JP7128422B2 - ホスホリルイミド塩の製造方法、該塩を含む非水電解液の製造方法及び非水二次電池の製造方法 - Google Patents
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Description
なお、ホスホリルイミド塩では無く、構造が類似しているビススルホニルイミド塩(対カチオンがアルカリ金属)に関しては、種々の合成法が開示されており、例えば、特許文献5の実施例1から3にて、ビス(フルオロスルホニル)イミドアンモニウム塩を酢酸ブチルに溶解させ、そこに水酸化カリウム水溶液、水酸化リチウム水溶液、又は水酸化ナトリウム水溶液を加えて加熱減圧還流を行う事でイミド塩の対カチオンをアンモニウムから、カリウム、リチウム、又はナトリウムにそれぞれ交換出来ることが開示されている。
また、特許文献6では、水に溶解させたビス(フルオロスルホニル)イミド塩(対カチオンはオニウム)を陽イオン交換樹脂で処理する事により、ビス(フルオロスルホニル)イミド塩(対カチオンはアルカリ金属)へ変換できる事が記載されており、また、合成例9では、ビス(フルオロスルホニル)イミドトリエチルアンモニウム塩を酢酸ブチルに溶解させ、そこに水酸化リチウム水溶液を加えた後に、水相を除去する事で残された有機相に高純度なビス(フルオロスルホニル)イミドリチウムが含まれる事が開示されている。
また、特許文献7の実施例1にて、ビス(フルオロスルホニル)イミドトリエチルアンモニウム塩を水酸化カリウム水溶液で処理する事でカチオン交換を行い、その後に水と遊離したトリエチルアミンを留去し、更にイソプロパノール中で結晶を析出させる事で高純度なビス(フルオロスルホニル)イミドカリウムを製造する手法が開示されている。
以上の通り、ビススルホニルイミド塩に関しては、対カチオンをアルカリ金属へ交換するために水を含む溶媒系でカチオン交換を実施する事が一般的である。
しかし、上記の従来の手法をホスホリルイミド塩の製造に適用したところ、収率が極めて低いといった大きな問題が発生した。
[式中、M1 n+は、アルカリ金属カチオン、アルカリ土類金属カチオン、四級アンモニウムカチオン又は四級ホスホニウムカチオンであり、
M2 n+は、アルカリ金属カチオン、アルカリ土類金属カチオン四級アンモニウムカチオン、三級アンモニウムカチオン(三級有機塩基のプロトン体)の何れか又はその混合物であり、
生成物のカチオンM1 n+と原料のカチオンM2 n+とは異なり、
Nは、窒素原子、Pは、リン原子、Xは、硫黄原子又はリン原子であり、nは、1又は2であり、Xが硫黄原子の場合、mは、2であり、R4は存在せず、
Xがリン原子の場合、mは1であり、
Bは、塩化物イオン、硫酸イオン、スルホン酸イオン又は炭酸イオンであり、
R1、R2、R3及びR4は、それぞれ独立して、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、アルキニルオキシ基及びアリールオキシ基から選択される。]
上記R3が、トリフルオロメチル基、メチル基、ビニル基、メトキシ基、プロパルギロキシ基、1,1,1,3,3,3-ヘキサフルオロイソプロポキシ基、トリフルオロエトキシ基又はフッ素原子であり、
上記R4が、フッ素原子であることが好ましい。
上記鎖状エステル類が、酢酸メチル、酢酸エチル、プロピオン酸メチル及びプロピオン酸エチルからなる群から選択され、
上記エーテル類が、テトラヒドロフラン、ジエチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールジエチルエーテル、トリエチレングリコールジメチルエーテル、テトラエチレングリコールジメチルエーテル及び1,2-ジメトキシエタンからなる群から選択され、
上記ケトン類が、アセトン及びエチルメチルケトンからなる群から選択されることが好ましい。
フッ素原子、アルキル基、アルコキシ基、アルケニルオキシ基、アルキニルオキシ基及びアリールオキシ基から選択される基を有するリン酸アミドと、フッ素原子、アルキル基、アルコキシ基、アルケニルオキシ基、アルキニルオキシ基又はアリールオキシ基を有するスルホニルハライドとを予め混合して含む混合物と、
有機塩基と
を混合する工程、又は、
フッ素原子、アルキル基、アルコキシ基、アルケニルオキシ基、アルキニルオキシ基又はアリールオキシ基を有するスルホニルハライドと有機塩基とを予め混合して含む混合物と、
フッ素原子、アルキル基、アルコキシ基、アルケニルオキシ基、アルキニルオキシ基及びアリールオキシ基から選択される基を有するリン酸アミドと
を混合する工程、
を有することが好ましい。
含フッ素環状炭酸エステルとしては、フルオロエチレンカーボネートや、4,5-ジフルオロエチレンカーボネート等が好ましく、
不飽和結合含有環状炭酸エステルとしては、ビニレンカーボネートや、ビニルエチレンカーボネート、エチニルエチレンカーボネート等が好ましく、
含フッ素鎖状炭酸エステルとしては、トリフルオロエチルメチルカーボネートや、ジトリフルオロエチルカーボネート、エチルトリフルオロエチルカーボネート等が好ましく、
エステルとしては、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、トリフルオロプロピオン酸メチル、トリフルオロプロピオン酸エチル等が好ましく、
環状硫酸エステルとしては、硫酸エチレンや、硫酸プロピレン、硫酸ブチレン、硫酸ペンチレン等が好ましく、
環状スルホン酸エステルとしては、1,3-プロペンスルトンや、1-プロペン-1,3-スルトン、1,4-ブタンスルトン、メチレンメタンジスルホネート等が好ましく、
オキサラトホウ酸塩としては、LiBF2(C2O4)や、LiB(C2O4)2、NaBF2(C2O4)等が好ましく、
オキサラトリン酸塩としては、LiPF2(C2O4)2や、LiPF4(C2O4)、LiP(C2O4)3、NaPF2(C2O4)2、NaPF4(C2O4)、NaP(C2O4)3等が好ましく、
ジフルオロリン酸塩としては、LiPO2F2や、NaPO2F2等が好ましく、
フルオロスルホン酸塩としては、LiSO3Fや、NaSO3F等が好ましく、
ビススルホニルイミド塩としては、LiN(FSO2)2や、LiN(CF3SO2)2、LiN(CF3SO2)(FSO2)、NaN(FSO2)2、NaN(CF3SO2)2、NaN(CF3SO2)(FSO2)等が好ましく、
ビスホスホリルイミド塩としては、LiN(F2PO)2や、NaN(F2PO)2等が好ましく、
芳香族化合物としては、ビフェニルや、t-ブチルベンゼン、t-アミルベンゼン、フルオロベンゼン、シクロヘキシルベンゼン等が好ましく、
ニトリル化合物としては、スクシノニトリル等が好ましく、
アルキルシランとしては、エテニルトリメチルシランや、ジエテニルジメチルシラン、トリエテニルメチルシラン、テトラエテニルシラン、トリエテニルフルオロシラン、ジエテニルフルオロメチルシラン等が好ましい。
前述の、スルホニル基とホスホリル基とが窒素を介して繋がったホスホリルイミド塩、及びホスホリル基二つが窒素を介して繋がったホスホリルイミド塩は、以下で規定される一般式(1)で示される化合物である。また、その原料であるホスホリルイミド塩は、以下で規定される一般式(2)で示される化合物であり、両者は対カチオンが異なる。ここで、Aは下記一般式で示されるホスホリルイミドアニオンである。
アルケニルオキシ基としては、例えば、ビニルオキシ基や、1-プロペニルオキシ基、2-プロペニルオキシ基、イソプロペニルオキシ基、2-ブテニルオキシ基、3-ブテニルオキシ基、1,3-ブタジエニルオキシ基等の炭素原子数2~10のアルケニルオキシ基や、その含フッ素アルケニルオキシ基が挙げられ、
アルキニルオキシ基としては、例えば、エチニルオキシ基や、2-プロピニルオキシ基、1,1-ジメチル-2-プロピニルオキシ基等の炭素原子数2~10のアルキニルオキシ基や、その含フッ素アルキニルオキシ基が挙げられる。
アリールオキシ基としては、例えば、フェニルオキシ基や、トリルオキシ基、キシリルオキシ基等の炭素原子数6~10のアリールオキシ基や、その含フッ素アリールオキシ基が挙げられる。
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、アルキニルオキシ基又はアリールオキシ基を有するスルホンアミドと、オキシ二フッ化塩化リン等のホスホリルハライドとを有機塩基の存在下で反応させる方法や、
スルファミン酸メチルエステル等のスルファミン酸アルキルエステルや、該スルファミン酸メチルエステルのメチル基がアルケニル基、アルキニル基又はアリール基である各種スルファミン酸エステル化合物と、オキシ二フッ化塩化リン等のホスホリルハライドとを有機塩基の存在下で反応させる方法や、
スルファミン酸フルオリドと、オキシ二フッ化塩化リン等のホスホリルハライドとを有機塩基の存在下で反応させる方法や、
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、アルキニルオキシ基又はアリールオキシ基を有するスルホンアミドと、クロロリン酸ジメチル等のホスホリルハライドとを有機塩基の存在下で反応させる方法や、
スルファミン酸メチルエステル等のスルファミン酸アルキルエステルや、該スルファミン酸メチルエステルのメチル基がアルケニル基、アルキニル基又はアリール基である各種スルファミン酸エステル化合物と、クロロリン酸ジメチル等のホスホリルハライドとを有機塩基の存在下で反応させる方法や、
スルファミン酸フルオリドと、クロロリン酸ジメチル等のホスホリルハライドとを有機塩基の存在下で反応させる方法や、
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、アルキニルオキシ基又はアリールオキシ基を有するリン酸アミドと、クロロリン酸ジメチル等のホスホリルハライドとを有機塩基の存在下で反応させる方法や、
ヘキサメチルジシラザン等のシラザン化合物と、オキシ二フッ化塩化リン等のホスホリルハライドとを有機塩基の存在下で反応させる方法等が挙げられる。
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、アルキニルオキシ基及びアリールオキシ基から選択される基を有するリン酸アミドと、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、アルキニルオキシ基又はアリールオキシ基を有するスルホニルハライドとを有機塩基の存在下で反応させる方法が挙げられる。
