JP6262932B2 - カルボン酸リチウム塩−三フッ化ホウ素錯体の製造方法 - Google Patents
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Description
そこで、リチウムイオン二次電池の分野では、LiPF6等の従来の電解質に代わり、新規の電解質を用いた電解液の開発が望まれている。
本発明は、カルボン酸リチウム塩−三フッ化ホウ素錯体の製造方法であって、(A)カルボン酸リチウム塩及び(C)溶媒を配合してから、(B)三フッ化ホウ素を配合して、前記(A)カルボン酸リチウム塩と、前記(B)三フッ化ホウ素と、を反応させる工程と、前記反応後の反応液から、前記(C)溶媒と、前記(B)三フッ化ホウ素に由来する不純物と、を留去により除去する工程と、前記(C)溶媒と、前記(B)三フッ化ホウ素に由来する不純物と、を除去して得られた反応物を、80℃以下で加熱しながら乾燥させる工程と、を有し、前記除去する工程に次いで、前記乾燥させる工程を行い、[配合された(A)カルボン酸リチウム塩中のカルボニルオキシ基のモル数]:[配合された(B)三フッ化ホウ素のモル数]が100:100〜100:150であり、前記(C)溶媒が、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート及びジエチルカーボネートからなる群から選択される一種以上であることを特徴とするカルボン酸リチウム塩−三フッ化ホウ素錯体の製造方法を提供する。
カルボン酸リチウム塩−三フッ化ホウ素錯体を電解質とする電解液は、カルボン酸リチウム塩と、三フッ化ホウ素又は三フッ化ホウ素錯体と、有機溶媒とを配合し、撹拌して均一な溶液とすることで得られる。このとき、均一な溶液となるのは、カルボン酸リチウム塩のカルボニルオキシ基に、三フッ化ホウ素が配位結合することで、これらの配位結合体(すなわち、カルボン酸リチウム塩−三フッ化ホウ素錯体)が有機溶媒に溶解するからであると考えられる。
以下、カルボン酸リチウム塩−三フッ化ホウ素錯体、該錯体を電解質として用い、不純物量が低減され、簡便に製造できる電解液及びその製造方法、並びに該電解質を用いたゲル電解質、固体電解質及びリチウムイオン二次電池について説明する。
本発明のカルボン酸リチウム塩−三フッ化ホウ素錯体は、下記一般式(1)で表される、炭素数が6以下のものである(以下、「錯体(1)」と略記することがある)。
(YO−(O=)C)−X−(C(=O)−OY)m−1・(BF3)m ・・・・(1)
(式中、mは1〜4の整数であり;mが1である場合、Xは水素原子又は1価の炭化水素基であり、mが2である場合、Xは単結合又は2価の炭化水素基であり、mが3又は4である場合、Xはm価の炭化水素基であり、前記1〜4価の炭化水素基は1個以上の水素原子が水酸基で置換されていてもよく;Yは水素原子又はリチウム原子であり、mが2〜4である場合、複数個のYは互いに同一でも異なっていてもよく、ただし、m個のYのうち少なくとも1個はリチウム原子である。)
そして、mが1である場合、Xは水素原子又は1価の炭化水素基である。また、mが2である場合、Xは単結合又は2価の炭化水素基である。ここで、Xが単結合である場合、2個の一般式「−C(=O)−OY」で表される基は、炭素原子同士が直接結合したものとなる。また、mが3又は4である場合、Xはm価(3価又は4価)の炭化水素基である。
飽和炭化水素基である前記炭化水素基において、炭素数は1〜5である。
不飽和炭化水素基である前記炭化水素基において、炭素数は2〜5であり、不飽和結合の数及び位置は特に限定されないが、不飽和結合の数は1〜2であることが好ましく、1であることがより好ましい。そして、不飽和炭化水素基である前記炭化水素基は、アルケニレン基又はアルキリデン基であることが好ましい。
Xにおける前記炭化水素基は、直鎖状、分岐鎖状及び環状のいずれでもよいが、直鎖状又は分岐鎖状であることが好ましく、直鎖状であることがより好ましい。
また、mが2〜4である場合、複数個のYは互いに同一でも異なっていてもよい。すなわち、すべてのYが同一(すべてのYがリチウム原子)でもよいし、すべてのYが互いに異なって(mが2で、2個のYのうち1個が水素原子であり、残りの1個がリチウム原子である)いてもよく、一部のYのみが同一(mが3〜4であり、Yとして水素原子とリチウム原子とが共存する)であってもよい。
