JP2011124021A - Electrolyte for electrochemical device - Google Patents

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規史 長谷川
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrolyte for electrochemical devices, having a wide potential window and low toxicity. <P>SOLUTION: According to the invention, an electrolyte for electrochemical devices has a dicyanoether compound-BF<SB>3</SB>complex indicated by the chemical formula (1) (where R<SB>1</SB>and R<SB>2</SB>each indicate a hydrocarbon chain which may include a branch). <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は電位窓が広く、毒性も低い電気化学デバイス用電解液に関する。本発明の電気化学デバイス用電解液は、充電電圧の高い正極活物質を用いた二次電池の電解液や、耐電圧の高いキャパシタの電解液として好適に用いることができる。   The present invention relates to an electrolyte for an electrochemical device having a wide potential window and low toxicity. The electrolytic solution for electrochemical devices of the present invention can be suitably used as an electrolytic solution for a secondary battery using a positive electrode active material having a high charging voltage or an electrolytic solution for a capacitor having a high withstand voltage.

従来のリチウムイオン電池は、正極としてコバルト酸リチウム(LiCoO2)、ニッケル酸リチウム(LiNiO2)、これらの固溶体、マンガン酸リチウム(LiMn24)等を用い、負極として黒鉛等の炭素からなる負極材料を用いている。そして、エチレンカーボネートやプロピレンカーボネート等の液状の有機化合物を溶媒に、リチウム塩を溶質として溶解させた電解液を用いている。 A conventional lithium ion battery uses lithium cobaltate (LiCoO 2 ), lithium nickelate (LiNiO 2 ), a solid solution thereof, lithium manganate (LiMn 2 O 4 ) or the like as a positive electrode, and consists of carbon such as graphite as a negative electrode. A negative electrode material is used. An electrolytic solution in which a liquid organic compound such as ethylene carbonate or propylene carbonate is dissolved in a solvent and a lithium salt as a solute is used.

こうしたリチウムイオン電池のエネルギー密度をさらに高めるべく、新たな正極活物質の探索が進められている。例えば、特許文献1や特許文献2にはLiNiPOF、LiNiPO、LiCoPO及びLiCoPOFがエネルギー密度の高い正極活物質として提案されている。これらの大きなエネルギー密度を有する正極活物質をリチウムイオン電池に利用すれば、理論的には、大きな充電容量のリチウムイオン電池となるはずである。 In order to further increase the energy density of such a lithium ion battery, a search for a new positive electrode active material is underway. For example, Li 2 NiPO 4 F in Patent Documents 1 and 2, LiNiPO 4, LiCoPO 4 and Li 2 CoPO 4 F has been proposed as a high positive electrode active material energy density. If these positive electrode active materials having a large energy density are used in a lithium ion battery, theoretically, a lithium ion battery having a large charge capacity should be obtained.

ところが、このような正極活物質の充電反応は、極めて高い電位において起こるため、環状カーボネートや鎖状カーボネート等の有機溶媒を用いた従来のリチウムイオン電池用電解液では、溶媒が酸化分解されて使用できなくなるという問題があった。このため、実際に取り出せる容量は、理論的な容量の半分以下となってしまうという問題があった(非特許文献1)。   However, since the charge reaction of such a positive electrode active material occurs at an extremely high potential, the conventional lithium ion battery electrolyte using an organic solvent such as cyclic carbonate or chain carbonate is used after the solvent is oxidized and decomposed. There was a problem that it was impossible. For this reason, there is a problem that the capacity that can be actually taken out is less than half of the theoretical capacity (Non-Patent Document 1).

一方、キャパシタ用の電解液の分野においても、耐電圧の向上を図るために、電位窓の広い電解液が求められていた。   On the other hand, in the field of electrolytic solutions for capacitors, an electrolytic solution having a wide potential window has been demanded in order to improve the withstand voltage.

こうした状況下、従来の電解液よりも高い電位に耐えることのできる広い電位窓を有する電解液として、三フッ化ホウ素(BF)−エーテル錯体を溶媒として用いた電解液が提案されている(特許文献3、4)。BFはホウ素原子が電気陰性度の大きなフッ素原子3個と結合しているため、強いルイス酸としての性質を示す。このため、BFの空軌道はエーテル分子に存在する酸素の孤立電子対に強く配位して錯体を形成し、酸素の電子密度が減少する。その結果、エーテル分子の耐酸化性が向上し、電解液が広い電位窓を有することとなる。このため、従来の環状カーボネートや鎖状カーボネートを用いたリチウムイオン電池用電解液では使用できなくなる高い電位においても、分解することなく使用できる。 Under such circumstances, an electrolytic solution using a boron trifluoride (BF 3 ) -ether complex as a solvent has been proposed as an electrolytic solution having a wide potential window that can withstand a higher potential than conventional electrolytic solutions ( Patent Documents 3 and 4). BF 3 exhibits properties as a strong Lewis acid because a boron atom is bonded to three fluorine atoms having a high electronegativity. For this reason, the vacant orbit of BF 3 is strongly coordinated to the oxygen lone pair present in the ether molecule to form a complex, and the electron density of oxygen decreases. As a result, the oxidation resistance of the ether molecules is improved, and the electrolytic solution has a wide potential window. For this reason, it can be used without being decomposed even at a high potential that cannot be used with a conventional electrolyte solution for a lithium ion battery using a cyclic carbonate or a chain carbonate.

一方、本発明者らは、炭化水素鎖の両末端にニトリル基が結合したジニトリル化合物を含む電解液が広い電位窓を有し、高い正電位においても分解し難いことを見出し、これを用いたリチウムイオン電池用電解液を開発している(特許文献5)。   On the other hand, the present inventors have found that an electrolytic solution containing a dinitrile compound having a nitrile group bonded to both ends of a hydrocarbon chain has a wide potential window and is difficult to be decomposed even at a high positive potential. An electrolytic solution for a lithium ion battery has been developed (Patent Document 5).

特許第3624205号Patent No. 3624205 特許第3631202号Patent No. 3631202 特開2008−94825号JP 2008-94825 A 特開2008−273893号JP 2008-273893 A 特開2009−158240号JP 2009-158240 A

Journal of Power Sources 146 (2005) 565-569Journal of Power Sources 146 (2005) 565-569

しかし、上記三フッ化ホウ素(BF)−エーテル錯体を溶媒に含む電解液の電位窓は6V以下であって、未だ充分に広いとはいえず、さらなる電位窓の拡大が望まれていた。
また、上記ジニトリル化合物を含む電解液は、ジニトリル化合物の毒性が高く、電池製造時の作業環境や電解液の漏れに対して充分配慮する必要があった。
本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであり、電位窓が広くて毒性の低い電気化学デバイス用電解液を提供することを解決すべき課題としている。
However, the potential window of the electrolytic solution containing the boron trifluoride (BF 3 ) -ether complex in the solvent is 6 V or less, which is not yet sufficiently wide, and further expansion of the potential window has been desired.
Moreover, the electrolytic solution containing the above dinitrile compound has high toxicity of the dinitrile compound, and it is necessary to give sufficient consideration to the working environment at the time of battery production and leakage of the electrolytic solution.
The present invention has been made in view of the above-described conventional situation, and an object to be solved is to provide an electrolytic solution for an electrochemical device having a wide potential window and low toxicity.

本発明者らは、上記三フッ化ホウ素(BF)−エーテル錯体を溶媒として含有する電解液において、1つのニトリル基を有するシアノエーテル化合物とBFとの錯体が、特に広い電位窓を有することに注目した。ニトリル基はBFと同様電子吸引性を有しているため、BFと同様、電位窓を広げる効果を奏すると考えられる。この考えが正しいならば、ニトリル基を2つ以上有するシアノエーテル化合物とBFとの錯体を用いることにより、さらに電位窓を広げることができるのではないかと考え、鋭意研究を行った結果、本発明を完成するに至った。 In the electrolyte solution containing the boron trifluoride (BF 3 ) -ether complex as a solvent, the present inventors have a particularly wide potential window when a complex of a cyano ether compound having one nitrile group and BF 3 is used. I paid attention to it. Since the nitrile group has an electron withdrawing property similar to BF 3 , it is considered that the nitrile group has an effect of widening the potential window, like BF 3 . If this idea is correct, the potential window could be expanded further by using a complex of BF 3 and a cyanoether compound having two or more nitrile groups. The invention has been completed.

