH2CH2-、HCF2CH2CF2CH2CH2-、HCF2CF2CF2CF2CH2-、HCF2CF2CF2CF2CH2CH2-、FCH2-、FCH2CH2-、FCH2CF2-、FCH2CF2CH2-、FCH2CF2CF2-、CH3CF2CH2-、CH3CF2CF2-、CH3CF2CH2CF2-、CH3CF2CF2CF2-、CH3CH2CF2CF2-、CH3CF2CH2CF2CH2-、CH3CF2CF2CF2CH2-、CH3CF2CF2CH2CH2-、CH3CH2CF2CF2CH2-、CH3CF2CH2CF2CH2CH2-、CH3CF2CH2CF2CH2CH2-、HCFClCF2CH2-、HCF2CFClCH2-、HCF2CFClCF2CFClCH2-、HCFClCF2CFClCF2CH2-等。
另外,在R1为具有氟原子的支链状的烷基的情况下,可优选举出:
【化学式12】
【化学式13】
等。其中,若具有CH3-、CF3-等支链,则粘性容易变高,因此,更优选所述支链的数量较少(1个)或为零。
R2为可具有氟原子的碳原子数1~3的亚烷基。R2可以为直链状,也可以为支链状。下面,将示出构成这样的直链状或支链状的亚烷基的最小结构单元的例子。R2由这些单独构成或组合构成。
(i)直链状的最小结构单元:
-CH2-、-CHF-、-CF2-、-CHCl-、-CFCl-、-CCl2-
(ii)支链状的最小结构单元:
【化学式14】
需要说明的是,在以上的例示中,当由不含有Cl的构成单元构成时,不会发生由碱引起的脱HCl反应,从而更加稳定,故优选。
在R2为直链状的情况下,R2仅由上述直链状的最小结构单元构成,其中,优选-CH2-、-CH2CH2-或-CF2-。从进一步提高电解质盐的溶解性方面出发,更优选-CH2-或-CH2CH2-。
在R2为支链状的情况下,R2至少包含一个上述支链状的最小结构单元而构成,可优选例示通式-(CXaXb)-所示的基团,其中,Xa为H、F、CH3或CF3;Xb为CH3或CF3。其中,在Xb为CF3的情况下,Xa为H或CH3)。这些基团特别是能够更进一步提高电解质盐的溶解性。
作为优选的氟代烷基(a),例如,可举出:CF3CF2-、HCF2CF2-、H2CFCF2-、CH3CF2-、CF3CHF-、CH3CF2-、CF3CF2CF2-、HCF2CF2CF2-、H2CFCF2CF2-、CH3CF2CF2-、
【化学式15】
【化学式16】
等。
上述具有醚键的氟代烷基(b)为具有醚键的烷基所具有的氢原子的至少一个被氟原子取代而成。优选上述具有醚键的氟代烷基(b)的碳原子数为2~17。若碳原子数过多,则上述氟代饱和环状碳酸酯的粘性变高,另外,由于含氟基团增多,有时会观察到由介电常数降低所引起的电解质盐的溶解性降低、与其它的溶剂的相溶性降低。从该观点出发,更优选上述具有醚键的氟代烷基(b)的碳原子数为2~10,进一步优选为2~7。
构成上述具有醚键的氟代烷基(b)的醚部分的亚烷基可以为直链状或支链状的亚烷基。下面,示出构成这种直链状或支链状的亚烷基的最小结构单元的例子。
(i)直链状的最小结构单元:
-CH2-、-CHF-、-CF2-、-CHCl-、-CFCl-、-CCl2-
(ii)支链状的最小结构单元:
【化学式17】
亚烷基可以由这些最小结构单元单独构成,也可以由多种直链状(i)、多种支链状(ii)、或直链状(i)和支链状(ii)的组合而构成。后面将叙述优选的具体例。
需要说明的是,在以上的例示中,当由不含有Cl的构成单元构成时,不会发生由碱引起的脱HCl反应,从而更加稳定,故优选。
作为进一步优选的具有醚键的氟代烷基(b),可举出通式(b-1)所示的基团:
R3-(OR4)n1- (b-1)
式中,R3为可具有氟原子的、优选碳原子数1~6的烷基;R4为可具有氟原子的、优选碳原子数1~4的亚烷基;n1为1~3的整数;其中,R3及R4中的至少一个具有氟原子。
作为R3及R4,能够例示以下的基团,能够将这些适当地组合而构成上述通式(b-1)所示的具有醚键的氟代烷基(b),但不仅限于这些。
(1)作为R3,优选为通式:Xc 3C-(R5)n2-所示的烷基,其中,三个Xc相同或不同,均为H或F;R5为碳原子数1~5的可具有氟原子的亚烷基;n2为0或1。
当n2为0的情况下,作为R3,可举出:CH3-、CF3-、HCF2-及H2CF-。
就n2为1时的具体例而言,作为R3为直链状的基团,可例示:CF3CH2-、CF3CF2-、CF3CH2CH2-、CF3CF2CH2-、CF3CF2CF2-、CF3CH2CF2-、CF3CH2CH2CH2-、CF3CF2CH2CH2-、CF3CH2CF2CH2-、CF3CF2CF2CH2-、CF3CF2CF2CF2-、CF3CF2CH2CF2-、CF3CH2CH2CH2CH2-、CF3CF2CH2CH2CH2-、CF3CH2CF2CH2CH2-、CF3CF2CF2CH2CH2-、CF3CF2CF2CF2CH2-、CF3CF2CH2CF2CH2-、CF3CF2CH2CH2CH2CH2-、CF3CF2CF2CF2CH2CH2-、CF3CF2CH2CF2CH2CH2-、HCF2CH2-、HCF2CF2-、HCF2CH2CH2-、HCF2CF2CH2-、HCF2CH2CF2-、HCF2CF2CH2CH2-、HCF2CH2CF2CH2-、HCF2CF2CF2CF2-、HCF2CF2CH2CH2CH2-、HCF2CH2CF2CH2CH2-、HCF2CF2CF2CF2CH2-、HCF2CF2CF2CF2CH2CH2-、FCH2CH2-、FCH2CF2-、FCH2CF2CH2-、CH3CF2-、CH3CH2-、CH3CF2CH2-、CH3CF2CF2-、CH3CH2CH2-、CH3CF2CH2CF2-、CH3CF2CF2CF2-、CH3CH2CF2CF2-、CH3CH2CH2CH2-、CH3CF2CH2CF2CH2-、CH3CF2CF2CF2CH2-、CH3CF2CF2CH2CH2-、CH3CH2CF2CF2CH2-、CH3CF2CH2CF2CH2CH2-、CH3CH2CF2CF2CH2CH2-、CH3CF2CH2CF2CH2CH2-等。
作为n2为1,且R3为支链状的基团,可举出:
【化学式18】
等。
其中,若具有CH3-、CF3-等支链,则粘性容易变高,因此,更优选R3为直链状的基团。
(2)在上述通式(b-1)的-(OR4)n1-中,n1为1~3的整数,优选为1或2。需要说明的是,在n1=2或3时,R4可以相同也可以不同。
作为R4的优选的具体例,可例示下面的直链状或支链状的基团。
作为直链状基团,可例示:-CH2-、-CHF-、-CF2-、-CH2CH2-、-CF2CH2-、-CF2CF2-、-CH2CF2-、-CH2CH2CH2-、-CH2CH2CF2-、-CH2CF2CH2-、-CH2CF2CF2-、-CF2CH2CH2-、-CF2CF2CH2-、-CF2CH2CF2-、-CF2CF2CF2-等。
作为支链状的基团,可举出:
【化学式19】
等。
上述氟代烷氧基(c)为烷氧基所具有的氢原子的至少一个被氟原子取代而成。优选上述氟代烷氧基(c)的碳原子数为1~17。更优选为碳原子数为1~6。
作为上述氟代烷氧基(c),特别优选为通式Xd 3C-(R6)n3-O-所示的氟代烷氧基,其中,三个Xd相同或不同,均为H或F;R6优选为碳原子数1~5的可具有氟原子的亚烷基;n3为0或1;其中,三个Xd中至少一个为氟原子。
作为上述氟代烷氧基(c)的具体例,可举出:作为上述通式(a-1)中的R1所例示的烷基的末端上键合有氧原子而成的氟代烷氧基。
上述氟代饱和环状碳酸酯中的氟代烷基(a)、具有醚键的氟代烷基(b)、及氟代烷氧基(c)的含氟率优选为10质量%以上。若含氟率过低,则可能不能充分获得降低低温下的粘性的效果、升高闪点的效果。从该观点出发,上述含f率更优选为12质量%以上,进一步优选为15质量%以上。上限通常为76质量%。
氟代烷基(a)、具有醚键的氟代烷基(b)、及氟代烷氧基(c)的含氟率为基于各基团的结构式由{(氟原子的个数×19)/各基团的式量}×100(%)而算出的值。
另外,从介电常数、抗氧化性良好方面出发,上述氟代饱和环状碳酸酯整体的含氟率优选为10质量%以上,更优选为15质量%以上。上限通常为76质量%。
需要说明的是,上述氟代饱和环状碳酸酯的含氟率为基于氟代饱和环状碳酸酯的结构式由{(氟原子的个数×19)/氟代饱和环状碳酸酯的分子量}×100(%)而算出的值。
作为上述氟代饱和环状碳酸酯,具体而言,例如,可举出下面的物质。
作为X1~X4中的至少一个为-F的氟代饱和环状碳酸酯的具体例,可举出:
【化学式20】
等。这些化合物的耐电压高,电解质盐的溶解性也良好。
此外,也能够使用:
【化学式21】
等。
作为X1~X4中的至少一个为氟代烷基(a),且其余全部为-H的氟代饱和环状碳酸酯的具体例,可举出:
【化学式22】
【化学式23】
【化学式24】
等。
作为X1~X4中的至少一个为具有醚键的氟代烷基(b)、或氟代烷氧基(c),且其余全部为-H的氟代饱和环状碳酸酯的具体例,可举出:
【化学式25】
/>
【化学式26】
【化学式27】
【化学式28】
【化学式29】
【化学式30】
等。
其中,作为上述氟代饱和环状碳酸酯,优选为下面的化合物中的任意一种。
【化学式31】
【化学式32】
作为上述氟代饱和环状碳酸酯,还可举出:反式-4,5-二氟-1,3-二氧戊环-2-酮、5-(1,1-二氟乙基)-4,4-二氟-1,3-二氧戊环-2-酮、4-亚甲基-1,3-二氧戊环-2-酮、4-甲基-5-三氟甲基-1,3-二氧戊环-2-酮、4-乙基-5-氟-1,3-二氧戊环-2-酮、4-乙基-5,5-二氟-1,3-二氧戊环-2-酮、4-乙基-4,5-二氟-1,3-二氧戊环-2-酮、4-乙基-4,5,5-三氟-1,3-二氧戊环-2-酮、4,4-二氟-5-甲基-1,3-二氧戊环-2-酮、4-氟-5-甲基-1,3-二氧戊环-2-酮、4-氟-5-三氟甲基-1,3-二氧戊环-2-酮、4,4-二氟-1,3-二氧戊环-2-酮等。
作为上述氟代饱和环状碳酸酯,其中,更优选为氟代碳酸亚乙酯、二氟代碳酸亚乙酯、三氟代甲基碳酸亚乙酯(3,3,3-三氟代碳酸亚丙酯)、2,2,3,3,3-五氟代丙基碳酸亚乙酯。
上述氟代不饱和环状碳酸酯为具有不饱和键和氟原子的环状碳酸酯,优选为被具有芳香环或碳-碳双键的取代基取代后的氟代碳酸亚乙酯衍生物。具体而言,可举出:4,4-二氟-5-苯基碳酸亚乙酯、4,5-二氟-4-苯基碳酸亚乙酯、4-氟-5-苯基碳酸亚乙酯、4-氟-5-乙烯基碳酸亚乙酯、4-氟-4-苯基碳酸亚乙酯、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-氟-4-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-乙烯基碳酸亚乙酯、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等。
上述氟代环状碳酸酯可以单独使用一种,也可以以任意的组合及比率并用两种以上。
在包含上述氟代环状碳酸酯的情况下,优选上述氟代环状碳酸酯的含量相对于上述溶剂为5~90体积%,更优选为10~60体积%,进一步优选为15~45体积%。
上述链状碳酸酯可以为未氟代链状碳酸酯,也可以为氟代链状碳酸酯。
作为上述未氟代链状碳酸酯,例如,可举出:CH3OCOOCH3(碳酸二甲酯:DMC)、CH3CH2OCOOCH2CH3(碳酸二乙酯:DEC)、CH3CH2OCOOCH3(碳酸甲乙酯:EMC)、CH3OCOOCH2CH2CH3(碳酸甲丙酯)、碳酸甲丁酯、碳酸乙丙酯、碳酸乙丁酯、碳酸二丙酯、碳酸二丁酯、异丙基碳酸甲酯、甲基-2-苯基苯基碳酸酯、苯基-2-苯基苯基碳酸酯、反式-2,3-亚戊基碳酸酯、反式-2,3-亚丁基碳酸酯、苯基碳酸乙酯等烃类链状碳酸酯。其中,优选为选自由碳酸甲乙酯、碳酸二乙酯及碳酸二甲酯构成的组中的至少一种。
上述未氟代链状碳酸酯可以单独使用一种,也可以以任意的组合及比率并用两种以上。
在包含上述未氟代链状碳酸酯的情况下,优选上述未氟代链状碳酸酯的含量相对于上述溶剂为10~90体积%,更优选为40~85体积%,进一步优选为50~80体积%。
上述氟代链状碳酸酯为具有氟原子的链状碳酸酯。包含氟代链状碳酸酯的溶剂即使在高电压下也能够优选使用。
作为上述氟代链状碳酸酯,可举出通式(B)所示的化合物:
Rf2OCOOR7 (B)
式中,Rf2为碳原子数1~7的氟代烷基,R7为碳原子数1~7的可包含氟原子的烷基。
Rf2为碳原子数1~7的氟代烷基,R7为碳原子数1~7的可具有氟原子的烷基。
上述氟代烷基为烷基所具有的氢原子的至少一个被氟原子取代而成的。在R7为包含氟原子的烷基的情况下,其为氟代烷基。
在为低粘性方面,优选Rf2及R7的碳原子数为1~7,更优选为1~2。
若碳原子数变得过大,则可能导致低温特性降低或电解质盐的溶解性降低,若碳原子数过少,则有时会出现电解质盐的溶解性降低、放电效率降低、以及粘性增大等情况。
作为碳原子数为1的氟代烷基,可举出:CFH2-、CF2H-、CF3-等。在高温储存特性方面,特别优选为CFH2-或CF3-。
作为碳原子数为2以上的氟代烷基,从电解质盐的溶解性良好方面出发,可优选例示下述通式(d-1)所示的氟代烷基:
R1-R2-(d-1)
式中,R1为可具有氟原子的碳原子数1以上的烷基;R2为可具有氟原子的碳原子数1~3的亚烷基;其中,R1及R2的至少一方具有氟原子。
需要说明的是,R1及R2可以进一步具有除碳原子、氢原子及氟原子以外的其它原子。
R1为可具有氟原子的碳原子数1以上的烷基。作为R1,优选为碳原子数1~6的直链状或支链状的烷基。作为R1的碳原子数,更优选为1~3。
就R1而言,具体而言,作为直链状或支链状的烷基,可举出:CH3-、CF3-、CH3CH2-、CH3CH2CH2-、CH3CH2CH2CH2-、
【化学式33】
等。
另外,在R1为具有氟原子的直链状的烷基的情况下,可举出:CF3-、CF3CH2-、CF3CF2-、CF3CH2CH2-、CF3CF2CH2-、CF3CF2CF2-、CF3CH2CF2-、CF3CH2CH2CH2-、CF3CF2CH2CH2-、CF3CH2CF2CH2-、CF3CF2CF2CH2-、CF3CF2CF2CF2-、CF3CF2CH2CF2-、CF3CH2CH2CH2CH2-、CF3CF2CH2CH2CH2-、CF3CH2CF2CH2CH2-、CF3CF2CF2CH2CH2-、CF3CF2CF2CF2CH2-、CF3CF2CH2CF2CH2-、CF3CF2CH2CH2CH2CH2-、CF3CF2CF2CF2CH2CH2-、CF3CF2CH2CF2CH2CH2-、HCF2-、HCF2CH2-、HCF2CF2-、HCF2CH2CH2-、HCF2CF2CH2-、HCF2CH2CF2-、HCF2CF2CH2CH2-、HCF2CH2CF2CH2-、HCF2CF2CF2CF2-、HCF2CF2CH2CH2CH2-、HCF2CH2CF2CH2CH2-、HCF2CF2CF2CF2CH2-、HCF2CF2CF2CF2CH2CH2-、FCH2-、FCH2CH2-、FCH2CF2-、FCH2CF2CH2-、FCH2CF2CF2-、CH3CF2CH2-、CH3CF2CF2-、CH3CF2CH2CF2-、CH3CF2CF2CF2-、CH3CH2CF2CF2-、CH3CF2CH2CF2CH2-、CH3CF2CF2CF2CH2-、CH3CF2CF2CH2CH2-、CH3CH2CF2CF2CH2-、CH3CF2CH2CF2CH2CH2-、CH3CF2CH2CF2CH2CH2-、HCFClCF2CH2-、HCF2CFClCH2-、HCF2CFClCF2CFClCH2-、HCFClCF2CFClCF2CH2-等。
另外,在R1为具有氟原子的支链状的烷基的情况下,可优选举出:
【化学式34】
【化学式35】
等。其中,若具有CH3-、CF3-等支链,则粘性容易变高,因此,更优选支链的数量较少(1个)或为零。
R2为可具有氟原子的碳原子数1~3的亚烷基。R2可以为直链状,也可以为支链状。下面,将示出构成这样的直链状或支链状的亚烷基的最小结构单元的例子。R2由这些单独或组合构成。
(i)直链状的最小结构单元:
-CH2-、-CHF-、-CF2-、-CHCl-、-CFCl-、-CCl2-
(ii)支链状的最小结构单元:
【化学式36】
需要说明的是,在上面的例示中,当由不含有Cl的构成单元所构成时,不会产生由碱引起的脱HCl反应,从而更加稳定,故优选。
在R2为直链状的情况下,R2仅由上述直链状的最小结构单元构成,其中,优选为-CH2-、-CH2CH2-或-CF2-。从能够进一步提高电解质盐的溶解性的方面出发,更优选为-CH2-或-CH2CH2-。
在R2为支链状的情况下,R2含有至少一个上述支链状的最小结构单元而成,可优选例示通式-(CXaXb)-所示的基团,其中,Xa为H、F、CH3或CF3;Xb为CH3或CF3。其中,在Xb为CF3的情况下,Xa为H或CH3。这些基团特别是能够更进一步提高电解质盐的溶解性。
作为优选的氟代烷基,具体而言,例如,可举出:CF3CF2-、HCF2CF2-、H2CFCF2-、CH3CF2-、CF3CH2-、CF3CF2CF2-、HCF2CF2CF2-、H2CFCF2CF2-、CH3CF2CF2-、
【化学式37】
【化学式38】
等。
其中,作为Rf2和R7的氟代烷基,优选为CF3-、CF3CF2-、(CF3)2CH-、CF3CH2-、C2F5CH2-、CF3CF2CH2-、HCF2CF2CH2-、CF3CFHCF2CH2-、CFH2-、CF2H-,从阻燃性高以及倍率特性、抗氧化性良好方面出发,更优选为CF3CH2-、CF3CF2CH2-、HCF2CF2CH2-、CFH2-、CF2H-。
当R7为不包含氟原子的烷基的情况下,R7为碳原子数1~7的烷基。在为低粘性方面,优选R7的碳原子数为1~4,更优选为1~3。
作为不包含上述氟原子的烷基,例如,可举出:CH3-、CH3CH2-、(CH3)2CH-、C3H7-等。其中,从粘度低、倍率特性良好方面出发,优选为CH3-、CH3CH2-。
优选上述氟代链状碳酸酯的含氟率为15~70质量%。若含氟率在上述范围,则能够保持与溶剂的相溶性、盐的溶解性。上述含氟率更优选为20质量%以上,进一步优选为30质量%以上,特别优选为35质量%以上,更优选为60质量%以下,进一步优选为50质量%以下。
需要说明的是,在本发明中,含氟率为基于上述氟代链状碳酸酯的结构式由{(氟原子的个数×19)/氟代链状碳酸酯的分子量}×100(%)而算出的值。
作为上述氟代链状碳酸酯,在为低粘性方面,优选为下面的化合物中的任意一种。
【化学式39】
作为上述氟代链状碳酸酯,特别优选为2,2,2-三氟乙基碳酸甲酯(F3CH2COC(=O)OCH3)。
上述氟代链状碳酸酯可以单独使用一种,也可以以任意的组合及比率并用两种以上。
在包含上述氟代链状碳酸酯的情况下,优选上述氟代链状碳酸酯的含量相对于上述溶剂为10~90体积%,更优选为40~85体积%,进一步优选为50~80体积%。
上述羧酸酯可以为环状羧酸酯,也可以为链状羧酸酯。
上述环状羧酸酯可以为未氟代环状羧酸酯,也可以为氟代环状羧酸酯。
作为上述未氟代环状羧酸酯,可举出未氟代饱和环状羧酸酯,优选为碳原子数2~4的具有亚烷基的未氟代饱和环状羧酸酯。
作为碳原子数2~4的具有亚烷基的未氟代饱和环状羧酸酯的具体的例子,可举出:β-丙内酯、γ-丁内酯、ε-己内酯、δ-戊内酯、α甲基-γ-丁内酯。其中,从提高锂离子解离度及提高负载特性方面出发,特别优选为γ-丁内酯、δ-戊内酯。
上述未氟代饱和环状羧酸酯可以单独使用一种,也可以以任意的组合及比率并用两种以上。
在包含上述未氟代饱和环状羧酸酯的情况下,优选上述未氟代饱和环状羧酸酯的含量相对于上述溶剂为0~90体积%,更优选为0.001~90体积%,进一步优选为1~60体积%,特别优选为5~40体积%。
