JP2007534122A - 電解液組成物並びに電気化学的なエネルギー貯蔵系用の電解液材料としてのその使用 - Google Patents
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Abstract
Description
100℃未満の融点を有する少なくとも1つのイオン性液体(A) 80〜99.5質量%、
皮膜形成成分(B) 0.5〜10質量%及び
粘度調整剤(C) 0〜10質量%
からなる基礎成分と
支持塩(D)とを含有し、ここでこの支持塩(D)は、0.25mol/(kg基礎成分)から前記基礎成分への溶解限度までで含まれている
ことにより特徴付けられる。
100℃未満の融点を有する少なくとも1つのイオン性液体(A) 80〜99.5質量%、
皮膜形成成分(B) 0.5〜10質量%及び
粘度調整剤(C) 0〜10質量%
からなる基礎成分と
支持塩(D)とを含有し、ここでこの支持塩(D)は0.25mol/(kg基礎成分)から前記基礎成分への溶解限度までで含まれていることにより特徴付けられる。
100℃未満の融点を有する少なくとも1つのイオン性液体(A) 80〜99.5質量%、
皮膜形成成分(B) 0.5〜10質量%及び
粘度調整剤(C) 0〜10質量%
からなる基礎成分と
支持塩(D)とからなり、ここでこの支持塩は0.25mol/(kg基礎成分)から前記基礎成分への溶解限度までで含まれている。
100℃未満の融点を有する少なくとも1つのイオン性液体(A) 90〜99.5質量%、及び
皮膜形成成分(B) 0.5〜10質量%
からなる基礎成分を含有し、しかしながら特に基礎成分は次のもの:
100℃未満の融点を有する少なくとも1つのイオン性液体(A) 92〜98質量%、及び
皮膜形成成分(B) 2〜8質量%
からなる。
・水素、ヒドロキシ基、アルコキシ基、スルファニル基(R−S−)、NH2基、NHR″基、NR″2基(ここでR″は炭素原子1〜8個を有するアルキル基である)、又はハロゲン、特にF、Cl、Br又はIであってよく、
・例えばヒドロキシ基、炭素原子1〜8個、好ましくは1〜4個を有するアルキル基及び/又はハロゲン基で、置換されていてよいか又は非置換であってよい、炭素原子1〜20個、好ましくは1〜8個、特に1〜4個を有する線状又は分枝鎖状の脂肪族炭化水素基、
・例えばヒドロキシ基、炭素原子1〜8個、好ましくは1〜4個を有するアルキル基及び/又はハロゲン基で、置換されていてよいか又は非置換であってよい、炭素原子5〜30個、好ましくは5〜10個、特に5〜8個を有する脂環式炭化水素基、
・例えばヒドロキシ基、炭素原子1〜8個、好ましくは1〜4個を有するアルキル基及び/又はハロゲン基で、置換されていてよいか又は非置換であってよい、炭素原子6〜30個、好ましくは6〜12個、特に6〜10個を有する芳香族炭化水素基、
・例えばヒドロキシ基、炭素原子1〜8個、好ましくは1〜4個を有するアルキル基及び/又はハロゲン基で、置換されていてよいか又は非置換であってよい、炭素原子7〜40個、好ましくは7〜14個、特に7〜12個を有するアルキルアリール基、
・例えばヒドロキシ基、炭素原子1〜8個、好ましくは1〜4個を有するアルキル基及び/又はハロゲン基で、置換されていてよいか又は非置換であってよく、1つ又はそれ以上のヘテロ原子(酸素、NH、NCH3)により中断された、炭素原子2〜20個を有する線状又は分枝鎖状の脂肪族炭化水素基、
・例えばヒドロキシ基、炭素原子1〜8個、好ましくは1〜4個を有するアルキル基及び/又はハロゲン基で、置換されていてよいか又は非置換であってよく、−O−C(O)−、−(O)C−O−、−NH−C(O)−、−(O)C−NH、−(CH3)N−C(O)−、−(O)C−N(CH3)−、−S(O)2−O−、−O−S(O)2−、−S(O)2−NH−、−NH−S(O)2−、−S(O)2−N(CH3)−、−N(CH3)−S(O)2−の群から選択される1つ又はそれ以上の官能基により中断された、炭素原子2〜20個を有する線状又は分枝鎖状の脂肪族炭化水素基、又は
・例えばヒドロキシ基、炭素原子1〜8個、好ましくは1〜4個を有するアルキル基及び/又はハロゲン基で、置換されていてよいか又は非置換であってよい、末端で−OH、−NH2、−N(H)CH3官能化された、炭素原子1〜20個を有する線状又は分枝鎖状の脂肪族炭化水素基である。
・5〜700m2/gのBET表面積及び5〜200nmの平均一次粒径を有するナノスケールケイ素粒子5〜85質量%、
