JP2007528109A - ガルヴァーニ電池用の導電性塩、その製造及び使用 - Google Patents

ガルヴァーニ電池用の導電性塩、その製造及び使用 Download PDF

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Abstract

本発明は、リチウム ビス(オキサラト)ボレート(LiBOB)と式(I)の型の混合型のリチウムボレート塩とを含有する導電性塩であって、該導電性塩中の化合物(I)の割合が0.01〜20モル%であり、かつ式(I)中のXが、2個の酸素原子でホウ素に対して結合される架橋であり、該架橋が、式(II)で示され、その式中、Y1及びY2は、一緒になってOを意味し、mは1であり、nは0であり、かつY3及びY4は、互いに無関係に、H又は1〜5個の炭素原子を有するアルキル基であるか、又はY1、Y2、Y3、Y4は、それぞれ互いに無関係に、OR(その際、Rは、1〜5個の炭素原子を有するアルキル基である)、又はH又は1〜5個の炭素原子を有するアルキル基であり、mは0又は1であり、nは0又は1であるか、又はY2及びY3は、5員又は6員の芳香族又は複素芳香族の環の環員(複素元素としてはN、O又はSを有する)であり、該環は、アルキル、アルコキシ、カルボキシ又はニトリルで置換されていてよく、Y1及びY4は不要であり、かつnは0であり、mは0又は1である架橋から選択される導電性塩に関する。

Description

本発明は、リチウム−ボレート錯塩、その製造及びガルヴァーニ電池における電解質として、特にリチウムイオン電池における導電性塩としての使用に関する。
可搬型電子機器には、独立的な電流供給のために、より能率的な再充電可能な電池が絶えず要求される。そのためには、ニッケル/カドミウム蓄電池とニッケル/金属水素化物蓄電池の他に、ニッケル電池と比較して主に高いエネルギー密度を有する再充電可能なリチウム電池が適している。商慣習上のシステムは、約3Vの端子電圧を有し、この電位は、水を基礎とする電解質系をリチウム電池において使用できないという結論に導く。その代わりに、液状系において、非水性でたいていは有機的な電解質(該系は、リチウム塩を有機溶剤、例えばカーボネート、エーテル又はエステル中に溶かした溶液である)が使用される。
目下支配的な電池設計(液状電解質を伴うリチウムイオン電池)においては、導電性塩として、実際には専ら、リチウムヘキサフルオロホスフェート(LiPF6)が使用される。この塩は、高エネルギー電池で使用するために必要な前提条件を保有する、すなわち該塩は、非プロトン性溶剤によく溶け、高い導電性を有する電解質に導き、そして高い程度の電気化学的安定性を有する。酸化的分解は、約4.5Vを上回った場合に初めて起こる。しかしながら、LiPF6は、主にその熱安定性の不足(約130℃より高温で分解)に起因しうる重大な欠点を有する。更に、湿分と接触した場合に、強い刺激で毒性のフッ化水素を放出し、それは、一方で取り扱いを困難にし、他方で電池構成要素、例えばカソードを攻撃して損傷させる。
前記の背後関係に対して、代替的な導電性塩を開発するという集中的な尽力がある。かかる導電性塩としては、とりわけ過フッ化された有機基を有するリチウム塩が調査された。該塩は、リチウム−トリフルオロメタンスルホネート("Li−Triflat")、リチウムイミド(リチウム−ビス(ペルフルオロアルキルスルホニル)イミド)並びにリチウムメチド(リチウム−トリス(ペルフルオロアルキルスルホニル)メチド)である。これらの全ての塩は、比較的費用のかかる製造方法を必要とし、従って該塩は比較的高価であって、かつアルミニウムに対する腐蝕性又は導電性の悪さのような別の欠点を有する。
再充電可能なリチウム電池における導電性塩として使用するための更なる化合物種として、リチウムオルガノボレートが調査された。しかしながら、その低い酸化安定性とトリオルガノボランの取り扱いにおける安全性の懸念のため、市販のシステムのためには失格である。
