JP2019192634A - 電解液および電気化学装置 - Google Patents
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Abstract
Description
そこで、特に本発明を提案している。
本発明の電解液に添加剤としてポリニトリル基六員窒素複素環化合物とスルホンイミドリチウム塩を加えることにより、正極活物質表面を効果的に不動態化し、正極活物質表面の活性化を抑制し、電解液に対する酸化作用を抑制することができ、副反応を減少させるとともに貯蔵されるガス発生量を減少させることができる。また、スルホンイミドリチウム塩は、分解温度が高く、分解時にHFが発生しない特性を有する。スルホンイミドリチウム塩は、負極のSEI膜の形成にも関与し、負極に形成したSEI膜が負極と電解液との直接接触を阻害し、副反応の発生をより効果的に低減することができる。したがって、上記2つの添加剤の相乗的な作用により、電気化学装置の高温高圧下での電気化学性能を大幅に向上させることができる。本発明の電解液の25℃における導電率が4mS/cm〜12mS/cmを満たすと、上記添加剤の成膜効果が良好となり、電解液の低温性能と高温性能の両立を図ることができる。
まず、本発明の第1の態様による電解液について説明する。
本発明の第1の態様による電解液は、電解液における含有量が0.001〜10質量%である添加剤Aと、電解液中における含有量が0.1〜10質量%である添加剤Bとを含み、電解液の25℃における導電率は、4mS/cm〜12mS/cmである。
本発明の第1の態様の電解液において、添加剤Aは、式I-1、式I-2、式I-3で示される化合物から選ばれる1種類又は2種類以上である。式I-1、式I-2、式I-3において、R1、R2、R3、R4は、それぞれ独立に、水素原子、ハロゲン原子、置換または無置換のC1〜C12のアルキル基、置換または無置換のC1〜C12のアルコキシ基、置換または無置換のC1〜C12のアミン基、置換または無置換のC2〜C12のアルケニル基、置換または無置換のC2〜C12のアルキニル基、置換または無置換のC6〜C26のアリール基、置換または無置換のC2-C12の複素環基のうちから選ばれ、置換基(「置換または無置換」において、置換が発生された場合を示す)は、ハロゲン原子、ニトリル基、C1〜C6のアルキル基、C2〜C6のアルケニル基、C1〜C6のアルコキシ基のうちから選ばれる1種類又は2種類以上であり、x、y、zは、それぞれ独立に、0〜8から選ばれる整数であり、m、n、kは、それぞれ独立に、0〜2から選ばれる整数である。R1、R2、R3、R4において、アルキル基、アルケニル基、アルキニル基は、鎖状構造であってもよく、環状構造であってもよく、鎖状構造は、直鎖型構造と分岐型構造とに分けられる。ハロゲン原子は、フッ素原子、塩素原子、臭素原子のうちから選ばれる1種類又は2種類以上であってもよく、好ましくは、ハロゲン原子は、フッ素原子である。
C1〜C12のアルキル基は、鎖状アルキル基であってもよく、環状アルキル基であってもよく、鎖状アルキル基は、直鎖アルキル基または分岐アルキル基であってもよく、環状アルキル基の環に位置する水素はさらにアルキル基で置換されてもよい。C1〜C12のアルキル基における炭素数の好ましい下限値は1、2、3、4、5であり、好ましい上限値は3、4、5、6、8、10、12である。好ましくは、C1〜C10のアルキル基を選択する。さらに好ましくは、C1〜C6の鎖状アルキル基、C3〜C8の環状アルキル基を選択する。より好ましくは、C1〜C4の鎖状アルキル基、C5〜C7の環状アルキル基を選択する。C1〜C12のアルキル基の例としては、具体的には、メチル基、エチル基、N-プロピル基、イソプロピル基、n-ブチル基、イソブチル基、sec-ブチル基、tert-ブチル基、N-ペンチル基、イソペンチル基、ネオペンチル基、ヘキシル基、2-メチル基-ペンチル基、3-メチル基-ペンチル基、1,1,2-トリメチル基-プロピル基、3,3-ジメチル基-ブチル基、ヘプチル基、2-ヘプチル基、3-ヘプチル基、2-メチル基ヘキシル基、3-メチル基ヘキシル基、イソヘプチル基、オクチル基、ノニル基、デシル基が挙げられる。