・導電性カーボンブラック0〜10質量%、
・1μm〜100μmの平均粒径を有するグラファイト5〜80質量%及び
・バインダ 5〜25質量%
を含有するリチウムイオン電池の場合に使用され、その場合に前記成分の割合は総和で最大100質量%になる。
・5〜700m2/gのBET表面積及び5〜200nmの平均一次粒径を有するナノスケールケイ素粒子5〜85質量%、
・導電性カーボンブラック0〜10質量%、
・1μm〜100μmの平均粒径を有するグラファイト5〜80質量%及び
・バインダ5〜25質量%
を含有し、その場合に前記成分の割合は総和で最大100質量%になる。
例1:イオン性液体の電気化学的窓(elektrochemischen Fenster)の決定
本発明による電解液組成物の電気化学的プロセスに関する安定性を算出するために、電気化学的窓を算出する。この場合に、電解液中に浸漬させる適した電極対上で印加された電位差を連続的に高める。このようにして、どの電圧で電解液の分解が行われるかもしくはどの条件下で電解液の分解が行われないかが測定されることができる。電解液組成物の電気化学的窓の決定は、ガラスセル中でアルゴン下にリチウム塩、皮膜形成成分又は粘度調整剤を添加せずに実施する。電圧掃引速度(Spannungsvorschub)として5mV/sを選択する。対照として−3.08V対Li/Li+の電位を有するAgClコーティングされたAgロッドを利用する。測定を、銅のカソード(図1a参照)で、しかしながらアルミニウムのアノード(図1b参照)で行う。電解液として、本発明による電解液組成物の主成分である次のイオン性液体(A)を使用する:
・1−エチル−3−メチルイミダゾリウム−ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(EMI−TFSI)
・1−エチル−3−メチルイミダゾリウム−テトラフルオロホウ酸塩(EMI−BF4)
・1−エチル−3−メチルイミダゾリウム−エチル硫酸塩(EMI−EtSO4)。
電気化学的サイクルをいわゆる半電池構成において実施する。半電池構成の場合に、本発明による電解液組成物はサンドウィッチ構成:作用電極−セパレータ/本発明による電解液組成物−対電極/照合電極中で測定される。作用電極(負極)として、TIMCAL SA社、スイス国の市販のSFG 44-グラファイト90質量%及びポリフッ化ビニリデン(PVdF)バインダ10質量%からなる電極材料を有する電極を使用する。部分的にリチオ化されたLi4Ti5O12スピネル(これに対してイオン性液体は安定である)を対電極/照合電極(正極)として使用し、これは1.56V対Li/Li+の電位を有する。電位限界として0及び−1.55Vを使用し、これは10mV及び1.56V対Li/Li+に相当する。サイクル速度は電極材料の活物質当たりの電流密度で示される。このために使用される値は、最初のサイクルについては10mA/gグラファイト及びその後のサイクルについては50mA/gグラファイトである。充電及び放電を、5mA/gに相当する値を下回るまで電圧限界に到達する際の電流低下を用いて行う。この電流低下の使用は、電極の性能(定電流モードで流れる電流の割合又は定電流割合)を、場合により不可逆的な障害(すなわち定電位工程において流れる容量を含めた、全ての容量の低下)から分離することを可能にする(これについてはH. Buqa他、ITE Battery Letters, 4 (2003), 38参照)。
使用される電解液組成物は次のものからなる:
・基礎成分として1−エチル−3−メチルイミダゾリウム−ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド100質量%
・支持塩としてリチウム−ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド0.5mol/(kg基礎成分)。
2.2.1 皮膜形成成分(B)としての炭酸ビニレン
a.)炭酸ビニレン10質量%
使用される本発明による電解液組成物は次のものからなる:
・基礎成分として、1−エチル−3−メチルイミダゾリウム−ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド 90質量%及び
・炭酸ビニレン10質量%
及び支持塩としてリチウム−ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド0.5mol/(kg基礎成分)。
