JP6723752B2 - 二次電池用電解液 - Google Patents
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Description
ムイオン二次電池のレドックスシャトル剤として提案されている。該アニソールは、骨格に臭素原子を有するが、一般に臭素原子を有するレドックスシャトル剤を添加した電解液は分解により臭素イオンを生じ、これが電池ケースや集電体を腐食することが問題となる。また、特許文献2には、レドックスシャトル剤としてヒドロキノンエーテル類が開示されている。しかし、特許文献2の図7及び図9には、後述する比較例−1の化合物及びその類似化合物のCVスペクトルが記載されているが、還元分解電位は各々0.2V及び0.5Vであり、還元側の電気化学的安定性に問題がある。さらには、本特許で後述する比較例−1及び比較試験例−1に示すように、特許文献2に従って合成した化合物を添加した電解液を調整し、これを用いて作成したリチウムイオン電池にて過充電試験を行ったが、その過充電防止能力は十分なものではなかった。また、特許文献3には、ナフタレン環の全ての水素原子をフッ素に置換することにより酸化側の酸化還元電位を高めたパーフルオロナフタレン類が提案されているが、一般にパーフルオロナフタレン類は還元時にフッ素原子が脱離することが知られている。また、該特許文献中にも還元側の電気化学的安定性については触れられておらず、還元側の電気化学的安定性の対策が十分でない。特許文献3には、2つのトリフルオロメチル基と2つのメトキシ基を有する酸化側の酸化還元電位を高めたヒドロキノンエーテル類がレドックスシャトル剤として提案されているが、特許文献2同様にヒドロキノンエーテル類であるため、還元側の電気化学的安定性に問題がある。
(i)一般式(1)
(ii)一般式(1)中、R2が炭素数4〜10の第三級アルキル基又は炭素数1〜4のフルオロアルキル基、R3が水素原子、炭素数4〜10の第三級アルキル基又は炭素数1〜4のフルオロアルキル基であるフェニルエーテル化合物を含む二次電池用電解液;
(iii)一般式(1)中、R1がフッ素原子、tert−ブチル基又はトリフルオロメチル基であり、R2がtert−ブチル基又はトリフルオロメチル基であり、R3が水素
原子、フッ素原子、tert−ブチル基又はトリフルオロメチル基であるフェニルエーテ
ル化合物を含む二次電池用電解液;
(iv)一般式(1)中、R1がフッ素原子又はtert−ブチル基であり、R2がtert−ブチル基であり、R3が水素原子、フッ素原子又はtert−ブチル基であるフェニ
ルエーテル化合物を含む二次電池用電解液;
(v)一般式(1)中、R4が、フルオロメチル基、ジフルオロメチル基、トリフルオロメチル基、2−フルオロエチル基、2,2−ジフルオロエチル基、2,2,2−トリフルオロエチル基、1,1,2,2−テトラフルオロエチル基、2,2,2−トリフルオロ−1−(トリフルオロメチル)エチル基、2,2,3,3−テトラフルオロプロピル基、2,2,3,3,3−ペンタフルオロプロピル基であるフェニルエーテル化合物を含む二次電池用電解液;
(vi)フェニルエーテル化合物を0.01重量%以上20重量%以下で含む、前記(i)〜(v)のいずれか一項に記載の二次電池用電解液;
(vii)Li/Li+基準電極に対する酸化還元電位が4.5V以上である前記(i)〜(vi)のいずれか一項に記載の二次電池用電解液;
(viii)前記(i)〜(vii)のいずれか一項に記載の二次電池用電解液を含む非水系二次電池;
(ix)前記(i)〜(viii)のいずれか一項に記載の二次電池用電解液を含むリチウムイオン電池;
(x)一般式(1a)
等に関する。
、1−エチル−1−メチルプロピル基、1,1,2−トリメチルプロピル基、1,1−ジエチルプロピル基、1,1−ジ−isо−プロピル−2−メチルプロピル基、1,1−ジメチルブチル基、1,1−ジエチルブチル基、1,1−ジプロピルブチル基、1−エチル−1−メチルブチル基、1,1,3,3−テトラメチルブチル基、1,1−ジメチルペンチル基、1,1−ジエチルペンチル基、1,1−ジメチル−3−エチルペンチル基、1,1−ジメチルヘキシル基、1,1,3,3−テトラメチルヘキシル基、1,1−ジメチルヘプチル基、1,1−ジメチルオクチル基、1−メチルシクロプロピル基、1,2,2,3,3−ペンタメチルシクロプロピル基、1−メチルシクロブチル基、1−ヘキシルシクロブチル基、1−メチルシクロペンチル基、1,2,3,4,5−ペンタメチルシクロペンチル基、1−メチルシクロヘキシル基、1−メチル−4−プロピルシクロヘキシル基、ビシクロ[2.2.1]ヘプチル基、ビシクロ[2.2.2]オクチル基等を例示することができる。電解液への溶解性が良い点で、分岐状第三級アルキル基が好ましく、ter
