JP3463926B2 - Electrolyte for electrochemical devices - Google Patents
Electrolyte for electrochemical devicesInfo
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、リチウム電池、リ
チウムイオン電池、電気二重層キャパシタ等の電気化学
ディバイス用として利用される安全性の改良された電解
液に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an electrolytic solution having improved safety which is used for electrochemical devices such as lithium batteries, lithium ion batteries and electric double layer capacitors.
【0002】[0002]
【従来の技術および発明が解決しようとする問題点】近
年の携帯機器の発展に伴い、その電源として電池やキャ
パシタのような電気化学的現象を利用した電気化学ディ
バイスの開発が盛んに行われるようになった。また、電
源以外の電気化学ディバイスとしては、電気化学反応に
より色の変化が起こるエレクトロクロミックディスプレ
イ(ECD)が挙げられる。2. Description of the Related Art With the development of portable devices in recent years, the development of electrochemical devices utilizing electrochemical phenomena such as batteries and capacitors as the power source has been actively pursued. Became. Further, examples of the electrochemical device other than the power source include an electrochromic display (ECD) in which a color change is caused by an electrochemical reaction.
【0003】これらの電気化学ディバイスは、一般に一
対の電極とその間を満たす電解液から構成される。この
電解液には、溶媒と電解質と呼ばれるカチオン(A+)
とアニオン(B-)からなる塩類(AB)を溶解したも
のが用いられる。この溶媒としては、プロピレンカーボ
ネート、ジメチルカーボネート、ジメトキシエタンなど
の有機溶媒がよく用いられているが、これらは引火点が
低く、引火のおそれがあることから、最近では火災等に
対する安全性の問題により、かかる可燃性電解液を用い
ることは、好まれない状況になってきている。These electrochemical devices are generally composed of a pair of electrodes and an electrolytic solution filling the space between them. This electrolyte contains a solvent and a cation (A + ) called an electrolyte.
A solution in which a salt (AB) composed of an anion (B − ) and is dissolved is used. As this solvent, organic solvents such as propylene carbonate, dimethyl carbonate, and dimethoxyethane are often used, but these have a low flash point and may cause ignition, so recently, due to safety problems against fire, etc. However, the use of such a flammable electrolyte has become unfavorable.
【0004】一方、フロンなどのように分子中にフッ素
原子を持つ含フッ素有機溶媒は不燃性、または難燃性で
あるため、安全性の面では優れた溶媒ではあるが、一般
に誘電率が低いため、電解質として用いられる塩類(例
えば、LiPF6、LiBF4、LiCF3SO3、LiN
(CF3SO2)2、LiSbF6およびLiClO4等)を
全く溶解する能力がないため、電解液としての使用は困
難であった。On the other hand, a fluorine-containing organic solvent having a fluorine atom in its molecule, such as CFC, is nonflammable or flame retardant, so that it is an excellent solvent in terms of safety, but generally has a low dielectric constant. Therefore, salts used as electrolytes (for example, LiPF 6 , LiBF 4 , LiCF 3 SO 3 , LiN
Since it has no ability to dissolve (CF 3 SO 2 ) 2 , LiSbF 6, LiClO 4, etc.), it has been difficult to use as an electrolytic solution.
【0005】[0005]
【問題点を解決するための具体的手段】本発明者らは、
かかる従来技術の問題点に鑑み鋭意検討の結果、新規の
化学構造的な特徴を有する電解質と含フッ素有機溶媒を
組み合わせることにより優れたディバイス性能を有する
難燃性の電解液を見出し本発明に到達したものである。[Means for Solving the Problems] The present inventors
As a result of intensive studies in view of the problems of the prior art, a flame-retardant electrolytic solution having excellent device performance was found by combining an electrolyte having a novel chemical structural characteristic and a fluorine-containing organic solvent, and arrived at the present invention. It was done.
【0006】すなわち本発明は、有機電解液を使用する
電気化学ディバイスにおいて、有機電解液の主溶媒とし
て含フッ素有機溶媒を用い、かつ電解質がそのアニオン
部分の配位子の少なくとも一つがC−F結合を有するア
ート錯体からなる電気化学ディバイス用電解液であり、
そのアート錯体は、一般式(1)で示される化学構造式
よりなる化合物のうちの少なくとも一つからなり、That is, according to the present invention, in an electrochemical device using an organic electrolytic solution, a fluorine-containing organic solvent is used as a main solvent of the organic electrolytic solution, and at least one ligand of the anion portion of the electrolyte is C—F. An electrolyte for an electrochemical device consisting of an art complex having a bond,
The ate complex comprises at least one compound having a chemical structural formula represented by the general formula (1),
【0007】[0007]
【化2】 [Chemical 2]
【0008】この式中のAq+は、金属イオン、またはオ
ニウムイオン、Mは、遷移金属、周期律表のIII族、IV
族、またはV族元素、aは、0〜3、cは、0〜3(a
またはcの少なくとも一方は0ではない、a+b=3、
c+d=3)、pは、r/q、qは、1〜3、rは、1
〜3、mは、1〜8、nは、0〜8、X1は、O、S、
NR5、またはNR5R6 、R1とR2は、それぞれ独立
で、H、ハロゲン、C1〜C10のアルキル、またはC1〜
C10のハロゲン化アルキル、R3は、C1〜C10のアルキ
ル、C1〜C10のハロゲン化アルキル、C4〜C20のアリ
ール、またはC4〜C20のハロゲン化アリール、R4は、
ハロゲン、C1〜C10のアルキル、C1〜C10のハロゲン
化アルキル、C4〜C20のアリール、C4〜C20のハロゲ
ン化アリール、またはX2R7、X2は、O、S、NR5、
またはNR5R6、R5、R6は、H、またはC1〜C10の
アルキル、R7は、C1〜C10のアルキル、C1〜C10の
ハロゲン化アルキル、C4〜C20のアリール、またはC4
〜C20のハロゲン化アリールをそれぞれ表し、さらに
は、主溶媒である含フッ素有機溶媒がフッ素を含有する
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、アミド類、またはスルホン類のうちの
少なくともひとつからなり、また、電解質の解離促進剤
として、誘電率1以上のヘテロ元素を含有する有機化合
物を含有したことを特徴とする電気化学ディバイス用電
解液を提供するものである。In this formula, A q + is a metal ion or an onium ion, M is a transition metal, III or IV of the periodic table.