すなわち、本発明の電気化学デバイス用電解液は、溶媒には下記化学式(1)(ただし、R及びRは分枝を有してもよい炭化水素鎖を示す)で示されるジシアノエーテル化合物−BF錯体が含まれていることを特徴とする。 That is, the electrolytic solution for an electrochemical device of the present invention has a dicyano ether compound represented by the following chemical formula (1) (wherein R 1 and R 2 represent a hydrocarbon chain which may have a branch) as a solvent. wherein the -BF 3 complexes are included.

Figure 2011124021
Figure 2011124021

本発明のリチウムイオン電池用電解液では、エーテル結合を挟んで両側の炭化水素鎖(下記化学式(1)におけるR及びR)にニトリル基が結合したジシアノエーテル化合物とBFとの錯体が含まれている。この錯体(1)は、BFの空軌道がエーテル分子に存在する酸素の孤立電子対に強く配位し、酸素の電子密度が減少する。さらには、エーテル結合を挟んで両側の炭化水素鎖(上記化学式(1)におけるR及びR)の末端にそれぞれ存在するニトリル基の電子吸引性によって、さらにエーテルに存在する酸素から電子を吸引する。このため、エーテル分子の耐酸化性が向上し、電解液が特に広い電位窓を有することとなる。また、ジシアノエーテル化合物は、アルキル基の両末端にニトリル基が結合したジニトリル化合物よりも毒性が低いという利点も有する。 In the lithium ion battery electrolyte of the present invention, a complex of BF 3 and a dicyanoether compound in which a nitrile group is bonded to hydrocarbon chains (R 1 and R 2 in the following chemical formula (1)) on both sides of an ether bond is formed. include. In this complex (1), the vacancy of BF 3 is strongly coordinated to the lone pair of oxygen present in the ether molecule, and the electron density of oxygen is reduced. Furthermore, electrons are attracted from oxygen present in the ether due to the electron-withdrawing properties of the nitrile groups present at the ends of the hydrocarbon chains (R 1 and R 2 in the above chemical formula (1)) on both sides across the ether bond. To do. For this reason, the oxidation resistance of the ether molecules is improved, and the electrolytic solution has a particularly wide potential window. The dicyano ether compound also has an advantage that it is less toxic than a dinitrile compound in which a nitrile group is bonded to both ends of an alkyl group.

ジシアノエーテル化合物としては、オキシジプロピオニトリル、オキシジアセトニトリル、オキシジブチロニトリル、オキシジペンチオニトリル等が挙げられる。これらのジシアノエーテル化合物は、炭素数は特に限定されないが、20以下であることが好ましい。   Examples of the dicyano ether compound include oxydipropionitrile, oxydiacetonitrile, oxydibutyronitrile, oxydipentionitrile and the like. These dicyano ether compounds are not particularly limited in carbon number, but are preferably 20 or less.

本発明の電気化学デバイス用電解液では、さらに、環状カーボネート、環状エステル及び鎖状カーボネートのうち少なくとも一つが溶媒に含まれていることが好ましい。
こうであれば、粘度の高いジシアノエーテル化合物−BF錯体に、環状カーボネート、環状エステル及び鎖状カーボネートのうち少なくとも一つとが混合されているため、粘度が低くなり、比伝導度も大きくなる。
また、こうであれば、特に広い電位窓を有しない環状カーボネート、環状エステル及び鎖状カーボネートのうち少なくとも一つが溶媒に含まれているにもかかわらず、広い電位窓を有する。この理由については必ずしも明確ではないが、次のように考えられる。すなわち、本発明の電気化学デバイス用電解液に用いられる有機溶媒のうち、シアノエーテル化合物は、電位窓を広げる役割を果たす。また、鎖状カーボネートは粘度を下げるため、比伝導度を大きくする役割を果たすと推測される。そして、環状カーボネートや環状エステルは、多くのリチウム塩を溶解する上、カーボン負極上にSEIといわれる保護皮膜を形成することで、耐還元性を向上させつつ、Liイオンを通過させることができる特性を付与することができる。そのため、負側および正側の電位窓拡大に効果を発揮することが可能となると考えられる。
以上より、鎖状カーボネートと環状カーボネート及び/又は環状エステルとを併用することが好ましい。更に好ましくは、鎖状カーボネートと環状カーボネートとの併用である。具体的には、ジエチルカーボネイトとエチレンカーボネートとを併用する。両者の配合割合は特に限定されないが、同量とすることが好ましい。
In the electrolytic solution for electrochemical devices of the present invention, it is preferable that at least one of cyclic carbonate, cyclic ester and chain carbonate is further contained in the solvent.
In this case, since at least one of a cyclic carbonate, a cyclic ester, and a chain carbonate is mixed in the dicyano ether compound-BF 3 complex having a high viscosity, the viscosity is lowered and the specific conductivity is also increased.
In addition, in this case, even though at least one of a cyclic carbonate, a cyclic ester, and a chain carbonate having no particularly wide potential window is contained in the solvent, it has a wide potential window. Although the reason for this is not necessarily clear, it can be considered as follows. That is, among the organic solvents used in the electrolytic solution for electrochemical devices of the present invention, the cyanoether compound plays a role of expanding the potential window. In addition, chain carbonate is presumed to play a role of increasing specific conductivity in order to lower the viscosity. Cyclic carbonates and cyclic esters dissolve many lithium salts and form a protective film called SEI on the carbon negative electrode, thereby improving the reduction resistance and allowing the passage of Li ions. Can be granted. Therefore, it is considered that the effect can be exerted on the enlargement of the potential window on the negative side and the positive side.
From the above, it is preferable to use a chain carbonate and a cyclic carbonate and / or a cyclic ester in combination. More preferably, it is a combined use of a chain carbonate and a cyclic carbonate. Specifically, diethyl carbonate and ethylene carbonate are used in combination. The blending ratio of both is not particularly limited, but the same amount is preferable.

本発明の電気化学デバイス用電解液をリチウムイオン電池用の電解液として用いる場合には、電解液にリチウム塩が添加される。リチウム塩のなかでも、LiPF、LiBF、LiTFSI及びLiBETIは、高い電位においても安定であり、好ましい。このため、本発明のリチウムイオン電池用電解液の第4の局面は、LiPF、LiBF、LiTFSI、LiBETIのうち少なくとも一つが含まれていることとした。さらに好ましいのは、LiPF6(六フッ化リン酸リチウム),LiBF(四フッ化ホウ酸リチウム)及びLiTFSI(リチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド)である。 When the electrolytic solution for electrochemical devices of the present invention is used as an electrolytic solution for a lithium ion battery, a lithium salt is added to the electrolytic solution. Among the lithium salts, LiPF 6 , LiBF 4 , LiTFSI, and LiBETI are preferable because they are stable even at a high potential. Thus, the fourth aspect of the lithium ion battery electrolyte solution of the present invention, LiPF 6, LiBF 4, LiTFSI, it was decided to include at least one of LiBETI. More preferred are LiPF 6 (lithium hexafluorophosphate), LiBF 4 (lithium tetrafluoroborate) and LiTFSI (lithium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide).

リチウム塩の濃度は0.01mol/L以上であって、飽和状態よりも低い濃度とされていることが好ましい。リチウム塩の濃度が0.01mol/L未満では、解離したLiイオンが少ないため、極端にLiイオン伝導性が小さくなり、Liイオン伝導を確保できない。そのため、過電圧が大きくなり本来の電解液の電位が大きくずれる可能性がある。他方、リチウム塩の濃度が飽和状態とされた場合、温度の変化によって溶解しているリチウム塩が析出し、電極等を変形させたりするおそれがある。   The concentration of the lithium salt is 0.01 mol / L or more, and is preferably lower than the saturated state. When the concentration of the lithium salt is less than 0.01 mol / L, since the number of dissociated Li ions is small, the Li ion conductivity becomes extremely small and Li ion conduction cannot be ensured. Therefore, there is a possibility that the overvoltage is increased and the potential of the original electrolyte is greatly shifted. On the other hand, when the concentration of the lithium salt is in a saturated state, the dissolved lithium salt may be precipitated due to a change in temperature, and the electrode or the like may be deformed.

また、本発明の電気化学デバイス用電解液をナトリウムイオン電池用の電解液とする場合には、ナトリウム塩としては、NaPF、NaBF、(CFSONNa及び(CSONNaを用いることができる。これらのナトリウム塩は、単独で用いてもよく、2以上の種類を混合して用いてもよい。特に好ましいのはNaPFである。 Moreover, when using the electrolyte solution for electrochemical devices of the present invention as an electrolyte solution for sodium ion batteries, the sodium salts include NaPF 6 , NaBF 4 , (CF 3 SO 2 ) 2 NNa, and (C 2 F 5 SO 2 ) 2 NNa can be used. These sodium salts may be used alone or in combination of two or more kinds. Particularly preferred is NaPF 6.

