JP2017016752A - 非水系電解液用添加剤及びその製法、非水系電解液、非水系電解液二次電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】非水系電解液の長期保存において該非水系電解液中での分解が抑制された環状硫酸エステル系の非水系電解液用添加剤とその製造方法、及び該添加剤を含有する非水系電解液とそれを用いた非水系電解液二次電池を提供すること。【解決手段】下記一般式(1)で表される、非水系電解液用添加剤。[式(1)中、Xは(−CH2−)m、−CH(CH3)−、−C(CH3)2−、−CF2−、−C(CF3)2−、及び−C(C6H5)2−からなる群から選ばれる基であり、mは1、2、3のいずれかである。Z1及びZ2は、それぞれ独立で、水素原子、−CF3基、及び−CH2CF3基からなる群から選ばれる基であり、Z1とZ2がいずれも水素原子であることはなく、また、−CF3基である場合にはZ1とZ2の両方ともが−CF3基である。]【選択図】なし
Description
本発明は、非水系電解液用添加剤とその製造方法、非水系電解液、及び、非水系電解液二次電池に関するものである。
近年、情報関連機器、通信機器、即ちパソコン、ビデオカメラ、デジタルスチールカメラ、携帯電話等の小型、高エネルギー密度用途向け蓄電システムや電気自動車、ハイブリッド車、燃料電池車補助電源、電力貯蔵等の大型、パワー用途向けの蓄電システムが注目を集めている。その一つの候補としてリチウムイオン電池、リチウム電池、リチウムイオンキャパシタ等の非水系電解液二次電池が盛んに開発されている。
これらの非水系電解液二次電池は既に実用化されているものも多いが、耐久性に於いて種々の用途で満足できるものではなく、特に環境温度が45℃以上のときの劣化が大きいため、例えば、自動車用など長期間、温度の高い環境で使用する用途では問題がある。
これまで非水系電解液二次電池の耐久性を向上するための手段として、正極や負極の活物質をはじめとする様々な電池構成要素の最適化が検討されてきた。非水系電解液もその例外ではなく、種々の耐久性向上剤による分解被膜で、非水系電解液が活性な正極や負極の表面で分解することによる劣化を抑制することが提案されている。
特許文献1では、リチウム二次電池の抵抗上昇とガス発生量を抑制し且つ容量回復率を向上させることを目的として、少なくとも非プロトン性溶媒と、環状ジスルホン酸エステルとを含む二次電池用電解液であって、該電解液中の環状ジスルホン酸エステルの濃度が0.1質量%以上5.0質量%以下であり、該電解液中の塩素の割合が質量基準で150ppm未満であることを特徴とする二次電池用電解液が開示されており、上記環状ジスルホン酸エステルとして、例えば、メチレンメタンジスルホン酸エステルやエチレンメタンジスルホン酸エステルを用いることが開示されている。
特許文献2では、ポリマー電池のレート特性及びサイクル特性を向上させることを目的として、非プロトン性有機溶媒、支持塩、および化学構造中に−O−SO2−を少なくとも1個有するイオウ含有有機化合物を含有することを特徴とするポリマーゲル電解質が開示されており、上記イオウ含有有機化合物として、例えば、メチレンメタンジスルホネートやエチレンメタンジスルホネートを用いることが開示されている。
特許文献1で開示されているような環状ジスルホン酸エステルや、特許文献2で開示されているようなイオウ含有有機化合物は、非水系電解液中で電解質と反応し、分解してしまうものがあり、非水系電解液の長期保存の観点から必ずしも満足できるものではなかった。
本発明の目的は、非水系電解液の長期保存において該非水系電解液中での分解が抑制された環状硫酸エステル系の非水系電解液用添加剤とその製造方法を提供することである。
また、本発明の目的は、該非水系電解液用添加剤を含有する非水系電解液とそれを用いた非水系電解液二次電池を提供することである。
また、本発明の目的は、該非水系電解液用添加剤を含有する非水系電解液とそれを用いた非水系電解液二次電池を提供することである。
本発明は、下記一般式(1)で表される、非水系電解液用添加剤である。
[式(1)中、Xは(−CH2−)m、−CH(CH3)−、−C(CH3)2−、−CF2−、−C(CF3)2−、及び−C(C6H5)2−からなる群から選ばれる基であり、mは1、2、3のいずれかである。
Z1及びZ2は、それぞれ独立で、水素原子、−CF3基、及び−CH2CF3基からなる群から選ばれる基であり、Z1とZ2がいずれも水素原子であることはなく、また、−CF3基である場合にはZ1とZ2の両方ともが−CF3基である。]
[式(1)中、Xは(−CH2−)m、−CH(CH3)−、−C(CH3)2−、−CF2−、−C(CF3)2−、及び−C(C6H5)2−からなる群から選ばれる基であり、mは1、2、3のいずれかである。
Z1及びZ2は、それぞれ独立で、水素原子、−CF3基、及び−CH2CF3基からなる群から選ばれる基であり、Z1とZ2がいずれも水素原子であることはなく、また、−CF3基である場合にはZ1とZ2の両方ともが−CF3基である。]
上記の非水系電解液用添加剤は、上記一般式(1)のZ1及びZ2の少なくとも1つが−CH2CF3基である化合物であることが好ましい。
また本発明は、
下記一般式(3)で表されるアルカンジスルホン酸と、
下記一般式(4)で表されるアルデヒド及び/又はケトンと、
脱水剤とを反応させることを特徴とする、上記一般式(1)で表される非水系電解液用添加剤の合成方法である。
[式(3)中、Xは(−CH2−)m、−CH(CH3)−、−C(CH3)2−、−CF2−、−C(CF3)2−、及び−C(C6H5)2−からなる群から選ばれる基であり、mは1、2、3のいずれかである。]
[式(4)中、Z1及びZ2は、それぞれ独立で、水素原子、−CF3基、及び−CH2CF3基からなる群から選ばれる基であり、Z1とZ2がいずれも水素原子であることはなく、また、−CF3基である場合にはZ1とZ2の両方ともが−CF3基である。]
下記一般式(3)で表されるアルカンジスルホン酸と、
下記一般式(4)で表されるアルデヒド及び/又はケトンと、
脱水剤とを反応させることを特徴とする、上記一般式(1)で表される非水系電解液用添加剤の合成方法である。
[式(3)中、Xは(−CH2−)m、−CH(CH3)−、−C(CH3)2−、−CF2−、−C(CF3)2−、及び−C(C6H5)2−からなる群から選ばれる基であり、mは1、2、3のいずれかである。]
[式(4)中、Z1及びZ2は、それぞれ独立で、水素原子、−CF3基、及び−CH2CF3基からなる群から選ばれる基であり、Z1とZ2がいずれも水素原子であることはなく、また、−CF3基である場合にはZ1とZ2の両方ともが−CF3基である。]
上記の合成方法において、上記一般式(4)で表されるアルデヒド及び/又はケトンが、常温常圧で気体であることが好ましい。
また本発明は、
下記一般式(4)で表されるアルデヒド及び/又はケトンと、脱水剤とを反応させることにより、下記一般式(5)で表されるトリオキサン化合物を得る、第1反応工程
上記第1反応工程後に下記一般式(3)で表されるアルカンジスルホン酸を加えて反応させる、第2反応工程
を有することを特徴とする、上記一般式(1)で表される非水系電解液用添加剤の合成方法である。
[式(3)中、Xは(−CH2−)m、−CH(CH3)−、−C(CH3)2−、−CF2−、−C(CF3)2−、及び−C(C6H5)2−からなる群から選ばれる基であり、mは1、2、3のいずれかである。]
[式(4)中、Z1及びZ2は、それぞれ独立で、水素原子、−CF3基、及び−CH2CF3基からなる群から選ばれる基であり、Z1とZ2がいずれも水素原子であることはなく、また、−CF3基である場合にはZ1とZ2の両方ともが−CF3基である。]
[式(5)中、Z1及びZ2は、それぞれ独立で、水素原子、−CF3基、及び−CH2CF3基からなる群から選ばれる基であり、Z1とZ2がいずれも水素原子であることはなく、また、−CF3基である場合にはZ1とZ2の両方ともが−CF3基である。]
下記一般式(4)で表されるアルデヒド及び/又はケトンと、脱水剤とを反応させることにより、下記一般式(5)で表されるトリオキサン化合物を得る、第1反応工程
上記第1反応工程後に下記一般式(3)で表されるアルカンジスルホン酸を加えて反応させる、第2反応工程
を有することを特徴とする、上記一般式(1)で表される非水系電解液用添加剤の合成方法である。
[式(3)中、Xは(−CH2−)m、−CH(CH3)−、−C(CH3)2−、−CF2−、−C(CF3)2−、及び−C(C6H5)2−からなる群から選ばれる基であり、mは1、2、3のいずれかである。]
[式(4)中、Z1及びZ2は、それぞれ独立で、水素原子、−CF3基、及び−CH2CF3基からなる群から選ばれる基であり、Z1とZ2がいずれも水素原子であることはなく、また、−CF3基である場合にはZ1とZ2の両方ともが−CF3基である。]
[式(5)中、Z1及びZ2は、それぞれ独立で、水素原子、−CF3基、及び−CH2CF3基からなる群から選ばれる基であり、Z1とZ2がいずれも水素原子であることはなく、また、−CF3基である場合にはZ1とZ2の両方ともが−CF3基である。]
上記の合成方法において、上記一般式(4)で表されるアルデヒド及び/又はケトンが、常温常圧で液体又は固体であることが好ましい。
また本発明は、少なくとも、非水系溶媒と、溶質と、上記一般式(1)で表される非水系電解液用添加剤とを含む、非水系電解液である。
上記非水系電解液において、上記一般式(1)で表される化合物が、Z1及びZ2の少なくとも1つが−CH2CF3基である化合物であることが好ましい。
また、上記非水系電解液用添加剤の非水系電解液中の含有量が、
非水系溶媒と、溶質と、上記非水系電解液用添加剤の総量に対して0.2〜5.0質量%であることが好ましい。
非水系溶媒と、溶質と、上記非水系電解液用添加剤の総量に対して0.2〜5.0質量%であることが好ましい。
また、上記溶質が、
LiPF6、LiBF4、LiN(CF3SO2)2、LiN(FSO2)2、LiN(C2F5SO2)2、
ビス(オキサラト)ホウ酸リチウム、ジフルオロ(オキサラト)ホウ酸リチウム、トリス(オキサラト)リン酸リチウム、ジフルオロ(ビス(オキサラト))リン酸リチウム、テトラフルオロ(オキサラト)リン酸リチウム等のオキサレート錯体アニオン含有リチウム塩、
(CF2)2(SO2)2NLi、(CF2)3(SO2)2NLi等の環状アルキレン鎖含有リチウム塩、及び
ジフルオロリン酸リチウム
からなる群から選ばれる少なくとも1種であることが好ましい。
LiPF6、LiBF4、LiN(CF3SO2)2、LiN(FSO2)2、LiN(C2F5SO2)2、
