JP2008047479A - Nonaqueous electrolyte, and electrochemical energy storage device equipped with it - Google Patents

Nonaqueous electrolyte, and electrochemical energy storage device equipped with it Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To solve a problem where, when a lithium salt is combined with DME or EME in high salt concentration, it becomes solid or discolored, or the lithium salt is not completely dissolved, and, when a nonaqueous electrolyte in high salt concentration represented by a composition of LiBF<SB>4</SB>/DME=1/1 (molar ratio) or LiBF<SB>4</SB>/EME=1/1 (molar ratio) is used, lithium ions solvated with DME or EME are inserted between graphite layers to break a graphite structure, whereby the potential of a negative electrode is prevented from becoming base. <P>SOLUTION: A nonaqueous electrolyte in which an additional mass prepared by adding DME having a molar ratio equal to that of LiClO<SB>4</SB>in an electrolyte solidified at low temperature is present is used. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、電気化学エネルギー蓄積デバイスに関し、特に、その非水電解液の改良に関する。   The present invention relates to an electrochemical energy storage device, and more particularly to an improvement of the non-aqueous electrolyte.

正極及び負極に分極性電極が用いられる電気二重層キャパシタは、充電過程で電解液中のカチオンおよびアニオンが電極表面に吸着することによって、電気化学エネルギーを蓄積する。この電気二重層キャパシタのエネルギー密度を増加するためには2通りの方法がある。1つは、電解液中の塩濃度を高めることで電解液の量を減らし、その分、分極性材料を増やすことである。もう1つは、充電電圧を高く設定できるようにすることである。すなわち、支持塩が溶解された電解液用溶媒に非水溶媒を用いることで、電気二重層キャパシタの高い充電電圧の設定が可能となり、その結果キャパシタのエネルギー密度が高くなる。   In the electric double layer capacitor in which polarizable electrodes are used for the positive electrode and the negative electrode, the cation and the anion in the electrolytic solution are adsorbed on the electrode surface during the charging process, thereby accumulating electrochemical energy. There are two methods for increasing the energy density of the electric double layer capacitor. One is to reduce the amount of the electrolyte by increasing the salt concentration in the electrolyte, and to increase the polarizable material accordingly. The other is to be able to set the charging voltage high. That is, by using a non-aqueous solvent for the electrolyte solution in which the supporting salt is dissolved, it is possible to set a high charging voltage for the electric double layer capacitor, and as a result, the energy density of the capacitor is increased.

また、リチウムイオン伝導性の非水電解液が使用される非水電解液電池では、リチウムイオンは、正極と負極との間の電解液中を移動する。この非水電解液電池は、一次電池においては放電中、二次電池においては充放電中、非水電解液中の塩濃度は変化しない。従って、非水電解液電池のエネルギー密度を増やすためには、電気二重層キャパシタと同様に、電解液の量を減らし、正極及び負極材料の量を増やせばよい。ここで、非水電解液の量を減らす一方で、正極と負極との間で移動可能なイオン量を保つ必要があるため、非水電解液中の塩濃度を高くする必要がある。また、非水電解液電池では非水溶媒にリチウムヘキサフルオロホスフェート(LiPF6)等のリチウム塩を溶解した非水電解液を使用するため高い充電電圧を得ることができるが、一方で、負極に黒鉛等の炭素材料やリチウム金属を使用することで負極電位を卑に(低く)することができ、この点からも高い充電電圧を設定することができる。 In a non-aqueous electrolyte battery using a lithium ion conductive non-aqueous electrolyte, lithium ions move in the electrolyte between the positive electrode and the negative electrode. In this non-aqueous electrolyte battery, the salt concentration in the non-aqueous electrolyte does not change during discharge in the primary battery and during charge / discharge in the secondary battery. Therefore, in order to increase the energy density of the nonaqueous electrolyte battery, it is only necessary to reduce the amount of the electrolyte and increase the amount of the positive electrode and the negative electrode material as in the case of the electric double layer capacitor. Here, while reducing the amount of the non-aqueous electrolyte, it is necessary to keep the amount of ions that can move between the positive electrode and the negative electrode, so it is necessary to increase the salt concentration in the non-aqueous electrolyte. In addition, in a non-aqueous electrolyte battery, since a non-aqueous electrolyte solution in which a lithium salt such as lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) is dissolved in a non-aqueous solvent is used, a high charging voltage can be obtained. By using a carbon material such as graphite or lithium metal, the negative electrode potential can be made lower (lower), and a high charging voltage can be set also from this point.

したがって、いずれの電気化学エネルギー蓄積デバイスでも、高エネルギー密度を達成するためには、電解液に高塩濃度の非水電解液を使用すること、および、充電電位が卑な(低い)負極表面で起きる種々の副反応を抑制することが必要になる。   Therefore, to achieve high energy density in any electrochemical energy storage device, use a non-aqueous electrolyte with a high salt concentration as the electrolyte, and on the negative electrode surface where the charging potential is low (low) It is necessary to suppress various side reactions that occur.

電気二重層キャパシタや非水電解液電池において、非水電解液に使用される代表的な非水溶媒は、環状カーボネートであるエチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ブチレンカーボネート(BC)、環状エステルであるγ−ブチロラクトン(γ−BL)、鎖状カーボネートであるジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、ジエチルカーボネート(DEC)などである。非水電解液は、これらの非水溶媒に、LiPF6、リチウムテトラフルオロボレート(LiBF4)、リチウムパークロレート(LiClO4)、リチウムビス[トリフルオロメタンスルホニル]イミド(LiTFSI)などのリチウム塩を溶解して調製される。非水電解液に溶解させるリチウム塩の濃度は、通常、0.8モル/kg(1モル/L)程度であるが、高塩濃度非水電解液としては、例えば、LiBF4とECを、モル比で、LiBF4/EC=1/4つまり2.2モル/kgに混合する場合が限界である。 In electric double layer capacitors and non-aqueous electrolyte batteries, typical non-aqueous solvents used for the non-aqueous electrolyte are cyclic carbonates such as ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), butylene carbonate (BC), Examples thereof include γ-butyrolactone (γ-BL) which is a cyclic ester, dimethyl carbonate (DMC) which is a chain carbonate, ethyl methyl carbonate (EMC), diethyl carbonate (DEC) and the like. Nonaqueous electrolytes dissolve lithium salts such as LiPF 6 , lithium tetrafluoroborate (LiBF 4 ), lithium perchlorate (LiClO 4 ), and lithium bis [trifluoromethanesulfonyl] imide (LiTFSI) in these nonaqueous solvents. Prepared. The concentration of the lithium salt dissolved in the non-aqueous electrolyte is usually about 0.8 mol / kg (1 mol / L). As the high salt concentration non-aqueous electrolyte, for example, LiBF 4 and EC are used. The limit is the case of mixing at a molar ratio of LiBF 4 / EC = 1/4, that is, 2.2 mol / kg.

非水電解液中の塩濃度をさらに増加させるには、非水溶媒に1,2−ジメトキシエタン(DME)などのモノグライム化合物を用いることが提案されている。具体的には、LiBF4とDMEからなる6モル/Lの非水電解液(モル比でおよそLiBF4/DME=1/1)が開示されている。(例えば特許文献1参照)
また、LiBF4とDMEと1−エトキシ−2−メトキシエタン(EME)からなる6
モル/Lの非水電解液(モル比でおよそLiBF4/(DME+EME)=1/(0.5+0.5))が開示されている。(例えば特許文献2参照)
また、非特許文献1には、部分的ではあるが、LiClO4とDMEからなる2成分系の相図が掲載されている。これによると、LiClO4とDMEの組み合わせでは、LiClO4/DME=1/2(モル比)の組成は常温で固体であることがわかる。さらに、非特許文献2には、LiClO4/DME=1/2(モル比)の組成物の結晶構造が報告されている。非特許文献2には、示差熱分析によって、LiClO4/DME=1/2(モル比)の組成物の融点は68℃であることが記載されている。なお、非特許文献2には、非特許文献1に記載されている相図について、LiClO4/DME=1/2(モル比)の組成物の融点は62℃であると記載している。
In order to further increase the salt concentration in the non-aqueous electrolyte, it has been proposed to use a monoglyme compound such as 1,2-dimethoxyethane (DME) as the non-aqueous solvent. Specifically, a 6 mol / L nonaqueous electrolytic solution (approximately LiBF 4 / DME = 1/1 in molar ratio) composed of LiBF 4 and DME is disclosed. (For example, see Patent Document 1)
6 consisting of LiBF 4 , DME and 1-ethoxy-2-methoxyethane (EME).
A non-aqueous electrolyte (molar ratio of LiBF 4 /(DME+EME)=1/(0.5+0.5)) is disclosed. (For example, see Patent Document 2)
Non-patent document 1 includes a phase diagram of a two-component system composed of LiClO 4 and DME, although partially. According to this, it can be seen that in the combination of LiClO 4 and DME, the composition of LiClO 4 / DME = 1/2 (molar ratio) is solid at room temperature. Furthermore, Non-Patent Document 2 reports the crystal structure of a composition of LiClO 4 / DME = 1/2 (molar ratio). Non-Patent Document 2 describes that the melting point of a composition of LiClO 4 / DME = 1/2 (molar ratio) is 68 ° C. by differential thermal analysis. Non-patent document 2 describes that the melting point of the composition of LiClO 4 / DME = 1/2 (molar ratio) is 62 ° C. in the phase diagram described in non-patent document 1.

