JP5484078B2 - Nonaqueous electrolyte containing fluorine-containing phosphoric ester amide - Google Patents

Nonaqueous electrolyte containing fluorine-containing phosphoric ester amide Download PDF

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Description

本発明は、含フッ素リン酸エステルアミドを含む非水電解液に関する。より詳細には、非水電解液として難燃性に優れ、また電池特性にも優れた含フッ素リン酸エステルアミドを含む非水系電解液に関する。   The present invention relates to a nonaqueous electrolytic solution containing a fluorine-containing phosphoric ester amide. More specifically, the present invention relates to a nonaqueous electrolytic solution containing a fluorine-containing phosphoric ester amide that is excellent in flame retardancy and battery characteristics as a nonaqueous electrolytic solution.

非水系二次電池は、高出力密度、高エネルギー密度を有し、携帯電話、パーソナルコンピューター等の電源として汎用されている。また、近年は、二酸化炭素排出量の少ないクリーンなエネルギーとして、電力貯蔵用電源、電気自動車用電源として、盛んに研究されている。   Non-aqueous secondary batteries have high output density and high energy density, and are widely used as power sources for mobile phones, personal computers, and the like. In recent years, as a clean energy with low carbon dioxide emission, it has been actively researched as a power storage power source and a power source for electric vehicles.

非水系二次電池にはリチウム二次電池、リチウムイオン二次電池、マグネシウム二次電池、マグネシウムイオン二次電池等があげられるが、ここでは特に、リチウム二次電池、リチウムイオン二次電池について説明する。リチウム二次電池またはリチウムイオン二次電池は一般に、正極にリチウム含有遷移金属酸化物を主要成分とする材料が用いられる。負極には金属リチウム、リチウム合金、もしくは、グラファイトに代表される炭素質材料を主要構成成分とする材料が用いられる。一般に、負極に金属リチウムもしくはリチウム合金が用いられる場合はリチウム二次電池、炭素質材料が用いられる場合はリチウムイオン二次電池と称される。正極、負極間には、セパレータが設けられ、Liイオンが移動する媒体として、非水系電解液が満たされる。この非水系電解液は、六フッ化リン酸リチウム( LiPF)等の電解質をエチレンカーボネートやジメチルカーボネート等の高誘電率の有機溶媒に溶解したものが広く用いられている。
非水系二次電池に用いられる有機溶媒は、揮発性、引火性を有しており、引火性物質に分類される溶媒である。このため、特に電力貯蔵用電源や電気自動車用電源等の大型の非水系二次電池の用途には、引火のおそれがない非水系電解液が望まれている。そのため難燃性もしくは自己消火性を有する非水系電解液を用いる技術が注目されている。
Non-aqueous secondary batteries include lithium secondary batteries, lithium ion secondary batteries, magnesium secondary batteries, magnesium ion secondary batteries, etc., but here, in particular, lithium secondary batteries and lithium ion secondary batteries are described. To do. In general, a lithium secondary battery or a lithium ion secondary battery uses a material whose main component is a lithium-containing transition metal oxide for a positive electrode. For the negative electrode, a material mainly composed of metallic lithium, lithium alloy, or a carbonaceous material typified by graphite is used. In general, when metallic lithium or a lithium alloy is used for the negative electrode, it is called a lithium secondary battery, and when a carbonaceous material is used, it is called a lithium ion secondary battery. A separator is provided between the positive electrode and the negative electrode, and a non-aqueous electrolyte is filled as a medium in which Li ions move. As this nonaqueous electrolytic solution, a solution obtained by dissolving an electrolyte such as lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) in an organic solvent having a high dielectric constant such as ethylene carbonate or dimethyl carbonate is widely used.
Organic solvents used for non-aqueous secondary batteries are volatile and flammable, and are classified as flammable substances. For this reason, a non-aqueous electrolyte solution that is free from the risk of ignition is desired particularly for applications of large non-aqueous secondary batteries such as power storage power sources and electric vehicle power sources. For this reason, a technique using a non-aqueous electrolyte having flame retardancy or self-extinguishing properties has attracted attention.

このような非水系電解液の難燃化の方法として、樹脂材料の難燃剤として知られているリン酸エステル類の添加が検討されている(特許文献1、2)。特に、エステル側鎖にフッ素原子を有する含フッ素リン酸エステル類は、高度な難燃性を有することが知られており、電池の難燃化において、有望な材料である(非特許文献1、特許文献3、特許文献4、特許文献5)。   Addition of phosphoric acid esters known as flame retardants for resin materials has been studied as a method for making such non-aqueous electrolytes flame retardant (Patent Documents 1 and 2). In particular, fluorine-containing phosphates having a fluorine atom in the ester side chain are known to have a high degree of flame retardancy, and are promising materials for making a battery flame-retardant (Non-Patent Document 1, Patent Document 3, Patent Document 4, Patent Document 5).

非水系二次電池は、安全性のみならず、高い電池性能を発揮することが要求される。しかしながら、特許文献3、特許文献4、特許文献5に示されるようなリン酸エステルは、高率放電容量が低下する等の電池性能に問題がある。結局、いずれの含フッ素リン酸エステルを含む電池も、電池性能において十分な特性が得られていないのが現状である。   Non-aqueous secondary batteries are required to exhibit not only safety but also high battery performance. However, phosphate esters such as those disclosed in Patent Document 3, Patent Document 4, and Patent Document 5 have problems in battery performance such as a high rate discharge capacity. After all, the battery containing any fluorine-containing phosphate ester does not have sufficient characteristics in battery performance.

特開平8−22839号公報JP-A-8-22839 特開平11−260401号公報JP-A-11-260401 特開2007−258067号公報JP 2007-258067 A 特開2007−141760号公報JP 2007-141760 A 特開2008−21560号公報JP 2008-21560 A

J.Electrochem.Soc.,150,A161(2003)J. et al. Electrochem. Soc. , 150, A161 (2003)

本発明はこれらの課題に鑑みてなされたものである。即ち、非水系二次電池用の電解液に関して、高度な難燃性を示し、高率充放電特性等の電池性能が高性能である非水系電解液を提供することを目的とした。   The present invention has been made in view of these problems. That is, an object of the present invention is to provide a non-aqueous electrolyte solution that exhibits high flame retardancy and high battery performance such as high rate charge / discharge characteristics with respect to the electrolyte solution for non-aqueous secondary batteries.