ビス(オキサラト)ホウ酸リチウム、ジフルオロ(オキサラト)ホウ酸リチウム、トリス(オキサラト)リン酸リチウム、ジフルオロ(ビス(オキサラト))リン酸リチウム、テトラフルオロ(オキサラト)リン酸リチウム等のオキサレート錯体アニオン含有リチウム塩、
(CF2)2(SO2)2NLi、(CF2)3(SO2)2NLi等の環状アルキレン鎖含有リチウム塩、及び
ジフルオロリン酸リチウム
からなる群から選ばれる少なくとも1種であることが好ましい。
また、上記非水系溶媒が、環状カーボネート及び鎖状カーボネートからなる群から選ばれる少なくとも1種を含み、
前記環状カーボネートが、エチレンカーボネート、及びプロピレンカーボネートからなる群から選ばれる少なくとも1種を含み、
前記鎖状カーボネートが、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、及びメチルプロピルカーボネートからなる群から選ばれる少なくとも1種を含むことが好ましい。
前記環状カーボネートが、エチレンカーボネート、及びプロピレンカーボネートからなる群から選ばれる少なくとも1種を含み、
前記鎖状カーボネートが、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、及びメチルプロピルカーボネートからなる群から選ばれる少なくとも1種を含むことが好ましい。
また本発明は、上記の非水系電解液と少なくとも正極と負極を備えた非水系電解液二次電池である。
本発明によると、非水系電解液の長期保存において該非水系電解液中での分解が抑制された環状硫酸エステル系の非水系電解液用添加剤とその製造方法、及び該添加剤を含有する非水系電解液とそれを用いた非水系電解液二次電池を提供することができる。
1.一般式(1)で表される化合物について
上記一般式(1)で表される化合物のXは、(−CH2−)m、−CH(CH3)−、−C(CH3)2−、−CF2−、−C(CF3)2−、及び−C(C6H5)2−からなる群から選ばれる基であり、mは1、2、3のいずれかである。
また、Z1及びZ2は、それぞれ独立で、水素原子、−CF3基、及び−CH2CF3基からなる群から選ばれる基であり、Z1とZ2がいずれも水素原子であることはなく、また、−CF3基である場合にはZ1とZ2の両方ともが−CF3基である。
上記のような構造を有することによって、一般式(1)で表される化合物を含有する非水系電解液の長期保存において該非水系電解液中での当該化合物の分解が抑制される。その詳細な理由は明らかではないが、Z1とZ2のいずれかが、−CF3基、及び−CH2CF3基からなる群から選ばれる電子吸引性基であると、化合物の化学的安定性が向上し、電解質との反応性が低下するためと推察される。
上記一般式(1)で表される化合物のXは、(−CH2−)m、−CH(CH3)−、−C(CH3)2−、−CF2−、−C(CF3)2−、及び−C(C6H5)2−からなる群から選ばれる基であり、mは1、2、3のいずれかである。
また、Z1及びZ2は、それぞれ独立で、水素原子、−CF3基、及び−CH2CF3基からなる群から選ばれる基であり、Z1とZ2がいずれも水素原子であることはなく、また、−CF3基である場合にはZ1とZ2の両方ともが−CF3基である。
上記のような構造を有することによって、一般式(1)で表される化合物を含有する非水系電解液の長期保存において該非水系電解液中での当該化合物の分解が抑制される。その詳細な理由は明らかではないが、Z1とZ2のいずれかが、−CF3基、及び−CH2CF3基からなる群から選ばれる電子吸引性基であると、化合物の化学的安定性が向上し、電解質との反応性が低下するためと推察される。
上記一般式(1)で表される化合物の具体例としては、以下に示すような化合物が挙げられる。当然ながら、本発明はこれらの具体例によって何ら限定されるものではない。
Z1又はZ2が−CH2CF3基である(I−1)〜(I−7)及び(2)は、サイクル特性等の耐久性の観点からより好ましく、(2)が特に好ましい。
一般式(1)で表される化合物は、上記一般式(3)で表されるアルカンジスルホン酸と、上記一般式(4)で表されるアルデヒド及び/又はケトンと、脱水剤とを反応させることにより合成することができる。以下、「第1の合成方法」と記載する。
上記一般式(4)で表されるアルデヒド及び/又はケトンが常温常圧で気体である場合は、オートクレーブ等の耐圧容器を用いて上記の合成方法を行うことが適している。なお、上記一般式(4)で表されるアルデヒド及び/又はケトンが常温常圧で液体又は固体である場合も該合成方法を適用することはできる。第1の合成方法において、上記一般式(4)で表されるアルデヒド及び/又はケトンが常温常圧で気体である場合は、常温常圧で液体又は固体である場合よりも、収率が高くなる傾向があるため好ましい。
上記一般式(4)で表されるアルデヒド及び/又はケトンが常温常圧で気体である場合は、オートクレーブ等の耐圧容器を用いて上記の合成方法を行うことが適している。なお、上記一般式(4)で表されるアルデヒド及び/又はケトンが常温常圧で液体又は固体である場合も該合成方法を適用することはできる。第1の合成方法において、上記一般式(4)で表されるアルデヒド及び/又はケトンが常温常圧で気体である場合は、常温常圧で液体又は固体である場合よりも、収率が高くなる傾向があるため好ましい。
また、一般式(1)で表される化合物は、
上記一般式(4)で表されるアルデヒド及び/又はケトンと、脱水剤とを反応させることにより、上記一般式(5)で表されるトリオキサン化合物を得る、第1反応工程
該第1反応工程後に上記一般式(3)で表されるアルカンジスルホン酸を加えて反応させる、第2反応工程
を経て合成することができる。以下、「第2の合成方法」と記載する。
上記一般式(4)で表されるアルデヒド及び/又はケトンが常温常圧で液体又は固体である場合は、上記の合成方法を行うことが適している。該合成方法は、オートクレーブ等の特別な反応容器を必要としない合成方法である。なお、上記一般式(4)で表されるアルデヒド及び/又はケトンが常温常圧で気体である場合も該合成方法を適用することはできる。
上記一般式(4)で表されるアルデヒド及び/又はケトンと、脱水剤とを反応させることにより、上記一般式(5)で表されるトリオキサン化合物を得る、第1反応工程
該第1反応工程後に上記一般式(3)で表されるアルカンジスルホン酸を加えて反応させる、第2反応工程
を経て合成することができる。以下、「第2の合成方法」と記載する。
上記一般式(4)で表されるアルデヒド及び/又はケトンが常温常圧で液体又は固体である場合は、上記の合成方法を行うことが適している。該合成方法は、オートクレーブ等の特別な反応容器を必要としない合成方法である。なお、上記一般式(4)で表されるアルデヒド及び/又はケトンが常温常圧で気体である場合も該合成方法を適用することはできる。
上記一般式(3)で表されるアルカンジスルホン酸の具体例としては、メタンジスルホン酸、エタンジスルホン酸、プロパンジスルホン酸、1,1−エタンジスルホン酸、2,2−ジメチルメタンジスルホン酸、ジフルオロメタンジスルホン酸、1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロプロパンジスルホン酸、ジフェニルメタンジスルホン酸等が挙げられる。
上記一般式(4)で表されるアルデヒド及び/又はケトンの具体例としては、3,3,3−トリフルオロプロパナール、1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロ−2−プロパノン等が挙げられる。
上記脱水剤の具体例としては、五酸化二リン、五塩化リン、オキシ塩化リン、塩化チオニル、塩化アセチルおよび無水酢酸等が挙げられる。これらの脱水剤は1種単独で使用しても良いし、あるいは2種以上を混合しても良い。
上記第1の合成方法において、アルカンジスルホン酸と、アルデヒド及び/又はケトンと、脱水剤との反応は、アルカンジスルホン酸がアルデヒド及び/又はケトンと下記一般式(6)で表される付加体を経由した後、水が脱離することにより一般式(1)で表される化合物が得られるものである。
アルカンジスルホン酸の仕込み比は、アルデヒド及び/又はケトンに対して0.90モル等量以上、1.10モル等量以下が好ましく、収率の観点から0.95モル等量以上、1.05モル等量以下であることがより好ましい。脱水剤の仕込み比は、アルカンジスルホン酸に対して0.30モル等量以上、1.00モル等量以下が好ましく、収率の観点から0.40モル等量以上、0.70モル等量以下がより好ましい。
アルデヒド及び/又はケトンが固体または液体の場合は、アルデヒド及び/又はケトンを反応器に仕込んだ後にアルカンジスルホン酸、脱水剤の順番で仕込むことが収率の観点から好ましい。
アルデヒド及び/又はケトンが気体の場合は、アルカンジスルホン酸と脱水剤を先に反応器に仕込むことが好ましい。なお、アルカンジスルホン酸と脱水剤は、どちらを先に仕込んでも構わない。
アルデヒド及び/又はケトンが気体の場合は、アルカンジスルホン酸と脱水剤を先に反応器に仕込むことが好ましい。なお、アルカンジスルホン酸と脱水剤は、どちらを先に仕込んでも構わない。
反応温度は、通常は60℃以上、150℃以下が好ましく、特に、収率の観点から80℃以上、130℃以下が好ましい。
反応終了後に冷却しつつ水を加えると、脱水剤の固化を抑制しやすく、後処理工程の操作が簡便となるため好ましい。水を加えなかった場合は、冷却によって脱水剤が固化しやすく、その結果、反応器から反応混合物を取り出し難くなってしまう場合がある。
反応後、未反応のアルカンジスルホン酸及び脱水剤を除去するためには、水で洗浄することが好ましい。不溶物を濾別した後で得られた結晶を、一般的な有機溶剤を用いて再結晶精製することで目的物である一般式(1)で表される化合物の固体が得られる。再結晶の加熱温度は、用いる有機溶剤の沸点付近であることが好ましい。収率の観点から塩化メチレンの使用が好ましい。
上記第2の合成方法の第1反応工程は、反応機構については不明であるが、アルデヒド及び/又はケトンに脱水剤(例えば五酸化二リン)を作用させることにより、下記のようにトリオキサン化合物が得られるものであると推定される。
脱水剤の仕込み比は、アルデヒド及び/又はケトンに対して0.30モル等量以上、1.00モル等量以下が好ましく、収率の観点から0.40モル等量以上、0.70モル等量以下がより好ましい。
アルデヒド及び/又はケトンが固体または液体の場合は、脱水剤を反応器に仕込んだ後で、アルデヒド及び/又はケトンを仕込んでも良いが、アルデヒド及び/又はケトンを反応器に仕込んだ後に脱水剤を仕込む方が収率の観点から好ましい。
アルデヒド及び/又はケトンが気体の場合は、脱水剤を先に反応器に仕込むことが好ましい。
アルデヒド及び/又はケトンが気体の場合は、脱水剤を先に反応器に仕込むことが好ましい。
