CN117561628A - 非水电解液、非水钠离子电池、非水钾离子电池、非水钠离子电池的制造方法及非水钾离子电池的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种非水电解液、使用了该非水电解液的非水钠离子电池及非水钾离子电池、以及非水钠离子电池的制造方法及非水钾离子电池的制造方法,所述非水电解液为用于钠离子电池或用于钾离子电池的非水电解液,其包含(I)非水有机溶剂、(II)作为离子盐的溶质、(III)选自由有机氯化合物、具有P‑Cl键的磷化合物、具有S(=O)2‑Cl键的砜化合物、具有S(=O)‑Cl键的亚砜化合物及具有Si‑Cl键的硅化合物组成的组中的至少一种。
Description
技术领域
本发明的实施方案之一涉及一种非水电解液与使用了该非水电解液的非水钠离子电池及非水钾离子电池、以及非水钠离子电池的制造方法及非水钾离子电池的制造方法。
背景技术
近年来,作为面向信息关联设备、通信设备、即个人电脑、摄像机、数码照相机、移动电话等小型、高能量密度用途的蓄电系统、或面向电动汽车、混合动力车、燃料电池车辅助电源、电力储存等大型、电力用途的蓄电系统,锂离子电池备受瞩目。另一方面,锂的价格高涨,更低价的钠离子电池或钾离子电池作为下一代二次电池而受到关注。
一般而言,在非水钠离子电池或非水钾离子电池中,使用非水电解液或利用胶凝剂进行了准固态化的非水电解液作为离子导体。作为其构成,使用非质子性溶剂作为溶剂,在非水钠离子电池中将钠盐用作溶质,而在非水钾离子电池中将钾盐用作溶质。
此外,在非水钠离子电池或非水钾离子电池中,当进行初次充电时钠阳离子或者钾阳离子被嵌入到负极中时,负极与所述阳离子或负极与电解液溶剂发生反应,从而在负极表面上形成以钠或钾的碳酸盐或氧化物为主成分的覆膜。该电极表面上的覆膜被称作固体电解质界面膜(Solid Electrolyte Interface(SEI)),其性质会对电池的特性带来较大影响。为了提高以循环特性或耐久性等为代表的电池特性,形成离子传导性高且电子传导性低的稳定的SEI是重要的,正在广泛地进行向电解液中添加少量被称作添加剂的化合物,从而在活性的正极或负极的表面积极地形成抑制因电解液分解而导致的劣化的良好的SEI的尝试。
例如,关于非水钠离子电池,专利文献1中公开了将具有氟基的饱和环状碳酸酯或具有氟基的链状碳酸酯用作非水钠离子电池电解液的添加剂,由此抑制负极表面的电解液分解,进而提高耐久性。
同样地,专利文献2中公开了将单氟磷酸钠或二氟磷酸钠用作非水钠离子电池电解液的添加剂,由此提高电池寿命。
同样地,专利文献3中公开了通过添加环状硫酸酯作为非水钠离子电池电解液的添加剂,负极电阻得到降低。
例如,关于非水钾离子电池,非专利文献1中公开了将氟代碳酸乙烯酯用作非水钾离子电池电解液的添加剂,由此提高充放电效率。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本专利6086467号公报
专利文献2:日本专利6378749号公报
专利文献3:日本特开2019-046614号公报
非专利文献
非专利文献1:Journal of Materials ChemistryA 2017,5,5208-5211
发明内容
本发明要解决的技术问题
虽然非水钠离子电池和非水钾离子电池已经开始投入实际使用,但例如在汽车用等长期于高温场所中使用的用途中,仍存在各种应进行改善的问题。
因此,本发明的实施方案之一的技术问题在于,提供一种能够在非水钠离子电池或非水钾离子电池中实现提高60℃以上的高温下的循环特性、抑制电阻增加及抑制气体产生中的至少一种的非水电解液;使用了该非水电解液的非水钠离子电池及非水钾离子电池;以及非水钠离子电池的制造方法及非水钾离子电池的制造方法。
解决技术问题的技术手段
本申请的发明人对该问题进行了深入的研究,其结果发现,被认为在以往的非水锂离子电池中会使铝成分从正极集电体的铝箔溶出从而使电池性能劣化的包含氯化物的电解液在非水钠离子电池及非水钾离子电池中却有提高循环特性、抑制电阻增加、抑制高温环境下的气体产生这种根本预料不到的、非水钠离子电池及非水钾离子电池特有的效果,进而完成了本发明。
即,本发明包括以下的实施方案。
(1)
一种非水电解液,其为用于钠离子电池或用于钾离子电池的非水电解液,其包含:
(I)非水有机溶剂;
(II)作为离子盐的溶质;及
(III)选自由有机氯化合物、具有P-Cl键的磷化合物、具有S(=O)2-Cl键的砜化合物、具有S(=O)-Cl键的亚砜化合物及具有Si-Cl键的硅化合物组成的组中的至少一种。
(2)
根据(1)所述的非水电解液,其中,所述(III)的浓度x以氯原子换算计为0.01质量%≤x≤3.20质量%。
(3)
根据(1)或(2)所述的非水电解液,其中,所述有机氯化合物为选自由具有C-Cl键的脂肪族烃化合物、具有C-Cl键的芳香族烃化合物、下述式(1)表示的化合物及下述式(2)表示的化合物组成的组中的至少一种。
[化学式1]
式(1)
式(1)中,Ra各自独立地表示氟原子、任选具有取代基的碳原子数为1~10的烷基、任选具有取代基的碳原子数为1~10的烷氧基、任选具有取代基的碳原子数为2~10的烯基、任选具有取代基的碳原子数为2~10的烯氧基、任选具有取代基的碳原子数为2~10的炔基、任选具有取代基的碳原子数为2~10的炔氧基、任选具有取代基的碳原子数为6~15的芳基、任选具有取代基的碳原子数为6~15的芳氧基或N(Rx)2。Rx各自独立地表示氢原子、任选具有取代基的碳原子数为1~10的烷基、任选具有取代基的碳原子数为2~10的烯基或任选具有取代基的碳原子数为2~10的炔基。多个Rx任选彼此相同或彼此不同。多个Rx任选彼此键合。多个Ra中的至少一个具有C-Cl键,Ra任选彼此相同或彼此不同。多个Ra任选彼此键合。
[化学式2]
式(2)
式(2)中,Rb各自独立地表示氟原子、任选具有取代基的碳原子数为1~10的烷基、任选具有取代基的碳原子数为1~10的烷氧基、任选具有取代基的碳原子数为2~10的烯基、任选具有取代基的碳原子数为2~10的烯氧基、任选具有取代基的碳原子数为2~10的炔基、任选具有取代基的碳原子数为2~10的炔氧基、任选具有取代基的碳原子数为6~15的芳基、任选具有取代基的碳原子数为6~15的芳氧基或N(Ry)2。Ry各自独立地表示氢原子、任选具有取代基的碳原子数为1~10的烷基、任选具有取代基的碳原子数为2~10的烯基或任选具有取代基的碳原子数为2~10的炔基。多个Ry任选彼此相同或彼此不同。多个Ry任选彼此键合。多个Rb中的至少一个具有C-Cl键,Rb任选彼此相同或彼此不同。多个Rb任选彼此键合。
(4)
根据(1)或(2)所述的非水电解液,其中,所述具有P-Cl键的磷化合物为选自由三氯化磷、二氯化一氟化磷、一氯化二氟化磷、磷酰氯、磷酰一氟二氯、磷酰二氟一氯、五氯化磷、四氯化一氟化磷、三氯化二氟化磷、二氯化三氟化磷、一氯化四氟化磷、六氯化磷酸盐、五氯化一氟化磷酸盐、四氯化二氟化磷酸盐、三氯化三氟化磷酸盐、二氯化四氟化磷酸盐、一氯化五氟化磷酸盐、单氯磷酸盐、二氯磷酸盐、单氯单氟磷酸盐、双(二氯磷酰基)酰亚胺盐(bis(dichlorophosphoryl)imide)、二氯磷酰基异氰酸酯、单氯单氟磷酰基异氰酸酯、下述式(A)表示的化合物、下述式(B)表示的化合物及下述式(C)表示的化合物组成的组中的至少一种。
[化学式3]
式(A)
式(A)中,R1各自独立地表示任选具有取代基的碳原子数为1~10的烷基、任选具有取代基的碳原子数为1~10的烷氧基、任选具有取代基的碳原子数为2~10的烯基、任选具有取代基的碳原子数为2~10的烯氧基、任选具有取代基的碳原子数为2~10的炔基、任选具有取代基的碳原子数为2~10的炔氧基、任选具有取代基的碳原子数为6~15的芳基或任选具有取代基的碳原子数为6~15的芳氧基。多个R1任选彼此相同或彼此不同。R1任选彼此键合。
[化学式4]
式(B)
式(B)中,R2表示任选具有取代基的碳原子数为1~10的烷基、任选具有取代基的碳原子数为1~10的烷氧基、任选具有取代基的碳原子数为2~10的烯基、任选具有取代基的碳原子数为2~10的烯氧基、任选具有取代基的碳原子数为2~10的炔基、任选具有取代基的碳原子数为2~10的炔氧基、任选具有取代基的碳原子数为6~15的芳基或任选具有取代基的碳原子数为6~15的芳氧基。
[化学式5]
式(C)
式(C)中,R3表示任选具有取代基的碳原子数为1~10的烷基、任选具有取代基的碳原子数为1~10的烷氧基、任选具有取代基的碳原子数为2~10的烯基、任选具有取代基的碳原子数为2~10的烯氧基、任选具有取代基的碳原子数为2~10的炔基、任选具有取代基的碳原子数为2~10的炔氧基、任选具有取代基的碳原子数为6~15的芳基或任选具有取代基的碳原子数为6~15的芳氧基。
(5)
根据(1)或(2)所述的非水电解液,其中,所述具有S(=O)2-Cl键的砜化合物为选自由磺酰氯、氯氟磺酰、氯甲烷磺酰氯、亚甲基二磺酰二氯、1,3-丙烷二磺酰氯、氯磺酰基异氰酸酯、氯磺酸、氯磺酸盐、双(氯磺酰基)酰亚胺盐、(二氯磷酰基)(氯磺酰基)酰亚胺盐、(二氟磷酰基)(氯磺酰基)酰亚胺盐及下述式(D)表示的化合物组成的组中的至少一种。
[化学式6]
式(D)
式(D)中,R4表示任选具有取代基的碳原子数为1~10的烷基、任选具有取代基的碳原子数为1~10的烷氧基、任选具有取代基的碳原子数为2~10的烯基、任选具有取代基的碳原子数为2~10的烯氧基、任选具有取代基的碳原子数为2~10的炔基、任选具有取代基的碳原子数为2~10的炔氧基、任选具有取代基的碳原子数为6~15的芳基或任选具有取代基的碳原子数为6~15的芳氧基。
(6)
根据(1)或(2)所述的非水电解液,其中,所述具有S(=O)-Cl键的亚砜化合物为选自由氯化亚砜、亚磺酰氟氯(sulfinyl chloride fluoride)、甲烷亚磺酰氯、乙烷亚磺酰氯及叔丁基亚磺酰氯组成的组中的至少一种。