式I-1において、好ましくは、R1、R2、R3、R4は、それぞれ独立に、水素原子、フッ素原子、塩素原子、臭素原子、置換または無置換のC1〜C6の直鎖もしくは分岐アルキル基、置換または無置換のC5〜C9の環状アルキル基、置換または無置換のC1〜C6のアルコキシ基、置換または無置換のC1〜C6のアミン基、置換または無置換のC2〜C6のアルケニル基、置換または無置換のC2〜C6のアルキニル基、置換または無置換のC6〜C12のアリール基、置換または無置換のC2〜C12の複素環基のうちから選ばれ、置換基は、ハロゲン原子から選ばれる1種類又は2種類以上であってもよい。さらに好ましくは、R1、R2、R3、R4は、それぞれ独立に、水素原子、フッ素原子、塩素原子、臭素原子、置換または無置換のC1〜C3の直鎖もしくは分岐アルキル基、置換または無置換のC5〜C7の環状アルキル基、置換または無置換のC1〜C3のアルコキシ基、置換または無置換のC1〜C3のアミン基、置換または無置換のC2〜C3のアルケニル基、置換または無置換のC2〜C3のアルキニル基、置換または無置換のC6〜C8のアリール基、置換または無置換のC2〜C7の複素環基のうちから選ばれ、置換基は、ハロゲン原子から選ばれる1種類又は2種類以上であってもよい。
式I-1において、yは、好ましくは、0〜6から選ばれる整数であり、さらに好ましくは、0〜4から選ばれる整数であり、より好ましくは、1または2から選ばれる。
式I-1において、R1、R3は、好ましくは、同一の基である。さらに好ましくは、R1、R3、R4は全て同じ基である。
式I-2において、好ましくは、R1、R2、R3、R4は、それぞれ独立に、水素原子、フッ素原子、塩素原子、臭素原子、置換または無置換のC1〜C6の直鎖もしくは分岐アルキル基、置換または無置換のC5〜C9の環状アルキル基、置換または無置換のC1〜C6のアルコキシ基、置換または無置換のC1〜C6のアミン基、置換または無置換のC2〜C6のアルケニル基、置換または無置換のC2〜C6のアルキニル基、置換または無置換のC6〜C12のアリール基、置換または無置換のC2〜C12の複素環基のうちから選ばれ、置換基は、ハロゲン原子から選ばれる1種類又は2種類以上である。さらに好ましくは、R1、R2、R3、R4は、それぞれ独立に、水素原子、フッ素原子、塩素原子、臭素原子、置換または無置換のC1〜C3の直鎖もしくは分岐アルキル基、置換または無置換のC5〜C7の環状アルキル基、置換または無置換のC1〜C3のアルコキシ基、置換または無置換のC1〜C3のアミン基、置換または無置換のC2〜C3のアルケニル基、置換または無置換のC2〜C3のアルキニル基、置換または無置換のC6〜C8のアリール基、置換または無置換のC2〜C7の複素環基のうちから選ばれ、置換基は、ハロゲン原子から選ばれる1種類又は2種類以上である。
式I-2において、yは、好ましくは、0〜6から選ばれる整数であり、さらに好ましくは、0〜4から選ばれる整数であり、より好ましくは、1または2から選ばれる。
式I-2において、R1、R2、R3、R4のうち少なくとも2つが同一の基であることが好ましく、R1、R2、R3、R4のうち少なくとも3つが同一の基であることがさらに好ましい。
好ましくは、式I-2で示される化合物は、具体的には、下記の〔化7〕に示す以下の化合物から選ばれる1種類又は2種類以上であってもよいが、本願はこれらに限定されるものではない。