Group or V group element, a is 0 to 3, c is 0 to 3 (a
Or at least one of c is not 0, a + b = 3,
c + d = 3), p is r / q, q is 1 to 3, r is 1
To 3, m is, 1 to 8, n is, 0 to 8, X 1 is, O, S,
NR 5 , or NR 5 R 6 , R 1 and R 2 are each independently H, halogen, C 1 to C 10 alkyl, or C 1 to
C 10 alkyl halide, R 3 is C 1 to C 10 alkyl, C 1 to C 10 alkyl halide, C 4 to C 20 aryl, or C 4 to C 20 aryl halide, R 4 Is
Halogen, C 1 to C 10 alkyl, C 1 to C 10 alkyl halide, C 4 to C 20 aryl, C 4 to C 20 aryl halide, or X 2 R 7 , X 2 is O, S, NR 5 ,
Or NR 5 R 6 , R 5 , and R 6 are H or C 1 -C 10 alkyl, R 7 is C 1 -C 10 alkyl, C 1 -C 10 alkyl halide, C 4 -C 20 aryls, or C 4
To C 20 aryl halides, and further, among the carbonates, esters, ethers, lactones, nitriles, amides, or sulfones whose main solvent is a fluorine-containing organic solvent containing fluorine. And an organic compound containing a hetero element having a dielectric constant of 1 or more as an electrolyte dissociation promoter, and an electrolytic solution for an electrochemical device.
【0009】なお、本発明に用いられる電解質のアルキ
ル、ハロゲン化アルキル、アリール、ハロゲン化アリー
ルは、分岐や水酸基、エーテル結合等の他の官能基を持
つものも含む。The alkyl, alkyl halide, aryl and aryl halide of the electrolyte used in the present invention include those having other functional groups such as branching, hydroxyl group and ether bond.
【0010】以下に、本発明をより詳細に説明する。本
発明は、新規の化学構造的な特徴を有する電解質と含フ
ッ素有機溶媒を組み合わせにより成り立つものである
が、ここで電解質として用いられるアート錯体とは、ル
イス酸性を有する化合物が、カルボアニオン、アルコキ
シアニオン等のルイス塩基性を有するアニオン種と錯形
成することからなるアニオン性錯体の総称である。本発
明で用いるアート錯体の配位子の少なくとも一つが、C
−F結合を有することにより、含フッ素有機溶媒への溶
解度が大きくなる。次に、電解質として使用される一般
式(1)で示される化合物の具体例を以下に示す。The present invention will be described in more detail below. The present invention comprises a combination of an electrolyte having a novel chemical structural characteristic and a fluorine-containing organic solvent, and the ate complex used as the electrolyte here means that a compound having Lewis acidity is a carbanion or an alkoxy compound. It is a general term for anionic complexes formed by complexing with anionic species having Lewis basicity such as anions. At least one of the ligands of the ate complex used in the present invention is C
By having the —F bond, the solubility in the fluorine-containing organic solvent is increased. Next, specific examples of the compound represented by the general formula (1) used as the electrolyte are shown below.
【0011】[0011]
【化3】 [Chemical 3]
【0012】ここではAq+としてリチウムイオンを挙げ
ているが、リチウムイオン以外のカチオンとして、例え
ば、ナトリウムイオン、カリウムイオン、マグネシウム
イオン、カルシウムイオン、バリウムイオン、セシウム
イオン、銀イオン、亜鉛イオン、銅イオン、コバルトイ
オン、鉄イオン、ニッケルイオン、マンガンイオン、チ
タンイオン、鉛イオン、クロムイオン、バナジウムイオ
ン、ルテニウムイオン、イットリウムイオン、ランタノ
イドイオン、アクチノイドイオン、テトラブチルアンモ
ニウムイオン、テトラエチルアンモニウムイオン、テト
ラメチルアンモニウムイオン、トリエチルメチルアンモ
ニウムイオン、トリエチルアンモニウムイオン、ピリジ
ニウムイオン、イミダゾリウムイオン、プロトン、テト
ラエチルホスホニウムイオン、テトラメチルホスホニウ
ムイオン、テトラフェニルホスホニウムイオン、トリフ
ェニルスルホニウムイオン、トリエチルスルホニウムイ
オン、等も利用される。Although lithium ions are mentioned as A q + here, as cations other than lithium ions, for example, sodium ions, potassium ions, magnesium ions, calcium ions, barium ions, cesium ions, silver ions, zinc ions, copper. Ion, cobalt ion, iron ion, nickel ion, manganese ion, titanium ion, lead ion, chromium ion, vanadium ion, ruthenium ion, yttrium ion, lanthanoid ion, actinide ion, tetrabutylammonium ion, tetraethylammonium ion, tetramethylammonium ion Ion, triethylmethylammonium ion, triethylammonium ion, pyridinium ion, imidazolium ion, proton, tetraethylphosphoni Ion, tetramethyl phosphonium ion, tetraphenylphosphonium ion, triphenylsulfonium ion, triethylsulfonium ion, etc. is also used.
【0013】電気化学的なディバイス等の用途を考慮し
た場合、リチウムイオン、テトラアルキルアンモニウム
イオン、プロトンが好ましい。Aq+のカチオンの価数q
は、1から3が好ましい。3より大きい場合、結晶格子
エネルギーが大きくなるため、溶媒に溶解することが困
難になるという問題が起こる。そのため溶解度を必要と
する場合は1がより好ましい。同様にアニオンの価数r
も同様に1から3が好ましく、特に1がより好ましい。
カチオンとアニオンの比を表す定数pは、両者の価数の
比r/qで必然的に決まってくる。Considering applications such as electrochemical devices, lithium ions, tetraalkylammonium ions and protons are preferred. Valence number of cation of A q + q
Is preferably 1 to 3. When it is larger than 3, the crystal lattice energy becomes large, and there arises a problem that it becomes difficult to dissolve in a solvent. Therefore, 1 is more preferable when solubility is required. Similarly, the valence r of the anion
Similarly, 1 to 3 is preferable, and 1 is particularly preferable.
