JP2016225293A - 電解質、それを含む電解液及びそれを用いた電気化学素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は、高耐電圧性と高電気伝導性を両立可能な電解質及び電解液を提供することを目的とする。【解決手段】一般式(1)で表されるホスホニウム塩(A)を含有する電解質、前記電解質と有機溶剤とを含む電解液を用いる。一般式(1)において、R1はメチル基又はエチル基であり、R2は炭素数3〜5の1価の炭化水素基が有する水素原子のうち一つをスルホネート基又はカルボキシレート基で置換した1価の基である。さらに有機溶剤を含むことが好ましく、前記ホスホニウム塩(A)を電解液の合計重量に基づいて1重量%以上含有することが好ましい。【化1】【選択図】 なし
Description
本発明は、電解質、それを含む電解液及びそれを用いた電気化学素子に関する。
電気化学素子とは、電気化学的エネルギーを素子内部に蓄えるものであり、具体的には、素子内部に蓄えられた化学エネルギーを電気エネルギーとして外部に取り出すための電池、素子内部に蓄えられた静電エネルギーを電気エネルギーとして外部に取り出すためのキャパシタ等をいう。
従来、キャパシタにはテトラエチルアンモニウムのBF4塩、トリエチルメチルアンモニウムのBF4塩、又は1−エチル−3−メチルイミダゾリウムのBF4塩等が電解質として用いられている。また、電池向けの電解質としてスピロ骨格を有する4級アンモニウム塩等が検討されている(特許文献1参照)。
従来、キャパシタにはテトラエチルアンモニウムのBF4塩、トリエチルメチルアンモニウムのBF4塩、又は1−エチル−3−メチルイミダゾリウムのBF4塩等が電解質として用いられている。また、電池向けの電解質としてスピロ骨格を有する4級アンモニウム塩等が検討されている(特許文献1参照)。
しかしながら、特許文献1に記載の電解質を用いた場合、耐電圧、電気導電性が十分ではなく、大電流で使用される電気自動車等の新規分野向けに、十分な耐電圧と高い電気伝導性とを両立できる電解質の開発が望まれている。
本発明は、高耐電圧性と高電気伝導性を両立できる電解質を提供することを目的とする。
本発明者らは、上記の目的を達成すべく鋭意検討を行った結果、本発明に到達した。
すなわち本発明は、下記一般式(1)で表されるホスホニウム塩(A)を含有することを特徴とする電解質;前記電解質と有機溶剤を含有する電解液;前記電解液を用いた電気化学素子である。
すなわち本発明は、下記一般式(1)で表されるホスホニウム塩(A)を含有することを特徴とする電解質;前記電解質と有機溶剤を含有する電解液;前記電解液を用いた電気化学素子である。
一般式(1)において、R1はメチル基又はエチル基であり、R2は炭素数3〜5の1価の炭化水素基が有する水素原子のうち一つをスルホネート基又はカルボキシレート基で置換した1価の基である。
本発明の電解質は、高耐電圧性と高電気伝導性を両立できる。そのため、これを用いた電解液は、高耐電圧性と高電気伝導性とを両立可能な電気化学素子を製造できる。
本発明の電解質は、下記一般式(1)で表されるホスホニウム塩(A)を含有する電解質である。
一般式(1)において、R1は、メチル基又はエチル基であり、エチル基であることが好ましい。
一般式(1)において、R2は、炭素数3〜5の1価の炭化水素基が有する水素原子のうち一つをスルホネート基又はカルボキシレート基で置換した1価の基である。
炭素数3〜5の1価の炭化水素基としては、炭素数3〜5の1価の直鎖脂肪族炭化水素基(n−プロピル基、n−ヘキシル基及びn−ペンチル基等)及び炭素数3〜5の1価の分岐脂肪族炭化水素基(1−メチルエチル基、1−メチルプロピル基、2−メチルプロピル基、1−メチルブチル基、2−メチルブチル基、3−メチルブチル基、1−エチルプロピル基及び2−エチルプロピル基)等が挙げられる。なかでも炭素数3〜5の1価の直鎖炭化水素基であることが好ましい。
炭素数3〜5の1価の炭化水素基としては、炭素数3〜5の1価の直鎖脂肪族炭化水素基(n−プロピル基、n−ヘキシル基及びn−ペンチル基等)及び炭素数3〜5の1価の分岐脂肪族炭化水素基(1−メチルエチル基、1−メチルプロピル基、2−メチルプロピル基、1−メチルブチル基、2−メチルブチル基、3−メチルブチル基、1−エチルプロピル基及び2−エチルプロピル基)等が挙げられる。なかでも炭素数3〜5の1価の直鎖炭化水素基であることが好ましい。