式I-3において、好ましくは、R1、R2、R3は、それぞれ独立に、水素原子、フッ素原子、塩素原子、臭素原子、置換または無置換のC1〜C6の直鎖もしくは分岐のアルキル基、置換または無置換のC5〜C9の環状アルキル基、置換または無置換のC1〜C6のアルコキシ基、置換または無置換のC1〜C6のアミン基、置換または無置換のC2〜C6のアルケニル基、置換または無置換のC2〜C6のアルキニル基、置換または無置換のC6〜C12のアリール基、置換または無置換のC2〜C12の複素環基のうちから選ばれ、置換基は、ハロゲン原子から選ばれる1種類又は2種類以上である。さらに好ましくは、R1、R2、R3は、それぞれ独立に、水素原子、フッ素原子、塩素原子、臭素原子、置換または無置換のC1〜C3の直鎖もしくは分岐のアルキル基、置換または無置換のC5〜C7の環状アルキル基、置換または無置換のC1〜C3のアルコキシ基、置換または無置換のC1〜C3のアミン基、置換または無置換のC2〜C3のアルケニル基、置換または無置換のC2〜C3のアルキニル基、置換または無置換のC6〜C8のアリール基、置換または無置換のC2〜C7の複素環基のうちから選ばれ、置換基は、ハロゲン原子から選ばれる1種類又は2種類以上である。
式I-3において、yは、好ましくは、0〜6から選ばれる整数であり、さらに好ましくは、0〜4から選ばれる整数であり、より好ましくは、1または2から選ばれる。
式I3において、R1、R2、R3のうち少なくとも2つは同一の基であることが好ましい。
式I-3において、R1、R2、R3のうち少なくとも2つが水素原子であることが好ましく、R1、R2、R3がいずれも水素原子であることがさらに好ましく、または、R1、R2、R3のうち2つが水素原子であり、残りの1つがフッ素原子、塩素原子、臭素原子、置換または無置換のC1〜C6の直鎖もしくは分岐のアルキル基、置換または無置換のC1〜C6のアルコキシ基のうちから選ばれ、置換基は、ハロゲン原子から選ばれる1種類又は2種類以上であり、好ましくは、置換基は、フッ素原子から選ばれる。
本発明の第1の態様の電解液では、前記添加剤Bは、式IIで示されるスルホンイミドリチウム塩から選ばれる。
好ましくは、RFは、Cp1F2p1+1であり、Rfは、Cp2F2p2+1であり、p1、p2は、それぞれ独立に、0〜4から選ばれる整数である。
本発明の第1の態様による電解液では、前記電解液は、炭素−炭素不飽和結合を含む環状炭酸エステル化合物またはハロゲンで置換された環状炭酸エステル化合物から選ばれる1種類又は2種類以上の添加剤Cをさらに含んでいてもよい。
C1〜C6のアルキレン基は、直鎖アルキレン基であってもよく、分岐アルキレン基であってもよい。C1〜C6のアルキレン基における炭素数は、下限値が2、3であることが好ましく、上限値が4、5、6であることが好ましい。C1〜C4のアルキレン基を選ぶことが好ましい。C1〜C6のアルキレン基の例としては、具体的には、メチレン基、エチレン基、プロピレン基、イソプロピレン基、ブチレン基、イソブチレン基、sec−ブチル基、ペンチレン基、ヘキサメチレン基が挙げられる。
本発明の実施例の電解液に用いられる有機溶媒としては、環状炭酸エステルおよび鎖状炭酸エステルを含むことにより、高温高電圧の場合のサイクル性能および貯蔵性能をさらに向上させることができ、電解液の導電率を適切な範囲(25℃における導電率が4mS/cm〜12mS/cm)に調整することが容易となり、添加剤Aおよび添加剤Bの成膜効果をより良好にすることができる。
本発明で用いる電解質塩としては、下記のリチウム塩が好適に挙げられる。
〔Li塩-1類〕:LiPF6、LiBF4、LiAsF6、LiSbF6、LiPF4(CF3)2、LiPF3(C2F5)3、LiPF3(CF3)3、LiPF3(イソ-C3F7)3およびLiPF5(イソ-C3F7)のうちから選ばれる1種類又は2種類以上の「ルイス酸とLiFとの錯塩」が好適に挙げられ、好ましくは、LiPF6、LiBF4、LiAsF6から選ばれ、より好ましくは、LiPF6、LiBF4から選ばれる。