本発明者らは、電解液に含フッ素リン酸エステルアミドを添加することにより、高度な難燃性を示し、驚くべきことに高率充放電特性等の電池性能においても高性能を示す非水系電解液を見出し、本発明を完成させたものである。即ち、本発明は下記を要旨とするものである。   By adding a fluorine-containing phosphoric ester amide to the electrolytic solution, the present inventors show a high degree of flame retardancy, and surprisingly a non-aqueous system that exhibits high performance in battery performance such as high rate charge / discharge characteristics. The present inventors have found an electrolytic solution and completed the present invention. That is, the present invention has the following gist.

一般式(1)   General formula (1)

Figure 0005484078
Figure 0005484078

(式中、R1、R2は炭素数1〜5のアルキル基又は含フッ素アルキル基を表す。また、R1とR2は結合して環を構成してもよい。また式中、R3、R4は炭素数1〜5のアルキル基又は含フッ素アルキル基を表し、R3とR4は結合して環を構成してもよい。)
で表され、R3、R4、のうち少なくとも1つは含フッ素アルキル基である含フッ素リン酸エステルアミドを含む非水電解液に関するものである。
(In the formula, R 1 and R 2 represent an alkyl group having 1 to 5 carbon atoms or a fluorine-containing alkyl group. R 1 and R 2 may combine to form a ring. 3 and R 4 each represents an alkyl group having 1 to 5 carbon atoms or a fluorine-containing alkyl group, and R 3 and R 4 may combine to form a ring.)
And at least one of R 3 and R 4 relates to a nonaqueous electrolytic solution containing a fluorine-containing phosphoric ester amide which is a fluorine-containing alkyl group.

本発明によれば、高度な難燃性と高性能な電池特性を発揮する、非水系二次電池電解液および非水系二次電池が提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the non-aqueous secondary battery electrolyte solution and non-aqueous secondary battery which exhibit a high flame retardance and a high performance battery characteristic can be provided.

実施例及び比較例で使用した非水系二次電池の模式断面図である。It is a schematic cross section of the non-aqueous secondary battery used by the Example and the comparative example.

以下にさらに詳細に本発明を説明する。   The present invention is described in further detail below.

本発明における非水系二次電池に添加される含フッ素リン酸エステルアミドは、前記一般式(1)で表される。   The fluorine-containing phosphoric ester amide added to the non-aqueous secondary battery in the present invention is represented by the general formula (1).

一般式(1)において、R1、R2は炭素数1〜5のアルキル基もしくは含フッ素アルキル基であり、R1とR2は結合して環を構成してもよい。R1、R2は、例えばメチル基、エチル基、n-プロピル基、i-プロピル基、トリフルオロメチル基、2,2,2−トリフルオロエチル基、2,2−ジフルオロエチル基、2,2,3,3−テトラフルオロプロピル基、2,2,3,3,3−ペンタフルオロプロピル基等であり、特にはメチル基、エチル基、トリフルオロメチル基が好ましい。またR1、R2は同一であっても、異なっても良い。
R3、R4は炭素数1〜5のアルキル基もしくは含フッ素アルキル基であり、R3とR4が結合して環を構成してもよい。R3、R4は例えば、メチル基、エチル基、n-プロピル基、i-プロピル基、2,2−ジフルオロエチル基、2,2,2−トリフルオロエチル基、2,2,3,3−テトラフルオロプロピル基、2,2,3,3,3−ペンタフルオロプロピル基等であり、特には2,2−ジフルオロエチル基、2,2,2−トリフルオロエチル基、2,2,3,3−テトラフルオロプロピル基、2,2,3,3,3−ペンタフルオロプロピル基のいずれかであることが好ましい。またR3、R4は同一であっても、異なっても良い。
In the general formula (1), R 1, R 2 is an alkyl group or a fluorinated alkyl group of 1 to 5 carbon atoms, R 1 and R 2 may constitute a ring. R 1 and R 2 are, for example, methyl group, ethyl group, n-propyl group, i-propyl group, trifluoromethyl group, 2,2,2-trifluoroethyl group, 2,2-difluoroethyl group, 2, 2,3,3-tetrafluoropropyl group, 2,2,3,3,3-pentafluoropropyl group and the like, and particularly preferred are methyl group, ethyl group and trifluoromethyl group. R 1 and R 2 may be the same or different.
R 3 and R 4 are an alkyl group having 1 to 5 carbon atoms or a fluorine-containing alkyl group, and R 3 and R 4 may be bonded to form a ring. R 3 and R 4 are, for example, methyl group, ethyl group, n-propyl group, i-propyl group, 2,2-difluoroethyl group, 2,2,2-trifluoroethyl group, 2,2,3,3 -Tetrafluoropropyl group, 2,2,3,3,3-pentafluoropropyl group, etc., especially 2,2-difluoroethyl group, 2,2,2-trifluoroethyl group, 2,2,3 , 3-tetrafluoropropyl group or 2,2,3,3,3-pentafluoropropyl group is preferable. R 3 and R 4 may be the same or different.

