CN115668571A - 电解液、电化学器件、锂离子二次电池、组件和化合物 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种能够降低电化学器件的电阻、并且能够提高循环特性的电解液等。下述通式(1)表示的化合物(1)的电解液:通式(1)中,R101为碳原子数2~7的有机基团,可具有选自杂原子和不饱和键中的至少1种,R102为碳原子数1~3的有机基团,可具有选自杂原子和不饱和键中的至少1种。
Description
技术领域
本公开涉及电解液、电化学器件、锂离子二次电池、组件和化合物。
背景技术
随着近年来的电气制品的轻量化、小型化,具有高能量密度的锂离子二次电池等电化学器件的开发正在推进。另外,随着锂离子二次电池等电化学器件的应用领域扩大,要求改善特性。特别是今后,在车载用使用锂离子二次电池的情况下,电池特性的改善变得越来越重要。
另一方面,对于电容器也进行了用于改善特性的研究,例如,专利文献1中记载了一种双电层电容器用电解液,其含有乙基三甲基铵四氟硼酸盐和特定的咪唑鎓四氟硼酸盐。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开2012-74528号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
本公开的目的在于,提供能够降低电化学器件的电阻、并且能够提高循环特性的电解液、以及具备该电解液的电化学器件、锂离子二次电池和组件。另外,本公开的目的还在于提供新型的化合物。
用于解决技术问题的手段
本公开内容涉及一种电解液,其包含下述通式(1)表示的化合物(1):
[化1]
通式(1)中,R101为碳原子数2~7的有机基团,可具有选自杂原子和不饱和键中的至少一种,R102为碳原子数1~3的有机基团,可具有选自杂原子和不饱和键中的至少一种。
化合物(1)的含量相对于上述电解液优选为0.001~10质量%。
本发明还涉及一种电解液,其含有下述通式(1-1)表示的阳离子(1-1)和双(草酸根合)硼酸根阴离子:
[化2]
通式(1-1)中,R101为碳原子数2~7的有机基团,可具有选自杂原子和不饱和键中的至少一种,R102为碳原子数1~3的有机基团,可具有选自杂原子和不饱和键中的至少一种。
本公开还涉及一种电化学器件,其具备上述电解液。
本公开还涉及一种锂离子二次电池,其具备上述电解液。
本公开还涉及一种组件,其具备上述电化学器件或上述锂离子二次电池。
本公开还涉及下述通式(1)表示的化合物:
[化3]
通式(1)中,R101为碳原子数2~7的有机基团,可具有选自杂原子和不饱和键中的至少一种,R102为碳原子数1~3的有机基团,可具有选自杂原子和不饱和键中的至少一种。
发明效果
根据本公开,能够提供能够降低电化学器件的电阻并且能够提高循环特性的电解液、以及具备该电解液的电化学器件、锂离子二次电池和组件。另外,也可以提供新型的化合物。
具体实施方式
以下,对本公开进行具体说明。
本公开涉及一种电解液,其包含下述通式(1)表示的化合物(1)(以下也称为第一电解液):
[化4]
通式(1)中,R101为碳原子数2~7的有机基团,可具有选自杂原子和不饱和键中的至少一种,R102为碳原子数1~3的有机基团,可具有选自杂原子和不饱和键中的至少一种。
本公开的第一电解液能够降低锂离子二次电池等电化学器件的电阻,另外,能够提高电化学器件的循环特性(例如,循环后的容量维持率)。推测这些效果是由于在电化学器件的电极上形成上述电解液的分解物的被膜而引起的。特别是,推测通过在电化学器件的正极形成源自化合物(1)中的阳离子的被膜,电阻和循环特性得到改善。
化合物(1)由通式(1)表示。
[化5]
通式(1)中,R101为碳原子数2~7的有机基团,可具有选自杂原子和不饱和键中的至少一种。作为R101的上述有机基团为2价的有机基团。上述有机基团的碳原子数优选为3~7,更优选为4~7,进一步优选为4或5,特别优选为4。
作为R101中的上述杂原子,可列举出氧原子(O)、硫原子(S)、氮原子(N)、硅原子(Si)、磷原子(P)、硼原子(B)、卤素原子等。优选为氧原子、硫原子或氮原子,更优选为氧原子或氮原子,进一步优选为氧原子。
R101可具有醚键(-O-)。
R101也优选不具有杂原子。
R101中的上述不饱和键可以是碳-碳间的不饱和键,也可以是碳-杂原子间的不饱和键,还可以是杂原子-杂原子间的不饱和键。另外,可以是双键,也可以是三键。
作为上述不饱和键,可举出C=C、C≡C、C=O、C=N、C≡N、C=S、S=O等。
R101也优选不具有不饱和键。
作为R101的上述有机基团优选与通式(1)中的硫原子一起形成4~8元环,更优选形成5~8元环,进一步优选形成5~6元环,特别优选形成5元环。
上述有机基团中,构成环的原子优选仅为碳原子。
R101优选为-(CY1Y2)n-(Y1及Y2独立地为氢原子或碳原子数1~3的有机基团,n为2~7的整数)所示的基团。
作为Y1及Y2的上述有机基团的碳原子数优选为1~2,更优选为1。
作为Y1及Y2的上述有机基团,优选碳原子数处于上述范围内的烷基或烷氧基,更优选碳原子数处于上述范围内的烷基。
Y1及Y2优选为氢原子。
n优选为3~7的整数,更优选为4~7的整数,进一步优选为4或5,特别优选为4。
通式(1)中,R102为碳原子数1~3的有机基团,可具有选自杂原子和不饱和键中的至少一种。上述有机基团的碳原子数优选为1~2,更优选为1。
作为R102中的上述杂原子,可举出氧原子(O)、硫原子(S)、氮原子(N)、硅原子(Si)、磷原子(P)、硼原子(B)、卤素原子等。优选为氧原子、硫原子或氮原子,更优选为氧原子或氮原子,进一步优选为氧原子。
R102可具有醚键(-O-)。
R102也优选不具有杂原子。
R102中的上述不饱和键可以是碳-碳间的不饱和键,也可以是碳-杂原子间的不饱和键,还可以是杂原子-杂原子间的不饱和键。另外,可以是双键,也可以是三键。
作为上述不饱和键,可举出C=C、C≡C、C=O、C=N、C≡N、C=S、S=O等。
R102也优选不具有不饱和键。
作为R102,优选为可具有醚键的碳原子数1~3的烷基,更优选为可具有醚键的碳原子数1~2的烷基,进一步优选为甲基(CH3)或乙基(CH3CH2),特别优选甲基(CH3)。
作为化合物(1),例如可以例示下述式所示的化合物。
[化6]
[化7]
[化8]
[化9]
作为化合物(1),其中,优选下述式所示的化合物。
[化10]
化合物(1)可以单独使用一种,也可以并用2种以上。
化合物(1)为新的化合物。本发明还涉及化合物(1)。
化合物(1)除了电解液成分以外,还可以用作固体电池的电解质、各种致动器、反应介质、有机合成的催化剂等功能性化合物等。
化合物(1)作为电解液成分的用途也是优选的方式之一。
包含化合物(1)的电解液用添加剂也是优选的方式之一。
化合物(1)例如可以通过包括下述工序的制造方法而适当地制造:
工序(1),使下述通式所示的化合物(i)与氧化银(Ag2O)反应,得到下述通式所示的化合物(ii):
[化11]
(式中,R101和R102如上所述。)
以及
工序(2),使化合物(ii)、硼酸和草酸反应,得到化合物(1):
[化12]
(式中,R101和R102如上所述。)
工序(1)中的氧化银的量相对于化合物(i)优选为0.1~3.0摩尔当量,更优选为0.5~2.0摩尔当量。
工序(1)的反应优选在醇溶剂中实施。作为上述醇,可列举出甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇等。其中,优选甲醇。
工序(1)的反应优选在不活泼性气体气氛中实施。作为上述不活泼性气体,可以举出氩气、氮气等。
作为工序(1)的反应的温度,优选为0~50℃,更优选为10~30℃。
作为工序(1)的反应时间,优选为1~50小时,更优选为10~30小时。
在工序(1)之后,可以根据需要实施过滤、浓缩等工序。
工序(2)中的硼酸的量相对于化合物(ii)优选为0.1~3.0摩尔当量,更优选为0.5~2.0摩尔当量。
工序(2)中的草酸的量相对于化合物(ii)优选为1.0~3.0摩尔当量,更优选为1.5~2.5摩尔当量。
工序(2)的反应可以在溶剂中实施。作为上述溶剂,优选有机溶剂,可列举出醇溶剂、非芳香族烃溶剂、芳香族烃溶剂、酮溶剂、卤代烃溶剂、醚溶剂、酯溶剂、腈溶剂、亚砜系溶剂和酰胺溶剂等。其中,优选醇溶剂,更优选甲醇。
上述溶剂可以单独使用一种或混合使用2种以上。
作为工序(2)的反应的温度,优选为0~50℃,更优选为10~30℃。
作为工序(2)的反应时间,优选为1~50小时,更优选为10~30小时。
在工序(2)之后,可以根据需要实施过滤、浓缩、重结晶等工序。
在第一电解液中,化合物(1)的含量相对于上述电解液优选为0.001~10质量%。通过使化合物(1)的含量为上述范围,能够进一步降低电化学器件的电阻,另外,能够进一步提高循环特性。
作为化合物(1)的含量,相对于上述电解液,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0.5质量%以上。另外,更优选为5.0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。
本发明还涉及一种电解液,其含有下述通式(1-1)表示的阳离子(1-1)和双(草酸根合)硼酸根阴离子(以下也称为第二电解液)。
[化13]
通式(1-1)中,R101为碳原子数2~7的有机基团,可具有选自杂原子和不饱和键中的至少一种,R102为碳原子数1~3的有机基团,可具有选自杂原子和不饱和键中的至少一种。
本公开的第二电解液能够降低锂离子二次电池等电化学器件的电阻,另外,能够提高电化学器件的循环特性(例如,循环后的容量维持率)。推测这些效果是由于在电化学器件的电极上形成上述电解液的分解物的被膜而引起的。特别是,推测通过在电化学器件的正极形成源自阳离子(1-1)的被膜,电阻和循环特性得到改善。
阳离子(1-1)由通式(1-1)表示。
[化14]
通式(1-1)中,R101为碳原子数2~7的有机基团,可具有选自由杂原子和不饱和键组成的组中的至少一种。R102为碳原子数1~3的有机基团,可具有选自杂原子和不饱和键中的至少一种。
作为通式(1-1)中的R101和R102,可列举出与通式(1)所说明的基团相同的基团,优选例也相同。
作为阳离子(1-1),例如可以例示下述式所示的阳离子。
[化15]
[化16]
作为阳离子(1-1),其中,优选下述式所示的阳离子。
[化17]
阳离子(1-1)可以单独使用一种,也可以并用2种以上。
双(草酸根合)硼酸根阴离子由下述式表示阴离子。
[化18]
在第二电解液中,阳离子(1-1)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/b)优选为0.001~20。通过使摩尔比(a/b)为上述范围,能够进一步降低电化学器件的电阻,能够进一步提高循环特性,另外,能够进一步降低气体产生量。
作为摩尔比(a/b),更优选为0.01以上,进一步优选为0.1以上,更进一步优选为0.5以上,特别优选为0.9以上。另外,更优选为15以下,进一步优选为10以下,更进一步优选为5.0以下,更进一步优选为2.0以下,特别优选为1.1以下。
在第二电解液中,上述阳离子(1-1)的含量相对于上述电解液优选为0.0005~15质量%。
阳离子(1-1)、双(草酸根合)硼酸根阴离子含量可通过NMR、液相色谱法测定。
作为提供第二电解液中所含的各离子的离子源,可以使用包含各离子的化合物、且可溶于构成电解液的溶剂的化合物。上述离子源可以分别使用1种或2种以上。
作为阳离子(1-1)的离子源,可举出上述的化合物(1)、由阳离子(1-1)和抗衡阴离子(其中,不包括双(草酸根合)硼酸根阴离子)构成的化合物。
作为上述抗衡阴离子,可举出PF6 -、N(FSO2)2 -、N(CF3SO2)2 -、ClO4 -、Cl-、BF4 -等,更优选PF6 -、N(CF3SO2)2 -、BF4 -,特别优选N(CF3SO2)2 -、BF4 -。
作为双(草酸根合)硼酸根阴离子的离子源,可列举出上述的化合物(1)、包含双(草酸根合)硼酸根阴离子和抗衡阳离子(其中,阳离子(1-1)除外)的化合物。
作为上述抗衡阳离子,可列举出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Li+。
从能够进一步降低电化学器件的电阻、能够进一步提高循环特性、并且能够进一步降低气体产生量的观点出发,作为阳离子(1-1)和双(草酸根合)硼酸根阴离子这两者的离子源,优选使用化合物(1)。
本公开的电解液(第一和第二电解液)优选包含溶剂。
上述溶剂优选包含选自碳酸酯和羧酸酯中的至少一种。
上述碳酸酯可以是环状碳酸酯,也可以是链状碳酸酯。
上述环状碳酸酯可以是非氟代环状碳酸酯,也可以是氟代环状碳酸酯。
作为上述非氟代环状碳酸酯,可以举出非氟代饱和环状碳酸酯,优选具有碳原子数2~6的亚烷基的非氟代饱和亚烷基碳酸酯,更优选具有碳原子数2~4的亚烷基的非氟代饱和亚烷基碳酸酯。
其中,作为上述非氟代饱和环状碳酸酯,从介电常数高、粘度合适的方面考虑,优选选自由碳酸亚乙酯、碳酸丙烯酯、碳酸顺式-2,3-亚戊基酯、碳酸顺式-2,3-亚丁酯、碳酸2,3-亚戊基酯、碳酸2,3-亚丁酯、碳酸1,2-亚戊基酯、碳酸1,2-亚丁酯和碳酸亚丁酯组成的组中的至少一种。
上述非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和比率组合使用2种以上。
在含有上述非氟代饱和环状碳酸酯的情况下,上述非氟代饱和环状碳酸酯的含量相对于上述溶剂优选为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。含有氟代环状碳酸酯的溶剂即使在高电压下也可以适宜地使用。
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是氟代饱和环状碳酸酯,也可以是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,优选为下述通式(A)所示的化合物:
[化19]
式中,X1~X4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1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。
上述氟代烷基是指-CF3、-CF2H、-CH2F等。
若包含上述氟代饱和环状碳酸酯,则在将本公开的电解液应用于高电压锂离子二次电池等的情况下,电解液的耐氧化性提高,可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”为由-O-表示的键。
从介电常数、耐氧化性良好的观点出发,优选X1~X4中的1个或2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。
从能够期待低温下的粘性的降低、闪点的上升、以及电解质盐的溶解性的提高的方面出发,X1~X4优选为-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)是烷基所具有的氢原子的至少1个被氟原子替代的基团。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。
碳原子数过大时,有可能低温特性降低、或电解质盐的溶解性降低,碳原子数过少时,有可能观察到电解质盐的溶解性的降低、放电效率的降低、进而粘性的增大等。
上述氟代烷基(a)中,作为碳原子数为1的氟代烷基,可以举出CFH2-、CF2H-、CF3-。特别是CF2H-或CF3-在高温保存特性方面优选,最优选CF3-。
上述氟代烷基(a)中,作为碳原子数为2以上的氟代烷基,优选为由下述通式(a-1)表示的氟代烷基。
Ra1-Ra2-(a-1)
(式中,Ra1为可具有氟原子的碳原子数1以上的烷基;Ra2为可具有氟原子的碳原子数1~3的亚烷基;其中,Ra1及Ra2中的至少一者具有氟原子。)
需要说明的是,Ra1和Ra2可以进一步具有除碳原子、氢原子和氟原子以外的其他原子。
Ra1为可具有氟原子的碳原子数1以上的烷基。作为Ra1,优选碳原子数1~16的直链状或支链状的烷基。作为Ra1的碳原子数,更优选为1~6,进一步优选为1~3。
作为Ra1,具体而言,作为直链状或支链状的烷基,可列举CH3-、CH3CH2-、CH3CH2CH2-、CH3CH2CH2CH2-、
[化20]
另外,Ra1为具有氟原子的直链状烷基时,可列举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Ra1为具有氟原子的支链状的烷基的情况下,可列举出
[化21]
[化22]
等。但是,如果具有CH3-、CF3-这样的分支,则粘性容易变高,因此更优选其数量少(1个)或为零。
Ra2为可具有氟原子的碳原子数1~3的亚烷基。Ra2可以为直链状,也可以为支链状。构成这样的直链状或支链状的亚烷基的最小结构单元的一例如下所示。Ra2由它们的单独或组合构成。
(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23]
需要说明的是,在以上的例示中,从不发生基于碱的脱HCl反应、更稳定的方面出发,优选由不含Cl的结构单元构成。
Ra2为直链状时,仅由上述直链状的最小结构单元构成,其中,优选为-CH2-、-CH2CH2-或者优选-CF2-。从能够进一步提高电解质盐的溶解性的观点出发,更优选为-CH2-或-CH2CH2-。
Ra2为支链状的情况下,包含至少1个上述支链状的最小结构单元而成,可优选例示通式-(CXaXb)-(Xa为H、F、CH3或CF3;Xb为CH3或CF3。这些特别是可以进一步提高电解质盐的溶解性。
作为优选的氟代烷基(a),可以列举例如:CF3CF2-、HCF2CF2-、H2CFCF2-、CH3CF2-、CF3CHF-、CH3CF2-、CF3CF2CF2-、HCF2CF2CF2-、H2CFCF2CF2-、CH3CF2CF2-、
[化24]
[化25]
上述具有醚键的氟代烷基(b)是具有醚键的烷基所具有的氢原子的至少1个被氟原子替代的基团。上述具有醚键的氟代烷基(b)优选碳原子数为2~17。如果碳原子数过多,则上述氟代饱和环状碳酸酯的粘性变高,另外,含氟基团变多,因此,有时观察到由介电常数的降低导致的电解质盐的溶解性降低、与其他溶剂的相容性的降低。从该观点出发,上述具有醚键的氟代烷基(b)的碳原子数更优选为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。构成这样的直链状或支链状的亚烷基的最小结构单元的一例如下所示。
(i)直链状的最小结构单元:
-CH2-、-CHF-、-CF2-、-CHCl-、-CFCl-、-CCl2-
(ii)支链状最小结构单元:
[化26]
亚烷基可以由这些最小结构单元单独构成,也可以由直链状(i)彼此、支链状(ii)彼此、或者直链状(i)与支链状(ii)的组合构成。优选的具体例在后面叙述。
需要说明的是,在以上的例示中,从不发生基于碱的脱HCl反应、从更稳定的方面出发,优选由不含Cl的结构单元构成。
作为进一步优选的具有醚键的氟代烷基(b),优选通式(b-1)所示的物质:
R3-(OR4)n1- (b-1)
式中,R3为可具有氟原子的、优选为碳原子数1~6的烷基;R4为可具有氟原子的、优选为碳原子数1~4的亚烷基;n1为1~3的整数;其中,R3和R4中的至少1个具有氟原子。
作为R3和R4,可以例示以下的基团,可以将它们适当组合而构成上述通式(b-1)所示的具有醚键的氟代烷基(b),但并不仅限定于这些基团。
(1)作为R3,优选通式:Xc 3C-(R5)n2-(3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)所示的烷基。
n2为0时,作为R3,可举出CH3-、CF3-、HCF2-及H2CF-。
作为n2为1时的具体例,作为R3为直链状的例子,可以举出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-、HCF2CH2CF2CF2CH2-、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为支链状的物质,可列举出:
。
[化27]
等。
但是,如果具有CH3-和CF3-这样的支链,则粘性容易变高,因此更优选R3为直链状。
(2)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,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,可以例示以下的直链状或支链状
作为直链状的物质,可例示-CH2-、-CHF-、-CF2-、-CH2CH2-、-CF2CH2-、-CF2CF2-、-CH2CF2-、-CH2CH2CH2-、-CH2CH2CF2-、-CH2CF2CH2-、-CH2CF2CF2-、-CF2CH2CH2-、-CF2CF2CH2-、-CF2CH2CF2-、-CF2CF2CF2-等。
作为支链状的物质,可列举出:
[化28]
等。
上述氟代烷氧基(c)是烷氧基所具有的氢原子的至少1个被氟原子替代的基团。上述氟代烷氧基(c)优选碳原子数为1~17。更优选碳原子数为1~6。
作为上述氟代烷氧基(c),特别优选通式:Xd 3C-(R6)n3-O-(3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,3个Xd中至少一个为氟原子)所示的氟代烷氧基。
作为上述氟代烷氧基(c)的具体例,可列举出在作为上述通式(a-1)中的R1而例示的烷基的末端键合有氧原子的氟代烷氧基。
