JP7045240B2 - 非水電解液用添加剤、非水電解液及び蓄電デバイス - Google Patents

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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含有する非水電解液及び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が適用されている。しかしながら、非水電解液を用いた蓄電デバイス電池には、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添加する方法が検討されている。添加剤は、最初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、充放電サイクルの最初のサイクルにおいて形成するため、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、電解質のイオンは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寄与する。
例えば、特許文献1には、電解液中に添加剤として、SEIを形成する1,3-プロパンスルトン(PS)を添加することにより、リチウム二次電池の充放電のサイクル特性が向上することが開示されている。また、特許文献2には、電解液中に添加剤として1,3,2-ジオキサフォスフォラン-2-ジオキサイド誘導体またはPSを添加することにより、非水電解質二次電池の自己放電率を低減することが開示されている。特許文献3には添加剤としてビニレンカーボネート(VC)の誘導体を添加することによりリチウム二次電池の放電特性等を向上することが開示されている。
特開昭63-102173号公報 特開平10-50342号公報 特開平05-074486号公報
しかしながら、従来の添加剤を用いても、初期抵抗及びサイクル特性の点で必ずしも充分な性能が得られず、蓄電デバイスの電池特性をさらに向上させる新規な添加剤の開発が望まれていた。
本発明は、非水電解液二次電池等の蓄電デバイスに用いた場合に、初期抵抗の抑制、及び長期にわたるサイクル特性の向上を可能とす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)で表される化合物を含む、非水電解液用添加剤に関する。
Figure 0007045240000001
式(1)中、R及びRは、それぞれ独立に、置換基を有していてもよい炭素数1~3の炭化水素基、又は、置換基を有していてもよい炭素数1~3の炭化水素基及び該炭化水素基とともに環状構造を構成する酸素原子からなる2価の基を示し、A及びAは、それぞれ独立に、酸素原子、置換基を有していてもよいアミノ基、又は硫黄原子を示し、Xは、スルホニル基又はカルボニル基を含む結合基を示す。
本発明の別の一側面は、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非水電解液に関する。
本発明の更に別の側面は、上記非水電解液と、正極及び負極と、を備える蓄電デバイス、リチウムイオン電池、及びリチウムイオンキャパシタに関する。
上記非水電解液用添加剤を含有する非水電解液を用いた蓄電デバイスは、十分に低い初期抵抗を示し、また、優れたサイクル特性を示すことができる。
本発明は、非水電解液二次電池等の蓄電デバイスに用いた場合に、初期抵抗の抑制、及び長期にわたるサイクル特性の向上を可能とす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も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示す模式断面図である。
以下、本発明のいくつかの実施形態について詳細に説明する。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、前記式(1)で表される化合物を含む。
式(1)中のR及びRは、それぞれ独立に、置換基を有していてもよい炭素数1~3の炭化水素基、又は、置換基を有していてもよい炭素数1~3の炭化水素基及び該炭化水素基とともに環状構造を構成する酸素原子からなる2価の基を示す。前記炭化水素基としては、例えば、メチレン基、エチレン基、及びプロピレン基等が挙げられる。炭素数1~3の炭化水素基及び該炭化水素基とともに環状構造を構成する酸素原子からなる2価の基としては、オキシエチレン基等が挙げられる。なかでも、電池抵抗が低くなりやすいという観点からR又はRのうち少なくとも一方がエチレン基であってもよく、R及びRのいずれもエチレン基であってもよい。前記炭素水素基が有する置換基は、例えばフッ素原子等のハロゲン原子であってもよい。
式(1)中のA及びAは、それぞれ独立に、酸素原子、置換基を有していてもよいアミノ基、又は硫黄原子を示す。非水電解液溶媒への溶解度等の観点から、A又はAのうち少なくとも一方が酸素原子であってもよく、A及びAがいずれも酸素原子であってもよい。アミノ基が置換基を有する場合、該置換基としては、ハロゲン原子で置換されていてもよい炭素数1~3のアルキル基、ハロゲン原子で置換されていてもよい炭素数2~4のアルケニル基、ハロゲン原子で置換されていてもよい炭素数2~4のアルキニル基、及びハロゲン原子で置換されていてもよいアリール基等が挙げられる。
Xは、スルホニル基又はカルボニル基を含む結合基を示す。入手容易性等の観点から、Xは、下記式(2-1)、(2-2)、(2-3)又は(2-4)で表される基であってもよい。
Figure 0007045240000002