このような含フッ素リン酸エステルアミドとして例えば、リン酸ビス(2,2,2−トリフルオロエチル)ジメチルアミド、リン酸ビス(2,2,2−トリフルオロエチル)メチルエチルアミド、リン酸ビス(2,2,2−トリフルオロエチル)ビス(2,2,2−トリフルオロメチル)アミド、リン酸ビス(2,2,2−トリフルオロエチル)ジエチルアミド、リン酸エチル(2,2,2−トリフルオロエチル)ジメチルアミド、リン酸エチル(2,2,2−トリフルオロエチル)ジエチルアミド、リン酸ビス(2,2−ジフルオロエチル)ジメチルアミド、リン酸ビス(2,2−ジフルオロエチル)メチルエチルアミド、リン酸ビス(2,2−ジフルオロエチル)ビス(2,2,2−トリフルオロメチル)アミド、リン酸ビス(2,2−ジフルオロエチル)ジエチルアミド、リン酸エチル(2,2−ジフルオロエチル)ジメチルアミド、リン酸エチル(2,2−ジフルオロエチル)ジエチルアミド、リン酸エチル(2,2,2−トリフルオロエチル)ジエチルアミド、リン酸(2,2−ジフルオロエチル)(2,2,2−トリフルオロエチル)ジメチルアミド、リン酸(2,2−ジフルオロエチル)(2,2,2−トリフルオロエチル)ジエチルアミド、リン酸ビス(2,2,3,3−テトラフルオロプロピル)ジメチルアミド、リン酸ビス(2,2,3,3−テトラフルオロプロピル)ジエチルアミド、リン酸ビス(2,2,3,3,3−ペンタフルオロプロピル)ジエメチルアミド、リン酸ビス(2,2,3,3,3−ペンタフルオロプロピル)ジエチルアミド、リン酸(2,2,3,3−テトラフルオロプロピル)(2,2,2−トリフルオロエチル)ジメチルアミド、リン酸(2,2,3,3−テトラフルオロプロピル)(2,2,2−トリフルオロエチル)ジエチルアミド等を挙げることができる。これら含フッ素リン酸エステルアミドのうち、特に一般式(1)において、R1及びR2が各々、メチル基もしくはエチル基であり、R3及びR4が各々2,2−ジフルオロエチル基、2,2,2−トリフルオロエチル基、2,2,3,3−テトラフルオロプロピル基、もしくは2,2,3,3,3−ペンタフルオロプロピル基であるリン酸エステルアミドが好ましく、例えばリン酸ビス(2,2,2−トリフルオロエチル)ジメチルアミド、リン酸ビス(2,2,2−トリフルオロエチル)ジエチルアミド、リン酸ビス(2,2−ジフルオロエチル)ジメチルアミド、リン酸ビス(2,2−ジフルオロエチル)ジエチルアミド、リン酸(2,2−ジフルオロエチル)(2,2,2−トリフルオロエチル)ジメチルアミド、リン酸(2,2−ジフルオロエチル)(2,2,2−トリフルオロエチル)ジエチルアミド、リン酸ビス(2,2,3,3−テトラフルオロプロピル)ジメチルアミド、リン酸ビス(2,2,3,3,3−ペンタフルオロプロピル)ジメチルアミド、リン酸(2,2,3,3−テトラフルオロプロピル)(2,2,2−トリフルオロエチル)ジメチルアミド、リン酸(2,2,3,3−テトラフルオロプロピル)(2,2,2−トリフルオロエチル)ジエチルアミドが挙げられる。
リン酸エステルアミドはフッ素が含有してなくても難燃効果があるが、フッ素原子を含有することでさらに難燃性能が向上する。特にリン酸エステルアミド中のフッ素含有率が30wt%以上の場合が高度な難燃性を発揮し好ましい。
Examples of such fluorine-containing phosphoric ester amides include bis (2,2,2-trifluoroethyl) dimethylamide phosphate, bis (2,2,2-trifluoroethyl) methylethylamide phosphate, and bisphosphate phosphate. (2,2,2-trifluoroethyl) bis (2,2,2-trifluoromethyl) amide, bis (2,2,2-trifluoroethyl) diethylamide, ethyl phosphate (2,2,2) -Trifluoroethyl) dimethylamide, ethyl phosphate (2,2,2-trifluoroethyl) diethylamide, bis (2,2-difluoroethyl) dimethylamide phosphate, bis (2,2-difluoroethyl) methyl phosphate Ethylamide, bis (2,2-difluoroethyl) bis (2,2,2-trifluoromethyl) amide phosphate, bis (2,2-phosphate) Fluoroethyl) diethylamide, ethyl phosphate (2,2-difluoroethyl) dimethylamide, ethyl phosphate (2,2-difluoroethyl) diethylamide, ethyl phosphate (2,2,2-trifluoroethyl) diethylamide, phosphoric acid (2,2-difluoroethyl) (2,2,2-trifluoroethyl) dimethylamide, phosphoric acid (2,2-difluoroethyl) (2,2,2-trifluoroethyl) diethylamide, bis (2 , 2,3,3-tetrafluoropropyl) dimethylamide, bis (2,2,3,3-tetrafluoropropyl) diethyl phosphate, bis (2,2,3,3,3-pentafluoropropyl) phosphate Dimethylamide, bis (2,2,3,3,3-pentafluoropropyl) diethyl phosphate, phosphoric acid ( , 2,3,3-tetrafluoropropyl) (2,2,2-trifluoroethyl) dimethylamide, phosphoric acid (2,2,3,3-tetrafluoropropyl) (2,2,2-trifluoroethyl) ) Diethylamide and the like can be mentioned. Among these fluorine-containing phosphoric ester amides, in general formula (1), R 1 and R 2 are each a methyl group or an ethyl group, and R 3 and R 4 are each a 2,2-difluoroethyl group, 2 , 2,2-trifluoroethyl group, 2,2,3,3-tetrafluoropropyl group, or 2,2,3,3,3-pentafluoropropyl group is preferable, for example, phosphoric acid Bis (2,2,2-trifluoroethyl) dimethylamide, bis (2,2,2-trifluoroethyl) diethyl phosphate, bis (2,2-difluoroethyl) dimethylamide phosphate, bis (2 , 2-difluoroethyl) diethylamide, phosphoric acid (2,2-difluoroethyl) (2,2,2-trifluoroethyl) dimethylamide, phosphoric acid (2,2-difluoroethyl) ) (2,2,2-trifluoroethyl) diethylamide, bis (2,2,3,3-tetrafluoropropyl) dimethylamide phosphate, bis (2,2,3,3,3-pentafluorophosphate) Propyl) dimethylamide, phosphoric acid (2,2,3,3-tetrafluoropropyl) (2,2,2-trifluoroethyl) dimethylamide, phosphoric acid (2,2,3,3-tetrafluoropropyl) ( 2,2,2-trifluoroethyl) diethylamide.
Phosphoric ester amide has a flame retardant effect even if fluorine does not contain it, but the flame retardant performance is further improved by containing fluorine atoms. In particular, the case where the fluorine content in the phosphoric ester amide is 30 wt% or more is preferable because it exhibits high flame retardancy.

含フッ素リン酸エステルアミドを非水系二次電池用の電解液に添加することによって、高度な難燃性に加え、非水系二次電池が高率充放電特性、低温での充放電特性、サイクル特性において優れた特性を発揮する。   By adding fluorine-containing phosphoric ester amide to the electrolyte for non-aqueous secondary batteries, in addition to high flame retardancy, non-aqueous secondary batteries have high rate charge / discharge characteristics, low temperature charge / discharge characteristics, cycle Exhibits excellent properties.