また、非特許文献3には、LiClO4/DME=1/1(モル比)の組成では、二塩化メチレン100gには5gしか溶けない付加体(adduct)を形成することが記載されている。 Further, Non-Patent Document 3 describes that in the composition of LiClO 4 / DME = 1/1 (molar ratio), an adduct that only dissolves 5 g in 100 g of methylene dichloride is formed.

このため、高濃度であるLiClO4/DME=1/1(モル比)近傍の組成物について、電気化学エネルギー蓄積デバイスの電解液として使用したという報告はなかった。 For this reason, there was no report that the composition in the vicinity of LiClO 4 / DME = 1/1 (molar ratio) having a high concentration was used as an electrolytic solution of an electrochemical energy storage device.

一方、特にリチウムイオンを吸蔵および放出する黒鉛材料を負極に用いた非水電解液二次電池においては、DMEを電解液の溶媒として用いた場合、黒鉛材料にリチウムイオンを電気化学的に挿入できないとされてきた(例えば非特許文献4参照)。
特開平1−107468号公報 特開平3−84871号公報 ジー、ペロン(G.Perron)他3名、 「非プロトン性溶媒中のリチウム塩の相図、分子体積、熱容量、伝導性および粘性(Phase diagrams, molar volumes, heat capacities, conductivities and viscosities of some lithium salts in aprotic solvents)」、ジャーナル オブ エレクトロアナリティカル ケミストリィ(Journal of Electroanalytical Chemistry)、スイス、エルセヴィア セコイア エスエイ、ローザンヌ(Elsevier Sequoia S.A., Lausanne)、1993年、第335巻、p227−296 ウェスレイ、エー、ヘンダーソン(Wesley A. Henderson)他3名、 「LiClO4電解質の溶媒和構造(LiClO4 Electrolyte Solvate Structures)」、ジャーナル オブ フィジカル ケミストリィ エー(Journal of Physical Chemistry A)、米国、 アメリカン ケミカル ソシエティー(American Chemical Society)、2004年、第108巻、p225−229 ジョン アール、ロング博士(Dr. John R. Long)、「有機媒体中の過塩素酸塩(Perchlorates in Organic Media)」、[online]、 ジーエフエス ケミカルズ(GFS CHEMICALS)ホームページ、 「平成18年4月17日検索」、インターネット<URL: HYPERLINK "http://www.gfschemicals.com/technicallibrary/fa#100102.asp" http://www.gfschemicals.com/technicallibrary/fa_100102.asp> 竹原善一郎監修、「高密度リチウム二次電池」、(株)テクノシステム、1998年、p.184−185
On the other hand, particularly in a non-aqueous electrolyte secondary battery using a graphite material that occludes and releases lithium ions as a negative electrode, when DME is used as a solvent for the electrolyte, lithium ions cannot be electrochemically inserted into the graphite material. (For example, see Non-Patent Document 4).
JP-A-1-107468 Japanese Patent Laid-Open No. 3-84771 G. Perron and three others, “Phase diagrams, molar volumes, heat capacities, conductivities and viscosities of some lithium salts of aprotic solvents), Journal of Electroanalytical Chemistry, Switzerland, Elsevier Sequoia SA, Lausanne (Elsevier Sequoia SA, Vol. 27, 93, 35). Wesley, A, Henderson and 3 others, “LiClO4 Electrolyte Solvate Structures”, Journal of Physical Chemistry A, USA, American Chemical American Chemical Society), 2004, 108, p225-229. Dr. John R. Long, “Perchlorates in Organic Media”, [online], GF CHEMICALS homepage, “April 17, 2006 Day search ", Internet <URL: HYPERLINK"http://www.gfschemicals.com/technicallibrary/fa#100102.asp"http: // www. gfchemicals. com / technical library / fa — 100102. asp> Supervised by Zenichiro Takehara, “High-density lithium secondary battery”, Techno System Co., Ltd., 1998, p. 184-185

本発明者らが詳しく調べたところ、リチウム塩にLiBF4を使用する場合、LiBF
4/DME=1/1(モル比)の非水電解液は、常温では過飽和状態であり、やがてLiBF4と推定される結晶物が析出する。また、LiBF4/DME=1/1(モル比)やLiBF4/(DME+EME)=1/(0.5+0.5)(モル比)の非水電解液は常温では不安定であり、放置するとモノグライム化合物の分解によって黄色ないし褐色に変化する。
The present inventors have investigated in detail, when using LiBF 4 in a lithium salt, LiBF
The non-aqueous electrolyte with 4 / DME = 1/1 (molar ratio) is in a supersaturated state at room temperature, and eventually a crystalline substance estimated to be LiBF4 is deposited. In addition, non-aqueous electrolytes of LiBF 4 / DME = 1/1 (molar ratio) and LiBF 4 /(DME+EME)=1/(0.5+0.5) (molar ratio) are unstable at room temperature and left to stand. It changes to yellow or brown by decomposition of the monoglyme compound.

特許文献2では、リチウム塩としてLiBF4以外に、LiPF6、リチウムトリフルオロメタンスルフォネート(LiCF3SO3)、リチウムヘキサフルオロアンチモネート(LiSbF6)、リチウムヘキサフルオロアーセネート(LiAsF6)なども開示されている。しかし、これらの塩では、リチウム塩/モノグライム化合物=1/1(モル比)のような高塩濃度の非水電解液を調製しようとしても、リチウム塩が溶解しないか、LiBF4と同様に調製した非水電解液が変色するか、あるいは常温で固体になるため、電気化学エネルギー蓄積デバイスの非水電解液として使用することが困難であった。 In Patent Document 2, in addition LiBF 4 as a lithium salt, LiPF 6, lithium trifluoromethanesulfonate (LiCF 3 SO 3), lithium hexafluoroantimonate (LiSbF 6), also lithium hexafluoro Ah cell sulfonate (LiAsF 6) It is disclosed. However, with these salts, even if an attempt is made to prepare a non-aqueous electrolyte having a high salt concentration such as lithium salt / monoglyme compound = 1/1 (molar ratio), the lithium salt does not dissolve or is prepared in the same manner as LiBF 4. Since the non-aqueous electrolyte changed color or became solid at room temperature, it was difficult to use as a non-aqueous electrolyte for electrochemical energy storage devices.

一方、LiBF4/DME=1/1(モル比)やLiBF4/EME=1/1(モル比)の組成で表される高塩濃度の非水電解液を用い検討を重ねた結果、充電初期にDMEやEMEで溶媒和されたリチウムイオンが黒鉛層間に挿入し黒鉛構造を破壊するため、負極の電位が卑にならないという課題が明らかになった。ここで、充電初期とは、黒鉛層間にリチウムが存在しない状態でリチウムイオンを電気化学的に挿入していく始まりの過程を意味する。 On the other hand, as a result of repeated studies using a non-aqueous electrolyte having a high salt concentration represented by a composition of LiBF 4 / DME = 1/1 (molar ratio) or LiBF 4 / EME = 1/1 (molar ratio), charging Since lithium ions solvated with DME or EME in the initial stage are inserted between graphite layers to destroy the graphite structure, the problem that the potential of the negative electrode does not become low is clarified. Here, the initial stage of charging means an initial process in which lithium ions are electrochemically inserted in a state where lithium is not present between graphite layers.

本発明の目的は上述した課題を鑑みてなされたものであり、常温で安定である高塩濃度の非水電解液を提供し、電気化学エネルギー蓄積デバイスのエネルギー密度を高めることを可能とするものである。   The object of the present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and provides a high-salt concentration non-aqueous electrolyte that is stable at room temperature, enabling the energy density of an electrochemical energy storage device to be increased. It is.

上記の課題を解決するために、本発明の非水電解液は、低温で固化した状態で、リチウムパークロレートに、等モルの1,2−ジメトキシエタンが付加した付加体が存在することを特徴とする。   In order to solve the above problems, the nonaqueous electrolytic solution of the present invention is characterized in that an adduct obtained by adding equimolar 1,2-dimethoxyethane to lithium perchlorate is present in a solidified state at a low temperature. And

本発明の非水電解液では、高塩濃度にしても常温において液体であり、かつ化学的に安定な非水電解液が得られる。   With the non-aqueous electrolyte of the present invention, a non-aqueous electrolyte that is liquid at room temperature and chemically stable even at a high salt concentration can be obtained.

また、本発明の電気化学エネルギー蓄積デバイスは、本発明の非水電解液を具備したものである。非水電解液が高塩濃度であるため、液量を少なくでき、正極及び負極材料を多くできるため、高エネルギー密度となる。   The electrochemical energy storage device of the present invention comprises the non-aqueous electrolyte of the present invention. Since the non-aqueous electrolyte has a high salt concentration, the amount of liquid can be reduced, and the positive electrode and negative electrode materials can be increased, resulting in a high energy density.

以上説明したとおり、本発明によれば、高塩濃度で安定な非水電解液を調製することができる。また、高エネルギー密度の電気化学エネルギー蓄積デバイスを得ることができる。   As described above, according to the present invention, it is possible to prepare a non-aqueous electrolyte that is stable at a high salt concentration. In addition, an electrochemical energy storage device having a high energy density can be obtained.