第1反応工程の反応温度は、通常は0℃以上、50℃以下が好ましく、特に、収率の観点から15℃以上、35℃以下が好ましい。
上記第2の合成方法の第2反応工程は、反応機構については不明であるが、トリオキサン化合物が加熱されることで得られるアルデヒド及び/又はケトンが、アルカンジスルホン酸と反応し、下記一般式(6)で表される付加体を経由した後、水が脱離することにより一般式(1)で表される化合物が得られるものであると推定される。
アルカンジスルホン酸の仕込み比は、第1反応工程で仕込んだアルデヒド及び/又はケトンに対して0.90モル等量以上、1.10モル等量以下が好ましく、収率の観点から0.95モル等量以上、1.05モル等量以下であることがより好ましい。
第2反応工程の反応温度は、通常は60℃以上、150℃以下が好ましく、特に、収率の観点から80℃以上、130℃以下が好ましい。
反応終了後に冷却しつつ水を加えると、脱水剤の固化を抑制しやすく、後処理工程の操作が簡便となるため好ましい。水を加えなかった場合は、冷却によって脱水剤が固化しやすく、その結果、反応器から反応混合物を取り出し難くなってしまう場合がある。
反応後、未反応のアルカンジスルホン酸及び脱水剤を除去するためには、水で洗浄することが好ましい。不溶物を濾別した後で得られた結晶を、一般的な有機溶剤を用いて再結晶精製することで目的物である一般式(1)で表される化合物の固体が得られる。再結晶の加熱温度は、用いる有機溶剤の沸点付近であることが好ましい。収率の観点から塩化メチレンの使用が好ましい。
2.非水系電解液について
非水系電解液は非水系溶媒を用いれば、一般に非水系電解液と呼ばれ、ポリマーを用いれば、ポリマー固体電解質と呼ばれるものになる。ポリマー固体電解質には可塑剤として非水系溶媒を含有するものも含まれる。
なお、この非水系電解液と、リチウムイオンやナトリウムイオンを始めとするアルカリ金属イオン、又はアルカリ土類金属イオンが可逆的に挿入−脱離可能な負極材料と、リチウムイオンやナトリウムイオンを始めとするアルカリ金属イオン、又はアルカリ土類金属イオンが可逆的に挿入−脱離可能な正極材料を用いる電気化学ディバイスを非水系電解液二次電池と呼ぶ。
非水系電解液は非水系溶媒を用いれば、一般に非水系電解液と呼ばれ、ポリマーを用いれば、ポリマー固体電解質と呼ばれるものになる。ポリマー固体電解質には可塑剤として非水系溶媒を含有するものも含まれる。
なお、この非水系電解液と、リチウムイオンやナトリウムイオンを始めとするアルカリ金属イオン、又はアルカリ土類金属イオンが可逆的に挿入−脱離可能な負極材料と、リチウムイオンやナトリウムイオンを始めとするアルカリ金属イオン、又はアルカリ土類金属イオンが可逆的に挿入−脱離可能な正極材料を用いる電気化学ディバイスを非水系電解液二次電池と呼ぶ。
溶質は特に限定されず、任意のカチオンとアニオンの対からなる塩を用いることができる。具体例としては、カチオンとしてリチウムイオンやナトリウムイオンを始めとするアルカリ金属イオン、アルカリ土類金属イオン、四級アルキルアンモニウムイオン等が挙げられ、アニオンとして、ヘキサフルオロリン酸、テトラフルオロホウ酸、過塩素酸、ヘキサフルオロヒ酸、ヘキサフルオロアンチモン酸、トリフルオロメタンスルホン酸、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド、ビス(ペンタフルオロエタンスルホニル)イミド、(トリフルオロメタンスルホニル)(ペンタフルオロエタンスルホニル)イミド、ビス(フルオロスルホニル)イミド、(トリフルオロメタンスルホニル)(フルオロスルホニル)イミド、(ペンタフルオロエタンスルホニル)(フルオロスルホニル)イミド、トリス(トリフルオロメタンスルホニル)メチド、ビス(ジフルオロホスホニル)イミド、ビス(オキサラト)ホウ酸アニオン、ジフルオロ(オキサラト)ホウ酸アニオン、トリス(オキサラト)リン酸アニオン、ジフルオロ(ビス(オキサラト))リン酸アニオン、テトラフルオロ(オキサラト)リン酸アニオン等のオキサレート錯体アニオン、(CF2)2(SO2)2N−、(CF2)3(SO2)2N−等の環状アルキレン鎖含有アニオン、ジフルオロリン酸アニオン等のアニオンが挙げられる。これらの溶質は、一種類を単独で用いても良く、二種類以上を用途に合わせて任意の組合せ、比率で混合して用いても良い。中でも、非水系電解液二次電池としてのエネルギー密度、出力特性、寿命等から考えると、カチオンはリチウム、ナトリウム、マグネシウム、四級アルキルアンモニウムが好ましく、アニオンはヘキサフルオロリン酸、テトラフルオロホウ酸、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド、ビス(フルオロスルホニル)イミド、ビス(ジフルオロホスホニル)イミドが好ましい。
非水系溶媒としては、本発明の一般式(1)で示される化合物を溶解できる非プロトン性の溶媒であれば特に限定されるものではなく、例えば、カーボネート類、エステル類、エーテル類、ラクトン類、ニトリル類、イミド類、スルホン類等が使用できる。また、単一の溶媒だけでなく、二種類以上の混合溶媒でもよい。具体例としては、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、メチルプロピルカーボネート、エチルプロピルカーボネート、メチルブチルカーボネート、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、酢酸メチル、酢酸エチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、ジエチルエーテル、アセトニトリル、プロピオニトリル、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、フラン、テトラヒドロピラン、1,3−ジオキサン、1,4−ジオキサン、ジブチルエーテル、ジイソプロピルエーテル、1,2−ジメトキシエタン、N,N−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、スルホラン、γ−ブチロラクトン、及びγ−バレロラクトン等を挙げることができる。
また、非水系溶媒が、環状カーボネート及び鎖状カーボネートからなる群から選ばれる少なくとも1種を含有することが好ましい。さらに、環状カーボネートが、エチレンカーボネート、及びプロピレンカーボネートからなる群から選ばれる少なくとも1種を含むことが好ましく、鎖状カーボネートが、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、及びメチルプロピルカーボネートからなる群から選ばれる少なくとも1種を含むことが好ましい。
一般式(1)で示される化合物を含むポリマー固体電解質を得るために用いるポリマーとしては、該化合物や溶質を溶解できる非プロトン性のポリマーであれば特に限定されるものではない。例えば、ポリエチレンオキシドを主鎖又は側鎖に持つポリマー、ポリビニリデンフロライドのホモポリマー又はコポリマー、メタクリル酸エステルポリマー、ポリアクリロニトリルなどが挙げられる。これらのポリマーに可塑剤を加える場合は、上記の非プロトン性非水系溶媒が使用可能である。
非水系電解液中や、ポリマー固体電解質中における本発明の溶質濃度は、特に制限はないが、下限は0.5mol/L以上、好ましくは0.7mol/L以上、さらに好ましくは0.9mol/L以上であり、また、上限は5.0mol/L以下、好ましくは4.0mol/L以下、さらに好ましくは2.0mol/L以下の範囲である。0.5mol/Lを下回るとイオン伝導度が低下することにより非水系電解液二次電池のサイクル特性、出力特性が低下し、一方、5.0mol/Lを越えると非水系電解液の粘度が上昇することにより、やはりイオン伝導を低下させ、非水系電解液二次電池のサイクル特性、出力特性を低下させる恐れがある。
さらには、本発明の要旨を損なわない限りにおいて、本発明の非水系電解液に一般に用いられる添加剤を任意の比率で添加しても良い。具体例としては、シクロヘキシルベンゼン、ビフェニル、tert−ブチルベンゼン、ビニレンカーボネート、ビニルエチレンカーボネート、エチニルエチレンカーボネート、tert−アミルベンゼン、ビフェニル、o−ターフェニル、4−フルオロビフェニル、フルオロベンゼン、2,4−ジフルオロベンゼン、ジフルオロアニソール、フルオロエチレンカーボネート、プロパンスルトン、1,3−プロペンスルトン、ジメチルビニレンカーボネート、メチレンメタンジスルホネート、ジメチレンメタンジスルホネート、トリメチレンメタンジスルホネート等の過充電防止効果、負極皮膜形成効果、正極保護効果を有する化合物が挙げられる。また、ポリマー電池と呼ばれる非水系電解液二次電池に使用される場合のように非水系電解液をゲル化剤や架橋ポリマーにより擬固体化して使用することも可能である。
また、上記一般式(1)で表される化合物の非水系電解液中の含有量が、
非水系溶媒と、溶質と、上記一般式(1)で表される化合物の総量に対して0.2〜5.0質量%であることが好ましい。0.2質量%未満であると、サイクル特性等の耐久性の向上効果が得られにくい傾向がある。また、5.0質量%超であると、非水系電解液二次電池のサイクル特性等の耐久性の向上効果が得られにくい傾向がある。上記の含有量は、0.3〜3.0質量%であることがより好ましく、0.5〜2.0質量%であることが特に好ましい。
非水系溶媒と、溶質と、上記一般式(1)で表される化合物の総量に対して0.2〜5.0質量%であることが好ましい。0.2質量%未満であると、サイクル特性等の耐久性の向上効果が得られにくい傾向がある。また、5.0質量%超であると、非水系電解液二次電池のサイクル特性等の耐久性の向上効果が得られにくい傾向がある。上記の含有量は、0.3〜3.0質量%であることがより好ましく、0.5〜2.0質量%であることが特に好ましい。
なお、上記の非水系電解液を調製する際は、液温を30℃以下に維持しながら実施することが好ましい。30℃を超えると非水系電解液中に遊離酸が生じてしまう恐れがあるためである。
3.非水系電解液二次電池について
本発明の非水系電解液二次電池は、本発明の非水系電解液を用いることが特徴であり、その他の構成部材には一般の非水系電解液二次電池に使用されている、正極及び負極、セパレータ、容器などが挙げられる。
本発明の非水系電解液二次電池は、本発明の非水系電解液を用いることが特徴であり、その他の構成部材には一般の非水系電解液二次電池に使用されている、正極及び負極、セパレータ、容器などが挙げられる。
負極としては、特に限定されないが、リチウムイオンやナトリウムイオンを始めとするアルカリ金属イオン、又はマグネシウムイオンなどのアルカリ土類金属イオンが可逆的に挿入−脱離可能な材料が用いられ、正極としては、特に限定されないが、リチウムイオンやナトリウムイオンを始めとするアルカリ金属イオン、又はマグネシウムイオンなどのアルカリ土類金属イオンが可逆的に挿入−脱離可能な材料が用いられる。
