JP5340860B2 - 電解液用添加剤 - Google Patents
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また、特許文献3においては、リチウム二次電池の貯蔵安定性を向上させることを意図して、無置換クラウンエーテル等を電解液に添加剤として添加することが提案されている。しかしながら、前記添加剤は溶媒和によって充電状態での保存安定性は向上するものの、負極保護膜を形成することはできないため、充放電の繰り返しに伴う電解液の分解を十分に防ぐことはできず、充放電サイクル特性が低いという問題点を有する。
炭素数1〜3のアルキレン基としては、メチレン基、エチレン基、1,2−プロピレン基及び1,3−プロピレン基が挙げられる。これらのうち、電解液との相溶性の観点から好ましいのは、メチレン基及びエチレン基である。
炭素数が1〜4のアルキル基としては、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、t−ブチル基が挙げられる。
ハロゲン原子としては、フッ素原子、塩素原子、臭素原子及びヨウ素原子が挙げられる。
フルオロアルキル基としては、メチル基又はエチル基上の水素原子の1〜5個をフッ素原子に置換したものが挙げられ、例えば、フルオロメチル基、ジフルオロメチル基、トリフルオロメチル基、フルオロエチル基、ジフルオロエチル基、トリフルオロエチル基、テトラフルオロエチル基及びペンタフルオロエチル基が挙げられる。
アルコキシ基としては、炭素数1〜3のアルコキシ基が挙げられ、例えば、メトキシ基、エトキシ基、n−プロポキシ基及びイソプロポキシ基が挙げられる。
アルコキシカルボニル基としては、アルコキシ基の炭素数が1〜3のものが挙げられ、例えば、メトキシカルボニル基、エトキシカルボニル基、n―プロポキシカルボニル基及びイソプロポキシカルボニル基等が挙げられる。
(1)Q1=水素原子、Q2=水素原子、Q3=フェニル基
(2)Q1=水素原子、Q2=水素原子、Q3=アルコキシカルボニル基
(3)Q1=フェニル基、Q2=水素原子、Q3=フェニル基
(4)Q1=フェニル基、Q2=水素原子、Q3=アルコキシカルボニル基
(5)Q1=アルコキシカルボニル基、Q2=水素原子、Q3=フェニル基
(6)Q1=アルコキシカルボニル基、Q2=水素原子、Q3=アルコキシカルボニル基
これらの組み合わせのうち、更に好ましいのは(2)の組み合わせである。
Q5、Q6及びQ7のうち、充放電サイクル特性の観点から好ましいのは、水素原子、炭素数が1〜4のアルキル基及びハロゲン原子であり、更に好ましいのは、水素原子及び炭素数1〜4のアルキル基である。
(1)Q4=水素原子、Q5=水素原子、Q6=水素原子、Q7=水素原子
(2)Q4=フッ素原子、Q5=水素原子、Q6=水素原子、Q7=水素原子
(3)Q4=塩素原子、Q5=水素原子、Q6=水素原子、Q7=水素原子
(4)Q4=水素原子、Q5=水素原子、Q6=メチル基、Q7=水素原子
(5)Q4=フッ素原子、Q5=水素原子、Q6=メチル基、Q7=水素原子
(6)Q4=塩素原子、Q5=水素原子、Q6=メチル基、Q7=水素原子
(7)Q4=水素原子、Q5=水素原子、Q6=水素原子、Q7=メチル基
(8)Q4=フッ素原子、Q5=水素原子、Q6=水素原子、Q7=メチル基
(9)Q4=塩素原子、Q5=水素原子、Q6=水素原子、Q7=メチル基
(10)Q4=水素原子、Q5=水素原子、Q6=メチル基、Q7=メチル基
(11)Q4=フッ素原子、Q5=水素原子、Q6=メチル基、Q7=メチル基
(12)Q4=塩素原子、Q5=水素原子、Q6=メチル基、Q7=メチル基
これらの組み合わせのうち、更に好ましいのは(1)の組み合わせである。
R3−O−(CH2CH2O)n−R4 (4)
式中、R3及びR4はそれぞれ独立して炭素数1〜5のアルキル基;nは1〜10の数である。炭素数が1〜5のアルキル基としては、一般式(3)におけるR1及びR2と同様のものが挙げられる。R3及びR4のうち、電池出力の観点から好ましいのはメチル基である。nは、電解液粘度の観点から好ましいのは1又は2である。
