CN111788733B - 非水电解液及使用该非水电解液的蓄电设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种非水电解液,其含有电解质、非水溶剂及下述式(1)所示的化合物。(式(1)中,X1及X2各自独立地表示C、S或P,在X1、X2为C或P时,n1、n2各自独立地为1,在X1、X2为S时,n1、n2各自独立地为2;n1为1或2,n2为1或2;Y1及Y2各自独立地表示任选具有取代基的烃基或‑OW基(W表示任选具有取代基的烃基);m1为1或2;m2为1或2;Z表示任选具有取代基的烃基、‑SiV3基(V表示任选具有取代基的烃基)、有机、金属。)
Description
技术领域
本发明涉及非水电解液及使用该非水电解液的蓄电设备。
背景技术
伴随着手机、笔记本电脑等便携用电子设备的飞速发展,对于用于其主电源、备用电源的电池的高容量化的要求越来越高,能量密度比镍镉电池、镍氢电池高的锂离子二次电池等蓄电设备受到了关注。
作为锂离子二次电池的电解液的代表例,可列举将LiPF6、LiBF4、LiN(CF3SO2)2、LiCF3(CF2)3SO3等电解质溶解于由碳酸亚乙酯、碳酸亚丙酯等高介电常数溶剂和碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯等低粘度溶剂的混合溶剂中而得到的非水电解液。另外,作为锂离子二次电池的负极活性物质,主要使用的是能够吸留和放出锂离子的碳质材料,作为其代表例,可列举天然石墨、人造石墨、非晶质碳等。进一步,还已知有旨在实现高容量化的使用了硅、锡等的金属或合金系的负极。作为正极活性物质,主要使用的是能够吸留和放出锂离子的过渡金属复合氧化物,作为过渡金属的代表例,可列举钴、镍、锰、铁等。
这样的锂离子二次电池由于使用了高活性的正极和负极,因此已知会因电极与电解液之间的副反应而引起充放电容量降低,为了改善电池特性,已针对非水系有机溶剂、电解质进行了各种研究。
近年来,以环境问题、能量问题等全球性的课题为背景,二次电池、特别是锂二次电池向车载用电源、固定式电源等大型电源的应用也备受期待。然而,这样的电池由于通常预计要在户外环境中使用,因此要求在宽温度范围发挥功能。不仅如此,在向车载用途等大型用途的广泛的展开中,从该用途出发,还要求进一步的高输出化和将容量保持于以往的二次电池以上的耐久性能。
作为用于进一步提高上述各种特性的尝试之一,已进行了向上述电解液中添加各种化合物的尝试。作为其中之一,以往已知的有含磷化合物、尤其是具有P=O结构的化合物会使电池特性提高。
在专利文献1~3中,提出了有关使用具有烷氧基羰基骨架的化合物而提供气体产生少、高容量、且保存特性及循环特性优异的非水电解液电池的技术。另外,还探讨了添加具有P=O结构的含磷化合物的单锂盐等盐的技术,专利文献4中提出了通过添加磷酸酯盐,即使在暴露于高温环境中之后也能够抑制充放电特性的降低、并且还会抑制内阻的上升的技术。进一步,在专利文献5中提出了通过使用含有一种以上在磷原子上直接键合有特定的极性基团的磷酸锂的电解液,从而能够使特别是在高温保存后的低温放电特性提高的技术。
专利文献1:国际公开第2008-123038号
专利文献2:国际公开第2015/016186号
专利文献3:国际公开第2015/016187号
专利文献4:日本特开2015-167219号公报
专利文献5:日本专利5704277号公报
专利文献1虽进行了循环特性的评价,但并未直接/间接地给出对于高输出化而言至关重要的抑制内阻的结果。另外,在专利文献2、3中也没有直接/间接地给出对于高输出化而言至关重要的抑制内阻的结果。
另外,在专利文献4中,由于使用对电极采用金属箔的三电极电池进行了循环评价,因此,会因来自对电极金属箔的该金属离子的补充而使伴随充电时的副反应发生的损耗被重设,无法对其固有的循环特性进行评价。另外,作为实施例而具体研究的仅仅是5个循环内的评价。此外,虽声称通过60℃保持后的交流阻抗测定而对电极的电阻进行了比较评价,但60℃的保持时间不明,并不清楚是将测定结果中的哪一部分进行了怎样的评价,未能将作为对电极的金属箔的影响加以分离,等等,并未形成评价结果的本体。
进一步,在专利文献5中,报道了在高温暴露后低温放电容量的保持率高这样的结果。然而,并未给出作为基准的绝对容量或是相对于比较例而言的相对容量,并未表明实际上是否实现了高容量的保持。另外,关于内阻,没有给出能够进行判断的方法,并且没有实施到重复进行充放电的循环特性。
特别是,正如在后述的实施例及比较例的对比中所示出的那样,在本发明人所进行的再评价中,这些现有技术并不具有充分的特性。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而提出的,其课题在于提供在蓄电设备中初始的阻抗抑制效果优异、并且在高温保存试验等静态试验及高温循环试验等动态试验的任意耐久试验后的容量保持率这样的基本特性也优异、且保持阻抗抑制效果的非水电解液、以及使用了该非水电解液的蓄电设备。
解决问题的方法
本发明人为了实现上述目的而重复进行了各种研究,结果发现,通过使电解液中含有具有特定结构的含磷化合物,可以解决上述课题,进而完成了本发明。本发明的要点如下所述。
[1]一种非水电解液,其含有非水溶剂及下述式(1)所示的化合物。
[化学式1]
(式(1)中,
P及O为元素符号而不是简写。
X1及X2各自独立地表示C、S或P。
n1、n2各自独立地在X1、X2为C或P时为1,在X1、X2为S时为2。
n1在X1为C或P时为1,在X1为S时为2。
n2在X2为C或P时为1,在X2为S时为2。
Y1及Y2各自独立地表示任选具有取代基的烃基或-OW基(W表示任选具有取代基的烃基)。
m1在X1为C或S时为1,在X1为P时为2,m2在X2为C或S时为1,在X2为P时为2。
Z表示任选具有取代基的烃基、-SiV3基(V表示任选具有取代基的烃基)、有机金属。)
[2]上述[1]所述的非水电解液,其包含上述式(1)中X1及X2为C、n1及n2为1、且m1及m2为1的化合物。
[3]上述[1]或[2]所述的非水电解液,其中,
在上述式(1)中,
Y1及Y2各自独立地为选自氢原子的一部分任选被卤原子取代的碳原子数1~6的烷基、氢原子的一部分任选被卤原子取代的碳原子数2~6的烯基、氢原子的一部分任选被卤原子取代的碳原子数2~6的炔基、氢原子的一部分任选被卤原子取代的碳原子数6~12的芳基及氢原子的一部分任选被卤原子取代的碳原子数7~13的芳基烷基中的基团;或者
Y1及Y2各自独立地为-OW基,W选自氢原子的一部分任选被卤原子取代的碳原子数1~6的烷基、氢原子的一部分任选被卤原子取代的碳原子数2~6的烯基、氢原子的一部分任选被卤原子取代的碳原子数2~6的炔基、氢原子的一部分任选被卤原子取代的碳原子数6~12的芳基及氢原子的一部分任选被卤原子取代的碳原子数7~13的芳基烷基。
[4]上述[1]~[3]中任一项所述的非水电解液,其包含下述化合物:
在上述式(1)中,Z为选自氢原子的一部分任选被卤原子取代的碳原子数1~6的烷基、氢原子的一部分任选被卤原子取代的碳原子数2~6的烯基、氢原子的一部分任选被卤原子取代的碳原子数2~6的炔基、氢原子的一部分任选被卤原子取代的碳原子数6~12的芳基及氢原子的一部分任选被卤原子取代的碳原子数7~13的芳基烷基中的基团的化合物;或者
在上述式(1)中,Z为-SiV3基、氢或碱金属的化合物,在-SiV3基中,V选自氢原子的一部分任选被卤原子取代的碳原子数1~6的烷基、氢原子的一部分任选被卤原子取代的碳原子数2~6的烯基、氢原子的一部分任选被卤原子取代的碳原子数2~6的炔基、氢原子的一部分任选被卤原子取代的碳原子数6~12的芳基及氢原子的一部分任选被卤原子取代的碳原子数7~13的芳基烷基。
[5]上述[1]~[4]中任一项所述的非水电解液,其中,以0.001质量%以上且10质量%以下含有上述式(1)所示的化合物。
[6]上述[1]~[5]中任一项所述的非水电解液,其含有电解质。
[7]上述[1]~[6]中任一项所述的非水电解液,其中,上述非水电解液进一步含有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、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、具有多个醚键的环状化合物、具有异氰脲酸骨架的化合物、单氟磷酸盐、二氟磷酸盐、硼酸盐、草酸盐及氟磺酸盐中的至少一种化合物。
[8]上述[7]所述的非水电解液,其中,相对于非水电解液总量,上述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、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、具有多个醚键的环状化合物、具有异氰脲酸骨架的化合物、单氟磷酸盐、二氟磷酸盐、硼酸盐、草酸盐及氟磺酸盐中的至少一种的化合物的合计含量为0.001质量%以上且50质量%以下。
[9]上述[1]~[8]中任一项所述的非水电解液,其为非水电解质二次电池用非水电解液。
[10]一种蓄电设备,其具备能够吸留和放出锂离子的负极及正极、以及包含电解质及非水溶剂的非水电解液,其中,该非水电解液为[1]~[9]中任一项所述的非水电解液。
[11]上述[10]所述的蓄电设备,其为非水电解质二次电池。
发明的效果
根据本发明,能够提供一种非水电解液,该非水电解液用于实现初始的阻抗抑制效果优异、并且在高温保存试验/高温循环试验等耐久试验后的容量保持率这样的基本特性也优异、且通过保持电阻降低效果因而电池特性优异的蓄电设备。由此,能够实现蓄电设备的小型化、高性能化。
在使用本发明的非水电解液制作的蓄电设备中,初始的阻抗得到抑制的效果、在高温保存试验/高温循环试验等耐久试验后也具有优异的容量保持率、同时保持阻抗抑制效果的作用/原理尚不明确,但可认为如下。需要说明的是,本发明并不受到以下记载的作用/原理的限定。
通常认为,对于以专利文献1~3等为代表的离子性/极性官能团少的化合物而言,由于在未充电/充电初始阶段的未反应状态下对正极过渡金属的吸附能力低,终究是伴随反应才会表现出效果,因此并不会在最初始显示出保护表面的功能,因此不会观察到抑制阻抗升高的效果。与此相对,就专利文献4、5及本发明而言,由于是具有多个离子性/极性官能团的化合物,因此可认为能够在未充电/充电初始阶段的未反应状态下稳定地吸附于正极过渡金属,具有在最初始显示出保护表面的功能的潜能。
另一方面,在要在充电状态下暴露于高温环境中的保存试验中,是否能够通过表面吸附物而防止充电正极与电解液成分的接触是最为重要的特性。与连续地重复进行充电/放电的循环试验不同,不会观察到表面吸附物在锂的嵌入脱嵌这样的动态环境中发生反应、或发生剥离的劣化行为。
进一步,关于抑制锂向负极嵌入时的还原反应的所谓SEI在锂的嵌入脱嵌的过程中是否能够稳定地持续存在,在高温保存试验中是难以判断的。
而在本发明的非水电解液中使用的式(1)所示的化合物中,由于两个与烷基、烷氧基不同的极性基团X=O键(X为C、P、S)直接与磷元素结合,因此可推定会通过该骨架和P=O骨架而更容易与正极金属配位。
另外,式(1)所示的化合物由于是预先具有Li+、或容易转变为以Li+为阳离子种的盐的结构,因此可认为,在正极表面发生Li的嵌入/脱嵌时所吸附的式(1)所示的化合物会传播其Li,而不会阻碍嵌入脱嵌反应。
综上可认为,在正极表面的初次充电时,已经开始的正极的劣化在初始即受到所吸附的式(1)所示的化合物的抑制,并且不会阻碍Li的嵌入/脱嵌反应,因此从初始即可显示出抑制阻抗升高的效果。另外可认为,式(1)所示的化合物通过具有不会轻易被切断的P-X(X为C、P、S)键,因反应而导致结构被细分化从而从表面容易地脱离而使特性劣化的可能性低,因此即使经过了循环试验这样的长期的动态试验也不会丧失效果。
进一步可认为,在负极表面,其强固的结构会抑制表面的劣化、并且不会阻碍Li的嵌入/脱嵌,因此可抑制被推测是由每个循环的电解液成分分解所引起的效率降低,与无添加或其它示例出的添加剂相比,循环特性提高。
具体实施方式
以下,针对本发明进行说明,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
本发明的非水电解液含有电解质、非水溶剂及以下的式(1)所示的化合物。
1-1.式(1)所示的化合物
本发明的非水电解液含有式(1)所示的化合物。需要说明的是,在式(1)所示的化合物中,并不区分光学异构体,可以以单独的异构体或它们的混合的形式适用。
[化学式2]
式(1)中,P、O为元素符号而不是简写。
式(1)中的X1及X2各自独立地表示C、S或P。另外,从制造中的容易程度的观点出发,X1及X2优选为C。
式(1)中的n1在X1为C或P时为1,在X1为S时为2。另外,式(1)中的n2在X2为C或P时为1,在X2为S时为2。
式(1)中的Y1及Y2各自独立地表示任选具有取代基的烃基或-OW基(W为任选具有取代基的烃基)。
在Y1及Y2、以及W中,作为任选具有取代基的烃基,优选为任选具有取代基的碳原子数1~6的烷基,更优选为任选具有取代基的碳原子数1~4的烷基;