なお、当該方法は、ホスホリルイミド塩(2)の製造における選択率の観点から、
上記リン酸アミドと、上記スルホニルハライドとを予め混合して含む混合物と、有機塩基とを混合する工程、
又は、
上記スルホニルハライドと有機塩基とを予め混合して含む混合物と、上記リン酸アミドとを混合する工程、
であることが好ましい。
例えば、大過剰の水(アルカリ金属の水酸化物を含む水溶液)に対して原料であるホスホリルイミド塩(2)の溶液を添加して、ホスホリルイミド塩(2)の濃度が1質量%程度(1質量%以下)となるような水溶液とした場合(大過剰の水との反応)は収率が5~20%前後であり、
ホスホリルイミド塩(2)の溶液に対してアルカリ金属の水酸化物を含む水溶液を添加して、ホスホリルイミド塩(2)の濃度が20質量%程度となるような水溶液とする手法(小過剰の水との反応)では収率が1~5%程度であった。
特には、上記M1 n+がリチウムイオンである場合、上記有機溶媒の含有水分が0.0001~0.03質量%であることがイオン交換収率の観点から最も好ましい。
また、上記M1 n+がナトリウムイオンである場合、上記有機溶媒の含有水分が0.001~0.05質量%あることがイオン交換収率の観点から最も好ましい。
また、上記のカチオン交換に用いる金属塩(4)の量は特に限定はないが、原料であるホスホリルイミド塩(2)に対して多いほど処理時間を短縮できるため好ましいものの、コストも増大してしまうため、原料ホスホリルイミド塩(2)に対して、例えば、1.0~5.0当量が好ましく、1.1~3.0当量がより好ましい。
例えば、含有水分が0.3質量%以下である有機溶媒中で、ホスホリルイミド塩(2)と当量以上のM1 n+を有するカチオン交換樹脂又は一般式(4)で示される金属塩とを混合する方法が挙げられる。混合時間はカチオン交換反応速度に応じて適宜選択することができるが、長期間装置を占有することは生産コストの上昇につながるため、現実的には72時間以内にすることが好ましい。更に、系全体の反応を進行させるために、反応中は反応液を攪拌することが好ましい。攪拌は攪拌翼にて行われる事が一般的であり、その回転速度は反応液の粘度によって適宜調整することができるが、それ未満では攪拌の効果が得られ難い事から40回転/分以上が好ましく、また攪拌機に過大な負荷を与えないために4000回転/分以下である事が好ましい。
また、例えば、上記カチオン交換樹脂、又は一般式(4)で示される金属塩を充填した流路に含有水分が0.3質量%以下である有機溶媒中に上記ホスホリルイミド塩(2)を溶解した溶液を流通させて、該溶液と上記カチオン交換樹脂又は上記金属塩とを接触させることでもカチオン交換を行うことができる。
本発明の非水電解液は、少なくとも、上記のホスホリルイミド塩の製造方法で製造したホスホリルイミド塩と、溶質とを、非水溶媒中に溶解して得られる。
上記R1~R4の少なくとも1つはフッ素原子であることが好ましい。理由は定かではないが、少なくとも1つがフッ素原子であると、該電解液を用いた非水二次電池の内部抵抗を抑制できる傾向がある。
R1~R4の少なくとも1つがフッ素原子であり、又は
R1~R4の少なくとも1つがフッ素原子を含んでいてもよい炭素数6以下の炭化水素基から選ばれる化合物であることが好ましい。
上記炭化水素基の炭素数が6より多いと、電極上に皮膜を形成した際の内部抵抗が比較的大きい傾向がある。炭素数が6以下であると、上記の内部抵抗がより小さい傾向があるため好ましく、特にメチル基、エチル基、プロピル基、ビニル基、アリル基、エチニル基、2-プロピニル基、フェニル基、トリフルオロメチル基、2,2-ジフルオロエチル基、2,2,2-トリフルオロエチル基、2,2,3,3-テトラフルオロプロピル基、1,1,1,3,3,3-ヘキサフルオロイソプロピル基、及びこれらの基から誘導されるアルコキシ基やアルケニルオキシ基やアルキニルオキシ基から選ばれる少なくとも1つの基であると、サイクル特性及び内部抵抗特性をバランスよく発揮できる非水二次電池が得られるため好ましい。
後述する非水溶媒と、後述する溶質と、上記一般式(1)で示されるホスホリルイミド塩の総量に対して、好適な下限は0.005質量%以上、好ましくは0.05質量%以上、更に好ましくは0.1質量%以上であり、また、好適な上限は12.0質量%以下、好ましくは6.0質量%以下、更に好ましくは3.0質量%以下である。
上記添加量が0.005質量%を下回ると、電池特性を向上させる効果が十分に得られ難いため好ましくない。一方、上記添加量が12.0質量%を超えると、それ以上の効果は得られずに無駄であるだけでなく、過剰な皮膜形成により抵抗が増加し、電池性能の劣化を引き起こし易いため好ましくない。これらのホスホリルイミド塩(1)は、12.0質量%を超えない範囲であれば一種類を単独で用いても良く、二種類以上を用途に合わせて任意の組み合わせ、比率で混合して用いても良い。
本発明の非水電解液に用いる溶質の種類は、特に限定されず、任意の電解質塩を用いることができる。具体例としては、リチウム電池及びリチウムイオン電池の場合には、LiPF6や、LiBF4、LiPF2(C2O4)2、LiPF4(C2O4)、LiP(C2O4)3、LiBF2(C2O4)、LiB(C2O4)2、LiPO2F2、LiN(F2PO)2、LiN(FSO2)2、LiN(CF3SO2)2、LiClO4、LiAsF6、LiSbF6、LiCF3SO3、LiSO3F、LiN(C2F5SO2)2、LiN(CF3SO2)(FSO2)、LiC(CF3SO2)3、LiPF3(C3F7)3、LiB(CF3)4、LiBF3(C2F5)等に代表される電解質塩が挙げられ、ナトリウムイオン電池の場合には、NaPF6や、NaBF4、NaPF2(C2O4)2、NaPF4(C2O4)、NaP(C2O4)3、NaBF2(C2O4)、NaB(C2O4)2、NaPO2F2、NaN(F2PO)2、NaN(FSO2)2、NaN(CF3SO2)2、NaClO4、NaAsF6、NaSbF6、NaCF3SO3、NaSO3F、NaN(C2F5SO2)2、NaN(CF3SO2)(FSO2)、NaC(CF3SO2)3、NaPF3(C3F7)3、NaB(CF3)4、NaBF3(C2F5)等に代表される電解質塩が挙げられる。これらの溶質は、一種類を単独で用いても良く、二種類以上を用途に合わせて任意の組み合わせ、好適な比率で混合して用いても良い。中でも、電池としてのエネルギー密度や、出力特性、寿命等から考えると、LiPF6、LiBF4、LiPF2(C2O4)2、LiPF4(C2O4)、LiP(C2O4)3、LiBF2(C2O4)、LiB(C2O4)2、LiPO2F2、LiN(F2PO)2、LiN(FSO2)2、LiN(CF3SO2)2、LiN(CF3SO2)(FSO2)、LiSO3F、NaPF6、NaBF4、NaPF2(C2O4)2、NaPF4(C2O4)、NaP(C2O4)3、NaBF2(C2O4)、NaB(C2O4)2、NaPO2F2、NaN(F2PO)2、NaN(FSO2)2、NaN(CF3SO2)2、NaSO3F及びNaN(CF3SO2)(FSO2)が好ましい。
本発明の非水電解液に用いる非水溶媒の種類は、特に限定されず、任意の非水溶媒を用いることができる。具体例としては、プロピレンカーボネート(以下、「PC」と記載する場合がある)や、エチレンカーボネート(以下、「EC」と記載する場合がある)、ブチレンカーボネート等の環状カーボネート、ジエチルカーボネート(以下、「DEC」と記載する場合がある)や、ジメチルカーボネート(以下、「DMC」と記載する場合がある)、エチルメチルカーボネート(以下、「EMC」と記載する場合がある)等の鎖状カーボネート、γ―ブチロラクトンや、γ―バレロラクトン等の環状エステル、酢酸メチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル(以下、「EP」と記載する場合がある)等の鎖状エステル、テトラヒドロフランや、2-メチルテトラヒドロフラン、ジオキサン等の環状エーテル、ジメトキシエタンや、ジエチルエーテル等の鎖状エーテル、ジメチルスルホキシドや、スルホラン等のスルホン化合物やスルホキシド化合物等が挙げられる。また、非水溶媒とはカテゴリーが異なるがイオン液体等も挙げることができる。また、本発明に用いる非水溶媒は、一種類を単独で用いても良く、二種類以上を用途に合わせて任意の組み合わせ、比率で混合して用いても良い。これらの中ではその酸化還元に対する電気化学的な安定性と熱や上記溶質との反応に関わる化学的安定性の観点から、特にプロピレンカーボネートや、エチレンカーボネート、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル等が好ましい。
例えば、非水溶媒として、誘電率の高い環状カーボネートから1種類以上と、液粘度が低い鎖状カーボネートもしくは鎖状エステルから1種類以上とを含有すると、電解液のイオン伝導度が高まるため好ましい。具体的には、以下の組合せを含むものがより好ましい。
(1)ECとEMCの組合せ、
(2)ECとDECの組合せ、
(3)ECとDMCとEMCの組合せ、
(4)ECとDECとEMCの組合せ、
(5)ECとEMCとEPの組合せ、
(6)PCとDECの組合せ、
(7)PCとEMCの組合せ、
(8)PCとEPの組合せ、
(9)PCとDMCとEMCの組合せ、
(10)PCとDECとEMCの組合せ、
(11)PCとDECとEPの組合せ、
(12)PCとECとEMCの組合せ、
(13)PCとECとDMCとEMCの組合せ、
(14)PCとECとDECとEMCの組合せ、
(15)PCとECとEMCとEPの組合せ
以上が本発明の非水電解液の基本的な構成についての説明であるが、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に一般的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、含フッ素環状炭酸エステル、不飽和結合含有環状炭酸エステル、含フッ素鎖状炭酸エステル、エステル、環状硫酸エステル、環状スルホン酸エステル、オキサラトホウ酸塩、オキサラトリン酸塩、ジフルオロリン酸塩、フルオロスルホン酸塩、ビススルホニルイミド塩、ビスホスホリルイミド塩、芳香族化合物、ニトリル化合物、アルキルシラン等の過充電防止効果や、負極皮膜形成効果、正極保護効果を有する化合物が挙げられる。