The constant p representing the ratio of the cation and the anion is inevitably determined by the ratio r / q of the valences of the two.
【0014】本発明に用いられる電解質は、イオン性金
属錯体構造を採っており、その中心となるMは、遷移金
属、周期律表のIII族、IV族、またはV族元素から選ばれ
る。好ましくは、Al、B、V、Ti、Si、Zr、G
e、Sn、Cu、Y、Zn、Ga、Nb、Ta、Bi、
P、As、Sc、Hf、またはSbのいずれかであり、
さらに好ましくは、Al、B、またはPである。種々の
元素を中心のMとして利用することは可能であるが、A
l、B、V、Ti、Si、Zr、Ge、Sn、Cu、
Y、Zn、Ga、Nb、Ta、Bi、P、As、Sc、
Hf、またはSbの場合、比較的合成も容易であり、さ
らにAl、B、またはPの場合、合成の容易性のほか、
低毒性、安定性、コストとあらゆる面で優れた特性を有
する。The electrolyte used in the present invention has an ionic metal complex structure, and the center M thereof is selected from a transition metal, a group III, IV or V element of the periodic table. Preferably, Al, B, V, Ti, Si, Zr, G
e, Sn, Cu, Y, Zn, Ga, Nb, Ta, Bi,
Either P, As, Sc, Hf, or Sb,
More preferably, it is Al, B, or P. It is possible to use various elements as the central M, but A
l, B, V, Ti, Si, Zr, Ge, Sn, Cu,
Y, Zn, Ga, Nb, Ta, Bi, P, As, Sc,
In the case of Hf or Sb, the synthesis is relatively easy, and in the case of Al, B, or P, in addition to the ease of synthesis,
It has low toxicity, stability, cost, and excellent properties.
【0015】次に、本発明に用いられる電解質(イオン
性金属錯体)の特徴となる配位子の部分について説明す
る。以下、ここではMに結合している有機または無機の
部分を配位子と呼ぶ。一般式(1)中のX1は、O、
S、NR5、またはNR5R6であり、これらのヘテロ原
子を介してMに結合する。ここで、O、S、N以外で結
合することは、不可能ではないが合成上非常に煩雑なも
のとなる。Next, the ligand portion which is a feature of the electrolyte (ionic metal complex) used in the present invention will be described. Hereafter, the organic or inorganic part bonded to M is referred to as a ligand. X 1 in the general formula (1) is O,
S, NR 5, or a NR 5 R 6, bonded to M via these heteroatoms. Here, it is not impossible to bond with a compound other than O, S, and N, but it becomes very complicated in terms of synthesis.
【0016】この配位子中の定数aは、0〜3、cは、
0〜3(aまたはcの少なくとも一方は0ではなく、a
+b=3、c+d=3)となり、R1とR2は、それぞれ
独立で、H、ハロゲン、C1〜C10のアルキル、または
C1〜C10のハロゲン化アルキル、R3は、C1〜C10の
アルキル、C1〜C10のハロゲン化アルキル、C4〜C20
のアリール、またはC4〜C20のハロゲン化アリール、
R4は、ハロゲン、C1〜C10のアルキル、C1〜C10の
ハロゲン化アルキル、C4〜C20のアリール、C4〜C20
のハロゲン化アリール、またはX2R7、X2は、O、
S、NR5、またはNR5R6、R5、R6は、H、または
C1〜C10のアルキル、R7は、C1〜C10のアルキル、
C1〜C10のハロゲン化アルキル、C4〜C20のアリー
ル、またはC4〜C20のハロゲン化アリールをそれぞれ
表すが、好ましくはR1とR2の少なくとも一方がフッ素
化アルキルおよびフッ素であり、さらに好ましくは、R
1とR2の両方がフッ素である。R1、R2、R3およびR4
に電子吸引性のフッ素やフッ素化アルキルが存在するこ
とにより、中心のMの負電荷が分散し、アニオンの電気
的安定性が増すため、非常にイオン解離しやすくなり、
溶媒への溶解度やイオン伝導度、触媒活性などが大きく
なる。また、その他の耐熱性、化学的安定性、耐加水分
解性も向上する。また、後で記述する含フッ素有機溶媒
と構造が似てくるため、その効果により溶解度がさらに
大きくなる。また、ここまでに説明した配位子の数に関
係する定数mおよびnは、中心のMの種類によって決ま
ってくるものであるが、mは、0〜8、nは、0〜8が
好ましい。以上のような電解質はその構造からくる特性
により、従来の電解質がほとんど溶解しなかった含フッ
素有機溶媒に対して非常に高い溶解度を有する。このこ
とを利用することにより、従来は不可能であった難燃性
の電解液を構成することが可能となる。The constant a in this ligand is 0 to 3, and c is
0 to 3 (at least one of a and c is not 0, and a
+ B = 3, c + d = 3), and R 1 and R 2 are each independently H, halogen, C 1 -C 10 alkyl, or C 1 -C 10 halogenated alkyl, R 3 is C 1 To C 10 alkyl, C 1 to C 10 alkyl halide, C 4 to C 20
Or an aryl halide of C 4 to C 20 ,
R 4 is halogen, C 1 -C 10 alkyl, C 1 -C 10 alkyl halide, C 4 -C 20 aryl, C 4 -C 20
Aryl halide of, or X 2 R 7 , X 2 is O,
S, NR 5 , or NR 5 R 6 , R 5 , R 6 is H or C 1 -C 10 alkyl, R 7 is C 1 -C 10 alkyl,
C 1 -C 10 alkyl halide, C 4 -C 20 aryl, or C 4 -C 20 aryl halide are respectively represented, and preferably at least one of R 1 and R 2 is a fluorinated alkyl or fluorine. Yes, and more preferably R
Both 1 and R 2 are fluorine. R 1 , R 2 , R 3 and R 4
The presence of electron-withdrawing fluorine or fluorinated alkyl disperses the negative charge of M at the center and increases the electrical stability of the anion, which greatly facilitates ion dissociation.
