JP2017022108A - 二次電池用非水電解液、その製造方法及びそれを備えた二次電池 - Google Patents
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Abstract
Description
成分(A):ハロゲン原子を含まず、かつ、下記一般式(1)で表される少なくとも1種のリン酸ジエステル塩;
成分(B):下記一般式(2)で表される少なくとも1種のホウ素錯体塩、ホウ酸エステル、酸無水物、不飽和結合を有する環状カーボネート、ハロゲン原子を有する環状カーボネート、環状スルホン酸エステル、下記一般式(3)で表されるアセトアセチル基を有するアミン類及び下記一般式(4)〜(7)の何れかで表されるリン化合物からなる群より選ばれる少なくとも1種
成分(A):ハロゲン原子を含まず、かつ、下記一般式(1)で表される少なくとも1種のリン酸ジエステル塩;
成分(B):下記一般式(2)で表される少なくとも1種のホウ素錯体塩、ホウ酸エステル、酸無水物、不飽和結合を有する環状カーボネート、ハロゲン原子を有する環状カーボネート、環状スルホン酸エステル、下記一般式(3)で表されるアセトアセチル基を有するアミン類及び下記一般式(4)〜(7)の何れかで表されるリン化合物からなる群より選ばれる少なくとも1種
本実施の形態に係る二次電池用非水電解液(以下、「非水電解液」という。)は、電解質を溶解させた有機溶媒(非水溶媒)に、少なくとも1種の下記成分(A)と、下記成分(B)とを含むものである。
前記成分(A)は、ハロゲン原子を含まず、かつ、下記一般式(1)で表される少なくとも1種のリン酸ジエステル塩からなる。前記ハロゲン原子としては、ヨウ素、臭素、塩素、フッ素を表す。
前記成分(B)は、下記一般式(2)で表される少なくとも1種のホウ素錯体塩、ホウ酸エステル、酸無水物、不飽和結合を有する環状カーボネート、ハロゲン原子を有する環状カーボネート、環状スルホン酸エステル、下記一般式(3)で表されるアセトアセチル基を有するアミン類及び下記一般式(4)〜(7)の何れかで表されるリン化合物からなる群より選ばれる少なくとも1種の化合物である。
前記ホウ素錯体塩は、前述の通り、具体的には下記一般式(2)で表されるものである。
前記ホウ酸エステルとしては、本実施の形態の非水電解液及びそれを用いた二次電池の特性を損なうものでなければ、その種類に特に制限はなく、種々のものを選択することができる。具体的には、例えば、ホウ酸トリメチル、ホウ酸トリエチル、ホウ酸トリイソプロピル、ホウ酸トリブチル、ホウ酸トリペンチル、ホウ酸トリヘキシル、ホウ酸トリへプチル、ホウ酸トリフェニル、2ホウ酸トリス(2,2,2−ヨードエチル)、ホウ酸トリス(2,2,2−トリブロモエチル)、ホウ酸トリス(2,2,2−トリクロロエチル)ホウ酸トリス(2,2,2−トリフルオロエチル)ホウ酸トリス(4−ヨードフェニル)、ホウ酸トリス(4−ブロモフェニル)、ホウ酸トリス(4−クロロフェニル)、ホウ酸トリス(4−フルオロフェニル)、ホウ酸ジエチルメチル、ホウ酸エチルジメチル等が挙げられる。
前記酸無水物としては、本実施の形態の非水電解液及びそれを用いた二次電池の特性を損なうものでなければ、その種類に特に制限はなく、種々のものを選択することができる。具体的には、例えば、酢酸無水物、プロピオン酸無水物、酪酸無水物、吉草酸無水物、ヘキサン酸無水物、へプタン酸無水物、オクタン酸無水物、ノナン酸無水物、デカン酸無水物、エイコサン酸無水物、ドコサン酸無水物、安息香酸無水物、4−メトキシ安息香酸無水物、ジフェニル酢酸無水物、クロトン酸無水物、シクロヘキサンカルボン酸無水物、エライジン酸無水物、イソ酪酸無水物、イソ吉草酸無水物、ラウリン酸無水物、リノール酸無水物、ミリスチン酸無水物、アンゲリカ酸無水物、クロロジフルオロ酢酸無水物、トリクロロ酢酸無水物、ジフルオロ酢酸無水物、トリフルオロ酢酸無水物、4−トリフルオロメチル安息香酸無水物などの直鎖カルボン酸