中でも、含フッ素環状炭酸エステルとしては、フルオロエチレンカーボネート(以降「FEC」と記載する場合がある)や、4,5-ジフルオロエチレンカーボネート等が好ましく、不飽和結合含有環状炭酸エステルとしては、ビニレンカーボネート(以降「VC」と記載する場合がある)や、ビニルエチレンカーボネート、エチニルエチレンカーボネート等が好ましく、環状硫酸エステルとしては、硫酸エチレンや、硫酸プロピレン、硫酸ブチレン、硫酸ペンチレン等が好ましく、環状スルホン酸エステルとしては、1,3-プロペンスルトンや、1-プロペン-1,3-スルトン、1,4-ブタンスルトン、メチレンメタンジスルホネート等が好ましく、オキサラトホウ酸塩としては、LiBF2(C2O4)や、LiB(C2O4)2、NaBF2(C2O4)等が好ましく、オキサラトリン酸塩としては、LiPF2(C2O4)2や、LiPF4(C2O4)、LiP(C2O4)3、NaPF2(C2O4)2、NaPF4(C2O4)、NaP(C2O4)3等が好ましく、ビススルホニルイミド塩としては、LiN(FSO2)2や、LiN(CF3SO2)2、LiN(CF3SO2)(FSO2)、NaN(FSO2)2、NaN(CF3SO2)2、NaN(CF3SO2)(FSO2)等が好ましく、芳香族化合物としては、ビフェニルや、t-ブチルベンゼン、t-アミルベンゼン、フルオロベンゼン、シクロヘキシルベンゼン等が好ましく、ニトリル化合物としては、スクシノニトリル等が好ましく、アルキルシランとしては、エテニルトリメチルシランや、ジエテニルジメチルシラン、トリエテニルメチルシラン、テトラエテニルシラン、トリエテニルフルオロシラン、ジエテニルフルオロメチルシラン等が好ましい。
なお、上記添加剤の一部は上述の溶質と重複するものがあるが、そのような化合物は、溶質のように比較的多く(例えば、0.5~2.5mol/L)含有させて用いることもできるし、添加剤のように比較的少なく(例えば、電解液総量に対して0.005~5.0質量%)含有させて用いることもできる。
また、上記溶質(リチウム塩、ナトリウム塩)や上記ホスホリルイミド塩(1)(リチウム塩、ナトリウム塩)以外のアルカリ金属塩を添加剤として用いてもよい。具体的には、アクリル酸リチウム、アクリル酸ナトリウム、メタクリル酸リチウム、メタクリル酸ナトリウム等のカルボン酸塩、リチウムメチルサルフェート、ナトリウムメチルサルフェート、リチウムエチルサルフェート、ナトリウムメチルサルフェート等の硫酸エステル塩等が挙げられる。
また、リチウムポリマー電池のように非水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。
例えば、4種のリチウム塩を含有する場合は、ヘキサフルオロリン酸リチウム及びテトラフルオロホウ酸リチウムの溶質(以降「第1溶質」と記載する場合がある)から1種用い、LiPF4(C2O4)、LiPF2(C2O4)2、LiP(C2O4)3、LiBF2(C2O4)、LiB(C2O4)2、LiPO2F2、LiN(F2PO)2、LiN(FSO2)2、LiN(CF3SO2)2、LiClO4、LiAsF6、LiSbF6、LiCF3SO3、LiSO3F、LiN(C2F5SO2)2、LiN(CF3SO2)(FSO2)、LiC(CF3SO2)3、LiPF3(C3F7)3、LiB(CF3)4、LiBF3(C2F5)等の溶質(以降「第2溶質」と記載する場合がある)から1種用い、ホスホリルイミド塩(1)として上記化合物a~w等のリチウム塩から2種用いることや、
上記第1溶質から1種用い、上記第2溶質から2種用い、上記ホスホリルイミド塩(1)から1種用いることが考えられる。
具体的には、
(1)LiPF6と上記化合物aのリチウム塩と上記化合物cのリチウム塩とLiPF2(C2O4)2の組み合わせ、
(2)LiPF6と上記化合物aのリチウム塩と上記化合物dのリチウム塩とLiPO2F2の組み合わせ、
(3)LiPF6と上記化合物aのリチウム塩とLiPO2F2とLiN(F2PO)2の組み合わせ、
(4)LiPF6と上記化合物cのリチウム塩とLiPF2(C2O4)2とLiPO2F2の組み合わせ、
のように4種のリチウム塩を含有すると、低温時の内部抵抗の上昇を抑制する効果が、より大きいので好ましい。
また、必要に応じてそれら以外の上記添加剤を更に併用添加してもよい。
更に、上記アルカリ金属塩の合計を5種以上としてもよい。例えば、5種のリチウム塩を含有する場合は、上記第1溶質から1種用い、上記第2溶質から1種用い、上記化合物a~w等のリチウム塩から3種用いることや、
上記第1溶質から1種用い、上記第2溶質から2種用い、上記化合物a~w等のリチウム塩から2種用いることや、
上記第1溶質から1種用い、上記第2溶質から3種用い、上記化合物a~w等のリチウム塩から1種用いることが考えられる。
具体的には、
(1)LiPF6と上記化合物aのリチウム塩と上記化合物cのリチウム塩とLiPF4(C2O4)とLiPF2(C2O4)2との組み合わせ、
(2)LiPF6と上記化合物aのリチウム塩と上記化合物dのリチウム塩とLiB(C2O4)2とLiPO2F2との組み合わせ、
(3)LiPF6と上記化合物aのリチウム塩とLiB(C2O4)2とLiPO2F2とLiSO3Fの組み合わせ、
(4)LiPF6と上記化合物cのリチウム塩とLiB(C2O4)2とLiPO2F2とLiSO3Fの組み合わせ、
(5)LiPF6と上記化合物hのリチウム塩とLiB(C2O4)2とLiPO2F2とLiSO3Fの組み合わせ、
(6)LiPF6と上記化合物cのリチウム塩とLiPF4(C2O4)とLiPF2(C2O4)2とLiPO2F2との組み合わせ、
(7)LiPF6と上記化合物cのリチウム塩とLiBF2(C2O4)とLiPO2F2とLiSO3Fの組み合わせ、
(8)LiPF6と上記化合物eのリチウム塩と上記化合物fのリチウム塩とLiB(C2O4)2とLiPO2F2の組み合わせ、
のように5種のリチウム塩を含有すると、高温時のガス発生の抑制効果が、より大きいので好ましい。
また、必要に応じてそれら以外のリチウム塩(上記添加剤)を更に併用添加してもよい。
次に本発明の非水二次電池の構成について説明する。本発明の非水二次電池は、上記の本発明の非水電解液を用いる。その他の構成部材には一般の非水二次電池に使用されているものが用いられる。即ち、リチウムの吸蔵及び放出が可能な正極及び負極、集電体、セパレータ、容器等から成る。
炭素材料とは、例えば、易黒鉛化炭素や、(002)面の面間隔が0.37nm以上の難黒鉛化炭素(ハードカーボン)、(002)面の面間隔が0.34nm以下の黒鉛等である。より具体的には、熱分解性炭素や、コークス類、ガラス状炭素繊維、有機高分子化合物焼成体、活性炭、カーボンブラック類等がある。このうち、コークス類にはピッチコークスや、ニードルコークス、石油コークス等が含まれる。有機高分子化合物焼成体とは、フェノール樹脂や、フラン樹脂等を適当な温度で焼成して炭素化したものをいう。炭素材料は、リチウムの吸蔵及び放出に伴う結晶構造の変化が非常に少ないため、高いエネルギー密度が得られると共に優れたサイクル特性が得られるので好ましい。なお、炭素材料の形状としては、繊維状や、球状、粒状、鱗片状等のいずれの形態であってもよい。また、非晶質炭素や、非晶質炭素を表面に被覆した黒鉛材料は、材料表面と電解液との反応性が低くなるため、より好ましい。
〔(イ)正極〕
(イ)正極は、少なくとも1種の酸化物及び/又はポリアニオン化合物を正極活物質として含むことが好ましい。
[正極活物質]
非水電解液中のカチオンがリチウム主体となるリチウムイオン二次電池の場合、(イ)正極を構成する正極活物質は、充放電が可能な材料であれば特に限定されるものでないが、例えば、(A)ニッケル、マンガン及びコバルトの少なくとも1種以上の金属を含有し、かつ層状構造を有するリチウム遷移金属複合酸化物、(B)スピネル構造を有するリチウムマンガン複合酸化物、(C)リチウム含有オリビン型リン酸塩、及び(D)層状岩塩型構造を有するリチウム過剰層状遷移金属酸化物から少なくとも1種を含有するものが挙げられる。
((A)リチウム遷移金属複合酸化物)
正極活物質(A):ニッケル、マンガン及びコバルトの少なくとも1種以上の金属を含有し、かつ層状構造を有するリチウム遷移金属複合酸化物としては、例えば、リチウム・コバルト複合酸化物や、リチウム・ニッケル複合酸化物、リチウム・ニッケル・コバルト複合酸化物、リチウム・ニッケル・コバルト・アルミニウム複合酸化物、リチウム・コバルト・マンガン複合酸化物、リチウム・ニッケル・マンガン複合酸化物、リチウム・ニッケル・マンガン・コバルト複合酸化物等が挙げられる。また、これらリチウム遷移金属複合酸化物の主体となる遷移金属原子の一部を、Al、Ti、V、Cr、Fe、Cu、Zn、Mg、Ga、Zr、Si、B、Ba、Y、Sn等の他の元素で置換したものを用いても良い。
リチウム・コバルト複合酸化物、リチウム・ニッケル複合酸化物の具体例としては、LiCoO2、LiNiO2や、Mg、Zr、Al、Ti等の異種元素を添加したコバルト酸リチウム(LiCo0.98Mg0.01Zr0.01O2、LiCo0.98Mg0.01Al0.01O2、LiCo0.975Mg0.01Zr0.005Al0.01O2等)、WO2014/034043号公報に記載の表面に希土類の化合物を固着させたコバルト酸リチウム等を用いても良い。また、特開2002-151077号公報等に記載されているように、LiCoO2粒子粉末の粒子表面の一部に酸化アルミニウムが被覆したものを用いても良い。
リチウム・ニッケル・コバルト複合酸化物、リチウム・ニッケル・コバルト・アルミニウム複合酸化物については、以下の一般式(1-1)で示される。
LiaNi1-b-cCobM1 cO2 (1-1)
式(1-1)中、M1はAl、Fe、Mg、Zr、Ti、Bからなる群より選ばれる少なくとも1つの元素であり、aは0.9≦a≦1.2であり、b及びcは、0.1≦b≦0.3及び0≦c≦0.1の条件を満たす。
これらは、例えば、特開2009-137834号公報等に記載される製造方法等に準じて調製することができる。具体的には、LiNi0.8Co0.2O2や、LiNi0.85Co0.10Al0.05O2、LiNi0.87Co0.10Al0.03O2、LiNi0.6Co0.3Al0.1O2等が挙げられる。
リチウム・コバルト・マンガン複合酸化物や、リチウム・ニッケル・マンガン複合酸化物の具体例としては、LiNi0.5Mn0.5O2や、LiCo0.5Mn0.5O2等が挙げられる。
リチウム・ニッケル・マンガン・コバルト複合酸化物としては、以下の一般式(1-2)で示されるリチウム含有複合酸化物が挙げられる。