Solubility in solvents, ionic conductivity, catalytic activity, etc. increase. Further, other heat resistance, chemical stability and hydrolysis resistance are also improved. Further, since the structure is similar to that of the fluorine-containing organic solvent described later, the effect further increases the solubility. Further, the constants m and n related to the number of ligands described so far are determined by the type of central M, but m is preferably 0 to 8 and n is preferably 0 to 8. . The electrolyte as described above has a very high solubility in the fluorine-containing organic solvent in which the conventional electrolyte was hardly dissolved due to the characteristics of the structure. By utilizing this fact, it becomes possible to form a flame-retardant electrolytic solution, which has been impossible in the past.
【0017】次に、本発明で用いる含フッ素有機溶媒と
しては、引火点が100℃以上のものであればよく、好
ましくは、フッ素を含有するカーボネート類、エステル
類、エーテル類、ラクトン類、ニトリル類、アミド類、
またはスルホン類が挙げられ、さらに好ましくはフッ素
含有量が50%以上のものであり、さらに好ましくは使
用する電解質が有する配位子と共通の部分を持つものが
よい。本発明の目的である電気化学的ディバイスを安全
に使用するには、含フッ素有機溶媒の引火点が100℃
以上であることが必要であり、また、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、ア
ミド類、またはスルホン類のようにヘテロ元素を含有す
るもののほうが溶解力が高く、さらには、電解質が有す
る配位子と共通の部分を持つものがより溶解力が高いた
め好ましい。Next, the fluorine-containing organic solvent used in the present invention may be one having a flash point of 100 ° C. or higher, and preferably fluorine-containing carbonates, esters, ethers, lactones and nitriles. , Amides,
Alternatively, sulfones may be mentioned, and those having a fluorine content of 50% or more are more preferable, and those having a common moiety with the ligand of the electrolyte used are more preferable. To safely use the electrochemical device which is the object of the present invention, the flash point of the fluorine-containing organic solvent is 100 ° C.
Or more, and carbonates,
Those containing a hetero element such as esters, ethers, lactones, nitriles, amides, or sulfones have higher solubility, and those having a common moiety with the ligand of the electrolyte are It is preferable because it has a higher dissolving power.
【0018】具体的には、CH3OCOOCH2CF3、
CH3OCOOCH2CF2CF3、CH3OCOOCH
(CF3)2、C2H5OCOOCH2CF3、C2H5OCO
OCH2CF2CF3、C2H5OCOOCH(CF3)2、
(CF3)2CHOCOOCH(CF3)2、CF3CH2O
COOCH2CF3等の鎖状の含フッ素カーボネート、Specifically, CH 3 OCOOCH 2 CF 3 ,
CH 3 OCOOCH 2 CF 2 CF 3 , CH 3 OCOOCH
(CF 3 ) 2 , C 2 H 5 OCOOCH 2 CF 3 , C 2 H 5 OCO
OCH 2 CF 2 CF 3 , C 2 H 5 OCOOCH (CF 3 ) 2 ,
(CF 3) 2 CHOCOOCH (CF 3) 2, CF 3 CH 2 O
Chain fluorine-containing carbonate such as COOCH 2 CF 3 ;
【0019】[0019]
【化4】 [Chemical 4]
【0020】等の環状の含フッ素カーボネート、(CF
3)2CHOCH3、C4F9OCH3、CF3CFHCF2O
CH3、CF3CF 2CH2OCF2CF2H、HCF2CF2
OCH3、HCF2CF2OC2H5、CF3CH2OCH2C
F3、C3F7OCHFCF3 、(CF3)2CHOCH
2F、CF3CH2OC2H4OCH2CF3等の鎖状の含フ
ッ素エーテル、Cyclic fluorinated carbonates such as (CF
3)2CHOCH3, CFourF9OCH3, CF3CFHCF2O
CH3, CF3CF 2CH2OCF2CF2H, HCF2CF2
OCH3, HCF2CF2OC2HFive, CF3CH2OCH2C
F3, C3F7OCHFCF3 , (CF3)2CHOCH
2F, CF3CH2OC2HFourOCH2CF3Chain-like inclusions such as
Fluorine ether,
【0021】[0021]
【化5】 [Chemical 5]
【0022】等の環状の含フッ素エーテル、CF3CO
OC2H5、C4F9COOCH3、C3F7COOCH3、等
の含フッ素エステル、Cyclic fluorine-containing ether such as CF 3 CO
Fluorine-containing esters such as OC 2 H 5 , C 4 F 9 COOCH 3 and C 3 F 7 COOCH 3 ,
【0023】[0023]
【化6】 [Chemical 6]
【0024】等の含フッ素ラクトン、CF3CONHC
H2CH2CF3、C3F7CON(CH3)2、等の含フッ
素アミド、CH2FCN、CF3CHFCN、(CF2)4
(CN)2等の含フッ素ニトリル、等が利用できる。Fluorine-containing lactones such as CF 3 CONHC
Fluorine-containing amides such as H 2 CH 2 CF 3 , C 3 F 7 CON (CH 3 ) 2 and the like, CH 2 FCN, CF 3 CHFCN, (CF 2 ) 4
Fluorine-containing nitriles such as (CN) 2 can be used.