EP698301号でガルヴァーニ電池における使用について提案されたABL2型(その際、Aは、リチウム又は第四級アンモニウムイオンを意味し、Bは、ホウ素を意味し、かつLは、二座の配位子であって2個の酸素原子を介してホウ素原子に結合されている配位子を意味する)のリチウム錯塩は、重要な発展である。しかしながら、提案された塩であってその配位子が少なくとも1個の芳香族基を有する塩は、その芳香族基が電子吸引性基、一般にはフッ素で置換されているか又はその環中に少なくとも1個の窒素原子を有する場合にのみ十分な電気化学的安定性を有するに過ぎない。かかるキレート化合物は、市販されておらず、高い費用をかけて製造できるに過ぎない。従って、提案された製品は、市場に参入できなかった。
非常に似たホウ素化合物は、EP907217号において、有機電解質電池における成分として提案されている。ホウ素含有の導電性塩としては、一般式LiBXX′[式中、配位子X及びX′は同一又は異なってよく、かつ各配位子は、酸素含有の電子吸引性基であってホウ素原子に結合した基を含む]の化合物が提案される。しかしながら、挙げられる化合物(ボロジサリチル酸リチウム及び特定のイミド塩)は、既に上述の欠点を有する。
DE19829030号で初めて記載されたリチウム−ビス(オキサラト)ボレート(LiBOB)は、電解質としての用途に初めて記載されたホウ素中心の錯塩であり、該塩は、キレート成分としてジカルボン酸(この場合にはシュウ酸)を使用する。該化合物は、容易に製造でき、無毒であり、かつ約4.5Vまで電気化学的に安定であり、このことは、リチウムイオン電池でのその使用を可能にする。しかしながら、これらの化合物は、電池電圧>3Vを有する新規の電池システムではほとんど使用できないという欠点がある。かかる電気化学的な電池のためには、約5V以上の安定性を有する塩が必要である。更に、リチウム−ビス(オキサラト)ボレートは、その骨格を破壊しないことには構造的な可変性を許容しないという欠点がある。
EP1035612号においては、式
Li+-(OR1m(OR2p
[式中、
m及びpは、0、1、2、3又は4であり、その際、m+p=4であり、かつ
1及びR2は、同一又は異なって、単結合又は二重結合によって互いに直接的に結合されていてよく、
それぞれは、単独又は一緒になって、芳香族又は脂肪族のカルボン酸又はスルホン酸を意味するか、又は
それぞれは、単独又は一緒になって、フェニル、ナフチル、アントラセニル又はフェナントレニルの群からの芳香環であって非置換又はA又はHalによって一置換ないし四置換されていてよい芳香環を意味するか、又は
それぞれは、単独又は一緒になって、ピリジル、ピラジル又はビピリジルの群からの複素環式芳香環であって非置換又はA又はHalによって一置換ないし三置換されていてよい複素環式芳香環を意味するか、又は
それぞれは、単独又は一緒になって、芳香族のヒドロキシカルボン酸又は芳香族のヒドロキシスルホン酸の群からの芳香族ヒドロキシ酸であって非置換又はA又はHalによって一置換ないし四置換されていてよい芳香族ヒドロキシ酸を意味し、かつ
Halは、F、Cl又はBrであり、かつ
Aは、1〜6個の炭素原子を有し、一ハロゲン化ないし三ハロゲン化されていてよいアルキル基である]の添加剤が挙げられている。
特に有利な添加剤としては、リチウム−ビス[1,2−ベンゼンジオラト(2−)O,O′]ボレート(1−)、リチウム−ビス[3−フルオロ−1,2−ベンゼンジオラト(2−)O,O′]ボレート(1−)、リチウム−ビス[2,3−ナフタリンジオラト(2−)O,O′]ボレート(1−)、リチウム−ビス[2,2′−ビフェニルジオラト(2−)O,O′]ボレート(1−)、リチウム−ビス[サリチラト(2−)O,O′]ボレート(1−)、リチウム−ビス[2−オラト−ベンゼンスルホナト(2−)O,O′]ボレート(1−)、リチウム−ビス[5−フルオロ−2−オラト−ベンゼンスルホナト(2−)O,O′]ボレート、リチウムフェノレート及びリチウム−2,2−ビフェノレートを挙げることができる。これらは、Li[BL2]型の全ての対称的なリチウムキラトボレート(Lithiumchelatoborate)である。