また、本発明の電気化学デバイス用電解液に含まれているジシアノエーテル化合物−BF錯体の、溶媒に対する濃度は1容量%以上100容量%未満であることが好ましい。ジシアノエーテル化合物−BF錯体の濃度が1容量%未満では電位窓を広げる効果が小さくなる。より好ましくは5容量%以上90容量%未満である。ジシアノエーテル化合物−BF錯体の濃度が90容量%以上となると、電解質の溶解度が低くなるとともに、粘度も高くなることから、伝導度が低くなり、ひいては電池の内部抵抗が高くなる。 Further, the electrochemical device for dicyano ether compound -BF 3 complexes contained in the electrolytic solution of the present invention, it is preferable that the concentration is less than 100% by volume or more 1 volume% to the solvent. When the concentration of the dicyano ether compound-BF 3 complex is less than 1% by volume, the effect of expanding the potential window becomes small. More preferably, it is 5 volume% or more and less than 90 volume%. When the concentration of the dicyano ether compound-BF 3 complex is 90% by volume or more, the solubility of the electrolyte is lowered and the viscosity is also increased, so that the conductivity is lowered, and the internal resistance of the battery is increased.

本発明の電気化学デバイス用電解液をリチウムイオン電池の電解液に用いれば、充電のための電位が5.2V(対Li/Li+)を超えた領域に存在するような高電位酸化還元正極活物質を利用することができる。このため、起電力が大きく、エネルギー密度の高い電池とすることができる。 When the electrolyte for an electrochemical device of the present invention is used as an electrolyte for a lithium ion battery, a high potential redox positive electrode in which the potential for charging is present in a region exceeding 5.2 V (vs. Li / Li + ). An active material can be used. For this reason, it can be set as a battery with a large electromotive force and high energy density.

試験例1の電位−電流曲線である。3 is a potential-current curve of Test Example 1. 試験例2の電位−電流曲線である。6 is a potential-current curve of Test Example 2. 試験例3の電位−電流曲線である。10 is a potential-current curve of Test Example 3. 試験例4の電位−電流曲線である。6 is a potential-current curve of Test Example 4.

(実施形態1)
実施形態1では、本発明の電気化学デバイス用電解液を、リチウムイオン電池用電解液に適用した場合について述べる。
(Embodiment 1)
In Embodiment 1, the case where the electrolytic solution for an electrochemical device of the present invention is applied to an electrolytic solution for a lithium ion battery will be described.

このリチウムイオン電池用電解液は、リチウム塩がジシアノエーテル化合物−BF錯体を含む溶媒に溶解している。ここで、ジシアノエーテル化合物は、下記化2に示すように、エーテル結合を挟んで両側の炭化水素鎖(R及びR)の末端にニトリル基(すなわち合計2つのニトリル基)を有している。ここで、R及びRは分枝を有する炭化水素鎖であってもよい。そして、BFの空軌道がエーテル分子に存在する酸素の孤立電子対に配位してジシアノエーテル化合物−BF錯体を形成している。さらには、エーテル結合を挟んで両側の炭化水素鎖の末端に存在するニトリル基の電子吸引性によって、エーテルに存在する酸素から電子を吸引する。このため、ジシアノエーテル化合物の耐酸化性が向上し、電解液が特に広い電位窓を有することとなる。また、ニトリル基を有するジシアノエーテル化合物は、アルキル基の両末端にニトリル基が結合したジニトリル化合物よりも毒性が低いという利点も有する。 In this lithium ion battery electrolyte, a lithium salt is dissolved in a solvent containing a dicyano ether compound-BF 3 complex. Here, the dicyano ether compound has a nitrile group (that is, a total of two nitrile groups) at the ends of the hydrocarbon chains (R 1 and R 2 ) on both sides of the ether bond, as shown in Chemical Formula 2 below. Yes. Here, R 1 and R 2 may be a branched hydrocarbon chain. And the vacant orbit of BF 3 is coordinated to the lone pair of oxygen present in the ether molecule to form a dicyano ether compound-BF 3 complex. Furthermore, electrons are attracted from oxygen present in the ether by the electron withdrawing property of the nitrile group present at the ends of the hydrocarbon chains on both sides of the ether bond. For this reason, the oxidation resistance of the dicyano ether compound is improved, and the electrolytic solution has a particularly wide potential window. Moreover, the dicyano ether compound which has a nitrile group also has the advantage that toxicity is lower than the dinitrile compound which the nitrile group couple | bonded with the both terminal of the alkyl group.

Figure 2011124021
Figure 2011124021

上記錯体(1)を製造するためには、広く市販されているジエチルエーテル−BF錯体と、ジシアノエーテル化合物との置換反応によって得ることができる。さらに、具体的に説明すれば、ジエチルエーテル−BF錯体とジシアノエーテル化合物とを混合し、低沸点成分のジエチルエーテルを留去させることによって容易に得ることができる。 To produce the complex (1) can be obtained widely and diethyl ether -BF 3 complex marketed by substitution reaction with dicyano ether compound. More specifically, it can be easily obtained by mixing a diethyl ether-BF 3 complex and a dicyano ether compound and distilling off the low-boiling component diethyl ether.

リチウムイオンを含む電解質としては、リチウムイオン電池で用いられているリチウム塩を用いることができる。例えばLiPF6(六フッ化リン酸リチウム),LiBF(四フッ化ホウ酸リチウム)、LiTFSI(リチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド),LiTFS(トリフルオロメタンスルホン酸リチウム)及びLiBETI(リチウムビス(ペンタフルオロエタンスルホニル)イミド)等が挙げられる。これらのリチウム塩は、高い電位でも分解しない十分な電位窓を有している。この中でもLiPF6(六フッ化リン酸リチウム),LiBF(四フッ化ホウ酸リチウム)及びLiTFSI(リチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド)の少なくとも1種が含まれていることが好ましい。LiPF6(六フッ化リン酸リチウム)やLiBF(四フッ化ホウ酸リチウム)はリチウムイオン電池の正極の電極基板としてよく用いられるアルミニウム上にフッ化物を形成し、アルミニウムの腐食を防ぐことが出来る。更に、これらはまたLiTFS(トリフルオロメタンスルホン酸リチウム)及びLiBETI(リチウムビス(ペンタフルオロエタンスルホニル)イミド)に比べて、電位窓を広げる効果が優れている。LiTFSI(リチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド)は特に分解温度が高く耐熱特性が向上する上、溶解度が高く、比伝導度を大きくすることができる。 As the electrolyte containing lithium ions, lithium salts used in lithium ion batteries can be used. For example, LiPF 6 (lithium hexafluorophosphate), LiBF 4 (lithium tetrafluoroborate), LiTFSI (lithium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide), LiTFS (lithium trifluoromethanesulfonate) and LiBETI (lithium bis (penta Fluoroethanesulfonyl) imide) and the like. These lithium salts have a sufficient potential window that does not decompose even at high potentials. Among these, it is preferable that at least one of LiPF 6 (lithium hexafluorophosphate), LiBF 4 (lithium tetrafluoroborate) and LiTFSI (lithium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide) is contained. LiPF 6 (lithium hexafluorophosphate) and LiBF 4 (lithium tetrafluoroborate) form fluoride on aluminum often used as the electrode substrate of the positive electrode of lithium ion batteries, and prevent corrosion of aluminum. I can do it. Furthermore, they are also more effective in expanding the potential window than LiTFS (lithium trifluoromethanesulfonate) and LiBETI (lithium bis (pentafluoroethanesulfonyl) imide). LiTFSI (lithium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide) has a particularly high decomposition temperature, improved heat resistance, high solubility, and high specific conductivity.

なお、溶媒として、従来からリチウムイオン電池に用いられている溶媒である、環状カーボネートや環状エステルや鎖状カーボネートを含有させることも好ましい。こうであれば、粘度の高いシアノエーテル化合物とBFとのエーテル錯体に、環状カーボネート、環状エステル及び鎖状カーボネートのうち少なくとも一つとが混合されているため、粘度が低くなり、比伝導度も大きくなる。
環状カーボネートとしては、例えばエチレンカーボネートやプロピレンカーボネート等が挙げられる。また、環状エステルとしては、γ−ブチルラクトン等が挙げられる。さらに、鎖状カーボネートとしてはジメチルカーボネート、メチルエチルカーボネイト、ジエチルカーボネート等が挙げられる。
In addition, it is also preferable to contain the cyclic carbonate, cyclic ester, and chain carbonate which are the solvents conventionally used for the lithium ion battery as a solvent. If this, in ether complexes of the BF 3 high viscosity cyano ether compound, cyclic carbonate, because the at least one of cyclic ester and the chain carbonate are mixed, the viscosity is low, the ratio conductivity even growing.
Examples of the cyclic carbonate include ethylene carbonate and propylene carbonate. Moreover, (gamma) -butyllactone etc. are mentioned as cyclic ester. Further, examples of the chain carbonate include dimethyl carbonate, methyl ethyl carbonate, diethyl carbonate and the like.