なお、これら含フッ素リン酸エステルアミドは、高純度であることが望ましく、特に、水、酸、アルコール等のプロトン性化合物の含有量がそれぞれ30ppm未満であることが望ましく、特には1ppm未満が望ましい。また、これらの含フッ素リン酸エステルアミドは、単独もしくは2種以上を混合して非水系電解液に用いてもよい。   These fluorine-containing phosphoric ester amides are desirably highly pure, and in particular, the content of protic compounds such as water, acid, and alcohol is preferably less than 30 ppm, particularly preferably less than 1 ppm. . Moreover, these fluorine-containing phosphoric ester amides may be used alone or in combination of two or more for non-aqueous electrolytes.

これらの含フッ素リン酸エステルアミドの製造法として、一般式(1)においてR3、R4が同一の場合のフッ素リン酸エステルアミドは、例えば、J.Fluor.Chem.,113,65(2002)、J.Fluor.Chem.,106,153(2000)及びJ.Fluor.Chem.,104,215(2000)に記載されている。 As a method for producing these fluorine-containing phosphoric ester amides, fluorine phosphoric ester amides in the case where R 3 and R 4 are the same in general formula (1) are described in, for example, J. Org. Fluor. Chem. 113, 65 (2002); Fluor. Chem. 106, 153 (2000) and J.A. Fluor. Chem. 104, 215 (2000).

一般式(1)においてR3、R4が異なる場合のフッ素リン酸エステルアミドは、例えば、J.Org.Chem.,19,1124(1954)、もしくは、前述のJ.Fluor.Chem.,113,65(2002)、J.Fluor.Chem.,106,153(2000)及びJ.Fluor.Chem.,104,215(2000)に記載されている。 Fluorophosphate amides in the case where R 3 and R 4 are different in the general formula (1) are, for example, J. Org. Chem. , 19, 1124 (1954), or the aforementioned J. et al. Fluor. Chem. 113, 65 (2002); Fluor. Chem. 106, 153 (2000) and J.A. Fluor. Chem. 104, 215 (2000).

次に本発明の含フッ素リン酸エステルアミドを含有する非水系電解液について説明する。   Next, the non-aqueous electrolyte containing the fluorine-containing phosphoric ester amide of the present invention will be described.

上述の含フッ素リン酸エステルアミドは、他の有機溶媒と混合して非水系電解液として用いる。この際の有機溶媒としては、例えば、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ブチレンカーボネート、クロロエチレンカーボネート等の環状カーボネート、γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン、プロピオラクトン等の環状エステル、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジフェニルカーボネート等の鎖状カーボネート、酢酸メチル、酪酸メチル等の鎖状エステル、テトラヒドロフラン、1 ,3−ジオキサン、ジメトキシエタン、ジエトキシエタン、メトキシエトキシエタン、メチルジグライム等のエーテル類、アセトニトリル、ベンゾニトリル等のニトリル類、ジオキソラン又はその誘導体等の単独又はそれら2種以上の混合物等を挙げることができる。これらの有機溶媒に対する含フッ素リン酸エステルアミドの添加量は、重量比で1〜50%、好ましくは5〜30%である。添加量が少量である場合は、電解液の難燃化効果が十分でなく、50%を超える場合は、電池性能の低下をもたらす場合があり好ましくない。   The above-mentioned fluorine-containing phosphoric ester amide is mixed with another organic solvent and used as a nonaqueous electrolytic solution. As the organic solvent at this time, for example, cyclic carbonates such as propylene carbonate, ethylene carbonate, butylene carbonate, chloroethylene carbonate, cyclic esters such as γ-butyrolactone, γ-valerolactone, propiolactone, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, Chain carbonates such as ethyl methyl carbonate and diphenyl carbonate; chain esters such as methyl acetate and methyl butyrate; ethers such as tetrahydrofuran, 1,3-dioxane, dimethoxyethane, diethoxyethane, methoxyethoxyethane, and methyldiglyme; Examples thereof include nitriles such as acetonitrile and benzonitrile, dioxolane or a derivative thereof alone or a mixture of two or more thereof. The amount of fluorine-containing phosphoric ester amide added to these organic solvents is 1 to 50%, preferably 5 to 30%, by weight. When the addition amount is small, the flame retarding effect of the electrolytic solution is not sufficient, and when it exceeds 50%, battery performance may be deteriorated, which is not preferable.

非水系電解液を構成する電解質塩としては、広電位領域において安定であるリチウム塩が使用できる。このような電解質塩として、例えば、LiBF、LiPF、LiClO、LiCFSO、LiN(CFSO、LiN(CSO、LiC(CFSO等が挙げられる。これらは単独で用いてもよく、2種以上混合して用いてもよい。なお、電池の高率充放電特性を良好なものとするため、非水系電解液における電解質塩の濃度は1〜2.5mol/Lの範囲とすることが望ましい。 As the electrolyte salt constituting the nonaqueous electrolytic solution, a lithium salt that is stable in a wide potential region can be used. Examples of the electrolyte salt include LiBF 4 , LiPF 6 , LiClO 4 , LiCF 3 SO 3 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , LiN (C 2 F 5 SO 2 ) 2 , LiC (CF 3 SO 2 ). 3 etc. are mentioned. These may be used alone or in combination of two or more. In order to improve the high rate charge / discharge characteristics of the battery, it is desirable that the concentration of the electrolyte salt in the non-aqueous electrolyte is in the range of 1 to 2.5 mol / L.

本発明の電解液を使用する非水系二次電池は、少なくとも正極、負極、セパレータから成る電池であり、本発明の電解液を使用する非水系二次電池は、形状、形態等は特に限定されるものではなく、円筒型、角型、コイン型、カード型、大型など任意に選択することができる。本明細書ではリチウムまたは、リチウムイオン二次電池を中心に記載したが、本発明はリチウムまたはリチウムイオン電池に限らず、マグネシウム二次電池、マグネシウムイオン二次電池など、その他の非水系二次電池にも適用できる。   The non-aqueous secondary battery using the electrolytic solution of the present invention is a battery comprising at least a positive electrode, a negative electrode, and a separator. The non-aqueous secondary battery using the electrolytic solution of the present invention is not particularly limited in shape, form, etc. It can be arbitrarily selected from a cylindrical shape, a square shape, a coin shape, a card shape, and a large size. In the present specification, lithium or lithium ion secondary batteries are mainly described. However, the present invention is not limited to lithium or lithium ion batteries, but other nonaqueous secondary batteries such as magnesium secondary batteries and magnesium ion secondary batteries. It can also be applied to.