(1):炭素数1〜5の1価アルコールを加圧反応容器に仕込み、無触媒又は触媒の存在下にエチレンオキサイドを吹き込み、常圧又は加圧下に1段階又は多段階でエチレンオキサイドの付加反応を行う。
(2):(1)で得られた炭素数1〜5の1価アルコールのエチレンオキサイド付加物の水酸基をエーテル化剤でエーテル化する。
炭素数1〜5の1価アルコールとエチレンオキサイドの付加反応の触媒としては、アルカリ触媒[例えばアルカリ金属(リチウム、ナトリウム、カリウム及びセシウム等)]の水酸化物、酸[過ハロゲン酸(過塩素酸、過臭素酸及び過ヨウ素酸等)、硫酸、燐酸及び硝酸等(好ましいのは過塩素酸)]及びこれらの塩[好ましいのは2価又は3価の金属(Mg、Ca、Sr、Ba、Zn、Co、Ni、Cu及びAl等)の塩]が挙げられる。反応温度は通常50〜150℃であり、反応時間は通常2〜20時間である。エチレンオキサイドの付加反応終了後は、必要により触媒を中和し、吸着剤で処理して触媒を除去・精製することができる。
炭素数1〜5の1価アルコールのエチレンオキサイド付加物のエーテル化反応の触媒としては、アルカリ触媒[例えばアルカリ金属(リチウム、ナトリウム、カリウム及びセシウム等)]の水酸化物等が挙げられる。エーテル化剤としては、炭素数1〜5の塩化アルキル又は臭化アルキルが挙げられ、例えば、塩化メチル、臭化メチル、塩化エチル、臭化エチル、塩化n−プロピル、臭化n−プロピル、塩化イソプロピル、臭化イソプロピル、塩化n−ブチル、臭化n−ブチル、塩化イソブチル、臭化イソブチル、塩化t−ブチル、臭化t−ブチル、塩化n−ペンチル、臭化n−ペンチル 、塩化イソペンチル、臭化イソペンチル、塩化2,2−ジメチルプロピル及び臭化2,2−ジメチルプロピル等が挙げられる。反応温度は通常50〜100℃であり、反応時間は通常6〜24時間である。炭素数1〜5の1価アルコールのエチレンオキサイド付加物に対するエーテル化剤の当量比は1〜2が好ましい。またエーテル化反応には、必要により、トルエン、ベンゼン等の溶剤を使用することができる。反応終了後は未反応のエーテル化剤及び溶剤を減圧下で溜去し、触媒を中和し、吸着剤で処理して触媒を除去・精製することができる。
(A)は、充放電サイクル特性及び電池容量の観点から好ましいのは0.1〜100重量%であり、更に好ましいのは0.8〜8.7重量%である。(B)は、電池出力の観点から好ましいのは0〜97重量%であり、更に好ましいのは17.9〜82.3重量%である。(C)は、電池容量、電池出力及び充放電サイクル特性の観点から好ましいのは0〜90重量%であり、更に好ましいのは15.9〜71.4重量%である。(D)は、電池容量、電池出力及び充放電サイクル特性の観点から好ましいのは0〜50重量%であり、更に好ましいのは0.4〜4.3重量部である。
正極の作製;
LiCoO2粉末9.0部、ケチェンブラック[アルドリッチ社製]0.5部及びポリフッ化ビニリデン[アルドリッチ社製]0.5部を乳鉢で十分に混合した後、1−メチル−2−ピロリドン[東京化成工業(株)製]7.0部を添加し、更に乳鉢で十分に混合してスラリーを得た。得られたスラリーを、大気中でワイヤーバーを用いて厚さ20μmのアルミニウム電解箔上の片面に塗布し、100℃で15分間乾燥させた後、更に減圧下(10mmHg)、80℃で5分間乾燥して、15.95mmφに打ち抜き、膜厚30μmの正極を作製した。
負極の作製;
平均粒径約8〜12μmの黒鉛粉末92.5部、ポリフッ化ビニリデン7.5部及びN−メチルピロリドン[東京化成工業(株)製]200部を乳鉢で十分に混合しスラリーを得た。得られたスラリーを、厚さ20μmの銅箔の片面に塗布し、100℃で15分間乾燥して溶媒を蒸発させた後、16.15mmφに打ち抜き、プレス機で厚さ30μmにして負極を作製した。
二次電池用セルの作製;
2032型コインセル内の両端に、製造例1及び2で得られた正極及び負極を、それぞれの塗布面が向き合うように配置して二次電池用セルを作製した。
