JP2012009158A - Electrolyte and lithium secondary battery using it - Google Patents

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Ryota Tatsumi
遼多 巽
Yasuhiro Aoki
康浩 青木
Seiji Maeda
誠二 前田
Seiichiro Hayakawa
誠一郎 早川
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrolyte having excellent performance, e.g. a high conductivity or a wide potential window, exhibiting excellent safety, and useful in a lithium secondary battery.SOLUTION: The electrolyte contains constituents (A1), (A2), and (B). (A1) lithium cation, (A2) organic cation, (B) cyanofluorophosphate based anion represented by general formula (1),P(CN)F...(1)(where, n is an integer of 1-5).

Description

本発明は、リチウム二次電池用に有用な電解質に関し、更に詳しくは、導電率や電位窓などの電解質としての性能に優れ、かつ安全性に優れる、リチウム二次電池用に有用な電解質、及びそれを用いたリチウム二次電池に関するものである。   The present invention relates to an electrolyte useful for a lithium secondary battery, more specifically, an electrolyte useful for a lithium secondary battery, which has excellent performance as an electrolyte such as conductivity and potential window, and is excellent in safety, and The present invention relates to a lithium secondary battery using the same.

近年、ノート型パソコン、携帯電話、PDAなどの情報電子機器において、リチウム二次電池の普及は著しく、より快適な携帯性を求め、電池の小型化、薄型化、軽量化、高性能化が急速に進んでいる。また、次世代の自動車として期待される電気自動車においても、リチウム二次電池の適用が検討されており、更なる小型化、軽量化、高性能化が必要となっている。   In recent years, lithium secondary batteries have been widely used in information electronic devices such as notebook computers, mobile phones, and PDAs, and the demand for more comfortable portability has led to rapid reductions in size, thickness, weight, and performance of batteries. Is going on. In addition, the application of lithium secondary batteries is also being considered for electric vehicles expected as next-generation vehicles, and further miniaturization, weight reduction, and higher performance are required.

一方、情報電子機器の発火や暴発など、現在のリチウム二次電池の安全性が問題になっている。現在のリチウム二次電池は、LiPFやLiBFなどのリチウム塩を、プロピレンカーボネートやジエチルカーボネートなどの可燃性かつ揮発性の有機溶媒に溶解した電解質を用いるために、常に発火や暴発の危険性をはらんでいる。これらの危険性は、大容量電池になるほど増加し、電気自動車普及の妨げになっていた。 On the other hand, the safety of current lithium secondary batteries has become a problem, such as the firing and explosion of information electronic equipment. The current lithium secondary battery uses an electrolyte in which a lithium salt such as LiPF 6 or LiBF 4 is dissolved in a flammable and volatile organic solvent such as propylene carbonate or diethyl carbonate. I am involved. These risks increased as the capacity of the battery increased, and hindered the spread of electric vehicles.

そこで、有機溶媒に替えて難燃性かつ低揮発性のイオン液体を電解液として、これにリチウム塩を溶解して電解質とし、かかる電解質を用いたリチウム二次電池が検討されている。ここで言うイオン液体とは、カチオンとアニオンを含む塩であり、室温付近以下の融点をもつ化合物のことである。   In view of this, a lithium secondary battery using such an electrolyte has been studied in which a flame-retardant and low-volatile ionic liquid is used as an electrolyte instead of an organic solvent and a lithium salt is dissolved in the electrolyte. The ionic liquid referred to herein is a salt containing a cation and an anion, and is a compound having a melting point below room temperature.

イオン液体を用いた電解質としては、例えば、特定の有機カチオンと、リチウムカチオンと、特定の含窒素系有機アニオンとを含有する電解質が提案されている(例えば、特許文献1参照。)。また、特定の含窒素系アニオンを含有するイオン液体がイオン伝導体の材料として適用できることが提案されている(例えば、特許文献2参照。)。また、リチウムカチオンとジシアノアミドアニオンを含有するイオン伝導性材料が提案されている(例えば、特許文献3参照。)。   As an electrolyte using an ionic liquid, for example, an electrolyte containing a specific organic cation, a lithium cation, and a specific nitrogen-containing organic anion has been proposed (see, for example, Patent Document 1). Further, it has been proposed that an ionic liquid containing a specific nitrogen-containing anion can be applied as an ion conductor material (see, for example, Patent Document 2). An ion conductive material containing a lithium cation and a dicyanoamide anion has been proposed (see, for example, Patent Document 3).

特開2004−303642号公報JP 2004-303642 A 特表2001−527505号公報Special table 2001-527505 gazette 特開2004−6240号公報JP 2004-6240 A

しかしながら、上記特許文献1の開示技術では、電解質を構成するアニオンとして、N(SO2CF32N(SO2252N(SO2CF3)(SO249)等が用いられるが、かかるアニオンを用いた電解質では、導電率に劣るという問題がある。特に、自動車電池用電解質に必要な低温(例えば−30℃)での導電率を確保できていない。 However, in the technique disclosed in Patent Document 1, as an anion composing the electrolyte, - N (SO 2 CF 3 ) 2, - N (SO 2 C 2 F 5) 2, - N (SO 2 CF 3) (SO 2 C 4 F 9 ) or the like is used, but an electrolyte using such an anion has a problem that the conductivity is inferior. In particular, the electrical conductivity at a low temperature (for example, −30 ° C.) necessary for an electrolyte for an automobile battery cannot be secured.

また、上記特許文献2の開示技術では、イオン液体のアニオンとして、N(SO2F)2等が用いられるが、かかるアニオンを有するイオン液体は、分解した場合の発熱量が大きく、有機溶媒よりも危険である。例えば、電池内部の温度は、ショートなどの要因で時として数百度に達し、かかる熱暴走により電池が爆発や発火することとなってしまうが、発熱量の大きいイオン液体を電解質材料として用いると、かかる熱暴走を加速することになる。 Further, in the technique disclosed in Patent Document 2, as the anion of the ionic liquid, - but N (SO 2 F) 2 or the like is used, an ionic liquid having such anions are large heating value in the case of degradation, organic solvents Is more dangerous. For example, the temperature inside the battery sometimes reaches several hundred degrees due to a short circuit or the like, and the battery will explode or ignite due to such thermal runaway, but when an ionic liquid with a large calorific value is used as the electrolyte material, This thermal runaway will be accelerated.

また、上記特許文献3の開示技術では、アニオンとして、ジシアノアミドアニオン等が用いられるが、かかるアニオンを有するイオン液体は、電位窓が4Vと狭く、電池の高出力化が困難である。   In the disclosed technique of Patent Document 3, a dicyanoamide anion or the like is used as an anion. An ionic liquid having such an anion has a narrow potential window of 4 V, and it is difficult to increase the battery output.

更に、上述した電解質では、電池の正極表面及び/または負極表面で酸化及び/または還元による分解反応が進行するため、広い電位窓を有する正極材料と負極材料を用いても、その広い電位窓を有効に活用できない。例えば、イミダゾリウム系カチオンと含窒素系有機アニオンよりなるイオン液体系電解質の電位窓は、一般的に3〜5V程度であるのに対し、自動車用電池に使用される電解質では5V以上が必要である。特に、過充電状態においても電池の安全性を確保するためには、0.1Vでも広い電位窓を持つ電解質が必要となる。   Furthermore, in the above-described electrolyte, since a decomposition reaction by oxidation and / or reduction proceeds on the positive electrode surface and / or the negative electrode surface of the battery, even if a positive electrode material and a negative electrode material having a wide potential window are used, the wide potential window is reduced. It cannot be used effectively. For example, the potential window of an ionic liquid electrolyte composed of an imidazolium cation and a nitrogen-containing organic anion is generally about 3 to 5 V, whereas an electrolyte used in an automobile battery requires 5 V or more. is there. In particular, in order to ensure the safety of the battery even in an overcharged state, an electrolyte having a wide potential window even at 0.1 V is required.

そこで、本発明ではこのような背景下において、導電率や電位窓などの電解質としての性能に優れ、かつ安全性に優れる、電解質、とりわけリチウム二次電池用電解質、更にはリチウム二次電池を提供することを目的とするものである。   In view of this, the present invention provides an electrolyte, particularly an electrolyte for a lithium secondary battery, and further a lithium secondary battery, which is excellent in performance as an electrolyte such as conductivity and potential window and excellent in safety under such a background. It is intended to do.

しかるに、本発明者らはかかる事情に鑑み鋭意研究を重ねた結果、シアノ基及びフッ素原子を有するホスフェイト系アニオンを含む電解質が、高導電率や広い電位窓を有し、かつ安全性に優れることを見出し、本発明を完成した。   However, as a result of intensive studies in view of such circumstances, the present inventors have found that an electrolyte containing a phosphate anion having a cyano group and a fluorine atom has high conductivity, a wide potential window, and is excellent in safety. The present invention has been completed.

即ち、本発明の要旨は、成分(A1)、(A2)、及び(B)を含有してなることを特徴とする電解質に関するものである。
(A1)リチウムカチオン
(A2)有機カチオン
(B)下記一般式(1)で示されるシアノフルオロホスフェイト系アニオン
That is, the gist of the present invention relates to an electrolyte comprising components (A1), (A2), and (B).
(A1) Lithium cation (A2) Organic cation (B) Cyanofluorophosphate anion represented by the following general formula (1)

[化1]
P(CN)6−n ・・・(1)
(ここで、nは1〜5の整数である。)
更に、本発明においては、前記電解質を、正極と負極との間に挟持してなるリチウム二次電池に関するものである。
[Chemical 1]
- P (CN) n F 6 -n ··· (1)
(Here, n is an integer of 1 to 5.)
Furthermore, the present invention relates to a lithium secondary battery in which the electrolyte is sandwiched between a positive electrode and a negative electrode.

本発明の電解質は、高導電率や広い電位窓を有するなどの電解質、とりわけリチウム二次電池用電解質としての性能に優れ、かつ安全性に優れるリチウム二次電池を得ることができる。   The electrolyte of the present invention can provide a lithium secondary battery that is excellent in performance as an electrolyte having a high conductivity and a wide potential window, in particular, as an electrolyte for a lithium secondary battery and excellent in safety.

以下に、本発明を詳細に説明する。
本発明における電解質とは、リチウムカチオンを必須成分とし、他のカチオンやアニオンを含有してなる導電性物質を表す。また、本発明におけるイオン液体とは、室温付近の一定温度において液体を保持するカチオン及びアニオンを含むイオン性物質のことを表す。なお、本発明において、室温とは通常25℃の温度を意味することとする。
The present invention is described in detail below.
The electrolyte in the present invention represents a conductive substance containing a lithium cation as an essential component and containing other cations and anions. Moreover, the ionic liquid in this invention represents the ionic substance containing the cation and anion which hold | maintain a liquid at the fixed temperature of room temperature vicinity. In the present invention, room temperature usually means a temperature of 25 ° C.

本発明の電解質は、下記の成分(A1)、(A2)、及び(B)を含有してなるものである。
(A1)リチウムカチオン
(A2)有機カチオン
(B)下記一般式(1)で示されるシアノフルオロホスフェイト系アニオン
The electrolyte of the present invention contains the following components (A1), (A2), and (B).
(A1) Lithium cation (A2) Organic cation (B) Cyanofluorophosphate anion represented by the following general formula (1)

[化2]
P(CN)6−n ・・・(1)
(ここで、nは1〜5の整数である。)
[Chemical 2]
- P (CN) n F 6 -n ··· (1)
(Here, n is an integer of 1 to 5.)

nは、1〜5の整数であり、好ましくは融点の点から2〜4であり、特に好ましくは、導電率の点から3である。   n is an integer of 1 to 5, preferably 2 to 4 from the viewpoint of melting point, and particularly preferably 3 from the viewpoint of conductivity.

本発明の電解質の主たる効果は、低粘度であり高い導電率を有することであるが、特に、nが3の場合、アニオンが非対称の化学構造を有することとなり、これにより低粘度化がより向上し、更に、該アニオンには幾何異性体(FacialとMeridional)が存在するため、これらの混在が更なる低粘度化に寄与していると推察される。   The main effect of the electrolyte of the present invention is to have a low viscosity and a high conductivity. In particular, when n is 3, the anion has an asymmetric chemical structure, thereby further reducing the viscosity. Furthermore, since the anion has geometric isomers (facial and meridional), it is presumed that the mixture of these anions contributes to further lowering the viscosity.