例えば、非水系電解液中のカチオンがリチウムの場合、負極材料としてリチウム金属、リチウムと他の金属との合金及び金属間化合物やリチウムを吸蔵および放出することが可能な種々の炭素材料、Si、Sn、Alから選ばれる1種以上の金属の酸化物、Si、Sn、Alから選ばれる1種以上の金属若しくはこれら金属を含む合金又はこれら金属若しくは合金とリチウムとの合金、リチウムチタン酸化物、金属窒化物、活性炭、導電性ポリマー等が用いられる。上記の炭素材料としては、(002)面の面間隔が0.34nmを超える非晶質炭素(例えば難黒鉛化性炭素(ハードカーボンとも呼ばれる)やコークスなど)や、(002)面の面間隔が0.34nm以下の黒鉛などが挙げられ、後者は、人造黒鉛、天然黒鉛などが用いられる。Si、Sn、Alから選ばれる1種以上の金属若しくはこれら金属を含む合金又はこれら金属若しくは合金とリチウムとの合金としては、例えばシリコン、スズ、アルミニウム等の金属、シリコン合金、スズ合金、アルミニウム合金等が挙げられ、これらの金属や合金が、充放電に伴いリチウムと合金化した材料も使用できる。リチウムチタン酸化物としては、例えば、スピネル構造を有するチタン酸リチウム、ラムスデライト構造を有するチタン酸リチウムなどを挙げることができる。
例えば、非水系電解液中のカチオンがリチウムの場合、正極材料としてLiCoO2、LiNiO2、LiMnO2等のニッケル、マンガン、コバルトの少なくとも1種以上の金属を含有し、かつ層状構造を有するリチウム遷移金属複合酸化物、LiNi0.8Co0.2O2等のそれらのリチウム含有遷移金属複合酸化物のCo、Mn、Ni等の遷移金属が複数混合したもの、LiNi0.85Co0.10Al0.05O2等のそれらのリチウム含有遷移金属複合酸化物の遷移金属の一部が他の遷移金属以外の金属に置換されたもの、LiMn2O4やLiMn1.95Al0.05O4等のスピネル構造を有するリチウムマンガン複合酸化物、LiFePO4、LiCoPO4、LiMnPO4等の遷移金属のリチウム含有オリビン型リン酸塩、TiO2、V2O5、MoO3等の酸化物、TiS2、FeS等の硫化物、あるいはポリアセチレン、ポリパラフェニレン、ポリアニリン、及びポリピロール等の導電性高分子、活性炭、ラジカルを発生するポリマー、カーボン材料等が使用される。
例えば、非水系電解液中のカチオンがナトリウムの場合、負極材料としてハードカーボンやTiO2、V2O5、MoO3等の酸化物等が用いられる。
例えば、非水電解液中のカチオンがナトリウムの場合、正極材料としてNaFeO2、NaCrO2、NaNiO2、NaMnO2、NaCoO2等のナトリウム含有遷移金属複合酸化物、それらのナトリウム含有遷移金属複合酸化物のFe、Cr、Ni、Mn、Co等の遷移金属が複数混合したもの、それらのナトリウム含有遷移金属複合酸化物の遷移金属の一部が他の遷移金属以外の金属に置換されたもの、Na2FeP2O7、NaCo3(PO4)2P2O7等の遷移金属のリン酸化合物、TiS2、FeS等の硫化物、あるいはポリアセチレン、ポリパラフェニレン、ポリアニリン、及びポリピロール等の導電性高分子、活性炭、ラジカルを発生するポリマー、カーボン材料等が使用される。
例えば、非水電解液中のカチオンがナトリウムの場合、正極材料としてNaFeO2、NaCrO2、NaNiO2、NaMnO2、NaCoO2等のナトリウム含有遷移金属複合酸化物、それらのナトリウム含有遷移金属複合酸化物のFe、Cr、Ni、Mn、Co等の遷移金属が複数混合したもの、それらのナトリウム含有遷移金属複合酸化物の遷移金属の一部が他の遷移金属以外の金属に置換されたもの、Na2FeP2O7、NaCo3(PO4)2P2O7等の遷移金属のリン酸化合物、TiS2、FeS等の硫化物、あるいはポリアセチレン、ポリパラフェニレン、ポリアニリン、及びポリピロール等の導電性高分子、活性炭、ラジカルを発生するポリマー、カーボン材料等が使用される。
正極や負極材料には、導電材としてアセチレンブラック、ケッチェンブラック、炭素繊維、又は黒鉛、結着剤としてポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、又はSBR樹脂等が加えられ、さらにシート状に成型された電極シートを用いることができる。
正極と負極の接触を防ぐためのセパレータとしては、ポリプロピレン、ポリエチレンなどのポリオレフィンや、紙、又はガラス繊維等で作られた不織布や多孔質シートが使用される。これらのフィルムは、非水系電解液がしみ込んでイオンが透過し易いように、微多孔化されているものが好ましい。
ポリオレフィンセパレータとしては、例えば多孔性ポリオレフィンフィルム等の微多孔性高分子フィルムといった正極と負極とを電気的に絶縁し、かつリチウムイオンが透過可能な膜が挙げられる。多孔性ポリオレフィンフィルムの具体例としては、例えば多孔性ポリエチレンフィルム単独、又は多孔性ポリエチレンフィルムと多孔性ポリプロピレンフィルムとを重ね合わせて複層フィルムとして用いてもよい。また、多孔性のポリエチレンフィルムとポリプロピレンフィルムとを複合化したフィルム等が挙げられる。
ポリオレフィンセパレータとしては、例えば多孔性ポリオレフィンフィルム等の微多孔性高分子フィルムといった正極と負極とを電気的に絶縁し、かつリチウムイオンが透過可能な膜が挙げられる。多孔性ポリオレフィンフィルムの具体例としては、例えば多孔性ポリエチレンフィルム単独、又は多孔性ポリエチレンフィルムと多孔性ポリプロピレンフィルムとを重ね合わせて複層フィルムとして用いてもよい。また、多孔性のポリエチレンフィルムとポリプロピレンフィルムとを複合化したフィルム等が挙げられる。
以上の各要素からコイン状、円筒状、角形、又はアルミラミネートシート型等の形状の電気化学ディバイスが組み立てられる。
[実施例]
[実施例]
次に本発明を実施例に基づき詳細に説明する。なお、本発明はかかる実施例に限定されるものではない。
<一般式(1)で表される化合物の合成>
下記の各合成例に示す方法によって用意した。
[合成例1] (式(2)の合成)
攪拌機、冷却管および温度計を備え付けた100ml四つ口フラスコに、常温常圧で液体の3,3,3−トリフルオロプロパナール3.34g(29.82mmol)および五酸化二リン4.00g(14.09mmol)を加え、25℃で1時間攪拌することで、2,4,6−トリス(2,2,2−トリフルオロエチル)−1,3,5−トリオキサンを得た。
次いで、メタンジスルホン酸5.0g(28.4mmol)を添加し、120℃で1時間攪拌した後、80℃まで冷却した。この反応混合物に水0.5gをゆっくり加え、10分間攪拌した後、65℃で100mlナスフラスコに取り出した。ナスフラスコに取り出した反応混合物を室温まで冷却し、さらに水35gを加えた。
30分間攪拌後、不溶物を濾別し結晶を得た。さらに塩化メチレンにて再結晶精製することで白色結晶を得た。
得られた結晶を40℃、10mmHgで6時間乾燥することにより1,5,2,4−ジオキサジチアン−6−トリフルオロエチル−2,2,4,4−テトラオキシド(上記式(2)の化合物)を2.11g得た。収率は約27.5%であった。
下記の各合成例に示す方法によって用意した。
[合成例1] (式(2)の合成)
攪拌機、冷却管および温度計を備え付けた100ml四つ口フラスコに、常温常圧で液体の3,3,3−トリフルオロプロパナール3.34g(29.82mmol)および五酸化二リン4.00g(14.09mmol)を加え、25℃で1時間攪拌することで、2,4,6−トリス(2,2,2−トリフルオロエチル)−1,3,5−トリオキサンを得た。
次いで、メタンジスルホン酸5.0g(28.4mmol)を添加し、120℃で1時間攪拌した後、80℃まで冷却した。この反応混合物に水0.5gをゆっくり加え、10分間攪拌した後、65℃で100mlナスフラスコに取り出した。ナスフラスコに取り出した反応混合物を室温まで冷却し、さらに水35gを加えた。
30分間攪拌後、不溶物を濾別し結晶を得た。さらに塩化メチレンにて再結晶精製することで白色結晶を得た。
得られた結晶を40℃、10mmHgで6時間乾燥することにより1,5,2,4−ジオキサジチアン−6−トリフルオロエチル−2,2,4,4−テトラオキシド(上記式(2)の化合物)を2.11g得た。収率は約27.5%であった。
[合成例2] (式(I−1)の合成)
メタンジスルホン酸の代わりにエタンジスルホン酸5.40gを用いた以外は合成例1と同様の手法にて、1,6,2,5−ジオキサジチエパン−7−トリフルオロエチル−2,2,5,5−テトラオキシド(上記式(I−1)の化合物)を1.27g得た。収率は約28.4%であった。
メタンジスルホン酸の代わりにエタンジスルホン酸5.40gを用いた以外は合成例1と同様の手法にて、1,6,2,5−ジオキサジチエパン−7−トリフルオロエチル−2,2,5,5−テトラオキシド(上記式(I−1)の化合物)を1.27g得た。収率は約28.4%であった。
[合成例3] (式(I−2)の合成)
メタンジスルホン酸の代わりに1,1−エタンジスルホン酸5.40gを用いた以外は、合成例1と同様の方法によって1,5,2,4−ジオキサジチオカン−3−メチル−6−トリフルオロエチル−2,2,4,4−テトラオキシド(上記式(I−2)の化合物)を1.87g得た。収率は約23.2%であった。
メタンジスルホン酸の代わりに1,1−エタンジスルホン酸5.40gを用いた以外は、合成例1と同様の方法によって1,5,2,4−ジオキサジチオカン−3−メチル−6−トリフルオロエチル−2,2,4,4−テトラオキシド(上記式(I−2)の化合物)を1.87g得た。収率は約23.2%であった。
[合成例4] (式(I−3)の合成)
メタンジスルホン酸の代わりに2,2−ジメチルメタンジスルホン酸5.80gを用いた以外は、合成例1と同様の方法によって1,5,2,4−ジオキサジチアン−3,3−ジメチル−6−トリフルオロエチル−2,2,4,4−テトラオキシド(上記式(I−3)の化合物)を1.31g得た。収率は約15.5%であった。
メタンジスルホン酸の代わりに2,2−ジメチルメタンジスルホン酸5.80gを用いた以外は、合成例1と同様の方法によって1,5,2,4−ジオキサジチアン−3,3−ジメチル−6−トリフルオロエチル−2,2,4,4−テトラオキシド(上記式(I−3)の化合物)を1.31g得た。収率は約15.5%であった。
[合成例5] (式(I−4)の合成)
メタンジスルホン酸の代わりにノルマルプロパンジスルホン酸5.80gを用いた以外は、合成例1と同様の方法によって1,7,2,6−ジオキサジチアン−8−トリフルオロエチル−2,2,6,6−テトラオキシド(上記式(I−4)の化合物)を1.46g得た。収率は約17.2%であった。
