JP2016519400A - 非水性電解質組成物 - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、2013年4月4日出願の米国仮特許出願第61/808335号明細書、2013年10月2日出願の同第61/885585号明細書、2013年12月20日出願の同第61/919160号明細書、および2014年3月14日出願の同第61/952967号明細書の優先権を主張するものである。
a)(i)式:
R1−COO−R2
で表されるフッ素化非環式カルボン酸エステル、
(ii)式:
R3−OCOO−R4
で表されるフッ素化非環式カーボネート、および
(iii)式:
R5−O−R6
で表されるフッ素化非環式エーテル
(式中、R1、R2、R3、R4、R5、およびR6は、線状もしくは分岐アルキル基を独立して表し;R1およびR2、R3およびR4、ならびにR5およびR6のいずれにおける炭素原子の合計も2〜7であり;R1および/またはR2、R3および/またはR4、ならびにR5および/またはR6中の少なくとも2個の水素は、フッ素で置き換えられており;R1、R2、R3、R4、R5も、R6も、FCH2またはFCH基を含有しない)
からなる群から選択される少なくとも1つのフッ素化溶媒と;
b)エチレンカーボネート、フルオロオエチレンカーボネート、およびプロピレンカーボネートからなる群から選択される少なくとも1つの共溶媒と;
c)ある濃度で電解質組成物中に存在する少なくとも1つのフィルム形成化合物であって、その濃度でフィルム形成化合物が、電解質組成物がフィルムを形成するように、Li/Li+参照電極に対して+1.0V未満の電位で分解する化合物と;
d)少なくとも1つの電解質塩と
を含み、ただし、b)とc)とは異なる、電解質組成物が本明細書で提供される。
a)(i)式:
R1−COO−R2
で表されるフッ素化非環式カルボン酸エステル、
(ii)式:
R3−OCOO−R4
で表されるフッ素化非環式カーボネート、および
(iii)式:
R5−O−R6
で表されるフッ素化非環式エーテル
(式中、R1、R2、R3、R4、R5、およびR6は、線状もしくは分岐アルキル基を独立して表し;R1およびR2、R3およびR4、ならびにR5およびR6のいずれにおける炭素原子の合計も2〜7であり;R1および/またはR2、R3および/またはR4、ならびにR5および/またはR6中の少なくとも2個の水素は、フッ素で置き換えられており;R1、R2、R3、R4、R5も、R6も、FCH2またはFCH基を含有しない)
からなる群から選択される少なくとも1つのフッ素化溶媒と;
b)エチレンカーボネート、フルオロオエチレンカーボネート、およびプロピレンカーボネートからなる群から選択される少なくとも1つの共溶媒と;
c)
d)少なくとも1つの電解質塩と
を含む電解質組成物が本明細書で提供される。
R1−COO−R2
で表されるフッ素化非環式カルボン酸エステル、
(ii)式:
R3−OCOO−R4
で表されるフッ素化非環式カーボネート、および
(iii)式:
R5−O−R6
で表されるフッ素化非環式エーテル
(式中、R1、R2、R3、R4、R5、およびR6は、線状もしくは分岐アルキル基を独立して表し;R1およびR2、R3およびR4、ならびにR5およびR6のいずれにおける炭素原子の合計も2〜7であり;R1および/またはR2、R3および/またはR4、ならびにR5および/またはR6中の少なくとも2個の水素は、フッ素で置き換えられており;R1、R2、R3、R4、R5も、R6も、FCH2またはFCH基を含有しない)
からなる群から選択される少なくとも1つのフッ素化溶媒と;
b)エチレンカーボネート、フルオロオエチレンカーボネート、およびプロピレンカーボネートからなる群から選択される少なくとも1つの共溶媒と;
c)
d)少なくとも1つの電解質塩と
を含む電解質組成物が本明細書で提供される。
リチウムヘキサフルオロホスフェート(LiPF6)、
リチウムトリス(ペンタフルオロエチル)トリフルオロホスフェート(LiPF3(C2F5)3)、
リチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド、
リチウムビス(パーフルオロエタンスルホニル)イミド、
リチウム(フルオロスルホニル)(ノナフルオロブタン)イミド、
リチウムビス(フルオロスルホニル)イミド、
リチウムテトラフルオロボレート、
リチウムパークロレート、
リチウムヘキサフルオロアルセネート、
リチウムトリフルオロメタンスルホネート、
リチウムトリス(トリフルオロメタンスルホニル)メチド、
リチウムビス(オキサラト)ボレート、
リチウムジフルオロ(オキサラト)ボレート、
Li2B12F12−xHx(ここで、xは、0〜8に等しい)、および
フッ化リチウムとB(OC6F5)3などのアニオン受容体との混合物
が挙げられる。
LiaCoGbO2(0.90≦a≦1.8、および0.001≦b≦0.1);
LiaNibMncCodReO2−fZf(ここで、0.8≦a≦1.2、0.1≦b≦0.5、0.2≦c≦0.7、0.05≦d≦0.4、0≦e≦0.2、b+c+d+eは約1であり、および0≦f≦0.08);
LiaA1−b,RbD2(0.90≦a≦1.8および0≦b≦0.5);
LiaE1−bRbO2−cDc(0.90≦a≦1.8、0≦b≦0.5および0≦c≦0.05);
LiaNi1−b−cCobRcO2−dZd(ここで、0.9≦a≦1.8、0≦b≦0.4、0≦c≦0.05、および0≦d≦0.05);
Li1+zNi1−x−yCoxAlyO2(ここで、0<x<0.3、0<y<0.1、および0<z<0.06);
LiNi0.5Mn1.5O4;LiFePO4、LiMnPO4、LiCoPO4、ならびにLiVPO4F