また、本発明の電解質の特筆すべき効果は、電池の充放電を行った場合に、アニオンの微量の分解生成物が正極材料表面を被覆して、電極保護膜形成機能を発現し、電池の電位窓を安定化させる機能を有することである。   In addition, the remarkable effect of the electrolyte of the present invention is that when a battery is charged / discharged, a minute amount of anion decomposition products coat the surface of the positive electrode material, and express the function of forming an electrode protective film. It has a function of stabilizing the potential window.

一般的に、イオン液体を電解液として用いると、正極側でアニオンが分解して電池の耐酸化電位が低下し、負極側でカチオンが分解して電池の耐還元電位が低下する。いずれの場合も電位窓が不安定になり、かつ充放電特性が低下することとなる。   In general, when an ionic liquid is used as the electrolytic solution, anions are decomposed on the positive electrode side to lower the oxidation resistance potential of the battery, and cations are decomposed on the negative electrode side to lower the reduction resistance potential of the battery. In either case, the potential window becomes unstable and the charge / discharge characteristics are deteriorated.

一方、有機溶剤を電解液として用いる場合は、一般的に、ビニレンカーボネートなどの電極保護膜形成剤を添加する。これらの添加剤は、電池の使用中に分解して、電極材料表面に安定なSEI(Solid Electrolyte Interface)を形成することが知られている。かかるSEIが、電極を保護すると共に、電解液の酸化や還元を抑止し、正負の電極が本来有する広い電位窓を活用することができる。   On the other hand, when an organic solvent is used as the electrolytic solution, an electrode protective film forming agent such as vinylene carbonate is generally added. It is known that these additives decompose during use of the battery to form a stable SEI (Solid Electrolyte Interface) on the surface of the electrode material. Such SEI protects the electrode, suppresses oxidation and reduction of the electrolytic solution, and can utilize a wide potential window inherently possessed by the positive and negative electrodes.

本発明の電解質においては、上述した電極保護膜形成剤と同様の効果を有するのである。すなわち、正極側でアニオンの一部が分解して、正極材料表面を保護すると共に電解質の更なる分解を抑止する。これらの結果、電池の酸化還元電位が安定し、正負の電極が本来有する広い電位窓を活用することができる。   The electrolyte of the present invention has the same effect as the electrode protective film forming agent described above. That is, a part of the anion is decomposed on the positive electrode side to protect the surface of the positive electrode material and prevent further decomposition of the electrolyte. As a result, the oxidation-reduction potential of the battery is stabilized, and a wide potential window inherently possessed by the positive and negative electrodes can be utilized.

本発明のアニオンがいかなる機構でSEIを形成するかは明らかでないが、アニオンのリン原子、シアノ基、及び/またはフッ素原子が電極表面と反応することにより安定な電極保護膜を形成するものと推測される。なお、上述したビニレンカーボネートなどの電極保護膜形成剤は、一般的に、負極に保護膜を形成して耐還元電位を安定化させるが、本発明の電解質は、正極に保護膜を形成して耐酸化電位を安定化させることができる。   The mechanism by which the anion of the present invention forms SEI is not clear, but it is presumed that the phosphorus atom, cyano group, and / or fluorine atom of the anion react with the electrode surface to form a stable electrode protective film. Is done. The above-described electrode protective film forming agent such as vinylene carbonate generally forms a protective film on the negative electrode to stabilize the reduction resistance potential, but the electrolyte of the present invention forms a protective film on the positive electrode. The oxidation resistance potential can be stabilized.

本発明の電解質の有機カチオン(A2)としては、例えば、イミダゾリウム系カチオン、ピロリジニウム系カチオン、ピペリジニウム系カチオン、脂肪族四級アンモニウム系カチオン等の含窒素系有機カチオン、テトラメチルホスホニウムカチオン、テトラエチルホスホニウムカチオン、テトラプロピルホスホニウムカチオン、テトラブチルホスホニウムカチオン、テトラオクチルホスホニウムカチオン、トリメチルエチルホスホニウムカチオン、トリエチルメチルホスホニウムカチオン、ヘキシルトリメチルホスホニウムカチオン、トリメチルオクチルホスホニウム、トリエチル(メトキシメチル)ホスホニウム、トリエチル(メトキシメチル)ホスホニウムなどのホスホニウムカチオン等の含燐系有機カチオン、トリメチルスルホニウムカチオン、トリエチルスルホニウムカチオン、トリブチルスルホニウムカチオン、ジエチルメチルスルホニウムカチオン、ジメチルプロピルスルホニウム、ジメチルヘキシルスルホニウム等の含硫黄系有機カチオン、オキソニウムカチオンなどが挙げられるが、それらの中でも、電気化学的な安定性の点で、含窒素系有機カチオンが好ましい。   Examples of the organic cation (A2) of the electrolyte of the present invention include nitrogen-containing organic cations such as imidazolium cation, pyrrolidinium cation, piperidinium cation, aliphatic quaternary ammonium cation, tetramethylphosphonium cation, and tetraethylphosphonium. Cations, tetrapropylphosphonium cations, tetrabutylphosphonium cations, tetraoctylphosphonium cations, trimethylethylphosphonium cations, triethylmethylphosphonium cations, hexyltrimethylphosphonium cations, trimethyloctylphosphonium, triethyl (methoxymethyl) phosphonium, triethyl (methoxymethyl) phosphonium, etc. Phosphorus-containing organic cations such as phosphonium cations, trimethylsulfonium Examples include thione, triethylsulfonium cation, tributylsulfonium cation, diethylmethylsulfonium cation, dimethylpropylsulfonium, dimethylhexylsulfonium and other sulfur-containing organic cations, oxonium cation, etc. In this respect, nitrogen-containing organic cations are preferable.

含窒素系有機カチオンとしては、例えば、イミダゾリウム系カチオン、ピロリジニウム系カチオン、ピペリジニウム系カチオン、脂肪族四級アンモニウム系カチオン等が挙げられる。   Examples of the nitrogen-containing organic cation include an imidazolium cation, a pyrrolidinium cation, a piperidinium cation, and an aliphatic quaternary ammonium cation.

イミダゾリウム系カチオンとしては、例えば、1,3−ジメチルイミダゾリウム、1−エチル−3−メチルイミダゾリウム、1−メチル−3−プロピルイミダゾリウム、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウム、1−メチル−3−ペンチルイミダゾリウム、1−ヘキシル−3−メチルイミダゾリウム、1−ヘプチル−3−メチルイミダゾリウム、1−メチル−3−オクチルイミダゾリウム、1−デシル−3−メチルイミダゾリウム、1−ドデシル−3−メチルイミダゾリウム、1−エチル−3−プロピルイミダゾリウム、1−ブチル−3−エチルイミダゾリウム、1−メトキシエチル−3−メチルイミダゾリウム、1−シアノメチル−3−メチルイミダゾリウム、1−シアノエチル−3−メチルイミダゾリウム、1−(3−シアノプロピル)−3−メチルイミダゾリウム、1−メチル−3−トリフルオロメチルイミダゾリウム、1−メチル−3−パーフルオロエチルイミダゾリウム、1−メチル−3−パーフルオロプロピルイミダゾリウム、1−メチル−3−パーフルオロブチルイミダゾリウム、1−エチル−3−トリフルオロメチルイミダゾリウム、1−エチル−3−パーフルオロエチルイミダゾリウム、1−エチル−3−パーフルオロプロピルイミダゾリウム、1−エチル−3−パーフルオロブチルイミダゾリウム、1−プロピル−3−トリフルオロメチルイミダゾリウム、1−パーフルオロエチル−3−プロピルイミダゾリウム、1−パーフルオロプロピル−3−プロピルイミダゾリウム、1−パーフルオロブチル−3−プロピルイミダゾリウム、1−ブチル−3−トリフルオロメチルイミダゾリウム、1−ブチル−3−パーフルオロエチルイミダゾリウム、1−ブチル−3−パーフルオロプロピルイミダゾリウム、1−ブチル−3−パーフルオロブチルイミダゾリウム、1,3−ビス(トリフルオロメチル)イミダゾリウム、1−パーフルオロエチル−3−トリフルオロメチルイミダゾリム,1−パーフルオロプロピル−3−トリフルオロメチルイミダゾリウム,1−パーフルオロブチル−3−トリフルオロメチルイミダゾリウム、1,3−ビス(パーフルオロエチル)イミダゾリウム、1−パーフルオロエチル−3−パーフルオロプロピルイミダゾリウム、1−パーフルオロブチル−3−パーフルオロエチルイミダゾリウム、1,3−ビス(パーフルオロプロピル)イミダゾリウム、1−パーフルオロブチル−3−パーフルオロプロピルイミダゾリウム、1,3−ビス(パーフルオロブチル)イミダゾリウム等の2置換イミダゾリウム系カチオン、1,2,3−トリメチルイミダゾリウム、1,3,5−トリメチルイミダゾリウム、3−エチル−1,2−ジメチルイミダゾリウム、2−エチル−1,3−ジメチルイミダゾリウム、3−エチル−1,5−ジメチルイミダゾリウム、1,2−ジメチル−3−プロピルイミダゾリウム、1,3−ジメチル−2−プロピルイミダゾリウム、1,5−ジメチル−3−プロピルイミダゾリム、1−ブチル−2,3−ジメチルイミダゾリウム、2−ブチル−1,3−ジメチルイミダゾリウム、3−ブチル−1,5−ジメチルイミダゾリウム、1,2−ジメチル−3−ヘキシルイミダゾリウム、1,2−ジメチル−3−オクチルイミダゾリウム、1−エチル−3,4−ジメチルイミダゾリウム、1−イソプロピル−2,3−ジメチルイミダゾリウム、3−トリフルオロメチル−1,2ジメチルイミダゾリウム、3−パーフルオロエチル−1,2−ジメチルイミダゾリウム、3−パーフルオロプロピル−1,2−ジメチルイミダゾリム、3−パーフルオロブチル−1,2−ジメチルイミダゾリウム、1,3−ビス(トリフルオロメチル)−2−メチルイミダゾリウム、1−パーフルオロエチル−2−メチル−3−トリフルオロメチルイミダゾリム、2−シアノ−1,3−ジメチルイミダゾリウム、2−シアノ−1−エチル−4−メチルイミダゾリウム、2−シアノ−1−プロピル−4−メチルイミダゾリウム、1−ブチル−2−シアノ−4−メチルイミダゾリウム等の3置換イミダゾリウム系カチオンなどを挙げることができる。   Examples of the imidazolium-based cation include 1,3-dimethylimidazolium, 1-ethyl-3-methylimidazolium, 1-methyl-3-propylimidazolium, 1-butyl-3-methylimidazolium, and 1-methyl. -3-pentylimidazolium, 1-hexyl-3-methylimidazolium, 1-heptyl-3-methylimidazolium, 1-methyl-3-octylimidazolium, 1-decyl-3-methylimidazolium, 1-dodecyl -3-methylimidazolium, 1-ethyl-3-propylimidazolium, 1-butyl-3-ethylimidazolium, 1-methoxyethyl-3-methylimidazolium, 1-cyanomethyl-3-methylimidazolium, 1- Cyanoethyl-3-methylimidazolium, 1- (3-cyanopropyl) 3-methylimidazolium, 1-methyl-3-trifluoromethylimidazolium, 1-methyl-3-perfluoroethylimidazolium, 1-methyl-3-perfluoropropylimidazolium, 1-methyl-3-perfluoro Butylimidazolium, 1-ethyl-3-trifluoromethylimidazolium, 1-ethyl-3-perfluoroethylimidazolium, 1-ethyl-3-perfluoropropylimidazolium, 1-ethyl-3-perfluorobutylimidazole 1-perfluoroethyl-3-propylimidazolium, 1-perfluoropropyl-3-propylimidazolium, 1-perfluorobutyl-3-propylimidazolium, 1-perfluorobutyl-3-propylimidazolium, 1-butyl-3-trifluorome Louis imidazolium, 1-butyl-3-perfluoroethylimidazolium, 1-butyl-3-perfluoropropylimidazolium, 1-butyl-3-perfluorobutylimidazolium, 1,3-bis (trifluoromethyl) Imidazolium, 1-perfluoroethyl-3-trifluoromethylimidazolium, 1-perfluoropropyl-3-trifluoromethylimidazolium, 1-perfluorobutyl-3-trifluoromethylimidazolium, 1,3-bis (Perfluoroethyl) imidazolium, 1-perfluoroethyl-3-perfluoropropylimidazolium, 1-perfluorobutyl-3-perfluoroethylimidazolium, 1,3-bis (perfluoropropyl) imidazolium, 1 -Perfluorobutyl-3-pa Disubstituted imidazolium cations such as fluoropropylimidazolium, 1,3-bis (perfluorobutyl) imidazolium, 1,2,3-trimethylimidazolium, 1,3,5-trimethylimidazolium, 3-ethyl- 1,2-dimethylimidazolium, 2-ethyl-1,3-dimethylimidazolium, 3-ethyl-1,5-dimethylimidazolium, 1,2-dimethyl-3-propylimidazolium, 1,3-dimethyl- 2-propylimidazolium, 1,5-dimethyl-3-propylimidazolim, 1-butyl-2,3-dimethylimidazolium, 2-butyl-1,3-dimethylimidazolium, 3-butyl-1,5- Dimethylimidazolium, 1,2-dimethyl-3-hexylimidazolium, 1,2-dimethyl-3-octi Louis imidazolium, 1-ethyl-3,4-dimethylimidazolium, 1-isopropyl-2,3-dimethylimidazolium, 3-trifluoromethyl-1,2 dimethylimidazolium, 3-perfluoroethyl-1,2 -Dimethylimidazolium, 3-perfluoropropyl-1,2-dimethylimidazolim, 3-perfluorobutyl-1,2-dimethylimidazolium, 1,3-bis (trifluoromethyl) -2-methylimidazolium, 1-perfluoroethyl-2-methyl-3-trifluoromethylimidazolim, 2-cyano-1,3-dimethylimidazolium, 2-cyano-1-ethyl-4-methylimidazolium, 2-cyano-1- Propyl-4-methylimidazolium, 1-butyl-2-cyano-4-methylimidazolium, etc. And a substituted imidazolium cation and the like.

