JP6770243B2 - イオン性錯体、非水電解液電池用電解液、非水電解液電池及びイオン性錯体の合成法 - Google Patents
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Description
Dはハロゲンイオン、ヘキサフルオロリン酸アニオン、テトラフルオロホウ酸アニオン、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(フルオロスルホニル)イミドアニオン、(フルオロスルホニル)(トリフルオロメタンスルホニル)イミドアニオン、ビス(ジフルオロホスホニル)イミドアニオンから選ばれる少なくとも一つであり、
Fはフッ素であり、
Mは13族元素(Al、B)、14族元素(Si)及び15族元素(P、As、Sb)からなる群から選ばれるいずれか1つであり
Oは酸素であり、
Nは窒素である。
Yは炭素又は硫黄であり、Yが炭素である場合qは1であり、Yが硫黄である場合qは1又は2である。
Xは炭素又は硫黄であり、Xが炭素である場合rは1であり、Xが硫黄である場合rは1又は2である。
R1は炭素数1〜10の環やヘテロ原子やハロゲン原子を有していてもよい炭化水素基(炭素数が3以上の場合にあっては、分岐鎖あるいは環状構造のものも使用できる)、又は−N(R2)−を表す。このとき、R2は水素、アルカリ金属、炭素数1〜10の環やヘテロ原子やハロゲン原子を有していてもよい炭化水素基を表す。炭素数が3以上の場合にあっては、R2は分岐鎖あるいは環状構造をとることもできる。
R4、R5はそれぞれ独立で炭素数1〜10の環やヘテロ原子やハロゲン原子を有していてもよい炭化水素基であり、炭素数が3以上の場合にあっては、分岐鎖あるいは環状構造のものも使用できる。また、下記一般式(4)の様にお互いを含む環状構造を有しても良い。
oは2又は4、nは1又は2、pは0又は1、qは1又は2、rは1又は2、sは0又は1である。pが0の場合、Y−X間に直接結合を形成する。
sが0の場合、N(R4)(R5)とR1は直接結合し、その際は下記の(5)〜(8)のような構造をとることもできる。直接結合が二重結合となる(6)、(8)の場合、R5は存在しない。また(7)の様に二重結合が環の外に出た構造を取ることも出来る。この場合のR6、R7はそれぞれ独立で水素、又は炭素数1〜10の環やヘテロ原子やハロゲン原子を有していてもよい炭化水素基であり、炭素数が3以上の場合にあっては、分岐鎖あるいは環状構造のものも使用できる。)
(4) 前記Mが、B又はPである前記(1)に記載の非水電解液電池用電解液。
(5) さらに、溶質と非水有機溶媒とを含有する、前記(1)から(4)のいずれかに記載の非水電解液電池用電解液。
(6) 前記溶質が、
アルカリ金属イオン、アルカリ土類金属イオン及び四級アンモニウムからなる群から選ばれる少なくとも1種のカチオンと、
ヘキサフルオロリン酸、テトラフルオロホウ酸、過塩素酸、ヘキサフルオロヒ酸、ヘキサフルオロアンチモン酸、トリフルオロメタンスルホン酸、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド、ビス(ペンタフルオロエタンスルホニル)イミド、(トリフルオロメタンスルホニル)(ペンタフルオロエタンスルホニル)イミド、ビス(フルオロスルホニル)イミド、(トリフルオロメタンスルホニル)(フルオロスルホニル)イミド、(ペンタフルオロエタンスルホニル)(フルオロスルホニル)イミド、トリス(トリフルオロメタンスルホニル)メチド、及びビス(ジフルオロホスホニル)イミドからなる群から選ばれる少なくとも1種のアニオンの対からなる塩である、前記(5)に記載の非水電解液電池用電解液。
(7) 前記非水有機溶媒が、カーボネート類、エステル類、エーテル類、ラクトン類、ニトリル類、イミド類、及びスルホン類からなる群から選ばれる少なくとも1種である、前記(5)又は(6)に記載の非水電解液電池用電解液。
(8) 前記非水有機溶媒が、エチルメチルカーボネート、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、エチルプロピルカーボネート、メチルブチルカーボネート、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、酢酸メチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、ジエチルエーテル、アセトニトリル、プロピオニトリル、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、フラン、テトラヒドロピラン、1,3−ジオキサン、1,4−ジオキサン、ジブチルエーテル、ジイソプロピルエーテル、1,2−ジメトキシエタン、N,N−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、スルホラン、γ−ブチロラクトン及びγ−バレロラクトンからなる群から選ばれる少なくとも1種である、前記(5)から(7)のいずれかに記載の非水電解液電池用電解液。
(9) 前記非水有機溶媒が、環状カーボネート及び鎖状カーボネートからなる群から選ばれる少なくとも1種を含有する、前記(5)又は(6)に記載の非水電解液電池用電解液。
(10) 前記環状カーボネートが、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、及びブチレンカーボネートからなる群から選ばれる少なくとも1種であり、前記鎖状カーボネートが、エチルメチルカーボネート、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、エチルプロピルカーボネート、及びメチルブチルカーボネートからなる群から選ばれる少なくとも1種である、前記(9)に記載の非水電解液電池用電解液。
(11) 前記イオン性錯体の添加濃度が、溶質、非水有機溶媒及びイオン性錯体の総量に対して0.001〜20質量%の範囲である、前記(1)から(10)のいずれかに記載の非水電解液電池用電解液。
(12) 下記一般式(9)〜(16)で示される含フッ素化合物からなる群から選ばれる少なくとも1種の第2の化合物をさらに含有する、前記(1)から(11)のいずれかに記載の非水電解液電池用電解液。
(13) 前記一般式(9)〜(11)及び(13)〜(15)のR8〜R11が、フッ素原子、炭素数が1〜10のフッ素原子を有する直鎖あるいは分岐状のアルコキシ基、炭素数が2〜10のアルケニルオキシ基、及び炭素数が2〜10のアルキニルオキシ基からなる群から選ばれる有機基である、前記(12)に記載の非水電解液電池用電解液。
(14) 前記アルコキシ基が、2,2,2−トリフルオロエトキシ基、2,2,3,3−テトラフルオロプロポキシ基、1,1,1−トリフルオロイソプロポキシ基、及び1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロイソプロポキシ基からなる群から選択され、アルケニルオキシ基が、1−プロペニルオキシ基、2−プロペニルオキシ基、及び3−ブテニルオキシ基からなる群から選択され、前記アルキニルオキシ基が、2−プロピニルオキシ基、及び1,1−ジメチル−2−プロピニルオキシ基からなる群から選択される、前記(13)に記載の非水電解液電池用電解液。
(15) 前記一般式(11)、(12)、(15)及び(16)のX2及びX3が、フッ素原子、炭素数が1〜10の直鎖あるいは分岐状のアルコキシ基、炭素数が2〜10のアルケニルオキシ基、及び炭素数が2〜10のアルキニルオキシ基からなる群から選ばれる有機基である、前記(12)から(14)のいずれかに記載の非水電解液電池用電解液。
(16) 前記アルコキシ基が、メトキシ基、エトキシ基、及びプロポキシ基からなる群から選択され、前記アルケニルオキシ基が、1−プロペニルオキシ基、2−プロペニルオキシ基、及び3−ブテニルオキシ基からなる群から選択され、前記アルキニルオキシ基が、2−プロピニルオキシ基、及び1,1−ジメチル−2−プロピニルオキシ基からなる群から選択される、前記(15)に記載の非水電解液電池用電解液。
(17) 前記一般式(9)〜(16)のM2及びM3が、リチウムイオン、ナトリウムイオン、カリウムイオン、テトラアルキルアンモニウムイオン、及びテトラアルキルホスホニウムイオンからなる群から選ばれる少なくとも一つのカチオンである、前記(12)から(16)のいずれかに記載の非水電解液電池用電解液。
(18) 前記第2の化合物の添加濃度が、溶質、非水有機溶媒、イオン性錯体及び第2の化合物の総量に対して0.001〜10.0質量%の範囲である、前記(12)から(17)のいずれかに記載の非水電解液電池用電解液。
(19) 下記一般式(17)で示される少なくとも1種の第3の化合物をさらに含有する、前記(1)から(18)のいずれかに記載の非水電解液電池用電解液。
Si(R12)x(R13)4−x (17)