などの、リチウムおよび遷移金属を含む電気活性化合物が挙げられる。
2,2−ジフルオロエチルアセテートの調製
以下の実施例に使用される2,2−ジフルオロエチルアセテートは、酢酸カリウムをHCF2CH2Brと反応させることによって調製した。下記は、調製のために用いられる
典型的な手順である。
下記は、本カソード活性材料の調製のために用いられる典型的な手順である。LiMn1.5Ni0.45Fe0.0504の調製のために、401gの酢酸マンガン(II)四水和物(Aldrich,ミルウォーキー WI,製品No.63537)、125gの酢酸ニッケル(II)四水和物(Aldrich,製品No.72225)および10gの酢酸鉄(II)無水(Alfa Aesar,ワードヒル(Ward Hill),MA,製品No.31140)を、天秤上のボトル中へ秤量し、次に5.0Lの脱イオン水に溶かした。KOHペレットを、30L反応器内で10Lの脱イオン水に溶かして3.0M溶液を生成した。金属酢酸塩を含有する溶液を滴下漏斗に移し、迅速に攪拌される反
応器中へ注入して混合水酸化物材料を沈澱させた。いったん金属酢酸塩溶液の全5.0Lを反応器に添加すると、攪拌を1時間続行した。次に、攪拌を停止し、沈澱物を一晩沈降させた。沈降後に、液体を反応器から除去し、15Lの新鮮脱イオン水を添加した。反応器の内容物を攪拌し、再び沈降させ、液体を除去した。このリンスプロセスを繰り返した。次に、沈澱物を、Dacron(登録商標)紙でカバーされた2つの(等分された)粗いガラスフリット濾過漏斗に移した。固形分を、濾液pHが6.0(脱イオンリンス水のpH)に達するまで脱イオン水でリンスし、さらに20Lの脱イオン水を各フィルターケーキに添加した。最後に、ケーキを一晩真空オーブン中120℃で乾燥させた。この時点での収率は典型的には80〜90%であった。
下記は、本明細書の実施例に使用されるカソードの調製のために用いられる典型的な手順である。バインダーは、NMP(N−メチルピロリドン,KFL No.1120,Kureha America Corp.ニューヨーク,NY)中のポリフッ化ビニリデンの12%溶液として入手した。次の原材料を使用して電極ペーストを作った:上に調製されたような4.16gのLiMn1.5Ni0.45Fe0.05O4カソード活性粉末;0.52gのカーボンブラック(非圧縮Denka、電気化学工業株式会社、日本);4.32gのPVDF(ポリ二フッ化ビニリデン)溶液;および7.76g+1.40gのNMP(Sigma Aldrich)。原材料を、下に記載されるように、80:10:10、カソード活性粉末:PVDF:カーボンブラックの比で組み合わせた。最終的なペーストは、28.6%の固体を含んでいた。
下記は、本明細書の実施例に使用されるアノードの調製のために用いられる典型的な手順である。アノードペーストは、次の原材料から調製した:5.00gの黒鉛(Cpreme(登録商標)G5,Conoco−Philips,ヒューストン(Huston),TX);0.2743gのカーボンブラック(Super C65,Timcal,ウェストレイク(Westlake),OH);3.06gのPVDF(NMP.KFL #9130,Kureha America Corp.中の13%);11.00gの1−メチル−2−ピロリジノン(NMP);および0.0097gのシュウ酸。原材料を、下に記載されるように、88:0.17:7:4.83、黒鉛:シュウ酸:PVDF:カーボンブラックの比で組み合わせた。最終ペーストは、29.4%の固形分を含有した。
円形アノード14.3mm直径およびカソード12.7mm直径を、上に記載された電極シートからパンチアウトし、グローブボックス(Vacuum Atmospheres,ホーソン(Hawthorne),CA,HE−493清浄器付き)の副室のヒーター中に入れ、90℃で一晩真空下にさらに乾燥させ、アルゴン充満グローブボックスに持ち込んだ。非水性電解質リチウム−イオンCR2032コイン電池は、電気化学的評価のために調製した。コイン電池パーツ(ケース、スペーサー、波形ばね、ガスケット、および蓋)ならびにコイン電池クリンパーは、宝泉株式会社(大阪、日本)から入手した。セパレータは、ポリイミドナノファイバー(Energain(登録商標),E.I.du Pont de Nemours and Company,ウィルミントン(Wilmington),DE)であった。コイン電池の調製に使用される非水性電解質は、以下の実施例に記載される。
コイン電池の高温性能
コイン電池を、おおよそ0.1Cレートである、カソード活性材料の1グラム当たり12mAの電流で3.4〜4.9Vの電位限界間で充電するおよび放電する定電流を用いて周囲温度で市販のバッテリーテスタ(Series 4000,Maccor,タルサ(Tulsa),OK)を用いるフォーメーションについて2回サイクルさせた。コイン電池を55℃でオーブン中に入れ、おおよそ2Cレートである、カソード活性材料の1グラム当たり240mAの電流で3.4〜4.9Vの電圧限界間で充電するおよび放電する定電流を用いてサイクルさせた。
ポーチ電池および面積固有インピーダンス