式I-1で示される化合物の合成反応方程式は次の〔化15〕に示すようになる。
20分〜60min(分)の間に、原料P-1に濃度30%〜40%のP-2水溶液を滴下して急速攪拌し、滴下終了後15時間〜30時間急速攪拌した後、70℃〜90℃のオイルバスで3時間〜5時間還流攪拌し、無色の発煙粘稠状液体中間生成物I-1-1を得る。K2CO3、KI、無水アセトニトリルを引き続き加え、急速攪拌して固液混合相にした後、40℃〜60℃で原料P-3を急速に加え、さらに10時間〜20時間攪拌した後、室温まで冷却し、分離精製により、式I-1で示される化合物を得る。
反応方程式は次の〔化16〕に示すようになる。
無水炭酸ナトリウム、原料P-4および原料P-3を無水エタノール中で混合し、反応攪拌2時間〜5時間し、熱エタノールを複数回繰り返して洗浄して粗生成物を得て、これを再結晶して式I-2で示される化合物を得る。
反応方程式は次の〔化17〕に示すようになる。
無水炭酸ナトリウム、原料P-5および原料P-3を無水エタノール中で混合し、2時間〜5時間攪拌して反応させ、熱エタノールを数回繰り返し洗浄して粗生成物を得て、これを再結晶して式I-3で示される化合物を得る。
本発明の第2の態様に係る電気化学装置は、正極シートと、負極シートと、正極シートと負極シートとの間に配置されたセパレータと、本発明の第1の態様による電解液とを備える。なお、本発明の第2の態様に係る電気化学装置は、リチウムイオン二次電池、リチウム一次電池またはリチウムイオンキャパシタであってもよい。
(1)電解液の調製:プロピレンカーボネート(「PC」と略称する)およびエチレンカーボネート(「EC」と略称する)の少なくとも1種、エチルメチルカーボネート(「EMC」と略称する)およびジエチルカーボネート(「DEC」と略称する)の少なくとも1種、およびプロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、酢酸メチル、酢酸エチルのうち少なくとも1種の混合液を有機溶媒とし、その混合割合を調節して、所望の電解液粘度および導電率となるようにする。リチウム塩はLiPF6であり、LiPF6の総含有量は、電解液の全質量の12.5%である。表1に示される電解液の組成に従って各添加剤を添加し、各添加剤成分の含有量はいずれも電解液の全質量を基準としている。ここで、使用された添加剤は以下の〔化21〕に示す通りである。
(3)負極シートの調製:負極活物質である黒鉛、導電剤であるアセチレンブラック、増粘剤であるカルボキシメチルセルロースナトリウム溶液、バインダであるスチレンブタジエンゴムエマルジョンを質量比97:1:1:1で混合し、脱イオン水を加え、真空攪拌機で均一になるまで攪拌して、負極スラリーを得る。負極スラリーを銅箔上に均一に塗布する。銅箔を室温で乾かした後、120℃の送風オーブンに移して1時間乾燥させた後、冷間プレスおよび分割を行って、負極シートを得る。
(4)リチウムイオン電池の調製:正極シート、負極シートおよびPP/PE/PPセパレータを巻回して得られた電池コアを外装ケースに入れた後、電解液を注液し、順次に封口し、静置、熱間/冷間プレス、化成、排気、容量テストなどの工程を経て、リチウムイオン二次電池を得る。
(1)リチウムイオン二次電池の常温、高電圧でのサイクル性能テスト
25℃で、リチウムイオン二次電池をまず1Cの定電流で電圧4.35Vになるまで充電し、さらに4.35Vの定電圧で電流0.05Cになるまで充電した後、1Cの定電流で電圧3.0Vになるまで放電する。これが一回の充電/放電サイクル過程になる。今回の放電容量は、初回サイクルの放電容量である。リチウムイオン二次電池に対して、上記の方法で200回サイクル充電/放電テストを行い、200回目サイクルの放電容量を検出した。