ピロリジニウム系カチオンとしては、例えば、N,N−ジメチルピロリジニウム、N−エチル−N−メチルピロリジニウム、N−メチル−N−プロピルピロリジニウム、N−ブチル−N−メチルピロリジニウム、N−メチル−N−ペンチルピロリジニウム、N−ヘキシル−N−メチルピロリジニウム、N−メチル−N−オクチルピロリジニウム、N−デシル−N−メチルピロリジニウム、N−ドデシル−N−メチルピロリジニウム、N−(2−メトキシエチル)−N−メチルピロリジニウム、N−(2−エトキシエチル)−N−メチルピロリジニウム、N−(2−プロポキシエチル)−N−メチルピロリジニウム、N−(2−イソプロポキシエチル)−N−メチルピロリジニウムなどを挙げることができる。   Examples of the pyrrolidinium cation include N, N-dimethylpyrrolidinium, N-ethyl-N-methylpyrrolidinium, N-methyl-N-propylpyrrolidinium, N-butyl-N-methylpyrrolidinium, N-methyl-N-pentylpyrrolidinium, N-hexyl-N-methylpyrrolidinium, N-methyl-N-octylpyrrolidinium, N-decyl-N-methylpyrrolidinium, N-dodecyl-N- Methylpyrrolidinium, N- (2-methoxyethyl) -N-methylpyrrolidinium, N- (2-ethoxyethyl) -N-methylpyrrolidinium, N- (2-propoxyethyl) -N-methylpyrrole Examples thereof include dinium and N- (2-isopropoxyethyl) -N-methylpyrrolidinium.

ピペリジニウム系カチオンとしては、例えば、N,N−ジメチルピペリジニウム、N−エチル−N−メチルピペリジニウムイオン、N−メチル−N−プロピルピペリジニウム、N−ブチル−N−メチルピペリジニウム、N−メチル−N−ペンチルピペリジニウム、N−ヘキシル−N−メチルピペリジニウム、N−メチル−N−オクチルピペリジニウム、N−デシル−N−メチルピペリジニウム、N−ドデシル−N−メチルピペリジニウム、N−(2−メトキシエチル)−N−メチルピペリジニウム、N−(2−メトキシエチル)−N−エチルピペリジニウム、N−(2−エトキシエチル)−N−メチルピペリジニウム、N−メチル−N−(2−メトキシフェニル)ピペリジニウム、N−メチル−N−(4−メトキシフェニル)ピペリジニウム、N−エチル−N−(2−メトキシフェニル)ピペリジニウム、N−エチル−N−(4−メトキシフェニル)ピペリジニウムなどを挙げることができる。   Examples of piperidinium-based cations include N, N-dimethylpiperidinium, N-ethyl-N-methylpiperidinium ion, N-methyl-N-propylpiperidinium, N-butyl-N-methylpiperidinium, N-methyl-N-pentylpiperidinium, N-hexyl-N-methylpiperidinium, N-methyl-N-octylpiperidinium, N-decyl-N-methylpiperidinium, N-dodecyl-N- Methylpiperidinium, N- (2-methoxyethyl) -N-methylpiperidinium, N- (2-methoxyethyl) -N-ethylpiperidinium, N- (2-ethoxyethyl) -N-methylpi Peridinium, N-methyl-N- (2-methoxyphenyl) piperidinium, N-methyl-N- (4-methoxyphenyl) piperidinium Ethyl -N- N-(2-methoxyphenyl) piperidinium, N- ethyl -N- (4-methoxyphenyl) piperidinium and the like.

脂肪族四級アンモニウム系カチオンとしては、例えば、N,N,N,N−テトラメチルアンモニウム、N,N,N−トリメチルエチルアンモニウム、N,N,N−トリメチルプロピルアンモニウム、N,N,N−トリメチルブチルアンモニウム、N,N,N−トリメチルペンチルアンモニウム、N,N,N−トリメチルヘキシルアンモニウム、N,N,N−トリメチルヘプチルアンモニウム、N,N,N−トリメチルオクチルアンモニウム、N,N,N−トリメチルデシルアンモニウム、N,N,N−トリメチルドデシルアンモニウム、N−エチル−N,N−ジメチルプロピルアンモニウム、N−エチル−N,N−ジメチルブチルアンモニウム、N−エチル−N,N−ジメチルヘキシルアンモニウム、2−メトキシ−N,N,N−トリメチルエチルアンモニウム、2−エトキシ−N,N,N−トリメチルエチルアンモニウム、2−プロポキシ−N,N,N−トリメチルエチルアンモニウム、N−(2−メトキシエチル)−N,N−ジメチルプロピルアンモニウム、N−(2−メトキシエチル)−N,N−ジメチルブチルアンモニウムなどを挙げることができる。   Examples of the aliphatic quaternary ammonium cation include N, N, N, N-tetramethylammonium, N, N, N-trimethylethylammonium, N, N, N-trimethylpropylammonium, N, N, N- Trimethylbutylammonium, N, N, N-trimethylpentylammonium, N, N, N-trimethylhexylammonium, N, N, N-trimethylheptylammonium, N, N, N-trimethyloctylammonium, N, N, N- Trimethyldecylammonium, N, N, N-trimethyldodecylammonium, N-ethyl-N, N-dimethylpropylammonium, N-ethyl-N, N-dimethylbutylammonium, N-ethyl-N, N-dimethylhexylammonium, 2-methoxy-N, N, N-trimethyl Tillammonium, 2-ethoxy-N, N, N-trimethylethylammonium, 2-propoxy-N, N, N-trimethylethylammonium, N- (2-methoxyethyl) -N, N-dimethylpropylammonium, N- (2-methoxyethyl) -N, N-dimethylbutylammonium and the like can be mentioned.

上記の含窒素系有機カチオンの中でも、導電率の点から特にイミダゾリウム系カチオンが好ましく、更には、電位窓の点から1−エチル−3−メチルイミダゾリウム、1−プロピル−3−メチルイミダゾリウム、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウム等のジアルキルイミダゾリウムカチオン、1−ブチル−2,3−ジメチルイミダゾリウム等のトリアルキルイミダゾリウムカチオンが好ましい。   Among the above nitrogen-containing organic cations, imidazolium-based cations are particularly preferable from the viewpoint of electrical conductivity, and 1-ethyl-3-methylimidazolium and 1-propyl-3-methylimidazolium are further preferable from the viewpoint of potential window. Dialkylimidazolium cations such as 1-butyl-3-methylimidazolium and trialkylimidazolium cations such as 1-butyl-2,3-dimethylimidazolium are preferred.

本発明においては、リチウムカチオンが配合された電解質を提供するものである。前述したとおり、例えば、リチウム二次電池用電解質は、電解液にリチウム塩(固体電解質)や電極保護膜形成剤などを溶解して製造されるため、これらの溶解工程は、水分を極力排除したドライ雰囲気下、かつクリーンな環境で行われるが、多大な設備と労力を必要とする。更に、本来リチウム二次電池用電解質には、リチウムカチオンが存在すれば十分であるところに、リチウム塩のカウンターアニオンも存在せざるを得ない。一般的に、リチウム塩としてLiPFやLiBFが使用されるが、これらのカウンターアニオンであるPFBFは、水分により分解されやすく、電解質の粘度を上げて導電率を低下させるなどの弊害がある。 In the present invention, an electrolyte containing a lithium cation is provided. As described above, for example, an electrolyte for a lithium secondary battery is manufactured by dissolving a lithium salt (solid electrolyte), an electrode protective film forming agent, or the like in an electrolytic solution. Therefore, these dissolving steps eliminate moisture as much as possible. Although it is performed in a dry environment and in a clean environment, it requires a large amount of equipment and labor. Furthermore, in the electrolyte for a lithium secondary battery, a lithium salt counter anion must be present where a lithium cation is sufficient. In general, LiPF 6 or LiBF 4 is used as a lithium salt, is these counter anions - PF 6 or - BF 4 is easily decomposed by water, reducing the conductivity to increase the viscosity of the electrolyte There are harmful effects such as.

本発明の電解質においては、上記のようなリチウム塩をあらたに添加する必要はなく、不要なカウンターアニオンを除外することができる。また、上記のようなリチウム塩をあらたに添加するとしても、その添加量を少量にすることができ、それに伴い不要なカウンターアニオンの含有量を少なくすることができる。 In the electrolyte of the present invention, it is not necessary to newly add the lithium salt as described above, and unnecessary counter anions can be excluded. Moreover, even if the lithium salt as described above is newly added, the addition amount can be made small, and accordingly, the content of unnecessary counter anions can be reduced.

本発明におけるリチウムカチオン(A1)のモル数a、有機カチオン(A2)のモル数a、及びシアノフルオロホスフェイト系アニオン(B)のモル数bは、導電率の点から、下記の式(1−1)及び(2−1)を満たすことが好ましい。
式(1−1) 0.05≦a/(a+a)≦0.4
式(2−1) 1≦(a+a)/b≦1.3
Moles b moles a 1, the number of moles a 2, and cyano fluoro phosphate based anionic organic cation (A2) of lithium cation (A1) (B) in the present invention, from the viewpoint of conductivity, the following formula It is preferable to satisfy (1-1) and (2-1).
Formula (1-1) 0.05 ≦ a 1 / (a 1 + a 2 ) ≦ 0.4
Formula (2-1) 1 ≦ (a 1 + a 2 ) /b≦1.3

式(1−1)に関して、電位窓の点から、より好ましくは、
式(1―2) 0.08≦a/(a+a)≦0.3
充放電特性の点から、特に好ましくは、
式(1―3) 0.1≦a/(a+a)≦0.25
である。上記下限値未満だと、リチウムカチオンが不足する傾向にあり、リチウム二次電池としての性能が確保できない傾向があり、上限値を超えると導電率が低下する傾向がある。
Regarding the formula (1-1), from the point of the potential window, more preferably,
Formula (1-2) 0.08 ≦ a 1 / (a 1 + a 2 ) ≦ 0.3
From the viewpoint of charge / discharge characteristics, particularly preferably,
Formula (1-3) 0.1 ≦ a 1 / (a 1 + a 2 ) ≦ 0.25
It is. If it is less than the above lower limit value, the lithium cation tends to be insufficient, and there is a tendency that the performance as a lithium secondary battery cannot be ensured, and if it exceeds the upper limit value, the conductivity tends to decrease.