本発明のカルボン酸リチウム塩−三フッ化ホウ素錯体の製造方法は、(A)カルボン酸リチウム塩、(B)三フッ化ホウ素及び/又は三フッ化ホウ素錯体、並びに(C)溶媒を配合して、前記(A)カルボン酸リチウム塩と、前記(B)三フッ化ホウ素及び/又は三フッ化ホウ素錯体と、を反応させる工程(以下、「反応工程」と略記することがある)と、前記反応後の反応液から、前記(C)溶媒と、前記(B)三フッ化ホウ素及び/又は三フッ化ホウ素錯体に由来する不純物と、を除去する工程(以下、「除去工程」と略記することがある)と、を有することを特徴とする。
好ましい前記三フッ化ホウ素錯体としては、三フッ化ホウ素ジメチルエーテル錯体(BF3・O(CH3)2)、三フッ化ホウ素ジエチルエーテル錯体(BF3・O(C2H5)2)、三フッ化ホウ素ジn−ブチルエーテル錯体(BF3・O(C4H9)2)、三フッ化ホウ素ジtert−ブチルエーテル錯体(BF3・O((CH3)3C)2)、三フッ化ホウ素tert−ブチルメチルエーテル錯体(BF3・O((CH3)3C)(CH3))、三フッ化ホウ素テトラヒドロフラン錯体(BF3・OC4H8)等の三フッ化ホウ素アルキルエーテル錯体;三フッ化ホウ素メタノール錯体(BF3・HOCH3)、三フッ化ホウ素プロパノール錯体(BF3・HOC3H7)、三フッ化ホウ素フェノール錯体(BF3・HOC6H5)等の三フッ化ホウ素アルコール錯体が例示できる。
(B)三フッ化ホウ素及び/又は三フッ化ホウ素錯体としては、取り扱いが容易で、後述する反応工程において、反応がより円滑に進行する点から、前記三フッ化ホウ素錯体を用いることが好ましい。
これらの中でも、前記有機溶媒としては、鎖状炭酸エステル化合物、ニトリル化合物、環状エーテル化合物が好ましい。
また、これら原料を配合中の液状物、及びこれら原料を配合して得られた液状物(反応液)は、撹拌子、撹拌翼等を用いる公知の手法により、十分に撹拌することが好ましい。
また、反応時間は、反応終了に必要な時間以上とすればよく、特に限定されないが、1〜48時間であることが好ましく、2〜24時間であることがより好ましい。なお、反応の終了は、例えば、反応液中に不溶物が見られなくなり、反応液が均一な溶液となったことで確認できる。また、反応液をサンプリングし、各種クロマトグラフィー等の公知の手法で分析することによっても、確認できる。
これらの留去は、例えば、ロータリーエバポレーター;撹拌手段及び減圧手段を備えた反応器等、公知の装置を使用して行えばよく、このときの減圧度及び温度は、不純物の種類に応じて適宜調節すればよい。
また、前記その他の工程として、除去工程後に精製工程を行って、さらに目的物の純度を向上させてもよい。この場合の精製工程においては、公知の精製方法を任意に適用できる。
本発明の製造方法は、前記錯体(1)の製造への適用に好適である。
本発明の電解液は、上記本発明のカルボン酸リチウム塩−三フッ化ホウ素錯体を用いて得られたことを特徴とし、例えば、前記カルボン酸リチウム塩−三フッ化ホウ素錯体、有機溶媒、及び必要に応じてその他の成分を配合することで製造できる。
また、本発明の電解液は、上記のカルボン酸リチウム塩−三フッ化ホウ素錯体の製造方法での除去工程後に得られた反応物に、有機溶媒を配合する工程を有する方法により製造でき、前記有機溶媒以外に、必要に応じてその他の成分を用いてもよい。ここで、前記反応物は、上記のカルボン酸リチウム塩−三フッ化ホウ素錯体の製造方法で説明した「精製工程」を行っていないものが好ましい。
いずれの方法においても、前記有機溶媒及びその他の成分は、同様のものである。
前記電解液は、リチウムイオン二次電池への適用に好適なものである。
電解液中の前記有機溶媒は、一種を単独で使用してもよいし、二種以上を併用してもよい。二種以上を併用する場合には、その組み合わせ及び比率は目的に応じて適宜選択すればよい。
各成分は、これらを順次添加しながら混合してもよいし、全成分を添加してから混合してもよく、配合成分を均一に溶解又は分散させることができればよい。
各成分の混合方法は特に限定されず、例えば、撹拌子、撹拌翼、ボールミル、スターラー、超音波分散機、超音波ホモジナイザー、自公転ミキサー等を使用する公知の方法を適用すればよい。
混合温度、混合時間等の混合条件は、各種方法に応じて適宜設定すればよいが、通常は、混合時の温度は15〜35℃であることが好まく、混合時間は0.5〜36時間であることが好ましい。
電解質であるカルボン酸リチウム塩−三フッ化ホウ素錯体は、溶解性が良好で、長期間に渡ってその析出が抑制されるので、これを用いたリチウムイオン二次電池は、十分な充放電特性を有する。
