JP2001512714A - ペルフルオロアルカン−1−スルホニル(ペルフルオロアルキルスルホニル)イミド−n−スルホニル−含有メタニド、イミドおよびスルホネート化合物の製造方法およびペルフルオロアルカン−1−n−スルホニルビス(ペルフルオロアルキルスルホニル)メタニド化合物 - Google Patents

ペルフルオロアルカン−1−スルホニル(ペルフルオロアルキルスルホニル)イミド−n−スルホニル−含有メタニド、イミドおよびスルホネート化合物の製造方法およびペルフルオロアルカン−1−n−スルホニルビス(ペルフルオロアルキルスルホニル)メタニド化合物

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Abstract

(57)【要約】 本発明は、式(I):M2 [R1 −SO2 −(CF2 )n−SO2 −R](式中、RおよびR1 は独立して、C(SO2 F 2 、N(SO2 F )またはO(R)およびC(SO2 −RF 2 またはN(SO2 F )(R1 )を表わし;RF は、(CX 2X+1)を表わし;Mは、Li、Na、K、Cs、Rb、Be1/2 およびMg1/2 、Sr1/2 、Ba1/2 からなる群からの対イオンを表わし;nは、1、2または3に等しく;そしてxは、1、2、3または4に等しい)で表わされる化合物に関する。本発明はまた、これらの化合物の製造方法、リチウム電池の電解質塩としての電解液系におけるそれらの使用;ならびに一般式(I)で表わされる化合物を含有するリチウム電池用の電解液、さらにまた相当する電解液を含有する二次リチウム電池それ自体に関する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】 本発明は、式(I)で表わされる化合物に関する: M2 [R1 −SO2 −(CF2 )n−SO2 −R] (I) 式中、 Rは、C(SO2 F 2 、N(SO2 F )、Oであり、 R1 は、C(SO2 F 2 、N(SO2 F )であり、 RおよびR1 は、相互に独立しており、 RF は、(CX 2X+1)であり、 Mは、Li、Na、K、Cs、Rb、Be1/2 、およびMg1/2 、Sr1/2
Ba1/2 からなる群からの対イオンであり、 nは、1、2または3であり、 xは、1、2、3または4である。
【0002】 本発明はまた、これらの化合物の製造方法、これらの化合物のリチウム電池に
おける導電性塩としての電解液系における使用、およびまた一般式(I)で表わ
される化合物を含有するリチウム電池用の電解液、ならびに相当する電解質を含
有する二次リチウム電池それ自体に関する。 刊行物には、例えばLi[F3 CSO3 ](リチウムトリフレート)などのリ
チウム化合物が記載されており、これらの化合物は、製造が簡単であり、従って
市販されている。しかしながら、相当する化合物は、二次電池で使用するには不
適である。この理由は、そこで使用される代表的な非プロトン溶媒中におけるそ
れらの導電性が低過ぎることにある(Volkov,O.V.;Skudin,
A.M.;Ignat´ev,N.V.:Soviet Electroche
mistry,1992,28,1527)。
【0003】 これに対して、リチウム トリス(トリフルオロメチルスルホニル)メタニド
(Li[C(SO2 CF3 3 ])およびリチウム ビス(トリフルオロメチル
スルホニル)イミド(Li[N(SO2 CF3 2 ])は、非プロトン溶剤中で
非常に良好な溶解性および導電性を示す(Levy,S.C.;Cieslak
,W.R.;“Review of Lithium−Ion Technol
ogy”,Sandia National Laboratories,Ex
ploratory Batteries Dept.2223,Albuqu
erque,NM87185−0614,1994;Dominey,L.A.
;“Anodic Corrosion Processes Relevan
t to Lithium Batteries Employing Hig
h Voltage Cathodes”,Proc.10th Int.Se
minar on Prim.and Second.Battery Tec
h.and Appl.,Florida Educational Semi
nars,Inc.Boca.Raton,Fl,1993)。
【0004】 しかしながら、これらの化合物でさえも、リチウム電池で使用するには、条件
付きで適するのみである。この理由は、Li[N(SO2 CF3 2 ]が高い腐
蝕物性を有することにある(Levy,S.C.;Cieslak,W.R.;
“Review of Lithium−Ion Technology”,S
andia National Laboratories,Explorat
ory Batteries Dept.2223,Albuquerque,
NM87185−0614,1994)。また、1.66%の含有量を有するL
i[C(SO2 CF3 3 ]は、低いリチウム含有量を有する。 US−A−5514493にはまた、スルホネート化合物、スルホニルイミド
化合物およびまたスルホニルメタニド化合物とペルフルオロモルホリン、ペルフ
ルオロピペラジンおよび過フッ素化アミンとを組み合わせることによって、良好
な電解質物性、特に腐蝕物性について良好な電解質物性を有する電解液系を得る
提案が開示されている。適当な組み合わせは、ジアニオン系を提供する。
【0005】 別の著者はまた、類似組成を有するジアニオン系を開示している(Razaq
等によるCase Cent.Electrochem.Sci.,Case
Western Reserve Univ.,Cleveland,OH,U
SA Report(1989),GRI−89/0025;Order No
.PB89−178768,214頁、Avail:Geov.Rep.Ann
ounce.Index(U.S.),1989,89(12),Abstr.