メタンジスルホン酸の代わりにノルマルプロパンジスルホン酸5.80gを用いた以外は、合成例1と同様の方法によって1,7,2,6−ジオキサジチアン−8−トリフルオロエチル−2,2,6,6−テトラオキシド(上記式(I−4)の化合物)を1.46g得た。収率は約17.2%であった。
[合成例6] (式(I−5)の合成)
メタンジスルホン酸の代わりにジフルオロメタンジスルホン酸6.02gを用いた以外は、合成例1と同様の方法によって1,5,2,4−ジオキサジチアン−3,3−ジフルオロ−6−トリフルオロエチル−2,2,4,4−テトラオキシド(上記式(I−5)の化合物)を0.94g得た。収率は約10.8%であった。
メタンジスルホン酸の代わりにジフルオロメタンジスルホン酸6.02gを用いた以外は、合成例1と同様の方法によって1,5,2,4−ジオキサジチアン−3,3−ジフルオロ−6−トリフルオロエチル−2,2,4,4−テトラオキシド(上記式(I−5)の化合物)を0.94g得た。収率は約10.8%であった。
[合成例7] (式(I−6)の合成)
メタンジスルホン酸の代わりにジフェニルメタンジスルホン酸9.32gを用いた以外は、合成例1と同様の方法によって1,5,2,4−ジオキサジチアン−3,3−ジフェニル−6−トリフルオロエチル−2,2,4,4−テトラオキシド(上記式(I−6)の化合物)を2.57g得た。収率は約21.4%であった。
メタンジスルホン酸の代わりにジフェニルメタンジスルホン酸9.32gを用いた以外は、合成例1と同様の方法によって1,5,2,4−ジオキサジチアン−3,3−ジフェニル−6−トリフルオロエチル−2,2,4,4−テトラオキシド(上記式(I−6)の化合物)を2.57g得た。収率は約21.4%であった。
[合成例8] (式(I−7)の合成)
メタンジスルホン酸の代わりに1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロプロパンジスルホン酸8.86gを用いた以外は、合成例1と同様の方法によって1,5,2,4−ジオキサジチアン−3,3−ビストリフルオロメチル−6−トリフルオロエチル−2,2,4,4−テトラオキシド(上記式(I−7)の化合物)を1.35g得た。収率は約11.7%であった。
メタンジスルホン酸の代わりに1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロプロパンジスルホン酸8.86gを用いた以外は、合成例1と同様の方法によって1,5,2,4−ジオキサジチアン−3,3−ビストリフルオロメチル−6−トリフルオロエチル−2,2,4,4−テトラオキシド(上記式(I−7)の化合物)を1.35g得た。収率は約11.7%であった。
[合成例9] (式(I−8)の合成)
攪拌機および温度計を備え付けた100mlSUS製オートクレーブに、メタンジスルホン酸20.0g(113.6mmol)および五酸化二リン16.00g(56.36mmol)を加え、次いで、常温常圧で気体の1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロ−2−プロパノン19.80g(119.3mmol)を加えて、120℃で1時間攪拌した後、80℃まで冷却した。この反応混合物に水0.5gをゆっくり加え、10分間攪拌した後、65℃で100mlナスフラスコに取り出した。ナスフラスコに取り出した反応混合物を室温まで冷却し、さらに水35gを加えた。30分間攪拌後、不溶物を濾別し結晶を得た。さらに塩化メチレンにて再結晶精製することで白色結晶を得た。得られた結晶を40℃、10mmHgで6時間乾燥することにより1,5,2,4−ジオキサジチアン−6、6−ビストリフルオロメチル−2,2,4,4−テトラオキシド(上記式(I−8)の化合物)を7.21g得た。収率は約23.5%であった。
攪拌機および温度計を備え付けた100mlSUS製オートクレーブに、メタンジスルホン酸20.0g(113.6mmol)および五酸化二リン16.00g(56.36mmol)を加え、次いで、常温常圧で気体の1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロ−2−プロパノン19.80g(119.3mmol)を加えて、120℃で1時間攪拌した後、80℃まで冷却した。この反応混合物に水0.5gをゆっくり加え、10分間攪拌した後、65℃で100mlナスフラスコに取り出した。ナスフラスコに取り出した反応混合物を室温まで冷却し、さらに水35gを加えた。30分間攪拌後、不溶物を濾別し結晶を得た。さらに塩化メチレンにて再結晶精製することで白色結晶を得た。得られた結晶を40℃、10mmHgで6時間乾燥することにより1,5,2,4−ジオキサジチアン−6、6−ビストリフルオロメチル−2,2,4,4−テトラオキシド(上記式(I−8)の化合物)を7.21g得た。収率は約23.5%であった。
[合成例10] (式(I−9)の合成)
メタンジスルホン酸の代わりに1,1−エタンジスルホン酸21.59gを用いた以外は合成例9と同様の手法にて、1,5,2,4−ジオキサジチエパン−3−メチル−6、6−ビストリフルオロメチル−2,2,4,4−テトラオキシド(上記式(I−9)の化合物)を5.33g得た。収率は約13.9%であった。
メタンジスルホン酸の代わりに1,1−エタンジスルホン酸21.59gを用いた以外は合成例9と同様の手法にて、1,5,2,4−ジオキサジチエパン−3−メチル−6、6−ビストリフルオロメチル−2,2,4,4−テトラオキシド(上記式(I−9)の化合物)を5.33g得た。収率は約13.9%であった。
[合成例11] (式(I−10)の合成)
メタンジスルホン酸の代わりに2,2−ジメチルメタンジスルホン酸23.18gを用いた以外は、合成例9と同様の方法によって1,5,2,4−ジオキサジチオカン−3,3−ジメチル−6、6−ビストリフルオロメチル−2,2,4,4−テトラオキシド(上記式(I−10)の化合物)を6.90g得た。収率は約16.5%であった。
メタンジスルホン酸の代わりに2,2−ジメチルメタンジスルホン酸23.18gを用いた以外は、合成例9と同様の方法によって1,5,2,4−ジオキサジチオカン−3,3−ジメチル−6、6−ビストリフルオロメチル−2,2,4,4−テトラオキシド(上記式(I−10)の化合物)を6.90g得た。収率は約16.5%であった。
[合成例12] (式(I−11)の合成)
メタンジスルホン酸の代わりにエタンジスルホン酸21.59gを用いた以外は、合成例9と同様の方法によって1,6,2,5−ジオキサジチアン−7、7−ビストリフルオロメチル−2,2,5,5−テトラオキシド(上記式(I−11)の化合物)を3.56g得た。収率は約9.3%であった。
メタンジスルホン酸の代わりにエタンジスルホン酸21.59gを用いた以外は、合成例9と同様の方法によって1,6,2,5−ジオキサジチアン−7、7−ビストリフルオロメチル−2,2,5,5−テトラオキシド(上記式(I−11)の化合物)を3.56g得た。収率は約9.3%であった。
[合成例13] (式(I−12)の合成)
メタンジスルホン酸の代わりにノルマルプロパンジスルホン酸23.18gを用いた以外は、合成例9と同様の方法によって1,7,2,6−ジオキサジチアン−8、8−ビストリフルオロメチル−2,2,6,6−テトラオキシド(上記式(I−12)の化合物)を2.59g得た。収率は約5.6%であった。
メタンジスルホン酸の代わりにノルマルプロパンジスルホン酸23.18gを用いた以外は、合成例9と同様の方法によって1,7,2,6−ジオキサジチアン−8、8−ビストリフルオロメチル−2,2,6,6−テトラオキシド(上記式(I−12)の化合物)を2.59g得た。収率は約5.6%であった。
[合成例14] (式(I−13)の合成)
メタンジスルホン酸の代わりにジフルオロメタンジスルホン酸24.08gを用いた以外は、合成例9と同様の方法によって1,5,2,4−ジオキサジチアン−3,3−ジフルオロ−6、6−ビストリフルオロメチル−2,2,4,4−テトラオキシド(上記式(I−13)の化合物)を2.04g得た。収率は約5.3%であった。
メタンジスルホン酸の代わりにジフルオロメタンジスルホン酸24.08gを用いた以外は、合成例9と同様の方法によって1,5,2,4−ジオキサジチアン−3,3−ジフルオロ−6、6−ビストリフルオロメチル−2,2,4,4−テトラオキシド(上記式(I−13)の化合物)を2.04g得た。収率は約5.3%であった。
[合成例15] (式(I−14)の合成)
メタンジスルホン酸の代わりにジフェニルメタンジスルホン酸37.27gを用いた以外は、合成例9と同様の方法によって1,5,2,4−ジオキサジチアン−3,3−ジフェニル−6、6−ビストリフルオロメチル−2,2,4,4−テトラオキシド(上記式(I−14)の化合物)を4.50g得た。収率は約4.5%であった。
メタンジスルホン酸の代わりにジフェニルメタンジスルホン酸37.27gを用いた以外は、合成例9と同様の方法によって1,5,2,4−ジオキサジチアン−3,3−ジフェニル−6、6−ビストリフルオロメチル−2,2,4,4−テトラオキシド(上記式(I−14)の化合物)を4.50g得た。収率は約4.5%であった。
[合成例16] (式(I−15)の合成)
メタンジスルホン酸の代わりに1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロプロパンジスルホン酸35.44gを用いた以外は、合成例9と同様の方法によって1,5,2,4−ジオキサジチアン−3,3−ビストリフルオロメチル−6、6−ビストリフルオロメチル−2,2,4,4−テトラオキシド(上記式(I−15)の化合物)を2.18g得た。収率は約2.3%であった。
メタンジスルホン酸の代わりに1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロプロパンジスルホン酸35.44gを用いた以外は、合成例9と同様の方法によって1,5,2,4−ジオキサジチアン−3,3−ビストリフルオロメチル−6、6−ビストリフルオロメチル−2,2,4,4−テトラオキシド(上記式(I−15)の化合物)を2.18g得た。収率は約2.3%であった。
[合成例17] (式(2)の合成)