【0025】これらの含フッ素有機溶媒に対して、本発
明に用いられる電解質は、非常に高い溶解度を持つが、
フッ素含量の高い含フッ素有機溶媒は、一般に誘電率及
びドナー性が低いため、イオン解離を阻害することによ
り、電気化学的ディバイスに必要なイオン伝導度が低く
なるという問題点がある。そこで、本発明の電解液中に
電解質の解離促進剤として、誘電率1以上のヘテロ元素
を含有する有機化合物を添加する方法を採れば、伝導度
を向上させることが可能となる。この解離促進剤として
は、非プロトン性の有機化合物が好ましく、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、アミド類、またはスルホン類等が使用でき
る。また、単一の化合物だけでなく、二種類以上の混合
物でもよい。具体例としては、プロピレンカーボネー
ト、エチレンカーボネート、ジエチルカーボネート、ジ
メチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、ジメ
トキシエタン、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、ジ
オキサン、ニトロメタン、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、ポリエチレンオキシドを主鎖または側鎖に持つ
ポリマー、メタクリル酸エステルポリマー、ポリアクリ
ロニトリル等を挙げることができる。ただし、これらの
解離促進剤は、可燃性の物質であるため、添加量として
は電解液中に50vol%以下が好ましい。これらの誘
電率の高い解離促進剤を添加すると、一般的に使用され
ているLiPF6、LiBF4、LiCF3SO3、LiN
(CF3SO2)2、LiSbF6またはLiClO4等の電
解質も含フッ素有機溶媒中に溶解するように思われる
が、これらの電解質のない状態では混合可能な場合でも
これらの電解質を加えることにより、含フッ素有機溶媒
と解離促進剤が相分離するため、電解液として使用でき
ない。Although the electrolyte used in the present invention has a very high solubility in these fluorine-containing organic solvents,
Since a fluorine-containing organic solvent having a high fluorine content generally has a low dielectric constant and a donor property, there is a problem that the ion conductivity required for an electrochemical device is lowered by inhibiting ion dissociation. Therefore, if a method of adding an organic compound containing a hetero element having a dielectric constant of 1 or more to the electrolytic solution of the present invention as an electrolyte dissociation promoter, the conductivity can be improved. The dissociation promoter is preferably an aprotic organic compound, for example, carbonates, esters, ethers, lactones,
Nitriles, amides, sulfones and the like can be used. Further, not only a single compound but also a mixture of two or more kinds may be used. Specific examples include propylene carbonate, ethylene carbonate, diethyl carbonate, dimethyl carbonate, methyl ethyl carbonate, dimethoxyethane, acetonitrile, propionitrile, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, dioxane, nitromethane, N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide. , Sulfolane, γ-butyrolactone, polymers having polyethylene oxide in the main chain or side chain, methacrylic acid ester polymers, polyacrylonitrile and the like. However, since these dissociation promoters are flammable substances, the addition amount thereof is preferably 50 vol% or less in the electrolytic solution. Addition of these dissociation accelerators having a high dielectric constant makes LiPF 6 , LiBF 4 , LiCF 3 SO 3 and LiN commonly used.
Electrolytes such as (CF 3 SO 2 ) 2 , LiSbF 6 or LiClO 4 also seem to dissolve in the fluorine-containing organic solvent, but even if they can be mixed in the absence of these electrolytes, by adding these electrolytes However, since the fluorine-containing organic solvent and the dissociation promoter are phase-separated, they cannot be used as an electrolytic solution.
【0026】電解液中の電解質の濃度は、0.1mol
/dm3以上、飽和濃度以下が好ましく、より好ましく
は、0.5〜1.5mol/dm3である。0.1mo
l/dm3より濃度が低いとイオン伝導度が低いため好
ましくない。The concentration of the electrolyte in the electrolytic solution is 0.1 mol.
/ Dm 3 or more and a saturation concentration or less are preferable, and more preferably 0.5 to 1.5 mol / dm 3 . 0.1mo
If the concentration is lower than 1 / dm 3 , the ionic conductivity is low, which is not preferable.
【0027】本発明の電解液を用いて電気化学ディバイ
スを構成する場合、その基本構成要素としては、電解
液、負極、正極、集電体、セパレーターおよび容器等か
ら成る。When an electrochemical device is formed by using the electrolytic solution of the present invention, its basic constituent elements are an electrolytic solution, a negative electrode, a positive electrode, a current collector, a separator and a container.
【0028】負極材料としては、特に限定されないが、
リチウム電池の場合、リチウム金属やリチウムと他の金
属との合金が使用される。また、リチウムイオン電池の
場合、ポリマー、有機物、ピッチ等をを焼成して得られ
たカーボンや天然黒鉛、金属酸化物等のインターカレー
ションと呼ばれる現象を利用した材料が使用される。電
気二重層キャパシタの場合、活性炭、多孔質金属酸化
物、多孔質金属、導電性ポリマー等が用いられる。The negative electrode material is not particularly limited,
In the case of a lithium battery, lithium metal or an alloy of lithium and another metal is used. Further, in the case of a lithium ion battery, a material utilizing a phenomenon called intercalation such as carbon, natural graphite, metal oxide, etc. obtained by firing a polymer, an organic material, pitch, etc. is used. In the case of the electric double layer capacitor, activated carbon, porous metal oxide, porous metal, conductive polymer or the like is used.
【0029】正極材料としては、特に限定されないが、
リチウム電池及びリチウムイオン電池の場合、例えば、
LiCoO2、LiNiO2、LiMnO2、LiMn2O
4等のリチウム含有酸化物、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、お
よびポリピロール等の導電性高分子が使用される。電気
二重層キャパシタの場合、活性炭、多孔質金属酸化物、
多孔質金属、導電性ポリマー等が用いられる。The positive electrode material is not particularly limited,
In the case of a lithium battery and a lithium ion battery, for example,
LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMnO 2 , LiMn 2 O
Lithium-containing oxides such as 4 , TiO 2 , V 2 O 5 , MoO 3
And oxides such as TiS 2 and FeS, and conductive polymers such as polyacetylene, polyparaphenylene, polyaniline, and polypyrrole. In the case of electric double layer capacitors, activated carbon, porous metal oxide,
Porous metals, conductive polymers, etc. are used.
【0030】[0030]
【実施例】以下実施例により本発明を具体的に説明する
が、本発明はかかる実施例により限定されるものではな
い。EXAMPLES The present invention will be described in detail below with reference to examples, but the present invention is not limited to the examples.
【0031】実施例1
リチウムテトラキス(ヘキサフルオロイソプロポキシ)
アルミネートExample 1 Lithium tetrakis (hexafluoroisopropoxy)
Aluminate
【0032】[0032]
【化7】 [Chemical 7]
【0033】をジ(ヘキサフルオロイソプロピル)カー
ボネートDi (hexafluoroisopropyl) carbonate
【0034】[0034]
【化8】 [Chemical 8]
【0035】に溶解して、濃度1mol/dm3の電解
液を調製し、交流二極式セルによりイオン伝導度を測定
した。その結果、25℃でのイオン伝導度は、0.01
mS/cmであった。また、この電解液をろ紙にしみ込
ませ、炎をあてて燃焼試験を行ったが全く燃焼しなかっ
た。An electrolyte solution having a concentration of 1 mol / dm 3 was prepared by dissolving in, and the ionic conductivity was measured by an AC bipolar cell. As a result, the ionic conductivity at 25 ° C was 0.01
It was mS / cm. Further, a filter was impregnated with the electrolytic solution and a flame was applied to conduct a combustion test, but no combustion occurred.