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)和氟代烷氧基(c)的含氟率优选为10质量%以上。若氟含有率过低,则有可能无法充分得到低温下的粘性降低效果、闪点的上升效果。从该观点出发,上述氟含有率更优选为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)和氟代烷氧基(c)的氟含有率是基于各基团的结构式,通过{(氟原子的个数×19)/各基团的式量}×100(%)算出的值。
另外,从介电常数、耐氧化性良好的观点出发,上述氟代饱和环状碳酸酯整体的氟含有率优选为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氟含有率是基于氟代饱和环状碳酸酯的结构式通过{(氟原子的个数×19)/氟代饱和环状碳酸酯的分子量}×100(%)算出的值。
作为上述氟代饱和环状碳酸酯,具体而言,例如可列举出以下物质。
作为X1~X4中的至少1个为-F的氟代饱和环状碳酸酯的具体例,可列举出
[化29]
等。这些化合物的耐电压高,电解质盐的溶解性也良好。
除此之外,还可以使用
[化30]
作为X1~X4中的至少1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,可列举出
[化31]
[化32]
[化33]
作为X1~X4中的至少1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,可列举出
[化34]
[化35]
[化36]
[化37]
[化38]
[化39]
其中,作为上述氟代饱和环状碳酸酯,优选为以下的化合物中的任一种。
[化40]
[化41]
作为上述氟代饱和环状碳酸酯,除此之外,还可列举反式-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-1,3-二氧戊环等。
作为上述氟代饱和环状碳酸酯,其中更优选氟代碳酸亚乙酯、二氟代碳酸亚乙酯、三氟甲基碳酸亚乙酯(3,3,3-三氟代碳酸丙烯酯)、2,2,3,3,3-五氟二乙基碳酸亚乙酯。
上述氟代不饱和环状碳酸酯是具有不饱和键和氟原子的环状碳酸酯,优选被具有芳香环或碳-碳双键的取代基取代的氟代碳酸亚乙酯衍生物。具体而言,可列举出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和比率组合使用2种以上。
在含有上述氟代环状碳酸酯的情况下,上述氟代环状碳酸酯的含量相对于上述溶剂优选为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是非氟代链状碳酸酯,也可以是氟代链状碳酸酯。
作为上述非氟代链状碳酸酯,例如可列举出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)、碳酸甲基丁酯、碳酸乙丙酯、碳酸乙基丁酯、碳酸二丙酯、碳酸二丁酯、碳酸甲基异丙酯、碳酸甲基-2-苯基苯基酯、碳酸苯基-2-苯基苯基酯、碳酸反式-2,3-戊烯酯、碳酸反式-2,3-亚丁酯、碳酸乙基苯基酯等烃类链状碳酸酯。其中,优选为选自碳酸甲乙酯、碳酸二乙酯和碳酸二甲酯中的至少一种。
上述非氟代链状碳酸酯可以单独使用一种,也可以以任意的组合和比率组合使用2种以上。
在含有上述非氟代链状碳酸酯的情况下,上述非氟代链状碳酸酯的含量相对于上述溶剂优选为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是具有氟原子的链状碳酸酯。含有氟代链状碳酸酯的溶剂即使在高电压下也可以适宜地使用。
作为上述氟代链状碳酸酯,可列举出通式(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的可含有氟原子的烷基。
Rf2为碳原子数1~7的氟代烷基,R7为碳原子数1~7的可含有氟原子的烷基。
上述氟代烷基是烷基所具有的氢原子的至少1个被氟原子替代的基团。R7为含氟原子的烷基时,成为氟代烷基。
Rf2和R7从低粘性的方面考虑,优选碳原子数为1~7,更优选为1~2。
碳原子数过大时,有可能低温特性降低、或电解质盐的溶解性降低,碳原子数过少时,有可能观察到电解质盐的溶解性的降低、放电效率的降低、进而粘性的增大等。
作为碳原子数为1的氟代烷基,可以举出CFH2-、CF2H-、CF3-等。特别是CFH2-或CF3-在高温保存特性方面优选。
作为碳原子数为2以上的氟代烷基,可列举出下述通式(d-1):
Rd1-Rd2-(d-1)
所示的氟代烷基,从电解质盐的溶解性良好的观点出发,可以优选例示。
(式中,Rd1为可具有氟原子的碳原子数1以上的烷基;Rd2为可具有氟原子的碳原子数1~3的亚烷基;其中,Rd1及Rd2中的至少一者具有氟原子。)
需要说明的是,Rd1和Rd2可以进一步具有碳原子、氢原子和氟原子以外的其它原子。
Rd1为可具有氟原子的碳原子数1以上的烷基。作为Rd1,优选碳原子数1~6的直链状或支链状的烷基。作为Rd1的碳原子数,更优选为1~3。
作为Rd1,具体而言,作为直链状或支链状的烷基,优选为CH3-、CF3-、CH3CH2-、CH3CH2CH2-、CH3CH2CH2CH2-、
[化42]
另外,Rd1为具有氟原子的直链状烷基时,可列举出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,Rd1为具有氟原子的支链状的烷基的情况下,可以优选列举出
[化43]
[化44]
等。但是,如果具有CH3-、CF3-这样的分支,则粘性容易变高,因此更优选其数量少(1个)或为零。
Rd2为可具有氟原子的碳原子数1~3的亚烷基。Rd2可以为直链状,也可以为支链状。构成这样的直链状或支链状的亚烷基的最小结构单元的一例如下所示。Rd2由它们的单独或组合构成。
(i)直链状的最小结构单元:
-CH2-、-CHF-、-CF2-、-CHCl-、-CFCl-、-CCl2-
(ii)支链最小结构单元:
[化45]
需要说明的是,在以上的例示中,从不发生基于碱的脱HCl反应、从更稳定的方面出发,优选由不含Cl的结构单元构成。
Rd2为直链状时,仅由上述直链状的最小结构单元构成,其中优选-CH2-、-CH2CH2-或-CF2-。从能够进一步提高电解质盐的溶解性的观点出发,更优选为-CH2-或-CH2CH2-。
Rd2为支链状的情况下,含有至少1个上述支链状的最小结构单元而成,可优选例示通式-(CXaXb)-(Xa为H、F、CH3或CF3;Xb为CH3或CF3,其中,Xb为CF3的情况下,Xa为H或CH3)所示的基团。这些特别是可以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,例如可以举出:CF3CF2-、HCF2CF2-、H2CFCF2-、CH3CF2-、CF3CH2-、CF3CF2CF2-、HCF2CF2CF2-、H2CFCF2CF2-、CH3CF2CF2、
[化46]
[化47]
其中,作为Rf2和R7的氟代烷基,优选CF3-、CF3CF2-、(CF3)2CH-、CF3CH2-、C2F5CH2-、CF3CF2CH2-、HCF2CF2CH2-、CF3CFHCF2CH2-、CFH2-、CF2H-,从阻燃性高、倍率特性、耐氧化性良好的观点出发,优选CF3CH2-、CF3CF2CH2-、HCF2CF2CH2-、CFH2-、CF2H-等。
R7为不含氟原子的烷基时为碳原子数1~7的烷基。从低粘性的方面考虑,R7的碳原子数优选为1~4,更优选为1~3。
作为上述不含氟原子的烷基,可以列举例如:CH3-、CH3CH2-、(CH3)2CH-、C3H7-等。其中,从粘度低、倍率特性良好的观点出发,优选CH3-、CH3CH2-。
上述氟代链状碳酸酯的氟含有率优选为15~70质量%。若氟含有率为上述范围,则能够维持与溶剂的相容性、盐的溶解性。上述氟含有率更优选为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,在本公开中,氟含有率基于上述氟代链状碳酸酯的结构式为{(氟原子的个数×19)/氟代链状碳酸酯的分子量}×100(%)计算出的值。
作为上述氟代链状碳酸酯,从低粘性的方面考虑,优选为以下的化合物中的任一种。
[化48]
作为上述氟代链状碳酸酯,特别优选碳酸甲基2,2,2-三氟乙基酯(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和比率组合使用2种以上。
在含有上述氟代链状碳酸酯的情况下,上述氟代链状碳酸酯的含量相对于上述溶剂优选为10~90体积%,更优选为40~85体积%,进一步优选为50~80体积%。
上述羧酸酯可以是环状羧酸酯,也可以是链状羧酸酯。
上述环状羧酸酯可以是非氟代环状羧酸酯,也可以是氟代环状羧酸酯。
作为上述非氟代环状羧酸酯,可以举出非氟代饱和环状羧酸酯,优选具有碳原子数2~4的亚烷基的非氟代饱和环状羧酸酯。
作为具有碳原子数2~4的亚烷基的非氟代饱和环状羧酸酯的具体例,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和提高负载特性的观点出发,特别优选γ-丁内酯、δ-戊内酯。
上述非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和比率组合使用2种以上。
在含有上述非氟代饱和环状羧酸酯的情况下,上述非氟代饱和环状羧酸酯的含量相对于上述溶剂优选为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是非氟代链状羧酸酯,也可以是氟代链状羧酸酯。在上述溶剂包含上述链状羧酸酯的情况下,能够进一步抑制电解液的高温保存后的电阻增加。
作为上述非氟代链状羧酸酯,例如可列举出乙酸甲酯、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、特戊酸甲酯、特戊酸乙酯、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)乙酸乙基酯、2-(二甲基磷酰基)乙酸乙基酯、2-(二乙氧基磷酰基)乙酸乙基酯、2-(二乙基磷酰基)乙酸乙基酯、丙酸异丙酯、乙酸异丙酯、甲酸乙酯、草酸乙基2-丙炔基酯、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,优选乙酸丁酯、丙酸甲酯、丙酸乙酯、丙酸丙酯、丙酸丁酯,特别优选丙酸乙酯、丙酸丙酯。
上述非氟代链状羧酸酯可以单独使用一种,也可以以任意的组合和比率组合使用2种以上。
在含有上述非氟代链状羧酸酯的情况下,上述非氟代链状羧酸酯的含量相对于上述溶剂优选为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。含有氟代链状羧酸酯的溶剂即使在高电压下也可以适宜地使用。
作为上述氟代链状羧酸酯,下述通式:
R31COOR32
所示的氟代链状羧酸酯从与其他溶剂的相容性、耐氧化性良好的方面出发是优选的。
(式中,R31及R32相互独立地为碳原子数1~4的可含有氟原子的烷基,R31及R32中的至少一者含有氟原子。)
作为R31和R32,可以列举例如甲基(-CH3)、乙基(-CH2CH3)、丙基(-CH2CH2CH3)、异丙基(-CH(CH3)2)、正丁基(-CH2CH2CH2CH3)、叔丁基(-C(CH3)3)等非氟代烷基;-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等氟代烷基等。其中,从与其它溶剂的相容性、粘度、耐氧化性良好的观点出发,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,例如可以举出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)、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、三氟乙酸异丙酯、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、4,4,4-三氟乙酸甲酯、4,4,4-三氟乙酸乙酯、3,3,3-三氟丙酸乙酯、3,3,3-三氟丙酸3,3,3三氟丙基、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、七氟丁酸甲酯等中的1种或2种以上。
其中,从与其它溶剂的相容性和倍率特性良好的方面出发,优选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、三氟乙酸异丙酯、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、4,4,4-三氟乙酸甲酯、4,4,4-三氟乙酸乙酯、3,3,3-三氟丙酸乙酯、3,3,3-三氟丙酸3,3,3-三氟丙基、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CF3CH2C(=O)OCH3、HCF2C(=O)OCH3、HCF2C(=O)OC2H5、CH3C(=O)OCH2CF3、特别优选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和比率组合使用2种以上。
在含有上述氟代链状羧酸酯的情况下,上述氟代链状羧酸酯的含量相对于上述溶剂优选为10~90体积%,更优选为40~85体积%,进一步优选为50~80体积%。
上述溶剂优选包含选自上述环状碳酸酯、上述链状碳酸酯和上述链状羧酸酯中的至少一种,更优选包含上述环状碳酸酯、和选自上述链状碳酸酯和上述链状羧酸酯中的至少一种。上述环状碳酸酯优选为饱和环状碳酸酯。
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保存特性、循环特性。
上述溶剂包含上述环状碳酸酯、和选自上述链状碳酸酯及上述链状羧酸酯中的至少一种的情况下,上述环状碳酸酯、和选自上述链状碳酸酯及上述链状羧酸酯中的至少一种合计优选包含10~100体积%、更优选包含30~100体积%、进一步优选包含50~100体积%。
在上述溶剂包含上述环状碳酸酯、和选自上述链状碳酸酯及上述链状羧酸酯中的至少一种的情况下,作为上述环状碳酸酯与选自上述链状碳酸酯及上述链状羧酸酯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。
上述溶剂还优选包含选自上述非氟代饱和环状碳酸酯、上述非氟代链状碳酸酯和上述非氟代链状羧酸酯中的至少一种,更优选包含上述非氟代饱和环状碳酸酯和选自上述非氟代链状碳酸酯和上述非氟代链状羧酸酯中的至少一种。含有上述组成的溶剂的电解液可以适合用于在较低电压下使用的电化学器件。
上述溶剂包含上述非氟代饱和环状碳酸酯、和选自上述非氟代链状碳酸酯和上述非氟代链状羧酸酯中的至少一种的情况下,上述非氟代饱和环状碳酸酯、和选自上述非氟代链状碳酸酯和上述非氟代链状羧酸酯中的至少一种合计优选包含5~100体积%,更优选包含20~100体积%,进一步优选包含30~100体积%。
在上述电解液包含上述非氟代饱和环状碳酸酯、和选自上述非氟代链状碳酸酯和上述非氟代链状羧酸酯中的至少一种的情况下,作为上述非氟代饱和环状碳酸酯与选自上述非氟代链状碳酸酯和上述非氟代链状羧酸酯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。
上述溶剂还优选包含选自上述氟代饱和环状碳酸酯、上述氟代链状碳酸酯和上述氟代链状羧酸酯中的至少一种,更优选包含上述氟代饱和环状碳酸酯、和选自上述氟代链状碳酸酯和上述氟代链状羧酸酯中的至少一种。含有上述组成的溶剂的电解液不仅能够适用于在较低电压下使用的电化学器件,还能够适用于在较高电压下使用的电化学器件。
上述溶剂包含上述氟代饱和环状碳酸酯、和选自上述氟代链状碳酸酯及上述氟代链状羧酸酯中的至少一种的情况下,上述氟代饱和环状碳酸酯、和选自上述氟代链状碳酸酯及上述氟代链状羧酸酯中的至少一种合计优选包含5~100体积%,更优选包含10~100体积%,进一步优选包含30~100体积%。
在上述溶剂包含上述氟代饱和环状碳酸酯、和选自上述氟代链状碳酸酯及上述氟代链状羧酸酯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上述氟代链状碳酸酯及上述氟代链状羧酸酯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,也可以使用离子液体(其中,化合物(1)除外)。“离子液体”是指由组合了有机阳离子和阴离子的离子构成的液体。
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。
作为成为这些有机阳离子的抗衡的阴离子,没有特别限定,例如可以使用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(草酸根合)硼酸阴离子、P(C2O4)F2阴离子、Tf(三氟甲磺酰基)阴离子、Nf(九氟丁磺酰基)阴离子、双(氟磺酰基)酰亚胺阴离子、双(三氟甲磺酰基)酰亚胺阴离子、双(五氟乙磺酰基)酰亚胺阴离子、二氰二胺阴离子、卤化物阴离子。
上述溶剂优选为非水溶剂,本公开的电解液优选为非水电解液。
上述溶剂的含量在电解液中优选为70~99.999质量%,更优选为80质量%以上,更优选为92质量%以下。
本公开的电解液还可以包含通式(5)所示的化合物(5)(其中,化合物(1)除外)。
通式(5):
[化49]
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(亚烷基、卤代亚烷基、亚芳基、及卤代亚芳基在其结构中可具有取代基、杂原子,另外在n202为1且n203为2~4时,n203个X201各自可以键合)。
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(亚烷基、卤代亚烷基、亚芳基、及卤代亚芳基在其结构中可具有取代基、杂原子,另外n201为2~8时,n201个L201可以各自键合而形成环)或-Z203Y203。
Y201、Y202和Z203各自独立地表示O、S、NY204、烃基或氟代烃基。Y203及Y204各自独立地表示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、芳基及卤代芳基在其结构中可具有取代基、杂原子,在存在多个Y203或Y204的情况下,各自可以键合而形成环)。
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、类离子、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、吡啶离子、咪唑离子、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,晶格能量变大,因此产生难以溶解于溶剂的问题。因此,在需要溶解度的情况下,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。表示阳离子与阴离子之比的常数p必然由两者的价数之比b/a决定。
接着,对通式(5)的配体的部分进行说明。在本说明书中,将与通式(5)中的Z201键合的有机或无机的部分称为配体。
Z201优选为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结构中具有取代基、杂原子。具体而言,替代亚烷基及亚芳基上的氢,可具有卤素原子、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,也可以是替代亚烷基及亚芳基上的碳而导入了氮、硫、氧的结构。另外,在n202为1且n203为2~4时,n203个X201可以分别键合。作为这样的例子,可以举出乙二胺四乙酸这样的配体。
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在后面叙述)。此处的烷基及芳基也与X201同样地,在其结构中可具有取代基、杂原子,另外在n201为2~8时,n201个L201也可分别键结而形成环。作为L201,优选氟原子或氰基。这是因为,在氟原子的情况下,阴离子化合物的盐的溶解度、解离度提高,随之离子传导率提高。另外,其原因在于,耐氧化性提高,由此能够抑制副反应的发生。
Y201、Y202和Z203各自独立地表示O、S、NY204、烃基或氟代烃基。Y201和Y202优选为O、S或NY204,更优选为O。作为化合物(5)的特征,由于在同一配体内具有由Y201和Y202形成的与Z201的键,因此这些配体与Z201构成螯合结构。通过该螯合物的效果,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0的情况下,该螯合环成为五元环,因此螯合效果发挥最强,稳定性增加,因此优选。
需要说明的是,本说明书中,氟代烃基是烃基的氢原子的至少1个被氟原子替代的基团。
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,这些烷基及芳基在其结构中可具有取代基或杂原子,另外,在存在多个Y203或Y204的情况下,也可以各自键合而形成环。
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。进而,优选在n203为1时n201为2,在n203为2时n201为0。
通式(5)中,烷基、卤代烷基、芳基、卤代芳基也包括具有支链、羟基、醚键等其他官能团的基团。
化合物(5)优选为
通式
[化50]
(式中,Aa+、a、b、p、n201、Z201和L201如上所述。)
所示的化合物,或者通式
[化51]
(式中,Aa+、a、b、p、n201、Z201和L201如上所述。)
所示的化合物。
作为化合物(5),可列举草酸根合硼酸锂盐类,由下述式所示的双(草酸根合)硼酸锂(Li BOB):
[化52]
由下述式所示的二氟草酸根合硼酸锂(LIDFOB):
[化53]
由下述式所示的二氟草酸磷酸锂(LIDFOP):
[化54]