カソードは、乾燥カソード中の重量比が活性:PVDFバインダー:カーボンブラック=86:7:7であり、そしてカーボンブラックがSuper C65(Timcal,ウェストレイク,OH)であることを除いて、上に記載されたものに似た手順で調製した。カソードを31.3×45mm2サイズにパンチアウトし、カソード活性材料の平均ローディングは、9.1mg/cm2であった。アノードは、上に記載されたものに似た手順で調製したが、32.4×46.0mm2にパンチアウトし、アノード活性ローディングは、4.8mg/cm2であった。単層ポーチ電池を、微孔質ポリオレフィンセパレータ(Celgard 2500,シャーロット(Charlotte),NC)と、電流コレクタに超音波溶接されたAlおよびNiタブと、箔−ポリマーラミネートポーチ材料(MTI Corp.,リッチモンド,CA)とを使用して組み立てた。1エッジが依然としてオープンであるセルを60℃で真空下に乾燥させ、Ar充満ドライボックスに持ち込んだ。次に、表2に示される電解質をセルへ注入し、セルを真空シールした。表2に示される電解質を調製する際に、溶媒ECおよびDFEAを先ず混合し、シーブを使用して乾燥させ、次に塩を添加してベース電解質を作った。MAを昇華によって精製し、乾燥させ、FECをモレキュラーシーブで乾燥させた。最後に、添加物MAおよび/またはFECをベース電解質に添加した。セルを固定具に取り付け、それにポーチの活性面積に0.32MPa圧力を加えた。
ASI(ohm・cm2)=ΔV(ボルト)×A(cm2)/I(A)
(ここで、Iは、放電パルス中の電流であり、Aは、制限電極の幾何学的面積であり、それは、この測定が実施されるポーチ電池についてはカソードであった)
から計算した。ここで報告される測定に使用される材料の組み合わせについては、ASIは放電電流に弱依存性であった。5Cおよび25℃で測定されたASIについての値を表2に報告する。
2,2−ジフルオロエチルプロピオネートおよびエチレンカーボネートを含有する電解質組成物−伝導性および凝固点
2,2−ジフルオロプロピオネートの調製
下記は、2,2−ジフルオロエチルプロピオネートを調製するために用いられる典型的な手順である。プロピオン酸カリウム(Aldrich,99%)を、4〜5時間0.5〜1mmのHg(66.7〜133Pa)の真空下に100℃で乾燥させた。乾燥原材料は、カールフィッシャー滴定によって測定されるように、5ppm未満の含水率を有した。ドライボックス中で、75g(0.67モル、10モル%過剰)の乾燥プロピオン酸カリウムを、重い磁気攪拌子を含有する500mLの3口丸底フラスコに入れた。フラスコをドライボックスから取り出し、ドラフトへ移し、熱電対ウェル、ドライアイス冷却器、および滴下漏斗を備え付けた。スルホラン(300mL,Aldrich,99%,カールフィッシャー滴定によって測定されるように600ppmの水)を溶融させ、窒素の流れ下に液体として3口丸底フラスコに添加した。攪拌を開始し、反応混合物の温度を約100℃にした。HCF2CH2Br(87g,0.6モル,E.I.du Pont de Nemours and Co.,99%)を滴下漏斗に入れ、反応混合物にゆっくり添加した。添加は穏やかに発熱であり、温度は、添加の開始後15〜20分で120〜130℃に上昇した。HCF2CH2Brの添加を、内温を125〜135℃に維持する速度に保った。添加は約2〜3時間を要した。反応混合物を追加の6時間120〜130℃で攪拌した(典型的にはこの時点での臭化物の転化率は、約90〜95%であった)。次に、反応混合物を室温に冷却し、一晩攪拌した。翌朝、加熱の別の8時間再開した。
HCF2CH2OC(O)C2H5:1H NMR(CDCl3):1.10(3H.t),2.35(2H,q),4.21(2H td),5.87(1H,tt)ppm;19F NMR(CDCl3):−125.68(dt,56.6,13.7Hz)ppm,GS/MS(m/z):138(M+,C5H8F2O2 +).
上に記載された通り調製された、2,2−ジフルオロエチルプロピオネートを、質量分析検出器を用いるガスクロマトグラフィーによって測定されるように、99.990%純度まで2回回転バンド蒸留によって精製した。精製2,2−ジフルオロエチルアセテートとエチレンカーボネート(無水,Novolyte,インディペンデンス,OH)とを混ぜ合あせて70:30w/w比の9.0mLの全溶液を作り、結果として生じた混合物を3Aモレキュラーシーブ(Sigma−Aldrich,ミルウォーキー,WI)上で乾燥させた。乾燥後に、含水率はカールフィッシャー滴定を用いて0.5ppm未満であると測定された。この溶液を、0.2μmのPTFEシリンジフィルターを通してシリンジ濾過した。9.0mLの結果として生じた溶液に、リチウムヘキサフルオロホスフェート(バッテリーグレード、Novolyte)を添加して1.0Mの濃度を得た。混合物を、固体のすべてが溶けるまで2、3分間振盪した。
電解質のイオン伝導率は、0.1〜1,000,000Hzの周波数範囲にわたってインピーダンス分光法を用いて測定した。インピーダンス結果を等価回路モデルと一致させてdc抵抗をもたらした。
2,2−ジフルオロエチルプロピオネートおよび2,2−ジフルオロエチルアセテートとエチレンカーボネートとの混合物を含有する電解質組成物−伝導率および凝固点
比較例18からの2,2−ジフルオロエチルプロピオネートおよびエチレンカーボネートを含有する電解質組成物(30重量部)を、比較例1および2に記載された電解質組成物(70重量部)と組み合わせてフッ素化溶媒2,2−ジフルオロエチルプロピオネートおよび2,2−ジフルオロエチルアセテートと、エチレンカーボネートとの混合物を含有する電解質組成物を調製した。この電解質組成物のイオン伝導率は、比較例18に記載されたように測定され、25℃で7.4mS/cmであることが分かった。
黒鉛電極上へのフィルム形成
黒鉛アノードは、上記の通り調製した。
非水性電解質リチウム−イオンCR2032コイン電池を、電気化学的評価のために調製した。コイン電池パーツ(ケース、スペーサー、波形ばね、ガスケット、および蓋)ならびにコイン電池クリンパーは、宝泉15株式会社(大阪、日本)から入手した。コイン電池を次の順にアルゴンドライボックス中で組み立てた:缶、ポリプロピレンガスケット、16.0mm×0.5mmスペーサー、14.3mm黒鉛電極、4滴の電解質、16.8mmのCelgard CG2500セパレータ、3滴の電解質、14.5mm×275μmリチウム電極、16.0mm×1.0mmスペーサー、波形ばね、およびキャップ。電池を、宝泉自動クリンパーを用いてクリンプした。