上述链状羧酸酯可以为未氟代链状羧酸酯,也可以为氟代链状羧酸酯。在上述溶剂包含上述链状羧酸酯的情况下,能够进一步抑制高温储存后电解液的电阻增加。
作为上述未氟代链状羧酸酯,例如,可举出:乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸丙酯、乙酸丁酯、丙酸甲酯、丙酸乙酯、丙酸丙酯、丙酸丁酯、丙酸叔丁酯、丁酸叔丁酯、丙酸仲丁酯、丁酸仲丁酯、丁酸正丁酯、焦磷酸甲酯、焦磷酸乙酯、甲酸叔丁酯、乙酸叔丁酯、甲酸仲丁酯、乙酸仲丁酯、新戊酸正己酯、甲酸正丙酯、乙酸正丙酯、甲酸正丁酯、新戊酸正丁酯、新戊酸正辛酯、2-(二甲氧基磷酰基)乙酸乙酯、2-(二甲基磷酰基)乙酸乙酯、2-(二乙氧基磷酰基)乙酸乙酯、2-(二乙基磷酰基)乙酸乙酯、丙酸异丙酯、乙酸异丙酯、甲酸乙酯、2-丙炔基草酸乙酯、甲酸异丙酯、丁酸异丙酯、甲酸异丁酯、丙酸异丁酯、丁酸异丁酯、乙酸异丁酯等。
其中,优选为乙酸丁酯、丙酸甲酯、丙酸乙酯、丙酸丙酯、丙酸丁酯,特别优选为丙酸乙酯、丙酸丙酯。
上述未氟代链状羧酸酯可以单独使用一种,也可以以任意的组合及比率并用两种以上。
在包含上述未氟代链状羧酸酯的情况下,优选上述未氟代链状羧酸酯的含量相对于上述溶剂为0~90体积%,更优选为0.001~90体积%,进一步优选为1~60体积%,特别优选为5~40体积%。
上述氟代链状羧酸酯为具有氟原子的链状羧酸酯。包含氟代链状羧酸酯的溶剂即使在高电压下也能够优选使用。
作为上述氟代链状羧酸酯,从与其他溶剂的相溶性、抗氧化性良好方面出发,优选为下述通式所示的氟代链状羧酸酯:
R31COOR32
式中,R31及R32彼此独立地为碳原子数1~4的可包含氟原子的烷基,R31及R32的至少一方包含氟原子。
作为R31及R32,例如,可举出:甲基(-CH3)、乙基(-CH2CH3)、丙基(-CH2CH2CH3)、异丙基(-CH(CH3)2)、正丁基(-CH2CH2CH2CH3)、叔丁基(-C(CH3)3)等未氟代烷基;-CF3、-CF2H、-CFH2、-CF2CF3、-CF2CF2H、-CF2CFH2、-CH2CF3、-CH2CF2H、-CH2CFH2、-CF2CF2CF3、-CF2CF2CF2H、-CF2CF2CFH2、-CH2CF2CF3、-CH2CF2CF2H、-CH2CF2CFH2、-CH2CH2CF3、-CH2CH2CF2H、-CH2CH2CFH2、-CF(CF3)2、-CF(CF2H)2、-CF(CFH2)2、-CH(CF3)2、-CH(CF2H)2、-CH(CFH2)2、-CF(OCH3)CF3、-CF2CF2CF2CF3、-CF2CF2CF2CF2H、-CF2CF2CF2CFH2、-CH2CF2CF2CF3、-CH2CF2CF2CF2H、-CH2CF2CF2CFH2、-CH2CH2CF2CF3、-CH2CH2CF2CF2H、-CH2CH2CF2CFH2、-CH2CH2CH2CF3、-CH2CH2CH2CF2H、-CH2CH2CH2CFH2、-CF(CF3)CF2CF3、-CF(CF2H)CF2CF3、-CF(CFH2)CF2CF3、-CF(CF3)CF2CF2H、-CF(CF3)CF2CFH2、-CF(CF3)CH2CF3、-CF(CF3)CH2CF2H、-CF(CF3)CH2CFH2、-CH(CF3)CF2CF3、-CH(CF2H)CF2CF3、-CH(CFH2)CF2CF3、-CH(CF3)CF2CF2H、-CH(CF3)CF2CFH2、-CH(CF3)CH2CF3、-CH(CF3)CH2CF2H、-CH(CF3)CH2CFH2、-CF2CF(CF3)CF3、-CF2CF(CF2H)CF3、-CF2CF(CFH2)CF3、-CF2CF(CF3)CF2H、-CF2CF(CF3)CFH2、-CH2CF(CF3)CF3、-CH2CF(CF2H)CF3、-CH2CF(CFH2)CF3、-CH2CF(CF3)CF2H、-CH2CF(CF3)CFH2、-CH2CH(CF3)CF3、-CH2CH(CF2H)CF3、-CH2CH(CFH2)CF3、-CH2CH(CF3)CF2H、-CH2CH(CF3)CFH2、-CF2CH(CF3)CF3、-CF2CH(CF2H)CF3、-CF2CH(CFH2)CF3、-CF2CH(CF3)CF2H、-CF2CH(CF3)CFH2、-C(CF3)3、-C(CF2H)3、-C(CFH2)3等的氟代烷基等。其中,从与其它溶剂的相溶性、粘度、抗氧化性良好方面出发,特别优选甲基、乙基、-CF3、-CF2H、-CF2CF3、-CH2CF3、-CH2CF2H、-CH2CFH2、-CH2CH2CF3、-CH2CF2CF3、-CH2CF2CF2H、-CH2CF2CFH2
作为上述氟代链状羧酸酯的具体例,例如,可例示:CF3CH2C(=O)OCH3(3,3,3-三氟丙酸甲酯)、HCF2C(=O)OCH3(二氟乙酸甲酯)、HCF2C(=O)OC2H5(二氟乙酸乙酯)、CF3C(=O)OCH2CH2CF3、CF3C(=O)OCH2C2F5、CF3C(=O)OCH2CF2CF2H(三氟乙酸2,2,3,3-四氟丙酯)、CF3C(=O)OCH2CF3、CF3C(=O)OCH(CF3)2、五氟丁酸乙酯、五氟丙酸甲酯、五氟丙酸乙酯、七氟异丁酸甲酯、三氟丁酸异丙酯、三氟乙酸乙酯、三氟乙酸叔丁酯、三氟乙酸正丁酯、四氟-2-(甲氧基)丙酸甲酯、乙酸2,2-二氟乙酯、乙酸2,2,3,3-四氟丙酯、CH3C(=O)OCH2CF3(乙酸2,2,2-三氟乙酯)、乙酸1H,1H-七氟丁酯、4,4,4-三氟丁酸甲酯、4,4,4-三氟丁酸乙酯、3,3,3-三氟丙酸乙酯、3,3,3-三氟丙酸3,3,3-三氟丙酯、3-(三氟甲基)丁酸乙酯、2,3,3,3-四氟丙酸甲酯、2,2-二氟乙酸丁酯、2,2,3,3-四氟丙酸甲酯、2-(三氟甲基)-3,3,3-三氟丙酸甲酯、七氟丁酸甲酯等一种或两种以上。
其中,从与其它溶剂的相溶性及倍率特性良好方面出发,优选为CF3CH2C(=O)OCH3、HCF2C(=O)OCH3、HCF2C(=O)OC2H5、CF3C(=O)OCH2C2F5、CF3C(=O)OCH2CF2CF2H、CF3C(=O)OCH2CF3、CF3C(=O)OCH(CF3)2、五氟丁酸乙酯、五氟丙酸甲酯、五氟丙酸乙酯、七氟异丁酸甲酯、三氟丁酸异丙酯、三氟乙酸乙酯、三氟乙酸叔丁酯、三氟乙酸正丁酯、四氟-2-(甲氧基)丙酸甲酯、乙酸2,2-二氟乙酯、乙酸2,2,3,3-四氟丙酯、CH3C(=O)OCH2CF3、乙酸1H,1H-七氟丁酯、4,4,4-三氟丁酸甲酯、4,4,4-三氟丁酸乙酯、3,3,3-三氟丙酸乙酯、3,3,3-三氟丙酸3,3,3-三氟丙酯、3-(三氟甲基)丁酸乙酯、2,3,3,3-四氟丙酸甲酯、2,2-二氟乙酸丁酯、2,2,3,3-四氟丙酸甲酯、2-(三氟甲基)-3,3,3-三氟丙酸甲酯、七氟丁酸甲酯,更优选为CF3CH2C(=O)OCH3、HCF2C(=O)OCH3、HCF2C(=O)OC2H5、CH3C(=O)OCH2CF3,特别优选为HCF2C(=O)OCH3、HCF2C(=O)OC2H5、CH3C(=O)OCH2CF3
上述氟代链状羧酸酯可以单独使用一种,也可以以任意的组合及比率并用两种以上。
在包含上述氟代链状羧酸酯的情况下,优选上述氟代链状羧酸酯的含量相对于上述溶剂为10~90体积%,更优选为40~85体积%,进一步优选为50~80体积%。
优选上述溶剂包含选自由上述环状碳酸酯、上述链状碳酸酯及上述链状羧酸酯构成的组中的至少一种,更优选包含上述环状碳酸酯、及选自由上述链状碳酸酯及上述链状羧酸酯构成的组中的至少一种。优选上述环状碳酸酯为饱和环状碳酸酯。
含有上述组成的溶剂的电解液能够进一步提高电化学器件的高温储存特性、循环特性。
在上述溶剂包含上述环状碳酸酯、及选自由上述链状碳酸酯及上述链状羧酸酯构成的组中的至少一种的情况下,上述环状碳酸酯、及选自由上述链状碳酸酯及上述链状羧酸酯构成的组中的至少一种的总含量优选为10~100体积%,更优选为30~100体积%,进一步优选为50~100体积%。
在上述溶剂包含上述环状碳酸酯、及选自由上述链状碳酸酯及上述链状羧酸酯构成的组中的至少一种的情况下,作为上述环状碳酸酯和选自由上述链状碳酸酯及上述链状羧酸酯构成的组中的至少一种的体积比,优选为5/95~95/5,更优选为10/90以上,进一步优选为15/85以上,特别优选为20/80以上,更优选为90/10以下,进一步优选为60/40以下,特别优选为50/50以下。
优选上述溶剂还包含选自由上述未氟代饱和环状碳酸酯,上述未氟代链状碳酸酯及上述未氟代链状羧酸酯构成的组中的至少一种,更优选包含上述未氟代饱和环状碳酸酯、及选自由上述未氟代链状碳酸酯及上述未氟代链状羧酸酯构成的组中的至少一种。含有上述组成的溶剂的电解液能够合适地用于在较低电压下使用的电化学器件。
在上述溶剂包含上述未氟代饱和环状碳酸酯、及选自由上述未氟代链状碳酸酯及上述未氟代链状羧酸酯构成的组中的至少一种的情况下,上述未氟代饱和环状碳酸酯、及选自由上述未氟代链状碳酸酯及上述未氟代链状羧酸酯构成的组中的至少一种的总含量优选为5~100体积%,更优选为20~100体积%,进一步优选为30~100体积%。
在上述电解液包含上述未氟代饱和环状碳酸酯、及选自由上述未氟代链状碳酸酯及上述未氟代链状羧酸酯构成的组中的至少一种的情况下,作为上述未氟代饱和环状碳酸酯与选自由上述未氟代链状碳酸酯及上述未氟代链状羧酸酯构成的组中的至少一种的体积比,优选为5/95~95/5,更优选为10/90以上,进一步优选为15/85以上,特别优选为20/80以上,更优选为90/10以下,进一步优选为60/40以下,特别优选为50/50以下。
优选上述溶剂还包含选自由上述氟代饱和环状碳酸酯,上述氟代链状碳酸酯及上述氟代链状羧酸酯构成的组中的至少一种,更优选包含上述氟代饱和环状碳酸酯、及选自由上述氟代链状碳酸酯及上述氟代链状羧酸酯构成的组中的至少一种。含有上述组成的溶剂的电解液不仅能够合适地用于在较低电压下使用的电化学器件,还能够合适地用于在较高电压下使用的电化学器件。
在上述溶剂包含上述氟代饱和环状碳酸酯、及选自由上述氟代链状碳酸酯及上述氟代链状羧酸酯构成的组中的至少一种的情况下,上述氟代饱和环状碳酸酯、及选自由上述氟代链状碳酸酯及上述氟代链状羧酸酯构成的组中的至少一种的总含量优选为5~100体积%,更优选为10~100体积%,进一步优选为30~100体积%。
在上述溶剂包含上述氟代饱和环状碳酸酯、及选自由上述氟代链状碳酸酯及上述氟代链状羧酸酯构成的组中的至少一种的情况下,作为上述氟代饱和环状碳酸酯与选自由上述氟代链状碳酸酯及上述氟代链状羧酸酯构成的组中的至少一种的体积比,优选为5/95~95/5,更优选为10/90以上,进一步优选为15/85以上,特别优选为20/80以上,更优选为90/10以下,进一步优选为60/40以下,特别优选为50/50以下。
另外,作为上述溶剂,也能够使用离子液体。“离子液体”是指由有机阳离子和阴离子组合而成的离子构成的液体。
作为有机阳离子,没有特别限定,例如,可举出:二烷基咪唑鎓阳离子、三烷基咪唑鎓阳离子等咪唑鎓离子;四烷基铵离子;烷基吡啶鎓离子;二烷基吡咯烷鎓离子;及二烷基哌啶鎓离子。
作为这些有机阳离子的抗衡阴离子,没有特别限定,例如,可使用:PF6阴离子、PF3(C2F5)3阴离子、PF3(CF3)3阴离子、BF4阴离子、BF2(CF3)2阴离子、BF3(CF3)阴离子、双草酸硼酸根阴离子、P(C2O4)F2阴离子、Tf(三氟甲烷磺酰基)阴离子、Nf(九氟丁烷磺酰基)阴离子、双(氟代磺酰基)酰亚胺阴离子、双(三氟甲烷磺酰基)酰亚胺阴离子、双(五氟乙烷磺酰基)酰亚胺阴离子、二氰基胺阴离子、卤化物阴离子。
优选上述溶剂为非水溶剂,优选本发明的电解液为非水电解液。
优选上述溶剂的含量在电解液中为70~99.999质量%,更优选为80质量%以上,更优选为92质量%以下。
本发明的电解液可以进一步包含通式(5)所示的化合物(5)。
通式(5):
【化学式40】
式中,Aa+为金属离子、氢离子或鎓离子。a为1~3的整数,b为1~3的整数,p为b/a,n203为1~4的整数,n201为0~8的整数,n202为0或1,Z201为过渡金属,元素周期表的III族、IV族或V族的元素。
X201为O、S、碳原子数1~10的亚烷基、碳原子数1~10的卤代亚烷基、碳原子数6~20的亚芳基或碳原子数6~20的卤代亚芳基(亚烷基、卤代亚烷基、亚芳基及卤代亚芳基可以在其结构中具有取代基、杂原子,另外,当n202为1且n203为2~4时,n203个X201可以分别键合)。
L201为卤素原子、氰基、碳原子数1~10的烷基、碳原子数1~10的卤代烷基、碳原子数6~20的芳基、碳原子数6~20的卤代芳基(烷基、卤代烷基、芳基及卤代芳基可以在其结构中具有取代基、杂原子,另外,在n201为2~8时,n201个L201可以分别键合而形成环)或-Z203Y203
Y201、Y202及Z203分别独立地为O、S、NY204、烃基或氟代烃基。Y203及Y204分别独立地为H、F、碳原子数1~10的烷基、碳原子数1~10的卤代烷基、碳原子数6~20的芳基或碳原子数6~20的卤代芳基(烷基、卤代烷基、芳基及卤代芳基可以在其结构中具有取代基、杂原子,在Y203或Y204存在多个的情况下,它们可以分别键合而形成环)。
作为Aa+,可举出:锂离子、钠离子、钾离子、镁离子、钙离子、钡离子、铯离子、银离子、锌离子、铜离子、钴离子、铁离子、镍离子、锰离子、钛离子、铅离子、铬离子、钒离子、钌离子、钇离子、镧系元素离子、锕系元素离子、四丁基铵离子、四乙基铵离子、四甲基铵离子、三乙基甲基铵离子、三乙基铵离子、吡啶鎓离子、咪唑鎓离子、氢离子、四乙基鏻离子、四甲基鏻离子、四苯基鏻离子、三苯基锍离子、三乙基锍离子等。
在用于电化学器件等用途的情况下,Aa+优选为锂离子、钠离子、镁离子、四烷基铵离子、氢离子,特别优选为锂离子。Aa+的阳离子的价数a为1~3的整数。在大于3的情况下,晶格能将增大,因此产生难以溶于溶剂这一问题。因此,在要求溶解度的情况下,更优选为1。阴离子的价数b也同样为1~3的整数,特别优选为1。表示阳离子和阴离子的比的常数p必然由两者的价数的比b/a来决定。
接着,对通式(5)的配体的部分进行说明。在本说明书中,将通式(5)中的与Z201键合的有机或无机的部分称为配体。
优选为Z201为Al、B、V、Ti、Si、Zr、Ge、Sn、Cu、Y、Zn、Ga、Nb、Ta、Bi、P、As、Sc、Hf或Sb,更优选为Al、B或P。
X201表示O、S、碳原子数1~10的亚烷基、碳原子数1~10的卤代亚烷基、碳原子数6~20的亚芳基或碳原子数6~20的卤代亚芳基。这些亚烷基及亚芳基可以在其的结构中具有取代基、杂原子。具体而言,可以具有卤素原子、链状或环状的烷基、芳基、烯基、烷氧基、芳氧基、磺酰基、氨基、氰基、羰基、酰基、酰胺基、羟基作为取代基而代替亚烷基及亚芳基上的氢,也可以为导入了氮、硫、氧来代替亚烷基及亚芳基上的碳的结构。另外,当n202为1且n203为2~4时,n203个X201可以分别键合。作为这种例子,可举出乙二胺四乙酸等配体。
L201表示卤素原子、氰基、碳原子数1~10的烷基、碳原子数1~10的卤代烷基、碳原子数6~20的芳基、碳原子数6~20的卤代芳基或-Z203Y203(关于Z203、Y203将在后文叙述)。与X201相同,此处的烷基及芳基也可以在其结构中具有取代基、杂原子,另外,当n201为2~8时,n201个L201可以分别键合而形成环。作为L201,优选为氟原子或氰基。这是因为,在为氟原子的情况下,阴离子化合物的盐的溶解度、解离度提高,离子电导率也随之提高。另外,抗氧化性提高,从而能够抑制副反应的发生。
Y201、Y202及Z203分别独立地表示O、S、NY204、烃基或氟代烃基。Y201及Y202优选为O、S或NY204,更优选为O。作为化合物(5)的特征,由于在相同的配体内存在Y201及Y202与Z201的键合,因此,这些配体与Z201构成了螯合结构。由于该螯合的效果,该化合物的耐热性、化学稳定性、耐水解性提高。该配体中的常数n202为0或1,特别是在为0的情况下,该螯合环为五元环,因此,螯合效果得到最强发挥,稳定性增加,故优选。
需要说明的是,在本说明书中,氟代烃基为烃基的氢原子的至少一个被氟原子取代而成的基团。
Y203及Y204分别独立地为H、F、碳原子数1~10的烷基、碳原子数1~10的卤代烷基、碳原子数6~20的芳基或碳原子数6~20的卤代芳基,这些烷基及芳基可以在其结构中具有取代基或杂原子,另外,在Y203或Y204存在多个的情况下,可以分别键合而形成环。
另外,与上述配体的数量相关的常数n203为1~4的整数,优选为1或2,更优选为2。另外,与上述配体的数量相关的常数n201为0~8的整数,优选为0~4的整数,更优选为0、2或4。进一步优选地,当n203为1时,n201为2,当n203为2时,n201为0。
通式(5)中,烷基、卤代烷基、芳基、卤代芳基也包含具有支链或羟基、醚键等其它官能团的基团。
作为化合物(5),优选为通式:
【化学式41】
(式中,Aa+、a、b、p、n201、Z201及L201如上所述)所示的化合物、或通式:
【化学式42】
(式中,Aa+、a、b、p、n201、Z201及L201如上所述)所示的化合物。
作为化合物(5),可举出草酸硼酸锂盐类,下述式:
【化学式43】
所示的双(草酸根合)硼酸锂(LIBOB)、下述式:
【化学式44】
所示的二氟草酸硼酸锂(LIDFOB)
作为化合物(5),还可举出:下述式:
【化学式45】
所示的二氟草酸磷酸锂(LIDFOP)、下述式:
【化学式46】
所示的四氟草酸磷酸锂(LITFOP)、下述式:
【化学式47】
所示的双(草酸根合)二氟磷酸锂等。
此外,作为络合物中心元素为硼的二羧酸络合物盐的具体例,可举出:双(丙二酸根合)硼酸锂、二氟(丙二酸根合)硼酸锂、双(甲基丙二酸根合)硼酸锂、二氟(甲基丙二酸根合(methyl malonato))硼酸锂、双(二甲基丙二酸根合(dimethyl malonato))硼酸锂、二氟(二甲基丙二酸根合)硼酸锂等。
作为络合物中心元素为磷的二羧酸络合物盐的具体例,可举出:三(草酸根合)磷酸锂、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、三(甲基丙二酸根合)磷酸锂、二氟双(甲基丙二酸根合)磷酸锂、四氟(甲基丙二酸根合)磷酸锂、三(二甲基丙二酸根合)磷酸锂、二氟双(二甲基丙二酸根合)磷酸锂、四氟(二甲基丙二酸根合)磷酸锂等。
作为络合物中心元素为铝的二羧酸络合物盐的具体例,可举出:LiAl(C2O4)2、LiAlF2(C2O4)等。
其中,从容易获得、有助于形成稳定的覆膜状的结构物方面出发,更优选使用双(草酸根合)硼酸锂、二氟(草酸根合)硼酸锂、三(草酸根合)磷酸锂、二氟双(草酸根合)磷酸锂、四氟(草酸根合)磷酸锂。
作为化合物(5),特别优选为双(草酸根合)硼酸锂。
作为化合物(5)的含量,从获得更优异的循环特性方面出发,相对于上述溶剂,优选为0.001质量%以上,更优选为0.01质量%以上,优选为10质量%以下,更优选为3质量%以下。
优选本发明的电解液进一步包含电解质盐(其中,排除化合物(1)、(5)及二氟磷酸锂)。作为上述电解质盐,除锂盐、铵盐、金属盐以外,还能够使用可以用于电解液的任意的物质,例如,液体状的盐(离子性液体)、无机高分子型的盐、有机高分子型的盐等。
作为锂离子二次电池用电解液的电解质盐,优选锂盐。