LidNieMnfCogM2 hO2 (1-2)
式(1-2)中、M2はAl、Fe、Mg、Zr、Ti、B、Snからなる群より選ばれる少なくとも1つの元素であり、dは0.9≦d≦1.2であり、e、f、g及びhは、e+f+g+h=1、0≦e≦0.7、0≦f≦0.5、0≦g≦0.5、及びh≧0の条件を満たす。
リチウム・ニッケル・マンガン・コバルト複合酸化物は、構造安定性を高め、リチウム二次電池における高温での安全性を向上させるためにマンガンを一般式(1-2)に示す範囲で含有するものが好ましく、特にリチウムイオン二次電池の高率特性を高めるためにコバルトを一般式(1-2)に示す範囲で更に含有するものがより好ましい。
具体的には、例えば4.3V以上に充放電領域を有する、Li[Ni1/3Mn1/3Co1/3]O2や、Li[Ni0.45Mn0.35Co0.2]O2、Li[Ni0.5Mn0.3Co0.2]O2、Li[Ni0.6Mn0.2Co0.2]O2、Li[Ni0.49Mn0.3Co0.2Zr0.01]O2、Li[Ni0.49Mn0.3Co0.2Mg0.01]O2等が挙げられる。
((B)スピネル構造を有するリチウムマンガン複合酸化物)
正極活物質(B):スピネル構造を有するリチウムマンガン複合酸化物としては、例えば、以下の一般式(1-3)で示されるスピネル型リチウムマンガン複合酸化物が挙げられる。
Lij(Mn2-kM3 k)O4 (1-3)
式(1-3)中、M3はNi、Co、Fe、Mg、Cr、Cu、Al及びTiからなる群より選ばれる少なくとも1つの金属元素であり、jは1.05≦j≦1.15であり、kは0≦k≦0.20である。
具体的には、例えば、LiMn2O4や、LiMn1.95Al0.05O4、LiMn1.9Al0.1O4、LiMn1.9Ni0.1O4、LiMn1.5Ni0.5O4等が挙げられる。
((C)リチウム含有オリビン型リン酸塩)
正極活物質(C):リチウム含有オリビン型リン酸塩としては、例えば、以下の一般式(1-4)で示されるものが挙げられる。
LiFe1-nM4 nPO4 (1-4)
式(1-4)中、M4はCo、Ni、Mn、Cu、Zn、Nb、Mg、Al、Ti、W、Zr及びCdから選ばれる少なくとも1つであり、nは、0≦n≦1である。
具体的には、例えば、LiFePO4や、LiCoPO4、LiNiPO4、LiMnPO4等が挙げられ、中でもLiFePO4及び/又はLiMnPO4が好ましい。
((D)リチウム過剰層状遷移金属酸化物)
正極活物質(D):層状岩塩型構造を有するリチウム過剰層状遷移金属酸化物としては、例えば、以下の一般式(1-5)で示されるものが挙げられる。
xLiM5O2・(1-x)Li2M6O3 (1-5)
式(1-5)中、xは、0<x<1を満たす数であり、M5は、平均酸化数が3+である少なくとも1種以上の金属元素であり、M6は、平均酸化数が4+である少なくとも1種の金属元素である。式(1-5)中、M5は、好ましくは3価のMn、Ni、Co、Fe、V、Crから選ばれてなる1種の金属元素であるが、2価と4価の等量の金属で平均酸化数を3価にしてもよい。
また、式(1-5)中、M6は、好ましくはMn、Zr、Tiから選ばれてなる1種以上の金属元素である。具体的には、0.5[LiNi0.5Mn0.5O2]・0.5[Li2MnO3]や、0.5[LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2]・0.5[Li2MnO3]、0.5[LiNi0.375Co0.25Mn0.375O2]・0.5[Li2MnO3]、0.5[LiNi0.375Co0.125Fe0.125Mn0.375O2]・0.5[Li2MnO3]、0.45[LiNi0.375Co0.25Mn0.375O2]・0.10[Li2TiO3]・0.45[Li2MnO3]等が挙げられる。
この一般式(1-5)で表される正極活物質(D)は、4.4V(Li基準)以上の高電圧充電で高容量を発現することが知られている(例えば、米国特許7,135,252)。
これら正極活物質は、例えば、特開2008-270201号公報や、WO2013/118661号公報、特開2013-030284号公報等に記載される製造方法等に準じて調製することができる。
正極活物質としては、上記(A)~(D)から選ばれる少なくとも1つを主成分として含有すればよいが、それ以外に含まれるものとしては、例えば、FeS2や、TiS2、V2O5、MoO3、MoS2等の遷移元素カルコゲナイド、あるいはポリアセチレンや、ポリパラフェニレン、ポリアニリン、ポリピロール等の導電性高分子や、活性炭、ラジカルを発生するポリマー、カーボン材料等が挙げられる。
[正極集電体]
(イ)正極は、正極集電体を有する。正極集電体としては、例えば、アルミニウムや、ステンレス鋼、ニッケル、チタン、これらの合金等を用いることができる。
[正極活物質層]
(イ)正極は、例えば正極集電体の少なくとも一方の面に正極活物質層が形成される。正極活物質層は、例えば、前述の正極活物質と、結着剤と、必要に応じて導電剤とにより構成される。
結着剤としては、ポリテトラフルオロエチレンや、ポリフッ化ビニリデン、スチレンブタジエンゴム(SBR)樹脂等が挙げられる。
導電剤としては、例えば、アセチレンブラックや、ケッチェンブラック、炭素繊維、黒鉛(粒状黒鉛や燐片状黒鉛)等の炭素材料を用いることができる。正極においては、結晶性の低いアセチレンブラックや、ケッチェンブラック等を用いることが好ましい。
〔(ウ)負極〕
(ウ)負極は、少なくとも1種の負極活物質を含むことが好ましい。
[負極活物質]
非水電解液中のカチオンがリチウム主体となるリチウムイオン二次電池の場合、(ウ)負極を構成する負極活物質としては、リチウムイオンのドープ・脱ドープが可能なものであり、例えば(E)X線回折における格子面(002面)のd値が0.340nm以下の炭素材料や、(F)X線回折における格子面(002面)のd値が0.340nmを超える炭素材料、(G)Si、Sn及びAlから選ばれる1種以上の金属の酸化物、(H)Si、Sn及びAlから選ばれる1種以上の金属や、これら金属を含む合金、これら金属若しくは合金とリチウムとの合金、及び(I)リチウムチタン酸化物から選ばれる少なくとも1種を含有するものが挙げられる。これら負極活物質は、1種を単独で用いることができ、2種以上を組合せて用いることもできる。
((E)X線回折における格子面(002面)のd値が0.340nm以下の炭素材料)
負極活物質(E):X線回折における格子面(002面)のd値が0.340nm以下の炭素材料としては、例えば、熱分解炭素類や、コークス類(例えば、ピッチコークスや、ニードルコークス、石油コークス等)、グラファイト類、有機高分子化合物焼成体(例えば、フェノール樹脂や、フラン樹脂等を適当な温度で焼成し炭素化したもの)、炭素繊維、活性炭等が挙げられ、これらは黒鉛化したものでもよい。当該炭素材料は、X線回折法で測定した(002)面の面間隔(d002)が0.340nm以下のものであり、中でも、その真密度が1.70g/cm3以上である黒鉛又はそれに近い性質を有する高結晶性炭素材料が好ましい。
((F)X線回折における格子面(002面)のd値が0.340nmを超える炭素材料)
負極活物質(F):X線回折における格子面(002面)のd値が0.340nmを超える炭素材料としては、非晶質炭素が挙げられ、これは、2000℃以上の高温で熱処理してもほとんど積層秩序が変化しない炭素材料であり、例えば、難黒鉛化炭素(ハードカーボン)や、1500℃以下で焼成したメソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、メソペーズビッチカーボンファイバー(MCF)等が例示される。株式会社クレハ製のカーボトロン(登録商標)P等は、その代表的な事例である。
((G)Si、Sn及びAlから選ばれる1種以上の金属の酸化物)
負極活物質(G):Si、Sn及びAlから選ばれる1種以上の金属の酸化物としては、リチウムイオンのド-プ・脱ド-プが可能な、例えば、酸化シリコンや、酸化スズ等が挙げられる。
Siの超微粒子がSiO2中に分散した構造を持つSiOx等がある。この材料を負極活物質として用いると、Liと反応するSiが超微粒子であるために充放電がスムーズに行われる一方で、上記構造を有するSiOx粒子自体は表面積が小さいため、負極活物質層を形成するための組成物(ペースト)とした際の塗料性や負極合剤層の集電体に対する接着性も良好である。
なお、SiOxは充放電に伴う体積変化が大きいため、SiOxと上述負極活物質(E)の黒鉛とを特定比率で負極活物質に併用することで高容量化と良好な充放電サイクル特性とを両立することができる。
((H)Si、Sn及びAlから選ばれる1種以上の金属や、これら金属を含む合金、これら金属若しくは合金とリチウムとの合金)
負極活物質(H):Si、Sn及びAlから選ばれる1種以上の金属や、これら金属を含む合金、これら金属若しくは合金とリチウムとの合金としては、例えば、シリコンや、スズ、アルミニウム等の金属、シリコン合金、スズ合金、アルミニウム合金等が挙げられ、これらの金属や合金が、充放電に伴いリチウムと合金化した材料も使用できる。
これらの好ましい具体例としては、WO2004/100293号や、特開2008-016424号等に記載される、例えば、ケイ素(Si)や、スズ(Sn)等の金属単体(例えば粉末状のもの)、該金属合金、該金属を含有する化合物、該金属にスズ(Sn)とコバルト(Co)とを含む合金等が挙げられる。当該金属を電極に使用した場合、高い充電容量を発現することができ、かつ、充放電に伴う体積の膨張・収縮が比較的少ないことから好ましい。また、これらの金属は、これをリチウムイオン二次電池の負極に用いた場合に、充電時にLiと合金化するため、高い充電容量を発現することが知られており、この点でも好ましい。
更に、例えば、WO2004/042851号や、WO2007/083155号等に記載される、サブミクロン直径のシリコンのピラーから形成された負極活物質、シリコンで構成される繊維からなる負極活物質等を用いてもよい。
((I)リチウムチタン酸化物)
負極活物質(I):リチウムチタン酸化物としては、例えば、スピネル構造を有するチタン酸リチウムや、ラムスデライト構造を有するチタン酸リチウム等を挙げることができる。