(7)
根据(1)或(2)所述的非水电解液,其中,所述具有Si-Cl键的硅化合物为选自由三烷基氯硅烷、二烷基二氯硅烷、烷基三氯硅烷、四氯硅烷、二烷基一氯一氢硅烷、烷基二氯一氢硅烷及烷基一氯二氢硅烷组成的组中的至少一种。
(8)
根据(1)~(7)中任一项所述的非水电解液,其中,所述(II)为由包含钠的阳离子与阴离子的对构成的离子盐,所述阴离子为选自由六氟磷酸阴离子、二氟磷酸阴离子、单氟磷酸阴离子、四氟硼酸阴离子、二氟草酸硼酸阴离子、四氟草酸磷酸阴离子、二氟双草酸磷酸阴离子、三草酸磷酸阴离子、三氟甲磺酸阴离子、氟磺酸阴离子、双(三氟甲烷磺酰基)酰亚胺阴离子、双(氟磺酰基)酰亚胺阴离子、(三氟甲烷磺酰基)(氟磺酰基)酰亚胺阴离子、双(二氟磷酰基)酰亚胺阴离子、(二氟磷酰基)(氟磺酰基)酰亚胺阴离子及(二氟磷酰基)(三氟甲烷磺酰基)酰亚胺阴离子组成的组中的至少一种。
(9)
根据(1)~(7)中任一项所述的非水电解液,其中,所述(II)为由包含钾的阳离子与阴离子的对构成的离子盐,所述阴离子为选自由六氟磷酸阴离子、二氟磷酸阴离子、单氟磷酸阴离子、四氟硼酸阴离子、二氟草酸硼酸阴离子、四氟草酸磷酸阴离子、二氟双草酸磷酸阴离子、三草酸磷酸阴离子、三氟甲磺酸阴离子、氟磺酸阴离子、双(三氟甲烷磺酰基)酰亚胺阴离子、双(氟磺酰基)酰亚胺阴离子、(三氟甲烷磺酰基)(氟磺酰基)酰亚胺阴离子、双(二氟磷酰基)酰亚胺阴离子、(二氟磷酰基)(氟磺酰基)酰亚胺阴离子及(二氟磷酰基)(三氟甲烷磺酰基)酰亚胺阴离子组成的组中的至少一种。
(10)
根据(1)~(9)中任一项所述的非水电解液,其中,所述(I)包含选自由环状酯、链状酯、环状醚及链状醚组成的组中的至少一种。
(11)
根据(10)所述的非水电解液,其中,所述环状酯的一部分或全部为环状碳酸酯。
(12)
根据(10)所述的非水电解液,其中,所述链状酯的一部分或全部为链状碳酸酯。
(13)
根据(1)~(12)中任一项所述的非水电解液,其中,所述(I)包含选自由碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸丁烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯、γ-丁内酯、乙酸甲酯、乙酸乙酯、丙酸甲酯、丙酸乙酯、1,3-二氧戊环、2-甲基-1,3-二氧戊环、4-甲基-1,3-二氧戊环、二甲氧基乙烷、二乙氧基乙烷、二乙氧基甲烷、二乙二醇二甲醚、三乙二醇二甲醚、四乙二醇二甲醚及二丙二醇二甲醚组成的组中的至少一种。
(14)
根据(1)~(13)中任一项所述的非水电解液,其进一步含有:选自由环己基苯、叔丁基苯、叔戊基苯、氟苯、碳酸亚乙烯酯、碳酸亚乙烯酯的低聚物(数均分子量为170~5000)、碳酸乙烯亚乙酯、氟代碳酸乙烯酯、1,6-二异氰酰基己烷、乙炔基碳酸亚乙酯(ethynylethylene carbonate)、反式双氟碳酸乙烯酯、1,3-丙烷磺内酯、1,3-丙烯磺内酯、1,3,2-二噁唑噻吩-2,2-二氧化物、4-丙基-1,3,2-二噁唑噻吩-2,2-二氧化物、甲烷二磺酸亚甲酯、1,2-乙二磺酸酐、三(三甲基硅基)硼酸酯、丁二腈、己二腈、乙氧基五氟环三磷腈、甲烷磺酰氟、四氟(吡啶甲酸根)磷酸酯(tetrafluoro(picolinato)phosphate)及1,3-二甲基-1,3-二乙烯基-1,3-二(1,1,1,3,3,3-六氟异丙基)二硅氧烷组成的组中的至少一种添加剂。
(15)
一种非水钠离子电池,其至少具备正极、负极及(1)~(8)、(10)~(14)中任一项所述的非水电解液。
(16)
一种非水钾离子电池,其至少具备正极、负极及(1)~(7)、(9)~(14)中任一项所述的非水电解液。
(17)
一种非水钠离子电池的制造方法,其具有:
准备(1)~(8)、(10)~(14)中任一项所述的非水电解液的工序;及
向至少具备正极与负极的空电池中填充所述非水电解液的工序。
(18)
一种非水钾离子电池的制造方法,其具有:
准备(1)~(7)、(9)~(14)中任一项所述的非水电解液的工序;及
向至少具备正极与负极的空电池中填充所述非水电解液的工序。
发明效果
通过本发明的实施方案,可提供一种能够在非水钠离子电池或非水钾离子电池中实现提高60℃以上的高温下的循环特性、抑制电阻增加及抑制气体产生中的至少一种的非水电解液;使用了该非水电解液的非水钠离子电池及非水钾离子电池;以及非水钠离子电池的制造方法及非水钾离子电池的制造方法。
具体实施方式
以下的实施方案中的各构成及它们的组合为实例,能够在不脱离本发明的主旨的范围内实施构成的附加、省略、置换及其他变更。此外,本发明并不受实施方案限定,仅受权利要求书限定。
在本说明书中,“~”以包含其前后所记载的数值作为下限值和上限值的含义而被使用。
[非水电解液]
本发明的实施方案的非水电解液为钠离子电池用或钾离子电池用的非水电解液,其包含:
(I)非水有机溶剂;
(II)作为离子盐的溶质;及
(III)选自由有机氯化合物、具有P-Cl键的磷化合物、具有S(=O)2-Cl键的砜化合物、具有S(=O)-Cl键的亚砜化合物及具有Si-Cl键的硅化合物组成的组中的至少一种。
例如,在为非水锂离子电池的情况下,在初次充电时,因作为溶质而被包含的六氟磷酸锂、四氟硼酸锂等含氟离子盐发生分解而产生的氟化物离子会与正极集电体铝反应,从而在铝表面形成稳定的钝化膜。虽然该覆膜以AlF3或类似化合物为主成分,但若存在高浓度的氯化物离子,则Al-F键与氯化物离子发生反应从而被置换为Al-Cl键,最终转化为氯化铝或四氯铝酸锂而溶出到电解液中,由此钝化膜受到破坏。当为非水锂离子电池时,若通过充电而产生氯化物离子则会生成氯化锂。由于所生成的氯化锂溶解于非水锂离子电池用电解液中,因此发生所述钝化膜的破坏反应。
然而,当为非水钠离子电池或非水钾离子电池时,若通过充电而产生氯化物离子,则会生成氯化钠或氯化钾。这些化合物不溶于非水钠离子电池用电解液或非水钾离子电池用电解液,不会发生正极集电体钝化膜的破坏反应。
进一步,令人非常意外的是,与非水锂离子电池的情况不同,在使用了含有通过充电而产生氯化物离子的含氯化合物的本发明的非水电解液的非水钠离子电池与非水钾离子电池中,高温环境下的循环特性得到提高、电阻增加被抑制、气体产生被抑制。虽然现阶段并不清楚其具体的原理,但能够推测如下。
可推测因充电而产生氯化物离子的含氯化合物发生分解,由此在电极上形成氯化钠或者氯化钾覆膜。还可推测因这些氯化物盐产生的无机覆膜具有较高的离子传导性与稳定性,因而会防止由非水电解液的氧化还原导致的连续分解、抑制气体产生、抑制电阻增加、提高高温循环特性。
以下,对本发明的非水电解液所含的各成分进行详细说明。
[(I)非水有机溶剂]
作为本发明的非水电解液所使用的非水有机溶剂,例如可列举出酯类(包含碳酸酯类)、醚类、内酯类、腈类、酰亚胺类及砜类。
其中,优选非水有机溶剂包含选自由环状酯、链状酯、环状醚及链状醚组成的组中的至少一种。
作为环状酯,除了碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸丁烯酯、氟代碳酸乙烯酯等环状碳酸酯以外,还可列举出γ-丁内酯、γ-戊内酯等。
作为链状酯,除了碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯、碳酸甲丙酯、碳酸乙丙酯、碳酸甲丁酯等链状碳酸酯以外,还可列举出乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸2,2-二氟乙酯、丙酸甲酯、丙酸乙酯、2-氟丙酸甲酯、2-氟丙酸乙酯、3,3,3-三氟丙酸甲酯等。
作为环状醚,可列举出四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃、呋喃、四氢吡喃、1,3-二氧戊环、2-甲基-1,3-二氧戊环、4-甲基-1,3-二氧戊环、1,3-二噁烷、1,4-二噁烷等。
作为链状醚,可列举出二甲氧基乙烷、二乙氧基乙烷、二乙醚、二丁醚、二异丙醚、二乙氧基甲烷、二乙二醇二甲醚、三乙二醇二甲醚、四乙二醇二甲醚、二丙二醇二甲醚等。
相对于非水有机溶剂的总量,上述非水有机溶剂中的选自由环状酯、链状酯、环状醚及链状醚组成的组中的至少一种的含量(当存在多种时为其合计量)优选为70~100体积%,更优选为80~100体积%。
优选非水有机溶剂包含环状酯,且环状酯的一部分或全部为环状碳酸酯。
此外,优选非水有机溶剂包含链状酯,且链状酯的一部分或全部为链状碳酸酯。
若上述非水有机溶剂包含选自由环状碳酸酯及链状碳酸酯组成的组中的至少一种,则在高温下的循环特性优异这一方面是优选的。此外,若上述非水有机溶剂包含选自由环状酯及链状酯组成的组中的至少一种,则在低温下的输入输出特性优异这一方面是优选的。
相对于非水有机溶剂的总量,上述非水有机溶剂中的选自由环状碳酸酯及链状碳酸酯组成的组中的至少一种的含量(当存在多种时为其合计量)优选为10~100体积%,更优选为30~100体积%。
作为上述非水有机溶剂的具体实例,可列举出碳酸甲乙酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲丙酯、碳酸乙丙酯、碳酸甲丁酯、碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸丁烯酯、氟代碳酸乙烯酯、乙酸甲酯、乙酸乙酯、丙酸甲酯、丙酸乙酯、2-氟丙酸甲酯、2-氟丙酸乙酯、二乙醚、乙腈、丙腈、四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃、呋喃、四氢吡喃、1,3-二噁烷、1,4-二噁烷、二丁醚、二异丙醚、1,3-二氧戊环、2-甲基-1,3-二氧戊环、4-甲基-1,3-二氧戊环、二甲氧基乙烷、二乙氧基乙烷、二乙氧基甲烷、二乙二醇二甲醚、三乙二醇二甲醚、四乙二醇二甲醚、二丙二醇二甲醚、N,N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、环丁砜、γ-丁内酯及γ-戊内酯。此外,本实施方案所使用的非水有机溶剂可以单独使用一种,也可以根据用途按照任意的组合、比例混合使用两种以上。