本発明の請求項1に記載の非水電解液は、低温で固化した状態で、リチウムパークロレートに、等モルの1,2−ジメトキシエタンが付加した付加体が存在することを特徴とする。   The nonaqueous electrolytic solution according to claim 1 of the present invention is characterized in that an adduct obtained by adding equimolar 1,2-dimethoxyethane to lithium perchlorate is present in a solidified state at a low temperature.

低温で固化した状態でLiClO4/DME=1/1(モル比)の付加体が含まれることによって高塩濃度の電解液を調製できる理由を、以下のように推察している。すなわち、LiClO4/DME=1/1(モル比)の組成物は、非特許文献3によれば常温で固
体であり、付加体を形成している。本発明者らが低温で凍らせたこの組成物の融点を測定(5℃/分の昇温条件での示差熱分析による)しても、融点は約41℃であった。しかし、融点以上の温度で均一な液体としてから静置することで、常温で粘稠の液体を得ることができ、その粘稠性のために、常温では6ヶ月以上経過しても液体状態を保つことができると考えられる。
The reason why an electrolyte having a high salt concentration can be prepared by including an adduct of LiClO 4 / DME = 1/1 (molar ratio) in a solidified state at a low temperature is presumed as follows. That is, the composition of LiClO 4 / DME = 1/1 (molar ratio) is a solid at room temperature according to Non-Patent Document 3, and forms an adduct. Even when the inventors measured the melting point of the composition frozen at a low temperature (by differential thermal analysis under a temperature rising condition of 5 ° C./min), the melting point was about 41 ° C. However, a liquid that is viscous at room temperature can be obtained by leaving it as a uniform liquid at a temperature equal to or higher than the melting point. Due to its viscosity, the liquid state remains at room temperature even after 6 months. It is thought that it can be kept.

なお、LiClO4/DME=1/1(モル比)の組成では、リチウム塩の濃度は、5.1モル/kgの高濃度である。 In the composition of LiClO 4 / DME = 1/1 (molar ratio), the lithium salt concentration is a high concentration of 5.1 mol / kg.

また、LiClO4とDMEを含む高塩濃度の電解液とすることで、リチウムイオンが黒鉛などの炭素材料の層間に挿入できるようになり、負極の電位が卑になるので、電気化学エネルギー蓄積デバイスのエネルギー密度を向上させることができる。ここで、リチウム塩にLiBF4を用いる場合にはリチウムイオンを黒鉛層間に挿入することができず、LiClO4を用いる場合には挿入することができる理由については、詳細は不明である。 In addition, by using a high salt concentration electrolytic solution containing LiClO 4 and DME, lithium ions can be inserted between layers of carbon materials such as graphite, and the potential of the negative electrode becomes low. The energy density of can be improved. Here, when LiBF 4 is used for the lithium salt, lithium ions cannot be inserted between the graphite layers, and when LiClO 4 is used, the reason why lithium ions can be inserted is unknown.

本発明の請求項2に記載の非水電解液は、請求項1に記載の非水電解液において、下記式(1)を満たすものである。
0.8 ≦ B/A ≦ 1.4 (ただし、Aは、リチウムパークロレート(LiClO4)の前記非水電解液中のモル数、Bは、1,2−ジメトキシエタン(DME)の前記非水電解液中のモル数)・・・(1)
このように非水電解液中で式(1)を満たすモル比率であると、低温で固化した状態で等モル比の付加体が好適に生成すると考えられる。
The nonaqueous electrolytic solution according to claim 2 of the present invention satisfies the following formula (1) in the nonaqueous electrolytic solution according to claim 1.
0.8 ≦ B / A ≦ 1.4 (where A is the number of moles of lithium perchlorate (LiClO 4 ) in the non-aqueous electrolyte, and B is the non-mol of 1,2-dimethoxyethane (DME)). Number of moles in water electrolyte) (1)
When the molar ratio satisfies the formula (1) in the non-aqueous electrolyte as described above, it is considered that an adduct having an equimolar ratio is suitably generated in a solidified state at a low temperature.

本発明の請求項3に記載の非水電解液は、リチウムパークロレート(LiClO4)に、低温で固化した状態で等モルの1,2−ジメトキシエタン(DME)が付加した付加体が生成する電解液に加え、さらに、環状カーボネート、環状エステルおよび鎖状カーボネートからなる群より少なくとも1種選択される化合物を含むものである。 The nonaqueous electrolytic solution according to claim 3 of the present invention produces an adduct in which equimolar 1,2-dimethoxyethane (DME) is added to lithium perchlorate (LiClO 4 ) in a solidified state at a low temperature. In addition to the electrolytic solution, it further contains at least one compound selected from the group consisting of cyclic carbonates, cyclic esters and chain carbonates.

このように、環状カーボネート、環状エステルおよび鎖状カーボネートからなる群より少なくとも1種選択される化合物を含むことで、常温で安定であるという高塩濃度の電解液の特徴を活かしたまま、高電圧でサイクル特性にすぐれ高温特性も良好な電気化学エネルギー蓄積デバイスを得ることができる。   Thus, by including at least one compound selected from the group consisting of cyclic carbonates, cyclic esters, and chain carbonates, the high voltage is maintained while taking advantage of the characteristics of a high salt concentration electrolyte solution that is stable at room temperature. Thus, an electrochemical energy storage device having excellent cycle characteristics and good high temperature characteristics can be obtained.

ここで、環状カーボネートなどを含ませても、高塩濃度を保つためには、およそLiClO4/DME=1/1(モル比)の付加体が低温で固化した電解液中に存在する必要がある。従来からリチウム電池で一般的によく使われているDMEとPCの混合溶媒(DME/PC=1/1(体積比)にLiClO4が0.5〜2モル/L溶解した低塩濃度の電解液では、低温で固化させても当該付加体は存在しない。つまり、低温で固化した状態で当該付加体が存在するためには、LiClO4の非水電解液中のモル数Aと、DMEの非水電解液中のモル数Bとの比B/Aは、1近傍である必要があるが、当該付加体が存在すれば、単体のLiClO4やDMEが存在してもかまわないため、例えば、0.8 ≦ B/A ≦ 1.4であれば、本発明の非水電解液が調製できる。 Here, in order to maintain a high salt concentration even when cyclic carbonate or the like is included, it is necessary that an adduct of approximately LiClO 4 / DME = 1/1 (molar ratio) be present in the electrolyte solution solidified at a low temperature. is there. Electrolysis with a low salt concentration in which LiClO 4 is dissolved in a mixed solvent of DME and PC (DME / PC = 1/1 (volume ratio)) of 0.5 to 2 mol / L, which is commonly used in lithium batteries. In the liquid, the adduct does not exist even when solidified at a low temperature, that is, in order for the adduct to exist in a solidified state at a low temperature, the number of moles A in the non-aqueous electrolyte of LiClO 4 and DME The ratio B / A to the number of moles B in the non-aqueous electrolyte solution needs to be close to 1, but if the adduct is present, a single LiClO 4 or DME may be present. If 0.8 ≦ B / A ≦ 1.4, the nonaqueous electrolytic solution of the present invention can be prepared.

低温で固化した電解液中での当該付加体の存在については、例えば、示差熱分析で確認することができる。すなわち、−100℃で電解液をいったん凍らせた後、5℃/分の昇温条件で暖めていくと、およそ30℃〜50℃の範囲で、付加体の融点に相当する吸熱ピークが観測される。付加体の融点が30℃〜50℃と広くなるのは、付加体と共存するカーボネートやエステルとの相互作用によって融点がシフトするためと考えられる。融点がシフトする大きさは、カーボネートやエステルの種類、および、量に依存する。さらに説
明をすると、昇温途中でいくつかの結晶物の融点に相当する吸熱ピークが観測される場合があるが、付加体の融点は、観測される吸熱ピークの中で、最も高いものに相当する。
The presence of the adduct in the electrolyte solution solidified at a low temperature can be confirmed, for example, by differential thermal analysis. That is, after freezing the electrolyte solution at −100 ° C. and then warming it up at 5 ° C./min, an endothermic peak corresponding to the melting point of the adduct is observed in the range of about 30 ° C. to 50 ° C. Is done. The reason why the adduct has a melting point as wide as 30 ° C. to 50 ° C. is considered to be because the melting point shifts due to the interaction with the carbonate and ester coexisting with the adduct. The magnitude of the melting point shift depends on the type and amount of carbonate or ester. In further explanation, an endothermic peak corresponding to the melting point of some crystals may be observed during the temperature rise, but the melting point of the adduct corresponds to the highest endothermic peak observed. To do.

環状カーボネートとしては、EC、PC、BCのほかに、フルオロエチレンカーボネートなどが挙げられ、環状カーボネートのうちC=C不飽和結合を有するものとしては、ビニレンカーボネート、ビニルエチレンカーボネート、ジビニルエチレンカーボネート、フェニルエチレンカーボネート、ジフェニルエチレンカーボネートなどが挙げられる。   Examples of the cyclic carbonate include fluoroethylene carbonate in addition to EC, PC, and BC. Among cyclic carbonates, those having a C = C unsaturated bond include vinylene carbonate, vinyl ethylene carbonate, divinyl ethylene carbonate, and phenyl. Examples thereof include ethylene carbonate and diphenyl ethylene carbonate.