由下述式所示的四氟草酸磷酸锂(LITFOP):
[化55]
由下述式所示的双(草酸根合)二氟磷酸锂等。
[化56]
作为化合物(5),还可列举出双(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)硼酸锂、双(二甲基丙二酸根合)硼酸锂、二氟(二甲基丙二酸根合)硼酸锂等络合物中心元素为硼的二羧酸络合物盐。
作为化合物(5),还可列举出三(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)磷酸锂等络合物中心元素为磷的二羧酸络合物盐。
作为化合物(5),还可以举出LiAl(C2O4)2、LiAlF2(C2O4)等络合物中心元素为铝的二羧酸络合物盐。
其中,从能够有助于获得的容易性、稳定的被膜状的结构物的形成的方面出发,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),特别优选双(草酸根合)硼酸锂。
作为化合物(5)的含量,从得到更优异的循环特性的方面出发,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。
本公开的电解液优选还包含电解质盐(其中,化合物(1)和(5)除外)。作为上述电解质盐,除了锂盐、铵盐、金属盐以外,还可以使用液体状的盐(离子液体)、无机高分子型的盐、有机高分子型的盐等能够用于电解液的任意的电解质盐。
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,可以使用任意的锂盐,具体而言,可以举出以下的锂盐。例如LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAlF4、LiSbF6、LiTaF6、LiWF7、LiAsF6、LiAlCl4、LiI、LiBr、LiCl、LiB10Cl10、Li2SiF6、Li2PFO3、LiPOF2等无机锂盐类;
LiWOF5等钨酸锂盐类;
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;
LiN(FCO)2、LiN(FCO)(FSO2)、LiN(FSO2)2、LiN(FSO2)(CF3SO2)、LiN(CF3SO2)2、LiN(C2F5SO2)2、双全氟乙磺酰亚胺锂、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、环状1,2-乙烷二磺酰亚胺锂、环状1,3-丙烷二磺酰亚胺锂、环状1,4-全氟丁烷二磺酰亚胺锂、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,也可以使用由式:LiPFa(CnF2n+1)6-a(式中,a为0~5的整数,n为1~6的整数)表示的盐(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、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、高温保存特性、循环特性等的效果的方面出发,特别优选LiPF6、LiBF4、LiSbF6、LiTaF6、LiPO2F2、FSO3Li、CF3SO3Li、LiN(FSO2)2、LiN(FSO2)(CF3SO2)2、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等,最优选选自LiPF6、LiN(FSO2)2和LiBF4中的至少一种的锂盐。
这些电解质盐可以单独使用,也可以并用2种以上。并用2种以上时的优选的一例为LiPF6与LiBF4的并用、LiPF6与LiPO2F2、C2H5OSO3Li或FSO3Li的并用,具有提高高温保存特性、负载特性、循环特性的效果。
该情况下,LiBF4、LiPO2F2、C2H5OSO3Li或FSO3Li相对于电解液整体100质量%的配混量没有限制,只要不显著损害本公开的效果,则为任意,相对于本公开的电解液,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,另一例是无机锂盐与有机锂盐的并用,该两者的并用具有抑制由高温保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。
电解液中的这些电解质盐的浓度只要不损害本公开的效果就没有特别限制。从使电解液的电导率为良好的范围、确保良好的电池性能的观点出发,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。
锂的总摩尔浓度过低时,有时电解液的电导率不足,另一方面,浓度过高时,有时由于粘度上升而电导率降低,有时电池性能降低。
作为双电层电容器用电解液的电解质盐,优选铵盐。
作为上述铵盐,可列举出以下(IIa)~(IIe)。
(IIa)四烷基季铵盐
通式(IIa)所示的四烷基季铵盐:
[化57]
(式中,R1a、R2a、R3a及R4a相同或不同,均为碳原子数1~6的可含有醚键的烷基;X-为阴离子。)
另外,该铵盐的氢原子的一部分或全部被氟原子和/或碳原子数1~4的含氟烷基替代的情况,从耐氧化性提高的观点出发也是优选的。
作为具体例,可列举通式(IIa-1)所示的四烷基季铵盐、通式(IIa-2)所示的含有烷基醚基的三烷基铵盐等,通过导入烷基醚基,能够实现粘性的降低。
[化58]
通式(IIa-1)中,R1a、R2a及X-与上述相同;x及y相同或不同,为0~4的整数,且x+y=4;
[化59]
通式(IIa-2)中,R5a为碳原子数1~6的烷基;R6a为碳原子数1~6的2价烃基;R7a为碳原子数1~4的烷基;z为1或2;X-为阴离子。
阴离子X-可以是无机阴离子,也可以是有机阴离子。作为无机阴离子,可以列举例如AlCl4 -、BF4 -、PF6 -、AsF6 -、TaF6 -、I-、SbF6 -等。有机阴离子的实例包括双草酸根合硼酸根阴离子、二氟草酸根合硼酸根阴离子、四氟草酸磷酸根阴离子、二氟双草酸磷酸根阴离子、CF3COO-、CF3SO3 -、(CF3SO2)2N-和(C2F5SO2)2N-等。
这些之中,从耐氧化性、离子解离性良好的观点出发,优选BF4 -、PF6 -、AsF6 -、SbF6 -。
作为四烷基季铵盐的优选的具体例,可以举出Et4NBF4、Et4NClO4、Et4NPF6、Et4NAsF6、Et4NSbF6、Et4NCF3SO3、Et4N(CF3SO2)2N、Et4NC4F9SO3、Et3MeNBF4、Et3MeNClO4、Et3MeNPF6、Et3MeNAsF6、Et3MeNSbF6、Et3MeNCF3SO3、Et3MeN(CF3SO2)2N、Et3MeNC4F9SO3,特别可举出Et4NBF4、Et4NPF6、Et4NSbF6、Et4NAsF6、Et3MeNBF4、N,N-二乙基-N-甲基-N-(2-甲氧基乙基)铵盐等。
(IIb)螺环双吡咯烷鎓盐
通式(IIb-1)所示的螺环双吡咯烷鎓盐:
[化60]
(式中,R8a及R9a相同或不同,均为碳原子数1~4的烷基;X-为阴离子;n1为0~5的整数;n2为0~5的整数。)
通式(IIb-2)所示的螺环双吡咯烷鎓盐:
[化61]
(式中,R10a及R11a相同或不同,均为碳原子数1~4的烷基;X-为阴离子;n3为0~5的整数;n4为0~5的整数。)
或通式(IIb-3)所示的螺环双吡咯烷鎓盐:
[化62]
(式中,R12a及R13a相同或不同,均为碳原子数1~4的烷基;X-为阴离子;n5为0~5的整数;n6为0~5的整数。)
另外,该螺环双吡咯烷鎓盐的氢原子的一部分或全部被氟原子和/或碳原子数1~4的含氟烷基替代的物质,从耐氧化性提高的观点出发也是优选的。
阴离子X-的优选的具体例与(IIa)的情况相同。其中,从解离性高、高电压下的内部电阻低的观点出发,优选BF4-、PF6-、(CF3SO2)2N-又は(C2F5SO2)2N-。
作为螺环双吡咯烷鎓盐的优选的具体例,例如可以举出:
[化学式63]
该螺环双吡咯烷鎓盐在溶剂中的溶解性、耐氧化性、离子传导性方面优异。
(IIc)咪唑鎓盐
通式(IIc)所示的咪唑鎓盐:
[化64]
(式中,R14a及R15a相同或不同,均为碳原子数1~6的烷基;X-为阴离子。)
另外,从耐氧化性提高的观点出发,优选该咪唑鎓盐的氢原子的一部分或全部被氟原子和/或碳原子数1~4的含氟烷基替代的咪唑鎓盐。
阴离子X-的优选的具体例与(IIa)相同。
作为优选的具体例,可以列举例如
[化65]
该咪唑鎓盐在粘性低、且溶解性良好的方面优异。
(IId):N-烷基吡啶鎓盐
通式(IId)所示的N-烷基吡啶鎓盐:
[化66]
(式中,R16a为碳原子数1~6的烷基;X-为阴离子。)
另外,该N-烷基吡啶鎓盐的氢原子的一部分或全部被氟原子和/或碳原子数1~4的含氟烷基替代的情况,从耐氧化性提高的观点出发也是优选的。
阴离子X-的优选的具体例与(IIa)相同。
作为优选的具体例,可以列举例如
[化67]
该N-烷基吡啶鎓盐在粘性低、且溶解性良好的方面优异。
(IIe)N,N-二烷基吡咯烷鎓盐
通式(IIe)所示的N,N-二烷基吡咯烷鎓盐:
[化68]
(式中,R17a及R18a相同或不同,均为碳原子数1~6的烷基;X-为阴离子。)
另外,该N,N-二烷基吡咯烷鎓盐的氢原子的一部分或全部被氟原子和/或碳原子数1~4的含氟烷基替代的物质,从耐氧化性提高的观点出发也是优选的。
阴离子X-的优选的具体例与(IIa)相同。
作为优选的具体例,可以列举例如
[化69]
[化70]
该N,N-二烷基吡咯烷鎓盐在粘性低、且溶解性良好的方面优异。
这些铵盐中,从溶解性、耐氧化性、离子传导性良好的方面考虑,优选(IIa)、(IIb)和(IIc),进一步优选
[化71]
(式中,Me为甲基;Et为乙基;X-、x、y为与式(IIa-1))相同)。
另外,作为双电层电容器用电解质盐,可以使用锂盐。作为锂盐,例如,优选LiPF6、LiBF4、LiN(FSO2)2、LiAsF6、LiSbF6、LiN(SO2C2H5)2。
为了进一步提高容量,也可以使用镁盐。作为镁盐,例如优选Mg(ClO4)2、Mg(OOC2H5)2。
在电解质盐为上述铵盐的情况下,浓度优选为0.7摩尔/升以上。若低于0.7摩尔/升,则不仅低温特性变差,而且初期内部电阻有可能变高。上述电解质盐的浓度更优选为0.9摩尔/升以上。
从低温特性的观点出发,上述浓度的上限优选为2.0摩尔/升以下,更优选为1.5摩尔/升以下。
在上述铵盐为四氟硼酸三乙基甲基铵(TEMABF4)的情况下,从低温特性优异的方面考虑,其浓度优选为0.7~1.5摩尔/升。
另外,在四氟硼酸螺双吡咯烷鎓(SBPBF4)的情况下,优选为0.7~2.0摩尔/升。
本公开的电解液由通式(2)所示的化合物(2)表示。
若上述电解液包含化合物(2),则即使在高温下保管的情况下,容量保持率也更难以降低,气体的产生量更难以增加。
[化72]
式(2)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可以相互键合而形成环。
n21为2或3时,2个或3个X21可以相同也可以不同。
Y21和Z21存在多个时,存在多个的Y21和Z21可以相同也可以不同。
作为X21,优选-CY21Z21-(式中,Y21和Z21如上所述)或-CY21=CZ21-(式中,Y21和Z21如上所述)所示的基团。
作为Y21,优选为选自H-、F-、CH3-、CH3CH2-、CH3CH2CH2-、CF3-、CF3CF2-、CH2FCH2-及CF3CF2CF-中的至少一种。
作为Z21,优选为选自H-、F-、CH3-、CH3CH2-、CH3CH2CH2-、CF3-、CF3CF2-、CH2FCH2-及CF3CF2CF2-中的至少一种。
或者,Y21和Z21相互键合,可以形成可以包含不饱和键、也可具有芳香族性的碳环或杂环。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,在以下的例示中,“类似物”是指通过在不违反本公开的主旨的范围内将所例示的酸酐的结构的一部分置换为其它结构而得到的酸酐,例如可以举出由多个酸酐构成的二聚体、三聚体和四聚体等、或者取代基的碳原子数相同但具有支链等结构异构的物质、取代基与酸酐键合的部位不同的物质等。
作为形成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。
作为形成其他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、均苯四甲酸酐、二乙醇酸酐等、及它们的类似物等。
作为形成环状结构且被卤素原子替代的酸酐的具体例,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,优选戊二酸酐、柠康酸酐、戊烯二酸酐、衣康酸酐、二乙醇酸酐、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)优选为选自通式(3)所示的化合物(3)和通式(4)所示的化合物(4)中的至少一种。
[化73]
(式中,X31~X34相同或不同,为至少含有H、C、O或F的基团)
[化74]
(式中,X41及X42相同或不同,为至少含有H、C、O或F的基团。)
作为X31~X34,相同或不同,优选选自烷基、氟代烷基、烯基及氟代烯基中的至少一种。X31~X34的碳原子数优选为1~10,更优选为1~3。
作为X31~X34,相同或不同,更优选为选自H-、F-、CH3-、CH3CH2-、CH3CH2CH2-、CF3-、CF3CF2-、CH2FCH2-和CF3CF2CF2-中的至少一种。
作为X41及X42,相同或不同,优选选自烷基、氟代烷基、烯基及氟代烯基中的X41及X42的碳原子数优选为1~10,更优选为1~3。
作为X41及X42,相同或不同,更优选为选自H-、F-、CH3-、CH3CH2-、CH3CH2CH2-、CF3-、CF3CF2-、CH2FCH2-及CF3CF2CF2-中的至少一种。
化合物(3)优选为以下的化合物中的任一种。
[化75]
化合物(4)优选为以下的化合物中的任一种。
[化76]
上述电解液即使在高温下保管的情况下,容量保持率也更不易降低,气体的产生量更不易增加,因此相对于上述电解液,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)和(4)这两者的情况下,即使在高温下保管的情况下,容量保持率也更不易降低,气体的产生量更不易增加,因此,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)和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)和0.08~1.50质量%的化合物(4)。
本公开的电解液可以包含选自下述通式(1a)、(1b)和(1c)表示的腈化合物中的至少一种。
[化77]
(式中,Ra和Rb各自独立地表示氢原子、氰基(CN)表示卤素原子、烷基、或烷基的至少一部分氢原子被卤素原子替代的基团,n表示1~10的整数。)
[化78]中表示的基团。
(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替代的基团、或NC-Rc1-Xc1-(Rc1表示亚烷基,Xc1表示氧原子或硫原子)。Rd和Re各自独立地表示氢原子、卤素原子、烷基、或烷基的至少一部分氢原子被卤素原子替代的基团。)
[化79]
(式中,Rf、Rg、Rh和Ri各自独立地表示含氰基(CN)的基团、氢原子(H)、卤素源自、烷基、或烷基的至少一部分氢原子被卤素原子替代的基团。其中,Rf、Rg、Rh及Ri中的至少1个为含氰基的基团。其中,Rf、Rg、Rh中的至少1个为含氰基的基团。l表示1~3的整数。)
由此,能够提高电化学器件的高温保存特性。可以单独使用上述腈化合物,也可以以任意的组合和比率组合使用2种以上。
上述通式(1a)中,Ra和Rb各自独立地为氢原子、氰基(CN)、卤素原子、烷基、或烷基的至少一部分氢原子被卤素原子替代而得到的基团。
卤素原子的实例包括氟原子、氯原子、溴原子和碘原子。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氢原子被卤素原子替代的基团,可列举上述烷基的至少一部分氢原子被上述卤素原子取代的基团。
Ra及Rb为烷基、或烷基的至少一部分氢原子被卤素原子替代的基团时,Ra与Rb可以相互键合而形成环结构(例如环己烷环)。
Ra及Rb优选为氢原子或烷基。
上述通式(1a)中,n为1~10的整数。n为2以上时,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。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,优选二腈和三甲腈。
作为二腈的具体例,可列举出丙二腈、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-1,1-二腈、双环己基-2,2-二腈、双环己基-3,3-二腈、2,5-二甲基-2,5-己烷二腈、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’-(亚乙基二硫基)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,特别优选丁二腈、戊二腈、己二腈。
另外,作为三甲腈的具体例,可以举出戊烷三甲腈、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。
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替代的基团、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和Re各自独立地为氢原子、卤素原子、烷基、或烷基的至少一部分氢原子被卤素原子替代的基团。
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替代而成的基团,可列举出上述通式(1a)中例示的基团。
上述NC-Rc1-Xc1-中的Rc1为亚烷基。作为亚烷基,优选碳原子数1~3的亚烷基。
Rc、Rd和Re各自独立地优选为氢原子、卤素原子、烷基、或烷基的至少一部分的氢原子被卤素原子替代而成的基团。
Rc、Rd及Re的至少1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替代的基团,更优选为氟原子、或烷基的至少一部分氢原子被氟原子替代的基团。
Rd及Re为烷基、或烷基的至少一部分氢原子被卤素原子替代的基团时,Rd与Re可以相互键合而形成环结构(例如环己烷环)。
上述通式(1b)中,m为1~10的整数。m为2以上时,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。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,可例示出乙腈、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3,3,3-三氟丙腈。
上述通式(1c)中,Rf、Rg、Rh及Ri分别独立地为含氰基(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替代的基团。
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替代而成的基团,可列举出上述通式(1a)中例示的基团。
作为含氰基的基团,除了氰基以外,还可以举出将烷基的至少一部分氢原子被氰基替代而得到的基团。作为该情况下的烷基,可列举出上述通式(1a)中例示的烷基。
Rf、Rg、Rh及Ri中的至少1个为含氰基的基团。优选Rf、Rg、Rh及Ri中的至少2个为含氰基的基团,更优选Rh及Ri为含氰基的基团。Rh及Ri为含氰基的基团时,Rf及Rg优选为氢原子。
上述通式(1c)中,l为1~3的整数。l为2以上时,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。l优选为1~2的整数。
作为上述通式(1c)所示的腈化合物,可例示出3-己烯二腈、丙二腈、马来腈、富马酸腈、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3-己烯二腈、丙二腈,特别优选3-己烯二腈。
上述腈化合物的含量相对于电解液优选为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保存特性、安全性。上述腈化合物的含量的合计的下限更优选为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%。
本公开的电解液可以包含具有异氰酸酯基的化合物(以下,有时简称为“异氰酸酯”)。作为上述异氰酸酯,没有特别限定,可以使用任意的异氰酸酯。作为异氰酸酯的例子,可列举出单异氰酸酯类、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,可列举出: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、乙基异氰酸酯等。