其中,优选上述非水有机溶剂包含选自由碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸丁烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯、γ-丁内酯、乙酸甲酯、乙酸乙酯、丙酸甲酯、丙酸乙酯、1,3-二氧戊环、2-甲基-1,3-二氧戊环、4-甲基-1,3-二氧戊环、二甲氧基乙烷、二乙氧基乙烷、二乙氧基甲烷、二乙二醇二甲醚、三乙二醇二甲醚、四乙二醇二甲醚及二丙二醇二甲醚组成的组中的至少一种。
本发明的非水电解液也能够包含聚合物,其可以为通常被称作聚合物固体电解质的物质。聚合物固体电解质中也可包含含有非水有机溶剂作为增塑剂的物质。
聚合物只要为能够溶解后述的溶质及添加剂((III)成分及其他添加剂)的非质子性的聚合物则没有特别限定。例如,可列举出在主链或侧链具有聚环氧乙烷的聚合物、聚偏氟乙烯的均聚物或共聚物、甲基丙烯酸酯聚合物、聚丙烯腈等。在将增塑剂添加至这些聚合物中时,使用上述非水有机溶剂中的非质子性非水有机溶剂。
[(II)作为离子盐的溶质]
作为用于本发明的非水电解液的溶质,当为钠离子电池时,例如可列举出由包含钠离子的阳离子与阴离子的对构成的离子盐,当为钾离子电池时,例如可列举出由包含钾离子的阳离子与阴离子的对构成的离子盐,所述阴离子为选自由六氟磷酸阴离子、二氟磷酸阴离子、单氟磷酸阴离子、四氟硼酸阴离子、六氟砷酸阴离子、六氟锑酸阴离子、二氟草酸硼酸阴离子、四氟草酸磷酸阴离子、二氟双草酸磷酸阴离子、三草酸磷酸阴离子、三氟甲磺酸阴离子、氟磺酸阴离子、双(三氟甲烷磺酰基)酰亚胺阴离子、双(五氟乙烷磺酰基)酰亚胺阴离子、(三氟甲烷磺酰基)(五氟乙烷磺酰基)酰亚胺阴离子、双(氟磺酰基)酰亚胺阴离子、(三氟甲烷磺酰基)(氟磺酰基)酰亚胺阴离子、(五氟乙烷磺酰基)(氟磺酰基)酰亚胺阴离子、三(三氟甲烷磺酰基)甲基化物阴离子、双(二氟磷酰基)酰亚胺阴离子、(二氟磷酰基)(氟磺酰基)酰亚胺阴离子及(二氟磷酰基)(三氟甲烷磺酰基)酰亚胺阴离子组成的组中的至少一种。
当为钠离子电池时,优选上述溶质为包含钠离子的阳离子与下述阴离子的对构成的离子盐,当为钾离子电池时,优选上述溶质为包含钾离子的阳离子与下述阴离子的对构成的离子盐,所述阴离子为选自由六氟磷酸阴离子、二氟磷酸阴离子、单氟磷酸阴离子、四氟硼酸阴离子、二氟草酸硼酸阴离子、四氟草酸磷酸阴离子、二氟双草酸磷酸阴离子、三草酸磷酸阴离子、三氟甲磺酸阴离子、氟磺酸阴离子、双(三氟甲烷磺酰基)酰亚胺阴离子、双(氟磺酰基)酰亚胺阴离子、(三氟甲烷磺酰基)(氟磺酰基)酰亚胺阴离子、双(二氟磷酰基)酰亚胺阴离子、(二氟磷酰基)(氟磺酰基)酰亚胺阴离子及(二氟磷酰基)(三氟甲烷磺酰基)酰亚胺阴离子组成的组中的至少一种。
关于这些溶质的浓度没有特别限制,相对于非水电解液的总量,浓度的下限为0.3mol/L以上,优选为0.5mol/L以上,进一步优选为0.7mol/L以上,此外,浓度的上限为5.0mol/L以下,优选为3.0mol/L以下,进一步优选为2.0mol/L以下的范围。通过将浓度设为0.3mol/L以上,能够抑制由离子电导率降低导致的非水电解液电池的循环特性及输出特性的降低,另一方面,通过将浓度设为5.0mol/L以下,能够抑制由非水电解液的粘度上升导致的离子传导的降低,抑制非水电解液电池的循环特性及输出特性的降低。此外,这些溶质可以单独使用,也可以组合使用多个。
若使大量的该溶质一次溶解于非水有机溶剂中,则有时会因溶质的溶解热而导致非水电解液的温度上升,若该液温显著上升,则会促进溶质或溶剂的分解,有可能引起非水电解液的着色或性能降低。因此,虽然对将该溶质溶解于非水有机溶剂中时的液温没有特别限定,但优选-20~50℃,更优选0~40℃。
[(III)成分]
用于本发明的非水电解液的(III)成分为选自由有机氯化合物、具有P-Cl键的磷化合物、具有S(=O)2-Cl键的砜化合物、具有S(=O)-Cl键的亚砜化合物及具有Si-Cl键的硅化合物组成的组中的至少一种。(III)成分通过在分解电位以上的电位下充电而生成氯化物离子。
(有机氯化合物)
优选上述有机氯化合物为选自由具有C-Cl键的脂肪族烃化合物、具有C-Cl键的芳香族烃化合物、下述式(1)表示的化合物及下述式(2)表示的化合物组成的组中的至少一种。
[化学式7]
式(1)
式(1)中,Ra各自独立地表示氟原子、任选具有取代基的碳原子数为1~10的烷基、任选具有取代基的碳原子数为1~10的烷氧基、任选具有取代基的碳原子数为2~10的烯基、任选具有取代基的碳原子数为2~10的烯氧基、任选具有取代基的碳原子数为2~10的炔基、任选具有取代基的碳原子数为2~10的炔氧基、任选具有取代基的碳原子数为6~15的芳基、任选具有取代基的碳原子数为6~15的芳氧基或N(Rx)2。Rx各自独立地表示氢原子、任选具有取代基的碳原子数为1~10的烷基、任选具有取代基的碳原子数为2~10的烯基或任选具有取代基的碳原子数为2~10的炔基。多个Rx任选彼此相同或彼此不同。多个Rx任选彼此键合。多个Ra中的至少一个具有C-Cl键,Ra任选彼此相同或彼此不同。多个Ra任选彼此键合。
[化学式8]
式(2)
式(2)中,Rb各自独立地表示氟原子、任选具有取代基的碳原子数为1~10的烷基、任选具有取代基的碳原子数为1~10的烷氧基、任选具有取代基的碳原子数为2~10的烯基、任选具有取代基的碳原子数为2~10的烯氧基、任选具有取代基的碳原子数为2~10的炔基、任选具有取代基的碳原子数为2~10的炔氧基、任选具有取代基的碳原子数为6~15的芳基、任选具有取代基的碳原子数为6~15的芳氧基或N(Ry)2。Ry各自独立地表示氢原子、任选具有取代基的碳原子数为1~10的烷基、任选具有取代基的碳原子数为2~10的烯基或任选具有取代基的碳原子数为2~10的炔基。多个Ry任选彼此相同或彼此不同。多个Ry任选彼此键合。多个Rb中的至少一个具有C-Cl键,Rb任选彼此相同或彼此不同。多个Rb任选彼此键合。
作为Ra所表示的碳原子数为1~10的烷基,可列举出甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、仲丁基、叔丁基、正戊基、正己基等,优选甲基、乙基、正丙基或异丙基,更优选甲基或乙基。
作为Ra所表示的碳原子数为2~10的烯基,可列举出乙烯基、烯丙基等。
作为Ra所表示的碳原子数为2~10的炔基,可列举出乙炔基、丙炔基等。
作为Ra所表示的碳原子数为6~15的芳基,可列举出苯基、萘基等,优选苯基。
作为Ra所表示的烷氧基、烯氧基、炔氧基及芳氧基中的烷基、烯基、炔基及芳基,可分别列举出与Ra所表示的烷基、烯基、炔基及芳基相同的基团,优选实例也相同。
作为Ra所表示的各基团任选具有的取代基,可列举出氯原子、氟原子、醚基、羰基或组合两种以上的这些基团而成的基团。
作为Rx所表示的碳原子数为1~10的烷基、碳原子数为2~10的烯基、碳原子数为2~10的炔基,可列举出作为Ra所列举出的各基团,优选实例也相同。
作为Rx所表示的各基团任选具有的取代基,可列举出氯原子、氟原子、醚基、羰基或组合两种以上的这些基团而成的基团。
如上所述,多个Ra中的至少一个具有C-Cl键。
作为Rb所表示的碳原子数为1~10的烷基、碳原子数为1~10的烷氧基、碳原子数为2~10的烯基、碳原子数为2~10的烯氧基、碳原子数为2~10的炔基、碳原子数为2~10的炔氧基、碳原子数为6~15的芳基、碳原子数为6~15的芳氧基,可列举出作为Ra所列举出的各基团,优选实例也相同。
作为Rb所表示的各基团任选具有的取代基,可列举出氯原子、氟原子、醚基、羰基或组合两种以上的这些基团而成的基团。
作为Ry所表示的碳原子数为1~10的烷基、碳原子数为2~10的烯基、碳原子数为2~10的炔基,可列举出作为Rx所列举出的各基团,优选实例也相同。
作为Ry所表示的各基团任选具有的取代基,可列举出氯原子、氟原子、醚基、羰基或组合两种以上的这些基团而成的基团。
如上所述,多个Rb中的至少一个具有C-Cl键。
作为具体实例,除了一氯甲烷、二氯甲烷、三氯甲烷、四氯甲烷、氯乙烷、1,2-二氯乙烷、1,1,2-三氯乙烷、1,1,2,2-四氯乙烷、1,1,1,2-四氯乙烷、六氯乙烷、氯乙烯、1,2-二氯乙烯、三氯乙烯、四氯乙烯、1-氯丙烷、2-氯丙烷、1,2-二氯丙烷、1,3-二氯丙烷、2,2-二氯丙烷、1,1,2-三氯丙烷、1,1,2,3-四氯丙烷、1,2,2,3-四氯丙烷、氯丙烯、氯丙炔、1-氯丁烷、2-氯-2-甲基-丙烷、1-氯戊烷、1-氯己烷、乙酰氯、二氯乙酰氯、氯甲酸甲酯、氯甲酸氯甲酯、氯甲酸乙酯、氯甲酸异丙酯、氯乙酸甲酯、氯乙酸乙酯、氯甲基甲醚、二氯甲基甲醚、2-氯乙基氯甲醚、氯甲基乙醚、3-氯丙基甲醚、2,3-二氯四氢呋喃、氯代碳酸乙烯酯、4,5-二氯代碳酸乙烯酯、二(三氯甲基)碳酸酯、六氯-2-丙酮、草酰氯、氯环戊烷、氯环己烷、氯苯、氯甲苯以外,还可列举出作为式(1)表示的化合物的氯甲基膦酸二氟化物(chloromethylphosphonic acid difluoride)、氯甲基膦酸二甲酯、氯甲基膦酸二乙酯、作为式(2)表示的化合物的氯甲基磺酰氟、2-氯乙烷磺酰氟、氯甲基磺酸甲酯、氯甲基磺酸乙酯、氟磺酸氯甲酯等。
其中,优选二氯甲烷、三氯甲烷、1,1,2-三氯乙烷、1,1,2,2-四氯乙烷、1,1,1,2-四氯乙烷、三氯乙烯、四氯乙烯、乙酰氯、二氯乙酰氯、二(三氯甲基)碳酸酯、六氯-2-丙酮、草酰氯、氯甲基膦酸二氟化物、氯甲基膦酸二甲酯、氯甲基磺酰氟、2-氯乙烷磺酰氟、氯甲基磺酸甲酯、氟磺酸氯甲酯。
(具有P-Cl键的磷化合物)