作为上述锂盐,能够使用任意的物质,具体而言,可举出下面的物质。例如,LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAlF4、LiSbF6、LiTaF6、LiWF7、LiAsF6、LiAlCl4、LiI、LiBr、LiCl、LiB10Cl10、Li2SiF6、Li2PFO3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、甲基硫酸锂、乙基硫酸锂(C2H5OSO3Li)、2,2,2-三氟乙基硫酸锂等具有S=O基的锂盐类;
LiN(FCO)2、LiN(FCO)(FSO2)、LiN(FSO2)2、LiN(FSO2)(CF3SO2)、LiN(CF3SO2)2、LiN(C2F5SO2)2、双全氟乙烷磺酰基酰亚胺锂、环状1,2-全氟乙烷二磺酰基酰亚胺锂、环状1,3-全氟丙烷二磺酰基酰亚胺锂、环状1,2-乙烷二磺酰基酰亚胺锂、环状1,3-丙烷二磺酰基酰亚胺锂、环状1,4-全氟丁烷二磺酰基酰亚胺锂、LiN(CF3SO2)(FSO2)、LiN(CF3SO2)(C3F7SO2)、LiN(CF3SO2)(C4F9SO2)、LiN(POF2)2等酰亚胺锂盐类;
LiC(FSO2)3、LiC(CF3SO2)3、LiC(C2F5SO2)3等甲基锂盐类;
此外,还可举出式:LiPFa(CnF2n+1)6-a(式中,a为0~5的整数,n为1~6的整数)所示的盐(例如,LiPF3(C2F5)3、LiPF3(CF3)3、LiPF3(iso-C3F7)3、LiPF5(iso-C3F7)、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、LiSCN、LiB(CN)4、LiB(C6H5)4、Li2(C2O4)、LiP(C2O4)3、Li2B12FbH12-b(b为0~3的整数)等。
其中,从具有提高输出特性、高倍率充放电特性、高温储存特性、循环特性等效果方面出发,特别优选LiPF6、LiBF4、LiSbF6、LiTaF6、FSO3Li、CF3SO3Li、LiN(FSO2)2、LiN(FSO2)(CF3SO2)、LiN(CF3SO2)2、LiN(C2F5SO2)2、环状1,2-全氟乙烷二磺酰基酰亚胺锂、环状1,3-全氟丙烷二磺酰基酰亚胺锂、LiC(FSO2)3、LiC(CF3SO2)3、LiC(C2F5SO2)3、LiBF3CF3、LiBF3C2F5、LiPF3(CF3)3、LiPF3(C2F5)3等,最优选选自由LiPF6、LiN(FSO2)2及LiBF4构成的组中的至少一种锂盐。
这些电解质盐可以单独使用,也可以并用两种以上。在并用两种以上的情况下,优选的一例为LiPF6和LiBF4并用、LiPF6和C2H5OSO3Li或FSO3Li并用,具有提高高温储存特性、负载特性、循环特性的效果。
在该情况下,LiBF4、C2H5OSO3Li或FSO3L相对于电解液整体100质量%的配合量没有限制,只要不会明显有损本发明的效果则为任意,相对于本发明的电解液,通常为0.01质量%以上,优选为0.1质量%以上,另外,通常为30质量%以下,优选为20质量%以下,更优选为10质量%以下,进一步优选为5质量%以下。
另外,另一例为无机锂盐和有机锂盐的并用,这两者并用具有抑制高温储存引起的劣化的效果。作为有机锂盐,优选CF3SO3Li、LiN(FSO2)2、LiN(FSO2)(CF3SO2)、LiN(CF3SO2)2、LiN(C2F5SO2)2、环状1,2-全氟乙烷二磺酰基酰亚胺锂、环状1,3-全氟丙烷二磺酰基酰亚胺锂、LiC(FSO2)3、LiC(CF3SO2)3、LiC(C2F5SO2)3、LiBF3CF3、LiBF3C2F5、LiPF3(CF3)3、LiPF3(C2F5)3等。在该情况下,有机锂盐相对于电解液整体100质量%的比例优选为0.1质量%以上,特别优选为0.5质量%以上,另外,优选为30质量%以下,特别优选为20质量%以下。
关于这些电解质盐在电解液中的浓度,只要不会有损本发明的效果,则不作特别限制。从使电解液的电导率在良好的范围,从而确保良好的电池性能方面出发,电解液中的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。
若锂的总摩尔浓度过低,则电解液的电导率可能不充分,另一方面,若浓度过高,则粘度升高,因此电导率可能降低,从而可能导致电池性能降低。
优选本发明的电解液进一步包含通式(2)所示的化合物(2),
通式(2):
【化学式48】
式中,X21为至少包含H或C的基团,n21为1~3的整数,Y21及Z21相同或不同,为至少包含H、C、O或F的基团,n22为0或1,Y21及Z21可以互相键合而形成环。
若上述电解液包含化合物(2),则即使在高温下储存的情况下,容量保持率也不易进一步降低,气体的产生量不易进一步增加。
在n21为2或3的情况下,两个或三个X21可以相同也可以不同。
在Y21及Z21存在多个的情况下,存在的多个Y21及Z21可以相同也可以不同。
作为X21,优选为-CY21Z21-(式中,Y21及Z21如上所述)或-CY21=CZ21-(式中,Y21及Z21如上所述)所示的基团。
作为Y21,优选为选自由H-、F-、CH3-、CH3CH2-、CH3CH2CH2-、CF3-、CF3CF2-、CH2FCH2-及CF3CF2CF2-构成的组中的至少一种。
作为Z21,优选为选自由H-、F-、CH3-、CH3CH2-、CH3CH2CH2-、CF3-、CF3CF2-、CH2FCH2-及CF3CF2CF2-构成的组中的至少一种。
或、Y21及Z21彼此键合,能够形成可以包含不饱和键、可具有芳香性的碳环或杂环。环的碳原子数优选为3~20。
接着,对化合物(2)的具体例进行说明。需要说明的是,在下面的例示中,“类似物”是指通过在不违反本发明的主旨的范围内将所例示的酸酐的结构的一部分替换为其它结构而得到的酸酐,例如,可举出:由多个酸酐构成的二聚物、三聚物及四聚物等、或取代基的碳原子数相同但具有支链等结构异构体、取代基键合于酸酐的部位不同的物质等。
作为形成了5元环结构的酸酐的具体例,可举出:琥珀酸酐、甲基琥珀酸酐(4-甲基琥珀酸酐)、二甲基琥珀酸酐(4,4-二甲基琥珀酸酐、4,5-二甲基琥珀酸酐等)、4,4,5-三甲基琥珀酸酐、4,4,5,5-四甲基琥珀酸酐、4-乙烯基琥珀酸酐、4,5-二乙烯基琥珀酸酐、苯基琥珀酸酐(4-苯基琥珀酸酐)、4,5-二苯基琥珀酸酐、4,4-二苯基琥珀酸酐、柠康酸酐、马来酸酐、甲基马来酸酐(4-甲基马来酸酐)、4,5-二甲基马来酸酐、苯基马来酸酐(4-苯基马来酸酐)、4,5-二苯基马来酸酐、衣康酸酐、5-甲基衣康酸酐、5,5-二甲基衣康酸酐、邻苯二甲酸酐、3,4,5,6-四氢邻苯二甲酸酐等、及它们的类似物等。
作为形成了6元环结构的酸酐的具体例,可举出:环己烷二羧酸酐(环己烷-1,2-二羧酸酐等)、4-环己烯-1,2-二羧酸酐、戊二酸酐、戊烯二酸酐、2-苯基戊二酸酐等、及它们的类似物等。
作为形成了其它环状结构的酸酐的具体例,可举出:5-降冰片烯-2,3-二羧酸酐、环戊烷四羧酸二酐、均苯四酸酐、二甘醇酸酐等、及它们的类似物等。
作为形成环状结构的同时被卤素原子取代的酸酐的具体例,可举出:单氟琥珀酸酐(4-氟琥珀酸酐等)、4,4-二氟琥珀酸酐、4,5-二氟琥珀酸酐、4,4,5-三氟琥珀酸酐、三氟甲基琥珀酸酐、四氟琥珀酸酐(4,4,5,5-四氟琥珀酸酐)、4-氟马来酸酐、4,5-二氟马来酸酐、三氟甲基马来酸酐、5-氟衣康酸酐、5,5-二氟衣康酸酐等、及它们的类似物等。
作为化合物(2),其中,优选为戊二酸酐、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、4-环己烯-1,2-二羧酸酐、3,4,5,6-四氢邻苯二甲酸酐、5-降冰片烯-2,3-二羧酸酐、苯基琥珀酸酐、2-苯基戊二酸酐、马来酸酐、甲基马来酸酐、三氟甲基马来酸酐、苯基马来酸酐、琥珀酸酐、甲基琥珀酸酐、二甲基琥珀酸酐、三氟甲基琥珀酸酐、单氟琥珀酸酐、四氟琥珀酸酐等,更优选为马来酸酐、甲基马来酸酐、三氟甲基马来酸酐、琥珀酸酐、甲基琥珀酸酐、三氟甲基琥珀酸酐、四氟琥珀酸酐,进一步优选马来酸酐、琥珀酸酐。
化合物(2)优选为选自由通式(3):
【化学式49】
(式中,X31~X34相同或不同,为至少包含H、C、O或F的基团)所示的化合物(3)、及通式(4):
【化学式50】
(式中,X41及X42相同或不同,为至少包含H、C、O或F的基团)所示的化合物(4)构成的组中的至少一种。
X31~X34相同或不同,优选为选自由烷基、氟代烷基、烯基及氟代烯基构成的组中的至少一种。X31~X34的碳原子数优选为1~10,更优选为1~3。
X31~X34相同或不同,更优选为选自由H-、F-、CH3-、CH3CH2-、CH3CH2CH2-、CF3-、CF3CF2-、CH2FCH2-及CF3CF2CF2-构成的组中的至少一种。
X41及X42相同或不同,优选为选自由烷基、氟代烷基、烯基及氟代烯基构成的组中的至少一种。X41及X42的碳原子数优选为1~10,更优选为1~3。
X41及X42相同或不同,更优选为选自由H-、F-、CH3-、CH3CH2-、CH3CH2CH2-、CF3-、CF3CF2-、CH2FCH2-及CF3CF2CF2-构成的组中的至少一种。
化合物(3)优选为下面的化合物中的任意一种。
【化学式51】
化合物(4)优选为下面的化合物中的任意一种。
【化学式52】
作为上述电解液,从即使在高温下储存的情况下,容量保持率也不易进一步降低,气体的产生量也不易进一步增加方面出发,相对于上述电解液,优选包含0.0001~15质量%的化合物(2)。作为化合物(2)的含量,更优选为0.01~10质量%,进一步优选为0.1~3质量%,特别优选为0.1~1.0质量%。
在上述电解液包含化合物(3)及(4)双方的情况下,从即使在高温下储存的情况下,容量保持率也不易进一步降低,气体的产生量也不易进一步增加方面出发,作为上述电解液,相对于上述电解液,优选包含0.08~2.50质量%的化合物(3)及0.02~1.50质量%的化合物(4),更优选包含0.80~2.50质量%的化合物(3)及0.08~1.50质量%的化合物(4)。
本发明的电解液还可以包含选自由下述通式(1a)、(1b)及(1c)所示的腈化合物构成的组中的至少一种。
【化学式53】
式中,Ra及Rb分别独立地表示氢原子、氰基(CN)、卤素原子、烷基或烷基的至少一部分氢原子被卤素原子取代而成的基团。n表示1~10的整数。
【化学式54】
式中,Rc表示氢原子、卤素原子、烷基、烷基的至少一部分氢原子被卤素原子取代而成的基团、或NC-Rc1-Xc1-(Rc1表示亚烷基,Xc1为表示氧原子或硫原子。)所示的基团。Rd及Re分别独立地表示氢原子、卤素原子、烷基或烷基的至少一部分氢原子被卤素原子取代而成的基团。m表示1~10的整数。
【化学式55】
式中,Rf、Rg、Rh及Ri分别独立地表示包含氰基(CN)的基团、氢原子(H)、卤素原子、烷基或烷基的至少一部分氢原子被卤素原子取代而成的基团。其中,Rf、Rg、Rh及Ri中至少一个为包含氰基的基团。l表示1~3的整数。
由此,能够提高电化学器件的高温储存特性。上述腈化合物可以单独使用,也可以以任意的组合及比率并用两种以上。
在上述通式(1a)中,Ra及Rb分别独立地为氢原子、氰基(CN)、卤素原子、烷基或烷基的至少一部分的氢原子被卤素原子取代而成的基团。
作为卤素原子,例如,可举出:氟原子、氯原子、溴原子、碘原子。其中,优选氟原子。
作为烷基,优选碳原子数为1~5的烷基。作为烷基的具体例,可举出:甲基、乙基、丙基、异丙基、丁基、异丁基、叔丁基等。
作为烷基的至少一部分的氢原子被卤素原子取代而成的基团,可举出上述烷基的至少一部分的氢原子被上述卤素原子取代而成的基团。
在Ra及Rb为烷基或烷基的至少一部分的氢原子被卤素原子取而成的基团的情况下,Ra和Rb可以彼此键合而形成环结构(例如,环己烷环)。
Ra及Rb优选为氢原子或烷基。
在上述通式(1a)中,n为1~10的整数。在n为2以上的情况下,n个Ra可以全部相同,也可以至少一部分不同。对于Rb也同样如此。n优选为1~7的整数,更优选为2~5的整数。
作为上述通式(1a)所示的腈化合物,优选为二腈及三腈。
作为二腈的具体例,可例示: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、双环己基-1,1-二甲腈、双环己基-2,2-二甲腈、双环己基-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、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’-(亚乙基二氧基)二丙腈、3,3’-(亚乙基二硫代)二丙腈、3,9-双(2-氰基乙基)-2,4,8,10-四氧杂螺[5,5]十一烷、丁腈、邻苯二甲腈等。其中,特别优选的是丁二腈、戊二腈、己二腈。
另外,作为三腈的具体例,可举出:戊烷三甲腈、丙烷三甲腈、1,3,5-己烷三甲腈、1,3,6-己烷三甲腈、庚烷三甲腈、1,2,3-丙烷三甲腈、1,3,5-戊烷三甲腈、环己烷三甲腈、三氰基乙基胺、三氰基乙氧基丙烷、三氰基乙烯、三(2-氰基乙基)胺等,特别优选的是1,3,6-己烷三甲腈,环己烷三甲腈,最优选的是环己烷三甲腈。
在上述通式(1b)中,Rc为氢原子、卤素原子、烷基、烷基的至少一部分氢原子被卤素原子取代而成的基团、或NC-Rc1-Xc1-(Rc1表示亚烷基,Xc1表示氧原子或硫原子。)所示的基团,Rd及Re分别独立地为氢原子、卤素原子、烷基、或烷基的至少一部分氢原子被卤素原子取代而成的基团。
关于卤素原子、烷基、及烷基的至少一部分氢原子被卤素原子取代而成的基团,可举出对于上述通式(1a)所例示的基团。
上述NC-Rc1-Xc1-中的Rc1为亚烷基。作为亚烷基,优选为碳原子数1~3的亚烷基。
优选Rc、Rd及Re分别独立地为氢原子、卤素原子、烷基或烷基的至少一部分氢原子被卤素原子取代而成的基团。
Rc、Rd及Re的至少一个优选为卤素原子或烷基的至少一部分氢原子被卤素原子取代而成的基团,更优选为氟原子或烷基的至少一部分氢原子被氟原子取代而成的基团。
在Rd及Re为烷基或烷基的至少一部分氢原子被卤素原子取代而成的基的情况下,Rd和Re可以彼此键合而形成环结构(例如,环己烷环)。
在上述通式(1b)中,m为1~10的整数。在m为2以上的情况下,m个Rd可以全部相同,也可以至少一部分不同。对于Re也同样如此。m优选为2~7的整数,更优选为2~5的整数。
作为上述通式(1b)所示的腈化合物,可例示:乙腈、丙腈、丁腈、异丁腈、戊腈、异戊腈、月桂腈、3-甲氧基丙腈、2-甲基丁腈、三甲基乙腈、己腈、环戊烷甲腈、环己烷甲腈、氟乙腈、二氟乙腈、三氟乙腈、2-氟丙腈、3-氟丙腈、2,2-二氟丙腈、2,3-二氟丙腈、3,3-二氟丙腈、2,2,3-三氟丙腈、3,3,3-三氟丙腈、3,3’-氧二丙腈、3,3’-硫代二丙腈、五氟丙腈、甲氧基乙腈、苯甲腈等。其中,特别优选的是3,3,3-三氟丙腈。
在上述通式(1c)中,Rf、Rg、Rh及Ri分别独立地为包含氰基(CN)的基团、氢原子、卤素原子、烷基、或烷基的至少一部分氢原子被卤素原子取代而成的基团。
关于卤素原子、烷基、及烷基的至少一部分氢原子被卤素原子取代而成的基团,可举出对于上述通式(1a)所例示的基团。
作为包含氰基的基团,除氰基以外,还可举出烷基的至少一部分氢原子被氰基取代而成的基团。作为该情况的烷基,可举出对于上述通式(1a)所例示的基团。
Rf、Rg、Rh及Ri中至少一个为包含氰基的基团。优选Rf、Rg、Rh及Ri中至少两个为包含氰基的基团,更优选Rh及Ri为包含氰基的基团。在Rh及Ri为包含氰基的基团的情况下,优选Rf及Rg为氢原子。
在上述通式(1c)中,l为1~3的整数。在l为2以上的情况下,l个Rf可以全部相同,也可以至少一部分不同。对于Rg也同样如此。l优选为1~2的整数。
作为上述通式(1c)所示的腈化合物,例示有:3-己烯二腈、丙二腈、马来腈、富马腈、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、2-己烯腈等,优选为3-己烯二腈、丙二腈,特别优选为3-己烯二腈。
优选上述腈化合物的含量相对于电解液为0.2~7质量%。由此,能够进一步提高电化学器件的高电压下的高温储存特性、安全性。上述腈化合物的含量的合计下限更优选为0.3质量%,进一步优选为0.5质量%。上限更优选为5质量%,进一步优选为2质量%,特别优选为0.5质量%。
本发明的电解液可以含有具有异氰酸酯基的化合物(下面,有时简记为“异氰酸酯”)。作为上述异氰酸酯,没有特别限定,能够使用任意的异氰酸酯。作为异氰酸酯的例子,可举出:单异氰酸酯类、二异氰酸酯类、三异氰酸酯类等。
作为单异氰酸酯类的具体例,可举出:异氰酸根合甲烷、异氰酸根合乙烷、1-异氰酸根合丙烷、1-异氰酸根合丁烷、1-异氰酸根合戊烷、1-异氰酸根合己烷、1-异氰酸根合庚烷、1-异氰酸根合辛烷、1-异氰酸根合壬烷、1-异氰酸根合癸烷、异氰酸根合环己烷、甲氧基羰基异氰酸酯、乙氧基羰基异氰酸酯、丙氧基羰基异氰酸酯、丁氧基羰基异氰酸酯、甲氧基磺酰基异氰酸酯、乙氧基磺酰基异氰酸酯、丙氧基磺酰基异氰酸酯、丁氧基磺酰基异氰酸酯、氟代磺酰基异氰酸酯、甲基异氰酸酯、丁基异氰酸酯、苯基异氰酸酯、丙烯酸2-异氰酸根合乙酯、甲基丙烯酸2-异氰酸根合乙酯、异氰酸乙酯等。
作为二异氰酸酯类的具体例,可举出:1,4-二异氰酸根合丁烷、1,5-二异氰酸根合戊烷、1,6-二异氰酸根合己烷、1,7-二异氰酸根合庚烷、1,8-二异氰酸根合辛烷、1,9-二异氰酸根合壬烷、1,10-二异氰酸根合癸烷、1,3-二异氰酸根合丙烯、1,4-二异氰酸根合-2-丁烯、1,4-二异氰酸根合-2-氟丁烷、1,4-二异氰酸根合-2,3-二氟丁烷、1,5-二异氰酸根合-2-戊烯、1,5-二异氰酸根合-2-甲基戊烷、1,6-二异氰酸根合-2-己烯、1,6-二异氰酸根合-3-己烯、1,6-二异氰酸根合-3-氟己烷、1,6-二异氰酸根合-3,4-二氟己烷、甲苯二异氰酸酯、二甲苯二异氰酸酯、甲代亚苯基二异氰酸酯、1,2-双(异氰酸根合甲基)环己烷、1,3-双(异氰酸根合甲基)环己烷、1,4-双(异氰酸根合甲基)环己烷、1,2-二异氰酸根合环己烷、1,3-二异氰酸根合环己烷、1,4-二异氰酸根合环己烷、双环己基甲烷-1,1’-二异氰酸酯、双环己基甲烷-2,2’-二异氰酸酯、双环己基甲烷-3,3’-二异氰酸酯、双环己基甲烷-4,4’-二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯、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)、2,4,4-三甲基六亚甲基二异氰酸酯、2,2,4-三甲基六亚甲基二异氰酸酯、六亚甲基二异氰酸酯、对苯二异氰酸酯、八亚甲基二异氰酸酯、四亚甲基二异氰酸酯等。
作为三异氰酸酯类的具体例,可举出:1,6,11-三异氰酸根合十一烷、4-异氰酸根合甲基-1,8-八亚甲基二异氰酸酯、1,3,5-三异氰酸酯甲基苯、1,3,5-三(6-异氰酸根合六-1-基)-1,3,5-三嗪-2,4,6(1H,3H,5H)-三酮、4-(异氰酸根合甲基)八亚甲基=二异氰酸酯等。
其中,1,6-二异氰酸根合己烷、1,3-双(异氰酸根合甲基)环己烷、1,3,5-三(6-异氰酸根合六-1-基)-1,3,5-三嗪-2,4,6(1H,3H,5H)-三酮、2,4,4-三甲基六亚甲基二异氰酸酯、2,2,4-三甲基六亚甲基二异氰酸酯容易在工业上获得,在降低电解液的制造成本方面,较为优选,另外,从技术角度出发,也有助于形成稳定的覆膜状的结构物,因此更优选使用。
异氰酸酯的含量不作特别限定,只要不显著损害本发明的效果即可为任意的含量,相对于电解液,优选为0.001质量%以上且1.0质量%以下。若异氰酸酯的含量在该下限以上,则能够为非水系电解液二次电池带来充分的提高循环特性的效果。另外,若在该上限以下,则能够避免非水系电解液二次电池的初始的电阻增加。异氰酸酯的含量更优选为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,更优选为0.8质量%以下,进一步优选为0.7质量%以下,特别优选为0.6质量%以下。