式(2-3)中、Yは酸素原子(-O-)、置換基を有していてもよい炭素数1~2の2価の炭化水素基、置換基を有していてもよい炭素数1~2の炭化水素基と酸素原子(-O-)、若しくは置換基を有していてもよいアミノ基とからなる2価の基、置換基を有していてもよいアミノ基、又は単結合(この場合、2つのカルボニル基が何の基も介さずに直接結合する。)を示す。前記炭化水素基が有し得る置換基は、例えばフッ素原子等のハロゲン原子であってもよい。前記アミノ基が有し得る置換基は、例えば置換基(ハロゲン原子等)を有していてもよい炭素数1~3の炭化水素基であってもよい。置換基を有していてもよい炭素数1~2の前記炭化水素基としては、例えば、メチレン基、エタン-1,2-ジイル基、エタン-1,1-ジイル基、-CF-、-CHF-、-(CFH)-、及び-C-等が挙げられる。置換基を有していてもよい炭素数1~2の炭化水素基と酸素原子とからなる2価の基としては、例えば-CFOCF-等が挙げられる。置換基を有していてもよいアミノ基としては、メチルアミノ基(-N(CH)-)等が挙げられる。電池抵抗が低くなりやすいという観点からYはメチレン基、-CF-又は酸素原子であってもよい。
式(2-4)中、Yは酸素原子、置換基を有していてもよい炭素数1~2の炭化水素基、置換基を有していてもよい炭素数1~2の炭化水素基と酸素原子(-O-)、若しくは置換基を有していてもよいアミノ基とからなる2価の基、又は置換基を有していてもよいアミノ基を示す。前記炭化水素基が有し得る置換基は、例えばフッ素原子等のハロゲン原子であってもよい。前記アミノ基が有し得る置換基は、例えば置換基(ハロゲン原子等)を有していてもよい炭素数1~3の炭化水素基(例えばメチル基)であってもよい。Yは、例えば、酸素原子、メチレン基、エタン-1,2-ジイル基、エタン-1,1-ジイル基、-CF-、-CHF-、-(CFH)-、-C-、又は-CFOCF-であってもよく、電池抵抗が低くなりやすいという観点からメチレン基、-CF-又は酸素原子であってもよい。
前記式(1)で表される化合物の具体例としては、以下の各式で表される化合物が挙げられる。
Figure 0007045240000003
前記式(1)で表される化合物は、入手可能な原料を用い、通常の反応を組み合わせて合成することができる。例えば、A及びAがいずれも酸素原子であり、R及びRがいずれもエチレン基であり、Xが式(2-1)で表される2価の基である化合物は、3-ヒドロキシスルホランを塩化スルフリルと反応させる方法によって、合成することができる。
本実施形態に係る非水電解液用添加剤は、前記式(1)で表される化合物の1種を単独で含んでいてもよいし、2種以上を含んでいてもよい。
本実施形態に係る非水電解液用添加剤は、必要に応じて、負極保護剤、正極保護剤、難燃剤、過充電防止剤、環状カーボネート化合物、ニトリル化合物、イソシアネート化合物、C≡C基含有化合物、S=O基又はS(=O)基含有化合物(式(1)で表される化合物以外のもの)、リン含有化合物、酸無水物、環状ホスファゼン化合物、ホウ素含有化合物、ケイ素含有化合物等の添加剤と併用してもよい。
前記環状カーボネート化合物としては、4-フルオロ-1,3-ジオキソラン-2-オン(FEC)、トランス若しくはシス-4,5-ジフルオロ-1,3-ジオキソラン-2-オン(DFEC)、ビニレンカーボネート(VC)、ビニルエチレンカーボネート(VEC)、及び4-エチニル-1,3-ジオキソラン-2-オン(EEC)等が挙げられる。前記環状カーボネート化合物としてVC、FEC、VEC又はこれらの組み合わせを用いてもよい。
前記ニトリル化合物としては、アセトニトリル、プロピオニトリル、スクシノニトリル、グルタロニトリル、アジポニトリル、ピメロニトリル、スベロニトリル、及びセバコニトリル等が挙げられる。前記ニトリル化合物として、スクシノニトリル、アジポニトリル又はこれらの組み合わせを用いてもよい。
前記イソシアネート化合物としては、メチルイソシアネート、エチルイソシアネート、ブチルイソシアネート、フェニルイソシアネート、テトラメチレンジイソシアネート、ヘキサメチレンジイソシアネート、オクタメチレンジイソシアネート、1,4-フェニレンジイソシアネート、2-イソシアナトエチルアクリレート、及び2-イソシアナトエチルメタクリレート等が挙げられる。
前記C≡C基含有化合物としては、2-プロピニルメチルカーボネート、酢酸-2-プロピニル、ギ酸-2-プロピニル、メタクリル酸-2-プロピニル、メタンスルホン酸-2-プロピニル、ビニルスルホン酸-2-プロピニル、2-(メタンスルホニルオキシ)プロピオン酸-2-プロピニル、ジ(2-プロピニル)オギザレート、メチル-2-プロピニルオギザレート、エチル-2-プロピニルオギザレート、グルタル酸ジ(2-プロピニル)、2-ブチン-1,4-ジイルジメタンスルホネート、2-ブチン-1,4-ジイルジホルメート、及び2,4-ヘキサジイン-1,6-ジイルジメタンスルホネート等が挙げられる。
前記S=O基又はS(=O)基含有化合物としては、1,3-プロパンスルトン(PS)、1,3-ブタンスルトン、2,4-ブタンスルトン、1,4-ブタンスルトン、1,3-プロペンスルトン、2,2-ジオキシド-1,2-オキサチオラン-4-イルアセテート、及び5,5-ジメチル-1,2-オキサチオラン-4-オン2,2-ジオキシド等のスルトン、エチレンサルファイト、エチレンスルフェート、ヘキサヒドロベンゾ[1,3,2]ジオキサチオラン-2-オキシド(1,2-シクロヘキサンジオールサイクリックサルファイトともいう)、及び5-ビニル-ヘキサヒドロ-1,3,2-ベンゾジオキサチオール-2-オキシド等の環状サルファイト、ブタン-2,3-ジイルジメタンスルホネート、ブタン-1,4-ジイルジメタンスルホネート、メチレンメタンジスルホネート、及び1,3-プロパンジスルホン酸無水物等のスルホン酸エステル、ジビニルスルホン、1,2-ビス(ビニルスルホニル)エタン、並びにビス(2-ビニルスルホニルエチル)エーテル等が挙げられる。