一般式(1)において、スルホネート基又はカルボキシレート基は、炭素数3〜5の1価の炭化水素基が有する水素原子のうち一つを置換しているが、置換される水素原子は炭素数3〜5の1価の炭化水素基が有する炭化水素鎖の末端にあるメチル基に結合する水素原子であることが好ましい。
スルホネート基又はカルボキシレート基が炭素数3〜5の1価の炭化水素基が有する炭化水素鎖の末端にある炭素原子を置換した基としては、3−スルホプロピル基、4−スルホブチル基、3−カルボキシプロピル基、4−カルボキシプロピル基及び5−カルボキシプロピル基が有するカルボキシ基又はスルホ基から水素原子を除いた基が挙げられる。
なかでも3−スルホプロピル基が有するスルホ基から水素原子を除いた基が好ましい。
なかでも3−スルホプロピル基が有するスルホ基から水素原子を除いた基が好ましい。
ホスホニウム塩(A)は、一般式(2)で表されるリン化合物のリン原子に対して環状ラクトン又は環状スルホン酸エステルを開環付加させることで得ることができる。
一般式(2)で表されるリン化合物としては、4−メチル−2,6,7−トリオキサ−1−ホスファビシクロ[2.2.2]オクタン及び4−エチル−2,6,7−トリオキサ−1−ホスファビシクロ[2.2.2]オクタン等が挙げられ、4−エチル−2,6,7−トリオキサ−1−ホスファビシクロ[2.2.2]オクタンが好ましい。
一般式(2)で表されるリン化合物のリン原子に対して開環付加させる前記環状ラクトンとして好ましいものとしては、β−プロピオラクトン、γ−ブチロラクトン、δ−バレロラクトン及びε−カプロラクトン等が挙げられる。
一般式(2)で表されるリン化合物のリン原子に対して開環付加させる前記環状スルホン酸エステルとして好ましいものとしては、1,3−プロパンスルトン及び1,4−ブタンスルトンが挙げられる。
これらの中でも、1,3−プロパンスルトンが更に好ましい。
一般式(2)で表されるリン化合物のリン原子に対して開環付加させる前記環状スルホン酸エステルとして好ましいものとしては、1,3−プロパンスルトン及び1,4−ブタンスルトンが挙げられる。
これらの中でも、1,3−プロパンスルトンが更に好ましい。
一般式(2)で表されるリン化合物のリン原子に対して環状ラクトン又は環状スルホン酸エステルを開環付加させる方法は、Chem.−Eur.J.2008,14,8469−88472.等に記載の公知の方法等で行うことができ、例えば一般式(2)で表されるリン化合物と前記の環状ラクトン又は前記の環状スルホン酸エステルとをトルエン等の有機溶媒中で開環付加させ、再結晶によって精製することでおこなうこと等でホスホニウム塩(A)を得ることが出来る。
本発明の電解質は、前記のホスホニウム塩(A)を含有することを特徴とするが、更にホスホニウム塩(A)を得る反応において残留する未反応物、反応溶媒(トルエン等)の残渣及び水分を含有しても良い。
本発明の電解質に含まれるホスホニウム塩(A)の含有量は、電気伝導性等の観点から電解質の重量に基づいて1重量%以上であることが好ましい。
本発明の電解質に含まれるホスホニウム塩(A)の含有量は、電気伝導性等の観点から電解質の重量に基づいて1重量%以上であることが好ましい。
本発明の電解液は、前記ホスホニウム塩(A)を含有する電解質と有機溶剤を含有する。
有機溶剤として、エーテル、アミド、エステル、ラクトン、ニトリル、スルホキシド、スルホン、複素環式化合物、芳香族炭化水素及びこれらの2種以上の混合溶剤等が挙げられる。
有機溶剤として、エーテル、アミド、エステル、ラクトン、ニトリル、スルホキシド、スルホン、複素環式化合物、芳香族炭化水素及びこれらの2種以上の混合溶剤等が挙げられる。
エーテルとしては、ジエチルエーテル、メチルイソプロピルエーテル、エチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールジエチルエーテル、トリエチレングリコールジメチルエーテル、テトラヒドロフラン、1,3−ジオキソラン、1,3−ジオキサン、1,4−ジオキサン、4−ブチルジオキソラン及びクラウンエーテル等が挙げられる。
アミドとしては、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジメチルプロピオンアミド、ヘキサメチルホスホリルアミド及びN−メチルピロリドン等が挙げられる。