以下に実施例を用いて本発明を詳細に説明するが、本発明はこの実施例によって限定されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be described in detail using examples, but the present invention is not limited to the examples.

参考例1 リン酸ビス(2,2,2−トリフルオロエチル)ジメチルアミドの合成
三塩化リン 340g、t−ブチルアルコール 184g、2,2,2−トリフルオロエタノール 496gを0℃で混合した後、60℃で3時間反応させた。次いで、0℃まで冷却し、塩素ガス 193gを6時間で吹き込んだ。次に、反応液にジメチルアミン 167gを加え、0℃で4時間反応させた。常温に昇温後、反応液に水 500g及び炭酸水素ナトリウム 16gを加えて攪拌後、水層を除去した。有機層を蒸留精製し、リン酸ビス(2,2,2−トリフルオロエチル)ジメチルアミド 630gを得た。
Reference Example 1 Synthesis of bis (2,2,2-trifluoroethyl) dimethylamide phosphate After mixing 340 g of phosphorus trichloride, 184 g of t-butyl alcohol and 496 g of 2,2,2-trifluoroethanol at 0 ° C., The reaction was carried out at 60 ° C. for 3 hours. Subsequently, it cooled to 0 degreeC and 193g of chlorine gas was blown in in 6 hours. Next, 167 g of dimethylamine was added to the reaction solution and reacted at 0 ° C. for 4 hours. After raising the temperature to room temperature, 500 g of water and 16 g of sodium bicarbonate were added to the reaction solution and stirred, and then the aqueous layer was removed. The organic layer was purified by distillation to obtain 630 g of bis (2,2,2-trifluoroethyl) dimethylamide phosphate.

参考例2 リン酸ビス(2,2−ジフルオロエチル)ジメチルアミドの合成
三塩化リン 340gとt−ブチルアルコール 184g、2,2−ジフルオロエタノール 407gを0℃で混合した後、60℃で3時間反応させた。次いで、0℃まで冷却し、塩素ガス 193gを6時間で吹き込んだ。次に、反応液にクロロホルム 500g、ジメチルアミン 167gを加え、0℃で4時間反応させた。常温に昇温後、反応液に水 500g及び炭酸水素ナトリウム 16gを加えて攪拌後、水層を除去した。有機層を蒸留精製し、リン酸ビス(2,2,2−トリフルオロエチル)ジメチルアミド 616gを得た。
Reference Example 2 Synthesis of bis (2,2-difluoroethyl) dimethylamide phosphate 340 g of phosphorus trichloride, 184 g of t-butyl alcohol and 407 g of 2,2-difluoroethanol were mixed at 0 ° C. and then reacted at 60 ° C. for 3 hours. I let you. Subsequently, it cooled to 0 degreeC and 193g of chlorine gas was blown in in 6 hours. Next, chloroform 500g and dimethylamine 167g were added to the reaction liquid, and it was made to react at 0 degreeC for 4 hours. After raising the temperature to room temperature, 500 g of water and 16 g of sodium bicarbonate were added to the reaction solution and stirred, and then the aqueous layer was removed. The organic layer was purified by distillation to obtain 616 g of bis (2,2,2-trifluoroethyl) dimethylamide phosphate.

参考例3 リン酸(2,2,3,3−テトラフルオロプロピル)(2,2,2−トリフルオロエチル)ジエチルアミドの合成
三塩化リン 340gとt−ブチルアルコール 184g、2,2,3,3−テトラフルオロプロパノール 327gと2,2,2−トリフルオロエタノール 248gを0℃で反応させた後、60℃で3時間反応させた。次いで、0℃まで冷却し、塩素ガス 196gを6時間で吹き込んだ。次に、反応液にジエチルアミン 272gを加え、0℃で4時間反応させた。冷却後、反応液に水 500g及び炭酸水素ナトリウム 16gを加えて攪拌後、水層を除去した。有機層を蒸留精製し、リン酸(2,2,3,3−テトラフルオロプロピル)(2,2,2−トリフルオロエチル)ジエチルアミド 220gを得た。
Reference Example 3 Synthesis of phosphoric acid (2,2,3,3-tetrafluoropropyl) (2,2,2-trifluoroethyl) diethylamide 340 g of phosphorus trichloride and 184 g of t-butyl alcohol, 2,2,3,3 -After reacting 327 g of tetrafluoropropanol and 248 g of 2,2,2-trifluoroethanol at 0 ° C, the mixture was reacted at 60 ° C for 3 hours. Subsequently, it cooled to 0 degreeC and 196g of chlorine gas was blown in in 6 hours. Next, 272 g of diethylamine was added to the reaction solution and reacted at 0 ° C. for 4 hours. After cooling, 500 g of water and 16 g of sodium bicarbonate were added to the reaction solution and stirred, and then the aqueous layer was removed. The organic layer was purified by distillation to obtain 220 g of phosphoric acid (2,2,3,3-tetrafluoropropyl) (2,2,2-trifluoroethyl) diethylamide.

燃焼性及び電池試験方法及び評価方法を下記に示す。
燃焼試験方法について下記に示す。
The flammability and battery test methods and evaluation methods are shown below.
The combustion test method is shown below.

エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネートの体積比1:1:1の混合液に、各種リン酸エステルを5から60重量%添加後、LiPFを1モル/Lの割合で溶解させ非水系電解液を調整した。
ガラスフィルターに上記の電解液を染み込ませた試験片を10秒間試験炎にさらし,その後試験炎を遠ざけ、燃焼の様子を目視により観察した。この試験を10回実施し、各電解液の燃焼性を評価した。
After adding 5 to 60% by weight of various phosphates in a 1: 1: 1 volume ratio mixture of ethylene carbonate, dimethyl carbonate, and ethyl methyl carbonate, LiPF 6 is dissolved at a rate of 1 mol / L and non-aqueous electrolysis is performed. The liquid was adjusted.
The test piece in which the above electrolyte solution was impregnated into the glass filter was exposed to a test flame for 10 seconds, and then the test flame was moved away and the state of combustion was observed visually. This test was performed 10 times to evaluate the flammability of each electrolyte.