前記リン含有化合物としてはリン酸トリメチル、リン酸トリブチル、リン酸トリオクチル、リン酸トリス(2,2,2-トリフルオロエチル)、リン酸ビス(2,2,2-トリフルオロエチル)メチル、リン酸ビス(2,2,2-トリフルオロエチル)エチル、リン酸ビス(2,2,2-トリフルオロエチル)2,2-ジフルオロエチル、リン酸ビス(2,2,2-トリフルオロエチル)2,2,3,3-テトラフルオロプロピル、リン酸ビス(2,2-ジフルオロエチル)2,2,2-トリフルオロエチル、リン酸ビス(2,2,3,3-テトラフルオロプロピル)2,2,2-トリフルオロエチル及びリン酸(2,2,2-トリフルオロエチル)(2,2,3,3-テトラフルオロプロピル)メチル、リン酸トリス(1,1,1,3,3,3-ヘキサフルオロプロパン-2-イル)、メチレンビスホスホン酸メチル、メチレンビスホスホン酸エチル、エチレンビスホスホン酸メチル、エチレンビスホスホン酸エチル、ブチレンビスホスホン酸メチル、ブチレンビスホスホン酸エチル、メチル2-(ジメチルホスホリル)アセテート、エチル2-(ジメチルホスホリル)アセテート、メチル2-(ジエチルホスホリル)アセテート、エチル2-(ジエチルホスホリル)アセテート、2-プロピニル2-(ジメチルホスホリル)アセテート、2-プロピニル2-(ジエチルホスホリル)アセテート、メチル2-(ジメトキシホスホリル)アセテート、エチル2-(ジメトキシホスホリル)アセテート、メチル2-(ジエトキシホスホリル)アセテート、エチル2-(ジエトキシホスホリル)アセテート、2-プロピニル2-(ジメトキシホスホリル)アセテート、2-プロピニル2-(ジエトキシホスホリル)アセテート、ピロリン酸メチル、及びピロリン酸エチル等が挙げられる。
前記酸無水物としては、無水酢酸、無水プロピオン酸、無水コハク酸、無水マレイン酸、3-アリル無水コハク酸、無水グルタル酸、無水イタコン酸、及び3-スルホ-プロピオン酸無水物等が挙げられる。
前記環状ホスファゼン化合物としては、メトキシペンタフルオロシクロトリホスファゼン、エトキシペンタフルオロシクロトリホスファゼン、フェノキシペンタフルオロシクロトリホスファゼン、及びエトキシヘプタフルオロシクロテトラホスファゼン等が挙げられる。
前記ケイ素含有化合物としては、ヘキサメチルシクロトリシロキサン、ヘキサエチルシクロトリシロキサン、ヘキサフェニルシクロトリシロキサン、1,3,5-トリメチル-1,3,5-トリビニルシクロトリシロキサン、オクタメチルシクロテトラシロキサン、デカメチルシクロペンタシロキサン、トリメチルフルオロシラン、トリエチルフルオロシラン、トリプロピルフルオロシラン、フェニルジメチルフルオロシラン、トリフェニルフルオロシラン、ビニルジメチルフルオロシラン、ビニルジエチルフルオロシラン、ビニルジフェニルフルオロシラン、トリメトキシフルオロシラン、トリエトキシフルオロシラン、ジメチルジフルオロシラン、ジエチルジフルオロシラン、ジビニルジフルオロシラン、エチルビニルジフルオロシラン、メチルトリフルオロシラン、エチルトリフルオロシラン、ヘキサメチルジシロキサン、1,3-ジエチルテトラメチルジシロキサン、ヘキサエチルジシロキサン、オクタメチルトリシロキサン、メトキシトリメチルシラン、エトキシトリメチルシラン、ジメトキシジメチルシラン、トリメトキシメチルシラン、テトラメトキシシラン、ビス(トリメチルシリル)パーオキサイド、酢酸トリメチルシリル、酢酸トリエチルシリル、プロピオン酸トリメチルシリル、メタクリル酸トリメチルシリル、トリフルオロ酢酸トリメチルシリル、メタンスルホン酸トリメチルシリル、エタンスルホン酸トリメチルシリル、メタンスルホン酸トリエチルシリル、フルオロメタンスルホン酸トリメチルシリル、ビス(トリメチルシリル)スルフェート、トリス(トリメチルシロキシ)ボロン、トリス(トリメチルシリル)ホスフェート、及びトリス(トリメチルシリル)ホスファイト等が挙げられる。
前記ホウ素含有化合物としては、ボロキシン、トリメチルボロキシン、トリメトキシボロキシン、トリエチルボロキシン、トリエトキシボロキシン、トリイソプロピルボロキシン、トリイソプロポキシボロキシン、トリn-プロピルボロキシン、トリn-プロポキシボロキシン、トリn-ブチルボロキシン、トリn-ブチロキシボロキシン、トリフェニルボロキシン、トリフェノキシボロキシン、トリシクロヘキシルボロキシン、及びトリシクロヘキソキシボロキシン等が挙げられる。
本実施形態に係る非水電解液は、前記非水電解液用添加剤、非水溶媒、及び電解質を含有する。
非水電解液における非水電解液用添加剤(又は式(1)で表される化合物)の含有量は、非水電解液の全質量を基準として、総量で0.005~10質量%であってよい。非水電解液用添加剤の含有量が0.005質量%以上であると、より優れた電池特性を得られ、含有量が10質量%以下であると、非水電解液の粘度が上昇しにくいため、イオンの移動度を充分に確保できる。同様の観点から、非水電解液用添加剤(又は式(1)で表される化合物)の含有量は、非水電解液の全質量を基準として、総量で0.01~10質量%の範囲であってもよい。
前記式(1)で表される化合物と前記環状カーボネート化合物とを添加剤として併用する場合、当該環状カーボネート化合物の含有量は、非水電解液の全質量を基準として、0.001~10質量%であってもよい。当該環状カーボネート化合物の含有量がこの範囲にあると、SEIが厚くなり過ぎずに、より高温下でのSEIの安定性が高まる。当該環状カーボネート化合物の含有量は、非水電解液の全質量を基準として、0.01質量%以上、又は0.5質量%以上であってもよい。
前記式(1)で表される化合物と前記ニトリル化合物とを添加剤として併用する場合、当該ニトリル化合物の含有量は、非水電解液の全質量を基準として、0.001~10質量%であってもよい。当該ニトリル化合物の含有量がこの範囲であると、SEIが厚くなり過ぎずに、より高温下でのSEIの安定性が高まる。当該ニトリル化合物の含有量は、非水電解液の全質量を基準として、0.01質量%以上、又は0.5質量%以上であってもよい。