無水物、フタル酸無水物、3−アセトアミドフタル酸無水物、4,4’−カルボニルジフタル酸無水物、4,4’−ビフタル酸無水物、3−ヨードフタル酸無水物、3−ブロモフタル酸無水物、3−クロロフタル酸無水物、3−フルオロフタル酸無水物、4−ヨードフタル酸無水物、4−ブロモフタル酸無水物、4−クロロフタル酸無水物、4−クロロフタル酸無水物、4,5−ジヨードフタル酸無水物、4,5−ジブロモフタル酸無水物、4,5−ジクロロフタル酸無水物、4,5−ジフルオロフタル酸無水物、4,4’−スルホニルジフタル酸無水物、3−ニトロフタル酸無水物、4−ニトロフタル酸無水物、exo−3,6−エポキシヘキサヒドロフタル酸無水物、exo−3,6−エポキシ−1,2,3,6−テトラヒドロフタル酸無水物、テトラヨードフタル酸無水物、テトラクロロフタル酸無水物、テトラフルオロフタル酸無水物、4−tert−ブチルフタル酸無水物、4−エチニルフタル酸無水物、4,4’−(ヘキサフルオロイソプロピリデン)ジフタル酸無水物、コハク酸無水物、(R)−(+)−2−アセトキシコハク酸無水物、(S)−(−)−2−アセトキシコハク酸無水物、2−ブテン−1−イルコハク酸無水物、ブチルコハク酸無水物、デシルコハク酸無水物、2,3−ジメチルコハク酸無水物、2−ドデセン−1−イルコハク酸無水物、ドデシルコハク酸無水物、オクタデセニコハク酸無水物、(2,7−オクタジエン−1−イル)コハク酸無水物、n−オクチルコハク酸無水物、ヘキサデシルコハク酸無水物、マレイン酸無水物、2,3−ビス(2,4,5−トリメチル−3−チエニル)マレイン酸無水物、2−(−2−カルボキシエチル)−3−メチル−マレイン酸無水物、2,3−ジメチルマレイン酸無水物、2,3−ジフェニルマレイン酸無水物、フェニルマレイン酸無水物、4−ペンテン−1,2−ジカルボン酸無水物、2,3−アントラセンジカルボン酸無水物、ビシクロ[2,2,2]オクト−5−エン−2,3−ジカルボン酸無水物、4−ブロモ−1,8−ナフタレンジカルボン酸無水物、(±)−trans−1,2−シクロヘキサンジカルボン酸無水物、cis−4−シクロヘキセン−1,2−ジカルボン酸無水物、2,5−ジブロモ−3,4−チオフェンジカルボン酸無水物、5,6−ジヒドロ−1,4−ジチイン−2,3−ジカルボン酸無水物、2,2’−ビフェニルジカルボン酸無水物、4−メチルシクロヘキサン−1,2−ジカルボン酸無水物、3−メチル−4−シクロヘキセン−1,2−ジカルボン酸無水物、4−メチル−4−シクロヘキセン−1,2−ジカルボン酸無水物、2,3−ナフタレンジカルボン酸無水物、3,4−チオフェンジカルボン酸無水物、1,8−ナフタレンジカルボン酸無水物、5−ノルボネン−2,3−ジカルボン酸無水物、1,2−シクロプロパンジカルボン酸無水物、グルタル酸無水物、3,3−ペンタメチレングルタル酸無水物、2,2−ジメチルグルタル酸無水物、3,3−ジメチルグルタル酸無水物、3−メチルグルタル酸無水物、2−フタルイミドグルタル酸無水物、3,3−テトラメチレングルタル酸無水物、N−メチルイサト酸無水物、4−ヨードイサト酸無水物、4−ブロモイサト酸無水物、4−クロロイサト酸無水物、4−フルオロイサト酸無水物、5−ヨードイサト酸無水物、5−ブロモイサト酸無水物、5−クロロイサト酸無水物、5−フルオロイサト酸無水物、イタコン酸無水物、カロン酸無水物、シトラコン酸無水物、ジグリコール酸無水物、1,2−ナフタル酸無水物、ピロメリット酸無水物、ヘット酸無水物、2,2,3,3,4,4−ヘキサフルオロペンタン二酸無水物などの環状カルボンサン無水物、トリフルオロメタンスルホン酸無水物、p−トルエンスルホン酸無水物などの直鎖スルホン酸無水物、2−スルホ安息香酸無水物、テトラヨード−O−スルホ安息香酸無水物、テトラブロモ−O−スルホ安息香酸無水物、テトラクロロ−O−スルホ安息香酸無水物、テトラフルオロ−O−スルホ安息香酸無水物などの環状スルホン酸無水物、ジフェニルホスフィン酸などの鎖状ホスフィン酸無水物、1−プロパンホスホン酸