電気化学的に特に安定な単純なリチウム(キラト)ボレート化合物として、C.Angellによって、5Vまでの電気化学窓を有するべきリチウム−ビス(マロナト)ボレートが記載された。当該化合物は、慣用のバッテリ溶剤中に事実上不溶(例えばプロピレンカーボネート中に0.08モラーだけ)であるという欠点を有するので、単にDMSO及びバッテリ用に禁止された類似の溶剤中にのみ溶解させて特徴付けできるに過ぎない(Wu Xu und C. Austen Angell, Electrochem. Solid-State Lett. 4, E1-E4, 2001)。
DE10108592号においては、一般式
Figure 2007528109
[式中、
Xは、−C(R12)−又は−C(R12)−C(=O)−であり、その際、
1、R2は、互いに無関係に、H、アルキル(1〜5個の炭素原子を有する)、アリール、シリル又はポリマーであり、かつアルキル基R1又はR2の1個は、他のキラトボレート基と結合されていてよいか、
又は
Xは、3位ないし6位に2個までの置換基を有する1,2−アリール
Figure 2007528109
であり、その際、
1、S2は、互いに無関係に、アルキル(1〜5個の炭素原子を有する)、フルオロ又はポリマーであるか、
それらのいずれかであり、かつ
+は、Li+、Na+、K+、Rb+、Cs+又は[(R3456)N]+又はH+であり、その際、
3、R4、R5、R6は、互いに無関係に、H又は有利には1〜4個の炭素原子を有するアルキルである]の混合型のホウ素キレート錯体が記載されている。
これらの化合物での欠点は、有機溶剤、例えばプロピレンカーボネート中でのしばしば不十分な可溶性である。従って、かかる溶剤の導電性は、一般に、確立されたそのリチウム塩(例えばLiPF6又はLiBOB)よりも低い。
前記の理由から、DE10108592号に開示された混合型のホウ素キレート錯塩の1つを主に含有する液状電解質は、強力な高性能バッテリ用に使用できない。
また、DE10108592号並びにDE10108608号に記載されるような合成は、難点を免れない:つまり、酸化物ホウ素原料、例えばホウ酸又は酸化ホウ素と2種の異なる錯体配位子L1及びL2のモル比1:1:1から出発して、混合型の塩を製造する場合に、所望な混合型の錯塩が生成するだけでなく、homo化合物[BL1 2-及び[BL2 2-も形成する。DE10108608号においては、以下の例が挙げられる。
Figure 2007528109
不所望なhomo化合物は、種々異なる物理化学特性、特に混合型の化合物とは異なる電気化学的安定性を有し;従って前記化合物は、再結晶又は類似の精製法によって分離せねばならず、これは比較的費用がかかる。
また、WO01/99209号は、混合型のリチウムボレート塩、例えばリチウム(マロナトオキサラト)ボレート(実施例6及び7)の製造を開示している。2つの合成手法が記載されており、その両者は主生成物として所望な塩をもたらすが、homo錯体化合物による汚染は、避けることができない(実施例6:4.5%のリチウム ビス(オキサラト)ボレート)。
EP1095942号では、式
Li+-(OR1m(OR2p
(式中、R1、R2、m及びpの意味については、EP1035612号での上記参照)の錯塩が記載されている。これらの錯塩は、電気化学的電池用の電解質中での導電性塩として用いられる。同様に、これらは、1〜99%の割合で、別の導電性塩と組み合わせて使用することができる。LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAsF6、LiCF3SO3、LiN(CF3SO22又はLiC(CF3SO23及びそれらの混合物の群からの導電性塩が適している。これらは、全てフッ素化された導電性塩である。
