JP6765380B2 - 非水電解液用添加剤、非水電解液、及び、蓄電デバイス - Google Patents

非水電解液用添加剤、非水電解液、及び、蓄電デバイス Download PDF

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Description

本発明は、非水電解液用添加剤に関する。また、本発明は、該非水電解液用添加剤を用いた非水電解液、及び、該非水電解液を用いた蓄電デバイスに関する。
近年、環境問題の解決、持続可能な循環型社会の実現に対する関心が高まるにつれ、リチウムイオン電池に代表される非水電解液二次電池、及び電気二重層キャパシタ等の蓄電デバイスの研究が広範囲に行われている。なかでもリチウムイオン電池は高い使用電圧とエネルギー密度から、ノート型パソコン、携帯電話等の電源として用いられている。これらリチウムイオン電池は、鉛電池やニッケルカドミウム電池と比較してエネルギー密度が高く、高容量化が実現されるため期待されている。
しかしながら、リチウムイオン電池には、充放電サイクルの経過に伴って電池の容量が低下するという問題がある。
充放電サイクルの経過に伴う電池の容量の低下を抑制する方法として、電解液に各種添加剤を加える方法が検討されている。添加剤は、初期の充放電時に分解され、電極表面上に固体電解質界面(SEI)と呼ばれる被膜を形成する。SEIは、充放電サイクルの初期のサイクルにおいて形成されるため、電解液中の溶媒等の分解に電気が消費されることはなく、リチウムイオンはSEIを介して電極を行き来することができる。すなわち、SEIの形成は充放電サイクルを繰り返した場合の非水電解液二次電池等の蓄電デバイスの劣化を防ぎ、電池特性、保存特性又は負荷特性等を向上させることに大きな役割を果たすと考えられている。
SEIを形成する電解液用添加剤として、例えば、特許文献1〜3には、環状モノスルホン酸エステルが開示されている。特許文献4には、含硫黄芳香族化合物が開示されており、特許文献5にはジスルフィド化合物が開示されている。特許文献6〜9にはジスルホン酸エステルが開示されている。
特開昭63−102173号公報 特開2000−003724号公報 特開平11−339850号公報 特開平05−258753号公報 特開2001−052735号公報 特開2009−038018号公報 特開2005−203341号公報 特開2004−281325号公報 特開2005−228631号公報 特開平05−74486号公報 特開2014−013728号公報
非水電解液二次電池の電極における電気化学的還元に対する非水電解液用添加剤の適応性の指標として、例えば、「Geun−Chang,Hyung−Jin kim,Seung−ll Yu,Song−Hui Jun,Jong−Wook Choi,Myung−Hwan Kim.Journal of The Electrochemical Society,147,12,4391(2000)」には、非水電解液用添加剤を構成する化合物のLUMO(最低空分子軌道)エネルギーのエネルギー準位を用いる方法が報告されている。この文献では、LUMOエネルギーが低い化合物ほど優れた電子受容体であり、非水電解液二次電池等の電極表面上に安定なSEIを形成することができる非水電解液用添加剤になるとされている。従って、化合物のLUMOエネルギーを測定することにより、該化合物が非水電解液二次電池等の蓄電デバイスの電極表面上に安定なSEIを形成する性能を有するかどうかを容易に評価することができ、この方法が現在では非常に有用な手段となっている。
一方で、特許文献1〜9に開示されている化合物は、LUMOエネルギーが高く、非水電解液用添加剤としての性能が必ずしも充分でない、又は、LUMOエネルギーが低くても化学的な安定性が不足する、という問題があった。特に、ジスルホン酸エステルは低いLUMOエネルギーを示すものの、水分に対する安定性が低く容易に劣化するため、保管する際には厳密な水分含有量及び温度の管理が必要であった。
特許文献10に記載されるビニレンカーボネート系の化合物を非水電解液用添加剤として用いた電解液は、ビニレンカーボネートが電極上で分解された際に、二酸化炭素等のガスを発生し、電池性能の低下につながるといった問題を有していた。ガス発生は、高温、または長期に亘る充放電サイクルを繰り返したときに特に顕著である。
特許文献11に記載されるジスルホン酸アミド化合物は、安定性が高く、放電容量維持、内部抵抗比などの電池特性の点では比較的良好な効果をもたらすが、ガス発生を抑制する効果については充分でなかった。
このように、従来の非水電解液用添加剤は充分な性能が得られておらず、蓄電デバイスの電池特性を向上させる新規な非水電解液用添加剤の開発が望まれていた。
そこで、本発明は、保存安定性に優れるとともに、非水電解液二次電池等の蓄電デバイスに用いた場合に、安定なSEIを形成してサイクル特性を改善し、しかもガス発生を抑制できる、非水電解液用添加剤を提供することを目的とする。また、本発明は、該非水電解液用添加剤を用いた非水電解液、及び、該非水電解液を用いた蓄電デバイスを提供することを目的とする。
本発明の一側面は、下記式(1)で表されるジスルホン酸アミド化合物を含む非水電解液用添加剤を提供する。
Figure 0006765380
式(1)中、AはC(2m−n)を示し、mは1〜6の整数を示し、nは1〜12の整数を示し、2m−nが0以上であり、Zはハロゲン原子を示す。
は、置換基を有していてもよいフェニル基、置換基を有していてもよいフェニルチオ基、置換基を有していてもよいフェノキシ基、置換基を有していてもよいフェニルアミノ基、又は、置換基を有していてもよいフェニル基で置換されている炭素数1〜6のアルキル基を示し、該アルキル基中の2個の炭素原子の間、該アルキル基中の1個の炭素原子と置換基を有していてもよいフェニル基との間、又は該アルキル基中の1個の炭素原子とRが結合している窒素原子との間に、硫黄原子、酸素原子、又は置換基を有していてもよいアミノ基が介在していてもよい。言い換えると、Rは、置換基を有していてもよいフェニル基、又は、炭素鎖中若しくは側鎖にフェニル基を有し、炭素鎖中若しくは側鎖に硫黄原子、酸素原子若しくは窒素原子を有していてもよい炭素数1〜6のアルキル基を示す。
、R及びRは、それぞれ独立して、水素原子、置換基を有していてもよいフェニル基、置換基を有していてもよいフェニルチオ基、置換基を有していてもよいフェノキシ基、置換基を有していてもよいフェニルアミノ基、又は、置換基を有していてもよいフェニル基で置換されていてもよい炭素数1〜6のアルキル基を示し、該アルキル基中の2個の炭素原子の間、該アルキル基中の1個の炭素原子と置換基を有していてもよいフェニル基との間、又は該アルキル基中の1個の炭素原子とR、R若しくはRが結合している窒素原子との間に、硫黄原子、酸素原子、又は置換基を有していてもよいアミノ基が介在していてもよい。言い換えると、R、R及びRは、それぞれ独立して、水素原子、置換基を有していてもよいフェニル基、又は、炭素鎖中若しくは側鎖に硫黄原子、酸素原子、窒素原子若しくはフェニル基を有していてもよい炭素数1〜6のアルキル基を示す。
及びRは、連結して、それらが結合している窒素原子と共に環状構造を形成している合計炭素数2〜5のアルキレン基を形成であってもよく、該アルキレン基中の2個の炭素原子の間、又は該アルキレン基中の1個の炭素原子とR及びRが結合している窒素原子との間に、硫黄原子、酸素原子、又は置換基を有していてもよいアミノ基が介在していてもよい。言い換えると、R及びRは、連結してそれらが結合している窒素原子と共に環状構造を形成してもよく、その場合のR及びRは、合計炭素数が2〜5のアルキレン基であって、炭素鎖中又は炭素鎖端に硫黄原子、酸素原子、又は、窒素原子を有していてもよい。
及びRは、連結して、それらが結合している窒素原子と共に環状構造を形成している合計炭素数2〜5のアルキレン基であってもよく、該アルキレン基中の2個の炭素原子の間、又は該アルキレン基中の1個の炭素原子とR及びRが結合している窒素原子との間に、硫黄原子、酸素原子、又は置換基を有していてもよいアミノ基が介在していてもよい。言い換えると、R及びRは、連結してそれらが結合している窒素原子と共に環状構造を形成してもよく、その場合のR及びRは、合計炭素数が2〜5のアルキレン基であって、炭素鎖中又は側鎖に硫黄原子、酸素原子、又は、窒素原子を有してもよい。