本発明のゲル電解質は、上記本発明のカルボン酸リチウム塩−三フッ化ホウ素錯体を用いて得られたことを特徴とし、例えば、前記カルボン酸リチウム塩−三フッ化ホウ素錯体、マトリクスポリマー、有機溶媒、及び必要に応じてその他の成分を配合することで製造でき、上記本発明の電解液に、さらにマトリクスポリマーを配合することでも製造できる。
また、本発明のゲル電解質は、上記のカルボン酸リチウム塩−三フッ化ホウ素錯体の製造方法での除去工程後に得られた反応物に、マトリクスポリマー及び有機溶媒を配合する工程を有する方法により製造でき、前記マトリクスポリマー及び有機溶媒以外に、必要に応じてその他の成分を用いてもよい。ここで、前記反応物は、上記のカルボン酸リチウム塩−三フッ化ホウ素錯体の製造方法で説明した「精製工程」を行っていないものが好ましい。
いずれの方法においても、前記有機溶媒及びその他の成分は、前記電解液の場合と同様のものである。
前記ゲル電解質は、リチウムイオン二次電池への適用に好適なものである。
ゲル電解質では、マトリクスポリマー以外の成分(電解液)が、マトリクスポリマー中に保持される。
好ましいマトリクスポリマーとしては、ポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシド等のポリエーテル系ポリマー(ポリエーテル骨格を有するポリマー);ポリフッ化ビニル、ポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニリデン−六フッ化プロピレン共重合体、ポリフッ化ビニリデン−六フッ化アセトン共重合体、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系ポリマー(フッ素原子を有するポリマー);ポリ(メタ)アクリル酸メチル、ポリ(メタ)アクリル酸エチル、ポリアクリルアミド、エチレンオキシドユニットを含むポリアクリレート等のポリアクリル系ポリマー((メタ)アクリル酸エステル又はアクリルアミドから誘導される構成単位を有するポリマー);ポリアクリロニトリル;ポリホスファゼン;ポリシロキサンが例示できる。
希釈用有機溶媒は、一種を単独で使用してもよいし、二種以上を併用してもよい。二種以上を併用する場合には、その組み合わせ及び比率は目的に応じて適宜選択すればよい。
希釈用有機溶媒を除去するときの乾燥方法は、特に限定されず、例えば、ドライボックス、真空デシケータ、減圧乾燥機等を使用する公知の方法を適用すればよい。
本発明の固体電解質は、上記本発明のカルボン酸リチウム塩−三フッ化ホウ素錯体を用いて得られたことを特徴とし、例えば、前記カルボン酸リチウム塩−三フッ化ホウ素錯体、マトリクスポリマー、希釈用有機溶媒、及び必要に応じてその他の成分を配合して組成物を調製し、この組成物から、乾燥により前記希釈用有機溶媒を除去することで、製造できる。
また、本発明の固体電解質は、上記のカルボン酸リチウム塩−三フッ化ホウ素錯体の製造方法での除去工程後に得られた反応物に、マトリクスポリマー及び希釈用有機溶媒を配合する工程、並びに前記希釈用有機溶媒を除去する工程を有する方法により製造でき、前記マトリクスポリマー及び希釈用有機溶媒以外に、必要に応じてその他の成分を用いてもよい。ここで、前記反応物は、上記のカルボン酸リチウム塩−三フッ化ホウ素錯体の製造方法で説明した「精製工程」を行っていないものが好ましい。
いずれの方法においても、前記マトリクスポリマー、希釈用有機溶媒及びその他の成分は、前記ゲル電解質の場合と同様のものである。
前記固体電解質は、リチウムイオン二次電池への適用に好適なものである。
また、希釈用有機溶媒を除去するときの乾燥方法は、前記ゲル電解質の場合と同様でよい。
上記本発明の電解液、ゲル電解質又は固体電解質を用いることで、良好な充放電特性及びサイクル特性を有するリチウムイオン二次電池が得られる。かかるリチウムイオン二次電池は、前記電解液、ゲル電解質又は固体電解質を用いること以外は、従来のリチウムイオン二次電池と同様の構成とすることができ、例えば、負極、正極、及び前記電解液、ゲル電解質又は固体電解質を備えて構成される。さらに必要に応じて、負極と正極との間に、セパレータが設けられていてもよい。
前記正極の材質は特に限定されないが、コバルト酸リチウム、ニッケル酸リチウム、マンガン酸リチウム、オリビン型リン酸鉄リチウム等の遷移金属酸化物が例示でき、これら材質からなる群から選択される一種以上であることが好ましい。
なお、以下に示す実施例1〜19、21は参考例である。
本実施例で使用した化学物質を以下に示す。
・(A)カルボン酸リチウム塩
シュウ酸リチウム(アルドリッチ社製)
・(B)三フッ化ホウ素錯体
三フッ化ホウ素ジエチルエーテル錯体(BF3O・(C2H5)2)(アルドリッチ社製)
