JP2003242991A - Stabilized lithium electrochemical cell containing alkoxysilane - Google Patents
Stabilized lithium electrochemical cell containing alkoxysilaneInfo
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明はリチウム電気化学的
セル及び電池の性能改善に関する。より詳細には、本発
明はリチウム含有電気化学的セル及び電池用のシロキサ
ン添加剤を含有する改良電解質に関する。FIELD OF THE INVENTION This invention relates to improving the performance of lithium electrochemical cells and batteries. More particularly, the present invention relates to improved electrolytes containing siloxane additives for lithium-containing electrochemical cells and batteries.
【0002】[0002]
【従来の技術】リチウム電池構造物は1個以上のリチウ
ム電気化学的セルから製造される。該セルはアノード、
カソード、および正極と負極との間に離間し電気絶縁さ
れて介在する電解質を含む。電解質は典型的には非水非
プロトン性有機溶剤のような1種以上の溶剤中に溶解さ
れたリチウム塩を含む。リチウム金属は優れた熱力学的
及び動力学的特性を有する電池用の好ましいアノード材
料である。リチウムは電気及び熱の良導体である。リチ
ウム金属は柔軟で展性があり、かつ押出して容易に薄板
にすることができる。しかし、リチウムが水および他の
試薬と反応性のあることは周知である。BACKGROUND OF THE INVENTION Lithium battery structures are manufactured from one or more lithium electrochemical cells. The cell is an anode,
It includes a cathode and an electrolyte that is separated from the positive electrode and the negative electrode and is electrically insulated and interposed. The electrolyte typically comprises a lithium salt dissolved in one or more solvents such as non-aqueous aprotic organic solvents. Lithium metal is a preferred anode material for batteries with excellent thermodynamic and kinetic properties. Lithium is a good conductor of electricity and heat. Lithium metal is flexible and malleable and can be easily extruded into sheets. However, it is well known that lithium is reactive with water and other reagents.
【0003】アノードは、典型的にはニッケル、鉄、鋼
鉄及び/または銅箔の集電装置を含む。カソードも典型
的にはアルミニウム、ニッケル、鉄、鋼鉄および/また
は銅箔の集電装置を含む。純リチウムアノードを有する
市販のリチウムセルはその活性の点から現在一次セルと
してのみ使用されている。The anode typically comprises a nickel, iron, steel and / or copper foil current collector. The cathode also typically comprises an aluminum, nickel, iron, steel and / or copper foil current collector. Commercially available lithium cells with pure lithium anodes are currently used only as primary cells because of their activity.
【0004】この反応性の結果として、発熱反応および
アノード表面における不動態フィルムの生成のようない
くつかの欠点が生じることがある。環境によっては、発
熱反応による熱の発生がエネルギーの爆発的放出をもた
らすかもしれない。一次リチウム電池を推奨されるレベ
ル以上の温度にさらすと、激しい熱の発生を伴う発熱反
応が生じる。As a result of this reactivity, several drawbacks can occur, such as an exothermic reaction and the formation of a passive film on the anode surface. In some environments, the generation of heat by exothermic reactions may result in an explosive release of energy. Exposing primary lithium batteries to temperatures above the recommended levels results in an exothermic reaction with intense heat generation.
【0005】再充電可能型、すなわち二次セルは、電池
の正及び負極で起こる関連化学反応が可逆的であるの
で、一次(再充電不能型)セルよりも望ましい。二次セ
ルの電極は、それに電荷をかけることによって再充電さ
せることができる。電荷を蓄えるために多くの進歩した
電極系が開発されている。同時に電気化学的セルの能力
及び性能を高めることができる電解質の開発に多大の努
力が捧げられている。機能性、妥当な価格、及び取扱い
やすさの点から最も実用的な電解質はリチウムイオン塩
を含有する有機溶液である。液体電解質は、許容できる
イオン導電率を示すけれども、セルの性能に影響すると
思われる出来るだけ多くの不純物を除去しなければなら
ない。リチウムイオン電池はLiAsF6、LiCl
O4、リチウムトリフレート、LiBF4またはLiPF
6のような塩類及びエチレンカーボネート、プロピレン
カーボネート、ジエチルカーボネート等の溶剤混合物を
含む非水電解質を使用して、セルの性能に影響を及ぼす
ことがある不純物を出来るだけ完全に除去しなければな
らない。Norangらに付与された米国特許第5,8
30,600号(本明細書に参照として組み入れてあ
る)に開示されているように、より詳細には、リチウム
イオン電極の再充電可能性はリチウムイオンの副反応お
よびセル内の自動接触反応によって限定される。リチウ
ムイオン電極は金属リチウムと不純物、たとえば酸及び
水分との副反応によって制約される。水分は初めから存
在するかまたはその塲で生成させることができる。酸
は、水分と電解質成分との反応によってその塲で生成さ
せることもできる。そのような不純物がリチウムイオン
アノードと反応すると、リチウムイオンアノード上に固
体表面層が形成されて、アノードのインピーダンスを増
大させる。Rechargeable, or secondary, cells are preferred over primary (non-rechargeable) cells because of the reversible chemistry involved in the positive and negative electrodes of the battery. The electrodes of the secondary cell can be recharged by applying a charge to it. Many advanced electrode systems have been developed to store charge. At the same time, much effort has been devoted to the development of electrolytes that can enhance the capacity and performance of electrochemical cells. The most practical electrolytes in terms of functionality, reasonable price, and ease of handling are organic solutions containing lithium ion salts. Although liquid electrolytes exhibit acceptable ionic conductivity, they must remove as many impurities as possible that would affect cell performance. Li-ion battery is LiAsF 6 , LiCl
O 4 , lithium triflate, LiBF 4 or LiPF
Non-aqueous electrolytes containing salts such as 6 and solvent mixtures such as ethylene carbonate, propylene carbonate, diethyl carbonate, etc. should be used to remove as completely as possible the impurities that may affect the performance of the cell. US Pat. No. 5,8, granted to Norang et al.