エステルとしては、酢酸メチル、プロピオン酸メチル、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ビニレンカーボネート、ジメチルカーボネート、メチルエチルカーボネート及びジエチルカーボネート等が挙げられる。
ラクトンとしては、γ−ブチロラクトン、α−アセチル−γ−ブチロラクトン、β−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン及びδ−バレロラクトン等が挙げられる。
ニトリルとしては、アセトニトリル、グルタロニトリル、アジポニトリル、メトキシアセトニトリル、3−メトキシプロピオニトリル、アクリロニトリル及びベンゾニトリル等が挙げられる。
スルホキシドとしては、ジメチルスルホキシド等が挙げられる。
スルホンとしては、スルホラン、3−メチルスルホラン及び2,4−ジメチルスルホラン等が挙げられる。
複素環式化合物としては、N−メチル−2−オキサゾリジノン、3,5−ジメチル−2−オキサゾリジノン、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン及びN−メチルピロリジノン等が挙げられる。
芳香族炭化水素としては、ベンゼン、トルエン、キシレン、クロロベンゼン、1,2−ジクロロベンゼン、1,3−ジクロロベンゼン及び1,4−ジクロロベンゼン等が挙げられる。
本発明の電解液に用いる有機溶剤としては、これらの他にニトロ化合物(ニトロメタン及びニトロエタン等)、ケトン(アセトン、2,5−ヘキサンジオン及びシクロヘキサノン等)並びにリン酸エステル類(トリメチルリン酸、トリエチルリン酸及びトリプロピルリン酸等)等を用いることも出来る。
これら中でも有機溶媒としては、耐電圧性と電気伝導性の観点から、ニトリル、ラクトン、エステル、スルホキシド及び芳香族炭化水素が更に好ましく、特に好ましくは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、スルホラン、メチルスルホラン、アセトニトリル、γ−ブチロラクトン、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、キシレン、クロロベンゼン、1,2−ジクロロベンゼン、1,3−ジクロロベンゼン、1,4−ジクロロベンゼン及びこれらの混合溶媒である。
本発明の電解液においてホスホニウム塩(A)の含有量は、耐電圧性と電気伝導性の観点から、電解液の重量に基づいて1重量%以上であることが好ましく、更に好ましくは30〜99重量%であり、特に好ましくは50〜99重量%である。
本発明の電解液において有機溶剤の含有量は、耐電圧性と電気伝導性の観点から、電解液の重量に基づいて、好ましくは99重量%以下であり、更に好ましくは1〜70重量%であり、特に好ましくは1〜50重量%である。
本発明の電解液は、アンモニウム塩及び電気化学素子に用いられる電解液に常用されるその他の添加剤等を含有していてもよい。
本発明の電解液に添加できアンモニウム塩としては、アルキルアンモニウム塩、アミジニウム塩(イミダゾリウム塩等)等が挙げられ、アルキルアンモニウム(テトラエチルアンモニウム及びトリエチルメチルアンモニウム等)のBF4塩、TFSI塩及びPF6塩並びにイミダゾリウム(1,2,3−トリメチルイミダゾリウム、1−エチル−2,3−ジメチルイミダゾリウム及び1,2,3,4−テトラメチルイミダゾリウム等)のBF4塩、TFSI塩及びPF6塩等が挙げられる。
本発明の電解液に含まれるアンモニウム塩の量は、電解液の重量に対して好ましくは0〜30重量%、より好ましくは2〜25重量%である。
本発明の電解液に添加できアンモニウム塩としては、アルキルアンモニウム塩、アミジニウム塩(イミダゾリウム塩等)等が挙げられ、アルキルアンモニウム(テトラエチルアンモニウム及びトリエチルメチルアンモニウム等)のBF4塩、TFSI塩及びPF6塩並びにイミダゾリウム(1,2,3−トリメチルイミダゾリウム、1−エチル−2,3−ジメチルイミダゾリウム及び1,2,3,4−テトラメチルイミダゾリウム等)のBF4塩、TFSI塩及びPF6塩等が挙げられる。
本発明の電解液に含まれるアンモニウム塩の量は、電解液の重量に対して好ましくは0〜30重量%、より好ましくは2〜25重量%である。