本発明の一側面によれば、保存安定性に優れるとともに、非水電解液二次電池等の蓄電デバイスに用いた場合に、電極表面上に安定なSEIを形成して充放電容量、内部抵抗等の点でサイクル特性を改善し、しかもガス発生を抑制することができる非水電解液用添加剤を提供することができる。また、本発明の一側面によれば、該非水電解液用添加剤を用いた非水電解液、及び、該非水電解液を用いた蓄電デバイスを提供することができる。
蓄電デバイスの一例としての非水電解液二次電池の一実施形態を模式的に示した断面図である。
以下に本発明の実施形態を詳細に説明する。ただし、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。
一実施形態に係る非水電解液用添加剤は、式(1)で表されるジスルホン酸アミド化合物を含む。
Figure 0006765380
式(1)中、AはC(2m−n)を示し、mは1〜6の整数を示し、nは1〜12の整数を示し、2m−nが0以上であり、Zはハロゲン原子を示す。
本発明者らは、式(1)で表されるジスルホン酸アミド化合物は、電気化学的還元を受けやすい低いLUMOエネルギーを示し、かつ、化学的に安定であることを見出した。本発明者らは更に、該ジスルホン酸アミド化合物を含む非水電解液用添加剤を非水電解液に用い、該非水電解液を非水電解液二次電池等の蓄電デバイスに用いた場合に、該ジスルホン酸アミド化合物が初期の充放電時に分解し、電極表面上に安定なSEIを形成してサイクル特性が改善されることに加え、ガス発生を抑制することを見出した。
式(1)で表されるジスルホン酸アミド化合物を含む非水電解液用添加剤が、サイクル特性を改善するだけでなく、ガス発生を抑制する理由は、詳らかではないが、次のように考えられる。式(1)で表されるジスルホン酸アミド化合物は、電気化学的還元を受けた際に、N、S、O、ハロゲン原子等を含む極性基を多数含有するSEIを形成すると考えられる。このようなN、S、O、ハロゲン原子等を含む極性基を多数含有しているSEIは、優れたイオン伝導度を示すことができ、特にハロゲン原子の効果により、ガス発生を抑制できると考えられる。
式(1)中のAとししての基「C(2m−n)」は、m個の炭素原子が直鎖状又は分岐状に連結した構造を有しており、その両端の炭素原子がスルホン基に結合している。n個のハロゲン原子Zが、それぞれ、m個の炭素原子のいずれかに結合している。mの好ましい上限は4、より好ましい上限は2であり、mの好ましい下限は1である。Aは、ハロゲン原子を2つ以上有するメチレン基又はエチレン基であることが好ましい。
Zで示されるハロゲン原子としては、フッ素原子、塩素原子、ヨウ素原子が挙げられる。これらのなかでも、より低いLUMO値を示す観点から、フッ素原子が好ましい。
式(1)中、Rは、置換基を有していてもよいフェニル基、置換基を有していてもよいフェニルチオ基、置換基を有していてもよいフェノキシ基、置換基を有していてもよいフェニルアミノ基、又は、置換基を有していてもよいフェニル基で置換されている炭素数1〜6のアルキル基を示す。
式(1)中、R、R及びRは、それぞれ独立して、水素原子、置換基を有していてもよいフェニル基、置換基を有していてもよいフェニルチオ基、置換基を有していてもよいフェノキシ基、置換基を有していてもよいフェニルアミノ基、又は、置換基を有していてもよいフェニル基で置換されてもよい炭素数1〜6のアルキル基を示す。
式(1)中のR、R、R又はRとしての「置換基を有していてもよいフェニル基で置換されている炭素数1〜6のアルキル基」、又は「置換基を有していてもよいフェニル基で置換されていてもよい炭素数1〜6のアルキル基」において、2個の炭素原子の間、1個の炭素原子と置換基を有していてもよいフェニル基との間、又は1個の炭素原子とR 、R 、R 若しくはR が結合している窒素原子との間に、硫黄原子、酸素原子、又は置換基を有していてもよいアミノ基が介在していてもよい。ここで、2個の炭素原子の間に硫黄原子等が介在するとは、2個の炭素原子が、それぞれに共有結合で結合する硫黄原子(−S−)等を介して連結されていることを意味する。例えば、「−CH−S−CH」(メチルチオメチル基)に含まれる硫黄原子は、炭素数2のアルキル基中の2個の炭素原子の間に介在している。1個の炭素原子と置換基を有していてもよいフェニル基との間、又は1個の炭素原子とR 、R 、R 若しくはR が結合している窒素原子との間に介在している硫黄原子等も同様に解釈される。
式(1)中のR、R、R又はRとしての「置換基を有していてもよいフェニル基」の例としては、フェニル基、2−メチルフェニル基、3−メチルフェニル基、4−メチルフェニル基、2−エチルフェニル基、3−エチルフェニル基、4−エチルフェニル基、2−フルオロフェニル基、3−フルオロフェニル基、4−フルオロフェニル基、2−クロロフェニル基、3−クロロフェニル基、4−クロロフェニル基、2−ブロモフェニル基、3−ブロモフェニル基、4−ブロモフェニル基、2,3−ジメチルフェニル基、2,3−ジフルオロフェニル基、2−メチル−4−フルオロフェニル基、2−アミノ−5−フルオロフェニル基、2−エチル−6−フルオロフェニル基、3−エチル−4−メトキシフェニル基、3−エチル−5−フルオロフェニル基、2,3,5−トリメチルフェニル基、2,4,6−トリフルオロフェニル基、2,3−ジメチル−4−フルオロフェニル基、2−ブロモ−3−フルオロ−5−メチルフェニル基、2−メトキシ−3−フルオロ−6−(ジメチルアミノ)フェニル基、2−(メチルアミノ)−4−フルオロ−6−メチルフェニル基、2,3,4,5−テトラメチルフェニル基、2,3,4,6−テトラフルオロフェニル基、2,3−ジメチル−4,5−ジフルオロフェニル基、2−エトキシ−3−メチル−4−フルオロ−6−(ジメチルアミノ)フェニル基、2−ブロモ−3,5−ジフルオロ−6−(ジメチルアミノ)フェニル基、及び2,3,4,5,6−ペンタフルオロフェニル基が挙げられる。なかでも、強固なSEIを形成する観点から、R、R、R及びRは、それぞれ独立に、フェニル基、2−フルオロフェニル基、3−フルオロフェニル基、又は4−フルオロフェニル基であってもよい。
、R、R又はRとしての「置換基を有していてもよいフェニル基で置換されている炭素数1〜6のアルキル基」としては、例えば、−CHPh(ベンジル基)、−CHCHPh(フェネチル基)、−CH(CH)Ph、−CHCHCHPh(3−フェニルプロピル基)、−CH(CH)CHPh、−CH(Ph)CHCH、−CHCH(CH)Ph、−CH(2−FPh)、−CH(2,3−FPh)、−CH(2,4,6−FPh)、−CH(2,3,4,5−FPh)、−CH(2,3,4,5,6−FPh)、−CHCH−CH(CH)CH(4−FPh)、−CH(3−FPh)CHCH(3−FPh)、−CHCH(4−FPh)、−CHCHCH(2−FPh)、−CHCH(CH)(3−FPh)、−CH(3−CHPh)、−CH[2,3−(CHPh]、−CH[2,3,4−(CHPh]、−CHCH(4−CHPh)、−CHCH[2,4−(CHPh]、−CHCH[2,4,6−(CHPh]、−CH(CH)(2−CHPh)、−CHCHCH(3−CHPh)、−CH(CH)CH(3−CHPh)、−CH(2−CHPh)CHCH、及び−CHCH(CH)(4−CHPh)等のフェニルアルキル基が挙げられる。これら基の表記のうち、「2−FPh」は2−フルオロフェニル、「2,3−FPh」は2,3−ジフルオロフェニル、「2,4,6−FPh」は2、4、6―トリフルオロフェニル」、「2,3,4,5−FPh」は2,3,4,5−テトラフルオロフェニル、「2,3,4,5,6−FPh」は2,3,4,5,6−ペンタフルオロフェニルを意味する。その他、「4−FPh」、「3−CHPh」等も同様に、4−フルオロフェニル、3−メチルフェニル等を意味する。。
式(1)中のR、R、R又はRとしての「置換基を有していてもよいフェニル基で置換されている炭素数1〜6のアルキル基」において、「置換基を有していてもよいフェニル基」が有し得る置換基の例としては、ハロゲン原子、−OCH、−SCH、−NH、NHCH、−N(CH、−CH、−CHCHが挙げられる。フェニル基が有し得る置換基は、好適には、ハロゲン原子、メチル基、及びエチル基である。フェニル基の置換基の炭素数が多くなると、電解液への溶解性が低下する可能性がある