以上は、本発明の電気化学デバイス用電解液をリチウムイオン電池の電解液に適用した場合であるが、ナトリウムイオン電池へ適用することもできる。ナトリウムイオン電池用の電解液とする場合には、ナトリウム塩としては、NaPF、NaBF、(CFSONNa及び(CSONNaを用いることができる。これらのナトリウム塩は、単独で用いてもよく、2以上の種類を混合して用いてもよい。特に好ましいのはNaPFである。 The above is the case where the electrolytic solution for electrochemical devices of the present invention is applied to the electrolytic solution of a lithium ion battery, but can also be applied to a sodium ion battery. When the electrolytic solution for the sodium ion battery, a sodium salt, NaPF 6, NaBF 4, can be used (CF 3 SO 2) 2 NNa and (C 2 F 5 SO 2) 2 NNa. These sodium salts may be used alone or in combination of two or more kinds. Particularly preferred is NaPF 6.

以下、本発明の電気化学デバイス用電解液をリチウムイオン電池用電解液として具体化した実施例1,2、及びBF錯体とされていないジシアノエーテル化合物を溶媒として用いた試験例1、2についてさらに詳細に述べる。 Hereinafter, Examples 1 and 2 in which the electrolyte for an electrochemical device of the present invention is embodied as an electrolyte for a lithium ion battery, and Test Examples 1 and 2 in which a dicyano ether compound that is not a BF 3 complex is used as a solvent. Further details will be described.

(試験例1)
試験例1では、次の組成のリチウムイオン電池用電解液を調製した。
溶媒:オキシジプロピオニトリル(NCCHCH-O-CHCHCN)
電解質:LiPF0.1mol/L
(Test Example 1)
In Test Example 1, an electrolyte solution for a lithium ion battery having the following composition was prepared.
Solvent: oxy dipropionate nitrile (NCCH 2 CH 2 -O-CH 2 CH 2 CN)
Electrolyte: LiPF 6 0.1 mol / L

(試験例2)
試験例2では、次の組成のリチウムイオン電池用電解液を調製した。
溶媒:オキシジプロピオニトリル:EC(エチレンカーボネート):DEC
(ジエチルカーボネート)=50:25:25(容量比)
電解質:LiPF0.5mol/L
(Test Example 2)
In Test Example 2, an electrolyte solution for a lithium ion battery having the following composition was prepared.
Solvent: Oxydipropionitrile: EC (ethylene carbonate): DEC
(Diethyl carbonate) = 50: 25: 25 (volume ratio)
Electrolyte: LiPF 6 0.5 mol / L

(試験例3)
試験例3では、次の組成のリチウムイオン電池用電解液を調製した。
溶媒:オキシジプロピオニトリル(NCCHCH-O-CHCHCN)
電解質:LiBF4 0.1mol/L

(試験例4)
試験例4では、次の組成のリチウムイオン電池用電解液を調製した。
溶媒:オキシジプロピオニトリル:EC(エチレンカーボネート):DEC
(ジエチルカーボネート)=50:25:25(容量比)
電解質:LiBF4 1mol/L
(Test Example 3)
In Test Example 3, an electrolyte solution for a lithium ion battery having the following composition was prepared.
Solvent: oxy dipropionate nitrile (NCCH 2 CH 2 -O-CH 2 CH 2 CN)
Electrolyte: LiBF 4 0.1 mol / L

(Test Example 4)
In Test Example 4, an electrolyte solution for a lithium ion battery having the following composition was prepared.
Solvent: Oxydipropionitrile: EC (ethylene carbonate): DEC
(Diethyl carbonate) = 50: 25: 25 (volume ratio)
Electrolyte: LiBF 4 1 mol / L

−評価−
(電位−電流曲線の測定)
以上のようにして調製した試験例1〜試験例4のリチウムイオン電池用電解液について、電位−電流曲線を測定した。測定にはポテンシオガルバノスタットを用い、作用極にはグラッシーカーボンを用い、対極には白金線を用いた。また、参照電極は金属リチウムを用いた。電位の掃引速度は5mV/秒とした。結果を図1〜図4に示す。
-Evaluation-
(Measurement of potential-current curve)
About the electrolyte solution for lithium ion batteries of Test Examples 1 to 4 prepared as described above, a potential-current curve was measured. A potentiogalvanostat was used for measurement, glassy carbon was used for the working electrode, and a platinum wire was used for the counter electrode. Further, metallic lithium was used for the reference electrode. The potential sweep rate was 5 mV / sec. The results are shown in FIGS.

その結果、図1及び図3に示すように、試験例1及び試験例3の電解液の電位窓は、(Li/Li+)に対し8V以上(電位窓の判断基準は50μA/cmとした。以下同様)となり、極めて広い電位窓を有することが分かった。 As a result, as shown in FIG. 1 and FIG. 3, the potential window of the electrolytes of Test Example 1 and Test Example 3 is 8 V or more with respect to (Li / Li + ) (the judgment criterion of the potential window is 50 μA / cm 2 ). The same applies hereinafter), and it was found to have an extremely wide potential window.

また、溶媒にEC及びDECを25容量%づつ加えた試験例2及び試験例4においても、図2及び図4に示すように、電位窓が7V以上となり、広い電位窓を有することが分かった。試験例2及び試験例4の電解液は、オキシジプロピオニトリルに比べて粘度の低いECやDECをそれぞれ25容量%も含むため、粘度が低くなり、比伝導度も大きくなる。   Moreover, also in Test Example 2 and Test Example 4 in which EC and DEC were added in 25% by volume to the solvent, as shown in FIG. 2 and FIG. 4, it was found that the potential window was 7 V or more and had a wide potential window. . Since the electrolyte solutions of Test Example 2 and Test Example 4 each contain 25% by volume of EC and DEC having a lower viscosity than oxydipropionitrile, the viscosity is lowered and the specific conductivity is also increased.

ECやDECは、単独ではこのような広い電位窓を有さないにもかかわらず、これらの有機溶媒を含む試験例2の電解液がこのような広い電位窓を有する理由は、明確にはなっていないが、次のように考えられる。
すなわち、有機溶媒のうち、ジシアノエーテル化合物であるオキシジプロピオニトリルは、電位窓を広げる役割を果たす。また、鎖状カーボネートであるDECは粘度を下げるため、比伝導度を大きくする役割を果たすと推測される。そして、環状カーボネートであるECは、リチウム塩の溶解性に優れる上、カーボン負極上にSEIといわれる保護皮膜を形成することで、耐還元性を向上させつつ、Liイオンを通過させることができる特性を付与することができる。正極上にもSEI皮膜が形成し、そのため、負側および正側の電位窓拡大に効果を発揮することが可能となると考えられる。
Although EC and DEC alone do not have such a wide potential window, the reason why the electrolyte of Test Example 2 containing these organic solvents has such a wide potential window becomes clear. It is not considered as follows.
That is, oxydipropionitrile, which is a dicyano ether compound among organic solvents, plays a role of expanding the potential window. In addition, DEC, which is a chain carbonate, is presumed to play a role in increasing specific conductivity in order to lower the viscosity. And EC which is cyclic carbonate is excellent in the solubility of lithium salt, and by forming a protective film called SEI on the carbon negative electrode, it is possible to pass Li ions while improving reduction resistance. Can be granted. It is considered that an SEI film is also formed on the positive electrode, so that it is possible to exert an effect on the enlargement of the negative and positive potential windows.

(実施例1)
実施例1では、次の組成のリチウムイオン電池用電解液を調製する。
溶媒:オキシジプロピオニトリル(NCCHCH-O-CHCHCN)の
BF錯体
電解質:LiPF0.1mol/L
なお、オキシジプロピオニトリル(NCCHCH-O-CHCHCN)の
BF錯体は、市販のBFのジエチルエーテル錯体と、オキシジプロピオニトリルとを混合し、ジエチルエーテルを留去させることによって容易に得ることができる。
Example 1
In Example 1, an electrolytic solution for a lithium ion battery having the following composition is prepared.
Solvent: oxy dipropionate nitrile (NCCH 2 CH 2 -O-CH 2 CH 2 CN)
BF 3 complex Electrolyte: LiPF 6 0.1 mol / L
The BF 3 complex of oxydipropionitrile (NCCH 2 CH 2 —O—CH 2 CH 2 CN) is a mixture of commercially available BF 3 diethyl ether complex and oxydipropionitrile, and the diethyl ether is distilled off. Can be easily obtained.