黒鉛電極を先ず、試料の全域で一貫した外観について調べた。3mm×5mm長方形セクションを、解剖用はさみを用いて電極のほぼ中心からカットした。このセクションを、両面導電性カーボンテープを使用してSEM試料キャリアに装着した。この黒鉛電極試料を次に、Noran System Six EDSアタッチメントを備え付けた日立モデルS−5000SPX HRSEMで分析した。画像は、1280×960キャプチャー解像度および128フレームのフレーム積分を用いて、1.5kVの加速電圧で5,000X、25,000X、50,000X、および100,000Xの倍率で取得した。
黒鉛電極上に形成されなかったフィルム
コイン電池を、EC:DFEA 30:70および1.0MのLiPF6を含有する電解質を使用して実施例48に記載されたように調製した。実施例48に記載されたように、コイン電池をサイクルさせ、黒鉛電極をSEMによって分析した。黒鉛電極表面上のカバレージが、得られた電子顕微鏡写真(図4)にほとんど〜まったく見られず、フィルムが0.01〜2V範囲で形成していなかったことを示した。
黒鉛電極上に形成されなかったフィルム
コイン電池を、EC:DFEA 30:70プラス1%のFECおよび1.0MのLiPF6を含有する電解質を使用して実施例48に記載されたように調製した。実施例48に記載されたように、コイン電池をサイクルさせ、黒鉛電極をSEMによって分析した。電極表面上の露出黒鉛が、得られた電子顕微鏡写真(図5)に見られ、フィルムが0.01V〜2Vの範囲で形成していなかったことを示した。
黒鉛電極上へのフィルム形成
コイン電池を、EC:DFEA 30:70プラス1%のFEC、1%のMAおよび1.0MのLiPF6を含有する電解質を使用して実施例48に記載されたように調製した。黒鉛電極を実施例48に記載されたように、コイン電池をサイクルさせ、SEMによって分析した。SEM結果は、1V以上での電位条件下で、薄い、不完全なカバレージが起こることを示した(図6)。図6のセクション3の化学的特徴づけは、高炭素含量しかし少量の観測できるフッ素、酸素、またはリンを見いだした。しかし図6のセクション1および2では、炭素、フッ素、酸素、およびリンが観察され、それは、添加物の崩壊または分解によると考えられる。セクション2は、観察できるC、F、O、およびPがセクション1よりも少なかった。露出黒鉛がセクション2および3に観察でき、フィルムが形成されていなかったことを示した。
カソード、アノード、および単層ポーチ電池は、実施例43〜46および比較例16〜17に記載されたものと同じ手順で調製した。溶媒は、75重量%のFECと25重量%のDFEAとの混合物であった。1.0MのLiPF6の添加後に、1.0重量%の無水マレイン酸を添加物として添加した。比較例は、75重量%のFECと、25重量%のDFEAと、1.0MのLiPF6との混合物を使用して調製した。電池を次に、上に記載されたのと同じフォーメーションプロセス、セル容量の測定および5つの室温サイクルにかけた。
DFEA/DFMC/DMC/EC/LiBOB
1MのLiPF6、2重量%のLiBOB、98重量%の(共溶媒およびLiPF6)とともに28重量%のDFEA/28重量%のDFMC/14重量%のDMC/30重量%のECカソード電極カソード電極の調製
カソード電極は、次の手順で調製した。
ポリアミド酸を調製するために、プレポリマーを先ず調製した。20.6重量%のPMDA:ODA(ピロメリット酸二無水物//ODA(4,4’−ジアミノジフェニルエーテル))プレポリマーを、0.98:1の化学量論PMDA/ODAプレポリマーを使用して調製した。これは、穏やかに攪拌しながら室温でおおよそ45分にわたってODAをN−メチルピロリドン(NMP)に溶かすことによって調製した。PMDA粉末を、溶液のいかなる温度上昇をも制御するために混合物に(小アリコートで)ゆっくり添加し;PMDAの添加は、おおよそ2時間にわたって行った。制御された温度条件下での結果として生じた溶液の添加および攪拌。ポリアミド酸の最終濃度は、20.6重量%であり、酸無水物対アミン成分のモル比は、おおよそ0.98:1であった。
40℃〜125℃(4℃/分でランプ)
125℃〜125℃(ソーク 30分)
125℃〜250℃(4℃/分でランプ)
250℃〜250℃(ソーク 30分)
250℃〜400℃(5℃/分でランプ)
400℃〜400℃(ソーク 20分)
ペーストの調製
使用されたバインダーは、Solef(登録商標)5130(Solvay,ヒューストン,TX)バインダーであり、それをNMP(N−メチルピロリドン,Sigma Aldrich,セントルイス,MO)中の5.5%溶液に希釈した。次の原材料を使用して電極ペーストを作った:6.0352gのFarasis 1,1,1 NMC(NiCoMg,Farasis Energy,ヘイワード,CA)カソード活性粉末;0.3342gのカーボンブラック(非圧縮Denka、電気化学工業株式会社、日本);6.0971gのPVDF(ポリ二フッ化ビニリデン)溶液;および2.1491g(部分1)+0.3858gのNMP(部分2)(Sigma Aldrich)。原材料を、下に記載されるように、90:5:5、カソード活性粉末:PVDF:カーボンブラックの比で組み合わせた。最終ペーストは、44.7重量%の固形分を含有した。