環状エステルとしては、γ−BLのほかに、α−メチル−γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトンなどが挙げられ、環状エステルのうちC=C不飽和結合を有するものとしては、フラノン、3−メチル−2(5H)−フラノン、α−アンゲリカラクトンなどが挙げられる。   Examples of the cyclic ester include α-methyl-γ-butyrolactone and γ-valerolactone in addition to γ-BL. Examples of the cyclic ester having a C═C unsaturated bond include furanone, 3-methyl -2 (5H) -furanone, α-angelica lactone and the like.

鎖状カーボネートとしては、DMC、EMC、DECのほかに、メチルプロピルカーボネート、メチルブチルカーボネートなどが挙げられ、鎖状カーボネートのうちC=C不飽和結合を有するものとしては、メチルビニルカーボネート、エチルビニルカーボネート、ジビニルカーボネート、アリルメチルカーボネート、アリルエチルカーボネート、ジアリルカーボネート、アリルフェニルカーボネート、ジフェニルカーボネートなどが挙げられる。   Examples of the chain carbonate include methylpropyl carbonate and methylbutyl carbonate in addition to DMC, EMC, and DEC. Examples of the chain carbonate having a C═C unsaturated bond include methyl vinyl carbonate and ethyl vinyl. Examples include carbonate, divinyl carbonate, allyl methyl carbonate, allyl ethyl carbonate, diallyl carbonate, allyl phenyl carbonate, and diphenyl carbonate.

本発明の請求項1〜3のいずれかに記載の非水電解液では、主たるリチウム塩としてLiClO4を使用するが、LiPF6、LiBF4、LiTFSI、リチウムビス[ペンタフルオロエタンスルホニル]イミド、リチウム[トリフルオロメタンスルホニル][ノナフルオロブタンスルホニル]イミド、リチウムシクロヘキサフルオロプロパン−1,3−ビス[スルホニル]イミド、リチウムビス[オキサレート(2−)]ボレート、リチウムトリフルオロメチルトリフルオロボレート、リチウムペンタフルオロエチルトリフルオロボレート、リチウムヘプタフルオロプロピルトリフルオロボレート、リチウムトリス[ペンタフルオロエチル]トリフルオロホスフェートなどのリチウム塩を混合してもよい。混合割合は、非水電解液が安定に存在するように決定される。 In the non-aqueous electrolyte according to any one of claims 1 to 3 of the present invention, LiClO 4 is used as a main lithium salt, but LiPF 6 , LiBF 4 , LiTFSI, lithium bis [pentafluoroethanesulfonyl] imide, lithium [Trifluoromethanesulfonyl] [nonafluorobutanesulfonyl] imide, lithium cyclohexafluoropropane-1,3-bis [sulfonyl] imide, lithium bis [oxalate (2-)] borate, lithium trifluoromethyltrifluoroborate, lithium penta A lithium salt such as fluoroethyl trifluoroborate, lithium heptafluoropropyl trifluoroborate, or lithium tris [pentafluoroethyl] trifluorophosphate may be mixed. The mixing ratio is determined so that the nonaqueous electrolytic solution exists stably.

さらに本発明の請求項4に記載の電気化学エネルギー蓄積デバイスは、正極と負極と、請求項1から3のいずれか1項に記載の非水電解液を具備するものである。本発明の非水電解液は、上述したように、高塩濃度でも常温で液体として存在するため、電気二重層キャパシタや非水電解液電池などの電気化学エネルギー蓄積デバイスに用いることでエネルギー密度を高めることができる。   Furthermore, the electrochemical energy storage device according to claim 4 of the present invention comprises the positive electrode and the negative electrode, and the non-aqueous electrolyte according to any one of claims 1 to 3. As described above, the non-aqueous electrolyte of the present invention exists as a liquid at room temperature even at a high salt concentration, so that the energy density can be reduced by using it in an electrochemical energy storage device such as an electric double layer capacitor or a non-aqueous electrolyte battery. Can be increased.

特に本発明は、黒鉛などの炭素材料を用いた負極を具備する電気化学エネルギー蓄積デバイスにこの非水電解液を用いることで、エネルギー密度の向上を図ることができる。   In particular, the present invention can improve energy density by using this non-aqueous electrolyte in an electrochemical energy storage device having a negative electrode using a carbon material such as graphite.

負極に用いられる炭素材料は、電気二重層キャパシタ用としては活性炭が挙げられる。前記活性炭としては、具体的には、例えば、ヤシ殻等の天然植物系活性炭、フェノール等の合成樹脂系活性炭、コークス等の化石燃料系活性炭等が挙げられ、これらは1種または2種以上併用されてもよい。また、カーボンブラックを賦活化することによって得られる超微粉末活性炭が使用されてもよい。また、非水電解液電池に使用される炭素材料としては、黒鉛が挙げられる。前記黒鉛としては、具体的には、例えば、天然黒鉛、人造黒鉛、黒鉛に近い高結晶性の炭素材料が挙げられる。高結晶性の炭素材料としては、例えば、メソフェーズピッチ系黒鉛繊維、黒鉛化メソカーボンマイクロビーズ、気相成長炭素繊維や黒鉛ウィスカー等が挙げられる。これらは1種または2種以上併用されてもよい。また、他の炭素材料としては、難黒鉛化性炭素、単層や多層のナノチューブが挙げられる。これらの炭素材料の中でも、負極の電位を最も卑にできるという点から黒鉛が好ましい。   Examples of the carbon material used for the negative electrode include activated carbon for electric double layer capacitors. Specific examples of the activated carbon include natural plant-based activated carbon such as coconut shell, synthetic resin-based activated carbon such as phenol, fossil fuel-based activated carbon such as coke, and the like, which are used alone or in combination of two or more. May be. Moreover, the ultra fine powder activated carbon obtained by activating carbon black may be used. Moreover, graphite is mentioned as a carbon material used for a nonaqueous electrolyte battery. Specific examples of the graphite include natural graphite, artificial graphite, and a highly crystalline carbon material close to graphite. Examples of the highly crystalline carbon material include mesophase pitch-based graphite fibers, graphitized mesocarbon microbeads, vapor-grown carbon fibers, and graphite whiskers. These may be used alone or in combination of two or more. Other carbon materials include non-graphitizable carbon and single-walled and multi-walled nanotubes. Among these carbon materials, graphite is preferable because the potential of the negative electrode can be made the lowest.

また、炭素材料以外の負極材料としては、リチウム金属、リチウムと合金化できる金属(例えば、Ag、Au、Zn、Al、Ga、In、Si、Ge、Sn、Pb、Bi)、SiやSnなどの酸化物、リチウム含有遷移金属酸化物(例えば、Li4Ti512)などでもよい。 In addition, as the negative electrode material other than the carbon material, lithium metal, metal that can be alloyed with lithium (for example, Ag, Au, Zn, Al, Ga, In, Si, Ge, Sn, Pb, Bi), Si, Sn, etc. Alternatively, a lithium-containing transition metal oxide (for example, Li 4 Ti 5 O 12 ) may be used.

以下に、本発明に関する実施例を示す。   Examples relating to the present invention will be described below.

(電解液11〜15)
LiClO4とDMEを、表1の組成で、全体が10gとなるように秤量し、PFA容器に入れて、60℃で2時間、混合することにより電解液11から15を調製した。混合物は目視で透明な液体となり、常温で放置すると粘稠の液体になった。これらの液体は、常温で6ヶ月放置しても、液体状態を保っていた。
(Electrolytes 11-15)
Electrolytes 11 to 15 were prepared by weighing LiClO 4 and DME so as to have a total of 10 g with the composition shown in Table 1 and putting them in a PFA container at 60 ° C. for 2 hours. The mixture became a transparent liquid visually, and became a viscous liquid when left at room temperature. These liquids remained in a liquid state even after being left at room temperature for 6 months.

(電解液1a〜1f)
LiClO4とDMEを、表1の組成で、全体が10gとなるように秤量し、PFA容器に入れて、60℃で2時間、混合することにより電解液1a〜1fを作成した。LiClO4/DME=1/X(モル比)で、Xの値が0.8未満では、すべてのLiClO4を溶解することができなかった。一方、Xの値が、1.4を超えると、混合物は、常温で、ゼリー状の固体になったり、また、白色の結晶性粉末やざらめ状の結晶と透明な液体の混合物になったりするなど、透明な液体を得ることができなかった。
(Electrolytic solutions 1a to 1f)
LiClO 4 and DME were weighed so as to give a total of 10 g with the composition shown in Table 1, placed in a PFA container, and mixed at 60 ° C. for 2 hours to prepare electrolytes 1a to 1f. When LiClO 4 / DME = 1 / X (molar ratio) and the value of X was less than 0.8, not all LiClO 4 could be dissolved. On the other hand, when the value of X exceeds 1.4, the mixture becomes a jelly-like solid at room temperature, or a mixture of white crystalline powder or rough crystals and a transparent liquid. For example, a clear liquid could not be obtained.