t−ブチル基がさらに好ましい。
しい。
ビス(テトラフルオロボレート)、塩素、N−クロロスクシイミド、1,3−ジクロロ−5,5−ジメチルヒダントイン、N−クロロフタルイミド、臭素、N−ブロモスクシイミド、1,3−ジブロモ−5,5−ジメチルヒダントイン、1,3−ジブロモイソシアヌル酸、ベンジルトリメチルアンモニウム トリブロミド、三臭化ホウ素、N−ブロモアセトアミド、2−ブロモ−2−シアノ−N,N−ジメチルアセトアミド、ブロモジメチルスルホニウム ブロミド、N−ブロモフタルイミド、N−ブロモサッカリン、臭化三塩化炭素、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウム ブロミド、1,8−ジアザビシクロ[5,4,0]−7−ウンデセン=三臭化水素錯体、5,5−ジブロモメルドラム酸、1,2−ジブロモ−1,1,2,2−テトラクロロエタン、4−ジメチルアミノピリジン=三臭化水素錯体、ピリジン=三臭化水素錯体、三臭化リン、オキシ三臭化リン、2,4,4,6−テトラブロモ−2,5−シクロヘキサジエノン、テトラブチルアンモニウム トリブロミド、トリメチルフェニルアンモニウム トリブロミド、トリフェニルホスフィン ジブロミド、ヨウ素、N−ヨードスクシイミド、1,3−ジヨード−5,5−ジメチルヒダントイン等を例示することができる。これらのうち、反応収率が良い点で、1,3−ジブロモ−5,5−ジメチルヒダントインが好ましい。ハロゲン化剤とジチオカルボネート化合物(5)とのモル比に特に制限はないが、収率が良い点で1:2〜10:1から適宜選ばれた比が好ましく、経済的な観点から1:1〜4:1から適宜選ばれた比がさらに好ましい。
Ip=2.69×105n(3/2)AD(1/2)v(1/2)c (4)
(式中、Ipは酸化ピーク電流値(A)、nは移動電子数、Aは作用電極面積(cm2)、vは電位の走査速度(V/s)及びcは本発明のレドックスシャトル剤の濃度(mol/cm3)を表す。)に従って算出した。リニアスィープボルタンメトリー(LSV)測定は、マルチチャンネルポテンショスタット/ガルバノスタット(VMP−3)を用いて行った。LSV測定は、アルゴン雰囲気下、10mMのフェニルエーテル化合物(1)及び0.1Mの支持電解質(過塩素酸テトラブチルアンモニウム)を含むエチレンカーボネート/エチルメチルカーボネート混合溶液(体積比:3/7)を調製し、これに作用電極として白金、基準電極としてリチウム箔、対極としてリチウム箔を挿入し、5mV/sの走査速度にて測定を行った。LSV測定の結果から、電流密度が−0.2mA/cm2の時の電位を、還元分解電位とした。電池試験は、はじめにアルゴン雰囲気下、1.0Mの支持電解質及び0.1Mのフェニルエーテル化合物(1)を含む、エチレンカーボネート/エチルメチルカーボネート混合溶媒(体積比:3/7)を調整し、本発明の電解液を得た。次にセパレータ6(無機フィラー含有ポリオレフィン、日本板硝子製)を挟んで正極1(活物質:コバルト酸リチウム、単層シートプレス品、パイオトレック製)、負極4(活物質:天然球状グラファイト、単層シートプレス品、パイオトレック製)を対向配置し、負極ステンレス製キャップ3にステンレス製板バネ5を設置し、負極4、セパレータ6および正極1からなる積層体をコイン型セル内に収納した。この積層体に本発明の電解液を注入した後、ガスケット7を配置後、正極ステンレス製キャップ2をかぶせ、コイン型セルケースをかしめることで電池素子を得た(図1)。 上記電池素子をマルチチャンネルポテンショスタット/ガルバノスタット(VMP−3)を用いて、25℃の恒温条件下、0.1Cの充電電流で上限電圧を4.2Vとして充電し、続いて0.1Cの放電電流で3.0Vとなるまで放電した。この操作を3回行った後に25℃の恒温条件下、0.2Cで定電流充電を行い、4.95Vを上限電圧として、容量が規定の2倍(6mAh)になるまで充電を行い、その後、充電した電池素子を0.2Cで、3.0Vまで定電流放電を行った。
実施例−1
1H−NMR(400MHz,CDCl3):δ1.30(s,9H),1.39(s,9H),4.33(q,J=8.2Hz,2H),6.68(d,J=8.5Hz,1H),7.18(dd,J=8.5,2.4Hz,1H),7.36(d,J=2.4Hz,1H)
19F−NMR(376MHz,CDCl3):δ−74.1(t,J=8.2Hz,3F).