ペーストを、5ミルゲート高さプラス2ミルのKapton(登録商標)テープのドクターブレードを用いて手作業で下塗りアルミ箔上へキャストした。電極を真空オーブン中90℃で60分間乾燥させた。結果として生じた51mm幅カソードを、125μm厚さの真ちゅうシート間に入れ、125℃で100mm直径スチールロールを用いて3回カレンダーを通過させ、圧力が、18psi、24pai、および30psiの圧力で、各パスにおいて増加した。カレンダーは、ニップ力(ポンド単位)=37.8×調整器圧(psi)を有するようにセットする。カソード活性材料のローディングは、おおよそ7.85〜8.06mg/cm2であった。
下記は、下の実施例に使用されるアノードの調製のために用いられる典型的な手順である。アノードペーストは、次の原材料から調製する:5.00gの黒鉛(Cpreme(登録商標)G5,Conoco−Philips,ヒューストン,TX);0.2743gのカーボンブラック(Super C65,Timcal,ウェストレイク,OH);3.06gのPVDF(NMP.KFL #9130,Kureha America Corp.中の13%);11.00gの1−メチル−2−ピロリジノン(NMP);および0.0097gのシュウ酸。原材料を、下に記載されるように、88:0.17:7:4.83、黒鉛:シュウ酸:PVDF:カーボンブラックの比で組み合わせる。最終ペーストは、典型的には29.4%の固形分を含有する。
1Lの無水ジクロロメタン(ECD)中の2,2−ジフルオロエタノール(125g;1.52モル;mw=82.05;D=1.30;bp=95℃;Synquest 2101−3−02)およびピリジン(139g;1.76モル;mw=79.1;D=0.98;Aldrich 270970)の溶液を、オーバーヘッド攪拌および滴下漏斗を取り付けた3口の3LのRBフラスコに窒素下に入れた。溶液を、氷浴中で攪拌することによって冷却した。クロロギ酸メチル(166g;1.76モル;mw=94.50;D=1.22;bp=70℃,Aldrich M35304)を滴下漏斗に入れ、30分にわたってジフルオロエタノールおよびピリジンの攪拌溶液に添加した。約100mLのクロロギ酸メチルが添加されたときに、ピリジンHClが突然沈澱し、混合物は白色スラリーになった。混合物を30分間攪拌した。氷浴を取り除き、混合物をRTで65時間攪拌した。
リチウムビス(オキサレート)ボレート(LiBOB)精製
窒素パージされるドライボックス中で、リチウムビス(オキサレート)ボレート精製(LiBOB,Sigma−Aldrich,ミルウォーキー,WI)を、次の手順で精製した。11.25gのLiBOBを、50mlの無水アセトニトリル入りの400mlビーカーに添加した。混合物を攪拌し、約30分間40℃に加熱した。暖かい混合物をワットマン#1濾紙を通して濾過し、第2ビーカーへ移し、室温に冷却した。無色透明溶液が得られた。この無色透明溶液に、約50mlの冷たい無水トルエン(−30℃)を添加した。これを追加の30分間攪拌して沈澱物を形成した。溶液を、ワットマン#1濾紙を通して濾過し、フィルターケーキを、冷たい無水トルエンで再び洗浄した。フィルターケーキを真空濾過漏斗上で乾燥させた後、固形分をドライボックスから取り出し、130℃で真空オーブン中に入れ、15時間わずかに窒素パージしながら乾燥させて最終生成物を形成し、それはその後、窒素パージされるドライボックス中で取り扱った。
電解質調合物は、12.6298グラムのエチレンカーボネート(BASF,インディペンデンス,OH)、5.908グラムのジメチルカーボネート、(BASF,インディペンデンス,OH)、11.8045gの2,2 ジフルオロエチルアセテートおよび11.7943グラムの2,2 ジフルオロエチルメチルカーボネートを組み合わせることによって調製した。混合物を、含水率が1ppmよりも下になるまで3Aモレキュラーシーブ上で乾燥させた。混合物を、0.2ミクロンのPTFEシリンジフィルターを用いて濾過し、5.422グラムのLiPF6(BASF,インディペンデンス,OH)を次に添加した。
円形アノード14.3mm直径およびカソード12.7mm直径を、上に記載された電極シートからパンチアウトし、グローブボックス(Vacuum Atmospheres,ホーソン,CA,HE−493清浄器付き)の副室のヒーター中に入れ、90℃で一晩真空下にさらに乾燥させ、アルゴン充満グローブボックスに持ち込んだ。非水性電解質リチウム−イオンCR2032コイン電池を、電気化学的評価のために調製した。コイン電池パーツ(ケース、スペーサー、波形ばね、ガスケット、および蓋)ならびにコイン電池クリンパーは、宝泉株式会社(大阪、日本)から入手した。セパレータは、Celgard 2500(Celgard/Polypore International,シャーロット,NC)であった。
コイン電池を、おおよそ0.1Cレートである、カソード活性材料の1グラム当たり17.5mAの電流で3.0〜4.6Vの電圧限界間で充電するおよび放電する定電流を用いて周囲温度で市販のバッテリーテスタ(Series 4000,Maccor,タルサ,OK)を用いるフォーメーションについて2回サイクルさせた。この手順の後に、コイン電池を、おおよそC/2レートである、カソード活性材料の1グラム当たり87.5mAの電流で3.0〜4.6Vの電圧限界間で充電するおよび放電する定電流を用いてサイクルさせた。各充電工程中に、電圧をその後、電流がC/20(活性カソード材料の1グラム当たりおおよそ8.75mA)に漸減するまで4.6Vに保持した。
290サイクルでのセル1は、その初期容量の90.3%を保持し;セル2は、87.7%を保持していた。
70重量%のDFEA/30重量%のEC溶媒比/1MのLiPF6
2重量%のFEC、2重量%のLiBOB、96重量%の共溶媒およびLiPF6
実施例50に記載されたのと同じ手順を用いた。
