JP6583809B2 - Non-aqueous electrolyte and lithium ion secondary battery - Google Patents
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Description
本発明は、電気化学デバイス用電解液及びリチウムイオン二次電池に関する。 The present invention relates to an electrolytic solution for an electrochemical device and a lithium ion secondary battery.
従来、各種産業分野では、有機液体類を固化するために、低分子量又は高分子量の有機ゲル化剤が用いられている。低分子量の有機ゲル化剤としては、例えば、アミノ基、アミド基、尿素基などの水素結合性官能基を分子内に有する低分子量化合物群が知られており、化粧品、香粧品、汚泥処理などの分野で好適に用いられている。一方、高分子量の有機ゲル化剤としては、三次元的なネットワーク構造を分子内に有する高分子化合物群を挙げることができ、例えば、ポリエーテル系化合物などがよく知られている。高分子量の有機ゲル化剤についての研究例は多く、様々な分野に展開されている。 Conventionally, low molecular weight or high molecular weight organic gelling agents have been used in various industrial fields to solidify organic liquids. As low molecular weight organic gelling agents, for example, low molecular weight compound groups having hydrogen-bonding functional groups such as amino groups, amide groups, and urea groups in the molecule are known, such as cosmetics, cosmetics, and sludge treatments. It is suitably used in the field. On the other hand, examples of the high molecular weight organic gelling agent include a group of polymer compounds having a three-dimensional network structure in the molecule. For example, polyether compounds are well known. There are many examples of studies on high molecular weight organic gelling agents, which are being developed in various fields.
一方、低分子量の有機ゲル化剤は、高分子量のものに比べて開発が比較的遅く、知られているゲル化剤の種類は少ない。低分子量の有機ゲル化剤としては、例えば、ジアルキルウレア誘導体(例えば、特許文献1参照)、パーフルオロアルキル誘導体(例えば、特許文献2〜3、非特許文献1参照)が知られている。 On the other hand, low molecular weight organic gelling agents are relatively slowly developed compared to high molecular weight ones, and there are few known types of gelling agents. As low molecular weight organic gelling agents, for example, dialkyl urea derivatives (see, for example, Patent Document 1) and perfluoroalkyl derivatives (see, for example, Patent Documents 2 to 3 and Non-Patent Document 1) are known.
現在、有機液体を用いた電気化学デバイスは種々の用途に供されており、その代表例として、携帯機器の充電池に主に用いられているリチウムイオン二次電池を挙げることができる。さらに、近年では、環境への関心の高まりから省エネルギー化の要請が多くあり、それに貢献できる、有機液体を用いた種々の電気化学デバイスへの期待が高まっている。ところが、有機液体系の電解液を電気化学デバイスに適用するにあたっては、その安全性の更なる改善が大きな課題となっている。例えば、リチウムイオン二次電池は近い将来、自動車用途への広い展開が期待されており、これまで以上に高い電池安全性(非漏洩、難燃、デンドライド抑制等)が求められる。そこで、例えば、ポリマー(ゲル)電池、イオン性液体やフルオロ溶媒を電解液として用いた電池などの開発が進められている。しかしながら、現在のところ、上記電池安全性と電池特性(充放電特性、低温作動、高温耐久等)とはトレードオフの関係になっているのが実情である。ポリマー(ゲル)電池は、電池安全性に加えて電池小型化や形態自由度を増す観点からも期待されているが、既存のドライポリマー電池は電池特性が高いものとはいえない。また、ゲルポリマー電池は、ドライポリマー電池よりも電池特性(特にレート特性)の改善効果は認められるものの、既存の非水液体系の電解液を用いる電池には及ばない。 At present, electrochemical devices using organic liquids are used in various applications, and typical examples thereof include lithium ion secondary batteries mainly used for rechargeable batteries of portable devices. Further, in recent years, there has been a demand for energy saving due to increasing interest in the environment, and there are increasing expectations for various electrochemical devices using organic liquids that can contribute to this demand. However, when applying an organic liquid electrolyte to an electrochemical device, further improvement of its safety is a major issue. For example, lithium ion secondary batteries are expected to be widely used for automotive applications in the near future, and higher battery safety (non-leakage, flame retardancy, dendride suppression, etc.) is required. Therefore, for example, development of a polymer (gel) battery, a battery using an ionic liquid or a fluoro solvent as an electrolytic solution, and the like is underway. However, at present, the battery safety and battery characteristics (charge / discharge characteristics, low temperature operation, high temperature durability, etc.) are in a trade-off relationship. A polymer (gel) battery is expected from the viewpoint of battery size reduction and increased freedom of form in addition to battery safety, but existing dry polymer batteries cannot be said to have high battery characteristics. In addition, although the gel polymer battery has an effect of improving battery characteristics (particularly rate characteristics) as compared with the dry polymer battery, it does not reach the battery using the existing non-aqueous liquid electrolyte.
現在のところ、低分子量の有機ゲル化剤を用いた電解液及び二次電池の研究例は少なく、十分なものとはいえない。例えば、特許文献2では低分子量の有機ゲル化剤を用いた電解液が提案されているが、この電解液を用いた場合でも電池の性能にはまだ改良の余地がある。 At present, there are few research examples of electrolytes and secondary batteries using low molecular weight organic gelling agents, which are not sufficient. For example, Patent Document 2 proposes an electrolytic solution using a low molecular weight organic gelling agent, but there is still room for improvement in battery performance even when this electrolytic solution is used.
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、電池特性に優れると同時に高い安全性をも実現する、電気化学デバイス用の電解液及びリチウムイオン二次電池を提供することを目的とする。 This invention is made | formed in view of the said situation, and it aims at providing the electrolyte solution and lithium ion secondary battery for electrochemical devices which are excellent also in a battery characteristic, and also implement | achieve high safety | security.
本発明者らは上記目的を達成すべく、上記特許文献に記載のものを始めとする低分子量の有機ゲル化剤について、電解液及びリチウムイオン二次電池への応用の可能性を検討した。その結果、パーフルオロアルキル基を有する、特定の低分子量の有機ゲル化剤が電解液として有用であり、ゲルとしての性能の高いゲル電解質を形成できることがわかった。さらに、この電解液を用いて二次電池を作製した際に、高い放電容量と高い安全性とを両立できることを見出し、本発明を完成するに至った。 In order to achieve the above-mentioned object, the present inventors examined the possibility of applying low molecular weight organic gelling agents including those described in the above-mentioned patent documents to an electrolytic solution and a lithium ion secondary battery. As a result, it was found that a specific low molecular weight organic gelling agent having a perfluoroalkyl group is useful as an electrolytic solution and can form a gel electrolyte having high performance as a gel. Furthermore, when producing a secondary battery using this electrolyte solution, it discovered that it was compatible with high discharge capacity and high safety, and came to complete this invention.
すなわち、本発明は下記のとおりである。
[1]非水溶媒と、電解質と、下記一般式(1)で表される化合物と、を含有する、電気化学デバイス用の電解液。
Rf−X−Ar−OCO−Ar’−OR (1)
(式(1)中、Rfは、主鎖の炭素数2〜18の置換又は無置換のパーフルオロアルキル基を有する官能基を示し、Rは主鎖の炭素数1〜8の置換若しくは無置換の1価の炭化水素基を示し、Xは硫黄原子、酸素原子、SO基又はSO 2 基を示し、Ar及びAr’はそれぞれ独立に、環形成原子数が5以上20以下の置換若しくは無置換の芳香族基又は脂環式基を示す。)
[2]前記Rfは、下記一般式(2)で表される基である、[1]に記載の電解液。
Rf’−R’− (2)
(式(2)中、Rf’は主鎖の炭素数2〜14の置換又は無置換のパーフルオロアルキル基を示し、R’は単結合又は主鎖の炭素数1〜8の置換若しくは無置換の2価の炭化水素基を示す。)
[3]前記Ar及びAr’は、それぞれ独立に、置換若しくは無置換のフェニレン基、ビフェニレン基、ターフェニレン基、ナフチレン基、アントラニレン基又はピリジレン基である、[1]又は[2]に記載の電解液。
[4]前記Ar及びAr’は、それぞれ独立に、置換若しくは無置換のフェニレン基、ビフェニレン基又はナフチレン基のいずれかである、[1]又は[2]に記載の電解液。
[5]前記Xは、硫黄原子、SO基又はSO 2 基である、[1]〜[4]のいずれか1つに記載の電解液。
[6]前記Ar及びAr’は、それぞれ独立に、置換若しくは無置換のフェニレン基又はビフェニレン基であって、前記Xは、S原子又はSO 2 基である、[1]〜[4]のいずれか1つに記載の電解液。
[7]前記電解液はゲル化したゲル電解質である、[1]〜[6]のいずれか1つに記載の電解液。
[8]正極活物質を含有する正極と、負極活物質を含有する負極と、[1]〜[7]のいずれか1つに記載の電解液と、を備える、リチウムイオン二次電池。
[9]前記正極活物質が、リチウム含有化合物を含む、[8]に記載のリチウムイオン二次電池。
[10]前記負極活物質が、金属リチウム、炭素材料、リチウムと合金形成が可能な元素を含む材料、及び、リチウム含有化合物からなる群より選ばれる1種以上の材料を含有する、[8]又は[9]に記載のリチウムイオン二次電池。
That is, the present invention is as follows.
[1] An electrolytic solution for an electrochemical device containing a nonaqueous solvent, an electrolyte, and a compound represented by the following general formula (1).
Rf-X-Ar-OCO-Ar'-OR (1)
(In the formula (1), Rf represents a functional group having a substituted or unsubstituted perfluoroalkyl group having 2 to 18 carbon atoms in the main chain, and R represents a substituted or unsubstituted carbon group having 1 to 8 carbon atoms in the main chain. X represents a sulfur atom, oxygen atom, SO group or SO 2 group, and Ar and Ar ′ are each independently substituted or unsubstituted having 5 to 20 ring atoms. An aromatic group or an alicyclic group.)
[2] The electrolytic solution according to [1], wherein Rf is a group represented by the following general formula (2).
Rf'-R'- (2)
(In Formula (2), Rf ′ represents a substituted or unsubstituted perfluoroalkyl group having 2 to 14 carbon atoms in the main chain, and R ′ is a single bond or a substituted or unsubstituted carbon atom having 1 to 8 carbon atoms in the main chain. Of the divalent hydrocarbon group.)
[3] Ar and Ar ′ are each independently a substituted or unsubstituted phenylene group, biphenylene group, terphenylene group, naphthylene group, anthranylene group, or pyridylene group, according to [1] or [2] Electrolytic solution.
[4] The electrolytic solution according to [1] or [2], wherein Ar and Ar ′ are each independently a substituted or unsubstituted phenylene group, biphenylene group, or naphthylene group.
[5] The electrolyte solution according to any one of [1] to [4], wherein X is a sulfur atom, an SO group, or an SO 2 group.
[6] Any of [1] to [4], wherein Ar and Ar ′ are each independently a substituted or unsubstituted phenylene group or biphenylene group, and X is an S atom or an SO 2 group. The electrolyte solution as described in any one.
[7] The electrolyte solution according to any one of [1] to [6], wherein the electrolyte solution is a gelled gel electrolyte.
[8] A lithium ion secondary battery comprising a positive electrode containing a positive electrode active material, a negative electrode containing a negative electrode active material, and the electrolyte solution according to any one of [1] to [7].
[9] The lithium ion secondary battery according to [8], wherein the positive electrode active material includes a lithium-containing compound.
[10] The negative electrode active material contains at least one material selected from the group consisting of metallic lithium, a carbon material, a material containing an element capable of forming an alloy with lithium, and a lithium-containing compound. [8] Or the lithium ion secondary battery as described in [9].
本発明によると、電池特性に優れると同時に高い安全性をも実現する、電気化学デバイス用の電解液及びリチウムイオン二次電池を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the electrolyte solution for electrochemical devices and a lithium ion secondary battery which are excellent also in a battery characteristic and also implement | achieve high safety | security can be provided.
以下、本発明を実施するための形態(以下、単に「本実施形態」という。)について詳細に説明する。
本実施形態の電解液は、非水溶媒と、電解質と、下記一般式(1)で表される化合物(以下、単に「パーフルオロ基含有化合物」又は「化合物(1)」とも表記する。)とを含有するものである。
Rf−X−Ar−OCO−Ar’−OR (1)
ここで、式中、Rfは、主鎖の炭素数2〜18の置換又は無置換のパーフルオロアルキル基を有する官能基を示し、Rは主鎖の炭素数1〜8の置換若しくは無置換の1価の炭化水素基を示し、Xは硫黄原子、酸素原子、SO基又はSO2基を示し、Ar及びAr’はそれぞれ独立に、環形成原子数が5以上20以下の置換若しくは無置換の芳香族基又は脂環式基を示す。
また、本実施形態のリチウムイオン二次電池は、正極活物質を含有する正極と、負極活物質を含有する負極と、本実施形態の電解液とを備える。
上記のように構成されているため、本実施形態の電解液及びリチウムイオン二次電池は、電池特性に優れると同時に高い安全性をも実現することができる。
Hereinafter, a mode for carrying out the present invention (hereinafter simply referred to as “the present embodiment”) will be described in detail.
The electrolyte solution of the present embodiment includes a non-aqueous solvent, an electrolyte, and a compound represented by the following general formula (1) (hereinafter also simply referred to as “perfluoro group-containing compound” or “compound (1)”). It contains.