本発明の課題は、先行技術の欠点を克服し、特にフッ素化された、容易にかつ廉価に製造可能なリチウムイオン電池用の導電性塩を見出し、かつその合成を示すことである。更に、該導電性塩は、材料技術的かつ応用技術的特性に適合できることが望ましく、かつ成形作用(Formierfunktion)及び過充電保護作用を有することが望ましい。
前記課題は、リチウム ビス(オキサラト)ボレート("LiBOB")と、型
Figure 2007528109
の混合型のリチウムボレート塩とを含有する塩混合物であって該塩混合物中の化合物(I)の割合が0.01〜20モル%である塩混合物を、導電性塩として使用することによって解決される。式(I)中のXは、2個の酸素原子でホウ素に対して結合される架橋であり、該架橋は、
Figure 2007528109
[式中、
− Y1及びY2は、一緒になってOを意味し、mは1であり、nは0であり、かつY3及びY4は、互いに無関係に、H又は1〜5個の炭素原子を有するアルキル基であるか、又は
− Y1、Y2、Y3、Y4は、それぞれ互いに無関係に、OR(その際、Rは、1〜5個の炭素原子を有するアルキル基である)、又はH又は1〜5個の炭素原子を有するアルキル基であり、mは0又は1であり、nは0又は1であるか、又は
− Y2及びY3は、5員又は6員の芳香族又は複素芳香族の環の環員(複素元素としてはN、O又はSを有する)であり、該環は、アルキル、アルコキシ、カルボキシ又はニトリルで置換されていてよく、Y1及びY4は不要であり、かつnは0であり、mは0又は1である]から選択される。
これらの新規のフッ素不含の物質混合物は、例えばDE10108592号に記載される製造方法と同様にして製造できる。この場合に、シュウ酸に対して高くて20モル%のキレート形成剤L2が使用されるように、1:1:1:1(ホウ素化合物(例えばホウ酸)/シュウ酸/キレート形成剤L2/リチウム化合物)の化学量論比から逸脱せねばならない。使用される物質(ホウ素化合物/シュウ酸とキレート形成剤L2との混合物/リチウム化合物)のモル比は、1:2:1となり、その際、シュウ酸とキレート形成剤L2との混合物は、最大で20モル%のキレート形成剤L2を含有する。この場合に、L2は、例えばジカルボン酸(シュウ酸ではない)、ヒドロキシカルボン酸又はサリチル酸(該酸は最大で二置換されていてよい)である。キレート形成剤L2についての更なる可能性は、化合物部Xの記載において以下により広範に挙げられている。
その反応は、有利には、原料成分を、共沸脱水に適した媒体(例えばトルエン、キシレン、メチルシクロヘキサン、6個より多い炭素原子を有する過フッ化炭化水素)中に懸濁させ、そして公知のように共沸脱水させることで実施される。
また、合成を水溶液中で実施することも可能である。この場合に、それらの成分を、任意の順序で水中に導入し、そして撹拌しつつ有利には減圧下で蒸発させる。主要量の水を除去した後に、固体の反応生成物が形成し、その生成物は、固有の生成物特性に応じて、100〜180℃の温度と減圧(例えば10ミリバール)で最終乾燥させる。水の他にも、アルコール及び別の極性有機溶剤が反応媒体として適している。
最後に、生成物の製造は、何らかの溶剤を添加しなくとも実施できる、すなわち商慣習上の原料を混合し、次いで熱供給によって加熱し、そして有利には減圧下に脱水させる。
該方法の実施に際して、少なくとも80モル%のLiBOBを、高くても20モル%の混合型のリチウムボレート塩(I)の他に含有する混合物が形成される。驚くべきことに、かかる合成混合物中に、検出できる量のhomo錯体化合物
Figure 2007528109