More specifically, as disclosed in US Pat. No. 30,600 (incorporated herein by reference), the rechargeability of a lithium ion electrode depends on side reactions of lithium ions and autocatalytic reactions within the cell. Limited. Lithium ion electrodes are constrained by side reactions between metallic lithium and impurities such as acids and moisture. Moisture may be preexisting or generated on its wall. The acid can also be generated on its wall by the reaction of water with the electrolyte component. When such impurities react with the lithium ion anode, a solid surface layer is formed on the lithium ion anode, increasing the impedance of the anode.
【0006】アノードにおける反応性に基づいて電気化
学的セル内の不純物とセル成分との好ましくない反応が
実質的に生成している。Kokshangに付与された
米国特許第5,419,985号は、水分がリチウムと
反応して高インピーダンスの固体表面層を形成する場合
にリチウムイオンアノードおよびリチウム金属アノード
に及ぼす不純物の影響を述べている。負極として黒鉛ま
たは炭素を使用するリチウムイオン電池も、不純物、と
くに水分および酸の存在によって引き起こされる好まし
くない反応によって炭素電極において不動態化されやす
い。Due to the reactivity at the anode, an undesired reaction of impurities in the electrochemical cell with the cell constituents is substantially generated. US Pat. No. 5,419,985 to Kokshang describes the effect of impurities on lithium ion and lithium metal anodes when water reacts with lithium to form a high impedance solid surface layer. . Lithium-ion batteries that use graphite or carbon as the negative electrode are also susceptible to passivation at the carbon electrode by undesired reactions caused by the presence of impurities, especially moisture and acids.
【0007】液体電解質は、許容できるイオン導電率を
示すけれども、セルの性能に影響すると思われる出来る
だけ多くの不純物を除去しなければならない。電解質に
対するリチウムの反応性の問題が種々の方法で取り扱わ
れている。米国特許第5,830,600号に開示され
ているように、燃焼性を低下させて安定性を高めるため
の1つの方法は、ホスフェート、ホスホレン、シクロホ
スファレン、ハロゲン化カーボネート、フッソ素化ポリ
エーテルまたは複合シランおよびこれらの混合物のよう
な溶剤中にリチウム塩を溶解させることである。これら
の溶剤はリチウム電池に不燃性で自消性の電解質を供給
する。溶剤として多量のシランおよびシロキサン複合化
合物が必要である。しかし、該特許に記載されているよ
うに、とくに、二酸化炭素を生成する化合物とともに使
用する場合には、こうした多量が電気的性能の低下をも
たらす。Although liquid electrolytes exhibit acceptable ionic conductivity, they must be stripped of as many impurities as are likely to affect cell performance. The problem of lithium reactivity with electrolytes has been addressed in various ways. One method for reducing flammability and increasing stability, as disclosed in US Pat. No. 5,830,600, is to use phosphates, phosphorenes, cyclophospharenes, halogenated carbonates, fluorinated polysulfates. Dissolving the lithium salt in a solvent such as ethers or complex silanes and mixtures thereof. These solvents provide non-flammable, self-extinguishing electrolytes for lithium batteries. A large amount of silane and siloxane composite compound is required as a solvent. However, as described in the patent, such high amounts result in poor electrical performance, especially when used with carbon dioxide producing compounds.
【0008】したがって、電解質の性能及び分解に関し
てより安定な一次及び二次リチウム電池を提供する必要
がある。該電池は、リチウム成分に関して化学的に安定
であり、かつある種のリチウム電解質の場合に生じるア
ルミニウムおよび鋼鉄のような金属集電装置の腐食を止
める電解質を必要とする。Therefore, there is a need to provide more stable primary and secondary lithium batteries with respect to electrolyte performance and decomposition. The cell requires an electrolyte that is chemically stable with respect to the lithium component and that stops the corrosion of metal current collectors such as aluminum and steel that occurs with some lithium electrolytes.