Rf-X-Ar-OCO-Ar'-OR (1)
Here, in the formula, Rf represents a functional group having a substituted or unsubstituted perfluoroalkyl group having 2 to 18 carbon atoms in the main chain, and R represents a substituted or unsubstituted carbon group having 1 to 8 carbon atoms in the main chain. Represents a monovalent hydrocarbon group, X represents a sulfur atom, oxygen atom, SO group or SO 2 group, and Ar and Ar ′ each independently represents a substituted or unsubstituted group having 5 to 20 ring atoms. An aromatic group or an alicyclic group is shown.
Moreover, the lithium ion secondary battery of this embodiment is equipped with the positive electrode containing a positive electrode active material, the negative electrode containing a negative electrode active material, and the electrolyte solution of this embodiment.
Since it is configured as described above, the electrolytic solution and the lithium ion secondary battery of the present embodiment are excellent in battery characteristics and at the same time can realize high safety.
<電解液>
本実施形態に係る電解液は、(i)非水溶媒と(ii)電解質と(iii)パーフルオロ基含有化合物とを含有する。
<Electrolyte>
The electrolytic solution according to this embodiment contains (i) a nonaqueous solvent, (ii) an electrolyte, and (iii) a perfluoro group-containing compound.
<非水溶媒>
(i)非水溶媒としては、例えば非プロトン性溶媒が挙げられ、非プロトン性極性溶媒が好ましい。その具体例としては、以下に限定されないが、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、1,2−ブチレンカーボネート、トランス−2,3−ブチレンカーボネート、シス−2,3−ブチレンカーボネート、1,2−ペンチレンカーボネート、トランス−2,3−ペンチレンカーボネート、シス−2,3−ペンチレンカーボネート、トリフルオロメチルエチレンカーボネート、フルオロエチレンカーボネート、4,5−ジフルオロエチレンカーボネートに代表される環状カーボネート、γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトンに代表されるラクトン;スルホランに代表される環状スルホン;テトラヒドロフラン、ジオキサンに代表される環状エーテル;メチルエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルプロピルカーボネート、メチルイソプロピルカーボネート、ジプロピルカーボネート、メチルブチルカーボネート、ジブチルカーボネート、エチルプロピルカーボネート、メチルトリフルオロエチルカーボネートに代表される鎖状カーボネート;アセトニトリル、プロピオニトリルに代表されるニトリル;ジメチルエーテルに代表されるエーテル;プロピオン酸メチルに代表される鎖状カルボン酸エステル;ジメトキシエタンに代表される鎖状エーテルカーボネート化合物が挙げられる。これらは1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いられる。
<Nonaqueous solvent>
(I) As a nonaqueous solvent, an aprotic solvent is mentioned, for example, Aprotic polar solvent is preferable. Specific examples thereof include, but are not limited to, ethylene carbonate, propylene carbonate, 1,2-butylene carbonate, trans-2,3-butylene carbonate, cis-2,3-butylene carbonate, 1,2-pentylene carbonate. , Trans-2,3-pentylene carbonate, cis-2,3-pentylene carbonate, trifluoromethylethylene carbonate, fluoroethylene carbonate, cyclic carbonate represented by 4,5-difluoroethylene carbonate, γ-butyrolactone, γ -Lactone represented by valerolactone; cyclic sulfone represented by sulfolane; cyclic ether represented by tetrahydrofuran and dioxane; methyl ethyl carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, Chain carbonates typified by tilpropyl carbonate, methyl isopropyl carbonate, dipropyl carbonate, methyl butyl carbonate, dibutyl carbonate, ethyl propyl carbonate, methyl trifluoroethyl carbonate; nitriles typified by acetonitrile and propionitrile; typified by dimethyl ether A chain carboxylic acid ester represented by methyl propionate; a chain ether carbonate compound represented by dimethoxyethane. These are used singly or in combination of two or more.
特に、電解液をリチウムイオン二次電池又はリチウムイオンキャパシタに用いる場合、充放電に寄与するリチウム塩の電離度を高める観点から、非水溶媒は、環状の非プロトン性極性溶媒及びニトリル溶媒からなる群より選択される1種類以上の溶媒を含むことが好ましく、エチレンカーボネートやプロピレンカーボネートに代表される環状カーボネートを1種類以上含むことがより好ましい。環状の非プロトン性極性溶媒及びニトリル溶媒は誘電率が高く、リチウム塩の電離を助けると共にゲル化能を高めるためにも有効に作用する傾向にある。 In particular, when the electrolytic solution is used for a lithium ion secondary battery or a lithium ion capacitor, the nonaqueous solvent is composed of a cyclic aprotic polar solvent and a nitrile solvent from the viewpoint of increasing the ionization degree of the lithium salt that contributes to charging and discharging. It is preferable to include one or more solvents selected from the group, and it is more preferable to include one or more cyclic carbonates typified by ethylene carbonate and propylene carbonate. Cyclic aprotic polar solvents and nitrile solvents have a high dielectric constant and tend to act effectively to aid ionization of the lithium salt and increase gelation ability.
非水溶媒としては、イオン液体を用いることもできる。イオン液体とは、有機カチオンとアニオンとを組み合わせたイオンからなる液体である。
有機カチオンとしては、以下に限定されないが、例えば、ジアルキルイミダゾリウムカチオン、トリアルキルイミダゾリウムカチオン等のイミダゾリウムイオン、テトラアルキルアンモニウムイオン、アルキルピリジニウムイオン、ジアルキルピロリジニウムイオン、ジアルキルピペリジニウムイオンが挙げられる。
An ionic liquid can also be used as the nonaqueous solvent. An ionic liquid is a liquid composed of ions obtained by combining an organic cation and an anion.
Examples of organic cations include, but are not limited to, imidazolium ions such as dialkylimidazolium cations and trialkylimidazolium cations, tetraalkylammonium ions, alkylpyridinium ions, dialkylpyrrolidinium ions, and dialkylpiperidinium ions. .
これらの有機カチオンのカウンターイオンとなるアニオンとしては、以下に限定されないが、例えば、PF6アニオン、PF3(C2F5)3アニオン、PF3(CF3)3アニオン、BF4アニオン、BF2(CF3)2アニオン、BF3(CF3)アニオン、ビスオキサレートホウ酸アニオン、Tf(トリフルオロメタンスルホニル)アニオン、Nf(ノナフルオロブタンスルホニル)アニオン、ビス(フルオロスルホニル)イミドアニオン、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドアニオン、ビス(ペンタフルオロエタンスルホニル)イミドアニオン、ジシアノアミンアニオンを用いることができる。 The anions that serve as counter ions for these organic cations are not limited to the following. For example, PF 6 anions, PF 3 (C 2 F 5 ) 3 anions, PF 3 (CF 3 ) 3 anions, BF 4 anions, BF 2 (CF 3 ) 2 anion, BF 3 (CF 3 ) anion, bisoxalate borate anion, Tf (trifluoromethanesulfonyl) anion, Nf (nonafluorobutanesulfonyl) anion, bis (fluorosulfonyl) imide anion, bis ( A trifluoromethanesulfonyl) imide anion, a bis (pentafluoroethanesulfonyl) imide anion, or a dicyanoamine anion can be used.
<電解質>
(ii)電解質は、電解液において、通常の非水電解質として用いられているものであれば特に限定されず、いずれのものであってもよい。なお、後述する「ゲル電解質」はゲル化した(ゲル状の)電解液のことを示し、本項における「電解質」とは異なる概念である。電解液がリチウムイオン二次電池及びリチウムイオンキャパシタに用いられる場合、電解質としてリチウム塩が用いられる。リチウム塩の具体例としては、以下に限定されないが、例えば、LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAsF6、Li2SiF6、LiOSO2CkF2k+1〔kは1〜8の整数〕、LiN(SO2CkF2k+1)2〔kは1〜8の整数〕、LiPFn(CkF2k+1)6-n〔nは1〜5の整数、kは1〜8の整数〕、LiBFn((CkF2k+1)4-n〔nは1〜3の整数、kは1〜8の整数〕、LiB(C2O4)2で表されるリチウムビス(オキサレート)ボレート、LiBF2(C2O4)で表されるリチウムジフルオロ(オキサレート)ボレート、LiPF4(C2O4)で表されるリチウムテトラフルオロ(オキサレート)ホスフェート、LiPO2F2、Li2PO3Fが挙げられる。
<Electrolyte>
(Ii) The electrolyte is not particularly limited as long as it is used as a normal nonaqueous electrolyte in the electrolytic solution, and any electrolyte may be used. Note that “gel electrolyte” described later indicates a gelled (gel-like) electrolytic solution, and is a concept different from “electrolyte” in this section. When the electrolytic solution is used in a lithium ion secondary battery and a lithium ion capacitor, a lithium salt is used as an electrolyte. Specific examples of the lithium salt include, but are not limited to, for example, LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiAsF 6 , Li 2 SiF 6 , LiOSO 2 C k F 2k + 1 [k is an integer of 1 to 8]. LiN (SO 2 C k F 2k + 1 ) 2 [k is an integer of 1 to 8], LiPF n (C k F 2k + 1 ) 6-n [n is an integer of 1 to 5, k is 1 to 8 LiBF n ((C k F 2k + 1 ) 4-n [n is an integer of 1 to 3, k is an integer of 1 to 8], lithium bis represented by LiB (C 2 O 4 ) 2 (Oxalate) borate, lithium difluoro (oxalate) borate represented by LiBF 2 (C 2 O 4 ), lithium tetrafluoro (oxalate) phosphate represented by LiPF 4 (C 2 O 4 ), LiPO 2 F 2 , Li 2 PO 3 F.
また、下記一般式(2a)、(2b)又は(2c)で表されるリチウム塩を用いることもできる。
LiC(SO2R11)(SO2R12)(SO2R13) (2a)
LiN(SO2OR14)(SO2OR15) (2b)
LiN(SO2R16)(SO2OR17) (2c)
ここで、式中、R11、R12、R13、R14、R15、R16及びR17は、互いに同一であっても異なっていてもよく、炭素数1〜8のパーフルオロアルキル基を示す。
Moreover, the lithium salt represented by the following general formula (2a), (2b), or (2c) can also be used.
LiC (SO 2 R 11 ) (SO 2 R 12 ) (SO 2 R 13 ) (2a)
LiN (SO 2 OR 14 ) (SO 2 OR 15 ) (2b)
LiN (SO 2 R 16 ) (SO 2 OR 17 ) (2c)
Here, in the formula, R 11 , R 12 , R 13 , R 14 , R 15 , R 16 and R 17 may be the same or different from each other, and are a C 1-8 perfluoroalkyl group. Indicates.
これらのリチウム塩は1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いられる。電池特性や安定性に加え、ゲル化能を高める観点から、これらのリチウム塩のうち、LiPF6、LiBF4、LiN(SO2CkF2k+1)2〔kは1〜8の整数〕、LiB(C2O4)2が好ましく、LiPF6及びLiBF4がより好ましい。
リチウム塩は、電解液中に好ましくは0.1〜3モル/リットル、より好ましくは0.5〜2モル/リットルの濃度で含有される。
These lithium salts are used singly or in combination of two or more. Among these lithium salts, LiPF 6 , LiBF 4 , LiN (SO 2 C k F 2k + 1 ) 2 [k is an integer of 1 to 8] from the viewpoint of improving gelation ability in addition to battery characteristics and stability. LiB (C 2 O 4 ) 2 is preferred, and LiPF 6 and LiBF 4 are more preferred.
The lithium salt is preferably contained in the electrolytic solution at a concentration of 0.1 to 3 mol / liter, more preferably 0.5 to 2 mol / liter.
<パーフルオロ基含有化合物>
(iii)パーフルオロ基含有化合物は、例えば、ゲル化剤として、又は難燃剤などの安全性向上添加剤として作用するものであり、上記一般式(1)で表され、1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いられる。
<Perfluoro group-containing compound>
(Iii) The perfluoro group-containing compound acts, for example, as a gelling agent or as a safety improving additive such as a flame retardant, and is represented by the above general formula (1), either alone or in combination. Two or more types are used in combination.
化合物(1)は、パーフルオロアルキル(オリゴメチレン)基と、芳香環又は脂環(炭素環のうち芳香環を除いたもの)2つと、OCO基(−OCO−で表される基)とを有する化合物ともいうことができる。一般式(1)において、Xは、硫黄原子、酸素原子、SO基(−SO−で表される基)又はSO2基(−SO2−で表される基)を示す。硫黄原子やSO基を有する化合物は、取扱い性により優れると共に、合成が一層容易となる。酸素原子やSO2基を有する化合物は、ゲル化性能と電池特性との両立に更に優れる。また、Xで表される基と共にOCO基を有することが、ゲル化能(電解液のゲル化に必要なゲル化剤量、電解液にゲル化剤を溶解させるために必要な加熱温度)、電池特性(長期充放電サイクル特性、保存特性、温度特性)、及び安全性(熱暴走抑制、過充電暴走抑制)等の種々の性能を同時に達成させるために一層有利である。 Compound (1) is composed of a perfluoroalkyl (oligomethylene) group, two aromatic rings or alicyclic rings (carbon ring excluding the aromatic ring), and an OCO group (a group represented by —OCO—). It can also be called the compound which has. In the general formula (1), X represents a sulfur atom, an oxygen atom, an SO group (a group represented by —SO—) or an SO 2 group (a group represented by —SO 2 —). A compound having a sulfur atom or an SO group is superior in handleability and is easier to synthesize. A compound having an oxygen atom or an SO 2 group is further excellent in achieving both gelling performance and battery characteristics. In addition, having an OCO group together with the group represented by X has a gelling ability (the amount of gelling agent necessary for gelling the electrolytic solution, the heating temperature necessary for dissolving the gelling agent in the electrolytic solution), It is more advantageous to achieve various performances such as battery characteristics (long-term charge / discharge cycle characteristics, storage characteristics, temperature characteristics) and safety (thermal runaway suppression, overcharge runaway suppression) at the same time.