実施例50に記載されたのと同じアノードを使用した。アノード活性材料のローディングは、おおよそ4.45〜4.67mg/cm2であった。
電解質を、70重量%の2,2−ジフルオロエチルアセテートと30重量%のエチレンカーボネート(EC,BASF,インディペンデンス,OH)とを窒素パージされるドライボックス中に組み合わせることによって調製した。モレキュラーシーブ(3A)を添加し、混合物を1ppm未満の水まで乾燥させた。0.2ミクロンのPTFEシリングフィルターでの濾過後に、LiPF6(リチウムヘキサフルオロホスフェート,(BASF,インディペンデンス,OH)を添加して1M濃度で調合電解質を作った。
290サイクルでのセル1は、200サイクル後のその初期容量の90.6%保持し;セル2は、80%を保持していた。
Claims (47)
- a)(i)式:
R1−COO−R2
で表されるフッ素化非環式カルボン酸エステル、
(ii)式:
R3−OCOO−R4
で表されるフッ素化非環式カーボネート、および
(iii)式:
R5−O−R6
で表されるフッ素化非環式エーテル
(式中、R1、R2、R3、R4、R5、およびR6は、線状もしくは分岐アルキル基を独立して表し;R1およびR2、R3およびR4、ならびにR5およびR6のいずれにおける炭素原子の合計も2〜7であり;R1および/またはR2、R3および/またはR4、ならびにR5および/またはR6中の少なくとも2個の水素は、フッ素で置き換えられており;R1、R2、R3、R4、R5も、R6も、FCH2またはFCH基を含有しない)
からなる群から選択される少なくとも1つのフッ素化溶媒と;
b)エチレンカーボネート、フルオロオエチレンカーボネート、およびプロピレンカーボネートからなる群から選択される少なくとも1つの共溶媒と;
c)ある濃度で電解質組成物中に存在する少なくとも1つのフィルム形成化合物であって、前記濃度で前記フィルム形成化合物が、前記電解質組成物がフィルムを形成するように、Li/Li+参照電極に対して+1.0V未満の電位で分解する化合物と;
d)少なくとも1つの電解質塩と
を含み、ただし、b)とc)とは異なる、電解質組成物。 - 前記電解質組成物が、Li/Li+参照電極に対して1.0V以上の電位でフィルムを形成しない、請求項1に記載の電解質組成物。
- 前記フッ素化溶媒がフッ素化非環式カルボン酸エステルであり、R1中の炭素原子の数が1、3、4、または5である、請求項1に記載の電解質組成物。
- 前記フッ素化溶媒がフッ素化非環式カルボン酸エステルであり、R1中の炭素原子の数が1である、請求項1に記載の電解質組成物。
- 前記フッ素化溶媒がフッ素化非環式カルボン酸エステルであり、R1がフッ素を含有せず、R2がフッ素を含有する、請求項1に記載の電解質組成物。
- 前記少なくとも1つの共溶媒が、エチルメチルカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、ブチレンカーボネート、およびエチルメチルスルホンからなる群の1つ以上のメンバーをさらに含む、請求項1に記載の電解質組成物。
- 前記少なくとも1つのフィルム形成化合物が、フルオロオエチレンカーボネート、エチレンカーボネート、リチウムビス(オキサレート)ボレート、リチウムジフルオロオキサラトボレート、無水マレイン酸、無水コハク酸、グルタル酸無水物、2,3−ジメチルマレイン酸無水物、シトラコン酸無水物、1−シクロペンテン−1,2−ジカルボン酸無水物、2,3−ジフェニルマレイン酸無水物、3,4,5,6−テトラヒドロフタル酸無水物、2,3−ジヒドロ−1,4−ジチイオノ−[2,3−c]フラン−5,7 ジオン、およびフェニルマレイン酸無水物からなる群の1つ以上のメンバーから選択される、請求項1に記載の電解質組成物。
- 前記フッ素化非環式カルボン酸エステルが、CH3−COO−CH2CF2H、CH3CH2−COOCH2CF2H、F2CHCH2−COO−CH3、F2CHCH2−COO−CH2CH3、CH3−COO−CH2CH2CF2H、CH3CH2−COO−CH2CH2CF2H、F2CHCH2CH2−COO−CH2CH3、およびCH3−COO−CH2CF3からなる群の1つ以上のメンバーから選択される、請求項1に記載の電解質組成物。
- 前記フッ素化非環式カルボン酸エステルが2,2−ジフルオロエチルアセテートである、請求項8に記載の電解質組成物。
- 前記フッ素化非環式カーボネートが、CH3−OC(O)O−CH2CF2H、CH3−OC(O)O−CH2CF3、CH3−OC(O)O−CH2CF2CF2H、HCF2CH2−OCOO−CH2CH3、およびCF3CH2−OCOO−CH2CH3からなる群の1つ以上のメンバーから選択される、請求項1に記載の電解質組成物。
- 前記フッ素化非環式エーテルが、HCF2CF2CH2−O−CF2CF2HおよびHCF2CH2−O−CF2CF2Hからなる群の1つ以上のメンバーから選択される、請求項1に記載の電解質組成物。
- 前記少なくとも1つのフィルム形成化合物が、総電解質組成物の約0.01重量%〜約10重量%の量で存在する、請求項1に記載の電解質組成物。
- 前記電解質組成物が、2,2−ジフルオロエチルアセテート、エチレンカーボネートおよび/またはフルオロオエチレンカーボネート、ならびに無水マレイン酸を含む、請求項1に記載の電解質組成物。
- 前記電解質組成物が、前記総電解質組成物の重量で約50%〜約80%の2,2−ジフルオロエチルアセテート;約10%〜約40%のエチレンカーボネート、フルオロオエチレンカーボネート、またはそれらの混合物;および約0.25%〜約5.0%の無水マレイン酸を含む、請求項13に記載の電解質組成物。