【0009】[0009]
【発明が解決しようとする課題】本発明は、アルコキシ
シラン化合物の選択、およびリチウムイオンアノードま
たはリチウム金属アノード、リチウム挿入化合物カソー
ド及び非水電解質を含む1個以上のリチウム電気化学的
セル成分の分解を阻止する方法を提供する。非水電解質
に少量の低分子量アルコキシおよび/またはジアルコキ
シシランを加えると、セル成分と存在する水分との相互
作用の間に生じる問題が効果的に解決される。該水分は
有機溶剤中にリチウム塩を含む電解質と反応する。塩と
水分とのこの相互作用は酸の生成をもたらす。電解質に
本発明の選択されたアルコキシシラン化合物を添加する
方法は、セル内の活物資の作用に対して比較的不活性な
反応生成物を生成させることによって酸の腐食効果を効
果的に阻止する。好ましくは、該化合物を電解質中に溶
解させる。この腐食低減効果の結果として、一次電池の
安定性は高められ、二次電池から送り込まれる容量を長
期リサイクル後でさえも向上させる。再充電型すなわち
二次電池は通常充電/放電サイクルの関数として送り込
まれる容量の損失を示す。本発明のアルコキシシラン組
成物によってリチウム電気化学的セルに付与される他の
予期しない利点は、通常アルミニウム集電装置を腐食さ
せると思われる、とくにリチウムへキサホスフェート、
リチウムテトラフルオロボレート、リチウムトリフルオ
レートのような或る種のリチウム電解質添加剤ととも
に、アルミニウム集電装置を使用できるようにすること
である。The present invention is directed to the selection of alkoxysilane compounds and the decomposition of one or more lithium electrochemical cell components including a lithium ion or lithium metal anode, a lithium intercalation compound cathode and a non-aqueous electrolyte. Provide a way to prevent. The addition of small amounts of low molecular weight alkoxy and / or dialkoxysilanes to the non-aqueous electrolyte effectively solves the problems that occur during the interaction of the cell components with the water present. The water reacts with the electrolyte containing the lithium salt in the organic solvent. This interaction of salt and water results in acid formation. The method of adding the selected alkoxysilane compound of the present invention to the electrolyte effectively inhibits the corrosive effect of the acid by producing a reaction product that is relatively inert to the action of the active material in the cell. . Preferably, the compound is dissolved in the electrolyte. As a result of this corrosion-reducing effect, the stability of the primary battery is increased and the capacity delivered from the secondary battery is improved even after long-term recycling. Rechargeable or secondary batteries usually exhibit a loss of capacity delivered as a function of charge / discharge cycles. Another unexpected advantage conferred by the alkoxysilane composition of the present invention on lithium electrochemical cells is that it normally appears to corrode aluminum current collectors, especially lithium hexaphosphate,
To enable the use of aluminum current collectors with certain lithium electrolyte additives such as lithium tetrafluoroborate, lithium trifluorate.
【0010】本発明による添加剤として有用なアルコキ
シシラン化合物は一般式:
(R1O)nSiR4-n
(式中、R1はアルキル基であり、Rは水素、アルキル
基、脂環式基及びアリール基から選ばれ、ここで各R1
およびR成分は互いに同一又は異なることができ、そし
てアルキル基は炭素原子が10個未満の直鎖又は分枝鎖
であり、かつnは1から3の整数である)を有する。特
に好ましい化合物はトリメチルエトキシシラン、ジメチ
ルジエトキシシラン、メチルトリメトキシシランおよび
ジメチルジメトキシシランである。好ましくは、電解質
中に用いられるアルコキシシラン化合物の量が電解質の
総重量を基準にして約0.25重量%である。こうした
少量は、アノード、カソード上又は電解質中に存在する
微量の不純物によって生成される少量の酸と選択的に反
応させるのに必要である。また、この少量は、電解質の
電気的特性を害しない。Alkoxysilane compounds useful as additives according to the present invention have the general formula: (R 1 O) n SiR 4-n (wherein R 1 is an alkyl group, R is hydrogen, an alkyl group, an alicyclic group). Radicals and aryl groups, where each R 1
And R components can be the same or different from each other, and the alkyl groups are straight or branched with less than 10 carbon atoms and n is an integer from 1 to 3). Particularly preferred compounds are trimethylethoxysilane, dimethyldiethoxysilane, methyltrimethoxysilane and dimethyldimethoxysilane. Preferably, the amount of alkoxysilane compound used in the electrolyte is about 0.25 wt% based on the total weight of the electrolyte. These small amounts are necessary to selectively react with the small amount of acid produced by the trace impurities present on the anode, cathode or in the electrolyte. Also, this small amount does not impair the electrical properties of the electrolyte.