作为二异氰酸酯类的具体例,可列举出: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、甲苯二异氰酸酯、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、1,1'-二异氰酸酯、二环己基甲烷-2,2'-二异氰酸酯、二环己基甲烷-3,3'-二异氰酸酯、二环己基甲烷-4,4'-二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯、双环[2.2.1]庚烷-二(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、1,4-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1,6,11-三异氰酸酯基十一烷、4-异氰酸酯基甲基-1,8-八亚甲基二异氰酸酯、1,3,5-三异氰酸酯基甲基苯、1,3,5-三(6-异氰酸酯基十六烷-1-基)-1,3,5-三嗪-2,4,6(1H,3H,5H)-三酮、4-(异氰酸酯基甲基)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-异氰酸根合己烷-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在工业上容易获得,从将电解液的制造成本抑制得较低的方面出发是优选的,另外从技术的观点出发也能够有助于形成稳定的被膜状的结构物,更优选使用。
异氰酸酯的含量没有特别限定,只要不显著损害本公开的效果就可以是任意的,相对于电解液,优选为0.001质量%以上且1.0质量%以下。异氰酸酯的含量为该下限以上时,能够对非水系电解液二次电池带来充分的循环特性提高效果。另外,为该上限以下时,能够避免非水系电解液二次电池的初期的电阻增加。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。
本公开的电解液可以包含环状磺酸酯。作为环状磺酸酯,没有特别限定,可以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
不饱和环状磺酸酯的具体实例,可列举出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-丁烯-1-1,4-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、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,从获得的容易性、能够有助于形成稳定的覆膜状的结构物的方面出发,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。环状磺酸酯的含量没有特别限定,只要不显著损害本公开的效果就可以是任意的,相对于电解液,优选为0.001质量%以上且3.0质量%以下。
环状磺酸酯的含量为该下限以上时,能够对非水系电解液二次电池带来充分的循环特性提高效果。另外,为该上限以下时,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。
本公开的电解液还可以含有重均分子量为2000~4000、末端具有-OH、-OCOOH或-COOH的聚氧乙烯。
通过含有这样的化合物,电极界面的稳定性提高,能够提高电化学器件的特性。
作为上述聚氧乙烯,例如可列举出聚氧乙烯单醇、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2种以上。
其中,从电化学器件的特性变得更良好的方面考虑,优选为聚氧乙烯单醇与聚氧乙烯二醇的混合物、以及聚乙烯羧酸与聚乙烯二羧酸的混合物。
上述聚氧乙烯的重均分子量过小时,有可能容易氧化分解。上述重均分子量更优选为3000~4000。
上述重均分子量可以通过基于凝胶渗透色谱(GPC)法的聚苯乙烯换算来测定。
上述聚氧乙烯的含量优选在电解液中为1×10-6~1×10-2mol/kg。上述聚氧乙烯的含量过多时,有可能损害电化学器件的特性。
上述聚氧乙烯的含量更优选为5×10-6mol/kg以上。
本公开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、过充电防止剂、其他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的降低。
作为氟代饱和环状碳酸酯,可列举出上述通式(A)所示的化合物。其中,优选氟代碳酸亚乙酯、二氟代碳酸亚乙酯、单氟代甲基碳酸亚乙酯、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和比率组合使用2种以上。
相对于上述电解液,上述氟代饱和环状碳酸酯的含量优选为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的碳酸亚乙酯类、碳酸苯基酯类、碳酸乙烯基酯类、碳酸烯丙基酯类、儿茶酚碳酸酯类等。
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、乙炔基碳酸亚乙酯、炔丙基碳酸亚乙酯、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的碳酸亚乙酯类的具体例,可举出碳酸乙烯基亚乙酯、碳酸4,5-二乙烯基亚乙酯、碳酸4-甲基-5-乙烯基亚乙酯、碳酸4-烯丙基-5-乙烯基亚乙酯、碳酸乙炔基亚乙酯、碳酸4,5-二乙炔基亚乙酯、碳酸4-甲基-5-乙炔基亚乙酯、碳酸4-乙烯基-5-乙炔基亚乙酯、碳酸4-烯丙基-5-乙炔基亚乙酯、碳酸苯基亚乙酯、碳酸4,5-二苯基亚乙酯、碳酸4-苯基-5-乙烯基亚乙酯、碳酸4-烯丙基-5-苯基亚乙酯、碳酸烯丙基亚乙酯、碳酸4,5-二烯丙基亚乙酯、碳酸4-甲基-5-烯丙基亚乙酯、碳酸4-亚甲基-1,3-二氧戊环-2-酮、碳酸4,5-二亚甲基-1,3-二氧戊环-2-酮、碳酸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、乙炔基碳酸亚乙酯形成更稳定的界面保护覆膜,因此特别优选,最优选碳酸亚乙烯酯。
不饱和环状碳酸酯的分子量没有特别限制,只要不显著损害本发明的效果即可为任意。分子量优选为50以上且250以下。如果为该范围,则易于确保不饱和环状碳酸酯在非水系电解液中的溶解性,易于充分体现本发明的效果。不饱和环状碳酸酯的分子量更优选为80以上、且更优选150以下。
不饱和环状碳酸酯的制造方法没有特别限制,能够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和比例并有2种以上。
上述不饱和环状碳酸酯的含量没有特别限制,只要不显著损害本公开的效果,则为任意。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,则使用了电解液的电化学器件容易表现出充分的循环特性提高效果,另外,容易避免高温保存特性降低、气体产生量变多、放电容量维持率降低这样的事态。
作为不饱和环状碳酸酯,除了上述那样的非氟代不饱和环状碳酸酯以外,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是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具有的氟原子的数目只要为1以上,就没有特别限制。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,可以举出4-氟代碳酸亚乙烯酯、4-氟代-5-甲基碳酸亚乙烯酯、4-氟代-5-苯基碳酸亚乙烯酯、4-烯丙基-5-氟代碳酸亚乙烯酯、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的氟代碳酸亚乙酯衍生物,可以举出: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,由于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形成稳定的界面保护被膜,因此更优选使用。
氟代不饱和环状碳酸酯的分子量没有特别限制,只要不显著损害本发明的效果即可为任意。分子量优选为50以上且500以下。如果为该范围,则容易确保氟代不饱和环状碳酸酯在电解液中的溶解性。
氟代不饱和环状碳酸酯的制造方法没有特别限制,能够任意选择公知的方法制造。分子量更优选为100以上,另外,更优选为200以下。
氟代不饱和环状碳酸酯可以单独使用一种,也可以以任意组合和比例并有2种以上。另外,氟代不饱和环状碳酸酯的配合量没有特别限制,只要不显著损害本发明的效果即可为任意。氟代不饱和环状碳酸酯的含量通常在电解液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,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,则使用了电解液的电化学器件容易表现出充分的循环特性提高效果,另外,容易避免高温保存特性降低、气体产生量变多、放电容量维持率降低这样的事态。
本公开的电解液可以包含具有三键的化合物。只要是分子内具有1个以上三键的化合物,其种类就没有特别限定。
作为具有三键的化合物的具体例,例如可举出以下的化合物。
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、1-十二碳炔、2-十二碳炔、3-十二碳炔、4-十二碳炔、5-十二碳炔、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、二环己基乙炔等烃化合物;
碳酸2-丙炔基甲基酯、碳酸2-丙炔基乙基酯、碳酸2-丙炔基丙基酯、碳酸2-丙炔基丁基酯、碳酸2-丙炔基苯基酯、碳酸2-丙炔基环己基酯、碳酸二-2-丙炔基酯、碳酸1-甲基-2-丙炔基甲基酯、碳酸1,1-二甲基-2-丙炔基甲酯、碳酸2-丁炔基甲基酯、碳酸3-丁炔基甲基酯、碳酸2-戊炔基甲基酯、碳酸3-戊炔基甲基酯、碳酸4-戊炔基甲基酯等单碳酸酯;二碳酸2-丁炔-1,4-二醇二甲酯、二碳酸2-丁炔-1,4-二醇二乙酯、二碳酸2-丁炔-1,4-二醇二丙酯、二碳酸2-丁炔-1,4-二醇二丁酯、二碳酸2-丁炔-1,4-二醇二苯基酯、二碳酸2-丁炔-1,4-二醇二环己基酯等二碳酸酯;
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、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]二氧杂硫杂环戊烷-2-氧化物(1,2-环己二醇、2,2-二氧化物-1,2-氧杂硫杂环戊烷-4-基乙酸酯、2,2-二氧化物-1,2-氧杂硫杂环戊烷-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-丙炔基酯、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-丁炔基酯、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-丁炔基乙烯基酯酯、草酸烯丙基3-丁炔基酯、草酸二-3-丁炔基酯等草酸二酯;
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、以及(2-丙炔基)(3-丁烯基)膦氧化物等氧化膦;
甲基(2-丙烯基)次膦酸2-丙炔基酯、2-丁烯基(甲基)次膦酸2-丙炔基酯、二(2-丙烯基)次膦酸2-丙炔基酯、二(3-丁烯基)次膦酸2-丙炔基酯、甲基(2-丙烯基)次膦酸1,1-二甲基-2-丙炔基酯、2-丁烯基(甲基)次膦酸1,1-二甲基-2-丙炔基酯、二(2-丙烯基)次膦酸1,1-二甲基-2-丙炔基酯、和二(3-丁烯基)次膦酸1,1-二甲基-2-丙炔基酯、甲基(2-丙炔基)次膦酸2-丙烯基酯、甲基(2-丙炔基)次膦酸3-丁烯基酯、二(2-丙炔基)次膦酸2-丙烯基酯、二(2-丙炔基)次膦酸3-丁烯基酯、2-丙炔基(2-丙烯基)次膦酸2-丙烯基酯、及2-丙炔基(2-丙烯基)次膦酸3-丁烯基酯等次膦酸酯;
2-丙烯基膦酸甲酯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、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)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)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被膜,因此优选。
进而,从提高保存特性的观点出发,特别优选碳酸2-丙炔基甲基酯、碳酸二-2-丙炔基酯、二碳酸2-丁炔-1,4-二醇二甲基酯、乙酸2-丙炔基酯、2-丁炔-1,4-二醇二乙酸酯、草酸甲基2-丙炔基酯、草酸二-2-丙炔基酯等化合物。
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和比率组合使用2种以上。对于相对于本公开的电解液整体的具有三键的化合物的配合量没有限制,只要不显著损害本公开的效果就可以是任意的,相对于本公开的电解液,通常以0.01质量%以上、优选以0.05质量%以上、更优选以0.1质量%以上,另外,通常以5质量%以下、优选以3质量%以下、更优选以1质量%以下的浓度含有。满足上述范围时,输出特性、负载特性、低温特性、循环特性、高温保存特性等效果进一步提高。
在本公开的电解液中,为了在使用了电解液的电化学器件成为过充电等状态时有效地抑制电池的破裂、起火,可以使用过充电防止剂。
作为过充电防止剂,可列举出联苯、邻三联苯、间三联苯、对三联苯等未取代或被烷基取代的三联苯衍生物、未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、苯甲醚等芳香族化合物;2-氟联苯、4-氟联苯、邻环己基氟苯、对环己基氟苯、邻环己基氟苯、对环己基氟苯、氟甲苯、三氟甲苯等上述芳香族化合物的部分氟代物;2,4-二氟苯甲醚、2,5-二氟苯甲醚、1,6-二氟苯甲醚、2,6-二氟苯甲醚、3,5-二氟苯甲醚等含氟苯甲醚化合物;乙酸3-丙基苯基酯、乙酸2-乙基苯基酯、乙酸苄基苯基酯、乙酸甲基苯基酯、乙酸苄基苯基酯、乙酸苯乙基苯基酯等芳香族乙酸酯类;碳酸二苯酯、碳酸甲基苯基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、乙酸邻环己基苯基酯等芳香族乙酸酯类;等未取代或被烷基取代的联苯衍生物等。其中,优选联苯、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-丙基苯基酯、乙酸2-乙基苯基酯、乙酸苄基苯基酯、乙酸甲基苯基酯、乙酸苄基酯、碳酸二苯酯、碳酸甲基苯基酯等。它们可以单独使用一种,也可以并用2种以上。在并用2种以上的情况下,从过充电防止特性与高温保存特性的平衡的方面出发,特别优选并用环己基苯与叔丁基苯或叔戊基苯的组合;以及并用选自联苯、烷基联苯、三联苯、三联苯的部分氢化物、环己基苯、叔丁基苯、叔戊基苯等不含氧的芳香族化合物中的至少一种与选自二苯基醚、二苯并呋喃等含氧芳香族化合物中的至少一种的组合。
本公开中使用的电解液可以使用羧酸酐(其中,化合物(2)除外)。作为上述羧酸酐,优选下述通式(6)所示的化合物。羧酸酐的制造方法没有特别限制,可以任意选择公知的方法来制造。
[化80]
(通式(6)中,R61、R62各自独立,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只要是一价烃基,其种类就没有特别限制。例如,可以是脂肪族烃基,也可以是芳香族烃基,也可以是脂肪族烃基与芳香族烃基键合而成的基团。脂肪族烃基可以为饱和烃基,也可以包含不饱和键(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,链状的情况下,可以为直链状也可以为支链状。进而,也可以是链状与环状键合而成的。需要说明的是,R61和R62彼此可以相同,也可以不同。
另外,R61、R62的烃基具有取代基时,该取代基的种类只要不违反本公开的主旨就没有特别限制,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,作为除了卤素原子以外的取代基,还可列举具有酯基、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,也可具有两个以上。在具有两个以上的取代基的情况下,这些取代基可以相同,也可以相互不同。
R61、R62各自的烃基的碳原子数通常为1以上,并且通常为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。R61与R62相互键合而形成二价烃基的情况下,该二价烃基的碳原子数通常为1以上,并且通常为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,R61、R62的烃基具有含有碳原子的取代基时,优选也包括该取代基的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,在以下的例示中,“类似物”是指通过在不违反本公开的主旨的范围内将所例示的酸酐的结构的一部分置换为其它结构而得到的酸酐,例如可以举出由多个酸酐构成的二聚体、三聚体和四聚体等、或者取代基的碳原子数相同但具有支链的等结构异构的物质、取代基与酸酐键合的部位不同的物质等。
首先,以下列举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被卤素原子替代的酸酐的例子,以下主要列举被氟原子替代的酸酐的例子,将这些氟原子的一部分或全部取代为氯原子、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为被卤素原子替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、2,2,3,3-四丙酸酐、2,3,3,3-四丙酸酐、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为被卤素原子替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为被卤素原子替代的烯基的酸酐的例子,可列举出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-丁烯酸酐等以及它们的类似物等。
作为R61、R62为被卤素原子替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为被卤素原子替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具有酯、腈、酮、醚等具有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,以下列举R61、R62互不相同的酸酐的具体例。
作为R61、R62,可以考虑以上列举的例子、以及它们的类似物的全部组合,
作为链状烷基彼此的组合的例子,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。
作为链状烷基与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。
作为链状烷基与炔基的组合的例子,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。
作为链状烷基与芳基的组合的例子,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。
作为链状烷基与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。
作为环状烷基彼此的组合的例子,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,可列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。
作为环状烷基与炔基的组合的例子,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。
作为环状烷基与芳基的组合的例子,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。
作为环状烷基与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。
作为烯基彼此的组合的例子,可列举出丙烯酸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。
作为烯基与炔基的组合的例子,可列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。
作为烯基与芳基的组合的例子,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。
作为具有烯基和官能团的烃基的组合的例子,可列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。
作为炔基彼此的组合的例子,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。
作为炔基与芳基的组合的例子,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。
作为具有炔基和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。
作为芳基彼此的组合的例子,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。
作为芳基与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彼此的组合的例子,可列举出氟代乙酸三氟乙酸酐、氟代乙酸2-氰基乙酸酐、氟代乙酸甲氧基乙酸酐、三氟乙酸2-氰基乙酸酐等。