前記式(1)で表される化合物と前記イソシアネート化合物とを添加剤として併用する場合、当該イソシアネート化合物の含有量は、非水電解液の全質量を基準として、0.01~5質量%であってもよい。当該イソシアネート化合物の含有量がこの範囲であると、SEIが厚くなり過ぎずに、より高温下でのSEIの安定性が高まる。当該イソシアネート化合物の含有量は、非水電解液の全質量を基準として、0.5質量%以上であってもよく、3質量%以下であってもよい。
前記式(1)で表される化合物と前記C≡C基含有化合物とを添加剤として併用する場合、当該C≡C基含有化合物の含有量は、非水電解液の全質量を基準として、0.01~5質量%であってもよい。当該C≡C基含有化合物の含有量がこの範囲であると、SEIが厚くなり過ぎずに、より高温下でのSEIの安定性が高まる。当該C≡C基含有化合物の含有量は、非水電解液の全質量を基準として、0.1質量%以上であってもよい。
前記式(1)で表される化合物と前記S=O基又はS(=O)基含有化合物とを添加剤として併用する場合、当該S=O基又はS(=O)基含有化合物の含有量は、非水電解液の全質量を基準として、0.001~5質量%であってもよい。当該S=O基又はS(=O)基含有化合物の含有量がこの範囲であると、SEIが厚くなり過ぎずに、より高温下でのSEIの安定性が高まる。当該S=O基又はS(=O)基含有化合物の含有量は、非水電解液の全質量を基準として、0.01質量%以上、又は0.1質量%以上であってもよい。
前記式(1)で表される化合物と前記リン含有化合物とを添加剤として併用する場合、当該リン含有化合物の含有量は、非水電解液の全質量を基準として、0.001~5質量%であってもよい。当該リン含有化合物の含有量がこの範囲であると、SEIが厚くなり過ぎずに、より高温下でのSEIの安定性が高まる。当該リン含有化合物の含有量は、非水電解液の全質量を基準として、0.01質量%以上、又は0.1質量%以上であってもよい。
前記式(1)で表される化合物と前記環状ホスファゼン化合物とを添加剤として併用する場合、当該環状ホスファゼン化合物の含有量は、非水電解液の全質量を基準として、0.001~5質量%であってもよい。当該環状ホスファゼン化合物の含有量がこの範囲であると、SEIが厚くなり過ぎずに、より高温下でのSEIの安定性が高まる。当該環状ホスファゼン化合物の含有量は、非水電解液の全質量を基準として、0.01質量%以上、又は0.1質量%以上であってもよい。
前記式(1)で表される化合物と前記酸無水物とを添加剤として併用する場合、当該酸無水物の含有量は、非水電解液の全質量を基準として、0.001~5質量%であってもよい。当該酸無水物の含有量がこの範囲であると、SEIが厚くなり過ぎずに、より高温下でのSEIの安定性が高まる。当該酸無水物の含有量は、非水電解液の全質量を基準として、0.01質量%以上、又は0.5質量%以上であってもよい。
前記式(1)で表される化合物と前記ホウ素含有化合物とを添加剤として併用する場合、当該ホウ素含有化合物の含有量は、非水電解液の全質量を基準として、0.001~5質量%であってもよい。この範囲では、SEIが厚くなり過ぎずに、より高温下でのSEIの安定性が高まる。当該ホウ素含有化合物の含有量は、非水電解液の全質量を基準として、0.01質量%以上、又は0.1質量%以上であってもよい。
前記式(1)で表される化合物と前記ケイ素含有化合物とを添加剤として併用する場合、当該ケイ素含有化合物の含有量は、非水電解液の全質量を基準として、0.01~5質量%であってもよい。当該ケイ素含有化合物の含有量がこの範囲であると、SEIが厚くなり過ぎずに、より高温下でのSEIの安定性が高まる。当該ケイ素含有化合物の含有量は、非水電解液の全質量を基準として、0.1質量%以上、又は0.5質量%以上であってもよい。
前記非水溶媒は、非水電解液の粘度を低く抑える等の観点から、非プロトン性溶媒であってもよい。前記非水溶媒は、特に、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、ニトリル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種の非プロトン性溶媒であってもよい。前記非水溶媒は、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であってもよい。
前記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、炭酸ブチレン等が挙げられる。添加剤の環状カーボネートとして例示された4-フルオロ-1,3-ジオキソラン-2-オン(FEC)を、非水溶媒として用いてもよい。前記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、炭酸エチルメチル等が挙げられる。前記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、トリメチル酢酸メチル等が挙げられる。前記ラクトンとしては、例えば、γ-ブチロラクトン等が挙げられる。前記ラクタムとしては、例えば、ε-カプロラクタム、N-メチルピロリドン等が挙げられる。前記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。前記鎖状エーテルとしては、例えば、1,2-ジエトキシエタン、エトキシメトキシエタン等が挙げられる。前記スルホンとしては、例えば、スルホラン等が挙げられる。前記ニトリルとしては、例えば、アセトニトリルが挙げられる。アセトニトリルは、添加剤として用いてもよいし、非水溶媒として用いてもよい。前記ハロゲン誘導体としては、例えば、4-クロロ-1,3-ジオキソラン-2-オン、4,5-ジフルオロ-1,3-ジオキソラン-2-オン等が挙げられる。これらの非水溶媒は、単独で用いてもよいし、複数種を混合して用いてもよい。