【0011】本発明のモノおよびジアルコキシシラン電
解質添加剤は電池成分と化学的に親和性がある。言い換
えると、アルコキシシラン類はアノード、カソードおよ
び、集電装置のような成分に対して比較的不活性であ
る。通常アルミニウム集電装置を腐食させる、とくにリ
チウムヘキサフルオロホスフェートおよびリチウムテト
ラフルオロボレートを含むリチウム塩系電解質ととも
に、アルコキシシラン添加剤化合物を用い得ることが判
明した。アルコキシシラン類は電解質溶液の着色をも防
止する。該着色は有機溶剤と酸との相互作用による酸の
存在を示す。The mono- and dialkoxysilane electrolyte additives of the present invention are chemically compatible with battery components. In other words, the alkoxysilanes are relatively inert with respect to components such as anodes, cathodes and current collectors. It has been found that an alkoxysilane additive compound can be used with lithium salt-based electrolytes that typically corrode aluminum current collectors, especially those containing lithium hexafluorophosphate and lithium tetrafluoroborate. Alkoxysilanes also prevent coloration of the electrolyte solution. The coloration indicates the presence of acid due to the interaction between the organic solvent and the acid.
【0012】電解質に混合される、少量のアルコキシシ
ラン添加剤化合物はセルまたは電池のバルク特性に影響
を与えない。電解質中に該添加剤を溶解させると、電解
質は、製造中に処理しやすくなり、かつセル全体により
十分に分散される。あまりに多量の添加剤化合物を使用
すると該電池およびセルの熱安定性を損なう場合がある
ことに注意を払う必要がある。溶解された過剰量の添加
剤化合物は電解質の伝導率およびサイクル能力に悪影響
を与えると予測出来るかもしれない。The small amount of alkoxysilane additive compound incorporated into the electrolyte does not affect the bulk properties of the cell or battery. Dissolving the additive in the electrolyte makes the electrolyte easier to process during manufacture and is better dispersed throughout the cell. It should be noted that the use of too much additive compound may impair the thermal stability of the battery and cell. It may be expected that the excess amount of dissolved additive compound will adversely affect the conductivity and cycleability of the electrolyte.
【0013】本発明の主目的は、優れたサイクル特性を
有し、かつ長期のライフサイクルにわたりその完全性を
維持する、すぐれたリチウム電気化学的セルまたは電池
を提供することにある。The main object of the present invention is to provide an excellent lithium electrochemical cell or battery having excellent cycle characteristics and maintaining its integrity over a long life cycle.
【0014】本発明の他の目的は、電極および電解質成
分を含むセル成分の分解に抗して安定化させる安定化電
気化学的セルを提供することにある。本発明の関連する
特定目的は、主として、酸と電解質の有機溶剤との反応
による副反応の着色を阻止することにある。Another object of the present invention is to provide a stabilized electrochemical cell which stabilizes against decomposition of cell components including electrodes and electrolyte components. A related specific object of the invention is primarily to prevent coloration of side reactions due to the reaction of acids with organic solvents of the electrolyte.
【0015】本発明の他の目的は、酸および/または水
分で中和して、リチウム電気化学的セルの活物質に関し
て比較的不活性な生成物を生成させる有機電解質ととも
に用いるための添加剤を提供することにある。Another object of the present invention is to include an additive for use with an organic electrolyte which is neutralized with acid and / or moisture to produce a product which is relatively inert with respect to the active material of a lithium electrochemical cell. To provide.
【0016】本発明のさらに特定の目的は、リチウム電
気化学的セルの種々の成分の腐食性相互作用を実質的に
低下させるか、または完全に無くす臨界量の、選択され
たアルコキシおよびジアルコキシシラン化合物を溶解さ
せる方法を提供することにある。A more particular object of the present invention is a critical amount of selected alkoxy and dialkoxy silanes which substantially reduce or completely eliminate the corrosive interactions of the various components of the lithium electrochemical cell. It is to provide a method for dissolving a compound.
【0017】これらならびに他の目的、特徴および利点
は好ましい態様およびクレームの下記説明によって明ら
かになろう。These and other objects, features and advantages will be apparent from the following description of the preferred embodiments and claims.