作为上述具有P-Cl键的磷化合物,可列举出选自由三氯化磷、二氯化一氟化磷、一氯化二氟化磷、磷酰氯、磷酰一氟二氯、磷酰二氟一氯、五氯化磷、四氯化一氟化磷、三氯化二氟化磷、二氯化三氟化磷、一氯化四氟化磷、六氯化磷酸盐、五氯化一氟化磷酸盐、四氯化二氟化磷酸盐、三氯化三氟化磷酸盐、二氯化四氟化磷酸盐、一氯化五氟化磷酸盐、单氯磷酸盐、二氯磷酸盐、单氯单氟磷酸盐、双(二氯磷酰基)酰亚胺盐、二氯磷酰基异氰酸酯、单氯单氟磷酰基异氰酸酯、下述式(A)表示的化合物、下述式(B)表示的化合物及下述式(C)表示的化合物组成的组中的至少一种。
[化学式9]
式(A)
式(A)中,R1各自独立地表示任选具有取代基的碳原子数为1~10的烷基、任选具有取代基的碳原子数为1~10的烷氧基、任选具有取代基的碳原子数为2~10的烯基、任选具有取代基的碳原子数为2~10的烯氧基、任选具有取代基的碳原子数为2~10的炔基、任选具有取代基的碳原子数为2~10的炔氧基、任选具有取代基的碳原子数为6~15的芳基或任选具有取代基的碳原子数为6~15的芳氧基。多个R1任选彼此相同或彼此不同。R1任选彼此键合。
[化学式10]
式(B)
式(B)中,R2表示任选具有取代基的碳原子数为1~10的烷基、任选具有取代基的碳原子数为1~10的烷氧基、任选具有取代基的碳原子数为2~10的烯基、任选具有取代基的碳原子数为2~10的烯氧基、任选具有取代基的碳原子数为2~10的炔基、任选具有取代基的碳原子数为2~10的炔氧基、任选具有取代基的碳原子数为6~15的芳基或任选具有取代基的碳原子数为6~15的芳氧基。
[化学式11]
式(C)
式(C)中,R3表示任选具有取代基的碳原子数为1~10的烷基、任选具有取代基的碳原子数为1~10的烷氧基、任选具有取代基的碳原子数为2~10的烯基、任选具有取代基的碳原子数为2~10的烯氧基、任选具有取代基的碳原子数为2~10的炔基、任选具有取代基的碳原子数为2~10的炔氧基、任选具有取代基的碳原子数为6~15的芳基或任选具有取代基的碳原子数为6~15的芳氧基。
作为R1~R3所表示的碳原子数为1~10的烷基,可列举出甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、仲丁基、叔丁基、正戊基、正己基等,优选甲基、乙基、正丙基或异丙基,更优选甲基或乙基。
作为R1~R3所表示的碳原子数为2~10的烯基,可列举出乙烯基、烯丙基等。
作为R1~R3所表示的碳原子数为2~10的炔基,可列举出乙炔基、丙炔基等。
作为R1~R3所表示的碳原子数为6~15的芳基,可列举出苯基、萘基等,优选苯基。
作为R1~R3所表示的烷氧基、烯氧基、炔氧基及芳氧基中的烷基、烯基、炔基及芳基,可分别列举出与R1~R3所表示的烷基、烯基、炔基及芳基相同的基团,优选实例也相同。
作为R1~R3所表示的各基团任选具有的取代基,可列举出氯原子、氟原子、醚基、羰基或组合两种以上的这些基团而成的基团。
作为上述具有P-Cl键的磷化合物的具体实例,除了三氯化磷、二氯化一氟化磷、一氯化二氟化磷、磷酰氯、磷酰一氟二氯、磷酰二氟一氯、五氯化磷、四氯化一氟化磷、三氯化二氟化磷、二氯化三氟化磷、一氯化四氟化磷、六氯化磷酸盐、五氯化一氟化磷酸盐、四氯化二氟化磷酸盐、三氯化三氟化磷酸盐、二氯化四氟化磷酸盐、一氯化五氟化磷酸盐、单氯磷酸盐、二氯磷酸盐、单氯单氟磷酸盐、双(二氯磷酰基)酰亚胺盐、二氯磷酰基异氰酸酯、单氯单氟磷酰基异氰酸酯以外,还可列举出作为式(A)表示的化合物的氯磷酸二甲酯、氯磷酸二乙酯、氯磷酸二异丙酯、氯磷酸二苯酯、双(2,2,2-三氯乙基)磷酰氯、2-氯-2-氧-1,3,2-二氧磷杂环戊烷;作为式(B)表示的化合物的甲基膦酰二氯、氯甲基膦酸二氯化物、二氯化乙基磷酸、二氯磷酸甲酯、二氯磷酸乙酯、二氯磷酸2-氯乙酯、二氯磷酸苯酯、2-氯苯基二氯磷酸酯、4-氯苯基二氯磷酸酯;作为式(C)表示的化合物的氯氟磷酸甲酯、氯氟磷酸乙酯、氯氟磷酸苯基酯等。
其中,优选磷酰氯或磷酰一氟二氯、二氯磷酸盐、单氯单氟磷酸盐、双(二氯磷酰基)酰亚胺盐、二氯磷酰基异氰酸酯、二氯磷酸甲酯。
(具有S(=O)2-Cl键的砜化合物)
作为上述具有S(=O)2-Cl键的砜化合物,可列举出选自由磺酰氯、氯氟磺酰、氯甲烷磺酰氯、亚甲基二磺酰二氯、1,3-丙烷二磺酰氯、氯磺酰基异氰酸酯、氯磺酸、氯磺酸盐、双(氯磺酰基)酰亚胺盐、(二氯磷酰基)(氯磺酰基)酰亚胺盐、(二氟磷酰基)(氯磺酰基)酰亚胺盐及下述式(D)表示的化合物组成的组中的至少一种。
[化学式12]
式((D)
式(D)中,R4表示任选具有取代基的碳原子数为1~10的烷基、任选具有取代基的碳原子数为1~10的烷氧基、任选具有取代基的碳原子数为2~10的烯基、任选具有取代基的碳原子数为2~10的烯氧基、任选具有取代基的碳原子数为2~10的炔基、任选具有取代基的碳原子数为2~10的炔氧基、任选具有取代基的碳原子数为6~15的芳基及任选具有取代基的碳原子数为6~15的芳氧基。
作为R4所表示的碳原子数为1~10的烷基、碳原子数为1~10的烷氧基、碳原子数为2~10的烯基、碳原子数为2~10的烯氧基、碳原子数为2~10的炔基、碳原子数为2~10的炔氧基、碳原子数为6~15的芳基、碳原子数为6~15的芳氧基,可列举出作为R1~R3所列举出的各基团,优选实例也相同。
作为R4所表示的各基团任选具有的取代基,可列举出氯原子、氟原子、烷基(优选碳原子数为1~3的烷基)、氯磺酰基、醚基、羰基或组合两种以上的这些基团而成的基团等。
作为上述具有S(=O)2-Cl键的砜化合物的具体实例,除了磺酰氯、氯氟磺酰、氯磺酰基异氰酸酯、氯磺酸、氯磺酸盐、双(氯磺酰基)酰亚胺盐、(二氯磷酰基)(氯磺酰基)酰亚胺盐、(二氟磷酰基)(氯磺酰基)酰亚胺盐、亚甲基二磺酰二氯、1,3-丙烷二磺酰氯以外,还可列举出作为式(D)表示的化合物的甲烷磺酰氯、氯甲烷磺酰氯、乙烷磺酰氯、2-氯乙烷磺酰氯、1-丙烷磺酰氯、1-戊基磺酰氯、2-丙烯磺酰氯、3-氯丙烷磺酰氯、三氟甲烷磺酰氯、三氯甲烷磺酰氯、氯磺酸氯甲酯、苯磺酰氯、苯-1,3-二磺酰氯、对甲苯磺酰氯等。
其中,优选甲烷磺酰氯、三氟甲烷磺酰氯、三氯甲烷磺酰氯、磺酰氯、氯氟磺酰、氯磺酸盐、氯磺酸氯甲酯、双(氯磺酰基)酰亚胺盐、(二氯磷酰基)(氯磺酰基)酰亚胺盐、亚甲基二磺酰二氯、1,3-丙烷二磺酰氯。
作为上述具有P-Cl键的磷化合物及具有S(=O)2-Cl键的砜化合物的盐的抗衡阳离子,只要不损害本实施方案的非水电解液、非水钠离子电池及非水钾离子电池的性能,则其种类没有特别限制,能够选择各种抗衡阳离子。
作为具体实例,可列举出锂离子、钠离子、钾离子、铷离子、铯离子、镁离子、钙离子、钡离子、银离子、铜离子、铁离子等金属阳离子、四烷基铵离子、四烷基鏻离子、咪唑鎓离子、具有螺骨架的铵离子等鎓阳离子。
当为非水钠离子电池时,特别是从起到有助于非水钠离子电池中的离子传导的作用的角度出发,优选锂离子、钠离子、钾离子、四烷基铵离子或四烷基鏻离子,更优选锂离子、钠离子、四烷基铵离子或具有螺骨架的铵离子。
当为非水钾离子电池时,特别是从起到有助于非水钾离子电池中的离子传导的作用的角度出发,优选锂离子、钠离子、钾离子、四烷基铵离子或四烷基鏻离子,更优选钾离子、四烷基铵离子或具有螺骨架的铵离子。
优选四烷基铵离子中的烷基的碳原子数为1~6,优选四烷基鏻离子中的烷基的碳原子数为1~6。
四烷基铵离子中的四个烷基任选相同或彼此不同,四烷基鏻离子中的四个烷基任选相同或彼此不同。
具有螺骨架的铵离子例如优选为5-氮鎓螺[4.4]壬烷。
(具有S(=O)-Cl键的亚砜化合物)
作为上述具有S(=O)-Cl键的亚砜化合物,可列举出选自由氯化亚砜、亚磺酰氟氯、甲烷亚磺酰氯、乙烷亚磺酰氯及叔丁基亚磺酰氯组成的组中的至少一种。
其中,优选氯化亚砜、甲烷亚磺酰氯、乙烷亚磺酰氯及叔丁基亚磺酰氯。
(具有Si-Cl键的硅化合物)
作为上述具有Si-Cl键的硅化合物,可列举出选自由三烷基氯硅烷、二烷基二氯硅烷、烷基三氯硅烷、四氯硅烷、二烷基一氯一氢硅烷、烷基二氯一氢硅烷及烷基一氯二氢硅烷组成的组中的至少一种。
另外,作为上述具有Si-Cl键的硅化合物有时会包含的烷基,优选任选具有取代基的碳原子数为1~10的烷基。作为烷基具有取代基时的取代基,可列举出氯原子、氟原子、醚基、羰基或组合两种以上的这些基团而成的基团。
作为具有Si-Cl键的硅化合物有时会包含的烷基,优选甲基或乙基,更优选甲基。
作为上述具有Si-Cl键的硅化合物,其中优选三甲基氯硅烷、二甲基二氯硅烷、甲基三氯硅烷。
为了得到含有上述(III)成分的非水电解液,可以将(III)成分作为原料添加,或者也可通过使用刻意将(III)成分残留(没有通过提纯将制造过程中所包含的(III)成分完全去除)的含氟酰亚胺盐、含氟磺酸盐、含氟磷酸盐或溶质而间接地添加(III)成分。
相对于非水电解液的总量,本实施方案的非水电解液中的上述(III)的浓度x以氯原子换算计优选为0.005质量%≤x≤10.00质量%,更优选为0.01质量%≤x≤3.20质量%。通过将上述(III)的浓度x设为0.005质量%以上,容易得到提高非水钠离子电池及非水钾离子电池的各特性的效果。另一方面,通过将上述(III)的浓度x设为10.00质量%以下,能够抑制对电极表面过度供给分解产物且抑制非水钠离子电池用电解液或非水钾离子电池用电解液的离子电导率的降低,容易得到抑制电阻增加的效果及提高循环特性的效果。
上述(III)的浓度x以氯原子换算计进一步优选为0.05质量%≤x≤1.20质量%。
另外,上述(III)的浓度x可以以氯原子在非水电解液中的含量为基准而计算。在本发明中,非水电解液中所包含的氯原子的量为通过以下方法以氯化物离子的形式定量的值。通过烧瓶燃烧法使其完全分解,向得到的吸收液中添加硝酸银水溶液而制成氯化银,进行沉淀、过滤回收而得到固体样本,使用荧光X射线分析装置对该固体样本进行测定。作为荧光X射线分析装置,能够使用例如Rigaku Corporation制造的ZSX Primus IV。此外,由于氟化物离子会妨碍氯化物离子的定量,因此当预测以氯化物离子计时的测定值为50质量ppm以下时,需要向通过烧瓶燃烧法而得到的吸收液中添加硼酸或硼酸盐来减少氟化物离子之后再进行测定。