電池試験方法について下記に示す。   The battery test method is shown below.

図1の断面図に示すような非水系二次電池を作成した。負極1は、グラファイトとポリフッ化ビニリデンのN−メチル−2−ピロリドンの混合物を、銅箔からなる集電体2への塗布、乾燥後、加圧成型により得たものであり、正極3はLiCoO2とアセチレンブラック及びN−メチル−2−ピロリドンの混合物をアルミ箔からなる集電体4への塗布、乾燥後、加圧成型により得たものである。これら負極1、正極3を構成する物質は、ポリエチレンから成る多孔質セパレータ5(厚さ16μm、空孔率50%)を介して積層した。エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、メチルエチルカーボネートを体積比1:1:1で混合した溶媒に各種リン酸エステルを10から60重量%添加し、LiPFを1.0モル/Lの割合で溶解させたものを電解液とした。これを含浸、封入し非水系二次電池を作成した。 A non-aqueous secondary battery as shown in the sectional view of FIG. 1 was prepared. The negative electrode 1 was obtained by applying a mixture of graphite and polyvinylidene fluoride N-methyl-2-pyrrolidone to a current collector 2 made of copper foil, drying, and pressure molding, and the positive electrode 3 was LiCoO 2. And a mixture of acetylene black and N-methyl-2-pyrrolidone applied to the current collector 4 made of aluminum foil, dried, and then obtained by pressure molding. The materials constituting these negative electrode 1 and positive electrode 3 were laminated via a porous separator 5 (thickness 16 μm, porosity 50%) made of polyethylene. Various phosphoric acid esters were added in an amount of 10 to 60% by weight to a solvent in which ethylene carbonate, dimethyl carbonate, and methyl ethyl carbonate were mixed at a volume ratio of 1: 1: 1, and LiPF 6 was dissolved at a rate of 1.0 mol / L. The thing was made into electrolyte solution. This was impregnated and sealed to prepare a non-aqueous secondary battery.

上記電池を用い、初期放電容量測定、高率放電容量測定、サイクル寿命試験、低温での放電容量測定を実施した。   Using the battery, initial discharge capacity measurement, high rate discharge capacity measurement, cycle life test, and discharge capacity measurement at low temperature were performed.

初期放電容量は、20℃において、電流10mA、終止電圧4.2Vの定電流定電圧充電した後、20℃において、電流2mA、終止電圧2.7Vの定電流放電を行い、初期放電容量とした。   The initial discharge capacity was a constant current constant voltage charge with a current of 10 mA and a final voltage of 4.2 V at 20 ° C., and then a constant current discharge with a current of 2 mA and a final voltage of 2.7 V was performed at 20 ° C. to obtain an initial discharge capacity. .

高率放電容量は、20℃ において、電流10mA、終止電圧4.2Vの定電流定電圧充電した後、20 ℃ において、電流30mA、終止電圧2.7Vの定電流放電をおこない、高率放電容量とした。   The high rate discharge capacity is a constant current constant voltage charge at 20 ° C. with a current of 10 mA and a final voltage of 4.2 V, and then at 20 ° C., a constant current discharge with a current of 30 mA and a final voltage of 2.7 V is performed. It was.

サイクル寿命試験は、20℃において、電流10mA、終止電圧4.2Vの定電流定電圧充電した後、20℃において、電流2mA、終止電圧2.7Vの定電流放電を行う試験を200サイクル実施した。初回の放電容量に対する200回目の放電容量比をサイクル維持率とした。   In the cycle life test, a constant current / constant voltage charge with a current of 10 mA and a final voltage of 4.2 V was performed at 20 ° C., and then a constant current discharge with a current of 2 mA and a final voltage of 2.7 V was performed at 200 ° C. for 200 cycles. . The 200th discharge capacity ratio with respect to the initial discharge capacity was defined as a cycle maintenance ratio.

低温での放電容量は−20℃において、電流10mA、終止電圧4.2Vの定電流定電圧充電した後、20℃において、電流2mA、終止電圧2.7Vの定電流放電を行い測定した。   The discharge capacity at low temperature was measured by carrying out constant current constant voltage charging at -20 ° C. with a current of 10 mA and a final voltage of 4.2 V, followed by constant current discharge with a current of 2 mA and a final voltage of 2.7 V at 20 ° C.

燃焼試験、電池試験を各リン酸エステル含有電解液で行った結果を、以下に実施例、比較例として示す。   The results of conducting the combustion test and the battery test with each phosphate ester-containing electrolyte are shown below as examples and comparative examples.

実施例1 リン酸ビス(2,2,2-トリフルオロエチル)ジメチルアミド 添加量5wt%
上記燃焼試験において、添加するリン酸エステルにリン酸ビス(2,2,2-トリフルオロエチル)ジメチルアミドを選び、添加量を5重量%で評価を行った結果、10回のうち4回燃焼した。
Example 1 Bis (2,2,2-trifluoroethyl) dimethylamide phosphate Addition 5wt%
In the above combustion test, bis (2,2,2-trifluoroethyl) dimethylamide phosphate was selected as the phosphate ester to be added, and the amount added was evaluated at 5% by weight. did.

上記電池試験において、添加するリン酸エステルにリン酸ビス(2,2,2-トリフルオロエチル)ジメチルアミドを選び、添加量を5重量%で評価を行った結果、初期放電容量は10.5mAh、高率放電容量は8.3mAh、サイクル維持率は93%、-20℃放電容量は6.3mAhであった。   In the above battery test, bis (2,2,2-trifluoroethyl) dimethylamide phosphate was selected as the phosphate ester to be added, and the addition amount was evaluated at 5% by weight. As a result, the initial discharge capacity was 10.5 mAh, The high rate discharge capacity was 8.3 mAh, the cycle maintenance rate was 93%, and the -20 ° C discharge capacity was 6.3 mAh.

実施例2 リン酸ビス(2,2,2-トリフルオロエチル)ジメチルアミド 添加量10wt%
上記燃焼試験において、添加するリン酸エステルとしてリン酸ビス(2,2,2-トリフルオロエチル)ジメチルアミドを用い、添加量を10重量%で評価を行った結果、2回燃焼した。
Example 2 Bis (2,2,2-trifluoroethyl) dimethylamide phosphate Amount 10 wt%
In the above combustion test, bis (2,2,2-trifluoroethyl) dimethylamide phosphate was used as the phosphate ester to be added, and the amount added was evaluated at 10% by weight. As a result, the product was burned twice.