No.932,621から;A.J.Appleby等によるCent.Ele
ctrochem.Syyt.Hydrogen Res.,Texas A
and M Univ.System,College Station,TX
,77843−3402,USA,Morgantown Energy Te
chnol.Cent.,[Rep.]DOE/METC(U.S.Dep.E
nergy),1991,DOE/METC−91/6120,Proc.An
nu.Fuel Cells Contract,Rev.Meet.3rd,
1991,169〜177)。
【0006】 燃料電池にかかわるレポートで、Razaq等は、式IIで表わされる架橋し
たα,ω−ペルフルオロアルカン−ビス[スルホニルトリフルオロメチル−スル
ホニルイミド]を開示している: F3 CSO2 −NH−SO2 −(CF2 4 −O2 S−NH−SO2 CF3 (II) ジセシウムビスイミドの結晶構造を開示している、後続の刊行物(D.D.D
esMarteau,“Novel Perfluorinated Iono
mers and Ions”,Proceedings of intern
ational conferences on Fluorine Chem
istry 1994年7月27〜30日、京都、日本国)には、式(II)に
従う化合物の性質が記載されている。
【0007】 明らかなこととして、この化合物は、格別に強力な酸であり、「古典的]なL
i[N(SO2 CF3 2 ]と同様に、非プロトン溶媒中で良好な導電性を示す
。さらに長い過フッ素化アルキル鎖、例えば−(CF2 4 −などの導入は、腐
蝕性を減少させる。しかしながら、これは、別の性質、例えばカチオン性導電性
および得られる電流の強さに有害な作用を及ぼす。 従って、本発明の目的は、適度のリチウム含有量を有し、腐蝕安定性を示し、
そのカチオン性導電性が公知の匹敵するリチウム塩よりも良好であり、そして同
時に、反対方向に移動するアニオン電荷により、有害な逆電位をもたらさないリ
チウム塩を提供することにある。 この目的が、下記式(I)で表わされる新規化合物により、またこれらの化合
物の製造方法により、リチウム電池における導電性塩としての電解液系における
、それらの使用により、また一般式(I)で表わされる化合物を含有するリチウ
ム電池用の電解液により、さらにまた相当する電解液を含有する二次リチウム電
池それ自体により、達成される:
【0008】 M2 [R1 −SO2 −(CF2 )n−SO2 −R] (I) 式中、 Rは、C(SO2 F 2 、N(SO2 F )、Oであり、 R1 は、C(SO2 F 2 、N(SO2 F )であり、 RおよびR1 は、相互に独立しており、 RF は、(CX 2X+1)であり、 Mは、Li、Na、K、Cs、Rb、Be1/2 、およびMg1/2 、Sr1/2
Ba1/2 からなる群からの対イオンであり、 nは、1、2または3であり、 xは、1、2、3または4である。
【0009】 本発明に関連する、上記式(I)に従う化合物の製造方法は、 a)ペルフルオロアルキルスルホニルフルオライドを、非プロトン溶媒に溶解
されたアンモニアと反応させ、 b)得られたアミンを、水に溶解された水酸化ナトリウムで処理し、対応する
ナトリウム塩を生成させ、 c)このナトリウム塩を、加熱しながら、(Me3 Si)2 NHと反応させ、
式(III): Na(RF SO2 NSiMe3 ) (III) (式中、RF は、上記定義のとおりである) で表わされるナトリウム ペルフルオロアルキルスルホニルトリメチルシリルア
ミドを生成させ、
【0010】 d)この生成物を、1,n−アルカン−ビス(スルホニルフルオライド)と反
応させ、式(IV): Na[RF SO2 NSO2 (CF2 )nSO2 F] (IV) (式中、nは、1、2または3であり、そしてRF は上記意味を有する) で表わされるナトリウム ペルフルオロアルカン−1−フルオロスルホニル−N
−トリフルオロメチルスルホニルイミドを生成させ、次いでこの生成物を、 e)式(III)で表わされるナトリウム ペルフルオロアルキルスルホニル
トリメチルシリルアミドと反応させ、次いで酸性エーテル溶液、水性KOH中で
の連続反応及び続く複分解によって、式(V): Li2 (RF SO2 NSO2 −(CF2 )n−SO2 NSO2 F )(V) (式中、nは、1、2または3であり、そしてRF は上記意味を有する) で表わされるジリチウムビスイミドに変換する、または
【0011】 f)1当量を、ジリチエート化ビス(ペルフルオロアルキルスルホニル)メタ
ンと反応させ、次いで適宜な仕上げ処理と得られた反応生成物の複分解によって
、式(VI): Li2 (RF SO2 NSO2 −(CF2 )n−SO2 C(SO2 F 2 ) (VI) (式中、nは、1、2または3であり、そしてRF は上記意味を有する) で表わされるジリチウムイミドメタニドを生成させる、あるいは g)アルカリ性リチウム塩と反応させ、次いでリチウムハライドを用いた複分
解により、式(VII): Li2 [RF SO2 NSO2 (CF2 )nSO3 ] (VII) (式中、nは、1、2または3であり、そしてRF は上記意味を有する) で表わされるペルフルオロアルカン−1−スルホニル(ペルフルオロアルキルス
ルホニル)イミド−N−スルホネートを生成させる、 ことを特徴とする方法である。
【0012】 本発明はまた、式(I)において、R1 およびRが同一であって、C(SO2 F 2 の意味を有する化合物の製造方法に関し、この方法は、 a)ビス(ペルフルオロアルキルスルホニル)メタンを、テトラヒドロフラン
、2−メチルテトラヒドロフランおよびジエチルエーテルからなる群からの非プ
ロトン有機溶媒中で、−10〜+50℃、好ましくは10〜25℃の温度におい
て、リチエート化し、次いで−10〜+50℃、好ましくは20〜30℃の温度
において、1:0.3〜1:0.5のモル比で、式(VIII): FO2 S−(CF2 )n−SO2 F (VIII) で表わされるα,ω−ペルフルオロアルカンビス(スルホニルフルオライド)と
反応させ、次いで、