Ar及びAr’はそれぞれ独立に、置換若しくは無置換の環形成原子数5〜20の2価の芳香族基又は脂環式基を示し、ArとAr’は互いに同一であっても異なっていてもよい。2価の芳香族基は、いわゆる「芳香族性」を示す環式の2価の基である。この2価の芳香族基(芳香族炭化水素基)は、単素環式の基であっても複素環式の基であってもよい。2価の脂環式基(脂環式炭化水素基)は、炭素間の単結合を有するものであり、炭素間の非共役の多重結合を有しても有しなくてもよい環式の2価の基である。これらの2価の芳香族基又は脂環式基は、置換基により置換されていてもよく、置換されていない無置換のものであってもよい。置換基は、化合物(1)を合成する際にパーフルオロアルキル(オリゴメチレン)チオ基の導入及び炭化水素オキシ基の導入を容易に可能にする観点、あるいはゲル化剤となる化合物(1)の融点及びゲル化能を最適化する観点から選択される。 Ar and Ar ′ each independently represent a substituted or unsubstituted divalent aromatic group or alicyclic group having 5 to 20 ring atoms, and Ar and Ar ′ may be the same or different from each other. Also good. The divalent aromatic group is a cyclic divalent group exhibiting so-called “aromaticity”. The divalent aromatic group (aromatic hydrocarbon group) may be a monocyclic group or a heterocyclic group. A divalent alicyclic group (alicyclic hydrocarbon group) has a single bond between carbons and may or may not have a non-conjugated multiple bond between carbons. It is a divalent group. These divalent aromatic groups or alicyclic groups may be substituted with a substituent or may be unsubstituted. The substituent is selected from the viewpoints of easily allowing the introduction of a perfluoroalkyl (oligomethylene) thio group and the introduction of a hydrocarbon oxy group when synthesizing the compound (1), or the compound (1) serving as a gelling agent. It is selected from the viewpoint of optimizing the melting point and gelling ability.
2価の芳香族基のうち、単素環式の基は、その環形成原子数が5〜20であり、置換基により置換されていてもよく、置換されていない無置換のものであってもよい。その具体例としては、以下に限定されないが、フェニレン基、ビフェニレン基、ターフェニレン基、ナフチレン基、アントラニレン基、フェナンスリレン基、ピレニレン基、クリセニレン基及びフルオランテニレン基に代表される環を有する2価の基が挙げられる。また、単素環式の基は、環形成原子数が5〜20の範囲内において、上述の2価の基を2つ以上有するものであってもよい。ここで、2つ以上の2価の基は、互いに同一であっても異なっていてもよい。単素環式の基を用いる場合、合成容易性及びゲル化容易性の観点から、置換又は無置換の、フェニレン基、ビフェニレン基、ターフェニレン基、ナフチレン基及びアントラニレン基のいずれかを用いることが好ましく、置換又は無置換の、フェニレン基、ビフェニレン基及びナフチレン基のいずれかを用いることが更に好ましい。 Among divalent aromatic groups, a monocyclic group has 5 to 20 ring-forming atoms, may be substituted with a substituent, and is unsubstituted or unsubstituted. Also good. Specific examples thereof include, but are not limited to, divalent having a ring represented by a phenylene group, a biphenylene group, a terphenylene group, a naphthylene group, an anthranylene group, a phenanthrylene group, a pyrenylene group, a chrysenylene group, and a fluoranthenylene group. The group of is mentioned. In addition, the monocyclic group may have two or more of the above-described divalent groups within the range of 5 to 20 ring-forming atoms. Here, two or more divalent groups may be the same as or different from each other. When using a monocyclic group, from the viewpoint of ease of synthesis and ease of gelation, a substituted or unsubstituted phenylene group, biphenylene group, terphenylene group, naphthylene group, and anthranylene group may be used. It is preferable to use any one of a substituted or unsubstituted phenylene group, biphenylene group and naphthylene group.
2価の芳香族基のうち、複素環式の基は、その環形成原子数が5〜20であり、以下に限定されないが、例えば、ピローレン基、フラニレン基、チオフェニレン基、トリアゾーレン基、オキサジアゾーレン基、ピリジレン基及びピリミジレン基に代表される環を有する2価の基が挙げられる。また、複素環式の基は、環形成原子数が5〜20の範囲内において、上述の2価の基を2つ以上有するものであってもよい。ここで、2つ以上の2価の基は、互いに同一であっても異なっていてもよい。 Among the divalent aromatic groups, the heterocyclic group has 5 to 20 ring-forming atoms, and is not limited to the following. For example, a pyrrolene group, a furylene group, a thiophenylene group, a triazolen group, an oxa group Examples thereof include divalent groups having a ring represented by a diazolene group, a pyridylene group, and a pyrimidylene group. Further, the heterocyclic group may have two or more of the above-described divalent groups within the range of 5 to 20 ring forming atoms. Here, two or more divalent groups may be the same as or different from each other.
さらに、Ar及びAr’は、環形成原子数5〜20の範囲内において、上記単素環式の基及び複素環式の基の両方を有する基であってもよい。 Furthermore, Ar and Ar ′ may be a group having both the above monocyclic group and heterocyclic group within the range of 5 to 20 ring-forming atoms.
脂環式基は、その環形成原子数が5〜20であり、以下に限定されないが、例えば、シクロペンタン基、シクロヘキサン基及びシクロオクタン基に代表される環を有する2価の基が挙げられる。 The alicyclic group has 5 to 20 ring-forming atoms and is not limited to the following, but examples thereof include a divalent group having a ring represented by a cyclopentane group, a cyclohexane group, and a cyclooctane group. .
これらの中でも、本実施形態による効果をより有効且つ確実に奏する観点から、置換若しくは無置換の、フェニレン基、ビフェニレン基、ターフェニレン基、ナフチレン基、アントラニレン基又はピリジレン基が好ましく、置換又は無置換の、フェニレン基、ビフェニレン基又はナフチレン基がより好ましく、置換又は無置換の、フェニレン基又はビフェニレン基が更に好ましい。原料の入手が容易であり、合成が容易である観点からはフェニレン基が好ましく、少量の使用で高いゲル化能を示す観点からはビフェニレン基が好ましい。 Among these, from the viewpoint of more effectively and reliably achieving the effects of the present embodiment, a substituted or unsubstituted phenylene group, biphenylene group, terphenylene group, naphthylene group, anthranylene group, or pyridylene group is preferable, and substituted or unsubstituted. Of these, a phenylene group, a biphenylene group or a naphthylene group is more preferred, and a substituted or unsubstituted phenylene group or biphenylene group is more preferred. From the viewpoint of easy availability of raw materials and easy synthesis, a phenylene group is preferable, and a biphenylene group is preferable from the viewpoint of showing high gelling ability with a small amount of use.
また、上記置換基としては、以下に限定されないが、例えば、メチル基、エチル基に代表されるアルキル基、ハロゲン原子が挙げられる。 Moreover, as said substituent, although not limited to the following, For example, the alkyl group represented by the methyl group and the ethyl group, and a halogen atom are mentioned.
さらには、Ar及びAr’が互いに異なると、ゲル化能(電解液のゲル化に必要なゲル化剤量、電解液にゲル化剤を溶解させるために必要な加熱温度)、電池特性(長期充放電サイクル特性、保存特性、温度特性)、及び安全性(熱暴走抑制、過充電暴走抑制)等の種々の性能を、目的に合わせて制御しやすいために有利である。 Furthermore, when Ar and Ar ′ are different from each other, the gelling ability (the amount of gelling agent necessary for gelation of the electrolyte, the heating temperature necessary for dissolving the gelling agent in the electrolyte), battery characteristics (long-term It is advantageous because various performances such as charge / discharge cycle characteristics, storage characteristics, temperature characteristics) and safety (heat runaway suppression, overcharge runaway suppression) can be easily controlled according to the purpose.
Rは、主鎖の炭素数1〜8の置換若しくは無置換の1価の炭化水素基を示す。また、Rは、1価の脂肪族炭化水素基であってもよく、更に置換基として、フェニル基などの1価の芳香族炭化水素基を有していてもよい。上記1価の炭化水素基が1価の脂肪族炭化水素基である場合、分岐していても分岐していなくても(直鎖状であっても)よい。また、上記1価の炭化水素基が置換基として1価の芳香族炭化水素基を有する場合、その芳香族炭化水素基が更に置換基を有していても有していなくてもよい。
無置換の1価の炭化水素基としては、以下に限定されないが、例えば、メチル基、エチル基、プロピル基、n−ブチル基、イソブチル基、n−ペンチル基、ネオペンチル基、n−ヘキシル基、n−ヘプチル基、n−オクチル基などの炭素数1〜8の分岐状又は直鎖状のアルキル基が挙げられる。
R represents a substituted or unsubstituted monovalent hydrocarbon group having 1 to 8 carbon atoms in the main chain. R may be a monovalent aliphatic hydrocarbon group, and may further have a monovalent aromatic hydrocarbon group such as a phenyl group as a substituent. When the monovalent hydrocarbon group is a monovalent aliphatic hydrocarbon group, it may be branched or unbranched (linear). When the monovalent hydrocarbon group has a monovalent aromatic hydrocarbon group as a substituent, the aromatic hydrocarbon group may or may not have a substituent.
Examples of the unsubstituted monovalent hydrocarbon group include, but are not limited to, methyl group, ethyl group, propyl group, n-butyl group, isobutyl group, n-pentyl group, neopentyl group, n-hexyl group, C1-C8 branched or linear alkyl groups, such as n-heptyl group and n-octyl group, are mentioned.
前記化合物(1)において、Ar及びAr’は、それぞれ独立にフェニレン基又はビフェニレン基であって、Xが硫黄原子又はSO2基であると好ましく、Ar及びAr’のいずれか一方がフェニレン基、他方がビフェニレン基であって、Xが硫黄原子又はSO2基であるとより好ましい。このような構造にすると合成容易性、ゲル化能、電池特性及び安全性のいずれにおいてもより高いレベルで兼ね備えることができる。 In the compound (1), Ar and Ar ′ are each independently a phenylene group or a biphenylene group, and X is preferably a sulfur atom or an SO 2 group, and any one of Ar and Ar ′ is a phenylene group, More preferably, the other is a biphenylene group and X is a sulfur atom or an SO 2 group. With such a structure, it is possible to have a higher level in terms of ease of synthesis, gelation ability, battery characteristics, and safety.
Rfは、主鎖の炭素数2〜18の置換又は無置換の1価のパーフルオロアルキル基を含む基を示す。Rfの主鎖の炭素数は、4〜16であると好ましく、4〜10であるとより好ましい。その炭素数を上記範囲にすることで、化合物(1)は合成が容易であり、かつ高いゲル化能を示すと共に、取扱い性にも優れる化合物となる。 Rf represents a group containing a monovalent perfluoroalkyl group or a substituted or unsubstituted 2 to 18 carbon atoms in the main chain. The number of carbon atoms in the main chain of Rf is preferably 4 to 16, and more preferably 4 to 10. By making the carbon number within the above range, the compound (1) is easy to synthesize, exhibits high gelling ability, and is excellent in handleability.
Rfは、下記式(2):
Rf'−R'− (2)
で表される基であると好ましい。ここで、Rf'は、主鎖の炭素数2〜14の置換又は無置換の1価のパーフルオロアルキル基を示し,R'は単結合、又は主鎖の炭素数1〜8の置換若しくは無置換の2価の炭化水素基を示し、主鎖の炭素数1〜8の置換若しくは無置換のアルキレン基であると好ましく、主鎖の炭素数1〜8の無置換のアルキレン基であるとより好ましい。また、R'の主鎖の炭素数は2〜6であるとより好ましく、2〜4であると更に好ましい。パーフルオロアルキル基とアルキレン基との両者を有する構造にすることで、より高いゲル化能と取扱い性を両立することができる。同様の観点から、Rf'の炭素数がR'の炭素数よりも多い方がより好ましい。
Rf is the following formula (2):
Rf'-R'- (2)
It is preferable that it is group represented by these. Here, Rf 'is a monovalent perfluoroalkyl group or a substituted or unsubstituted carbon atoms 2 to 14 backbone, R' is a single bond, or backbone carbon atoms of 1 to 8 substituted or unsubstituted A substituted divalent hydrocarbon group, preferably a substituted or unsubstituted alkylene group having 1 to 8 carbon atoms in the main chain, and more preferably an unsubstituted alkylene group having 1 to 8 carbon atoms in the main chain; preferable. Moreover, the carbon number of the main chain of R ′ is more preferably 2 to 6, and further preferably 2 to 4. By using a structure having both a perfluoroalkyl group and an alkylene group, it is possible to achieve both higher gelling ability and handleability. From the same viewpoint, it is more preferable that Rf ′ has more carbon atoms than R ′.