(実施例2)
実施例2では、次の組成のリチウムイオン電池用電解液を調製する。
溶媒:オキシジプロピオニトリルのBF錯体:EC(エチレンカーボネー
ト):DEC(ジエチルカーボネート)=50:25:25(容量比)
電解質:LiPF0.1mol/L
(Example 2)
In Example 2, an electrolyte solution for a lithium ion battery having the following composition is prepared.
Solvent: BF 3 complex of oxydipropionitrile: EC (ethylene carbonate)
G): DEC (diethyl carbonate) = 50: 25: 25 (volume ratio)
Electrolyte: LiPF 6 0.1 mol / L

(実施例3)
実施例3では、次の組成のリチウムイオン電池用電解液を調製する。
溶媒:オキシジプロピオニトリル(NCCHCH-O-CHCHCN)の
BF錯体
電解質:LiBF4 0.1mol/L
(Example 3)
In Example 3, an electrolyte solution for a lithium ion battery having the following composition is prepared.
Solvent: oxy dipropionate nitrile (NCCH 2 CH 2 -O-CH 2 CH 2 CN)
BF 3 complex Electrolyte: LiBF 4 0.1 mol / L

(実施例4)
実施例4では、次の組成のリチウムイオン電池用電解液を調製する。
溶媒:オキシジプロピオニトリルのBF錯体:EC(エチレンカーボネー
ト):DEC(ジエチルカーボネート)=50:25:25(容量比)
電解質:LiBF0.5mol/L
Example 4
In Example 4, an electrolyte solution for a lithium ion battery having the following composition is prepared.
Solvent: BF 3 complex of oxydipropionitrile: EC (ethylene carbonate)
G): DEC (diethyl carbonate) = 50: 25: 25 (volume ratio)
Electrolyte: LiBF 4 0.5 mol / L

以上のようにして調製された実施例1のリチウムイオン電池用電解液について、電位−電流曲線を測定すれば、試験例1の電解液よりもさらに電位窓が広がることになる。なぜならば、実施例1の電解液に含まれているオキシジプロピオニトリルは、BFが配位して錯体となっている。このため、エーテル結合の酸素の孤立電子対がBFに引き付けられている。さらには、オキシジプロピオニトリルのニトリル基の電子吸引性によって、エーテルに存在する酸素から電子をさらに吸引する。このため、オキシジプロピオニトリルの耐酸化性が極めて向上し、電解液が特に広い電位窓を有することとなる。また、オキシジプロピオニトリルは、アルキル基の両末端にニトリル基が結合したジニトリル化合物よりも毒性が低いという利点も有する。
また、実施例3は実施例1の電解液の電解質として用いているLiPFをLiBFに替えただけであることから、上記と同様の効果を奏することは明らかである。
When the potential-current curve of the electrolyte solution for lithium ion battery of Example 1 prepared as described above is measured, the potential window becomes wider than that of the electrolyte solution of Test Example 1. This is because the oxydipropionitrile contained in the electrolyte solution of Example 1 is complexed by BF 3 coordination. For this reason, an ether-bonded oxygen lone pair is attracted to BF 3 . Furthermore, electrons are further withdrawn from oxygen present in the ether due to the electron withdrawing property of the nitrile group of oxydipropionitrile. For this reason, the oxidation resistance of oxydipropionitrile is remarkably improved, and the electrolytic solution has a particularly wide potential window. Oxydipropionitrile also has an advantage that it is less toxic than a dinitrile compound in which a nitrile group is bonded to both ends of an alkyl group.
In Example 3 from that was only changing the LiPF 6 is used as an electrolyte of the electrolytic solution of Example 1 LiBF 4, it is clear that the same effects as described above.

また、溶媒にEC及びDECを25容量%づつ加えた実施例2においても、同様の理由から、広い電位窓を有することとなる。さらには、オキシジプロピオニトリルのBF錯体に比べて粘度の低いECやDECをそれぞれ25容量%も含むため、粘度が低くなり、比伝導度も大きくなる。
また、実施例4は実施例2の電解液の電解質として用いているLiPFをLiBFに替えただけであることから、上記と同様の効果を奏することは明らかである。
Further, in Example 2 in which EC and DEC are added to the solvent by 25% by volume, for the same reason, a wide potential window is provided. Furthermore, since it contains 25% by volume of EC and DEC, each having a lower viscosity than the BF 3 complex of oxydipropionitrile, the viscosity is lowered and the specific conductivity is also increased.
In Example 4, since the only found a new LiPF 6 is used as an electrolyte of the electrolytic solution of Example 2 LiBF 4, it is clear that the same effects as described above.

この発明はリチウムイオン電池やナトリウムイオン電池に適用される。
これらの二次電池は、電解液、正極、負極、セパレータ及びケースを備えてなる。
The present invention is applied to lithium ion batteries and sodium ion batteries.
These secondary batteries include an electrolytic solution, a positive electrode, a negative electrode, a separator, and a case.

(正極)
正極は正極活物質と集電体とを備える。
(リチウム電池用正極活物質)
リチウム電池用正極活物質とは「負極よりも高い電位で結晶構造内にリチウムが挿入/離脱され、それに伴って酸化/還元が行われる物質」をいう。
リチウム電池用正極活物質としては(1)酸化物系、(2)オリビン型結晶構造を有するリン酸塩系、及び(3)オリビンフッ化物系を挙げることができる。
(Positive electrode)
The positive electrode includes a positive electrode active material and a current collector.
(Positive electrode active material for lithium batteries)
The positive electrode active material for a lithium battery refers to “a material in which lithium is inserted / extracted in the crystal structure at a higher potential than that of the negative electrode, and oxidation / reduction is performed accordingly”.
Examples of the positive electrode active material for a lithium battery include (1) an oxide type, (2) a phosphate type having an olivine type crystal structure, and (3) an olivine fluoride type.

(1)酸化物系
1−1具体的物質
酸化物系としては、Li1−xCoO(x=0〜1:層状構造)、Li1−xNiO(x=0〜1:層状構造)、Li1−xMn(x=0〜1:スピネル構造)、Li2−yMnO(y=0〜2)及びこれらの固溶体(ここで固溶体とは、上記酸化物系の正極活物質において金属原子が自由な割合で混合された物質を指す。)を挙げることができる。また、これらのうちの金属原子を他の金属原子でドープしたものも含まれる。ドーパントとしては酸化還元反応において電気化学的な特性を変化させられるものであれば特に限定されるものではない。例えば、Li、Mg、Al、Ti、V、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Zr、Nb及びMoの1種又はそれ以上を用いることができる。
1−2 特性
この正極活物質の一般的な放電電位は5V(vs Li/Li+)未満である。但し、LiMn系でNiに一部置換した、LiNi0.5Mn1.5は、放電電位が4.7Vであり、急速充電をおこなう際には過電圧分を加味し、5Vを超える充電電圧を必要とする場合がある。また、LiCoMnOは放電電圧が5.2V程度から始まるため、これも充電電圧は5Vを超える。また、酸化物系は一般に300℃未満で分解し、酸素発生とともに比較的大きな発熱反応がある。このため、過充電が起こらないような制御回路が必要とされる。
(1) Oxide-based 1-1 specific substances As oxide-based materials, Li 1-x CoO 2 (x = 0 to 1: layered structure), Li 1-x NiO 2 (x = 0 to 1 : layered structure) ), Li 1-x Mn 2 O 4 (x = 0 to 1: spinel structure), Li 2−y MnO 3 (y = 0 to 2) and their solid solutions (herein, solid solutions are those of the above oxide series) In the positive electrode active material, it refers to a material in which metal atoms are mixed in a free ratio. Moreover, what doped the metal atom of these with the other metal atom is also contained. The dopant is not particularly limited as long as the electrochemical characteristics can be changed in the oxidation-reduction reaction. For example, one or more of Li, Mg, Al, Ti, V, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Zr, Nb, and Mo can be used.
1-2 Characteristics The general discharge potential of this positive electrode active material is less than 5 V (vs Li / Li + ). However, LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 partially substituted with Ni in the LiMn 2 O 4 system has a discharge potential of 4.7 V, and takes into account overvoltage when performing rapid charging, and 5 V May require a charging voltage exceeding. Further, since LiCoMnO 4 starts with a discharge voltage of about 5.2V, the charge voltage also exceeds 5V. In addition, oxide systems generally decompose at less than 300 ° C., and have a relatively large exothermic reaction as oxygen is generated. Therefore, a control circuit that does not cause overcharging is required.