(電解液1g)
LiClO4とDMEとEMEを、LiClO4/(DME+EME)=1/(0.5+0.5)(モル比)の組成で、全体が10gになるように秤量した。PFA容器に秤量物を入れ、60℃で2時間、撹拌混合した。60℃の撹拌直後では、混合物は、透明な液体であったが、常温になると、結晶性の固まりとなった。
(1 g of electrolyte)
LiClO 4 , DME, and EME were weighed so as to have a composition of LiClO 4 /(DME+EME)=1/(0.5+0.5) (molar ratio) and 10 g as a whole. A weighed product was put in a PFA container and stirred and mixed at 60 ° C. for 2 hours. Immediately after stirring at 60 ° C., the mixture was a transparent liquid, but became a crystalline mass at room temperature.

(電解液1h)
LiClO4と1,2−ジエトキシエタン(以下、DEEと略記)を、LiClO4/DEE=1/1(モル比)の組成で、全体が10gになるように秤量した。PFA容器に秤量物を入れ、60℃で2時間撹拌したが、ほとんどのLiClO4を溶解することはできなかった。
(Electrolytic solution 1h)
LiClO 4 and 1,2-diethoxyethane (hereinafter abbreviated as DEE) were weighed with a composition of LiClO 4 / DEE = 1/1 (molar ratio) so that the total was 10 g. A weighed material was put in a PFA container and stirred at 60 ° C. for 2 hours, but most of the LiClO 4 could not be dissolved.

Figure 2008047479
Figure 2008047479

本実施例で示したように、本発明の電解液11〜15は、高濃度であって、しかも、比較の電解液1a〜1hに比べて安定な電解液となっている。これは、電解液を低温の固体状態から加熱して液体状態にすることで、LiClO4/DME=1/1(モル比)の付加体での付加状況が変化し、電解液の粘稠な性質のために、常温では、準安定に存在することができるということを意味する。また、電解液が準安定に存在すれば、単体のLiClO4やDMEが存在してもかまわないため、表1から、非水電解液中のモル数Aと、DMEの非水電解液中のモル数Bとの比B/Aは、0.8 ≦ B/A ≦ 1.4であれば、本発明の非水電解液が調製できることがわかる。 As shown in this example, the electrolytic solutions 11 to 15 of the present invention have a high concentration and are more stable than the comparative electrolytic solutions 1a to 1h. This is because when the electrolytic solution is heated from a low-temperature solid state to a liquid state, the addition state of the adduct of LiClO 4 / DME = 1/1 (molar ratio) changes, and the electrolytic solution becomes viscous. By nature, it means that it can exist metastable at room temperature. In addition, since the LiClO 4 or DME may exist if the electrolyte is metastable, the number of moles A in the nonaqueous electrolyte and the DME in the nonaqueous electrolyte can be obtained from Table 1. It can be seen that the non-aqueous electrolyte of the present invention can be prepared if the ratio B / A to the number of moles B is 0.8 ≦ B / A ≦ 1.4.

(電解液20〜29)
LiClO4とDMEを、LiClO4/DME=1/1(モル比)の組成で調製した粘稠の液体に、表2に示すような割合で、環状カーボネート、環状エステル、鎖状カーボネートを混合することにより電解液20〜29をした。60℃で2時間撹拌した後、常温にて放置し、溶液の状態変化を観察した。その結果、約1ヶ月経過しても、液体状態を保持していた。なお、表2において最も塩濃度が低いLiClO4/DME/EMC=1/1/1(モル比)の組成の電解液でも、3.3モル/kgの高濃度である。
(Electrolytic solution 20-29)
Mixing cyclic carbonate, cyclic ester, and chain carbonate in a ratio as shown in Table 2 into a viscous liquid prepared by mixing LiClO 4 and DME with a composition of LiClO 4 / DME = 1/1 (molar ratio). The electrolytic solutions 20 to 29 were prepared by the above. After stirring at 60 ° C. for 2 hours, the solution was allowed to stand at room temperature, and the state change of the solution was observed. As a result, the liquid state was maintained even after about 1 month. In Table 2, even the electrolyte solution having the lowest salt concentration of LiClO 4 / DME / EMC = 1/1/1 (molar ratio) has a high concentration of 3.3 mol / kg.

また、低温で固化した電解液中でのLiClO4/DME=1/1(モル比)の付加体の存在について、示差熱分析で確認した。−100℃で凍らせた組成物を5℃/分の昇温条件の示差熱分析によって測定したところ、融点は、電解液20〜29のすべてでおよそ42±4℃であった。
Further, the presence of an adduct of LiClO 4 / DME = 1/1 (molar ratio) in the electrolyte solution solidified at a low temperature was confirmed by differential thermal analysis. The composition frozen at −100 ° C. was measured by differential thermal analysis under a temperature rising condition of 5 ° C./min. The melting point was about 42 ± 4 ° C. for all of the electrolyte solutions 20 to 29.

Figure 2008047479
Figure 2008047479

(試験セル1)
非水電解液において、黒鉛材料へのリチウムイオンの挿入の可否を調べた。充放電でリチウムイオンを吸蔵・放出する負極材料として、人造黒鉛粉末を用いた。そして、負極板を以下のようにして作製した。まず、人造黒鉛粉末を75重量部と、導電剤としてアセチレンブラックを20重量部と、結着剤としてポリフッ化ビニリデン樹脂を5重量部と、分散溶剤として脱水N−メチル−2−ピロリドンを混合した。次に、この混合物を厚み20μmの銅箔集電体の片面に、塗布、乾燥して厚みが80μmの活物質層を形成した。次に、活物質層を形成した銅箔集電体を35mm×35mmサイズに切り出し、リードのついた厚み0.5mmの銅集電板に超音波溶接した。
(Test cell 1)
In a non-aqueous electrolyte, the possibility of inserting lithium ions into the graphite material was examined. Artificial graphite powder was used as a negative electrode material that occludes and releases lithium ions by charging and discharging. And the negative electrode plate was produced as follows. First, 75 parts by weight of artificial graphite powder, 20 parts by weight of acetylene black as a conductive agent, 5 parts by weight of polyvinylidene fluoride resin as a binder, and dehydrated N-methyl-2-pyrrolidone as a dispersion solvent were mixed. . Next, this mixture was applied to one side of a copper foil current collector having a thickness of 20 μm and dried to form an active material layer having a thickness of 80 μm. Next, the copper foil current collector on which the active material layer was formed was cut into a size of 35 mm × 35 mm, and ultrasonically welded to a 0.5 mm thick copper current collector with a lead.

非水電解液には、実施例1で用いた電解液13、つまりLiClO4とDMEを、LiClO4/DME=1/1(モル比)となるように混合したものを用いた。 As the nonaqueous electrolytic solution, the electrolytic solution 13 used in Example 1, that is, a mixture of LiClO 4 and DME so that LiClO 4 / DME = 1/1 (molar ratio) was used.

以上のようにして作製した負極板を試験極、対極および参照極にリチウム金属箔を用いて試験セル1を作成し、人造黒鉛粉末へのリチウムイオンの電気化学的挿入を試みた。挿入の条件を、温度を20℃、カソード電流密度を0.03mA/cm2 、電気量を人造黒鉛粉末に対し60mAh/gとした。また、リチウムイオンの挿入が確かめられた後、電気化学的に、人造黒鉛粉末よりリチウムイオンを放出させることを試みた、放出条件は、20℃、0.03mA/cm2 とした。 A test cell 1 was prepared from the negative electrode plate produced as described above using a lithium metal foil as a test electrode, a counter electrode and a reference electrode, and an attempt was made to electrochemically insert lithium ions into the artificial graphite powder. The insertion conditions were a temperature of 20 ° C., a cathode current density of 0.03 mA / cm 2 , and an amount of electricity of 60 mAh / g with respect to the artificial graphite powder. In addition, after the insertion of lithium ions was confirmed, the release conditions were 20 ° C. and 0.03 mA / cm 2 for electrochemically attempting to release lithium ions from the artificial graphite powder.

図1の実線aに、人造黒鉛粉末に対し60mAh/gのカソード電気量を流した場合の電位変化を示した。実線aより通電終了後の電位は約0.2Vであり、このことは、リチウムイオンが黒鉛層間に侵入し、第3ステージ構造を形成していることを示す。   A solid line “a” in FIG. 1 shows a potential change when a cathode electricity amount of 60 mAh / g is applied to the artificial graphite powder. From the solid line a, the potential after the end of energization is about 0.2 V, which indicates that lithium ions have penetrated between the graphite layers to form a third stage structure.

また、図1の破線bに、人造黒鉛粉末に対しアノード電流を流した場合の電位変化を示した。破線bより、リチウムイオンが黒鉛層間より放出されることがわかる。   Moreover, the broken line b of FIG. 1 shows the potential change when an anode current is passed through the artificial graphite powder. It can be seen from the broken line b that lithium ions are released from the graphite layer.

(試験セルA)
非水電解液に、LiBF4とDMEをLiBF4/DME=1/1(モル比)の組成となるように混合したものを用いた。調製は、LiBF4とDMEをLiBF4/DME=1/1(モル比)で混合した後、60℃で2時間加熱して常温まで冷却した。この電解液以外は、試験セル1と同様にして試験セルAを作成した。ただし、この非水電解液は過飽和状
態であり、LiBF4と推定される結晶物が析出しやすいため、電解液として調製直後のものを用いた。そして試験セル1と同様にして、人造黒鉛材料へのリチウムイオンの挿入の可否を調べた。
(Test cell A)
The non-aqueous electrolyte solution used was a mixture of LiBF 4 and DME so as to have the composition of LiBF 4 / DME = 1/1 ( molar ratio). In the preparation, LiBF 4 and DME were mixed at LiBF 4 / DME = 1/1 (molar ratio), then heated at 60 ° C. for 2 hours and cooled to room temperature. A test cell A was prepared in the same manner as in the test cell 1 except for this electrolytic solution. However, since this nonaqueous electrolytic solution is in a supersaturated state and a crystalline substance estimated to be LiBF 4 is likely to be precipitated, the one immediately after preparation was used as the electrolytic solution. In the same manner as in the test cell 1, whether or not lithium ions can be inserted into the artificial graphite material was examined.