【0036】実施例2
実施例1の電解液にプロピレンカーボネート(PC)と
ジメチルカーボネート(DMC)の1:1(体積)混合
物を電解液に対して20%添加し、得られた電解液のイ
オン伝導度を交流二極式セルにより測定した。その結
果、25℃でのイオン伝導度は、2.10mS/cmで
あった。また、この電解液をろ紙にしみ込ませ、炎をあ
てて燃焼試験を行ったが全く燃焼しなかった。Example 2 A 1: 1 (volume) mixture of propylene carbonate (PC) and dimethyl carbonate (DMC) was added to the electrolytic solution of Example 1 in an amount of 20% with respect to the electrolytic solution. Conductivity was measured with an AC bipolar cell. As a result, the ionic conductivity at 25 ° C. was 2.10 mS / cm. Further, a filter was impregnated with the electrolytic solution and a flame was applied to conduct a combustion test, but no combustion occurred.
【0037】次に、この電解液を用いてLiCoO2を
正極材料としてハーフセルを作製し、実際に電池の充放
電試験を実施した。試験用セルは以下のように作製し
た。重量割合で、LiCoO2粉末90に対し、バイン
ダーとしてポリフッ化ビニリデン(PVDF)を5の割
合、および導電材としてアセチレンブラックを5の割合
で混合し、さらにN,N−ジメチルホルムアミドを添加
し、ペースト状にした。このペーストをアルミニウム箔
上に塗布して、乾燥させることにより、試験用正極体と
した。負極にはリチウム金属を使用した。そして、グラ
スファイバーフィルターをセパレーターとしてこのセパ
レータに電解液を浸み込ませてセルを組み立てた。Next, using this electrolyte, a half cell was prepared using LiCoO 2 as a positive electrode material, and a battery charge / discharge test was actually carried out. The test cell was prepared as follows. In a weight ratio, to the LiCoO 2 powder 90, polyvinylidene fluoride (PVDF) as a binder was mixed at a ratio of 5 and acetylene black as a conductive material was mixed at a ratio of 5, and N, N-dimethylformamide was further added to form a paste. I made it. This paste was applied onto an aluminum foil and dried to obtain a test positive electrode body. Lithium metal was used for the negative electrode. Then, using the glass fiber filter as a separator, the electrolytic solution was impregnated into this separator to assemble a cell.
【0038】定電流充放電試験は、以下のような条件で
実施した。充電、放電ともに電流密度0.35mA/c
m2 で行い、充電は、4.2V、放電は、3.0V(v
s.Li/Li+ )まで行った。その結果、初回の放電
容量は、125mAh/g(正極の容量)であった。ま
た、20回充放電を繰り返したが20回目の容量は初回
の88%という結果が得られた。The constant current charge / discharge test was carried out under the following conditions. Current density 0.35 mA / c for both charging and discharging
It performed in m 2, charging, 4.2V, discharge, 3.0V (v
s. Li / Li + ). As a result, the initial discharge capacity was 125 mAh / g (positive electrode capacity). The charge and discharge was repeated 20 times, but the capacity of the 20th time was 88% of the initial capacity.
【0039】さらに、この電解液を用いて天然黒鉛を負
極材料としてハーフセルを作製し、実際に電池の充放電
試験を実施した。試験用セルは以下のように作製した。
重量割合で、天然黒鉛粉末9に対し、バインダーとして
ポリフッ化ビニリデン(PVDF)を1の割合で混合
し、さらにN,N−ジメチルホルムアミドを添加し、ス
ラリー状にした。このスラリーをニッケルメッシュ上に
塗布して、150℃で12時間乾燥させることにより、
試験用負極体とした。対極にはリチウム金属を使用し
た。そして、グラスファイバーフィルターをセパレータ
ーとしてこのセパレータに電解液を浸み込ませてハーフ
セルを組み立てた。次のような条件で定電流充放電試験
を実施した。充電、放電ともに電流密度0.3mA/c
m2 で行い、充電は0.0V、放電は1.5V(vs.
Li/Li+ )まで行った。その結果、初回の放電容量
は、320mAh/gであった。また、20回充放電を
繰り返したが20回目の容量は初回の95%という結果
が得られた。Further, using this electrolyte, a half cell was prepared using natural graphite as a negative electrode material, and a charge / discharge test of the battery was actually carried out. The test cell was prepared as follows.
Polyvinylidene fluoride (PVDF) as a binder was mixed at a weight ratio of 1 with natural graphite powder 9, and N, N-dimethylformamide was further added to form a slurry. By coating this slurry on a nickel mesh and drying at 150 ° C. for 12 hours,
It was used as a negative electrode for testing. Lithium metal was used for the counter electrode. Then, using the glass fiber filter as a separator, the electrolytic solution was impregnated into this separator to assemble a half cell. A constant current charge / discharge test was carried out under the following conditions. Current density of 0.3 mA / c for both charging and discharging
performed in m 2, the charge is 0.0V, discharge is 1.5V (vs.
Li / Li + ). As a result, the initial discharge capacity was 320 mAh / g. Further, the charging and discharging was repeated 20 times, but the 20th capacity was 95% of the initial capacity.
【0040】実施例3
リチウムテトラキス(ヘキサフルオロクミルアルコキ
シ)アルミネートExample 3 Lithium tetrakis (hexafluorocumylalkoxy) aluminate
【0041】[0041]
【化9】 [Chemical 9]
【0042】をヘキサフルオロベンゼンに溶解して、濃
度0.2mol/dm3の電解液を調製し、交流二極式
セルによりイオン伝導度を測定した。その結果、イオン
伝導度は、5μS/cmであった。Was dissolved in hexafluorobenzene to prepare an electrolytic solution having a concentration of 0.2 mol / dm 3 , and the ionic conductivity was measured by an AC bipolar cell. As a result, the ionic conductivity was 5 μS / cm.
【0043】この電解液に対して10%のエチレンカー
ボネートを添加したところ、そのイオン伝導度は0.4
mS/cmであった。また、この電解液をろ紙にしみ込
ませ、炎をあてて燃焼試験を行ったが全く燃焼しなかっ
た。When 10% of ethylene carbonate was added to this electrolytic solution, its ionic conductivity was 0.4.