形成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-氟苯甲酸酐、2,3,4,5,6-氟苯甲酸酐、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而形成耐久性优异的被膜,特别是从能够提高耐久试验后的充放电倍率特性、输入输出特性、阻抗特性的观点出发是优选的。
需要说明的是,上述羧酸酐的分子量没有限制,只要不显著损害本公开的效果就可以是任意的,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。羧酸酐的分子量在上述范围内时,能够抑制电解液的粘度上升,并且由于被膜密度被优化,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,可以任意选择公知的方法来制造。以上说明的羧酸酐可以在本公开的非水系电解液中单独含有任意一种,也可以以任意的组合和比率同时具有2种以上。
另外,上述羧酸酐相对于本公开的电解液的含量没有特别限制,只要不显著损害本公开的效果就可以是任意的,但理想的是,相对于本公开的电解液,通常以0.01质量%以上、优选以0.1质量%以上、另外通常以5质量%以下、优选以3质量%以下的浓度含有。羧酸酐的含量为上述范围内时,容易表现出循环特性提高效果,另外,由于反应性适宜,因此电池特性容易提高。
本公开的电解液可以使用公知的其他助剂。作为其它助剂,可列举出戊烷、庚烷、辛烷、壬烷、癸烷、环庚烷、苯、呋喃、萘、2-苯基双环己基、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、三氟甲苯、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;
脱水赤藓糖醇(Erythritan)碳酸酯、螺环-双-二亚甲基碳酸酯(spiro-bis-dimethylene carbonate)、甲氧基乙基-甲基碳酸酯等碳酸酯化合物;
二氧戊环、二氧杂环己烷、2,5,8,11-四氧杂十二烷、2,5,8,11,14-五氧杂十五烷、乙氧基甲氧基乙烷、三甲氧基甲烷、甘醇二甲醚、乙基甘醇二甲醚等醚系化合物;
二甲基酮、二乙基酮、3-戊酮等酮系化合物;
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、草酸甲酯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-丙炔基酯、2-丁炔-1,4-二基甲酸酯、甲基丙烯酸2-丙炔基酯、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、丙二磺酸酐、磺基丁酸酐、磺基苯甲酸酐、磺基丙酸酐、乙二磺酸酐、甲二磺酸亚甲基酯、甲磺酸2-丙炔基酯、亚硫酸亚戊基酯、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-丙炔基酯、双(2-乙烯基磺酰基乙基)醚、5-乙烯基-六氢-1,3,2-苯并二氧杂硫杂环戊烷-2-氧化物、2-(甲磺酰氧基)丙酸2-丙炔基酯、5,5-二甲基-1,2-氧杂硫杂环戊烷-4-酮2,2-二氧化物、3-磺基-丙酸酐2-甲基四氢呋喃、甲二磺酸三亚甲基酯、四亚甲基亚砜、甲二磺酸四亚甲基酯、甲二磺酸二亚甲基酯、甲二磺酸二亚甲基酯、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-咪唑啉酮和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、二甲基膦酸甲酯、二乙基膦酸乙酯、三甲基氧化膦、三乙基氧化膦、磷酸双(2,2-二氟乙酯)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(2,2,2-三氟乙酯)甲酯、磷酸双(2,2,2-三氟乙酯)乙酯、磷酸双(2,2,2-三氟乙酯)2,2-二氟乙基磷酸双(2,2,2-三氟乙酯)2,2,3,3-四氟丙酯、磷酸三丁酯、磷酸三(2,2,2-三氟乙酯)、磷酸三(1,1,1,3,3,3-六氟丙烷-2-基)酯、磷酸三辛酯、磷酸2-苯基二甲酯、磷酸2-苯基苯基二乙酯、磷酸(2,2,2-三氟乙酯)(2,2,3,3-四氟丙基)甲酯、甲基2-(二甲氧基磷酰基)乙酸酯、甲基2-(二甲基磷酰基)乙酸酯、甲基2-(二甲基磷酰基)乙酸酯、2-(二乙基磷酰基)乙酸酯、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;
二甲氧基铝氧三甲氧基硅烷、二乙氧基铝氧三乙氧基硅烷、二丙氧基铝氧三乙氧基硅烷、二丁氧基铝氧三甲氧基硅烷、二丁氧基铝氧三乙氧基硅烷、四(三甲基硅氧烷)钛、四(三乙基甲硅烷氧基)钛、四甲基硅烷等硅烷化合物等。
它们可以单独使用一种,也可以并用2种以上。通过添加这些助剂,能够提高高温保存后的容量维持特性、循环特性。
作为上述其他助剂,其中优选含磷化合物,优选磷酸三(三甲基硅基)酯、亚磷酸三(三甲基硅基)酯。
其它助剂的配合量没有特别限制,只要不显著损害本发明的效果即可为任意。其他助剂在电解液100质量%中优选为0.01质量%以上,并且为5质量%以下。如果为该范围,则易于充分体现出其它助剂的效果,也易于避免高负载放电特性等电池特性降低的情况。其他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。
本公开的电解液可以在不损害本公开的效果的范围内进一步含有环状和链状羧酸酯、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)化剂、表面活性剂、高介电化添加剂、循环特性和倍率特性改善剂、砜系化合物等作为添加剂。
作为上述环状羧酸酯,可以举出其结构式中的总碳原子数为3~12的环状羧酸酯。具体而言,可列举出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,从由锂离子解离度的提高带来的电化学器件的特性提高的观点出发,特别优选γ-丁内酯。
作为添加剂的环状羧酸酯的配混量通常在溶剂100质量%中优选为0.1质量%以上、更优选为1质量%以上。为该范围时,容易改善电解液的电导率,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。通过这样设定上限,将电解液的粘度设为适当的范围,避免电导率的降低,抑制负极电阻的增大,容易将电化学器件的大电流放电特性设为良好的范围。
另外,作为上述环状羧酸酯,也可以优选使用氟代环状羧酸酯(含氟内酯)。作为含氟内酯,可以列举例如下述式(C)所示的含氟内酯:
[化81]
(式中,X15~X20相同或不同,均为-H、-F、-Cl、-CH3或氟代烷基;其中,X15~X20中的至少1个为氟代烷基。)
作为X15~X20中的氟代烷基,例如可列举出-CFH2、-CF2H、-CF3、-CH2CF3、-CF2CF3、-CH2CF2CF3、-CF(CF3)2等,从耐氧化性高、具有安全性提高效果的方面出发,优选-CH2CF3、-CH2CF2CF3。
如果X15~X20的至少1个为氟代烷基,则-H、-F、-Cl、-CH3或氟代烷基可以仅在X15~X20的1个部位取代,也可以在多个部位取代。从电解质盐的溶解性良好的观点出发,优选为1~3处,更优选为1~2处。
氟代烷基的取代位置没有特别限定,从合成收率良好的方面出发,X17和/或X18特别优选X17或X18为氟代烷基,其中优选为-CH2CF3、-CH2CF2CF3。除氟代烷基以外的X15~X20为-H、-F、-Cl或CH3,特别是从电解质盐的溶解性良好的观点出发,优选为-H。
作为含氟内酯,除了上述式所示的含氟内酯以外,还可以列举例如下述式(D)所示的含氟内酯等。
[化82]
(式中,A和B中的任一者为CX226X227(X226和X227相同或不同,均为-H、-F、-Cl、-CF3、-CH3或氢原子可以被卤素原子替代且在链中可含有杂原子的亚烷基。其中,另一个为氧原子;Rf12为可具有醚键的氟代烷基或氟代烷氧基;X221和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替代且在链中可含有杂原子的烷基;n=0或1)
作为式(D)所示的含氟内酯,从合成容易的方面、化学稳定性良好的方面出发,可优选列举出下述式(E)所示的5元环结构,进而,通过A与B的组合,有下述式(F)所示的含氟内酯和下述式(G)所示的含氟内酯。
[化83]
(式中,A、B、Rf12、X221、X222和X223和式(D)相同)
[化84]
(式中,Rf12、X221、X222、X223、X226和X227和式(D)相同)
[化85]
(式中,Rf12、X221、X222、X223、X226和X227和式(D)相同)
其中,从能够特别发挥高介电常数、高耐电压这样的优异特性的方面、以及在电解质盐的溶解性、内部电阻的降低良好的方面作为本公开中的电解液的特性提高的方面出发,优选
[化86]
通过含有氟代环状羧酸酯,可得到离子传导率的提高、安全性的提高、高温时的稳定性提高这样的效果。
作为上述链状羧酸酯,可以举出其结构式中的总碳原子数为3~7的链状羧酸酯。具体而言,可列举出乙酸甲酯、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,从粘度降低带来的离子传导率的提高的观点出发,优选乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸正丙酯、乙酸正丁酯、丙酸甲酯、丙酸乙酯、丙酸正丙酯、丙酸异丙酯、丁酸甲酯、丁酸乙酯等。
作为上述醚化合物,优选碳原子数为2~10的链状醚和碳原子数为3~6的环状醚。
作为碳原子数2~10的链状醚,可以举出二甲醚、二乙醚、二正丁醚、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、乙二醇二正丙醚、乙二醇二正丁醚、二乙二醇、二乙二醇二甲醚、五乙二醇、三乙二醇二甲醚、三乙二醇、四乙二醇、四乙二醇二甲醚、二异丙基醚等。
另外,作为上述醚化合物,也可以优选使用氟代醚。
作为上述氟代醚,可列举出下述通式(I)表示的氟代醚(I):
Rf3-O-Rf4 (I)
(式中,Rf3和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和Rf4中的至少一者为氟代烷基。)
通过含有氟代醚(I),电解液的阻燃性提高,并且高温高电压下的稳定性、安全性提高。
上述通式(I)中,只要Rf3和Rf4中的至少一者为碳原子数1~10的氟代烷基即可,从进一步提高电解液的阻燃性和高温高电压下的稳定性、安全性的观点出发,优选Rf3和Rf4均为碳原子数1~10的氟代烷基。该情况下,Rf3和Rf4可以相同,也可以相互不同。
其中,更优选Rf3和Rf4相同或不同,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。
Rf3和Rf4的合计碳原子数过少时,氟代醚的沸点变得过低,另外,Rf3或Rf4的碳原子数过多时,电解质盐的溶解性降低,对与其他溶剂的相容性也开始产生不良影响,另外,粘度上升,因此倍率特性降低。Rf3的碳原子数为3或4、Rf4的碳原子数为2或3时,在沸点和倍率特性优异的方面是有利的。
上述氟代醚(I)的氟含有率优选为40~75质量%。具有该范围的氟含有率时,不燃性与相容性的平衡特别优异。另外,从耐氧化性、安全性良好的观点出发也是优选的。
上述氟含有率的下限更优选为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)的氟含有率是基于氟代醚(I)的结构式通过{(氟原子的个数×19)/氟代醚(I)的分子量}×100(%)算出的值。
作为Rf3,例如可以举出CF3CF2CH2-、CF3CFHCF2-、HCF2CF2CF2-、HCF2CF2CH2-、CF3CF2CH2CH2-、CF3CFHCF2CH2-、HCF2CF2CF2CF2-、HCF2CF2CF2CH2-、HCF2CF2CH2CH2-、HCF2CF(CF3)CH2-等。另外,作为Rf4,例如可以举出:-CH2CF2CF3、-CF2CFHCF3、-CF2CF2CF2H、-CH2CF2CF2H、-CH2CH2CF2CF3、-CH2CF2CFHCF3、-CF2CF2CF2CF2H、-CH2CF2CF2CF2H、-CH2CH2CF2CF2H、-CH2CF(CF3)CF2H、-CF2CF2H、-CH2CF2H和-CF2CH3。
作为上述氟代醚(I)的具体例,例如可以举出HCF2CF2CH2OCF2CF2H、CF3CF2CH2OCF2CF2H、HCF2CF2CH2OCF2CFHCF3、CF3CF2CH2OCF2CFHCF3、C6F13OCH3、C6F13OC2H5、C8F17OCH3、C8F17OC2H5、CF3CFHCF2CH(CH3)OCF2CFHCF3、HCF2CF2OCH(C2H5)2、HCF2CF2OC4H9、HCF2CF2OCH2CH(C2H5)2、HCF2CF2OCH2CH(CH3)2等。
其中,在单末端或两末端含有HCF2-或CF3CFH-的化合物的极性优异,能够赋予沸点高的氟化醚(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),例如可以举出CF3CH2OCF2CFHCF3、CF3CF2CH2OCF2CFHCF3、HCF2CF2CH2OCF2CFHCF3、HCF2CF2CH2OCH2CF2CF2H、CF3CFHCF2CH2OCF2CFHCF3、HCF2CF2CH2OCF2CF2H、CF3CF2CH2OCF2CF2H等中的一种或2种以上。
其中,从高沸点、与其他溶剂的相容性、电解质盐的溶解性良好的方面考虑是有利的,优选为选自HCF2CF2CH2OCF2CFHCF3(沸点106℃)、CF3CF2CH2OCF2CFHCF3(沸点82℃)、HCF2CF2CH2OCF2CF2H(沸点92℃)和CF3CF2CH2OCF2CF2H(沸点68℃中的至少一种,优选为HCF2CF2CH2OCF2CFHCF3(沸点106℃)和HCF2CF2CH2OCF2CF2H(沸点92℃)中的至少一种。
作为碳原子数为3-6环状醚,可列举出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、多聚甲醛、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)-1,3-二氧戊环等以及它们的氟化化合物。其中,从对锂离子的溶剂化能力高、提高离子解离度的方面考虑,优选二甲氧基甲烷、二乙氧基甲烷、乙氧基甲氧基甲烷、乙二醇正丙醚、乙二醇二正丁醚、二乙二醇二甲醚、冠醚,从粘性低、赋予高离子传导率的方面考虑,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。
作为上述含氮化合物,可列举出腈、含氟腈、羧酸酰胺、含氟羧酸酰胺、磺酸酰胺和含氟磺酸酰胺、乙酰胺、甲酰胺等。另外,也可以使用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-咪唑啉酮和N-甲基琥珀酰亚胺等。其中,上述通式(1a)、(1b)和(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,例如可列举出硼酸三甲酯、硼酸三乙酯等硼酸酯、硼酸醚和烷基硼烷等。
含有机硅化合物的实例包括(CH3)4-Si、(CH3)3-Si-Si(CH3)3和硅油。
作为上述不燃(阻燃)化剂,可列举出磷酸酯、磷腈系化合物。作为上述磷酸酯,例如可列举出含氟烷基磷酸酯、非氟系烷基磷酸酯、芳基磷酸酯等。其中,从能够以少量发挥不燃效果的方面考虑,优选为含氟烷基磷酸酯。
上述磷腈系化合物例如可列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。
作为上述含氟烷基磷酸酯,具体而言,可列举出日本特开平11-233141号公报中记载的含氟二烷基磷酸酯、日本特开平11-283669号公报中记载的环状的烷基磷酸酯、或含氟三烷基磷酸酯等。
作为上述不燃(阻燃)化剂,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,可以是阳离子性表面活性剂、阴离子性表面活性剂、非离子性表面活性剂、两性表面活性剂中的任一种,但从循环特性、倍率特性变得良好的观点出发,优选为含有氟原子的表面活性剂。
作为这样的含有氟原子的表面活性剂,优选为例如下述式(30)所示的含氟羧酸盐和下述式(40)表示的含氟磺酸盐等:
Rf5COO-M+ (30)
(式中,Rf5为碳原子数3~10的可含有醚键的含氟烷基;M+为Li+、Na+、K+或NHR'3 +(R'相同或不同,均为H或碳原子数为1~3的烷基))
Rf6SO3 -M+ (40)
(式中,Rf6为碳原子数3~10的可含有醚键的含氟烷基;M+为Li+、Na+、K+或NHR'3 +(R'相同或不同,均为H或碳原子数为1~3的烷基))
从能够在不降低充放电循环特性的情况下降低电解液的表面张力的观点出发,上述表面活性剂的含量在电解液中优选为0.01~2质量%。
作为上述高介电化添加剂,例如可列举出环丁砜、甲基环丁砜、γ-丁内酯、γ-戊内酯等。
作为上述循环特性和倍率特性改善剂,例如可列举出:乙酸甲酯、乙酸乙酯、四氢呋喃、1,4-二噁烷等。
另外,本公开的电解液也可以进一步与高分子材料组合而制成凝胶状(被塑化)的凝胶电解液。
作为该高分子材料,可列举出以往公知的聚氧乙烯、聚环氧丙烷、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);这些氟树脂与烃系树脂的复合体(日本特开平11-35765号公报、日本特开平11-86630号公报)等。特别优选使用聚偏二氟乙烯、偏二氟乙烯-六氟丙烯共聚物作为凝胶电解质用高分子材料。
此外,本公开的电解液也可以包含日本特愿2004-301934号说明书中记载的离子传导性化合物。
该离子传导性化合物是在由式(101)所示的侧链上具有含氟醚基的含氟聚醚化合物。
A-(D)-B (101)
[式中,D为式(201)):
-(D1)n-(FAE)m-(AE)p-(Y)q- (201)
(式中,D1为式(2a)所示的侧链上具有含氟醚基的醚单元:
[化87]
(式中,Rf为可具有交联性官能团的含氟醚基;R10为将Rf与主链键合的基团或键合端)
FAE是式(2b)所示的侧链具有氟代烷基的醚单元表示;
[化88]
(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与主链键合的基团或键合端)
AE是式(2c)所示的醚单元;
[化89]
(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式烃基或可具有交联性官能团的芳香族烃基;R12为将R13与主链键合的基团或键合端)
Y为包含式(2d-1)~(2d-3)中的至少一种的单位;
[化90]
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和Y的结合顺序不特定);
A和B相同或不同,为可含有氢原子、氟原子和/或交联性官能团的烷基、可含有氟原子和/或交联性官能团的苯基、-COOH基、-OR(R为氢原子或可含有氟原子和/或交联性官能团的烷基)、酯基或碳酸酯基(其中,D的末端为氧原子时不是-COOH基、-OR、酯基和碳酸酯基)]。
本公开的电解液可以包含砜系化合物。作为砜类化合物,优选碳原子数为3~6的环状砜和碳原子数为2~6的链状砜。1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,优选环丁砜和/或环丁砜衍生物(以下,包括环丁砜在内也称为环丁砜类)。作为环丁砜衍生物,优选构成环丁砜环的碳原子上键合的氢原子的1个以上被氟原子、烷基替代而成的化合物。
其中,从离子电导率高且输入输出高的方面出发,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、3-环丁烯砜、5-氟-3-(三氟甲基)环丁砜等。
另外,作为链状砜,可列举出二甲基砜、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,从离子电导率高且输入输出高的方面出发,优选二甲基砜、乙基甲基砜、二乙基砜、正丙基甲基砜、异丙基甲基砜、正丁基甲基砜、叔丁基甲基砜、单氟甲基甲基砜、二氟甲基甲基砜、三氟甲基甲基砜、单氟乙基甲基砜、二氟乙基甲基砜、三氟乙基甲基砜、五氟乙基甲基砜、乙基单氟甲基砜、乙基二氟甲基砜、乙基三氟甲基砜、乙基三氟乙基砜、乙基五氟乙基砜、三氟甲基正丙基砜、三氟甲基异丙基砜、三氟乙基正丁基砜、三氟乙基叔丁基砜、三氟甲基正丁基砜、三氟甲基叔丁基砜等。
砜系化合物的含量没有特别限制,只要不显著损害本公开的效果就可以是任意的,在上述溶剂100体积%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。如果砜系化合物的含量为上述范围内,则容易得到循环特性、保存特性等耐久性的提高效果,另外,能够使非水系电解液的粘度为适当的范围,避免电导率的降低,能够使非水系电解液二次电池的输入输出特性、充放电倍率特性为适当的范围。
从提高输出特性的观点出发,本公开的电解液还优选包含选自氟磷酸锂盐类(其中,不包括LiPF6)和具有S=O基的锂盐类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,优选使用化合物(7)以外的化合物。
作为上述氟磷酸锂盐类,可以列举单氟磷酸锂(LiPO3F)、二氟磷酸锂(LiPO2F2)等。
作为上述具有S=O基的锂盐类,可以举出单氟磺酸锂(FSO3Li)、甲基硫酸锂(CH3OSO3Li)、乙基硫酸锂(C2H5OSO3Li)、2,2,2-三氟乙基硫酸锂。
作为化合物(7),其中,优选LiPO2F2、FSO3Li、C2H5OSO3Li。