その他の添加剤としては、無機酸のリチウム塩(硝酸Li、LiBF4及びLiPF6)、有機酸(好ましくは有機スルホン酸)のリチウム塩(LiTFSI等)、リン酸類及びその誘導体(リン酸、亜リン酸、リン酸エステル類及びホスホン酸類等)、ホウ酸類及びその誘導体(ホウ酸、酸化ホウ酸、ホウ酸エステル類、ホウ素と水酸基を有する化合物との錯体及びホウ素とカルボキシル基を有する化合物との錯体等)並びにニトロ化合物(ニトロ安息香酸、ニトロフェノール、ニトロフェネトール、ニトロアセトフェノン及び芳香族ニトロ化合物等)等があげられる。その他の添加剤の量は、電気化学的安定性と導電性の観点から、電解液の合計重量に対して好ましくは0〜30重量%、更に好ましくは0〜25重量%以下である。
本発明の電解液は、ホスホニウム塩(A)、有機溶剤並びに必要により用いるアンモニウム塩及びその他の添加剤を公知の撹拌混合装置を用いて均一に混合することで製造することができ、例えば、撹拌装置の付属した加熱及び冷却可能な配合容器に各成分を順次投入し、撹拌装置で混合して得ることができる。各成分の投入順序については、均一に混合することができれば特に制限はない。
撹拌混合温度としては均一撹拌混合できれば特に制限はなく、用いられる有機溶剤の種類に応じて調整することができるが、通常25〜60℃である。
撹拌混合時間(時間)としては均一撹拌混合できれば特に制限はないが、通常0.5〜10時間である。
撹拌混合温度としては均一撹拌混合できれば特に制限はなく、用いられる有機溶剤の種類に応じて調整することができるが、通常25〜60℃である。
撹拌混合時間(時間)としては均一撹拌混合できれば特に制限はないが、通常0.5〜10時間である。
本発明の電解質には、前記の電解質及び有機溶媒に含まれる水に由来して、水が含まれる場合があるが、電気化学的安定性の観点から、電解液に含まれる水の含有量は、電解液の重量に基づいて300ppm以下が好ましく、更に好ましくは100ppm以下、特に好ましくは50ppm以下である。この範囲であると、電気化学素子の経時的な性能低下を抑制できる。
電解液中の水分を上記の範囲にする方法としては、あらかじめ十分に乾燥した電解質と、あらかじめ十分に脱水した有機溶媒とを使用する方法等が挙げられる。電解質及び有機溶剤の脱水は、モレキュラーシーブ等の公知の脱水剤を用いる方法及び蒸留する方法等で行うことが出来る。
なお、電解液中の含水量はカールフィッシャー法(JIS K0113−1997、電量滴定方法)で測定することができる。
電解液中の水分を上記の範囲にする方法としては、あらかじめ十分に乾燥した電解質と、あらかじめ十分に脱水した有機溶媒とを使用する方法等が挙げられる。電解質及び有機溶剤の脱水は、モレキュラーシーブ等の公知の脱水剤を用いる方法及び蒸留する方法等で行うことが出来る。
なお、電解液中の含水量はカールフィッシャー法(JIS K0113−1997、電量滴定方法)で測定することができる。
本発明の電解質を用いた電解液は電気化学素子の電解液として用いることができる。本発明において、電気化学素子とは電気化学キャパシタ、一次電池、二次電池及び色素増感太陽電池等を示す。なかでも本発明の電解液は、電気二重層キャパシタ及び二次電池に好適であり、電気二重層キャパシタ及びリチウムイオン二次電池に特に好適である。
以下、実施例により本発明を更に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。以下、特に規定しない限り、%は重量%、部は重量部を示す。
<実施例1:ホスホニウム塩(A−1)の製造>
加熱、攪拌及び冷却が可能な反応容器中にクロロホルム1000部、トリメチロールエタン(東京化成製)120部及び三塩化リン(東京化成製)137部を混合し、この混合物を60℃に加熱した後、この温度を維持しながら12時間撹拌した。続いて、得られた混合物に1mol/L水酸化ナトリウム水溶液500部を入れ、強く撹拌して混合した後に静置し、分液した水相を除去した。この操作を合計5回繰り返した後、溶媒を減圧留去(40℃、1時間、20mmHg)して固体を析出させた。固体を更にメタノールに溶解し、イオン交換水を加えて撹拌し均一に混合し、次いで結晶が析出するまで静置した。次いで濾過によって結晶を取り出した。取り出した結晶は、4−メチル−2,6,7−トリオキサ−1−ホスファビシクロ[2.2.2]オクタンであり、収率は73%であった。