- 前記電解質組成物が、前記総電解質組成物の重量で約50%〜約80%の2,2−ジフルオロエチルアセテート、約20%〜約30%のエチレンカーボネート、約0.25%〜約5.0%のフルオロオエチレンカーボネートおよび約0.25%〜約5.0%の無水マレイン酸を含む、請求項13に記載の電解質組成物。
- 前記電解質組成物が、2,2−ジフルオロエチルアセテートおよびリチウムビス(オキサレート)ボレート、ならびにエチレンカーボネート、2,2−ジフルオロエチルメチルカーボネート、ジメチルカーボネート、およびフルオロオエチレンカーボネートの1つ以上を含む、請求項1に記載の電解質組成物。
- (a)ハウジングと;
(b)前記ハウジング中に配置され、互いにイオン伝導性接触したアノードおよびカソードと;
(c)前記ハウジング中に配置され、前記アノードと前記カソードとの間にイオン伝導性経路を提供する請求項1に記載の電解質組成物と;
(d)前記アノードと前記カソードとの間の多孔質セパレータと
を含む電気化学セル。 - 前記電気化学セルがリチウムイオン電池である、請求項17に記載の電気化学セル。
- 前記アノードが、リチウムチタネートまたは黒鉛である、請求項17に記載のリチウムイオン電池。
- 前記カソードが、Li/Li+参照電極に対して4.6V超の電位範囲で30mAh/g超の容量を示すカソード活性材料を含む、請求項17に記載のリチウムイオン電池。
- 前記カソードが、Li/Li+参照電極に対して4.35V以上の電位まで充電されるカソード活性材料を含む、請求項17に記載のリチウムイオン電池。
- 前記カソードが、活性材料としてスピネル構造を有するリチウム含有マンガン複合酸化物を含み、前記リチウム含有マンガン複合酸化物が式:
LixNiyMzMn2−y−zO4−d
(式中、xは0.03〜1.0であり;xは、充電および放電中のリチウムイオンおよび電子の放出および取込みに従って変化し;yは0.3〜0.6であり;Mは、Cr、Fe、Co、Li、Al、Ga、Nb、Mo、Ti、Zr、Mg、Zn、V、およびCuの1つ以上を含み;zは0.01〜0.18であり、dは0〜0.3である)
で表される、請求項17に記載のリチウムイオン電池。 - 前記カソードが、
LiaNibMncCodReO2−fZf(式中:
Rは、Al、Ni、Co、Mn、Cr、Fe、Mg、Sr、V、Zr、Ti、希土類元素、またはそれらの組み合わせであり、Zは、F、S、P、またはそれらの組み合わせであり;
0.8≦a≦1.2、0.1≦b≦0.5、0.2≦c≦0.7、0.05≦d≦0.4、0≦e≦0.2であり;ここで、b+c+d+eの合計は約1であり;0≦f≦0.08である)
を含む、請求項22に記載のリチウムイオン電池。 - 請求項17に記載の電気化学セルを含む、電子デバイス、輸送機器、電気通信機器。
- a)(i)式:
R1−COO−R2
で表されるフッ素化非環式カルボン酸エステル、
(ii)式:
R3−OCOO−R4
で表されるフッ素化非環式カーボネート、および
(iii)式:
R5−O−R6
で表されるフッ素化非環式エーテル
(式中、R1、R2、R3、R4、R5、およびR6は、線状もしくは分岐アルキル基を独立して表し;R1およびR2、R3およびR4、ならびにR5およびR6のいずれにおける炭素原子の合計も2〜7であり;R1および/またはR2、R3および/またはR4、ならびにR5および/またはR6中の少なくとも2個の水素は、フッ素で置き換えられており;R1、R2、R3、R4、R5も、R6も、FCH2またはFCH基を含有しない)
からなる群から選択される少なくとも1つのフッ素化溶媒と;
b)エチレンカーボネート、フルオロオエチレンカーボネート、およびプロピレンカーボネートからなる群から選択される少なくとも1つの共溶媒と;
c)ある濃度で電解質組成物中に存在する少なくとも1つのフィルム形成化合物であって、前記濃度で前記フィルム形成化合物がLi/Li+参照電極に対して+1.0V未満の電位で分解する化合物と;
d)少なくとも1つの電解質塩と
(ただし、b)とc)とは異なる)
を組み合わせて電解質組成物を形成する工程を含む方法。 - a)(i)式:
R1−COO−R2
で表されるフッ素化非環式カルボン酸エステル、
(ii)式:
R3−OCOO−R4
で表されるフッ素化非環式カーボネート、および
(iii)式:
R5−O−R6
で表されるフッ素化非環式エーテル
(式中、R1、R2、R3、R4、R5、およびR6は、線状もしくは分岐アルキル基を独立して表し;R1およびR2、R3およびR4、ならびにR5およびR6のいずれにおける炭素原子の合計も2〜7であり;R1および/またはR2、R3および/またはR4、ならびにR5および/またはR6中の少なくとも2個の水素は、フッ素で置き換えられており;R1、R2、R3、R4、R5も、R6も、FCH2またはFCH基を含有しない)
からなる群から選択される少なくとも1つのフッ素化溶媒と;
b)エチレンカーボネート、フルオロオエチレンカーボネート、およびプロピレンカーボネートからなる群から選択される少なくとも1つの共溶媒と;
c)
d)少なくとも1つの電解質塩と
を含む電解質組成物。 - 前記フッ素化溶媒がフッ素化非環式カルボン酸エステルであり、R1中の炭素原子の数が1、3、4、または5である、請求項26に記載の電解質組成物。
- 前記フッ素化溶媒がフッ素化非環式カルボン酸エステルであり、R1がフッ素を含有せず、R2がフッ素を含有する、請求項26に記載の電解質組成物。
- 前記少なくとも1つの環状カルボン酸無水物が、無水マレイン酸、無水コハク酸、グルタル酸無水物、2,3−ジメチルマレイン酸無水物、シトラコン酸無水物、1−シクロペンテン−1,2−ジカルボン酸無水物、2,3−ジフェニルマレイン酸無水物、3,4,5,6−テトラヒドロフタル酸無水物、2,3−ジヒドロ−1,4−ジチイオノ−[2,3−c]フラン−5,7 ジオン、およびフェニルマレイン酸無水物からなる群の1つ以上のメンバーから選択される、請求項26に記載の電解質組成物。