(2)オリビン型結晶構造を有するリン酸塩系
2−1具体的物質
オリビン型結晶構造を有するリン酸塩系としては、Li1−xNiPO(x=0〜1)、Li1−xCoPO(x=0〜1)、Li1−xMnPO(x=0〜1)、Li1−xFePO(x=0〜1)及びこれらの固溶体(ここで固溶体とは、上記リン酸塩系の正極活物質において金属原子が自由な割合で混合された物質を指す。)を挙げることができる。また、これらのうちの金属原子を他の金属原子でドープしたものも含まれる。ドーパントとしては酸化還元反応において電気化学的な特性を変化させられるものであれば特に限定されるものではない。例えば、Mg、Al、Ti、V、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Zr、Nb及びMoの1種又は2種以上を用いることができる(特開2008−130525号参照)。
2−2 特性
この正極活物質の酸化還元電位は、上記酸化物系とは異なり300℃未満では発熱反応が小さい上、酸素は発生せず、安全性が高いことから注目されている。また、リン酸塩系のうち、LiCoPO系は放電電位が4.8V程度であり、急速充電に際しては5V以上で耐電圧を有する電解液が必要とされる。LiNiPOの放電電位は5.2V(vs Li/Li+)が示唆されている。
(2) Phosphate-based 2-1 specific substance having olivine-type crystal structure As phosphate-based substances having olivine-type crystal structure, Li 1-x NiPO 4 (x = 0 to 1 ), Li 1-x CoPO 4 (x = 0 to 1 ), Li 1-x MnPO 4 (x = 0 to 1 ), Li 1-x FePO 4 (x = 0 to 1) and their solid solutions (herein the solid solution is the above-mentioned phosphorus In the acid salt positive electrode active material, it refers to a material in which metal atoms are mixed in a free ratio. Moreover, what doped the metal atom of these with the other metal atom is also contained. The dopant is not particularly limited as long as the electrochemical characteristics can be changed in the oxidation-reduction reaction. For example, one or more of Mg, Al, Ti, V, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Zr, Nb, and Mo can be used (see JP 2008-130525 A).
2-2 Characteristics The oxidation-reduction potential of this positive electrode active material is attracting attention because, unlike the above oxide system, if it is less than 300 ° C., the exothermic reaction is small, oxygen is not generated, and safety is high. Of the phosphate systems, the LiCoPO 4 system has a discharge potential of about 4.8 V, and an electrolyte having a withstand voltage of 5 V or more is required for rapid charging. It is suggested that LiNiPO 4 has a discharge potential of 5.2 V (vs Li / Li + ).

(3)オリビンフッ化物系
3−1 具体的物質
Li2−xNiPOF(x=0〜2)、Li2−xCoPOF(x=0〜2)が知られており、その他Li2−xMnPOF(x=0〜2)、Li2−xFePOF(x=0〜2)が考えられる。
また、これらの固溶体(ここで固溶体とは、上記オリビンフッ化物系の正極活物質において金属原子が自由な割合で混合された物質を指す。)も挙げることができる。さらに、これらのうちの金属原子を他の金属原子でドープしたものも含まれる。ドーパントとしては酸化還元反応において電気化学的な特性を変化させられるものであれば特に限定されるものではない。例えば、Mg、Al、Ti、V、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Zr、Nb及びMoの1種又はそれ以上を用いることができる。
3−2 特性
この正極活物質の酸化還元電位はオリビン系と同様に、上記酸化物系とは異なり、300℃未満の分解では、発熱反応が小さい上、酸素発生がないため、正極活物質由来の電池発火の影響は小さいと考えられ安全性の面で注目されている。また、電池の電気容量密度(mAh/g)を上記リン酸塩系よりも高くできる(特開2003−229126号公報参照)。しかし、例えばLiCoPOF系は、平均放電電位が4.8V程度であり、急速充電に際しては5V以上で耐電圧を有する電解液が必要とされる。また、LiNiPOF系の放電電位は5.2V(vs Li/Li+)程度であり、5V以上で耐電圧を有する電解液が必要とされる。
(3) Olivine fluoride system 3-1 Specific substances Li 2-x NiPO 4 F (x = 0 to 2), Li 2-x CoPO 4 F (x = 0 to 2) are known, and other Li 2 -x MnPO 4 F (x = 0~2 ), Li 2-x FePO 4 F (x = 0~2) are considered.
Further, these solid solutions (herein, the solid solution refers to a material in which metal atoms are mixed in a free ratio in the olivine fluoride-based positive electrode active material) can also be mentioned. Furthermore, the thing which doped the metal atom of these with another metal atom is also contained. The dopant is not particularly limited as long as the electrochemical characteristics can be changed in the oxidation-reduction reaction. For example, one or more of Mg, Al, Ti, V, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Zr, Nb, and Mo can be used.
3-2 Characteristics Similar to the olivine system, the redox potential of this positive electrode active material is different from that of the above oxide system. The effect of battery ignition is considered to be small, and is attracting attention in terms of safety. Moreover, the electric capacity density (mAh / g) of a battery can be made higher than the said phosphate system (refer Unexamined-Japanese-Patent No. 2003-229126). However, for example, the Li 2 CoPO 4 F system has an average discharge potential of about 4.8 V, and an electrolytic solution having a withstand voltage of 5 V or more is required for rapid charging. Further, the discharge potential of the Li 2 NiPO 4 F system is about 5.2 V (vs Li / Li + ), and an electrolytic solution having a withstand voltage at 5 V or more is required.

(4)その他
その他、リチウム非含有のFeF、有機導電性物質を用いた共役系ポリマー、シェブレル相化合物等を用いることもできる。また、遷移金属カルコゲン化物、バナジウム酸化物およびそのリチウム塩、ニオブ酸化物およびそのリチウム塩、さらには、複数の異なった正極活物質を混合して用いることも可能である。
正極活物質粒子の平均粒径は、特に限定はされないが、10nm〜30μmであることが好ましい。
(4) Others In addition, lithium-free FeF 3 , a conjugated polymer using an organic conductive material, a chevrel phase compound, or the like can also be used. In addition, transition metal chalcogenides, vanadium oxides and lithium salts thereof, niobium oxides and lithium salts thereof, and a plurality of different positive electrode active materials may be used in combination.
The average particle diameter of the positive electrode active material particles is not particularly limited, but is preferably 10 nm to 30 μm.

(ナトリウム電池用正極活物質)
ナトリウム電池用正極活物質とは「二次電池の正極として充放電によって可逆的に酸化−還元を繰り返すことのできる物質」をいう。また、ナトリウムイオン電池の正極活物質としては、ナトリウムイオンを可逆的にインターカレート−デインターカレートできる物質であることが要求される。
このような正極活物質としては、特開2009−129741号公報に記載されているNaFeO、NaNiO、NaCoO、NaMnO、NaFe1−x1 x、NaNi1−x1 x2、NaCo1−x1 x、NaMn1−x1 x(ただし、M1は3価金属からなる群より選ばれる1種以上の元素であり、0≦x<0.5である。)で示される化合物等が挙げられる。これらのなかでも、主に鉄とナトリウムとを含有する複合酸化物であって、六方晶の結晶構造からなる複合酸化物を正極活物質として用いることにより、高い放電電圧を得ることができ、エネルギー密度の高い二次電池を得ることができる。
(Positive electrode active material for sodium batteries)
The positive electrode active material for a sodium battery refers to “a substance that can be reversibly oxidized and reduced by charge and discharge as a positive electrode of a secondary battery”. Further, the positive electrode active material of the sodium ion battery is required to be a material capable of reversibly intercalating and deintercalating sodium ions.
Examples of such a positive electrode active material include NaFeO 2 , NaNiO 2 , NaCoO 2 , NaMnO 2 , NaFe 1-x M 1 x O 2 , and NaNi 1-x M 1 x described in JP2009-129741A. O 2 , NaCo 1-x M 1 x O 2 , NaMn 1-x M 1 x O 2 (where M 1 is one or more elements selected from the group consisting of trivalent metals, and 0 ≦ x <0 .5)) and the like. Among these, a composite oxide mainly containing iron and sodium, and using a composite oxide having a hexagonal crystal structure as a positive electrode active material, a high discharge voltage can be obtained. A secondary battery having a high density can be obtained.