加熱、攪拌及び冷却が可能な反応容器中にトルエン1000部と前記4−メチル−2,6,7−トリオキサ−1−ホスファビシクロ[2.2.2]オクタン148部及びβ−プロピオラクトン(東京化成製)72部を仕込み、60℃に昇温した後その温度を維持したまま6時間攪拌した。その後、室温にまで冷却し析出してきた白色結晶を濾過して取り出し、続いてジエチルエーテルで洗浄し、本発明の電解質である一般式(3)で表されるホスホニウム塩(A−1)209部を得た(収率95%)。
加熱、攪拌及び冷却が可能な反応容器中にクロロホルム1000部、トリメチロールエタン(東京化成製)120部及び三塩化リン(東京化成製)137部を混合し、この混合物を60℃に加熱した後、この温度を維持しながら12時間撹拌した。続いて、得られた混合物に1mol/L水酸化ナトリウム水溶液500部を入れ、強く撹拌して混合した後に静置し、分液した水相を除去した。この操作を合計5回繰り返した後、溶媒を減圧留去(40℃、1時間、20mmHg)して固体を析出させた。固体を更にメタノールに溶解し、イオン交換水を加えて撹拌し均一に混合し、次いで結晶が析出するまで静置した。次いで濾過によって結晶を取り出した。取り出した結晶は、4−メチル−2,6,7−トリオキサ−1−ホスファビシクロ[2.2.2]オクタンであり、収率は73%であった。
加熱、攪拌及び冷却が可能な反応容器中にトルエン1000部と前記4−メチル−2,6,7−トリオキサ−1−ホスファビシクロ[2.2.2]オクタン148部及びβ−プロピオラクトン(東京化成製)72部を仕込み、60℃に昇温した後その温度を維持したまま6時間攪拌した。その後、室温にまで冷却し析出してきた白色結晶を濾過して取り出し、続いてジエチルエーテルで洗浄し、本発明の電解質である一般式(3)で表されるホスホニウム塩(A−1)209部を得た(収率95%)。
<実施例2:ホスホニウム塩(A−2)の製造>
トリメチロールエタン120部に替えてトリメチロールプロパン(東京化成製)134部を用いたこと以外は製造例1と同様に行い、4−メチル−2,6,7−トリオキサ−1−ホスファビシクロ[2.2.2]オクタンを得た。
実施例1と同様の反応容器中に、トルエン1000部、前記4−メチル−2,6,7−トリオキサ−1−ホスファビシクロ[2.2.2]オクタン164部及びβ−プロピオラクトン(東京化成製)72部を加え、60℃に昇温した後その温度を維持したまま6時間攪拌した。その後、室温にまで冷却し析出してきた白色結晶を濾過して取り出し、続いてジエチルエーテルで洗浄し、本発明の電解質である一般式(4)で表されるホスホニウム塩(A−2)を得た。
トリメチロールエタン120部に替えてトリメチロールプロパン(東京化成製)134部を用いたこと以外は製造例1と同様に行い、4−メチル−2,6,7−トリオキサ−1−ホスファビシクロ[2.2.2]オクタンを得た。
実施例1と同様の反応容器中に、トルエン1000部、前記4−メチル−2,6,7−トリオキサ−1−ホスファビシクロ[2.2.2]オクタン164部及びβ−プロピオラクトン(東京化成製)72部を加え、60℃に昇温した後その温度を維持したまま6時間攪拌した。その後、室温にまで冷却し析出してきた白色結晶を濾過して取り出し、続いてジエチルエーテルで洗浄し、本発明の電解質である一般式(4)で表されるホスホニウム塩(A−2)を得た。
<実施例3:ホスホニウム塩(A−3)の製造>
β−プロピオラクトン72部に替えてγ−ブチロラクトン(東京化成製)86部を用いたこと以外は製造例2と同様に行い、本発明の電解質である一般式(5)で表されるホスホニウム塩(A−3)を得た。
β−プロピオラクトン72部に替えてγ−ブチロラクトン(東京化成製)86部を用いたこと以外は製造例2と同様に行い、本発明の電解質である一般式(5)で表されるホスホニウム塩(A−3)を得た。
<実施例4:ホスホニウム塩(A−4)の製造>
β−プロピオラクトン72部に替えてδ−バレロラクトン(東京化成製)100部を用いたこと以外は製造例2と同様に行い、本発明の電解質である一般式(6)で表されるホスホニウム塩(A−4)を得た。
β−プロピオラクトン72部に替えてδ−バレロラクトン(東京化成製)100部を用いたこと以外は製造例2と同様に行い、本発明の電解質である一般式(6)で表されるホスホニウム塩(A−4)を得た。
<実施例5:ホスホニウム塩(A−5)の製造>
β−プロピオラクトン72部に替えてε−カプロラクトン(東京化成製)114部を用いたこと以外は製造例2と同様と同様に行い、本発明の電解質である一般式(7)で表されるホスホニウム塩(A−5)を得た。