式(2−1)に関して、電位窓の点から、より好ましくは、
式(2―2) 1≦(a+a)/b≦1.2
充放電特性の点から、特に好ましくは、
式(2―3) 1≦(a+a)/b≦1.1
である。上記下限値未満でも上限値を超えても導電率が低下する傾向がある。なお、この場合の1未満は、リチウムカチオン以外の無機カチオンが存在することを意味し、1を超えることは、シアノフルオロホスフェイト系アニオン以外のアニオンが存在することを意味する。
Regarding the formula (2-1), from the point of the potential window, more preferably,
Formula (2-2) 1 ≦ (a 1 + a 2 ) /b≦1.2
From the viewpoint of charge / discharge characteristics, particularly preferably,
Formula (2-3) 1 ≦ (a 1 + a 2 ) /b≦1.1
It is. Even if it is less than the above lower limit value or exceeds the upper limit value, the conductivity tends to decrease. In this case, less than 1 means that an inorganic cation other than the lithium cation exists, and exceeding 1 means that an anion other than the cyanofluorophosphate anion exists.

本発明の電解質は、導電率が25℃において3mS/cm以上であることが好ましく、より好ましくは5mS/cm以上、更に好ましくは7mS/cm以上、特に好ましくは8mS/cm以上である。なお、25℃での導電率の上限は通常、100mS/cmである。25℃における導電率が小さすぎると、電池の高速充放電が困難となる。   The electrolyte of the present invention preferably has a conductivity of 3 mS / cm or more at 25 ° C., more preferably 5 mS / cm or more, still more preferably 7 mS / cm or more, and particularly preferably 8 mS / cm or more. The upper limit of the conductivity at 25 ° C. is usually 100 mS / cm. If the electrical conductivity at 25 ° C. is too small, high-speed charge / discharge of the battery becomes difficult.

更に、本発明においては、低温での導電率が重要であり、例えば、電解質の−30℃での導電率が0.01mS/cm以上であることが好ましく、より好ましくは0.1mS/cm以上、更に好ましくは0.2mS/cm以上、特に好ましくは0.3mS/cm以上である。なお、−30℃での導電率の上限は通常、10mS/cmである。−30℃における導電率が小さすぎると、寒冷地での電池の動作が困難となる。   Furthermore, in the present invention, the conductivity at low temperature is important. For example, the conductivity of the electrolyte at −30 ° C. is preferably 0.01 mS / cm or more, more preferably 0.1 mS / cm or more. More preferably, it is 0.2 mS / cm or more, and particularly preferably 0.3 mS / cm or more. In addition, the upper limit of the conductivity at −30 ° C. is usually 10 mS / cm. If the conductivity at −30 ° C. is too small, the operation of the battery in a cold region becomes difficult.

更に、本発明の電解質の電位窓は、5V以上であることが好ましく、更に好ましくは6V以上、特に好ましくは7V以上である。電位窓が狭すぎると電池の高出力に対応できない傾向がある。なお、電位窓の上限値としては通常、10Vである。   Furthermore, the potential window of the electrolyte of the present invention is preferably 5 V or more, more preferably 6 V or more, and particularly preferably 7 V or more. If the potential window is too narrow, there is a tendency that it cannot cope with the high output of the battery. The upper limit value of the potential window is usually 10V.

更に、本発明の電解質の融点は、−30℃以下であることが好ましく、更に好ましくは−40℃以下、特に好ましくは−50℃以下である。融点が高すぎると電解質が凍結しやすい傾向にある。なお、融点の下限値としては通常、−250℃である。   Furthermore, the melting point of the electrolyte of the present invention is preferably −30 ° C. or lower, more preferably −40 ° C. or lower, and particularly preferably −50 ° C. or lower. If the melting point is too high, the electrolyte tends to freeze. In addition, as a lower limit of melting | fusing point, it is -250 degreeC normally.

更に、電解質の引火点は、200℃以上であることが好ましく、更に好ましくは300℃以上、特に好ましくは350℃以上である。引火点が低すぎると電池の安全性が低下する傾向にある。なお、引火点の上限値としては通常、600℃である。なお引火点は、JIS K 2265(―1,2,3,4)に準じて測定される値である。   Furthermore, the flash point of the electrolyte is preferably 200 ° C. or higher, more preferably 300 ° C. or higher, and particularly preferably 350 ° C. or higher. If the flash point is too low, the safety of the battery tends to decrease. The upper limit of the flash point is usually 600 ° C. The flash point is a value measured according to JIS K 2265 (-1, 2, 3, 4).

次に、本発明の電解質の製造方法について説明する。
本発明の電解質は、例えば、有機カチオン(A2)とシアノフルオロホスフェイト系アニオン(B)よりなるイオン液体(I)のカチオン交換により得られる。すなわち、イオン液体中の有機カチオン(A2)の一部をリチウムカチオン(A1)と交換することにより得られる。
Next, the manufacturing method of the electrolyte of this invention is demonstrated.
The electrolyte of the present invention can be obtained, for example, by cation exchange of an ionic liquid (I) comprising an organic cation (A2) and a cyanofluorophosphate anion (B). That is, it can be obtained by exchanging a part of the organic cation (A2) in the ionic liquid with the lithium cation (A1).

まず、有機カチオン(A2)とシアノフルオロホスフェイト系アニオン(B)よりなるイオン液体(I)の製造方法を説明する。   First, a method for producing an ionic liquid (I) comprising an organic cation (A2) and a cyanofluorophosphate anion (B) will be described.

有機カチオン(A2)としてアルキルイミダゾリウムカチオンを例にとり、かかるカチオンの塩素化物と、五塩化リンを反応させ、得られるヘキサクロロホスフェイト系アニオンをシアノ化、次いでフッ素化してシアノフルオロホスフェイト系アニオンとする。但し、本発明ではこれに限定されるものではなく、原料が異なっても以下の説明に準じて製造することができる。   Taking an alkylimidazolium cation as an example of the organic cation (A2), a chlorinated product of such a cation and phosphorus pentachloride are reacted, and the resulting hexachlorophosphate anion is cyanated and then fluorinated to form a cyanofluorophosphate anion. To do. However, the present invention is not limited to this, and it can be produced according to the following description even if the raw materials are different.

カチオン源となるアルキルイミダゾリウムの塩素化物は、イミダゾールとクロロアルキルを当モル量で反応させ、4級アンモニウム塩化して得ることができる。   The chlorinated alkyl imidazolium used as a cation source can be obtained by reacting imidazole and chloroalkyl in equimolar amounts and quaternizing ammonium chloride.

次いで、アルキルイミダゾリウムの塩素化物と、当モル量の五塩化リンを、反応溶媒中で攪拌し、通常室温〜100℃、好ましくは室温〜50℃で、通常数分〜数時間、好ましくは10分〜1時間反応させて、アルキルイミダゾリウムカチオンとヘキサクロロホスフェイト系アニオンを含む中間体を得る。反応は不活性ガス雰囲気下で行うことが好ましく、特に、乾燥雰囲気下で行うことが好ましい。反応溶媒としては、アセトン、メチルエチルケトン、アセトニトリル、ジクロロメタン、ジクロロエチレン、クロロホルム、テトラヒドロフラン(THF)、ジメチルホルムアミド(DMF)、ジメチルスルホキシド(DMSO)などの極性溶媒が好ましく、特に、脱水ジクロロメタン、脱水アセトニトリルが好ましい。   Next, the chlorinated product of alkylimidazolium and an equimolar amount of phosphorus pentachloride are stirred in a reaction solvent, usually at room temperature to 100 ° C., preferably at room temperature to 50 ° C., usually for several minutes to several hours, preferably 10 The reaction is carried out for from 1 to 1 hour to obtain an intermediate containing an alkylimidazolium cation and a hexachlorophosphate anion. The reaction is preferably performed in an inert gas atmosphere, and particularly preferably performed in a dry atmosphere. As the reaction solvent, polar solvents such as acetone, methyl ethyl ketone, acetonitrile, dichloromethane, dichloroethylene, chloroform, tetrahydrofuran (THF), dimethylformamide (DMF), dimethyl sulfoxide (DMSO) are preferable, and dehydrated dichloromethane and dehydrated acetonitrile are particularly preferable.

更に、反応系にシアノ化合物、例えば、アルキルイミダゾリウムカチオンとヘキサクロロホスフェイト系アニオンを含む中間体1モルに対して、1〜10当量のシアノ化合物を加えて攪拌し、通常−30℃〜100℃、好ましくは0〜50℃、特に好ましくは10〜30℃で、通常数分〜数十時間、好ましくは10分〜50時間、特に好ましくは1〜24時間反応させて、シアノクロロホスフェイト系アニオンを有するイオン液体を得ることができる。反応は不活性ガス雰囲気下で行うことが好ましく、特に、乾燥雰囲気下で行うことが好ましい。シアノ化合物としては、例えば、シアン化水素、トリメチルシリルシアニド、シアン化カリウム、シアン化ナトリウム、シアン化銀、シアン化銅などが挙げられ、これらの中でもシアン化銀、シアン化銅が好ましい。   Further, 1 to 10 equivalents of a cyano compound is added to and stirred with respect to 1 mol of an intermediate containing a cyano compound, for example, an alkylimidazolium cation and a hexachlorophosphate anion, in a reaction system. The cyanochlorophosphate anion is preferably reacted at 0 to 50 ° C., particularly preferably 10 to 30 ° C., usually for several minutes to several tens of hours, preferably 10 minutes to 50 hours, particularly preferably 1 to 24 hours. The ionic liquid which has can be obtained. The reaction is preferably performed in an inert gas atmosphere, and particularly preferably performed in a dry atmosphere. Examples of the cyano compound include hydrogen cyanide, trimethylsilyl cyanide, potassium cyanide, sodium cyanide, silver cyanide and copper cyanide. Among these, silver cyanide and copper cyanide are preferable.

得られたアルキルイミダゾリウムカチオンとシアノクロロホスフェイト系アニオンよりなるイオン液体は、生成するハロゲン化金属や不純物を除去するため、精製することが好ましい。精製の手法は、例えば、濾過、抽出、洗浄、カラムクロマトグラフ、再沈殿、吸着などの手法があげられる。これらの中でも、イオン液体の電気化学特性向上の点から、カラムクロマトグラフが好ましい。カラムとしては、アルミナ、シリカゲル、珪藻土、活性炭などが挙げられるが、特に、不純物イオンを効率的に除去できる点から、アルミナが好ましい。   The obtained ionic liquid comprising an alkylimidazolium cation and a cyanochlorophosphate anion is preferably purified in order to remove the generated metal halide and impurities. Examples of the purification technique include techniques such as filtration, extraction, washing, column chromatography, reprecipitation, and adsorption. Among these, column chromatograph is preferable from the viewpoint of improving the electrochemical characteristics of the ionic liquid. Examples of the column include alumina, silica gel, diatomaceous earth, activated carbon, and the like. Alumina is particularly preferable because impurity ions can be efficiently removed.

かくしてアルキルイミダゾリウムのハロゲン化物と五塩化リンを原料として、アルキルイミダゾリウムカチオンとシアノクロロホスフェイトアニオンを有するイオン液体が得られる。シアノクロロホスフェイト系アニオンの一般式のP(CN)n6-n(X=Cl)におけるnは、シアノ化合物の配合量、反応時間、精製条件などにより制御することができる。 Thus, an ionic liquid having an alkyl imidazolium cation and a cyanochlorophosphate anion can be obtained from the alkyl imidazolium halide and phosphorus pentachloride as raw materials. Cyano chloro phosphate based anionic formula of - n in P (CN) n X 6- n (X = Cl) can be controlled amount of cyano compounds, reaction time, and the like purification conditions.

次いで、シアノクロロホスフェイト系アニオンを有するイオン液体を、フッ素化剤を用いてフッ素化することによりシアノフルオロホスフェイト系アニオンを有するイオン液体が得られる。より具体的には、シアノクロロホスフェイト系アニオンを有するイオン液体1当量に対して1〜10当量のフッ素化剤を加えて、通常0〜100℃、好ましくは20〜80℃、特に好ましくは25〜60℃で、通常数分〜数十時間、好ましくは1〜24時間、特に好ましくは3〜8時間反応させることにより、目的とするシアノフルオロホスフェイト系アニオンを有するイオン液体が得られる。フッ素化剤としては、HF、LiF、NaF、KF、AgF、LiBF、NaBF、KBF、AgBFなどが挙げられ、これらの中ではAgBFとAgFが好ましい。 Next, an ionic liquid having a cyanofluorophosphate anion is obtained by fluorinating the ionic liquid having a cyanochlorophosphate anion with a fluorinating agent. More specifically, 1 to 10 equivalents of a fluorinating agent is added to 1 equivalent of an ionic liquid having a cyanochlorophosphate anion, and usually 0 to 100 ° C, preferably 20 to 80 ° C, particularly preferably 25. An ionic liquid having a desired cyanofluorophosphate anion can be obtained by reacting at -60 ° C for usually several minutes to several tens of hours, preferably 1 to 24 hours, particularly preferably 3 to 8 hours. Examples of the fluorinating agent include HF, LiF, NaF, KF, AgF, LiBF 4 , NaBF 4 , KBF 4 , AgBF 4, and among these, AgBF 4 and AgF are preferable.