・有機溶媒
エチレンカーボネート(以下、「EC」と略記する)(キシダ化学社製)
ジメチルカーボネート(以下、「DMC」と略記する)(キシダ化学社製)
ジエチルカーボネート(以下、「DEC」と略記する)(キシダ化学社製)
エチルメチルカーボネート(以下、「EMC」と略記する)(キシダ化学社製)
アセトニトリル(以下、「AN」と略記する)(アルドリッチ社製)
テトラヒドロフラン(以下、「THF」と略記する)(アルドリッチ社製)
1,2−ジメトキシエタン(以下、「DME」と略記する)(和光純薬社製)
・その他
ギ酸(アルドリッチ社製)
コハク酸(アルドリッチ社製)
水酸化リチウム・一水和物(LiOH・H2O)(アルドリッチ社製)
[実施例1]
(シュウ酸リチウム−三フッ化ホウ素錯体の製造(1))
シュウ酸リチウム(2.27g、22.3mmol)を丸底フラスコに量り取り、これを20mLのDMCに懸濁させた。これに23℃で三フッ化ホウ素ジエチルエーテル錯体(6.33g、44.6mmol)をゆっくりと滴下した後、室温(23℃)で24時間撹拌し、反応液が透明になって不溶物が見られず、均一な溶液となったことを確認した。次いで、ロータリーエバポレーターを用いて反応液から溶媒及び不純物を留去した。その後、析出した白色の固体を60℃にて乾燥させることにより、白色粉末のシュウ酸リチウム−三フッ化ホウ素錯体((COOLi)2・(BF3)2)を得た(収率95.5%)。
また、図2(a)及び(b)において観測されたフッ素のケミカルシフトに違いがみられることから、三フッ化ホウ素(BF3)の配位環境が互いに異なることが確認され、これは、目的物であるシュウ酸リチウム−三フッ化ホウ素錯体が得られたことを支持していた。さらに、図2(b)において不純物ピークが観測されなかったことや、三フッ化ホウ素の単体(BF3)の沸点が−100℃であることから、過剰量使用して反応工程で残存した三フッ化ホウ素ジエチルエーテル錯体が除去工程で除去され、得られたシュウ酸リチウム−三フッ化ホウ素錯体に、三フッ化ホウ素ジエチルエーテル錯体が混入していないと考えられた。
また、図3(a)及び(b)でスペクトルに違いがみられることから、カルボニル基の配位環境が互いに異なることが確認され、これは、目的物であるシュウ酸リチウム−三フッ化ホウ素錯体が得られたことを支持していた。
以上から、目的物であるシュウ酸リチウム−三フッ化ホウ素錯体が得られ、これには、三フッ化ホウ素ジエチルエーテル錯体、ジエチルエーテル等の不純物が混入していないことを確認できた。
(シュウ酸リチウム−三フッ化ホウ素錯体の製造(2))
シュウ酸リチウム(2.27g、22.3mmol)を丸底フラスコに量り取り、これを20mLのDMCに懸濁させた。これに23℃で三フッ化ホウ素ジエチルエーテル錯体(6.33g、44.6mmol)をゆっくりと滴下した後、室温(23℃)で4時間撹拌し、反応液が透明になって不溶物が見られず、均一な溶液となったことを確認した。次いで、ロータリーエバポレーターを用いて反応液から溶媒及び不純物を留去した。その後、析出した白色の固体を60℃にて乾燥させることにより、白色粉末のシュウ酸リチウム−三フッ化ホウ素錯体を得た。
(シュウ酸リチウム−三フッ化ホウ素錯体の製造(3))
シュウ酸リチウム(2.27g、22.3mmol)を丸底フラスコに量り取り、これを20mLのDECに懸濁させた。これに23℃で三フッ化ホウ素ジエチルエーテル錯体(6.33g、44.6mmol)をゆっくりと滴下した後、室温(23℃)で24時間撹拌し、反応液が透明になって不溶物が見られず、均一な溶液となったことを確認した。次いで、ロータリーエバポレーターを用いて反応液から溶媒及び不純物を留去した。その後、析出した白色の固体を60℃にて乾燥させることにより、白色粉末のシュウ酸リチウム−三フッ化ホウ素錯体を得た。
(シュウ酸リチウム−三フッ化ホウ素錯体の製造(4))
シュウ酸リチウム(2.27g、22.3mmol)を丸底フラスコに量り取り、これを20mLのEMCに懸濁させた。これに23℃で三フッ化ホウ素ジエチルエーテル錯体(6.33g、44.6mmol)をゆっくりと滴下した後、室温(23℃)で24時間撹拌し、反応液が透明になって不溶物が見られず、均一な溶液となったことを確認した。次いで、ロータリーエバポレーターを用いて反応液から溶媒及び不純物を留去した。その後、析出した白色の固体を60℃にて乾燥させることにより、白色粉末のシュウ酸リチウム−三フッ化ホウ素錯体を得た。
(シュウ酸リチウム−三フッ化ホウ素錯体の製造(5))