無水物などの環状ホスホン酸無水物、3.4−ジヨードフェニルボロン酸無水物、3,4−ジブロモフェニルボロン酸無水物、3,4−ジクロロフェニルボロン酸無水物、3,4−ジフルオロフェニルボロン酸無水物、4−ヨードフェニルボロン酸無水物、4−ブロモフェニルボロン酸無水物、4−クロロフェニルボロン酸無水物、4−フルオロフェニルボロン酸無水物、(m−ターフェニルボロン酸無水物、3,4,5−トリヨードフェニルボロン酸無水物、3,4,5−トリブロモフェニルボロン酸無水物、3,4,5−トリクロロフェニルボロン酸無水物、3,4,5−トリフルオロフェニルボロン酸無水物等が挙げられる。
前記不飽和結合を有する環状カーボネートとしては、本実施の形態の非水電解液及びそれを用いた二次電池の特性を損なうものでなければ、その種類に特に制限はなく、種々のものを選択することができる。前記不飽和結合の数は1〜10が好ましく、1〜5がより好ましく、1〜3が特に好ましい。不飽和結合を有する環状カーボネートとしては、具体的には、例えば、ビニレンカーボネート、ヨードビニレンカーボネート、ブロモビニレンカーボネート、クロロビニレンカーボネート、フルオロビニレンカーボネート、1,2−ジヨードビニレンカーボネート、1,2−ジブロモビニレンカーボネート、1,2−ジクロロビニレンカーボネート、1,2−ジフルオロビニレンカーボネート、メチルビニレンカーボネート、ヨードメチルビニレンカーボネート、ブロモメチルビニレンカーボネート、クロロメチルビニレンカーボネート、フルオロメチルビニレンカーボネート、ジクロロメチルビニレンカーボネート、ジブロモメチルビニレンカーボネート、ジクロロメチルビニレンカーボネート、ジフルオロメチルビニレンカーボネート、トリヨードメチルビニレンカーボネート、トリブロモメチルビニレンカーボネート、トリクロロメチルビニレンカーボネート、トリフルオロメチルビニレンカーボネート、エチルビニレンカーボネート、プロピルビニレンカーボネート、ブチルビニレンカーボネート、ジメチルビニレンカーボネート、ジエチルビニレンカーボネート、ジプロピルビニレンカーボネート、ビニルエチレンカーボネート等が挙げられる。
前記ハロゲン原子を有する環状カーボネートとしては、本実施の形態の非水電解液及びそれを用いた二次電池の特性を損なうものでなければ、その種類に特に制限はなく、種々のものを選択することができる。ここで、ハロゲン原子とは、フッ素原子、塩素原子、臭素原子又はヨウ素原子を意味する。ハロゲン原子を有する環状カーボネートとしては、具体的には、例えば、ヨードエチレンカーボネート、ブロモエチレンカーボネート、クロロエチレンカーボネート、フルオロエチレンカーボネート、1,2−ジヨードエチレンカーボネート、1,2−ジブロモエチレンカーボネート、1,2−ジクロロエチレンカーボネート、1,2−ジフルオロエチレンカーボネート等が挙げられる。
前記環状スルホン酸エステルとしては、本実施の形態の非水電解液及びそれを用いた二次電池の特性を損なうものでなければ、その種類に特に制限はなく、種々のものを選択することができる。環状スルホン酸エステルとしては、具体的には、例えば、1,3−プロパンスルトン、2,4−ブタンスルトン、1,4−ブタンスルトン、エチレンサルファイト等が挙げられる。
前記アセトアセチル基を有するアミン類は、具体的には、下記一般式(3)で表されるものである。
下記一般式(4)において、Mn+については、すでに説明した通りであり、アルカリ金属イオン、アルカリ土類金属イオン、アルミニウムイオン、遷移金属イオン又はオニウムイオンを表す。従って、これらの詳細な説明は省略する。
次に、下記一般式(5)で表されるリン化合物について説明する。但し、前記一般式(4)で表されるリン化合物において説明したものと同一のものについては、その説明を省略する。
次に、下記一般式(6)で表されるリン化合物について説明する。但し、前記一般式(4)及び(5)で表されるリン化合物において説明したものと同一のものについては、その説明を省略する。