は存在しない。得られた導電性塩混合物は、純粋なLiBOBに対して、過充電の場合に、カソードで電池電圧の増大速度を緩める分解反応が生じるという利点を有する。それによって、カソード材料の危険な逐次反応を、電解質の成分でもって回避もしくは低減させることができる。
化合物部Xについて好ましい例は、形式上、2個のOH基だけ減少した1,3−ジカルボン酸、例えばマロン酸及びアルキルマロン酸(有利には1〜5個の炭素原子を有するアルキル基で置換されたマロン酸)である。(ホウ素に対して結合されるO原子は、式(I)中に既に含まれており、1,3−ジカルボン酸はL2に相当する)。
化合物部Xについて更に好ましい例は、形式上、2個のOH基だけ減少した1,2−もしくは1,3−ヒドロキシカルボン酸、例えばグリコール酸又は乳酸である。(その1,2−もしくは1,3−ヒドロキシカルボン酸はL2に相当する)。化合物部Xは、有利には、飽和のC2又はC3の鎖から形成することもでき、これは、形式上、2個のOH基だけ減少した1,2−もしくは1,3−ジオールから誘導することができる。(その1,2−もしくは1,3−ジオールはL2に相当する)。
化合物部Xについて更に有利な例は、形式上、2個のOH基だけ減少した1,2−ビスフェノール(例えばピロカテキン)又は1,2−カルボキシフェノール(例えばサリチル酸)又は芳香族もしくは複素芳香族の1,2−ジカルボン酸(例えばフタル酸又はピリジン−2,3−ジオール)である。挙げられる1,2−ビスフェノール、1,2−カルボキシフェノール又は芳香族の1,2−ジカルボン酸は、L2に相当する。
本発明の対象を、以下の実施例をもとに詳細に説明する。
実施例1:
250mlのガラス製の丸底フラスコ中で、23.95gのシュウ酸二水和物、6.81gのホウ酸及び1.38gのサリチル酸(ホウ酸に対して10モル%)を50mlの水中に懸濁し、そして撹拌しつつ4.06gの炭酸リチウムを添加した。ガス発生(中和反応由来のCO2)の発生が鎮まった後に、該懸濁液を油浴温度115℃で1時間還流させた。この場合に、澄明な無色の溶液が形成した。この溶液を、回転蒸発器上で、油浴温度125℃において真空中で全蒸発させた。
残留した固体を、保護ガス雰囲気(アルゴン)下で、ニッケル製のへらで事前に微細化させ、そして乳鉢中で磨りつぶした。次いで、その粉末を再びガラス製丸底フラスコ中に充填し、そして回転蒸発器上で、150℃で最終的に13ミリバールで最終乾燥させた。
収量:17.3g(理論値の88%、損失はガラス製フラスコ中での凝結(Verbackung)によるもの)
分析:リチウム 3.60%(公称値:3.54%)
純度:11B NMRスペクトル(溶剤 THF/C66)において、homo化合物であるリチウム−ビス(サリチラト)ボレート(文献シフト(Literaturverschiebung) 4.0ppm)は検出できず、単に、予想される生成物であるリチウム ビス(オキサラト)ボレート(7.6ppm)、略してLiBOBのシグナルと、混合型の塩であるリチウム(サリチラト,オキサラト)ボレート(5.6ppm)、略してLiSOBのシグナルとが検出できる(図1を参照)。
図1は、実施例1の結果を示す11B NMRスペクトル図である

Claims (17)

  1. リチウム ビス(オキサラト)ボレート(LiBOB)と型
    Figure 2007528109
    の混合型のリチウムボレート塩とを含有する導電性塩であって、該導電性塩中の化合物(I)の割合が0.01〜20モル%であり、かつ式(I)中のXが、2個の酸素原子でホウ素に対して結合される架橋であり、該架橋が
    Figure 2007528109
    [式中、
    − Y1及びY2は、一緒になってOを意味し、mは1であり、nは0であり、かつY3及びY4は、互いに無関係に、H又は1〜5個の炭素原子を有するアルキル基であるか、又は