[一般式(17)中、R12はそれぞれ互いに独立して炭素−炭素不飽和結合を有する基を表す。R13はそれぞれ互いに独立して、フッ素原子、アルキル基、アルコキシ基、アルケニル基、アルケニルオキシ基、アルキニル基、アルキニルオキシ基、アリール基、及びアリールオキシ基からなる群から選ばれる基を示し、これらの基はフッ素原子及び/又は酸素原子を有していても良い。xは2〜4である。]
(20) 前記一般式(17)のR12で表される基が、それぞれ互いに独立して、ビニル基、アリル基、1−プロペニル基、エチニル基、及び2−プロピニル基からなる群から選択される基である、前記(19)に記載の非水電解液電池用電解液。
(21) 前記一般式(17)のR13で表される基が、それぞれ互いに独立して、フッ素原子、メチル基、エチル基、プロピル基、2,2,2−トリフルオロエチル基、2,2,3,3−テトラフルオロプロピル基、1,1,1−トリフルオロイソプロピル基、1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロイソプロピル基、2,2,2−トリフルオロエトキシ基、2,2,3,3−テトラフルオロプロポキシ基、2,2,3,3,3−ペンタフルオロプロポキシ基、1,1,1−トリフルオロイソプロポキシ基、及び1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロイソプロポキシ基からなる群から選択される基である、前記(19)又は(20)に記載の非水電解液電池用電解液。
(22) 前記一般式(17)のxが2〜3である、前記(19)から(21)のいずれかに記載の非水電解液電池用電解液。
(23) 前記第3の化合物の添加濃度が、溶質、非水有機溶媒、イオン性錯体、及び第3の化合物の総量に対して0.005〜7.0質量%の範囲である、前記(19)から(22)のいずれかに記載の非水電解液電池用電解液。
(24) 下記一般式(18)、(19)、及び(20)で示される環状スルホン酸化合物、1,3−プロパンスルトン及び1,2−ペンタンジオール硫酸エステルからなる群から選ばれる少なくとも1種の第4の化合物をさらに含有する、前記(1)から(23)のいずれかに記載の非水電解液電池用電解液。
(25) 前記第4の化合物の添加濃度が、溶質、非水有機溶媒、イオン性錯体、及び第4の化合物の総量に対して0.001〜10質量%の範囲である、前記(24)に記載の非水電解液電池用電解液。
(26) 下記一般式(21)で示される環状カーボネート化合物からなる群から選ばれる少なくとも1種の第5の化合物をさらに含有する、前記(1)から(25)のいずれかに記載の非水電解液電池用電解液。
(27) 前記第5の化合物の添加濃度が、溶質、非水有機溶媒、イオン性錯体、及び第5の化合物の総量に対して0.001〜10質量%の範囲である、前記(26)に記載の非水電解液電池用電解液。
(28) 正極と、
リチウム又はリチウムの吸蔵放出の可能な負極材料からなる負極と、
前記(1)から(27)のいずれかに記載の非水電解液電池用電解液とを含む非水電解液電池。
(29) 正極と、
ナトリウム又はナトリウムの吸蔵放出の可能な負極材料からなる負極と、
前記(1)から(27)のいずれかに記載の非水電解液電池用電解液とを含む非水電解液電池。
本発明のイオン性錯体は、下記一般式(1)から(3)のいずれかで表される化合物からなる。
上記一般式(1)において、Aは金属イオン、プロトン及びオニウムイオンからなる群から選ばれる少なくとも1つである。中でも、イオン解離度が高い点で、Aは、Liイオン、Naイオン、Kイオン、又は4級アルキルアンモニウムイオンからなる群から選ばれるいずれか一つのカチオンであることが好ましい。
上記一般式(2)において、Aは金属イオン、プロトン及びオニウムイオンからなる群から選ばれる少なくとも1つである。中でも、イオン解離度が高い点で、Aは、Liイオン、Naイオン、Kイオン、又は4級アルキルアンモニウムイオンからなる群から選ばれるいずれか一つのカチオンであることが好ましい。
上記一般式(3)において、Dはハロゲンイオン、ヘキサフルオロリン酸アニオン、テトラフルオロホウ酸アニオン、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(フルオロスルホニル)イミドアニオン、(トリフルオロメタンスルホニル)(フルオロスルホニル)イミドアニオン、ビス(ジフルオロホスホニル)イミドアニオンから選ばれる少なくとも一つである。中でも、電池特性に悪影響が無く入手が比較的容易である点で、Dは、ヘキサフルオロリン酸アニオン、テトラフルオロホウ酸アニオン、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(フルオロスルホニル)イミドアニオン、ビス(ジフルオロホスホニル)イミドアニオンからなる群から選ばれる少なくとも一つのアニオンであることが好ましい。
本発明の非水電解液電池用電解液は、溶質と、上記イオン性錯体と、非水有機溶媒及び/又はポリマーとを含有する。
溶質は特に限定されず、任意のカチオンとアニオンの対からなる塩を用いることができる。具体例としては、カチオンとしてリチウムイオンやナトリウムイオンを始めとするアルカリ金属イオン、アルカリ土類金属イオン、四級アンモニウム等が挙げられ、アニオンとして、ヘキサフルオロリン酸、テトラフルオロホウ酸、過塩素酸、ヘキサフルオロヒ酸、ヘキサフルオロアンチモン酸、トリフルオロメタンスルホン酸、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド、ビス(ペンタフルオロエタンスルホニル)イミド、(トリフルオロメタンスルホニル)(ペンタフルオロエタンスルホニル)イミド、ビス(フルオロスルホニル)イミド(以下、「FSI」と表記する場合がある)、(トリフルオロメタンスルホニル)(フルオロスルホニル)イミド、(ペンタフルオロエタンスルホニル)(フルオロスルホニル)イミド、トリス(トリフルオロメタンスルホニル)メチド、ビス(ジフルオロホスホニル)イミド等が挙げられる。
イオン性錯体濃度は、特に制限されるものでないが、溶質、非水有機溶媒及びイオン性錯体の総量に対して0.001〜20質量%の範囲にあることが好ましく、0.01〜10質量%の範囲にあることがより好ましく、0.1〜5質量%の範囲にあることがさらに好ましく、0.5〜2質量%の範囲にあることが特に好ましい。イオン性錯体濃度が低すぎると、非水電解液電池のサイクル特性等、高温での耐久性を向上させる効果が十分に得られない可能性があり、高すぎると、電解液の粘度が上昇し過ぎるために、非水電解液電池内でのカチオンの移動が妨げられることにより、電池性能の低下を引き起こす可能性がある。
非水電解液電池用電解液は、非水有機溶媒を含むものであれば、一般に非水電解液と呼ばれる。非水有機溶媒は、本発明のイオン性錯体を溶解できる非プロトン性の溶媒であれば特に限定されるものではなく、例えば、カーボネート類、エステル類、エーテル類、ラクトン類、ニトリル類、アミド類、スルホン類等が使用できる。具体例としては、エチルメチルカーボネート(EMC)、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート(DEC)、メチルプロピルカーボネート、エチルプロピルカーボネート(EP)、メチルブチルカーボネート、エチレンカーボネート(EC)、フルオロエチレンカーボネート(FEC)、プロピレンカーボネート(PC)、ブチレンカーボネート、酢酸メチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、ジエチルエーテル、アセトニトリル、プロピオニトリル、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、フラン、テトラヒドロピラン、1,3−ジオキサン、1,4−ジオキサン、ジブチルエーテル、ジイソプロピルエーテル、1,2−ジメトキシエタン、N,N−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、スルホラン、γ−ブチロラクトン及びγ−バレロラクトンからなる群から選ばれる少なくとも1種が挙げられる。
非水電解液電池用電解液は、ポリマーを含むものであれば、一般にポリマー固体電解質と呼ばれる。ポリマー固体電解質には、可塑剤として非水系溶媒を含有するものも含まれる。
必須の態様ではないが、本発明の非水電解液電池用電解液は、下記一般式(9)〜(16)で示される含フッ素化合物からなる群から選ばれる少なくとも1種の第2の化合物をさらに含有することが好ましい。第2の化合物を含有することで、低温での出力特性をさらに向上できる。
特許文献5:特開2008−222484号公報
非特許文献1:Journal of the American Chemical Society,72,4956−4958,(1950)
非特許文献2:Faraday Discussion,145,281−299,(2010)