上記正極活物質として、さらに好ましくは、主に鉄とナトリウムとを含有する複合酸化物であって、六方晶の結晶構造を有し、かつ該複合酸化物のX線回折分析において、面間隔2.20オングストロームのピークの強度を面間隔5.36オングストロームのピークの強度で除した値が2以下である複合酸化物である。またナトリウム化合物と鉄化合物とを含有する金属化合物混合物を、400℃以上900℃以下の温度範囲で加熱するにあたり、温度上昇中の100℃未満の温度範囲においては雰囲気を不活性雰囲気として加熱することが好ましい。
また、これらの化合物うちの遷移金属原子を他の金属原子でドープしたものでもよい。ドーパントとしては酸化還元反応において電気化学的な特性を変化させられるものであれば特に限定されるものではない。
More preferably, the positive electrode active material is a composite oxide mainly containing iron and sodium, has a hexagonal crystal structure, and has an interplanar spacing of 2 in the X-ray diffraction analysis of the composite oxide. A composite oxide having a value obtained by dividing the intensity of a peak of 20 angstroms by the intensity of a peak of 5.36 angstroms in plane spacing is 2 or less. In heating a metal compound mixture containing a sodium compound and an iron compound in a temperature range of 400 ° C. or more and 900 ° C. or less, the atmosphere is heated as an inert atmosphere in a temperature range of less than 100 ° C. during the temperature increase. Is preferred.
Moreover, what doped the transition metal atom of these compounds with the other metal atom may be used. The dopant is not particularly limited as long as the electrochemical characteristics can be changed in the oxidation-reduction reaction.

(正極用集電体)
正極用集電体とは正極活物質を担持する導電性の基体である。
正極の集電体の成形材料は、充電時において安定であることが要求される。特に、酸化還元電位の高いオリビン型結晶構造を有するリン酸塩系及びオリビンフッ化物系の正極活物質を用いるときには、耐食性に優れた素材を使用することが好ましい。
例えば、電解質としてLiPF、LiBFを使用する場合、オーステナイト系ステンレス、Ni、Al、Ti等を用いることができるが、使用する正極活物質の動作電位を考慮し、適宜選択することが好ましい。
また、電解質としてLiTFSIを使用する場合、正極集電体表面に耐食性皮膜を形成させるべく、LiPFを共存させることが好ましい。LiBETI及びLiTFSもLiTFSIの場合と同様である。
また、Al等の導電金属材料へ導電性DLC(ダイヤモンドライクカーボン)を周知の方法で被覆したものを集電体として用いることもできる。電解質がLiBFやLiPFなど、容易にフッ化物皮膜を形成するようなリチウム塩の場合は、アルミニウム上へ厚いフッ化皮膜が形成し、耐食性は向上するものの、電子伝導性が低下し、ひいてはオーミック過電圧増加に伴う、高出力化が阻害されることとなる。Al等の導電金属材料へ導電性DLCを被覆すれば、フッ化物皮膜は導電性DLCの欠陥部分の極わずかな面積でのみ発生するだけである。このため、高電圧化しても電子伝導性の低下は無視できる程度となり、懸念されている高電圧化による出力低下は防ぐことが可能となる。
ここで、導電性ダイヤモンドライクカーボンとは、ダイヤモンド結合(炭素同士のSP混成軌道結合)とグラファイト結合(炭素同士のSP混成軌道結合)の両方の結合が混在しているアモルファス構造をとるカーボンのうち、導電性が1000Ωcm以下のものをいう。ただし、アモルファス構造以外に、部分的にグラファイト構造からなる結晶構造(すなわちSP混成軌道結合からなる六方晶系結晶構造)からなる相を有し、これにより導電性が発揮されるものも含まれる。グラファイトとダイヤモンドの中間の性質を有するダイヤモンドライクカーボンは、成膜時にダイヤモンドライクカーボンを構成する炭素原子のSP混成軌道結合とSP混成軌道結合の比率を調整することで、導電性を調節することができる。
勿論、上記耐食性導電性金属材料を導電性DLCで被覆してもよい。
集電体の形状及び構造は、正極活物質や電池の構造に応じて、任意に設計可能である。
(Current collector for positive electrode)
The positive electrode current collector is a conductive substrate carrying a positive electrode active material.
The molding material for the current collector of the positive electrode is required to be stable during charging. In particular, when using a phosphate-based and olivine fluoride-based positive electrode active material having an olivine-type crystal structure with a high redox potential, it is preferable to use a material excellent in corrosion resistance.
For example, when LiPF 6 or LiBF 4 is used as the electrolyte, austenitic stainless steel, Ni, Al, Ti, or the like can be used, but it is preferable to select them appropriately in consideration of the operating potential of the positive electrode active material to be used.
Further, when LiTFSI is used as the electrolyte, it is preferable that LiPF 6 coexists in order to form a corrosion-resistant film on the surface of the positive electrode current collector. LiBETI and LiTFS are the same as in LiTFSI.
In addition, a conductive metal material such as Al coated with conductive DLC (diamond-like carbon) by a well-known method can be used as a current collector. When the electrolyte is a lithium salt such as LiBF 4 or LiPF 6 that easily forms a fluoride film, a thick fluoride film is formed on the aluminum and the corrosion resistance is improved, but the electronic conductivity is lowered, and consequently The increase in output accompanying the increase in ohmic overvoltage is impeded. If the conductive metal material such as Al is coated with the conductive DLC, the fluoride film is generated only in a very small area of the defective portion of the conductive DLC. For this reason, even if the voltage is increased, the decrease in electron conductivity is negligible, and it is possible to prevent the decrease in output due to the increased voltage, which is a concern.
Here, the conductive diamond-like carbon is carbon having an amorphous structure in which both diamond bonds (SP 3 hybrid orbital bonds between carbons) and graphite bonds (SP 2 hybrid orbital bonds between carbons) are mixed. Among them, the one whose conductivity is 1000 Ωcm or less. However, in addition to the amorphous structure, those having a phase composed of a crystal structure partially composed of a graphite structure (that is, a hexagonal crystal structure composed of SP 2 hybrid orbital bonds) and thereby exhibiting conductivity are also included. . Diamond-like carbon having properties intermediate between graphite and diamond adjusts the conductivity by adjusting the ratio of SP 2 hybrid orbital bonds and SP 3 hybrid orbital bonds of the carbon atoms constituting diamond-like carbon during film formation. be able to.
Of course, you may coat | cover the said corrosion-resistant electroconductive metal material with electroconductive DLC.
The shape and structure of the current collector can be arbitrarily designed according to the structure of the positive electrode active material and the battery.

(正極の前処理)
二次電池用正極は、リチウムイオン電池やナトリウムイオン電池に組み込む前に、ニトリル化合物を1容量%以上含む有機溶媒中にリチウム塩が溶解した前処理用電解液中に正電極を浸漬する浸漬処理工程を行い、さらに電極に正電圧を付与する正電圧処理工程を行なう。こうして前処理された電極は、ニトリル化合物を全く含まない電解液や、ニトリル化合物の添加量の少ない電解液を用いたリチウムイオン電池に用いても、電位窓が広く、高い電位においても電解液を分解し難くなる(特願2009−180007号参照)。このような広い電位窓の電極となる理由は、電極上に窒素を成分として含む耐食性の皮膜が形成されるためであると推測される。
(Pretreatment of positive electrode)
The positive electrode for a secondary battery is immersed in a pretreatment electrolytic solution in which a lithium salt is dissolved in an organic solvent containing 1% by volume or more of a nitrile compound before being incorporated into a lithium ion battery or a sodium ion battery. Steps are performed, and a positive voltage treatment step for applying a positive voltage to the electrodes is further performed. The electrode thus pretreated has a wide potential window even when used in an electrolyte solution containing no nitrile compound or in a lithium ion battery using an electrolyte solution with a small amount of nitrile compound added. It becomes difficult to disassemble (see Japanese Patent Application No. 2009-180007). The reason why the electrode has such a wide potential window is presumed to be that a corrosion-resistant film containing nitrogen as a component is formed on the electrode.