本发明的电解液还可以包含环状磺酸酯。作为环状磺酸酯,不作特别限定,能够使用任意的环状磺酸酯。作为环状磺酸酯的例子,可举出:饱和环状磺酸酯、不饱和环状磺酸酯、饱和环状二磺酸酯、不饱和环状二磺酸酯等。
作为饱和环状磺酸酯的具体例,可举出:1,3-丙烷磺内酯、1-氟-1,3-丙烷磺内酯、2-氟-1,3-丙烷磺内酯、3-氟-1,3-丙烷磺内酯、1-甲基-1,3-丙烷磺内酯、2-甲基-1,3-丙烷磺内酯、3-甲基-1,3-丙烷磺内酯、1,3-丁烷磺内酯、1,4-丁烷磺内酯、1-氟-1,4-丁烷磺内酯、2-氟-1,4-丁烷磺内酯、3-氟-1,4-丁烷磺内酯、4-氟-1,4-丁烷磺内酯、1-甲基-1,4-丁烷磺内酯、2-甲基-1,4-丁烷磺内酯、3-甲基-1,4-丁烷磺内酯、4-甲基-1,4-丁烷磺内酯、2,4-丁烷磺内酯等。
作为不饱和环状磺酸酯的具体例,可举出:1-丙烯-1,3-磺内酯、2-丙烯-1,3-磺内酯、1-氟-1-丙烯-1,3-磺内酯、2-氟-1-丙烯-1,3-磺内酯、3-氟-1-丙烯-1,3-磺内酯、1-氟-2-丙烯-1,3-磺内酯、2-氟-2-丙烯-1,3-磺内酯、3-氟-2-丙烯-1,3-磺内酯、1-甲基-1-丙烯-1,3-磺内酯、2-甲基-1-丙烯-1,3-磺内酯、3-甲基-1-丙烯-1,3-磺内酯、1-甲基-2-丙烯-1,3-磺内酯、2-甲基-2-丙烯-1,3-磺内酯、3-甲基-2-丙烯-1,3-磺内酯、1-丁烯-1,4-磺内酯、2-丁烯-1,4-磺内酯、3-丁烯-1,4-磺内酯、1-氟-1-丁烯-1,4-磺内酯、2-氟-1-丁烯-1,4-磺内酯、3-氟-1-丁烯-1,4-磺内酯、4-氟-1-丁烯-1,4-磺内酯、1-氟-2-丁烯-1,4-磺内酯、2-氟-2-丁烯-1,4-磺内酯、3-氟-2-丁烯-1,4-磺内酯、4-氟-2-丁烯-1,4-磺内酯、1,3-丙烯磺内酯、1-氟-3-丁烯-1,4-磺内酯、2-氟-3-丁烯-1,4-磺内酯、3-氟-3-丁烯-1,4-磺内酯、4-氟-3-丁烯-1,4-磺内酯、1-甲基-1-丁烯-1,4-磺内酯、2-甲基-1-丁烯-1,4-磺内酯、3-甲基-1-丁烯-1,4-磺内酯、4-甲基-1-丁烯-1,4-磺内酯、1-甲基-2-丁烯-1,4-磺内酯、2-甲基-2-丁烯-1,4-磺内酯、3-甲基-2-丁烯-1,4-磺内酯、4-甲基-2-丁烯-1,4-磺内酯、1-甲基-3-丁烯-1,4-磺内酯、2-甲基-3-丁烯-1,4-磺内酯、3-甲基-3-丁烯-1,4-磺内酯、4-甲基-3-丁烯-1,4-磺内酯等。
其中,从容易获得、有助于形成稳定的覆膜状的结构物方面出发,更优选使用1,3-丙烷磺内酯、1-氟-1,3-丙烷磺内酯、2-氟-1,3-丙烷磺内酯、3-氟-1,3-丙烷磺内酯、1-丙烯-1,3-磺内酯。环状磺酸酯的含量不作特别限定,只要不显著损害本发明的效果则可以为任意的含量,相对于电解液,优选为0.001质量%以上且3.0质量%以下。
若环状磺酸酯的含量在该下限以上,则能够为非水系电解液二次电池带来充分的提高循环特性的效果。另外,若在该上限以下,则能够避免非水系电解液二次电池的制造成本的增加。环状磺酸酯的含量更优选为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,更优选为2.5质量%以下,进一步优选为2.0质量%以下,特别优选为1.8质量%以下。
本发明的电解液可以进一步包含重均分子量为2000~4000、且末端具有-OH、-OCOOH或-COOH的聚氧乙烯。
通过含有这种化合物,电极界面的稳定性提高,从而能够提高电化学器件的特性。
作为上述聚氧乙烯,例如,可举出:聚氧乙烯一元醇、聚氧乙烯羧酸、聚氧乙烯二醇、聚氧乙烯二羧酸、聚氧乙烯三醇、聚氧乙烯三羧酸等。它们可以单独使用,也可以并用两种以上。
其中,在电化学器件的特性变得更为良好方面,优选为聚氧乙烯一元醇和聚氧乙烯二醇的混合物、及聚氧乙烯羧酸和聚氧乙烯二羧酸的混合物。
若上述聚氧乙烯的重均分子量过小,则可能变得容易被氧化分解。上述重均分子量更优选为3000~4000。
上述重均分子量能够通过利用凝胶渗透色谱(GPC)法的聚苯乙烯换算来测定。
优选上述聚氧乙烯的含量在电解液中为1×10-6~1×10-2mol/kg。若上述聚氧乙烯的含量过多,则可能有损电化学器件的特性。
上述聚氧乙烯的含量更优选为5×10-6mol/kg以上。
本发明的电解液可以进一步含有氟代饱和环状碳酸酯、不饱和环状碳酸酯、防过充剂、其它公知的助剂等作为添加剂。由此,能够抑制电化学器件的特性降低。
作为氟代饱和环状碳酸酯,可举出上述通式(A)所示的化合物。其中,优选为氟代碳酸亚乙酯、二氟代碳酸亚乙酯、单氟甲基碳酸亚乙酯、三氟甲基碳酸亚乙酯、2,2,3,3,3-五氟丙基碳酸亚乙酯(4-(2,2,3,3,3-五氟-丙基)-[1、3]二氧戊环-2-酮)。氟代饱和环状碳酸酯可以单独使用一种,也可以以任意的组合及比率并用两种以上。
上述氟代饱和环状碳酸酯的含量相对于上述电解液优选为0.001~10质量%,更优选为0.01~5质量%,进一步优选为0.1~3质量%。
作为不饱和环状碳酸酯,可举出:碳酸亚乙烯酯类、被具有芳香环或碳-碳双键或碳-碳三键的取代基取代后的碳酸亚乙酯类、苯基碳酸酯类、乙烯基碳酸酯类、烯丙基碳酸酯类、邻苯二酚碳酸酯类等。
作为碳酸亚乙烯酯类,可举出: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、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-氟-5-乙烯基碳酸亚乙烯酯、4-烯丙基-5-氟碳酸亚乙烯酯、乙炔基碳酸亚乙烯酯、炔丙基碳酸亚乙烯酯、甲基碳酸亚乙烯酯、二甲基碳酸亚乙烯酯等。
作为被具有芳香环或碳-碳双键或碳-碳三键的取代基取代后的碳酸亚乙酯类的具体例,可举出: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、4-亚甲基-1,3-二氧戊环-2-酮、4,5-二亚甲基-1,3-二氧戊环-2-酮、4-甲基-5-烯丙基碳酸亚乙酯等。
其中,作为不饱和环状碳酸酯,优选为碳酸亚乙烯酯、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,乙炔基碳酸亚乙酯会形成更加稳定的界面保护覆膜,因此特别优选,最优选为碳酸亚乙烯酯。
不饱和环状碳酸酯的分子量不作特别限制,只要不显著损害本发明的效果则可以为任意的分子量。分子量优选为50以上且250以下。如果在该范围内,则容易确保不饱和环状碳酸酯对电解液的溶解性,容易充分发挥本发明的效果。不饱和环状碳酸酯的分子量更优选为80以上,另外,更优选为150以下。
不饱和环状碳酸酯的制造方法不作特别限制,可以任意选择公知的方法来制造。
不饱和环状碳酸酯可以单独使用一种,也可以以任意的组合及比率并用两种以上。
上述不饱和环状碳酸酯的含量不作特别限制,只要不显著损害本发明的效果则可以为任意的含量。上述不饱和环状碳酸酯的含量在电解液100质量%中优选为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。另外,上述含量优选为5质量%以下,更优选为4质量%以下,进一步优选为3质量%以下。如果在上述范围内,则使用电解液的电化学器件容易发挥充分的提高循环特性的效果,另外,容易避免高温储存特性降低、气体产生量变多、放电容量保持率降低等情况。
作为不饱和环状碳酸酯,除上述未氟代不饱和环状碳酸酯之外,也可以优选使用氟代不饱和环状碳酸酯。
氟代不饱和环状碳酸酯为具有不饱和键和氟原子的环状碳酸酯。氟代不饱和环状碳酸酯所具有的氟原子的数量为1以上即可,不作特别限制。其中,氟原子通常为6以下,优选为4以下,最优选为1个或2个。
作为氟代不饱和环状碳酸酯,可举出:氟代碳酸亚乙烯酯衍生物、被具有芳香环或碳-碳双键的取代基取代后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,可举出: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。
作为被具有芳香环或碳-碳双键的取代基取代后的氟代碳酸亚乙酯衍生物,可举出: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会形成稳定的界面保护覆膜,因此更优选使用。
氟代不饱和环状碳酸酯的分子量不作特别限制,只要不显著损害本发明的效果则可以为任意的分子量。分子量优选为50以上且500以下。如果在该范围内,则容易确保氟代不饱和环状碳酸酯对电解液的溶解性。
氟代不饱和环状碳酸酯的制造方法不作特别限制,可以任意选择公知的方法来制造。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,也可以以任意的组合及比率并用两种以上。另外,氟代不饱和环状碳酸酯的含量不作特别限制,只要不显著损害本发明的效果则可以为任意的含量。作为氟代不饱和环状碳酸酯的含量,通常,100质量%电解液中,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,另外,优选为5质量%以下,更优选为4质量%以下,进一步优选为3质量%以下。如果在该范围内,则使用电解液的电化学器件容易发挥充分的提高循环特性的效果,另外,容易避免高温储存特性降低、气体产生量变多、放电容量保持率降低等情况。
本发明的电解液还可以包含具有三键的化合物。只要为分子内具有一个以上三键的化合物即可,其种类不作特别限定。
作为具有三键的化合物的具体例,例如,可举出下面的化合物。
1-戊炔、2-戊炔、1-己炔、2-己炔、3-己炔、1-庚炔、2-庚炔、3-庚炔、1-辛炔、2-辛炔、3-辛炔、4-辛炔、1-壬炔、2-壬炔、3-壬炔、4-壬炔、1-十二炔、2-十二炔、3-十二炔、4-十二炔、5-十二炔、苯基乙炔、1-苯基-1-丙炔、1-苯基-2-丙炔、1-苯基-1-丁炔、4-苯基-1-丁炔、4-苯基-1-丁炔、1-苯基-1-戊炔、5-苯基-1-戊炔、1-苯基-1-己炔、6-苯基-1-己炔、二苯基乙炔、4-乙炔基甲苯、双环己基乙炔等烃化合物;
2-丙炔基碳酸甲酯、2-丙炔基碳酸乙酯、2-丙炔基碳酸丙酯、2-丙炔基碳酸丁酯、2-丙炔基苯基碳酸酯、2-丙炔基环己基碳酸酯、二-2-丙炔基碳酸酯、1-甲基-2-丙炔基碳酸甲酯、1,1-二甲基-2-丙炔基碳酸甲酯、2-丁炔基碳酸甲酯、3-丁炔基碳酸甲酯、2-戊炔基碳酸甲酯、3-戊炔基碳酸甲酯、4-戊炔基碳酸甲酯等单碳酸酯;2-丁炔-1,4-二醇二甲基二碳酸酯、2-丁炔-1,4-二醇二乙基二碳酸酯、2-丁炔-1,4-二醇二丙基二碳酸酯、2-丁炔-1,4-二醇二丁基二碳酸酯、2-丁炔-1,4-二醇二苯基二碳酸酯、2-丁炔-1,4-二醇双环己基二碳酸酯等二碳酸酯;
乙酸2-丙炔酯、丙酸2-丙炔酯、丁酸2-丙炔酯、苯甲酸2-丙炔酯、环己基羧酸2-丙炔酯、乙酸1,1-二甲基-2-丙炔酯、丙酸1,1-二甲基-2-丙炔酯、丁酸1,1-二甲基-2-丙炔酯、苯甲酸1,1-二甲基-2-丙炔酯、环己基羧酸1,1-二甲基-2-丙炔酯、乙酸2-丁炔酯、乙酸3-丁炔酯、乙酸2-戊炔酯、乙酸3-戊炔基酯、乙酸4-戊炔酯、丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸丙酯、丙烯酸乙烯酯、丙烯酸2-丙烯酯、丙烯酸2-丁烯酯、丙烯酸3-丁烯酯、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸丙酯、甲基丙烯酸乙烯酯、甲基丙烯酸2-丙烯酯、甲基丙烯酸2-丁烯酯、甲基丙烯酸3-丁烯酯、2-丙炔酸甲酯、2-丙炔酸乙酯、2-丙炔酸丙酯、2-丙炔酸乙烯酯、2-丙炔酸2-丙烯酯、2-丙炔酸2-丁烯酯、2-丙炔酸3-丁烯酯、2-丁炔酸甲酯、2-丁炔酸乙酯、2-丁炔酸丙酯、2-丁炔酸乙烯酯、2-丁炔酸2-丙烯酯、2-丁炔酸2-丁烯酯、2-丁炔酸3-丁烯酯、3-丁炔酸甲酯、3-丁炔酸乙酯、3-丁炔酸丙酯、3-丁炔酸乙烯酯、3-丁炔酸2-丙烯酯、3-丁炔酸2-丁烯酯、3-丁炔酸3-丁烯酯、2-戊炔酸甲酯、2-戊炔酸乙酯、2-戊炔酸丙酯、2-戊炔酸乙烯酯、2-戊炔酸2-丙烯酯、2-戊炔酸2-丁烯酯、2-戊炔酸3-丁烯酯、3-戊炔酸甲酯、3-戊炔酸乙酯、3-戊炔酸丙酯、3-戊炔酸乙烯酯、3-戊炔酸2-丙烯酯、3-戊炔酸2-丁烯酯、3-戊炔酸3-丁烯酯、4-戊炔酸甲酯、4-戊炔酸乙酯、4-戊炔酸丙酯、4-戊炔酸乙烯酯、4-戊炔酸2-丙烯酯、4-戊炔酸2-丁烯酯、4-戊炔酸3-丁烯酯等单羧酸酯、富马酸酯、三甲基乙酸甲酯、三甲基乙酸乙酯;
2-丁炔-1,4-二醇二乙酸酯、2-丁炔-1,4-二醇二丙酸酯、2-丁炔-1,4-二醇二丁酸酯、2-丁炔-1,4-二醇二苯甲酸酯、2-丁炔-1,4-二醇二环己烷羧酸酯、六氢苯并[1,3,2]二恶噻戊环-2-氧化物(1,2-环己烷二醇、2,2-二氧化物-1,2-氧硫杂环戊烷-4-基乙酸酯、2,2-二氧化物-1,2-氧硫杂环戊烷-4-基乙酸酯等二羧酸酯;
草酸甲基2-丙炔基酯、草酸乙基2-丙炔基酯、草酸丙基2-丙炔基酯、草酸2-丙炔基乙烯基酯、草酸烯丙基2-丙炔基酯、草酸二-2-丙炔酯、草酸2-丁炔基甲基酯、草酸2-丁炔基乙基酯、草酸2-丁炔基丙基酯、草酸2-丁炔基乙烯基酯、草酸烯丙基2-丁炔基酯、草酸二-2-丁炔酯、草酸3-丁炔基甲基酯、草酸3-丁炔基乙基酯、草酸3-丁炔基丙基酯、草酸3-丁炔基乙烯基酯、草酸烯丙基3-丁炔基酯、草酸二-3-丁炔酯等草酸二酯;
甲基(2-丙炔基)(乙烯基)氧化膦、二乙烯基(2-丙炔基)氧化膦、二(2-丙炔基)(乙烯基)氧化膦、二(2-丙烯基)(2-丙炔基)氧化膦、二(2-丙炔基)(2-丙烯基)氧化膦、二(3-丁烯基)(2-丙炔基)氧化膦、及二(2-丙炔基)(3-丁烯基)氧化膦等氧化膦;
甲基(2-丙烯基)次膦酸2-丙炔酯、2-丁烯基(甲基)次膦酸2-丙炔酯、二(2-丙烯基)次膦酸2-丙炔酯、二(3-丁烯基)次膦酸2-丙炔酯、甲基(2-丙烯基)次膦酸1,1-二甲基-2-丙炔酯、2-丁烯基(甲基)次膦酸1,1-二甲基-2-丙炔酯、二(2-丙烯基)次膦酸1,1-二甲基-2-丙炔酯、及二(3-丁烯基)次膦酸1,1-二甲基-2-丙炔酯、甲基(2-丙炔基)次膦酸2-丙烯酯、甲基(2-丙炔基)次膦酸3-丁烯酯、二(2-丙炔基)次膦酸2-丙烯酯、二(2-丙炔基)次膦酸3-丁烯酯、2-丙炔基(2-丙烯基)次膦酸2-丙烯酯、及2-丙炔基(2-丙烯基)次膦酸3-丁烯基等次膦酸酯;
2-丙烯基膦酸甲基2-丙炔基酯、2-丁烯基膦酸甲基(2-丙炔基)酯、2-丙烯基膦酸(2-丙炔基)(2-丙烯基)酯、3-丁烯基膦酸(3-丁烯基)(2-丙炔基)酯、2-丙烯基膦酸(1,1-二甲基-2-丙炔基)(甲基)酯、2-丁烯基膦酸(1,1-二甲基-2-丙炔基)(甲基)酯、2-丙烯基膦酸(1,1-二甲基-2-丙炔基)(2-丙烯基)酯、及3-丁烯基膦酸(3-丁烯基)(1,1-二甲基-2-丙炔基)酯、甲基膦酸(2-丙炔基)(2-丙烯基)酯、甲基膦酸(3-丁烯基)(2-丙炔基)酯、甲基膦酸(1,1-二甲基-2-丙炔基)(2-丙烯基)酯、甲基膦酸(3-丁烯基)(1,1-二甲基-2-丙炔基)酯、乙基膦酸(2-丙炔基)(2-丙烯基)酯、乙基膦酸(3-丁烯基)(2-丙炔基)酯、乙基膦酸(1,1-二甲基-2-丙炔基)(2-丙烯基)酯、及乙基膦酸(3-丁烯基)(1,1-二甲基-2-丙炔基)酯等膦酸酯;
磷酸(甲基)(2-丙烯基)(2-丙炔基)酯、磷酸(乙基)(2-丙烯基)(2-丙炔基)酯、磷酸(2-丁烯基)(甲基)(2-丙炔基)酯、磷酸(2-丁烯基)(乙基)(2-丙炔基)酯、磷酸(1,1-二甲基-2-丙炔基)(甲基)(2-丙烯基)酯、磷酸(1,1-二甲基-2-丙炔基)(乙基)(2-丙烯基)酯、磷酸(2-丁烯基)(1,1-二甲基-2-丙炔基)(甲基)酯、及磷酸(2-丁烯基)(乙基)(1,1-二甲基-2-丙炔基)酯等磷酸酯;
其中,具有炔氧基的化合物在电解液中更稳定地形成负极膜,故优选。
而且,从提高储存特性方面出发,特别优选为2-丙炔基碳酸甲酯、二-2-丙炔基碳酸酯、2-丁炔-1,4-二醇二甲基二碳酸酯、乙酸2-丙炔酯、2-丁炔-1,4-二醇二乙酸酯、草酸甲基2-丙炔基酯、草酸二-2-丙炔酯等化合物。
上述具有三键的化合物可以单独使用一种,也可以以任意的组合及比率并用两种以上。具有三键的化合物对于本发明的电解液整体的配合量没有限制,只要不显著损害本发明的效果则可以为任意的配合量,相对于本发明的电解液,以下述的浓度含有:通常为0.01质量%以上,优选为0.05质量%以上,更优选为0.1质量%以上,另外,通常为5质量%以下,优选为3质量%以下,更优选为1质量%以下。在满足上述范围的情况下,输出特性、负载特性、循环特性、高温储存特性等效果更为提高。
在本发明的电解液中,为了在使用电解液的电化学器件形成过充电等状态时有效地抑制电池的破裂及起火,可使用防过充剂。
作为防过充剂,可举出:联苯、邻三联苯、间三联苯、对三联苯等无取代或被烷基取代的三联苯衍生物、无取代或被烷基取代的三联苯衍生物的部分氢化物、环己基苯、叔丁基苯、叔戊基苯、二苯醚、二苯并呋喃、二苯基环己烷、1,1,3-三甲基-3-苯基茚满、环戊基苯、环己基苯、异丙苯、1,3-二异丙基苯、1,4-二异丙基苯、叔丁基苯、叔戊基苯、叔己基苯、茴香醚等芳香族化合物;2-氟联苯、4-氟联苯、o-环己基氟苯、p-环己基氟苯、o-环己基氟苯、p-环己基氟苯氟苯、氟甲苯、苯并三氟甲苯等上述芳香族化合物的部分氟代物;2,4-二氟茴香醚、2,5-二氟茴香醚、1,6-二氟茴香醚、2,6-二氟茴香醚、3,5-二氟茴香醚等含氟茴香醚化合物;乙酸3-丙基苯酯、乙酸2-乙基苯酯、苯乙酸苄酯、苯乙酸甲酯、乙酸苄酯、苯乙酸苯乙酯等芳香族乙酸酯类;碳酸二苯酯、苯碳酸甲酯等芳香族碳酸酯类;甲苯、二甲苯等甲苯衍生物;2-甲基联苯、3-甲基联苯、4-甲基联苯、o-环己基联苯等无取代或被烷基取代的联苯衍生物等。其中,优选为联苯、烷基联苯、三联苯、三联苯的部分氢化物、环己基苯、叔丁基苯、叔戊基苯、二苯醚、二苯并呋喃等芳香族化合物;二苯基环己烷、1,1,3-三甲基-3-苯基茚满、乙酸3-丙基苯酯、乙酸2-乙基苯酯、苯乙酸苄酯、苯乙酸甲酯、乙酸苄酯、碳酸二苯酯、苯碳酸甲酯等。它们可以单独使用一种,也可以并用两种以上。在并用两种以上的情况下,从防过充特性和高温储存特性的平衡的方面出发,特别优选环己基苯与叔丁基苯或叔戊基苯的组合;选自联苯、烷基联苯、三联苯、三联苯部分氢化物、环己基苯、叔丁基苯、叔戊基苯等不含氧的芳香族化合物中的至少一种、和选自二苯醚、二苯并呋喃等含氧芳香族化合物中的至少一种并用。
在本发明中所使用的电解液中,还可以使用羧酸酐(其中,不包括化合物(2))。优选下述通式(6)所示的化合物。羧酸酐的制造方法不作特别限制,可以任意选择公知的方法来制造。
【化学式56】
通式(6)中,R61、R62分别独立地表示可具有取代基的碳原子数1以上且15以下的烃基。
R61、R62为一价的烃基即可,其种类不作特别限制。例如,可以为脂肪族烃基,也可为芳香族烃基,还可以为脂肪族烃基和芳香族烃基键合而成的基团。脂肪族烃基可以为饱和烃基,还可以包含不饱和键(碳-碳双键或碳-碳三键)。另外,脂肪族烃基可以为链状,也可以为环状,在链状的情况下,可以为直链状,也可以为支链状。而且,还可以为链状和环状键合而成的基团。需要说明的是,R61及R62彼此可以相同,也可以不同。