必須の態様ではないが、本発明の非水電解液電池用電解液は、下記一般式(17)で示される少なくとも1種の第3の化合物をさらに含有することが好ましい。第3の化合物を含有することで、ガス発生量の低減、サイクル特性の向上の少なくとも1つを実現できる。
Si(R12)x(R13)4−x (17)
必須の態様ではないが、本発明の非水電解液電池用電解液は、下記一般式(18)、(19)、及び(20)で示される環状スルホン酸化合物、1,3−プロパンスルトン(PS)、及び、1,2−ペンタンジオール硫酸エステル(PEGLST)からなる群から選ばれる少なくとも1種の第4の化合物をさらに含有することが好ましい。第4の化合物を含有することで、ガス発生量の低減、サイクル特性の向上、低温での出力特性の向上の少なくとも1つを実現できる。
必須の態様ではないが、本発明の非水電解液電池用電解液は、下記一般式(21)で示される環状カーボネート化合物からなる群から選ばれる少なくとも1種の第5の化合物をさらに含有することが好ましい。第5の化合物を含有することで、サイクル特性を向上できる。
さらには、本発明の要旨を損なわない限りにおいて、本発明の非水電解液電池用電解液に一般に用いられる添加剤を任意の比率で添加しても良い。具体例としては、シクロヘキシルベンゼン、ビフェニル、t−ブチルベンゼン、ジフルオロアニソール、ジメチルビニレンカーボネート等の過充電防止効果、負極皮膜形成効果や正極保護効果を有する化合物が挙げられる。また、ポリマー電池と呼ばれる非水電解液電池に使用される場合のように非水電解液電池用電解液をゲル化剤や架橋ポリマーにより擬固体化して使用することも可能である。
本発明の非水電解液電池は、正極と、リチウム又はリチウムの吸蔵放出の可能な負極材料からなる負極と、上記非水電解液電池用電解液とを含む。あるいは、本発明の電池は、正極と、ナトリウム又はナトリウムの吸蔵放出の可能な負極材料からなる負極と、上記非水電解液電池用電解液とを含む。
正極の種類は特に限定されるものでないが、リチウムイオンやナトリウムイオンを始めとするアルカリ金属イオン、又はアルカリ土類金属イオンが可逆的に挿入−脱離可能な材料が用いられる。
負極の種類は特に限定されるものでないが、リチウムイオンやナトリウムイオンをはじめとするアルカリ金属イオン、又はアルカリ土類金属イオンが可逆的に挿入−脱離可能な材料が用いられる。
正極や負極には、導電材としてアセチレンブラック、ケッチェンブラック、炭素繊維、又は黒鉛、結着剤としてポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、又はSBR樹脂等が加えられ、さらにシート状に成型された電極シートを用いることができる。
本発明に係るイオン性錯体の合成法は、五フッ化リン及び/又は三フッ化ホウ素と、カルボスルホン酸又はその塩、ジスルホン酸又はその塩、アミノ酸又はその塩、アミドカルボン酸又はその塩、ジアミド又はその塩、アミノスルホン酸又はその塩、イミン酸又はその塩、及びイミンスルホン酸又はその塩(酸アニオンの対カチオンは、プロトンイオン、アルカリ金属イオン、アルカリ土類金属イオン及び四級アンモニウムからなる群から選ばれる少なくとも1種のカチオン)からなる群から選ばれる少なくとも1種とを溶媒中で反応させる反応工程を有する。なお、この合成法の後に、さらにカチオンを交換する操作を行ってもよい。
反応工程で用いる溶媒の種類は特に限定されるものでないが、原料塩を適度に溶解させることから、溶媒は、エチルメチルカーボネート、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、エチルプロピルカーボネート、酢酸メチル、プロピオン酸メチル、ジエチルエーテル、アセトニトリル、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、フラン、テトラヒドロピラン、1,3−ジオキサン、1,4−ジオキサン、ジイソプロピルエーテル、及び1,2−ジメトキシエタンからなる群から選ばれる少なくとも1種であることが好ましい。
また、必須ではないが、イオン性錯体の純度を高めるため、反応工程の後に精製工程を行うことが好ましい。
<実施例・参考例1〜8> イオン性錯体の合成
500mLの硝子製反応器にメチレンジスルホン酸リチウム(18.8g,100.0mmol)と水分100質量ppm以下のジメチルカーボネート(以下、「DMC」という。)(150g)を加えた。撹拌を行いつつ10℃にて20分かけて三フッ化ホウ素(以下、「BF3」という。)(13.2g、200.0mmol)の導入を行うと、反応器の底に沈殿している固体の性状が変化した。室温まで昇温させた後、24時間撹拌を継続させた。F−NMRにて反応液の組成を分析すると、(1Bb−Li)が3モル%、テトラフルオロホウ酸リチウム(以下LiBF4)が97モル%であった。(1Bb−Li)のDMCへの溶解度が低く、大部分が析出していた。
500mLの硝子製反応器にスルホ酢酸リチウム(15.2g 100.0mmol)と水分100質量ppm以下のDMC(150g)を加えた。撹拌を行いつつ10℃にて20分かけてBF3(13.2g、200.0mmol)の導入を行うと、難溶であるスルホ酢酸リチウムの相当量が消失し、反応の進行が確認された。室温まで昇温させた後、24時間撹拌を継続させた。F−NMRにて反応液の組成を分析すると、(1Bd−Li)が49モル%、LiBF4が51モル%であった。
500mLの硝子製反応器にスルホ酢酸ナトリウム(18.4g 100.0mmol)と水分100質量ppm以下のDMC(150g)を加えた。撹拌を行いつつ10℃にて20分かけてBF3(13.2g、200.0mmol)の導入を行うと、反応器の底に沈殿している固体の性状が変化した。室温まで昇温させた後、24時間撹拌を継続させた。F−NMRにて反応液の組成を分析すると、ほぼ全て(1Bd−Na)であったがその濃度は薄く、相当量が析出沈殿していた。
減圧濾過にてろ液と固形分に分離し、固形分をDMC150gにて2回洗浄を行った。回収した洗浄液と先のろ液を混合し、減圧加熱下にてDMCを留去することで純度98モル%(F−NMR)の(1Bd−Na)が得られた。残りの2モル%はNaBF4であった。
500mLの硝子製反応器にピコリン酸リチウム(12.9g 100.0mmol)と水分100質量ppm以下のエチルメチルカーボネート(以下、「EMC」という。)(150g)を加えた。撹拌を行いつつ室温にて20分かけて五フッ化リン(以下PF5)(25.2g、200.0mmol)の導入を行うと、難溶であるピコリン酸リチウムの相当量が消失し、反応の進行が確認された。そのまま室温にて24時間撹拌を継続させた。ろ過にて不溶解物を除去した後にF−NMRにて反応液の組成を分析すると、(3Pa)が49モル%、LiPF6が51モル%であった。
500mLの硝子製反応器にN,N−ジメチルグリシンリチウム(10.9g 100.0mmol)と水分100質量ppm以下のEMC(150g)を加えた。撹拌を行いつつ室温にて20分かけてPF5(25.2g、200.0mmol)の導入を行うと、難溶であるN,N−ジメチルグリシンリチウムの大部分が消失し、反応の進行が確認された。そのまま室温にて24時間撹拌を継続させた。ろ過にて不溶解物を除去した後にF−NMRにて反応液の組成を分析すると、(3Pd)が48モル%、LiPF6が52モル%であった。
500mLの硝子製反応器にピコリン酸リチウム(12.9g 100.0mmol)と水分100質量ppm以下のDMC(150g)を加えた。撹拌を行いつつ10℃にて20分かけてBF3(13.2g、200.0mmol)の導入を行うと、難溶であるピコリン酸リチウムの相当量が消失し、反応の進行が確認された。室温まで昇温させた後、24時間撹拌を継続させた。F−NMRにて反応液の組成を分析すると、(3Ba)が49モル%、LiBF4が51モル%であった。ろ過にて不溶解物を取り除き、減圧濃縮を行うと白色の固体が析出した。析出した固体を減圧濾過にて回収し、更に40℃にて3時間減圧下で乾燥させることで、純度>99モル%(F−NMR)の(3Ba)が得られた。
500mLの硝子製反応器にN,N−ジメチルアミノメタンスルホン酸リチウム(14.5g 100.0mmol)と水分100質量ppm以下のEMC(150g)を加えた。撹拌を行いつつ10℃にて20分かけてBF3(13.2g、200.0mmol)の導入を行った。室温まで昇温させた後、24時間撹拌を継続させた。ろ過にて析出物を回収し、更に40℃にて3時間減圧下で乾燥させることで、純度>99モル%(F−NMR)の(3Bi)が得られた。
500mLの硝子製反応器にピリジン−2−スルホン酸リチウム(16.5g 100.0mmol)と水分100質量ppm以下のDMC(150g)を加えた。撹拌を行いつつ10℃にて20分かけてBF3(13.2g、200.0mmol)の導入を行うと、難溶であるピリジン−2−スルホン酸リチウムの相当量が消失し、反応の進行が確認された。室温まで昇温させた後、24時間撹拌を継続させた。F−NMRにて反応液の組成を分析すると、(3Bf)が50モル%、LiBF4が50モル%であった。ろ過にて不溶解物を取り除き、減圧濃縮を行うと白色の固体が析出した。析出した固体を減圧濾過にて回収し、EMC100gに溶解させた。再度不溶解物をろ過にて除いた後に減圧濃縮を行うと白色の固体が析出し、これをろ過にて回収した。更に40℃にて3時間減圧下で乾燥させることで、純度99モル%(F−NMR)の(3Bf)が得られた。