化合物(7)的含量相对于上述电解液优选为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%。
根据需要,本公开的电解液中可以进一步配合其他添加剂。作为其他添加剂,例如可列举出金属氧化物、玻璃等。
本公开的电解液优选包含选自不饱和环状碳酸酯、化合物(2)、腈化合物、氟代饱和环状碳酸酯、具有S=O基的锂盐、氟磷酸锂盐(其中,不包括LiPF6)、氨基磺酸锂化合物、及磷酸或亚磷酸甲硅烷基酯化合物中的至少一种作为添加剂。通过含有这些添加剂,能够进一步降低电化学器件的电阻,另外,能够进一步提高循环特性。
上述添加剂优选为选自不饱和环状碳酸酯、化合物(3)、化合物(4)、通式(1a)所示的腈化合物、氟代饱和环状碳酸酯、烷基硫酸锂化合物、磺酸锂化合物、二氟磷酸锂(LiPO2F2)、下述通式(11)所示的氨基磺酸锂化合物、及M301(OSiR301 3)3(M301为P或P=O,R301独立地为碳原子数1~4的烷基)所示的磷酸或亚磷酸甲硅烷基酯化合物中的至少一种,优选为碳酸亚乙烯酯、碳酸乙烯基亚乙酯、琥珀酸酐、马来酸酐、己二腈、氟代碳酸亚乙酯、二氟代碳酸亚乙酯、C2H5OSO3Li、FSO3Li、LiPO2F2、(CH3CH2)2NSO3Li、(CF3CH2)2NSO3Li、(CF3CH2)(CH3)NSO3Li、(CNCH2)2NSO3Li、磷酸三(三甲基硅基)酯、磷酸三(三乙基硅基)酯、磷酸三(叔丁基二甲基硅基)酯、亚磷酸三(三甲基硅基)酯、亚磷酸三(三乙基硅基)酯、以及亚磷酸三(叔丁基二甲基硅基)酯中的至少1种。
作为上述添加剂,特别优选下述通式(11)所示的氨基磺酸锂化合物。
上述添加剂的含量相对于电解液优选为0.001~5.0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0.5质量%以上,另外,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1.5质量%以下。
通式(11):
[化91]
通式(11)中,R111及R112分别独立地为-H、-F;
式:-Op101-(SiR113 2O)n101-SiR114 3(R113及R114相互独立地为一个以上的氢原子可被氟原子替代的烷基、一个以上的氢原子可被氟原子替代的烯基、一个以上的氢原子可被氟原子替代的炔基或一个以上的氢原子可被氟原子替代的芳基,n101为0以上的整数,p101为0或1。)所示的基团、
碳原子数1~7的烷基、碳原子数2~7的烯基、碳原子数2~7的炔基、碳原子数6~15的芳基、
-SO2X101(X101为-H、-F、或一个以上的氢原子可被氟原子替代的烷基)、
-SO3X102(X102为-H、-F、或一个以上的氢原子可被氟原子替代的烷基)、或
R111与R112键合而形成环状结构且该环状结构中可含有多重键的碳原子数2~7的烃基的取代基,且
上述取代基可在这些结构中含有一个以上的2~6价的杂原子,一个以上的氢原子可被氟原子或碳原子数0~7的官能团替代。
另外,本公开的电解液还优选含有选自由不饱和环状碳酸酯、化合物(2)、腈化合物、氟代饱和环状碳酸酯、具有S=O基的阴离子类、氟磷酸阴离子类(其中,PF6 -除外)、氨基磺酸阴离子类、以及磷酸或亚磷酸甲硅烷基酯化合物组成的组中的至少一种作为添加剂。通过含有这些添加剂,能够进一步降低电化学器件的电阻,另外,能够进一步提高循环特性。
上述添加剂优选为选自不饱和环状碳酸酯、化合物(3)、化合物(4)、通式(1a)所示的腈化合物、氟代饱和环状碳酸酯、烷基硫酸阴离子类、磺酸阴离子类、二氟磷酸阴离子(PO2F2 -)、下述通式(11-1)所示的氨基磺酸阴离子类、及M301(OSiR301 3)3(M301为P或P=O、R301独立地为碳原子数1~4的烷基)所示的磷酸或亚磷酸甲硅烷基酯化合物中的至少一种,优选为碳酸亚乙烯酯、碳酸乙烯基亚乙酯、琥珀酸酐、马来酸酐、己二腈、氟代碳酸亚乙酯、二氟碳酸亚乙酯、C2H5OSO3 -、FSO3 -、PO2F2 -、(CH3CH2)2NSO3 -、(CF3CH2)NSO3 -、(CF3CH2)(CH3)NSO3 -、(CNCH2)2NSO3 -、磷酸三(三甲基硅基)酯、磷酸三(三乙基硅基)酯、磷酸三(叔丁基二甲基硅基)酯、亚磷酸三(三甲基硅基)酯、亚磷酸三(三乙基硅基)酯和亚磷酸三(叔丁基二甲基硅基)酯中的至少1种。
作为上述添加剂,特别优选下述通式(11-1)所示的氨基磺酸阴离子类。
上述添加剂的含量相对于电解液优选为0.001~5.0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0.5质量%以上,另外,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1.5质量%以下。
通式(11-1):
[化92]
通式(11-1)中,R111和R112各自独立地为-H、-F;
式:-Op101-(SiR113 2O)n101-SiR114 3(R113和R114相互独立地为一个以上的氢原子可被氟原子替代的烷基、一个以上的氢原子可被氟原子替代的烯基、一个以上的氢原子可被氟原子替代的炔基或一个以上的氢原子可被氟原子替代的芳基,n101为0以上的整数,p101为0或1)所示的基团、
碳原子数1~7的烷基、碳原子数2~7的烯基、碳原子数2~7的炔基、碳原子数6~15的芳基、
-SO2X101(X101为-H、-F、或一个以上的氢原子可被氟原子替代的烷基)、
-SO3X102(X102为-H、-F、或一个以上的氢原子可被氟原子替代的烷基)、或
R111与R112键合而形成环状结构且该环状结构中可含有多重键的碳原子数2~7的烃基的取代基,且
上述取代基可在这些结构中含有一个以上的2~6价的杂原子,一个以上的氢原子可被氟原子或碳原子数0~7的官能团替代。
下文中,将描述由通式(11)表示的氨基磺酸锂化合物(化合物(11))和由通式(11-1)表示的氨基磺酸阴离子(阴离子(11-1))。
化合物(11)由通式(11)所示。
[化93]
通式(11)中,R111及R112分别独立地为-H、-F、式:-Op101-(SiR113 2O)n101-SiR114 3(R113及R114相互独立地为一个以上的氢原子可以被氟原子替代的烷基、一个以上的氢原子可以被氟原子替代的烯基、一个以上的氢原子可以被氟原子替代的炔基或一个以上的氢原子可以被氟原子替代的芳基,n101为0以上的整数,p101为0或1。)所示的基团、碳原子数1~7的烷基、碳原子数2~7的烯基、碳原子数2~7的炔基、碳原子数6~15的芳基、
-SO2X101(X101为-H、-F、或一个以上的氢原子可被氟原子替代的烷基)、
-SO3X102(X102为-H、-F、或一个以上的氢原子可被氟原子替代的烷基)、或
R111与R112键合而形成环状结构且该环状结构中可含有多重键的碳原子数2~7的烃基的取代基,且
上述取代基可在这些结构中含有一个以上的2~6价的杂原子,一个以上的氢原子可被氟或碳原子数0~7的官能团替代。
需要说明的是,上述各取代基的碳原子数是指也包括上述官能团的碳原子数在内的碳原子数。
上述取代基表示-H、-F、上述式:-Op101-(SiR113 2O)n101-SiR114 3所示的基团、上述烷基、上述烯基、上述炔基、上述芳基、上述-SO2X101、上述-SO3X102、或上述烃基。
上述取代基可以在它们的结构中包含一个以上的2~6价的杂原子,一个以上的氢原子可被氟或碳原子数0~7的官能团替代。
作为上述取代基可具有的官能团,例如优选苯基、茴香基、苄基、氰基、三烷基硅基(烷基的碳原子数优选为1~4)、-SO2X103(X103为-H、-F、或一个以上的氢原子可以被氟原子替代的烷基)、一个以上的氢原子可被氟原子替代的碳原子数1~7的烷基、碳原子数1~7的饱和杂环基、或碳原子数1~7的烷氧基。上述X103中的烷基的碳原子数例如为1~10。
上述R111及R112中,烷基可以为直链状,也可以为支链状,还可以为环状,碳原子数优选为1~10,更优选为1~7。烷基可以是与碳结合的氢原子被氟原子替代的氟烷基,也可以是与碳结合的氢原子被上述官能团替代的基团。
上述R111及R112中,烯基可以为直链状,也可以为支链状,也可以为环状,碳原子数优选为2~10,更优选为2~7。烯基可以是与碳结合的氢原子被氟原子替代的氟亚烷基,也可以是与碳结合的氢原子被上述官能团替代的基团。
上述R111及R112中,炔基可以为直链状,也可以为支链状,也可以为环状,碳原子数优选为2~10,更优选为2~7。炔基可以是与碳结合的氢原子被氟原子替代的氟炔基,也可以是与碳结合的氢原子被上述官能团替代的基团。
上述R111及R112中,芳基优选碳原子数为6~7。芳基可以是与碳结合的氢原子被氟原子替代的氟芳基,也可以是与碳结合的氢原子被上述官能团替代的基团。
上述R111和R112可以为式:-Op101-(SiR113 2O)n101-SiR114 3(R113和R114相互独立地为一个以上的氢原子可被氟原子替代的烷基、一个以上的氢原子可被氟原子替代的烯基、一个以上的氢原子可被氟原子替代的炔基或一个以上的氢原子可被氟原子替代的芳基,n101为0以上的整数,p101为0或1)。
上述R113及R114中,一个以上的氢原子可被氟原子替代的烷基的碳原子数优选为1~10,更优选为1~7。
一个以上的氢原子可被氟原子替代的烯基及炔基的碳原子数优选为2~10,更优选为2~7。
一个以上的氢原子可被氟原子替代的芳基的碳原子数优选为6~8,更优选为6~7。
上述式中,n101为0以上的整数,优选为2000以下,更优选为0~100的整数,进一步优选为0~10。
上述R111和R112可以为-SO2X101(X101为-H、-F、或一个以上的氢原子可被氟原子替代的烷基)。上述-SO2X101基中的烷基的碳原子数优选为1~10,更优选为1~7。
上述R111和R112可以为-SO3X102(X102为-H、-F、或一个以上的氢原子可被氟原子替代的烷基)。上述-SO3X102基中的烷基的碳原子数优选为1~10,更优选为1~7。
作为上述R111和R112,具体而言,可例示出甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、异丁基、仲丁基、叔丁基、戊基、异戊基、新戊基、仲戊基、3-戊基、叔戊基、己基等链状烷基;环戊基、环己基、降冰片烷基、1-金刚烷基等环状烷基;乙烯基、1-丙烯基、2-丙烯基(烯丙基)、2-丁烯基、1,3-丁二烯基等烯基;乙炔基、1-丙炔基、2-丙炔基、2-丁炔基等炔基;三氟甲基、2,2,2-三氟乙基、1,1,2,2-四氟乙基、五氟乙基、2,2,3,3,3-五氟丙基、1,1,2,3,3,3-六氟丙基、七氟丙基等卤代烷基;1-氟乙烯基、2-氟烯丙基等卤代烯基;氰基甲基等具有官能团的烷基;3-吡咯烷基丙基等具有饱和杂环基的烷基取代基、烷氧基等。可以例示:苯基等芳基;苯基甲基、苯基乙基等芳烷基;三甲基硅基等三烷基硅基;三甲基甲硅烷氧基等三烷基甲硅烷氧基;氟磺酰基、三氟甲磺酰基、五氟乙磺酰基等磺酰基等,但并不限定于这些。
另外,在R111与R112键合而形成环状结构的上述烃基的情况下,例如通式(2)中的氮原子(N)与R111和R112可以形成吡咯烷基、哌啶基等环状氨基,也可以形成包含杂原子的4-吗啉基、琥珀酰亚胺基、马来酰亚胺基等含杂环状氨基。它们可以是与碳结合的一个以上的氢原子可被氟原子替代的基团,也可以是与碳结合的氢原子可被上述官能团替代的基团。另外,环状结构中也可以含有双键或三键。
上述取代基可以含有2~6价的杂原子。作为杂原子,可举出氧原子(O)、硫原子(S)、氮原子(N)、硅原子(Si)、磷原子(P)、硼原子(B)等。更优选为氧原子、硫原子或氮原子。
R111及R112优选为碳原子数1~7的烷基,更优选为碳原子数1~5的烷基,进而优选为碳原子数1~4的烷基。
这些烷基可以在结构中包含一个以上的2~6价的杂原子,一个以上的氢原子可被氟原子或碳原子数0~6(优选0~4、更优选0~3)的官能团取代。
作为上述杂原子,优选氧原子、硫原子或氮原子,更优选氧原子或氮原子,进一步优选氮原子。
上述烷基可以含有醚键(-O-)。
作为上述官能团,优选氰基。
作为化合物(11),例如可例示下述式所示的化合物。
[化94]
[化95]
[化96]
[化97]
[化98]
[化99]
[化100]
[化101]
[化102]
[化103]
需要说明的是,本说明书中,Me表示甲基,Et表示乙基,n-Pr表示正丙基,i-Pr表示异丙基,n-Bu表示正丁基,i-Bu表示异丁基,s-Bu表示仲丁基,t-Bu表示叔丁基,TMS表示三甲基硅基,TBDMS表示叔丁基二甲基硅基。另外,在如下述那样记载的情况下,R可以键合于构成苯环的任意碳原子,例如可以在邻位、间位和对位的任意位置具有R。
[化104]
需要说明的是,本说明书中的化合物的例示也包括该化合物的几何异构体(存在时),并不限定于所记载的具体例。
作为化合物(11),其中,优选下述式所示的化合物。
[化105]
作为化合物(11),更优选下述式所示的化合物。
[化106]
作为化合物(11),更优选下述式所示的化合物。
[化107]
化合物(11)也可为下述通式(11a)所表示的化合物(以下也称为化合物(11a))。
通式(11a):
[化108]
(式中,R201和R202各自独立地为-H、-F、
式:-Op101-(SiR113 2O)n101~SiR114 3(R113和R114相互独立地为一个以上的氢原子可被氟原子替代的烷基、一个以上的氢原子可被氟原子替代的烯基、一个以上的氢原子可被氟原子替代的炔基或一个以上的氢原子可被氟原子替代的芳基,n101为0以上的整数,p101为0或1)所示的基团、
碳原子数1~7的烷基、碳原子数2~7的烯基、碳原子数2~7的炔基、碳原子数6~15的芳基、
-SO2X101(X101为-H、-F、或一个以上的氢原子可被氟原子替代的烷基)、或
-SO3X102(X102为-H、-F、或一个以上的氢原子可被氟原子替代的烷基)的取代基、且
上述取代基可在它们的结构中含有一个以上的2~6价的杂原子,一个以上的氢原子可被氟或碳原子数0~7的官能团替代。
其中,R201和R202中的至少一者为-F。)
通式(11a)中,R201及R202中的至少一个必须为-F。
作为通式(11a)中的R201及R202的上述-Op101-(SiR113 2O)n101-SiR114 3、上述烷基、上述烯基、上述炔基、上述芳基、上述-SO2X101及上述-SO3X102,可列举与通式(11)中的R111及R112相同的基团。
作为化合物(11a),例如可例示下述式所表示的化合物。
[化109]
作为化合物(11a),其中优选为,
[化学式110]
化合物(11)例如可通过国际公开第2019/188207号中记载的制造方法来制造。
阴离子(11-1)由通式(11-1)所示。
[化111]
通式(11-1)中,R111及R112分别独立地为-H、-F、
式:-Op101-(SiR113 2O)n101-SiR114 3(R113及R114相互独立地为一个以上的氢原子可被氟原子替代的烷基、一个以上的氢原子可被氟原子替代的烯基、一个以上的氢原子可被氟原子替代的炔基或一个以上的氢原子可以被氟原子替代的芳基,n101为0以上的整数,p101为0或1)所示的基团、
碳原子数1~7的烷基、碳原子数2~7的烯基、碳原子数2~7的炔基、碳原子数6~15的芳基、
-SO2X101(X101为-H、-F、或一个以上的氢原子可被氟原子替代的烷基)、
-SO3X102(X102为-H、-F、或一个以上的氢原子可被氟原子替代的烷基)、或
R111与R112键合而形成环状结构且该环状结构中可含有多重键的碳原子数2~7的烃基的取代基,且
上述取代基可在这些结构中含有一个以上的2~6价的杂原子,一个以上的氢原子可被氟原子或碳原子数0~7的官能团取代。
作为通式(11-1)中的R111和R112,可列举出与对通式(11)说明的基团相同
作为阴离子(11-1)的具体例,可举出具有从作为化合物(11)例示的化合物中除去锂离子(Li+)后的结构的阴离子。
作为阴离子(11-1),其中,优选下述式所示的阴离子。
[化112]
作为阴离子(11-1),更优选下述式所示的阴离子。
[化113]
作为阴离子(11-1),更优选下述式所示的阴离子。
[化114]
本公开的电解液优选氟化氢(HF)的含量为1~1000ppm。通过含有HF,能够促进上述添加剂的被膜形成。HF的含量过少时,存在负极上的被膜形成能力下降、电化学器件的特性降低的倾向。另外,若HF含量过多,则存在因HF的影响而电解液的耐氧化性降低的倾向。本公开的电解液即使含有上述范围的HF,也不会使电化学器件的高温保存性容量恢复率降低。
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。HF的含量还更优选为200ppm以下,进一步优选为100ppm以下,更进一步优选为80ppm以下,特别优选为50ppm以下。
HF的含量可以通过中和滴定法进行测定。
本公开的电解液可以使用上述的成分,通过任意的方法制备。
本公开的电解液例如可以适合应用于锂离子二次电池、锂离子电容器、混合电容器、双电层电容器等电化学器件。以下,对使用了本公开的电解液的非水系电解液电池进行说明。
上述非水系电解液电池可以采用公知的结构,典型地具备能够吸收、放出离子(例如锂离子)的正极和负极、以及上述本公开的电解液。具备这样的本公开的电解液的电化学器件也是本公开之一。
作为电化学器件,可举出锂离子二次电池、锂离子电容器、电容器(混合电容器、双电层电容器)、自由基电池、太阳能电池(特别是色素敏化型太阳能电池)、锂离子一次电池、燃料电池、各种电化学传感器、电致变色元件、电化学开关元件、铝电解电容器、钽电解电容器等,优选锂离子二次电池、锂离子电容器、双电层电容器。
具备上述电化学器件的组件也是本公开之一。
本公开还涉及具备本公开的电解液的锂离子二次电池。
上述锂离子二次电池优选具备正极、负极和上述电解液。
<正极>
正极由包含正极活性物质的正极活性物质层和集流体构成。
作为上述正极活性物质,只要是能够电化学地吸收、放出锂离子的物质就没有特别限制,例如可举出含锂过渡金属复合氧化物、含锂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,优选含锂过渡金属复合氧化物、含锂过渡金属磷酸化合物,特别优选产生高电压的含锂过渡金属复合氧化物。
作为含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、将成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用Na、K、B、F、Al、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Li、Ni、Cu、Zn、Mg、Ga、Zr、Si、Nb、Mo、Sn、W等其他元素置换而成的物质等。作为被置换的物质的具体例,例如可以举出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,作为上述含锂过渡金属复合氧化物,优选即使在高电压的情况下能量密度也高的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LiMn1.5Ni0.5O4。
另外,其中,作为上述含锂过渡金属复合氧化物,从能够提供高容量的锂离子二次电池的观点出发,优选LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2、LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2、LiNi0.85Co0.10Al0.05O2。
作为含锂过渡金属磷酸化合物的过渡金属,优选V、Ti、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu等,作为具体例,例如可举出LiFePO4、Li3Fe2(PO4)3、LiFeP2O7等磷酸铁类、LiCoPO4等磷酸钴类、将成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用Al、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Li、Ni、Cu、Zn、Mg、Ga、Zr、Nb、Si等其他元素置换而成的物质等。
作为上述含锂过渡金属复合氧化物,可以列举例如:由式LiaMn2-bM1 bO4(式中,0.9≤a;0≤b≤1.5;M1为选自Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Al、Sn、Cr、V、Ti、Mg、Ca、Sr、B、Ga、In、Si和Ge中的至少一种金属)表示的锂-锰尖晶石复合氧化物、由式LiNi1-cM2 cO2(式中,0≤c≤0.5;M2为选自Fe、Co、Mn、Cu、Zn、Al、Sn、Cr、V、Ti、Mg、Ca、Sr、B、Ga、In、Si和Ge中的至少一种金属)表示的锂-镍复合氧化物、或式LiCo1-dM3 dO2(式中,0≤d≤0.5;M3为选自Fe、Ni、Mn、Cu、Zn、Al、Sn、Cr、V、Ti、Mg、Ca、Sr、B、Ga、In、Si和Ge中的至少一种金属)表示的锂-钴复合氧化物。
其中,从能够提供能量密度高、高输出的锂离子二次电池的观点出发,优选LiCoO2、LiMnO2、LiNiO2、LiMn2O4、LiNi0.8Co0.15Al0.05O2、或LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2。
作为其他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,可以例示含有硫原子的材料,优选选自单质硫、金属硫化物和有机硫化合物中的至少一种,更优选单质硫。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是有机多硫化物。