优选为任选具有取代基的碳原子数2~6的烯基,更优选为任选具有取代基的碳原子数2~4的烯基;
优选为任选具有取代基的碳原子数2~6的炔基,更优选为任选具有取代基的碳原子数2~4的炔基;
优选为任选具有取代基的碳原子数6~12的芳基,更优选为任选具有取代基的碳原子数6~10的芳基;
优选为任选具有取代基的碳原子数7~13的芳基烷基,更优选为任选具有取代基的碳原子数7~11的芳
基烷基。
在Y1及Y2、以及W中,在以上列举的例子中优选任选具有取代基的碳原子数1~6的烷基,特别优选任选具有取代基的碳原子数1~4的烷基。
相对于对效果有贡献的化学结构而言的分子量、分子本身的大小如果过大,则存在无法表现出充分的效果的隐患。
进一步,在Y1及Y2的烃基、以及-OW基的W中,任选具有的取代基优选为卤原子,特别优选为氟原子。以卤原子、尤其是氟原子取代时,由于不需要的反应性低,因而可推定会表现出与无取代同等的特性。
基于上述理由、并考虑到工业上的获取性,作为优选的烃基,可列举如下。
作为烷基,优选为甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、异丁基、仲丁基、叔丁基、2-氟乙基、2,2,2-三氟乙基,更优选为甲基、乙基、2,2,2-三氟乙基。
另外,作为烯基,优选为乙烯基、1-丙烯基、2-丙烯基、1-甲基乙烯基、1-丁烯基、2-丁烯基、3-丁烯基、1-甲基-1-丙烯基、2-甲基-1-丙烯基、1-甲基-2-丙烯基、2-甲基-2-丙烯基、三氟乙烯基,更优选为乙烯基、1-丙烯基、2-丙烯基、1-甲基乙烯基。
另外,作为炔基,优选为乙炔基、1-丙炔基、2-丙炔基、1-丁炔基、2-丁炔基、3-丁炔基,更优选为乙炔基、2-丙炔基。
另外,作为芳基,优选为苯基、2-甲基苯基、3-甲基苯基、4-甲基苯基、2-乙基苯基、3-乙基苯基、4-乙基苯基、2,3-二甲基苯基、2,4-二甲基苯基、2,5-二甲基苯基、2,6-二甲基苯基、3,4-二甲基苯基、3,5-二甲基苯基、1-萘基、2-萘基、1-氟苯基、2-氟苯基、3-氟苯基、五氟苯基,更优选为苯基、2-甲基苯基、3-甲基苯基、4-甲基苯基、2,3-二甲基苯基、2,4-二甲基苯基、2,5-二甲基苯基、2,6-二甲基苯基、3,4-二甲基苯基、3,5-二甲基苯基、1-萘基、2-萘基、1-氟苯基、2-氟苯基、3-氟苯基。
另外,作为烷基芳基,优选为苯基甲基、二苯基甲基、1-苯基乙基、2-苯基乙基、1-苯基丙基、(1-苯基-1-甲基)乙基、(2-甲基苯基)甲基、(3-甲基苯基)甲基、(4-甲基苯基)甲基、(2,5-二甲基苯基)甲基、(2,4,6-三甲基苯基)甲基、(1-氟苯基)甲基、(2-氟苯基)甲基、(3-氟苯基)甲基、(2,4-二氟苯基)甲基、(3,4-二氟苯基)甲基、(3-(三氟甲基)苯基)甲基、(4-(三氟甲基)苯基)甲基、(3,5-双(三氟甲基)苯基)甲基、(1-萘基)甲基、(2-萘基)甲基、(五氟苯基)甲基,更优选为苯基甲基、(五氟苯基)甲基。
式(1)中的m1在X1为C或S时为1,在X1为P时为2。另外,m2在X2为C或S时为1,在X2为P时为2。
Z表示任选具有取代基的烃基、-SiV3基(V表示任选具有取代基的烃基)、有机金属)。
这里,关于Z为任选具有取代基的烃基的情况下的Z、为-SiV3基的情况下的V的优选情形,与针对Y1、Y2及W所列举的优选例及其理由均是同样的,其中,优选为甲基、乙基、异丙基、正丁基、叔丁基乙烯基、乙炔基、2-丙炔基、苯基、五氟苯基。
进一步,作为-SiV3基,可列举:三甲基甲硅烷基、乙基二甲基甲硅烷基、二甲基正丙基甲硅烷基、二甲基异丙基甲硅烷基、二甲基正丁基甲硅烷基、二甲基叔丁基甲硅烷基、二乙基异丙基甲硅烷基、三乙基甲硅烷基、三异丙基甲硅烷基、三正丁基甲硅烷基、乙炔基二甲基甲硅烷基、二甲基-2-丙炔基甲硅烷基、二甲基苯基甲硅烷基、甲基二苯基甲硅烷基、二甲基(苯基甲基)甲硅烷基、叔丁基二苯基甲硅烷基、三苯基甲硅烷基、二甲基(五氟苯基)甲硅烷基、二甲基(2,2,2-三氟乙基)甲硅烷基等。这些当中,作为优选例,可列举:三甲基甲硅烷基、二甲基叔丁基甲硅烷基、三异丙基甲硅烷基、乙炔基二甲基甲硅烷基、二甲基苯基甲硅烷基、三苯基甲硅烷基。
Z为有机的情况下,对其种类没有特殊限定,但从耐氧化还原性、溶解性、工业上获取的容易性考虑,优选为在各种有机设备用电解液用途中有实际作用的结构,优选为具有季铵结构的或具有季鏻结构的特别优选为四烷基铵、四烷基鏻、1,3-二烷基咪唑
Z为金属的情况下,对其种类没有特殊限定,优选为溶解性高的一价、而不是“受到氧化还原的过渡金属”的金属,更具体而言,优选为碱金属,在用于锂离子电池等使用锂的电池的情况下优选为锂,在用于钠离子电池等使用钠的电池的情况下优选为钠,在用于钾离子电池等使用钾的电池的情况下优选为钾。在选择这些碱金属时,与体系中离子相同,故优选。
在以上列举的例子中,作为Z,优选为烷基、-SiV3基、金属,特别优选为-SiV3基、金属。进一步,作为这些种类中的优选例,如前面所述。
基于上述理由,作为式(1)所示的化合物,可优选列举以下化合物。
[化学式3]
[化学式4]
[化学式5]
[化学式6]
[化学式7]
[化学式8]
[化学式9]
[化学式10]
[化学式11]
这些当中,可优选列举以下化合物。
[化学式12]
[化学式13]
这些化合物例如可利用在以下的非专利文献1、2中记载的方法等合成。
非专利文献1:Zeitschrift fueRAnorganische und Allgemeine Chemie(1985),530,16
(在非专利文献1记载的化合物中,可以将钠替换为其它碱金属而实施。)
非专利文献2:HeteroatomChemistrY(2012),23,(4),352
式(1)所示的化合物可以单独使用,也可以将两种以上组合使用。非水电解液总量(100质量%)中,式(1)所示的化合物的量(两种以上的情况下为合计量)只要能显示出本发明的效果则没有特殊限制,通常为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0.23质量%以上、特别优选为0.5质量%以上。
可认为,在该范围时,容易控制初始的阻抗抑制效果、在高温保存试验/高温循环试验等耐久试验后的容量保持率/阻抗降低效果保持特性等。
另外,通常为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。在该范围时,能够有效地表现出初始的阻抗抑制效果、在高温保存试验/高温循环试验等耐久试验后的容量保持率/阻抗降低效果保持特性等。
需要说明的是,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。除了直接将上述化合物添加至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,还可列举通过在制作电池后施加充放电等电气性负载而使上述化合物产生的方法。
另外,在使上述化合物包含于非水电解液中而实际地用于蓄电设备的制作时,很多情况下即使在将该蓄电设备拆解而再次提取出非水电解液,其中的含量也显著降低。因此,从提取自蓄电设备的非水电解液中极少量地检测到上述化合物的情况也视为包含在本发明中。另外,上述化合物在制成非水电解液而实际地用于蓄电设备的制作时,即使在将该电池拆解而再次提取出的非水电解液中仅含有极少量的上述化合物的情况下,很多情况下也会在蓄电设备的其它构成构件(例如正极、负极或隔板)上被检测到。因此,在从构成构件上检测到了上述化合物的情况下,可假定其合计量包含于非水电解液中。在该假定下,优选包含在以下的1-2.中记载的特定化合物,其含量没有特殊限定,但通常相对于非水电解液总量的合计含量为0.001质量%以上且50质量%以下。
1-2.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、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、具有多个醚键的环状化合物、具有异氰脲酸骨架的化合物、单氟磷酸盐、二氟磷酸盐、硼酸盐、草酸盐及氟磺酸盐
本发明的实施方式可以在含有上述式(1)所示的化合物的同时,含有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、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、具有多个醚键的环状化合物及具有异氰脲酸骨架的化合物、单氟磷酸盐、二氟磷酸盐、硼酸盐、草酸盐及氟磺酸盐中的至少一种化合物((II)组的化合物)。这是由于,通过将这些化合物组合使用,能够有效地抑制由式(1)所示的化合物引起的在正负极上的副反应。
这些化合物中,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、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、及具有多个醚键的环状化合物中的至少一种化合物会在负极上形成优质的复合被膜,从而平衡性良好地提高初始的电池特性和耐久试验后的电池特性,因此优选,更优选为选自含氟环状碳酸酯、具有氰基的有机化合物、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,进一步优选为选自含氟环状碳酸酯、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,特别优选为选自含氟环状碳酸酯或具有碳-碳不饱和键的环状碳酸酯中的至少一种化合物。作为理由,可列举如下:会在负极上形成较低分子量的被膜的这些化合物所形成的负极被膜致密,因此能够效率良好地抑制由式(1)所示的化合物的副反应引起的劣化。像这样地,可以有效地抑制副反应,并且抑制阻抗升高,从而能够通过抑制初始、高温耐久时的副反应而抑制体积变化、并确保高温耐久后的安全性,同时可以提高速率特性。
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。
另外,在使上述化合物包含在非水电解液而实际用于蓄电设备的制作时,大多情况下即使将其蓄电设备拆解而再次提取出非水电解液,其中的含量也会显著降低。因此,从提取自蓄电设备的非水电解液中哪怕能够检测到极少量的上述化合物的情况,即被认为包含于本发明。另外,在将上述化合物制成非水电解液而实际用于蓄电设备的制作时,即使是在将其电池拆解而再次提取出的非水电解液中仅含有极少量的上述化合物的情况下,大多情况下也会在蓄电设备的其它构成构件(例如正极、负极或隔板)上被检测到。因此,在从构成构件上检测到了上述化合物的情况下,可以假定其合计量包含在了非水电解液中。在该假定下,优选特定化合物的含量在如后面所述的范围。
以下,针对(II)组的化合物进行说明。其中,关于单氟磷酸盐、二氟磷酸盐、硼酸盐、草酸盐及氟磺酸盐,也可适用在1-4.电解质中的说明。另外,关于与上述化合物组合的式(1)所示的化合物,有关式(1)所示的化合物的上述记载包括示例及优选例在内均可适用。另外,在包含某一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其它化合物。
1-2-1.含氟环状碳酸酯
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。这些当中,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。
在本发明的电解液中,通过将式(1)所示的化合物和含氟环状碳酸酯组合使用,可以改善使用了该电解液的电池的耐久特性。
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-(三氟甲基)碳酸亚乙酯、4,5-二氟-4,5-二甲基碳酸亚乙酯等。
这些当中,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。
氟化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(两种以上的情况下为合计量)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1.2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、特别优选为3质量%以下、最优选为2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。
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。
上述式(1)所示的化合物与含氟环状碳酸酯的质量比可以是:式(1)所示的化合物:含氟环状碳酸酯为1:100以上,优选为10:100以上、更优选为20:100以上、进一步优选为25:100以上,可以是10000:100以下,优选为500:100以下、更优选为300:100以下、进一步优选为100:100以下、特别优选为75:100以下、最优选为50:100以下。如果在该范围,则可使电池特性、尤其是耐久特性显著提高。关于其原理,虽尚未确定,但可认为理由在于通过以该比率进行混合,可将电极上的添加剂的副反应抑制于最低限度。