上記電池試験において、添加するリン酸エステルとしてリン酸ビス(2,2,2-トリフルオロエチル)ジメチルアミドを用い、添加量を10重量%で評価を行った結果、初期放電容量は10.3mAh、高率放電容量は8.1mAh、サイクル維持率は92%、-20℃放電容量は5.7mAhであった。   In the above battery test, bis (2,2,2-trifluoroethyl) dimethylamide phosphate was used as the phosphate ester to be added, and the amount of addition was evaluated at 10% by weight. As a result, the initial discharge capacity was 10.3 mAh, The high-rate discharge capacity was 8.1 mAh, the cycle maintenance rate was 92%, and the −20 ° C. discharge capacity was 5.7 mAh.

実施例3 リン酸ビス(2,2,2-トリフルオロエチル)ジメチルアミド 添加量20wt%
上記燃焼試験において、添加するリン酸エステルとしてリン酸ビス(2,2,2-トリフルオロエチル)ジメチルアミドを用い、添加量を20重量%で評価を行った結果、燃焼しなかった。
Example 3 Bis (2,2,2-trifluoroethyl) dimethylamide phosphate Amount 20 wt%
In the above combustion test, bis (2,2,2-trifluoroethyl) dimethylamide phosphate was used as the phosphate ester to be added, and the addition amount was evaluated at 20% by weight. As a result, no combustion occurred.

上記電池試験において、添加するリン酸エステルとしてリン酸ビス(2,2,2-トリフルオロエチル)ジメチルアミドを用い、添加量を20重量%で評価を行った結果、初期放電容量は10.1mAh、高率放電容量は7.8mAh、サイクル維持率は91%、-20℃放電容量は5.4mAhであった。   In the battery test, bis (2,2,2-trifluoroethyl) dimethylamide phosphate was used as the phosphate ester to be added, and the result was evaluated at an addition amount of 20% by weight. As a result, the initial discharge capacity was 10.1 mAh, The high rate discharge capacity was 7.8 mAh, the cycle maintenance rate was 91%, and the −20 ° C. discharge capacity was 5.4 mAh.

実施例4 リン酸ビス(2,2,2-トリフルオロエチル)ジメチルアミド 添加量50wt%
上記燃焼試験において、添加するリン酸エステルとしてリン酸ビス(2,2,2-トリフルオロエチル)ジメチルアミドを用い、添加量を50重量%で評価を行った結果、燃焼しなかった。
Example 4 Bis (2,2,2-trifluoroethyl) dimethylamide phosphate Amount 50 wt%
In the above combustion test, bis (2,2,2-trifluoroethyl) dimethylamide phosphate was used as the phosphate ester to be added, and the addition amount was evaluated at 50% by weight. As a result, no combustion occurred.

上記電池試験において、添加するリン酸エステルとしてリン酸ビス(2,2,2-トリフルオロエチル)ジメチルアミドを用い、添加量を50重量%で評価を行った結果、初期放電容量は9.5mAh、高率放電容量は7.2mAh、サイクル維持率は88%、-20℃放電容量は4.8mAhであった。   In the battery test, bis (2,2,2-trifluoroethyl) dimethylamide phosphate was used as the phosphate ester to be added, and the amount of addition was evaluated at 50% by weight. As a result, the initial discharge capacity was 9.5 mAh, The high rate discharge capacity was 7.2 mAh, the cycle maintenance rate was 88%, and the -20 ° C discharge capacity was 4.8 mAh.

参考例4 リン酸ビス(2,2,2-トリフルオロエチル)ジメチルアミド 添加量60wt%
上記燃焼試験において、添加するリン酸エステルとしてリン酸ビス(2,2,2-トリフルオロエチル)ジメチルアミドを用い、添加量を60重量%で評価を行った結果、燃焼しなかった。
Reference Example 4 Bis (2,2,2-trifluoroethyl) dimethylamide phosphate Addition 60wt%
In the above combustion test, bis (2,2,2-trifluoroethyl) dimethylamide phosphate was used as the phosphate ester to be added, and the addition amount was evaluated at 60% by weight. As a result, no combustion occurred.

上記電池試験において、添加するリン酸エステルとしてリン酸ビス(2,2,2-トリフルオロエチル)ジメチルアミドを用い、添加量を60重量%で評価を行った結果、初期放電容量は8.6mAh、高率放電容量は6.6mAh、サイクル維持率は82%、-20℃放電容量は3.6mAhであった。   In the above battery test, bis (2,2,2-trifluoroethyl) dimethylamide phosphate was used as the phosphate ester to be added, and the addition amount was evaluated at 60% by weight. As a result, the initial discharge capacity was 8.6 mAh, The high rate discharge capacity was 6.6 mAh, the cycle maintenance rate was 82%, and the -20 ° C discharge capacity was 3.6 mAh.

実施例 リン酸ビス(2,2-ジフルオロエチル)ジメチルアミド 添加量20wt%
上記燃焼試験において、添加するリン酸エステルとしてリン酸ビス(2,2-ジフルオロエチル)ジメチルアミドを用い、添加量を20重量%で評価を行った結果、燃焼しなかった。
Example 5 Bis (2,2-difluoroethyl) dimethylamide phosphate Amount 20 wt%
In the above combustion test, bis (2,2-difluoroethyl) dimethylamide phosphate was used as the phosphate ester to be added, and the addition amount was evaluated at 20% by weight. As a result, no combustion occurred.

上記電池試験において、添加するリン酸エステルとしてリン酸ビス(2,2-ジフルオロエチル)ジメチルアミドを用い、添加量を20重量%で評価を行った結果、初期放電容量は10.2mAh、高率放電容量は7.9mAh、サイクル維持率は91%、-20℃放電容量は5.5mAhであった。   In the above battery test, bis (2,2-difluoroethyl) dimethylamide phosphate was used as the phosphate ester to be added, and the addition amount was evaluated at 20% by weight. As a result, the initial discharge capacity was 10.2 mAh and high rate discharge. The capacity was 7.9 mAh, the cycle maintenance rate was 91%, and the -20 ° C discharge capacity was 5.5 mAh.