は、特に、下記式(2)で表される基から選ばれる基であってもよい。式(2)中、(*)は窒素原子に結合する側を示す。なかでも、反応の容易さや性能の観点から、ベンジル基がより好ましい。
Figure 0006765380
、R又はRとしての「置換基を有していてもよいフェニル基で置換されていてもよい炭素数1〜6のアルキル基」であって、アルキル基中の2個の炭素原子の間、又はアルキル基中の1個の炭素原子とR、R若しくはRが結合している窒素原子との間に硫黄原子が介在しているものとしては、例えば、−SCH、−SCHCH3、−SCHCHCH、−SCH(CH、−CH(SCH、−SCHCHCHCH、−SCH(CH)CHCH、及び−SCHCH(CH等のアルキルチオ基、並びに、−CHSCH、−CHSCHCH、−CHCHSCH、−CHSCHCHCH、−CHCHSCHCH、−CHCHCHSCH、−CH(SCH)CHCH、−CH(CH)SCHCH、−CH(CH)CHSCH、−CHSCH(CH、及び−CHCH(SCH等のアルキルチオアルキル基が挙げられる。
、R又はRとしての「置換基を有していてもよいフェニル基で置換されていてもよい炭素数1〜6のアルキル基」であって、アルキル基中の2個の炭素原子の間、又はアルキル基中の1個の炭素原子とR、R若しくはRが結合している窒素原子との間に酸素原子が介在しているものとしては、例えば、−OCH、−OCHCH、−OCHCHCH、−OCHCHCHCH、−OCH(CH)CHCH、及び−OCHCH(CH等のアルコキシ基、並びに、−CHOCH、−CHOCHCH、−CHCHOCH、−OCH(CH、−CH(OCH、−CHOCHCHCH、−CHCHOCHCH、−CHCHCHOCH、−CH(OCH)CHCH、−CH(CH)OCHCH、−CH(CH)CHOCH、−CHOCH(CH、及び−CHCH(OCH等のアルコキシアルキル基が挙げられる。
、R又はRとしての「置換基を有していてもよいフェニル基で置換されていてもよい炭素数1〜6のアルキル基」であって、アルキル基中の2個の炭素原子の間、又はアルキル基中の1個の炭素原子とR、R若しくはRが結合している窒素原子との間に置換基(フェニル基等)を有していてもよいアミノ基が介在しているものとしては、例えば、−NHCH、−NHCHCH、−NHCHCHCH、−NHCH(CH、−NHCHCHCHCH、−NHCH(CH)CHCH、−NHCHCH(CH、−N(CH)CH、−N(CH)CHCH、−N(CH)CHCHCH、−N(CH)CH(CH、−N(CH)CHCHCHCH、−N(CH)CH(CH)CHCH、及び−N(CH)CHCH(CH等のN−アルキルアミノ基、−CHNHCH、−CHNHCHCH、−CHCHNHCH、−CH(NHCH、−CHNHCHCHCH、−CHCHNHCHCH、−CHCHCHNHCH、−CH(CH)NHCHCH、−CH(CH)CHNHCH、−CHNHCH(CH、−CHCH(NHCH、−CHN(CH)CH、−CHN(CH)CHCH、−CHCHN(CH)CH、−CH(N(CH)CH、−CHN(CH)CHCHCH、−CHCHN(CH)CHCH、−CHCHCHN(CH)CH、−CH(N(CH)CH)CHCH、−CH(CH)N(CH)CHCH、−CH(CH)CHN(CH)CH、−CHN(CH)CH(CH、−CHCH(N(CH)CH等のアルキルアミノアルキル基、−N(Ph)CH、−N(Ph)CHCH、−N(Ph)CHCHCH、−N(Ph)CH(CH、−N(Ph)CHCHCHCH、−N(Ph)CH(CH)CHCH、−N(Ph)CHCH(CH等のN−フェニル−N−アルキルアミノ基、並びに、−CHN(Ph)CH、−CHN(Ph)CHCH、−CHCHN(Ph)CH、−CH(N(Ph)CH、−CHN(Ph)CHCHCH、−CHCHN(Ph)CHCH、−CHCHCHN(Ph)CH、−CH(N(Ph)CH)CHCH、−CH(CH)N(Ph)CHCH、−CH(CH)CHN(Ph)CH、−CHN(Ph)CH(CH、−CHCH(N(Ph)CH等のフェニルアミノアルキル基、が挙げられる。アミノ基には、好適には、フェニル基、ハロゲン原子、メチル基、及びエチル基から選ばれる基が結合する。アミノ基に結合する基の炭素数が多くなると、電解液への溶解性が低下する可能性がある。
式(1)中のR、R又はRとしての無置換の炭素数1〜6のアルキル基としては、例えば、メチル基、エチル基、n−プロピル基、イソプロピル基、n−ブチル基、1−メチルエチル基、n−ペンチル基、及びn−へキシル基が挙げられる。
式(1)中、R、R及びRは、好ましくは、それぞれ独立に、フェニル基、ベンジル基、フェネチル基、3−フェニルプロピル基、モノフルオロフェニル基、ジフルオロフェニル基、モノフルオロベンジル基、ジフルオロベンジル基、メチルフェニル基、ジメチルフェニル基、メチルベンジル基、又はジメチルベンジル基であり、より好ましくは、それぞれ独立に、フェニル基、ベンジル基、モノフルオロフェニル基、又はモノフルオロベンジル基である。
式(1)中、RとRとが同じ基で、かつ、RとRとが同じ基であることが特に好ましい。より好ましくは、ジスルホン酸アミド化合物の溶解性の観点から、R及びRがいずれも置換基を有していてもよいフェニル基であって、該置換基が炭素数1〜2のアルキル基若しくはハロゲン原子である、又は、R及びRがいずれもフェニル基で置換されていてもよい炭素数1〜6のアルキル基である。さらに好ましくは、R及びRがいずれもフェニル基で、かつ、R及びRがいずれも水素原子である、R及びRがいずれもフェニル基で、かつ、R及びRがいずれもメチル基である、R及びRがいずれもベンジル基で、かつ、R及びRがいずれもメチル基である、R及びRがいずれもベンジル基で、かつ、R及びRがいずれもベンジル基である、又は、R及びRがいずれもフルオロフェニル基で、かつ、R及びRがいずれも水素原子である。
式(1)中、R及びRは、連結して、それらが結合している窒素原子と共に環状構造を形成している合計炭素数2〜5のアルキレン基であってもよい。式(1)中、R及びRも、連結して、それらが結合している窒素原子と共に環状構造を形成している合計炭素数2〜5のアルキレン基であってもよい。R及びR、又は、R及びRとしてのアルキレン基において、2個の炭素原子の間、又は1個の炭素原子とR及びR、又は、R及びRが結合している窒素原子との間に、硫黄原子、酸素原子、又は置換基を有していてもよいアミノ基が介在していてもよい。
式(1)中のR及びRが連結して形成し得る「合計炭素数2〜5のアルキレン基」としては、例えば、−O−(CH−、−O−(CH−、−O−(CH−、−O−(CH−、−CH−O−CH−、−CH−O−(CH−、−CH−O−(CH−、−CH−O−(CH−、−(CH−O−(CH−、−(CH−O−(CH−、−N−(CH−、−N−(CH−、−N−(CH−、−N−(CH−、−CH−N−CH−、−CH−N−(CH−、−CH−N−(CH−、−CH−N−(CH−、−(CH−N−(CH−、−(CH−N−(CH−、−N(CH)−CH−、−N(CH)−(CH−、−N(CH)−(CH−、−N(CH)−(CH−、−N(CH)−(CH−、−CH−N(CH)−CH−、−CH−N(CH)−(CH−、−CH−N(CH)−(CH−、−CH−N(CH)−(CH−、−(CH−N(CH)−(CH−、−(CH−N(CH)−(CH−、−S−(CH−、−S−(CH−、−S−(CH−、−S−(CH−、−CH−S−CH−、−CH−S−(CH−、−CH−S−(CH−、−CH−S−(CH−、−(CH−S−(CH−、−(CH−S−(CH−、−(CH−、−(CH−、−(CH−、及び、−(CH−、が挙げられる。アルキレン基の炭素数は、より好適には、3〜5である。その場合、「合計炭素数2〜5のアルキレン基」は、より好適には、−(CH−O−(CH−、−(CH−NH−(CH−、−(CH−N(CH)−(CH−、−(CH−S−(CH−、−(CH−、又は−(CH−である。
式(1)中、R及びR、又は、R及びRが連結してそれらが結合している窒素原子と共に形成し得る環状構造は、5員環又は6員環であることが好ましい。この環状構造が4員環以下であると、製造しにくくなる場合がある。この環状構造は、ピペリジン環、モルホリン環、チオモルホリン環、又はメチルピペラジン環であることが好ましい。