攪拌器、温度計及び冷却管を取り付けたフラスコに、4−アザ−15−クラウン−5−エーテル[東京化成工業(株)製]1.2部(5.6mmol)、4−ブロモ−2−ブテン酸メチルエステル[東京化成工業(株)製]1部(5.6mmol)及びアセトニトリル10部を仕込み、攪拌しながら均一に溶解させた後、攪拌下室温で24時間反応させた。アセトニトリルを減圧(10mmHg)によって除去後、アセトンを溶剤としたアルミナカラム(150mesh、Brockman1,standard grade、アルドリッチ社製)によって反応物を精製し、N−(2−ブテン酸メチル)−4−アザ−15−クラウン−5−エーテル(A−1)1.4部(4.4mmol)を得た(収率79%)。
4−アザ−15−クラウン−5−エーテル1.2部の代わりに4,10−ジアザ−15−クラウン−5−エーテル[東京化成工業(株)製]0.61部(2.8mmol)を使用したこと以外は実施例1と同様にして、N,N−ジ−(2−ブテン酸メチル)−4,10−ジアザ−15−クラウン−5−エーテル(A−2)0.85部(2.0mmol)を得た(収率71%)。
4−アザ−15−クラウン−5−エーテル1.2部の代わりに4−アザ−12−クラウン−4−エーテル[東京化成工業(株)製]0.98部(5.6mmol)を使用したこと以外は実施例1と同様にして、N−(2−ブテン酸メチル)−4−アザ−12−クラウン−4−エーテル(A−3)1.3部(4.7mmol)を得た(収率84%)。
4−アザ−15−クラウン−5−エーテル1.2部の代わりに4,10−ジアザ−12−クラウン−4−エーテル[東京化成工業(株)製]0.49部(2.8mmol)を使用したこと以外は実施例1と同様にして、N,N−ジ−(2−ブテン酸メチル)−4,10−ジアザ−12−クラウン−4−エーテル(A−4)0.65部(1.8mmol)を得た(収率64%)。
4−ブロモ−2−ブテン酸メチルエステル1部の代わりにアクリル酸−2−クロロエチルエステル[東京化成工業(株)製]0.76部(5.6mmol)を使用したこと以外は実施例2と同様にして、N,N−ジ−(1−アクリロイルオキシエチル)−4,10−ジアザ−15−クラウン−5−エーテル(A−5)0.60部(1.9mmol)を得た(収率68%)。
電解液用添加剤の調整;
表1及び表2に記載した電解液用添加剤の各原料を配合して電解液用添加剤(実施例1〜19)を作製した。なお、表1及び表2に記載の各原料は、以下のものを使用した。
(A−6):4−アザ−15−クラウン−5−エーテル
(B−1):ジメトキシエタン(ドナー数=24)
(B−2):ジエチレングリコールジエチルエーテル(ドナー数=22)
(B−3):トリエチレングリコールジエチルエーテル(ドナー数=25)
(B−4):デカエチレングリコールジペンチルエーテル(ドナー数=25)
(B−5):ジメチルスルホキシド(ドナー数=30)
(B−6):ジブチルスルホキシド(ドナー数=27)
(C−1):ビニレンカーボネート
(C−2):ジn−プロピルビニレンカーボネート
(C−3):ビニルエチレンカーボネート
(C−4):ジビニルカーボネート
(D−1):1,4−ブタンジオールジビニルエーテル
(D−2):ジエチレングリコールジビニルエーテル
(D−3):1,4−ビス(ビニロキシメチル)シクロヘキサン
電解液の調整;
エチレンカーボネート:ジエチルカーボネート=1:1(重量比)混合溶媒に、電解質としてLiPF6を1mol/Lの濃度になるように溶解し、電解質溶液を調整した。得られた電解質溶液に、実施例1〜19で得られた(X−1)〜(X−19)をそれぞれ表3及び表4に示した添加量になるように加え、均一透明になるまで攪拌し、実施例20〜40の電解液を調整した。
前記電解質溶液をそのまま用いて(電解液用添加剤を加えないで)、比較例1の電解液とした。
前記電解質溶液97部に、ビニレンカーボネート(VC)3部を加え、均一透明になるまで攪拌し、比較例2の電解液を調整した。