上述のとおり、化合物(1)は、芳香族基及び脂環式基を少なくとも2つ有している。芳香族基又は脂環式基を複数有することで、パーフルオロアルキル鎖が比較的短鎖でもゲル化能が高くなる点で優れる。パーフルオロアルキル基は、その中のアルキル鎖が長くなるほど原料の入手が困難になるため、パーフルオロアルキル基のアルキル鎖が短くてもゲル状になる点は、化合物(1)の優位な点である。また、化合物(1)はXとエステル部位とを有する。芳香族基と他の基とを接続する基としてこれらの部位を組み合わせることで、形成するゲルの強度とゾル−ゲル温度が電池として取り扱いやすいものとなる。さらには、化合物(1)は、比較的単純な構造であり、合成容易性及び合成原料の入手容易性という点からも優れる。 As described above, the compound (1) has at least two aromatic groups and alicyclic groups. Having a plurality of aromatic groups or alicyclic groups is excellent in that the gelling ability is increased even if the perfluoroalkyl chain is relatively short. Since the perfluoroalkyl group becomes difficult to obtain as the alkyl chain in the perfluoroalkyl group becomes longer, the perfluoroalkyl group becomes a gel even if the alkyl chain of the perfluoroalkyl group is short. This is an advantage of the compound (1). is there. Compound (1) has X and an ester moiety. By combining these portions as a group for connecting an aromatic group and another group, the strength of the gel to be formed and the sol-gel temperature can be easily handled as a battery. Furthermore, the compound (1) has a relatively simple structure and is excellent from the viewpoints of ease of synthesis and availability of synthetic raw materials.
本実施形態の化合物(1)の製法は特に限定されるものでないが、例えば、下記のスキーム又はそれに準じたスキームによって合成することができる。なお、より詳細には実施例に記載の方法により合成することができる。また、各式中の符号のうち上記一般式(1)と同じ符号は、その一般式(1)におけるものと同義であり、各式同士で互いに同じ符号がある場合は、それらの符号は互いに同義である。 Although the manufacturing method of the compound (1) of this embodiment is not specifically limited, For example, it is compoundable with the following scheme or the scheme according to it. In more detail, it can be synthesized by the method described in the examples. Moreover, the code | symbol same as the said General formula (1) among the code | symbols in each formula is synonymous with the thing in the general formula (1), and when each formula has the same code | symbol mutually, those code | symbols mutually It is synonymous.
まず、下記一般式(1a)で表される化合物を、アセトンなどの溶媒中、K2CO3などのアルカリ金属化合物の存在下、下記一般式(1b)で表される化合物でスルフィド化又はエーテル化して、下記一般式(1c)で表される化合物を得る。
H−X1−Ar−OH (1a)
RfZ1 (1b)
Rf−X1−Ar−OH (1c)
ここで、上記式中、X1は、酸素原子又は硫黄原子を示し、Z1は、例えばヨウ素原子などのハロゲン原子を示す(以下同様。)。
First, a compound represented by the following general formula (1a) is sulfided or etherified with a compound represented by the following general formula (1b) in the presence of an alkali metal compound such as K 2 CO 3 in a solvent such as acetone. To obtain a compound represented by the following general formula (1c).
H—X 1 —Ar—OH (1a)
RfZ 1 (1b)
Rf-X 1 -Ar-OH ( 1c)
Here, in the above formula, X 1 represents an oxygen atom or a sulfur atom, and Z 1 represents a halogen atom such as an iodine atom (the same applies hereinafter).
上記一般式(1c)で表される化合物におけるX1が硫黄原子である場合、その化合物を酢酸などの触媒の存在下で、過酸化水素などの酸化剤により酸化(スルホニル化又はスルホキシド化)することで、下記一般式(1d)で表される化合物が得られる。
Rf−X2−Ar−OH (1d)
ここで、式(1d)中、X2は−SO2−又は−SO−で表される基を示す。
When X 1 in the compound represented by the general formula (1c) is a sulfur atom, the compound is oxidized (sulfonylated or sulfoxidized) with an oxidizing agent such as hydrogen peroxide in the presence of a catalyst such as acetic acid. Thus, a compound represented by the following general formula (1d) is obtained.
Rf-X 2 -Ar-OH ( 1d)
Here, in the formula (1d), X 2 represents a group represented by —SO 2 — or —SO—.
また、下記一般式(1e)で表される化合物(カルボン酸化合物)を、塩化チオニルなどを用いて塩素化して、下記一般式(1f)で表される化合物を得る。
RO−Ar’−COOH (1e)
RO−Ar’−COCl (1f)
Further, a compound represented by the following general formula (1e) (carboxylic acid compound) is chlorinated using thionyl chloride or the like to obtain a compound represented by the following general formula (1f).
RO-Ar'-COOH (1e)
RO-Ar'-COCl (1f)
次いで、上記一般式(1c)又は(1d)で表される化合物に無水トルエンを添加し、無水ピリジンに溶解した上記一般式(1f)で表される化合物と反応させて、化合物(1)を得る。 Next, anhydrous toluene is added to the compound represented by the above general formula (1c) or (1d), and the compound is reacted with the compound represented by the above general formula (1f) dissolved in anhydrous pyridine to give the compound (1). obtain.
化合物(1)は、本実施形態における非水溶媒を、好ましくは20質量%程度以下の少量の添加でゲル化することができる。化合物(1)を非水溶媒に添加し、昇温して溶解し、生成した溶液を常温に戻すことによりゲル化する。化合物(1)は、例えば0.3〜20質量%、好適には0.4〜15質量%程度の少量の添加で、電解液に適した高誘電率の非プロトン性極性溶媒、例えば、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネートに代表される環状カーボネート;γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトンに代表されるラクトン;スルホランに代表される環状スルホン;アセトニトリルに代表されるニトリルなどをゲル化することが可能である。 Compound (1) can gel the non-aqueous solvent in the present embodiment, preferably by adding a small amount of about 20% by mass or less. The compound (1) is added to a non-aqueous solvent, dissolved by heating, and the resulting solution is gelled by returning to room temperature. Compound (1) is an aprotic polar solvent having a high dielectric constant suitable for an electrolytic solution, for example, propylene, with a small addition of, for example, 0.3 to 20% by mass, preferably about 0.4 to 15% by mass. It is possible to gel a cyclic carbonate represented by carbonate and butylene carbonate; a lactone represented by γ-butyrolactone and γ-valerolactone; a cyclic sulfone represented by sulfolane; a nitrile represented by acetonitrile.
本実施形態におけるパーフルオロ基含有化合物は、上記の化合物(1)の1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いられる。 The perfluoro group-containing compound in the present embodiment is used alone or in combination of two or more of the above compound (1).
上記パーフルオロ基含有化合物と非水溶媒との混合比は任意であるが、ゲル化能と取扱い性とを更に良好にする観点から、質量基準で、パーフルオロ基含有化合物:非水溶媒が0.1:99.9〜20:80であると好ましく、0.5:99.5〜15:85であるとより好ましい。それらの混合物100質量%に対して、パーフルオロ基含有化合物の比率が0.1質量%以上であると、ゲル−ゾルの相転移点が高くなって更に強固なゲルとなり、20質量%以下であると、電解液の粘度がより低くなり、一層取り扱いやすいゲルとなる。 The mixing ratio of the perfluoro group-containing compound and the non-aqueous solvent is arbitrary, but from the viewpoint of further improving the gelling ability and handleability, the perfluoro group-containing compound: non-aqueous solvent is 0 on a mass basis. : 1: 99.9 to 20:80, and more preferably 0.5: 99.5 to 15:85. When the ratio of the perfluoro group-containing compound is 0.1% by mass or more with respect to 100% by mass of the mixture, the gel-sol phase transition point becomes high and the gel becomes stronger. If it exists, the viscosity of electrolyte solution will become lower and it will become a gel which is easier to handle.
非水溶媒と電解質と上記パーフルオロ基含有化合物との混合比は目的に応じて選択できるが、非水溶媒に対し電解質を好ましくは0.1〜3モル/リットル、より好ましくは0.5〜2モル/リットル混合した混合液に対して、パーフルオロ基含有化合物を、質量基準のパーフルオロ基含有化合物:非水溶媒で、好ましくは0.1:99.9〜20:80、より好ましくは0.3:99.7〜10:90となるよう添加するのが好ましい。このような組成で電解液を作製することで、電池特性、取り扱い性及び安全性の全てを更に良好なものとすることができる。 The mixing ratio of the nonaqueous solvent, the electrolyte and the perfluoro group-containing compound can be selected according to the purpose, but the electrolyte is preferably 0.1 to 3 mol / liter, more preferably 0.5 to The perfluoro group-containing compound is a mass-based perfluoro group-containing compound: non-aqueous solvent, preferably 0.1: 99.9 to 20:80, more preferably 2 mol / liter of the mixed liquid. It is preferable to add 0.3: 99.7 to 10:90. By preparing the electrolytic solution with such a composition, all of battery characteristics, handleability and safety can be further improved.
なお、本実施形態の電解液の製造方法としては、特に限定されず、上述した非水溶媒と電解質とパーフルオロ基含有化合物とを適宜混合して、本実施形態の電解液を製造することができる。非水溶媒と電解質と化合物(1)との混合順としては特に限定されず、様々な順を選択することができる。例えば、所定量の電解質を非水溶媒に溶解させた母電解液を調製し、その後、化合物(1)を当該母電解液に導入してもよい。化合物(1)を導入して得られた液を、70〜150℃まで昇温して均一な溶液にした後、室温まで降温することで、本実施形態の電解液が調製され得る。
あるいは、非水溶媒と化合物(1)とを混合し、70〜150℃まで昇温して化合物(1)を溶解した後に降温し、その後電解質を溶解することで、本実施形態の電解液を調製してもよい。
さらには、全ての化合物を同時に混合して本実施形態の電解液を調製することも可能である。
In addition, it does not specifically limit as a manufacturing method of the electrolyte solution of this embodiment, The electrolyte solution of this embodiment can be manufactured by mixing the nonaqueous solvent mentioned above, electrolyte, and a perfluoro group containing compound suitably. it can. The mixing order of the non-aqueous solvent, the electrolyte, and the compound (1) is not particularly limited, and various orders can be selected. For example, a mother electrolyte in which a predetermined amount of electrolyte is dissolved in a nonaqueous solvent may be prepared, and then compound (1) may be introduced into the mother electrolyte. The liquid obtained by introducing the compound (1) is heated to 70 to 150 ° C. to make a uniform solution, and then cooled to room temperature, whereby the electrolytic solution of this embodiment can be prepared.
Alternatively, the non-aqueous solvent and the compound (1) are mixed, the temperature is raised to 70 to 150 ° C. to dissolve the compound (1), the temperature is lowered, and then the electrolyte is dissolved, whereby the electrolytic solution of the present embodiment is obtained. It may be prepared.
Furthermore, it is also possible to prepare the electrolytic solution of this embodiment by mixing all the compounds simultaneously.
なお、本実施形態の電解液は、本実施形態の所望の効果を阻害しない範囲において、ゲル化剤として、化合物(1)に加えて、化合物(1)以外のゲル化剤を含有してもよい。 In addition, in the range which does not inhibit the desired effect of this embodiment, the electrolyte solution of this embodiment may contain gelling agents other than compound (1) in addition to compound (1) as a gelling agent. Good.
本実施形態の電解液は、電池特性と安全性の両立の観点から、ゲル化された電解質、すなわちゲル電解質であることが好ましい。ここで、ゲル電解質とは、上述した本実施形態の「電解質」とは異なるものであり、本実施形態におけるパーフルオロ基含有化合物の作用により本来液状の電解液がゲル化されたものを示す。ゲル電解質か否かの区別は、例えば、後述の実施例に記載の「電解液のゲル化能の評価」を行うことで判定することができる。 The electrolytic solution of the present embodiment is preferably a gelled electrolyte, that is, a gel electrolyte, from the viewpoint of achieving both battery characteristics and safety. Here, the gel electrolyte is different from the “electrolyte” of the present embodiment described above, and indicates a gel electrolyte of an originally liquid electrolyte solution by the action of the perfluoro group-containing compound in the present embodiment. The distinction as to whether or not it is a gel electrolyte can be determined, for example, by performing “evaluation of gelling ability of electrolytic solution” described in Examples below.
<正極>
正極は、リチウムイオン二次電池の正極として作用するものであれば特に限定されず、公知のものであってもよい。正極は、正極活物質としてリチウムイオンを吸蔵及び放出することが可能な材料からなる群より選ばれる1種以上の材料を含有すると好ましい。そのような材料としては、以下に限定されないが、例えば、下記一般式(6a)及び(6b)で表される複合酸化物、トンネル構造及び層状構造の金属カルコゲン化物並びに金属酸化物等が挙げられる。
LixMO2 (6a)
LiyM2O4 (6b)
ここで、式中、Mは遷移金属から選ばれる1種以上の金属を示し、xは0〜1の数、yは0〜2の数を示す。
<Positive electrode>
A positive electrode will not be specifically limited if it acts as a positive electrode of a lithium ion secondary battery, A well-known thing may be used. The positive electrode preferably contains one or more materials selected from the group consisting of materials capable of inserting and extracting lithium ions as the positive electrode active material. Examples of such materials include, but are not limited to, composite oxides represented by the following general formulas (6a) and (6b), metal chalcogenides having a tunnel structure and a layered structure, and metal oxides. .
Li x MO 2 (6a)
Li y M 2 O 4 (6b)
Here, in the formula, M represents one or more metals selected from transition metals, x represents a number from 0 to 1, and y represents a number from 0 to 2.