【0018】[0018]
【課題を解決するための手段】本発明によれば、安定化
リチウム電気化学的電池およびセルは、1個以上の電気
化学的セル成分の分解を阻止することによって保護され
る。本発明の方法は、非水非プロトン性有機溶剤中にリ
チウム塩を含む典型的なリチウム電気化学的電解質の分
解を効果的に阻止する。分解は、リチウム塩と、これら
電解質で満たされたセル中に初めから存在するか、また
は生成する酸を生成する水分との相互作用によって生じ
る。こうした相互作用によって生じた微量の酸は、少量
の低分子量アルコキシシラン類を加えることによって処
理される。包含される正確な化学機構は公知ではないけ
れども、中和反応が起こって、電気化学的セルの性能を
損なうことなく高めることができる不活性加水分解生成
物を生じることは理論づけられる。たとえば、本発明の
添加剤を混合する利点の一部には電池およびセルの貯蔵
ライフおよびサービスライフを増大させることがある。
セルの容量を減少させることなく、サイクル特性が延ば
されるので、サービスライフは増大される。また、有効
温度範囲も広がる。SUMMARY OF THE INVENTION According to the present invention, stabilized lithium electrochemical cells and cells are protected by inhibiting the decomposition of one or more electrochemical cell components. The method of the present invention effectively inhibits the decomposition of typical lithium electrochemical electrolytes containing lithium salts in non-aqueous aprotic organic solvents. Decomposition occurs due to the interaction of the lithium salt with the water that initially forms the acid that is present in or formed in these electrolyte-filled cells. Traces of acid generated by these interactions are treated by adding small amounts of low molecular weight alkoxysilanes. Although the exact chemical mechanism involved is not known, it is theorized that the neutralization reaction occurs to yield an inert hydrolysis product that can be enhanced without compromising the performance of the electrochemical cell. For example, some of the advantages of incorporating the additives of the present invention may increase the storage and service life of batteries and cells.
The service life is increased because the cycle characteristics are extended without reducing the cell capacity. Also, the effective temperature range is widened.
【0019】比較的安価であり、かつ電気化学的セルの
リチウム塩系電解質組成物中に容易に包含させることが
できる低分子量アルコキシシラン添加剤は一般式:
(R1O)nSiR4-n
(式中、R1はアルキル基であり、Rは水素、アルキル
基、脂環式基およびアリーリ基から選ばれ、ここで各R
1およびR成分は互いに同一又は異なることができ、そ
してアルキル基は炭素原子が10個未満の直鎖または分
枝鎖であり、かつnは1から3の整数であることができ
る)を有する。とくに好ましい化合物はトリメチルエト
キシシランおよびジメチルジエトキシシランである。Low molecular weight alkoxysilane additives which are relatively inexpensive and which can be easily incorporated into the lithium salt-based electrolyte composition of an electrochemical cell have the general formula: (R 1 O) n SiR 4-n (In the formula, R 1 is an alkyl group, and R is selected from hydrogen, an alkyl group, an alicyclic group and an aryl group, wherein each R is
1 and R components can be the same or different from each other, and the alkyl group can be straight or branched with less than 10 carbon atoms and n can be an integer from 1 to 3). Particularly preferred compounds are trimethylethoxysilane and dimethyldiethoxysilane.
【0020】電解質の総重量を基準にして0.01から
3重量%にわたる少量の低分子量アルコキシシラン類を
添加する。これら少量は、アノード、カソード上または
電解質中に存在する微量の不純物によって生成される少
量の酸と選択的に反応させるのに必要である。また、該
少量は、粘度に影響することも、また前記のように電解
質の電気的特性を害することもない。Small amounts of low molecular weight alkoxysilanes ranging from 0.01 to 3% by weight, based on the total weight of the electrolyte, are added. These small amounts are necessary to selectively react with the small amount of acid produced by trace impurities present on the anode, cathode or in the electrolyte. Also, the small amount does not affect the viscosity and, as mentioned above, does not impair the electrical properties of the electrolyte.
【0021】本発明のモノおよびジアルコキシシラン電
解質添加剤は電池成分と化学的に親和性がある。言い換
えると、アルコキシシラン類はアノード、カソードおよ
び集電装置のような成分に対して比較的不活性である。
通常アルミニウム集電装置を腐食する、とくにリチウム
ヘキサフルオロホスフェートおよびリチウムテトラフル
オロボレートを含むリチウム塩系電解質とともに、アル
コキシシラン添加剤化合物を用い得ることが見出され
た。アルコキシシラン類は電解質溶液の着色をも阻止す
る。該着色は有機溶剤と酸との相互作用による酸の存在
を示す。The mono- and dialkoxysilane electrolyte additives of the present invention are chemically compatible with battery components. In other words, the alkoxysilanes are relatively inert to components such as anodes, cathodes and current collectors.
It has been found that the alkoxysilane additive compounds can be used with lithium salt-based electrolytes that typically corrode aluminum current collectors, especially those containing lithium hexafluorophosphate and lithium tetrafluoroborate. Alkoxysilanes also prevent coloring of the electrolyte solution. The coloration indicates the presence of acid due to the interaction between the organic solvent and the acid.