フッ素化剤として金属塩を用いる場合、副生する金属カチオンを除去するため、得られたイオン液体に金属カチオン捕集剤を加えて、後処理を行うことが好ましい。金属カチオン捕集剤としては、目的とするイオン液体のカチオンと、ハロゲンアニオンよりなる化合物が好ましい。例えば、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムカチオンとシアノフルオロホスフェイト系アニオンを有するイオン液体を製造する場合、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムカチオンのハロゲン化物を用いる。ハロゲン化物としては塩化物が好ましい。かかる金属カチオン捕集剤は、使用したフッ素化剤1当量に対して0.1〜1当量が好ましく、特に好ましいのは0.3〜0.8当量である。後処理の条件としては、イオン液体に金属カチオン捕集剤を加えて、通常0〜50℃、好ましくは10〜40℃で、通常数分〜数時間、好ましくは10分〜1時間反応させた後、沈殿した金属ハロゲン化物をろ過により取り除き、ろ液を水洗し、乾燥することで純度の高いイオン液体を得ることができる。   When using a metal salt as the fluorinating agent, it is preferable to add a metal cation scavenger to the obtained ionic liquid and perform post-treatment in order to remove by-product metal cations. As the metal cation scavenger, a compound comprising a target ionic liquid cation and a halogen anion is preferable. For example, when producing an ionic liquid having a 1-ethyl-3-methylimidazolium cation and a cyanofluorophosphate anion, a halide of 1-ethyl-3-methylimidazolium cation is used. Chloride is preferred as the halide. The metal cation scavenger is preferably 0.1 to 1 equivalent, particularly preferably 0.3 to 0.8 equivalent, relative to 1 equivalent of the fluorinating agent used. As conditions for the post-treatment, a metal cation scavenger is added to the ionic liquid, and the reaction is usually carried out at 0 to 50 ° C., preferably 10 to 40 ° C., usually for several minutes to several hours, preferably 10 minutes to 1 hour. Thereafter, the precipitated metal halide is removed by filtration, and the filtrate is washed with water and dried to obtain an ionic liquid with high purity.

得られたアルキルイミダゾリウムカチオンとシアノフルオロホスフェイト系アニオンよりなるイオン液体は、更なる不純物を除去するため、精製することが好ましい。精製の手法は、例えば、濾過、抽出、洗浄、カラムクロマトグラフ、再沈殿、吸着などの手法があげられる。これらの中でも、イオン液体の電気化学特性向上の点から、カラムクロマトグラフが好ましい。カラムとしては、アルミナ、シリカゲル、珪藻土、活性炭などが挙げられるが、特に、不純物イオンを効率的に除去できる点から、アルミナが好ましい。   The obtained ionic liquid composed of alkylimidazolium cation and cyanofluorophosphate anion is preferably purified in order to remove further impurities. Examples of the purification technique include techniques such as filtration, extraction, washing, column chromatography, reprecipitation, and adsorption. Among these, column chromatograph is preferable from the viewpoint of improving the electrochemical characteristics of the ionic liquid. Examples of the column include alumina, silica gel, diatomaceous earth, activated carbon, and the like. Alumina is particularly preferable because impurity ions can be efficiently removed.

かくして得られた有機カチオン(A2)及びシアノフルオロホスフェイト系アニオン(B)よりなるイオン液体(I)を用いて、本発明の電解質を製造する。本発明の電解質は、イオン交換樹脂を用いた既存のカチオン交換法により、有機カチオン(A2)の一部をリチウムカチオン(A1)に置換することにより得られるが、生産的な観点から、より好ましくは、例えば、かかるイオン液体(I)と、リチウムカチオン(A1)とカウンターアニオンよりなるリチウム塩(II)を反応させ、リチウム塩由来のカウンターアニオンを溶剤洗浄や分解などの手法により除去することで得られる。   The electrolyte of the present invention is produced using the ionic liquid (I) comprising the organic cation (A2) and the cyanofluorophosphate anion (B) thus obtained. The electrolyte of the present invention can be obtained by substituting a part of the organic cation (A2) with the lithium cation (A1) by an existing cation exchange method using an ion exchange resin, but is more preferable from the viewpoint of productivity. For example, by reacting the ionic liquid (I) with a lithium salt (II) composed of a lithium cation (A1) and a counter anion, the counter anion derived from the lithium salt is removed by a technique such as solvent washing or decomposition. can get.

イオン交換樹脂を用いたカチオン交換法としては、公知の手法であればよく、例えば、スチレン系などのイオン交換樹脂に水酸化リチウムの水溶液を作用させて、樹脂にリチウムカチオンを担時させた後、この樹脂にイオン液体(I)を作用させて、有機カチオン(A2)の一部をリチウムカチオン(A1)に置換する。   As a cation exchange method using an ion exchange resin, any known method may be used. For example, after an aqueous solution of lithium hydroxide is allowed to act on an ion exchange resin such as a styrene type, the resin is loaded with lithium cations. Then, the ionic liquid (I) is allowed to act on this resin to replace a part of the organic cation (A2) with the lithium cation (A1).

リチウム塩(II)としては、例えば、LiBF、LiF、LiCl、LiBr、LiI、LiPF、LiOH、LiCO2H、LiCO2CH3、LiCO2CF3、LiSO2CH3、LiSO2CF3、LiCN、LiN(CN)2、LiC(CN)、LiSCN、LiN(SO2CF32、LiN(SO2F)2等が挙げられる。これらの中では、イオン液体(I)に対する溶解度の点から、LiBF、LiPF、LiCO2H、LiCO2CH3、LiCO2CF3、LiSO2CH3、LiSO2CF3、LiN(SO2CF32が好ましく、さらに好ましくは、カウンターアニオンの水に対する溶解度からLiBF、LiPF、LiCO2H、LiCO2CH3、LiCO2CF3、LiSO2CH3、LiSO2CF3が好ましい。反応溶剤は特段必要としないが、反応溶剤を使用する場合は、例えば、カチオン交換の効率の点で、塩化メチレン、クロロホルム、トルエンが好ましく、溶剤洗浄の効率の点から、塩化メチレンが好ましい。 Examples of the lithium salt (II) include LiBF 4 , LiF, LiCl, LiBr, LiI, LiPF 6 , LiOH, LiCO 2 H, LiCO 2 CH 3 , LiCO 2 CF 3 , LiSO 2 CH 3 , LiSO 2 CF 3 , Examples include LiCN, LiN (CN) 2 , LiC (CN) 3 , LiSCN, LiN (SO 2 CF 3 ) 2 , LiN (SO 2 F) 2 and the like. Among these, from the viewpoint of solubility in the ionic liquid (I), LiBF 4 , LiPF 6 , LiCO 2 H, LiCO 2 CH 3 , LiCO 2 CF 3 , LiSO 2 CH 3 , LiSO 2 CF 3 , LiN (SO 2 CF 3 ) 2 is preferable, and LiBF 4 , LiPF 6 , LiCO 2 H, LiCO 2 CH 3 , LiCO 2 CF 3 , LiSO 2 CH 3 , and LiSO 2 CF 3 are more preferable because of the solubility of the counter anion in water. Although a reaction solvent is not particularly required, when a reaction solvent is used, for example, methylene chloride, chloroform, and toluene are preferable from the viewpoint of cation exchange efficiency, and methylene chloride is preferable from the viewpoint of efficiency of solvent washing.

反応の具体的な手法としては、例えば、イオン液体(I)10〜90モル%とリチウム塩(II)90〜10モル%を、10〜60℃で、1分〜24時間撹拌することにより、リチウムカチオン、有機カチオン、カウンターアニオン、及びシアノフロオロホスフェイト系アニオンよりなる組成物を得る。配合比の好ましい範囲は、イオン液体(I)20〜80モル%とリチウム塩(II)80〜20モル%、更に好ましくは、イオン液体(I)30〜75モル%とリチウム塩(II)70〜25モル%である。リチウム塩の量が少ないと、電解質中のリチウムカチオンが不足する傾向にあり、リチウム二次電池としての性能が確保できない傾向があり、逆に、リチウム塩の量が多いと、電解質が高粘度化し導電率が低下する傾向がある。反応温度の好ましい範囲は、20〜50℃、より好ましくは、25〜40℃である。反応温度が低すぎると反応に時間がかかる傾向に有り、高すぎるとカウンターアニオンが分解しやすい傾向にある。反応時間の好ましい範囲は、30分〜12時間、より好ましくは、1〜6時間である。反応時間が短すぎるとリチウム塩(II)のイオン液体(I)への溶解が不十分となり、カチオン交換が十分に進行しない傾向にあり、長すぎると生産性に劣る傾向にある。 As a specific method of the reaction, for example, 10 to 90 mol% of the ionic liquid (I) and 90 to 10 mol% of the lithium salt (II) are stirred at 10 to 60 ° C for 1 minute to 24 hours, A composition comprising a lithium cation, an organic cation, a counter anion, and a cyanofluorophosphate anion is obtained. A preferable range of the blending ratio is 20 to 80 mol% of ionic liquid (I) and 80 to 20 mol% of lithium salt (II), more preferably 30 to 75 mol% of ionic liquid (I) and 70 of lithium salt (II). ~ 25 mol%. If the amount of lithium salt is small, the lithium cation in the electrolyte tends to be insufficient, and the performance as a lithium secondary battery tends not to be ensured. Conversely, if the amount of lithium salt is large, the electrolyte becomes highly viscous. There is a tendency for the conductivity to decrease. A preferable range of the reaction temperature is 20 to 50 ° C, more preferably 25 to 40 ° C. If the reaction temperature is too low, the reaction tends to take time, and if it is too high, the counter anion tends to decompose. A preferable range of the reaction time is 30 minutes to 12 hours, more preferably 1 to 6 hours. If the reaction time is too short, the lithium salt (II) is not sufficiently dissolved in the ionic liquid (I), and the cation exchange tends not to proceed sufficiently. If it is too long, the productivity tends to be poor.

溶剤洗浄の具体的な手法としては、アルコール、エーテル、及びこれらと水との混合溶剤などの洗浄溶剤を、上述した組成物100重量部に対して、10〜1000重量部を加え、0〜60℃で、1〜5時間撹拌し、カウンターアニオンが溶解した層を除去した後、ろ過、次いで乾燥させ、目的とするリチウムカチオン(A1)、有機カチオン(A2)、及びシアノフルオロホスフェイト系アニオン(B)を含有してなる電解質を得る。洗浄溶剤の配合量は、組成物100重量部に対して、20〜700重量部が好ましく、より好ましくは、30〜500重量部である。洗浄溶剤が少ないと、カウンターアニオンの除去率が低下する傾向にあり、逆に、多すぎると生産性が低下する傾向にある。かかる溶剤洗浄は、2回以上繰り返しても良い。 As a specific method of solvent washing, 10 to 1000 parts by weight of a washing solvent such as alcohol, ether, and a mixed solvent of these and water are added to 100 parts by weight of the composition described above, and 0 to 60 parts are added. The mixture was stirred at 1 ° C. for 1 to 5 hours, and the layer in which the counter anion was dissolved was removed, followed by filtration and then drying. The target lithium cation (A1), organic cation (A2), and cyanofluorophosphate anion ( An electrolyte containing B) is obtained. The blending amount of the cleaning solvent is preferably 20 to 700 parts by weight, and more preferably 30 to 500 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the composition. When the washing solvent is small, the counter anion removal rate tends to decrease, and conversely, when it is too large, the productivity tends to decrease. Such solvent cleaning may be repeated twice or more.

電解質中のリチウムカチオン量、すなわちa/(a+a)は、イオン液体の組成、リチウム塩の種類と量、洗浄溶剤の種類と量で制御することができる。 The amount of lithium cation in the electrolyte, that is, a 1 / (a 1 + a 2 ) can be controlled by the composition of the ionic liquid, the type and amount of the lithium salt, and the type and amount of the cleaning solvent.