次に、下記一般式(7)で表されるリン化合物について説明する。但し、前記一般式(4)〜(6)で表されるリン化合物において説明したものと同一のものについては、その説明を省略する。
前記電解質としては、従来公知のものを採用することができる。例えば、リチウムイオン電池用の場合はリチウム塩が用いられ、ナトリウムイオン電池用の場合はナトリウム塩が用いられる。従って、二次電池の種類に応じて電解質の種類は適宜選択すればよい。
前記非水電解液に用いられる前記有機溶媒(非水溶媒)としては特に限定されず、例えば、環状炭酸エステル、鎖状炭酸エステル、リン酸エステル、環状エーテル、鎖状エーテル、ラクトン化合物、鎖状エステル、ニトリル化合物、アミド化合物、スルホン化合物等が挙げられる。これらの有機溶媒のうち、リチウム二次電池用有機溶媒として一般的に使用されており、入手の容易さや性能の観点からは、炭酸エステルが好ましい。
本実施の形態の非水電解液の製造方法は、前記有機溶媒に前記電解質の塩を添加する第1工程と、当該電解質の塩の添加後の有機溶媒に、前記成分(A)を添加する第2工程と、当該電解質の塩及び前記成分(A)の添加後の前記有機溶媒に、前記成分(B)を添加し、二次電池用非水電解液を作製する第3工程とを少なくとも含む。但し、前記第2工程及び第3工程においては、気泡を脱泡するための工程を行わない。
本実施の形態に係る非水電解液には、従来公知のその他の添加剤が添加されていてもよい。
次に、本発明の二次電池として、リチウムイオン二次電池を例にして以下に説明する。図1は、前記非水電解液を備えたリチウムイオン二次電池の概略を示す断面模式図である。
ジクロロリン酸リチウム5gをPFA容器に投入し、続いてエタノール16.4gを投入した。その後、攪拌しながら、トリエチルアミン8.6gを室温(20℃)下で滴下した。滴下中、少し発熱し、白色沈殿が系内に析出するのが確認された。
露点が−70℃以下のアルゴン雰囲気ドライボックス内で、50ccのサンプル管(ラボラン)にエチレンカーボネート(EC)及びジメチルカーボネート(DMC)からなる混合溶媒(体積比率でEC:DMC=1:1、キシダ化学株式会社製、リチウムバッテリーグレード)26.46g投入し、3.54gのLiPF6を添加し濃度が1.0モル/リットルとなる様に調製した。
本実施例においては、実施例1の成分(B)としてのリチウムビスオキサレートボレートをトリエチルメチルアンモニウムビスオキサラトボレートに変更した。それ以外は、実施例1と同様にして、本実施例に係る非水電解液を調製した。
本実施例においては、実施例1の成分(B)としてのリチウムビスオキサレートボレートをリチウムビスサリチラートボレートに変更した。それ以外は、実施例1と同様にして、本実施例に係る非水電解液を調製した。
本実施例においては、実施例1の成分(B)としてのリチウムビスオキサレートボレートをリチウムビス[1,2’−ベンジオラート(2)−O,O’]ボレートに変更した。それ以外は、実施例1と同様にして、本実施例に係る非水電解液を調製した。
本実施例においては、実施例1の成分(B)としてのリチウムビスオキサレートボレートをホウ酸トリメチルに変更した。それ以外は、実施例1と同様にして、本実施例に係る非水電解液を調製した。
本実施例においては、実施例1の成分(B)としてのリチウムビスオキサレートボレートをマレイン酸無水物に変更した。それ以外は、実施例1と同様にして、本実施例に係る非水電解液を調製した。
本実施例においては、実施例1の成分(B)としてのリチウムビスオキサレートボレートをビニレンカーボネートに変更した。それ以外は、実施例1と同様にして、本実施例に係る非水電解液を調製した。
本実施例においては、実施例1の成分(B)としてのリチウムビスオキサレートボレートをフルオロエチレンカーボネートに変更した。それ以外は、実施例1と同様にして、本実施例に係る非水電解液を調製した。