【0013】 b)先ず鉱酸溶液中で反応させ、溶媒を分離除去し、溶液中でアルカリ性セシ
ウム塩を使用して、対応するジアニオンへの変換を生じさせ、次いで 必要に応じて精製された、この生成物を、 c)先ず、ジエチルエーテル、ジブチルエーテルおよび2−メチルテトラヒド
ロフランからなる群からの有機溶媒中で、鉱酸、好ましくは塩酸で処理し、次い
で水性水酸化リチウム溶液との反応により、式(Xa): M2 [(RF CSO2 2 C−SO2 −(CF2 )n−SO2 −C(SO2 F 2 ] (Xa) (式中、RF およびnは、上記意味を有する) で表わされるジ−アルカリ金属ビスメタニド化合物に変換する、 ことを特徴とする方法である。
【0014】 特に、本発明は、式(Xb): Li2 [(RF SO2 2 C−SO2 −(CF2 )n−SO2 −C(SO2 F 2 ] (Xb) で表わされる対応するジリチウム化合物に関する。 本発明による方法を行うためには、トリフルオロメチルスルホニルフルオライ
ドおよびアンモニアから出発する4工程合成を用いる。この4工程合成では、第
一中間体: Na[RF −SO2 −N−SiMe3 ] (III) を生成させ、所望の引き続く中間体: Na[RF SO2 NSO2 −(CF2 )n−SO2 F] (IV) を製造する。
【0015】 この塩を製造するために、予め得られた[RF −SO2 −N−SiMe3 ]ナ
トリウム塩の一部を使用することができる。この理由は、Na[RF SO2 NS
2 −(CF2 )n−SO2 F]が次いで、標準的方法に従い、ほぼ等モル量の
Na[RF −SO2 −N−SiMe3 ]を用いて、式(V)で表わされる対応す
る架橋したジリチウムビスイミド、例えばLi2 [F3 CSO2 N−SO2 −N
SO2 CF3 ](この化合物は、式(I)において、R=N(SO2 F )であ
り、RF =CF3 であり、M=Liであり、n=1である化合物である)に変換
することができることによる。 これに対して、混合組成を有するジリチウムイミドメタニドの製造は、例えば
等モル量のNa[F3 CSO2 NSO2 −(CF2 )n−SO2 F](n=1)
を、ジリチエート化ビス(トリフルオロメチルスルホニル)メタンと反応させ、
次いで複分解させることによって所望のリチウム塩を生成させることによって行
われる。
【0016】 式(I)で表わされる本発明による化合物はまた、式(VII)で表わされる
ジリチウムイミドスルホネート化合物を包含する。このような化合物は、モノア
ニオンNa[RF SO2 NSO2 −(CF2 )n−SO2 F](n=1、RF
CF3 )を用いて、水性溶液中で適当な塩基を用いるケン化により対応するジア
ニオンを生成させることによって、製造することができる。Li2 CO3 および
LiOH+H2 Oなどからなる群からのアルカリ性リチウム塩は、このケン化に
適する。 Liハライド、好ましくは塩化リチウムによる複分解を使用し、ジリチウムイ
ミドスルホネートを得ることができる。 従って、本発明は、本発明によるリチウム化合物を用いて、一例として下記計
画図に従い表わすことができる方法に関する:
【0017】
【表1】
【0018】製造計画 1 上記製造計画図から概観できるように、式(III)に従う化合物の製造は、
3工程で行われる。有利なこととして、我々は、第一反応工程を、DesMar
teauにより開示されているように(D.D.DesMarteau,M.W
itzによるJ.Fluorine Chem.,1991,52,7)、液状
アンモニア中で行う必要はなく、その代わりに、さらに高温で非プロトン溶媒、
例えばテトラヒドロフラン中で行うことができることを見出した。アンモニアと
ペルフルオロアルキルスルホニルフルオライドとの反応が完了した後、この反応
は−100〜−50℃、特に−78℃の温度において非プロトン溶媒中で進行さ
せ、得られるアミンを、アルカリ金属塩、好ましくはナトリウム塩に変換する。
刊行物から公知のように、この反応をアルコール性溶液中で行う必要はなく、そ
の代わりに、アルカリ金属水酸化物、好ましくは水酸化ナトリウムとの反応を簡
単な方法で、水性溶液中で行うことができることが、例により証明された。式(
III)で表わされる化合物は次いで、簡単な方法で、ペルフルオロアルキルス
ルホニルアミノアルカリ金属塩を、ビス(トリメチルシリル)アミンの存在下に
加熱することによって得ることができる。
【0019】 式(III)に従う化合物と一般式(VIII) FO2 S−(CF2 )n−SO2 F (VIII) (式中、nは、1〜3である) で表わされるα,ω−ペルフルオロアルカンビス(スルホニルフルオライド)と
の後続の反応は、非プロトン溶媒中で40〜70℃、好ましくは65〜70℃の
温度に単純に加熱することによって行うことができ、これにより式(IV)で表
わされる化合物、(Na[RF −SO2 −N−SO2 (CF2 )n−SO2 F]
)を高収率で製造することができる。このようにして、これらのナトリウム [
トリフルオロメチルスルホニル−α,ω−ペルフルオロアルカンビス(スルホニ
ルフルオライド)アミド]化合物が、90%の収率で得られる。この反応に適す
る溶媒には、2−メチルテトラヒドロフラン、3−メチルテトラヒドロフラン、
テトラヒドロフランまたはその他の環状エーテル類が包含される。この反応は、
テトラヒドロフランを用いて行うと好ましい。
【0020】 刊行物からそれ自体公知の方法に従い、上記したように、式(IV)で表わさ
れる化合物から式(V)で表わされる新規リチウム化合物を製造することができ
る。α,ω−ペルフルオロアルカン−ビス(スルホニルフルオライド)化合物の
鎖長を増加させる場合、式(IV)で表わされる化合物と式(III)で表わさ
れる化合物との間で行われる反応の収率は、低下するものと見做されることを、
我々は見出した。式(V)において、n=1であるジ−Liビスイミド化合物を
精製し、分離した後、その収率は、約60%であり、他方、n=3である対応す
る化合物は、約40%のみの収率で得られる。
【0021】 特に、式(V)で表わされる化合物は、式(IV)で表わされる化合物を、環