原料として、ピコリン酸リチウムの代わりにピコリン酸(12.3g,100.0mmol)を用いた以外は実施例4と同様の手順にて合成を行った後、F−NMRを測定すると、反応液の組成は(3Pa)が49モル%、ヘキサフルオロリン酸(HPF6)が51モル%であった。この反応液にLiCl(4.3g,102mmol)を添加し、室温にて3時間攪拌を行った後に、減圧にて生成した塩酸を除去すると、副生したHPF6がLiPF6に変換された。
LiCoO2粉末90質量%に、バインダーとしてポリフッ化ビニリデン(以下PVDF)を5質量%、導電材としてアセチレンブラックを5質量%混合し、さらにN−メチルピロリドン(以下NMP)を添加し、正極合材ペーストを作製した。このペーストをアルミニウム箔(集電体)上に塗布して、乾燥、加圧を行った後に、所定のサイズに打ち抜くことで試験用LCO正極を得た。
黒鉛粉末90質量%に、バインダーとして10質量%のPVDFを混合し、さらにNMPを添加し、負極合材ペーストを作製した。このペーストを銅箔(集電体)上に塗布して、乾燥、加圧を行った後に、所定のサイズに打ち抜くことで試験用黒鉛負極を得た。
上記の試験用LCO正極と、試験用黒鉛負極と、表5に記載の電解液を浸み込ませたポリエチレン製セパレータとを備えるアルミラミネート外装セル(容量300mAh)を組み立てることで、実施例・参考例及び比較例に係る非水電解液電池を得た。
実施例、参考例及び比較例に係る非水電解液電池のそれぞれについて、60℃の環境温度での充放電試験を実施し、高温でのサイクル特性を評価した。充電、放電ともに電流密度0.3mA/cm2で行い、充電は4.2Vに達した後に1時間4.2Vを維持、放電は3.0Vまで行い、充放電サイクルを繰り返した。そして、500サイクル後の放電容量維持率でセルの劣化の具合を評価した(サイクル特性評価)。放電容量維持率は下記式で求めた。
[500サイクル後の放電容量維持率]
放電容量維持率(%)=(500サイクル後の放電容量/初放電容量)×100
電解液が表7に示すとおりであること以外は、参考例101と同じ手法にてアルミラミネート外装セル(容量300mAh)を組み立て、実施例・参考例及び比較例に係る非水電解液電池を得た。
参考例101と同様の手法にて放電容量維持率を求めた。実施例110に係る非水電解液電池の放電容量維持率を、比較例103に係る非水電解液電池の放電容量維持率を100としたときの相対値として表8に示す。また、実施例111に係る非水電解液電池の放電容量維持率を、比較例104に係る非水電解液電池の放電容量維持率を100としたときの相対値として表8に示す。
LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2粉末90質量%に、PVDF(バインダー)を5質量%、アセチレンブラック(導電材)を5質量%混合し、さらにNMPを添加し、正極合材ペーストを作製した。このペーストをアルミニウム箔(集電体)上に塗布して、乾燥、加圧を行った後に、所定のサイズに打ち抜くことで試験用NCM正極を得た。
正極がNCM正極であり、電解液が表9に示すとおりであること以外は、参考例101と同じ手法にてアルミラミネート外装セル(容量300mAh)を組み立て、実施例・参考例及び比較例に係る非水電解液電池を得た。
参考例101と同様の手法にて放電容量維持率を求めた。なお、充電は4.3Vに達した後1時間4.3Vを維持した。実施例・参考例201〜235及び比較例202に係る非水電解液電池の放電容量維持率を、比較例201に係る非水電解液電池の放電容量維持率を100としたときの相対値として表10に示す。
正極がNCM正極であり、電解液が表11に示すとおりであること以外は、参考例101と同じ手法にてアルミラミネート外装セル(容量300mAh)を組み立て、実施例及び比較例に係る非水電解液電池を得た。
参考例101と同様の手法にて放電容量維持率を求めた。なお、充電は4.3Vに達した後1時間4.3Vを維持した。実施例236〜239に係る非水電解液電池の放電容量維持率を、比較例203に係る非水電解液電池の放電容量維持率を100としたときの相対値として表12に示す。また、実施例240〜243に係る非水電解液電池の放電容量維持率を、比較例204に係る非水電解液電池の放電容量維持率を100としたときの相対値として表12に示す。
難黒鉛化性炭素(以下、ハードカーボン)粉末90質量%に、バインダーとして10質量%のPVDFを混合し、さらにNMPを添加し、負極合材ペーストを作製した。このペーストを銅箔(集電体)上に塗布して、乾燥、加圧を行った後に、所定のサイズに打ち抜くことで試験用ハードカーボン負極を得た。
正極がNCM正極であり、負極がハードカーボン負極であり、電解液が表13に示すとおりであること以外は、参考例101と同じ手法にてアルミラミネート外装セル(容量300mAh)を組み立て、実施例・参考例及び比較例に係る非水電解液電池を得た。
参考例101と同様の手法にて放電容量維持率を求めた。なお、放電は2.2Vまで行った。実施例・参考例301〜309及び比較例302に係る非水電解液電池の放電容量維持率を、比較例301に係る非水電解液電池の放電容量維持率を100としたときの相対値として表14に示す。実施例310に係る非水電解液電池の放電容量維持率を、比較例303に係る非水電解液電池の放電容量維持率を100としたときの相対値として表14に示す。実施例311に係る非水電解液電池の放電容量維持率を、比較例304に係る非水電解液電池の放電容量維持率を100としたときの相対値として表14に示す。参考例312及び実施例313に係る非水電解液電池の放電容量維持率を、比較例305に係る非水電解液電池の放電容量維持率を100としたときの相対値として表14に示す。
単体ケイ素粉末75質量%に、バインダーとして10質量%のポリフッ化ビニリデン(PVDF)、導電材として15質量%のアセチレンブラックを混合し、さらにN−メチル−2−ピロリドン(NMP)を添加し、負極合材ペーストを作製した。このペーストを銅箔(集電体)上に塗布して、乾燥、加圧を行った後に、所定のサイズに打ち抜く事で試験用シリコン負極を得た。
正極がNCM正極であり、負極がシリコン負極であり、電解液が表15に示すとおりであること以外は、参考例101と同じ手法にてアルミラミネート外装セル(容量300mAh)を組み立て、実施例・参考例及び比較例に係る非水電解液電池を得た。
参考例101と同様の手法にて放電容量維持率を求めた。なお、100サイクル後の放電容量維持率でセルの劣化の具合を評価した。参考例401及び実施例402に係る非水電解液電池の放電容量維持率を、比較例401に係る非水電解液電池の放電容量維持率を100としたときの相対値として表16に示す。実施例403に係る非水電解液電池の放電容量維持率を、比較例402に係る非水電解液電池の放電容量維持率を100としたときの相対値として表16に示す。実施例404に係る非水電解液電池の放電容量維持率を、比較例403に係る非水電解液電池の放電容量維持率を100としたときの相対値として表16に示す。
Li4Ti5O12粉末90質量%に、バインダーとして5質量%のPVDF、導電剤として5質量%のアセチレンブラックを混合し、さらにNMPを添加し、負極合材ペーストを作製した。このペーストを銅箔(集電体)上に塗布して、乾燥、加圧を行った後に、所定のサイズに打ち抜くことで試験用LTO負極を得た。
正極がNCM正極であり、負極がLTO負極であり、電解液が表17に示すとおりであること以外は、参考例101と同じ手法にてアルミラミネート外装セル(容量300mAh)を組み立て、実施例・参考例及び比較例に係る非水電解液電池を得た。
参考例101と同様の手法にて放電容量維持率を求めた。なお、充電は2.8Vに達した後1時間2.8Vを維持、放電は1.5Vまで行った。参考例501及び実施例502に係る非水電解液電池の放電容量維持率を、比較例501に係る非水電解液電池の放電容量維持率を100としたときの相対値として表18に示す。実施例503に係る非水電解液電池の放電容量維持率を、比較例502に係る非水電解液電池の放電容量維持率を100としたときの相対値として表18に示す。実施例504に係る非水電解液電池の放電容量維持率を、比較例503に係る非水電解液電池の放電容量維持率を100としたときの相対値として表18に示す。参考例505及び実施例506に係る非水電解液電池の放電容量維持率を、比較例504に係る非水電解液電池の放電容量維持率を100としたときの相対値として表18に示す。
非晶質炭素でコーティングされたLiFePO4粉末90質量%に、PVDF(バインダー)を5質量%、アセチレンブラック(導電材)を5質量%混合し、さらにNMPを添加し、正極合材ペーストを作製した。このペーストをアルミニウム箔(集電体)上に塗布して、乾燥、加圧を行った後に、所定のサイズに打ち抜くことで試験用LFP正極を得た。