スピネル構造を有するチタン酸リチウムとしては、例えば、Li4+αTi5O12(αは充放電反応により0≦α≦3の範囲内で変化する)を挙げることができる。また、ラムスデライト構造を有するチタン酸リチウムとしては、例えば、Li2+βTi3O7(βは充放電反応により0≦β≦3の範囲内で変化する)を挙げることができる。これら負極活物質は、例えば、特開2007-018883号公報や、特開2009-176752号公報等に記載される製造方法等に準じて調製することができる。
例えば、非水電解液中のカチオンがナトリウム主体となるナトリウムイオン二次電池の場合、負極活物質として、ハードカーボンや、TiO2、V2O5、MoO3等の酸化物等が用いられる。例えば、非水電解液中のカチオンがナトリウム主体となるナトリウムイオン二次電池の場合、正極活物質として、NaFeO2や、NaCrO2、NaNiO2、NaMnO2、NaCoO2等のナトリウム含有遷移金属複合酸化物、それらのナトリウム含有遷移金属複合酸化物のFe、Cr、Ni、Mn、Co等の遷移金属が複数混合したもの、それらのナトリウム含有遷移金属複合酸化物の遷移金属の一部が他の遷移金属以外の金属に置換されたもの、Na2FeP2O7、NaCo3(PO4)2P2O7等の遷移金属のリン酸化合物、TiS2、FeS2等の硫化物、ポリアセチレン、ポリパラフェニレン、ポリアニリン、ポリピロール等の導電性高分子、活性炭、ラジカルを発生するポリマー、カーボン材料等が使用される。
[負極集電体]
(ウ)負極は、負極集電体を有する。負極集電体としては、例えば、銅、アルミニウム、ステンレス鋼、ニッケル、チタン又はこれらの合金等を用いることができる。
[負極活物質層]
(ウ)負極は、例えば、負極集電体の少なくとも一方の面に負極活物質層が形成される。負極活物質層は、例えば、前述の負極活物質と、結着剤と、必要に応じて導電剤とにより構成される。
結着剤としては、ポリテトラフルオロエチレンや、ポリフッ化ビニリデン、又はスチレンブタジエンゴム(SBR)樹脂等が挙げられる。
導電剤としては、例えば、アセチレンブラックや、ケッチェンブラック、炭素繊維、黒鉛(粒状黒鉛や燐片状黒鉛)等の炭素材料を用いることができる。
〔電極((イ)正極及び(ウ)負極)の製造方法〕
電極は、例えば、活物質と、結着剤と、必要に応じて導電剤とを所定の配合量でN-メチル-2-ピロリドン(NMP)や水等の溶媒中に分散混練し、得られたペーストを集電体に塗布、乾燥して活物質層を形成することで得ることができる。得られた電極は、ロールプレス等の方法により圧縮して、適当な密度の電極に調節することが好ましい。
〔(エ)セパレータ〕
上記の非水二次電池は、(エ)セパレータを備える。(イ)正極と(ウ)負極の接触を防ぐためのセパレータとしては、ポリプロピレンやポリエチレン等のポリオレフィンや、セルロース、紙、ガラス繊維等で作られた不織布や多孔質シートが使用される。これらのフィルムは、電解液がしみ込んでイオンが透過し易いように、微多孔化されているものが好ましい。
ポリオレフィンセパレ-タとしては、例えば、多孔性ポリオレフィンフィルム等の微多孔性高分子フィルムといった正極と負極とを電気的に絶縁し、かつリチウムイオンが透過可能な膜が挙げられる。多孔性ポリオレフィンフィルムの具体例としては、例えば、多孔性ポリエチレンフィルム単独や、多孔性ポリエチレンフィルムと多孔性ポリプロピレンフィルムとを重ね合わせて複層フィルムとして用いてもよい。また、多孔性のポリエチレンフィルムとポリプロピレンフィルムとを複合化したフィルム等が挙げられる。
〔外装体〕
非水二次電池を構成するにあたり、非水二次電池の外装体としては、例えば、コイン型や、円筒型、角型等の金属缶や、ラミネート外装体を用いることができる。金属缶材料としては、例えば、ニッケルメッキを施した鉄鋼板や、ステンレス鋼板、ニッケルメッキを施したステンレス鋼板、アルミニウム又はその合金、ニッケル、チタン等が挙げられる。
ラミネート外装体としては、例えば、アルミニウムラミネートフィルムや、SUS製ラミネートフィルム、シリカをコーティングしたポリプロピレン、ポリエチレン等のラミネートフィルム等を用いることができる。
本実施形態にかかる非水二次電池の構成は、特に制限されるものではないが、例えば、正極及び負極が対向配置された電極素子と、非水電解液とが、外装体に内包されている構成とすることができる。非水二次電池の形状は、特に限定されるものではないが、以上の各要素からコイン状や、円筒状、角形、アルミラミネートシート型等の形状の電気化学デバイスが組み立てられる。
[Nは、窒素原子であり、Sは、硫黄原子であり、R5及びR6は、それぞれ独立して、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、アルキニルオキシ基及びアリールオキシ基から選択される。]
アニオンが表1に示すxであり、カチオンがリチウムであるスルホニルイミド塩(3)を(3x-Li)、
アニオンが表1に示すxであり、カチオンが、トリエチルアミンがプロトン化された三級アンモニウムであるスルホニルイミド塩(3)を(3x-Et3N・H)、
アニオンが表1に示すyであり、カチオンがリチウムであるスルホニルイミド塩(3)を(3y-Li)、
アニオンが表1に示すyであり、カチオンが、トリエチルアミンがプロトン化された三級アンモニウムであるスルホニルイミド塩(3)を(3y-Et3N・H)と表記する。
ヘキサフルオロリン酸カリウムを2当量の水で加水分解させた後、減圧濃縮により副生したフッ化水素を除去する事で、後述のホスホリルイミド塩の原料であるジフルオロリン酸カリウムを得た。
非特許文献2の記載に従い、オキシ塩化リンを溶媒として事前に合成したジフルオロリン酸カリウムと五塩化リンを反応させた後に、油浴を110℃まで昇温させオキシ塩化リン還流下で留出させる事で後述のホスホリルイミド塩の原料であるオキシ二フッ化塩化リンを得た。
非特許文献3の記載に従い、亜リン酸ジメチル(東京化成工業品)をアセトニトリル溶媒中で、トリクロロイソシアヌル酸(東京化成工業品)にて塩素化する事により、後述のホスホリルイミド塩の原料であるクロロリン酸ジメチルを得た。
非特許文献4の記載に従い、クロロイソシアン酸スルホニル(東京化成工業品)を蟻酸で穏やかに分解させる事で、後述のホスホリルイミド塩の原料であるスルファミン酸クロリドを得た。
トリフルオロメタンスルホンアミド(東京化成工業品)を炭酸エチルメチル溶媒中で、トリエチルアミンの存在下、事前に合成したオキシ二フッ化塩化リンと反応させた。副生したトリエチルアミン塩酸塩をろ過で取り除いた後に、炭酸エチルメチル/塩化メチレン系にて再結晶精製する事で、ホスホリルイミド塩(2a-Et3N・H)が得られた。なお、Et3N・Hはトリエチルアミンにプロトンが付加した三級アンモニムカチオンを意味する。
メタンスルホンアミド(東京化成工業品)を炭酸エチルメチル溶媒中で、トリエチルアミンの存在下、事前に合成したオキシ二フッ化塩化リンと反応させた。副生したトリエチルアミン塩酸塩をろ過で取り除いた後に、炭酸エチルメチル/塩化メチレン系にて再結晶精製する事で、ホスホリルイミド塩(2b-Et3N・H)が得られた。
2-クロロエタンスルホニルクロリド(東京化成工業品)を炭酸エチルメチル溶媒中で、トリエチルアミン存在下、アンモニアと反応させる事で、アンモニアの求核付加と塩酸の脱離による二重結合の生成が進行し、ビニルスルホンアミドが得られた。更に、ここにトリエチルアミンを追加した上で事前に合成したオキシ二フッ化塩化リンを加える事で続くイミド化反応を進行させた。副生したトリエチルアミン塩酸塩をろ過で取り除いた後に、炭酸エチルメチル/塩化メチレン系にて再結晶精製する事で、ホスホリルイミド塩(2c-Et3N・H)が得られた。
事前に合成したスルファミン酸クロリドとメタノールを反応させる事でスルファミン酸メチルエステルが得られた。ここで得られたスルファミン酸メチルエステルを炭酸エチルメチル溶媒中で、トリエチルアミンの存在下、事前に合成したオキシ二フッ化塩化リンと反応させた。副生したトリエチルアミン塩酸塩をろ過で取り除いた後に、炭酸エチルメチル/塩化メチレン系にて再結晶精製する事で、ホスホリルイミド塩(2d-Et3N・H)が得られた。
事前に合成したスルファミン酸クロリドとプロパルギルアルコールを反応させる事でスルファミン酸プロパルギルエステルが得られた。ここで得られたスルファミン酸プロパルギルエステルを炭酸エチルメチル溶媒中で、トリエチルアミンの存在下、事前に合成したオキシ二フッ化塩化リンと反応させた。副生したトリエチルアミン塩酸塩をろ過で取り除いた後に、炭酸エチルメチル/塩化メチレン系にて再結晶精製する事で、ホスホリルイミド塩(2e-Et3N・H)が得られた。
事前に合成したスルファミン酸クロリドとヘキサフルオロイソプロパノールを反応させる事でスルファミン酸ヘキサフルオロイソプロピルエステルが得られた。ここで得られたスルファミン酸ヘキサフルオロイソプロピルエステルを炭酸エチルメチル溶媒中で、トリエチルアミンの存在下、事前に合成したオキシ二フッ化塩化リンと反応させた。副生したトリエチルアミン塩酸塩をろ過で取り除いた後に、炭酸エチルメチル/塩化メチレン系にて再結晶精製する事で、ホスホリルイミド塩(2f-Et3N・H)が得られた。
事前に合成したスルファミン酸クロリドとトリフルオロエタノールを反応させる事でスルファミン酸トリフルオロエチルエステルが得られた。ここで得られたスルファミン酸トリフルオロエチルエステルを炭酸エチルメチル溶媒中で、トリエチルアミンの存在下、事前に合成したオキシ二フッ化塩化リンと反応させた。副生したトリエチルアミン塩酸塩をろ過で取り除いた後に、炭酸エチルメチル/塩化メチレン系にて再結晶精製する事で、ホスホリルイミド塩(2g-Et3N・H)が得られた。
事前に合成したスルファミン酸クロリドをフッ化カリウムでフッ素化する事によってスルファミン酸フルオリドが得られた。ここで得られたスルファミン酸フルオリドを炭酸エチルメチル溶媒中で、トリエチルアミンの存在下、事前に合成したオキシ二フッ化塩化リンと反応させた。副生したトリエチルアミン塩酸塩をろ過で取り除いた後に、炭酸エチルメチル/塩化メチレン系にて再結晶精製する事で、ホスホリルイミド塩(2h-Et3N・H)が得られた。
トリフルオロメタンスルホンアミド(東京化成工業品)を炭酸エチルメチル溶媒中で、トリエチルアミンの存在下、事前に合成したクロロリン酸ジメチルと反応させた。副生したトリエチルアミン塩酸塩をろ過で取り除いた後に、炭酸エチルメチル/塩化メチレン系にて再結晶精製する事で、ホスホリルイミド塩(2i-Et3N・H)が得られた。