(負極)
負極は負極活物質と集電体とを備える。
(リチウム電池用負極活物質)
リチウム電池用負極活物質とは「正極よりも低い電位で結晶構造内にリチウムが挿入/離脱され、それに伴って酸化/還元が行われる物質」をいう。
リチウム電池用負極活物質としては、例えば、人造黒鉛、天然黒鉛、ハードカーボン等の種々の炭素材料やチタン酸リチウム(LiTi12)、HTi1225、HTi13、Feなどが挙げられる。また、これらを適宜混合した複合体も挙げることができる。さらには、Si微粒子やSi薄膜、これらのSiがSi−Ni、Si−Cu、Si−Nb、Si−Zn、Si−Sn等のSi系合金となった微粒子や薄膜が挙げられる。さらには、SiO酸化物、Si−SiO複合体、Si−SiO−カーボンなどの複合体等を挙げることができる。
(Negative electrode)
The negative electrode includes a negative electrode active material and a current collector.
(Anode active material for lithium battery)
The negative electrode active material for a lithium battery refers to “a material in which lithium is inserted / extracted in the crystal structure at a potential lower than that of the positive electrode, and oxidation / reduction is performed accordingly”.
Examples of the negative electrode active material for a lithium battery include various carbon materials such as artificial graphite, natural graphite, and hard carbon, lithium titanate (Li 4 Ti 5 O 12 ), H 2 Ti 12 O 25 , and H 2 Ti 6 O. 13 , Fe 2 O 3 and the like. Moreover, the composite material which mixed these suitably can also be mentioned. Further, there are Si fine particles and Si thin films, and fine particles and thin films in which these Si are Si-based alloys such as Si—Ni, Si—Cu, Si—Nb, Si—Zn, Si—Sn, and the like. Further, SiO oxide, Si-SiO 2 composite, Si-SiO 2 - can be given complex, etc., such as carbon.

(ナトリウム電池用負極活物質)
ナトリウム電池用負極活物質とは「二次電池の負極として充放電によってナトリウムイオンが出入りするとともに可逆的に酸化−還元を繰り返すことのできる物質」であり、本発明においてはLiTi12を用いる。
(負極用集電体)
負極用の集電体は汎用的な導電性金属材料、Cu、Al、Ni、Ti、オーステナイト系ステンレス等で形成することができる。
但し使用する負極の動作電位と電解質の組み合わせに応じて適宜選択する必要がある。
(Anode active material for sodium batteries)
The negative electrode active material for a sodium battery is “a substance that allows sodium ions to enter and exit as a negative electrode of a secondary battery and reversibly repeat oxidation and reduction”, and in the present invention, Li 4 Ti 5 O 12. Is used.
(Current collector for negative electrode)
The current collector for the negative electrode can be formed of a general-purpose conductive metal material, Cu, Al, Ni, Ti, austenitic stainless steel, or the like.
However, it is necessary to select appropriately according to the combination of the operating potential of the negative electrode used and the electrolyte.

(正極用電子伝導部材)
正極活物質には導電性の小さいものがある。従って、正極活物質と集電体との間に導電性の電子伝導部材を介在させて、両者の間に十分な電子伝導パスを確保することが好ましい。
ここで電子伝導部材は正極活物質と集電体との間に電子伝導パスを形成できればその形態は特に限定されるものではなく、例えばアセチレンブラック等のカーボンブラック、グラファイト粉、ダイヤモンドライクカーボン、グラッシーカーボン等の導電性粉体(導電助剤)を用いることができる。ダイヤモンドライクカーボン及びグラッシーカーボンは、カーボンブラックやグラファイトよりもはるかに広い電位窓を有しており、高電位を付与した場合の耐食性に優れているため、好適に用いることができる。また、これらの導電助剤に金属微粒子が担持されていることも好ましい。金属微粒子としては、例えばPt、Au、Ni等が挙げられる。これらは、単独で用いても良いし、これらの合金であっても良い。
電子伝導材料として、正極活物質を被覆する導電性皮膜(DLC膜等)、正極活物質を埋入させた導電性薄膜(金の薄膜等)を用いることができる。
(Electroconductive member for positive electrode)
Some positive electrode active materials have low electrical conductivity. Therefore, it is preferable to provide a sufficient electron conduction path between the positive electrode active material and the current collector by interposing a conductive electron conduction member.
Here, the form of the electron conducting member is not particularly limited as long as an electron conducting path can be formed between the positive electrode active material and the current collector. For example, carbon black such as acetylene black, graphite powder, diamond-like carbon, glassy Conductive powder (conductive aid) such as carbon can be used. Diamond-like carbon and glassy carbon have a much wider potential window than carbon black and graphite, and are excellent in corrosion resistance when a high potential is applied, and therefore can be suitably used. Moreover, it is also preferable that metal fine particles are supported on these conductive assistants. Examples of the metal fine particles include Pt, Au, Ni and the like. These may be used alone or an alloy thereof.
As the electron conductive material, a conductive film (such as a DLC film) covering the positive electrode active material or a conductive thin film (such as a gold thin film) in which the positive electrode active material is embedded can be used.

(負極用電子伝導部材)
正極用電子伝導部材と同様な物を用いることができる。
(Electroconductive member for negative electrode)
The thing similar to the electron conductive member for positive electrodes can be used.

(セパレータ)
セパレータは電解液中へ浸漬され、正極と負極とを分離し両者の短絡を防ぐとともに、LiイオンやNaイオンの通過を許容する。
かかるセパレータには、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン系樹脂から成る多孔質フィルムが挙げられる。
(Separator)
The separator is immersed in the electrolytic solution, separates the positive electrode and the negative electrode to prevent a short circuit therebetween, and allows passage of Li ions and Na ions.
Examples of such separators include porous films made of polyolefin resins such as polyethylene and polypropylene.

(ケース)
ケースは電解液に対する耐食性を有する材質で形成される。その形状は、電池の目的用途に応じて任意に設計できる。
リチウム塩やナトリウム塩が溶解している電解液を使用する場合には、オーステナイト系ステンレスからなる基材、Ti、Ni及び/又はAlからなるケースを用いることができる。但し使用する正極、負極活物質の動作電位により適宜選択しなければならない場合もある。
ケースが集電体を兼ねる場合や集電体に電気的に結合される場合は、各電極の集電体形成材料と同一若しくは同種の材料で形成される。
(Case)
The case is formed of a material having corrosion resistance against the electrolytic solution. The shape can be arbitrarily designed according to the intended use of the battery.
When using an electrolytic solution in which a lithium salt or a sodium salt is dissolved, a base material made of austenitic stainless steel, a case made of Ti, Ni and / or Al can be used. However, there are cases where it is necessary to select appropriately depending on the operating potential of the positive electrode and negative electrode active material to be used.
When the case also serves as a current collector or is electrically coupled to the current collector, the case is formed of the same or the same material as the current collector forming material of each electrode.

この発明は、上記発明の実施形態の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。   The present invention is not limited to the description of the embodiment of the invention. Various modifications may be included in the present invention as long as those skilled in the art can easily conceive without departing from the description of the scope of claims.

Claims (5)

溶媒には下記化学式(1)(ただし、R及びRは分枝を有してもよい炭化水素鎖を示す)で示されるジシアノエーテル化合物−BF錯体が含まれていることを特徴とする電気化学デバイス用電解液。
Figure 2011124021
The solvent includes a dicyanoether compound-BF 3 complex represented by the following chemical formula (1) (wherein R 1 and R 2 each represents a hydrocarbon chain which may have a branch): Electrolytic solution for electrochemical devices.
Figure 2011124021
前記ジシアノエーテル化合物は、オキシジプロピオニトリルである請求項1記載の電気化学デバイス用電解液。   2. The electrolytic solution for an electrochemical device according to claim 1, wherein the dicyano ether compound is oxydipropionitrile. 前記溶媒には、さらに環状カーボネート、環状エステル及び鎖状カーボネートのうち少なくとも一つが含まれていることを特徴とする請求項1記載の電気化学デバイス用電解液。   The electrolyte solution for electrochemical devices according to claim 1, wherein the solvent further contains at least one of a cyclic carbonate, a cyclic ester, and a chain carbonate. 電解質としてLiPF、LiBF、LiTFSI及びLiBETIのうち少なくとも一つが溶解していることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項記載の電気化学デバイス用電解液。 The electrolytic solution for an electrochemical device according to any one of claims 1 to 3, wherein at least one of LiPF 6 , LiBF 4 , LiTFSI, and LiBETI is dissolved as an electrolyte. 電解質としてNaPF、NaBF、(CFSONNa及び(CSONNaのうち少なくとも一つが溶解していることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項記載の電気化学デバイス用電解液。 4. The electrolyte according to claim 1, wherein at least one of NaPF 6 , NaBF 4 , (CF 3 SO 2 ) 2 NNa and (C 2 F 5 SO 2 ) 2 NNa is dissolved as an electrolyte. The electrolyte solution for electrochemical devices according to Item.
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