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。在本发明的电解液中,通过将式(1)所示的化合物和含硫有机化合物组合使用,可以改善使用了该电解液的电池的耐久特性。
这些当中,优选为链状磺酸酯、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,进一步优选为链状磺酸酯及环状磺酸酯,特别优选为环状磺酸酯。
作为含硫有机化合物,可列举如下。
《链状磺酸酯》
作为链状磺酸酯,可列举: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、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、烯丙基磺酸炔丙酯等烯基磺酸酯;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1-甲氧基羰基乙酯、1,3-丙烷二磺酸1-乙氧基羰基乙酯、1,4-丁烷二磺酸1-甲氧基羰基乙酯、1,4-丁烷二磺酸1-乙氧基羰基乙酯等烷基二磺酸酯等。
《环状磺酸酯》
作为环状磺酸酯,可列举: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-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-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、1,4-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等。
《链状硫酸酯》
作为链状硫酸酯,可列举: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等。
《环状硫酸酯》
作为环状硫酸酯,可列举:1,2-乙二醇硫酸酯、1,2-丙二醇硫酸酯、1,3-丙二醇硫酸酯等亚烷基二醇硫酸酯化合物。
《链状亚硫酸酯》
作为链状亚硫酸酯,可列举: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》
作为环状亚硫酸酯,可列举:1,2-乙二醇亚硫酸酯、1,2-丙二醇亚硫酸酯、1,3-丙二醇亚硫酸酯等亚烷基二醇亚硫酸酯化合物。
这些当中,从提高初始效率的观点出发,优选为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、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、1,4-丁烷二磺酸1-甲氧基羰基乙酯、1,4-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,更优选为丙烷二磺酸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,进一步优选为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一种,也可以以任意组合及比率组合使用两种以上。
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(其中,这里的所述含磷有机化合物的含义中不包括式(1)所示的化合物)。含磷有机化合物只要是分子内具有至少一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以改善耐久特性。
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。
在本发明的电解液中,通过将含磷有机化合物和式(1)所示的化合物组合使用,可以改善使用了该电解液的电池的耐久特性。
作为含磷有机化合物,可列举如下。
《磷酸酯》
作为磷酸酯,可列举:磷酸二甲基乙烯基酯、磷酸二乙基乙烯基酯、磷酸甲基二乙烯基酯、磷酸乙基二乙烯基酯及磷酸三乙烯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、磷酸二烯丙基甲基酯、磷酸二烯丙基乙基酯及磷酸三烯丙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、磷酸二炔丙基甲基酯、磷酸二炔丙基乙基酯及磷酸三炔丙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)乙基酯及磷酸三(2-丙烯酰氧基甲基)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)乙基酯及磷酸三(2-丙烯酰氧基乙基)酯等具有2-丙烯酰氧基乙基的化合物等。
《膦酸酯》
作为膦酸酯,可列举:三甲基膦酰基甲酸酯、二乙基膦酰基甲酸甲酯、三乙基膦酰基甲酸酯、二甲基膦酰基甲酸乙酯、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、三甲基膦酰基乙酸酯、二乙基膦酰基乙酸甲酯、三乙基膦酰基乙酸酯、二甲基膦酰基乙酸乙酯、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、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、三甲基3-膦酰基丙酸酯、3-(二乙基膦酰基)丙酸甲酯等。
这些当中,从提高电池特性的观点出发,优选磷酸三烯丙酯及磷酸三(2-丙烯酰氧基乙基)酯、三甲基膦酰基乙酸酯、三乙基膦酰基乙酸酯、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一种,也可以以任意组合及比率组合使用两种以上。
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。作为具有氰基的有机化合物,只要是分子内具有至少一个氰基的有机化合物则没有特殊限制,优选为式(2-4-1)、式(2-4-2)所示的化合物,更优选为式(2-4-2)所示的化合物。需要说明的是,在具有氰基的有机化合物也是具有多个醚键的环状化合物的情况下,也可以将其归属于具有多个醚键的环状化合物。
1-2-4-1.式(2-4-1)所示的化合物
A1-CN (2-4-1)
(式中,A1表示碳原子数2以上且20以下的烃基。)
式(2-4-1)所示的化合物的分子量没有特殊限制。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(2-4-1)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(2-4-1)所示的化合物的制造方法没有特殊限制,可以任意选择公知的方法制造。
式(2-4-1)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、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。
这些当中,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(2-4-1)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。
这些当中,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。
1-2-4-2.式(2-4-2)所示的化合物
NC-A2-CN (2-4-2)
(式中,A2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一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(2-4-2)所示的化合物的分子量没有特殊限制。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(2-4-2)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(2-4-2)所示的化合物的制造方法没有特殊限制,可以任意选择公知的方法制造。
作为式(2-4-2)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。
这些当中,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(2-4-2)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,从提高高温保存耐久特性的观点考虑,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]十一碳烷的高温保存耐久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。
具有氰基的有机化合物可以单独使用一种,也可以以任意组合及比率组合使用两种以上。
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一个异氰酸酯基的有机化合物则没有特殊限制,但就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。
在本发明的电解液中,通过将式(1)所示的化合物和具有异氰酸酯基的化合物组合使用,可以改善使用了该电解液的电池的耐久特性。
作为具有异氰酸酯基的有机化合物,可列举如下。
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、1,2-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、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。
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单独使用一种,也可以以任意组合及比率组合使用两种以上。
1-2-6.含硅化合物
本发明的电解液中可以含有含硅化合物。含硅化合物只要是分子内具有至少一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(1)所示的化合物和含硅化合物组合使用,可改善耐久特性。
作为含硅化合物,可列举以下化合物。
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)酯及硼酸三(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。
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。
1-2-7.芳香族化合物
本发明的电解液中可以包含芳香族化合物。作为芳香族化合物,只要是分子内具有至少一个芳环的有机化合物则没有特殊限制,优选为式(2-7-1)及式(2-7-2)所示的芳香族化合物。
1-2-7-1.式(2-7-1)所示的芳香族化合物
[化学式14]
(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。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。)
这些当中,从电池特性的观点考虑,优选碳原子数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n 71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、环戊基、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(2-7-1)所示的芳香族化合物,可列举如下。
作为X71为卤原子或任选具有卤原子的有机基团的式(2-7-1)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。更优选列举一氟苯。
作为X71为碳原子数1以上且12以下的烃基的式(2-7-1)所示的芳香族化合物,可列举: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、叔戊基苯等,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(2-7-1)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、苯基乙酸甲酯、苯基乙酸乙酯、2,2-二甲基-苯基乙酸甲酯、2,2-二甲基-苯基乙酸乙酯等,优选列举2,2-二甲基-苯基乙酸甲酯、2,2-二甲基-苯基乙酸乙酯。
作为X71为具有碳酸酯结构的基团的式(2-7-1)所示的芳香族化合物,可列举碳酸二苯酯、碳酸甲基苯基酯等,优选列举碳酸甲基苯基酯。