状エーテルからなる群からの非プロトン溶媒中で、好ましくはピラン(これは、
(±)−3−メチルテトラヒドロピランに相当する)中で、100〜110℃の
温度において、式(III)で表わされる化合物と反応させることによって製造
される。この際、式(III)で表わされる化合物は、10〜20%過剰量で使
用する。鉱酸溶液、好ましくはジエチルエーテル中の水性塩酸からなる溶液によ
り処理すると、式(IX)で表わされる化合物が得られる: {RF SO2 NH−SO2 −(CF2 )n−SO2 −HNSO2 F } (IX) (式中、nは、1、2または3である)。
【0022】 精製、好ましくは昇華により精製を行った後、これらの化合物を、水性カリウ
ムイオンを包含するアルカリ溶液、好ましく水酸化カリウム溶液を用いて、対応
するジカリウム塩に変換し、次いでテトラヒドロフランまたは1,3−ジオキソ
ラン……などの非プロトン有機溶媒中で、LiCl、LiIおよびLiBrから
なる群からのリチウムハライド、好ましくは塩化リチウムを用いて、複分解させ
ることによって、式(V)で表わされるジリチウムビスイミド化合物を製造する
ことができる。 前記計画図から見ることができるように、本発明による方法はまた、新規ペル
フルオロアルカン−1−スルホニル(ペルフルオロアルキルスルホニル)イミド
−n−スルホニル−ビス(ペルフルオロアルキルスルホニル)メタニド化合物お
よび一般式(VI)で表わされる混合組成を有するジリチウムイミドメタニド化
合物の製造に関する。
【0023】 これらの化合物を製造するためには、ビス(ペルフルオロアルキルスルホニル
)メタンを、テトラヒドロフランおよび2−メチルテトラヒドロフランからなる
群からの非極性非プロトン溶媒中で、シクロヘキサン、n−ヘキサンまたはその
他の環状あるいは非環状炭化水素溶媒中のブチルリチウムまたはメチルリチウム
を用いて、−10〜30℃、好ましくは10〜20℃の温度においてジリチエー
ト化させる。引き続いて、 a)環状エーテル類からなる群からの非プロトン溶媒、特にテトラヒドロフラ
ン中で0〜50℃、好ましくは20〜30℃の温度において、等量の式(IV)
で表わされる化合物と反応させ、 b)引き続いて、エーテル類からなる群からの有機溶媒、好ましくはジエチル
エーテルまたはジブチルエーテル中で、鉱酸、特に塩酸で処理し、 c)一般に公知の方法、特に蒸留により精製し、
【0024】 d)CsOHおよびCs2 CO3 からなる群からのアルカリ性セシウム塩、好
ましくは炭酸セシウムを用いて、複分解させ、再精製し、好ましくは再結晶によ
り再精製し、次いで e)リチウムハライドを用いて、さらに複分解させ、式(VI)で表わされる
混合組成を有する新規ジリチウムイミドメタニドを製造することができる。精製
後に、所望の生成物が約25〜30%の収率で得られる。
製造計画図1にすでに示されているように、本発明はまた、ジアルカリイミド
スルホネート化合物、特に式(VII)で表わされるジリチウムイミドスルホネ
ート化合物の製造方法に関する。実験により、これらの化合物は、対応する式
(IV)で表わされるモノアニオンのケン化により製造することができることが
見出された。この目的には、LiOH+H2 OおよびLi2 CO3 からなる群か
らのアルカリ性リチウム塩の水性溶液を使用することができる。
【0025】 好ましくは、この反応は、水酸化リチウム溶液を用いて行う。詳細には、水性
溶液中のモノアニオンを、初期電荷として導入し、次いでアルカリ性リチウム塩
を、等モル量ないし多くて1.5倍の量で添加する。このケン化は、高められた
温度、特に沸騰温度で行う。必要に応じて、この反応溶液に活性炭素を添加し、
不純物を除去することができる。簡単な方法で、濾過後に水を分離し、反応生成
物を得る。塩形成することによって、この生成物からジリチウム塩を製造するこ
とができる。得られるケン化反応生成物を、エーテル類、テトラヒドロフランお
よび1,3−ジオキサランからなる群からの非プロトン溶媒、好ましくテトラヒ
ドロフラン中に取り入れ、非プロトン有機溶媒、好ましくはケン化生成物の溶解
に使用した溶剤と同一の溶媒中に溶解されているリチウムハライドと、等モル量
ないし1.5倍の量で混合し、次いで約20〜40℃、好ましくは室温で数時間
、撹拌する。生成されたナトリウムハライドは、沈殿させ、次いで簡単な方法、
例えば濾過により、あるいは当業者に知られている別法により、分離除去するこ
とができる。溶媒を、好ましくは減圧蒸留により分離した後、所望のジアルカリ
イミドスルホネートが、少なくとも98%の収率で固形物として得られる。
【0026】 式(I)に従い、本発明はまた、式(X): M2 [(F3 CSO2 2 C−SO2 −(CF2 )n−SO2 C(SO2
3 2 ] (X) (式中、M、nおよびRF は、前記意味を有する) で表わされる、フッ素化アルカン鎖により架橋されている対称ビスメタニド化合
物およびこれらの化合物の製造方法に関する。 これらの化合物は、下記の製造計画図2に従い、例えば対応するリチウム塩を
用いて製造することができることが、例により証明された。
【0027】
【表2】
【0028】製造計画2 ビス(ペルフルオロアルキルスルホニル)メタンは、環状エーテル類からなる
群からの非プロトン溶媒、好ましくはテトラヒドロフラン中に取り入れ、次いで
ブチルリチウム、メチルリチウムなどのアルカリリチウム(この化合物は、公知
方法で製造し、シクロヘキサンなどの炭化水素に溶解する)を用いてリチエート
化する。別法として、この反応は、対応して、アルカリ−Mg化合物を用いて行
うこともできる。このリチエート化反応は、0〜50℃の温度で行うことができ
、10〜25℃の温度が好適である。引き続いて、上記一般式(VIII)で表
わされるα,ω−ペルフルオロアルカンビス(スルホニルフルオライド)(式中
、nは前記意味を有することができる)と反応させる。この反応の出発物質は、
1:0.3〜1:0.5のモル比で使用する。この反応は、環状または非環状エ
ーテル類、好ましくはテトラヒドロフラン中で10〜50℃の温度で行う。25
〜30℃の温度範囲を採用した場合、特に良好な収率が得られる。