シュウ酸リチウム(2.27g、22.3mmol)を丸底フラスコに量り取り、これを20mLのANに懸濁させた。これに23℃で三フッ化ホウ素ジエチルエーテル錯体(6.33g、44.6mmol)をゆっくりと滴下した後、室温(23℃)で24時間撹拌し、反応液が透明になって不溶物が見られず、均一な溶液となったことを確認した。次いで、ロータリーエバポレーターを用いて反応液から溶媒及び不純物を留去した。その後、析出した白色の固体を60℃にて乾燥させることにより、白色粉末のシュウ酸リチウム−三フッ化ホウ素錯体を得た。
(シュウ酸リチウム−三フッ化ホウ素錯体の製造(6))
シュウ酸リチウム(2.27g、22.3mmol)を丸底フラスコに量り取り、これを20mLのTHFに懸濁させた。これに23℃で三フッ化ホウ素ジエチルエーテル錯体(6.33g、44.6mmol)をゆっくりと滴下した後、室温(23℃)で24時間撹拌し、反応液が透明になって不溶物が見られず、均一な溶液となったことを確認した。次いで、ロータリーエバポレーターを用いて反応液から溶媒及び不純物を留去した。その後、析出した白色の固体を60℃にて乾燥させることにより、白色粉末のシュウ酸リチウム−三フッ化ホウ素錯体を得た。
(シュウ酸リチウム−三フッ化ホウ素錯体の製造(7))
シュウ酸リチウム(2.27g、22.3mmol)を丸底フラスコに量り取り、これを20mLのDMEに懸濁させた。これに23℃で三フッ化ホウ素ジエチルエーテル錯体(6.33g、44.6mmol)をゆっくりと滴下した後、室温(23℃)で24時間撹拌し、反応液が透明になって不溶物が見られず、均一な溶液となったことを確認した。次いで、ロータリーエバポレーターを用いて反応液から溶媒及び不純物を留去した。その後、析出した白色の固体を60℃にて乾燥させることにより、白色粉末のシュウ酸リチウム−三フッ化ホウ素錯体を得た。
[実施例8]
有機溶媒としてEC及びDMCの混合溶媒(EC:DMC=30:70(体積比))をサンプル瓶に量り取り、ここに実施例1で得られたシュウ酸リチウム−三フッ化ホウ素錯体(1.82g)を加えて、シュウ酸リチウム−三フッ化ホウ素錯体中のリチウム原子の濃度が1.0モル/kgとなるようにし、23℃で混合することにより電解液を得た。シュウ酸リチウム−三フッ化ホウ素錯体が有機溶媒に溶解し、透明で均一な溶液が得られるまでの時間を測定したところ、5分以内であった。
有機溶媒としてEC及びDMCの混合溶媒(EC:DMC=30:70(体積比))をサンプル瓶に量り取り、ここに実施例2で得られたシュウ酸リチウム−三フッ化ホウ素錯体(1.82g)を加えて、シュウ酸リチウム−三フッ化ホウ素錯体中のリチウム原子の濃度が1.0モル/kgとなるようにし、23℃で混合することにより電解液を得た。シュウ酸リチウム−三フッ化ホウ素錯体が有機溶媒に溶解し、透明で均一な溶液が得られるまでの時間を測定したところ、5分以内であった。
有機溶媒としてEC及びDMCの混合溶媒(EC:DMC=30:70(体積比))をサンプル瓶に量り取り、ここに実施例3で得られたシュウ酸リチウム−三フッ化ホウ素錯体(1.82g)を加えて、シュウ酸リチウム−三フッ化ホウ素錯体中のリチウム原子の濃度が1.0モル/kgとなるようにし、23℃で混合することにより電解液を得た。シュウ酸リチウム−三フッ化ホウ素錯体が有機溶媒に溶解し、透明で均一な溶液が得られるまでの時間を測定したところ、5分以内であった。
有機溶媒としてEC及びDMCの混合溶媒(EC:DMC=30:70(体積比))をサンプル瓶に量り取り、ここに実施例4で得られたシュウ酸リチウム−三フッ化ホウ素錯体(1.82g)を加えて、シュウ酸リチウム−三フッ化ホウ素錯体中のリチウム原子の濃度が1.0モル/kgとなるようにし、23℃で混合することにより電解液を得た。シュウ酸リチウム−三フッ化ホウ素錯体が有機溶媒に溶解し、透明で均一な溶液が得られるまでの時間を測定したところ、5分以内であった。
有機溶媒としてEC及びDMCの混合溶媒(EC:DMC=30:70(体積比))をサンプル瓶に量り取り、ここに実施例5で得られたシュウ酸リチウム−三フッ化ホウ素錯体(1.82g)を加えて、シュウ酸リチウム−三フッ化ホウ素錯体中のリチウム原子の濃度が1.0モル/kgとなるようにし、23℃で混合することにより電解液を得た。シュウ酸リチウム−三フッ化ホウ素錯体が有機溶媒に溶解し、透明で均一な溶液が得られるまでの時間を測定したところ、5分以内であった。