1-2-7-2.式(2-7-2)所示的芳香族化合物
[化学式15]
(式中,R11~R15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,R16及R17独立地为碳原子数1以上且12以下的烃基,R11~R17中的至少2个任选共同形成环,并且,式(2-7-2)满足(A)及(B)中的至少一个条件:
(A)R11~R15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)R11~R17的碳原子数的总和为3以上且20以下。)
R11~R17中的至少2个共同形成了环的情况下,优选R11~R17中的2个共同形成环。
R16及R17独立地为碳原子数1以上且12以下的烃基(例如,烷基、芳基),R16和R17也可以共同形成环(例如,作为烃基的环式基团)。从初始效率及溶解性、保存特性提高的观点出发,R16及R17优选为碳原子数1以上且12以下的烃基、或R16和R17为共同形成的烃基的环式基团,更优选为甲基、乙基、R16和R17共同形成的环己基、环戊基,进一步优选为甲基、乙基、R16和R17共同形成的环己基。
R11~R15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)。从初始效率及溶解性、保存特性提高的观点出发,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、叔丁基、1-甲基-1-苯基-乙基,进一步优选为氢、叔丁基、1-甲基-1-苯基-乙基。
也可以是R11~R15中的任一个与R16共同形成环(例如,作为烃基的环式基团)。优选R11和R16共同形成环(例如,作为烃基的环式基团)。此时,R17优选为烷基。作为R17为甲基、且R11和R16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(2-7-2)满足(A)及(B)中的至少一个条件:
(A)R11~R15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)R11~R17的碳原子数的总和为3以上且20以下。
就式(2-7-2)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(2-7-2)也可以满足(A)和(B)两者。
关于(A),如果R11~R15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R11~R17的碳原子数的总和为3以上且20以下,则也可以是R11~R17中的至少2个共同形成环。R11~R17中的至少2个共同形成了环的情况下,在计算碳原子数的总和时,在形成环的碳中,不与R11~R17对应的碳(对于R11~R15而言,是指构成与它们键合的苯环的碳;对于R16及R17而言,是指苄基位的碳)不计算在内。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R17为甲基、且R11和R16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,该化合物满足条件(B)。
作为式(2-7-2)所示的芳香族化合物,可列举如下。
R16及R17独立地为碳原子数1以上且20以下的烃基(其中,R16及R17的总碳原子数为3以上且20以下)、R11~R15为氢的化合物(满足(B))。
[化学式16]
R16及R17共同形成环、且R11~R15为氢的化合物(满足(B))。
[化学式17]
R11~R15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))。
[化学式18]
R17为碳原子数1以上且20以下的烃基(例如,碳原子数1以上且20以下的烷基、优选为甲基)、且R11和R16共同形成了环的化合物(满足(B))。
[化学式19]
这些当中,从初始在负极上的还原性的观点出发,优选为下述化合物。
[化学式20]
特别优选为下述化合物。
[化学式21]
最优选为以下化合物。
[化学式22]
芳香族化合物可以单独使用,也可以将两种以上组合使用。
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(以下也记作“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,可使用任意的不饱和碳酸酯,但优选为具有碳-碳双键的环状碳酸酯。需要说明的是,具有芳环的环状碳酸酯也认为包括在不饱和环状碳酸酯中。
作为不饱和环状碳酸酯,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而成的碳酸亚乙酯类、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、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-氟碳酸亚乙烯酯等。
作为被具有芳环或碳-碳双键或碳-碳三键的取代基取代而成的碳酸亚乙酯类的具体例,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。
这些当中,作为特别是在组合使用时优选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会形成更为稳定的界面保护被膜,因此是优选的,更优选为碳酸亚乙烯酯、乙烯基碳酸亚乙酯,进一步优选为碳酸亚乙烯酯。
不饱和环状碳酸酯的制造方法没有特殊限制,可以任意选择公知的方法制造。
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组合使用两种以上。另外,不饱和环状碳酸酯的配合量没有特殊限制,只要不会显著破坏本发明的效果则是任意的。在非水电解液100质量%中,不饱和环状碳酸酯的配合量可以为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,另外,可以为10质量%以下、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、特别优选为2质量%以下。在该范围内时,非水电解液二次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。
对于上述式(1)所示的化合物与具有碳-碳不饱和键的环状碳酸酯(两种以上的情况下为合计量)的质量比而言,式(1)所示的化合物:具有碳-碳不饱和键的环状碳酸酯可以为1:100以上、优选为10:100以上、更优选为20:100以上、进一步优选为25:100以上,可以为10000:100以下、优选为500:100以下、更优选为300:100以下、进一步优选为100:100以下、特别优选为75:100以下、最优选为50:100以下。如果在该范围,则可以使电池特性、特别是耐久特性显著提高。关于其原理虽尚未确定,但可认为归因于:通过以该比率混合,可将电极上的添加剂的副反应抑制于最低限度。
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。在本发明的电解液中,通过将式(1)所示的化合物和不含氟的羧酸酯组合使用,可以改善耐久特性。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、更优选为不含氟的饱和链状羧酸酯。不含氟的链状羧酸酯的总碳原子数优选为3以上、更优选为4以上、进一步优选为5以上,优选为7以下、更优选为6以下、进一步优选为5以下。
作为不含氟的链状羧酸酯,可列举:乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸正丙酯、丙酸甲酯、丙酸乙酯、丙酸正丙酯、异丁酸甲酯、异丁酸乙酯、异丁酸正丙酯、新戊酸甲酯、新戊酸乙酯、新戊酸正丙酯等饱和链状羧酸酯、丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸正丙酯、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸正丙酯等不饱和链状羧酸酯。
这些当中,从在负极上的副反应少的方面考虑,优选乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸正丙酯、丙酸甲酯、丙酸乙酯、丙酸正丙酯、新戊酸甲酯、新戊酸乙酯、新戊酸正丙酯,从通过降低电解液粘度而提高离子电导率的观点考虑,更优选为乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸正丙酯、丙酸甲酯、丙酸乙酯、丙酸正丙酯,进一步优选为乙酸甲酯、丙酸甲酯、丙酸乙酯、丙酸正丙酯,特别优选为乙酸甲酯、丙酸乙酯、丙酸正丙酯。
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。
在电解液100质量%中,不含氟的羧酸酯的量(两种以上的情况下为其合计量)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0.6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。另外,对于使用不含氟的羧酸酯作为非水溶剂的情况下的配合量而言,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、更进一步优选为20体积%以上,另外,可以使其含量为50体积%以下、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,容易控制负极电阻的增大,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。
就上述式(1)所示的化合物和不含氟的羧酸酯的质量比而言,式(1)所示的化合物:不含氟的羧酸酯可以为1:100以上、优选为10:100以上、更优选为20:100以上、进一步优选为25:100以上,可以为10000:100以下、优选为500:100以下、更优选为300:100以下、进一步优选为100:100以下、特别优选为75:100以下、最优选为50:100以下。如果在该范围,则可以使电池特性、特别是耐久特性显著提高。关于其原理虽尚未确定,但可认为归因于:通过以该比率混合,可将电极上的添加剂的副反应抑制于最低限度。
1-2-10.具有多个醚键的环状化合物
作为具有多个醚键的环状化合物,只要是分子内具有多个醚键的环状化合物则没有特殊限定,但优选为式(2-10)所示的化合物。具有多个醚键的环状化合物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(1)所示的化合物组合使用,可以改善使用了该电解液的电池的耐久特性。
[化学式23]
(式中,A15~A20独立地为氢原子、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,可列举:卤原子、任选被氟原子取代的烷基、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、任选被氟原子取代的烷基、烯基、炔基、以及异氰酸酯基、氰基、醚基、羰基、烷氧羰基、酰氧基,更优选为未被氟原子取代的烷基、氰基及醚基。
式(2-10)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,优选为烷基、亚烷基,更优选为烷基。作为具体例,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,进一步优选列举三亚甲基、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。
作为具有多个醚键的环状化合物,可列举例如以下的化合物。
[化学式24]
这些当中,优选为以下化合物等。
[化学式25]
另外,更优选为以下化合物。
[化学式26]
具有多个醚键的环状化合物可以单独使用一种,也可以以任意组合及比率组合使用两种以上。
1-2-11.具有异氰脲酸骨架的化合物
本发明的电解液中可以进一步包含具有异氰脲酸骨架的化合物。具有异氰脲酸骨架的化合物只要是分子内具有至少一个异氰脲酸骨架的有机化合物则没有特殊限制。使用了包含具有异氰脲酸骨架的化合物的本发明的电解液的电池可以改善耐久特性。
作为具有异氰脲酸骨架的化合物,可列举以下结构的化合物。
[化学式27]
优选列举以下结构的化合物。
[化学式28]
另外,在优选的化合物中,从负极被膜形成能力的观点出发,优选为以下结构的化合物。
[化学式29]
以具有异氰脲酸骨架的化合物表示的化合物可以单独使用一种,也可以以任意组合及比率组合使用两种以上。
1-2-12.单氟磷酸盐、二氟磷酸盐
本发明的电解液中可以进一步包含单氟磷酸盐、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(1)所示的化合物和选自单氟磷酸盐及二氟磷酸盐中的一种以上组合使用,在使用了该电解液的电池中,可改善耐久特性。