使用される本発明による電解液組成物は次のものからなる:
・基礎成分として、1−エチル−3−メチルイミダゾリウム−ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド95質量%及び
・炭酸ビニレン5質量%
及び支持塩としてヘキサフルオロリン酸リチウム(LiPF6) 0.5mol/(kg基礎成分)。
使用される本発明による電解液組成物は次のものからなる:
・基礎成分として、1−エチル−3−メチルイミダゾリウム−ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド 98質量%及び
・炭酸ビニレン2質量%
及び支持塩としてヘキサフルオロリン酸リチウム(LiPF6) 0.5 mol/kg(基礎成分)。
電気化学的サイクルをいわゆる半電池構成において実施する。半電池構成の場合に、本発明による電解液組成物をサンドウィッチ構成:作用電極−セパレータ/本発明による電解液組成物−対電極/照合電極中で測定する。作用電極として、グラファイト−導電性カーボンブラック−バインダ−マトリックス中のLiCoO2 86質量%からなる電極材料を有する電極を使用する。リチオ化されないLi4Ti5O12スピネル(これに対してイオン性液体は安定である)を対電極/照合電極として使用し、これは1.56V対Li/Li+の電位を有する。電位限界として1.5及び2.7Vを使用し、これは3.05及び4.25V対Li/Li+に相当する。サイクル速度を電極材料の活物質当たりの電流密度で示している。このために使用される値は、30mA/g LiCoO2である。
使用される電解液組成物は次のものからなる:
・基礎成分として1−エチル−3−メチルイミダゾリウム−ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド100質量%及び
・支持塩としてリチウム−ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド0.5mol/(kg基礎成分)。
電位限界を、2.7Vから0.2Vだけ2.9Vに(これは4.45V対Li/Li+に相当する)上昇させた。他の試験パラメーターは例3.1に従い維持される。
使用される本発明による電解液組成物は次のものからなる:
・基礎成分として、1−エチル−3−メチルイミダゾリウム−ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド95質量%及び
・炭酸ビニレン5質量%
及び支持塩としてヘキサフルオロリン酸リチウム(LiPF6) 0.5mol/(kg基礎成分)。
完全電池の場合には、材料を、完全電池構成:作用電極(グラファイト)−セパレータ/本発明による電解液組成物−対電極(LiCoO2)中で標準−カソード材料LiCoO2に対して測定する。電位限界としてここでは2.5〜4.0Vを使用する。サイクル速度はグラファイト電極材料の活物質当たりの電流密度で示される。このために使用される値は、最初のサイクルにおいて10mA/gグラファイト及びその後のサイクルにおいて50mA/gグラファイトである。サイクルを完全電池中でLiCoO2電極に対して行う。この例において、完全電池の作動を次のもの:
・基礎成分として、1−エチル−3−メチルイミダゾリウム−ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド95質量%及び
・炭酸ビニレン5質量%
及び支持塩としてヘキサフルオロリン酸リチウム(LiPF6) 0.5mol/(kg基礎成分)
からなる本発明による電解液組成物の使用下に試験する。
電気化学的サイクルを、半電池構成において−既に例2に記載されたように−作用電極としてのグラファイトを用いて実施した。セパレータとして、Degussa AG - Creavis Technologies & Innovation社製セラミックセパレータSeparion S 450を使用した。使用される本発明による電解液組成物は次のものからなる:
・基礎成分として、1−エチル−3−メチルイミダゾリウム−ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド95質量%及び
・炭酸ビニレン5質量%
及び支持塩としてヘキサフルオロリン酸リチウム(LiPF6) 0.5mol/(kg基礎成分)。