另外,在R61、R62的烃基具有取代基的情况下,该取代基的种类只要不违反本发明的主旨则不作特别限制,作为例子,可举出:氟原子、氯原子、溴原子、碘原子等卤素原子,优选为氟原子。或者,作为卤素原子以外的取代基,也可举出:具有酯基、氰基、羰基、醚基等官能团的取代基等,优选为氰基、羰基。R61、R62的烃基可以仅具有一个这些取代基,也可以具有两个以上。在具有两个以上取代基的情况下,这些取代基可以相同,也可以彼此不同。
R61、R62各自的烃基的碳原子数通常为1以上,另外,通常为15以下,优选为12以下,更优选为10以下,进一步优选为9以下。在R61和R62彼此键合而形成了二价的烃基的情况下,该二价的烃基的碳原子数通常为1以上,另外,通常为15以下,优选为13以下,更优选为10以下,进一步优选为8以下。需要说明的是,在R61、R62的烃基具有含碳原子的取代基的情况下,优选包含该取代基在内的R61、R62整体的碳原子数满足上述范围。
接着,对上述通式(6)所示的酸酐的具体例进行说明。需要说明的是,在下面的例示中,“类似物”是指通过在不违反本发明的主旨的范围内将所例示的酸酐的结构的一部分替换为其它结构而得到的酸酐,例如,可举出:由多个酸酐构成的二聚物、三聚物及四聚物等,或取代基的碳原子数相同但具有支链的等结构异构的物质、取代基键合于酸酐的部位不同的物质等。
首先,下面将例举R61、R62相同的酸酐的具体例。
作为R61、R62为链状烷基的酸酐的具体例,可举出:乙酸酐、丙酸酐、丁酸酐、2-甲基丙酸酐、2,2-二甲基丙酸酐、2-甲基丁酸酐、3-甲基丁酸酐、2,2-二甲基丁酸酐、2,3-二甲基丁酸酐、3,3-二甲基丁酸酐、2,2,3-三甲基丁酸酐、2,3,3-三甲基丁酸酐、2,2,3,3-四甲基丁酸酐、2-乙基丁酸酐等、及它们的类似物等。
作为R61、R62为环状烷基的酸酐的具体例,可举出:环丙烷羧酸酐、环戊烷羧酸酐、环己烷羧酸酐等、及它们的类似物等。
作为R61、R62为烯基的酸酐的具体例,可举出:丙烯酸酐、2-甲基丙烯酸酐、3-甲基丙烯酸酐、2,3-二甲基丙烯酸酐、3,3-二甲基丙烯酸酐、2,3,3-三甲基丙烯酸酐、2-苯基丙烯酸酐、3-苯基丙烯酸酐、2,3-二苯基丙烯酸酐、3,3-二苯基丙烯酸酐、3-丁烯酸酐、2-甲基-3-丁烯酸酐、2,2-二甲基-3-丁烯酸酐、3-甲基-3-丁烯酸酐、2-甲基-3-甲基-3-丁烯酸酐、2,2-二甲基-3-甲基-3-丁烯酸酐、3-戊烯酸酐、4-戊烯酸酐、2-环戊烯羧酸酐、3-环戊烯羧酸酐、4-环戊烯羧酸酐等、及它们的类似物等。
作为R61、R62为炔基的酸酐的具体例,可举出:丙炔酸酐、3-苯基丙炔酸酐、2-丁炔酸酐、2-戊炔酸酐、3-丁炔酸酐、3-戊炔酸酐、4-戊炔酸酐等、及它们的类似物等。
作为R61、R62为芳基的酸酐的具体例,可举出:苯甲酸酐、4-甲基苯甲酸酐、4-乙基苯甲酸酐、4-叔丁基苯甲酸酐、2-甲基苯甲酸酐、2,4,6-三甲基苯甲酸酐、1-萘羧酸酐、2-萘羧酸酐等、及它们的类似物等。
另外,作为R61、R62被卤素原子取代的酸酐的例子,下面,主要例举被氟原子取代的酸酐的例子,但这些氟原子的一部分或全部替换为氯原子、溴原子、碘原子而得到的酸酐也包含在例示化合物中。
作为R61、R62为卤素原子取代的链状烷基的酸酐的例子,可举出:氟乙酸酐、二氟乙酸酐、三氟乙酸酐、2-氟丙酸酐、2,2-二氟丙酸酐、2,3-二氟丙酸酐、2,2,3-三氟丙酸酐、2,3,3-三氟丙酸酐、2,2,3,3-四氟丙酸酐、2,3,3,3-四氟丙酸酐、3-氟丙酸酐、3,3-二氟丙酸酐、3,3,3-三氟丙酸酐、全氟丙酸酐等、及它们的类似物等。
作为R61、R62为被卤素原子取代的环状烷基的酸酐的例子,可举出:2-氟环戊烷羧酸酐、3-氟环戊烷羧酸酐、4-氟环戊烷羧酸酐等、及它们的类似物等。
作为R61、R62为被卤素原子取代的烯基的酸酐的例子,可举出:2-氟丙烯酸酐、3-氟丙烯酸酐、2,3-二氟丙烯酸酐、3,3-二氟丙烯酸酐、2,3,3-三氟丙烯酸酐、2-(三氟甲基)丙烯酸酐、3-(三氟甲基)丙烯酸酐、2,3-双(三氟甲基)丙烯酸酐、2,3,3-三(三氟甲基)丙烯酸酐、2-(4-氟苯基)丙烯酸酐、3-(4-氟苯基)丙烯酸酐、2,3-双(4-氟苯基)丙烯酸酐、3,3-双(4-氟苯基)丙烯酸酐、2-氟-3-丁烯酸酐、2,2-二氟-3-丁烯酸酐、3-氟-2-丁烯酸酐、4-氟-3-丁烯酸酐、3,4-二氟-3-丁烯酸酐、3,3,4-三氟-3-丁烯酸酐等、及它们的类似物等。
作为R61、R62为被卤素原子取代的炔基的酸酐的例子,可举出:3-氟-2-丙炔酸酐、3-(4-氟苯基)-2-丙炔酸酐、3-(2,3,4,5,6-五氟苯基)-2-丙炔酸酐、4-氟-2-丁炔酸酐、4,4-二氟-2-丁炔酸酐、4,4,4-三氟-2-丁炔酸酐等、及它们的类似物等。
作为R61、R62为被卤素原子取代的芳基的酸酐的例子,可举出:4-氟苯甲酸酐、2,3,4,5,6-五氟苯甲酸酐、4-三氟甲基苯甲酸酐等、及它们的类似物等。
作为R61、R62为具有酯、腈、酮、醚等官能团的取代基的酸酐的例子,可举出:甲氧基甲酸酐、乙氧基甲酸酐、甲基草酸酐、乙基草酸酐、2-氰基乙酸酐、2-氧代丙酸酐、3-氧代丁酸酐、4-乙酰基苯甲酸酐、甲氧基乙酸酐、4-甲氧基苯甲酸酐等、及它们的类似物等。
接着,下面将例举R61、R62彼此不同的酸酐的具体例。
作为R61、R62,可以想到上面所例举的例子、及它们的类似物的全部的组合,下面,将例举代表性的例子。
作为链状烷基之间的组合的例子,可举出:乙酸丙酸酐、乙酸丁酸酐、丁酸丙酸酐、乙酸2-甲基丙酸酐等。
作为链状烷基和环状烷基的组合的例子,可举出:乙酸环戊烷酸酐、乙酸环己烷酸酐、环戊烷酸丙酸酐等。
作为链状烷基和烯基的组合的例子,可举出:乙酸丙烯酸酐、乙酸3-甲基丙烯酸酐、乙酸3-丁烯酸酐、丙烯酸丙酸酐等。
作为链状烷基和炔基的组合的例子,可举出:乙酸丙炔酸酐、乙酸2-丁炔酸酐、乙酸3-丁炔酸酐、乙酸3-苯基丙炔酸酐、丙酸丙炔酸酐等。
作为链状烷基和芳基的组合的例子,可举出:乙酸苯甲酸酐、乙酸4-甲基苯甲酸酐、乙酸1-萘羧酸酐、苯甲酸丙酸酐等。
作为链状烷基和具有官能团的烃基的组合的例子,可举出:乙酸氟乙酸酐、乙酸三氟乙酸酐、乙酸4-氟苯甲酸酐、氟乙酸丙酸酐、乙酸烷基草酸酐、乙酸2-氰基乙酸酐、乙酸2-氧代丙酸酐、乙酸甲氧基乙酸酐、甲氧基乙酸丙酸酐等。
作为环状烷基之间的组合的例子,可举出环戊烷酸环己烷酸酐等。
作为环状烷基和烯基的组合的例子,可举出:丙烯酸环戊烷酸酐、3-甲基丙烯酸环戊烷酸酐、3-丁烯酸环戊烷酸酐、丙烯酸环己烷酸酐等。
作为环状烷基和炔基的组合的例子,可举出:丙炔酸环戊烷酸酐、2-丁炔酸环戊烷酸酐、丙炔酸环己烷酸酐等。
作为环状烷基和芳基的组合的例子,可举出:苯甲酸环戊烷酸酐、4-甲基苯甲酸环戊烷酸酐、苯甲酸环己烷酸酐等。
作为环状烷基和具有官能团的烃基的组合的例子,可举出:氟乙酸环戊烷酸酐、环戊烷酸三氟乙酸酐、环戊烷酸2-氰基乙酸酐、环戊烷酸甲氧基乙酸酐、环己烷酸氟乙酸酐等。
作为烯基之间的组合的例子,可举出:丙烯酸2-甲基丙烯酸酐、丙烯酸3-甲基丙烯酸酐、丙烯酸3-丁烯酸酐、2-甲基丙烯酸3-甲基丙烯酸酐等。
作为烯基和炔基的组合的例子,可举出:丙烯酸丙炔酸酐、丙烯酸2-丁炔酸酐、2-甲基丙烯酸丙炔酸酐等。
作为烯基和芳基的组合的例子,可举出:丙烯酸苯甲酸酐、丙烯酸4-甲基苯甲酸酐、2-甲基丙烯酸苯甲酸酐等。
作为烯基和具有官能团的烃基的组合的例子,可举出:丙烯酸氟乙酸酐、丙烯酸三氟乙酸酐、丙烯酸2-氰基乙酸酐、丙烯酸甲氧基乙酸酐、2-甲基丙烯酸氟乙酸酐等。
作为炔基之间的组合的例子,可举出:丙炔酸2-丁炔酸酐、丙炔酸3-丁炔酸酐、2-丁炔酸3-丁炔酸酐等。
作为炔基和芳基的组合的例子,可举出:苯甲酸丙炔酸酐、4-甲基苯甲酸丙炔酸酐、苯甲酸2-丁炔酸酐等。
作为炔基和具有官能团的烃基的组合的例子、可举出:丙炔酸氟乙酸酐、丙炔酸三氟乙酸酐、丙炔酸2-氰基乙酸酐、丙炔酸甲氧基乙酸酐、2-丁炔酸氟乙酸酐等。
作为芳基之间的组合的例子,可举出:苯甲酸4-甲基苯甲酸酐、苯甲酸1-萘羧酸酐、4-甲基苯甲酸1-萘羧酸酐等。
作为芳基和具有官能团的烃基的组合的例子,可举出:苯甲酸氟乙酸酐、苯甲酸三氟乙酸酐、苯甲酸2-氰基乙酸酐、苯甲酸甲氧基乙酸酐、4-甲基苯甲酸氟乙酸酐等。
作为具有官能团的烃基之间的组合的例子,可举出:氟乙酸三氟乙酸酐、氟乙酸2-氰基乙酸酐、氟乙酸甲氧基乙酸酐、三氟乙酸2-氰基乙酸酐等。
在形成了上述链状结构的酸酐中,优选为乙酸酐、丙酸酐、2-甲基丙酸酐、环戊烷羧酸酐、环己烷羧酸酐等、丙烯酸酐、2-甲基丙烯酸酐、3-甲基丙烯酸酐、2,3-二甲基丙烯酸酐、3,3-二甲基丙烯酸酐、3-丁烯酸酐、2-甲基-3-丁烯酸酐、丙炔酸酐、2-丁炔酸酐、苯甲酸酐、2-甲基苯甲酸酐、4-甲基苯甲酸酐、4-叔丁基苯甲酸酐、三氟乙酸酐、3,3,3-三氟丙酸酐、2-(三氟甲基)丙烯酸酐、2-(4-氟苯基)丙烯酸酐、4-氟苯甲酸酐、2,3,4,5,6-五氟苯甲酸酐、甲氧基甲酸酐、乙氧基甲酸酐,更优选为丙烯酸酐、2-甲基丙烯酸酐、3-甲基丙烯酸酐、苯甲酸酐、2-甲基苯甲酸酐、4-甲基苯甲酸酐、4-叔丁基苯甲酸酐、4-氟苯甲酸酐、2,3,4,5,6-五氟苯甲酸酐、甲氧基甲酸酐、乙氧基甲酸酐。
这些化合物通过适当地形成与草酸锂盐的键合而形成耐久性优异的皮膜,特别是能够提高耐久试验后的充放电倍率特性、输入输出特性、阻抗特性,因此这些化合物是优选的。
需要说明的是,上述羧酸酐的分子量没有限制,只要不显著损害本发明的效果则可以为任意的分子量,通常为90以上,优选为95以上,另一方面,通常为300以下,优选为200以下。若羧酸酐的分子量在上述范围内,则能够抑制电解液的粘度升高,且皮膜密度被优化,因此,能够适当地提高耐久性。
另外,上述羧酸酐的制造方法也没有特别限制,可以任意地选择公知的方法来制造。以上所说明的羧酸酐可以在本发明的非水系电解液中单独地含有任意一种,也可以以任意的组合及比率共有两种以上。
另外,上述羧酸酐相对于本发明的电解液的含量没有特别限制,只要不显著损害本发明的效果则可以为任意的含量,相对于本发明的电解液,优选以下述浓度含有:通常为0.01质量%以上,优选为0.1质量%以上,另外,通常为5质量%以下,优选为3质量%以下。若羧酸酐的含量在上述范围内,则容易发挥提高循环特性的效果,且反应性良好,因此,容易提高电池特性。
能够在本发明的电解液中使用公知的其它助剂。作为其它助剂,可举出:
戊烷、庚烷、辛烷、壬烷、癸烷、环庚烷、苯、呋喃、萘、2-苯基双环己烷(2-Phenylbicyclohexyl)、环己烷、2,4,8,10-四氧杂螺[5.5]十一烷、3,9-二乙烯基-2,4,8,10-四氧杂螺[5.5]十一烷等烃化合物;
氟苯、二氟苯、六氟苯、苯并三氟代物、单氟苯、1-氟-2-环己基苯、1-氟-4-叔丁基苯、1-氟-3-环己基苯、1-氟-2-环己基苯、氟代联苯等含氟芳香族化合物;
赤藓糖醇碳酸酯、螺-双-二亚甲基碳酸酯、甲氧基乙基碳酸甲酯等碳酸酯化合物;
二氧戊环、二噁烷、2,5,8,11-四氧杂十二烷、2,5,8,11,14-五氧杂五癸烷、乙氧基甲氧基乙烷、三甲氧基甲烷、乙二醇二甲醚、乙基单乙二醇二甲醚等醚类化合物;
二甲基酮、二乙基酮、3-戊酮等酮类化合物;
2-烯丙基琥珀酸酐等酸酐;
草酸二甲酯、草酸二乙酯、草酸甲乙酯、草酸二(2-丙炔基)酯、草酸甲基2-丙炔基酯、琥珀酸二甲酯、戊二酸二(2-丙炔基)酯、甲酸甲酯、甲酸乙酯、甲酸2-丙炔酯、2-丁炔-1,4-二基二甲酸酯、甲基丙烯酸2-丙炔酯、丙二酸二甲酯等酯化合物;
乙酰胺、N-甲基甲酰胺、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺等酰胺类化合物;
硫酸亚乙酯、硫酸亚乙烯酯、亚硫酸亚乙酯、氟磺酸甲酯、氟磺酸乙酯、甲磺酸甲酯、甲磺酸乙酯、白消安、环丁烯砜、二苯基砜、N,N-二甲基甲磺酰胺、N,N-二乙基甲磺酰胺、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、1,2-双(乙烯基磺酰氧基)乙烷、丙烷二磺酸酐、磺基丁酸酐、磺基苯甲酸酐、磺基丙酸酐、乙烷二磺酸酐、甲烷二磺酸亚甲酯、甲磺酸2-丙炔酯、亚硫酸亚戊酯、甲磺酸五氟苯基酯、硫酸亚丙酯、亚硫酸亚丙酯、丙烷磺内酯、亚硫酸亚丁酯、丁烷-2,3-二基二甲磺酸酯、2-丁炔-1,4-二基二甲磺酸酯、乙烯基磺酸2-丙炔酯、双(2-乙烯基磺酰基乙基)醚、5-乙烯基-六氢-1,3,2-苯并二恶硫醇(Benzodioxathiole)-2-氧化物、2-(甲烷磺酰基氧基)丙酸2-丙炔酯、5,5-二甲基-1,2-氧硫杂环戊烷-4-酮2,2-二氧化物、3-磺基-丙酸酐三亚甲基甲烷二磺酸酯2-甲基四氢呋喃、三亚甲基甲烷二磺酸酯、四亚甲基亚砜、二亚甲基甲烷二磺酸酯、二氟乙基甲基砜、二乙烯基砜、1,2-双(乙烯基磺酰基)乙烷、亚乙基双磺酸甲酯、亚乙基双磺酸乙酯、硫酸亚乙酯、噻吩1-氧化物等含硫化合物;
1-甲基-2-吡咯烷酮、1-甲基-2-哌啶酮、3-甲基-2-噁唑烷酮、1,3-二甲基-2-咪唑啉酮及N-甲基琥珀酰亚胺、硝基甲烷、硝基乙烷、乙二胺等含氮化合物;
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、磷酸双(2,2-二氟乙基)2,2,2-三氟乙酯、磷酸双(2,2,3,3-四氟丙基)2,2,2-三氟乙酯、磷酸双(2,2,2-三氟乙基)甲酯、磷酸双(2,2,2-三氟乙基)乙酯、磷酸双(2,2,2-三氟乙基)2,2-二氟乙酯、磷酸双(2,2,2-三氟乙基)2,2,3,3-四氟丙酯、磷酸三丁酯、磷酸三(2,2,2-三氟乙基)酯、磷酸三(1,1,1,3,3,3-六氟丙烷-2-基)酯、磷酸三辛酯、磷酸2-苯基苯基二甲酯、磷酸2-苯基苯基二乙酯、磷酸(2,2,2-三氟乙基)(2,2,3,3-四氟丙基)甲酯、2-(二甲氧基磷酰基)乙酸甲酯、2-(二甲基磷酰基)乙酸甲酯、2-(二乙氧基磷酰基)乙酸甲酯、2-(二乙基磷酰基)乙酸甲酯、亚甲基双膦酸甲酯、亚甲基双膦酸乙酯、亚乙基双膦酸甲酯、亚乙基双膦酸乙酯、亚丁基双膦酸甲酯、亚丁基双膦酸乙酯、乙酸2-丙炔基2-(二甲氧基磷酰基)酯、乙酸2-丙炔基2-(二甲基磷酰基)酯、乙酸2-丙炔基2-(二乙氧基磷酰基)酯、乙酸2-丙炔基2-(二乙基磷酰基)酯、磷酸三(三甲基硅基)酯、磷酸三(三乙基硅基)酯、磷酸三(三甲氧基硅基)酯、亚磷酸三(三甲基硅基)酯、亚磷酸三(三乙基硅基)酯、亚磷酸三(三甲氧基硅基)酯、聚磷酸三甲基硅基酯等含磷化合物;
硼酸三(三甲基硅基)酯、硼酸三(三甲氧基硅基)酯等含硼化合物;
二甲氧基铝氧基三甲氧基硅烷、二乙氧基铝氧基三乙氧基硅烷、二丙氧基铝氧基三乙氧基硅烷、二丁氧基铝氧基三甲氧基硅烷、二丁氧基铝氧基三乙氧基硅烷、四(三甲基硅氧基)钛、四(三乙基硅氧基)钛、四甲基硅烷等硅烷化合物等。
这些可以单独使用一种,也可以并用两种以上。通过添加这些助剂,能够提高高温储存后的容量保持特性、循环特性。
作为上述其它助剂,其中,优选含磷化合物,更优选磷酸三(三甲基硅基)酯,亚磷酸三(三甲基硅基)酯。
其它助剂的配合量不作特别限制,只要不显著损害本发明的效果则可以为任意的配合量。在100质量%电解液中,其它助剂优选为0.01质量%以上且5质量%以下。如果在该范围,则容易充分发挥其它助剂的效果,也容易避免高负载放电特性等电池特性降低的情况。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。
本发明的电解液可以在不损害本发明的效果的范围内进一步含有环状及链状羧酸酯、醚化合物、含氮化合物、含硼化合物、含有机硅化合物、不燃(阻燃)剂、表面活性剂、高介电化添加剂、循环特性及倍率特性改善剂、砜类化合物等作为添加剂。
作为上述环状羧酸酯,可举出其结构式中的总碳原子数为3~12的物质。具体而言,可举出:γ-丁内酯、γ-戊内酯、γ-己内酯、ε-己内酯、3-甲基-γ-丁内酯等。其中,从通过提高锂离子解离度来提高电化学器件的特性方面出发,特别优选为γ-丁内酯。
通常,在100质量%溶剂中,作为添加剂的环状羧酸酯的配合量优选为0.1质量%以上,更优选为1质量%以上。若在该范围,则改善电解液的电导率,从而容易提高电化学器件的大电流放电特性。另外,环状羧酸酯的配合量优选为10质量%以下,更优选为5质量%以下。通过如上设置上限,使电解液的粘度在适当的范围,避免电导率降低,抑制负极电阻增大,从而容易使电化学器件的大电流放电特性处于良好的范围。
另外,作为上述环状羧酸酯,也能够优选使用氟代环状羧酸酯(含氟内酯)。作为含氟内酯,例如,可举出下述式(C)所示的含氟内酯:
【化学式57】
式中,X15~X20相同或不同,均为-H、-F、-Cl、-CH3或氟代烷基;其中,X15~X20的至少一个为氟代烷基。
作为X15~X20中的氟代烷基,例如,可举出:-CFH2、-CF2H、-CF3、-CH2CF3、-CF2CF3、-CH2CF2CF3、-CF(CF3)2等,从抗氧化性高且具有提高安全性的效果方面出发,优选为-CH2CF3、-CH2CF2CF3
如果X15~X20的至少一个为氟代烷基,则-H、-F、-Cl、-CH3或氟代烷基可以仅在X15~X20的1处取代,也可以在多处取代。从电解质盐的溶解性良好方面出发,优选为1~3处,进一步优选为1~2处。
氟代烷基的取代位置没有特别限定,从合成产率良好方面出发,X17及/或X18、特别是X17或X18优选为氟代烷基、尤其是-CH2CF3、-CH2CF2CF3。氟代烷基以外的X15~X20为-H、-F、-Cl或CH3,特别是从电解质盐的溶解性良好方面出发,优选为-H。
作为含氟内酯,除上述式所示的物质以外,例如,还可举出下述式(D)所示的含氟内酯等:
【化学式58】
式中,A及B中的任意一方为CX226X227(X226及X227相同或不同,均为-H、-F、-Cl、-CF3,-CH3或氢原子可被卤素原子取代且链中包含杂原子的亚烷基),另一方为氧原子;Rf12为可具有醚键的氟代烷基或氟代烷氧基;X221及X222相同或不同,均为-H、-F、-Cl、-CF3或CH3;X223~X225相同或不同,均为-H、-F、-Cl或氢原子可被卤素原子取代且链中包含杂原子的烷基;n=0或1。
作为式(D)所示的含氟内酯,从容易合成方面、及化学稳定性良好方面出发,可优选举出:下述式(E)所示的5元环结构:
【化学式59】
式中,A、B、Rf12、X221、X222及X223与式(D)相同;
进一步地,通过A和B的组合,可以为:下述式(F)所示的含氟内酯:
【化学式60】
式中,Rf12、X221、X222、X223、X226及X227与式(D)相同;和
下述式(G)所示的含氟内酯:
【化学式61】
式中,Rf12、X221、X222、X223、X226及X227与式(D)相同。
在这些中,从在特别能够发挥高介电常数、高耐电压等优异的特性方面、以及电解质盐的溶解性良好、有效实现内部电阻的减小的方面提高本发明中的电解液的特性的角度出发,可举出:
【化学式62】
等。
通过含有氟代环状羧酸酯,可以获得提高离子电导率、提高安全性、提高高温时的稳定性等效果。
作为上述链状羧酸酯,可举出其结构式中的总碳原子数为3~7的物质。具体而言,可举出: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、丙酸异丁酯、丙酸正丁酯、丁酸甲酯、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、异丁酸异丙酯等。
其中,从通过降低粘度来提高离子电导率方面出发,优选为乙酸甲酯、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、丁酸乙酯等。
作为上述醚化合物,优选碳原子数2~10的链状醚、及碳原子数3~6的环状醚。
作为碳原子数2~10的链状醚,可举出:二甲基醚、二乙基醚、二正丁基醚、二甲氧基甲烷、甲氧基乙氧基甲烷、二乙氧基甲烷、二甲氧基乙烷、甲氧基乙氧基乙烷、二乙氧基乙烷、乙二醇二正丙基醚、乙二醇二正丁基醚、二乙二醇、二乙二醇二甲基醚、五乙二醇、三乙二醇二甲基醚、三乙二醇、四乙二醇、四乙二醇二甲基醚、二异丙基醚等。