【0029】 鉱酸溶液、好ましくは塩酸溶液で処理した後、次いで未反応出発物質を分離し
た後、得られた生成物を、水性溶液中でCs2 CO3 およびCsOHからなる群
からの溶液中でアルカリ性であるセシウム塩を用いて、対応するジアニオンに変
換し、次いで必要に応じて、例えば再結晶またはその他の当業者に知られている
方法により予め精製した後、ジエチルエーテルおよびジブチルエーテルからなる
群からの有機溶媒中で鉱酸、好ましくは塩酸により処理し、次いで水性水酸化リ
チウム溶液で処理することによって所望の塩、例えば式(Xa)で表わされるジ
リチウムビスメタニドに変換する: Li2[(RF SO2 2C−SO2 −(CF2 )n−SO2−C(SO2F 2 ] (Xa) このジリチウムビスメタニドの遊離は、特に等モル量の水酸化リチウムまたは
その水和物を用いることによって行う。反応平衡を移動させるために、水酸化リ
チウムはまた、過剰量で使用することもできる。
【0030】 従って、本発明はまた、一般式(I)で表わされる化合物のナトリウム塩、カ
リウム塩およびセシウム塩に等しく関連する。 特に、本発明による化合物において、RF は、フッ素飽和基、すなわちトリフ
ルオロメチル、ペンタフルオロエチル、i−およびn−ヘプタフルオロプロピル
、i−、n−およびt−ノナフルオロブチルであることができる。 特に、本発明は、下記の一般式(I)で表わされる化合物のリチウム塩に関す
る:
【化2】
【0031】 これらの新規化合物は、格別に安定であることが見出された。例えば約100
℃の温度で乾燥保存すると、いかなる分解も生じない。200℃以上の相当に高
い温度においてのみ、脱色し、分解を示す。溶液、例えばテトラヒドロフランま
たはアセトニトリルなどの有機溶媒中で保存した場合でさえも、色の変化または
分解生成物は、数週間の保存後にも見出されない。別段の理由がないかぎり、本
発明による新規化合物は、二次リチウム電池用の非水性電解液中の導電性塩とし
て格別に適している。 本発明による化合物の範疇に包含される有機リチウム塩に加えて、このような
電解液はまた、1種または2種以上の非水性溶剤および任意に、別種の添加剤を
含有する。このような電解液についてさらに詳細に説明すると、それらの組成お
よび二次リチウム電池の動作モードは、当業者に知られている。本発明による化
合物は、この用途用に知られているリチウム化合物と全く同様に使用することが
できる。この観点から、本発明による化合物はまた、格別に高い安定性を示す。
対応する蓄電電池は、キャパシティおよび電圧恒常性の観点で、およびまた帯電
−放電サイクルの平均数以上の非制限的動作可能性の観点で、優れた特性を示す
【0032】 リチウム電極に対抗する作用電極としてアルミニウムを使用するサイクロボル
タムメトリー(cyclovoltammetric)試験により、特に新規リ
チウムビスメタニド化合物が非プロトン溶媒中で非常に良好な導電性を示すこと
が証明された。さらにまた、これらの化合物は、アルミニウム電流コレクターの
腐蝕を減少させ、同時に、それら自体が分解反応の観点から安定である。特に、
これらの塩は、アルミニウムに対して、不動態化または保護作用を有する。一般
式(I)で表わされる本発明による化合物は、一次および二次電池の両方におい
て、導電性塩として使用することができ、従って電解液の表面−活性塩として作
用することができる。 上述したように、前記リチウム塩は、電解液の導電性塩として使用するのに特
に適している。中でも、これらの塩のこの観点における有利な性質は、製造され
た塩中のリチウム含有量に依存している。本明細書に記載されているリチウム導
電性塩の中で、式(VII)で表わされるジリチウムイミドスルホネートは、最
高のリチウム含有量、すなわち3.91%を有する。
【0033】 さらにまた、この塩は、本明細書に記載の方法に従い、非常に良好な収率で製
造することができる。例えば、ケン化および後続の複分解は、ほとんど定量的に
進行する。その製造に使用される式(IV)で表わされる化合物でさえも、90
%以上の高収率で得られ、従ってこれらの導電性塩の製造は、基本的に非常に少
ない量の出発物質損失を伴うのみである。
【表3】
【0034】 下記の例は、本発明を説明する意味を有し、本発明をさらに良好に理解するた
めのものであり、開示されている一般的に有効な技術の観点から、本発明の主題
を、これらの例に制限しようとするものではない。 例 例1トリフルオロメチルシリルスルホニルアミド3 CSO2 NH2 マルチコイルコンデンサー(温度:−78℃)および内部温度計を備え、−7
8℃に冷却されている500ml三ッ頸フラスコ内において、気体導入管を経て
導入された無水アンモニアを70mlの容積に凝縮させ、ここに次いでTHF2
00〜250mlをゆっくり滴下して添加する。このTHF/NH3 溶液を再度
、−78℃に冷却させた後、トリフルオロメタンスルホニルフルオライド68g
(0.45mol)(この化合物は、J.Chem.Soc.(1956)1
7に従い製造することができる)を、気体導入管を経て、約2時間かけて導入す
る。この格別に発熱性の反応期間中に、形成されたアンモニウムフルオライドが
沈殿し、若干のアンモニウムアミドがまた生成される。この反応が完了した後、
この懸濁液を室温まで温めることによって、残留するアンモニアを蒸発させる。
この沈殿を吸引により濾別し、残留する無色溶液を回転蒸発器で濃縮させる。こ
の粗製生成物を、高減圧における昇華により精製する。
【0035】
【化3】
【0036】 例2ナトリウム トリフルオロメチルスルホニルアミド Na[F3 CSO2 NH] 水300ml中の昇華させたトリフルオロメタンスルホニルアミド149g
(1.0mol)の懸濁液を、水酸化ナトリウム40g(1,0mol)と、注
意して混合する。この方法で、清明な無色溶液が生成される。30分間撹拌した
後、溶媒を水圧により分離し、残存する無色残留物を、80℃において高減圧で
乾燥させる。
【0037】
【化4】
【0038】 例3ナトリウム トリフルオロメチルスルホニルトリメチルシリルアミド Na[F3 CSO2 NSiMe3 ] ヘキサメチルジシラザン(HMDS)800ml中のナトリウム トリフルオ