【0022】電解質中に混合される少量のアルコキシシ
ラン添加剤化合物はセルまたは電池のバルク特性に影響
しない。添加剤を電解質中に溶解させると、電解質は、
製造中に処理しやすくなり、かつセル全体により十分に
分散される。過大量の添加剤化合物の使用は該電池およ
びセルの熱安定性に悪影響を与える場合のあることに注
意すべきである。溶解された過量の添加剤化合物は電解
質の導電率およびサイクル能力に悪影響を与えることが
予想されるかもしれない。The small amount of alkoxysilane additive compound mixed in the electrolyte does not affect the bulk properties of the cell or battery. When the additive is dissolved in the electrolyte, the electrolyte becomes
It is easy to process during manufacturing and is well dispersed throughout the cell. It should be noted that the use of excessive amounts of additive compounds can adversely affect the thermal stability of the batteries and cells. Excessive dissolved additive compound may be expected to adversely affect the conductivity and cycleability of the electrolyte.
【0023】米国特許第5,830,600号に開示さ
れているように、これら組成物を電解質溶剤として用い
る場合には、かなり多量のシランおよびシロキサン複合
組成物が必要である。As disclosed in US Pat. No. 5,830,600, significant amounts of silane and siloxane composite compositions are required when using these compositions as electrolyte solvents.
【0024】本発明による「リチウム塩」という用語は
式:
LiAN
(式中、ANはCl-、CF3、SO3 -、ClO4 -、BF
4 -、Br-、I-、SCN -、AsF6 -、N(CF3S
O2)2 -、PF6 -、SbF6 -、O-(CO)R4から選ば
れるアニオンであり、そしてR″はとくにアルキル、ア
リール、アルカニル、ハロアルキルから選ばれる)の化
合物を含む。好ましいリチウム化合物にはLiPF6、
LiAsF6、LiBF6またはLiCLO4がある。The term "lithium salt" according to the present invention is
formula:
LiAN
(In the formula, AN is Cl-, CF3, SO3 -, ClOFour -, BF
Four -, Br-, I-, SCN -, AsF6 -, N (CF3S
O2)2 -, PF6 -, SbF6 -, O-(CO) RFourChoose from
Is an anion, and R ″ is especially alkyl,
Selected from reel, alkanyl, haloalkyl)
Including compound. The preferred lithium compound is LiPF6,
LiAsF6, LiBF6Or LiCLOFourThere is.
【0025】リチウムイオン電池に用いるための有機溶
剤にはエチレンカーボネート、プロピレンカーボネー
ト、ジメチルカーボネート、ジプロピルカーボネート、
ジメチルスルホキシド、ジメトキシエタン、テトラヒド
ロフラン、N−メチル−2−ピロリドンおよびこれらの
混合物があるが、これらに限定されない。好ましい態様
では、ジメチルカーボネートは少なくとも約50%の溶
剤を含む。1つの好ましい2成分溶剤系はエチレンカー
ボネート/ジメチルカーボネートを含む。Organic solvents for use in lithium ion batteries include ethylene carbonate, propylene carbonate, dimethyl carbonate, dipropyl carbonate,
Dimethylsulfoxide, dimethoxyethane, tetrahydrofuran, N-methyl-2-pyrrolidone and mixtures thereof include, but are not limited to. In a preferred embodiment, the dimethyl carbonate contains at least about 50% solvent. One preferred two component solvent system comprises ethylene carbonate / dimethyl carbonate.
【0026】液体電解質溶液を変性して、ゲルや固体状
態とするために、合成有機ポリマー、シリコーンジオキ
シドおよびアルミニウムオキシドのような有機または無
機増粘剤を用いることが出来る。電解質系をポリマーゲ
ル構造物中に分散させることができる。ポリマーゲル構
造物は1種以上の異なるポリマーから成ることができ
る。Organic or inorganic thickeners such as synthetic organic polymers, silicone dioxides and aluminum oxides can be used to modify the liquid electrolyte solution to a gel or solid state. The electrolyte system can be dispersed in the polymer gel structure. The polymer gel structure can consist of one or more different polymers.
【0027】適当なポリマーを、ポリエチレン、ポリプ
ロピレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレン
−テレフタレート、ポリスチレン、ナイロン、ポリビニ
リデンフルオリド、ポリウレタン、ポリエチレンオキシ
ド、ポリアクリロニトリル、ポリメチルアクリレート、
ポリアクリルアミド、ポリビニルアセテート、ポリビニ
ルピロリドン、ポリテトラエチレングリコールジアクリ
レート、前記いずれかのコポリマー、およびこれらの混
合物から選ぶことができる。Suitable polymers include polyethylene, polypropylene, polytetrafluoroethylene, polyethylene-terephthalate, polystyrene, nylon, polyvinylidene fluoride, polyurethane, polyethylene oxide, polyacrylonitrile, polymethyl acrylate,
It can be selected from polyacrylamide, polyvinyl acetate, polyvinylpyrrolidone, polytetraethylene glycol diacrylate, any of the above copolymers, and mixtures thereof.