カウンターアニオンを分解により除去する具体的な手法としては、イオン液体(I)60〜99モル%と蟻酸リチウムなどのカルボン酸のリチウム塩(II)1〜40モル%を、通常、10〜60℃で、1分〜24時間撹拌し混ぜた後、水などのプロトン源を加え100〜500℃、より好ましくは200〜300℃で加熱することでアニオンを除去することができる。温度が低すぎると反応が進行しない傾向にあり、高すぎると有機カチオンが分解しやすい傾向にある。反応時間の好ましい範囲は、30分〜12時間、より好ましくは、1〜6時間である。時間が短すぎるとアニオンの分解が不十分となり、長すぎると有機カチオンを分解させる傾向にある。   As a specific method for removing the counter anion by decomposition, 60 to 99 mol% of ionic liquid (I) and 1 to 40 mol% of a lithium salt (II) of a carboxylic acid such as lithium formate are usually 10 to 60 ° C. Then, after stirring and mixing for 1 minute to 24 hours, an anion can be removed by adding a proton source such as water and heating at 100 to 500 ° C., more preferably 200 to 300 ° C. If the temperature is too low, the reaction tends not to proceed, and if it is too high, the organic cation tends to decompose. A preferable range of the reaction time is 30 minutes to 12 hours, more preferably 1 to 6 hours. If the time is too short, the decomposition of the anion becomes insufficient, and if it is too long, the organic cation tends to be decomposed.

かくして本発明の電解質が得られるが、本発明の電解質は、リチウム二次電池用電解質として好ましく使用される。 Thus, although the electrolyte of the present invention is obtained, the electrolyte of the present invention is preferably used as an electrolyte for a lithium secondary battery.

本発明の電解質を、リチウム二次電池用電解質として用いる場合は、かかる電解質は1種のみでも2種以上併用してもよく、例えば、有機カチオン(A2)の異なるものや、一般式(1)で示されるシアノフルオロホスフェイト系アニオン(B)のnの異なるもの等を2種以上併用することが挙げられる。   When the electrolyte of the present invention is used as an electrolyte for a lithium secondary battery, such electrolytes may be used alone or in combination of two or more. For example, those having different organic cations (A2) or those represented by the general formula (1) Or a combination of two or more of the different cyanofluorophosphate anions (B) represented by formula (B).

本発明の電解質には、必要に応じて、式(1−1)及び式(2−1)を満足する範囲で、リチウム塩、イオン液体、有機溶剤、電極保護膜形成剤などの添加剤を配合してもよい。   In the electrolyte of the present invention, an additive such as a lithium salt, an ionic liquid, an organic solvent, and an electrode protective film forming agent is added to the electrolyte of the present invention as necessary within a range satisfying the formula (1-1) and the formula (2-1). You may mix | blend.

リチウム塩としては、例えば、LiBF4、LiBR4(Rはフェニル基又はアルキル基を表す)、LiBF4−m(Rはフッ素原子を含んでもよいアルキル基、mは1〜3の整数)、LiPF6、LiSbF6、LiAsF6、LiCIO4、LiSO3CF3、LiN(SO2CF32、LiN(SO2F)2、LiN(SO2CF3)(SO2F)、LiN(CN)2、LiC(SO2CF33、LiSO3613、LiSO3817、LiAlCl4、リチウムテトラキス[3,5−ビス(トリフルオロメチル)フェニル]ボレート等が挙げられる。中でも、本発明の電解質への溶解性の点で、LiBF4、LiPF6、LiN(SO2CF32、LiN(SO2F)2などのリチウム塩が好適に用いられる。 Examples of the lithium salt include LiBF 4 , LiBR 4 (R represents a phenyl group or an alkyl group), LiBF m R 4-m (R is an alkyl group that may contain a fluorine atom, and m is an integer of 1 to 3). , LiPF 6, LiSbF 6, LiAsF 6, LiCIO 4, LiSO 3 CF 3, LiN (SO 2 CF 3) 2, LiN (SO 2 F) 2, LiN (SO 2 CF 3) (SO 2 F), LiN ( CN) 2 , LiC (SO 2 CF 3 ) 3 , LiSO 3 C 6 F 13 , LiSO 3 C 8 F 17 , LiAlCl 4 , lithium tetrakis [3,5-bis (trifluoromethyl) phenyl] borate and the like. . Of these, lithium salts such as LiBF 4 , LiPF 6 , LiN (SO 2 CF 3 ) 2 , and LiN (SO 2 F) 2 are preferably used from the viewpoint of solubility in the electrolyte of the present invention.

イオン液体としては、例えば、アニオンとして、塩素アニオン、臭素アニオン、ヨウ素アニオン、BF4 、BF3CF3 、BF325 、PF6 、NO3 、CF3CO2 、CF3SO3 、(CF3SO22、(FSO22、(CF3SO2)(FSO2)N、(CN)2、(CN)3、(CF3SO23、(C25SO22、AlCl4 、Al2Cl7 などを含有するイオン液体が挙げられる。これに対応するカチオンとしては、1,3−ジメチルイミダゾリウム、1−エチル−3−メチルイミダゾリウム、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウム、1−ヘキシル−3−メチルイミダゾリウム、1−オクチル−3−メチルイミダゾリウム、1−ブチル−2,3−ジメチルイミダゾリウム、1,2,3−トリメチルイミダゾリウム、1,2−ジメチル−3−エチルイミダゾリウムなどのアルキルイミダゾリウム系カチオンが挙げられ、イミダゾリウム系カチオン以外では、4級アンモニウム系カチオン、ピリジニウム系カチオン、4級ホスホニウム系カチオンなどを含有するイオン液体が挙げられる。これらのイオン液体は1種または2種以上併用して用いることができる。 Examples of the ionic liquid include, as anions, chlorine anions, bromine anions, iodine anions, BF 4 , BF 3 CF 3 , BF 3 C 2 F 5 , PF 6 , NO 3 , CF 3 CO 2 −. , CF 3 SO 3 , (CF 3 SO 2 ) 2 N , (FSO 2 ) 2 N , (CF 3 SO 2 ) (FSO 2 ) N , (CN) 2 N , (CN) 3 C -, (CF 3 SO 2) 3 C -, (C 2 F 5 SO 2) 2 N -, AlCl 4 -, Al 2 Cl 7 - and ion liquid containing such. Corresponding cations include 1,3-dimethylimidazolium, 1-ethyl-3-methylimidazolium, 1-butyl-3-methylimidazolium, 1-hexyl-3-methylimidazolium, 1-octyl- And alkyl imidazolium cations such as 3-methylimidazolium, 1-butyl-2,3-dimethylimidazolium, 1,2,3-trimethylimidazolium, 1,2-dimethyl-3-ethylimidazolium, and the like. Other than imidazolium-based cations, ionic liquids containing quaternary ammonium-based cations, pyridinium-based cations, quaternary phosphonium-based cations, and the like can be given. These ionic liquids can be used alone or in combination of two or more.

電極保護膜形成剤としては、例えば、ビニレンカーボネート、1,3−プロパンスルトン、エチレンサルファイト、トリエチルボレート、ブチルメチルスルフォネートなどが挙げられる。この中でも、負極側に安定なSEIを形成する点から、ビニレンカーボネートが特に好ましい。   Examples of the electrode protective film forming agent include vinylene carbonate, 1,3-propane sultone, ethylene sulfite, triethyl borate, butyl methyl sulfonate, and the like. Among these, vinylene carbonate is particularly preferable from the viewpoint of forming stable SEI on the negative electrode side.

かかる電極保護膜形成剤の含有量としては、電解質全体を100重量部とした場合に、0.1〜5重量部であることが好ましく、更に好ましくは0.2〜3重量部、特に好ましくは0.3〜1重量部である。かかる含有量が多すぎると電池の安全性が低下する傾向があり、少なすぎるとリチウム二次電池の電位窓の安定化効果が得られない傾向がある。   The content of the electrode protective film forming agent is preferably 0.1 to 5 parts by weight, more preferably 0.2 to 3 parts by weight, particularly preferably 100 parts by weight of the entire electrolyte. 0.3 to 1 part by weight. If the content is too large, the safety of the battery tends to decrease, and if it is too small, the effect of stabilizing the potential window of the lithium secondary battery tends not to be obtained.

また、本発明においては、更に導電率向上のために、少量の有機溶媒を配合することも可能である。かかる有機溶媒としては、例えば、カーボネート系溶媒(プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート等)、アミド系溶媒(N−メチルホルムアミド、N−エチルホルムアミド、N,N−ジメチルホルムアミド、N−メチルアセトアミド、N−エチルアセトアミド、N−メチルピロジリノン等)、ラクトン系溶媒(γ−ブチルラクトン、γ−バレロラクトン、δ−バレロラクトン、3−メチル−1,3−オキサゾリジン−2−オン等)、アルコール系溶媒(エチレングリコール、プロピレングリコール、グリセリン、メチルセロソルブ、1,2−ブタンジオール、1,3−ブタンジオール、1,4−ブタンジオール、ジグリセリン、ポリオキシアルキレングリコールシクロヘキサンジオール、キシレングリコール等)、エーテル系溶媒(メチラール、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキシエタン、1−エトキシ−2−メトキシエタン、アルコキシポリアルキレンエーテル等)、ニトリル系溶媒(ベンゾニトリル、アセトニトリル、3−メトキシプロピオニトリル等)、燐酸類及び燐酸エステル溶媒(正燐酸、メタ燐酸、ピロ燐酸、ポリ燐酸、亜燐酸、トリメチルホスフェート等)、2−イミダゾリジノン類(1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン等)、ピロリドン類、スルホラン系溶媒(スルホラン、テトラメチレンスルホラン等)、フラン系溶媒(テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、2,5−ジメトキシテトラヒドロフラン等)、ジオキソラン、ジオキサン等が挙げられ、これらの単独あるいは2種以上の混合溶媒が使用できる。これらの中でもカーボネート系溶媒、エーテル系溶媒、フラン系溶媒、スルホラン系溶媒が導電率の点で好ましく、特にスルホラン系溶媒が電池の安全性の点でより好ましく用いられる。   In the present invention, it is also possible to add a small amount of an organic solvent to improve the electrical conductivity. Examples of the organic solvent include carbonate solvents (propylene carbonate, ethylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, etc.), amide solvents (N-methylformamide, N-ethylformamide, N, N-dimethylformamide, N-methylacetamide, N-ethylacetamide, N-methylpyrrolidinone, etc.), lactone solvents (γ-butyllactone, γ-valerolactone, δ-valerolactone, 3-methyl-1,3-oxazolidine-2- ON), alcohol solvents (ethylene glycol, propylene glycol, glycerin, methyl cellosolve, 1,2-butanediol, 1,3-butanediol, 1,4-butanediol, diglycerin, polyoxyalkylene glycol Chlorohexanediol, xylene glycol, etc.), ether solvents (methylal, 1,2-dimethoxyethane, 1,2-diethoxyethane, 1-ethoxy-2-methoxyethane, alkoxypolyalkylene ether, etc.), nitrile solvents ( Benzonitrile, acetonitrile, 3-methoxypropionitrile, etc.), phosphoric acids and phosphate ester solvents (eg orthophosphoric acid, metaphosphoric acid, pyrophosphoric acid, polyphosphoric acid, phosphorous acid, trimethyl phosphate), 2-imidazolidinones (1, 3-dimethyl-2-imidazolidinone, etc.), pyrrolidones, sulfolane solvents (sulfolane, tetramethylene sulfolane, etc.), furan solvents (tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, 2,5-dimethoxytetrahydrofuran, etc.), dioxolane, dioxane Etc. These alone or a mixed solvent can be used. Among these, carbonate-based solvents, ether-based solvents, furan-based solvents, and sulfolane-based solvents are preferable from the viewpoint of conductivity, and sulfolane-based solvents are particularly preferably used from the viewpoint of battery safety.

有機溶媒を使用する場合の含有量は、電解質全体を100体積%とした場合に、30体積%以下が好ましく、特には5〜20体積%が好ましい。含有量が多すぎると電解質の難燃性が低下する傾向になる。   The content in the case of using an organic solvent is preferably 30% by volume or less, particularly preferably 5 to 20% by volume when the entire electrolyte is 100% by volume. When there is too much content, it will become the tendency for the flame retardance of electrolyte to fall.