[其他添加剂]
只要不损害本发明的主旨,则可以以任意的比例进一步添加通常用于本发明的非水电解液的添加成分。作为具体实例,可列举出环己基苯、环己基氟苯、联苯、二氟苯甲醚、叔丁基苯、叔戊基苯、氟苯、2-氟甲苯、2-氟联苯、碳酸亚乙烯酯、碳酸亚乙烯酯的低聚物(数均分子量为170~5000)、二甲基碳酸亚乙烯酯、碳酸乙烯亚乙酯、氟代碳酸乙烯酯、1,6-二异氰酰基己烷、乙炔基碳酸亚乙酯、反式双氟碳酸乙烯酯、马来酸酐、琥珀酸酐、1,3-丙烷磺内酯、1,3-丙烯磺内酯、1,4-丁烷磺内酯、1,3,2-二噁唑噻吩-2,2-二氧化物、4-丙基-1,3,2-二噁唑噻吩-2,2-二氧化物、甲烷二磺酸亚甲酯、二亚甲基甲烷二磺酸酯(dimethylenemethane disulfonate)、三亚甲基甲烷二磺酸酯(trimethylene methane disulfonate)、硫酸乙烯酯、甲烷磺酸甲酯、二氟双草酸磷酸锂、二氟双草酸磷酸钠、二氟双草酸磷酸钾、二氟草酸硼酸锂、二氟草酸硼酸钠、二氟草酸硼酸钾、四氟草酸磷酸锂、四氟草酸磷酸钠、四氟草酸磷酸钾、三草酸磷酸锂、六氟异丙醇、三氟乙醇、二(六氟异丙基)碳酸酯、二(三氟乙基)碳酸酯、1,2-乙二磺酸酐、三(三甲基硅基)硼酸酯、丁二腈、己二腈、乙氧基五氟环三磷腈、甲烷磺酰氟、四氟(吡啶甲酸根)磷酸酯、1,3-二甲基-1,3-二乙烯基-1,3-二(1,1,1,3,3,3-六氟异丙基)二硅氧烷等具有防止过充电效果、负极覆膜形成效果或正极保护效果的化合物。此外,也可像用于被称作聚合物电池的非水电解液电池的情况那样,利用胶凝剂或交联聚合物对非水电解液进行准固态化后使用。由于六氟异丙醇等被氟化的醇的亲核性较低,因此不会与以六氟磷酸盐为代表的溶质发生反应而产生氟化氢,可用作例如提高输入输出特性的添加剂。
其中,作为其他添加剂,优选选自由环己基苯、叔丁基苯、叔戊基苯、氟苯、碳酸亚乙烯酯、碳酸亚乙烯酯的低聚物(数均分子量为170~5000)、碳酸乙烯亚乙酯、氟代碳酸乙烯酯、1,6-二异氰酰基己烷、乙炔基碳酸亚乙酯、反式双氟碳酸乙烯酯、1,3-丙烷磺内酯、1,3-丙烯磺内酯、1,3,2-二噁唑噻吩-2,2-二氧化物、4-丙基-1,3,2-二噁唑噻吩-2,2-二氧化物、甲烷二磺酸亚甲酯、1,2-乙二磺酸酐、三(三甲基硅基)硼酸酯、丁二腈、己二腈、乙氧基五氟环三磷腈、甲烷磺酰氟、四氟(吡啶甲酸根)磷酸酯及1,3-二甲基-1,3-二乙烯基-1,3-二(1,1,1,3,3,3-六氟异丙基)二硅氧烷组成的组中的至少一种。
相对于非水电解液的总量,本实施方案的非水电解液包含上述其他添加剂时的含量优选为0.01质量%以上且3.0质量%以下。
[非水电解液电池]
本发明的非水电解质电池为非水钠离子电池或非水钾离子电池。
本发明的实施方案的非水钠离子电池至少包含正极、负极及上述非水电解液。
此外,本发明的实施方案的非水钾离子电池至少包含正极、负极及上述非水电解液。
更具体而言,本发明的非水电解液电池由正极、钠或能够吸收及解吸钠的负极材料所形成的负极、上述非水电解液、集电体、隔膜、容器等构成。或者,本发明的非水电解液电池由正极、钾或能够吸收及解吸钾的负极材料所形成的负极、上述非水电解液、集电体、隔膜、容器等构成。
[正极]
正极由正极活性物质、作为集电体的铝箔、导电材料、粘结剂形成,正极活性物质的种类没有特别限定,可使用能够使钠离子或钾离子可逆地嵌入-脱离的材料。作为铝箔的材质,通常使用铝纯度高的纯铝1000系(例如A1085或A1N30等)或者以提高强度为目的而添加了锰的铝锰合金3000系(例如A3003)等。进一步,也经常使用同样以提高强度为目的而添加了镁的铝镁合金5000系或添加了铁的8000系(不属于1000~7000牌号的合金)。此外,通常使用厚度为数μm~数十μm的铝箔。
当阳离子为钠时,作为正极材料(正极活性物质)没有特别限定,可使用例如NaCrO2、NaFe0.5Co0.5O2、NaFe0.4Mn0.3Ni0.3O2、NaNi0.5Ti0.3Mn0.2O2、NaNi1/3Ti1/3Mn1/3O2、NaNi0.33Ti0.33Mn0.16Mg0.17O2、Na2/3Ni1/3Ti1/6Mn1/2O2、Na2/3Ni1/3Mn2/3O2等含钠过渡金属复合氧化物;在这些含钠过渡金属复合氧化物中混合了多种Co、Mn、Ni等过渡金属的正极材料;这些含钠过渡金属复合氧化物的过渡金属的一部分被置换为其他的除过渡金属以外的金属的正极材料;NaFePO4、NaVPO4F、Na3V2(PO4)3、Na2Fe2(SO4)3等聚阴离子型化合物;由组成式NaaMb[Fe(CN)6]c表示的普鲁士蓝类似物的钠盐(M表示Cr、Mn、Fe、
Co、Ni、Cu或Zn,0≤a≤2、0.5≤b≤1.5、0.5≤c≤1.5);TiO2、V2O5、
MoO3等氧化物;TiS2、FeS等硫化物;或者聚乙炔、聚对苯撑、聚苯胺及聚吡咯等导电性高分子;活性炭、产生自由基的聚合物、碳材料等。这些正极活性物质可以单独使用一种,也可以同时使用两种以上。
当阳离子为钾时,作为正极材料(正极活性物质)没有特别限定,可使用KFePO4、KVOPO4、KFeSO4F、KVPO4F、K3V2(PO4)3等聚阴离子型化合物;由组成式KaMb[Fe(CN)6]c表示的普鲁士蓝类似物的钾盐(M表示Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu或Zn,0≤a≤2、0.5≤b≤1.5、0.5≤c
≤1.5)、KCrO2、K0.3MnO2、K0.7Fe0.5Mn0.5O2、K2/3Ni1/2Mg1/6Te1/3O2等含钾过渡金属复合氧化物;聚乙炔、聚甲基丙烯酸甲酯、聚对苯撑、聚苯胺及聚吡咯等的导电性高分子;无水苝、活性炭、产生自由基的聚合物、碳材料等。这些正极活性物质可以单独使用一种,也可以同时使用两种以上。
在正极中,例如可在正极集电体的至少一面形成正极活性物质层。正极活性物质层例如由上述的正极活性物质、粘结剂及根据需要的导电剂构成。作为粘结剂,可列举出聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯或丁苯橡胶(SBR)树脂等。作为导电剂,例如能够使用乙炔黑、科琴黑、碳纤维或石墨(颗粒状石墨或鳞片状石墨)等碳材料,优选使用结晶性低的乙炔黑或科琴黑。这些粘结剂及导电剂可以单独使用一种,也可以同时使用两种以上。
[负极]
负极由负极活性物质、集电体、导电材料、粘结剂形成,负极活性物质的种类没有特别限定,可以使用能够使钠离子或钾离子可逆地嵌入-脱离的材料。
当阳离子为钠时,作为负极活性物质没有特别限定,可列举出钠金属或能够吸收及解吸钠离子的材料。例如,可使用钠金属、钠金属与锡等其他金属的合金、金属间化合物、以硬碳为代表的各种碳材料、氧化钛等金属氧化物、金属氮化物、锡(单质)、锡化合物、活性炭、导电性聚合物等。除了这些材料以外,还可以使用红磷、黑磷等磷(单质)、Co-P、Cu-P、Sn-P、Ge-P、Mo-P等磷化合物、锑(单质)、Sb/C、Bi-Sb等锑化合物等。这些负极活性物质可以单独使用一种,也可以同时使用两种以上。
当阳离子为钾时,作为负极活性物质没有特别限定,可列举出钾金属或能够吸收及解吸钾离子的材料。例如,可使用钾金属、钾金属与锡、铋等其他金属的合金、金属间化合物或红磷、黑磷等磷(单质)、各种碳材料、氧化钛等金属氧化物。作为上述碳材料,例如可列举出易石墨化碳或(002)面的面间隔为0.37nm以上的难石墨化碳(也被称作硬碳)或(002)面的面间隔为0.37nm以下的石墨等,(002)面的面间隔为0.37nm以下的石墨可使用人造石墨、天然石墨等。这些负极活性物质可以单独使用一种,也可以同时使用两种以上。
在负极中,例如可在负极集电体的至少一面形成负极活性物质层。负极活性物质层例如由上述的负极活性物质、粘结剂、根据需要的导电剂构成。作为粘结剂,可列举出聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯或丁苯橡胶(SBR)树脂等。作为导电剂,例如能够使用乙炔黑、科琴黑、碳纤维或石墨(颗粒状石墨或鳞片状石墨)等碳材料。这些粘结剂及导电剂可以单独使用一种,也可以同时使用两种以上。
[集电体]
正极、负极的集电体能够使用铜、铝、不锈钢、镍、钛或它们的合金等。在集电体的至少一面形成活性物质层。
[隔膜]
作为用于防止正极与负极的接触的隔膜,可以使用由聚烯烃(例如,聚丙烯、聚乙烯)、纸及玻璃纤维等制成的无纺布、多孔片或膜。优选对这些隔膜进行微多孔化以含浸电解液而使离子容易透过。
[包壳体]
作为包壳体,例如能够使用硬币型、圆筒型、方型等金属罐或层压包壳体。作为金属罐材料,例如可列举出实施了镀镍的钢铁板、不锈钢板、实施了镀镍的不锈钢板、铝或其合金、镍、钛等。作为层压包壳体,例如能够使用铝层压膜、SUS制层压膜、涂布有二氧化硅的聚丙烯或聚乙烯等层压膜等。
[非水电解液电池的制造方法]
本发明还涉及一种非水钠离子电池的制造方法,其具有:准备所述非水电解液工序;及向至少具备正极与负极的空电池中填充所述非水电解液的工序。
此外,本发明还涉及一种非水钾离子电池的制造方法,其具有:准备所述非水电解液的工序;及向至少具备正极与负极的空电池中填充所述非水电解液的工序。
实施例
以下,通过实施例对本发明进行具体说明,但是本发明并不受这些实施例限定。
<非水钠离子电池用电解液的制备>
[包含具有C-Cl键的添加剂的电解液的制备]
(电解液编号1~电解液编号57的制备)
使用碳酸丙烯酯(以下也记作“PC”)、碳酸二乙酯(以下也记作“DEC”)的体积比为1:1的混合溶剂作为非水溶剂,以达到表1及表2所记载的浓度的方式向该溶剂中溶解作为溶质的钠盐的NaPF6、具有C-Cl键的添加剂,制备电解液编号1~电解液编号56。此外,除了没有使用具有C-Cl键的添加剂以外,以与电解液编号1相同的方法制备电解液编号57。在将液温维持在20~30℃的范围的同时进行上述的制备。