β−プロピオラクトン72部に替えてε−カプロラクトン(東京化成製)114部を用いたこと以外は製造例2と同様と同様に行い、本発明の電解質である一般式(7)で表されるホスホニウム塩(A−5)を得た。
<実施例6:ホスホニウム塩(A−6)の製造>
β−プロピオラクトン72部に替えて、1,3−プロパンスルトン(東京化成製)122部を用いたこと以外は製造例2と同様に行い、本発明の電解質である一般式(8)で表されるホスホニウム塩(A−6)を得た。
β−プロピオラクトン72部に替えて、1,3−プロパンスルトン(東京化成製)122部を用いたこと以外は製造例2と同様に行い、本発明の電解質である一般式(8)で表されるホスホニウム塩(A−6)を得た。
<実施例7:ホスホニウム塩(A−7)の製造>
β−プロピオラクトン72部に替えて1,4−ブタンスルトン(東京化成製)136部を用いたこと以外は製造例2と同様に行い、本発明の電解質である一般式(9)で表されるホスホニウム塩(A−7)を得た。
β−プロピオラクトン72部に替えて1,4−ブタンスルトン(東京化成製)136部を用いたこと以外は製造例2と同様に行い、本発明の電解質である一般式(9)で表されるホスホニウム塩(A−7)を得た。
<実施例8〜14>
リチウムヘキサフルオロリン酸を1mol/Lの濃度で含有するエチレンカーボネートとジエチルカーボネートの混合有機溶剤(体積比1:1、キシダ化学製)70部に、ホスホニウム塩(A−1)〜(A−7)をそれぞれ30部加え、25℃で均一に混合して溶解し、本発明の電解液(D−1)〜(D−7)を作製した。カールフィッシャー法で測定した電解液中の水分はいずれも30ppm以下であった。
実施例1〜7で作成した電解液(D−1)〜(D−7)について、東亜電波工業株式会社製電導度計CM−40Sを用いて電導度(30℃)をそれぞれ測定し、結果を表1に記載した。
また、測定セルの電極にグラッシーカーボン電極(BAS社製、外径6mm、内径1mm)を用い、北斗電工(株)製電気化学測定機器システムHZ7000を用いて、5mV/secの走査電位速度で、電解液(D−1)〜(D−7)について分極測定をそれぞれ行い、10μA/cm2の電流が流れる時のAg/Ag+ 参照電極に対する電位を酸化電位、−10μA/cm2の電流が流れる時のAg/Ag+ 参照電極に対する電位を還元電位とし、酸化電位と還元電位の値の差から電位窓を算出し、結果を表1に記載した。電位窓は電解液の酸化還元反応が起こらない電位範囲を示し、電位窓が広い電解液ほど電気化学的に安定で高耐電圧性を有する。
リチウムヘキサフルオロリン酸を1mol/Lの濃度で含有するエチレンカーボネートとジエチルカーボネートの混合有機溶剤(体積比1:1、キシダ化学製)70部に、ホスホニウム塩(A−1)〜(A−7)をそれぞれ30部加え、25℃で均一に混合して溶解し、本発明の電解液(D−1)〜(D−7)を作製した。カールフィッシャー法で測定した電解液中の水分はいずれも30ppm以下であった。
実施例1〜7で作成した電解液(D−1)〜(D−7)について、東亜電波工業株式会社製電導度計CM−40Sを用いて電導度(30℃)をそれぞれ測定し、結果を表1に記載した。
また、測定セルの電極にグラッシーカーボン電極(BAS社製、外径6mm、内径1mm)を用い、北斗電工(株)製電気化学測定機器システムHZ7000を用いて、5mV/secの走査電位速度で、電解液(D−1)〜(D−7)について分極測定をそれぞれ行い、10μA/cm2の電流が流れる時のAg/Ag+ 参照電極に対する電位を酸化電位、−10μA/cm2の電流が流れる時のAg/Ag+ 参照電極に対する電位を還元電位とし、酸化電位と還元電位の値の差から電位窓を算出し、結果を表1に記載した。電位窓は電解液の酸化還元反応が起こらない電位範囲を示し、電位窓が広い電解液ほど電気化学的に安定で高耐電圧性を有する。
<実施例15〜19>
表1にそれぞれ記載した部数のホスホニウム塩(A−1)及び前記混合有機溶剤を25℃で均一に混合して溶解し、本発明の電解液(D−8)〜(D−12)を作製した。カールフィッシャー法で測定した電解液中の水分は30ppm以下であった。
電解液(D−8)〜(D−12)について、実施例8〜14と同様に電導度(30℃)の測定と電位窓の算出をそれぞれ行い、結果を表1に記載した。