前記電解質溶液97部に、15−クラウン−5エーテル(以下、QEと略記する。)3部を加え、均一透明になるまで攪拌し、比較例3の電解液を調整した。
充放電測定装置「バッテリーアナライザー1470型」[東陽テクニカ(株)製]を用いて、SOC(State of charge、満充電状態における容量と所定時点における容量との比)が60%になるように充電を行った後、一定電流で放電し、10秒後の電圧を読み取る。この操作をいくつかの電流値で行い、横軸に電流値、縦軸に10秒後の電圧値をプロットして近似直線を作成し、近似直線が3Vと交差する際の電流値(I3.0Vと表記する)を読み取り、下記式から電池出力を算出する。
電池出力(W)=I3.0V×3.0
<充放電サイクル特性の評価>
充放電測定装置「バッテリーアナライザー1470型」[東陽テクニカ(株)製]を用いて、0.2mA/cm2の電流で電圧0Vから2Vまで充電し、10分間の休止後、0.2mA/cm2の電流で電池電圧を0Vまで放電し、この充放電を繰り返した。この時の初回充電時の電池容量と50サイクル目充電時の電池容量を測定し、下記式から充放電サイクル特性を算出する。数値が大きい程、充放電サイクル特性が良好であることを示す。
充放電サイクル特性(%)=(50サイクル目充電時の電池容量/初回充電時の電池容量)×100
Claims (12)
- アザクラウンエーテル化合物(A)を含有してなり、前記アザクラウンエーテル化合物(A)が、アザクラウンエーテル環における窒素原子の1個以上が、重合性不飽和結合を有する有機基(a)と結合した構造を有する化合物であるリチウムイオン二次電池の電解液用添加剤。
- 更に、電解質解離促進剤(B)を含有してなる請求項1に記載のリチウムイオン二次電池の電解液用添加剤。
- 更に、重合性不飽和結合を有するカーボネート化合物(C)を含有してなる請求項1または2記載のリチウムイオン二次電池の電解液用添加剤。
- 更に、ビニルエーテル基又はプロペニルエーテル基を有する化合物(D)を含有してなる請求項1〜3いずれか記載のリチウムイオン二次電池の電解液用添加剤。
- 前記有機基(a)が、一般式(1)で示される基、一般式(2)で示される基又は(メタ)アクリロイルオキシアルキル基である請求項1〜4いずれか記載のリチウムイオン二次電池の電解液用添加剤。
- 前記アザクラウンエーテル化合物(A)のアザクラウンエーテル骨格が、アザ−12−クラウン−4−エーテル、アザ−14−クラウン−4−エーテル、アザ−15−クラウン−5−エーテル及びアザ−18−クラウン−6−エーテルからなる群から選ばれた少なくとも1種である請求項1〜5いずれか記載のリチウムイオン二次電池の電解液用添加剤。
- 前記電解質解離促進剤(B)が、ドナー数が16〜40であるスルホキシド化合物及び/又はドナー数が16〜40であるエーテル化合物である請求項2記載のリチウムイオン二次電池の電解液用添加剤。
- 前記スルホキシド化合物が、一般式(3)で表されるスルホキシド化合物である請求項7記載のリチウムイオン二次電池の電解液用添加剤。
- 前記エーテル化合物が、一般式(4)で表されるエーテル化合物である請求項7記載のリチウムイオン二次電池の電解液用添加剤。
R3−O−(CH2CH2O)n−R4 (4)
(式中、R3及びR4はそれぞれ独立して炭素数1〜5のアルキル基;nは1〜10の数である。) - 前記カーボネート化合物(C)が、一般式(5)で示される化合物及び/又は一般式(6)で示される化合物である請求項3記載のリチウムイオン二次電池の電解液用添加剤。
- 前記化合物(D)が、ビニルエーテル基若しくはプロペニルエーテル基を1つ以上有するシクロヘキサン誘導体、一般式(7)で示される化合物又は一般式(8)で示される化合物である請求項4記載のリチウムイオン二次電池の電解液用添加剤。
- 非水溶媒、電解質、及び請求項1〜11いずれか記載のリチウムイオン二次電池の電解液用添加剤を含有してなるリチウムイオン二次電池の電解液。
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