式(1)で表されるジスルホン酸アミド化合物としては、例えば、ジフルオロメタンジスルホン酸ビスフェニルアミド、ジフルオロメタンジスルホン酸ビスメチルフェニルアミド、ジフルオロメタンジスルホン酸ビスベンジルアミド、ジフルオロメタンジスルホン酸ビスジベンジルアミド、ジフルオロメタンジスルホン酸ビスメチルベンジルアミド、ジフルオロメタンジスルホン酸ビスベンジルフェニルアミド、ジフルオロメタンジスルホン酸ビス(2−フルオロフェニルアミド)、ジフルオロメタンジスルホン酸ビス(2−フルオロフェニルアミド)、ジフルオロメタンジスルホン酸ビス(2−フルオロフェニルアミド)、ジフルオロメタンジスルホン酸ビスピロリジン、ジフルオロメタンジスルホン酸ビスピペリジン、ジフルオロメタンジスルホン酸ビスモルホリン、ジフルオロメタンジスルホン酸ビスチオモルホリン、1,2−ジフルオロエタンジスルホン酸ビスモルホリン、ジフルオロメタンジスルホン酸ビス(1−メチルピペラジン)、1,1−ジフルオロエタンジスルホン酸ビスモルホリン、1,1,2−トリフルオロエタンジスルホン酸ビスモルホリン、1,1,2,2−テトラフルオロエタンジスルホン酸ビスモルホリン、フルオロメタンジスルホン酸ビスフェニルアミド、フルオロメタンジスルホン酸ビスメチルフェニルアミド、フルオロメタンジスルホン酸ビスベンジルアミド、フルオロメタンジスルホン酸ビスジベンジルアミド、フルオロメタンジスルホン酸ビスメチルベンジルアミド、フルオロメタンジスルホン酸ビスベンジルフェニルアミド、フルオロメタンジスルホン酸ビス(2−フルオロフェニルアミド)、フルオロメタンジスルホン酸ビス(2−フルオロフェニルアミド)、ジフルオロメタンジスルホン酸ビス(4−フルオロフェニルアミド)、フルオロメタンジスルホン酸ビスピロリジン、フルオロメタンジスルホン酸ビスピペリジン、フルオロメタンジスルホン酸ビスモルホリン、フルオロメタンジスルホン酸ビスチオモルホリン、1−フルオロエタンジスルホン酸ビスモルホリン、フルオロメタンジスルホン酸ビス(1−メチルピペラジン)、及び1,1−フルオロエタンジスルホン酸ビスモルホリンが挙げられる。
なかでも、ガス発生をより抑制する観点から、フッ素原子が2つ以上有する化合物が好ましい。その例としては、ジフルオロメタンジスルホン酸ビスフェニルアミド、ジフルオロメタンジスルホン酸ビスメチルフェニルアミド、ジフルオロメタンジスルホン酸ビスベンジルアミド、ジフルオロメタンジスルホン酸ビスジベンジルアミド、ジフルオロメタンジスルホン酸ビスメチルベンジルアミド、ジフルオロメタンジスルホン酸ビスベンジルフェニルアミド、ジフルオロメタンジスルホン酸ビス(2−フルオロフェニルアミド)、ジフルオロメタンジスルホン酸ビス(4−フルオロフェニルアミド)、ジフルオロメタンジスルホン酸ビスピロリジン、ジフルオロメタンジスルホン酸ビスピペリジン、ジフルオロメタンジスルホン酸ビスモルホリン、ジフルオロメタンジスルホン酸ビスチオモルホリン、1,2−ジフルオロエタンジスルホン酸ビスモルホリン、ジフルオロメタンジスルホン酸ビス(1−メチルピペラジン)、1,1−ジフルオロエタンジスルホン酸ビスモルホリン、1,1,2−トリフルオロエタンジスルホン酸ビスモルホリン、及び1,1,2,2−テトラフルオロエタンジスルホン酸ビスモルホリンが挙げられる。
式(1)で表されるジスルホン酸アミド化合物の製造方法としては、例えば、メタンジスルホニルクロライドと1級又は2級アミンを反応させてジスルホン酸アミドを得ることと、得られたジスルホン酸アミドのアルキレン基に水素化ナトリウム存在下でハロゲン化剤によりハロゲン原子を導入することとを含む方法が挙げられる。その他、例えばジフルオロメタンジスルホン酸ビスモルホリンの製造方法として、モルホリンに、メタンジスルホニルクロライドを反応させ、次いで、トリエチルアミンを滴下して反応させ、メタンジスルホン酸ビスモルホリンを得ることと、その後、このメタンジスルホン酸ビスモルホリンに水素化ナトリウム存在下でハロゲン化剤によりハロゲン原子を導入することとを含む方法が挙げられる。これら製造方法においては、必要に応じて、1,2−ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン等の反応溶媒を用いることもできる。
式(1)で表されるジスルホン酸アミド化合物は、電気化学的還元を受けやすい低いLUMOエネルギーを示すため、該化合物を含む非水電解液用添加剤は、非水電解液に含有され非水電解液二次電池等の蓄電デバイスに用いた場合に、電極表面上に安定なSEIを形成してサイクル特性、充放電容量、内部抵抗、ガス発生等の電池特性を改善することができる。また、式(1)で表されるジスルホン酸アミド化合物は、水分及び温度変化に対して安定であるため、該化合物を含む非水電解液用添加剤は、長期間、室温で保存することが可能である。したがって、該非水電解液用添加剤を含有する非水電解液も、長期間の保存及び使用に耐えることができる。
一実施形態に係る非水電解液は、上記非水電解液用添加剤、非水溶媒、及び、電解質を含有する。
本実施形態の非水電解液における非水電解液用添加剤の含有量(即ち、式(1)で表されるジスルホン酸アミド化合物の含有量)について、好ましい下限は0.005質量%、好ましい上限は10質量%である。ここでの含有量は、非水溶媒及び電解質の合計質量を100質量%としたときの割合である。非水電解液用添加剤の含有量が0.005質量%未満であると、非水電解液二次電池等において電極表面での電気化学的還元反応によって安定なSEIを形成する効果が、相対的に小さくなる傾向がある。非水電解液用添加剤の含有量が10質量%を超えると、非水電解液の粘度が上昇し、イオンの移動度が確保され難くなる傾向がある。そのため、電解液の導電性等を充分に確保し難く、非水電解液二次電池等の蓄電デバイスにおいて充放電特性等が相対的に低下する可能性がある。非水電解液用添加剤の含有量のより好ましい下限は0.01質量%である。非水電解液用添加剤(即ち、式(1)で表されるジスルホン酸アミド化合物)は、単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。該化合物を2種以上併用する場合、それらの合計の含有量について、好ましい下限は0.005質量%、好ましい上限は10質量%である。
式(1)で表されるジスルホンアミド化合物は、必要に応じて、非水電解液にビニレンカーボネート(VC)、フルオロエチレンカーボネート(FEC)、1,3−プロパンスルトン(PS)等の一般的な添加剤とを組み合わせて用いてもよい。
非水電解液を構成する非水溶媒としては、得られる非水電解液の粘度を低く抑える等の観点から、非プロトン性溶媒が好適である。なかでも、非水溶媒は、環状カーボネート、鎖状カーボネート、脂肪族カルボン酸エステル、ラクトン、ラクタム、環状エーテル、鎖状エーテル、スルホン、及び、これらのハロゲン誘導体からなる群より選択される少なくとも1種であることが好ましい。なかでも、環状カーボネート、鎖状カーボネート又はこれらの組み合わせがより好ましく用いられる。
環状カーボネートとしては、例えば、炭酸エチレン、炭酸プロピレン、及び炭酸ブチレンが挙げられる。
鎖状カーボネートとしては、例えば、炭酸ジメチル、炭酸ジエチル、及び炭酸エチルメチルが挙げられる。
脂肪族カルボン酸エステルとしては、例えば、酢酸メチル、酢酸エチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、酪酸メチル、イソ酪酸メチル、及びトリメチル酢酸メチルが挙げられる。
ラクトンとしては、例えば、γ−ブチロラクトンが挙げられる。
ラクタムとしては、例えば、ε−カプロラクタム、及びN−メチルピロリドンが挙げられる。
環状エーテルとしては、例えば、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、テトラヒドロピラン、1,3−ジオキソラン等が挙げられる。
鎖状エーテルとしては、例えば、1,2−ジエトキシエタン、及びエトキシメトキシエタンが挙げられる。
スルホンとしては、例えば、スルホランが挙げられる。
ハロゲン誘導体としては、例えば、4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オン、4−クロロ−1,3−ジオキソラン−2−オン、及び4,5−ジフルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンが挙げられる。