事前に合成したスルファミン酸クロリドとヘキサフルオロイソプロパノールを反応させる事でスルファミン酸ヘキサフルオロイソプロピルエステルが得られた。ここで得られたスルファミン酸ヘキサフルオロイソプロピルエステルを炭酸エチルメチル溶媒中で、トリエチルアミンの存在下、事前に合成したクロロリン酸ジメチルと反応させた。副生したトリエチルアミン塩酸塩をろ過で取り除いた後に、炭酸エチルメチル/塩化メチレン系にて再結晶精製する事で、ホスホリルイミド塩(2j-Et3N・H)が得られた。
事前に合成したオキシ二フッ化塩化リンとヘキサメチルジシラザンとを反応させる事で、N-トリメチルシリルジフルオロリン酸アミドが得られた。このN-トリメチルシリルジフルオロリン酸アミドを炭酸エチルメチル溶媒中で、トリエチルアミンの存在下、事前に合成したクロロリン酸ジメチルと反応させた。副生したトリエチルアミン塩酸塩をろ過で取り除いた後に、炭酸エチルメチル/塩化メチレン系にて再結晶精製する事で、ホスホリルイミド塩(2k-Et3N・H)が得られた。
事前に合成したオキシ二フッ化塩化リン(2当量)とヘキサメチルジシラザンとを、トリエチルアミンの存在下で反応させた。副生したトリエチルアミン塩酸塩をろ過で取り除いた後に、炭酸エチルメチル/塩化メチレン系にて再結晶精製する事で、ホスホリルイミド塩(2l-Et3N・H)が得られた。
ダウケミカル製強酸性陽イオン交換樹脂252(以後、単に「イオン交換樹脂」と記載する)を500g量り取り、0.1規定の水酸化リチウム水溶液(2.5kg)に浸漬させ、30℃で12時間攪拌を行った。ろ過でイオン交換樹脂を回収し、洗液のpHが8以下になるまで純水で充分に洗浄した。その後、24時間の減圧乾燥(120℃、1.3kPa)にて水分を除去した。
特許文献6に記載の手法を参考にして、スルホニルイミド塩(3x-Et3N・H)(5.6g、20.0mmol)を水22.6gに溶解させ、そこに30.0gの前処理済みである上記イオン交換樹脂を加え、30℃にて6時間攪拌を行った。ろ過にてイオン交換樹脂を取り除いた後に、酢酸ブチル(20.0g)にて抽出を2回行い、その回収した有機層を混合し、減圧濃縮にて酢酸ブチルと水を留去した。得られた固体をF-NMRで分析するとスルホニルイミドアニオン(3x)のみが確認でき、イオンクロマトグラフィーにてカチオンの比率を求めたところ、Li/Et3N・Hの比率は99.0であった。その結果、次式に従って算出したスルホニルイミド塩(3x-Li)へのイオン交換収率は99%であった。
次式の「アニオン純度(%)」とはF-NMR又は、P-NMR測定により求められる目的のイミド塩の純度(アニオン成分と等しい)であり、「カチオン純度(%)」とはイオンクロマトグラフィーより求められる、目的のカチオン(ここではリチウム)の純度である。
イオン交換収率(%)=アニオン純度(%)×カチオン純度(%)
スルホニルイミド塩(3y-Et3N・H)(7.6g、20.0mmol)を水(30.6g)に溶解させ、そこに30.0gの前処理済みである上記イオン交換樹脂を加え、30℃にて6時間攪拌を行った。ろ過にてイオン交換樹脂を取り除いた後に、酢酸ブチル(20.0g)にて抽出を2回行い、その回収した有機層を混合し、減圧濃縮にて酢酸ブチルと水を留去した。得られた固体をF-NMRとイオンクロマトグラフィーで分析する事で求められたスルホニルイミド塩(3y-Li)へのイオン交換収率は99%であった。
ホスホリルイミド塩(2a-Et3N・H)(6.7g、20.0mmol)を水(26.7g)に溶解させ、そこに30.0gの前処理済みである上記イオン交換樹脂(2.0当量)を加え、30℃にて6時間攪拌を行った。ろ過にてイオン交換樹脂を取り除いた後に、酢酸ブチル(20.0g)にて抽出を2回行い、その回収した有機層を混合し、減圧濃縮にて酢酸ブチルと水を留去した。得られた固体をF-NMRで分析したところ、ホスホリルイミドアニオン(1a)の純度は5%であった。よって、イオンクロマトグラフィーでのカチオンの分析を行うまでもなく、ホスホリルイミド塩(1a-Li)へのイオン交換収率は5%未満であることが分かった。
ホスホリルイミド塩(2a-Et3N・H)(6.7g、20.0mmol)を炭酸エチルメチル(水分1.0質量%品、26.7g:ホスホリルイミド塩(2a-Et3N・H)の仕込み濃度が20質量%となる量)に溶解させ、そこに30.0gの前処理済みである上記イオン交換樹脂(2.0当量)を加え、30℃にて6時間攪拌を行った。ろ過にてイオン交換樹脂を取り除いた後に、得られた液体をF-NMRとイオンクロマトグラフィーで分析する事で求められたホスホリルイミド塩(1a-Li)へのイオン交換収率は37%であった。
比較例1-2の手順にて、使用する炭酸エチルメチルを含有水分が0.7質量%のものに変更して実施した結果、ホスホリルイミド塩(1a-Li)へのイオン交換収率は45%であった。
比較例1-2の手順にて、使用する炭酸エチルメチルを含有水分が0.1質量%のものに変更して実施した結果、ホスホリルイミド塩(1a-Li)へのイオン交換収率は90%であった。
比較例1-2の手順にて、使用する炭酸エチルメチルを含有水分が0.02質量%のものに変更して実施した結果、ホスホリルイミド塩(1a-Li)へのイオン交換収率は99%であった。
比較例1-1の手順にて、使用する原料を(2l-Et3N・H)に変更して行った結果、ホスホリルイミド塩(1l-Li)へのイオン交換収率は5%未満であった。
比較例1-2の手順にて、使用する原料を(2l-Et3N・H)に変更して行った結果、ホスホリルイミド塩(1l-Li)へのイオン交換収率は30%であった。
比較例1-3の手順にて、使用する原料を(2l-Et3N・H)に変更して行った結果、ホスホリルイミド塩(1l-Li)へのイオン交換収率は38%であった。
実施例1-1の手順にて、使用する原料を(2l-Et3N・H)に変更して行った結果、ホスホリルイミド塩(1l-Li)へのイオン交換収率は86%であった。
実施例1-2の手順にて、使用する原料を(2l-Et3N・H)に変更して行った結果、ホスホリルイミド塩(1l-Li)へのイオン交換収率は98%であった。
ホスホリルイミド塩(2a-Et3N・H)(6.7g、20.0mmol)を炭酸エチルメチル(水分1.0質量%品、26.7g:ホスホリルイミド塩(2a-Et3N・H)の仕込み濃度が20質量%となる量)に溶解させ、そこに金属塩として塩化リチウム(1.0g、24.0mmol、1.2当量)を加え、30℃にて12時間攪拌を行った。ろ過にて過剰の塩化リチウムと副生したトリエチルアミン塩酸塩を取り除いた後に、得られた液体をF-NMRとイオンクロマトグラフィーで分析する事で求められたホスホリルイミド塩(1a-Li)へのイオン交換収率は29%であった。結果を表3に示す。
原料の対カチオンをトリエチルアミンがプロトン化された三級アンモニウムに固定したうえで、アニオンAをa~lに、イオン交換の為の金属塩を塩化リチウム又は塩化ナトリウムに、炭酸エチルメチル中の水分量を1.0、0.7、0.1、0.02、0.005、又は0.0002質量%に種々変更し、比較例2-1の手順にてイオン交換処理を行った。それらの結果を表3に示す。
ホスホリルイミド塩(2a-Bu3N・H)(8.4g、20.0mmol)を炭酸エチルメチル(水分1.0質量%品、33.5g:ホスホリルイミド塩(2a-Bu3N・H)の仕込み濃度が20質量%となる量)に溶解させ、そこに金属塩として塩化リチウム(1.0g、24.0mmol、1.2当量)を加え、30℃にて12時間攪拌を行った。ろ過にて過剰の塩化リチウムと副生したトリエチルアミン塩酸塩を取り除いた後に、得られた液体をF-NMRとイオンクロマトグラフィーで分析する事で求められたホスホリルイミド塩(1a-Li)へのイオン交換収率は30%であった。結果を表4に示す。なお、Bu3N・Hはトリ-n-ブチルアミンにプロトンが付加した三級アンモニムカチオンを意味する。
原料のカチオンをトリ-n-ブチルアミンがプロトン化された三級アンモニウムに固定したうえで、アニオンAをa、d、又はlに、イオン交換の為の金属塩を塩化リチウム又は塩化ナトリウムに、炭酸エチルメチル中の水分量を0.7、0.1又は0.02質量%に種々変更し、比較例3-1の手順にてイオン交換処理を行った。それらの結果を表4に示す。
ホスホリルイミド塩(2a-Py・H)(6.2g、20.0mmol)を炭酸エチルメチル(水分1.0質量%品、25.0g:ホスホリルイミド塩(2a-Py・H)の仕込み濃度が20質量%となる量)に溶解させ、そこに金属塩として塩化リチウム(1.0g、24.0mmol、1.2当量)を加え、30℃にて12時間攪拌を行った。内温を0℃に冷却してからろ過にて過剰の塩化リチウムと副生したピリジン塩酸塩を取り除いた後に、得られた液体をF-NMRとイオンクロマトグラフィーで分析する事で求められたホスホリルイミド塩(1a-Li)へのイオン交換収率は29%であった。結果を表4に示す。なお、Py・Hはピリジンにプロトンが付加した三級アンモニムカチオンを意味する。
原料のカチオンをピリジンがプロトン化された三級アンモニウムに固定したうえで、アニオンAをa、f、又はlに、イオン交換の為の金属塩を塩化リチウム又は塩化ナトリウムに、炭酸エチルメチル中の水分量を0.7、0.1又は0.02質量%に種々変更し、比較例4-1の手順にてイオン交換処理を行った。それらの結果を表4に示す。
ホスホリルイミド塩(2a-0.5TMEDA・2H)(5.8g、20.0mmol)を炭酸エチルメチル(水分1.0質量%品、23.3g:ホスホリルイミド塩(2a-0.5TMEDA・2H)の仕込み濃度が20質量%となる量)に溶解させ、そこに金属塩として塩化リチウム(1.0g、24.0mmol、1.2当量)を加え、30℃にて12時間攪拌を行った。ろ過にて過剰の塩化リチウムと副生したテトラメチルエチレンジアミン塩酸塩を取り除いた後に、得られた液体をF-NMRとイオンクロマトグラフィーで分析する事で求められたホスホリルイミド塩(1a-Li)へのイオン交換収率は25%であった。結果を表5に示す。なお、TMEDA・2Hはテトラメチルエチレンジアミンにプロトンが2当量付加した三級アンモニムカチオンを意味する。
原料のカチオンをテトラメチルエチレンジアミンがプロトン化された三級アンモニウムに固定したうえで、アニオンAをa、h、又はlに、イオン交換の為の金属塩を塩化リチウム又は塩化ナトリウムに、炭酸エチルメチル中の水分量を0.7、0.1又は0.02質量%に種々変更し、比較例5-1の手順にてイオン交換処理を行った。それらの結果を表5に示す。