ロメタンスルホニルアミド42.8g(250mmol)の溶液を、アンモニア
の放出がもはや見られなくなるまで、還流させる(約2時間)。次いで、溶媒を
水圧により分離し、残存する無色で、加水分解感受性の残留物を、80〜90℃
において高減圧で乾燥させる。
【0039】
【化5】
【0040】 例4ナトリウム ペルフルオロアルカン−1−フルオロスルホニル−N−トリフルオ ロメチルスルホニルイミド Na[F3 CSO2 −N−SO2 −(CF2 )n−SO2 F]、n=1〜3 テトラヒドロフラン100ml中のナトリウム トリフルオロメチルスルホニ
ルトリメチルシリルアミド、Na[F3 CSO2 NSiMe3 ]60.0g(2
47mmol)の溶液に、対応する1,n−アルカン−ビス(スルホニルフルオ
ライド)250mmolを、滴下して添加する。還流下に4時間撹拌した後、溶
媒を分離し、無色ないし僅かに帯黄色の残留物を、60〜70℃において高減圧
で乾燥させる。 表1:ナトリウム ペルフルオロアルカン−1−フルオロスルホニル−n−トリ
フルオロメチルスルホニルイミド(Na[F3 CSO2 −N−SO2 −(CF2 )n−SO2 F]、n=1〜3)
【0041】
【表4】
【0042】
【化6】
【0043】 例5ジカリウム ペルフルオロアルカン−1,N−ビス[スルホニル(トリフルオロ メチルスルホニル)イミド]2[F3CSO2−N−SO2−(CF2 )n−SO2−N−SO2CF3 ]、n
=1〜3 ピラン150ml中のNa[F3 CSO2 NSiMe]60.0g(247m
mol)の溶液を、対応するNa[F3 CSO2 N−SO2 −(CF2 )n−S
2 F]188mmolと混合する。次いで、この淡い黄色ないし褐色の溶液を
、5時間還流させる。溶媒を水圧下に分離し、残存する黄色残留物を3モル塩酸
600〜700ml中に溶解し、次いで4時間撹拌する。次いで、この溶液を、
各回150mlのジエチルエーテルにより4回抽出する。エーテル相を集め、穏
やかな条件下に濃縮させる。未反応トリフルオロメタンスルホンアミドを次いで
、残留する油状物から昇華させる。この昇華の底部分を、水100〜150ml
中に取り入れ、顆粒状活性炭を通して濾過し、次いで水酸化カリウムにより中性
にする。活性炭とともに沸騰させ、次いで濾過した後、水を水圧下に分離する。
無色固形物を、イソプロパノール300〜400mlから再結晶させる。濾過後
、この結晶を、70℃において高減圧で乾燥させる。
【0044】 表2:ジカリウム ペルフルオロアルカン−1,n−ビス[スルホニル(トリフ
ルオロメチルスルホニル)イミド]、(K2 [F3 CSO2 −N−SO2 −(C
2 )n−SO2 −N−SO2 CF3 ]、n=1〜3)
【表5】
【0045】
【表6】
【0046】
【化7】
【0047】 例6ジリチウム テトラフルオロエタン−ビス[スルホニル(トリフルオロメチル− スルホニル)イミド] Li2 [F3 CSO2 −N−SO2 −(CF2 2 −SO2 −N−SO2 CF 3 ] テトラヒドロフラン100ml中のK2 [F3 CSO2 −N−SO2 −CF2 −SO2 −N−SO2 CF3 ]100.00g(182mmol)の溶液を、テ
トラヒドロフラン650ml中の塩化リチウム15.40g(364mmol)
の溶液と混合する。30分間撹拌した後、塩化カリウムの沈殿を濾別し、次いで
THFを水圧下に分離する。生成する無色固形物を、約80℃において高減圧(
0.1トールよりも低い)で乾燥させる。
【0048】
【化8】
【0049】 例7ジセシウム ジフルオロメタン−スルホニル(トリフルオロメチル−スルホニル )イミド−N−スルホニル−ビス(トリフルオロメチル−スルホニル)メタニド Cs2 [F3 CSO2 N−SO2 −CF2 −SO2 −C(SO2 CF3 2
テトラヒドロフラン150ml中のビス(トリフルオロメチルスルホニル)メ
タン70g(250mmol)の溶液に、シクロヘキサン中の2モルブチルリチ
ウム溶液260mlを滴下して添加する。この間、混合物は氷で冷却させる。こ
の滴下添加中、温度は10〜20℃に維持し、また撹拌を継続する。20℃の温
度において、THF 100ml中のNa[F3 CSO2 N−SO2 −CF2
SO2 F]92g(250mmol)を滴下して添加する。この間、温度はでき
るだけ25〜30℃に維持する。この反応溶液を60℃で2時間加熱する。次い
で、溶媒混合物を分離する。生成する固形物を、3モル塩酸500ml中に取り
入れ、約4時間撹拌する。
【0050】 次いで、この溶液を各回150mlのジエチルエーテルにより4回、抽出する
。このエーテル相を集め、溶媒を分離した後、未反応出発物質を留去する。残存
する底部生成物を水500ml中に溶解し、次いで炭酸セシウム約33gにより
中性にする。この処理で沈殿するセシウム塩を、煮沸により溶解する。次いで、
この溶液を活性炭で処理し、次いで30分間加熱した後、濾過する。必要に応じ
て、この結晶セシウム塩を再度、水により再結晶させる。
【0051】
【化9】
【0052】 例8ジリチウム ジフルオロメタン−スルホニル(トリフルオロメチル−スルホニル )イミド−N−スルホニル−ビス(トリフルオロメチル−スルホニル)メタニド Li2 [F3 CSO2 N−SO2 −CF2 −C(SO2 CF3 2 ] THF100ml中のCs2 [F3 CSO2 −N−SO2 −CF2 −C(SO 2 CF3 2 ]100.00g(115mmol)の溶液を、テトラヒドロフラ
ン400ml中のLiCl 9.75g(230mmol)の溶液と混合する。
30分間撹拌した後、CsClの沈殿を濾別し、次いでテトラヒドロフランを、
水圧下に分離する。生成する固形物を、80℃において高減圧(0.1トールよ
りも低い)で乾燥させる。
【0053】
【化10】
【0054】 例9ジリチウム ジフルオロメタン−スルホニル(トリフルオロメチル−スルホニル )イミド−N−スルホネート Li2 [F3 CSO2 N−SO2 −CF2 SO3 ] 水250ml中のNa2 [F3 CSO2 N−SO2 −CF2 −SO3 ]91.