これらの非水溶媒は、単独で用いてもよいし、複数種を混合してもよい。これらの非水溶媒は、例えば、リチウムイオン電池等の非水電解液二次電池、又はリチウムイオンキャパシタ等の電気二重層キャパシタに好ましく用いられる。
非水電解液を構成する電解質としては、リチウムイオンのイオン源となるリチウム塩が好ましい。なかでも、電解質は、LiAlCl、LiBF、LiPF、LiClO、LiAsF、及び、LiSbFからなる群より選択される少なくとも1種であることが好ましい。電解質は、解離度が高く電解液のイオン伝導度を高めることができ、さらには耐酸化還元特性により長期間の使用による蓄電デバイスの性能劣化を抑制する作用がある等の観点から、LiBF、及び./又はLiPFであることがより好ましい。これらの電解質は、単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
非水電解液における電解質の濃度について、好ましい下限は0.1mol/L、好ましい上限は2.0mol/Lである。ここでの電解質の濃度は、非水溶媒の体積を基準とする値である。電解質の濃度が0.1mol/L未満であると、非水電解液の導電性等を充分に確保し難く、非水電解液二次電池等の蓄電デバイスにおける放電特性及び充電特性等が相対的に低下する可能性がある。電解質の濃度が2.0mol/Lを超えると、粘度が上昇して、イオンの移動度を充分に確保し難くなる傾向がある。そのため、非水電解液の導電性等を充分に確保し難く、非水電解液二次電池等の蓄電デバイスにおける放電特性及び充電特性等が相対的に低下する可能性がある。電解質の濃度について、より好ましい下限は0.5mol/L、より好ましい上限は1.5mol/Lである。
一実施形態に係る蓄電デバイスは、非水電解液、正極、及び、負極を備える。蓄電デバイスの例としては、非水電解液二次電池及び電気二重層キャパシタがある。これらの中でもリチウムイオン電池、及びリチウムイオンキャパシタが好適である。
図1は、蓄電デバイスの一例としての非水電解液二次電池の一実施形態を模式的に示した断面図である。図1に示す非水電解液二次電池1は、正極集電体2及びその一方面側に設けられた正極活物質層3を有する正極板4、及び、負極集電体5及びその一方面側に設けられた負極活物質層6を有する負極板7を備える。正極板4と負極板7とは、非水電解液8及び非水電解液8中に設けられたセパレータ9を介して対向配置されている。非水電解液8として、上述の実施形態に係る非水電解液を用いることができる。
正極集電体2及び負極集電体5としては、例えば、アルミニウム、銅、ニッケル、及びステンレスから選ばれる金属からなる金属箔を用いることができる。
正極活物質層3に用いる正極活物質としては、リチウム含有複合酸化物が好ましい。その例としては、LiMnO、LiFeO、LiCoO、LiMn、LiFeSiO、LiNi1/3Co1/3Mn1/3、及びLiFePO等のリチウム含有複合酸化物が挙げられる。
負極活物質層6に用いる負極活物質としては、例えば、リチウムを吸蔵、放出することができる材料が挙げられる。このような材料としては、黒鉛、非晶質炭素等の炭素材料や、酸化インジウム、酸化シリコン、酸化スズ、酸化亜鉛、及び、酸化リチウム等の酸化物材料等が挙げられる。負極活物質として、リチウム金属、及び、リチウムと合金を形成することができる金属材料を用いることもできる。リチウムと合金を形成することができる金属としては、例えば、Cu、Sn、Si、Co、Mn、Fe、Sb、及びAgが挙げられる。これらの金属とリチウムを含む2元又は3元からなる合金を負極活物質として用いることもできる。これらの負極活物質は1種を単独で用いてもよいし、2種以上を混合して用いてもよい。
セパレータ9としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、フッ素樹脂等からなる多孔質フィルムを用いることができる。
以下に実施例を掲げて本発明を更に詳しく説明するが、本発明はこれら実施例のみに限定されない。
<非水電解液>
(実施例1)
ジフルオロメタンジスルホン酸ビスフェニルアミド(化合物1)の作製
撹拌機、冷却管、温度計及び滴下ロートを備え付けた200mL容の4つ口フラスコに、アニリン10.2g(0.11モル)及び1,2−ジメトキシエタン100gを仕込んだ。そこに、1,2−ジメトキシエタン10gに溶解させたメタンジスルホニルクロライド10.7g(0.05モル)を、反応液を0℃に維持しながら20分間かけて滴下した。引続き、反応液を同温度に維持しながら、1,2−ジメトキシエタン10gに溶解させたトリエチルアミン11.1g(0.11モル)を1時間かけて滴下した。その後、反応液を同温度に維持しながら8時間撹拌して反応を進行させた。
反応終了後、反応液をろ過した。得られたろ液にトルエン100.0g及び水50.0gを添加して分液した。得られた有機層より溶媒の一部を25℃で減圧留去し、析出した結晶をろ過により取り出した。得られた結晶を乾燥することにより、メタンジスルホン酸ビスフェニルアミド(化合物11)11.1g(0.034モル)を取得した。メタンジスルホン酸ビスフェニルアミドの収率は、メタンジスルホニルクロライドに対して68.0%であった。
引続き、撹拌機、冷却管、温度計及び滴下ロートを備え付けた500mL容の4つ口フラスコに、水素化ナトリウム2.6g(0.07モル)及びテトラヒドロフラン150gを仕込んだ。そこに、テトラヒドロフラン50gに溶解させたメタンジスルホン酸ビスフェニルアミド9.8g(0.03モル)を、反応液を5℃に維持しながら20分間かけて滴下した。引き続き反応液を同温度に維持しながら、N−フルオロ−N’−(クロロメチル)トリエチレンジアミンビス(テトラフルオロボラート)23.4g(0.07モル)を10分間かけて添加した。更に、反応液を、同温度に維持しながら1時間撹拌後、25℃に昇温して10時間攪拌して、反応を進行させた。
反応終了後、酢酸エチル100g及び飽和塩化アンモニウム水溶液60gを添加して分液し、得られた有機層に飽和食塩水50gを添加してから分液し有機層を得た。この有機層に硫酸マグネシウム5g添加して30分間室温で攪拌した後、ろ過により硫酸マグネシウムを除去した。得られたろ液より溶媒の一部を30℃で減圧留去した後に、ヘプタンを滴下することで結晶を析出させた。結晶をろ過により取り出してから乾燥することにより、ジフルオロメタンジスルホン酸ビスフェニルアミド(化合物1)8.0g(0.022モル)を取得した。ジフルオロメタンジスルホン酸ビスフェニルアミドの収率は、メタンジスルホニルクロライドに対して73.3%であった。
非水電解液の調製
炭酸エチレン(EC)と炭酸ジエチル(DEC)とを、EC:DEC=30:70の体積比で混合して得られた混合非水溶媒に、電解質としてLiPFを1.0mol/Lの濃度となるように溶解した。得られた溶液に、非水電解液用添加剤として化合物1を、含有量が混合非水溶媒と電解質との合計質量に対して0.5質量%となるように添加し、非水電解液を調製した。
(実施例2)
「非水電解液の調製」において、化合物1の含有量を1.0質量%としたこと以外は実施例1と同様にして、非水電解液を調製した。
(実施例3)
ジフルオロメタンジスルホン酸ビスメチルフェニルアミド(化合物2)の作製)
アニリン10.2g(0.11モル)をN−メチル−N−フェニルアミン11.8g(0.11モル)に変更したこと以外は実施例1と同様の方法により、メタンジスルホン酸ビスメチルフェニルアミド(化合物12)13.5g(0.038モル)を取得した。メタンジスルホン酸ビスメチルフェニルアミドの収率は、メタンジスルホニルクロライドに対して76.1%であった。
引続き、メタンジスルホン酸ビスフェニルアミド9.8g(0.03モル)をメタンジスルホン酸ビスメチルフェニルアミド10.6g(0.03モル)に変更したこと以外は実施例1と同様の方法により、ジフルオロメタンジスルホン酸ビスメチルフェニルアミド(化合物2)7.4g(0.019モル)を取得した。ジフルオロメタンジスルホン酸ビスメチルフェニルアミドの収率は、メタンジスルホン酸ビスメチルフェニルアミドに対して63.3%であった。
(非水電解液の調製)