前記電解質は、リチウムイオンのイオン源となるリチウム塩を含む電解質であってもよい。リチウム塩は、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種であってもよい。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、リチウム塩は、LiBF、LiPF又はこれらの組み合わせであってもよい。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。
前記電解質としてのLiBF及び/又はLiPFと、非水溶媒としての環状カーボネート及び/又は鎖状カーボネートとを組み合わせてもよい。特に、LiBF及び/又はLiPFと、炭酸エチレン及び炭酸ジエチルとを組み合わせてもよい。
非水電解液における前記電解質の濃度は、非水電解液の体積を基準として、0.1~2.0mol/Lであってもよい。前記電解質の濃度が0.1mol/L以上であると、より優れた放電特性または充電特性等が得られる。前記電解質の濃度が2.0mol/L以下であると、非水電解液の粘度が上昇しにくいため、イオンの移動度をより高いレベルで確保できる。同様の観点から、前記電解質の濃度が0.5~1.5mol/Lであってもよい。
本実施形態に係る非水電解液において、上記電解質(第1のリチウム塩)と、これとは異なる第2のリチウム塩とを併用してもよい。第2のリチウム塩としては、例えば、ジフルオロリン酸リチウム、リチウムビスオキサラトボレート(LiBOB)、リチウムテトラフルオロ(オキサラト)ホスフェート(LiTFOP)、リチウムジフルオロオキサラトボレート(LiDFOB)、リチウムジフルオロビスオキサラトホスフェート(LiDFOP)、テトラフルオロホウ酸リチウム、リチウムビスフルオロスルホニルイミド、リチウムテトラフルオロ(オキサラト)ホスフェート、及びLiPOF等のリン酸骨格を有するリチウム塩、並びに、リチウムトリフルオロ((メタンスルホニル)オキシ)ボレート、リチウムペンタフルオロ((メタンスルホニル)オキシ)ホスフェート、リチウムメチルサルフェート、リチウムエチルサルフェート、リチウム2,2,2-トリフルオロエチルサルフェート、及びフルオロスルホン酸リチウム等のS(=O)基を有するリチウム塩が挙げられる。第2のリチウム塩は、ジフルオロリン酸リチウム、リチウムビスオキサラトボレート、リチウムテトラフルオロ(オキサラト)ホスフェート、リチウムジフルオロオキサラトボレート、リチウムジフルオロビスオキサラトホスフェート、リチウムメチルサルフェート、リチウムエチルサルフェート、及びフルオロスルホン酸リチウムからなる群より選ばれるリチウム塩を1種以上含んでいてもよい。
非水電解液における前記第2のリチウム塩の濃度は、非水電解液の体積を基準として、0.001~1.0mol/Lであってもよい。前記第2のリチウム塩の濃度が0.001mol/L以上であると、高温条件においてより優れた充放電特性が得られる。前記第2のリチウム塩の濃度が1.0mol/L以下であると、非水電解液の粘度が上昇しにくいため、イオンの移動度を充分に確保できる。同様の観点から、第2のリチウム塩の濃度は0.01~0.8mol/Lであってもよく、0.01~0.5mol/Lでもよい。
本実施形態に係る非水電解液は、例えば、前記式(1)で表される化合物を含む非水電解液用添加剤を、電解質および必要により添加されるその他の添加物とともに非水溶媒に溶解させることにより調製される。
本実施形態に係る非水電解液は、正極及び負極を備えた蓄電デバイスの電解液として使用することができる。例えば、本実施形態に係る非水電解液用添加剤を含有する非水電解液を、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等の蓄電デバイスに用いた場合、長期にわたるサイクル特性の向上、初期抵抗の抑制、および長期の抵抗上昇の抑制が可能である。更には、当該非水電解液用添加剤は、蓄電デバイスを高温で長期間貯蔵したときのガス発生を抑制することもできる。
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示す模式断面図である。図1に示される非水電解液二次電池1は、正極板4(正極)及び負極板7(負極)と、正極板4と負極板7との間に配置された非水電解液8と、非水電解液8中に設けられたセパレータ9と、を備える。正極板4は、正極集電体2と非水電解液8側に設けられた正極活物質層3とを有する。負極板7は、負極集電体5と非水電解液8側に設けられた負極活物質層6とを有する。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。図1では、蓄電デバイスとして非水電解液二次電池を示したが、当該非水電解液が適用され得る蓄電デバイスはこれに限定されることはなく、電気二重層キャパシタ等のその他の蓄電デバイスであってもよい。