[表1]
表1电解液组成
[表2]
表2电解液组成
[包含具有P-Cl键的添加剂的电解液的制备]
(电解液编号58~电解液编号100的制备)
除了使用PC作为非水溶剂、用具有P-Cl键的添加剂代替具有C-Cl键的添加剂、并以达到表3及表4所记载的浓度的方式进行溶解以外,以与电解液编号1相同的方法制备电解液编号58~电解液编号99。此外,除了没有使用具有P-Cl键的添加剂以外,以与电解液编号58相同的方法制备电解液编号100。
[表3]
表3电解液组成
[表4]
表4
电解液组成
[包含具有S(=O)2-Cl键的添加剂的电解液的制备]
(电解液编号101~电解液编号144的制备)
使用PC、碳酸乙烯酯(以下也记作“EC”)、DEC的体积比为1:1:2的混合溶剂作为非水溶剂,用具有S(=O)2-Cl键的添加剂代替具有C-Cl键的添加剂,并以达到表5及表6所记载的浓度的方式进行溶解,除此以外,以与电解液编号1相同的方式制备电解液编号101~电解液编号143。此外,除了没有使用具有S(=O)2-Cl键的添加剂以外,以与电解液编号101相同的方法制备电解液编号144。
[表5]
表5电解液组成
[表6]
表6电解液组成
[包含具有S(=O)-Cl键的添加剂的电解液的制备]
(电解液编号145~电解液编号159的制备)
使用PC、碳酸二甲酯(以下也记作“DMC”)的体积比为3:7的混合溶剂作为非水溶剂,用具有S(=O)-Cl键的添加剂代替具有C-Cl键的添加剂,并以达到表7所记载的浓度的方式进行溶解,除此以外,以与电解液编号1相同的方法制备电解液编号145~电解液编号158。此外,除了没有使用具有S(=O)-Cl键的添加剂以外,以与电解液编号145相同的方法制备电解液编号159。
[表7]
表7电解液组成
[包含具有Si-Cl键的添加剂的电解液的制备]
(电解液编号160~电解液编号168的制备)
使用二乙二醇二甲醚(以下也记作“DG”)作为非水溶剂,以达到表8所记载的浓度的方式向该溶剂中溶解作为溶质的双(氟磺酰基)酰亚胺钠(以下也记作“NaFSI”)、具有Si-Cl键的添加剂,制备电解液编号160~电解液编号167。此外,除了没有使用具有Si-Cl键的添加剂以外,以与电解液编号160相同的方法制备电解液编号168。在将液温维持在20℃~30℃的范围的同时进行上述的制备。
[表8]
表8电解液组成
<非水钾离子电池用电解液的制备>
(电解液编号169~电解液编号180的制备)
使用EC、DEC的体积比为1:1的混合溶剂作为非水溶剂,以达到表9所记载的浓度的方式向该溶剂中溶解作为溶质的钾盐的双(氟磺酰基)酰亚胺钾(以下也记作“KFSI”)、含有Cl的添加剂(含氯化合物),制备电解液编号169~电解液编号179。此外,除了没有使用含有Cl的添加剂以外,以与电解液编号169相同的方法制备电解液编号180。在将液温维持在20℃~30℃的范围的同时进行上述的制备。
[表9]
表9
电解液组成
<关于非水钠离子电池>
[实施例1-1~实施例1-56及比较例1-1]
对使用表1所记载的电解液作为试验用电解液、使用NaNi0.5Ti0.3Mn0.2O2作为正极材料、使用硬碳(KUREHA CORPORATION制造,Carbotron P)作为负极材料而制作的试验用电池进行高温循环试验,分别评价循环特性、循环试验中的电阻增加率、气体产生量。将这些评价结果示于表10及表11。另外,如下所述地制作试验用电池。
按照以下步骤制作试验用正极。
混合90质量%的作为正极活性物质的NaNi0.5Ti0.3Mn0.2O2、5质量%的作为导电剂的乙炔黑及5质量%的作为粘结剂的聚偏氟乙烯(PVDF),进一步添加作为溶剂的N-甲基吡咯烷酮使其相对于所述正极活性物质、导电剂及粘结剂的总质量为82质量%,制备浆料溶液。将该浆料溶液涂布于作为正极集电体的铝箔上,并在150℃下干燥12小时,由此得到在集电体上形成有正极活性物质层的试验用正极。
按照以下步骤制作试验用负极。
混合90质量%的作为负极活性物质的硬碳粉末(KUREHA CORPORATION制造,Carbotron P)与10质量%的作为粘结剂的聚偏氟乙烯(PVDF),进一步添加作为溶剂的N-甲基吡咯烷酮使其相对于所述负极活性物质与粘结剂的总质量为50质量%,制备浆料溶液。将该浆料溶液涂布于作为负极集电体的铜箔上,并在150℃下干燥12小时,由此得到在集电体上形成有负极活性物质层的试验用负极。
隔着含浸有试验用电解液的聚乙烯制隔膜配置试验用正极与试验用负极,组装铝层压包壳的50mAh的试验用电池。
[初始充放电试验]
对于已组装的上述电池,在25℃的环境温度下将充电上限电压设为4.1V、将放电下限电压设为1.5V,使用恒流恒压法,以0.32mA/cm2的电流密度、0.08mA/cm2的恒压充电截止电流密度进行充放电。将其作为一个循环的充放电,合计实施三个循环的充放电从而使电池稳定。然后,再次在25℃的环境温度下将充电上限电压设为4.1V,利用恒流恒压法,以0.32mA/cm2的电流密度、0.08mA/cm2的恒压充电截止电流密度进行充电,使其成为充满电的状态。使用电化学分析仪(ALS型604E,BAS Inc.制造)对充满电的状态的电池测定交流阻抗。将通过此时所观测到的圆弧计算的电阻值设为初始电阻。然后,将放电下限电压设为1.5V,利用恒电流法以0.32mA/cm2的电流密度进行放电。
[高温循环特性评价]
对于初始试验之后的电池,实施60℃的环境温度下的充放电试验,并评价循环特性。充电至4.1V后放电至1.5V,以1.56mA/cm2的电流密度反复实施充放电循环。并且,通过60℃的环境温度下的充放电试验中的第500个循环的放电容量维持率来评价电池的劣化程度(高温循环特性评价)。通过下述式求出“高温循环后的放电容量维持率”。另外,将60℃的环境温度下的充放电试验中的第1个循环的放电容量设为初始放电容量。
<第500个循环的放电容量维持率>
高温循环后的放电容量维持率(%)=(第500个循环的放电容量/初始放电容量)×100
[电阻增加率评价]
对于上述循环试验之后的电池,在25℃的环境温度下将充电上限电压设为4.1V,利用恒流恒压法,以0.32mA/cm2的电流密度、0.08mA/cm2的恒压充电截止电流密度进行充电,使其成为充满电的状态。使用电化学分析仪(ALS型604E,BAS Inc.制造)对充满电的状态的电池测定交流阻抗。将通过此时所观测到的圆弧计算的电阻值设为循环试验后的电阻。然后,将放电下限电压设为1.5V,利用恒电流法以0.32mA/cm2的电流密度进行放电。通过循环试验中的电阻的增加率来评价电池的劣化程度(电阻增加率)。通过下述式求出“高温循环时的电阻增加率”。
<电阻增加率>
高温循环时的电阻增加率(%)=(循环试验后的电阻/初始电阻)×100
[气体产生量评价]
在实施上述高温循环特性评价前和实施上述高温循环特性评价后,通过使用了硅油(Shin-Etsu Chemical Co.,Ltd.制造,硅油KF54)的阿基米德法测定电池的容积,求出气体产生量V(单位:cm3)(气体产生量V=实施高温循环特性评价后的电池的容积V2-实施高温循环特性评价前的电池的容积V1)。基于该气体产生量V来评价“高温循环时的气体产生量”。
[表10]
表10
[表11]
表11
在表10及表11中,实施例1-1~实施例1-56的评价结果为将比较例1-1的评价结果设为100%时的相对值。“高温循环后的放电容量维持率”的值越大越好,“高温循环时的电阻增加率”的值越小越好,“高温循环时的气体产生量”的值越小越好。
根据表10及表11的评价结果确认到了,通过添加具有C-Cl键的化合物,高温下的循环特性得到提高、电阻增加被抑制、气体产生被抑制。
此外,在实施例1-1~实施例1-18中确认到了,通过以规定量(相对于电解液总量为0.06质量%~3.00质量%)添加具有C-Cl键的化合物,高温循环特性的提高效果得到进一步发挥。
[实施例2-1~实施例2-42及比较例2-1]
除了将NaFe0.4Mn0.3Ni0.3O2用作正极活性物质、使用表3及表4所记载的电解液以外,以与实施例1-1相同的方法制作电池,进行高温循环试验,分别评价循环特性、循环试验中的电阻增加率、气体产生量。将其评价结果示于表12及13。
[表12]
表12
[表13]
表13
在表12及表13中,实施例2-1~实施例2-42的评价结果为将比较例2-1的评价结果设为100%时的相对值。“高温循环后的放电容量维持率”的值越大越好,“高温循环时的电阻增加率”的值越小越好,“高温循环时的气体产生量”的值越小越好。
根据表12及表13的评价结果确认到了,通过添加具有P-Cl键的化合物,高温下的循环特性得到提高、电阻增加被抑制、气体产生被抑制。
此外,在实施例2-1~实施例2-18中确认到了,通过以规定量添加具有P-Cl键的化合物,高温循环特性的提高效果得到进一步发挥。
[实施例3-1~实施例3-43及比较例3-1]
除了将NaNi1/3Ti1/3Mn1/3O2用作正极活性物质、使用表5及表6所记载的电解液以外,以与实施例1-1相同的方法制作电池,进行高温循环试验,分别评价循环特性、循环试验中的电阻增加率、气体产生量。将其评价结果示于表14及表15。
[表14]
表14
[表15]
表15
在表14及表15中,实施例3-1~实施例3-43的评价结果为将比较例3-1的评价结果设为100%时的相对值。“高温循环后的放电容量维持率”的值越大越好,“高温循环时的电阻增加率”的值越小越好,“高温循环时的气体产生量”的值越小越好。
根据表14及表15的评价结果确认到了,通过添加具有S(=O)2-Cl键的化合物,高温下的循环特性得到提高、电阻增加被抑制、气体产生被抑制。
此外,在实施例3-1~实施例3-18中确认到了,通过以规定量添加具有S(=O)2-Cl键的化合物,高温循环特性的提高效果得到进一步发挥。