正極がLPF正極であり、電解液が表19に示すとおりであること以外は、参考例101と同じ手法にてアルミラミネート外装セル(容量300mAh)を組み立て、実施例・参考例及び比較例に係る非水電解液電池を得た。
参考例101と同様の手法にて放電容量維持率を求めた。なお、充電は4.1Vに達した後1時間4.1Vを維持、放電は2.5Vまで行った。参考例601及び実施例602に係る非水電解液電池の放電容量維持率を、比較例601に係る非水電解液電池の放電容量維持率を100としたときの相対値として表20に示す。実施例603に係る非水電解液電池の放電容量維持率を、比較例602に係る非水電解液電池の放電容量維持率を100としたときの相対値として表20に示す。実施例604に係る非水電解液電池の放電容量維持率を、比較例603に係る非水電解液電池の放電容量維持率を100としたときの相対値として表20に示す。
LiNi0.8Co0.15Al0.05O2粉末90質量%に、PVDF(バインダー)を5質量%、アセチレンブラック(導電材)を5質量%混合し、さらにNMPを添加し、正極合材ペーストを作製した。このペーストをアルミニウム箔(集電体)上に塗布して、乾燥、加圧を行った後に、所定のサイズに打ち抜くことで試験用NCA正極を得た。
正極がNCA正極であり、電解液が表21に示すとおりであること以外は、参考例101と同じ手法にてアルミラミネート外装セル(容量300mAh)を組み立て、実施例・参考例及び比較例に係る非水電解液電池を得た。
参考例101と同様の手法にて放電容量維持率を求めた。なお、充電は4.3Vに達した後1時間4.3Vを維持した。参考例701及び実施例702に係る非水電解液電池の放電容量維持率を、比較例701に係る非水電解液電池の放電容量維持率を100としたときの相対値として表22に示す。実施例703に係る非水電解液電池の放電容量維持率を、比較例702に係る非水電解液電池の放電容量維持率を100としたときの相対値として表22に示す。実施例704に係る非水電解液電池の放電容量維持率を、比較例703に係る非水電解液電池の放電容量維持率を100としたときの相対値として表22に示す。
LiMn2O4粉末90質量%に、PVDF(バインダー)を5質量%、アセチレンブラック(導電材)を5質量%混合し、さらにNMPを添加し、正極合材ペーストを作製した。このペーストをアルミニウム箔(集電体)上に塗布して、乾燥、加圧を行った後に、所定のサイズに打ち抜くことで試験用LMO正極を得た。
正極がLMO正極であり、電解液が表23に示すとおりであること以外は、参考例101と同じ手法にてアルミラミネート外装セル(容量300mAh)を組み立て、実施例・参考例及び比較例に係る非水電解液電池を得た。
参考例101と同様の手法にて放電容量維持率を求めた。参考例801及び実施例802に係る非水電解液電池の放電容量維持率を、比較例801に係る非水電解液電池の放電容量維持率を100としたときの相対値として表24に示す。実施例803に係る非水電解液電池の放電容量維持率を、比較例802に係る非水電解液電池の放電容量維持率を100としたときの相対値として表24に示す。実施例804に係る非水電解液電池の放電容量維持率を、比較例803に係る非水電解液電池の放電容量維持率を100としたときの相対値として表24に示す。
NaFe0.5Co0.5O2粉末85質量%に、PVDF(バインダー)を5質量%、アセチレンブラック(導電材)を10質量%混合し、さらにNMPを添加し、正極合材ペーストを作製した。このペーストをアルミニウム箔(集電体)上に塗布して、乾燥、加圧を行った後に、所定のサイズに打ち抜くことで試験用NaFe0.5Co0.5O2正極を得た。
正極がNaFe0.5Co0.5O2正極であり、負極がハードカーボン負極であり、電解液が表25に示すとおりであること以外は、参考例101と同じ手法にてアルミラミネート外装セル(容量300mAh)を組み立て、実施例・参考例及び比較例に係る非水電解液電池を得た。
参考例101と同様の手法にて放電容量維持率を求めた。なお、充電は3.8Vに達した後1時間3.8Vを維持、放電は1.5Vまで行い、200サイクル後の放電容量維持率でセルの劣化の具合を評価した。参考例901及び実施例902に係る非水電解液電池の放電容量維持率を、比較例901に係る非水電解液電池の放電容量維持率を100としたときの相対値として表26に示す。参考例903及び実施例904に係る非水電解液電池の放電容量維持率を、比較例902に係る非水電解液電池の放電容量維持率を100としたときの相対値として表26に示す。
正極がNCM正極であり、電解液が表27に示すとおりであること以外は、参考例101と同じ手法にてアルミラミネート外装セル(容量300mAh)を組み立て、実施例・参考例及び比較例に係る非水電解液電池を得た。
実施例、参考例及び比較例に係る非水電解液電池を用いて60℃の環境温度での充放電試験を実施し、高温サイクル特性と電池内部でのガス発生量を評価した。充電、放電ともに電流密度0.3mA/cm2で行い、充電は、4.3Vに達した後、1時間4.3Vを維持、放電は3.0Vまで行い、充放電サイクルを繰り返した。そして、10サイクル後のガス発生量と、500サイクル後の放電容量維持率でセルの劣化の具合を評価した(ガス発生量、サイクル特性評価)。
〔電解液No.A(1)〜A(68)の調製〕
体積比でEMC:EC=2:1である非水有機溶媒に、溶質としてLiPF6を1mol/Lの濃度となるように、イオン性錯体として参考例2で合成した(1Bd−Li)を1質量%の濃度となるように、第2の化合物として表31に記載の化合物を表31に記載の濃度となるように、溶質、イオン性錯体、第2の化合物の順に混合し、1時間撹拌することで、電解液No.A(1)〜A(68)に係る非水電解液電池用電解液を得た。表31において、第2の化合物は、表32に記載の各種陰イオンの金属塩である。例えば、電解液No.A(1)では、第2の化合物の種類は、9−1−Liである。これは、表32に記載の陰イオン9−1のリチウム塩であることを意味する。
電解液として、電解液No.A(1)〜A(68)を用いたこと以外は、参考例206と同様の方法でアルミラミネート外装セル(容量300mAh)を組み立て、同様に10サイクル後のガス発生量と、500サイクル後の放電容量維持率でセルの劣化の具合を評価した(ガス発生量、サイクル特性評価)。それぞれの値を、比較例201のガス発生量、放電容量維持率を100としたときの相対値として表31に示す。
〔電解液No.A(69)〜A(80)の調製〕
体積比でDEC:PC=2:1である非水有機溶媒に、溶質としてNaPF6を1mol/Lの濃度となるように、イオン性錯体として参考例3で合成した(1Bd−Na)を1質量%の濃度となるように、第2の化合物として表33に記載の化合物を表33に記載の濃度となるように、溶質、イオン性錯体、第2の化合物の順に混合し、1時間撹拌することで、電解液No.A(69)〜A(80)に係る非水電解液電池用電解液を得た。表33において、第2の化合物は、表32に記載の各種陰イオンの金属塩である。
電解液として、電解液No.A(69)〜A(80)を用いたこと以外は、参考例901と同様の方法でアルミラミネート外装セル(容量300mAh)を組み立て、同様に10サイクル後のガス発生量と、200サイクル後の放電容量維持率でセルの劣化の具合を評価した(ガス発生量、サイクル特性評価)。なお、充電は3.8Vに達した後に1時間3.8Vを維持、放電は1.5Vまで行い、充放電サイクルを繰り返した。それぞれの値を、比較例901のガス発生量、放電容量維持率を100としたときの相対値として表33に示す。
〔電解液No.A(81)〜A(148)の調製〕
体積比でEMC:EC=2:1である非水有機溶媒に、溶質としてLiPF6を1mol/Lの濃度となるように、イオン性錯体として実施例4で合成した(3Pa)を1質量%の濃度となるように、第2の化合物として表34に記載の化合物を表34に記載の濃度となるように、溶質、イオン性錯体、第2の化合物の順に混合し、1時間撹拌することで、電解液No.A(81)〜A(148)に係る非水電解液電池用電解液を得た。表34において、第2の化合物は、表32に記載の各種陰イオンの金属塩である。
電解液として、電解液No.A(81)〜A(148)を用いたこと以外は、実施例210と同様の方法でアルミラミネート外装セル(容量300mAh)を組み立て、同様に10サイクル後のガス発生量と、500サイクル後の放電容量維持率でセルの劣化の具合を評価した(ガス発生量、サイクル特性評価)。それぞれの値を、比較例201のガス発生量、放電容量維持率を100としたときの相対値として表34に示す。
〔電解液No.A(149)〜A(154)の調製〕