单氟磷酸盐及二氟磷酸盐中的抗衡阳离子没有特殊限制,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:任选被氟原子取代的烷基、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。这些当中,优选R121~R124独立地为氢原子、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一种以上的量(两种以上的情况下为合计量)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,可显著地显示出初始不可逆容量提高的效果。
对于上述式(1)所示的化合物和选自单氟磷酸盐及二氟磷酸盐中的一种以上(两种以上的情况下为合计量)的质量比而言,式(1)所示的化合物:单氟磷酸盐及二氟磷酸盐优选为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。
1-2-13.硼酸盐
本发明的电解液中可以进一步包含硼酸盐。硼酸盐只要是分子内具有至少一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“1-2-13.硼酸盐”,而认为包含在后述的“1-2-14.草酸盐”中。在本发明的电解液中,通过将式(1)所示的化合物和硼酸盐组合使用,可以改善使用了该电解液的电池的耐久特性。
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。这些当中,从具有使初始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(两种以上的情况下为合计量)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0.4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。
就上述式(1)所示的化合物与硼酸盐的质量比而言,式(1)所示的化合物(组合使用的情况下为其合计):硼酸盐优选为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。
另外,在使用硼酸盐和LiPF6作为电解质的情况下,非水电解液中的硼酸盐的摩尔含量相对于LiPF6的摩尔含量之比优选为0.001以上且12以下、更优选为0.01~1.1、进一步优选为0.01~1.0、更优选为0.01~0.7。在该范围时,会抑制电池中正负极上的副反应,电池的充放电效率提高。
1-2-14.草酸盐
本发明的电解液中可以进一步包含草酸盐。草酸盐只要是分子内具有至少一个草酸结构的化合物则没有特殊限制。在本发明的电解液中,通过将式(1)所示的化合物和草酸盐组合使用,可以改善使用了该电解液的电池的耐久特性。
作为草酸盐,优选为式(2-14-1)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30]
M1 a[M2(C2O4)bRc 91]d (2-14-1)
(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(2-14-1)所示的金属盐,可列举: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。
1-2-15.硫酸衍生物盐
本发明的电解液可以进一步含有硫酸衍生物盐。
作为硫酸衍生物盐,只要是分子内具有至少一个硫酸衍生物盐结构的盐则没有特殊限制,但优选为在电解液中中的稳定性/溶解性得以确保。
作为硫酸衍生物盐的一般结构,可列举:作为硫酸的单卤化物结构的卤代磺酸盐(卤代硫酸盐)、具有任选具有取代基的烃基的硫酸单酯盐、具有任选具有取代基的烃基的氨基磺酸盐(酰胺硫酸盐)等。作为卤代磺酸盐的卤素,没有特殊限定,优选为氯磺酸盐、氟磺酸盐,最优选为氟磺酸盐。具有任选具有取代基的烃基的硫酸单酯盐、具有任选具有取代基的烃基的氨基磺酸盐的任选具有取代基的烃基没有特殊限定,但优选为任选具有取代基的碳原子数1~6的烷基,进一步优选为任选具有取代基的碳原子数1~4的烷基、任选具有取代基的碳原子数2~6的烯基、进一步优选为任选具有取代基的碳原子数2~4的烯基、任选具有取代基的碳原子数2~6的炔基、进一步优选为任选具有取代基的碳原子数2~4的炔基、任选具有取代基的碳原子数6~12的芳基,进一步优选为任选具有取代基的碳原子数6~10的芳基、任选具有取代基的碳原子数7~13的芳基烷基,进一步优选为任选具有取代基的碳原子数7~11的芳基烷基。
相对于具有效果的结构而言的分子量、分子的大小过大时,有时无法表现出充分的效果。
进一步,这些取代基优选为卤原子,最优选为氟原子。以卤原子、尤其是氟原子取代时,由于不需要的反应性低,因而可推定会表现出与无取代同等的特性。
基于这些理由、并考虑到工业上获取性,作为优选例,可列举如下。作为烷基,优选为甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、异丁基、仲丁基、叔丁基、2-氟乙基、2,2,2-三氟乙基,进一步优选为甲基、乙基、2,2,2-三氟乙基。另外,作为烯基,优选为乙烯基、1-丙烯基、2-丙烯基、1-甲基乙烯基、1-丁烯基、2-丁烯基、3-丁烯基、三氟乙烯基,进一步优选为乙烯基、1-丙烯基、2-丙烯基、1-甲基乙烯基。另外,作为炔基,优选为乙炔基、1-丙炔基、2-丙炔基、1-丁炔基、2-丁炔基、3-丁炔基,进一步优选为乙炔基、2-丙炔基。
另外,作为芳基,优选为苯基、2-甲基苯基、3-甲基苯基、4-甲基苯基、2-乙基苯基、3-乙基苯基、4-乙基苯基、1-氟苯基、2-氟苯基、3-氟苯基、五氟苯基,进一步优选为苯基、2-甲基苯基、3-甲基苯基、4-甲基苯基、1-氟苯基、2-氟苯基、3-氟苯基。
另外,作为烷基芳基,优选为苯基甲基、二苯基甲基、1-苯基乙基、2-苯基乙基、(1-氟苯基)甲基、(2-氟苯基)甲基、(3-氟苯基)甲基、(2,4-二氟苯基)甲基、(3,4-二氟苯基)甲基、(3-(三氟甲基)苯基)甲基、(4-(三氟甲基)苯基)甲基、(3,5-双(三氟甲基)苯基)甲基、(1-萘基)甲基、(2-萘基)甲基、(五氟苯基)甲基,进一步优选为苯基甲基、(五氟苯基)甲基。
作为具体的硫酸单酯盐,优选列举甲基硫酸盐、乙基硫酸盐、正丙基硫酸盐、2-丙烯基硫酸盐、苯基硫酸盐、(4-甲基)苯基硫酸盐、2,2,2-三氟乙基硫酸盐,进一步优选列举甲基硫酸盐、乙基硫酸盐、2-丙烯基硫酸盐、2,2,2-三氟乙基硫酸盐。
作为具体的氨基磺酸盐,可列举:N,N-二甲基氨基磺酸盐、N,N-二乙基氨基磺酸盐、N,N-苯基氨基磺酸盐。
在本发明的电解液中,通过将上述式(1)所示的化合物和硫酸衍生物盐组合使用,在使用了该电解液的电池中,可改善耐久特性。
硫酸衍生物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NR121R122R123R124(式中,R121~R124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R121~R124的示例及优选例,可适用上述1-2-12中的R121~R124。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。
作为硫酸单酯盐,优选为甲基硫酸锂、乙基硫酸锂、2-丙烯基硫酸锂、2,2,2-三氟乙基硫酸锂,作为氨基磺酸盐,优选为N,N-二甲基氨基磺酸锂。
另外,双(氟磺酰基)酰亚胺锂、双(N,N-二甲基氨基磺酰基)酰亚胺锂、双(N,N-二甲基氨基磺酰基)酰亚胺锂、双(甲氧基磺酰基)酰亚胺锂、双(乙氧基磺酰基)酰亚胺锂、双(2,2,2-三氟乙氧基磺酰基)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。
硫酸衍生物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。
硫酸衍生物盐的含量(两种以上的情况下为合计量)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0.4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。
就上述式(1)所示的化合物与硫酸衍生物盐的质量比而言,式(1)所示的化合物:硫酸衍生物盐优选为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。
1-3.电解质
电解质没有特殊限制,可以任意使用作为电解质而公知的那些。
另外,也可以采用在“1-2-12.单氟磷酸盐、二氟磷酸盐”、“1-2-13.硼酸盐”、“1-2-14.草酸盐”、“1-2-15.氟磺酸盐”中进行了说明的盐类。
锂二次电池的情况下,通常可使用锂盐。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。
这些当中,LiPF6、LiBF4、LiSbF6、LiTaF6、FSO3Li、单氟磷酸锂、二氟磷酸锂、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,因此优选。另外,更优选LiPF6、LiBF4、FSO3Li、LiN(FSO2)2、LiN(CF3SO2)2、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,LiPF6、LiBF4、FSO3Li、LiN(FSO2)2、双(草酸根合)硼酸锂由于具有使输出特性、高速充放电特性、高温保存特性、循环特性等进一步提高的效果,因此进一步优选,从电解质的耐氧化还原稳定性的观点出发,最优选LiPF6。特别是,LiPF6在体系中会发生分解而产生路易斯酸PF5,引起电解液稳定性、电解液物性、电池特性的降低。因此,通过与式(1)所示的化合物同时使用,可以在抑制由路易斯酸引起的不良影响的同时发挥出作为电解质的优异特性。
非水电解液中包含的式(1)所示的化合物的摩尔含量相对于电解质的摩尔含量之比对于显示出本发明的效果而言是没有特殊限制的,但通常为0.043以上、优选为0.050以上、更优选为0.075以上、进一步优选为0.080以上、特别优选为0.100以上,通常为0.935以下、优选为0.850以下、更优选为0.760以下、进一步优选为0.300以下、特别优选为0.200以下。如果在该范围,则能够使电池特性、特别是连续充电耐久特性显著提高。关于其原理虽尚未确定,但可认为归因于:通过以该比率混合,容易与电解质的分解产物有效地形成络合。需要说明的是,式(1)所示的化合物的摩尔含量相对于电解质的摩尔含量之比,表示用式(1)所示的化合物的摩尔含量除以电解质的摩尔含量而得到的值,是表示相对于电解质一分子而言的式(1)所示化合物的分子数的指标。
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0.25mol/L以上、更优选为0.5mol/L以上、进一步优选为1.1mol/L以上,另外,优选为3.0mol/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。
在将两种以上电解质组合使用的情况下,至少一种优选使用选自单氟磷酸盐、二氟磷酸盐、硼酸盐、草酸盐及氟磺酸盐中的盐,更优选使用选自单氟磷酸盐、二氟磷酸盐、草酸盐及氟磺酸盐中的盐。其中优选锂盐。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、和除其以外的盐1种以上。作为除其以外的盐,可列举上述示例出的锂盐,特别优选为LiPF6、LiBF4、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,进一步优选为LiPF6。从确保电解液的电导度与粘度的适当平衡的观点出发,除其以外的盐可以是0.01质量%以上、优选为0.1质量%以上,另外,可以是20质量%以下、优选为15质量%以下、更优选为10质量%以下。
作为氟磺酸盐,只要是分子内具有至少一个氟磺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(1)所示的化合物和氟磺酸盐组合使用,在使用了该电解液的电池中,可改善耐久特性。
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的示例及优选例,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、氟磺酸钾、氟磺酸铷等,优选为氟磺酸锂。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(两种以上的情况下为合计量)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0.4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。