図2の実線cに、人造黒鉛粉末に対し60mAh/gのカソード電気量を流した場合の電位変化を示した。実線cより通電終了後の電位は約0.6Vであり、このことは、リチウムイオンと黒鉛とで第3ステージ構造の化合物を形成しなかったことを示す。また、図1の破線dに、人造黒鉛粉末に対しアノード電流を流した場合の電位変化を示した。実線cと破線dは互いに相似であるので、人造黒鉛粉末には、リチウムイオンではなく、DMEに溶媒和されたリチウムイオンが挿入し放出されたと推定できる。   The solid line c in FIG. 2 shows the potential change when a cathode electricity amount of 60 mAh / g is passed through the artificial graphite powder. From the solid line c, the electric potential after the end of energization is about 0.6 V, which indicates that lithium ion and graphite did not form a third stage structure compound. Moreover, the broken line d of FIG. 1 shows the potential change when an anode current is passed through the artificial graphite powder. Since the solid line c and the broken line d are similar to each other, it can be presumed that lithium ions solvated in DME were inserted and released into the artificial graphite powder instead of lithium ions.

試験セル1および試験セルAの比較から、LiBF4とDMEとの溶媒和されたリチウムイオンでは、黒鉛構造が破壊され、負極電位が卑にならないのに対し、LiClO4/DME=1/1(モル比)の付加体では、リチウムイオンが黒鉛構造を破壊することなく黒鉛層間に侵入および放出することができ、負極電位を卑にすることができる。 From the comparison between test cell 1 and test cell A, LiCl 4 / DME = 1/1 (the Lithium ion solvated with LiBF 4 and DME destroys the graphite structure and does not make the negative electrode potential low. In the adduct of (molar ratio), lithium ions can enter and exit between graphite layers without destroying the graphite structure, and the negative electrode potential can be reduced.

(非水電解液電池1)
充放電によりリチウムイオンを吸蔵し放出する正極材料としてLiFePO4を、負極材料として人造黒鉛を用い、以下のようにして非水電解液電池1を組み立て評価した。
(Nonaqueous electrolyte battery 1)
The nonaqueous electrolyte battery 1 was assembled and evaluated as follows using LiFePO 4 as a positive electrode material that occludes and releases lithium ions by charging and discharging, and artificial graphite as a negative electrode material.

まず、LiFePO4粉末93重量部と、導電剤としてのアセチレンブラック3重量部と、結着剤としてのポリフッ化ビニリデン樹脂4重量部を混合した。この混合物を脱水N−メチル−2−ピロリドン中に分散してスラリー状の正極合剤を調製した。 First, 93 parts by weight of LiFePO 4 powder, 3 parts by weight of acetylene black as a conductive agent, and 4 parts by weight of polyvinylidene fluoride resin as a binder were mixed. This mixture was dispersed in dehydrated N-methyl-2-pyrrolidone to prepare a slurry-like positive electrode mixture.

この正極合剤を厚さ15μmのアルミニウム箔の正極集電体上に塗布した後、乾燥、圧延して、厚さ63μmの正極活物質層を形成した。次に、正極活物質層が形成された正極集電体を35mm×35mmのサイズに切り出した。この正極集電体をリードのついた厚さ0.5mmのアルミニウム集電板に超音波溶接して正極板を作製した。   This positive electrode mixture was applied onto a positive electrode current collector made of aluminum foil having a thickness of 15 μm, and then dried and rolled to form a positive electrode active material layer having a thickness of 63 μm. Next, the positive electrode current collector on which the positive electrode active material layer was formed was cut into a size of 35 mm × 35 mm. This positive electrode current collector was ultrasonically welded to a 0.5 mm thick aluminum current collector plate with a lead to produce a positive electrode plate.

負極板には、実施例3の試験セル1と同様にして作製したものを用いた。   A negative electrode plate produced in the same manner as the test cell 1 of Example 3 was used.

非水電解液として、実施例2で用いた電解液29、つまりLiClO4とDMEとEMCを、LiClO4/DME/EMC=1/1/1(モル比)の組成で混合したものを用いた。 As the nonaqueous electrolytic solution, the electrolytic solution 29 used in Example 2, that is, a mixture of LiClO 4 , DME and EMC with a composition of LiClO 4 / DME / EMC = 1/1/1 (molar ratio) was used. .

次に、ポリプロピレン製の不織布を介して上記で作製した正極板と負極板を対向配置した後、正極板及び負極板をテープで固定し、一体化して電極体を作製した。この電極体を、両端に開口を有する筒状のアルミラミネートの袋に納め、両極のリード部分において、袋の一方の開口部を溶着した。そして、他方の開口部から上記で調製した非水電解液を滴下した。滴下後、10mmHg下で5秒間、脱気を行った。他方の開口部を溶着により封止することで、非水電解液電池を作製した。   Next, the positive electrode plate and the negative electrode plate prepared above were arranged opposite to each other through a polypropylene nonwoven fabric, and then the positive electrode plate and the negative electrode plate were fixed with a tape and integrated to prepare an electrode body. This electrode body was placed in a cylindrical aluminum laminate bag having openings at both ends, and one opening portion of the bag was welded at the lead portions of both electrodes. And the non-aqueous electrolyte prepared above was dripped from the other opening part. After dripping, deaeration was performed under 10 mmHg for 5 seconds. The other opening was sealed by welding to produce a nonaqueous electrolyte battery.

以上のようにして組み立てた非水電解液電池について、雰囲気温度20℃、電流密度0.3mA/cm2で、充放電を行った。電池の充電上限電圧は4.0V、放電下限電圧は2.8Vとした。10サイクル目の放電容量を100としたとき、100サイクル後の放電容量は83であった。 The nonaqueous electrolyte battery assembled as described above was charged and discharged at an ambient temperature of 20 ° C. and a current density of 0.3 mA / cm 2 . The charging upper limit voltage of the battery was 4.0V, and the discharging lower limit voltage was 2.8V. Assuming that the discharge capacity at the 10th cycle was 100, the discharge capacity after 100 cycles was 83.

(非水電解液電池A)
非水電解液に、LiBF4とDMEとEMCを、LiBF4/DME/EMC=1/1/
1(モル比)の組成で混合したものを用いた。調製は、LiBF4とDMEとEMCをLiBF4/DME/EMC=1/1/1(モル比)で混合した後、60℃で2時間加熱して常温まで冷却した。この電解液は、若干、黄色を帯びているが、常温ではLiBF4の析出は見られなかった。その他は、非水電解液電池1と同様にして、非水電解液電池Aを組み立てた。
(Nonaqueous electrolyte battery A)
LiBF 4 , DME and EMC are added to the non-aqueous electrolyte, and LiBF 4 / DME / EMC = 1/1 /
What mixed by the composition of 1 (molar ratio) was used. In the preparation, LiBF 4 , DME and EMC were mixed at LiBF 4 / DME / EMC = 1/1/1 (molar ratio), then heated at 60 ° C. for 2 hours and cooled to room temperature. This electrolyte solution is slightly yellowish, but no precipitation of LiBF 4 was observed at room temperature. Otherwise, the nonaqueous electrolyte battery A was assembled in the same manner as the nonaqueous electrolyte battery 1.

以上のようにして組み立てた非水電解液電池について、雰囲気温度20℃、電流密度0.3mA/cm2で、充放電を試みた。しかし、この電池の1回目の充電において電池が膨れ、充放電を行うことができなかった。電池が膨れた原因は、負極材料である人造黒鉛の膨張、および、電池内で多量のガス発生が起きたためであった。 The nonaqueous electrolyte battery assembled as described above was charged and discharged at an atmospheric temperature of 20 ° C. and a current density of 0.3 mA / cm 2 . However, in the first charge of the battery, the battery swelled and could not be charged / discharged. The cause of the swelling of the battery was the expansion of artificial graphite, which is the negative electrode material, and the generation of a large amount of gas within the battery.

このように本発明の非水電解液電池1と比較の非水電解液電池Aと比べると明らかに本発明の電解液は、非水電解液電池用電解液として有用であり、安定に動作することがわかる。   Thus, compared with the nonaqueous electrolyte battery A of the present invention and the comparative nonaqueous electrolyte battery A, the electrolyte of the present invention is clearly useful as an electrolyte for nonaqueous electrolyte batteries and operates stably. I understand that.

(リチウム一次電池1)
正極材料としてフッ素化黒鉛を用い、リチウム一次電池1を次の手順で組み立てた。正極板は、実施例4の非水電解液電池1と同様にして作製した。
(Lithium primary battery 1)
Fluorinated graphite was used as the positive electrode material, and the lithium primary battery 1 was assembled by the following procedure. The positive electrode plate was produced in the same manner as the non-aqueous electrolyte battery 1 of Example 4.