体積比でDEC:PC=2:1である非水有機溶媒に、溶質としてNaPF6を1mol/Lの濃度となるように、イオン性錯体として実施例4で合成した(3Pa)を1質量%の濃度となるように、第2の化合物として表35に記載の化合物を表35に記載の濃度となるように、溶質、イオン性錯体、第2の化合物の順に混合し、1時間撹拌することで、電解液No.A(149)〜A(154)に係る非水電解液電池用電解液を得た。表35において、第2の化合物は、表32に記載の各種陰イオンの金属塩である。
電解液として、電解液No.A(149)〜A(154)を用いたこと以外は、実施例902と同様の方法でアルミラミネート外装セル(容量300mAh)を組み立て、同様に10サイクル後のガス発生量と、200サイクル後の放電容量維持率でセルの劣化の具合を評価した(ガス発生量、サイクル特性評価)。なお、充電は3.8Vに達した後に1時間3.8Vを維持、放電は1.5Vまで行い、充放電サイクルを繰り返した。それぞれの値を、比較例901のガス発生量、放電容量維持率を100としたときの相対値として表35に示す。
以降、イオン性錯体と第2の化合物について代表的な組合せ及び濃度の電解液を用い、正極の種類、負極の種類等を変えて評価を行った。参考までに、本発明の全ての実施例、参考例及び比較例で用いた正極及び負極の組合せと、評価条件の一覧を表36に示す。
以上の結果から、正極及び負極の種類を変えた場合であっても、イオン性錯体に加え、さらに第2の化合物を含む電解液No.A(3)、A(7)、A(24)、A(27)、A(36)、A(45)を用いた参考例は、参考例16の電解液を用いた参考例と同等のガス発生量と、参考例16の電解液を用いた参考例と同等又はそれ以上のサイクル特性を示すだけでなく、低温での出力特性が向上することが分かった。
〔電解液No.B(1)〜B(21)の調製〕
体積比でEMC:EC=2:1である非水有機溶媒に、溶質としてLiPF6を1mol/Lの濃度となるように、イオン性錯体として参考例2で合成した(1Bd−Li)を1質量%の濃度となるように、第3の化合物として表39に記載の化合物を表39に記載の濃度となるように、溶質、イオン性錯体、第3の化合物の順に混合し、1時間撹拌することで、電解液No.B(1)〜B(21)に係る非水電解液電池用電解液を得た。表39において、第3の化合物は、表40に記載の化合物である。なお、これ以降の電解液の調製においてもすべて液温を40℃以下に維持しながら行った。
電解液として、電解液No.B(1)〜B(21)を用いたこと以外は、参考例206と同様の方法でアルミラミネート外装セル(容量300mAh)を組み立て、同様に10サイクル後のガス発生量と、500サイクル後の放電容量維持率でセルの劣化の具合を評価した(ガス発生量、サイクル特性評価)。それぞれの値を、比較例201のガス発生量、放電容量維持率を100としたときの相対値として表39に示す。
〔電解液No.B(22)〜B(24)の調製〕
体積比でDEC:PC=2:1である非水有機溶媒に、溶質としてNaPF6を1mol/Lの濃度となるように、イオン性錯体として参考例3で合成した(1Bd−Na)を1質量%の濃度となるように、第3の化合物として表41に記載の化合物を表41に記載の濃度となるように、溶質、イオン性錯体、第3の化合物の順に混合し、1時間撹拌することで、非水電解液電池用電解液を得た。表41において、第3の化合物は、表40に記載の化合物である。
電解液として、電解液No.B(22)〜B(24)を用いたこと以外は、参考例901と同様の方法でアルミラミネート外装セル(容量300mAh)を組み立て、同様に10サイクル後のガス発生量と、200サイクル後の放電容量維持率でセルの劣化の具合を評価した(ガス発生量、サイクル特性評価)。なお、充電は3.8Vに達した後に1時間3.8Vを維持、放電は1.5Vまで行い、充放電サイクルを繰り返した。それぞれの値を、比較例901のガス発生量、放電容量維持率を100としたときの相対値として表41に示す。
〔電解液No.B(25)〜B(45)の調製〕
体積比でEMC:EC=2:1である非水有機溶媒に、溶質としてLiPF6を1mol/Lの濃度となるように、イオン性錯体として実施例4で合成した(3Pa)を1質量%の濃度となるように、第3の化合物として表42に記載の化合物を表42に記載の濃度となるように、溶質、イオン性錯体、第3の化合物の順に混合し、1時間撹拌することで、非水電解液電池用電解液を得た。
電解液として、電解液No.B(25)〜B(45)を用いたこと以外は、実施例210と同様の方法でアルミラミネート外装セル(容量300mAh)を組み立て、同様に10サイクル後のガス発生量と、500サイクル後の放電容量維持率でセルの劣化の具合を評価した(ガス発生量、サイクル特性評価)。それぞれの値を、比較例201のガス発生量、放電容量維持率を100としたときの相対値として表42に示す。
〔電解液No.B(46)〜B(48)の調製〕
体積比でDEC:PC=2:1である非水有機溶媒に、溶質としてNaPF6を1mol/Lの濃度となるように、イオン性錯体として実施例4で合成した(3Pa)を1質量%の濃度となるように、第3の化合物として表43に記載の化合物を表43に記載の濃度となるように、溶質、イオン性錯体、第3の化合物の順に混合し、1時間撹拌することで、非水電解液電池用電解液を得た。
電解液として、電解液No.B(46)〜B(48)を用いたこと以外は、実施例902と同様の方法でアルミラミネート外装セル(容量300mAh)を組み立て、同様に10サイクル後のガス発生量と、200サイクル後の放電容量維持率でセルの劣化の具合を評価した(ガス発生量、サイクル特性評価)。なお、充電は3.8Vに達した後に1時間3.8Vを維持、放電は1.5Vまで行い、充放電サイクルを繰り返した。それぞれの値を、比較例901のガス発生量、放電容量維持率を100としたときの相対値として表43に示す。
以降、特定のイオン性錯体と第3の化合物について代表的な組合せ及び濃度の電解液を用い、正極の種類、負極の種類等を変えて評価を行った。正極及び負極の組合せと、評価条件は上述の表36の通りである。
以上の結果から、正極及び負極の種類を変えた場合であっても、イオン性錯体に加え、さらに第3の化合物を含む電解液No.B(3)、B(10)、B(20)を用いた参考例は、参考例16の電解液を用いた参考例よりも、ガス発生量低減とサイクル特性をさらに向上できることが分かった。
〔電解液No.C(1)〜C(18)の調製〕
体積比でEMC:EC=2:1である非水有機溶媒に、溶質としてLiPF6を1mol/Lの濃度となるように、イオン性錯体として参考例2で合成した(1Bd−Li)を1質量%の濃度となるように、第4の化合物として表46に記載の化合物を表46に記載の濃度となるように、溶質、イオン性錯体、第4の化合物の順に混合し、1時間撹拌することで、非水電解液電池用電解液を得た。表46において、第4の化合物は、表47に記載の化合物である。なお、これ以降の電解液の調製においてもすべて液温を40℃以下に維持しながら行った。
電解液として、電解液No.C(1)〜C(18)を用いたこと以外は、参考例206と同様の方法でアルミラミネート外装セル(容量300mAh)を組み立て、同様に10サイクル後のガス発生量と、500サイクル後の放電容量維持率でセルの劣化の具合を評価した(ガス発生量、サイクル特性評価)。それぞれの値を、比較例201のガス発生量、放電容量維持率を100としたときの相対値として表46に示す。
〔電解液No.C(19)〜C(24)の調製〕
体積比でDEC:PC=2:1である非水有機溶媒に、溶質としてNaPF6を1mol/Lの濃度となるように、イオン性錯体として参考例3で合成した(1Bd−Na)を1質量%の濃度となるように、第4の化合物として表48に記載の化合物を表48に記載の濃度となるように、溶質、イオン性錯体、第4の化合物の順に混合し、1時間撹拌することで、非水電解液電池用電解液を得た。
電解液として、電解液No.C(19)〜C(24)を用いたこと以外は、参考例901と同様の方法でアルミラミネート外装セル(容量300mAh)を組み立て、同様に10サイクル後のガス発生量と、200サイクル後の放電容量維持率でセルの劣化の具合を評価した(ガス発生量、サイクル特性評価)。なお、充電は3.8Vに達した後に1時間3.8Vを維持、放電は1.5Vまで行い、充放電サイクルを繰り返した。それぞれの値を、比較例901のガス発生量、放電容量維持率を100としたときの相対値として表48に示す。
〔電解液No.C(25)〜C(42)の調製〕
体積比でEMC:EC=2:1である非水有機溶媒に、溶質としてLiPF6を1mol/Lの濃度となるように、イオン性錯体として、実施例4で合成した(3Pa)を1質量%の濃度となるように、第4の化合物として表49に記載の化合物を表49に記載の濃度となるように、溶質、イオン性錯体、第4の化合物の順に混合し、1時間撹拌することで、非水電解液電池用電解液を得た。
電解液として、電解液No.C(25)〜C(42)を用いたこと以外は、実施例210と同様の方法でアルミラミネート外装セル(容量300mAh)を組み立て、同様に10サイクル後のガス発生量と、500サイクル後の放電容量維持率でセルの劣化の具合を評価した(ガス発生量、サイクル特性評価)。それぞれの値を、比較例201のガス発生量、放電容量維持率を100としたときの相対値として表49に示す。