攪拌機、冷却管および温度計を備え付けた100mlSUS製オートクレーブに、メタンジスルホン酸8.85g(50.25mmol)、常温常圧で液体の3,3,3−トリフルオロプロパナール5.91g(52.77mmol)および五酸化二リン7.08g(24.93mmol)を加え、25℃で1時間攪拌した。次いで、120℃で1時間攪拌した後、80℃まで冷却した。この反応混合物に水1gをゆっくり加え、10分間攪拌した後、65℃で100mlナスフラスコに取り出した。ナスフラスコに取り出した反応混合物を室温まで冷却し、さらに水60gを加えた。30分間攪拌後、不溶物を濾別し結晶を得た。さらに塩化メチレンにて再結晶精製することで白色結晶を得た。得られた結晶を40℃、10mmHgで6時間乾燥することにより1,5,2,4−ジオキサジチアン−6−トリフルオロエチル−2,2,4,4−テトラオキシド(上記式(2)の化合物)を2.34g得た。収率は約17.2%であった。
攪拌機、冷却管および温度計を備え付けた100mlSUS製オートクレーブに、メタンジスルホン酸8.85g(50.25mmol)、常温常圧で液体の3,3,3−トリフルオロプロパナール5.91g(52.77mmol)および五酸化二リン7.08g(24.93mmol)を加え、25℃で1時間攪拌した。次いで、120℃で1時間攪拌した後、80℃まで冷却した。この反応混合物に水1gをゆっくり加え、10分間攪拌した後、65℃で100mlナスフラスコに取り出した。ナスフラスコに取り出した反応混合物を室温まで冷却し、さらに水60gを加えた。30分間攪拌後、不溶物を濾別し結晶を得た。さらに塩化メチレンにて再結晶精製することで白色結晶を得た。得られた結晶を40℃、10mmHgで6時間乾燥することにより1,5,2,4−ジオキサジチアン−6−トリフルオロエチル−2,2,4,4−テトラオキシド(上記式(2)の化合物)を2.34g得た。収率は約17.2%であった。
[実施例1−1〜1−16]
i)基準非水系電解液の調製
露点−50℃以下のドライボックス中で、非水系溶媒としてエチレンカーボネートとエチルメチルカーボネートの体積比3:7の混合溶媒を用い、該溶媒中に溶質としてLiPF6を1.0mol/Lとなるように溶解し、基準非水系電解液1を調製した。
i)基準非水系電解液の調製
露点−50℃以下のドライボックス中で、非水系溶媒としてエチレンカーボネートとエチルメチルカーボネートの体積比3:7の混合溶媒を用い、該溶媒中に溶質としてLiPF6を1.0mol/Lとなるように溶解し、基準非水系電解液1を調製した。
ii)非水系電解液の調製
上記基準非水系電解液1に、一般式(1)で表される化合物として合成例1〜16で得られた化合物(式(2)及び式(I−1)〜(I−15))をそれぞれ添加し、
非水系電解液中の該化合物の含有量が、
非水系溶媒と、溶質と、当該化合物の総量に対して5.0質量%となるように、非水系電解液No.1−1〜1−16をそれぞれ調製した。なお、上記のすべての非水系電解液の調製は、液温を30℃以下に維持しながら実施した。
上記基準非水系電解液1に、一般式(1)で表される化合物として合成例1〜16で得られた化合物(式(2)及び式(I−1)〜(I−15))をそれぞれ添加し、
非水系電解液中の該化合物の含有量が、
非水系溶媒と、溶質と、当該化合物の総量に対して5.0質量%となるように、非水系電解液No.1−1〜1−16をそれぞれ調製した。なお、上記のすべての非水系電解液の調製は、液温を30℃以下に維持しながら実施した。
[比較例1−1〜1−2]
(比較非水系電解液の調製)
基準非水系電解液1に1,5,2,4−ジオキサジチアン−2,2,4,4−テトラオキシド(以降、「メチレンメタンジスルホネート」又は「MMDS」と記載する)を添加し、
非水系電解液中のMMDSの含有量が、
非水系溶媒と、溶質と、MMDSの総量に対して5.0質量%となるように、比較非水系電解液1−1を調製した。
また、一般式(1)で表される化合物を添加していない比較非水系電解液1−2(すなわち基準非水系電解液1と同じもの)を調製した。
(比較非水系電解液の調製)
基準非水系電解液1に1,5,2,4−ジオキサジチアン−2,2,4,4−テトラオキシド(以降、「メチレンメタンジスルホネート」又は「MMDS」と記載する)を添加し、
非水系電解液中のMMDSの含有量が、
非水系溶媒と、溶質と、MMDSの総量に対して5.0質量%となるように、比較非水系電解液1−1を調製した。
また、一般式(1)で表される化合物を添加していない比較非水系電解液1−2(すなわち基準非水系電解液1と同じもの)を調製した。
なお、上記のすべての非水系電解液の調製は、液温を30℃以下に維持しながら実施した。
<非水系電解液の保存試験>
上記のように調製した非水系電解液を45℃で5日間放置することで、保存試験を実施した。
保存後の非水系電解液の着色および、非水系電解液中の析出は目視で評価した。なお、保存試験前のすべての非水系電解液は着色と析出がなかった。非水系電解液中に残存するそれぞれの化合物量は、19F−NMRによって電解質との積分比により算出した。結果を表1に示す。
上記のように調製した非水系電解液を45℃で5日間放置することで、保存試験を実施した。
保存後の非水系電解液の着色および、非水系電解液中の析出は目視で評価した。なお、保存試験前のすべての非水系電解液は着色と析出がなかった。非水系電解液中に残存するそれぞれの化合物量は、19F−NMRによって電解質との積分比により算出した。結果を表1に示す。
保存試験後の非水系電解液の着色度合いは、比較例1−1に比べ、実施例1−1〜1−16の方が軽微であった。
さらに、比較例1−1では保存試験後の非水系電解液中に白色固体が析出していたのに対し、実施例1−1〜1−16では析出は確認されなかった。
また、比較例1−1では、保存試験前に非水系電解液中に5.00質量%含有されていたMMDSが、保存試験後には残存量が4.07質量%に減少していたが、
実施例1−1〜1−16では保存試験によるそれぞれの化合物の減少量は僅かであった。
以上のことから、一般式(1)で表される化合物として、式(2)及び式(I−1)〜(I−15)の化合物を添加した場合は、従来添加剤として用いられていたMMDSを添加した場合に比べて、非水系電解液中での分解が抑えられていることが確認された。
また、比較例1−2のように一般式(1)で表される化合物を加えていない場合は、保存試験後に非水系電解液の着色、及び非水系電解液中の析出は目視では確認されておらず、比較例1−1の場合のみ、保存試験後に顕著に着色や析出が確認されたことから鑑みると、式(2)及び式(I−1)〜(I−15)のように、−CF3基、及び−CH2CF3基からなる群から選ばれる電子吸引性基を有することで、化合物の化学的安定性が向上し、非水系電解液の溶質であるLiPF6との反応性が低下し、非水系電解液中での分解が抑えられているものと推察される。
さらに、比較例1−1では保存試験後の非水系電解液中に白色固体が析出していたのに対し、実施例1−1〜1−16では析出は確認されなかった。
また、比較例1−1では、保存試験前に非水系電解液中に5.00質量%含有されていたMMDSが、保存試験後には残存量が4.07質量%に減少していたが、
実施例1−1〜1−16では保存試験によるそれぞれの化合物の減少量は僅かであった。
以上のことから、一般式(1)で表される化合物として、式(2)及び式(I−1)〜(I−15)の化合物を添加した場合は、従来添加剤として用いられていたMMDSを添加した場合に比べて、非水系電解液中での分解が抑えられていることが確認された。
また、比較例1−2のように一般式(1)で表される化合物を加えていない場合は、保存試験後に非水系電解液の着色、及び非水系電解液中の析出は目視では確認されておらず、比較例1−1の場合のみ、保存試験後に顕著に着色や析出が確認されたことから鑑みると、式(2)及び式(I−1)〜(I−15)のように、−CF3基、及び−CH2CF3基からなる群から選ばれる電子吸引性基を有することで、化合物の化学的安定性が向上し、非水系電解液の溶質であるLiPF6との反応性が低下し、非水系電解液中での分解が抑えられているものと推察される。
<非水系電解液二次電池の作製と評価1>
[実施例2−1〜2−10]
[実施例2−1〜2−10]
(非水系電解液の調製)
i)基準非水系電解液の調製
露点−50℃以下のドライボックス中で、非水系溶媒としてエチレンカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジエチルカーボネートの体積比3:4:3の混合溶媒を用い、該溶媒中に溶質としてLiPF6を1.2mol/Lとなるように溶解し、基準非水系電解液2を調製した。
i)基準非水系電解液の調製
露点−50℃以下のドライボックス中で、非水系溶媒としてエチレンカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジエチルカーボネートの体積比3:4:3の混合溶媒を用い、該溶媒中に溶質としてLiPF6を1.2mol/Lとなるように溶解し、基準非水系電解液2を調製した。
ii)非水系電解液の調製
上記基準非水系電解液2に、一般式(1)で表される化合物として下記表2に記載した本発明に係る化合物をそれぞれ添加し、
非水系電解液中の該化合物の含有量が、
非水系溶媒と、溶質と、当該化合物の総量に対して1.5質量%となるように、非水系電解液No.2−1〜2−10をそれぞれ調製した。なお、上記の調製は、表2に示すように液温を30℃以下に維持しながら実施した。
上記基準非水系電解液2に、一般式(1)で表される化合物として下記表2に記載した本発明に係る化合物をそれぞれ添加し、
非水系電解液中の該化合物の含有量が、
非水系溶媒と、溶質と、当該化合物の総量に対して1.5質量%となるように、非水系電解液No.2−1〜2−10をそれぞれ調製した。なお、上記の調製は、表2に示すように液温を30℃以下に維持しながら実施した。
[比較例2−1〜2−2]
(比較非水系電解液の調製)
基準非水系電解液2にMMDSを添加し、
非水系電解液中のMMDSの含有量が、
非水系溶媒と、溶質と、MMDSの総量に対して1.5質量%となるように、比較非水系電解液No.2−1を調製した。
また、一般式(1)で表される化合物を添加していない比較非水系電解液No.2−2(すなわち基準非水系電解液2と同じもの)を調製した。
なお、上記の調製は、表2に示すように液温を30℃以下に維持しながら実施した。
(比較非水系電解液の調製)
基準非水系電解液2にMMDSを添加し、
非水系電解液中のMMDSの含有量が、
非水系溶媒と、溶質と、MMDSの総量に対して1.5質量%となるように、比較非水系電解液No.2−1を調製した。
また、一般式(1)で表される化合物を添加していない比較非水系電解液No.2−2(すなわち基準非水系電解液2と同じもの)を調製した。
なお、上記の調製は、表2に示すように液温を30℃以下に維持しながら実施した。
(NMC正極の作製)