[实施例4-1~实施例4-14及比较例4-1]
除了将Na2/3Ni1/3Ti1/6Mn1/2O2用作正极活性物质、使用表7所记载的电解液以外,以与实施例1-1相同的方法制作电池,进行高温循环试验,分别评价循环特性、循环试验中的电阻增加率、气体产生量。将其评价结果示于表16。
[表16]
表16
在表16中,实施例4-1~实施例4-14的评价结果为将比较例4-1的评价结果设为100%时的相对值。“高温循环后的放电容量维持率”的值越大越好,“高温循环时的电阻增加率”的值越小越好,“高温循环时的气体产生量”的值越小越好。
根据表16的评价结果确认到了,通过添加具有S(=O)-Cl键的化合物,高温下的循环特性得到提高、电阻增加被抑制、气体产生被抑制。
此外,在实施例4-1~实施例4-12中确认到了,通过以规定量添加具有S(=O)-Cl键的化合物,高温循环特性的提高效果得到进一步发挥。
[实施例5-1~实施例5-8及比较例5-1]
除了将NaCrO2用作正极活性物质、使用表8所记载的电解液以外,以与实施例1-1相同的方法制作电池,将充电上限电压变更为3.3V,并进行初始充放电试验及高温循环试验,分别评价循环特性、循环试验中的电阻增加率(将充电上限电压变更为3.3V)、气体产生量。将其评价结果示于表17。
[表17]
表17
在表17中,实施例5-1~实施例5-8的评价结果为将比较例5-1的评价结果设为100%时的相对值。“高温循环后的放电容量维持率”的值越大越好,“高温循环时的电阻增加率”的值越小越好,“高温循环时的气体产生量”的值越小越好。
根据表17的评价结果确认到了,通过添加具有Si-Cl键的化合物,高温下的循环特性得到提高、电阻增加被抑制、气体产生被抑制。
此外,在实施例5-1~实施例5-6中确认到了,通过以规定量添加具有Si-Cl键的化合物,高温循环特性的提高效果得到进一步发挥。
<关于非水钾离子电池>
[实施例6-1~实施例6-11及比较例6-1]
对使用表9所记载的电解液作为试验用电解液、使用K2Mn[Fe(CN)6]作为正极材料、使用人造石墨作为负极材料而制作的试验用电池进行高温循环试验,分别评价循环特性、循环试验中的电阻增加率、气体产生量。将其评价结果示于表18。另外,如下所述地制作试验用电池。
按照以下步骤制作试验用正极。
混合85质量%的作为正极活性物质的K2Mn[Fe(CN)6]、8质量%的作为导电剂的乙炔黑及7质量%的作为粘结剂的聚偏氟乙烯(PVDF),进一步添加作为溶剂的N-甲基吡咯烷酮使其相对于所述正极活性物质、导电剂及粘结剂的总质量为82质量%,制备浆料溶液。将该浆料溶液涂布于作为正极集电体的铝箔上,并在150℃下干燥12小时,由此得到在集电体上形成有正极活性物质层的试验用正极。
按照以下步骤制作试验用负极。
混合90质量%的作为负极活性物质的人造石墨与10质量%的作为粘结剂的聚偏氟乙烯(PVDF),进一步添加作为溶剂的N-甲基吡咯烷酮使其相对于所述负极活性物质与粘结剂的总质量为50质量%,制备浆料溶液。将该浆料溶液涂布于作为负极集电体的铜箔上,并在150℃下干燥12小时,由此得到在集电体上形成有负极活性物质层的试验用负极。
隔着含浸有试验用电解液的聚乙烯制隔膜配置试验用正极与试验用负极,组装铝层压包壳的20mAh的试验用电池。
[初始充放电试验]
对于已组装的上述电池,在25℃的环境温度下将充电上限电压设为4.1V、将放电下限电压设为2.0V,利用恒流恒压法,以0.13mA/cm2的电流密度、0.03mA/cm2的恒压充电截止电流密度进行充放电。将其作为一个循环的充放电,合计实施三次循环的充放电从而使电池稳定。然后再次在25℃的环境温度下将充电上限电压设为4.1V,利用恒流恒压法,以0.13mA/cm2的电流密度、0.03mA/cm2的恒压充电截止电流密度进行充电,使其成为充满电的状态。使用电化学分析仪(ALS型604E,BAS Inc.制造)对充满电的状态的电池测定交流阻抗。将通过此时所观测到的圆弧计算的电阻值设为初始电阻。然后,将放电下限电压设为2.0V,利用恒电流法以0.13mA/cm2的电流密度进行放电。
[高温循环特性评价]
对于初始试验之后的电池,实施60℃的环境温度下的充放电试验,评价循环特性。充电至4.1V后放电至2.0V,以0.62mA/cm2的电流密度反复实施充放电循环。并且,通过60℃的环境温度下的充放电试验中的第100个循环的放电容量维持率来评价电池的劣化程度(高温循环特性评价)。通过下述式求出“高温循环后的放电容量维持率”。另外,将60℃的环境温度下的充放电试验中的第1个循环的放电容量设为初始放电容量。
<第100个循环的放电容量维持率>
高温循环后的放电容量维持率(%)=(第100个循环的放电容量/初始放电容量)×100
[电阻增加率评价]
对于上述循环试验之后的电池,在25℃的环境温度下将充电上限电压设为4.1V,利用恒流恒压法,以0.13mA/cm2的电流密度、0.03mA/cm2的恒压充电截止电流密度进行充电,使其成为充满电的状态。使用电化学分析仪(ALS型604E,BAS Inc.制造)对充满电的状态的电池测定交流阻抗。将通过此时所观测到的圆弧计算的电阻值设为循环试验后的电阻。然后,将放电下限电压设为2.0V,利用恒电流法以0.13mA/cm2的电流密度进行放电。通过循环试验中的电阻的增加率来评价电池的劣化程度(电阻增加率)。通过下述式求出“高温循环时的电阻增加率”。
<电阻增加率>
高温循环时的电阻增加率(%)=(循环试验后的电阻/初始电阻)×100
[气体产生量评价]
在实施上述高温循环特性评价前和实施上述高温循环特性评价后,通过使用了硅油(Shin-Etsu Chemical Co.,Ltd.制造,硅油KF54)的阿基米德法测定电池的容积,求出气体产生量V(单位:cm3)(气体产生量V=实施高温循环特性评价后的电池的容积V2-实施高温循环特性评价前的电池的容积V1)。基于该气体产生量V来评价“高温循环时的气体产生量”。
[表18]
表18
在表18中,实施例6-1~实施例6-11的评价结果为将比较例6-1的评价结果设为100%时的相对值。“高温循环后的放电容量维持率”的值越大越好,“高温循环时的电阻增加率”的值越小越好,“高温循环时的气体产生量”的值越小越好。
根据表18的评价结果确认到了,通过在非水钾离子电池中添加含氯化合物,高温下的循环特性也会得到提高、电阻增加和气体产生也会被抑制。
此外,在实施例6-1~实施例6-6中确认到了,通过以规定量添加含氯化合物,高温循环特性的提高效果得到进一步发挥。
<非水钠离子电池用电解液的制备-2>
[含添加剂的电解液的制备]
(电解液编号181~电解液编号192的制备)
将以1:1的体积比混合PC、DEC而得到的混合溶剂用作非水溶剂,以达到表19所记载的浓度的方式向该溶剂中溶解作为溶质的钠盐的NaPF6、作为含氯化合物的氯磺酸钠、作为其他添加剂(也称作第二化合物)的氟代碳酸乙烯酯,制备电解液编号181。在将液温维持在20℃~30℃的范围的同时进行上述的制备。
此外,除了将其他添加剂的种类及浓度变更为表19所记载的种类及浓度以外,以与电解液编号181相同的方法制备电解液编号182~电解液编号186。进一步,除了没有添加氯磺酸钠以外,以与电解液编号181~电解液编号186相同的方法制备电解液编号187~电解液编号192。
[表19]
表19
<非水钾离子电池用电解液的制备-2>
[含添加剂的电解液的制备]
(电解液编号193~电解液编号198的制备)
将以1:1的体积比混合EC、DEC而得到的混合溶剂用作非水溶剂,以达到表20所记载的浓度的方式向该溶剂中溶解作为溶质的钾盐的KFSI、作为含氯化合物的氯氟磺酰、作为其他添加剂的氟代碳酸乙烯酯,制备电解液编号193。在将液温维持在20℃~30℃的范围的同时进行上述的制备。
此外,除了将其他添加剂的种类变更为表20所记载的种类以外,以与电解液编号193相同的方法制备电解液编号194、电解液编号195。进一步,除了没有添加氯氟磺酰以外,以与电解液编号193~电解液编号195相同的方法制备电解液编号196~电解液编号198。
[表20]
表20
<关于非水钠离子电池-2>
[实施例7-1~实施例7-6及比较例7-1~比较例7-6]
除了使用表19所记载的电解液作为非水电解液以外,实施与实施例1-1相同的性能评价。将评价结果示于表21。
[表21]
表21
在表21中,实施例7-1~实施例7-6的评价结果为分别将仅添加了第二化合物而未添加含氯化合物的电解液的评价结果设为100%时的相对值。“高温循环后的放电容量维持率”的值越大越好,“高温循环时的电阻增加率”的值越小越好,“高温循环时的气体产生量”的值越小越好。
根据表21的评价结果确认到了,与单独添加除含氯化合物以外的其他添加剂的电解液相比,通过添加含氯化合物,高温下的循环特性得到提高、电阻增加被抑制、气体产生被抑制。
<关于非水钾离子电池-2>
[实施例8-1~实施例8-3及比较例8-1~比较例8-3]
除了使用表20所记载的电解液作为非水电解液以外,实施与实施例6-1相同的性能评价。将评价结果示于表22。
[表22]
表22
在表22中,实施例8-1~实施例8-3为分别将仅添加了第二化合物而未添加含氯化合物的电解液的评价结果设为100%时的相对值。“高温循环后的放电容量维持率”的值越大越好,“高温循环时的电阻增加率”的值越小越好,“高温循环时的气体产生量”的值越小越好。
根据表22的评价结果确认到了,对于非水钾离子电池而言,与单独添加除含氯化合物以外的其他添加剂的电解液相比,通过添加含氯化合物,高温下的循环特性也会得到提高,电阻增加和气体产生也会被抑制。
工业实用性
通过本发明的实施方案,可提供一种能够在非水钠离子电池或非水钾离子电池中实现提高60℃以上的高温下的循环特性、抑制电阻增加及抑制气体产生中的至少一种的非水电解液;使用了该非水电解液的非水钠离子电池及非水钾离子电池;以及非水钠离子电池的制造方法及非水钾离子电池的制造方法。