より具体的には、以下に限定されないが、例えば、LiCoO2に代表されるリチウムコバルト酸化物;LiMnO2、LiMn2O4、Li2Mn2O4に代表されるリチウムマンガン酸化物;LiNiO2に代表されるリチウムニッケル酸化物;LizMO2(MはNi、Mn、Co、Al及びMgからなる群より選ばれる2種以上の元素を示し、zは0.9超1.2未満の数を示す)で表されるリチウム含有複合金属酸化物;LiFePO4で表されるリン酸鉄オリビンが挙げられる。また、正極活物質として、以下に限定されないが、例えば、S、MnO2、FeO2、FeS2、V2O5、V6O13、TiO2、TiS2、MoS2及びNbSe2に代表されるリチウム以外の金属の酸化物も例示される。さらには、ポリアニリン、ポリチオフェン、ポリアセチレン及びポリピロールに代表される導電性高分子も正極活物質として例示される。 More specifically, although not limited to the following, for example, lithium cobalt oxide typified by LiCoO 2 ; lithium manganese oxide typified by LiMnO 2 , LiMn 2 O 4 , Li 2 Mn 2 O 4 ; LiNiO 2 Li z MO 2 (M represents two or more elements selected from the group consisting of Ni, Mn, Co, Al, and Mg, and z is more than 0.9 and less than 1.2. And a lithium-containing composite metal oxide represented by LiFePO 4 and an iron phosphate olivine represented by LiFePO 4 . The positive electrode active material is not limited to the following, but, for example, S, MnO 2 , FeO 2 , FeS 2 , V 2 O 5 , V 6 O 13 , TiO 2 , TiS 2 , MoS 2 and NbSe 2 are representative. Examples thereof include oxides of metals other than lithium. Furthermore, conductive polymers represented by polyaniline, polythiophene, polyacetylene, and polypyrrole are also exemplified as the positive electrode active material.
また、正極活物質がリチウム含有化合物を含むと、より高電圧及び高エネルギー密度を得ることができる傾向にあるので好ましい。このようなリチウム含有化合物としては、リチウムを含有するものであればよく、以下に限定されないが、例えば、リチウムと遷移金属元素とを含む複合酸化物;リチウムと遷移金属元素とを含むリン酸化合物及びリチウムと遷移金属元素とを含むケイ酸金属化合物(例えばLitMuSiO4、Mは上記式(6a)と同義であり、tは0〜1の数、uは0〜2の数を示す。)が挙げられる。より高い電圧を得る観点から、特に、リチウムと、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、クロム(Cr)、バナジウム(V)及びチタン(Ti)からなる群より選ばれる1種以上の遷移金属元素とを含む複合酸化物並びにリン酸化合物が好ましい。 In addition, it is preferable that the positive electrode active material contains a lithium-containing compound because a higher voltage and a higher energy density tend to be obtained. Such a lithium-containing compound is not limited to the following as long as it contains lithium, and is, for example, a composite oxide containing lithium and a transition metal element; a phosphate compound containing lithium and a transition metal element And a metal silicate compound containing lithium and a transition metal element (for example, Li t M u SiO 4 , M is as defined in the above formula (6a), t is a number from 0 to 1, u is a number from 0 to 2. Are shown). From the viewpoint of obtaining a higher voltage, lithium, cobalt (Co), nickel (Ni), manganese (Mn), iron (Fe), copper (Cu), zinc (Zn), chromium (Cr), vanadium ( V) and composite oxides containing at least one transition metal element selected from the group consisting of titanium (Ti) and phosphate compounds are preferred.
より具体的には、かかるリチウム含有化合物としてリチウムを有する金属酸化物、リチウムを有する金属カルコゲン化物及びリチウムを有するリン酸金属化合物が好ましく、例えば、それぞれ下記一般式(7a)、(7b)で表される化合物が挙げられる。
LivMIO2 (7a)
LiwMIIPO4 (7b)
ここで、式中、MI及びMIIはそれぞれ1種以上の遷移金属元素を示し、v及びwの値は電池の充放電状態によって異なるが、通常vは0.05〜1.10、wは0.05〜1.10の数を示す。
More specifically, the lithium-containing compound is preferably a metal oxide having lithium, a metal chalcogenide having lithium, and a metal phosphate compound having lithium. For example, the lithium-containing compounds are represented by the following general formulas (7a) and (7b), respectively. The compound which is made is mentioned.
Li v M I O 2 (7a )
Li w M II PO 4 (7b)
Here, in the formula, M I and M II each represent one or more transition metal elements, and the values of v and w vary depending on the charge / discharge state of the battery, but usually v is 0.05 to 1.10, w Indicates a number from 0.05 to 1.10.
上記一般式(7a)で表される化合物は一般に層状構造を有し、上記一般式(7b)で表される化合物は一般にオリビン構造を有する。これらの化合物において、構造を安定化させる等の目的から、遷移金属元素の一部をAl、Mg、その他の遷移金属元素で置換したり結晶粒界に含ませたりしたもの、酸素原子の一部をフッ素原子等で置換したものも挙げられる。さらに、正極活物質表面の少なくとも一部に他の正極活物質を被覆したものも挙げられる。 The compound represented by the general formula (7a) generally has a layered structure, and the compound represented by the general formula (7b) generally has an olivine structure. In these compounds, for the purpose of stabilizing the structure, a part of the transition metal element is substituted with Al, Mg, other transition metal elements or included in the crystal grain boundary, a part of the oxygen atom And those substituted with a fluorine atom or the like. Furthermore, what coat | covered the other positive electrode active material to at least one part of the positive electrode active material surface is mentioned.
正極活物質は、1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いられる。 A positive electrode active material is used individually by 1 type or in combination of 2 or more types.
正極活物質の数平均粒子径(一次粒子径)は、好ましくは0.05μm〜100μm、より好ましくは1μm〜10μmである。正極活物質の数平均粒子径は湿式の粒子径測定装置(例えば、レーザー回折/散乱式粒度分布計、動的光散乱式粒度分布計)により測定することができる。あるいは、透過型電子顕微鏡にて観察した粒子100個をランダムに抽出し、画像解析ソフト(例えば、旭化成エンジニアリング株式会社製の画像解析ソフト、商品名「A像くん」)で解析し、その相加平均を算出することでも得られる。この場合、同じ試料に対して、測定方法間で数平均粒子径が異なる場合は、標準試料を対象として作成した検量線を用いてもよい。 The number average particle diameter (primary particle diameter) of the positive electrode active material is preferably 0.05 μm to 100 μm, more preferably 1 μm to 10 μm. The number average particle size of the positive electrode active material can be measured by a wet particle size measuring device (for example, a laser diffraction / scattering particle size distribution meter, a dynamic light scattering particle size distribution meter). Alternatively, 100 particles observed with a transmission electron microscope are randomly extracted and analyzed with image analysis software (for example, image analysis software manufactured by Asahi Kasei Engineering Co., Ltd., trade name “A Image-kun”). It can also be obtained by calculating an average. In this case, when the number average particle diameter differs between measurement methods for the same sample, a calibration curve created for the standard sample may be used.
正極は、以下に限定されないが、例えば、下記のようにして得られる。すなわち、まず、上記正極活物質に対して、必要に応じて、導電助剤やバインダー等を加えて混合した正極合剤を溶剤に分散させて正極合剤含有ペーストを調製する。次いで、この正極合剤含有ペーストを正極集電体に塗布し、乾燥して正極合剤層を形成し、それを必要に応じて加圧し厚みを調整することによって、正極が作製される。
ここで、正極合剤含有ペースト中の固形分濃度は、好ましくは30〜80質量%であり、より好ましくは40〜70質量%である。
正極集電体は、以下に限定されないが、例えば、アルミニウム箔又はステンレス箔などの金属箔等により構成される。
Although a positive electrode is not limited to the following, for example, it is obtained as follows. That is, first, a positive electrode mixture-containing paste is prepared by dispersing, in a solvent, a positive electrode mixture obtained by adding a conductive additive, a binder, or the like to the positive electrode active material as necessary. Next, this positive electrode mixture-containing paste is applied to a positive electrode current collector and dried to form a positive electrode mixture layer, which is pressurized as necessary to adjust the thickness, thereby producing a positive electrode.
Here, the solid content concentration in the positive electrode mixture-containing paste is preferably 30 to 80% by mass, and more preferably 40 to 70% by mass.
The positive electrode current collector is not limited to the following, but is constituted by, for example, a metal foil such as an aluminum foil or a stainless steel foil.
<負極>
負極は、リチウムイオン二次電池の負極として作用するものであれば特に限定されず、公知のものであってもよい。負極は、負極活物質としてリチウムイオンを吸蔵及び放出することが可能な材料及び金属リチウムからなる群より選ばれる1種以上の材料を含有すると好ましい。そのような材料としては金属リチウムの他に、以下に限定されないが、例えば、アモルファスカーボン(ハードカーボン)、人造黒鉛、天然黒鉛、黒鉛、熱分解炭素、コークス、ガラス状炭素、有機高分子化合物の焼成体、メソカーボンマイクロビーズ、炭素繊維、活性炭、グラファイト、炭素コロイド、カーボンブラック等に代表される炭素材料が挙げられる。これらのうち、コークスとしては、以下に限定されないが、例えば、ピッチコークス、ニードルコークス、石油コークス等が挙げられる。また、有機高分子化合物の焼成体は、フェノール樹脂やフラン樹脂などの高分子材料を適当な温度で焼成して炭素化したものである。なお、本実施形態においては、負極活物質に金属リチウムを採用した電池もリチウムイオン二次電池に含めるものとする。
<Negative electrode>
A negative electrode will not be specifically limited if it acts as a negative electrode of a lithium ion secondary battery, A well-known thing may be used. The negative electrode preferably contains at least one material selected from the group consisting of a material capable of inserting and extracting lithium ions as a negative electrode active material and metallic lithium. In addition to metallic lithium, such materials include, but are not limited to, for example, amorphous carbon (hard carbon), artificial graphite, natural graphite, graphite, pyrolytic carbon, coke, glassy carbon, organic polymer compounds Examples thereof include carbon materials typified by fired bodies, mesocarbon microbeads, carbon fibers, activated carbon, graphite, carbon colloid, carbon black and the like. Among these, the coke is not limited to the following, and examples thereof include pitch coke, needle coke, and petroleum coke. Further, the fired body of the organic polymer compound is obtained by firing and polymerizing a polymer material such as a phenol resin or a furan resin at an appropriate temperature. In the present embodiment, a battery employing metallic lithium as the negative electrode active material is also included in the lithium ion secondary battery.
さらに、リチウムイオンを吸蔵及び放出することが可能な材料としては、リチウムと合金を形成可能な元素を含む材料も挙げられる。この材料は金属又は半金属の単体であっても合金であっても化合物であってもよく、またこれらの1種又は2種以上の相を少なくとも一部に有するようなものであってもよい。 Further, examples of the material capable of inserting and extracting lithium ions include a material containing an element capable of forming an alloy with lithium. This material may be a single metal or semi-metal, an alloy or a compound, and may have at least a part of one or more of these phases. .
なお、本明細書において、「合金」には、2種以上の金属元素からなるものに加えて、1種以上の金属元素と1種以上の半金属元素とを有するものも含める。また、合金が、その全体として金属の性質を有するものであれば非金属元素を有していてもよい。その合金の組織には固溶体、共晶(共融混合物)、金属間化合物又はこれらのうちの2種以上が共存する。 In the present specification, the “alloy” includes an alloy having one or more metal elements and one or more metalloid elements in addition to an alloy composed of two or more metal elements. In addition, the alloy may have a nonmetallic element as long as the alloy has metallic properties as a whole. In the alloy structure, a solid solution, a eutectic (eutectic mixture), an intermetallic compound, or two or more of these coexist.
このような金属元素及び半金属元素としては、以下に限定されないが、例えば、チタン(Ti)、スズ(Sn)、鉛(Pb)、アルミニウム、インジウム(In)、ケイ素(Si)、亜鉛(Zn)、アンチモン(Sb)、ビスマス(Bi)、ガリウム(Ga)、ゲルマニウム(Ge)、ヒ素(As)、銀(Ag)、ハフニウム(Hf)、ジルコニウム(Zr)、イットリウム(Y)が挙げられる。 Examples of such metal elements and metalloid elements include, but are not limited to, titanium (Ti), tin (Sn), lead (Pb), aluminum, indium (In), silicon (Si), and zinc (Zn). ), Antimony (Sb), bismuth (Bi), gallium (Ga), germanium (Ge), arsenic (As), silver (Ag), hafnium (Hf), zirconium (Zr), and yttrium (Y).
これらの中でも、長周期型周期表における4族又は14族の金属元素及び半金属元素が好ましく、特に好ましいのはチタン、ケイ素及びスズである。 Among these, metal elements and metalloid elements of Group 4 or 14 in the long-period periodic table are preferable, and titanium, silicon, and tin are particularly preferable.
スズの合金としては、以下に限定されないが、例えば、スズ以外の第2の構成元素として、ケイ素、マグネシウム、ニッケル、銅、鉄、コバルト、マンガン、亜鉛、インジウム、銀、チタン、ゲルマニウム、ビスマス、アンチモン及びクロムからなる群より選ばれる1種以上の元素を有するものが挙げられる。 Examples of tin alloys include, but are not limited to, for example, silicon, magnesium, nickel, copper, iron, cobalt, manganese, zinc, indium, silver, titanium, germanium, bismuth, Examples thereof include those having one or more elements selected from the group consisting of antimony and chromium.
ケイ素の合金としては、以下に限定されないが、例えば、ケイ素以外の第2の構成元素として、スズ、マグネシウム、ニッケル、銅、鉄、コバルト、マンガン、亜鉛、インジウム、銀、チタン、ゲルマニウム、ビスマス、アンチモン及びクロムからなる群より選ばれる1種以上の元素を有するものが挙げられる。 Examples of the alloy of silicon include, but are not limited to, for example, tin, magnesium, nickel, copper, iron, cobalt, manganese, zinc, indium, silver, titanium, germanium, bismuth, Examples thereof include those having one or more elements selected from the group consisting of antimony and chromium.