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、ステンレス等の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は正極活物質を含む。正極活物質は、リチウム含有複合酸化物であってもよい。リチウム含有複合酸化物は、例えば、LiMnO、LiFeO、LiCoO、LiMn、LiFeSiO、LiNi1/3Co1/3Mn1/3、LiNi0.5Co0.2Mn0.3、LiNi0.6Co0.2Mn0.2、LiNi0.8Co0.1Mn0.1、LiNiCo(但し、0.01<x<1、0≦y≦1、0≦z≦1、x+y+z=1であり、MはMn、V、Mg、Mo、Nb、Fe、Cu及びAlからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素である。)、LiNi0.8Co0.15Al0.05、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は負極活物質を含む。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、結晶性炭素(天然黒鉛及び人造黒鉛等)、非晶質炭素、炭素被覆黒鉛及び樹脂被覆黒鉛等の炭素材料、酸化インジウム、酸化シリコン、酸化スズ、チタン酸リチウム、酸化亜鉛及び酸化リチウム等の酸化物材料、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等の金属材料等が挙げられる。前記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、Ag等が挙げられ、これらの金属とリチウムとを含む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。
高エネルギー密度化の観点から、前記負極活物質として、炭素材料と、Si、Si合金、Si酸化物などのSi系の活物質とを組み合わせてもよい。サイクル特性と高エネルギー密度化の両立という観点から、前記負極活物質として、黒鉛と、Si系の活物質とを組み合わせてもよい。係る組み合わせに関して、炭素材料とSi系の活物質との合計質量に対するSi系の活物質の質量の比は、0.5質量%以上95質量%以下、1質量%以上50質量%以下、又は2質量%以上40質量%以下であってもよい。
正極活物質層3及び負極活物質層6は、結着剤を更に含んでいてもよい。結着剤としては、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ビニリデンフルオライド-ヘキサフルオロプロピレン共重合体、ビニリデンフルオライド-テトラフルオロエチレン共重合体、スチレン-ブタジエン共重合ゴム、カルボキシメチルセルロース、ポリテトラフルオロエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリアクリル酸、ポリビニルアルコール、アクリル酸-ポリアクリロニトリル、ポリアクリルアミド、ポリメタクリル酸、及びこれらの共重合体等が挙げられる。前記結着剤は正極活物質層と負極活物質層で同一であってもよく異なっていてもよい。
正極活物質層3及び負極活物質層6は、抵抗を低下させる目的で、導電補助材を更に含んでいてもよい。導電補助材としては、グラファイト、カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック等の炭素質微粒子及び炭素繊維が挙げられる。
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単層又は積層の微多孔性フィルム、織布、又は不織布多孔質フィルムを用いることができる。
蓄電デバイスを構成する各部材の形状、厚み等の具体的な形態は、当業者であれば適宜設定することができる。蓄電デバイスの構成は、図1の実施形態に限られず、適宜変更が可能である。
以下、実施例を挙げて本発明についてさらに具体的に説明する。ただし、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
1.式(1)で表される化合物の合成
表1に示す化合物1~6を以下の手順で合成した。
(化合物1)
撹拌機、冷却管、温度計及び滴下ロートを備え付けた容積500mLの4つ口フラスコに3-ヒドロキシスルホラン13.6g(0.1モル)、ピリジン8.7g及びトルエン80gを入れて反応液を形成させ、これを-78℃に冷却した。次いで、該反応液に、塩化スルフリル6.7g(0.05モル)を、反応液の温度を-78℃に維持しながら30分間かけて滴下した。滴下終了後、該反応液を27℃まで昇温し、27℃に維持しながら2時間撹拌した。
次に、反応液をろ過し、ろ液にトルエン100g及び水50gを添加して攪拌した後、分液した。得られた有機層に飽和食塩水50gを添加して攪拌した後、分液し、有機層を得た。この有機層に無水硫酸マグネシウム5g添加して30分間室温で攪拌した後、ろ過した。得られたろ液を50℃で減圧下に濃縮し、濃縮液にヘプタンを滴下して結晶を析出させた。結晶をろ取してから乾燥して、化合物1の結晶10.5g(0.0315モル)を取得した。化合物1の収率は、2当量の3-ヒドロキシスルホランに対して63.0%であった。LC/MSスペクトルによって、得られた化合物1の分子量が333.99であることを確認した。
(化合物2)
塩化スルフリル6.7g(0.05モル)をトリホスゲン4.9g(0.0167モル)に変更したこと以外は化合物1の合成と同様の反応により、化合物2の結晶11.2g(0.0375モル)を取得した。化合物2の収率は、2当量の3-ヒドロキシスルホランに対して75.0%であった。LC/MSスペクトルによって、化合物2の分子量が298.02であることを確認した。
(化合物3)
塩化スルフリル6.7g(0.05モル)をメチレンジスルホニルクロライド14.4g(0.05モル)に変更したこと以外は化合物1の合成と同様の反応により、化合物3の結晶9.8g(0.035モル)を取得した。化合物3の収率は、2当量の3-ヒドロキシスルホランに対して70.0%であった。LC/MSスペクトルによって、得られた化合物3の分子量が412.48であることを確認した。
(化合物4)
塩化スルフリル6.7g(0.05モル)をマロニルクロライド7.0g(0.05モル)に変更したこと以外は化合物1の合成と同様の反応により、化合物4の結晶9.9g(0.029モル)を取得した。化合物4の収率は、2当量の3-ヒドロキシスルホランに対して58.0%であった。LC/MSスペクトルによって、得られた化合物4の分子量が340.37であることを確認した。