有機溶媒としてEC及びDMCの混合溶媒(EC:DMC=30:70(体積比))をサンプル瓶に量り取り、ここに実施例6で得られたシュウ酸リチウム−三フッ化ホウ素錯体(1.82g)を加えて、シュウ酸リチウム−三フッ化ホウ素錯体中のリチウム原子の濃度が1.0モル/kgとなるようにし、23℃で混合することにより電解液を得た。シュウ酸リチウム−三フッ化ホウ素錯体が有機溶媒に溶解し、透明で均一な溶液が得られるまでの時間を測定したところ、5分以内であった。
有機溶媒としてEC及びDMCの混合溶媒(EC:DMC=30:70(体積比))をサンプル瓶に量り取り、ここに実施例7で得られたシュウ酸リチウム−三フッ化ホウ素錯体(1.82g)を加えて、シュウ酸リチウム−三フッ化ホウ素錯体中のリチウム原子の濃度が1.0モル/kgとなるようにし、23℃で混合することにより電解液を得た。シュウ酸リチウム−三フッ化ホウ素錯体が有機溶媒に溶解し、透明で均一な溶液が得られるまでの時間を測定したところ、5分以内であった。
シュウ酸リチウム(0.114g、1.12mmol)、三フッ化ホウ素ジエチルエーテル錯体(0.317g、2.24mmol)、有機溶媒としてEC及びDMCの混合溶媒(EC:DMC=30:70(体積比))をサンプル瓶に量り取り、シュウ酸リチウム中のリチウム原子の濃度が1.0モル/kgとなるようにし、23℃で混合することにより電解液を得た。シュウ酸リチウムと、三フッ化ホウ素ジエチルエーテル錯体との反応に、時間を要したため、シュウ酸リチウムが有機溶媒に溶解し、透明で均一な溶液が得られるまでの時間を測定したところ、24時間であった。また、得られた電解液には、除去操作を行っていないジエチルエーテルが混入していた。
[製造例1]
負極(ENAX社製)及び正極(ENAX社製)を直径16mmの円盤状に打ち抜いた。また、セパレータとしてガラスファイバーからなるものを用い、これを直径17mmの円盤状に打ち抜いた。得られた正極、セパレータ及び負極を、この順にSUS製の電池容器(CR2032)内で積層し、実施例8で得られた電解液を、セパレータ、負極及び正極に含浸させ、さらに負極上に、SUS製の板(厚さ1.2mm、直径16mm)を載せ、蓋をすることにより、コイン型セル(1)を製造した。
実施例8で得られた電解液に代えて、参考例1で得られた電解液を使用したこと以外は、製造例1と同様の方法で、コイン型セル(2)を製造した。
実施例8で得られた電解液に代えて、六フッ化リン酸リチウム(EC/DMC(3/7(体積比))溶液(キシダ化学社製、比較例1)を使用したこと以外は、製造例1と同様の方法で、コイン型セル(3)を製造した。
[実施例15]
(コハク酸リチウム−三フッ化ホウ素錯体の製造)
コハク酸リチウム(19.27g、148.3mmol)を丸底フラスコに量り取り、これを150mLのDMCに懸濁させた。これに23℃で三フッ化ホウ素ジエチルエーテル錯体(42.11g、296.7mmol)をゆっくりと滴下した後、室温(23℃)で24時間撹拌し、反応液が透明になって不溶物が見られず、均一な溶液となったことを確認した。次いで、ロータリーエバポレーターを用いて反応液から溶媒及び不純物を留去した。その後、析出した白色の固体を50℃にて乾燥させることにより、白色粉末のコハク酸リチウム−三フッ化ホウ素錯体((CH2COOLi)2・(BF3)2)を得た(収率98.4%)。
なお、コハク酸リチウムとしては、以下の手順で得られたものを使用した。すなわち、コハク酸(10.0g、84.7mmol)を丸底フラスコに量り取り、これを50mLの蒸留水に溶解させた。これにLiOH・H2O(7.27g、169.8mmol)を100mlの蒸留水に溶かした溶液をゆっくりと滴下した。室温で24時間撹拌した後、ロータリーエバポレーターを用いて溶液を濃縮した。濃縮した溶液を200mLのアセトニトリルにゆっくりと滴下し、析出した固体を再度アセトニトリルにて洗浄した後、乾燥させることによって白色粉末のコハク酸リチウムを得た。
また、図5(a)及び(b)でスペクトルに違いがみられることから、カルボニル基の配位環境が互いに異なることが確認され、これは、目的物であるコハク酸リチウム−三フッ化ホウ素錯体が得られたことを支持していた。
以上から、目的物であるコハク酸リチウム−三フッ化ホウ素錯体が得られ、これには、三フッ化ホウ素ジエチルエーテル錯体、ジエチルエーテル等の不純物が混入していないことを確認できた。
(ギ酸リチウム−三フッ化ホウ素錯体の製造)