正極活物質として、LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2(以降、NMCと記載)粉末およびアセチレンブラック(導電剤)を乾式混合し、結着剤であるポリフッ化ビニリデン(以降、PVDFと記載)を予め溶解させたN−メチル−2−ピロリドン(以降、NMPと記載)中に均一に分散させ、混合し、さらに粘度調整用NMPを加え、NMC合剤ペーストを調製した。このペーストをアルミニウム箔(集電体)上に塗布して、乾燥、加圧を行った後に、所定のサイズに加工した試験用NMC正極を得た。正極中の固形分比率は、NMC:導電剤:PVDF=85:5:10(質量比)とした。
正極活物質として、LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2(以降、NMCと記載)粉末およびアセチレンブラック(導電剤)を乾式混合し、結着剤であるポリフッ化ビニリデン(以降、PVDFと記載)を予め溶解させたN−メチル−2−ピロリドン(以降、NMPと記載)中に均一に分散させ、混合し、さらに粘度調整用NMPを加え、NMC合剤ペーストを調製した。このペーストをアルミニウム箔(集電体)上に塗布して、乾燥、加圧を行った後に、所定のサイズに加工した試験用NMC正極を得た。正極中の固形分比率は、NMC:導電剤:PVDF=85:5:10(質量比)とした。
(黒鉛負極の作製)
負極活物質として、黒鉛粉末を、結着剤であるPVDFを予め溶解させたNMP中に均一に分散させ、混合し、さらに粘度調整用NMPを加え、黒鉛合剤ペーストを調製した。このペーストを銅箔(集電体)上に塗布して、乾燥、加圧を行った後に、所定のサイズに加工した試験用黒鉛負極を得た。負極中の固形分比率は、黒鉛粉末:PVDF=90:10(質量比)とした。
負極活物質として、黒鉛粉末を、結着剤であるPVDFを予め溶解させたNMP中に均一に分散させ、混合し、さらに粘度調整用NMPを加え、黒鉛合剤ペーストを調製した。このペーストを銅箔(集電体)上に塗布して、乾燥、加圧を行った後に、所定のサイズに加工した試験用黒鉛負極を得た。負極中の固形分比率は、黒鉛粉末:PVDF=90:10(質量比)とした。
(非水系電解液二次電池の作製)
上記の試験用NMC正極と、試験用黒鉛負極と、セルロース製セパレータとを備えるアルミラミネート外装セル(容量30mAh)に、表2に記載の非水系電解液No.2−1〜2−10および比較非水系電解液No.2−1、2−2をそれぞれ含浸させ、実施例2−1〜2−10および比較例2−1、2−2に係る非水系電解液二次電池を得た。
上記の試験用NMC正極と、試験用黒鉛負極と、セルロース製セパレータとを備えるアルミラミネート外装セル(容量30mAh)に、表2に記載の非水系電解液No.2−1〜2−10および比較非水系電解液No.2−1、2−2をそれぞれ含浸させ、実施例2−1〜2−10および比較例2−1、2−2に係る非水系電解液二次電池を得た。
(非水系電解液二次電池の評価)
実施例2−1〜2−10、および比較例2−1〜2−2に係る非水系電解液二次電池のそれぞれについて、以下の評価を実施した。
実施例2−1〜2−10、および比較例2−1〜2−2に係る非水系電解液二次電池のそれぞれについて、以下の評価を実施した。
[評価1]60℃長期サイクル(300サイクル)後の容量維持率
作製した非水系電解液二次電池を用いて、25℃の環境温度で、以下の条件でコンディショニングを実施した。すなわち、初回充放電として、充電上限電圧4.3V、0.1Cレート(3mA)で定電流定電圧充電し、放電終止電圧3.0Vまで0.2Cレート(6mA)定電流で放電を行い、その後、充電上限電圧4.3V、0.2Cレート(6mA)で定電流定電圧充電し、放電終止電圧3.0Vまで0.2Cレート(6mA)定電流で放電を行う充放電サイクルを3回繰り返した。このときに得られる容量を初期放電容量(25℃)とした。
作製した非水系電解液二次電池を用いて、25℃の環境温度で、以下の条件でコンディショニングを実施した。すなわち、初回充放電として、充電上限電圧4.3V、0.1Cレート(3mA)で定電流定電圧充電し、放電終止電圧3.0Vまで0.2Cレート(6mA)定電流で放電を行い、その後、充電上限電圧4.3V、0.2Cレート(6mA)で定電流定電圧充電し、放電終止電圧3.0Vまで0.2Cレート(6mA)定電流で放電を行う充放電サイクルを3回繰り返した。このときに得られる容量を初期放電容量(25℃)とした。
このコンディショニング後、60℃の環境温度での充放電試験を実施した。充電は、充電上限電圧4.3Vまで3Cレート(90mA)で定電流定電圧充電を実施し、放電は、放電終止電圧3.0Vまで3Cレート(90mA)定電流で放電を行う充放電サイクルを300回繰り返した。
続いて25℃まで非水系電解液二次電池を冷却し、再度3.0Vまで放電させた後に、25℃、0.2Cレートにて4.3Vまで定電流定電圧充電を実施した。さらに25℃のまま、放電は、放電終止電圧3.0Vまで5Cレート(150mA)での定電流で放電を行い、このときに得られる容量を、60℃長期サイクル後の放電容量(25℃)とした。なお、本評価では安全面等を考慮し、全ての評価中、各非水系電解液二次電池を固定した状態にて実施した。
下記の式から、60℃長期サイクル後の容量維持率(%)を算出した。
60℃長期サイクル後の容量維持率(%)=(60℃長期サイクル後の放電容量(25℃)/初期放電容量(25℃))×100
60℃長期サイクル後の容量維持率(%)=(60℃長期サイクル後の放電容量(25℃)/初期放電容量(25℃))×100
なお、実施例2−1〜2−10、比較例2−1、2−2に係る非水系電解液二次電池の60℃長期サイクル後の容量維持率については、比較例2−2に係る非水系電解液二次電池の60℃長期サイクル後の容量維持率を100としたときの相対値として表3に示す。
[評価2]60℃長期サイクル(300サイクル)後の5Cレート特性
上述の評価1と同様に、60℃の環境温度で300サイクルを実施後、続いて25℃まで非水系電解液二次電池を冷却し、再度3.0Vまで放電させた後に、25℃、5Cレートにて4.3Vまで定電流定電圧充電を実施した。さらに25℃のまま、放電は、放電終止電圧3.0Vまで5Cレート(150mA)での定電流で放電を行い、このときに得られる容量を、60℃長期サイクル後の5Cレート特性(25℃)とした。なお、[評価1]と同様、安全面等を考慮し、評価中は、各非水系電解液二次電池を固定した状態にて実施した。
上述の評価1と同様に、60℃の環境温度で300サイクルを実施後、続いて25℃まで非水系電解液二次電池を冷却し、再度3.0Vまで放電させた後に、25℃、5Cレートにて4.3Vまで定電流定電圧充電を実施した。さらに25℃のまま、放電は、放電終止電圧3.0Vまで5Cレート(150mA)での定電流で放電を行い、このときに得られる容量を、60℃長期サイクル後の5Cレート特性(25℃)とした。なお、[評価1]と同様、安全面等を考慮し、評価中は、各非水系電解液二次電池を固定した状態にて実施した。
実施例2−1〜2−10、比較例2−1、2−2に係る非水系電解液二次電池の60℃長期サイクル後の5Cレート特性(25℃)については、比較例2−2に係る非水系電解液二次電池の60℃長期サイクル後の5Cレート特性(25℃)を100としたときの相対値として表3に示す。
実施例2−1〜2−10の方が、比較例2−1よりも、60℃長期サイクル後の容量維持率や60℃長期サイクル後の5Cレート特性などが良好であった。−CF3基、及び−CH2CF3基からなる群から選ばれる電子吸引性基を有する一般式(1)で表される化合物は、従来添加剤として用いられていたMMDSに比べて化学的安定性が高いため、当該化合物が非水系電解液二次電池系内で有効に作用されているためと推察される。
<非水系電解液二次電池の作製と評価2>
[実施例3−1〜3−10]
[実施例3−1〜3−10]
(非水系電解液の調製)
i)基準非水系電解液の調製
露点−50℃以下のドライボックス中で、非水系溶媒としてエチレンカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジエチルカーボネートの体積比3:3:4の混合溶媒を用い、該溶媒中に溶質としてLiPF6を1.15mol/Lとなるように溶解し、基準非水系電解液3を調製した。
i)基準非水系電解液の調製
露点−50℃以下のドライボックス中で、非水系溶媒としてエチレンカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジエチルカーボネートの体積比3:3:4の混合溶媒を用い、該溶媒中に溶質としてLiPF6を1.15mol/Lとなるように溶解し、基準非水系電解液3を調製した。
ii)非水系電解液の調製
上記基準非水系電解液3に、一般式(1)で表される化合物として下記表4に記載した本発明に係る化合物をそれぞれ添加し、
非水系電解液中の該化合物の含有量が、
非水系溶媒と、溶質と、当該化合物の総量に対して
0.2、1.0、1.5、2.0、4.5質量%となるように、非水系電解液No.3−1〜3−10をそれぞれ調製した。なお、上記の調製は、表4に示すように液温を30℃以下に維持しながら実施した。
上記基準非水系電解液3に、一般式(1)で表される化合物として下記表4に記載した本発明に係る化合物をそれぞれ添加し、
非水系電解液中の該化合物の含有量が、
非水系溶媒と、溶質と、当該化合物の総量に対して
0.2、1.0、1.5、2.0、4.5質量%となるように、非水系電解液No.3−1〜3−10をそれぞれ調製した。なお、上記の調製は、表4に示すように液温を30℃以下に維持しながら実施した。
[比較例3−1〜3−6]
(比較非水系電解液の調製)
基準非水系電解液3にMMDSを添加し、
非水系電解液中のMMDSの含有量が、
非水系溶媒と、溶質と、MMDSの総量に対して
0.2、1.0、1.5、2.0、4.5質量%となるように、比較非水系電解液No.3−1〜3−5をそれぞれ調製した。
また、一般式(1)で表される化合物を添加していない比較非水系電解液No.3−6(すなわち基準非水系電解液3と同じもの)を調製した。
なお、上記の調製は、表4に示すように液温を30℃以下に維持しながら実施した。
(比較非水系電解液の調製)
基準非水系電解液3にMMDSを添加し、
非水系電解液中のMMDSの含有量が、
非水系溶媒と、溶質と、MMDSの総量に対して
0.2、1.0、1.5、2.0、4.5質量%となるように、比較非水系電解液No.3−1〜3−5をそれぞれ調製した。
また、一般式(1)で表される化合物を添加していない比較非水系電解液No.3−6(すなわち基準非水系電解液3と同じもの)を調製した。
なお、上記の調製は、表4に示すように液温を30℃以下に維持しながら実施した。
(NCA正極の作製)
前述の実施例2−1〜2−10、および比較例2−1、2−2に係る非水系電解液二次電池にて用いた正極活物質であるNMC粉末の代わりに、リチウム・ニッケル・コバルト・アルミニウム複合酸化物LiNi0.85Co0.10Al0.05O2(以降、NCAと記載)粉末を用いて、以下の手順にて試験用NCA正極を作製した。