8g(250mmol)の溶液を、水酸化リチウムモノハイドレート21.0g
(500mmol)の溶液と混合する。この懸濁液を、必要に応じて、活性炭の
存在下に1時間沸騰させ、引き続いて室温まで冷却させ、濾過し、次いで水を水
圧下に分離する。無色固形物を乾燥させ、次いでテトラヒドロフラン250ml
中に溶解する。この溶液を、テトラヒドロフラン450ml中のLiCl 10
.6g(250mmol)の溶液と混合する。30分間撹拌した後、沈殿したN
aClを濾別し、次いでテトラヒドロフランを水圧下に分離する。生成する固形
物を、80℃において高減圧(<0.1トール)で乾燥させる。
【0055】
【化11】
【0056】電気化学的試験 還元にかかわる安定性: 被験溶媒混合物: EC/DMC(1:1;水含有量:約10〜20ppm) および EC/DEC(1:1;水含有量:約10〜20ppm) 中において、塩Li2 [(F3 CSO2 2 C−SO2 −(CF2 3 −SO2 −C(SO2 CF3 2 ]は、リチウムについて良好な安定性を有する。基底電
流サイクロボルタンモグラム(base current cyclovolt
ammogram)(図1)は、カソード分解を示唆することができる如何なる
徴候も示さない。
【0057】 酸化にかかわる安定性 a)不活性白金電極における酸化 二価メタニドの分解可能性を、溶媒混合物とは独立して、LI/Li+ につい
て5.3Vとして、測定した。この測定は、溶媒の分解に、多分実際に、何が関
与しているのかを示す。図2は、溶媒としてEC/DMC混合物を用いて測定さ
れたボルタンモグラムを示している。 b)アルミニウム電極における酸化 一価スルホニル誘導体の場合と異なり、被験塩は、アルミニウム表面を効果的
に不動態化させる(図3)。アルミニウムがいずれかの溶解を示した場合は、見
出されなかった。
【0058】 サイクル試験(cycling experiments) サイクル特性の測定は、サイクリックボルタンメトリー(cyclic vo
ltametry)を用いることによって、電位変動について(potenti
ondynamically)(図3、表4)、およびガルバノスタットについ
て(galvanostatically)(表5および6)行った。これらの
結果は、以前に試験された塩化合物の範囲内にある。 図1は、Li2 [(F3 CSO2 2 C−SO2 −(CF2 3 −SO2 −C
(SO2 CF3 2 ](0.58molal)をDMC/EC(mdcv:27
9)を用いて、下記条件下に行った基底電流サイクロボルタンメトリー測定値を
グラフにすることによる分析を示している: 測定設定 :3−電極配列 作用電極 :V2A合金鋼鉄;電極面積:0.503cm2 対向電極 :リチウム 対照電極 :リチウム サイクル回数 :5 ランプ速度 :20mV/秒 (Ramp rate)
【0059】 図2は、例としてLi2 [(F3 CSO2 2 C−SO2 −(CF2 3 −S
2 −C(SO2 CF3 2 ](0.58molal)をDMC/EC(mdc
v:285)を用いて、下記条件下に、本発明による電解質の白金(電極面積:
0.071cm2 )に対するアノード安定性をグラフ形式で示している: 測定設定 :3−電極配列 作用電極 :V2A合金鋼鉄;電極面積:0.503cm2 対向電極 :リチウム 対照電極 :リチウム サイクル回数 :5 ランプ速度 :10mV/秒
【0060】 図3は、例としてLi2 [(F3 CSO2 2 C−SO2 −(CF2 3 −S
2 −C(SO2 CF3 2 ](0.58molal)をDMC/EC(mdc
v:280)を用いて、下記条件下に行われたサイクロボルタンメトリー試験に
よるリチウム沈着をグラフ形式で示している: 測定設定 :3−電極配列 作用電極 :V2A合金鋼鉄;電極面積:0.503cm2 対向電極 :リチウム 対照電極 :リチウム サイクル回数 :5 ランプ速度 :20mV/秒
【0061】 図4は、アルミニウム(電極面積:0.583cm2 )に対する、DMC/E
C(mdcv:284)中のLi2 [(F3 CSO2 2 C−SO2 −(CF2 3 −SO2 −C(SO2 CF3 2 ]のアノード安定性を示している。 図5は、各種温度における溶剤混合物DEC/EC(1:1)(XEC=0.5
724)中のLi2 [(F3 CSO2 2 C−SO2 −(CF2 3 −SO2
C(SO2 CF3 2 ]の濃度の関数として導電率k(m,T)を示している。
【0062】
【表7】
【0063】表5 :サイクル率(cycling yields)の比較 測定設定 :2−電極配列 作用電極 :V2A合金鋼鉄;電極面積:0.503cm2 対向電極 :リチウム プレーティング電流密度:iplate =1mA/cm2 (plating current density) ストリッピング電流密度:istrip =1mA/cm2 (stripping current density) プレーティング電荷 :Qplate =100mC/cm2 (plating charge) カットオフ電位 :Li/Li+ に対して2000mV (cut−off potential)
【表8】
【0064】表6 :サイクル率の比較 測定設定 :2−電極配列 作用電極 :V2A合金鋼鉄;電極面積:0.503cm2 対向電極 :リチウム プレーティング電流密度:iplate =1mA/cm2 ストリッピング電流密度:istrip =1mA/cm2 ベース電荷 :Q0 =4000mC/cm2 (base charge) サイクリング電荷 :QZ =1000mC/cm2 (cycling charge) カットオフ電位 :Li/Li+ に対して2000mV
【表9】
【図面の簡単な説明】
【図1】 図1は、Li2 [(F3 CSO2 2 C−SO2 −(CF2 3 −SO2 −C
(SO2 CF3 2 ]を、DMC/EC中で用いて行われた基底電流サイクロボ
ルタンメトリー測定値を示すグラフである。
【図2】 図2は、Li2 [(F3 CSO2 2 C−SO2 −(CF2 3 −SO2 −C
(SO2 CF3 2 ]を、DMC/EC中で用いて行われた白金に対するアノー
ド安定性を示すグラフである。
【図3】 図3は、Li2 [(F3 CSO2 2 C−SO2 −(CF2 3 −SO2 −C
(SO2 CF3 2 ]を、DMC/EC中で用いて行われたサイクロボルタンメ
トリー試験によるリチウム沈着を示すグラフである。
【図4】 図4は、アルミニウム電極に対する、DMC/EC中のLi2 [(F3 CSO 2 2 C−SO2 −(CF2 3 −SO2 −C(SO2 CF3 2 ]のアノード
安定性を示すグラフである。
【図5】 図5は、各種温度における溶媒混合物DEC/EC(1:1)(XEC=0.5
724)中のLi2 [(F3 CSO2 2 C−SO2 −(CF2 3 −SO2
C(SO2 CF3 2 ]の濃度の関数としての導電率k(m,T)を示すグラフ