It was mS / cm. Further, a filter was impregnated with the electrolytic solution and a flame was applied to conduct a combustion test, but no combustion occurred.
【0044】実施例4
リチウムテトラキス(ヘキサフルオロイソプロポキシ)
ボレートExample 4 Lithium tetrakis (hexafluoroisopropoxy)
Borate
【0045】[0045]
【化10】 [Chemical 10]
【0046】をジ(ヘキサフルオロイソプロピル)カー
ボネートに溶解して、濃度1mol/dm3の電解液を
調製し、交流二極式セルによりイオン伝導度を測定し
た。その結果、25℃でのイオン伝導度は、0.01m
S/cmであった。Was dissolved in di (hexafluoroisopropyl) carbonate to prepare an electrolytic solution having a concentration of 1 mol / dm 3 , and the ionic conductivity was measured by an AC bipolar cell. As a result, the ionic conductivity at 25 ° C was 0.01 m.
It was S / cm.
【0047】この電解液に対して10%のエチレンカー
ボネートを添加したところ、そのイオン伝導度は1.6
mS/cmであった。また、この電解液をろ紙にしみ込
ませ、炎をあてて燃焼試験を行ったが全く燃焼しなかっ
た。When 10% of ethylene carbonate was added to this electrolytic solution, its ionic conductivity was 1.6.
It was mS / cm. Further, a filter was impregnated with the electrolytic solution and a flame was applied to conduct a combustion test, but no combustion occurred.
【0048】実施例5
リチウムテトラキス(ヘキサフルオロイソプロポキシ)
アルミネートを2,2−ビス(トリフルオロメチル)−
1,3−ジオキソランExample 5 Lithium tetrakis (hexafluoroisopropoxy)
Aluminate is 2,2-bis (trifluoromethyl)-
1,3-dioxolane
【0049】[0049]
【化11】 [Chemical 11]
【0050】に溶解して、濃度0.5mol/dm3の
電解液を調製し、交流二極式セルによりイオン伝導度を
測定した。その結果、25℃でのイオン伝導度は、0.
02mS/cmであった。An electrolytic solution having a concentration of 0.5 mol / dm 3 was prepared by dissolving in, and the ionic conductivity was measured by an AC bipolar cell. As a result, the ionic conductivity at 25 ° C. was 0.
It was 02 mS / cm.
【0051】この電解液に対して10%の1,2−ジメ
トキシエタンを添加したところ、そのイオン伝導度は
5.4mS/cmであった。また、この電解液をろ紙に
しみ込ませ、炎をあてて燃焼試験を行ったが全く燃焼し
なかった。When 10% of 1,2-dimethoxyethane was added to this electrolytic solution, its ionic conductivity was 5.4 mS / cm. Further, a filter was impregnated with the electrolytic solution and a flame was applied to conduct a combustion test, but no combustion occurred.
【0052】実施例6
リチウムテトラキス(ヘキサフルオロイソプロポキシ)
アルミネートをメチルノナフルオロブチルエーテル(C
4F9OCH3)に溶解して、濃度0.2mol/dm3の
電解液を調製し、交流二極式セルによりイオン伝導度を
測定した。その結果、25℃でのイオン伝導度は、0.
01mS/cmであった。Example 6 Lithium tetrakis (hexafluoroisopropoxy)
Aluminate is converted to methyl nonafluorobutyl ether (C
4 F 9 OCH 3 ) to prepare an electrolytic solution having a concentration of 0.2 mol / dm 3 , and the ionic conductivity was measured by an AC bipolar cell. As a result, the ionic conductivity at 25 ° C. was 0.
It was 01 mS / cm.
【0053】この電解液に対して5%の1,2−ジメト
キシエタンを添加したところ、そのイオン伝導度は2.
5mS/cmであった。また、この電解液をろ紙にしみ
込ませ、炎をあてて燃焼試験を行ったが全く燃焼しなか
った。When 5% of 1,2-dimethoxyethane was added to this electrolytic solution, its ionic conductivity was 2.
It was 5 mS / cm. Further, a filter was impregnated with the electrolytic solution and a flame was applied to conduct a combustion test, but no combustion occurred.
【0054】比較例1
LiPF6をジ(ヘキサフルオロイソプロピル)カーボ
ネートに溶解させるために添加したが、全く溶解しなか
った。Comparative Example 1 LiPF 6 was added to dissolve in di (hexafluoroisopropyl) carbonate, but it did not dissolve at all.
【0055】次に、20%のプロピレンカーボネートを
含有するジ(ヘキサフルオロイソプロピル)カーボネー
トに濃度0.2mol/dm3になるようにLiPF6を
添加したところ、LiPF6は溶解したものの溶液が2
相分離した。それぞれの相を分析したところ、一方はジ
(ヘキサフルオロイソプロピル)カーボネートで、もう
一方はLiPF6/プロピレンカーボネート溶液であっ
た。Next, when LiPF 6 was added to di (hexafluoroisopropyl) carbonate containing 20% propylene carbonate to a concentration of 0.2 mol / dm 3 , LiPF 6 was dissolved but the solution was 2%.
The phases were separated. Analysis of each phase revealed that one was di (hexafluoroisopropyl) carbonate and the other was LiPF 6 / propylene carbonate solution.
【0056】比較例2
LiPF6、LiN(CF3SO2)2、LiBF4、Li
CF3SO3、LiSbF6およびLiClO4をそれぞ
れ、2,2−ビス(トリフルオロメチル)−1,3−ジ
オキソランに対する溶解テストを行った。その結果、ど
の電解質も全く溶解しなかった。Comparative Example 2 LiPF 6 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , LiBF 4 , Li
CF 3 SO 3 , LiSbF 6 and LiClO 4 were each subjected to a dissolution test in 2,2-bis (trifluoromethyl) -1,3-dioxolane. As a result, none of the electrolytes dissolved.