作为上述金属硫化物,可列举出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为以Pb、Ag、Cu为代表的各种过渡金属)所示的具有牢固的三维骨架结构的谢弗雷尔化合物等。
作为上述有机硫化合物,可列举碳硫化物等。
上述有机硫化合物有时担载于碳等具有细孔的材料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,从循环性能更优异、过电压进一步降低的方面出发,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,可举出聚乙炔系、聚亚苯基系、杂环聚合物、离子性聚合物、梯形及网状聚合物等。
另外,若正极活性物质中含有磷酸锂,则连续充电特性提高,因此优选。磷酸锂的使用没有限制,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,可使用在上述正极活性物质的表面附着有与其不同组成的物质而成的材料。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。
这些表面附着物质可以通过以下方法附着在该正极活性物质表面,即,例如使其溶解或悬浮于溶剂中而含浸添加于该正极活性物质中,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而含浸添加于该正极活性物质中后,通过加热等进行反应的方法;添加于正极活性物质前体中同时进行煅烧的方法等。此外,使碳附着时,还可以使用使碳质以例如活性炭等的形式机械性地后附着的方法。
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,作为下限,优选以0.1ppm以上、更优选以1ppm以上、进一步优选以10ppm以上使用,作为上限,优选以20%以下、更优选以10%以下、进一步优选以5%以下使用。通过表面附着物质,能够抑制正极活性物质表面的电解液的氧化反应,能够提高电池寿命,但在其附着量过少的情况下,其效果无法充分显现,在过多的情况下,阻碍锂离子的出入,因此有时电阻增加。
正极活性物质的粒子的形状可举出如以往使用的块状、多面体状、球状、椭圆球状、板状、针状、柱状等。另外,一次粒子也可以凝聚而形成二次粒子。
正极活性物质的振实密度通常为1.5g/cm3以上,优选为2.0g/cm3以上,进一步优选为2.5g/cm3以上,最优选为3.0g/cm3以上。若正极活性物质的振实密度低于上述下限,则在正极活性物质层形成时,所需的分散介质量增加,并且导电材料、粘结剂的需要量增加,正极活性物质向正极活性物质层的填充率受到制约,有时电池容量受到制约。通过使用振实密度高的金属复合氧化物粉体,能够形成高密度的正极活性物质层。振实密度一般越大越好,没有特别的上限,通常为4.5g/cm3以下,优选为4.3g/cm3以下。
需要说明的是,本公开中,振实密度作为将5~10g正极活性物质粉体放入10ml的玻璃制量筒中,以行程约20mm进行200次振实时的粉体填充密度(振实密度)g/cm3而求出。
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二次粒子的情况下为二次粒径)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。低于上述下限时,有时无法得到高堆积密度品,超过上限时,由于粒子内锂的扩散需要花费时间,因此有时导致电池性能的降低,或者在电池的正极制作、即用溶剂将活性物质与导电材料、粘结剂等浆料化并涂布成薄膜状时,产生筋等问题。在此,通过混合2种以上具有不同中值粒径d50的上述正极活性物质,能够进一步提高正极制作时的填充性。
需要说明的是,本公开中,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LA-920作为粒度分布计的情况下,使用0.1质量%六偏磷酸钠水溶液作为测定时使用的分散介质,在5分钟的超声波分散后设定测定折射率1.24来进行测定。
在一次粒子凝聚而形成二次粒子的情况下,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。超过上述上限时,难以形成球状的二次粒子,有时对粉体填充性产生不良影响,或者比表面积大幅降低,因此输出特性等电池性能降低的可能性增高。相反,低于上述下限时,通常结晶不发达,因此有时产生充放电的可逆性差等问题。
需要说明的是,本公开中,一次粒径通过使用扫描电子显微镜(SEM)的观察来测定。具体地,通过对任意50个的一次粒子求出在10000倍倍率的照片中一次粒子相对于水平方向的直线的左右边界线所成的切片的最长值,取其平均值而求出。
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。如果BET比表面积小于该范围,则电池性能容易降低,如果大于该范围,则振实密度难以提高,有时正极活性物质层形成时的涂布性容易产生问题。
需要说明的是,在本公开中,BET比表面积定义为如下值:使用表面积计(例如大仓理研公司制全自动表面积测定装置),对试样在氮气流通下于150℃进行30分钟预干燥后,使用以氮气相对于大气压的相对压力的值成为0.3的方式进行了准确调整的氮氦混合气体,通过基于气体流动法的氮吸附BET1点法进行测定而得到的值。
本公开的锂离子二次电池作为混合动力汽车用、分散电源用的大型锂离子二次电池使用的情况下,要求高输出,因此上述正极活性物质的粒子优选以二次粒子为主体。
上述正极活性物质的粒子优选为二次粒子的平均粒径为40μm以下且含有0.5~7.0体积%的平均一次粒径为1μm以下的微粒。通过含有平均一次粒径为1μm以下的微粒,与电解液的接触面积变大,能够进一步加快电极与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,使用作为无机化合物的制造法的一般的方法。特别是为了制作球状或椭圆球状的活性物质,可以考虑各种方法,例如可以举出如下方法等:将过渡金属的原料物质溶解或粉碎分散在水等溶剂中,边搅拌边调节pH而制作回收球状的前体,根据需要将其干燥后,加入LiOH、Li2CO3、LiNO3等Li源,在高温下烧成而得到活性物质。
为了制造正极,可以单独使用上述正极活性物质,也可以以任意的组合或比率组合使用不同组成的2种以上。作为这种情况下的优选组合,可以举出LiCoO2与LiNi0.33Co0.33Mn0.33O2等LiMn2O4或将该Mn的一部分用其他过渡金属等置换的组合、或者LiCoO2或将该Co的一部分用其他过渡金属等置换的组合。
从电池容量高的观点出发,上述正极活性物质的含量优选为正极合剂的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。如果正极活性物质层中的正极活性物质的含量低,则有时电容量变得不充分。相反含量过高时,有时正极的强度不足。
上述正极合剂优选还包含粘结剂、增稠剂、导电材料。
作为上述粘结剂,只要是对于制造电极时使用的溶剂、电解液安全的材料,则可以使用任意的粘结剂,例如可以举出聚乙烯、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、硝基纤维素等树脂系高分子;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-乙烯共聚物等氟系高分子;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和比例并用2种以上。
粘结剂的含量以正极活性物质层中的粘结剂的比例计通常为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。粘结材料的比例过低时,无法充分保持正极活性物质而正极的机械强度不足,有时使循环特性等电池性能恶化。另一方面,过高时,有时导致电池容量、导电性降低。
作为上述增稠剂,可以举出羧甲基纤维素、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和比率组合使用2种以上。
增稠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。低于该范围时,有时涂布性显著降低。高于该范围时,活性物质在正极活性物质层中所占的比例降低,有时产生电池容量降低的问题、正极活性物质间的电阻增大的问题。
作为导电材料,可以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、槽法炭黑、炉黑、灯黑、热裂法炭黑等炭黑、针状焦、碳纳米管、富勒烯、VGCF等不规则形状碳等碳材料等。此外,它们可以单独使用一种,也可以以任意的组合和比例并用2种以上。导电材料以在正极活性物质层中通常含有0.01质量%以上、优选0.1质量%以上、更优选1质量%以上、并且通常含有50质量%以下、优选30质量%以下、更优选15质量%以下的方式使用。含量低于该范围时,有时导电性不充分。相反,含量高于该范围时,有时电池容量降低。
作为用于形成浆料的溶剂,只要是能够溶解或分散正极活性物质、导电材料、粘结剂、以及根据需要使用的增稠剂的溶剂,则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,例如可列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;二亚乙基三胺、N,N-二甲基氨基丙胺等胺类;二乙醚、环氧丙烷、四氢呋喃(THF)等醚类;N-甲基吡咯烷酮(NMP)、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺等酰胺类;六甲基磷酰胺、二甲基亚砜等非质子性极性溶剂等。
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,为金属材料时,可举出金属箔、金属圆柱、金属线圈、金属板、金属薄膜、多孔金属、冲压金属、发泡金属等,为碳材料时,可举出碳板、碳薄膜、碳圆柱等。它们中,优选金属薄膜。此外,薄膜可以适当形成为网状。薄膜的厚度是任意的,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。薄膜薄于该范围时,有时作为集流体必需的强度不足。相反,薄膜厚于该范围时,有时有损操作性。
另外,从降低集流体与正极活性物质层的电接触电阻的观点出发,也优选在集流体的表面涂布导电助剂。作为导电助剂,可举出碳、金、铂、银等贵金属类。
集流体与正极活性物质层的厚度之比没有特别限定,(即将注入电解液之前的单面的正极活性物质层的厚度)/(集流体的厚度)的值优选为20以下,更优选为15以下,最优选为10以下,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。如果超过该范围,则有时在高电流密度充放电时集流体产生焦耳热引起的发热。如果低于该范围,则集流体相对于正极活性物质的体积比增加,有时电池的容量减少。
电极的制造采用常规方法即可。例如,可以举出在上述正极活性物质中加入上述的粘结剂、增稠剂、导电材料、溶剂等而制成浆料状的正极合剂,将其涂布于集流体,干燥后进行压制而高密度化的方法。
上述高密度化可以通过手压、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。高于该范围时,电解液向集流体/活性物质界面附近的渗透性降低,尤其是高电流密度下的充放电特性降低,有时无法得到高输出。而低于该范围时,活性物质间的导电性降低,电池电阻增大,有时无法得到高输出。
在使用本公开的电解液的情况下,从高输出且提高高温时的稳定性的观点出发,正极活性物质层的面积优选大于电池外装壳体的外表面积。具体而言,正极的电极面积相对于二次电池的外包装的表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。所谓电池外装壳体的外表面积,在有底方型形状的情况下,是指根据除了端子的突起部分以外的填充有发电要素的壳体部分的纵、横、厚度的尺寸通过计算求出的总面积。在有底圆筒形状的情况下,是将除了端子的突起部分以外的填充有发电要素的壳体部分近似为圆筒的几何表面积。正极的电极面积的总和是指与含有负极活性物质的合剂层相对的正极合剂层的几何表面积,在隔着集流体箔在两面形成正极合剂层而成的结构中,是指分别算出各个面的面积的总和。
正极板的厚度没有特别限定,从高容量且高输出的观点出发,减去芯材的金属箔厚度而得到的合剂层的厚度相对于集流体的单面以下限计优选为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,可使用在上述正极板的表面附着有与其不同组成的物质而成的材料。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和集流体构成。
作为负极活性物质,只要是能够电化学性地吸收和释放锂离子的物质就没有特别限制。作为具体例,可举出碳材料、合金系材料、含锂金属复合氧化物材料、导电性高分子等。这些可以单独使用一种,也可以以任意的组合和比例并用2种以上。
作为上述负极活性物质,可列举出各种热分解条件下的有机物的热分解物、人造石墨、天然石墨等能够吸收·放出锂的碳质材料;氧化锡、氧化硅等能够吸收·放出锂的金属氧化物材料;锂金属;各种锂合金;含锂金属复合氧化物材料等。这些负极活性物质可以混合使用2种以上。
作为能够吸收、放出锂的碳质材料,优选由各种原料得到的通过易石墨性沥青的高温处理而制造的人造石墨或精制天然石墨、或者对这些石墨用沥青及其它有机物实施表面处理后进行碳化而得到的碳质材料。选自以下的材料的初期不可逆容量、高电流密度充放电特性的平衡性良好,因此更优选:天然石墨;人造石墨;对人造碳质物质以及人造石墨质物质在400~3200℃的范围内热处理1次以上而得到的碳质材料;负极活性物质层由至少2种以上的具有不同结晶性的碳质构成且/或具有该不同结晶性的碳质相接的界面的碳质材料;负极活性物质层具有至少2种以上的不同取向性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和比率组合使用2种以上。
作为将上述的人造碳质物质和人造石墨质物质在400~3200℃的范围内热处理1次以上而得到的碳质材料,可列举出:煤系焦炭、石油系焦炭、煤系沥青、石油系沥青和对这些沥青进行氧化处理而得到的物质、针状焦炭、沥青焦炭和将它们部分石墨化而得到的碳剂、炉黑、乙炔黑、沥青系碳纤维等有机物的热分解物、可碳化的有机物和它们的碳化物、或使可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得到的溶液和它们的碳化物等。
作为用作上述负极活性物质的金属材料(其中,锂钛复合氧化物除外),只要能够吸收·放出锂,则可以是锂单质、形成锂合金的单质金属和合金、或它们的氧化物、碳化物、氮化物、硅化物、硫化物或磷化物等化合物中的任一种,没有特别限制。作为形成锂合金的单质金属和合金,优选为包含13族和14族的金属·半金属元素的材料,更优选为铝、硅和锡(以下简称为“特定金属元素”)的单质金属和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和比例并用2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2种以上特定金属元素的合金、包含一种或2种以上特定金属元素和其他一种或2种以上金属元素的合金、以及含有一种或2种以上特定金属元素的化合物、及其化合物的氧化物、碳化物、氮化物、硅化物、硫化物或磷化物等复合化合物。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,能够实现电池的高容量化。
另外,还可以举出这些复合化合物与金属单质、合金或非金属元素等数种元素复杂结合而成的化合物。具体地,例如对于硅、锡,可以使用这些元素与不作为负极工作的金属的合金。例如,在锡的情况下,除了锡和硅以外,还可以使用以作为负极起作用的金属、进而不作为负极起作用的金属、和非金属元素的组合包含5~6种元素的复杂的化合物。
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或锡单质、SnSiO3、LiSnO、Mg2Sn、SnOw(0<w≤2)等。
另外,可以举出以Si或Sn作为第一构成元素、并且还含有第二、第三构成元素的复合材料。第二构成元素例如为钴、铁、镁、钛、钒、铬、锰、镍、铜、锌、镓和锆中的至少一种。第三构成元素例如为硼、碳、铝和磷中的至少一种。
特别是,从得到高电池容量和优异的电池特性的方面出发,作为上述金属材料,优选硅或锡的单质(可以含有微量的杂质)、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金属复合氧化物材料,只要能够吸收和释放锂,就没有特别限制,但从高电流密度充放电特性方面出发,优选含有钛和锂的材料,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,有时简记为“锂钛复合氧化物”)。即,使非水系电解液二次电池用负极活性物质含有具有尖晶石结构的锂钛复合氧化物时,输出电阻大大降低,因而特别优选。
作为上述锂钛复合氧化物,可列举出通式:
LixTiyMzO4表示的化合物。
[式中,M表示选自Na、K、Co、Al、Fe、Ti、Mg、Cr、Ga、Cu、Zn和Nb中的至少一种元素。]
(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
上述组成中的结构由于电池性能的平衡良好而特别优选。
上述化合物的特别优选的代表性组成在(i)中为Li4/3Ti5/3O4,在(ii)中为Li1Ti2O4,在(iii)中为Li4/5Ti11/5O4。另外,关于Z≠0的结构,例如可举出Li4/3Ti4/3Al1/3O4作为优选的结构。
上述负极合剂优选还包含粘结剂、增稠剂、导电材料。
作为上述粘结剂,可列举出与上述的能够用于正极的粘结剂同样的粘结剂。粘结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。如果粘结剂相对于负极活性物质的比例超过上述范围,则对电池容量没有贡献的粘结剂的比例增加,有时导致电池容量的降低。另外,低于上述范围时,有时导致负极电极的强度降低。
特别是在主要成分中含有以SBR为代表的橡胶状高分子的情况下,粘结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,在主要成分中含有以聚偏氟乙烯为代表的氟系高分子的情况下,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。
作为上述增稠剂,可列举出与上述的能够用于正极的增稠剂同样的增稠剂。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,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。增稠剂相对于负极活性物质的比例低于上述范围时,有时涂布性显著降低。另外,如果超过上述范围,则负极活性物质在负极活性物质层中所占的比例降低,存在电池容量降低的问题、负极活性物质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、炭黑等碳材料等。
作为用于形成浆料的溶剂,只要是能够溶解或分散负极活性物质、粘结剂、以及根据需要使用的增稠剂和导电材料的溶剂,则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、甲基乙基酮、环己酮、乙酸甲酯、丙烯酸甲酯、二乙基三胺、N,N-二甲基氨基丙胺、四氢呋喃(THF)、甲苯、丙酮、二乙基醚、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,从容易加工成薄膜的观点以及成本的观点出发,优选铜箔。
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。如果负极集流体的厚度过厚,则有时电池整体的容量过度降低,相反如果过薄,则有时操作变得困难。
电极的制造采用常规方法即可。例如,可以举出在上述负极材料中加入上述的粘结剂、增稠剂、导电材料、溶剂等制成浆料状,涂布于集流体,干燥后进行压制而高密度化的方法。另外,使用合金系材料时,还可以使用采用蒸镀法、溅射法、镀覆法等方法形成含有上述的负极活性物质的薄膜层(负极活性物质层)的方法。
将负极活性物质电极化时的电极结构没有特别限制,存在于集流体上的负极活性物质的密度优选为1g/cm3以上,进一步优选为1.2g/cm3以上,特别优选为1.3g/cm3以上,另外,优选为2.2g/cm3以下,更优选为2.1g/cm3以下,进一步优选为2.0g/cm3以下,特别优选为1.9g/cm3以下。存在于集流体上的负极活性物质的密度高于上述范围时,有时负极活性物质粒子被破坏,导致初期不可逆容量增加、非水系电解液向集流体/负极活性物质界面附近的渗透性降低而导致高电流密度充放电特性恶化。另外,低于上述范围时,有时负极活性物质间的导电性降低、电池电阻增大、每单位容积的容量降低。
负极板的厚度根据所使用的正极板而设计,没有特别限制,但减去芯材的金属箔厚度而得到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,可使用在上述负极板的表面附着有与其不同组成的物质而成的材料。作为表面附着物质,可以举出氧化铝、氧化硅、二氧化钛、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>
本公开的锂离子二次电池优选还具备隔离件。
上述间隔件的材质、形状只要在电解液中稳定且保液性优异就没有特别限定,可以使用公知的材料、形状。其中,可使用由对本发明涉及的非水系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性片或无纺布状的形态的材料等。