ギ酸リチウム(10.0g、192.4mmol)を丸底フラスコに量り取り、これを100mLのDMCに懸濁させた。これに23℃で三フッ化ホウ素ジエチルエーテル錯体(27.31g、192.4mmol)をゆっくりと滴下した後、室温(23℃)で24時間撹拌し、反応液が透明になって不溶物が見られず、均一な溶液となったことを確認した。次いで、ロータリーエバポレーターを用いて反応液から溶媒及び不純物を留去した。その後、析出した白色の固体を50℃にて乾燥させることにより、透明なオイル状のギ酸リチウム−三フッ化ホウ素錯体(HCOOLi・BF3)を得た(収率90.9%)。
なお、ギ酸リチウムとしては、以下の手順で得られたものを使用した。すなわち、ギ酸(20.0g、434.5mmol)を丸底フラスコに量り取り、これを50mLの蒸留水に溶解させた。これにLiOH・H2O(17.87g、426.0mmol)を100mlの蒸留水に溶かした溶液をゆっくりと滴下した。室温で24時間撹拌した後、ロータリーエバポレーターを用いて溶液を濃縮した。濃縮した溶液を200mLのアセトニトリルにゆっくりと滴下し、析出した固体を再度アセトニトリルにて洗浄した後、乾燥させることによって白色粉末のギ酸リチウムを得た。
[実施例17]
有機溶媒としてEC及びDMCの混合溶媒(EC:DMC=30:70(体積比))をサンプル瓶に量り取り、ここに実施例15で得られたコハク酸リチウム−三フッ化ホウ素錯体(1.82g)を加えて、コハク酸リチウム−三フッ化ホウ素錯体中のリチウム原子の濃度が1.0モル/kgとなるようにし、23℃で混合することにより電解液を得た。コハク酸リチウム−三フッ化ホウ素錯体が有機溶媒に溶解し、透明で均一な溶液が得られるまでの時間を測定したところ、5分以内であった。
有機溶媒としてEC及びDMCの混合溶媒(EC:DMC=30:70(体積比))をサンプル瓶に量り取り、ここに実施例16で得られたギ酸リチウム−三フッ化ホウ素錯体(1.82g)を加えて、ギ酸リチウム−三フッ化ホウ素錯体中のリチウム原子の濃度が1.0モル/kgとなるようにし、23℃で混合することにより電解液を得た。ギ酸リチウム−三フッ化ホウ素錯体が有機溶媒に溶解し、透明で均一な溶液が得られるまでの時間を測定したところ、5分以内であった。
前記コハク酸リチウム(3.69g、28.4mmol)、三フッ化ホウ素ジエチルエーテル錯体(8.06g、56.8mmol)、有機溶媒としてEC及びDMCの混合溶媒(EC:DMC=30:70(体積比))をサンプル瓶に量り取り、コハク酸リチウム中のリチウム原子の濃度が1.0モル/kgとなるようにし、23℃で混合することにより電解液を得た。コハク酸リチウムと、三フッ化ホウ素ジエチルエーテル錯体との反応に、時間を要したため、コハク酸リチウムが有機溶媒に溶解し、透明で均一な溶液が得られるまでの時間を測定したところ、24時間であった。また、得られた電解液には、除去操作を行っていないジエチルエーテルが混入していた。
前記ギ酸リチウム(2.45g、47.2mmol)、三フッ化ホウ素ジエチルエーテル錯体(6.70g、47.2mmol)、有機溶媒としてEC及びDMCの混合溶媒(EC:DMC=30:70(体積比))をサンプル瓶に量り取り、ギ酸リチウム中のリチウム原子の濃度が1.0モル/kgとなるようにし、23℃で混合することにより電解液を得た。ギ酸リチウムと、三フッ化ホウ素ジエチルエーテル錯体との反応に、時間を要したため、ギ酸リチウムが有機溶媒に溶解し、透明で均一な溶液が得られるまでの時間を測定したところ、8時間であった。また、得られた電解液には、除去操作を行っていないジエチルエーテルが混入していた。
[製造例4]
実施例8で得られた電解液に代えて、実施例17で得られた電解液を使用したこと以外は、製造例1と同様の方法で、コイン型セル(4)を製造した。
実施例8で得られた電解液に代えて、実施例18で得られた電解液を使用したこと以外は、製造例1と同様の方法で、コイン型セル(5)を製造した。
実施例8で得られた電解液に代えて、参考例2で得られた電解液を使用したこと以外は、製造例1と同様の方法で、コイン型セル(6)を製造した。
実施例8で得られた電解液に代えて、参考例3で得られた電解液を使用したこと以外は、製造例1と同様の方法で、コイン型セル(7)を製造した。
[実施例19]
(シュウ酸リチウム−三フッ化ホウ素錯体の製造(8))
シュウ酸リチウム(45.64g、447.9mmol)を丸底フラスコに量り取り、これを300mLのDMCに懸濁させた。これに23℃で三フッ化ホウ素テトラヒドロフラン錯体(131.6g、940.6mmol)をゆっくりと滴下した後、室温(23℃)で24時間撹拌し、反応液が透明になって不溶物が見られず、均一な溶液となったことを確認した。次いで、ロータリーエバポレーターを用いて反応液から溶媒及び不純物を留去した。その後、析出した白色の固体を60℃にて乾燥させることにより、白色粉末のシュウ酸リチウム−三フッ化ホウ素錯体を得た。