就上述式(1)所示的化合物与氟磺酸盐的质量比而言,式(1)所示的化合物:氟磺酸盐优选为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、环状羧酸酯及“1-2-9.不含氟的羧酸酯”中记载的链状羧酸酯、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。这些当中,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殊限制,只要不会显著破坏本发明的效果则是任意的,在单独使用一种的情况下,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,容易使非水电解质二次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,进而使非水电解质二次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。这些当中,优选碳酸二甲酯、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,进而使非水电解液二次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,容易使非水电解液二次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。这些当中,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。
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(2,2,2-三氟乙基)醚、乙基(2,2,2-三氟乙基)醚、乙基(1,1,2,2-四氟乙基)醚、乙基正丙基醚、二正丙基醚、二甲氧基甲烷、乙氧基甲氧基甲烷、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、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、1,4-二烷等、及它们的氟代化合物。
这些当中,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。
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。
这些当中,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。
这些当中,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,从离子电导率高、输入输出特性高的方面考虑,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。
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。
这些当中,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。这些当中,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。
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。
这些当中,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。
上述非水电解液是在具备能够吸留和放出金属离子的正极及负极的蓄电设备用途中使用的非水电解液,有关蓄电设备的详情如后面所述,其在用于非水电解液二次电池时是特别有用的。
<2.使用了非水电解液的蓄电设备>
使用了本发明的非水电解液的蓄电设备具备能够吸留和放出锂离子的负极及正极、以及包含电解质及非水溶剂的非水电解液,该非水电解液在含有电解质及非水溶剂的同时,含有上述的式(1)所示的化合物。
使用了本发明的非水电解液的蓄电设备优选为非水电解质二次电池、锂电池、多价阳离子电池、金属空气二次电池、上述以外的使用了s-区金属的二次电池、锂离子电容器、双电层电容器,更优选为锂电池和锂离子电容器,进一步优选为非水电解质二次电池、锂电池。需要说明的是,可用于这些蓄电设备的非水电解液还优选为利用高分子、填料等拟似地经过固体化而成的所谓凝胶电解质。另外,本发明的锂盐还可以以固体电解质的电解质盐的形式使用。
<2-1.锂电池>
使用了本发明的非水电解液的锂电池具备:具有集电体及设置于该集电体上的正极活性物质层的正极、具有集电体及设置于该集电体上的负极活性物质层且能够吸留和放出离子的负极、以及上述本发明的非水电解液。需要说明的是,本发明中的所述锂电池是锂一次电池与锂二次电池的总称。
<2-1-1.电池构成>
关于本发明的锂电池的除上述本发明的非水电解液以外的构成,与现有公知的锂电池是同样的。通常具有下述形态:正极和负极隔着浸渗有本发明的非水电解液的多孔膜(隔板)层叠,并且它们被收纳于壳体(外装体)中。因此,对于本发明的锂电池的形状并无特殊限制,可以是圆筒形、方形、层压型、硬币形、大型等中的任意形状。
2-1-2.非水电解液
作为非水电解液,使用上述本发明的非水电解液。需要说明的是,在不脱离本发明要点的范围内,还可以在本发明的非水电解液中配合使用其它非水电解液。
2-1-3.负极
负极是在集电体上具有负极活性物质层的电极,负极活性物质层含有负极活性物质。以下,针对负极活性物质进行说明。
作为可用于锂一次电池的负极活性物质,只要是能够以电化学方式放出锂离子的物质则没有特殊限制。作为其具体例,可列举金属锂。
作为可用于锂二次电池的负极活性物质,只要是能够以电化学方式吸留和放出金属离子(例如,锂离子)的物质没有特殊限制。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。这些材料可以单独使用一种,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始不可逆容量、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、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,在使非水电解液二次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,以下结构由于电池性能的平衡良好,因此优选。
(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。
<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。这些当中,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。
(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。
(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,能够抑制初始不可逆容量的增加、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。
2-1-4.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)
作为可用于锂一次电池的正极活性物质,只要是能够以电化学方式吸留锂离子的物质则没有特殊限制。作为其具体例,可列举氟化石墨、二氧化锰、亚硫酰氯、二硫化铁、氧化铜。
作为可用于锂二次电池的正极活性物质,只要是能够以电化学方式吸留和放出金属离子(例如,锂离子)的物质没有特殊限制,但优选为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LiCoO 2等锂-钴复合氧化物、LiNiO 2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,可列举: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,优选为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,从而提高电池的耐久性,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。在本发明中,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。
(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,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以上、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。
(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。这些当中,优选金属材料,尤其优选铝。
(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。
2-1-5.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。这些当中,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。这些当中,优选玻璃过滤器、聚烯烃,进一步优选聚烯烃,特别优选为聚丙烯。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,还可以使用层叠而成的材料。作为以任意的组合将2种以上层叠而成的材料的具体例,可列举:以聚丙烯、聚乙烯、聚丙烯的顺序层叠而成的三层隔板等。
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,同时能够确保速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,获得良好的速率特性。
作为形态,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。
2-1-6.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层叠而成的结构、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。电极组为上述层叠结构时,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、或树脂与铝箔的层叠膜(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。
2-2.多价阳离子电池
正极使用氧化物材料等,负极使用镁、钙、铝等金属、或包含这些金属的化合物等。就电解质而言,为了向其赋予与负极的反应活性物质种相同的元素、即镁离子、钙离子、铝离子而使用将镁盐、钙盐、铝盐等溶解于非水溶剂而成的非水电解液,并使式(1)所示的化合物溶解于其中,由此可制备多价阳离子电池用非水电解液。
2-3.金属空气电池
负极使用锌、锂、钠、镁、铝、钙等金属、或包含这些金属的化合物等。由于正极活性物质为氧,因此正极使用多孔性的气体扩散电极。多孔性材料优选为碳。就电解质而言,为了向其赋予与负极活性物质种相同的元素、即锂、钠、镁、铝、钙等而使用将锂盐、钠盐、镁盐、铝盐、钙盐等溶解于非水溶剂而成的非水电解液,并使式(1)所示的化合物溶解于其中,由此可制备金属空气电池用非水电解液。
2-4.上述以外的使用了s-区金属的二次电池
s-区元素是第1族元素(氢、碱金属)、第2族元素(铍、镁及碱土金属)及氦,所述s-区金属二次电池表示在负极及或电解质中使用了上述s-区金属的二次电池。上述以外的s-区金属二次电池具体可列举正极使用了硫的锂硫电池、钠硫电池、以及钠离子电池等。
2-5.锂离子电容器
正极使用能够形成双电层的材料,负极使用能够吸留和放出锂离子的材料。作为正极材料,优选活性炭。另外,作为负极材料,优选碳质材料。非水电解液使用含有式(1)所示的化合物的非水电解液。
2-6.双电层电容器
正极及负极使用能够形成双电层的材料。作为正极材料及负极材料,优选活性炭。非水电解液使用含有(1)所示的化合物的非水电解液。
实施例
以下,结合实施例及比较例对本发明进行更为具体的说明,但本发明并不限定于这些实施例。
针对以下具体的评价方法进行说明。
[正极的制作]