スナップキャップバイアル(Schnappdeckelglaeschen)中で、セパレータの1.5cm×1.5cmに切断した小片をイオン性液体中に分散させる。油浴を用いて、これらの試料をまず最初に熱処理する。引き続いてセパレータの試料をエタノールを用いて慎重にイオン性液体から清浄化し、空気乾燥させる。セパレータの試料をそれに従って巨視的に及びルーペを用いてライトテーブル(Lichttisch)上で分析し、かつ評価し、この場合にとりわけセパレータの変形、淡色化及び摩耗を顧慮する。
SE1 ASAHI社製ポリオレフィン6022
SE2 Celgard社製Celgard(登録商標) 2500 微多孔膜
SE3 Degussa AG - Creavis Technologies & Innovation社製Separion S 450(セラミックセパレータ)。
IL1 2−エチル−3−メチル−2−オキサゾリニウム−メチル硫酸塩(当業者によく知られている2−エチル−オキサゾリンとジメチル硫酸塩との反応により製造)
IL2 1−エチル−3−メチル−イミダゾリウム−ビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド(技術水準(P. Bonhote, A.-P. Dias, N. Papageorgiou, K. Kalyanasundaram, M. Graetzel, Inorg. Chem. 1996, 35, 1168; L. Cammata, S. Kazarian, P. Salter, T. Welton, Phys. Chem. Chem. Phys. 2001, 3, 5192)により製造)
IL3 Goldschmidt Rewo GmbH社製Rewoquat CPEM。
IL1 帯黄色で、澄明かつ希溶液、
IL2 薄い帯黄色で、澄明かつ希溶液及び
IL3 帯黄色で、澄明かつ濃厚液。
Claims (13)
- 電解液組成物であって、
100℃未満の融点を有する少なくとも1つのイオン性液体(A) 80〜99.5質量%、
皮膜形成成分(B) 0.5〜10質量%及び
粘度調整剤(C) 0〜10質量%、
からなる基礎成分と
支持塩(D)とを含有し、ここでこの支持塩(D)は0.25mol/(kg基礎成分)から前記基礎成分への溶解限度までで含まれている
ことを特徴とする、電解液組成物。 - 100℃未満の融点を有する少なくとも1つのイオン性液体(A) 90〜99.5質量%及び
皮膜形成成分(B) 0.5〜10質量%
からなる基礎成分を含有する、請求項1記載の電解液組成物。 - イオン性液体(A)が、アンモニウムイオン、ピリジニウムイオン、ピロリジニウムイオン、ピロリウムイオン、オキサゾリウムイオン、オキサゾリニウムイオン、イミダゾリウムイオン、チアゾリニウムイオン又はホスホニウムイオンをベースとするカチオンを有する、請求項1又は2記載の電解液組成物。
- 支持塩(D)がリチウム化合物である、請求項1から3までのいずれか1項記載の電解液組成物。
- 支持塩(D)がLiPF6、LiClO4、LiAsF6、LiBF4、LiCF3SO3、LiN(CF3SO2)2、LiN(SO2CF2CF3)2、LiSbF6、LiAlCl4、LiGaCl4、LiCl、LiNO3、LiSCN、LiO3SCF2CF3、LiC6F5SO3、LiO2CCF3、LiFSO3、LiB(C6H5)4、LiB(C2o4)2、フルオロアルキルリン酸リチウム及び/又はLi(NTf2)から選択されている、請求項1から4までのいずれか1項記載の電解液組成物。
- 皮膜形成成分(B)が有機化合物である、請求項1から5までのいずれか1項記載の電解液組成物。
- 被膜形成成分(B)が有機炭酸エステル化合物である、請求項1から6までのいずれか1項記載の電解液組成物。
- 皮膜形成成分(B)が炭酸ビニレンである、請求項7記載の電解液組成物。
- 電気化学的なエネルギー貯蔵系における、請求項1から8までのいずれか1項記載の電解液組成物の使用。
- 電気化学的なエネルギー貯蔵系がリチウム金属電池又はリチウムイオン電池である、請求項9記載の使用。
- 電気化学的なエネルギー貯蔵系がリチウムイオン電池である、請求項10記載の使用。
- リチウムイオン電池がセラミックセパレータを有する、請求項11記載の使用。
- 請求項1から8までのいずれか1項記載の電解液組成物を含有する、リチウムイオン電池。
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