チタンの化合物、スズの化合物及びケイ素の化合物としては、以下に限定されないが、例えば酸素(O)又は炭素(C)を有するものが挙げられ、チタン、スズ又はケイ素に加えて、上述の第2の構成元素を有していてもよい。 The titanium compound, tin compound, and silicon compound are not limited to the following, but include, for example, those having oxygen (O) or carbon (C). In addition to titanium, tin, or silicon, the second compound described above is used. It may have a constituent element.
本実施形態における負極活物質は、電池容量及び取扱い性の観点から、金属リチウム、炭素材料、リチウムと合金形成が可能な元素を含む材料、及び、リチウム含有化合物からなる群より選ばれる1種以上の材料を含有することが好ましい。このうち、リチウム含有化合物は、上記正極において説明したものと同様のものであればよい。 The negative electrode active material in the present embodiment is one or more selected from the group consisting of lithium metal, carbon material, a material containing an element capable of forming an alloy with lithium, and a lithium-containing compound from the viewpoint of battery capacity and handleability. It is preferable to contain these materials. Of these, the lithium-containing compound may be the same as that described for the positive electrode.
負極活物質は1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いられる。 A negative electrode active material is used individually by 1 type or in combination of 2 or more types.
負極活物質の数平均粒子径(一次粒子径)は、好ましくは0.1μm〜100μm、より好ましくは1μm〜10μmである。負極活物質の数平均粒子径は、正極活物質の数平均粒子径と同様にして測定される。 The number average particle diameter (primary particle diameter) of the negative electrode active material is preferably 0.1 μm to 100 μm, more preferably 1 μm to 10 μm. The number average particle size of the negative electrode active material is measured in the same manner as the number average particle size of the positive electrode active material.
負極は、以下に限定されないが、例えば、下記のようにして得られる。すなわち、まず、上記負極活物質に対して、必要に応じて、導電助剤やバインダー等を加えて混合した負極合剤を溶剤に分散させて負極合剤含有ペーストを調製する。次いで、この負極合剤含有ペーストを負極集電体に塗布し、乾燥して負極合剤層を形成し、それを必要に応じて加圧し厚みを調整することによって、負極が作製される。
ここで、負極合剤含有ペースト中の固形分濃度は、好ましくは30〜80質量%であり、より好ましくは40〜70質量%である。
負極集電体は、以下に限定されないが、例えば、銅箔、ニッケル箔、アルミニウム箔又はステンレス箔などの金属箔等により構成される。
Although a negative electrode is not limited to the following, for example, it is obtained as follows. That is, first, a negative electrode mixture-containing paste is prepared by dispersing, in a solvent, a negative electrode mixture prepared by adding a conductive additive or a binder to the negative electrode active material, if necessary. Next, the negative electrode mixture-containing paste is applied to a negative electrode current collector and dried to form a negative electrode mixture layer, which is pressurized as necessary to adjust the thickness, thereby producing a negative electrode.
Here, the solid content concentration in the negative electrode mixture-containing paste is preferably 30 to 80% by mass, and more preferably 40 to 70% by mass.
Although a negative electrode electrical power collector is not limited to the following, For example, metal foils, such as copper foil, nickel foil, aluminum foil, or stainless steel foil, etc. are comprised.
正極及び負極の作製にあたって、必要に応じて用いられる導電助剤としては、以下に限定されないが、例えば、グラファイト、アセチレンブラック及びケッチェンブラックに代表されるカーボンブラック、炭素繊維等が挙げられる。導電助剤の数平均粒子径(一次粒子径)は、好ましくは0.1μm〜100μm、より好ましくは1μm〜10μmであり、正極活物質の数平均粒子径と同様にして測定される。また、バインダーとしては、以下に限定されないが、例えば、PVDF、PTFE、ポリアクリル酸、スチレンブタジエンゴム、フッ素ゴム等が挙げられる。 In the production of the positive electrode and the negative electrode, the conductive aid used as necessary is not limited to the following, and examples thereof include carbon black typified by graphite, acetylene black, and ketjen black, carbon fiber, and the like. The number average particle size (primary particle size) of the conductive assistant is preferably 0.1 μm to 100 μm, more preferably 1 μm to 10 μm, and is measured in the same manner as the number average particle size of the positive electrode active material. Examples of the binder include, but are not limited to, PVDF, PTFE, polyacrylic acid, styrene butadiene rubber, and fluorine rubber.
<セパレータ>
本実施形態のリチウムイオン二次電池において、正負極の短絡防止、シャットダウン等の安全性付与の観点から、正極と負極との間にセパレータを備えることが好ましい。セパレータは、イオン透過性が大きく、機械的強度に優れる絶縁性の薄膜が好ましい。
<Separator>
In the lithium ion secondary battery of this embodiment, it is preferable to provide a separator between the positive electrode and the negative electrode from the viewpoint of providing safety such as prevention of short circuit between the positive and negative electrodes and shutdown. The separator is preferably an insulating thin film having high ion permeability and excellent mechanical strength.
本実施形態に用いるセパレータの材質は、以下に限定されないが、例えば、セラミック、ガラス、樹脂、及びセルロースが挙げられる。樹脂としては、合成樹脂であっても天然樹脂(天然高分子)であってもよく、また、有機樹脂であっても無機樹脂であってもよいが、有機樹脂であるとセパレータとしての性能に優れる傾向にあるため好ましい。有機樹脂としては、以下に限定されないが、異常時のシャットダウン性能をより確実に確保し、製膜を更に容易とし、分子設計の自由度(他部材との親和性)を一層良好とする観点から、例えば、ポリオレフィン、ポリエステル、ポリアミドや、液晶ポリエステル及びアラミドなどの耐熱樹脂等が挙げられる。高い耐熱性の観点から、セラミック及びガラスが好ましく、取り扱い性及び耐熱性の観点から、ポリエステル、ポリアミド、液晶ポリエステル、アラミド、及びセルロースが好ましい。また、コスト及び加工性の観点から、ポリオレフィンが好ましい。これらの材質のうち、樹脂を採用する場合、単独重合体である樹脂を用いてもよく、共重合樹脂を用いてもよく、また、複数種の樹脂の混合体及びアロイを用いてもよい。 Although the material of the separator used for this embodiment is not limited to the following, For example, a ceramic, glass, resin, and a cellulose are mentioned. The resin may be a synthetic resin or a natural resin (natural polymer), and may be an organic resin or an inorganic resin. This is preferable because it tends to be excellent. The organic resin is not limited to the following, but from the viewpoint of further ensuring the shutdown performance at the time of abnormality, further facilitating film formation, and further improving the degree of freedom in molecular design (affinity with other members). Examples thereof include heat-resistant resins such as polyolefin, polyester, polyamide, liquid crystal polyester, and aramid. From the viewpoint of high heat resistance, ceramic and glass are preferable, and from the viewpoint of handleability and heat resistance, polyester, polyamide, liquid crystal polyester, aramid, and cellulose are preferable. Further, from the viewpoint of cost and processability, polyolefin is preferable. Among these materials, when a resin is employed, a resin that is a homopolymer may be used, a copolymer resin may be used, or a mixture of a plurality of types of resins and an alloy may be used.
また、セパレータは、複数の材質の膜を積層した積層体であってもよい。セパレータが積層体の場合、各層の材質が互いに同じものであっても異なるものであってもよい。積層体のセパレータを作製する場合、ある層を別の層上に形成することを繰り返すことで順に積層して、すなわち逐次多層化して作製してもよく、それぞれ別に作製した複数の膜を貼り合わせることで積層体を作製してもよく,各層を同時に製膜してインラインで積層してもよい。 Further, the separator may be a laminated body in which films made of a plurality of materials are laminated. When the separator is a laminate, the material of each layer may be the same or different. In the case of manufacturing a separator of a laminated body, it may be formed by sequentially forming a layer on another layer, that is, by sequentially multilayering, and a plurality of films prepared separately are bonded together. Thus, a laminate may be produced, or each layer may be formed simultaneously and laminated in-line.
本実施形態に用いるセパレータの形態は、以下に限定されないが、例えば、合成樹脂を製膜して製造した合成樹脂性微多孔膜、合成樹脂又は天然樹脂を紡糸した繊維、ガラス繊維又はセラミック繊維を加工した織布、不織布、編布、抄紙や、合成樹脂及びガラスの微粒子を配列して作製した膜等が挙げられる。 Although the form of the separator used in this embodiment is not limited to the following, for example, a synthetic resin microporous film manufactured by forming a synthetic resin film, a fiber obtained by spinning a synthetic resin or a natural resin, a glass fiber, or a ceramic fiber Examples thereof include processed woven fabrics, non-woven fabrics, knitted fabrics, papermaking, and films prepared by arranging fine particles of synthetic resin and glass.
本実施形態のセパレータは、膜の補強、充放電の補助、耐熱性向上などの観点から、上記以外の成分、例えば、有機フィラー、無機フィラー、有機粒子又は無機粒子をセパレータの表面及び/又は内部に含んでもよい。 The separator according to the present embodiment is made of a component other than the above, for example, an organic filler, an inorganic filler, an organic particle, or an inorganic particle on the surface and / or inside of the separator from the viewpoints of film reinforcement, charge / discharge assist, heat resistance improvement, and the like. May be included.
<電池の作製方法>
本実施形態のリチウムイオン二次電池は、上述の本実施形態の電解液、正極、負極及び任意にセパレータを用いて、公知の方法により作製される。例えば、正極と負極とを、その間にセパレータを介在させた積層状態で巻回して巻回構造の積層体に成形したり、それらを折り曲げや複数層の積層などによって、交互に積層した複数の正極と負極との間にセパレータが介在する積層体に成形したりする。次いで、電池ケース(外装)内にその積層体を収容して、本実施形態に係る電解液をケース内部に注液し、上記積層体を電解液に浸漬して封印することによって、本実施形態のリチウムイオン二次電池を作製することができる。あるいは、ゲル化させた電解液を含む電解質膜を予め作製しておき、正極、負極、電解質膜及び任意にセパレータを、上述のように折り曲げや積層によって積層体を形成した後、電池ケース内に収容してリチウムイオン二次電池を作製することもできる。本実施形態のリチウムイオン二次電池の形状は、特に限定されず、例えば、円筒形、楕円形、角筒型、ボタン形、コイン形、扁平形、ラミネート形などが好適に採用される。
<Production method of battery>
The lithium ion secondary battery of this embodiment is produced by a known method using the above-described electrolyte solution, positive electrode, negative electrode, and optionally a separator. For example, a plurality of positive electrodes in which a positive electrode and a negative electrode are wound in a laminated state with a separator interposed therebetween to be formed into a laminate having a wound structure, or they are alternately laminated by bending or laminating a plurality of layers. Or a laminate in which a separator is interposed between the electrode and the negative electrode. Next, the laminated body is accommodated in a battery case (exterior), the electrolytic solution according to the present embodiment is injected into the case, and the laminated body is immersed in the electrolytic solution and sealed. The lithium ion secondary battery can be manufactured. Alternatively, an electrolyte membrane containing a gelled electrolyte solution is prepared in advance, and a positive electrode, a negative electrode, an electrolyte membrane, and optionally a separator are formed by bending or stacking as described above, and then placed in the battery case. A lithium ion secondary battery can also be produced by housing. The shape of the lithium ion secondary battery of the present embodiment is not particularly limited, and for example, a cylindrical shape, an elliptical shape, a rectangular tube shape, a button shape, a coin shape, a flat shape, a laminate shape, and the like are suitably employed.
本実施形態の電解液(電気化学デバイス用電解液)及びリチウムイオン二次電池は、高い安全性(例えば、難燃性、保液性)と高い電池特性(例えば、長期耐久性、高レートでの放電特性、低温特性)を達成し、リチウムイオン二次電池は、高い電池特性(例えば、充放電特性、低温作動性、高温耐久性等)を有すると同時に高い安全性(リチウムデンドライトの抑制)をも実現する。例えば、本実施形態の電解液が非水溶媒と電解質とを合わせて4種以上含む場合でも、本実施形態において添加される低分子量のパーフルオロ基含有化合物は、当該非水溶媒と電解質の性質を損ね難いものである。そのため、本実施形態の電解液及びリチウムイオン二次電池は、当該非水溶媒及び電解質に由来する高い電池特性を低下させることなく高い安全性を発現できる。また、本実施形態の電解液が低分子量のパーフルオロ基含有化合物を含有することにより、電解液の電池外部への漏洩を防止できるのはもちろんのこと、本実施形態のリチウムイオン二次電池は、リチウムデンドライトによる不具合や燃焼が生ずるおそれも更に低減することができる。 The electrolytic solution (electrolytic solution for electrochemical device) and the lithium ion secondary battery of the present embodiment have high safety (for example, flame retardancy and liquid retention) and high battery characteristics (for example, long-term durability and high rate). The lithium ion secondary battery has high battery characteristics (for example, charge / discharge characteristics, low temperature operability, high temperature durability, etc.) and high safety (suppression of lithium dendrite). Is also realized. For example, even when the electrolyte solution of the present embodiment includes four or more kinds of the nonaqueous solvent and the electrolyte, the low molecular weight perfluoro group-containing compound added in the present embodiment is a property of the nonaqueous solvent and the electrolyte. It is difficult to damage. Therefore, the electrolytic solution and the lithium ion secondary battery of the present embodiment can exhibit high safety without deteriorating high battery characteristics derived from the nonaqueous solvent and the electrolyte. Further, since the electrolyte solution of the present embodiment contains a low-molecular weight perfluoro group-containing compound, it is possible to prevent leakage of the electrolyte solution to the outside of the battery, as well as the lithium ion secondary battery of the present embodiment. In addition, the risk of inconvenience and combustion due to lithium dendrite can be further reduced.