負極板は、リチウム金属箔を用い、35mm×35mmサイズに切り出した後、リードのついた厚み0.5mmの銅集電板に圧着して作製した。   The negative electrode plate was prepared by cutting a lithium metal foil into a size of 35 mm × 35 mm and then pressing it onto a copper current collector with a lead having a thickness of 0.5 mm.

非水電解液には、LiClO4とDMEとPCとDECを、LiClO4/DME/PC/DEC=1/1/1/1(モル比)の組成となるよう混合したものを用いた。調製は、LiClO4とDMEとPCとDECをLiClO4/DME/PC/DEC=1/1/1/1(モル比)で混合した後、60℃で2時間加熱して常温まで冷却した。この電解液は、無色透明であり、1ヶ月間放置しても常温で固化することはなかった。 As the non-aqueous electrolyte, a mixture of LiClO 4 , DME, PC, and DEC so as to have a composition of LiClO 4 / DME / PC / DEC = 1/1/1/1 (molar ratio) was used. In the preparation, LiClO 4 , DME, PC and DEC were mixed at LiClO 4 / DME / PC / DEC = 1/1/1/1 (molar ratio), then heated at 60 ° C. for 2 hours and cooled to room temperature. This electrolytic solution was colorless and transparent, and did not solidify at room temperature even when left for 1 month.

なお、この電解液の塩濃度は、2.4モル/kgであり、依然として高塩濃度である。   The salt concentration of this electrolytic solution is 2.4 mol / kg, which is still a high salt concentration.

ポリエチレン製の多孔性フィルムを間にして正極板および負極板を対向させ、正極板および負極板をテープ固定して一体化した。次に、この一体化物を両端が空いている筒状のアルミラミネート袋に納め、両極のリード部分において、袋の一方の開口部を溶着した。そして、他方の開口部から調製しておいた非水電解液を滴下した。   The positive electrode plate and the negative electrode plate were opposed to each other with a polyethylene porous film in between, and the positive electrode plate and the negative electrode plate were fixed by tape and integrated. Next, this integrated product was placed in a cylindrical aluminum laminated bag having both ends open, and one opening portion of the bag was welded at the lead portions of both electrodes. And the non-aqueous electrolyte prepared from the other opening part was dripped.

このようにして組み立てた電池を、10mmHgで5秒間、脱気した後、注液した開口部を溶着により封止した。   The battery assembled in this way was deaerated at 10 mmHg for 5 seconds, and then the injected opening was sealed by welding.

以上のようにして組み立てたリチウム一次電池1を、20℃、0.03mA/cm2 の条件で、正極容量の約5%について、予備放電を行った。予備放電後、電池を60℃で1ヶ月保存し、保存前後の内部インピーダンスの変化を調べた。10kHzでの抵抗を測定したところ、保存前は2.9Ωであったが、保存後は3.7Ωであった。 The lithium primary battery 1 assembled as described above was subjected to preliminary discharge for about 5% of the positive electrode capacity under the conditions of 20 ° C. and 0.03 mA / cm 2 . After the preliminary discharge, the battery was stored at 60 ° C. for 1 month, and the change in internal impedance before and after storage was examined. When the resistance at 10 kHz was measured, it was 2.9Ω before storage, but was 3.7Ω after storage.

(リチウム一次電池A)
非水電解液に、LiBF4とDMEとPCとDECを、LiBF4/DME/PC/DEC=1/1/1/1(モル比)の組成となるよう混合したものを用いた。調製は、LiBF4とDMEとPCとDECをLiBF4/DME/PC/DEC=1/1/1/1(モル比)で混合した後、60℃で2時間加熱して常温まで冷却した。この電解液は、わずかに黄色を帯びているが、1ヶ月間放置しても常温で固化することはなかった。その他は、リ
チウム一次電池1と同様にして、リチウム一次電池Aを組み立てた。
(Lithium primary battery A)
A non-aqueous electrolyte mixed with LiBF 4 , DME, PC, and DEC so as to have a composition of LiBF 4 / DME / PC / DEC = 1/1/1/1 (molar ratio) was used. In the preparation, LiBF 4 , DME, PC, and DEC were mixed at LiBF 4 / DME / PC / DEC = 1/1/1/1 (molar ratio), then heated at 60 ° C. for 2 hours and cooled to room temperature. This electrolyte was slightly yellowish, but it did not solidify at room temperature even when left for 1 month. Otherwise, the lithium primary battery A was assembled in the same manner as the lithium primary battery 1.

以上のようにして組み立てたリチウム一次電池Aを60℃で1ヶ月保存し、保存前後の内部インピーダンスの変化を調べた。10kHzでの抵抗を測定したところ、保存前は2.7Ωであったが、保存後は5.6Ωであった。   The lithium primary battery A assembled as described above was stored at 60 ° C. for 1 month, and changes in internal impedance before and after storage were examined. When the resistance at 10 kHz was measured, it was 2.7Ω before storage, but it was 5.6Ω after storage.

リチウム一次電池Aは、内部インピーダンスがリチウム一次電池1と比較して増加しているが、これは電池内に存在した微量の水分とLiBF4が反応し、生成したHFによって負極のリチウム金属上に抵抗性の皮膜が形成されたためと考えられる。 The internal impedance of the lithium primary battery A is increased as compared with the lithium primary battery 1. This is because a small amount of moisture present in the battery reacts with LiBF 4 and is generated on the lithium metal of the negative electrode by the generated HF. This is probably because a resistive film was formed.

このように、明らかに本発明の電解液は、リチウム一次電池用電解液として有用であり、高温の保存前後での内部抵抗の増加を抑制できることがわかる。   Thus, it is apparent that the electrolytic solution of the present invention is useful as an electrolytic solution for a lithium primary battery and can suppress an increase in internal resistance before and after storage at a high temperature.

(電気二重層キャパシタ1)
分極性電極を以下に示す手順で作製した。
(Electric double layer capacitor 1)
A polarizable electrode was prepared by the following procedure.

比表面積1700m2/gのフェノール樹脂製の活性炭粉末と、導電剤としてアセチレンブラックと、結着剤としてカルボキシメチルセルロースのアンモニウム塩と、分散媒として水およびメタノールとを、重量比10:2:1:100:40の割合で混合した。この混合物を厚さ20μmのアルミニウム箔製である集電体の片面に塗布した後、乾燥して厚さ80μmの蓄電層を形成した。これを35mm×35mmのサイズに切断した後、リードのついた厚さ0.5mmのアルミニウム集電板に超音波溶接した。 Activated carbon powder made of phenol resin having a specific surface area of 1700 m 2 / g, acetylene black as a conductive agent, ammonium salt of carboxymethyl cellulose as a binder, water and methanol as a dispersion medium, and a weight ratio of 10: 2: 1: Mixed at a ratio of 100: 40. This mixture was applied to one side of a current collector made of aluminum foil having a thickness of 20 μm, and then dried to form a power storage layer having a thickness of 80 μm. This was cut into a size of 35 mm × 35 mm, and then ultrasonically welded to a 0.5 mm thick aluminum current collector plate with leads.

2枚の分極性電極を、ポリプロピレン製の不織布からなるセパレータを介して対向させたものを、アルミニウムラミネートチューブ内に収納して電気二重層キャパシタとした。   Two polarizable electrodes facing each other through a separator made of polypropylene nonwoven fabric were housed in an aluminum laminated tube to form an electric double layer capacitor.

非水電解液には、LiClO4とDMEとPCとDMCを、LiClO4/DME/PC/DMC=1/1/1/1(モル比)の組成となるよう混合したものを用いた。調製は、LiClO4とDMEとPCとDMCをLiClO4/DME/PC/DMC=1/1/1/1(モル比)で混合した後、60℃で2時間加熱して常温まで冷却した。この電解液は、無色透明であり、1ヶ月間放置しても常温で固化することはなかった。 The non-aqueous electrolyte used was a mixture of LiClO 4 , DME, PC, and DMC so as to have a composition of LiClO 4 / DME / PC / DMC = 1/1/1/1 (molar ratio). In the preparation, LiClO 4 , DME, PC and DMC were mixed at LiClO 4 / DME / PC / DMC = 1/1/1/1 (molar ratio), then heated at 60 ° C. for 2 hours and cooled to room temperature. This electrolytic solution was colorless and transparent, and did not solidify at room temperature even when left for 1 month.

以上のようにして組み立てた電気二重層キャパシタ1を用いて、雰囲気温度60℃および電流値6mA/cmで、0〜2.3Vの電圧範囲において充放電を行った。500サイクル後のキャパシタの容量は、20サイクル目の容量を100とすると、およそ94であった。 Using the electric double layer capacitor 1 assembled as described above, charging / discharging was performed in the voltage range of 0 to 2.3 V at an ambient temperature of 60 ° C. and a current value of 6 mA / cm 2 . The capacity of the capacitor after 500 cycles was approximately 94, assuming that the capacity at the 20th cycle was 100.