「非水電解液の調製」において、化合物1に代えて化合物2を用い、その含有量を1.0質量%としたこと以外は実施例1と同様にして、非水電解液を調製した。
(実施例4)
ジフルオロメタンジスルホン酸ビスメチルベンジルアミド(化合物3)の作製)
アニリン10.2g(0.11モル)をN―メチル―N−ベンジルアミン13.3g(0.11モル)に変更したこと以外は実施例1と同様の方法により、メタンジスルホン酸ビスメチルベンジルアミド(化合物13)12.9g(0.034モル)を取得した。メタンジスルホン酸ビスメチルベンジルアミドの収率は、メタンジスルホニルクロライドに対して67.5%であった。
続いて、メタンジスルホン酸ビスフェニルアミド9.8g(0.03モル)をメタンジスルホン酸ビスメチルベンジルアミド11.5g(0.03モル)に変更したこと以外は実施例1と同様の方法により、ジフルオロメタンジスルホン酸ビスメチルベンジルアミド(化合物3)7.9g(0.021モル)を取得した。ジフルオロメタンジスルホン酸ビスメチルベンジルアミドの収率は、メタンジスルホン酸ビスメチルベンジルアミドに対して68.8%であった。
非水電解液の調製
化合物1に代えて化合物3を用い、その含有量を1.0質量%としたこと以外は実施例1の「非水電解液の調製」と同様にして、非水電解液を調製した。
(実施例5)
ジフルオロメタンジスルホン酸ビスジベンジルアミド(化合物4)の作製
アニリン10.2g(0.11モル)をN,N−ジベンジルアミン21.7g(0.11モル)に変更したこと以外は実施例1と同様の方法により、メタンジスルホン酸ビスジベンジルアミド(化合物14)16.9g(0.032モル)を取得した。メタンジスルホン酸ビスジベンジルアミドの収率は、メタンジスルホニルクロライドに対して63.2%であった。
引続き、メタンジスルホン酸ビスフェニルアミド9.8g(0.03モル)をメタンジスルホン酸ビスジベンジルアミド16.0g(0.03モル)に変更したこと以外は実施例1と同様の方法により、ジフルオロメタンジスルホン酸ビスジベンジルアミド(化合物4)9.8g(0.018モル)を取得した。ジフルオロメタンジスルホン酸ビスジベンジルアミドの収率は、メタンジスルホン酸ビスジベンジルアミドに対して61.1%であった。
非水電解液の調製
化合物1に代えて化合物4を用い、その含有量を1.0質量%としたこと以外は実施例1の「非水電解液の調製」と同様にして、非水電解液を調製した。
(実施例6)
ジフルオロメタンジスルホン酸ビス(4−フルオロフェニルアミド)(化合物5)の作製
アニリン10.2g(0.11モル)をN―4−フルオロフェニルアミン12.2g(0.11モル)に変更したこと以外は実施例1と同様の方法により、メタンジスルホン酸ビス(4−フルオロフェニルアミド)(化合物15)11.5g(0.032モル)を取得した。メタンジスルホン酸ビス4−フルオロフェニルアミド)の収率は、メタンジスルホニルクロライドに対して63.5%であった。
引続き、メタンジスルホン酸ビスフェニルアミド9.8g(0.03モル)をメタンジスルホン酸ビス(4−フルオロフェニルアミド)10.9g(0.03モル)に変更したこと以外は実施例1と同様の方法により、ジフルオロメタンジスルホン酸ビス(4−フルオロフェニルアミド)(化合物5)7.5g(0.021モル)を取得した。ジフルオロメタンジスルホン酸ビス(4−フルオロフェニルアミド)の収率は、メタンジスルホン酸ビス(4−フルオロフェニルアミド)に対して69.0%であった。
非水電解液の調製
化合物1に代えて化合物5を用い、その含有量を1.0質量%としたこと以外は実施例1の「非水電解液の調製」と同様にして、非水電解液を調製した。
(実施例7)
ジフルオロメタンジスルホン酸ビスモルホリン(化合物6)の作製
アニリン10.2g(0.11モル)をモルホリン9.6g(0.11モル)に変更したこと以外は実施例1と同様の方法により、メタンジスルホン酸ビスモルホリン(化合物16)12.9g(0.041モル)を取得した。メタンジスルホン酸ビスモルホリンの収率は、メタンジスルホニルクロライドに対して82.1%であった。
続いて、メタンジスルホン酸ビスフェニルアミド9.8g(0.03モル)をメタンジスルホン酸ビスモルホリン9.4g(0.03モル)に変更したこと以外は実施例1と同様の方法により、ジフルオロメタンジスルホン酸ビスモルホリン(化合物6)5.3g(0.015モル)を取得した。ジフルオロメタンジスルホン酸ビスモルホリンの収率は、メタンジスルホン酸ビスモルホリンに対して50.0%であった。
非水電解液の調製
化合物1に代えて化合物6を用い、その含有量を1.0質量%としたこと以外は実施例1の「非水電解液の調製」と同様にして、非水電解液を調製した。
(実施例8)
ジフルオロメタンジスルホン酸ビスピペリジン(化合物7)の作製
アニリン10.2g(0.11モル)をピペリジン9.4g(0.11モル)に変更したこと以外は実施例1と同様の方法により、メタンジスルホン酸ビスピペリジン(化合物17)10.9g(0.035モル)を取得した。メタンジスルホン酸ビスピペリジンの収率は、メタンジスルホニルクロライドに対して70.2%であった。
メタンジスルホン酸ビスフェニルアミド9.8g(0.03モル)をメタンジスルホン酸ビスピペリジン9.3g(0.03モル)に変更したこと以外は実施例1と同様の方法により、ジフルオロメタンジスルホン酸ビスピペリジン(化合物7)5.9g(0.019モル)を取得した。ジフルオロメタンジスルホン酸ビスピペリジンの収率は、メタンジスルホン酸ビスピペリジンに対して63.4%であった。
非水電解液の調製
化合物1に代えて化合物7を用い、その含有量を1.0質量%としたこと以外は実施例1の「非水電解液の調製」と同様にして、非水電解液を調製した。
(実施例9)
ジフルオロメタンジスルホン酸ビスピロリジン(化合物8)の作製
アニリン10.2g(0.11モル)をピロリジン7.8g(0.11モル)に変更したこと以外は実施例1と同様の方法により、メタンジスルホン酸ビスピロリジン(化合物18)9.2g(0.033モル)を取得した。メタンジスルホン酸ビスピロリジンの収率は、メタンジスルホニルクロライドに対して65.2%であった。
引続き、メタンジスルホン酸ビスフェニルアミド9.8g(0.03モル)をメタンジスルホン酸ビスピロリジン8.5g(0.03モル)に変更したこと以外は実施例1と同様の方法により、ジフルオロメタンジスルホン酸ビスピロリジン(化合物8)5.1g(0.018モル)を取得した。ジフルオロメタンジスルホン酸ビスピロリジンの収率は、メタンジスルホン酸ビスピロリジンに対して60.2%であった。
非水電解液の調製
化合物1に代えて化合物8を用い、その含有量を1.0質量%としたこと以外は実施例1の「非水電解液の調製」と同様にして、非水電解液を調製した。
(実施例10)
1,2−ジフルオロエタンジスルホン酸ビスモルホリン(化合物9)の作製
アニリン10.2g(0.11モル)をモルホリン9.6g(0.11モル)に、メタンジスルホニルクロライド10.7g(0.05モル)をエタンジスルホニルクロライド11.4g(0.05モル)にそれぞれ変更したこと以外は実施例1と同様の方法により、エタンジスルホン酸ビスモルホリン(化合物19)10.2g(0.031モル)を取得した。エタンジスルホン酸ビスモルホリンの収率は、エタンジスルホニルクロライドに対して62.1%であった。
引続き、メタンジスルホン酸ビスフェニルアミド9.8g(0.03モル)をエタンジスルホン酸ビスモルホリン9.9g(0.03モル)に変更したこと以外は実施例1と同様の方法により、1,2−ジフルオロエタンジスルホン酸ビスモルホリン(化合物9)6.0g(0.016モル)を取得した。1,2−ジフルオロエタンジスルホン酸ビスモルホリンの収率は、エタンジスルホン酸ビスモルホリンに対して54.9%であった。
非水電解液の調製
化合物1に代えて化合物9を用い、その含有量を1.0質量%としたこと以外は実施例1の「非水電解液の調製」と同様にして、非水電解液を調製した。
(実施例11)
1,1,2,2−テトラフルオロエタンジスルホン酸ビスモルホリン(化合物10)の作製