本実施例においては、実施例1の成分(B)としてのリチウムビスオキサレートボレートを1,3−プロパンスルトンに変更した。それ以外は、実施例1と同様にして、本実施例に係る非水電解液を調製した。
本実施例においては、実施例1の成分(B)としてのリチウムビスオキサレートボレートをN,N−ジメチルアセトアセトアミドに変更した。それ以外は、実施例1と同様にして、本実施例に係る非水電解液を調製した。
本実施例においては、実施例1の成分(B)としてのリチウムビスオキサレートボレートをジフルオロリン酸リチウムに変更した。それ以外は、実施例1と同様にして、本実施例に係る非水電解液を調製した。
本実施例においては、実施例1の成分(B)としてのリチウムビスオキサレートボレートをリチウムジフルオロビスオキサレートホスフェートに変更した。それ以外は、実施例1と同様にして、本実施例に係る非水電解液を調製した。
本実施例においては、実施例1の成分(B)としてのリチウムビスオキサレートボレートをリン酸トリメチルに変更した。それ以外は、実施例1と同様にして、本実施例に係る非水電解液を調製した。
本実施例においては、実施例1の成分(B)としてのリチウムビスオキサレートボレートをリン酸トリス(2,2,2−トリフルオロエチル)に変更した。それ以外は、実施例1と同様にして、本実施例に係る非水電解液を調製した。
本実施例においては、実施例1のリチウムビスオキサレートボレートをビス(2,2,2−トリフルオロエチル)ホスホン酸に変更したこと以外は、実施例1と同様にして非水電解液を調製した。
本実施例においては、実施例1のリチウムビスオキサレートボレートをトリメチルホスフィンに変更したこと以外は、実施例1と同様にして非水電解液を調製した。
本実施例においては、実施例1のリチウムビスオキサレートボレートをメチルジフェニルホスフィンに変更したこと以外は、実施例1と同様にして非水電解液を調製した。
本実施例においては、実施例7のビニレンカーボネートの濃度を0.5質量%から0.05質量%に変更した。それ以外は、実施例7と同様にして、本実施例に係る非水電解液を調製した。
本実施例においては、実施例7のビニレンカーボネートの濃度を0.5質量%から5質量%に変更した。それ以外は、実施例7と同様にして、本実施例に係る非水電解液を調製した。
本実施例においては、実施例7のジエチルリン酸リチウムの濃度を0.5質量%から5質量%に変更し、ビニレンカーボネートの濃度を0.5質量%から5質量%に変更した。それ以外は、実施例7と同様にして、本実施例に係る非水電解液を調製した。
本実施例においては、実施例7のジエチルリン酸リチウムの濃度を0.5質量%から0.05質量%に変更し、ビニレンカーボネートの濃度を0.5質量%から0.05質量%に変更した。それ以外は、実施例7と同様にして、本実施例に係る非水電解液を調製した。
先ず、前記実施例1と同様にして、EC及びDMCからなる混合溶媒(体積比率でEC:DMC=1:1)に、濃度1.0モル/リットルのLiPF6を添加した混合溶液を用意した。
本比較例においては、比較例1で調製した電解液に対し、さらに成分(B)としてのリチウムビスオキサレートボレートを濃度が0.5質量%となるように添加した。それ以外は、比較例1と同様にして、本比較例に係る非水電解液を調製した。
2 負極
3 セパレータ
4 正極缶
5 負極缶
6 ガスケット
7 スペーサー
Claims (17)
- 二次電池に用いられる二次電池用非水電解液であって、
下記成分(A)及び成分(B)を含む二次電池用非水電解液。
成分(A):ハロゲン原子を含まず、かつ、下記一般式(1)で表される少なくとも1種のリン酸ジエステル塩;
成分(B):下記一般式(2)で表される少なくとも1種のホウ素錯体塩、ホウ酸エステル、酸無水物、不飽和結合を有する環状カーボネート、ハロゲン原子を有する環状カーボネート、環状スルホン酸エステル、下記一般式(3)で表されるアセトアセチル基を有するアミン類及び下記一般式(4)〜(7)の何れかで表されるリン化合物からなる群より選ばれる少なくとも1種