(電気二重層キャパシタA)
非水電解液に、LiBFとDMEとPCとDMCを、LiBF/DME/PC/DMC=1/1/1/1(モル比)の組成となるよう混合したものを用いた。調製は、LiBF4とDMEとPCとDMCをLiBF4/DME/PC/DMC=1/1/1/1(モル比)で混合した後、60℃で2時間加熱して常温まで冷却した。この電解液は、わずかに黄色を帯びているが、1ヶ月間放置しても常温で固化することはなかった。その他は電気二重層キャパシタ1と同様にして、電気二重層キャパシタAを組み立てた。
(Electric double layer capacitor A)
The non-aqueous electrolyte, a LiBF 4 and DME, PC and DMC, was a mixture so that the composition of LiBF 4 / DME / PC / DMC = 1/1/1/1 ( molar ratio). In the preparation, LiBF 4 , DME, PC and DMC were mixed at LiBF 4 / DME / PC / DMC = 1/1/1/1 (molar ratio), then heated at 60 ° C. for 2 hours and cooled to room temperature. This electrolyte was slightly yellowish, but it did not solidify at room temperature even when left for 1 month. Otherwise, the electric double layer capacitor A was assembled in the same manner as the electric double layer capacitor 1.

以上のようにして作製した電気二重層キャパシタAを用いて、雰囲気温度60℃および電流値6mA/cm2で、0〜2.3Vの電圧範囲において充放電を行った。500サイクル後のキャパシタの容量は、20サイクル目の容量を100とすると、およそ57であった。電気二重層キャパシタ1に比較して、容量劣化が大きいのは、電極中に含まれる水分
とLiBF4との反応によって生成したHFが原因で、DMEの分解が促進されたためと考えられる。
Using the electric double layer capacitor A produced as described above, charging / discharging was performed in the voltage range of 0 to 2.3 V at an ambient temperature of 60 ° C. and a current value of 6 mA / cm 2 . The capacity of the capacitor after 500 cycles was approximately 57, assuming that the capacity at the 20th cycle was 100. It is considered that the capacitance deterioration is larger than that of the electric double layer capacitor 1 because the decomposition of DME is promoted due to the HF generated by the reaction between the moisture contained in the electrode and LiBF 4 .

このように、明らかに本発明の電解液は、電気二重層キャパシタ用電解液として有用であり、安定に動作することがわかる。   Thus, it is apparent that the electrolytic solution of the present invention is useful as an electrolytic solution for electric double layer capacitors and operates stably.

(ハイブリッド・キャパシタ1)
実施例6と同様に作製した分極性電極を正極に、実施例3と同様に作製したリチウムイオンを吸蔵し放出する電極を負極にして、ハイブリッド・キャパシタを組み立てた。
(Hybrid capacitor 1)
A hybrid capacitor was assembled using the polarizable electrode produced in the same manner as in Example 6 as the positive electrode and the electrode that occludes and releases lithium ions produced in the same manner as in Example 3 as the negative electrode.

2つの電極を、ポリプロピレン製の不織布からなるセパレータを介して対向させ、アルミニウムラミネートチューブ内に収納してハイブリッド・キャパシタとした。   The two electrodes were opposed to each other with a separator made of polypropylene non-woven fabric and housed in an aluminum laminated tube to obtain a hybrid capacitor.

非水電解液には、LiClO4とDMEとDECを、LiClO4/DME/DEC=1/1/1(モル比)の組成となるよう混合したものを用いた。調製は、LiClO4とDMEとDECをLiClO4/DME/DEC=1/1/1(モル比)で混合した後、60℃で2時間加熱して常温まで冷却した。この電解液は、無色透明であり、1ヶ月間放置しても常温で固化することはなかった。 The non-aqueous electrolyte used was a mixture of LiClO 4 , DME, and DEC so as to have a composition of LiClO 4 / DME / DEC = 1/1/1 (molar ratio). In the preparation, LiClO 4 , DME, and DEC were mixed at LiClO 4 / DME / DEC = 1/1/1 (molar ratio), then heated at 60 ° C. for 2 hours and cooled to room temperature. This electrolytic solution was colorless and transparent, and did not solidify at room temperature even when left for 1 month.

以上のようにして組み立てたハイブリッド・キャパシタを用いて、雰囲気温度20℃および電流値3mA/cm2で、0〜3.8Vの電圧範囲において充放電を行った。100サイクル後のハイブリッド・キャパシタの容量は、20サイクル目の容量を100とすると、およそ91であった。 Using the hybrid capacitor assembled as described above, charging and discharging were performed in the voltage range of 0 to 3.8 V at an ambient temperature of 20 ° C. and a current value of 3 mA / cm 2 . The capacity of the hybrid capacitor after 100 cycles was approximately 91, assuming that the capacity of the 20th cycle was 100.

(ハイブリッド・キャパシタA)
非水電解液に、LiBF4とDMEとDECを、LiBF4/DME/DEC=1/1/1(モル比)の組成となるよう混合したものを用いた。調製は、LiBF4とDMEとDECをLiBF4/DME/DEC=1/1/1(モル比)で混合した後、60℃で2時間加熱して常温まで冷却した。この電解液は、わずかに黄色を帯びているが、であり、1ヶ月間放置しても常温で固化することはなかった。その他は、ハイブリッド・キャパシタ1と同様にして、ハイブリッド・キャパシタAを組み立てた。
(Hybrid capacitor A)
A non-aqueous electrolyte mixed with LiBF 4 , DME, and DEC so as to have a composition of LiBF 4 / DME / DEC = 1/1/1 (molar ratio) was used. In the preparation, LiBF 4 , DME and DEC were mixed at LiBF 4 / DME / DEC = 1/1/1 (molar ratio), then heated at 60 ° C. for 2 hours and cooled to room temperature. This electrolyte was slightly yellowish, and did not solidify at room temperature even after being left for 1 month. Otherwise, the hybrid capacitor A was assembled in the same manner as the hybrid capacitor 1.

以上のようにして作製したハイブリッド・キャパシタを用いて、雰囲気温度20℃および電流値3mA/cm2で、0〜3.8Vの電圧範囲において充放電を試みた。しかし、1回目の充電で、ハイブリッド・キャパシタは膨れ、充放電ができなくなった。ハイブリッド・キャパシタが膨れた原因は、負極材料である人造黒鉛の膨張、および、電池内で多量のガス発生が起きたためであった。 Using the hybrid capacitor fabricated as described above, charging and discharging were attempted in the voltage range of 0 to 3.8 V at an atmospheric temperature of 20 ° C. and a current value of 3 mA / cm 2 . However, at the first charge, the hybrid capacitor swelled and could not be charged or discharged. The reason why the hybrid capacitor swelled was due to the expansion of artificial graphite, which is a negative electrode material, and the generation of a large amount of gas in the battery.

このように、明らかに本発明の電解液は、ハイブリッド・キャパシタ用電解液として有用であり、安定に動作することがわかる。   Thus, it is apparent that the electrolytic solution of the present invention is useful as an electrolytic solution for a hybrid capacitor and operates stably.

以上のように、本発明によれば、高塩濃度の非水電解液を調製することができるため高エネルギー密度の電気化学エネルギー蓄積デバイスを得ることができる。   As described above, according to the present invention, a high salt density non-aqueous electrolyte can be prepared, and thus an electrochemical energy storage device having a high energy density can be obtained.

本発明の電気化学エネルギー蓄積デバイスは、リチウムイオン電池、リチウム一次電池、電気二重層キャパシタ等として、例えば携帯電子機器用の電源などとして有用である。   The electrochemical energy storage device of the present invention is useful as a lithium ion battery, a lithium primary battery, an electric double layer capacitor, and the like, for example, as a power source for portable electronic devices.

本発明の非水電解液における黒鉛負極の充放電特性図Charging / discharging characteristic diagram of graphite negative electrode in non-aqueous electrolyte of the present invention 比較例の非水電解液における黒鉛負極の充放電特性図Charging / discharging characteristics of graphite negative electrode in non-aqueous electrolyte of comparative example

符号の説明Explanation of symbols

a、c 実線
b、d 破線
a, c Solid line b, d Broken line

Claims (4)

低温で固化した状態で、リチウムパークロレートに、等モルの1,2−ジメトキシエタンが付加した付加体が存在することを特徴とする非水電解液。   A non-aqueous electrolyte characterized in that an adduct obtained by adding equimolar 1,2-dimethoxyethane to lithium perchlorate in a solidified state at a low temperature exists. 下記式(1)を満たす請求項1記載の非水電解液。
0.8 ≦ B/A ≦ 1.4
(ただし、Aは、リチウムパークロレートの前記非水電解液中のモル数、Bは、1,2−ジメトキシエタンの前記非水電解液中のモル数)・・・(1)
The nonaqueous electrolytic solution according to claim 1, which satisfies the following formula (1).
0.8 ≤ B / A ≤ 1.4
(Where A is the number of moles of lithium perchlorate in the non-aqueous electrolyte, and B is the number of moles of 1,2-dimethoxyethane in the non-aqueous electrolyte) (1)
請求項1記載の非水電解液に、さらに、環状カーボネート、環状エステルおよび鎖状カーボネートからなる群より少なくとも1種選択される化合物を含ませた非水電解液。   A non-aqueous electrolyte solution comprising the non-aqueous electrolyte solution according to claim 1 further containing at least one compound selected from the group consisting of a cyclic carbonate, a cyclic ester, and a chain carbonate. 正極と負極と、請求項1から3のいずれか1項に記載の非水電解液を具備する電気化学エネルギー蓄積デバイス。


The electrochemical energy storage device which comprises a positive electrode, a negative electrode, and the non-aqueous electrolyte of any one of Claim 1 to 3.


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