以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。例えば、本実施形態の電解液は、リチウムイオン二次電池だけでなく、その他の電気化学デバイス、例えば、リチウムを使用する各種革新二次電池、及びリチウムイオンキャパシタの電解液にも適用できる。 As mentioned above, although the form for implementing this invention was demonstrated, this invention is not limited to the said embodiment. The present invention can be variously modified without departing from the gist thereof. For example, the electrolytic solution of the present embodiment can be applied not only to a lithium ion secondary battery but also to other electrochemical devices, for example, various innovative secondary batteries using lithium, and an electrolytic solution of a lithium ion capacitor.
以下、実施例によって本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。なお、電解液及びリチウムイオン二次電池の各種特性及び安全性は下記のようにして測定、評価された。 EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention further in detail, this invention is not limited to these Examples. Various characteristics and safety of the electrolytic solution and the lithium ion secondary battery were measured and evaluated as follows.
(i)電解液のゲル化能の評価
電解液をガラスサンプル瓶内で調製し、25℃で2時間放置した後にサンプル瓶を上下逆にして、その際の流動性を目視で確認することでゲル化能を評価した。評価基準は下記のとおりである。
○:流動しない。
×:流動する。
(I) Evaluation of gelling ability of electrolyte solution By preparing an electrolyte solution in a glass sample bottle and leaving it at 25 ° C for 2 hours, the sample bottle is turned upside down, and the fluidity at that time is confirmed visually. The gelation ability was evaluated. The evaluation criteria are as follows.
○: It does not flow.
X: Flows.
(ii)電解液のゲル性状安定性の評価
「(i)電解液のゲル化能の評価」で調製した電解液を25℃の条件下で3日間静置し、ゲル性状を保持しているか否かを目視で確認した。評価基準は下記のとおりである。
○:調製直後と同程度のゲル性状を保持している。
△:一部液体が染み出したゲルになっている。
×:ゲル性状を喪失し均一な液体になっている。あるいは、液体と固体とが分離している。
(Ii) Evaluation of stability of gel property of electrolytic solution Whether the electrolytic solution prepared in “(i) Evaluation of gelling ability of electrolytic solution” is allowed to stand at 25 ° C. for 3 days to maintain the gel property It was confirmed visually. The evaluation criteria are as follows.
○: The gel property of the same level as that immediately after preparation is maintained.
(Triangle | delta): It is the gel which a part liquid exuded.
X: The gel property is lost and the liquid is uniform. Alternatively, the liquid and the solid are separated.
(iii)電解液の電気伝導度測定
電解液をガラスサンプル瓶内で調製し、東亜ディーケーケー(株)製の電気伝導度計「CM−30R」(商品名)に接続した東亜ディーケーケー(株)製の電気伝導度測定用セル「CT−57101B」(商品名)を電解液の収容されたサンプル瓶に挿入し、75℃まで加熱した。その後、電気伝導度測定用セルを挿入したままサンプル瓶を30℃まで降温し、30℃での電解液の電気伝導度を測定した。
(Iii) Electrical conductivity measurement of electrolyte solution An electrolyte solution was prepared in a glass sample bottle and connected to an electrical conductivity meter “CM-30R” (trade name) manufactured by Toa DK Corporation. The cell for electrical conductivity measurement “CT-57101B” (trade name) was inserted into a sample bottle containing an electrolytic solution and heated to 75 ° C. Thereafter, the temperature of the sample bottle was lowered to 30 ° C. while the electric conductivity measurement cell was inserted, and the electric conductivity of the electrolytic solution at 30 ° C. was measured.
(iv)放電容量測定
特定の放電電流における放電容量を測定してリチウムイオン二次電池の放電特性を評価した。測定用のリチウムイオン二次電池として、1C=6mAとなる小型電池を作製して用いた。測定にはアスカ電子(株)製充放電装置ACD−01(商品名)及び二葉科学社製恒温槽PLM−63S(商品名)を用いた。6mAの定電流で充電し、4.2Vに到達した後、4.2Vの定電圧で、合計3時間充電を行った。その後、定電流で3.0Vまで放電したときの放電容量を測定した。なお、放電電流を6mAと18mAとにして放電容量を測定した。このときの電池周囲温度は25℃に設定した。
(Iv) Discharge capacity measurement The discharge capacity at a specific discharge current was measured to evaluate the discharge characteristics of the lithium ion secondary battery. As a lithium ion secondary battery for measurement, a small battery with 1C = 6 mA was prepared and used. For the measurement, a charge / discharge device ACD-01 (trade name) manufactured by Asuka Electronics Co., Ltd. and a thermostat PLM-63S (trade name) manufactured by Futaba Kagaku Co., Ltd. were used. After charging at a constant current of 6 mA and reaching 4.2 V, charging was performed at a constant voltage of 4.2 V for a total of 3 hours. Then, the discharge capacity when discharging to 3.0 V with a constant current was measured. The discharge capacity was measured by setting the discharge current to 6 mA and 18 mA. The battery ambient temperature at this time was set to 25 ° C.
(v)安全性試験(燃焼試験)
電解液成分の燃焼試験を行い電池安全性の評価とした。まず、110℃に昇温した電解液を13mm×125mm×2mmのガラスろ紙に1mL吸液させた後、ガラスろ紙を25℃まで降温することでサンプルを調製した。サンプルを東洋精機(株)製のマルチカロリーメーターである「mcm−2」(商品名)の所定位置にセットし、UL94HBの水平燃焼試験を行い、そのときの着火に要した時間(着火時間)、着火から炎がろ紙の端まで伝播するのに要した時間(経過時間)、及び、着火から消火までの時間(燃焼時間)を測定した。
(V) Safety test (combustion test)
An electrolyte component combustion test was performed to evaluate battery safety. First, 1 mL of an electrolytic solution heated to 110 ° C. was absorbed onto a 13 mm × 125 mm × 2 mm glass filter paper, and then the glass filter paper was cooled to 25 ° C. to prepare a sample. Set the sample at the specified position of “mcm-2” (trade name), a multi-calorie meter manufactured by Toyo Seiki Co., Ltd., and perform a horizontal combustion test of UL94HB. Time required for ignition (ignition time) The time required for the flame to propagate from the ignition to the edge of the filter paper (elapsed time) and the time from ignition to extinguishing (burning time) were measured.
(実施例1)
(1)電解液の調製
エチレンカーボネートとメチルエチルカーボネートとを質量比で1:2になるように混合し、その混合液に、LiPF6を1モル/Lになるよう添加してゲル化されていない電解液(A)を作製した。その電解液(A)に対して、ゲル化剤である下記式(3)で表される化合物を電解液の全体量に対して1質量%となるように添加し、95℃に加熱して均一に混合した後、25℃に降温して電解液(a)を得た。なお、電解液(a)は十分にゲル化したゲル電解質であった。
Example 1
(1) Preparation of electrolyte solution Ethylene carbonate and methyl ethyl carbonate are mixed at a mass ratio of 1: 2, and the mixture is gelled by adding LiPF 6 to 1 mol / L. No electrolyte solution (A) was prepared. A compound represented by the following formula (3), which is a gelling agent, is added to the electrolyte solution (A) so as to be 1% by mass with respect to the total amount of the electrolyte solution, and heated to 95 ° C. After uniformly mixing, the temperature was lowered to 25 ° C. to obtain an electrolytic solution (a). The electrolyte solution (a) was a gel electrolyte that was sufficiently gelled.
(実施例2)
γ―ブチロラクトンにLiClO4を1モル/Lになるように添加してゲル化されていない電解液(B)を作製した。その電解液(B)に対してゲル化剤である上記式(3)で表される化合物を電解液の全体量に対して4質量%になるように添加し、95℃に加熱して均一に混合した後、25℃に降温して電解液(b)を得た。
(Example 2)
LiClO 4 was added to γ-butyrolactone so as to be 1 mol / L to prepare an electrolyte solution (B) that was not gelled. The compound represented by the above formula (3), which is a gelling agent, is added to the electrolytic solution (B) so as to be 4% by mass with respect to the total amount of the electrolytic solution, and heated to 95 ° C. to be uniform. Then, the temperature was lowered to 25 ° C. to obtain an electrolytic solution (b).
(実施例3)
エチレンカーボネートとプロピレンカーボネートとγ−ブチロラクトンとを質量比で1:1:2になるように混合し、その混合液に、LiBF4を1.5モル/Lになるように添加してゲル化されていない電解液(C)を作製した。その電解液(C)に対してゲル化剤として上記式(3)で表される化合物を電解液の全体量に対して7質量%になるように添加し、105℃に加熱して均一に混合した後、25℃に降温して電解液(c)を得た。
Example 3
Ethylene carbonate, propylene carbonate, and γ-butyrolactone were mixed at a mass ratio of 1: 1: 2, and LiBF 4 was added to the mixture so as to be 1.5 mol / L and gelled. An electrolytic solution (C) not formed was prepared. A compound represented by the above formula (3) is added to the electrolyte solution (C) as a gelling agent so as to be 7% by mass with respect to the total amount of the electrolyte solution, and heated to 105 ° C. uniformly. After mixing, the temperature was lowered to 25 ° C. to obtain an electrolytic solution (c).
(比較例1)
ゲル化剤を添加しない他は実施例1における電解液(a)の調製と同様にして、電解液(f)を得た。
(Comparative Example 1)
An electrolytic solution (f) was obtained in the same manner as in the preparation of the electrolytic solution (a) in Example 1 except that the gelling agent was not added.
(比較例2)
ゲル化剤を添加しない他は実施例2における電解液(b)の調製と同様にして、電解液(g)を得た。
(Comparative Example 2)
An electrolytic solution (g) was obtained in the same manner as in the preparation of the electrolytic solution (b) in Example 2 except that the gelling agent was not added.
(比較例3)
ゲル化剤を添加しない他は実施例3における電解液(c)の調製と同様にして、電解液(h)を得た。
(Comparative Example 3)
An electrolytic solution (h) was obtained in the same manner as in the preparation of the electrolytic solution (c) in Example 3 except that no gelling agent was added.
(比較例4)
電解液(C)に対して分子量1000、OH価が110mgKOH/gのジオール化合物とイソシアネートとからなるポリウレタンを10質量%添加し、そのポリウレタンに電解液(C)を吸液させてポリウレタンゲル電解質(i)(以下、電解液(i)という。)を得た。得られたポリウレタンゲル電解質(i)の厚みは30μmであった。
(Comparative Example 4)
10% by mass of a polyurethane composed of a diol compound having a molecular weight of 1000 and an OH value of 110 mgKOH / g and an isocyanate is added to the electrolytic solution (C), and the polyurethane solution is made to absorb the electrolytic solution (C). i) (hereinafter referred to as electrolyte solution (i)) was obtained. The resulting polyurethane gel electrolyte (i) had a thickness of 30 μm.
(比較例5)
エチレンカーボネートとメチルエチルカーボネートとを質量比で1:2になるように混合し、ゲル化されていない混合溶媒(D)を作製した。その混合溶媒(D)に対してゲル化剤として上記式(3)で表される化合物を電解液の全体量に対して10質量%となるように添加し、105℃に加熱して均一に混合した後、25℃に降温して電解液(j)を得た。なお、電解液(j)は十分にゲル化したゲル電解質であった。
(Comparative Example 5)
Ethylene carbonate and methyl ethyl carbonate were mixed at a mass ratio of 1: 2, thereby preparing a non-gelled mixed solvent (D). The compound represented by the above formula (3) is added to the mixed solvent (D) as a gelling agent so as to be 10% by mass with respect to the total amount of the electrolytic solution, and heated to 105 ° C. uniformly. After mixing, the temperature was lowered to 25 ° C. to obtain an electrolytic solution (j). The electrolyte solution (j) was a gel electrolyte that was sufficiently gelled.
(実施例4)
(2)正極の作製
正極活物質として数平均粒子径5μmのリチウムコバルト酸(LiCoO2)と、導電助剤として数平均粒子径3μmのグラファイト炭素粉末と、バインダーとしてポリフッ化ビニリデン(PVdF)とを85:10:5の質量比で混合した。得られた混合物にN−メチル−2−ピロリドンを固形分60質量%となるように投入して更に混合して、スラリー状の溶液を調製した。このスラリー状の溶液を厚さ20μmのアルミニウム箔の片面に塗布し、溶剤を乾燥除去した後、ロールプレスで圧延した。圧延後のものを直径16mmの円盤状に打ち抜いて正極を得た。
Example 4
(2) Production of positive electrode Lithium cobalt acid (LiCoO 2 ) having a number average particle diameter of 5 μm as a positive electrode active material, graphite carbon powder having a number average particle diameter of 3 μm as a conductive additive, and polyvinylidene fluoride (PVdF) as a binder. Mixed at a mass ratio of 85: 10: 5. N-methyl-2-pyrrolidone was added to the obtained mixture so as to have a solid content of 60% by mass and further mixed to prepare a slurry solution. This slurry-like solution was applied to one side of an aluminum foil having a thickness of 20 μm, and the solvent was dried and removed, followed by rolling with a roll press. The rolled product was punched into a disk shape having a diameter of 16 mm to obtain a positive electrode.