アニリン10.2g(0.11モル)をモルホリン9.6g(0.11モル)に、メタンジスルホニルクロライド10.7g(0.05モル)をエタンジスルホニルクロライド11.4g(0.05モル)にそれぞれ変更したこと以外は実施例1と同様の方法により、エタンジスルホン酸ビスモルホリン(化合物19)10.6g(0.032モル)を取得した。エタンジスルホン酸ビスモルホリンの収率は、エタンジスルホニルクロライドに対して64.6%であった。
引続き、メタンジスルホン酸ビスフェニルアミド9.8g(0.03モル)をエタンジスルホン酸ビスモルホリン9.9g(0.03モル)に、N−フルオロ-N’−(クロロメチル)トリエチレンジアミンビス(テトラフルオロボラート)23.4g(0.07モル)を46.8g(0.13モル)に変更したこと以外は実施例1と同様の方法により、1,1,2,2−テトラオロエタンジスルホン酸ビスモルホリン(化合物10)6.9g(0.017モル)を取得した。1,1,2,2−テトラフルオロエタンジスルホン酸ビスモルホリンの収率は、エタンジスルホン酸ビスモルホリンに対して57.4%であった。
非水電解液の調製
化合物1に代えて化合物10を用い、その含有量を1.0質量%としたこと以外は実施例1の「非水電解液の調製」と同様にして、非水電解液を調製した。
(比較例1)
「非水電解液の調製」において化合物1を添加しなかったこと以外は実施例1と同様にして、非水電解液を調製した。
(比較例2)
メタンジスルホン酸ビスフェニルアミド(化合物11)を実施例1と同様の方法で取得した。
「非水電解液の調製」において、化合物1に代えてメタンジスルホン酸ビスフェニルアミド(化合物11)を用い、その含有量を1.0質量%とこと以外は実施例1と同様にして、非水電解液を調製した。
(比較例3)
メタンジスルホン酸ビスメチルフェニルアミド(化合物12)を実施例3と同様の方法で取得した。
「非水電解液の調製」において、化合物1に代えてメタンジスルホン酸ビスメチルフェニルアミド(化合物12)を用い、その含有量を1.0質量%としたこと以外は実施例1と同様にして、非水電解液を調製した。
(比較例4)
メタンジスルホン酸ビスメチルベンジルアミド(化合物13)を実施例4と同様の方法で取得した。
「非水電解液の調製」において、化合物1に代えてメタンジスルホン酸ビスメチルベンジルアミド(化合物13)を用い、その含有量を1.0質量%としたこと以外は実施例1と同様にして、非水電解液を調製した。
(比較例5)
メタンジスルホン酸ビスジベンジルアミド(化合物14)を実施例5と同様の方法で取得した。
「非水電解液の調製」において、化合物1に代えてメタンジスルホン酸ビスジベンジルアミド(化合物14)を用い、その含有量を1.0質量%としたこと以外は実施例1と同様にして、非水電解液を調製した。
(比較例6)
メタンジスルホン酸ビス(4−フルオロフェニルアミド)(化合物15)を実施例6と同様の方法で取得した。
「非水電解液の調製」において、化合物1に代えてメタンジスルホン酸ビス(4−フルオロフェニルアミド)(化合物15)を用い、その含有量を1.0質量%としたこと以外は実施例1と同様にして、非水電解液を調製した。
(比較例7)
メタンジスルホン酸ビスモルホリン(化合物16)を実施例7と同様の方法で取得した。
「非水電解液の調製」において、化合物1に代えてメタンジスルホン酸ビスモルホリン(化合物16)を用い、その含有量を1.0質量%としたこと以外は実施例1と同様にして、非水電解液を調製した。
(比較例8)
メタンジスルホン酸ビスピペリジン(化合物17)を実施例8と同様の方法で取得した。
「非水電解液の調製」において、化合物1に代えてメタンジスルホン酸ビスピペリジン(化合物17)を用い、その含有量を1.0質量%としたこと以外は実施例1と同様にして、非水電解液を調製した。
(比較例9)
メタンジスルホン酸ビスピロリジン(化合物18)を実施例9と同様の方法で取得した。
「非水電解液の調製」において、化合物1に代えてメタンジスルホン酸ビスピロリジン(化合物18)を用い、その含有量を1.0質量%としたこと以外は実施例1と同様にして、非水電解液を調製した。
(比較例10)
エタンジスルホン酸ビスモルホリン(化合物19)は実施例10記載の方法と同様の方法で取得した。
「非水電解液の調製」において、化合物1に代えてエタンジスルホン酸ビスモルホリン(化合物19)を用い、その含有量を1.0質量%としたこと以外は実施例1と同様にして、非水電解液を調製した。
(比較例11)
東京化成製の1,3−プロパンスルトン(PS)(化合物20)を準備した。
「非水電解液の調製」において、化合物1に代えて1,3−プロパンスルトン(PS)(化合物20)を用い、その含有量を1.0質量%としたこと以外は実施例1と同様にして、非水電解液を調製した。
(比較例12)
東京化成製のビニレンカーボネート(VC)(化合物21)を準備した。
「非水電解液の調製」において、化合物1に代えてビニレンカーボネート(VC)(化合物21)を用い、その含有量を1.0質量%としたこと以外は実施例1と同様にして、非水電解液を調製した。
(比較例13)
フルオロエチレンカーボネート(FEC)(化合物22)は東京化成品を使用した。
「非水電解液の調製」において、化合物1に代えてフルオロエチレンカーボネート(FEC)(化合物22)を用い、その含有量を1.0質量%としたこと以外は実施例1と同様にして、非水電解液を調製した。
<評価>
実施例及び比較例で得られた化合物1〜22、及びそれらを含む非水電解液について、以下の評価を行った。
(LUMOエネルギー)
実施例で用いた化合物1〜10、及び比較例で用いた化合物11〜22のLUMO(最低空分子軌道)エネルギーを、Gaussian03ソフトウェアを用いた半経験的分子軌道計算により求めた。軌道計算により得られた化合物1〜22のLUMOエネルギーを表1に示した。
Figure 0006765380
表1より、式(1)で表されるジスルホン酸アミド化合物(化合物1〜10)のLUMOエネルギーは−0.88eVから0.07eVであり、これは、比較例で用いたフッ素原子を持たないジスルホン酸アミド化合物(化合物11〜19)の−0.71eVから0.36eVと比較して、全体的に低い値であった。
化合物1〜10に代表される式(1)で表されるジスルホン酸アミド化合物のLUMOエネルギーは、非水電解液の一般的な溶媒のLUMOエネルギーである約1.0〜約2.0eV(例えば、環状カーボネート及び鎖状カーボネートのLUMOエネルギーは約1.2eVである)よりも低い。そのため、式(1)で表されるジスルホン酸アミド化合物を添加剤として含む非水電解液を非水電解液二次電池等の蓄電デバイスに用いたときに、非水電解液の溶媒よりも先に化合物1〜10の電気化学的還元が起こり、電極上にSEIが形成されるため電解液中の溶媒分子の分解を抑制できる。その結果、高い抵抗を示す溶媒の分解被膜が電極上に形成されにくくなり、電池特性が向上できる。
(安定性の評価)
実施例で用いた化合物1〜10、及び比較例で用いた化合物20〜22について、非水電解液に添加される前の結晶の状態で、温度40±2℃、湿度75±5%の恒温恒湿下で90日間の保存試験を行った。保存前後の各化合物を高速液体クロマトグラフ(HPLC)により分析し、得られたクロマトグラムにおける各化合物のピーク面積率を純度とみなし、保存試験前後の純度変化(保存試験前後の純度の差)から、保存試験後の安定性を評価した。純度変化が小さいことは、化合物の分解率が小さいことを意味する。以下の基準で各化合物の安定性を評価した。結果を表2に示した。
A:保存試験前後の純度変化2.0%未満
B:保存試験前後の純度変化2.0%以上、5.0%未満
C:保存試験前後の純度変化5.0%以上
Figure 0006765380
表2に示したように、比較例で用いた1,3−プロパンスルトン(PS)、ビニレンカーボネート(VC)、及び、フルオロエチレンカーボネート(FEC)は保存試験中に一部分解されていると考えられ、安定性が劣るものであった。一方で、実施例で用いた化合物1〜10は、ほとんど変化がなく、水分及び温度変化に対して安定であった。
(電池の作製)
正極活物質としてLiMn、及び、導電性付与剤としてカーボンブラックを乾式混合した。混合物を、バインダーとしてのポリフッ化ビニリデン(PVDF)を溶解させたN−メチル−2−ピロリドン(NMP)中に均一に分散させ、スラリーを作製した。得られたスラリーを正極集電体となるアルミ金属箔(角型、厚さ20μm)上に塗布した。塗膜からNMPを蒸発させることにより正極シートを作製した。得られた正極シート中の固形分比率は、質量比で、正極活物質:導電性付与剤:PVDF=80:10:10とした。