另外,作为上述醚化合物,也可优选使用氟代醚。
作为上述氟代醚,可举出下述通式(I)所示的氟代醚(I):
Rf3-O-Rf4 (I)
式中,Rf3及Rf4相同或不同,为碳原子数1~10的烷基或碳原子数1~10的氟代烷基。其中,Rf3及Rf4的至少一方为氟代烷基。
通过含有氟代醚(I),电解液的阻燃性提高,且高温高电压下的稳定性、安全性提高。
在上述通式(I)中,Rf3及Rf4的至少一方为碳原子数1~10的氟代烷基即可,从更进一步提高电解液的阻燃性及高温高电压下的稳定性、安全性的观点出发,优选Rf3及Rf4均为碳原子数1~10的氟代烷基。在该情况下,Rf3及Rf4可以相同,也可以彼此不同。
其中,Rf3及Rf4相同或不同,更优选Rf3为碳原子数3~6的氟代烷基,且,Rf4为碳原子数2~6的氟代烷基。
若Rf3及Rf4的总碳原子数过少,则氟代醚的沸点会变得过低,另外,如Rf3或Rf4的碳原子数过多,则电解质盐的溶解性降低,也开始对与其他溶剂的相溶性产生不良影响,另外,由于粘度升高而导致倍率特性降低。当Rf3的碳原子数为3或4、Rf4的碳原子数为2或3时,在沸点及倍率特性优异方面是有利的。
上述氟代醚(I)的含氟率优选为40~75质量%。当具有该范围的含氟率时,不燃性和相溶性的平衡特别优异。另外,从抗氧化性、安全性良好的方面考虑也优选。
上述含氟率的下限更优选为45质量%,进一步优选为50质量%,特别优选为55质量%。上限更优选为70质量%,进一步优选为66质量%。
需要说明的是,氟代醚(I)的含氟率是基于氟代醚(I)的结构式由{(氟原子的个数×19)/氟代醚(I)的分子量}×100(%)而算出的值。
作为Rf3,例如,可举出:CF3CF2CH2-、CF3CFHCF2-、HCF2CF2CF2-、HCF2CF2CH2-、CF3CF2CH2CH2-、CF3CFHCF2CH2-、HCF2CF2CF2CF2-、HCF2CF2CF2CH2-、HCF2CF2CH2CH2-、HCF2CF(CF3)CH2-等。另外,作为Rf4,例如、可举出:-CH2CF2CF3、-CF2CFHCF3、-CF2CF2CF2H、-CH2CF2CF2H、-CH2CH2CF2CF3、-CH2CF2CFHCF3、-CF2CF2CF2CF2H、-CH2CF2CF2CF2H、-CH2CH2CF2CF2H、-CH2CF(CF3)CF2H、-CF2CF2H、-CH2CF2H、-CF2CH3等。
作为上述氟代醚(I)的具体例、例如、可举出:HCF2CF2CH2OCF2CF2H、CF3CF2CH2OCF2CF2H、HCF2CF2CH2OCF2CFHCF3、CF3CF2CH2OCF2CFHCF3、C6F13OCH3、C6F13OC2H5、C8F17OCH3、C8F17OC2H5、CF3CFHCF2CH(CH3)OCF2CFHCF3、HCF2CF2OCH(C2H5)2、HCF2CF2OC4H9、HCF2CF2OCH2CH(C2H5)2、HCF2CF2OCH2CH(CH3)2等。
其中,在单末端或双末端包含HCF2-或CF3CFH-的物质具有优异的极化性,能够提供沸点高的氟代醚(I)。氟代醚(I)的沸点优选为67~120℃。更优选为80℃以上,进一步优选为90℃以上。
作为这样的氟代醚(I),例如,可举出:CF3CH2OCF2CFHCF3、CF3CF2CH2OCF2CFHCF3、HCF2CF2CH2OCF2CFHCF3、HCF2CF2CH2OCH2CF2CF2H、CF3CFHCF2CH2OCF2CFHCF3、HCF2CF2CH2OCF2CF2H、CF3CF2CH2OCF2CF2H等之中的一种或两种以上。
其中,从在高沸点、与其它溶剂的相溶性、电解质盐的溶解性良好方面有利的方面出发,优选为选自由HCF2CF2CH2OCF2CFHCF3(沸点106℃)、CF3CF2CH2OCF2CFHCF3(沸点82℃)、HCF2CF2CH2OCF2CF2H(沸点92℃)及CF3CF2CH2OCF2CF2H(沸点68℃)构成的组中的至少一种,更优选为选自由HCF2CF2CH2OCF2CFHCF3(沸点106℃)及HCF2CF2CH2OCF2CF2H(沸点92℃)构成的组中的至少一种。
作为碳原子数3~6的环状醚,可举出:1,2-二噁烷、1,3-二噁烷、2-甲基-1,3-二噁烷、4-甲基-1,3-二噁烷、1,4-二噁烷、三聚甲醛、2-甲基-1,3-二氧戊环、1,3-二氧戊环、4-甲基-1,3-二氧戊环、2-(三氟乙基)二氧戊环2,2,-双(三氟甲基)-1,3-二氧戊环等、及它们的氟代化合物。其中,在对锂离子的溶剂化能力高,且提高离子解离度方面,优选为二甲氧基甲烷、二乙氧基甲烷、乙氧基甲氧基甲烷、乙二醇正丙基醚、乙二醇二正丁基醚、二乙二醇二甲基醚、冠醚;从粘性低且提供高离子电导率方面出发,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。
作为上述含氮化合物,可举出:腈、含氟腈、羧酸酰胺、含氟羧酸酰胺、磺酸酰胺及含氟磺酸酰胺、乙酰胺、甲酰胺等。另外,也能够使用1-甲基-2-吡咯烷酮、1-甲基-2-哌啶酮、3-甲基-2-噁唑烷酮、1,3-二甲基-2-咪唑啉酮及N-甲基琥珀酰亚胺等。其中,上述通式(1a)、(1b)及(1c)所示的腈化合物不包含在上述含氮化合物中。
作为上述含硼化合物,例如,可举出:硼酸三甲酯、硼酸三乙酯等硼酸酯、硼酸醚、及烷基硼烷等。
作为上述含有机硅化合物,例如,可举出:(CH3)4-Si、(CH3)3-Si-Si(CH3)3、硅油等。
作为上述不燃(阻燃)剂,可举出:磷酸酯、磷腈类化合物。作为上述磷酸酯,例如,可举出:含氟磷酸烷基酯、非氟类磷酸烷基酯、磷酸芳基酯等。其中,在能够通过少量而发挥不燃效果方面,优选为含氟磷酸烷基酯。
作为上述磷腈类化合物,例如,可举出:甲氧基五氟环三磷腈、苯氧基五氟环三磷腈、二甲基氨基五氟环三磷腈、二乙基氨基五氟环三磷腈、乙氧基五氟环三磷腈、乙氧基七氟环四磷腈等。
作为上述含氟磷酸烷基酯,具体而言,可举出:日本特开平11-233141号公报中记载的含氟磷酸二烷基酯、日本特开平11-283669号公报中记载的环状的磷酸烷基酯或含氟磷酸三烷基酯等。
作为上述不燃(阻燃)剂,优选为(CH3O)3P=O、(CF3CH2O)3P=O、(HCF2CH2O)3P=O、(CF3CF2CH2)3P=O、(HCF2CF2CH2)3P=O等。
作为上述表面活性剂,可以为阳离子型表面活性剂、阴离子表面活性剂、非离子型表面活性剂、两性表面活性剂中的任意一种,从循环特性、倍率特性良好方面出发,优选为包含氟原子的表面活性剂。
作为这样的包含氟原子的表面活性剂,例如,优选为下述式(30)所示的含氟羧酸盐、下述式(40)所示的含氟磺酸盐等。
Rf5COO-M+ (30)
式中,Rf5为碳原子数3~10的可包含醚键的含氟烷基;M+为Li+、Na+、K+或NHR’3 +(R’相同或不同,均为H或碳原子数1~3的烷基);
Rf6SO3 -M+ (40)
式中,Rf6为碳原子数3~10的可包含醚键的含氟烷基;M+为Li+、Na+、K+或NHR’3 +(R’相同或不同,均为H或碳原子数1~3的烷基)。
从能够降低电解液的表面张力而不降低充放电循环特性方面出发,上述表面活性剂的含量优选在电解液中为0.01~2质量%。
作为上述高介电化添加剂,例如,可举出:环丁砜、甲基环丁砜、γ-丁内酯、γ-戊内酯等。
作为上述循环特性及倍率特性改善剂,例如,可举出:乙酸甲酯、乙酸乙酯、四氢呋喃、1,4-二噁烷等。
另外,本发明的电解液也可以进一步与高分子材料组合而制成凝胶状(塑化)的凝胶电解液。
作为该高分子材料,可举出:现有公知的聚氧乙烯、聚氧丙烯、它们的改性体(日本特开平8-222270号公报、日本特开2002-100405号公报);聚丙烯酸酯系聚合物、聚丙烯腈、聚偏二氟乙烯、偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物等氟树脂(日本特表平4-506726号公报、日本特表平8-507407号公报、日本特开平10-294131号公报);这些氟树脂和烃类树脂的复合物(日本特开平11-35765号公报、日本特开平11-86630号公报)等。特别优选将聚偏二氟乙烯、偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物用作凝胶电解质用高分子材料。
此外,本发明的电解液也可以包含日本特愿2004-301934号说明书中所记载的离子传导性化合物。
该离子传导性化合物为式(101)所示的侧链具有含氟基团的非晶态含氟聚醚化合物,
A-(D)-B (101)
式中,D为式(201),
A及B相同或不同,为氢原子、可包含氟原子及/或交联性官能团的烷基、可包含氟原子及/或交联性官能团的苯基、-COOH基、-OR(R为氢原子或可包含氟原子及/或交联性官能团的烷基)、酯基或碳酸酯基(其中,在D的末端为氧原子的情况下,不为-COOH基、-OR、酯基及碳酸酯基;
-(D1)n-(FAE)m-(AE)p-(Y)q-(201)
式中,D1为式(2a)所示的侧链具有含氟醚基的醚单元:
【化学式63】
(式中,Rf为可具有交联性官能团的含氟醚基;R10为将Rf和主链键合的基团或连接键);
FAE为式(2b)所示的侧链具有氟代烷基的醚单元:
【化学式64】
(式中,Rfa为氢原子、可具有交联性官能团的氟代烷基;R11为将Rfa和主链键合的基团或连接键);
AE为式(2c)所示的醚单元:
【化学式65】
(式中,R13为氢原子、可具有交联性官能团的烷基、可具有交联性官能团的脂肪族环烃基或可具有交联性官能团的芳香族烃基;R12为将R13和主链键合的基团或连接键);
Y为包含式(2d-1)~(2d-3)的至少一种的单元:
【化学式66】
n为0~200的整数;m为0~200的整数;p为0~10000的整数;q为1~100的整数;其中,n+m不为0,D1、FAE、AE及Y的键合顺序不特定。
本发明的电解液还可以包含砜类化合物。作为砜类化合物,优选为碳原子数3~6的环状砜、及碳原子数2~6的链状砜。一个分子中的磺酰基的数量优选为1或2。
作为环状砜,可举出: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、从介电常数和粘性的观点出发,更优选为四亚甲基砜类、四亚甲基二砜类、六亚甲基砜类、六亚甲基二砜类,特别优选为四亚甲基砜类(环丁砜类)。
作为环丁砜类,优选为环丁砜及/或环丁砜衍生物(下面,有时也将环丁砜包含在内而简记作“环丁砜类”。)。作为环丁砜衍生物,优选键合于构成环丁砜环的碳原子上的氢原子中的一个以上被氟原子或烷基取代的物质。
其中,在离子电导率高且输入输出高方面,优选为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、3-环丁烯砜、5-氟-3-(三氟甲基)环丁砜等。
另外,作为链状砜,可举出: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,在离子电导率高且输入输出高方面,优选为二甲基砜、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。
砜类化合物的含量不作特别限制,只要不显著损害本发明的效果则可以为任意的含量,在100体积%上述溶剂中,通常为0.3体积%以上,优选为0.5体积%以上,更优选为1体积%以上,另外,通常为40体积%以下,优选为35体积%以下,更优选为30体积%以下。如果砜类化合物的含量在上述范围内,则容易得到提高循环特性、储存特性等耐久性的效果,另外,能够使非水系电解液的粘度处于适当的范围,避免电导率降低,能够使非水系电解液二次电池的输入输出特性、充放电倍率特性处于合适的范围。
从提高输出特性的观点出发,也优选本发明的电解液包含选自由氟磷酸锂盐类(其中,不包括LiPF6及LiPO2F2)及具有S=O基的锂盐类构成的组中的至少一种化合物(7)作为添加剂。
需要说明的是,在使用化合物(7)作为添加剂的情况下,作为上述电解质盐,优选使用除化合物(7)以外的化合物。
作为上述氟磷酸锂盐类,可举出单氟磷酸锂(LiPO3F)等。
作为上述具有S=O基的锂盐类,可举出:单氟磺酸锂(FSO3Li)、甲基硫酸锂(CH3OSO3Li)、乙基硫酸锂(C2H5OSO3Li)、2,2,2-三氟乙基硫酸锂等。
作为化合物(7),其中,优选为FSO3Li、C2H5OSO3Li。
相对于上述电解液,化合物(7)的含量优选为0.001~20质量%,更优选为0.01~15质量%,进一步优选为0.1~10质量%,特别优选为0.1~7质量%。
可以根据需要进一步在本发明的电解液中配合其它添加剂。作为其它添加剂,例如,可举出:金属氧化物、玻璃等。
优选本发明的电解液包含选自由化合物(5)、氟代饱和环状碳酸酯、不饱和环状碳酸酯、酰亚胺锂盐及具有S=O基的锂盐构成的组中的至少一种作为添加剂。通过包含这些添加剂,能够进一步抑制锂离子二次电池的初始电阻及高温循环时的电阻升高,另外,也能够进一步抑制高温时的气体产生。
上述添加剂优选为选自由草酸硼酸锂盐、氟代饱和环状碳酸酯、不饱和环状碳酸酯、(CmF2m+1SO2)(CnF2n+1SO2)NLi(m及n为0~5的整数)所示的酰亚胺锂盐及磺酸锂化合物构成的组中的至少一种,进一步优选为选自由双(草酸根合)硼酸锂、氟代碳酸亚乙酯、碳酸亚乙烯酯、双氟磺酰基酰亚胺锂及FSO3Li构成的组中的至少一种。
相对于电解液,上述添加剂的含量优选为0.001~5质量%。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,更优选为3质量%以下,进一步优选为1质量%以下。
本发明的电解液中氟化氢(HF)的含量优选为1~1000ppm。通过含有HF,能够促进上述添加剂形成覆膜。若HF的含量过少,则存在负极上的覆膜形成能力下降,进而电化学器件的特性降低的倾向。另外,若HF含量过多,则有时会因HF的影响而导致电解液的抗氧化性降低。本发明的电解液即使含有上述范围的HF,也不会降低电化学器件的高温储存性、容量恢复率。
HF的含量更优选为5ppm以上,进一步优选为10ppm以上,特别优选为20ppm以上。另外,HF的含量更优选为200ppm以下,进一步优选为100ppm以下,进一步更优选为80ppm以下,特别优选为50ppm以下。
HF的含量能够通过中和滴定法测定。
本发明的电解液可以使用上述成分通过任意的方法来制备。
本发明的电解液为用于锂离子二次电池的电解液。
本发明还涉及具备本发明的电解液的锂离子二次电池。
本发明的锂离子二次电池优选具备正极、负极及上述电解液。
<正极>
正极由包含正极活性物质的正极活性物质层、及集流体构成。
作为上述正极活性物质,只要为能够电化学地吸收及释放锂离子的物质即可,不作特别限制,例如,可举出:含锂的过渡金属复合氧化物、含锂的过渡金属磷酸化合物、硫系材料、导电性高分子等。其中,作为正极活性物质,优选为含锂的过渡金属复合氧化物、含锂的过渡金属磷酸化合物,特别优选为产出高电压的含锂的过渡金属复合氧化物。
作为含锂的过渡金属复合氧化物的过渡金属、优选为V、Ti、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu等,作为具体例,可举出: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、作为这些锂过渡金属复合氧化物的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等其它元素取代而得到的物质等。作为取代后的物质的具体例,例如,可举出:LiNi0.5Mn0.5O2、LiNi0.85Co0.10Al0.05O2、LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2、LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2、LiNi0.33Co0.33Mn0.33O2、LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2、LiNi0.45Co0.10Al0.45O2、LiMn1.8Al0.2O4、LiMn1.5Ni0.5O4等。
其中,作为上述含锂的过渡金属复合氧化物,优选为即使在高电压下能量密度也较高的LiMn1.5Ni0.5O4、LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2、LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2。其中,在4.4V以上的高电压的情况下,优选为LiMn1.5Ni0.5O4
作为含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,例如,可举出:LiFePO4、Li3Fe2(PO4)3、LiFeP2O7等磷酸铁类、LiCoPO4等磷酸钴类、作为这些锂过渡金属磷酸化合物的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等其它元素取代而得到的物质等。
作为上述含锂的过渡金属复合氧化物,例如,可举出:
式:LiaMn2-bM1 bO4(式中,0.9≤a;0≤b≤1.5;M1为选自由Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Al、Sn、Cr、V、Ti、Mg、Ca、Sr、B、Ga、In、Si及Ge构成的组中的至少一种金属)所示的锂-锰尖晶石复合氧化物;
式:LiNi1-cM2 cO2(式中、0≤c≤0.5;M2为选自由Fe、Co、Mn、Cu、Zn、Al、Sn、Cr、V、Ti、Mg、Ca、Sr、B、Ga、In、Si及Ge构成的组中的至少一种金属)所示的锂-镍复合氧化物;或
式:LiCo1-dM3 dO2(式中、0≤d≤0.5;M3为选自由Fe、Ni、Mn、Cu、Zn、Al、Sn、Cr、V、Ti、Mg、Ca、Sr、B、Ga、In、Si及Ge构成的组中的至少一种金属)所示的锂-钴复合氧化物。
其中,从能够提供能量密度高且输出高的锂离子二次电池的方面出发,优选为LiCoO2、LiMnO2、LiNiO2、LiMn2O4、LiNi0.8Co0.15Al0.05O2、或LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2
作为其它的上述正极活性物质,可举出:LiFePO4、LiNi0.8Co0.2O2、Li1.2Fe0.4Mn0.4O2、LiNi0.5Mn0.5O2、LiV3O6、Li2MnO3等。
作为上述硫系材料,可例示包含硫原子的材料,优选为选自由单质硫、金属硫化物、及有机硫化合物构成的组中的至少一种,更优选为单质硫。上述金属硫化物可以为金属多硫化物。上述有机硫化合物可以为有机多硫化物。
作为上述金属硫化物,可举出:LiSx(0<x≤8)所示的化合物;Li2Sx(0<x≤8)所示的化合物;TiS2、MoS2等具有二维层状结构的化合物;通式MexMo6S8(Me为例如Pb、Ag、Cu的各种过渡金属)所示的具有牢固的三维骨架结构的谢弗雷尔相化合物等。
作为上述有机硫化合物,可举出硫化碳化合物等。
上述有机硫化合物有时负载于碳等具有小孔的材料上而作为碳复合材料使用。作为碳复合材料中所含的硫的含量,从循环性能更加优异,过电压进一步降低方面出发,相对于上述碳复合材料,优选为10~99质量%,更优选为20质量%以上,进一步优选为30质量%以上,特别优选为40质量%以上,另外,优选为85质量%以下。
在上述正极活性物质为上述硫单质的情况下,上述正极活性物质中所含的硫的含量与上述硫单质的含量相等。