使用镍锰钴酸锂(LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2)85质量份作为正极活性物质,将炭黑10质量份与聚偏氟乙烯5质量份混合,加入N-甲基-2-吡咯烷酮而制成浆料。将该浆料均匀涂布在厚度15μm的铝箔的两面并进行干燥,然后进行压制,制成了正极。
[负极的制作]
加入作为负极活性物质的天然石墨粉末、作为增稠剂的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%)、作为粘结材料的丁苯橡胶的水性分散液(丁苯橡胶的浓度50质量%),利用分散器进行混合,制成了浆料。将该浆料均匀涂布在厚度10μm的铜箔的一面并进行干燥,然后进行压制,制成了负极。需要说明的是,就干燥后的负极而言,制作了满足天然石墨:羧甲基纤维素钠:丁苯橡胶=98:1:1的质量比的负极。
[非水电解液的制备]
基本电解液:1.0M LiPF6/EC:DMC:EMC=3:3:4
在干燥氩气氛围中,在由碳酸亚乙酯(EC)、碳酸二甲酯(DMC)及碳酸甲乙酯(EMC)构成的混合溶剂(混合体积比EC:DMC:EMC=3:3:4)中,使作为电解质的LiPF6以1.0mol/L的比例溶解,制成了基本电解液。
基本电解液2:1.2M LiPF6、0.1M LiBF4/EC:DEC=2:8
在干燥氩气氛围中,在由碳酸亚乙酯(EC)、碳酸二乙酯(DEC)构成的混合溶剂(混合体积比EC:DEC=2:8)中,使作为电解质的LiPF6及LiBF4分别以1.2mol/L、0.1mol/L的比例溶解,制成了基本电解液2。
基本电解液3:1.0M LiPF6/EC:EMC:EP=3:4:3
在干燥氩气氛围中,在由碳酸亚乙酯(EC)、碳酸甲乙酯(EMC)及丙酸乙酯(EP)构成的混合溶剂(混合体积比EC:EMC:EP=3:4:3)中,使作为电解质的LiPF6以1.0mol/L的比例溶解,制成了基本电解液3。
基本电解液4:1.0M LiPF6/EC:EMC:MA=3:4:3
在干燥氩气氛围中,在由碳酸亚乙酯(EC)、碳酸甲乙酯(EMC)及乙酸甲酯(MA)构成的混合溶剂(混合体积比EC:EMC:MA=3:4:3)中,使作为电解质的LiPF6以1.0mol/L的比例溶解,制成了基本电解液4。
基本电解液5:1.0M LiFSI/EC:EMC:MA=3:4:3
在干燥氩气氛围中,在由碳酸亚乙酯(EC)、碳酸甲乙酯(EMC)及乙酸甲酯(MA)构成的混合溶剂(混合体积比EC:EMC:MA=3:4:3)中,使作为电解质的LiFSI以1.0mol/L的比例溶解,制成了基本电解液5。
进一步,相对于上述基本电解液以记载量配合各表中记载的式(1)所示的化合物,制备了各实施例的非水电解液。另外,直接配合各基本电解液、或者以记载量配合式(1)所示的化合物以外的认为适合作为比较例的化合物,制备了比较例的非水电解液。
[锂二次电池的制作]
将上述正极、负极及聚丙烯制隔板按照负极、隔板、正极、隔板、负极的顺序层叠,制作了电池元件。使正极/负极的端子突出设置的同时,将该电池元件插入到由下述层压膜制成的袋内,然后向袋内注入非水电解液,进行真空封装,制作了片状的锂二次电池,所述层压膜是用树脂层包覆铝(厚40μm)的两面而得到的。
[电池的初始特性评价]
在将锂二次电池用玻璃板夹入并进行加压的状态下,于25℃以相当于1/6C的电流进行恒定电流充电至4.2V之后,继续进行恒定电压充电直至电流接近于0.01C为止(也称为恒流-恒压充电/CC-CV充电)。
其后,以相当于1/6C的电流进行恒定电流放电至2.5V,将此时的充放电效率作为初次充放电效率。
进一步,以相当于1/6C的电流进行恒流-恒压充电直至接近于上限4.1V、0.01C为止之后,在45℃、12小时的条件下进行了放置。其后,恢复至25℃,以相当于1/6C的电流的恒定电流放电至2.5V。再次于25℃以相当于1/6C的电流进行恒流-恒压充电直至接近于上限4.2V、0.01C为止之后,以相当于1/6C的电流的恒定电流放电至2.5V,将该容量作为初始放电容量。
其后,于25℃以相当于1/6C的电流进行恒流-恒压充电直至接近于上限3.72V、0.01C为止,于0℃实施了交流阻抗测定。
作为比较,使用了0.5Hz下的虚数成分的电阻值。
[高温保存耐久试验]
将初始特性评价后的电池于25℃以相当于1/6C的电流进行恒流-恒压充电直至接近于上限4.2V、0.01C为止,然后在60℃的恒温槽中进行了2周保存。
[高温保存耐久试验后评价]
将高温保存耐久试验后的电池恢复至25℃。
以相当于1/6C的电流的恒定电流放电至2.5V,将该容量作为保存后放电容量。另外,再次于25℃以相当于1/6C的电流进行恒流-恒压充电直至接近于上限4.2V、0.01C为止之后,以相当于1/6C的电流的恒定电流放电至2.5V,将该容量作为保存后的恢复容量。
其后,于25℃以相当于1/6C的电流进行恒流-恒压充电直至接近于上限3.72V、0.01C为止,冷却至0℃,实施了交流阻抗测定。
作为比较,使用了0.5Hz下的虚数成分的电阻值。
[高温循环耐久试验]
将初始特性评价后的电池在60℃的恒温槽中以相当于1C的电流进行恒流-恒压充电直至接近于上限4.2V、0.01C为止之后,以相当于1C的电流的恒定电流放电至2.5V,将其作为1循环。
[高温循环耐久试验后评价]
将高温耐久试验后的电池恢复至25℃。
于25℃以相当于1/6C的电流的恒定电流放电至2.5V,再次于25℃以相当于1/6C的电流进行恒流-恒压充电直至接近于上限4.2V、0.01C为止之后,以相当于1/6C的电流的恒定电流放电至2.5V,将该容量作为循环后容量。
其后,于25℃以相当于1/6C的电流进行恒流-恒压充电直至接近于上限3.72V、0.01C为止,冷却至0℃,实施了交流阻抗测定。
作为比较,使用了0.5Hz下的虚数成分的电阻值。
[用于评价的化合物]
在实施例中使用的电解液中加入的化合物(属于式(1)的化合物)、及在比较例中使用的电解液中加入的化合物(不属于式(1)的化合物)的结构如下所示。式(1)所示的化合物是文献1中记载的化合物、比较例中使用的化合物是上述专利文献1~5中记载的化合物,使用在各个专利文献中记载的方法合成后使用。
<实施例用>
[化学式31]
<比较例用>
[化学式32]
比较化合物1(专利文献4)
比较化合物2(专利文献5)
比较化合物3(专利文献1~3)
<评价1>
以每1kg基本电解液0.03mol(分别约为0.5质量%、0.8质量%)溶解化合物1、2,分别作为电解液1、2。另外,以每1kg基本电解液0.03mol溶解比较化合物1~3,分别作为比较电解液1~3。
使用这些电解液和基本电解液共计6种电解液制作了电池。对电池的初始特性进行评价之后,进行高温保存耐久试验,并在高温保存耐久试验后实施了评价。将这些分别作为实施例1-1、1-2及比较例1-1~1-4,将其结果归纳于表1。
初次充放电效率、初始容量、及初始/保存后的阻抗分别取将此时的比较例1-1的值设为100时的相对值。另外,保存后的残存/恢复容量取将初始的比较例1-1的值设为100时的相对值。仅阻抗其相对值越小则评价为越优异,其它则是越大评价为越优异。
[表1]
由表1可知下述结论。
可知,实施例1-1、1-2不比比较例1-1差,而另一方面,初始阻抗得到了大幅降低。在这一时间点,比较例1-2的初始效率差,不会观察到抑制阻抗的效果。
比较例1-3显示出了与实施例1-1、1-2同样的倾向,而另一方面,使用了类似结构的二酯体的比较例1-4,抑制阻抗的效果弱。
就保存后的结果而言,确认到实施例1-1、1-2的残存/恢复容量均相对于比较例1-1有所提高。另外,关于阻抗也确认到,相对于比较例1-1而言,实施例1-1、1-2持续保持低值。
比较例1-2的残存/恢复容量均下降、阻抗也增加,可确认通过添加反而造成了不良影响。
就比较例1-3而言,关于保存后的残存/恢复容量,显示出了与实施例1-1、1-2同样的倾向,阻抗也显示出了不及实施例1-1、1-2的低值。
就比较例1-4而言,关于保存后的残存/恢复容量,显示出了与实施例1-1、1-2同样的倾向,但阻抗的抑制效果不大。根据保存后的残存/恢复容量得到保持,可认为,电池本身的劣化得到了抑制,由此使得阻抗最终不像比较例1-1那么差,可认为其实质上并不是对具有阻抗抑制效果的材料进行评价而得到的结果。
<评价2>
使用在评价1中使用的电解液,另外地再次制作了同样构成的其它电池。在进行了电池的初始特性的评价之后,进行高温循环耐久试验,并实施了高温循环耐久试验后评价。将它们分别作为实施例2-1、2-2及比较例2-1~2-3,将其结果归纳于表2。
初次充放电效率、初始容量、及初始/200循环后/400循环后的阻抗分别取将此时的比较例2-1的值设为100时的相对值。另外,200循环后及400循环后的容量取将初始的比较例2-1的值设为100时的相对值。仅阻抗其相对值越小则评价为越优异,其它则是越大评价为越优异。
需要说明的是,初始特性评价的相对值与<评价1>不同是制作的电池的批次间误差的影响。
[表2]
由表2可知下述结论。
初始评价的倾向为与<评价1>同样的倾向。
确认到,200循环后及400循环后,实施例2-1、2-2的容量相对于比较例2-1有所提高。另外确认到,阻抗也持续保持低值。
在此,比较例2-2的容量下降、阻抗也增加,可确认到通过添加反而造成了不良影响。
就比较例2-3而言,200循环后及400循环后的阻抗与高温保存耐久试验后的比较例1-3同样地显示出了不及实施例2-1、2-2的低值。然而,200循环后及400循环后的容量显示出与使用了基本电解液的比较例2-1基本无差异的结果。
根据以上的<评价1>及<评价2>的结果可确认,在使用了实施例1-1、1-2及2-1、2-2使用的电解液1、2中添加的式(1)的化合物的情况下,实现了高温耐久保存试验和高温循环耐久试验后这两者的特性提高,而这在使用了比较例1-2、1-3及2-2、2-3使用的比较电解液1、2中添加的化合物的情况下是无法达成的。
<评价3>
以每1kg基本电解液0.03mol(分别约为0.5质量%、约0.7质量%)溶解化合物3、4,分别作为电解液3,4。比较例3-1使用了基本电解液。另外地再次制作了与<评价1>及<评价2>同样构成的其它电池。在对这些电池进行初始特性评价之后,进行高温循环耐久试验,并实施了高温循环耐久试验后评价。将它们分别作为实施例3-1、3-2及比较例3-1,将其结果归纳于表3。
初次充放电效率、初始容量、及初始/200循环后的阻抗分别取将此时的比较例3-1的值设为100时的相对值。另外,200循环后的容量取将初始的比较例3-1的值设为100时的相对值。仅阻抗其相对值越小则评价为越优异,其它则是越大评价为越优异。
[表3]
可知,实施例3-1、3-2的初次充放电效率、初始容量不比比较例3-1差,而另一方面,初始阻抗得到了大幅降低。
确认到,200循环后,实施例3-1、3-2的容量相对于比较例3-1有所提高。另外确认到,阻抗也持续保持低值。
这些结果表明,通过添加式(1)所示的化合物,非水电解液的分解得到抑制,分解物在电极上的电化学副反应得到了抑制。进一步可认为,根据阻抗低的状态得以保持,表明了初期吸附的式(1)所示的化合物的稳定化机理。
<评价4>
以每1kg基本电解液分别为0.06、0.12mol(分别约为1.0质量%、2.0质量%)溶解化合物1,分别作为电解液5、6。除此之外,再次使用了电解液1。比较例4-1使用了基本电解液。
另外地再次制作了与<评价1>~<评价3>同样构成的其它电池。在对这些电池进行初始特性评价之后,进行高温循环耐久试验,并实施了高温循环耐久试验后评价。将它们分别作为实施例4-1~4-3及比较例4-1,将其结果归纳于表4。
初次充放电效率、初始容量、及初始/100循环后/200循环后的阻抗分别取将此时的比较例4-1的值设为100时的相对值。另外,100循环后/200循环后的容量取将初始的比较例4-1的值设为100时的相对值。仅阻抗其相对值越小则评价为越优异,其它则是越大评价为越优异。
[表4]
实施例4-1~4-3的初次充放电效率、初始容量不比比较例3-1差。实施例4-1、4-2的初始阻抗得到了大幅降低。实施例4-3虽没有明显差异,但可认为这是由于在更高频侧具有时间常数的阻抗成分表现出强烈影响的结果。
确认到,在100循环后、200循环后,实施例4-1、4-2的容量均相对于比较例4-1有所提高。另外确认到,阻抗也在100循环后的时间点随浓度共同变为低值,且确认到在200循环后也得到持续保持。
这些结果表明,通过更多地添加式(1)所示的化合物,非水电解液的分解效果变得明显,分解物在电极上的电化学副反应抑制效果变得更为明显。进一步可认为,根据循环后的阻抗低的状态得以保持,表明了初期吸附的式(1)所示的化合物的稳定化效果会因浓度而更强地表现出来。
<评价5>
相对于基本电解液2分别配合0.6质量%、0.8质量%的化合物1、2,分别作为电解液7、8。另外,相对于基本电解液2配合0.45质量%的比较化合物1,作为比较电解液4。
使用这些电解液和基本电解液2共计4种电解液制作了电池。对电池的初始特性进行评价之后,进行高温循环耐久试验,并实施了高温循环耐久试验后评价。将这些分别作为实施例5-1、5-2及比较例5-1、5-2,将其结果归纳于表5。
初始容量、及初始/100循环后的阻抗分别取将此时的比较例5-1的值设为100时的相对值。另外,100循环后的容量取将比较例5-1的初始的值设为100时的相对值。仅阻抗其相对值越小则评价为越优异,其它则是越大评价为越优异。