ホスホリルイミド塩(2a-Bipy・H)(7.8g、20.0mmol)を炭酸エチルメチル(水分1.0質量%品、31.1g:ホスホリルイミド塩(2a-Bipy・H)の仕込み濃度が20質量%となる量)に溶解させ、そこに金属塩として塩化リチウム(1.0g、24.0mmol、1.2当量)を加え、30℃にて12時間攪拌を行った。ろ過にて過剰の塩化リチウムと副生した2、2’-ビピリジン塩酸塩を取り除いた後に、得られた液体をF-NMRとイオンクロマトグラフィーで分析する事で求められたホスホリルイミド塩(1a-Li)へのイオン交換収率は26%であった。結果を表5に示す。なお、Bipy・Hは2、2’-ビピリジンにプロトンが付加した三級アンモニムカチオンを意味する。
原料のカチオンを2、2’-ビピリジンがプロトン化された三級アンモニウムに固定したうえで、アニオンAをa、j、又はlに、イオン交換の為の金属塩を塩化リチウム又は塩化ナトリウムに、炭酸エチルメチル中の水分量を0.7、0.1又は0.02質量%に種々変更し、比較例6-1の手順にてイオン交換処理を行った。それらの結果を表5に示す。
なお、原料のカチオンである三級アンモニウム塩の種類によって、生成物であるリチウム塩又はナトリウム塩へのイオン交換収率が若干異なる結果となった。ばらつきはあるものの、概ね、カチオンがEt3N・H、Bu3N・H、TMEDA・2Hである原料を用いた場合、カチオンがPy・HやBipy・Hである原料を用いた場合よりもイオン交換収率が5~10%程度向上する傾向が確認された。従って、イオン交換収率の観点から、上記M2は、Py・HやBipy・Hといった複素環式三級アミンにプロトンが付加したものよりも、Et3N・H、Bu3N・H、TMEDA・2H等の脂肪族三級アミンにプロトンが付加したものの方が好ましい。
ホスホリルイミド塩(2a-Et3N・H)(6.7g、20.0mmol)をテトラヒドロフラン(水分0.1質量%品、26.7g:ホスホリルイミド塩(2a-Et3N・H)の仕込み濃度が20質量%となる量)に溶解させ、そこに金属塩として塩化リチウム(1.0g、24.0mmol、1.2当量)を加え、30℃にて12時間攪拌を行った。内温を0℃に冷却してからろ過にて過剰の塩化リチウムと副生したトリエチルアミン塩酸塩を取り除いた後に、得られた液体をF-NMRとイオンクロマトグラフィーで分析する事で求められたホスホリルイミド塩(1a-Li)へのイオン交換収率は86%であった。結果を表6に示す。なお、表6中のTHFとはテトラヒドロフランを意味する。
アニオンAをb又はlに変更した以外は実施例7-1と同一の手順にてイオン交換処理を行った。それらの結果を表6に示す。
ホスホリルイミド塩(2a-Bu3N・H)(8.4g、20.0mmol)をテトラヒドロフラン(水分0.1質量%品、33.5g:ホスホリルイミド塩(2a-Bu3N・H)の仕込み濃度が20質量%となる量)に溶解させ、そこに金属塩として塩化リチウム(1.0g、24.0mmol、1.2当量)を加え、30℃にて12時間攪拌を行った。内温を0℃に冷却してからろ過にて過剰の塩化リチウムと副生したトリブチルアミン塩酸塩を取り除いた後に、得られた液体をF-NMRとイオンクロマトグラフィーで分析する事で求められたホスホリルイミド塩(1a-Li)へのイオン交換収率は87%であった。結果を表6に示す。
アニオンAをf又はlに変更した以外は実施例7-4と同一の手順にてイオン交換処理を行った。それらの結果を表6に示す。
ホスホリルイミド塩(2a-0.5TMEDA・2H)(5.8g、20.0mmol)をテトラヒドロフラン(THF)(水分0.1質量%品、23.3g:ホスホリルイミド塩(2a-0.5TMEDA・2H)の仕込み濃度が20質量%となる量)に溶解させ、そこに金属塩として塩化リチウム(1.0g、24.0mmol、1.2当量)を加え、30℃にて12時間攪拌を行った。内温を0℃に冷却してからろ過にて過剰の塩化リチウムと副生したテトラメチルエチレンジアミン塩酸塩を取り除いた後に、得られた液体をF-NMRとイオンクロマトグラフィーで分析する事で求められたホスホリルイミド塩(1a-Li)へのイオン交換収率は88%であった。結果を表6に示す。
アニオンAをh又はlに変更した以外は実施例7-7と同一の手順にてイオン交換処理を行った。それらの結果を表6に示す。
溶媒をプロピオン酸エチル(EP)に変更し、実施例8-2ではアニオンAをdとし、実施例8-5ではアニオンAをiとし、実施例8-8ではアニオンAをjとした以外は、それぞれ、実施例7-1~7-9と同一の手順にてイオン交換処理を行った。それらの結果を表6に示す。
非水溶媒としてエチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネートの体積比3:3:4の混合溶媒を用い、該溶媒中に溶質としてLiPF6を1.0mol/Lの濃度となるように、上記ホスホリルイミド塩(1)として実施例1-2で得られたホスホリルイミド塩(1a-Li)を非水溶媒と溶質とホスホリルイミド塩(1a-Li)の総量に対して1.0質量%の濃度となるように溶解し、非水電解液No.1-2-1を調製した。上記の調製は、液温を20~30℃の範囲に維持しながら行った。
試験用正極体は、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2粉末90質量%にバインダーとして5質量%のポリフッ化ビニリデン(以下「PVDF」と記載する)、導電材としてアセチレンブラックを5質量%混合し、更にN-メチルピロリドンを添加し、ペースト状にした。このペーストをアルミニウム箔上に塗布して、乾燥させることにより作製した。
試験用負極体は、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、更にN-メチルピロリドンを添加し、スラリー状にした。このスラリーを銅箔上に塗布して、120℃で12時間乾燥させることにより作製した。
ポリエチレン製セパレータに上記電解液を浸み込ませてアルミラミネート外装の50mAh非水二次電池を組み立てた。当該非水二次電池は良好な電池特性を示した。
また、上記非水電解液の製造方法を経由して、正極と負極と当該非水電解液とを具備する非水二次電池を作製する、非水二次電池の製造方法は、総合的な観点から、効率的な製造方法である。
ホスホリルイミド塩(1)として実施例2-3で得られたホスホリルイミド塩(1a-Li)を用いること以外は実施例1-2-1と同様の手順で、非水電解液(非水電解液No.2-3-1)及び非水二次電池を作製し、電池特性を評価したところ、当該非水二次電池は良好な電池特性を示した。
また、上記非水電解液の製造方法を経由して、正極と負極と当該非水電解液とを具備する非水二次電池を作製する、非水二次電池の製造方法は、総合的な観点から、効率的な製造方法である。
ホスホリルイミド塩(1)として実施例2-22で得られたホスホリルイミド塩(1h-Li)を用いること以外は実施例1-2-1と同様の手順で、非水電解液(非水電解液No.2-22-1)及び非水二次電池を作製し、電池特性を評価したところ、当該非水二次電池は良好な電池特性を示した。
また、上記非水電解液の製造方法を経由して、正極と負極と当該非水電解液とを具備する非水二次電池を作製する、非水二次電池の製造方法は、総合的な観点から、効率的な製造方法である。
滴下漏斗を備えたガラス製2Lのニツ口フラスコに、700mLのエチルメチルカーボネート(EMC)と、50.5g(500mmol)のジフルオロリン酸アミド(F2P(=O)-NH2)と、62.2g(525mmol、1.05モル当量)のフルオロスルホニルクロリド(F-S(=O)2-Cl)を加え、120回転/分の回転速度で0.1時間攪拌して混合させた。液温を5℃以下に保ちながら、滴下漏斗よりトリエチルアミン(101.2g、1000mmol、2.0モル当量)を2時間かけて滴下し、その後、内温を25℃まで上げて4時間攪拌を継続した。得られた反応液をNMRで分析すると、原料ジフルオロリン酸アミドを基準として75%の選択率で対カチオンがトリエチルアミンのアンモニウムであるホスホリルイミド塩(2h-Et3N・H-A)が得られた。なお、上記選択率は下記のように算出した。
(選択率の算出手順について)
上述のように、原料ジフルオロリン酸アミドと原料フルオロスルホニルクロリドとを反応させてP-NMR測定を行うことにより、反応液中に存在する、目的物のホスホリルイミド塩 (2h-Et3N・H-A)と、余剰分のジフルオロリン酸アミドと、副生物であるリン酸アミドの縮合体や分解物をそれぞれ定量することができる。そして、選択率は下記の式から算出した。
選択率(%) = 反応液中の(2h-Et3N・H-A)の面積×100 /(反応液中の(2h-Et3N・H-A)の面積+余剰分のジフルオロリン酸アミドの面積+副生物の総面積)
なお、反応液のP-NMR測定で検出されるリン成分はすべて原料ジフルオロリン酸アミド由来であるため、上記の選択率は、原料ジフルオロリン酸アミドを基準とした値であると換言できる。
上記で得られた原料ホスホリルイミド塩(2h-Et3N・H-A)を用いること以外は実施例2-22と同様の手順にてイオン交換処理を行ったところホスホリルイミド塩(1h-Li)へのイオン交換収率は97%であった。
滴下漏斗を備えたガラス製2Lのニツ口フラスコに、500mLのEMCと、101.2g(1000mmol、2.0モル当量)のトリエチルアミンと、62.2g(525mmol、1.05モル当量)のフルオロスルホニルクロリド(F-S(=O)2-Cl)を加え、120回転/分の回転速度で0.1時間攪拌して混合させた。液温を5℃以下に保ちながら、滴下漏斗よりジフルオロリン酸アミド(F2P(=O)-NH2)溶液(ジフルオロリン酸アミド50.5g(500mmol)を、EMC200mLで希釈したもの)を2時間かけて滴下し、その後、内温を25℃まで上げて4時間攪拌を継続した。得られた反応液をNMRで分析すると、原料ジフルオロリン酸アミドを基準として73%の選択率で対カチオンがトリエチルアミンのアンモニウムであるホスホリルイミド塩(2h-Et3N・H-B)が得られた。
上記で得られた原料ホスホリルイミド塩(2h-Et3N・H-B)を用いること以外は実施例2-22と同様の手順にてイオン交換処理を行ったところホスホリルイミド塩(1h-Li)へのイオン交換収率は97%であった。