【0057】[0057]
【発明の効果】本発明の電解液は、難燃性の溶媒が使用
できるため、リチウム電池、リチウムイオン電池、電気
二重層キャパシタ等の電気化学ディバイス用として利用
される従来の電解液に比べ、安全性の面で非常に優れて
いる。EFFECTS OF THE INVENTION Since the electrolyte solution of the present invention can use a flame-retardant solvent, compared with the conventional electrolyte solutions used for electrochemical devices such as lithium batteries, lithium ion batteries and electric double layer capacitors, Very good in terms of safety.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開2001−85058(JP,A) 特開 平11−111332(JP,A) 特開 平8−301879(JP,A) 特開 平6−215775(JP,A) 特開 平8−287950(JP,A) 特開 平11−195429(JP,A) 特開 平8−138737(JP,A) 特開2001−106694(JP,A) 特開2001−6734(JP,A) 特開 平10−12272(JP,A) 特開 平9−251861(JP,A) 特開 平11−86901(JP,A) 特表2000−516930(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01M 10/40 H01G 9/038 H01M 6/16 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued Front Page (56) References JP 2001-85058 (JP, A) JP 11-111332 (JP, A) JP 8-301879 (JP, A) JP 6-215775 (JP, A) JP 8-287950 (JP, A) JP 11-195429 (JP, A) JP 8-138737 (JP, A) JP 2001-106694 (JP, A) JP 2001-6734 (JP, A) JP 10-12272 (JP, A) JP 9-251861 (JP, A) JP 11-86901 (JP, A) JP 2000-516930 (JP, A) ) (58) Fields surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) H01M 10/40 H01G 9/038 H01M 6/16
Claims (5)
スにおいて、有機電解液の主溶媒として含フッ素有機溶
媒を用い、かつ電解質がそのアニオン部分の配位子の少
なくとも一つがC−F結合を有するアート錯体からな
り、該アート錯体が、一般式(1)で示される化学構造
式よりなる化合物のうちの少なくとも一つからなること
を特徴とする電気化学ディバイス用電解液。 【化1】 Aq+は金属イオン、またはオニウムイオン、 Mは、遷移金属、周期律表の III族、IV族、またはV族
元素、 aは、0〜3、cは、0〜3(aまたはcの少なくとも
一方は0ではない、a+b=3、c+d=3)、 pは、r/q、 qは、1〜3、 rは、1〜3、 mは、1〜8、 nは、0〜8をそれぞれ表し、 X1は、O、S、NR5、またはNR5R6、 R1とR2は、それぞれ独立で、H、ハロゲン、C1〜C
10のアルキル、またはC1〜C10のハロゲン化アルキ
ル、 R3は、C1〜C10のアルキル、C1〜C10のハロゲン化
アルキル、C4〜C20のアリール、またはC4〜C20のハ
ロゲン化アリール、 R4は、ハロゲン、C1〜C10のアルキル、C1〜C10の
ハロゲン化アルキル、C4〜C20のアリール、C4〜C20
のハロゲン化アリール、またはX2R7、 X2は、O、S、NR5、またはNR5R6、 R5、R6は、H、またはC1〜C10のアルキル、 R7は、C1〜C10のアルキル、C1〜C10のハロゲン化
アルキル、C4〜C20のアリール、またはC4〜C20のハ
ロゲン化アリールをそれぞれ表す。1. An electrochemical device using an organic electrolytic solution, wherein a fluorine-containing organic solvent is used as a main solvent of the organic electrolytic solution, and the electrolyte has a C—F bond in at least one of its anion ligands. An electrolytic solution for an electrochemical device, comprising an art complex, wherein the art complex comprises at least one compound having a chemical structural formula represented by the general formula (1). [Chemical 1] A q + is a metal ion or an onium ion, M is a transition metal, Group III, IV, or V group element of the periodic table, a is 0 to 3, c is 0 to 3 (at least a or c) One is not 0, a + b = 3, c + d = 3), p is r / q, q is 1 to 3, r is 1 to 3, m is 1 to 8, and n is 0 to 8. X 1 is O, S, NR 5 , or NR 5 R 6 , R 1 and R 2 are each independently H, halogen, C 1 -C
10 alkyl, or C 1 -C 10 halogenated alkyl, R 3 is C 1 -C 10 alkyl, C 1 -C 10 halogenated alkyl, C 4 -C 20 aryl, or C 4 -C 20 aryl halides, R 4 is halogen, C 1 -C 10 alkyl, C 1 -C 10 alkyl halide, C 4 -C 20 aryl, C 4 -C 20
Or a halogenated aryl of X 2 R 7 , X 2 is O, S, NR 5 , or NR 5 R 6 , R 5 , R 6 is H, or C 1 -C 10 alkyl, R 7 is It represents alkyl of C 1 -C 10, alkyl halide C 1 -C 10, of C 4 -C 20 aryl, or C 4 -C 20 in the aryl halide, respectively.
r、Ge、Sn、Cu、Y、Zn、Ga、Nb、Ta、
Bi、P、As、Sc、Hf、またはSbのいずれかで
あることを特徴とする請求項1に記載の電気化学ディバ
イス用電解液。2. M is Al, B, V, Ti, Si, Z
r, Ge, Sn, Cu, Y, Zn, Ga, Nb, Ta,
The electrolytic solution for an electrochemical device according to claim 1, wherein the electrolytic solution is Bi, P, As, Sc, Hf, or Sb.
ニウムイオンのいずれかであることを特徴とする請求項
1に記載の電気化学ディバイス用電解液。3. The electrolytic solution for an electrochemical device according to claim 1, wherein A q + is either a Li ion or a quaternary ammonium ion.
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、アミド類、またはスルホン類のうちの
少なくとも一つからなることを特徴とする請求項1〜請
求項3のいずれかに記載の電気化学ディバイス用電解
液。4. The fluorine-containing organic solvent comprises at least one of fluorine-containing carbonates, esters, ethers, lactones, nitriles, amides, and sulfones. The electrolytic solution for an electrochemical device according to any one of claims 1 to 3.
て、誘電率1以上のヘテロ元素を含有する有機化合物を
含有したことを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれ
かに記載の電気化学ディバイス用電解液。5. The electricity according to claim 1, wherein the organic electrolytic solution contains an organic compound containing a hetero element having a dielectric constant of 1 or more as an electrolyte dissociation promoter. Electrolyte for chemical devices.
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