表1にそれぞれ記載した部数のホスホニウム塩(A−1)及び前記混合有機溶剤を25℃で均一に混合して溶解し、本発明の電解液(D−8)〜(D−12)を作製した。カールフィッシャー法で測定した電解液中の水分は30ppm以下であった。
電解液(D−8)〜(D−12)について、実施例8〜14と同様に電導度(30℃)の測定と電位窓の算出をそれぞれ行い、結果を表1に記載した。
<比較例1:比較用ホスホニウム化合物(A’−1)の製造>
加熱、攪拌及び冷却が可能な反応容器中にトルエン1000部、亜リン酸トリブチル(東京化成製)250部及びβ−プロピオラクトン(東京化成製)72部を仕込み、60℃に昇温した後その温度を維持したまま6時間攪拌した。その後、室温にまで冷却し析出してきた白色結晶を濾過して取り出し、続いてジエチルエーテルで洗浄し、本発明の電解質である一般式(10)で表されるホスホニウム塩(A’−1)235部を得た(収率80%)。
加熱、攪拌及び冷却が可能な反応容器中にトルエン1000部、亜リン酸トリブチル(東京化成製)250部及びβ−プロピオラクトン(東京化成製)72部を仕込み、60℃に昇温した後その温度を維持したまま6時間攪拌した。その後、室温にまで冷却し析出してきた白色結晶を濾過して取り出し、続いてジエチルエーテルで洗浄し、本発明の電解質である一般式(10)で表されるホスホニウム塩(A’−1)235部を得た(収率80%)。
<比較例2:電解液の調製>
混合有機溶剤(S)70部と比較用ホスホニウム塩(A’−1)30部とを25℃にて均一に混合溶解させて、比較用電解液(D’−1)を作製した。電解液(D’−1)含まれる水の含有量をカールフィッシャー法で測定したところ30ppm以下であった。電解液(D’−1)について、実施例8と同様に電導度(30℃)の測定と電位窓の算出し、結果を表1に記載した。
混合有機溶剤(S)70部と比較用ホスホニウム塩(A’−1)30部とを25℃にて均一に混合溶解させて、比較用電解液(D’−1)を作製した。電解液(D’−1)含まれる水の含有量をカールフィッシャー法で測定したところ30ppm以下であった。電解液(D’−1)について、実施例8と同様に電導度(30℃)の測定と電位窓の算出し、結果を表1に記載した。
表1の結果から、本発明の電解液である実施例8〜19の電解液は比較例2の電解液に比べて、電導度が大きく、かつ電位窓が広くなることが分かった。この結果から、本発明の電解液は高耐電圧性と高電気伝導性の両方を有することが分かる。
<実施例20:リチウムイオン電池としての評価>
[電解液の調製]
エチレンカーボネートとジエチルカーボネートの混合溶媒(体積比1:1)87.5部に、12重量%となるように電解質としてのLiPF6と26部の実施例1に得られたホスホニウム塩(A−1)を溶解させ、リチウムイオン電池用電解液を調製した。
[電解液の調製]
エチレンカーボネートとジエチルカーボネートの混合溶媒(体積比1:1)87.5部に、12重量%となるように電解質としてのLiPF6と26部の実施例1に得られたホスホニウム塩(A−1)を溶解させ、リチウムイオン電池用電解液を調製した。
[リチウムイオン電池用正極の作製]
LiCoO2粉末90.0部、ケチェンブラック(シグマアルドリッチ社製)5部、ポリフッ化ビニリデン(シグマアルドリッチ社製]5部を乳鉢で充分に混合した後、1−メチル−2−ピロリドン(東京化成製)70.0部を添加し、更に乳鉢で充分に混合してスラリーを得た。得られたスラリーを、大気中でワイヤーバーを用いて厚さ20μmのアルミニウム電解箔上の片面に塗布し、80℃で1時間乾燥させた後、更に減圧下(1.3kPa)、80℃で2時間乾燥して、15.95mmφに打ち抜き、リチウムイオン電池用正極を作製した。
LiCoO2粉末90.0部、ケチェンブラック(シグマアルドリッチ社製)5部、ポリフッ化ビニリデン(シグマアルドリッチ社製]5部を乳鉢で充分に混合した後、1−メチル−2−ピロリドン(東京化成製)70.0部を添加し、更に乳鉢で充分に混合してスラリーを得た。得られたスラリーを、大気中でワイヤーバーを用いて厚さ20μmのアルミニウム電解箔上の片面に塗布し、80℃で1時間乾燥させた後、更に減圧下(1.3kPa)、80℃で2時間乾燥して、15.95mmφに打ち抜き、リチウムイオン電池用正極を作製した。
[リチウムイオン電池用負極の作製]