[表5]
实施例5-1、5-2的初始容量相比于比较例5-1有所提高。另一方面,比较例5-2的初始容量相比于比较例5-1有所降低。另外,实施例5-1、5-2的初始阻抗相对于比较例5-1而言大幅降低,但在比较例5-2中,初始阻抗增加。
实施例5-1、5-2的100循环后的容量相对于比较例5-1有所提高。另外,100循环后的阻抗相对于比较例5-1也为低值,可确认,100循环后也持续抑制了阻抗增加。另一方面,就比较例5-2而言,100循环后的阻抗低于比较例5-1,但不及实施例5-1、5-2,另外,100循环后的容量低于比较例5-1,可确认反而造成了不良影响。
以上结果表明,相对于基本电解液2,通过添加式(1)所示的化合物,非水电解液的分解得到抑制,分解物在电极上的电化学副反应得到了抑制。进一步,根据阻抗低的状态得到保持,可认为即使基本电解液组成发生了变化,初期吸附的式(1)所示的化合物的稳定化机理也得到保持。
<评价6>
相对于基本电解液配合0.6质量%的化合物1,作为电解液9。进一步,相对于电解液9分别配合1.0质量%的碳酸亚乙烯酯(VC)、单氟碳酸亚乙酯(FEC),分别作为电解液10、11。另外,相对于基本电解液配合0.8质量%的化合物2,作为电解液12。进一步,相对于电解液12分别配合1.0质量%的VC、FEC,分别作为电解液13、14。另外,相对于基本电解液分别配合1.0质量%的VC、FEC,分别作为比较电解液5、6。
使用这些电解液和基本电解液共计9种电解液制作了电池。对电池的初始特性进行评价之后,进行高温循环耐久试验,并实施了高温循环耐久试验后评价。将这些分别作为实施例6-1~6-6、及比较例6-1~6-3,将其结果归纳于表6。
初次充放电效率、初始容量、及初始/200循环后的阻抗分别取将此时的比较例6-1的值设为100时的相对值。另外,200循环后的容量取将比较例6-1的初始的值设为100时的相对值。仅阻抗其相对值越小则评价为越优异,其它则是越大评价为越优异。
需要说明的是,电解液2、电解液12为相同组成但初始特性评价及高温循环耐久试验后的特性的相对值与<评价2>不同,是制作的电池的批次间误差的影响。
[表6]
在仅向基本电解液中添加了化合物1的实施例6-1中,相对于比较例6-1,观察到了初始特性及高温循环耐久试验后的特性提高,但在进一步添加了VC、FEC的实施例6-2、6-3中,在于200循环的时间点抑制了阻抗的增加的同时,循环后容量得到了进一步提高。
同样地,在相对于基本电解液仅添加了化合物2的实施例6-4中,也确认了相对于比较例6-1的特性提高效果,但在进一步添加了VC、FEC的实施例6-5、6-6中,在于200循环的时间点抑制了阻抗的增加的同时,循环后容量得到了进一步提高。
另一方面,在仅向基本电解液中添加了VC、FEC的比较例6-2、6-3中,可使循环后容量提高至相对于比较例6-1而言的同等以上,但不及同时使用了化合物1、2和VC、FEC的实施例6-2、6-3、6-5、6-6的循环后容量,并且循环后的阻抗的增加抑制效果相对于各实施例而言也较差。
即,表明了:通过同时使用式(1)所示的化合物和VC、FEC,与分别单独使用化合物1、2、VC及FEC的情况相比,可更有效地抑制非水电解液的分解,使分解物在电极上的电化学副反应得到了抑制。另外,根据阻抗低的状态得到保持,可认为,在由VC、FEC形成的被膜中也被导入了式(1)所示的化合物,而通过使其吸附于电极,电极表面的稳定化机理得以保持。
<评价7>
相对于基本电解液3分别配合0.6质量%、0.8质量%的化合物1、2,分别作为电解液15、16。另外,相对于基本电解液3配合0.45质量%的比较化合物1,作为比较电解液7。
使用这些电解液和基本电解液3共计4种电解液制作了电池。对电池的初始特性进行评价之后,进行高温循环耐久试验,并实施了高温循环耐久试验后评价。将这些分别作为实施例7-1、7-2及比较例7-1、7-2,将其结果归纳于表7。
初次充放电效率、初始容量、及初始/200循环后的阻抗分别取将此时的比较例7-1的值设为100时的相对值。另外,200循环后的容量取将比较例7-1的初始的值设为100时的相对值。仅阻抗其相对值越小则评价为越优异,其它则是越大评价为越优异。
[表7]
实施例7-1、7-2的初次充放电效率相对于比较例7-1而言大幅提高。另一方面,在比较例7-2中,没有确认到初始充放电效率的提高效果。另外,实施例7-1、7-2的初始阻抗大幅降低,但在比较例7-2中该效果较小。
实施例7-1、7-2的200循环后的容量相对于比较例7-1而言大幅提高。另外确认到,200循环后的时间点的阻抗也低于比较例7-1,200循环后也持续抑制了阻抗增加。另一方面,比较例7-2的200循环后的容量、及阻抗均高于比较例7-1,但两特性均不及实施例7-1、7-2。
以上结果表明,对于将链状碳酸酯的一部分替换为链状羧酸酯而成的基本电解液3,也通过添加式(1)所示的化合物而抑制了非水电解液的分解,使分解物在电极上的电化学副反应得到了抑制。进一步,根据阻抗低的状态得到保持,可认为,即使是包含链状羧酸酯的电解液组成,初期吸附的式(1)所示的化合物的稳定化机理也得以保持。
<评价8>
相对于基本电解液4配合0.6质量%的化合物1,作为电解液17。进一步,向电解液17中配合1.0质量%的VC,作为电解液18。
使用这些电解液和基本电解液4共计3种电解液制作了电池。对电池的初始特性进行评价之后,进行高温循环耐久试验,并实施了高温循环耐久试验后评价。将这些分别作为实施例8-1、8-2及比较例8-1,将其结果归纳于表8。
初始充放电效率、初始容量、及初始/100循环后的阻抗分别取将此时的比较例8-1的值设为100时的相对值。另外,100循环后的容量取将比较例8-1的初始的值设为100时的相对值。仅阻抗其相对值越小则评价为越优异,其它则是越大评价为越优异。
[表8]
实施例8-1的初次充放电效率相对于比较例8-1而言大幅提高。向其中配合了VC的实施例8-2,其初次充放电效率进一步提高。另外,实施例8-1、8-2的初始阻抗得到了大幅降低。
实施例8-1的100循环后的容量相对于比较例8-1而言大幅提高,而在进一步加入VC的实施例8-2中,循环后的容量进一步提高。另外确认到,100循环后的时间点的实施例8-1、8-2的阻抗也低于比较例8-1,100循环后也持续抑制了阻抗增加。
以上结果表明,对于基本电解液4,也通过添加式(1)所示的化合物而抑制了非水电解液的分解,使分解物在电极上的电化学副反应得到了抑制。通过进一步添加VC,可更有效地抑制非水电解液的分解,使分解物在电极上的电化学副反应得到抑制。由此可以认为,即使是包含链状羧酸酯的电解液,也可以通过组合使用式(1)所示的化合物和VC而实现电池特性的提高。另外,根据阻抗低的状态得到保持,可认为,通过式(1)所示的化合物初期的吸附所带来的稳定化机理得到了保持,即使是包含链状羧酸酯的电解液并且在VC被膜的共存下,式(1)所示的化合物的吸附稳定化机理也得到了保持。
<评价9>
相对于基本电解液5配合0.6质量%的化合物1,作为电解液9-1。
使用该电解液和基本电解液5共计2种电解液制作了电池。对电池的初始特性进行评价之后,进行高温循环耐久试验,并实施了高温循环耐久试验后评价。将这些分别作为实施例9-1及比较例9-1,将其结果归纳于表9。
初始充放电效率、初始容量、及初始/100循环后的阻抗分别取将此时的比较例9-1的值设为100时的相对值。另外,100循环后的容量取将比较例9-1的初始的值设为100时的相对值。仅阻抗其相对值越小则评价为越优异,其它则是越大评价为越优异。
[表9]
实施例9-1的初次充放电效率及初始容量相对于比较例9-1而言有所提高。另外确认到,实施例9-1的初始阻抗得到了大幅降低。
确认到,实施例9-1的100循环后的容量相对于比较例9-1有所提高,在100循环后的时间点的阻抗也低于比较例9-1,100循环后也持续抑制了阻抗增加。
以上结果表明,对于主盐使用了LiFSI的基本电解液5,也通过添加式(1)所示的化合物而抑制了非水电解液的分解,使分解物在电极上的电化学副反应得到了抑制。进一步,根据阻抗低的状态得到保持,可认为,即使是主盐使用了LiFSI的电解液组成,初期吸附的式(1)所示的化合物的稳定化机理也得以保持。
需要说明的是,在以上的表1~表9中示出的各实施例/比较例中,以模型方式设为较短期间而进行了各种耐久试验期间,但确认到显著差异。而实际的非水电解质二次电池的使用有时要经过数年,因此可以理解的是,在假定长期使用的情况下,这些结果之差会成为更显著的差异。
以上结合特定的实施方式对本发明详细地进行了说明,但对于本领域技术人员可以明确的是,可以在不脱离本发明的意图和范围的情况下进行各种变更及变形。
本申请基于2018年3月27日申请的日本专利申请(日本特愿2018-060482),其内容作为参照而被援引于此。
工业实用性
根据本发明的非水电解液,可改善包含非水电解液的蓄电设备的循环容量保持率、循环后的输入输出特性,是有用的。因此,本发明的非水电解液及蓄电设备能够用于公知的各种用途。作为具体例,可列举例如:笔记本电脑、笔输入型电脑、移动电脑、电子书播放器、手机、便携式传真机、便携式复印机、便携式打印机、头戴式立体声耳机、摄录机、液晶电视、手提式吸尘器、便携式CD、迷你磁盘、对讲机、电子记事本、计算器、存储卡、便携式磁带录音机、收音机、备用电源、电动机、汽车、摩托车、电动自行车、自行车、照明器具、玩具、游戏机、表、电动工具、闪光灯、照相机、家用备用电源、办公室用备用电源、负荷平准化用电源、自然能量存储电源等。
Claims (14)
1.一种非水电解液,其含有非水溶剂及下述式(1)所示的化合物,
式(1)中,
P及O为元素符号而不是简写,
X1及X2表示C,
n1、n2为1,
Y1及Y2各自独立地表示-OC2H5、-OCH3、-C(CH3)3,
m1、m2为1,
Z表示三甲基甲硅烷基或锂。
2.根据权利要求1所述的非水电解液,其中,以0.001质量%以上且10质量%以下含有所述式(1)所示的化合物。
3.根据权利要求1或2所述的非水电解液,其含有电解质。
4.根据权利要求1或2所述的非水电解液,其中,所述非水电解液进一步含有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、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、具有多个醚键的环状化合物、具有异氰脲酸骨架的化合物、单氟磷酸盐、二氟磷酸盐、硼酸盐、草酸盐及氟磺酸盐中的至少一种化合物。
5.根据权利要求3所述的非水电解液,其中,所述非水电解液进一步含有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、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、具有多个醚键的环状化合物、具有异氰脲酸骨架的化合物、单氟磷酸盐、二氟磷酸盐、硼酸盐、草酸盐及氟磺酸盐中的至少一种化合物。
6.根据权利要求4所述的非水电解液,其中,相对于非水电解液总量,所述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、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、具有多个醚键的环状化合物、具有异氰脲酸骨架的化合物、单氟磷酸盐、二氟磷酸盐、硼酸盐、草酸盐及氟磺酸盐中的至少一种化合物的合计含量为0.001质量%以上且50质量%以下。
7.根据权利要求5所述的非水电解液,其中,相对于非水电解液总量,所述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、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、具有多个醚键的环状化合物、具有异氰脲酸骨架的化合物、单氟磷酸盐、二氟磷酸盐、硼酸盐、草酸盐及氟磺酸盐中的至少一种化合物的合计含量为0.001质量%以上且50质量%以下。
8.根据权利要求1或2所述的非水电解液,其为非水电解质二次电池用非水电解液。
9.根据权利要求3所述的非水电解液,其为非水电解质二次电池用非水电解液。
10.根据权利要求4所述的非水电解液,其为非水电解质二次电池用非水电解液。
11.根据权利要求5所述的非水电解液,其为非水电解质二次电池用非水电解液。
12.根据权利要求6所述的非水电解液,其为非水电解质二次电池用非水电解液。
13.一种蓄电设备,其具备:
能够吸留和放出锂离子的负极及正极、以及
包含电解质及非水溶剂的非水电解液,
其中,该非水电解液是权利要求1~12中任一项所述的非水电解液。
14.根据权利要求13所述的蓄电设备,其中,蓄电设备为非水电解质二次电池。
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GR01 | Patent grant | ||
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