    − Y1、Y2、Y3、Y4は、それぞれ互いに無関係に、OR(その際、Rは、1〜5個の炭素原子を有するアルキル基である)、又はH又は1〜5個の炭素原子を有するアルキル基であり、mは0又は1であり、nは0又は1であるか、又は
    − Y2及びY3は、5員又は6員の芳香族又は複素芳香族の環の環員(複素元素としてはN、O又はSを有する)であり、該環は、アルキル、アルコキシ、カルボキシ又はニトリルで置換されていてよく、Y1及びY4は不要であり、かつnは0であり、mは0又は1である]から選択される導電性塩。
  2. 化合物部Xが、形式上、2個のOH基だけ減少した1,3−ジカルボン酸から形成される、請求項1記載の導電性塩。
  3. 1,3−ジカルボン酸が、マロン酸又はアルキルマロン酸である、請求項2記載の導電性塩。
  4. 化合物部Xが、形式上、2個のOH基だけ減少した1,2−もしくは1,3−ヒドロキシカルボン酸から形成される、請求項1記載の導電性塩。
  5. 1,2−ヒドロキシカルボン酸もしくは1,3−ヒドロキシカルボン酸が、グリコール酸又は乳酸である、請求項4記載の導電性塩。
  6. 化合物部Xが、飽和のC2又はC3の鎖から形成される、請求項1記載の導電性塩。
  7. 化合物部Xが、形式上、2個のOH基だけ減少した1,2−ビスフェノール又は1,2−カルボキシフェノール(例えばサリチル酸)又は芳香族の1,2−ジカルボン酸(例えばフタル酸)又はピリジン−2,3−ジオールから形成される、請求項1記載の導電性塩。
  8. 1,2−ビスフェノールがピロカテキンであり、1,2−カルボキシフェノールがサリチル酸であり、かつ1,2−ジカルボン酸がフタル酸である、請求項7記載の導電性塩。
  9. 請求項1から8までのいずれか1項記載の導電性塩の製造方法において、好適なホウ素化合物、シュウ酸、好適なキレート形成剤L2及び好適なリチウム化合物を混合し、その際、使用される物質(ホウ素化合物/シュウ酸とキレート形成剤L2との混合物/リチウム化合物)のモル比が1:2:1となり、かつそのシュウ酸とキレート形成剤L2との混合物が最大で20モル%のキレート形成剤L2を含有することを特徴とする方法。
  10. ホウ素化合物としてホウ酸を使用し、かつキレート形成剤L2としてジカルボン酸(シュウ酸ではない)又はヒドロキシカルボン酸を使用する、請求項9記載の方法。
  11. キレート形成剤L2として、1,3−ジカルボン酸、例えばマロン酸又はアルキルマロン酸(1〜5個の炭素原子を有するアルキル基を使用することが好ましい)、1,2−もしくは1,3−ヒドロキシカルボン酸、例えばグリコール酸又は乳酸、1,2−もしくは1,3−ジオール、1,2−ビスフェノール、例えばピロカテキン、1,2−カルボキシフェノール、例えばサリチル酸(これは最大で2置換されていてもよい)又は芳香族又は複素芳香族の1,2−ジカルボン酸、例えばフタル酸又はピリジン−2,3−ジオールを使用する、請求項9記載の方法。
  12. 原料成分を、共沸脱水に適した媒体(例えばトルエン、キシレン、メチルシクロヘキサン、6個より多い炭素原子を有する過フッ化炭化水素)中に懸濁させ、そして公知のように共沸脱水させる、請求項9から11までのいずれか1項記載の方法。
  13. 成分を任意の順序で水中に導入し、そして撹拌しつつ有利には減圧で蒸発させて水溶液中で実施する、請求項11記載の方法。
  14. 水の代わりに、アルコール又は別の極性有機溶剤を反応媒体として使用する、請求項13記載の方法。
  15. 原料成分を、溶剤の添加なくして混合し、熱供給によって加熱し、そして有利には減圧下に脱水させる、請求項9から11までのいずれか1項記載の方法。
  16. 請求項1から8までのいずれか1項記載の導電性塩をガルヴァーニ電池で用いる使用。
  17. 請求項1から8までのいずれか1項記載の導電性塩をリチウムイオン電池で用いる使用。
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