(3)負極の作製
負極活物質として数平均粒子径5μmのメソカーボンマイクロビーズと、バインダーとしてジエン系ゴム(ガラス転移温度:−5℃、乾燥時の数平均粒子径:120nm、分散媒:水、固形分濃度40質量%)とを、カルボキシメチルセルロースで粘度調整しつつ、負極活物質の固形分濃度が60質量%になるように混合して、スラリー状の溶液を調製した。このスラリー状の溶液を厚さ10μmの銅箔の片面に塗布し、溶剤を乾燥除去した後、ロールプレスで圧延した。圧延後のものを直径16mmの円盤状に打ち抜いて負極を得た。
(3) Production of negative electrode Mesocarbon microbeads having a number average particle diameter of 5 μm as a negative electrode active material and diene rubber as a binder (glass transition temperature: −5 ° C., number average particle diameter upon drying: 120 nm, dispersion medium: water And a solid content concentration of 40 mass%) were mixed so that the solid content concentration of the negative electrode active material was 60 mass% while adjusting the viscosity with carboxymethylcellulose to prepare a slurry-like solution. The slurry solution was applied to one side of a 10 μm thick copper foil, and the solvent was removed by drying, followed by rolling with a roll press. The rolled product was punched into a disk shape having a diameter of 16 mm to obtain a negative electrode.
(4)電池組み立て
上述のようにして作製した正極と負極とをポリエチレンからなるセパレータ(膜厚25μm、空孔率50%、孔径0.1μm〜1μm)の両側に重ね合わせた積層体を、SUS製の円盤型電池ケースに挿入した。次いで、その電池ケース内に110℃に加熱した電解液(a)を0.5mL注入し、積層体を電解液(a)に浸漬した後、電池ケースを密閉してリチウムイオン二次電池(小型電池)を作製した。このリチウムイオン二次電池を110℃で1時間保持した後、25℃まで降温して電池(a)を得た。
(4) Battery assembly A laminate in which the positive electrode and the negative electrode produced as described above are superposed on both sides of a separator made of polyethylene (film thickness: 25 μm, porosity: 50%, pore diameter: 0.1 μm to 1 μm) It was inserted into a disk type battery case. Next, 0.5 mL of the electrolyte solution (a) heated to 110 ° C. was injected into the battery case, and the laminate was immersed in the electrolyte solution (a). Then, the battery case was sealed and a lithium ion secondary battery (small size) Battery). The lithium ion secondary battery was held at 110 ° C. for 1 hour and then cooled to 25 ° C. to obtain a battery (a).
(比較例6)
電解液(a)に代えて、電解液(f)を用いた以外は実施例4と同様にして、電池(f)を得た。
(Comparative Example 6)
A battery (f) was obtained in the same manner as in Example 4 except that the electrolytic solution (f) was used instead of the electrolytic solution (a).
(比較例7)
実施例4におけるものと同様にして作製した正極と負極とを電解液(i)の両側に重ね合わせた積層体を、SUS製の円盤型電池ケースに挿入した。次いで、積層体を電解液に浸漬することなく、電池ケースを密閉してリチウムイオン二次電池を作製した。このリチウムイオン二次電池を70℃で1時間保持した後、25℃まで降温して電池(i)を得た。
(Comparative Example 7)
A laminate in which a positive electrode and a negative electrode produced in the same manner as in Example 4 were superimposed on both sides of the electrolyte solution (i) was inserted into a SUS disk type battery case. Next, without immersing the laminate in the electrolyte, the battery case was sealed to produce a lithium ion secondary battery. This lithium ion secondary battery was held at 70 ° C. for 1 hour, and then cooled to 25 ° C. to obtain battery (i).
なお、上記式(3)で表される化合物は、次のようにして合成した。 The compound represented by the above formula (3) was synthesized as follows.
(化合物(3a)の合成)
まず、下記のスキームにて、フェノール誘導体である化合物(3a)を得た。
First, the compound (3a) which is a phenol derivative was obtained with the following scheme.
具体的には、まず、250mL丸底フラスコ中で、2−(ぺルフルオロヘキシル)エチルアイオダイド20.4g(42.19mmol)、及び4−メルカプトフェノール5.32g(42.19mmol)をアセトン50mLに溶解し、そこに炭酸カリウム5.83g(42.19mmol)を加えて、還流した。原料の消失を高速液体クロマトグラフィーで確認した後、そこにシクロペンチルメチルエーテル、水、及び1N塩酸を加えた。水相を除去し、残存した有機相を水及び飽和食塩水で洗浄した。洗浄後の有機相を無水硫酸マグネシウムを用いて乾燥した後、ひだ折り濾過を用いて硫酸マグネシウムを取り除き、得られた溶液を減圧下で濃縮した。濃縮により得られた残渣をカラムクロマトグラフィー(充填剤:シリカゲル、展開溶媒:クロロホルム)で精製し、19.13g(40.51mmol)の無色固体である化合物(3a)を得た。得られた化合物(3a)の融点は68〜70℃であり、収率は96%であった。また、核磁気共鳴装置(日本電子株式会社社製、商品名「JMN−LA500」。以下同様。)により、化合物(3a)を同定した。その結果を下記に示す。
IR(KBr):ν=3381, 1580, 1228-1276 cm-1
1H NMR(500MHz,CDCl3):δ = 2.25-2.35 (2H, m), 3.00 (2H, m), 5.00 (1H, s), 6.82 (2H, d, J = 9.2 Hz), 7.38 (2H, d, J = 9.2 Hz) ppm
Specifically, first, in a 250 mL round bottom flask, 20.4 g (42.19 mmol) of 2- (perfluorohexyl) ethyl iodide and 5.32 g (42.19 mmol) of 4-mercaptophenol were added to 50 mL of acetone. Then, 5.83 g (42.19 mmol) of potassium carbonate was added and refluxed. After confirming disappearance of the raw materials by high performance liquid chromatography, cyclopentyl methyl ether, water, and 1N hydrochloric acid were added thereto. The aqueous phase was removed, and the remaining organic phase was washed with water and saturated brine. The washed organic phase was dried using anhydrous magnesium sulfate, magnesium sulfate was removed using fold filtration, and the resulting solution was concentrated under reduced pressure. The residue obtained by concentration was purified by column chromatography (filler: silica gel, developing solvent: chloroform) to obtain 19.13 g (40.51 mmol) of a colorless solid compound (3a). The melting point of the obtained compound (3a) was 68 to 70 ° C., and the yield was 96%. Moreover, the compound (3a) was identified with the nuclear magnetic resonance apparatus (The JEOL Co., Ltd. make, brand name "JMN-LA500". The following is same). The results are shown below.
IR (KBr): ν = 3381, 1580, 1228-1276 cm -1
1 H NMR (500 MHz, CDCl 3 ): δ = 2.25-2.35 (2H, m), 3.00 (2H, m), 5.00 (1H, s), 6.82 (2H, d, J = 9.2 Hz), 7.38 (2H , d, J = 9.2 Hz) ppm
次に、下記のスキームにて、化合物(3)を得た。
具体的には、まず、100mLナスフラスコ中で、4’−ブトキシ−4−ビフェニルカルボン酸1.83g(6.77mmol)に塩化チオニル8mLを加えて、塩化カルシウム管を付けて60℃で1時間、加熱、撹拌した。その後、過剰の塩化チオニルを減圧除去して、無色固体を得た。そこに無水トルエン10mLを加えた。一方、化合物(3a)(3.20g,6.77mmol)を無水ピリジン10mLに溶解し、これを上記の100mLナスフラスコに滴下し、70℃で3時間加熱、撹拌した。減圧下で溶媒を除去し、得られた残渣をカラムクロマトグラフィー(充填剤:シリカゲル、展開溶媒:クロロホルム)で精製し、3.80g(5.40mmol)の無色固体である化合物(3)を得た。得られた化合物(3)の収率は77%であった。また、赤外分光光度計(株式会社島津製作所社製、商品名「IRPrestige−21」。以下同様。)、及び、核磁気共鳴装置により、化合物(3)を同定した。その結果を下記に示す。
IR(KBr):ν=1728.2, 1186.22, 1143.8 cm-1
1H NMR(500MHz,CDCl3):δ=0.99 (3 H, t, J=7.3 Hz), 1.53 (2H,m), 1.81 (2H, m),2.42 (2H, m), 3.13 (2H, m), 4.03 (2H, t, J=6.7 Hz), 7.01 (2H, d, J=8.5 Hz), 7.23 (2H, d, J=8.5 Hz), 7.45 (2H, d, J=8.5 Hz), 7.60 (2H, d, J=8.5 Hz), 7.70 (2H, d, J=8.5 Hz), 8.22 (2H, d, J=8.5 Hz) ppm
Specifically, first, 8 mL of thionyl chloride was added to 1.83 g (6.77 mmol) of 4′-butoxy-4-biphenylcarboxylic acid in a 100 mL eggplant flask, and a calcium chloride tube was attached for 1 hour at 60 ° C. , Heated and stirred. Thereafter, excess thionyl chloride was removed under reduced pressure to obtain a colorless solid. Thereto was added 10 mL of anhydrous toluene. On the other hand, compound (3a) (3.20 g, 6.77 mmol) was dissolved in 10 mL of anhydrous pyridine, and this was added dropwise to the 100 mL eggplant flask and heated and stirred at 70 ° C. for 3 hours. The solvent was removed under reduced pressure, and the resulting residue was purified by column chromatography (filler: silica gel, developing solvent: chloroform) to obtain 3.80 g (5.40 mmol) of a colorless solid compound (3). It was. The yield of the obtained compound (3) was 77%. Further, the compound (3) was identified by an infrared spectrophotometer (manufactured by Shimadzu Corporation, trade name “IR Prestige-21”, the same applies hereinafter) and a nuclear magnetic resonance apparatus. The results are shown below.
IR (KBr): ν = 1728.2, 1186.22, 1143.8 cm -1
1 H NMR (500 MHz, CDCl 3 ): δ = 0.99 (3 H, t, J = 7.3 Hz), 1.53 (2H, m), 1.81 (2H, m), 2.42 (2H, m), 3.13 (2H, m), 4.03 (2H, t, J = 6.7 Hz), 7.01 (2H, d, J = 8.5 Hz), 7.23 (2H, d, J = 8.5 Hz), 7.45 (2H, d, J = 8.5 Hz) , 7.60 (2H, d, J = 8.5 Hz), 7.70 (2H, d, J = 8.5 Hz), 8.22 (2H, d, J = 8.5 Hz) ppm
以上の実施例1〜3、比較例1〜5の電解液(a)〜(c)及び(f)〜(j)について、ゲル化能、ゲルの安定性及び電気伝導度を評価又は測定した。結果を表1に示す。また、実施例4、及び比較例6及び7の電池(a)、(f)及び(i)について、放電容量を測定し、サイクル特性を評価した。結果を表2に示す。さらに、実施例1、及び比較例1及び4の電解液(a)、(f)及び(i)について、安全性試験を実施した。それらの結果を表3に示す。 With respect to the electrolytic solutions (a) to (c) and (f) to (j) of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 5, gelation ability, gel stability, and electrical conductivity were evaluated or measured. . The results are shown in Table 1. Moreover, about the battery (a), (f), and (i) of Example 4 and Comparative Examples 6 and 7, the discharge capacity was measured and the cycle characteristics were evaluated. The results are shown in Table 2. Furthermore, a safety test was performed on the electrolytic solutions (a), (f), and (i) of Example 1 and Comparative Examples 1 and 4. The results are shown in Table 3.
本発明の電解液は、リチウムイオン二次電池、リチウムを使用する各種革新二次電池、リチウムイオンキャパシタにも適用できる。したがって、本発明は、これらの分野において産業上の利用可能性がある。 The electrolytic solution of the present invention can also be applied to lithium ion secondary batteries, various innovative secondary batteries using lithium, and lithium ion capacitors. Therefore, the present invention has industrial applicability in these fields.
Claims (10)
Rf−X−Ar−OCO−Ar’−OR (1)
(式(1)中、Rfは、主鎖の炭素数2〜18の置換又は無置換のパーフルオロアルキル基を有する官能基を示し、Rは主鎖の炭素数1〜8の置換若しくは無置換の1価の炭化水素基を示し、Xは硫黄原子、酸素原子、SO基又はSO2基を示し、Ar及びAr’はそれぞれ独立に、環形成原子数が5以上20以下の置換若しくは無置換の芳香族基又は脂環式基を示す。) An electrolytic solution for an electrochemical device comprising a nonaqueous solvent, an electrolyte, and a compound represented by the following general formula (1).
Rf-X-Ar-OCO-Ar'-OR (1)
(In the formula (1), Rf represents a functional group having a substituted or unsubstituted perfluoroalkyl group having 2 to 18 carbon atoms in the main chain, and R represents a substituted or unsubstituted carbon group having 1 to 8 carbon atoms in the main chain. X represents a sulfur atom, oxygen atom, SO group or SO 2 group, and Ar and Ar ′ are each independently substituted or unsubstituted having 5 to 20 ring atoms. An aromatic group or an alicyclic group.)
Rf’−R’− (2)
(式(2)中、Rf’は主鎖の炭素数2〜14の置換又は無置換のパーフルオロアルキル基を示し、R’は単結合又は主鎖の炭素数1〜8の置換若しくは無置換の2価の炭化水素基を示す。) The electrolytic solution according to claim 1, wherein Rf is a group represented by the following general formula (2).
Rf'-R'- (2)
(In Formula (2), Rf ′ represents a substituted or unsubstituted perfluoroalkyl group having 2 to 14 carbon atoms in the main chain, and R ′ is a single bond or a substituted or unsubstituted carbon atom having 1 to 8 carbon atoms in the main chain. Of the divalent hydrocarbon group.)
負極活物質を含有する負極と、
請求項1〜7のいずれか1項に記載の電解液と、
を備える、リチウムイオン二次電池。 A positive electrode containing a positive electrode active material;
A negative electrode containing a negative electrode active material;
The electrolyte solution according to any one of claims 1 to 7,
A lithium ion secondary battery comprising:
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