作为导电性高分子,可举出:p-掺杂型的导电性高分子、n-掺杂型的导电性高分子。作为导电性高分子,可举出:聚乙炔类、聚苯类、杂环聚合物、离子性聚合物、梯型及网状聚合物等。
另外,若使正极活性物质中包含磷酸锂,则会提高连续充电特性,故优选。磷酸锂的使用没有限制,优选将所述的正极活性物质和磷酸锂混合使用。作为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合计,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。
另外,还可以使用在上述正极活性物质的表面附着与其组成不同的物质而得到的结构。作为表面附着物质,可举出: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。
能够通过例如下面的方法等使这些表面附着物质附着于该正极活性物质表面:使表面附着物质溶解或悬浮于溶剂中,并对该正极活性物质进行含浸添加、干燥的方法;使表面附着物质前体溶解或悬浮于溶剂中,并对该正极活性物质进行含浸添加之后,通过加热等使其反应的方法;将表面活性物质添加于正极活性物质前体并同时进行烧成的方法。需要说明的是,在附着碳的情况下,也可以采用使碳质在之后以例如活性炭等形态机械附着的方法。
作为表面附着物质的量,相对于上述正极活性物质,以质量计,优选以下述量使用:作为下限,优选为0.1ppm以上,更优选为1ppm以上,进一步优选为10ppm以上,作为上限,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,能够抑制电解液在正极活性物质表面的氧化反应,从而能够提高电池寿命,但若该附着量过少,则不能充分发挥该效果,若过多,则可能会阻碍锂离子的出入从而导致电阻增加。
作为正极活性物质的粒子的形状,可举出:现有技术中使用的块状、多面体状、球状、椭圆球状、板状、针状、柱状等。另外,也可以由一次粒子凝聚而形成二次粒子。
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。若该正极活性物质的振实密度低于上述下限,则有时在形成正极活性物质层时,所需的分散介质的量增加,且导电材料、粘合剂的需要量增加,制约正极活性物质对正极活性物质层的填充率,进而抑制电池容量。通过使用振实密度高的复合氧化物粉体,能够形成高密度的正极活性物质层。振实密度通常越大越优选,没有特别上限,但若过大,则有时正极活性物质层内的以电解液为介质的锂离子的扩散被限速,从而导致负载特性容易降低,因此,上限优选为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。
需要说明的是,在本发明中,将正极活性物质粉体5~10g放入10ml的玻璃制量筒,按照约20mm的幅度振实200次,求出此时的粉体填充密度(振实密度)g/cm3作为振实密度。
正极活性物质的粒子的中值粒径d50(在一次粒子凝聚而形成了二次粒子的情况下,则为二次粒径)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,另外,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。若低于上述下限,则可能不能得到高振实密度品;若超过上限,则粒子内的锂的扩散耗时过长,可能会导致电池性能的降低;或在制作电池的正极时,即在利用溶剂将活性物质与导电材料、粘结剂等制成浆料并涂布成薄膜状时会发生拉出条纹的问题。在此,通过混合两种以上具有不同中值粒径d50的上述正极活性物质,能够进一步提高制作正极时的填充性。
需要说明的是,在本发明中,中值粒径d50通过公知的激光衍射/散射式粒度分布测定装置来测定。在使用HORIBA公司制造的LA-920作为粒度分布仪时,作为测定时所使用的分散介质,使用0.1质量%六偏磷酸钠水溶液,并在超声波分散5分钟后,设置1.24的测定折射率而进行测定。
在一次粒子凝聚而形成了二次粒子的情况下,作为上述正极活性物质的平均一次粒径,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,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。若超过上述上限,则难以形成球状的二次粒子,从而对粉体填充性带来不良影响,或导致比表面积大幅度降低,因此,输出特性等电池性能降低的可能性可能增加。相反地,若低于上述下限,由于通常结晶未发育,因此,可能会产生充放电的可逆性变差等问题。
需要说明的是,在本发明中,平均一次粒径通过利用扫描电子显微镜(SEM)进行观察而测定。具体而言,在10000倍的倍率的照片中,针对任意50个一次粒子,求得由一次粒子的左右边界线在水平方向的直线上截取的线段的最长值,并取平均值,从而求得平均一次粒径。
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,上限优选为50m2/g以下,更优选为40m2/g以下,进一步优选为30m2/g以下。若BET比表面积小于该范围,则电池性能容易降低;若大于该范围,则振实密度难以提高,从而可能容易在形成正极活性物质层时的涂布性上产生问题。
需要说明的是,在本发明中,使用表面积仪(例如,大仓理研公司制造的全自动表面积测定装置),在氮气流通下,在150℃下对样品进行30分钟初步干燥之后,使用其中氮气相对于大气压的相对压的值被准确调整至0.3的氮氦混合气体,通过利用气体流动法的氮气吸附BET1点法进行测定,将得到的值定义为BET比表面积。
在本发明的锂离子二次电池被用作混合动力汽车用、分散型电源用的大型锂离子二次电池的情况下,由于要求高输出,因此,优选上述正极活性物质的粒子以二次粒子为主体。
作为上述正极活性物质的粒子,优选二次粒子的平均粒径为40μm以下,且含有0.5~7.0体积%的、一次粒径为1μm以下的微粒。通过含有一次粒径为1μm以下的微粒,与电解液的接触面积变大,从而能够更为加快电极和电解液之间的锂离子的扩散,其结果,能够提高电池的输出性能。
作为正极活性物质的制造法,可使用作为无机化合物的制造法而常用的方法。特别是为了制成球状或椭圆球状的活性物质,可以考虑各种方法,例如,可举出如下方法等:将过渡金属的原料物质溶解或粉碎分散在水等溶剂中,一边搅拌一边调节pH,制成球状的前体并回收,根据需要干燥之后,加入LiOH、Li2CO3、LiNO3等Li源,在高温下烧成,得到活性物质。
为了制造正极,可以单独使用所述正极活性物质,也可以以任意的组合或比率并用组成不同的两种以上。作为该情况的优选的组合,可举出:LiCoO2与LiNi0.33Co0.33Mn0.33O2等LiMn2O4或者其中部分Mn被其它过渡金属等取代而得到的物质的组合、或者、与LiCoO2或者其中部分Co被其它过渡金属等取代而得到的物质的组合。
关于上述正极活性物质的含量,在电池容量较高方面,优选为正极合剂的50~99.5质量%,更优选为80~99质量%。另外,正极活性物质层中的正极活性物质的含量优选为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,上限优选为99质量%以下,更优选为98质量%以下。若正极活性物质层中的正极活性物质的含量较低,则有时电容量不充分。相反地,若含量过高,则有时正极的强度不足。
上述正极合剂优选进一步包含粘合剂、增粘剂、导电材料。
作为上述粘合剂,只要为对于制造电极时所使用的溶剂、电解液是安全的材料即可,能够使用任意的物质,例如,可举出: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、壳聚糖、海藻酸、聚丙烯酸、聚酰亚胺、纤维素、硝基纤维素等树脂类高分子;SBR(苯乙烯-丁二烯橡胶)、异戊二烯橡胶、丁二烯橡胶、氟橡胶、NBR(丙烯腈-丁二烯橡胶)、乙烯-丙烯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氢化物;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氢化物等热塑性弹性体状高分子;间规-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;聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯、偏氟乙烯共聚物、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。它们可以单独使用一种,也可以以任意的组合及比率并用两种以上。
作为粘合剂的含量,以正极活性物质层中的粘合剂的比例计,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,另外,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。若粘合剂的比例过低,则可能不能充分保持正极活性物质,正极的机械强度不足,从而导致循环特性等电池性能劣化。另一方面,若过高,则可能导致电池容量、导电性降低。
作为上述增粘剂,可举出: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、聚乙烯基吡咯烷酮及它们的盐等。可以单独使用一种,也可以以任意的组合及比率并用两种以上。
增粘剂相对于活性物质的比例通常为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,通常为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。若低于该范围,则涂布性可能显著降低。若高于该范围,则可能产生如下问题:活性物质在正极活性物质层中所占的比例降低,导致电池的容量降低、正极活性物质之间的电阻增大。
作为上述导电材料,能够任意使用公知的导电材料。作为具体例,可举出:铜、镍等金属材料;天然石墨、人造石墨等石墨(Graphite);乙炔黑、科琴黑、槽黑、炉黑、灯黑、热碳黑等碳黑;针状焦、碳纳米管、富勒烯、VGCF等无定型碳等碳材料等。需要说明的是,它们可以单独使用一种,也可以以任意的组合及比率并用两种以上。导电材料以下述含量用于正极活性物质层中: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,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。若含量低于该范围,则导电性可能变得不充分。相反地,若含量高于该范围,则电池容量可能降低。
作为用于形成浆料的溶剂,只要为能够溶解或分散正极活性物质、导电材料、粘合剂以及根据必要使用的增粘剂的溶剂即可,其种类没有特别限制,可以使用水系溶剂和有机系溶剂中的任意一种。作为水系溶剂,例如,可举出:水、醇和水的混合溶剂等。作为有机系溶剂,例如,可举出: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;二乙烯三胺、N,N-二甲基氨基丙基胺等胺类;二乙基醚、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、二甲基亚砜等非质子型极性溶剂等。
作为正极用集流体的材质,可举出:铝、钛、钽、不锈钢、镍等金属、或、其合金等金属材料;碳布、碳纸等碳材料。其中,优选金属材料,特别优选铝或其合金。
作为集流体的形状,在金属材料的情况下,可举出:金属箔、金属圆柱、金属线圈、金属板、金属薄膜、金属板网、冲孔金属、泡沫金属等,在碳材料的情况下,可举出:碳板、碳薄膜、碳圆柱等。其中,优选金属薄膜。需要说明的是,薄膜也可以适当地形成为网眼状。薄膜的厚度任意,通常为1μm以上,优选为3μm以上,更优选为5μm以上,另外,通常为1mm以下,优选为100μm以下,更优选为50μm以下。若薄膜比该范围更薄,则可能导致作为集流体所需的强度不足。相反地,若薄膜比该范围更厚,则可能有损操作性。
另外,在降低集流体和正极活性物质层的电接触电阻的观点上,在集流体的表面上涂布导电助剂也是优选的。作为导电助剂,可举出:碳以及金,铂、银等贵金属类。
集流体和正极活性物质层的厚度的比不作特别限定,优选(即将注入电解液之前单面的正极活性物质层的厚度)/(集流体的厚度)的值为20以下,更优选为15以下,最优选为10以下,另外,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。若高于该范围,则集流体可能会在高电流密度充放电时产生由焦耳热导致的发热。若低于该范围,则集流体相对于正极活性物质的体积比增加,可能导致电池的容量减少。
正极的制造按照通常方法即可。例如,可举出如下方法:向上述正极活性物质中加入上述粘合剂、增粘剂、导电材料、溶剂等制成浆料状的正极合剂,将其涂布于集流体,干燥后压制,从而实现高密度化。
上述高密度化能够通过手压、辊压等来进行。正极活性物质层的密度优选为1.5g/cm3以上,更优选为2g/cm3以上,进一步优选为2.2g/cm3以上,另外,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。若高于该范围,则电解液对集流体/活性物质界面附近的浸透性降低,特别是高电流密度下的充放电特性降低,从而可能不能获得高输出。另外,若低于该范围,则活性物质之间的导电性下降,电池电阻增大,从而可能不能获得高输出。
在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出发,优选正极活性物质层的面积相对于电池外壳的外表面积更大。具体而言,相对于二次电池的外包装的表面积,正极的电极面积的总和以面积比计优选为15倍以上,更优选为40倍以上。在为有底方形形状的情况下,电池外壳的外表面积是指:由除端子的突起部分以外的发电元件所填充的壳体部分的纵、横及厚度的尺寸所计算得到的总面积。在有底圆筒形状的情况下,电池外壳的外表面积是指:将除端子的突起部分以外的发电元件所填充的壳体部分近似作为圆筒时的几何表面积。正极的电极面积的总和是指与包含负极活性物质的合剂层相对的正极合剂层的几何表面积,在经由集流体箔而在双面形成正极合剂层而成的结构中,它是指分别计算每个面而得到的面积的总和。
正极片的厚度没有特别限定,从高容量且高输出的观点出发,作为减去作为芯材的金属箔厚度后的合剂层的厚度,相对于集流体的单面,下限优选为10μm以上,更优选为20μm以上,另外,优选为500μm以下,更优选为450μm以下。
另外,也可以使用在上述正极片的表面上附着与其组成不同的物质而得到的结构。作为表面附着物质,可举出: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。
<负极>
负极由包含负极活性物质的负极活性物质层及集流体构成。
作为负极材料,只要为能够电化学地吸收及释放锂离子的物质即可,特没有限制。作为具体例,可举出:碳材料、合金类材料、含锂的金属复合氧化物材料、导电性高分子等。它们可以单独使用一种,另外,也可以任意地组合并用两种以上。
作为上述负极活性物质,可举出:各种热分解条件下的有机物的热分解物或人造石墨、天然石墨等能够吸收及释放锂的碳质材料;氧化锡、氧化硅等能够吸收及释放锂的金属氧化物材料;锂金属;各种锂合金;含锂的金属复合氧化物材料等。这些负极活性物质也可以混合使用两种以上。
作为能够吸收及释放锂的碳质材料,优选为从各种原料得到的易石墨性沥青经高温处理而制造的人造石墨或者精制天然石墨、或利用沥青等有机物对这些石墨实施表面处理后碳化而得到的物质,选自下述材料的物质因初始不可逆容量、高电流密度充放电特性的平衡良好,故而更优选:天然石墨;人造石墨;在400~3200℃的范围内对人造碳质物质以及人造石墨质物质进行1次以上热处理而得到的碳质材料;负极活性物质层由至少两种以上的、结晶性不同的碳质构成、且/或具有该结晶性不同的碳质相接的界面的碳质材料;负极活性物质层具有至少两种以上的、取向性不同的碳质相接的界面的碳质材料。另外,这些碳材料可以单独使用一种,也可以以任意的组合及比率并用两种以上。
作为上述在400~3200℃的范围内对人造碳质物质以及人造石墨质物质进行1次以上热处理而得到的碳质材料,可举出:煤焦、石油焦、煤沥青、石油沥青及对这些沥青进行氧化处理而得到的物质、针状焦、沥青焦及将这些物质部分石墨化而得到的碳剂、炉黑、乙炔黑、沥青类碳纤维等有机物的热分解物、能够碳化的有机物及它们的碳化物、或能够碳化的有机物溶解于苯、甲苯、二甲苯、喹啉、正己烷等低分子有机溶剂而成的溶液及它们的碳化物。
作为用作上述负极活性物质的金属材料(其中,不包括锂钛复合氧化物),只要为能够吸收及释放锂即可,可以为锂单质、构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、硫化物或者磷化物等化合物中的任意一种,不作特别限制。作为形成锂合金的单质金属及合金,优选为包含IIIA族及IVA族的金属-半金属元素的材料,更优选为铝、硅及锡(下面,简记作“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。它们可以单独使用一种,也可以以任意的组合及比率并用两种以上。
作为具有选自特定金属元素中的至少一种原子的负极活性物质,可举出:任意一种特定金属元素的金属单质、包含两种以上特定金属元素的合金、包含一种或两种以上特定金属元素和其它一种或两种以上金属元素的合金、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、硫化物或者磷化物等复合化合物。通过使用这些金属单质、合金或金属化合物作为负极活性物质,可以实现电池的高容量化。
另外,作为这些复合化合物,也可举出:与金属单质、合金或非金属元素等多种元素复杂地键合而成的化合物。具体而言,例如,作为硅、锡,能够使用这些元素和不作为负极工作的金属的合金。例如,在锡的情况下,也能够使用包含5~6种元素的复杂的化合物,例如,锡与除硅以外的作为负极起作用的金属、不作为负极工作的金属、以及非金属元素的组合。
具体而言,可举出:Si单质、SiB4、SiB6、Mg2Si、Ni2Si、TiSi2、MoSi2、CoSi2、NiSi2、CaSi2、CrSi2、Cu6Si、FeSi2、MnSi2、NbSi2、TaSi2、VSi2、WSi2、ZnSi2、SiC、Si3N4、Si2N2O、SiOv(0<v≤2)、LiSiO或者锡单质、SnSiO3、LiSnO、Mg2Sn、SnOw(0<w≤2)。
另外,可举出:以Si或Sn为第一构成元素,且包含第二、第三构成元素的复合材料。第二构成元素为例如钴、铁、镁、钛、钒、铬、锰、镍、铜、锌、镓及锆中的至少一种。第三构成元素为例如硼、碳、铝及磷中的至少一种。
特别是,从能够得到高电池容量及优异的电池特性方面出发,作为上述金属材料,优选为硅或锡的单质(可以包含微量的杂质)、SiOv(0<v≤2)、SnOw(0≤w≤2)、Si-Co-C复合材料、Si-Ni-C复合材料、Sn-Co-C复合材料、Sn-Ni-C复合材料。
作为用作负极活性物质的含锂的金属复合氧化物材料,只要为能够吸收及释放锂即可,不作特别限制,从高电流密度充放电特性的方面出发,优选为含有钛及锂的材料,更优选为包含钛的含锂的复合金属氧化物材料,进一步优选为锂和钛的复合氧化物(下面,简记作“锂钛复合氧化物”)。即,若使电解液电池用负极活性物质中含有具有尖晶石结构的锂钛复合氧化物,则输出电阻大幅减少,故特别优选。
作为上述锂钛复合氧化物,优选为下述通式所示的化合物,
LixTiyMzO4
式中,M表示选自由Na、K、Co、Al、Fe、Ti、Mg、Cr、Ga、Cu、Zn及Nb构成的组中的至少一种元素。
上述组成中,
(i)1.2≤x≤1.4、1.5≤y≤1.7,z=0