- 前記成分(A)の添加量は、前記二次電池用非水電解液の全質量に対し、0.05質量%〜5質量%であり、
前記成分(B)の添加量は、前記二次電池用非水電解液の全質量に対し、0.05質量%〜5質量%である請求項1に記載の二次電池用非水電解液。 - 前記成分(A)がジエチルリン酸リチウムである請求項1又は2に記載の二次電池用非水電解液。
- 前記一般式(2)で表されるホウ素錯体塩がリチウムビスオキサラトボレート、トリエチルメチルアンモニウムビスオキサラトボレート、リチウムビスサリチラートボレート又はリチウムビス[1,2’−ベンジオラート(2)−O,O’]ボレートである請求項1〜3の何れか1項に記載の二次電池用非水電解液。
- 前記ホウ酸エステルがホウ酸トリメチルである請求項1〜4の何れか1項に記載の二次電池用非水電解液。
- 前記酸無水物がマレイン酸無水物である請求項1〜5の何れか1項に記載の二次電池用非水電解液。
- 前記不飽和結合を有する環状カーボネートがビニレンカーボネートである請求項1〜6の何れか1項に記載の二次電池用非水電解液。
- 前記ハロゲン原子を有する環状カーボネートがフルオロエチレンカーボネートである請求項1〜7の何れか1項に記載の二次電池用非水電解液。
- 前記環状スルホン酸エステルが1,3−プロパンスルトンである請求項1〜8の何れか1項に記載の二次電池用非水電解液。
- 前記一般式(3)で表されるアセトアセチル基を有するアミン類がN,N−ジメチルアセトアセトアミドである請求項1〜9の何れか1項に記載の二次電池用非水電解液。
- 前記一般式(4)で表されるリン化合物がジフルオロリン酸リチウムである請求項1〜10の何れか1項に記載の二次電池用非水電解液。
- 前記一般式(5)で表されるリン化合物がリチウムジフルオロビスオキサレートホスフェートである請求項1〜11の何れか1項に記載の二次電池用非水電解液。
- 前記一般式(6)で表されるリン化合物が、リン酸トリメチル、リン酸トリス(2,2,2−トリフルオロエチル)又はビス(2,2,2−トリフルオロエチル)ホスホン酸である請求項1〜12の何れか1項に記載の二次電池用非水電解液。
- 前記一般式(7)で表されるリン化合物がトリメチルホスフィン又はメチルジフェニルホスフィンである請求項1〜13の何れか1項に記載の二次電池用非水電解液。
- 二次電池に用いられる二次電池用非水電解液の製造方法であって、
有機溶媒に電解質の塩を添加する第1工程と、
前記電解質の塩の添加後の有機溶媒に、下記成分(A)を添加する第2工程と、
前記電解質の塩及び前記成分(A)の添加後の前記有機溶媒に、下記成分(B)を添加し、二次電池用非水電解液を作製する第3工程とを有し、
前記第2工程で作製した前記成分(A)添加後の有機溶媒、及び前記第3工程において作製した二次電池用非水電解液に対し、気泡を脱泡するための工程を行わない二次電池用非水電解液の製造方法。
成分(A):ハロゲン原子を含まず、かつ、下記一般式(1)で表される少なくとも1種のリン酸ジエステル塩;
成分(B):下記一般式(2)で表される少なくとも1種のホウ素錯体塩、ホウ酸エステル、酸無水物、不飽和結合を有する環状カーボネート、ハロゲン原子を有する環状カーボネート、環状スルホン酸エステル、下記一般式(3)で表されるアセトアセチル基を有するアミン類及び下記一般式(4)〜(7)の何れかで表されるリン化合物からなる群より選ばれる少なくとも1種
- 前記第2工程における前記成分(A)の添加量は、前記二次電池用非水電解液の全質量に対し、0.05質量%〜5質量%であり、
前記第3工程における前記成分(B)の添加量は、前記二次電池用非水電解液の全質量に対し、0.05質量%〜5質量%である請求項15に記載の二次電池用非水電解液の製造方法。 - 請求項1〜14の何れか1項に記載の二次電池用非水電解液、正極及び負極を少なくとも備えた二次電池。
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