リチウムイオン二次電池のサイクル200回後の容量維持率(%)=(リチウムイオン二次電池のサイクル200回の放電容量/リチウムイオン二次電池の初回サイクルの放電容量)×100%。
45℃で、リチウムイオン二次電池をまず1Cの定電流で電圧4.35Vになるまで充電し、さらに4.35Vの定電圧で電流0.05Cになるまで充電した後、1Cの定電流で電圧3.0Vになるまで放電する。これが一回の充電/放電サイクル過程になる。今回の放電容量は、初回サイクルの放電容量である。リチウムイオン二次電池に対して、上記の方法で200回サイクル充電/放電テストを行い、200回目サイクルの放電容量を検出した。
リチウムイオン二次電池のサイクル200回後の容量維持率(%)=(リチウムイオン二次電池のサイクル200回の放電容量/リチウムイオン二次電池の初回サイクルの放電容量)×100%。
25℃で、リチウムイオン二次電池を0.5Cの定電流で電圧4.35Vになるまで充電した後、4.35Vの定電圧で電流0.05Cになるまで充電し、そのときのリチウムイオン二次電池の厚みを測定して、h0とする。その後、リチウムイオン二次電池を85℃の恒温槽に入れ、24時間貯蔵後に取り出し、そのときのリチウムイオン二次電池の厚みを測定して、h1とする。
85℃で24時間貯蔵後のリチウムイオン二次電池の厚み膨張率(%)=〔(h1-h0)/h0〕×100%。
リチウムイオン二次電池を保温炉に入れ、炉温を25℃に調整した後、リチウムイオン二次電池を0.5Cの定電流で電圧4.35Vになるまで充電し、その後、4.35Vの定電圧で電流0.05Cになるまで充電し、この過程により、リチウムイオン二次電池を満充電にする。満充電のリチウムイオン二次電池を0.5Cの定電流で3.0Vの電圧になるまで放電させ、この過程により、リチウムイオン二次電池を完全放電させ、完全放電過程における放電容量をC0とする。
保温炉の温度を-20℃に調節した後、60分間静置し、炉内の温度が-20℃に達するまで待機した後、上記の満充電と完全放電の過程を繰り返し、完全放電過程における放電容量をC1とする。
リチウムイオン二次電池の-20℃での低温容量維持率(%)=(C1/C0)×100%。
上記実施例1〜25の方法により、電解液の組成を表3に示すようにしてリチウムイオン二次電池を製造した。
上記の明細書の開示および教示に基づいて、本発明が属する技術分野の当業者は、上記の実施形態に対して適切な変更および修正を加えることができる。したがって、本発明は、上記に開示された特定の実施形態に限定されるものではなく、本発明に対する修正および変更も、本願の特許請求の範囲の範囲内にあるものとする。また、本明細書では、いくつかの特定の用語を使用しているが、これらの用語は説明の便宜上のものであり、本発明を限定するものではない。
Claims (10)
- 電解液であって、
添加剤Aおよび添加剤Bを含み、
前記添加剤Aは、式I-1、式I-2、式I-3で示される化合物から選ばれる1種類又は2種類以上であり、
式I-1、式I-2、式I-3において、R1、R2、R3、R4は、それぞれ独立に、水素原子、ハロゲン原子、置換または無置換のC1〜C12のアルキル基、置換または無置換のC1〜C12のアルコキシ基、置換または無置換のC1〜C12のアミン基、置換または無置換のC2〜C12のアルケニル基、置換または無置換のC2〜C12のアルキニル基、置換または無置換のC6〜C26のアリール基、置換または無置換のC2〜C12の複素環基のうちから選ばれ、置換基は、ハロゲン原子、ニトリル基、C1〜C6のアルキル基、C2〜C6のアルケニル基、C1〜C6のアルコキシ基のうちから選ばれる1種類又は2種類以上であり、x、y、zは、それぞれ独立に、0〜8から選ばれる整数であり、m、n、kは、それぞれ独立に、0〜2から選ばれる整数であり、
前記添加剤Bは、式IIに示されるスルホンイミドリチウム塩から選ばれ、