【0028】本発明の電解質を用いる場合には、アノー
ドと電解質との間に「鎮静化(pacificatio
n)」フィルム、すなわち電解質の接触面として存在し
て、一次電池の安定性を高め、かつ電池のサイクルライ
フを延ばすフィルムを始めに生成させることが可能であ
る。When using the electrolyte of the present invention, a "pacificatio" between the anode and the electrolyte is obtained.
n) ”films, ie films that exist as contact surfaces for the electrolyte, enhance the stability of the primary battery and extend the cycle life of the battery, can be initially formed.
【0029】「リチウムイオン電池」という用語がリチ
ウム/炭素アノードおよびカソードを含む電池を包含す
ることは理解されよう。It will be appreciated that the term "lithium ion battery" includes batteries containing a lithium / carbon anode and cathode.
【0030】[0030]
【実施例】下記実施例は本発明の方法の利点の実例とし
て示すもので、特定リチウム電池およびセル用電解質を
有効に調製し得る方法を説明する。
実施例1
1:1 エチレンカーボネート/ジメチルカーボネート
を用いて1モル溶液(14%)を作り、カールフィッシ
ャー滴定法を用いて水分を分析した。(物質の処理はす
べて不活性雰囲気中で行った。) 8個の同一テフロン
(登録商標)(FEP)ボトルそれぞれに、評価する各
添加剤を0.25重量%加えた。溶液を振とうして、2
4時間後に分析した。電解質中に低酸および低着色レベ
ルで維持する場合の添加剤の効果を調べるために28日
後および60日後に溶液を分析した。試験結果を添付の
表に示す。(アルキルシロキサンはpH3を上回る塩基
と反応するので、残存する酸を分析するために指示薬ブ
ロモフェノールブルーを使用した。)
比較例2
実施例1の方法に従い、LiClO4と1:1 エチレ
ンカーボネート/ジメチルカーボネートとの混合物の
1.0モル溶液を調製した。ブロモフェノールブルー指
示薬を用いる塩基滴定によってこの溶液の酸を分析し
た。(ブロモチモールブルー指示薬は、水性濾過中にシ
ラン添加剤が加水分解されて始めて変色するので、該指
示薬は使用できない。)
酸はHFppmとして計算する。水分はカールフィッシ
ャー滴定法で測定した。EXAMPLES The following examples are provided as an illustration of the advantages of the method of the present invention and illustrate how an electrolyte for a particular lithium battery and cell can be effectively prepared. Example 1 A 1 molar solution (14%) was made using 1: 1 ethylene carbonate / dimethyl carbonate and analyzed for moisture using Karl Fischer titration. (All material treatments were done in an inert atmosphere.) To each of eight identical Teflon® (FEP) bottles was added 0.25 wt% of each additive to be evaluated. Shake the solution, 2
It was analyzed after 4 hours. The solutions were analyzed after 28 and 60 days to see the effect of the additives in maintaining low acid and low color levels in the electrolyte. The test results are shown in the attached table. (The alkyl siloxane reacts with bases above pH 3, so the indicator bromophenol blue was used to analyze residual acid.) Comparative Example 2 LiClO 4 and 1: 1 ethylene carbonate / dimethyl according to the method of Example 1. A 1.0 molar solution of the mixture with carbonate was prepared. The solution was analyzed for acid by base titration with bromophenol blue indicator. (Bromothymol blue indicator cannot be used because it will not change color until the silane additive is hydrolyzed during aqueous filtration.) Acid is calculated as HF ppm. The water content was measured by the Karl Fischer titration method.
【0031】この溶液の100ml分量ずつをアルゴン
雰囲気中でそれぞれ250mlのFEPボトルに入れ
た。各ボトルにテトラメトキシシランを加えた。本発明
の添加剤を用いない通常のレベルすなわち標準と考えら
れる1つのボトルには添加剤を加えなかった。100 ml aliquots of this solution were each placed in 250 ml FEP bottles under an argon atmosphere. Tetramethoxysilane was added to each bottle. No additive was added to one bottle, which was considered the normal level or standard without the additive of the present invention.
【0032】24時間後に、すべての溶液についてHF
ppmおよび水ppmを分析した。30日後にふたたび
溶液を分析した。溶媒中で起こる酸触媒による有害な副
反応を示すので色にも注意を払った。少なくとも2個の
アリールまたはアルキル基がケイ素原子上になければな
らないことに留意されたい。言い換えると、テトラメト
キシシランは作用するようには見えなかった。R4-nS
i(OR′)nシラン化合物(式中、n=1、2、また
は3)のみが作用する。各ケイ素に少なくとも1個の炭
素が結合し、かつ各ケイ素に少なくとも1個の酸素が結
合する環状シランも作用する。これらの結果は、本発明
のシラン添加剤がないと、電解質溶液の酸成分とともに
着色が増大することを示す。好ましいシラン添加剤は始
めに酸成分を減少させて、それを一定値に保つ。After 24 hours, HF was calculated for all solutions.
ppm and water ppm were analyzed. The solution was analyzed again after 30 days. Attention was also paid to color, as it shows harmful side reactions due to acid catalysis occurring in the solvent. Note that at least two aryl or alkyl groups must be on the silicon atom. In other words, tetramethoxysilane did not appear to work. R 4-n S
Only i (OR ') n silane compounds (where n = 1, 2, or 3) act. Cyclic silanes having at least one carbon bonded to each silicon and at least one oxygen bonded to each silicon also work. These results show that without the silane additive of the present invention, coloration increases with the acid component of the electrolyte solution. The preferred silane additive first reduces the acid content and keeps it constant.