〔電解液No.C(43)〜C(48)の調製〕
体積比でDEC:PC=2:1である非水有機溶媒に、溶質としてNaPF6を1mol/Lの濃度となるように、イオン性錯体として実施例4で合成した(3Pa)を1質量%の濃度となるように、第4の化合物として表50に記載の化合物を表50に記載の濃度となるように、溶質、イオン性錯体、第4の化合物の順に混合し、1時間撹拌することで、非水電解液電池用電解液を得た。
電解液として、電解液No.C(43)〜C(48)を用いたこと以外は、実施例902と同様の方法でアルミラミネート外装セル(容量300mAh)を組み立て、同様に10サイクル後のガス発生量と、200サイクル後の放電容量維持率でセルの劣化の具合を評価した(ガス発生量、サイクル特性評価)。なお、充電は3.8Vに達した後に1時間3.8Vを維持、放電は1.5Vまで行い、充放電サイクルを繰り返した。それぞれの値を、比較例901のガス発生量、放電容量維持率を100としたときの相対値として表50に示す。
以降、特定のイオン性錯体と第4の化合物について代表的な組合せ及び濃度の電解液を用い、正極の種類、負極の種類等を変えて評価を行った。正極及び負極の組合せと、評価条件は上述の表36の通りである。
〔電解液No.D(1)〜D(12)の調製〕
体積比でEMC:EC=2:1である非水有機溶媒に、溶質としてLiPF6を1mol/Lの濃度となるように、イオン性錯体として参考例2で合成した(1Bd−Li)を1質量%の濃度となるように、第5の化合物として表53に記載の化合物を表53に記載の濃度となるように、溶質、イオン性錯体、第5の化合物の順に混合し、1時間撹拌することで、非水電解液電池用電解液を得た。表53において、第5の化合物は、表54に記載の化合物である。なお、これ以降の電解液の調製においてもすべて液温を40℃以下に維持しながら行った。
電解液として、電解液No.D(1)〜D(12)を用いたこと以外は、参考例206と同様の方法でアルミラミネート外装セル(容量300mAh)を組み立て、同様に10サイクル後のガス発生量と、500サイクル後の放電容量維持率でセルの劣化の具合を評価した(ガス発生量、サイクル特性評価)。それぞれの値を、比較例201のガス発生量、放電容量維持率を100としたときの相対値として表53に示す。
Oは酸素であり、
Aは炭素数10以下の、不飽和結合や環状構造やハロゲンを有しても良い炭化水素であり、
Bは炭素数10以下の、不飽和結合や環状構造やハロゲンを有しても良い炭化水素、
である。
また、A−B間に二重結合を有しても良い。
〔電解液No.D(13)〜D(16)の調製〕
体積比でDEC:PC=2:1である非水有機溶媒に、溶質としてNaPF6を1mol/Lの濃度となるように、イオン性錯体として参考例3で合成した(1Bd−Na)を1質量%の濃度となるように、第5の化合物として表55に記載の化合物を表55に記載の濃度となるように、溶質、イオン性錯体、第5の化合物の順に混合し、1時間撹拌することで、非水電解液電池用電解液を得た。
電解液として、電解液No.D(13)〜D(16)を用いたこと以外は、参考例901と同様の方法でアルミラミネート外装セル(容量300mAh)を組み立て、同様に10サイクル後のガス発生量と、200サイクル後の放電容量維持率でセルの劣化の具合を評価した(ガス発生量、サイクル特性評価)。なお、充電は3.8Vに達した後に1時間3.8Vを維持、放電は1.5Vまで行い、充放電サイクルを繰り返した。それぞれの値を、比較例901のガス発生量、放電容量維持率を100としたときの相対値として表55に示す。
〔電解液No.D(17)〜D(28)の調製〕
体積比でEMC:EC=2:1である非水有機溶媒に、溶質としてLiPF6を1mol/Lの濃度となるように、イオン性錯体として実施例4で合成した(3Pa)を1質量%の濃度となるように、第5の化合物として表56に記載の化合物を表56に記載の濃度となるように、溶質、イオン性錯体、第5の化合物の順に混合し、1時間撹拌することで、非水電解液電池用電解液を得た。
電解液として、電解液No.D(17)〜D(28)を用いたこと以外は、実施例210と同様の方法でアルミラミネート外装セル(容量300mAh)を組み立て、同様に10サイクル後のガス発生量と、500サイクル後の放電容量維持率でセルの劣化の具合を評価した(ガス発生量、サイクル特性評価)。それぞれの値を、比較例201のガス発生量、放電容量維持率を100としたときの相対値として表56に示す。
〔電解液No.D(29)〜D(32)の調製〕
体積比でDEC:PC=2:1である非水有機溶媒に、溶質としてNaPF6を1mol/Lの濃度となるように、イオン性錯体として実施例4で合成した(3Pa)を1質量%の濃度となるように、第5の化合物として表57に記載の化合物を表57に記載の濃度となるように、溶質、イオン性錯体、第5の化合物の順に混合し、1時間撹拌することで、非水電解液電池用電解液を得た。
電解液として、電解液No.D(29)〜D(32)を用いたこと以外は、実施例902と同様の方法でアルミラミネート外装セル(容量300mAh)を組み立て、同様に10サイクル後のガス発生量と、200サイクル後の放電容量維持率でセルの劣化の具合を評価した(ガス発生量、サイクル特性評価)。なお、充電は3.8Vに達した後に1時間3.8Vを維持、放電は1.5Vまで行い、充放電サイクルを繰り返した。それぞれの値を、比較例901のガス発生量、放電容量維持率を100としたときの相対値として表57に示す。
以降、特定のイオン性錯体と第5の化合物について代表的な組合せ及び濃度の電解液を用い、正極の種類、負極の種類等を変えて評価を行った。正極及び負極の組合せと、評価条件は上述の表36の通りである。
Claims (29)
- 下記一般式(3)で示される化学構造よりなるイオン性錯体を含有する非水電解液電池用電解液。
Dはハロゲンイオン、ヘキサフルオロリン酸アニオン、テトラフルオロホウ酸アニオン、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(フルオロスルホニル)イミドアニオン、(フルオロスルホニル)(トリフルオロメタンスルホニル)イミドアニオン、ビス(ジフルオロホスホニル)イミドアニオンから選ばれる少なくとも一つであり、
Fはフッ素であり、
Mは13族元素(Al、B)、14族元素(Si)及び15族元素(P、As、Sb)からなる群から選ばれるいずれか1つであり
Oは酸素であり、
Nは窒素である。
Yは炭素又は硫黄であり、Yが炭素である場合qは1であり、Yが硫黄である場合qは1又は2である。
Xは炭素又は硫黄であり、Xが炭素である場合rは1であり、Xが硫黄である場合rは1又は2である。
R1は炭素数1〜10の環やヘテロ原子やハロゲン原子を有していてもよい炭化水素基(炭素数が3以上の場合にあっては、分岐鎖あるいは環状構造のものも使用できる)、又は−N(R2)−を表す。このとき、R2は水素、アルカリ金属、炭素数1〜10の環やヘテロ原子やハロゲン原子を有していてもよい炭化水素基を表す。炭素数が3以上の場合にあっては、R2は分岐鎖あるいは環状構造をとることもできる。
R4、R5はそれぞれ独立で炭素数1〜10の環やヘテロ原子やハロゲン原子を有していてもよい炭化水素基であり、炭素数が3以上の場合にあっては、分岐鎖あるいは環状構造のものも使用できる。また、下記一般式(4)の様にお互いを含む環状構造を有しても良い。
oは2又は4、nは1又は2、pは0又は1、qは1又は2、rは1又は2、sは0又は1である。pが0の場合、Y−X間に直接結合を形成する。
sが0の場合、N(R4)(R5)とR1は直接結合し、その際は下記の(5)〜(8)のような構造をとることもできる。直接結合が二重結合となる(6)、(8)の場合、R5は存在しない。また(7)の様に二重結合が環の外に出た構造を取ることも出来る。この場合のR6、R7はそれぞれ独立で水素、又は炭素数1〜10の環やヘテロ原子やハロゲン原子を有していてもよい炭化水素基であり、炭素数が3以上の場合にあっては、分岐鎖あるいは環状構造のものも使用できる。)
- 前記Dが、ヘキサフルオロリン酸アニオン、テトラフルオロホウ酸アニオン、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(フルオロスルホニル)イミドアニオン、(フルオロスルホニル)(トリフルオロメタンスルホニル)イミドアニオン、ビス(ジフルオロホスホニル)イミドアニオンからなる群から選ばれる少なくとも一つのアニオンである、請求項1又は2に記載の非水電解液電池用電解液。
- 前記Mが、B又はPである請求項1に記載の非水電解液電池用電解液。
- さらに、溶質と非水有機溶媒とを含有する、請求項1から4のいずれかに記載の非水電解液電池用電解液。
- 前記溶質が、
アルカリ金属イオン、アルカリ土類金属イオン及び四級アンモニウムからなる群から選ばれる少なくとも1種のカチオンと、