(シュウ酸リチウム−三フッ化ホウ素錯体の製造(9))
ポリテトラフルオロエチレン製内筒型反応容器に、有機溶媒としてDMCを150mL量り取る。これにシュウ酸リチウム(15.67g、153.8mmol)を加えて懸濁させ、得られた懸濁液を撹拌しながら、前記反応容器内に三フッ化ホウ素(21.3g、314mmol)をゆっくりと吹き込んで添加する。このとき、三フッ化ホウ素の添加は、懸濁液を20℃に保ちながら24時間継続して行う。得られた反応液は透明で不溶物が見られず、均一な溶液となっていることを確認する。次いで、ロータリーエバポレーターを用いて反応液から溶媒及び不純物を留去する。その後、析出した白色の固体を60℃にて乾燥させることにより、白色粉末のシュウ酸リチウム−三フッ化ホウ素錯体を得る。
[実施例21]
有機溶媒としてEC及びDMCの混合溶媒(EC:DMC=30:70(体積比))をサンプル瓶に量り取り、ここに実施例19で得られたシュウ酸リチウム−三フッ化ホウ素錯体(1.82g)を加えて、シュウ酸リチウム−三フッ化ホウ素錯体中のリチウム原子の濃度が1.0モル/kgとなるようにし、23℃で混合することにより電解液を得た。シュウ酸リチウム−三フッ化ホウ素錯体が有機溶媒に溶解し、透明で均一な溶液が得られるまでの時間を測定したところ、5分以内であった。
[製造例8]
実施例8で得られた電解液に代えて、実施例21で得られた電解液を使用したこと以外は、製造例1と同様の方法で、コイン型セル(8)を製造した。
得られたコイン型セル(1)〜(8)について、25℃において0.2Cの定電流定電圧充電を、上限電圧4.2Vとして電流値が0.1Cに収束するまで行った後、0.2Cの定電流放電を2.7Vまで行った。その後、充放電電流を1Cとして同様の方法で、充放電サイクルを数回〜数十回程度繰り返し行い電池の状態を安定化させた。その後、充放電電流を1Cとして同様の方法で、充放電サイクルを繰り返し行い、100サイクルでの容量維持率((100サイクル目の放電容量(mAh)/1サイクル目の放電容量(mAh))×100)(%)を算出した。結果を表1に示す。
同様に、実施例17の電解液を用いたコイン型セル(4)は、電解質成分が同じである参考例2の電解液を用いたコイン型セル(6)と同等以上の容量維持率を示し、実施例18の電解液を用いたコイン型セル(5)は、電解質成分が同じである参考例3の電解液を用いたコイン型セル(7)と同等の容量維持率を示した。
実施例21の電解液を用いたコイン型セル(8)は、コイン型セル(1)、(4)及び(5)と同等の容量維持率を示した。
このように、本発明の電解液は、不純物量が低減され、短時間で簡便に製造できるものであり、これを用いることで、充放電特性、サイクル特性等の電池性能に優れたリチウムイオン二次電池が得られた。
Claims (3)
- カルボン酸リチウム塩−三フッ化ホウ素錯体の製造方法であって、
(A)カルボン酸リチウム塩及び(C)溶媒を配合してから、(B)三フッ化ホウ素を配合して、前記(A)カルボン酸リチウム塩と、前記(B)三フッ化ホウ素と、を反応させる工程と、
前記反応後の反応液から、前記(C)溶媒と、前記(B)三フッ化ホウ素に由来する不純物と、を留去により除去する工程と、
前記(C)溶媒と、前記(B)三フッ化ホウ素に由来する不純物と、を除去して得られた反応物を、80℃以下で加熱しながら乾燥させる工程と、
を有し、
前記除去する工程に次いで、前記乾燥させる工程を行い、
[配合された(A)カルボン酸リチウム塩中のカルボニルオキシ基のモル数]:[配合された(B)三フッ化ホウ素のモル数]が100:100〜100:150であり、
前記(C)溶媒が、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート及びジエチルカーボネートからなる群から選択される一種以上であることを特徴とするカルボン酸リチウム塩−三フッ化ホウ素錯体の製造方法。 - 前記(A)カルボン酸リチウム塩が、リチウム塩を構成するカルボキシ基の数が2以上のものであることを特徴とする請求項1に記載のカルボン酸リチウム塩−三フッ化ホウ素錯体の製造方法。
- 前記(A)カルボン酸リチウム塩が、シュウ酸リチウム及びコハク酸リチウムからなる群から選択される一種以上であることを特徴とする請求項1又は2に記載のカルボン酸リチウム塩−三フッ化ホウ素錯体の製造方法。
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