(ii)0.9≤x≤1.1、1.9≤y≤2.1,z=0
(iii)0.7≤x≤0.9、2.1≤y≤2.3,z=0
的结构,电池性能的平衡良好,故特别优选。
作为上述化合物的特别优选的代表性组成,(i)为Li4/3Ti5/3O4,(ii)为Li1Ti2O4,(iii)为Li4/5Ti11/5O4。另外,关于Z≠0的结构,例如,可优选举出Li4/3Ti4/3Al1/3O4
上述负极合剂优选进一步包含粘合剂、增粘剂、导电材料。
作为上述粘合剂,可举出与上述能够用于正极的粘合剂相同的物质。粘合剂相对于负极活性物质的比例优选为0.1质量%以上,进一步优选为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若高于上述范围,由于粘合剂的量对于电池容量没有贡献,因此粘合剂的比例增加可能导致电池容量降低。另外,若低于上述范围,则可能导致负极电极的强度降低。
特别是,在含有以SBR为代表的橡胶状高分子作为主要成分的情况下,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,进一步优选为0.6质量%以上,另外,通常为5质量%以下,优选为3质量%以下,进一步优选为2质量%以下。另外,在含有以聚偏二氟乙烯为代表的氟类高分子作为主要成分的情况下,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,进一步优选为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。
作为上述增粘剂,可举出与上述能够用于正极的增粘剂相同的物质。增粘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,进一步优选为0.6质量%以上,另外,通常为5质量%以下,优选为3质量%以下,进一步优选为2质量%以下。若增粘剂相对于负极活性物质的比例低于上述范围,则涂布性可能显著降低。另外,若高于上述范围,则负极活性物质在负极活性物质层中所占的比例降低,可能会导致电池的容量降低的问题、负极活性物质之间的电阻增大的情况。
作为负极的导电材料,可举出:铜、镍等金属材料;石墨、碳黑等碳材料等。
作为用于形成浆料的溶剂,只要为能够溶解或分散负极活性物质、粘合剂、以及根据需要使用的增粘剂及导电材料的溶剂即可,其种类没有特别限制,可以使用水系溶剂和有机系溶剂中的任意一种。
作为水系溶剂,可举出:水、醇等,作为有机系溶剂,可举出: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、二乙烯三胺、N,N-二甲基氨基丙基胺、四氢呋喃(THF)、甲苯、丙酮、二乙醚、二甲基乙酰胺、六甲基磷酰胺、二甲基亚砜、苯、二甲苯、喹啉、吡啶、甲基萘、己烷等。
作为负极用集流体的材质,可举出:铜、镍或不锈钢等。其中,从容易加工为薄膜方面及成本方面出发,优选为铜箔。
集流体的厚度通常为1μm以上,优选为5μm以上,通常为100μm以下,优选为50μm以下。若负极集流体的厚度过厚,则电池整体的容量可能过度降低,相反,若过薄,则可能不容易操作。
负极的制造按照通常方法即可。例如,可举出如下方法:向上述负极材料中加入上述粘合剂、增粘剂、导电材料、溶剂等制成浆料状,涂布于集流体,干燥后压制,从而实现高密度化。另外,在使用合金材料的情况下,也可以使用通过气相沉积法、溅射法、电镀法等方式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。
对于将负极活性物质制成电极时的电极结构,不作特别限制,集流体上存在的负极活性物质的密度优选为1g·cm-3以上,进一步优选为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。若集流体上存在的负极活性物质的密度高于上述范围,则负极活性物质粒子被破坏,从而可能因初始不可逆容量增加、电解液对集流体/负极活性物质界面附近的浸透性降低而导致高电流密度充放电特性劣化。另外,若低于上述范围,则负极活性物质之间的导电性降低,电池电阻增大,从而可能导致每单位容积的容量降低。
负极片的厚度根据所使用的正极片设计,不作特别限制,减去作为芯材的金属箔厚度后的合剂层的厚度通常为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。
另外,也可以使用在上述负极片的表面附着与其组成不同的物质而得到的结构。作为表面附着物质,可举出: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。
<隔离件>
优选本发明的锂离子二次电池进一步具备隔离件。
作为上述隔离件的材质、形状,只要在电解液中稳定且保液性优异即可,不作特别限定,能够使用公知的材质及形状。其中,优选由对于本发明的电解液稳定的材料所形成的、可使用树脂、玻璃纤维、无机物等且保液性优异的多孔性片材或无纺布状的形态的物品等。
作为树脂、玻璃纤维隔离件的材料,例如,能够使用聚乙烯、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。这些材料可以单独使用一种,也可以以任意的组合及比率并用两种以上,例如,聚丙烯/聚乙烯双层膜,聚丙烯/聚乙烯/聚丙烯三层膜等。其中,在电解液的浸透性及关闭效果(Shutdown effect)良好方面,上述隔离件优选为以聚乙烯、聚丙烯等聚烯烃为原料的多孔性片材或无纺布等。
隔离件的厚度是任意的,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,进一步优选为30μm以下。若隔离件比上述范围更薄,则绝缘性、机械强度可能会降低。另外,若比上述范围更厚,则不仅倍率特性等电池性能可能会降低,电解液电池整体的能量密度也可能会降低。
而且,在使用多孔性片材、无纺布等多孔物品作为隔离件的情况下,隔离件的孔隙率是任意的,通常为20%以上,优选为35%以上,进一步优选为45%以上,另外,通常为90%以下,优选为85%以下,进一步优选为75%以下。若孔隙率比上述范围更小,则存在膜电阻增大而导致倍率特性劣化的倾向。另外,若比上述范围更大,则存在隔离件的机械强度降低且绝缘性降低的倾向。
另外,隔离件的平均孔径也是任意的,通常为0.5μm以下,优选为0.2μm以下,另外,通常为0.05μm以上。若平均孔径高于上述范围,则容易产生短路。另外,若低于上述范围,则可能导致膜电阻增大,倍率特性降低。
另一方面,作为无机物的材料,例如,可以使用氧化铝、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,可以使用粒子形状或者纤维形状的材料。
作为形态,可以使用无纺布、纺织布、微孔性膜等薄膜形状的物品。在薄膜形状的情况下,优选使用孔径0.01~1μm、厚度5~50μm的薄膜。除上述独立的薄膜形状以外,也能够使用利用树脂制造的粘合剂在正极及/或负极的表层形成含有上述无机物的粒子的复合多孔层而成的隔离件。例如,可举出:以氟树脂为粘合剂,利用90%粒径低于1μm的氧化铝粒子在正极的双面上形成多孔层。
<电池设计>
电极组可以为下述结构中的任意一种:隔着上述隔离件层叠上述正极片和负极片而成的层叠结构、及隔着上述隔离件将上述正极片和负极片卷绕为卷状而成的结构。电极组的体积占电池内部容积的比例(下面,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。
若电极组占有率低于上述范围,则电池容量变小。另外,若高于上述范围,则空隙空间较少,会因电池达到高温而导致构件膨胀,或电解质的液体成分的蒸汽压力变高,从而导致内部压力升高,降低作为电池的重复充放电性能、高温储存等各种特性,甚至会导致用于使内部压力向外释放的放气阀工作。
集流结构不作特别限制,但为了更有效地实现本发明的电解液提高高电流密度的充放电特性的效果,优选采用减小布线部分、接合部分的电阻的结构。在像这样减小了内部电阻的情况下,可以特别良好地发挥使用本发明的电解液而获得的效果。
在电极组为上述层叠结构时,优选使用将各电极层的金属芯部分捆扎并焊接于端子而形成的结构。在一片的电极面积变大的情况下,内部电阻将变大,因此,也优选在电极内设置多个端子来减小电阻。在电极组为上述卷绕结构时,能够通过在正极及负极上分别设置多个导线结构并捆扎于端子来降低内部电阻。
作为外壳的材质,只要为相对于所使用的电解液稳定的物质即可,不作特别限制。具体而言,可以使用镀镍钢板、不锈钢、铝或铝合金、镁合金等金属类、或树脂和铝箔的层叠膜(层压膜)。从轻量化的观点出发,优选使用铝或铝合金的金属、层压膜。
在使用金属类的外壳中,可举出:通过激光焊接、电阻焊接、超声波焊接将金属彼此熔合而制成封止密闭结构的外壳、或者、使用上述金属类隔着树脂制垫片而制成压合填缝(日语:かしめ)结构的外壳。在使用上述层压膜的外壳中,可举出通过将树脂层彼此热融合而制成封止密闭结构的外壳。为了提高密封性,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。特别是在夹着集流端子将树脂层热融合而制成密闭结构的情况下,金属与树脂接合,因此,作为所夹入的树脂,优选使用具有极性基团的树脂或导入有极性基团的改性树脂。
本发明的锂离子二次电池的形状是任意的,例如,可举出:圆筒型、方型、层压型、硬币型、大型等形状。需要说明的是,正极、负极、隔离件的形状及构成能够根据每种电池的形状而变更使用。
另外,具有如下特征的锂离子二次电池也为一个优选的方式:具备正极、负极、及上述电解液,上述正极具备正极集流体及包含正极活性物质的正极活性物质层,上述正极活性物质包含Mn。由于具备的正极活性物质层含有包含Mn的正极活性物质,因此,上述锂离子二次电池的高温储存特性更加优异。
作为上述包含Mn的正极活性物质,从能够提供能量密度高且输出高的锂离子二次电池方面,优选为LiMn1.5Ni0.5O4、LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2、LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2
上述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,上限优选为99质量%以下,更优选为98质量%以下。若正极活性物质层中的正极活性物质的含量较低,则电容量可能变得不充分。相反地,若含量过高,则正极的强度可能不足。
上述正极活性物质层可以进一步包含导电材料、增粘剂及粘合剂。
作为上述粘合剂,只要为相对于制造电极时所使用的溶剂、电解液安全的材料即可,可以使用任意物质,例如,可举出:聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、SBR(苯乙烯-丁二烯橡胶)、异戊二烯橡胶、丁二烯橡胶、乙烯-丙烯酸共聚物、乙烯-甲基丙烯酸共聚物、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、NBR(丙烯腈-丁二烯橡胶)、氟橡胶、乙烯-丙烯橡胶、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物或其氢化物、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氢化物、间规-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、氟代聚偏二氟乙烯、四氟乙烯-乙烯共聚物、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。需要说明的是,这些物质可以单独使用一种,也可以以任意的组合及比率并用两种以上。
作为粘合剂的含量,以正极活性物质层中的粘合剂的比例计,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,另外,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。若粘合剂的比例过低,则可能不能充分保持正极活性物质,正极的机械强度不足,从而导致循环特性等电池性能劣化。另一方面,若过高,则可能导致电池容量、导电性降低。
作为上述增粘剂,可举出: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。可以单独使用一种,也可以以任意的组合及比率并用两种以上。
增粘剂相对于活性物质的比例通常为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,通常为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。若低于该范围,则涂布性可能显著降低。若高于该范围,则活性物质在正极活性物质层中所占的比例降低,可能导致电池的容量降低或正极活性物质之间的电阻增大的问题。
作为上述导电材料,能够任意使用公知的导电材料。作为具体例,可举出:铜、镍等金属材料;天然石墨、人造石墨等石墨(graphite);乙炔黑等碳黑;针状焦等无定型碳等碳材料等。需要说明的是,它们可以单独使用一种,也可以以任意的组合及比率并用两种以上。导电材料以下述含量用于正极活性物质层中: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,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。若含量低于该范围,则导电性可能变得不充分。相反地,若含量高于该范围,则电池容量可能降低。
从高温储存特性更进一步改善方面出发,优选上述正极集流体由阀金属或其合金构成。作为上述阀金属,可举出:铝、钛、钽、铬等。更优选上述正极集流体由铝或铝的合金构成。
作为上述锂离子二次电池,从高温储存特性进一步改善方面出发,优选与上述正极集流体电连接的部分中与电解液接触的部分也由阀金属或其的合金构成。特别优选电池外壳及收纳于上述电池外壳的导线、安全阀等中与正极集流体电连接且与非水电解液接触的部分由阀金属或其的合金构成。也可以使用由阀金属或其的合金覆盖的不锈钢。
上述正极的制造方法如上所述,例如,可举出如下方法:向上述正极活性物质中加入上述粘合剂、增粘剂、导电材料、溶剂等制成浆料状的正极合剂,将其涂布于上述正极集流体,干燥后压制,从而实现高密度化。
上述负极的构成如上所述。
具备本发明的锂离子二次电池的组件也是本发明之一。
本发明的电解液能够用作混合动力汽车用、分散型电源用的大型锂离子二次电池用的电解液。
【实施例】
以下,例举实施例对本发明进行说明,但本发明不仅限定于这些实施例。
合成例1
在反应容器中,向脱水二氯甲烷中投入1-乙基-3-甲基氯化咪唑鎓,加入双(草酸根合)硼酸锂使其反应。然后,减压浓缩,得到下述式所示的化合物(1-乙基-3-甲基咪唑鎓双(草酸根合)硼酸盐):
【化学式67】
合成例2
将起始物质从1-乙基-3-甲基氯化咪唑鎓变更为1-丁基-3-甲基氯化咪唑鎓,除此之外,通过与合成例1相同的方法得到下述式所示的化合物(1-丁基-3-甲基咪唑鎓双(草酸根合)硼酸盐):
【化学式68】
(电解液的制备)
实施例1~23及比较例1~5
将碳酸亚乙酯(EC)、碳酸甲乙酯(EMC)及碳酸二甲酯(DMC)混合,使其体积比达到30/30/40,向该混合物中添加LiPF6至1.2摩尔/升的浓度,制得基本电解液。再向该基本电解液中按照表1中记载的量添加表1中记载的各成分,得到非水电解液。
需要说明的是,作为草酸根离子的离子源,添加草酸锂。
(铝层压型锂离子二次电池的制作)
[正极的制作]
在N-甲基吡咯烷酮溶剂中,混合作为正极活性物质的LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2(NMC)93质量%、作为导电材料的乙炔黑3质量%、作为粘合剂的聚偏二氟乙烯(PVdF)4质量%,制成浆料。将得到的浆料涂布于预先涂布了导电助剂的厚度15μm的铝箔的单面并干燥,通过压制机进行辊压,之后将其切割为活性物质层的尺寸为宽50mm、长30mm并具有宽5mm、长9mm的未涂覆部的形状,作为正极。
[负极的制作]
向碳质材料(石墨)98质量份中加入羧甲基纤维素钠的水性分散液(羧甲基纤维素钠的浓度1质量%)1质量份及苯乙烯-丁二烯橡胶的水性分散液(苯乙烯-丁二烯橡胶的浓度50质量%)1质量份作为增粘剂及粘结剂,利用分散器混合制成浆料。将得到的浆料涂布于厚度10μm的铜箔并干燥,利用压制机压延,并将其切割为活性物质层的尺寸为宽度52mm、长32mm并具有宽5mm、长9mm的未涂覆部的形状,作为负极。
[铝层压单电池的制作]
使正极和负极隔着厚度20μm的微孔性聚乙烯膜(隔离件)相对,注入上述得到的非水电解液,在上述非水电解液充分浸透隔离件等之后,封止并进行预充电、老化,从而制得锂离子二次电池。
(电池特性的测定)
[高温循环特性试验]
将上述制造的锂离子二次电池在用板夹住并加压的状态下,在60℃下,以相当于1C的电流进行恒流-恒压充电至4.3V(下面,记作CC/CV充电。)(0.1C截止)之后,以1C的恒流放电至3V,将其称为1循环,由第3循环的放电容量求得初始放电容量。再次进行循环,将200循环后的放电容量作为循环后的容量。求得200循环后的放电容量相对于初始放电容量的比例,将其作为循环容量保持率(%)。
(200循环后的放电容量)÷(初始放电容量)×100=容量保持率(%)
将结果示于表1。
[IV电阻的评价]
将初始放电容量的评价结束后的电池在25℃下以1C的恒流充电至达到初始放电容量的一般的容量。将其以2.0C放电,测定其进行10秒时的电压。由放电时的压降算出电阻,将其作为IV电阻。
将结果示于表1。
[气体产生量]
将高温循环特性试验结束后的电池充分冷却之后,通过阿基米德法测定体积,并由高温循环特性试验前后的体积变化求得所产生的气体量。
将结果示于表1。
【表1】
/>
上述表中的记号如下所示。
EMImBOB:1-乙基-3-甲基咪唑鎓双(草酸根合)硼酸盐
BMImBOB:1-丁基-3-甲基咪唑鎓双(草酸根合)硼酸盐
VC:碳酸亚乙烯酯
LiBOB:双(草酸根合)硼酸锂
FEC:氟代碳酸亚乙酯
LiFSI:双氟磺酰基酰亚胺锂
a/b:咪唑鎓阳离子(EMIm阳离子或BMIm阳离子)的含量(a)与双(草酸根合)硼酸根阴离子的含量(b)的摩尔比
a/c:咪唑鎓阳离子(EMIm阳离子或BMIm阳离子)的含量(a)与二氟磷酸根离子的含量(c)的摩尔比。

Claims (8)

1.一种锂离子二次电池用电解液,其特征在于,包含通式(1)所示的化合物(1)、二氟磷酸锂及草酸根离子,
通式(1):
通式(1)中,R1及R2独立地为甲基、乙基、丙基或丁基。
2.根据权利要求1所述的电解液,其中,所述化合物(1)为1-乙基-3-甲基咪唑鎓双(草酸根合)硼酸盐。
3.根据权利要求1所述的电解液,其中,相对于电解液,所述化合物(1)的含量为0.05~10质量%。
4.根据权利要求1所述的电解液,其中,相对于电解液,二氟磷酸锂的含量为0.1~2.0质量%。
5.一种锂离子二次电池用电解液,其特征在于,包含通式(1-1)所示的咪唑鎓阳离子(1-1)、双(草酸根合)硼酸根阴离子、二氟磷酸根离子及草酸根离子,
通式(1-1):
通式(1-1)中,R1及R2独立地为甲基、乙基、丙基或丁基。
6.根据权利要求1~5中任一项所述的电解液,其中,相对于电解液,草酸根离子的含量为0.5~6000质量ppm。
7.一种锂离子二次电池,其特征在于,具备权利要求1~6中任一项所述的电解液。
8.一种组件,其特征在于,具备权利要求7所述的锂离子二次电池。
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