虽然参照特定的实施方案对本发明进行了详细说明,但能够在不脱离本发明的构思与范围的情况下施加各种变更或修改对本领域技术人员而言是显而易见的。
本申请以2021年6月23日提交申请的日本专利申请(日本特愿2021-104481)为基础,并将其内容作为参照援引于此。
Claims (18)
1.一种非水电解液,其为用于钠离子电池或用于钾离子电池的非水电解液,其包含:
(I)非水有机溶剂;
(II)作为离子盐的溶质;及
(III)选自由有机氯化合物、具有P-Cl键的磷化合物、具有S(=O)2-Cl键的砜化合物、具有S(=O)-Cl键的亚砜化合物及具有Si-Cl键的硅化合物组成的组中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的非水电解液,其中,
所述(III)的浓度x以氯原子换算计为0.01质量%≤x≤3.20质量%。
3.根据权利要求1或2所述的非水电解液,其中,
所述有机氯化合物为选自由具有C-Cl键的脂肪族烃化合物、具有C-Cl键的芳香族烃化合物、下述式(1)表示的化合物及下述式(2)表示的化合物组成的组中的至少一种,
[化学式1]
式(1)
式(1)中,Ra各自独立地表示氟原子、任选具有取代基的碳原子数为1~10的烷基、任选具有取代基的碳原子数为1~10的烷氧基、任选具有取代基的碳原子数为2~10的烯基、任选具有取代基的碳原子数为2~10的烯氧基、任选具有取代基的碳原子数为2~10的炔基、任选具有取代基的碳原子数为2~10的炔氧基、任选具有取代基的碳原子数为6~15的芳基、任选具有取代基的碳原子数为6~15的芳氧基或N(Rx)2;Rx各自独立地表示氢原子、任选具有取代基的碳原子数为1~10的烷基、任选具有取代基的碳原子数为2~10的烯基或任选具有取代基的碳原子数为2~10的炔基;多个Rx任选彼此相同或彼此不同,多个Rx任选彼此键合;多个Ra中的至少一个具有C-Cl键,Ra任选彼此相同或彼此不同;多个Ra任选彼此键合,
[化学式2]
式(2)
式(2)中,Rb各自独立地表示氟原子、任选具有取代基的碳原子数为1~10的烷基、任选具有取代基的碳原子数为1~10的烷氧基、任选具有取代基的碳原子数为2~10的烯基、任选具有取代基的碳原子数为2~10的烯氧基、任选具有取代基的碳原子数为2~10的炔基、任选具有取代基的碳原子数为2~10的炔氧基、任选具有取代基的碳原子数为6~15的芳基、任选具有取代基的碳原子数为6~15的芳氧基或N(Ry)2;Ry各自独立地表示氢原子、任选具有取代基的碳原子数为1~10的烷基、任选具有取代基的碳原子数为2~10的烯基或任选具有取代基的碳原子数为2~10的炔基;多个Ry任选彼此相同或彼此不同;多个Ry任选彼此键合;多个Rb中的至少一个具有C-Cl键,Rb任选彼此相同或彼此不同;多个Rb任选彼此键合。
4.根据权利要求1或2所述的非水电解液,其中,
所述具有P-Cl键的磷化合物为选自由三氯化磷、二氯化一氟化磷、一氯化二氟化磷、磷酰氯、磷酰一氟二氯、磷酰二氟一氯、五氯化磷、四氯化一氟化磷、三氯化二氟化磷、二氯化三氟化磷、一氯化四氟化磷、六氯化磷酸盐、五氯化一氟化磷酸盐、四氯化二氟化磷酸盐、三氯化三氟化磷酸盐、二氯化四氟化磷酸盐、一氯化五氟化磷酸盐、单氯磷酸盐、二氯磷酸盐、单氯单氟磷酸盐、双(二氯磷酰基)酰亚胺盐、二氯磷酰基异氰酸酯、单氯单氟磷酰基异氰酸酯、下述式(A)表示的化合物、下述式(B)表示的化合物及下述式(C)表示的化合物组成的组中的至少一种,
[化学式3]
式(A)
式(A)中,R1各自独立地表示任选具有取代基的碳原子数为1~10的烷基、任选具有取代基的碳原子数为1~10的烷氧基、任选具有取代基的碳原子数为2~10的烯基、任选具有取代基的碳原子数为2~10的烯氧基、任选具有取代基的碳原子数为2~10的炔基、任选具有取代基的碳原子数为2~10的炔氧基、任选具有取代基的碳原子数为6~15的芳基或任选具有取代基的碳原子数为6~15的芳氧基;多个R1任选彼此相同或彼此不同;R1任选彼此键合,
[化学式4]
式(B)
式(B)中,R2表示任选具有取代基的碳原子数为1~10的烷基、任选具有取代基的碳原子数为1~10的烷氧基、任选具有取代基的碳原子数为2~10的烯基、任选具有取代基的碳原子数为2~10的烯氧基、任选具有取代基的碳原子数为2~10的炔基、任选具有取代基的碳原子数为2~10的炔氧基、任选具有取代基的碳原子数为6~15的芳基或任选具有取代基的碳原子数为6~15的芳氧基,
[化学式5]
式(C)
式(C)中,R3表示任选具有取代基的碳原子数为1~10的烷基、任选具有取代基的碳原子数为1~10的烷氧基、任选具有取代基的碳原子数为2~10的烯基、任选具有取代基的碳原子数为2~10的烯氧基、任选具有取代基的碳原子数为2~10的炔基、任选具有取代基的碳原子数为2~10的炔氧基、任选具有取代基的碳原子数为6~15的芳基或任选具有取代基的碳原子数为6~15的芳氧基。
5.根据权利要求1或2所述的非水电解液,其中,
所述具有S(=O)2-Cl键的砜化合物为选自由磺酰氯、氯氟磺酰、氯甲烷磺酰氯、亚甲基二磺酰二氯、1,3-丙烷二磺酰氯、氯磺酰基异氰酸酯、氯磺酸、氯磺酸盐、双(氯磺酰基)酰亚胺盐、(二氯磷酰基)(氯磺酰基)酰亚胺盐、(二氟磷酰基)(氯磺酰基)酰亚胺盐及下述式(D)表示的化合物组成的组中的至少一种,
[化学式6]
式(D)
式(D)中,R4表示任选具有取代基的碳原子数为1~10的烷基、任选具有取代基的碳原子数为1~10的烷氧基、任选具有取代基的碳原子数为2~10的烯基、任选具有取代基的碳原子数为2~10的烯氧基、任选具有取代基的碳原子数为2~10的炔基、任选具有取代基的碳原子数为2~10的炔氧基、任选具有取代基的碳原子数为6~15的芳基或任选具有取代基的碳原子数为6~15的芳氧基。
6.根据权利要求1或2所述的非水电解液,其中,
所述具有S(=O)-Cl键的亚砜化合物为选自由氯化亚砜、亚磺酰氟氯、甲烷亚磺酰氯、乙烷亚磺酰氯及叔丁基亚磺酰氯组成的组中的至少一种。
7.根据权利要求1或2所述的非水电解液,其中,
所述具有Si-Cl键的硅化合物为选自由三烷基氯硅烷、二烷基二氯硅烷、烷基三氯硅烷、四氯硅烷、二烷基一氯一氢硅烷、烷基二氯一氢硅烷及烷基一氯二氢硅烷组成的组中的至少一种。
8.根据权利要求1或2所述的非水电解液,其中,
所述(II)为由包含钠的阳离子与阴离子的对构成的离子盐,所述阴离子为选自由六氟磷酸阴离子、二氟磷酸阴离子、单氟磷酸阴离子、四氟硼酸阴离子、二氟草酸硼酸阴离子、四氟草酸磷酸阴离子、二氟双草酸磷酸阴离子、三草酸磷酸阴离子、三氟甲磺酸阴离子、氟磺酸阴离子、双(三氟甲烷磺酰基)酰亚胺阴离子、双(氟磺酰基)酰亚胺阴离子、(三氟甲烷磺酰基)(氟磺酰基)酰亚胺阴离子、双(二氟磷酰基)酰亚胺阴离子、(二氟磷酰基)(氟磺酰基)酰亚胺阴离子及(二氟磷酰基)(三氟甲烷磺酰基)酰亚胺阴离子组成的组中的至少一种。
9.根据权利要求1或2所述的非水电解液,其中,
所述(II)为由包含钾的阳离子与阴离子的对构成的离子盐,所述阴离子为选自由六氟磷酸阴离子、二氟磷酸阴离子、单氟磷酸阴离子、四氟硼酸阴离子、二氟草酸硼酸阴离子、四氟草酸磷酸阴离子、二氟双草酸磷酸阴离子、三草酸磷酸阴离子、三氟甲磺酸阴离子、氟磺酸阴离子、双(三氟甲烷磺酰基)酰亚胺阴离子、双(氟磺酰基)酰亚胺阴离子、(三氟甲烷磺酰基)(氟磺酰基)酰亚胺阴离子、双(二氟磷酰基)酰亚胺阴离子、(二氟磷酰基)(氟磺酰基)酰亚胺阴离子及(二氟磷酰基)(三氟甲烷磺酰基)酰亚胺阴离子组成的组中的至少一种。
10.根据权利要求1或2所述的非水电解液,其中,
所述(I)包含选自由环状酯、链状酯、环状醚及链状醚组成的组中的至少一种。
11.根据权利要求10所述的非水电解液,其中,
所述环状酯的一部分或全部为环状碳酸酯。
12.根据权利要求10所述的非水电解液,其中,
所述链状酯的一部分或全部为链状碳酸酯。
13.根据权利要求1或2所述的非水电解液,其中,
所述(I)包含选自由碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸丁烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯、γ-丁内酯、乙酸甲酯、乙酸乙酯、丙酸甲酯、丙酸乙酯、1,3-二氧戊环、2-甲基-1,3-二氧戊环、4-甲基-1,3-二氧戊环、二甲氧基乙烷、二乙氧基乙烷、二乙氧基甲烷、二乙二醇二甲醚、三乙二醇二甲醚、四乙二醇二甲醚及二丙二醇二甲醚组成的组中的至少一种。
14.根据权利要求1或2所述的非水电解液,其进一步含有:
选自由环己基苯、叔丁基苯、叔戊基苯、氟苯、碳酸亚乙烯酯、数均分子量为170~5000的碳酸亚乙烯酯的低聚物、碳酸乙烯亚乙酯、氟代碳酸乙烯酯、1,6-二异氰酰基己烷、乙炔基碳酸亚乙酯、反式双氟碳酸乙烯酯、1,3-丙烷磺内酯、1,3-丙烯磺内酯、1,3,2-二噁唑噻吩-2,2-二氧化物、4-丙基-1,3,2-二噁唑噻吩-2,2-二氧化物、甲烷二磺酸亚甲酯、1,2-乙二磺酸酐、三(三甲基硅基)硼酸酯、丁二腈、己二腈、乙氧基五氟环三磷腈、甲烷磺酰氟、四氟(吡啶甲酸根)磷酸酯及1,3-二甲基-1,3-二乙烯基-1,3-二(1,1,1,3,3,3-六氟异丙基)二硅氧烷组成的组中的至少一种添加剂。
15.一种非水钠离子电池,其至少具备正极、负极及权利要求1或2所述的非水电解液。
16.一种非水钾离子电池,其至少具备正极、负极及权利要求1或2所述的非水电解液。
17.一种非水钠离子电池的制造方法,其具有:
准备权利要求1或2所述的非水电解液的工序;及
向至少具备正极与负极的空电池中填充所述非水电解液的工序。
18.一种非水钾离子电池的制造方法,其具有:
准备权利要求1或2所述的非水电解液的工序;及
向至少具备正极与负极的空电池中填充所述非水电解液的工序。
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