- 前記少なくとも1つの環状カルボン酸無水物が無水マレイン酸である、請求項29に記載の電解質組成物。
- 前記フッ素化非環式カルボン酸エステルが、CH3−COO−CH2CF2H、CH3CH2−COOCH2CF2H、F2CHCH2−COO−CH3、F2CHCH2−COO−CH2CH3、CH3−COO−CH2CH2CF2H、CH3CH2−COO−CH2CH2CF2H、F2CHCH2CH2−COO−CH2CH3、およびCH3−COO−CH2CF3からなる群の1つ以上のメンバーから選択される、請求項26に記載の電解質組成物。
- 前記フッ素化非環式カルボン酸エステルが2,2−ジフルオロエチルアセテートである、請求項31に記載の電解質組成物。
- 前記フッ素化非環式カーボネートが、CH3−OC(O)O−CH2CF2H、CH3−OC(O)O−CH2CF3、CH3−OC(O)O−CH2CF2CF2H、HCF2CH2−OCOO−CH2CH3、およびCF3CH2−OCOO−CH2CH3からなる群の1つ以上のメンバーから選択される、請求項26に記載の電解質組成物。
- 前記フッ素化非環式エーテルが、HCF2CF2CH2−O−CF2CF2HおよびHCF2CH2−O−CF2CF2Hからなる群の1つ以上のメンバーから選択される請求項26に記載の電解質組成物。
- 前記少なくとも1つの環状カルボン酸無水物が、総電解質組成物の約0.01重量%〜約10重量%の量で存在する、請求項26に記載の電解質組成物。
- 前記電解質組成物が、2,2−ジフルオロエチルアセテート、エチレンカーボネートおよび/またはフルオロオエチレンカーボネート、ならびに無水マレイン酸を含む、請求項26に記載の電解質組成物。
- 前記電解質組成物が、前記総電解質組成物の重量で約50%〜約80%の2,2−ジフルオロエチルアセテート;約10%〜約40%のエチレンカーボネート、フルオロオエチレンカーボネート、またはそれらの混合物;および約0.25%〜約5.0%の無水マレイン酸を含む、請求項26に記載の電解質組成物。
- 前記電解質組成物が、前記総電解質組成物の重量で約50%〜約80%の2,2−ジフルオロエチルアセテート、約10%〜約40%のエチレンカーボネート、約0.25%〜約5.0%のフルオロオエチレンカーボネートおよび約0.25%〜約5.0%の無水マレイン酸を含む、請求項26に記載の電解質組成物。
- (a)ハウジングと;
(b)前記ハウジング中に配置され、互いにイオン伝導性接触したアノードおよびカソードと;
(c)前記ハウジング中に配置され、前記アノードと前記カソードとの間にイオン伝導性経路を提供する請求項1または2に記載の電解質組成物と;
(d)前記アノードと前記カソードとの間の多孔質セパレータと
を含む電気化学セル。 - 前記電気化学セルがリチウムイオン電池である、請求項39に記載の電気化学セル。
- 前記アノードが、リチウムチタネートまたは黒鉛である、請求項40に記載のリチウムイオン電池。
- 前記カソードが、Li/Li+参照電極に対して4.6V超の電位範囲で30mAh/g超の容量を示すカソード活性材料を含む、請求項40に記載のリチウムイオン電池。
- 前記カソードが、Li/Li+参照電極に対して4.35V以上の電位まで充電されるカソード活性材料を含む、請求項40に記載のリチウムイオン電池。
- 前記カソードが、活性材料としてスピネル構造を有するリチウム含有マンガン複合酸化物を含み、前記リチウム含有マンガン複合酸化物が式:
LixNiyMzMn2−y−zO4−d
(式中、xは0.03〜1.0であり;xは、充電および放電中のリチウムイオンおよび電子の放出および取込みに従って変化し;yは0.3〜0.6であり;Mは、Cr、Fe、Co、Li、Al、Ga、Nb、Mo、Ti、Zr、Mg、Zn、V、およびCuの1つ以上を含み;zは0.01〜0.18であり、dは0〜0.3である)
で表される、請求項40に記載のリチウムイオン電池。 - 前記カソードが、
LiaNibMncCodReO2−fZf(式中:
Rは、Al、Ni、Co、Mn、Cr、Fe、Mg、Sr、V、Zr、Ti、希土類元素、またはそれらの組み合わせであり、Zは、F、S、P、またはそれらの組み合わせであり;
0.8≦a≦1.2、0.1≦b≦0.5、0.2≦c≦0.7、0.05≦d≦0.4、0≦e≦0.2であり;ここで、b+c+d+eの合計は約1であり;0≦f≦0.08である)
を含む、請求項44に記載のリチウムイオン電池。 - 請求項39に記載の電気化学セルを含む、電子デバイス、輸送機器、電気通信機器。
- a)(i)式:
R1−COO−R2
で表されるフッ素化非環式カルボン酸エステル、
(ii)式:
R3−OCOO−R4
で表されるフッ素化非環式カーボネート、および
(iii)式:
R5−O−R6
で表されるフッ素化非環式エーテル
(式中、R1、R2、R3、R4、R5、およびR6は、線状もしくは分岐アルキル基を独立して表し;R1およびR2、R3およびR4、ならびにR5およびR6のいずれにおける炭素原子の合計も2〜7であり;R1および/またはR2、R3および/またはR4、ならびにR5および/またはR6中の少なくとも2個の水素は、フッ素で置き換えられており;R1、R2、R3、R4、R5も、R6も、FCH2またはFCH基を含有しない)
からなる群から選択される少なくとも1つのフッ素化溶媒と;
b)エチレンカーボネート、フルオロオエチレンカーボネート、およびプロピレンカーボネートからなる群から選択される少なくとも1つの共溶媒と;
c)
d)少なくとも1つの電解質塩と
を組み合わせて電解質組成物を形成する工程を含む方法。
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