(化合物5)
撹拌機、冷却管、温度計及び滴下ロートを備え付けた容積500mLの4つ口フラスコに、化合物3の合成と同様の方法で得られた化合物3を20.6g(0.05モル)と、テトラヒドロフラン160gを入れ、フラスコ内の反応液を0℃に冷却した。次いで、該反応液に、NaHを1.32g加え、1時間攪拌した。その後、反応液を0℃に維持しながら、F-TEDA-BF(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))17.7g(0.05モル)を30分間かけて滴下した。滴下終了後、該反応液を27℃まで昇温し、27℃に維持しながら3時間撹拌した。
次に、反応液をろ過し、ろ液にトルエン200g及び水100gを添加して攪拌した後、分液した。得られた有機層に飽和食塩水50gを添加して攪拌した後分液し、有機層を得た。この有機層に無水硫酸マグネシウム5g添加して30分間室温で攪拌した後、ろ過した。得られたろ液を50℃で減圧下に濃縮し、形成された濃縮液にヘプタンを滴下して結晶を析出させた。結晶をろ取し、得られた結晶を乾燥することにより、化合物5の結晶10.3g(0.023モル)を取得した。化合物5の収率は、化合物3に対して46.0%であった。LC/MSスペクトルによって、得られた化合物5の分子量が448.46であることを確認した。
(化合物6)
3-ヒドロキシスルホラン13.6g(0.1モル)を2H-チオピラン-3-オール,テトラヒドロ-1,1-ジオキシド15.0g(0.1モル)に変更したこと以外は化合物1の合成と同様の反応により、化合物6の結晶10.1g(0.028モル)を取得した。化合物6の収率は、2当量の2H-チオピラン-3-オール,テトラヒドロ-1,1-ジオキシドに対して75.0%であった。LC/MSスペクトルによって、得られた化合物6の分子量が362.44であることを確認した。
Figure 0007045240000004
2.非水電解液の調製
(実施例1~6)
炭酸エチレン(EC)と炭酸ジエチル(DEC)とを、EC:DEC=30:70の体積組成比で混合して、混合非水溶媒を調製した。この混合非水溶媒に、電解質としてLiPFを1.0mol/Lの濃度となるように溶解させた。得られた溶液に、非水電解液用添加剤としての化合物1を添加して、実施例1の非水電解液を調製した。非水電解液用添加剤(化合物1)の濃度は、非水電解液の全質量に対して1.0質量%とした。化合物1に代えて化合物2、3、4、5又は6を用いたこと以外は同様にして、実施例2~6の非水電解液を調製した。
(比較例1)
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)
非水電解液用添加剤として、化合物1に代えて、1,3-プロパンスルトン(PS)(キシダ化学株式会社製)を用い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3)
非水電解液用添加剤として、化合物1に代えて、ビニレンカーボネート(VC)(キシダ化学株式会社製)を用い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)
VCの濃度を2.0質量%に変更したこと以外は比較例3と同様にして、非水電解液を調製した。
(比較例5)
非水電解液用添加剤として、化合物1に代えて、フルオロエチレンカーボネート(FEC)(東京化成工業株式会社製)を用い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)
FECの濃度を2.0質量%に変更したこと以外は比較例5と同様にして、非水電解液を調製した。
(比較例7)
非水電解液用添加剤として、化合物1に代えて、スルホラン(キシダ化学株式会社製)を用い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。
3.非水電解液二次電池の作製
正極活物質としてのLiNi1/3Co1/3Mn1/3及び導電性付与剤としてのカーボンブラックを乾式混合した。得られた混合物を、バインダーとしてのポリフッ化ビニリデン(PVDF)が溶解しているN-メチル-2-ピロリドン(NMP)中に均一に分散させ、スラリーを得た。得られたスラリーを、アルミ金属箔(角型、厚さ20μm)の両面に塗布した。塗膜からNMPを除去した後、全体をプレスして、正極集電体としてのアルミ金属箔と、その両面上に形成された正極活物質層とを有する正極シートを作製した。正極シートにおける固形分比率は、質量比で正極活物質:導電性付与剤:PVDF=92:5:3であった。
負極活物質としてのグラファイト粉末と、バインダーとしてのスチレンブタジエンゴム(SBR)と、増粘剤としてのカルボキシメチルセルロース(CMC)とを水中に均一に分散させ、スラリーを得た。得られたスラリーを、銅箔(角型、厚さ10μm)の片面に塗布した。塗膜から水を除去した後、全体をプレスして、負極集電体としての銅箔と、その片面上に形成された負極活物質層とを有する負極シートを得た。負極シートにおける固形分比率は、質量比で、負極活物質:CMC:SBR=98:1:1であった。
作製した正極シート及び負極シートを、負極シート、セパレータ、正極シート、セパレータ、負極シートの順に積層して、電池要素を作製した。セパレータとしてポリエチレンフィルムを用いた。この電池要素を、アルミニウム箔(厚さ40μm)とその両面を被覆する樹脂層とを有するラミネートフィルムから形成された袋に、正極シート及び負極シートの端部が袋から突き出るように挿入した。次いで、袋内に実施例及び比較例で得られた各非水電解液を注入した。袋を真空封止し、シート状の非水電解液二次電池を得た。更に、電極間の密着性を高めるために、ガラス板でシート状非水電解液二次電池を挟んで加圧した。