次に、本発明の電解質を用いて得られるリチウム二次電池について説明する。
本発明では、上記で得られる本発明の電解質を正極と負極との間に挟持してリチウム二次電池を製造する。
Next, a lithium secondary battery obtained using the electrolyte of the present invention will be described.
In the present invention, the lithium secondary battery is produced by sandwiching the electrolyte of the present invention obtained above between a positive electrode and a negative electrode.

かかる正極については、複合正極であることが好ましい。複合正極とは、正極活物質に、ケッチェンブラック、アセチレンブラック等の導電助剤、ポリフッ化ビニリデンなどの結着剤、及び、必要に応じてイオン導電性ポリマーを混合した組成物を、アルミニウム箔などの導電性金属板に塗布したものである。   Such a positive electrode is preferably a composite positive electrode. A composite positive electrode refers to a composition in which a positive electrode active material is mixed with a conductive additive such as ketjen black or acetylene black, a binder such as polyvinylidene fluoride, and an ion conductive polymer as required. It is applied to a conductive metal plate.

正極活物質としては、無機系活物質、有機系活物質、これらの複合体が例示できるが、無機系活物質あるいは無機系活物質と有機系活物質の複合体が、電池のエネルギー密度が大きくなる点から好ましい。   Examples of the positive electrode active material include an inorganic active material, an organic active material, and a composite thereof. However, an inorganic active material or a composite of an inorganic active material and an organic active material has a large energy density. This is preferable.

無機系活物質として、3V系ではLi0.3MnO2、Li4Mn512、V25、LiFePO、LiMnO等、4V系ではLiCoO2、LiMn24、LiNiO2、LiNi1/3Mn1/3Co1/32、LiNi1/2Mn1/22、LiNi0.8Co0.22、LiMnPO、LiMnO等、5V系ではLiMnO、LiNi0.5Mn1.5等の金属酸化物、TiS2、MoS2、FeS等の金属硫化物、これらの化合物とリチウムの複合酸化物が挙げられる。有機系活物質としてはポリアセチレン、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリパラフェニレン等の導電性高分子、有機ジスルフィド化合物、カーボンジスルフィド、活性硫黄等が用いられる。 As the inorganic active material, Li 0.3 MnO 2 , Li 4 Mn 5 O 12 , V 2 O 5 , LiFePO 4 , LiMnO 3, etc. in the 3V system, LiCoO 2 , LiMn 2 O 4 , LiNiO 2 , LiNi 1 / 3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 , LiNi 1/2 Mn 1/2 O 2 , LiNi 0.8 Co 0.2 O 2 , LiMnPO 4 , Li 2 MnO 3, etc. In the 5V system, Li 2 MnO 3 And metal oxides such as LiNi 0.5 Mn 1.5 O 2 , metal sulfides such as TiS 2 , MoS 2 and FeS, and composite oxides of these compounds and lithium. Examples of the organic active material include conductive polymers such as polyacetylene, polyaniline, polypyrrole, polythiophene, and polyparaphenylene, organic disulfide compounds, carbon disulfide, and active sulfur.

負極については、例えば、集電体に負極活物質を直接塗布した金属系負極、合金系の集電体にポリフッ化ビニリデンなどの結着材で導電性高分子、炭素体、酸化物などの活物質を塗布した負極等が挙げられる。   With regard to the negative electrode, for example, a metal-based negative electrode in which a negative electrode active material is directly applied to a current collector, an active material such as a conductive polymer, a carbon body, and an oxide with a binder such as polyvinylidene fluoride on an alloy-based current collector. Examples thereof include a negative electrode coated with a substance.

負極活物質としては、例えば、リチウム金属やシリコン金属、アルミニウム、鉛、スズ、シリコン、マグネシウム等の金属とリチウムとの合金、SnO2、TiO2などの金属酸化物、ポリピリジン、ポリアセチレン、ポリチオフェン、あるいはこれらの誘導体よりなるカチオンドープ可能な導電性高分子、リチウムを吸蔵可能な炭素体などが挙げられるが、中でも特に、本発明の電解質を用いる場合は、エネルギー密度が高いリチウム金属とシリコン金属が好ましい。 Examples of the negative electrode active material include lithium metal and silicon metal, alloys of metals such as lithium, silicon, aluminum, lead, tin, silicon, and magnesium, metal oxides such as SnO 2 and TiO 2 , polypyridine, polyacetylene, polythiophene, or Examples thereof include cation-doped conductive polymers composed of these derivatives, carbon bodies capable of occluding lithium, and in particular, when the electrolyte of the present invention is used, lithium metal and silicon metal having high energy density are preferable. .

本発明においては、かかるリチウム金属を用いる場合では、リチウム金属の厚みとしては1〜100μmが好ましく、更には3〜50μmが好ましく、特には5〜20μmが好ましい。リチウム金属としては薄いリチウム箔を使用することが経済的で好ましい。   In the present invention, when such lithium metal is used, the thickness of the lithium metal is preferably 1 to 100 μm, more preferably 3 to 50 μm, and particularly preferably 5 to 20 μm. It is economical and preferable to use a thin lithium foil as the lithium metal.

本発明のリチウム二次電池は、電解質を上記の正極及び負極の間に挟持させることにより製造されるが、短絡防止の点からセパレーターを使用することが好ましい。具体的には、セパレーターに電解質を含浸させ、正極と負極とで挟み込むことによりリチウム二次電池が得られる。   The lithium secondary battery of the present invention is manufactured by sandwiching an electrolyte between the positive electrode and the negative electrode, but it is preferable to use a separator from the viewpoint of preventing a short circuit. Specifically, a lithium secondary battery is obtained by impregnating a separator with an electrolyte and sandwiching the separator between a positive electrode and a negative electrode.

セパレーターとしては、リチウムイオンのイオン移動に対して低抵抗であるものが用いられ、例えば、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリエステル、ポリテトラフルオロエチレン、ポリビニルアルコール、エチレン−酢酸ビニル系共重合体ケン化物より選ばれる1種以上の材質からなる微多孔膜、有機若しくは無機の不織布又は織布が挙げられる。これらの中では、短絡防止や経済性の点で、ポリプロピレンやポリエチレンよりなる微多孔膜とガラス不織布が好ましい。   As the separator, those having low resistance to ion migration of lithium ions are used, and for example, selected from polypropylene, polyethylene, polyester, polytetrafluoroethylene, polyvinyl alcohol, and saponified ethylene-vinyl acetate copolymer. Examples thereof include a microporous film made of one or more materials, an organic or inorganic nonwoven fabric, or a woven fabric. In these, the microporous film and glass nonwoven fabric which consist of polypropylene or polyethylene are preferable at the point of short circuit prevention and economical efficiency.

本発明のリチウム二次電池の形態としては、特に限定するものではないが、コイン、シート、円筒等、種々の形態の電池セルが挙げられる。   Although it does not specifically limit as a form of the lithium secondary battery of this invention, The battery cell of various forms, such as a coin, a sheet | seat, a cylinder, is mentioned.

以下、実施例を挙げて本発明を更に具体的に説明するが、本発明はその要旨を超えない限り以下の実施例に限定されるものではない。
尚、例中「部」、「%」とあるのは、重量基準を意味する。
各特性の測定条件は以下の通りである。
EXAMPLES Hereinafter, although an Example is given and this invention is demonstrated further more concretely, this invention is not limited to a following example, unless the summary is exceeded.
In the examples, “parts” and “%” mean weight basis.
The measurement conditions for each characteristic are as follows.

(引火点)
JIS K 2265(―1,2,3,4)に準じて測定した。
(Flash point)
The measurement was performed according to JIS K 2265 (-1, 2, 3, 4).

(導電率)
測定用セルとして東亜DKK社製、CG−511B型セルを用いて、電解質に5時間浸漬後、電気化学測定システム「ソーラートロン1280Z」(英国ソーラートロン社製)を用い、交流インピーダンス法で測定した。交流振幅は5mV、周波数範囲は20k〜0.1Hzで測定した。
(conductivity)
Using a CG-511B cell made by Toa DKK as a measurement cell, immersed in an electrolyte for 5 hours, and then measured by an alternating current impedance method using an electrochemical measurement system “Solartron 1280Z” (manufactured by Solartron, UK). . The AC amplitude was measured at 5 mV, and the frequency range was 20 k to 0.1 Hz.

(電位窓)
測定用セルとしてビーエーエス社製 V−4Cボルタンメトリー用セルを用い、電極はビーエーエス社製のものを用いた。作用極にはグラッシーカーボン(直径1mm)、対極は白金、参照電極にはリチウムを用いた。電位掃引速度は5mV/sec、温度は25℃で実施した。測定装置は電気化学測定システム「ソーラートロン1280Z」(英国ソーラートロン社製)を用いた。限界電流密度を±1mA/cmとし、+1mA/cmに到達する電位を耐酸化電位、−1mA/cmに到達する電位を耐還元電位とし、耐酸化電位と耐還元電位の差を電位窓(V)とした。
(Potential window)
As a measurement cell, a V-4C voltammetry cell manufactured by BAES Co., Ltd. was used, and an electrode manufactured by BAS Co., Ltd. was used. Glassy carbon (diameter 1 mm) was used for the working electrode, platinum was used for the counter electrode, and lithium was used for the reference electrode. The potential sweep rate was 5 mV / sec, and the temperature was 25 ° C. As a measuring apparatus, an electrochemical measuring system “Solartron 1280Z” (manufactured by Solartron, UK) was used. The limiting current density was ± 1mA / cm 2, + 1mA / cm 2 oxidation potential the potential to reach the potential to reach -1 mA / cm 2 and reduction source potential, the potential difference of the oxidation potential and the reduction based on potential The window (V) was used.

(分析装置)
質量分析は日本電子社製「JMS-T100LP AccuTOF LC-plus」を用い、IRスペクトルはNicolet社製「Avatar360」を用い、NMRはVarian社製、「Unity−300」(溶媒:重アセトニトリル)を用いて測定した。
(Analysis equipment)
Mass spectrometry uses “JMS-T100LP AccuTOF LC-plus” manufactured by JEOL Ltd., IR spectrum uses “Avatar 360” manufactured by Nicolet, and NMR uses “Unity-300” (solvent: heavy acetonitrile) manufactured by Varian. Measured.

実施例1
〔電解質の製造〕
アルゴン気流下、300mL丸底フラスコに、五塩化リン41.7g、脱水アセトニトリル140mL、1−エチル−3−メチルイミダゾリウム・クロライド29.5gを入れ、1時間撹拌した。得られた溶液を、シアン化銀81.7g、脱水アセトニトリル150mLが入った500mL二つ口丸底フラスコに加え入れ、1日撹拌した後、ろ過し、ろ液を濃縮した。濃縮液にジクロロメタン100mLを加え、水50mLで3回洗浄した。その後、ジクロロメタン層を分取し濃縮することで、1−エチル−3−メチルイミダゾリウム・トリクロロトリシアノホスフェイトよりなるイオン液体を41.4g得た。
次に、アルゴン気流下、500mLエレンマイヤーに、上記で製造した1−エチル−3−メチルイミダゾリウム・トリクロロトリシアノホスフェイト38.8gと脱水アセトニトリル70mLを入れ溶解させた。その溶液を、フッ素化剤であるAgBF146gと脱水アセトニトリル500mLの入った1Lエレンマイヤーに加え入れ、60℃で5時間撹拌した後、更に、金属カチオン捕集剤として1−エチル−3−メチルイミダゾリウムクロライド56gを脱水アセトニトリル40mLに溶解させた溶液を加え、25℃で30分攪拌した。反応後、反応液をろ過し、ろ液を濃縮した。濃縮液をジクロロメタン200mLに溶解させ、100mLの水で4回水洗した。ジクロロメタン層を抽出後、真空乾燥することにより、1−エチル−3−メチルイミダゾリウム・トリフルオロトリシアノホスフェイトよりなるイオン液体を16.6g得た。
Example 1
[Production of electrolyte]
Under a stream of argon, 41.7 g of phosphorus pentachloride, 140 mL of dehydrated acetonitrile, and 29.5 g of 1-ethyl-3-methylimidazolium chloride were placed in a 300 mL round bottom flask and stirred for 1 hour. The obtained solution was added to a 500 mL two-necked round bottom flask containing 81.7 g of silver cyanide and 150 mL of dehydrated acetonitrile, stirred for 1 day, filtered, and the filtrate was concentrated. 100 mL of dichloromethane was added to the concentrated solution, and washed with 50 mL of water three times. Thereafter, the dichloromethane layer was separated and concentrated to obtain 41.4 g of an ionic liquid composed of 1-ethyl-3-methylimidazolium / trichlorotricyanophosphate.
Next, 38.8 g of 1-ethyl-3-methylimidazolium trichlorotricyanophosphate prepared above and 70 mL of dehydrated acetonitrile were dissolved in a 500 mL Erlenmeyer under an argon stream. The solution was added to 1 L Erlenmeyer containing 146 g of AgBF 4 as a fluorinating agent and 500 mL of dehydrated acetonitrile, stirred at 60 ° C. for 5 hours, and further 1-ethyl-3-methyl as a metal cation scavenger. A solution prepared by dissolving 56 g of imidazolium chloride in 40 mL of dehydrated acetonitrile was added, and the mixture was stirred at 25 ° C. for 30 minutes. After the reaction, the reaction solution was filtered, and the filtrate was concentrated. The concentrated solution was dissolved in 200 mL of dichloromethane and washed four times with 100 mL of water. The dichloromethane layer was extracted and then vacuum dried to obtain 16.6 g of an ionic liquid composed of 1-ethyl-3-methylimidazolium trifluorotricyanophosphate.