滴下漏斗を備えたガラス製2Lのニツ口フラスコに、700mLのEMCと、101.2g(1000mmol、2.0モル当量)のトリエチルアミンと、50.5g(500mmol)のジフルオロリン酸アミド(F2P(=O)-NH2)を加え、120回転/分の回転速度で0.1時間攪拌して混合させた。液温を5℃以下に保ちながら、62.2g(525mmol、1.05モル当量)のフルオロスルホニルクロリド(F-S(=O)2-Cl)を2時間かけて滴下し、その後、内温を25℃まで上げて4時間攪拌を継続した。得られた反応液をNMRで分析すると、原料ジフルオロリン酸アミドを基準として40%の選択率で対カチオンがトリエチルアミンのアンモニウムであるホスホリルイミド塩(2h-Et3N・H-C)が得られた。
上記で得られた原料ホスホリルイミド塩(2h-Et3N・H-C)を用いること以外は実施例2-22と同様の手順にてイオン交換処理を行ったところホスホリルイミド塩(1h-Li)へのイオン交換収率は97%であった。
Claims (19)
- 含有水分が0.3質量%以下である有機溶媒中で、
下記一般式(2)で示されるホスホリルイミド塩と、
M1 n+を有するカチオン交換樹脂、又は一般式(4)で示される金属塩と、
を接触させてカチオン交換する工程を有する、
下記一般式(1)で示されるホスホリルイミド塩の製造方法。
[M1 n+は、アルカリ金属カチオン、アルカリ土類金属カチオン、四級アンモニウムカチオン又は四級ホスホニウムカチオンであり、
M2 n+は、三級アンモニウムカチオン(三級有機塩基のプロトン体)であり、
Nは、窒素原子、Pは、リン原子、Xは、硫黄原子又はリン原子であり、
nは、1又は2であり、
Xが、硫黄原子の場合、mは、2であり、R4は、存在せず、
Xが、リン原子の場合、mは、1であり、
Bは、塩化物イオン、硫酸イオン、スルホン酸イオン又は炭酸イオンであり、
R1、R2、R3及びR4は、それぞれ独立して、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、アルキニルオキシ基及びアリールオキシ基から選択される。] - 前記有機溶媒の含有水分が、0.05質量%以下である、請求項1に記載のホスホリルイミド塩の製造方法。
- 前記M1 n+が、リチウムイオン、ナトリウムイオン、カリウムイオン、マグネシウムイオン、カルシウムイオン、テトラアルキルアンモニウムカチオン、テトラアルキルホスホニウムカチオン、イミダゾリウムカチオン、ピラゾリウムカチオン、ピリジニウムカチオン又はピリミジニウムカチオンである、請求項1又は2に記載のホスホリルイミド塩の製造方法。
- 前記M1 n+が、リチウムイオンであり、前記有機溶媒の含有水分が、0.0001~0.03質量%である、請求項1~3のいずれかに記載のホスホリルイミド塩の製造方法。
- 前記M1 n+が、ナトリウムイオンであり、前記有機溶媒の含有水分が、0.001~0.05質量%である、請求項1~3のいずれかに記載のホスホリルイミド塩の製造方法。
- 前記M2 n+が、脂肪族三級アミンのプロトン付加体である、請求項1~5のいずれかに記載のホスホリルイミド塩の製造方法。
- 前記脂肪族三級アミンのプロトン付加体が、トリエチルアミンのプロトン付加体、トリ-n-ブチルアミンのプロトン付加体又はテトラメチルエチレンジアミンのプロトン2当量付加体である、請求項6に記載のホスホリルイミド塩の製造方法。
- 前記Bが、塩化物イオン、硫酸イオン又は炭酸イオンである、請求項1~7のいずれかに記載のホスホリルイミド塩の製造方法。
- 前記R1及びR2が、それぞれ独立してメトキシ基又はフッ素原子であり、
前記R3が、トリフルオロメチル基、メチル基、ビニル基、メトキシ基、プロパルギロキシ基、1,1,1,3,3,3-ヘキサフルオロイソプロポキシ基、トリフルオロエトキシ基又はフッ素原子であり、
前記R4が、フッ素原子である、請求項1~8のいずれかに記載のホスホリルイミド塩の製造方法。 - 前記カチオン交換樹脂が、スルホン酸基を有するカチオン交換樹脂である、請求項1~9のいずれかに記載のホスホリルイミド塩の製造方法。
- 前記有機溶媒が、炭酸エステル類、鎖状エステル類、エーテル類及びケト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1~10のいずれかに記載のホスホリルイミド塩の製造方法。
- 前記炭酸エステル類が、炭酸ジメチル、炭酸エチルメチル、及び炭酸ジエチルからなる群から選択され、
前記鎖状エステル類が、酢酸メチル、酢酸エチル、プロピオン酸メチル及びプロピオン酸エチルからなる群から選択され、
前記エーテル類が、テトラヒドロフラン、ジエチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールジエチルエーテル、トリエチレングリコールジメチルエーテル、テトラエチレングリコールジメチルエーテル及び1,2-ジメトキシエタンからなる群から選択され、
前記ケトン類が、アセトン及びエチルメチルケトンからなる群から選択される、請求項11に記載のホスホリルイミド塩の製造方法。 - 請求項1~12のいずれかに記載のホスホリルイミド塩の製造方法のカチオン交換工程の前に、フッ素原子、アルキル基、アルコキシ基、アルケニルオキシ基、アルキニルオキシ基及びアリールオキシ基から選択される基を有するリン酸アミドと、フッ素原子、アルキル基、アルコキシ基、アルケニルオキシ基、アルキニルオキシ基又はアリールオキシ基を有するスルホニルハライドとを予め混合して含む混合物と、有機塩基とを混合する工程、
又は、
フッ素原子、アルキル基、アルコキシ基、アルケニルオキシ基、アルキニルオキシ基又はアリールオキシ基を有するスルホニルハライドと有機塩基とを予め混合して含む混合物と、フッ素原子、アルキル基、アルコキシ基、アルケニルオキシ基、アルキニルオキシ基及びアリールオキシ基から選択される基を有するリン酸アミドとを混合する工程、
を有する、ホスホリルイミド塩の製造方法。 - 非水電解液の製造方法であって、以下の工程、
(1)含有水分が0.3質量%以下である有機溶媒中で、
下記一般式(2)で示されるホスホリルイミド塩と、
M 1 n+ を有するカチオン交換樹脂、又は一般式(4)で示される金属塩と、
を接触させてカチオン交換し、一般式(1)で示されるホスホリルイミド塩を調製する工程、
[式中、
M 1 n+ は、アルカリ金属カチオン、アルカリ土類金属カチオン、四級アンモニウムカチオン又は四級ホスホニウムカチオンであり、
M 2 n+ は、三級アンモニウムカチオン(三級有機塩基のプロトン体)であり、
Nは、窒素原子、Pは、リン原子、Xは、硫黄原子又はリン原子であり、
nは、1又は2であり、
Xが、硫黄原子の場合、mは、2であり、R 4 は、存在せず、
Xが、リン原子の場合、mは、1であり、
Bは、塩化物イオン、硫酸イオン、スルホン酸イオン又は炭酸イオンであり、
R 1 、R 2 、R 3 及びR 4 は、それぞれ独立して、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、アルキニルオキシ基及びアリールオキシ基から選択される。]及び
(2)少なくとも、前記一般式(1)で示されるホスホリルイミド塩と、溶質とを、非水溶媒に溶解する工程、
を含むことを特徴とする製造方法。 - 前記溶質が、LiPF6、LiBF4、LiPF2(C2O4)2、LiPF4(C2O4)、LiP(C2O4)3、LiBF2(C2O4)、LiB(C2O4)2、LiPO2F2、LiN(F2PO)2、LiN(FSO2)2、LiN(CF3SO2)2、LiN(CF3SO2)(FSO2)、LiSO3F、NaPF6、NaBF4、NaPF2(C2O4)2、NaPF4(C2O4)、NaP(C2O4)3、NaBF2(C2O4)、NaB(C2O4)2、NaPO2F2、NaN(F2PO)2、NaN(FSO2)2、NaSO3F、NaN(CF3SO2)2及びNaN(CF3SO2)(FSO2)からなる群から選ばれる少なくとも1つである、請求項14に記載の非水電解液の製造方法。
- 前記ホスホリルイミド塩の添加量を、前記非水溶媒と前記溶質と前記ホスホリルイミド塩の総量に対して、0.005~12.0質量%の範囲とする、請求項14又は15に記載の非水電解液の製造方法。
- 更に、含フッ素環状炭酸エステル、不飽和結合含有環状炭酸エステル、含フッ素鎖状炭酸エステル、エステル、環状硫酸エステル、環状スルホン酸エステル、オキサラトホウ酸塩、オキサラトリン酸塩、ジフルオロリン酸塩、フルオロスルホン酸塩、ビススルホニルイミド塩、ビスホスホリルイミド塩、芳香族化合物、ニトリル化合物及びアルキルシランからなる群から選ばれる少なくとも1つの添加剤を添加する、請求項14~16のいずれかに記載の非水電解液の製造方法。
- 前記非水溶媒が、環状カーボネート、鎖状カーボネート、環状エステル、鎖状エステル、環状エーテル、鎖状エーテル、スルホン化合物、スルホキシド化合物及びイオン液体からなる群から選ばれる少なくとも1つである、請求項14~17のいずれかに記載の非水電解液の製造方法。
- 非水二次電池の製造方法であって、以下の工程、
(1)含有水分が0.3質量%以下である有機溶媒中で、
下記一般式(2)で示されるホスホリルイミド塩と、
M 1 n+ を有するカチオン交換樹脂、又は一般式(4)で示される金属塩と、
を接触させてカチオン交換し、一般式(1)で示されるホスホリルイミド塩を調製する工程、
[式中、
M 1 n+ は、アルカリ金属カチオン、アルカリ土類金属カチオン、四級アンモニウムカチオン又は四級ホスホニウムカチオンであり、
M 2 n+ は、三級アンモニウムカチオン(三級有機塩基のプロトン体)であり、
Nは、窒素原子、Pは、リン原子、Xは、硫黄原子又はリン原子であり、
nは、1又は2であり、
Xが、硫黄原子の場合、mは、2であり、R 4 は、存在せず、
Xが、リン原子の場合、mは、1であり、
Bは、塩化物イオン、硫酸イオン、スルホン酸イオン又は炭酸イオンであり、
R 1 、R 2 、R 3 及びR 4 は、それぞれ独立して、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、アルキニルオキシ基及びアリールオキシ基から選択される。]、
(2)少なくとも、前記一般式(1)で示されるホスホリルイミド塩と、溶質とを、非水溶媒に溶解して、非水電解液を調製する工程、及び
(3)正極と、負極と、前記非水電解液とを含む非水二次電池を製造する工程、
を含むことを特徴とする製造方法。
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