4.評価
初期抵抗比
得られた非水電解液二次電池を、25℃において、0.2Cに相当する電流で4.2Vまで充電した後、非水電解液二次電池を45℃において24時間保持することでエージングした。その後、25℃において、0.2Cに相当する電流で3Vまで放電した。引き続き、0.2Cに相当する電流による4.2Vまでの充電と、0.2Cに相当する電流による3Vまでの放電とを交互に3サイクル繰り返して、非水電解液二次電池を安定させた。その後、1Cで初期の充放電を行なってから、非水電解液二次電池の放電容量を測定し、これを「初期容量」とした。
初期の充放電後に、初期容量の50%の容量を充電した非水電解液二次電池について、25℃において交流インピーダンスを測定し、これを初期抵抗(Ω)とした。ここで、「初期抵抗比」とは、比較例1の初期抵抗(Ω)を1としたときの、各非水電解液二次電池の抵抗の相対値である。
サイクル特性(放電容量維持率及び抵抗増加率)
初期充放電後の各非水電解液二次電池について、充電レートを1C、放電レートを1C、充電終止電圧を4.2V、及び、放電終止電圧を3Vとする条件の200サイクルの充放電サイクル試験を行った。その後、1Cで充放電を行なって、非水電解液二次電池の放電容量を測定し、これを「サイクル後容量」とした。
サイクル試験後に、サイクル後容量の50%容量まで充電した非水電解液二次電池について、25℃の環境下で交流インピーダンスを測定し、これを「サイクル後抵抗(Ω)」とした。ここで「放電容量維持率」及び「抵抗増加率」は、以下の式により算出される値である。
放電容量維持率=(サイクル後容量)/(初期容量)
抵抗増加率=(サイクル後抵抗)/(初期抵抗)
ガス発生量
初期抵抗の評価、放電容量維持率及び抵抗増加率の評価に用いた電池とは別に、実施例及び比較例の各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。この非水電解液二次電池を、25℃において、0.2Cに相当する電流で4.2Vまで充電した後、45℃において24時間保持することでエージングした。その後、25℃において、0.2Cに相当する電流で3Vまで放電した。引き続き、0.2Cに相当する電流で4.2Vまで充電し、0.2Cに相当する電流で3Vまで放電する操作を3サイクル繰り返して、初期充放電を行い、非水電解液電池を安定させた。
初期充放電後の非水電解液二次電池の体積をアルキメデス法により測定し、これを電池の初期体積(cm)とした。更に、非水電解液二次電池を、25℃において1Cで4.2Vまで充電した後、60℃において168時間保持した。その後、非水電解二次電池を25℃まで冷却してから、1Cで3Vまで放電した。放電後の非水電解液二次電池の体積をアルキメデス法により測定し、これを電池の高温保存後体積(cm)とした。以下の式によりガス発生量を算出した。
ガス発生量=(高温保存後体積)-(初期体積)
Figure 0007045240000005
表2に、各非水電解液二次電池の評価結果を示す。式(1)で表される化合物を含む非水電解液を備える実施例の非水電解液二次電池では、初期抵抗が抑制され、長期にわたる優れたサイクル特性が示され、しかもガス発生が抑制されることが確認された。
1…蓄電デバイス(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 (10)

  1. 下記式(1)で表される化合物を含む、非水電解液用添加剤。
    Figure 0007045240000006

    [式(1)中、
    及びRは、それぞれ独立に、置換基を有していてもよい炭素数1~3の炭化水素基を示し、
    及びAは、それぞれ独立に、酸素原子、置換基を有していてもよいアミノ基、又は硫黄原子を示し、
    Xは、スルホニル基又はカルボニル基を含む結合基を示す。]
  2. 式(1)中のXが、下記式(2-1)、(2-2)、(2-3)又は(2-4)で表される2価の基である、請求項1に記載の非水電解液用添加剤。
    Figure 0007045240000007

    [式(2-3)中、Yは酸素原子、置換基を有していてもよい炭素数1~2の2価の炭化水素基、置換基を有していてもよい炭素数1~2の炭化水素基と酸素原子若しくは置換基を有していてもよいアミノ基とからなる2価の基、置換基を有していてもよいアミノ基、又は単結合を示し、
    式(2-4)中、Yは酸素原子、置換基を有していてもよい炭素数1~2の2価の炭化水素基、置換基を有していてもよい炭素数1~2の炭化水素基と酸素原子、若しくは置換基を有していてもよいアミノ基とからなる2価の基、又は置換基を有していてもよいアミノ基を示す。]
  3. 式(1)中のA及びAがいずれも酸素原子である、請求項1又は2に記載の非水電解液用添加剤。
  4. 式(1)中のR及びRがいずれも置換基を有していてもよいエチレン基である、請求項1~3のいずれか一項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. 非水溶媒が、環状カーボネート及び/又は鎖状カーボネートである、請求項5に記載の非水電解液。
  7. 電解質が、リチウム塩を含む電解質である、請求項5又は6に記載の非水電解液。
  8. 請求項5~7のいずれか一項に記載の非水電解液と、正極及び負極と、を備える蓄電デバイス。
  9. 請求項5~7のいずれか一項に記載の非水電解液と、正極及び負極と、を備えるリチウムイオン電池。
  10. 請求項5~7のいずれか一項に記載の非水電解液と、正極及び負極と、を備えるリチウムイオンキャパシタ。
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