実施例−2
1H−NMR(400MHz,CDCl3):δ1.29(s,9H),1.39(s,9H),4.46(q,J=8.4Hz,2H),6.98(d,J=14.4Hz,1H),7.10(s,1H).
19F−NMR(376MHz,CDCl3):δ−130.3(d,J=14.4Hz,1F),−74.9(t,J=8.4Hz,3F).
実施例−3
1H−NMR(400MHz,CDCl3):δ1.29(s,9H),4.39(q,J=8.0Hz,2H),6.96(dd,J=8.8Hz,J=8.8Hz,1H),7.33(d,J=8.8Hz,1H),7.13(d,J=13.6Hz,1H).
19F−NMR(376MHz,CDCl3):−133.3(dd,J=13.6Hz,J=8.8Hz,1F),−74.9(t,J=8.0Hz,3F).
実施例−4
1H−NMR(400MHz,CDCl3):δ1.32(s,9H),5.96(t,J=53Hz,1H),7.20(m,3H).
19F−NMR(376MHz,CDCl3):δ−137.2(d,J=53Hz,2F),−130.0(m,1F),−89.4(s,2F).
実施例−5
,1.76mmol)を滴下し、30分撹拌した後、0℃に昇温した。反応液にジエチルエーテル及び飽和塩化ナトリウム水を加え、水層を分離後、有機層を硫酸ナトリウムで乾燥した。乾燥剤をろ別後、ろ液を減圧濃縮した。得られた油状物を、窒素雰囲気下、THF(10mL)に溶解した。この溶液を−78℃に冷却し、n-ブチルリチウム/ヘキサ
ン溶液(1.63M,2.0mL,3.26mmol)を滴下し、3時間撹拌した後、0℃に昇温した。反応液にジエチルエーテル及び飽和塩化ナトリウム水を加え、水層を分離後、有機層を硫酸ナトリウムで乾燥した。乾燥剤をろ別後、ろ液を減圧濃縮し、粗生成物を得た。粗生成物をシリカゲルカラムクロマトグラフィー(ヘキサン)で精製し、4,6−ジ−tert−ブチル−2−フルオロ−1−トリフルオロメトキシベンゼンを無色油状物として得た(182mg,収率27.4%)。
1H−NMR(400MHz,CDCl3)δ1.30(s,9H),1.40(s,9H),7.04(d,J=12.4Hz,1H),7.17(s,1H).
19F−NMR(376MHz,CDCl3)δ−127.6(qd,19.6,12.4Hz,1F),−55.3(d,J=19.6Hz,3F).
実施例−6
19F−NMR(376MHz,CDCl3):δ-83.41(s,3F),-123.44(s,2F).
実施例−7
1H−NMR(400MHz,CDCl3):δ7.34(d,J=8.9Hz,2H),6.88(d,J=8.9Hz,2H),4.44(t,J=12.9Hz,2H),1.31(s,9H).
19F−NMR(376MHz,CDCl3):δ-80.74(t,J=9.8Hz,3F),-119.42〜-119.50(m,2F),-121.96(t,J=9.0Hz,4F),-122.70(s,2F),-123.09(s,2F),-126.04〜-126.12(m,3F).
実施例−8
1H−NMR(400MHz,CDCl3):δ7.34(d,J=8.9Hz,2H),6.88(d,J=8.9Hz,2H),4.45(t,J=12.9Hz,2H),1.30(s,9H).