イオン液体の同定を行い、1−エチル−3−メチルイミダゾリウム・トリフルオロトリシアノホスフェイトであることを確認した。チャートの帰属について主なものを以下に示す。   The ionic liquid was identified and confirmed to be 1-ethyl-3-methylimidazolium trifluorotricyanophosphate. The main chart attributions are shown below.

MS m/z=165.97917
IR 2200cm-1[CN]
31P−NMR −227.06ppm[q,Hz=739.6Hz,P]
1H−NMR 8.35ppm[s,1H]
7.34ppm[s,1H]
7.29ppm[s,1H]
4.15ppm[q,Hz=7.2Hz,2H]
3.78ppm[s,3H]
1.42ppm[t,Hz=7.2,3H]
MS m / z = 165.99717
IR 2200cm -1 [CN]
31 P-NMR -227.06 ppm [q, Hz = 739.6 Hz, P]
1 H-NMR 8.35 ppm [s, 1 H]
7.34 ppm [s, 1H]
7.29 ppm [s, 1H]
4.15 ppm [q, Hz = 7.2 Hz, 2H]
3.78 ppm [s, 3H]
1.42 ppm [t, Hz = 7.2, 3H]

得られたイオン液体12.8gに、LiBF41.7gを加え、室温2時間攪拌し、リチウム塩をイオン液体に溶解させた。その後、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテートと水との混合溶剤を13mL加え2回イオン液体層を洗浄した。イオン液体層を分離し、ろ過した後、60℃、3時間真空乾燥することで、リチウムカチオン、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムカチオン、トリフルオロトリシアノホスフェイトアニオンを含有する電解質を11.5g得た。 To 12.8 g of the obtained ionic liquid, 1.7 g of LiBF 4 was added and stirred for 2 hours at room temperature to dissolve the lithium salt in the ionic liquid. Thereafter, 13 mL of a mixed solvent of propylene glycol monomethyl ether acetate and water was added, and the ionic liquid layer was washed twice. After separating and filtering the ionic liquid layer, the electrolyte containing lithium cation, 1-ethyl-3-methylimidazolium cation, and trifluorotricyanophosphate anion is obtained by vacuum drying at 60 ° C. for 3 hours. 5 g was obtained.

得られた電解質の分析結果は以下の通りであり、目的とするリチウムカチオン、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムカチオン、トリフルオロトリシアノホスフェイトアニオンよりなる液状の電解質を得た。   The analysis results of the obtained electrolyte are as follows, and a liquid electrolyte composed of the target lithium cation, 1-ethyl-3-methylimidazolium cation, and trifluorotricyanophosphate anion was obtained.

元素分析 リチウム 0.72%
質量分析 m/z=165.97917
IR 2200cm-1[CN]
31P−NMR −227.06ppm[q,Hz=739.6Hz,P]
1H−NMR 8.35ppm[s,1H]
7.34ppm[s,1H]
7.29ppm[s,1H]
4.15ppm[q,Hz=7.2Hz,2H]
3.78ppm[s,3H]
1.42ppm[t,Hz=7.2,3H]
Elemental analysis Lithium 0.72%
Mass spectrometry m / z = 165.97917
IR 2200cm -1 [CN]
31 P-NMR -227.06 ppm [q, Hz = 739.6 Hz, P]
1 H-NMR 8.35 ppm [s, 1 H]
7.34 ppm [s, 1H]
7.29 ppm [s, 1H]
4.15 ppm [q, Hz = 7.2 Hz, 2H]
3.78 ppm [s, 3H]
1.42 ppm [t, Hz = 7.2, 3H]

かかる電解質の成分比は、リチウムカチオン13モル%、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムカチオン37モル%、トリフルオロトリシアノホスフェイトアニオン50モル%である。   The component ratio of the electrolyte is 13 mol% lithium cation, 37 mol% 1-ethyl-3-methylimidazolium cation, and 50 mol% trifluorotricyanophosphate anion.

かかる電解質の諸特性は表1に示されるとおりである。低温においても高い導電率と、広い電位窓を有することより電気化学特性に優れていることが確認された。
また、得られた電解質は、例えば、以下のようにして、リチウム二次電池を製造することが可能であり、リチウム二次電池用の電解質として有用である。
Various characteristics of the electrolyte are as shown in Table 1. It was confirmed that the electrochemical characteristics were excellent by having high conductivity and a wide potential window even at low temperatures.
Moreover, the obtained electrolyte can manufacture a lithium secondary battery as follows, for example, and is useful as an electrolyte for lithium secondary batteries.

〔リチウム二次電池の製造〕
(1)正極の作製
LiCoO2粉末9.0g、ケチェンブラック0.5g、ポリフッ化ビニリデン0.5gを混合し、更に1−メチル−2−ピロリドン7.0gを添加して乳鉢でよく混合し、正極スラリーを得る。得られる正極スラリーをワイヤーバーを用いて厚さ20μmアルミニウム箔上に大気中で塗布し、100℃で15分間乾燥させた後、更に、減圧下130℃で1時間乾燥して、膜厚30μmの複合正極を作製する。
[Manufacture of lithium secondary batteries]
(1) Preparation of positive electrode 9.0 g of LiCoO 2 powder, 0.5 g of ketjen black, and 0.5 g of polyvinylidene fluoride were mixed, and 7.0 g of 1-methyl-2-pyrrolidone was further added and mixed well in a mortar. A positive electrode slurry is obtained. The obtained positive electrode slurry was applied on a 20 μm thick aluminum foil using a wire bar in the air, dried at 100 ° C. for 15 minutes, and further dried at 130 ° C. for 1 hour under reduced pressure to obtain a film thickness of 30 μm. A composite positive electrode is produced.

(2)電池の組立
上記の電解質を、セパレーターとしてガラス不織布(ワットマンジャパン社製GF/A、厚さ260μm)と複合正極に含浸させて、複合正極の上にセパレーター、負極としてのリチウム箔(厚さ500μm)の順で重ね、2032型コインセルに挿入し封缶し、リチウム二次電池を得る。
(2) Battery assembly The above electrolyte is impregnated into a glass nonwoven fabric (GF / A manufactured by Whatman Japan, thickness 260 μm) and a composite positive electrode as a separator, and a separator and a lithium foil (thickness) as a negative electrode are formed on the composite positive electrode. Are stacked in the order of 500 μm), inserted into a 2032 type coin cell and sealed to obtain a lithium secondary battery.

比較例1
一般的な有機電解液であるエチレンカーボネート(50体積%)/ジメチルカーボネート(50体積%)120gに、LiPF6を15.1g加えて電解質を調整し、実施例1と同様にして評価した。
結果は表1に示されるとおりである。
Comparative Example 1
The electrolyte was adjusted by adding 15.1 g of LiPF6 to 120 g of ethylene carbonate (50 vol%) / dimethyl carbonate (50 vol%), which is a general organic electrolyte, and evaluated in the same manner as in Example 1.
The results are as shown in Table 1.

Figure 2012009158
Figure 2012009158

上記の実施例及び比較例の評価結果から明らかなように、比較例の電解質に対して、実施例の電解質は常温及び低温での導電率に優れ、更に広い電位窓を有するものであり、このため、リチウム二次電池の電解質として非常に有効である。   As is clear from the evaluation results of the above examples and comparative examples, the electrolytes of the examples are superior in conductivity at room temperature and low temperature, and have a wider potential window, compared to the electrolytes of the comparative examples. Therefore, it is very effective as an electrolyte for a lithium secondary battery.

本発明の電解質は、高導電率や広い電位窓を有するなどの電解質としての性能に優れ、更に、安全性に優れたものであり、リチウム二次電池用の電解質として非常に有用である。また、他の二次電池、一次電池、キャパシタ、コンデンサー、アクチュエーター、エレクトロクロミック素子、各種センサー、色素増感太陽電池、燃料電池用の電解質としても有用であり、更に、帯電防止剤、重合開始剤、イオン交換膜用材料、イオンガラス用材料としても有用である。   The electrolyte of the present invention has excellent performance as an electrolyte having a high conductivity and a wide potential window, and is excellent in safety, and is very useful as an electrolyte for a lithium secondary battery. It is also useful as an electrolyte for other secondary batteries, primary batteries, capacitors, capacitors, actuators, electrochromic elements, various sensors, dye-sensitized solar cells, fuel cells, and further, antistatic agents, polymerization initiators. It is also useful as an ion exchange membrane material or an ion glass material.

Claims (9)

成分(A1)、(A2)、及び(B)を含有してなることを特徴とする電解質。
(A1)リチウムカチオン
(A2)有機カチオン
(B)下記一般式(1)で示されるシアノフルオロホスフェイト系アニオン
[化1]
P(CN)6−n ・・・(1)
(ここで、nは1〜5の整数である。)
An electrolyte comprising components (A1), (A2), and (B).
(A1) Lithium cation (A2) Organic cation (B) Cyanofluorophosphate anion represented by the following general formula (1)
- P (CN) n F 6 -n ··· (1)
(Here, n is an integer of 1 to 5.)
リチウムカチオン(A1)のモル数a、有機カチオン(A2)のモル数a、及びシアノフルオロホスフェイト系アニオン(B)のモル数bが、下記式(1−1)及び(2−1)を満たすことを特徴とする請求項1記載の電解質。
式(1−1) 0.05≦a/(a+a)≦0.4
式(2−1) 1≦(a+a)/b≦1.3
Moles a 1 of lithium cation (A1), moles b moles a 2 organic cation (A2), and cyano-fluoro phosphate based anionic (B) is a compound represented by the following formula (1-1) and (2-1 The electrolyte according to claim 1, wherein:
Formula (1-1) 0.05 ≦ a 1 / (a 1 + a 2 ) ≦ 0.4
Formula (2-1) 1 ≦ (a 1 + a 2 ) /b≦1.3
一般式(1)におけるnが3であることを特徴とする請求項1または2記載の電解質。 3. The electrolyte according to claim 1, wherein n in the general formula (1) is 3. 有機カチオン(A2)が、含窒素系有機カチオンであることを特徴とする請求項1〜3いずれか記載の電解質。   The electrolyte according to any one of claims 1 to 3, wherein the organic cation (A2) is a nitrogen-containing organic cation. 含窒素系有機カチオンが、イミダゾリウム系カチオンであることを特徴とする請求項4記載の電解質。   The electrolyte according to claim 4, wherein the nitrogen-containing organic cation is an imidazolium cation. 25℃での導電率が3mS/cm以上であることを特徴とする請求項1〜5いずれか記載の電解質。 The electrolyte according to any one of claims 1 to 5, wherein the conductivity at 25 ° C is 3 mS / cm or more. −30℃での導電率が0.01mS/cm以上であることを特徴とする請求項1〜6いずれか記載の電解質。   The electrolyte according to any one of claims 1 to 6, wherein the conductivity at -30 ° C is 0.01 mS / cm or more. 電位窓が5V以上であることを特徴とする請求項1〜7いずれか記載の電解質。 The electrolyte according to any one of claims 1 to 7, wherein the potential window is 5 V or more. 請求項1〜8いずれか記載の電解質を、正極と負極との間に挟持してなることを特徴とするリチウム二次電池。 A lithium secondary battery comprising the electrolyte according to claim 1 sandwiched between a positive electrode and a negative electrode.
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