【0033】[0033]
【表1】 [Table 1]
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジョエル・マックロスキー アメリカ合衆国ペンシルバニア州,フィラ デルフィア,ペンバートン・ストリート 1930 Fターム(参考) 5H024 FF14 FF15 FF18 FF20 FF38 FF40 HH02 5H029 AJ04 AJ05 AJ07 AJ13 AM02 AM03 AM05 AM07 HJ02 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page (72) Inventor Joel McCloskey Fira, Pennsylvania, United States Pemberton Street, Delphi 1930 F-term (reference) 5H024 FF14 FF15 FF18 FF20 FF38 FF40 HH02 5H029 AJ04 AJ05 AJ07 AJ13 AM02 AM03 AM05 AM07 HJ02
Claims (11)
非水電解質であって、一般式: (R1O)nSiR4-n (式中、R1はアルキル基であり、Rは水素、アルキル
基、脂環式基およびアリール基から選ばれ、各R1及び
Rは互いに同一または異なることができ、該アルキル基
は炭素原子が10個未満の直鎖または分枝鎖であり、か
つnは1から3の整数であることができる)を有する、
約0.01ないし5重量パーセントのアルコキシシラン
を含むことを特徴とする電解質。1. A non-aqueous electrolyte containing a lithium salt dissolved in an organic solvent, which is represented by the general formula: (R 1 O) n SiR 4-n (wherein R 1 is an alkyl group and R is hydrogen). , An alkyl group, an alicyclic group and an aryl group, each R 1 and R may be the same or different from each other, and the alkyl group is a straight chain or branched chain having less than 10 carbon atoms, and n can be an integer from 1 to 3),
An electrolyte comprising about 0.01 to 5 weight percent alkoxysilane.
ン、ジメチルジエトキシシラン、メチルトリメトキシシ
ラン、およびジメチルジメトキシシランからなる群から
選ばれる請求項1記載の電解質。2. The electrolyte according to claim 1, wherein the silane is selected from the group consisting of trimethylethoxysilane, dimethyldiethoxysilane, methyltrimethoxysilane, and dimethyldimethoxysilane.
ーボネートを含む請求項1記載の電解質。3. The electrolyte according to claim 1, wherein the organic solvent contains at least one organic carbonate.
ネート、ジメチルカーボネート、プロピレンカーボネー
ト、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネー
ト、およびこれらの混合物からなる群から選ばれる請求
項3記載の電解質。4. The electrolyte according to claim 3, wherein the organic carbonate is selected from the group consisting of ethylene carbonate, dimethyl carbonate, propylene carbonate, diethyl carbonate, ethylmethyl carbonate, and a mixture thereof.
ネートとジメチルカーボネートの等容量混合物である請
求項4記載の電解質。5. The electrolyte according to claim 4, wherein the organic carbonate is an equal volume mixture of ethylene carbonate and dimethyl carbonate.
N、LiASF6、LiClO4、LiBF4、LiN
(CF3SO2)2、LiCF3SO3、LiSbF6および
これらの混合物からなる群から選ばれるリチウム塩を含
む請求項1記載の電解質。6. The electrolyte solution is LiPF 6 , LiSC
N, LiASF 6 , LiClO 4 , LiBF 4 , LiN
The electrolyte according to claim 1, comprising a lithium salt selected from the group consisting of (CF 3 SO 2 ) 2 , LiCF 3 SO 3 , LiSbF 6 and mixtures thereof.
6記載の電解質。7. The electrolyte according to claim 6 , wherein the lithium salt is LiPF 6 .
セル。8. An electrochemical cell containing the electrolyte of claim 1.
次電池。9. A lithium primary battery containing the electrolyte according to claim 1.
電可能型リチウムイオン電池。10. A non-aqueous rechargeable lithium-ion battery containing the electrolyte according to claim 1.
的セルであって、前記電解質中に溶解されたアルコキシ
シランが該電解質の総重量を基準にして約0.25重量
パーセントである電気化学的セル。11. An electrochemical cell containing the electrolyte of claim 1, wherein the alkoxysilane dissolved in the electrolyte is about 0.25 weight percent based on the total weight of the electrolyte. Target cell.
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