ヘキサフルオロリン酸、テトラフルオロホウ酸、過塩素酸、ヘキサフルオロヒ酸、ヘキサフルオロアンチモン酸、トリフルオロメタンスルホン酸、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド、ビス(ペンタフルオロエタンスルホニル)イミド、(トリフルオロメタンスルホニル)(ペンタフルオロエタンスルホニル)イミド、ビス(フルオロスルホニル)イミド、(トリフルオロメタンスルホニル)(フルオロスルホニル)イミド、(ペンタフルオロエタンスルホニル)(フルオロスルホニル)イミド、トリス(トリフルオロメタンスルホニル)メチド、及びビス(ジフルオロホスホニル)イミドからなる群から選ばれる少なくとも1種のアニオンの対からなる塩である、請求項5に記載の非水電解液電池用電解液。 - 前記非水有機溶媒が、カーボネート類、エステル類、エーテル類、ラクトン類、ニトリル類、イミド類、及びスルホン類からなる群から選ばれる少なくとも1種である、請求項5又は6に記載の非水電解液電池用電解液。
- 前記非水有機溶媒が、エチルメチルカーボネート、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、エチルプロピルカーボネート、メチルブチルカーボネート、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、酢酸メチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、ジエチルエーテル、アセトニトリル、プロピオニトリル、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、フラン、テトラヒドロピラン、1,3−ジオキサン、1,4−ジオキサン、ジブチルエーテル、ジイソプロピルエーテル、1,2−ジメトキシエタン、N,N−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、スルホラン、γ−ブチロラクトン及びγ−バレロラクトンからなる群から選ばれる少なくとも1種である、請求項5から7のいずれかに記載の非水電解液電池用電解液。
- 前記非水有機溶媒が、環状カーボネート及び鎖状カーボネートからなる群から選ばれる少なくとも1種を含有する、請求項5又は6に記載の非水電解液電池用電解液。
- 前記環状カーボネートが、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、及びブチレンカーボネートからなる群から選ばれる少なくとも1種であり、前記鎖状カーボネートが、エチルメチルカーボネート、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、エチルプロピルカーボネート、及びメチルブチルカーボネートからなる群から選ばれる少なくとも1種である、請求項9に記載の非水電解液電池用電解液。
- 前記イオン性錯体の添加濃度が、溶質、非水有機溶媒及びイオン性錯体の総量に対して0.001〜20質量%の範囲である、請求項1から10のいずれかに記載の非水電解液電池用電解液。
- 下記一般式(9)〜(16)で示される含フッ素化合物からなる群から選ばれる少なくとも1種の第2の化合物をさらに含有する、請求項1から11のいずれかに記載の非水電解液電池用電解液。
- 前記一般式(9)〜(11)及び(13)〜(15)のR8〜R11が、フッ素原子、炭素数が1〜10のフッ素原子を有する直鎖あるいは分岐状のアルコキシ基、炭素数が2〜10のアルケニルオキシ基、及び炭素数が2〜10のアルキニルオキシ基からなる群から選ばれる有機基である、請求項12に記載の非水電解液電池用電解液。
- 前記アルコキシ基が、2,2,2−トリフルオロエトキシ基、2,2,3,3−テトラフルオロプロポキシ基、1,1,1−トリフルオロイソプロポキシ基、及び1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロイソプロポキシ基からなる群から選択され、アルケニルオキシ基が、1−プロペニルオキシ基、2−プロペニルオキシ基、及び3−ブテニルオキシ基からなる群から選択され、前記アルキニルオキシ基が、2−プロピニルオキシ基、及び1,1−ジメチル−2−プロピニルオキシ基からなる群から選択される、請求項13に記載の非水電解液電池用電解液。
- 前記一般式(11)、(12)、(15)及び(16)のX2及びX3が、フッ素原子、炭素数が1〜10の直鎖あるいは分岐状のアルコキシ基、炭素数が2〜10のアルケニルオキシ基、及び炭素数が2〜10のアルキニルオキシ基からなる群から選ばれる有機基である、請求項12から14のいずれかに記載の非水電解液電池用電解液。
- 前記アルコキシ基が、メトキシ基、エトキシ基、及びプロポキシ基からなる群から選択され、前記アルケニルオキシ基が、1−プロペニルオキシ基、2−プロペニルオキシ基、及び3−ブテニルオキシ基からなる群から選択され、前記アルキニルオキシ基が、2−プロピニルオキシ基、及び1,1−ジメチル−2−プロピニルオキシ基からなる群から選択される、請求項15に記載の非水電解液電池用電解液。
- 前記一般式(9)〜(16)のM2及びM3が、リチウムイオン、ナトリウムイオン、カリウムイオン、テトラアルキルアンモニウムイオン、及びテトラアルキルホスホニウムイオンからなる群から選ばれる少なくとも一つのカチオンである、請求項12から16のいずれかに記載の非水電解液電池用電解液。
- 前記第2の化合物の添加濃度が、溶質、非水有機溶媒、イオン性錯体及び第2の化合物の総量に対して0.001〜10.0質量%の範囲である、請求項12から17のいずれかに記載の非水電解液電池用電解液。
- 下記一般式(17)で示される少なくとも1種の第3の化合物をさらに含有する、請求項1から18のいずれかに記載の非水電解液電池用電解液。
Si(R12)x(R13)4−x (17)
[一般式(17)中、R12はそれぞれ互いに独立して炭素−炭素不飽和結合を有する基を表す。R13はそれぞれ互いに独立して、フッ素原子、アルキル基、アルコキシ基、アルケニル基、アルケニルオキシ基、アルキニル基、アルキニルオキシ基、アリール基、及びアリールオキシ基からなる群から選ばれる基を示し、これらの基はフッ素原子及び/又は酸素原子を有していても良い。xは2〜4である。] - 前記一般式(17)のR12で表される基が、それぞれ互いに独立して、ビニル基、アリル基、1−プロペニル基、エチニル基、及び2−プロピニル基からなる群から選択される基である、請求項19に記載の非水電解液電池用電解液。
- 前記一般式(17)のR13で表される基が、それぞれ互いに独立して、フッ素原子、メチル基、エチル基、プロピル基、2,2,2−トリフルオロエチル基、2,2,3,3−テトラフルオロプロピル基、1,1,1−トリフルオロイソプロピル基、1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロイソプロピル基、2,2,2−トリフルオロエトキシ基、2,2,3,3−テトラフルオロプロポキシ基、2,2,3,3,3−ペンタフルオロプロポキシ基、1,1,1−トリフルオロイソプロポキシ基、及び1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロイソプロポキシ基からなる群から選択される基である、請求項19又は20に記載の非水電解液電池用電解液。
- 前記一般式(17)のxが2〜3である、請求項19から21のいずれかに記載の非水電解液電池用電解液。
- 前記第3の化合物の添加濃度が、溶質、非水有機溶媒、イオン性錯体、及び第3の化合物の総量に対して0.005〜7.0質量%の範囲である、請求項19から22のいずれかに記載の非水電解液電池用電解液。
- 下記一般式(18)、(19)、及び(20)で示される環状スルホン酸化合物、1,3−プロパンスルトン及び1,2−ペンタンジオール硫酸エステルからなる群から選ばれる少なくとも1種の第4の化合物をさらに含有する、請求項1から23のいずれかに記載の非水電解液電池用電解液。
- 前記第4の化合物の添加濃度が、溶質、非水有機溶媒、イオン性錯体、及び第4の化合物の総量に対して0.001〜10質量%の範囲である、請求項24に記載の非水電解液電池用電解液。
- 前記第5の化合物の添加濃度が、溶質、非水有機溶媒、イオン性錯体、及び第5の化合物の総量に対して0.001〜10質量%の範囲である、請求項26に記載の非水電解液電池用電解液。
- 正極と、
リチウム又はリチウムの吸蔵放出の可能な負極材料からなる負極と、
請求項1から27のいずれかに記載の非水電解液電池用電解液とを含む非水電解液電池。 - 正極と、
ナトリウム又はナトリウムの吸蔵放出の可能な負極材料からなる負極と、
請求項1から27のいずれかに記載の非水電解液電池用電解液とを含む非水電解液電池。
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