実施例 リン酸(2,2−テトラフルオロプロピル)(2,2,2−トリフルオロエチル)ジエチルアミド 添加量20wt%
上記燃焼試験において、添加するリン酸エステルとしてリン酸(2,2,3,3−テトラフルオロプロピル)(2,2,2−トリフルオロエチル)ジエチルアミドを用い、添加量を20重量%で評価を行った結果、燃焼しなかった。
Example 6 Phosphoric acid (2,2-tetrafluoropropyl) (2,2,2-trifluoroethyl) diethylamide Addition 20 wt%
In the above combustion test, phosphoric acid (2,2,3,3-tetrafluoropropyl) (2,2,2-trifluoroethyl) diethylamide was used as the phosphate ester to be added, and the addition amount was evaluated at 20% by weight. As a result, it did not burn.

上記電池試験において、添加するリン酸エステルとしてリン酸(2,2,3,3−テトラフルオロプロピル)(2,2,2−トリフルオロエチル)ジエチルアミドを用い、添加量を20重量%で評価を行った結果、初期放電容量は10.1mAh、高率放電容量は7.7mAh、サイクル維持率は92%、-20℃放電容量は5.7mAhであった。   In the above battery test, phosphoric acid (2,2,3,3-tetrafluoropropyl) (2,2,2-trifluoroethyl) diethylamide was used as the phosphoric acid ester to be added, and the addition amount was evaluated at 20% by weight. As a result, the initial discharge capacity was 10.1 mAh, the high rate discharge capacity was 7.7 mAh, the cycle retention rate was 92%, and the −20 ° C. discharge capacity was 5.7 mAh.

比較例1 リン酸エステル未添加
上記燃焼試験において、リン酸エステルを添加しないで評価を行った結果、10回燃焼した。
Comparative Example 1 Phosphoric ester not added In the above-described combustion test, the phosphoric acid ester was not added.

比較例2 リン酸トリス(2,2,2−トリフルオロエチル) 添加量20wt%
上記燃焼試験において、添加するリン酸エステルとしてリン酸トリス(2,2,2−トリフルオロエチル)を用い、添加量を20重量%で評価を行った結果、燃焼しなかった。
Comparative Example 2 Tris phosphate (2,2,2-trifluoroethyl) Addition 20wt%
In the above-described combustion test, tris (2,2,2-trifluoroethyl) phosphate was used as the phosphate ester to be added, and the addition amount was evaluated at 20% by weight. As a result, no combustion occurred.

上記電池試験において、添加するリン酸エステルとしてリン酸トリス(2,2,2−トリフルオロエチル)を用い、添加量を20重量%で評価を行った結果、初期放電容量は9.5mAh、高率放電容量は6.5mAh、サイクル維持率は82%、-20℃放電容量は4.8mAhであった。   In the above battery test, tris phosphate (2,2,2-trifluoroethyl) was used as the phosphate ester to be added, and the addition amount was evaluated at 20% by weight. As a result, the initial discharge capacity was 9.5 mAh, and the high rate The discharge capacity was 6.5 mAh, the cycle retention rate was 82%, and the −20 ° C. discharge capacity was 4.8 mAh.

比較例3 リン酸トリス(2,2,3,3−テトラフルオロプロピル) 添加量20wt%
上記燃焼試験において、添加するリン酸エステルとしてリン酸トリス(2,2,2−トリフルオロエチル)を用い、添加量を20重量%で評価を行った結果、燃焼しなかった。
Comparative Example 3 Tris phosphate (2,2,3,3-tetrafluoropropyl) Addition 20wt%
In the above-described combustion test, tris (2,2,2-trifluoroethyl) phosphate was used as the phosphate ester to be added, and the addition amount was evaluated at 20% by weight. As a result, no combustion occurred.

上記電池試験において、添加するリン酸エステルとしてリン酸トリス(2,2,3,3−テトラフルオロプロピル)を用い、添加量を20重量%で評価を行った結果、初期放電容量は9.4mAh、高率放電容量は6.3mAh、サイクル維持率は89%、-20℃放電容量は3.3mAhであった。
以下に実施例、比較例をまとめた表を示す。
In the above battery test, trisphosphate (2,2,3,3-tetrafluoropropyl) phosphate was used as the phosphate ester to be added, and the amount of addition was evaluated at 20% by weight. As a result, the initial discharge capacity was 9.4 mAh, The high rate discharge capacity was 6.3 mAh, the cycle maintenance rate was 89%, and the -20 ° C discharge capacity was 3.3 mAh.
The table | surface which put together the Example and the comparative example is shown below.

Figure 0005484078
Figure 0005484078

本発明の特定構造の含フッ素リン酸エステルアミドを非水電解液に含有することにより、難燃性を有し、且つ電池性能が改善された非水系二次電池が得られ、極めて有用である。   By containing the fluorine-containing phosphoric ester amide having a specific structure of the present invention in a non-aqueous electrolyte, a non-aqueous secondary battery having flame retardancy and improved battery performance can be obtained and extremely useful. .

1:負極
2:集電体
3:正極
4:集電体
5:多孔質セパレータ
6:金属樹脂複合フィルム
1: Negative electrode 2: Current collector 3: Positive electrode 4: Current collector 5: Porous separator 6: Metal resin composite film

Claims (1)

含フッ素リン酸エステルアミドを含む下記いずれかの非水電解液。
(1)リン酸ビス(2,2,2−トリフルオロエチル)ジメチルアミドを重量比で5〜50%含む非水電解液。
(2)リン酸ビス(2,2−ジフルオロエチル)ジメチルアミドを重量比で20%含む非水電解液。
(3)リン酸(2,2,3,3−テトラフルオロプロピル)(2,2,2−トリフルオロエチル)ジエチルアミドを重量比で20%含む非水電解液。
Any of the following non-aqueous electrolytes containing a fluorine-containing phosphoric ester amide.
(1) A nonaqueous electrolytic solution containing 5 to 50% by weight of bis (2,2,2-trifluoroethyl) dimethylamide phosphate.
(2) A nonaqueous electrolytic solution containing 20% by weight of bis (2,2-difluoroethyl) dimethylamide phosphate.
(3) A nonaqueous electrolytic solution containing 20% by weight of phosphoric acid (2,2,3,3-tetrafluoropropyl) (2,2,2-trifluoroethyl) diethylamide.
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