平均粒子径約8〜12μmの黒鉛粉末92.5部、ポリフッ化ビニリデン7.5部、1−メチル−2−ピロリドン200部を乳鉢で充分に混合しスラリーを得た。得られたスラリーを、大気中でワイヤーバーを用いて厚さ20μmの銅箔の片面に塗布し、80℃で1時間乾燥させた後、更に減圧下(1.3kPa)、80℃で2時間乾燥して、16.15mmφに打ち抜き、プレス機で厚さ3μmにしてリチウムイオン電池用黒鉛系負極を作製した。
平均粒子径約8〜12μmの黒鉛粉末92.5部、ポリフッ化ビニリデン7.5部、1−メチル−2−ピロリドン200部を乳鉢で充分に混合しスラリーを得た。得られたスラリーを、大気中でワイヤーバーを用いて厚さ20μmの銅箔の片面に塗布し、80℃で1時間乾燥させた後、更に減圧下(1.3kPa)、80℃で2時間乾燥して、16.15mmφに打ち抜き、プレス機で厚さ3μmにしてリチウムイオン電池用黒鉛系負極を作製した。
[リチウムイオン電池の作製]
2032型コインセル内の両端に、上記正極及び負極を、それぞれの塗布面が向き合うように配置して、電極間にセパレータ(ポリプロピレン製不織布)を挿入し、リチウムイオン電池用セルを作製した。
2032型コインセル内の両端に、上記正極及び負極を、それぞれの塗布面が向き合うように配置して、電極間にセパレータ(ポリプロピレン製不織布)を挿入し、リチウムイオン電池用セルを作製した。
[充放電評価]
充放電測定装置「バッテリーアナライザー1470型」(東陽テクニカ製)を用いて、0.1Cの電流で電圧4.5Vまで充電し、10分間の休止後、0.1Cの電流で電圧3.0Vまで放電する、というサイクルを100回繰り返した。100サイクル後のサイクル特性は84%であり、良好な電気特性を示した。
充放電測定装置「バッテリーアナライザー1470型」(東陽テクニカ製)を用いて、0.1Cの電流で電圧4.5Vまで充電し、10分間の休止後、0.1Cの電流で電圧3.0Vまで放電する、というサイクルを100回繰り返した。100サイクル後のサイクル特性は84%であり、良好な電気特性を示した。
本発明の電解質を含有した電解液は、高耐電圧性と高電気伝導性とを両方している。このため、本発明の電解質を含有した電解液を使用した電気化学素子は、耐電圧性と電気伝導性に優れ、過酷な条件下、かつ大電流で使用される電気自動車等の新規分野で有用である。
Claims (5)
- 下記一般式(1)で表されるホスホニウム塩(A)を含有することを特徴とする電解質。
- 請求項1に記載の電解質と有機溶剤とを含む電解液。
- 前記ホスホニウム塩(A)を電解液の合計重量に基づいて1重量%以上含有する請求項2に記載の電解液。
- 電気化学素子用である請求項2又は3に記載の電解液。
- 請求項2〜4のいずれかに記載の電解液を用いた電気化学素子。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2015112745 | 2015-06-03 | ||
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JP2016105560A Pending JP2016225293A (ja) | 2015-06-03 | 2016-05-26 | 電解質、それを含む電解液及びそれを用いた電気化学素子 |
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Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2019083154A (ja) * | 2017-10-31 | 2019-05-30 | トヨタ自動車株式会社 | リチウムイオン二次電池の製造方法、リチウムイオン二次電池、およびリチウムイオン二次電池用容量回復剤 |
CN114534553A (zh) * | 2022-03-10 | 2022-05-27 | 绵阳高新区资江电子元件有限公司 | 一种低含水率高稳定性的电解液的生产工艺 |
CN114709478A (zh) * | 2022-03-30 | 2022-07-05 | 厦门大学 | 含Se=P双键有机化合物在制备二次电池电解液中的应用 |
-
2016
- 2016-05-26 JP JP2016105560A patent/JP2016225293A/ja active Pending
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