前記添加剤Aの前記電解液における含有量は、0.001質量%〜10質量%であり、
前記添加剤Bの前記電解液における含有量は、0.1質量%〜10質量%であり、
前記電解液の25℃での導電率は、4mS/cm〜12mS/cmである、
ことを特徴とする電解液。 - 前記添加剤Aの前記電解液における含有量は、0.01質量%〜6質量%であり、好ましくは、0.1質量%〜3.5質量%であり、
前記添加剤Bの前記電解液における含有量は、0.5質量%〜6質量%であり、好ましくは、1質量%〜4質量%である、
ことを特徴とする請求項1に記載の電解液。 - 前記添加剤Aは、以下の化合物から選ばれる1種類又は2種類以上である、
ことを特徴とする請求項1に記載の電解液。
- 前記添加剤Bは、以下の化合物から選ばれる1種類又は2種類以上である、
ことを特徴とする請求項1に記載の電解液。
- 炭素−炭素不飽和結合を含む環状炭酸エステル化合物、ハロゲンで置換された環状炭酸エステル化合物から選ばれる1種類又は2種類以上である添加剤Cをさらに含む、
ことを特徴とする請求項1に記載の電解液。 - 前記炭素−炭素不飽和結合を含む環状炭酸エステル化合物は、式III−1で示される化合物から選ばれる1種類又は2種類以上であり、
ハロゲンで置換された環状炭酸エステル化合物は、式III−2で示される化合物から選ばれる一種または数種類であり、
ことを特徴とする請求項5に記載の電解液。 - 前記添加剤Cの前記電解液における含有量は、0.1質量%〜10質量%であり、好ましくは、0.5質量%〜6質量%であり、より好ましくは、1質量%〜3質量%である、
ことを特徴とする請求項5に記載の電解液。 - 前記有機溶媒は、環状炭酸エステル、鎖状炭酸エステルおよびカルボン酸エステルの混合物を含み、
前記環状炭酸エステルは、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、1,2-ブチレンカーボネート、2,3-ブタンジオールカーボネートのうちから選ばれる1種類又は2種類以上であり、
鎖状炭酸エステルは、エチルメチルカーボネート、メチルプロピルカーボネート、メチルイソプロピルカーボネート、メチルブチルカーボネート、エチルプロピルカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、ジプロピルカーボネート、ジブチルカーボネートのうちから選ばれる1種類又は2種類以上であり、
カルボン酸エステルは、ピバリン酸メチル、ピバリン酸エチル、ピバリン酸プロピル、ピバリン酸ブチル、酪酸メチル、酪酸エチル、酪酸プロピル、酪酸ブチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、プロピオン酸プロピル、プロピオン酸ブチル、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸プロピル、酢酸ブチルのうちから選ばれる1種または複数である、
ことを特徴とする請求項1に記載の電解液。 - 有機溶媒の全質量を基準として、
環状炭酸エステルの含有量は、15質量%〜55質量%であり、好ましくは、25質量%〜50質量%であり、
鎖状炭酸エステルの含有量は、15質量%〜74質量%であり、好ましくは、25質量%〜70質量%であり、
カルボン酸エステルの含有量は、0.1質量%〜70質量%であり、好ましくは、5質量%〜50質量%である、
ことを特徴とする請求項8に記載の電解液。 - 正極シートと、負極シートと、前記正極シートと前記負極シートとの間に配置されたセパレータと、電解液とを備える電池であって、
前記電解液は、請求項1〜9のいずれか一項に記載の電解液である、
ことを特徴とする電気化学装置。
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