前述の実施例2−1〜2−10、および比較例2−1、2−2に係る非水系電解液二次電池にて用いた正極活物質であるNMC粉末の代わりに、リチウム・ニッケル・コバルト・アルミニウム複合酸化物LiNi0.85Co0.10Al0.05O2(以降、NCAと記載)粉末を用いて、以下の手順にて試験用NCA正極を作製した。
NCA粉末(戸田工業製)およびアセチレンブラック(導電剤)を乾式混合し、結着剤であるPVDFを予め溶解させたNMP中に均一に分散させ、混合し、さらに粘度調整用NMPを加え、NCA合剤ペーストを調製した。このペーストをアルミニウム箔(集電体)上に塗布して、乾燥、加圧を行った後に、所定のサイズに加工した試験用NCA正極を得た。正極中の固形分比率は、NCA:導電剤:PVDF=85:5:10(質量比)とした。
(非水系電解液二次電池の作製)
上記の試験用NCA正極と、試験用黒鉛負極と、セルロース製セパレータとを備えるアルミラミネート外装セル(容量30mAh)に、表4に記載の非水系電解液No.3−1〜3−10および比較非水系電解液No.3−1〜3−6をそれぞれ含浸させ、実施例3−1〜3−10および比較例3−1〜3−6に係る非水系電解液二次電池を得た。
上記の試験用NCA正極と、試験用黒鉛負極と、セルロース製セパレータとを備えるアルミラミネート外装セル(容量30mAh)に、表4に記載の非水系電解液No.3−1〜3−10および比較非水系電解液No.3−1〜3−6をそれぞれ含浸させ、実施例3−1〜3−10および比較例3−1〜3−6に係る非水系電解液二次電池を得た。
(非水系電解液二次電池の評価)
実施例3−1〜3−10、および比較例3−1〜3−6に係る非水系電解液二次電池のそれぞれについて、以下の評価を実施した。
実施例3−1〜3−10、および比較例3−1〜3−6に係る非水系電解液二次電池のそれぞれについて、以下の評価を実施した。
[評価1]60℃長期サイクル(300サイクル)後の容量維持率
作製した非水系電解液二次電池を用いて、25℃の環境温度で、以下の条件でコンディショニングを実施した。すなわち、初回充放電として、充電上限電圧4.2V、0.1Cレート(3mA)で定電流定電圧充電し、放電終止電圧2.7Vまで0.2Cレート(6mA)定電流で放電を行い、その後、充電上限電圧4.2V、0.2Cレート(6mA)で定電流定電圧充電し、放電終止電圧2.7Vまで0.2Cレート(6mA)定電流で放電を行う充放電サイクルを3回繰り返した。このときに得られる容量を初期放電容量(25℃)とした。
作製した非水系電解液二次電池を用いて、25℃の環境温度で、以下の条件でコンディショニングを実施した。すなわち、初回充放電として、充電上限電圧4.2V、0.1Cレート(3mA)で定電流定電圧充電し、放電終止電圧2.7Vまで0.2Cレート(6mA)定電流で放電を行い、その後、充電上限電圧4.2V、0.2Cレート(6mA)で定電流定電圧充電し、放電終止電圧2.7Vまで0.2Cレート(6mA)定電流で放電を行う充放電サイクルを3回繰り返した。このときに得られる容量を初期放電容量(25℃)とした。
このコンディショニング後、60℃の環境温度での充放電試験を実施した。充電は、充電上限電圧4.2Vまで3Cレート(90mA)で定電流定電圧充電を実施し、放電は、放電終止電圧2.7Vまで3Cレート(90mA)定電流で放電を行う充放電サイクルを300回繰り返した。
続いて25℃まで非水系電解液二次電池を冷却し、再度2.7Vまで放電させた後に、25℃、0.2Cレートにて4.2Vまで定電流定電圧充電を実施した。さらに25℃のまま、放電は、放電終止電圧2.7Vまで5Cレート(150mA)での定電流で放電を行い、このときに得られる容量を、60℃長期サイクル後の放電容量(25℃)とした。なお、本評価では安全面等を考慮し、全ての評価中、各非水系電解液二次電池を固定した状態にて実施した。
下記の式から、60℃長期サイクル後の容量維持率(%)を算出した。
60℃長期サイクル後の容量維持率(%)=(60℃長期サイクル後の放電容量(25℃)/初期放電容量(25℃))×100
60℃長期サイクル後の容量維持率(%)=(60℃長期サイクル後の放電容量(25℃)/初期放電容量(25℃))×100
なお、実施例3−1〜3−10、比較例3−1〜3−6に係る非水系電解液二次電池の60℃長期サイクル後の容量維持率については、比較例3−6に係る非水系電解液二次電池の60℃長期サイクル後の容量維持率を100としたときの相対値として表5に示す。
[評価2]60℃長期サイクル(300サイクル)後の5Cレート特性
上述の評価1と同様に、60℃の環境温度で300サイクルを実施後、続いて25℃まで非水系電解液二次電池を冷却し、再度2.7Vまで放電させた後に、25℃、5Cレートにて4.2Vまで定電流定電圧充電を実施した。さらに25℃のまま、放電は、放電終止電圧2.7Vまで5Cレート(150mA)での定電流で放電を行い、このときに得られる容量を、60℃長期サイクル後の5Cレート特性(25℃)とした。なお、[評価1]と同様、安全面等を考慮し、評価中は、各非水系電解液二次電池を固定した状態にて実施した。
上述の評価1と同様に、60℃の環境温度で300サイクルを実施後、続いて25℃まで非水系電解液二次電池を冷却し、再度2.7Vまで放電させた後に、25℃、5Cレートにて4.2Vまで定電流定電圧充電を実施した。さらに25℃のまま、放電は、放電終止電圧2.7Vまで5Cレート(150mA)での定電流で放電を行い、このときに得られる容量を、60℃長期サイクル後の5Cレート特性(25℃)とした。なお、[評価1]と同様、安全面等を考慮し、評価中は、各非水系電解液二次電池を固定した状態にて実施した。
実施例3−1〜3−10、比較例3−1〜3−6に係る非水系電解液二次電池の60℃長期サイクル後の5Cレート特性(25℃)については、比較例3−6に係る非水系電解液二次電池の60℃長期サイクル後の5Cレート特性(25℃)を100としたときの相対値として表5に示す。
実施例3−1〜3−10は、比較例3−1〜3−5と比較して、同等以上の60℃長期サイクル後の容量維持率や60℃長期サイクル後の5Cレート特性を示した。−CF3基、及び−CH2CF3基からなる群から選ばれる電子吸引性基を有する一般式(1)で表される化合物は、従来添加剤として用いられていたMMDSに比べて化学的安定性が高いため、当該化合物が非水系電解液二次電池系内で有効に作用されているためと推察される。
Claims (12)
- 前記Z1及びZ2の少なくとも1つが−CH2CF3基であることを特徴とする、請求項1に記載の非水系電解液用添加剤。
- 下記一般式(3)で表されるアルカンジスルホン酸と、
下記一般式(4)で表されるアルデヒド及び/又はケトンと、
脱水剤とを反応させることを特徴とする、請求項1又は2に記載の非水系電解液用添加剤の合成方法。
[式(3)中、Xは(−CH2−)m、−CH(CH3)−、−C(CH3)2−、−CF2−、−C(CF3)2−、及び−C(C6H5)2−からなる群から選ばれる基であり、mは1、2、3のいずれかである。]
[式(4)中、Z1及びZ2は、それぞれ独立で、水素原子、−CF3基、及び−CH2CF3基からなる群から選ばれる基であり、Z1とZ2がいずれも水素原子であることはなく、また、−CF3基である場合にはZ1とZ2の両方ともが−CF3基である。] - 前記一般式(4)で表されるアルデヒド及び/又はケトンが、常温常圧で気体であることを特徴とする、請求項3に記載の合成方法。
- 下記一般式(4)で表されるアルデヒド及び/又はケトンと、脱水剤とを反応させることにより、下記一般式(5)で表されるトリオキサン化合物を得る、第1反応工程
前記第1反応工程後に下記一般式(3)で表されるアルカンジスルホン酸を加えて反応させる、第2反応工程
を有することを特徴とする、請求項1又は2に記載の非水系電解液用添加剤の合成方法。
[式(3)中、Xは(−CH2−)m、−CH(CH3)−、−C(CH3)2−、−CF2−、−C(CF3)2−、及び−C(C6H5)2−からなる群から選ばれる基であり、mは1、2、3のいずれかである。]
[式(4)中、Z1及びZ2は、それぞれ独立で、水素原子、−CF3基、及び−CH2CF3基からなる群から選ばれる基であり、Z1とZ2がいずれも水素原子であることはなく、また、−CF3基である場合にはZ1とZ2の両方ともが−CF3基である。]
[式(5)中、Z1及びZ2は、それぞれ独立で、水素原子、−CF3基、及び−CH2CF3基からなる群から選ばれる基であり、Z1とZ2がいずれも水素原子であることはなく、また、−CF3基である場合にはZ1とZ2の両方ともが−CF3基である。] - 前記一般式(4)で表されるアルデヒド及び/又はケトンが、常温常圧で液体又は固体であることを特徴とする、請求項5に記載の合成方法。
- 少なくとも、非水系溶媒と、溶質と、請求項1又は2に記載の非水系電解液用添加剤とを含む、非水系電解液。
- 前記非水系電解液用添加剤が、1,5,2,4−ジオキサジチアン−6−トリフルオロエチル−2,2,4,4−テトラオキシドである、請求項7に記載の非水系電解液。
- 前記非水系電解液用添加剤の非水系電解液中の含有量が、
非水系溶媒と、溶質と、前記非水系電解液用添加剤の総量に対して0.2〜5.0質量%である、請求項7又は8に記載の非水系電解液。 - 前記溶質が、
LiPF6、LiBF4、LiN(CF3SO2)2、LiN(FSO2)2、LiN(C2F5SO2)2、
ビス(オキサラト)ホウ酸リチウム、ジフルオロ(オキサラト)ホウ酸リチウム、トリス(オキサラト)リン酸リチウム、ジフルオロ(ビス(オキサラト))リン酸リチウム、テトラフルオロ(オキサラト)リン酸リチウム等のオキサレート錯体アニオン含有リチウム塩、
(CF2)2(SO2)2NLi、(CF2)3(SO2)2NLi等の環状アルキレン鎖含有リチウム塩、及び
ジフルオロリン酸リチウム
からなる群から選ばれる少なくとも1種である、請求項7〜9のいずれかに記載の非水系電解液。 - 前記非水系溶媒が、環状カーボネート及び鎖状カーボネートからなる群から選ばれる少なくとも1種を含み、
前記環状カーボネートが、エチレンカーボネート、及びプロピレンカーボネートからなる群から選ばれる少なくとも1種を含み、
前記鎖状カーボネートが、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、及びメチルプロピルカーボネートからなる群から選ばれる少なくとも1種を含む、請求項7〜10のいずれかに記載の非水系電解液。 - 請求項7〜11のいずれかに記載の非水系電解液と少なくとも正極と負極を備えたことを特徴とする非水系電解液二次電池。
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