19F−NMR(376MHz,CDCl3):δ-80.86(t,J=9.1Hz,3F),-120.47〜-120.55(m,2F),-127.48(s,2F).
実施例−9
1H−NMR(400MHz,CDCl3):δ7.38(d,J=2.5Hz,1H),7.20(dd,J=2.5,8.5Hz,1H),6.73(d,J=8.5Hz,1H),4.41(td,J=12.7Hz,2H),1.39(s,9H),1.31(s,9H).
19F−NMR(376MHz,CDCl3):δ-83.33(s,3F),-122.76(s,2F).
実施例−10
1H−NMR(400MHz,CDCl3):δ7.38(d,J=2.5Hz,1H),7.20(dd,J=2.5,8.5Hz,1H),6.73(d,J=8.5Hz,1H),4.45(t,J=13.3Hz,2H),1.39(s,9H),1.31(s,9H).
19F−NMR(376MHz,CDCl3):δ-80.82(t,J=9.4Hz,3F),-119.87〜-119.80(m,2F),-126.06(q,J=16.1Hz,2F).
実施例−11
1H−NMR(400MHz,CDCl3):δ7.38(d,J=2.5Hz,1H),7.20(dd,J=2.5,8.5Hz,1H),6.73(d,J=8.5Hz,1H),4.46(t,J=13.4Hz,2H),1.39(s,9H),1.31(s,9H).
19F−NMR(376MHz,CDCl3):δ-80.72(t,J=9.7Hz,3F),-118.78(t,J=6.2Hz,2F),-121.918(t,J=9.0Hz,4F),-122.75(d,J=46.0Hz,4F),-126.06(q,J=16.4Hz,2F).
参考例−1
比較例−1
1H−NMR(400MHz,CDCl3):δ1.30(s,9H),δ1.39(s,9H),δ4.33(q,J=8.2Hz,2H),δ6.68(d,J=8.5Hz,1H),δ7.18(dd,J=8.5,2.4Hz,1H),δ7.36(d,J=2.4Hz,1H).
19F−NMR(376MHz,CDCl3):δ−74.1(t,J=8.2Hz,3F).
実施例−1にて合成した2,4−ジ−tert−ブチル−1−(2,2,2−トリフルオロエトキシ)ベンゼン用いて電解液を調整し、CV測定を行った。図2に、走査速度100mV/Sの時のサイクリックボルタモグラムを示した。得られたサイクリックボルタモグラムから、E1/2=4.7V(vs.Li/Li+)であり、高い酸化還元電位を
有し、可逆な酸化還元挙動を示す事が分かった。また、拡散係数Dは、2.2×10−6cm2/sであった。
実施例−2で合成した4,6−ジ−tert−ブチル−2−フルオロ−1−(2,2,2−トリフルオロエトキシ)ベンゼンを用いて電解液を調整し、CV測定を行った。図3に、走査速度100mV/Sの時のサイクリックボルタモグラムを示した。得られたサイクリックボルタモグラムから、E1/2=4.9V(vs.Li/Li+)であり、高い
酸化還元電位を有し、可逆な酸化還元挙動を示す事が分かった。
実施例−3で合成した4−tert−ブチル−2−フルオロ−1−(2,2,2−トリフルオロエトキシ)ベンゼンを用いて電解液を調整し、CV測定を行った。図4に、走査速度100mV/Sの時のサイクリックボルタモグラムを示した。得られたサイクリックボルタモグラムから、E1/2=4.9V(vs.Li/Li+)であり、高い酸化還元
電位を有し、可逆な酸化還元挙動を示す事が分かった。
実施例−4で合成した4−tert−ブチルー2−フルオロ−1−(1,1,2,2−テトラフルオロエトキシ)ベンゼンを用いて電解液を調整し、CV測定を行った。得られたサイクリックボルタモグラムから、E1/2=5.3V(vs.Li/Li+)であり
、高い酸化還元電位を有し、可逆な酸化還元挙動を示す事が分かった。
実施例−5で合成した4,6−ジ−tert−ブチルー2−フルオロ−1−トリフルオロメトキシベンゼンを用いて電解液を調整し、CV測定を行った。得られたサイクリックボルタモグラムから、E1/2=5.3V(vs.Li/Li+)であり、高い酸化還元
電位を有し、可逆な酸化還元挙動を示す事が分かった。