作为树脂、玻璃纤维隔离件的材料,可以使用例如聚乙烯、聚丙烯等聚烯烃、芳香族聚酰胺、聚四氟乙烯、聚醚砜、玻璃滤器等。聚丙烯/聚乙烯2层膜、聚丙烯/聚乙烯/聚丙烯3层膜等这些材料可以单独使用一种,也可以以任意的组合和比率组合使用2种以上。其中,从电解液的渗透性、关闭效果良好的观点出发,上述间隔件优选为以聚乙烯、聚丙烯等聚烯烃为原料的多孔性片或无纺布等。
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。隔离件与上述范围相比过薄时,有时绝缘性、机械强度降低。另外,如果与上述范围相比过厚,则不仅有时倍率特性等电池性能降低,而且作为非水系电解液二次电池整体的能量密度也降低。
进而,在使用多孔性片、无纺布等多孔质的隔离件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。如果空孔率与上述范围相比过小,则有膜电阻变大而倍率特性恶化的趋势。另外,如果与上述范围相比过大,则有隔离件的机械强度降低、绝缘性降低的趋势。
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。如果平均孔径高于上述范围,则容易产生短路。另外,如果低于上述范围,则有时膜电阻变大而倍率特性降低。
另一方面,作为无机物的隔离件,例如使用氧化铝、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,使用粒子形状或纤维形状的材料。
作为形态,使用无纺布、织布、微多孔性膜等薄膜形状。在薄膜形状中,优选使用孔径为0.01~1μm、厚度为5~50μm的薄膜形状。除了上述的独立的薄膜形状以外,还可以使用采用树脂制的粘结材料在正极和/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,可以举出在正极的两面以90%粒径小于1μm的氧化铝粒子、氟树脂为粘结剂形成多孔层。
<电池设计>
电极组可以是将上述正极板和负极板隔着上述隔离件而成的层叠结构的组件、和将上述正极板和负极板隔着上述隔离件卷绕成螺旋状的结构的组件中的任一种。电极组的体积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。
电极组占有率低于上述范围时,电池容量减小。另外,高于上述范围时,空隙空间减少,由于电池变为高温而部件膨胀或电解质的液体成分的蒸气压增高,从而内部压力上升,使作为电池的充放电循环性能、高温保存等诸特性降低,进而有时将内部压力释放到外部的气体放出阀启动。
集电结构没有特别限制,但为了更有效地实现由本公开的电解液带来的高电流密度的充放电特性的提高,优选设为降低配线部分、接合部分的电阻的结构。在这样降低内部电阻的情况下,特别良好地发挥使用了本公开的电解液的效果。
在电极组为上述的层叠结构的情况下,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。在一片电极面积变大的情况下,内部电阻变大,因此也优选使用在电极内设置多个端子来降低电阻。在电极组为上述的卷绕结构的情况下,通过在正极和负极分别设置多个引线结构,并捆扎于端子,能够降低内部电阻。
外装壳体的材质只要是对所使用的非水系电解液稳定的物质就没有特别限制。具体而言,可使用镀镍钢板、不锈钢、铝或铝合金、镁合金等金属类,或者树脂与铝箔的层叠膜(层压膜)。从轻量化的观点出发,优选使用铝或铝合金的金属、层合膜。
对于使用金属类的外装壳体,可举出通过激光焊接、电阻焊接、超声波焊接而将金属彼此熔合而形成封装密闭结构的外装壳体,或者介由树脂制密封垫使用上述金属类形成敛缝铆接(日语:かしめ)结构的外装壳体。对于使用上述层合膜的外装壳体,可举出通过将树脂层彼此热熔合而形成封装密闭结构的外装壳体等。为了提高密封性,可以使与层合膜使用的树脂不同的树脂介于上述树脂层之间。特别是介由集电端子使树脂层热熔合而形成密闭结构时,由于成为金属与树脂的接合,所以作为介入的树脂,优选使用具有极性基团的树脂、导入了极性基团的改性树脂。
本公开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可以根据各自的电池的形状进行变更而使用。
另外,锂离子二次电池也是优选的方式之一,其特征在于,具备正极、负极和上述电解液,上述正极具备包含正极集流体和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。由于具备包含含有Mn的正极活性物质的正极活性物质层,因此上述锂离子二次电池的高温保存特性更优异。
作为上述含有Mn的正极活性物质,从能够提供能量密度高、高输出的锂离子二次电池的观点出发,优选LiMn1.5Ni0.5O4、LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2、LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2。
另外,作为上述含有Mn的正极活性物质,从能够提供高容量的锂离子二次电池的观点出发,优选LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2、LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2。
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。如果正极活性物质层中的正极活性物质的含量低,则有时电容量变得不充分。相反含量过高时,有时正极的强度不足。
上述正极活性物质层可以进一步包含导电材料、增稠剂和粘结剂。
作为上述粘结剂,只要是对于制造电极时使用的溶剂、电解液安全的材料,则可以使用任意的粘结剂,例如可以举出聚偏氟乙烯、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。此外,这些物质可以单独使用一种,也可以以任意的组合和比例并用2种以上。
粘结剂的含量以正极活性物质层中的粘结剂的比例计通常为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。粘结材料的比例过低时,无法充分保持正极活性物质而正极的机械强度不足,有时使循环特性等电池性能恶化。另一方面,过高时,有时导致电池容量、导电性降低。
作为上述增稠剂,可以举出羧甲基纤维素、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和比率组合使用2种以上。
增稠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。低于该范围时,有时涂布性显著降低。高于该范围时,活性物质在正极活性物质层中所占的比例降低,有时产生电池的容量降低的问题、正极活性物质间的电阻增大的问题。
作为导电材料,可以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);乙炔黑等炭黑;针状焦炭等不规则形状碳等碳材料等。此外,它们可以单独使用一种,也可以以任意的组合和比例并用2种以上。导电材料以在正极活性物质层中通常含有0.01质量%以上、优选0.1质量%以上、更优选1质量%以上、并且通常含有50质量%以下、优选30质量%以下、更优选15质量%以下的方式使用。含量低于该范围时,有时导电性不充分。相反,含量高于该范围时,有时电池容量降低。
从进一步改善高温保存特性的方面出发,上述正极集流体优选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。上述正极集流体更优选由铝或铝合金构成。
从进一步改善高温保存特性的方面出发,上述锂离子二次电池优选与上述正极集流体电连接的部分中的与电解液接触的部分也由阀金属或其合金构成。特别是,电池外装壳体、以及收纳于上述电池外装壳体的引线、安全阀等中的与正极集流体电连接且与非水电解液接触的部分优选由阀金属或其合金构成。也可以使用被阀金属或其合金包覆的不锈钢。
上述正极的制造方法如上所述,例如可列举出如下方法:在上述正极活性物质中加入上述粘结剂、增稠剂、导电材料、溶剂等而制成浆料状的正极合剂,将其涂布于上述正极集流体,干燥后进行压制而高密度化。
上述负极的构成如上所述。
具备本公开的锂离子二次电池的组件也是本公开之一。
上述双电层电容器可以具备正极、负极和上述电解液。
在上述双电层电容器中,正极和负极中的至少一方为极化电极,作为极化电极和非极化电极,可以使用日本特开平9-7896号公报中详细记载的以下的电极。
本公开中使用的以活性炭为主体的极化电极优选包含高比表面积的惰性和赋予电子传导性的炭黑等导电剂。极化电极可以通过各种方法形成。例如,将活性炭粉末、炭黑和酚系树脂混合,在压制成型后在不活泼性气体气氛中和水蒸气气氛中进行烧成、活化,由此能够形成由活性炭和炭黑构成的极性电极。优选的是,该极化电极通过导电性粘接剂等与集流体接合。
另外,也可以将活性炭粉末、炭黑和粘合剂在醇的存在下混炼而成型为片状,进行干燥而制成极化电极。该粘合剂例如使用聚四氟乙烯。另外,也可以将活性炭粉末、炭黑、粘结剂及溶剂混合而制成浆料,将该浆料涂布于集流体的金属箔,进行干燥而制成与集流体一体化的极性电极。
也可以将以活性炭为主体的极性电极用于两极而作为双电层电容器,但也可以是在单侧使用非极性电极的构成,例如,将以金属氧化物等电池活性物质为主体的正极和以活性炭为主体的极性电极的负极组合的构成、以能够可逆地吸收、脱离锂离子的碳材料为主体的负极、或者将锂金属、锂合金的负极和以活性炭为主体的极性的正极组合的构成。
另外,也可以代替活性炭或并用,使用炭黑、石墨、膨胀石墨、多孔碳、碳纳米管、碳纳米角、科琴黑等碳质材料。
作为非极性电极,优选以能够可逆地吸收、脱离锂离子的碳材料为主体的非极性电极,将在该碳材料中吸收了锂离子的非极性电极用于电极。在该情况下,电解质使用锂盐。根据该结构的双电层电容器,能够得到更高的超过4V的耐电压。
用于制备电极的浆料的溶剂优选溶解粘合剂,根据粘合剂的种类,适当选择N-甲基吡咯烷酮、二甲基甲酰胺、甲苯、二甲苯、异佛尔酮、甲基乙基酮、乙酸乙酯、乙酸甲酯、邻苯二甲酸二甲酯、乙醇、甲醇、丁醇或水。
作为用于极化电极的活性炭,有酚醛树脂系活性炭、椰子油系活性炭、石油焦炭系活性炭等。其中,从得到大的容量的方面考虑,优选使用石油焦炭系活性炭或酚醛树脂系活性炭。另外,活性炭的活化处理法有水蒸气活化处理法、熔融KOH活化处理法等,从得到更大的容量的方面考虑,优选使用基于熔融KOH活化处理法的活性炭。
作为极性电极中使用的优选的导电剂,可举出炭黑、科琴黑、乙炔黑、天然石墨、人造石墨、金属纤维、导电性氧化钛、氧化钌。极性电极中使用的炭黑等导电剂的混合量,为了得到良好的导电性(低的内部电阻),另外过多时,制品的容量减少,因此优选在与活性炭的合计量中设定为1~50质量%。
另外,作为用于极化电极的活性炭,为了得到大容量且低内部电阻的双电层电容器,优选使用平均粒径为20μm以下且比表面积为1500~3000m2/g的活性炭。另外,作为用于构成以能够可逆地吸收、脱离锂离子的碳材料为主体的电极的优选的碳材料,可举出天然石墨、人造石墨、石墨化中间相碳小球体、石墨化晶须、气层生长碳纤维、糠醇树脂的烧成品或酚醛清漆树脂的烧成品。
集流体只要是在化学上、电化学上具有耐腐蚀性的集流体即可。作为以活性炭为主体的极化电极的集流体,可以优选使用不锈钢、铝、钛或钽。其中,不锈钢或铝在所得到的双电层电容器的特性和价格两方面是特别优选的材料。作为以能够可逆地吸收、脱离锂离子的碳材料为主体的电极的集流体,优选使用不锈钢、铜或镍。
另外,为了使锂离子预先吸收于能够可逆地吸收、脱离锂离子的碳材料,有如下方法:(1)将粉末状的锂与能够可逆地吸收、脱离锂离子的碳材料混合的方法;(2)在由能够可逆地吸收、脱离锂离子的碳材料和结合剂形成的电极上载置锂箔,在使其与电极电接触的状态下,将该电极浸渍于溶解有锂盐的电解液中,由此使锂离子化,使锂离子进入碳材料中的方法;(3)将由能够可逆地吸收、脱离锂离子的碳材料和结合剂形成的电极置于负侧,将锂金属置于正侧,浸渍于以锂盐为电解质的非水系电解液中,流通电流,在电化学上将锂离子化的状态下进入碳材料中的方法。
作为双电层电容器,通常已知有卷绕型双电层电容器、层压型双电层电容器、硬币型双电层电容器等,上述双电层电容器也可以设为这些形式。
例如,卷绕型双电层电容器如下组装:将由集流体和电极层的层叠体(电极)构成的正极和负极隔着隔离件进行卷绕而制作卷绕元件,将该卷绕元件放入铝制等的壳体中,充满电解液、优选为非水系电解液后,用橡胶制的封口体进行密封,由此进行组装。
作为隔离件,可以使用以往公知的材料和构成的隔离件。例如可列举出聚乙烯多孔膜、聚四氟乙烯、聚丙烯纤维、玻璃纤维、纤维素纤维的无纺布等。
另外,通过公知的方法,也可以制成隔着电解液和隔离件将片状的正极和负极层叠而成的层压型双电层电容器、将正极和负极用垫片固定并隔着电解液和隔离件构成为硬币型的硬币型双电层电容器。
本公开的电解液作为混合动力汽车用、分散电源用的大型锂离子二次电池用、双电层电容器用的电解液是有用的。
实施例
接着,列举实施例说明本公开,但本公开并不仅限定于该实施例。
合成例1
在氩气气流下,向反应容器中加入1-甲基四氢噻吩鎓碘化物和甲醇,在室温下搅拌。1-甲基四氢噻吩鎓碘化物确认完全溶解,相对于1-甲基四氢噻吩鎓碘化物加入0.8当量的氧化银,在室温下搅拌。过滤析出物(碘化银)后,将滤液浓缩,得到1-甲基四氢噻吩鎓氢氧化物的甲醇溶液。
向反应容器中加入硼酸和脱水甲醇,在室温下进行搅拌。确认硼酸完全溶解后,以1-甲基四氢噻吩鎓氢氧化物成为等量的方式缓慢滴加上述得到的溶液。接着,以成为2当量的方式添加草酸,在室温下进行搅拌。搅拌后,将溶剂减压蒸馏(蒸发器),得到粗产物。然后,使用脱水甲醇进行重结晶,得到下述式所示的目标化合物(I-1)。通过NMR分析(1H、13C、11B)确认为目标物。
[化115]
合成例2
在氩气气流下,向反应容器中加入1-甲基六氢硫吡啶鎓碘化物和甲醇,在室温下搅拌。1-甲基六氢硫吡啶鎓碘化物确认完全溶解,相对于1-甲基六氢硫吡啶鎓碘化物加入0.8当量的氧化银,在室温下搅拌。过滤析出物(碘化银)后,将滤液浓缩,得到1-甲基六氢硫吡啶鎓氢氧化物的甲醇溶液。
向反应容器中加入硼酸和脱水甲醇,在室温下进行搅拌。确认硼酸完全溶解后,缓慢滴加上述得到的溶液,使得1-甲基六氢硫吡啶鎓氢氧化物成为等量。接着,以成为2当量的方式添加草酸,在室温下进行搅拌。搅拌后,将溶剂减压蒸馏(蒸发器),得到粗产物。然后,使用脱水甲醇进行重结晶,得到下述式所示的目标化合物(I-2)。通过NMR分析(1H、13C、11B)确认为目标物。
[化116]
合成例3
在氩气流下,向反应容器中加入1-甲基硫杂环辛烷鎓碘化物和甲醇,在室温下搅拌。1-甲基硫杂环辛烷鎓碘化物确认完全溶解,相对于1-甲基硫杂环辛烷鎓碘化物加入0.8当量的氧化银,在室温下搅拌。滤出析出物(碘化银)后,将滤液浓缩,得到1-甲基硫杂环辛烷鎓氢氧化物的甲醇溶液。
向反应容器中加入硼酸和脱水甲醇,在室温下进行搅拌。确认硼酸完全溶解后,以1-甲基硫杂环辛烷鎓氢氧化物成为等量的方式缓慢滴加上述得到的溶液。接着,以成为2当量的方式添加草酸,在室温下进行搅拌。搅拌后,将溶剂减压蒸馏(蒸发器),得到粗产物。然后,使用脱水甲醇进行重结晶,得到下述式所示的目标化合物(I-3)。通过NMR分析(1H、13C、11B)确认为目标物。
[化117]
合成例4
<二乙基氨基磺酸锂的合成>
向反应容器中加入氯化锂(3.0g,71mmol)、碳酸二甲酯(60mL),向其中滴加氯磺酸(9.1g,78mmol)。将该溶液在80℃下搅拌1小时后冷却恢复至室温,在冰水浴下滴加二乙胺(6.2g,85mmol)与三乙胺(8.6g,85mmol)的混合溶液(反应液温度上升5~10℃,滴加时间5~10分钟)。将该溶液在室温下搅拌1小时后,进行过滤、二氯甲烷清洗,得到目标粗二乙基氨基磺酸锂(9.1g)。将得到的粗二乙基氨基磺酸锂(2.0g)在60℃下溶解于甲醇7mL中,向其中加入碳酸二甲酯7mL,减压浓缩至体积达到一半。再次加入碳酸二甲酯7mL进行减压浓缩,在固体析出时停止减压浓缩,进行过滤、碳酸二甲酯清洗,得到目标二乙基氨基磺酸锂(0.9g,6mmol,总收率38%)。
[化118]
合成例5
<双(2,2,2-三氟乙基)氨基磺酸锂的合成>
向反应容器中加入氯化锂(1.0g,24mmol)、碳酸二甲酯(35mL),向其中滴加氯磺酸(3.0g,26mmol)。将该溶液在80℃下搅拌1小时后冷却而恢复至室温,在冰水浴下滴加双(2,2,2-三氟乙基)胺(10.3g,57mmol)(反应液温度上升0~5℃,滴加时间约5分钟)。将该溶液在室温下搅拌1小时后,加入三乙胺(6.0g)、二氯甲烷(50mL),进一步搅拌1天。将得到的反应混合物过滤、二氯甲烷清洗,得到目标双(2,2,2-三氟乙基)氨基磺酸锂(3.4g,13mmol、总收率54%)。
[化119]
合成例6
<甲基2,2,2-三氟乙基氨基磺酸锂的合成>
向反应容器中加入氯化锂(1.0g,24mmol)、碳酸二甲酯(35mL),向其中滴加氯磺酸(3.0g,26mmol)。将该溶液在80℃下搅拌1小时后冷却而恢复至室温,在冰水浴下滴加甲基2,2,2-三氟乙胺(6.4g,57mmol)(反应液温度上升0~5℃,滴加时间约5分钟)。将该溶液在室温下搅拌1小时后,加入三乙胺(6.0g)、二氯甲烷(50mL),进一步搅拌1天。将得到的反应混合物过滤、二氯甲烷清洗,得到目标甲基2,2,2-三氟乙基氨基磺酸锂(2.3g,12mmol、总收率49%)。
[化120]
合成例7
<双(氰基甲基)氨基磺酸锂的合成>
向反应容器中加入氯化锂(1.0g,24mmol)、碳酸二甲酯(35mL),向其中滴加氯磺酸(3.0g,26mmol)。将该溶液在80℃下搅拌1小时后冷却恢复至室温,在冰水浴下滴加使双(氰基甲基)胺(5.4g,57mmol)溶解于乙腈(30mL)而成的混合溶液(反应液温度上升5~10℃,滴加时间5~10分钟)。将该溶液在室温下搅拌1小时后,加入三乙胺(6.0g)、二氯甲烷(50mL),进一步搅拌1天。将得到的反应混合物过滤、二氯甲烷清洗,得到目标双(氰基甲基)氨基磺酸锂(3.9g,22mmol,总收率91%)。
[化121]
(电解液的制备)
实施例1~59和对比例1~4
将碳酸亚乙酯(EC)、碳酸甲乙酯(EMC)和碳酸二甲酯(DMC)以体积比成为30/40/30的方式混合,在该混合物中以成为1.0摩尔/升的浓度的方式添加LiPF6,制成基本电解液。进而,在该基本电解液中以成为表1~3中记载的浓度的方式添加表1~3中记载的各添加剂,得到非水电解液。
(铝层压型锂离子二次电池的制作)
[正极的制作]
将作为正极活性物质的LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2(NMC)93质量%、作为导电材料的乙炔黑3质量%和作为粘结剂的聚偏氟乙烯(PVdF)4质量%在N-甲基吡咯烷酮溶剂中混合,进行浆料化。将得到的浆料涂布于预先涂布有导电助剂的厚度15μm的铝箔的单面,干燥,用压制机进行辊压,将所得物切成具有作为活性物质层的尺寸的宽度50mm、长度30mm、及宽度5mm、长度9mm的未涂布部的形状,作为正极。
[负极的制作]
在碳质材料(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质量份作为增稠剂及粘合剂,利用分散器进行混合而浆料化。将得到的浆料涂布于厚度10μm的铜箔并干燥,用压制机压延,将所得物切成具有作为活性物质层的尺寸的宽度52mm、长度32mm、及宽度5mm、长度9mm的未涂布部的形状,作为负极。
[铝层压电池的制作]
将上述正极隔着厚度20μm的微孔性聚乙烯膜(隔离件)使正极与负极相对,注入上述得到的非水电解液,上述非水电解液充分浸透隔离件等后,密封,进行预充电、老化,制作锂离子二次电池。
(电池特性的测定)
[循环特性试验]
将上述制造的锂离子二次电池在用板夹持加压的状态下,在25℃下,以相当于1C的电流进行恒电流~恒电压充电(以下记为CC/CV充电)至4.2V后,以1C的恒电流放电至3V,将其作为1个循环,由第三个循环的放电容量求出初期放电容量。在此,1C表示以1小时对电池的基准容量进行放电的电流值,例如,0.2C表示其1/5的电流值。再次进行循环,测定200次循环后的放电容量。求出200次循环后的放电容量相对于初期放电容量的比例,将其作为循环容量维持率(%)。
(200循环后的放电容量)÷(初期放电容量)×100=容量维持率(%)
将比较例1的值设为1而算出的结果示于表1~3。
[IV电阻的评价]
将初期放电容量的评价结束后的电池在25℃下以1C的恒流充电至初期放电容量的一半的容量。使其在1.0C下放电,测定其10秒时的电压。由放电时的电压的下降算出电阻,作为IV电阻。
将比较例1的值设为1而算出的结果示于表1~3。
[表1]
[表2]
[表3]
表中的省略符号如下所述。
(I-1):
[化122]
(I-2):
[化123]
(I-3):
[化124]
(II-1):
[化125]
(II-2):
[化126]
(III-1):
[化127]
VC:亚乙烯
FEC:氟代碳酸亚乙酯
VEC:碳酸乙烯基亚乙酯
DFEC:二氟碳酸亚乙酯(DFEC)
a/b:锍阳离子的含量(a)与双(草酸根合)硼酸根阴离子的含量(b)的摩尔比
Claims (7)
2.根据权利要求1所述的电解液,其中,化合物(1)的含量相对于所述电解液为0.001~10质量%。
4.一种电化学器件,其具备权利要求1~3中任一项所述的电解液。
5.一种锂离子二次电池,其具备权利要求1~3中任一项所述的电解液。
6.一种组件,其具备权利要求4所述的电化学器件或权利要求5所述的锂离子二次电池。
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