負極シートとして、市販の黒鉛塗布電極シート(宝泉社製、商品名:電極シート負極単層)を用いた。
各実施例及び各比較例で得られた非水電解液中にて、負極シートと正極シートとを、ポリエチレンからなるセパレータを介して積層し、円筒型二次電池を作製した。
(放電容量維持率及び内部抵抗比の測定)
得られた各円筒型二次電池に対して、25℃において、充電レートを0.3C、放電レートを0.3C、充電終止電圧を4.2V、及び、放電終止電圧を2.5Vとして充放電サイクル試験を行った。200サイクル後の放電容量維持率(%)及び内部抵抗比を表3に示した。
200サイクル後の「放電容量維持率(%)」とは、200サイクル試験後の放電容量(mAh)を、10サイクル試験後の放電容量(mAh)で割った値に100をかけて算出される値である。200サイクル後の「内部抵抗比」とは、サイクル試験前の抵抗を1としたときの、200サイクル試験後の抵抗を相対値で示したものである。
Figure 0006765380
表3から、化合物1〜10を非水電解液用添加剤として含有する実施例1〜11の非水電解液を用いた円筒型二次電池は、比較例1又は比較例11〜13の非水電解液を用いた円筒型二次電池と比較してサイクル試験時に高い放電容量維持率を示すことが分かる。さらに、実施例1〜11の非水電解液を用いた円筒型二次電池は、フッ素原子を持たない化合物11〜19のジスルホン酸アミド化合物を含有する非水電解液を用いたものと比較しても、高い放電容量維持率を示すことがわかる。これらの結果から、実施例の化合物1〜10を非水電解液用添加剤として含有する非水電解液は、非水電解液二次電池等に用いられた場合に、一般的に用いられる環状カーボネート又は鎖状カーボネートなどを含有する非水電解液と比較して、非水電解液二次電池等の電極表面上に充放電サイクルに対して安定性の高いSEIが形成させることがわかる。また、実施例1〜11の内部抵抗比が小さいことから、化合物1〜10はサイクル試験による内部抵抗の増加を抑制できることが分かる。
(ガス発生試験)
サイクル試験に用いた電池とは別に、実施例及び比較例の各非水電解液を含む同様の構成の非水電解液二次電池を準備した。この電池を25℃において、0.2Cに相当する電流で4.2Vまで充電し、その後、0.2Cに相当する電流で3Vまで放電する操作を2サイクル繰り返して、電池を安定させた。
次いで、充電レートを0.3Cとして再度、電池を4.2Vまで充電した後、電池を60℃の環境下に168時間、放置した。その後、電池を室温まで冷却した。放置後の電池におけるガス発生量を、アルキメデス法により測定した。結果を表4に示した。
Figure 0006765380
表4の結果より、式(1)で表されるジスルホン酸アミド(化合物1〜10)は、比較例の化合物(化合物11〜19)よりも、ガス発生抑制効果の面で優れることが分かる。
表1〜4の結果より、化合物1〜10は、保存安定性に優れるとともに、非水電解液二次電池等の蓄電デバイスに用いた場合に、電極表面上に安定なSEIを形成してサイクル特性及びガス発生の点で電池特性を改善ができることが分かった。
本発明は、寿命及び容量等の電池特性を改善することができる非水電解液用添加剤を提供することができる。また、本発明によれば、該非水電解液用添加剤を用いた非水電解液、及び、該非水電解液を用いた蓄電デバイスを提供することができる。
1…非水電解液二次電池、2…正極集電体、3…正極活物質層、4…正極板、5…負極集電体、6…負極活物質層、7…負極板、8…非水電解液、9…セパレータ。

Claims (12)

  1. 下記式(1)で表されるジスルホン酸アミド化合物を含む、非水電解液用添加剤。
    Figure 0006765380

    (式(1)中、
    AはC(2m−n)を示し、mは1〜6の整数を示し、nは1〜12の整数を示し、2m−nが0以上であり、Zはハロゲン原子を示し、
    は、置換基を有していてもよいフェニル基、置換基を有していてもよいフェニルチオ基、置換基を有していてもよいフェノキシ基、置換基を有していてもよいフェニルアミノ基、又は、置換基を有していてもよいフェニル基で置換されている炭素数1〜6のアルキル基を示し、該アルキル基中の2個の炭素原子の間、該アルキル基中の1個の炭素原子と前記置換基を有していてもよいフェニル基との間、又は該アルキル基中の1個の炭素原子とRが結合している窒素原子との間に、硫黄原子、酸素原子、又は置換基を有していてもよいアミノ基が介在していてもよく、
    、R及びRは、それぞれ独立して、水素原子、置換基を有していてもよいフェニル基、置換基を有していてもよいフェニルチオ基、置換基を有していてもよいフェノキシ基、置換基を有していてもよいフェニルアミノ基、又は、置換基を有していてもよいフェニル基で置換されていてもよい炭素数1〜6のアルキル基を示し、該アルキル基中の2個の炭素原子の間、該アルキル基中の1個の炭素原子と前記置換基を有していてもよいフェニル基との間、又は該アルキル基中の1個の炭素原子とR、R若しくはRが結合している窒素原子との間に、硫黄原子、酸素原子、又は置換基を有していてもよいアミノ基が介在していてもよく、
    及びRは、連結して、それらが結合している窒素原子と共に環状構造を形成している合計炭素数2〜5のアルキレン基であってもよく、該アルキレン基中の2個の炭素原子の間、又は該アルキレン基中の1個の炭素原子とR及びRが結合している窒素原子との間に、硫黄原子、酸素原子、又は置換基を有していてもよいアミノ基が介在していてもよく、
    及びRは、連結して、それらが結合している窒素原子と共に環状構造を形成している合計炭素数2〜5のアルキレン基であってもよく、該アルキレン基中の2個の炭素原子の間、又は該アルキレン基中の1個の炭素原子とR及びRが結合している窒素原子との間に、硫黄原子、酸素原子、又は置換基を有していてもよいアミノ基が介在していてもよい。)
  2. 式(1)中のZがフッ素原子である、請求項1に記載の非水電解液用添加剤。
  3. 式(1)中、RとRとが同じ基で、かつ、RとRとが同じ基である、請求項1又は2に記載の非水電解液用添加剤。
  4. 式(1)中、
    及びRは、連結して、それらが結合している窒素原子と共に環状構造を形成している合計炭素数2〜5のアルキレン基であり、該アルキレン基中の2個の炭素原子の間、又は該アルキレン基中の1個の炭素原子とR及びRが結合している窒素原子との間に、硫黄原子、酸素原子、又は置換基を有していてもよいアミノ基が介在していてもよく、
    及びRは、連結して、それらが結合している窒素原子と共に環状構造を形成している合計炭素数2〜5のアルキレン基であり、該アルキレン基中の2個の炭素原子の間、又は該アルキレン基中の1個の炭素原子と 及びR が結合している窒素原子との間に、硫黄原子、酸素原子、又は置換基を有していてもよいアミノ基が介在していてもよい、
    請求項1又は2に記載の非水電解液用添加剤。
  5. 請求項1〜4のいずれか一項に記載の非水電解液用添加剤、非水溶媒、及び、電解質を含有する非水電解液。
  6. 前記非水溶媒が非プロトン性溶媒を含む、請求項5に記載の非水電解液。
  7. 非プロトン性溶媒が、環状カーボネート、鎖状カーボネート、脂肪族カルボン酸エステル、ラクトン、ラクタム、環状エーテル、鎖状エーテル、スルホン、及び、これらのハロゲン誘導体からなる群より選択される少なくとも1種である、請求項6に記載の非水電解液。
  8. 前記電解質がリチウム塩を含む、請求項5〜7のいずれか一項に記載の非水電解液。
  9. 前記リチウム塩が、LiAlCl、LiBF、LiPF、LiClO、LiAsF、及び、LiSbFからなる群より選択される少なくとも1種である、請求項8に記載の非水電解液。
  10. 請求項5〜9のいずれか一項に記載の非水電解液、正極、及び負極を備える、蓄電デバイス。
  11. 蓄電デバイスがリチウムイオン電池である、請求項10に記載の蓄電デバイス。
  12. 蓄電デバイスがリチウムイオンキャパシタである、請求項10に記載の蓄電デバイス。
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