である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 Frankfurter Str. 250, D−64293 Darmstadt,Fed eral Republic of Ge rmany (72)発明者 ヒラリウス, フォルカー ドイツ連邦共和国 デー−64823 グロー シュ−ウムシュタット、ライバッヒャー タール 25 Fターム(参考) 4H006 AA01 AA02 AB78 AC62 BB41 BE14 TA02 TB03 5H024 FF19 HH00 HH01 HH11 5H029 AJ01 AM02 AM06 AM07 HJ02 HJ10 HJ14 (54)【発明の名称】 ペルフルオロアルカン−1−スルホニル(ペルフルオロアルキルスルホニル)イミド−N−スル ホニル−含有メタニド、イミドおよびスルホネート化合物の製造方法およびペルフルオロアルカ ン−1−N−スルホニルビス(ペルフルオロアルキルスルホニル)メタニド化合物

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】式Iで表わされる化合物: M2 [R1 −SO2 −(CF2 )n−SO2 −R] (I) 式中、 Rは、C(SO2 F 2 、N(SO2 F )、Oであり、 R1 は、C(SO2 F 2 、N(SO2 F )であり、 RおよびR1 は、相互に独立しており、 RF は、(CX 2X+1)であり、 Mは、Li、Na、K、Cs、Rb、Be1/2 、およびMg1/2 、Sr1/2
    Ba1/2 からなる群からの対イオンであり、 nは、1、2または3であり、 xは、1、2、3または4である。
  2. 【請求項2】MがLiである、請求項1に記載の式(I)で表わされる化合物
  3. 【請求項3】請求項1に記載の式(I)において、MがLiである化合物を製
    造するための中間体としてのMがNa、KまたはCsである、請求項1に記載の
    式(I)で表わされる化合物。
  4. 【請求項4】 【化1】 である、請求項1および2のいずれか一項に記載の化合物。
  5. 【請求項5】請求項1、2および4のいずれか一項に記載の式(I)で表わさ
    れる化合物の製造方法であって、 a)ペルフルオロアルキルスルホニルフルオライドを、非プロトン溶媒に溶解
    されたアンモニアと反応させ、 b)得られるアミンを、水に溶解された水酸化ナトリウムで処理し、対応する
    ナトリウム塩を生成させ、 c)このナトリウム塩を、加熱しながら、(Me3 Si)2 NHと反応させ、
    式(III): Na(RF SO2 NSiMe3 ) (III) (式中、RF は、(CX 2X+1)であり、xは、1、2、3または4である) で表わされるナトリウム ペルフルオロアルキルスルホニルトリメチルシリルア
    ミドを生成させ、 d)この生成物を、1,N−ペルフルオロアルカン−ビス(スルホニルフルオ
    ライド)と反応させ、式(IV): Na[RF SO2 NSO2 (CF2 )nSO2 F] (IV) (式中、nは、1、2または3であり、RF は上記の意味を有する) で表わされるナトリウム ペルフルオロアルカン−1−フルオロスルホニル−N
    −ペルフルオロアルキルスルホニルイミドを生成させ、次いでこの生成物を、 e)式(III)で表わされるナトリウム ペルフルオロアルキルスルホニル
    トリメチルシリルアミドと反応させ、次いで、順次、酸性エーテル溶液中、水性
    KOH中での反応及び続く複分解によって、式(V): Li2 (RF SO2 NSO2 −(CF2 )n−SO2 NSO2 F )(V) (式中、nは、1、2または3であり、そしてRF は上記意味を有する) で表わされるジリチウムビスイミドに変換する、または f)1当量を、ジリチエート化ビス(ペルフルオロアルキルスルホニル)メタ
    ンと反応させ、次いで適宜な仕上げ処理と得られた反応生成物の複分解によって
    、式(VI): Li2 (RF SO2 NSO2 −(CF2 )n−SO2 C(SO2 F 2 ) (VI) (式中、nは、1、2または3であり、RF は上記の意味を有する) で表わされるジリチウムイミドメタニドを生成させる、または g)アルカリ性リチウム塩と反応させ、次いでリチウムハライドを用いた複分
    解により、式(VII): Li2 〔RF SO2 NSO2 (CF2 )nSO3 ] (VII) (式中、nは、1、2または3であり、そしてRF は上記の意味を有する) で表わされるペルフルオロアルカン−1−スルホニル(ペルフルオロアルキルス
    ルホニル)イミド−N−スルホネートを生成させる、 ことを特徴とする、前記製造方法。
  6. 【請求項6】請求項1、2および4のいずれかに記載の式(I)において、R 1 およびRが同一であって、C(SO2 F 2 の意味を有する化合物の製造方
    法であって、 a)ビス(ペルフルオロアルキルスルホニル)メタンを、環状エーテル類から
    なる群からの非プロトン有機溶媒、好ましくはテトラヒドロフラン中で、0〜5
    0℃、好ましくは10〜25℃の温度において、リチエート化し、次いで0〜5
    0℃、好ましくは20〜30℃の温度において、1:0.3〜1:0.5のモル
    比で、式(VIII): FO2 S−(CF2 )n−SO2 F (VIII) で表わされるα,ω−ペルフルオロアルカンビス(スルホニルフルオライド)と
    反応させ、次いで、 b)順次、先ず鉱酸溶液中で反応させ、溶媒および未反応出発物質を分離除去
    し、溶液中でアルカリ性セシウム塩を用いて、対応するジアニオンに変換し、次
    いで必要に応じて精製された、この生成物を、 c)先ず、ジエチルエーテルおよびジブチルエーテルからなる群からの有機溶
    媒中で、鉱酸、好ましくは塩酸で処理し、次いで水性水酸化リチウム溶液との反
    応により、式(Xa): Li2 [(RF SO2 2 C−SO2 −(CF2 )n−SO2 −C(SO2 F 2 ] (Xa) で表わされるジリチウムビスメタニドに変換する ことを特徴とする前記製造方法。
  7. 【請求項7】請求項1〜4のいずれかに記載の一般式(I)で表わされる化合
    物の電解液系における使用。
  8. 【請求項8】請求項1〜4のいずれかに記載の一般式(I)で表わされる化合
    物の電気化学電池における使用。
  9. 【請求項9】請求項1〜4のいずれかに記載の一般式(I)で表わされる化合
    物の一次電池における使用。
  10. 【請求項10】請求項1〜4のいずれかに記載の一般式(I)で表わされる化
    合物の二次電池における使用。
  11. 【請求項11】請求項1〜4のいずれかに記載の一般式(I)で表わされる化
    合物のリチウム電池における導電性塩としての使用。
  12. 【請求項12】請求項1〜4のいずれかに記載の一般式(I)で表わされるリ
    チウム化合物を含有するリチウム電池用電解液。
  13. 【請求項13】請求項12に記載の電解液を含有する二次リチウム電池。
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