実施例−9で合成した2,4−ジ−tert−ブチル−1−(2,2,3,3,3−ペンタフルオロプロピルオキシ)ベンゼンを用いて電解液を調整し、CV測定を行った。得られたサイクリックボルタモグラムから、E1/2=4・7V(vs.Li/Li+)であり、高い酸化還元電位を有し、可逆な酸化還元挙動を示す事が分かった。
実施例−10で合成した2,4−ジ−tert−ブチル−1−(2,2,3,3,4,4,4−ヘプタフルオロブチルオキシ)ベンゼンを用いて電解液を調整し、CV測定を行った。得られたサイクリックボルタモグラムから、E1/2=4・7V(vs.Li/Li+)であり、高い酸化還元電位を有し、可逆な酸化還元挙動を示す事が分かった。
実施例−11で合成した2,4−ジ−tert−ブチル−1−(2,2,3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,8−ペンタデカフルオロオクチルオキシ)ベンゼンを用いて電解液を調整し、CV測定を行った。得られたサイクリックボルタモグラムから、E1/2=4・7V(vs.Li/Li+)であり、高い酸化還元電位を有し、可逆な酸化還元挙動を示す事が分かった。
実施例−1にて合成した2,4−ジ−tert−ブチル−1−(2,2,2−トリフルオロエトキシ)ベンゼンを用いて電解液を調整し、LSV測定を行った。図5に、リニアスィープボルタモグラムの測定結果を示した。
試験例−10
支持電解質として六フッ化リン酸リチウム、実施例−1にて合成した2,4−ジ−tert−ブチル−1−(2,2,2−トリフルオロエトキシ)ベンゼン、及びエチレンカーボネート/エチルメチルカーボネート混合溶媒(体積比:30/70)を用いて電解液を調整し、コイン型リチウムイオン二次電池素子を得た(図1)。
フェニルエーテル化合物を添加しなかった他は、試験例−7と同様に行った。作成したリチウムイオン電池を5.2mAhまで充電した時、上限電圧(4.95V)に達し、それ以上の充電を行うことはできなかった(図6)。
フェニルエーテル化合物の代わりに、参考例−2にて合成した1,4−ビス(2,2,2−トリフルオロエトキシ)−2,5−ジ−tert−ブチルベンゼンを用いて電解液を調整した他は、試験例−7と同様に行った。作成した電池素子は、充電容量が2.5mAhから3.7mAhまで一旦電圧上昇が抑えられ、さらに4.7mAhまで充電した時点から再び電圧上昇が抑えられ、6.0mAhまで充電した時の電圧は4.5Vであった。また充電した素子を3.0Vまで放電した時の容量は、2.8mAhであった(図6)。
2 正極ステンレス製キャップ
3 負極ステンレス製キャップ
4 負極
5 ステンレス製板バネ
6 無機フィラー含浸ポリオレフィン多孔質セパレータ
7 ガスケット
Claims (8)
- R2が炭素数4〜10の第三級アルキル基又は炭素数1〜4のフルオロアルキル基、R3が水素原子、炭素数4〜10の第三級アルキル基又は炭素数1〜4のフルオロアルキル基であるフェニルエーテル化合物を含む請求項1に記載の二次電池用電解液。
- R1がフッ素原子、tert−ブチル基又はトリフルオロメチル基であり、R2がtert−ブチル基又はトリフルオロメチル基であり、R3が水素原子、又はtert−ブチル基又はトリフルオロメチル基であるフェニルエーテル化合物を含む請求項1又は2に記載の二次電池用電解液。
- R1がフッ素原子又はtert−ブチル基であり、R2がtert−ブチル基であり、R3が水素原子、又はtert−ブチル基であるフェニルエーテル化合物を含む請求項1〜3のいずれかに記載の二次電池用電解液。
- R4が、フルオロメチル基、ジフルオロメチル基、トリフルオロメチル基、2−フルオロエチル基、2,2−ジフルオロエチル基、2,2,2−トリフルオロエチル基、1,1,2,2−テトラフルオロエチル基、2,2,2−トリフルオロ−1−(トリフルオロメチル)エチル基、2,2,3,3−テトラフルオロプロピル基、2,2,3,3,3−ペンタフルオロプロピル基であるフェニルエーテル化合物を含む請求項1〜4いずれかに記載の二次電池用電解液。
- 請求項1〜5のいずれかに記載の二次電池用電解液を含む非水系二次電池。
- 請求項1〜5のいずれかに記載の二次電池用電解液を含むリチウムイオン電池。
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