JP7296893B2 - リン含有電解質 - Google Patents
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Description
この出願は、2017年7月17日に提出された米国仮特許出願第62/533277の出願日の利益を主張する。その全体は、参照によりここに組み込まれる。
この開示は、リン系の熱暴走抑制(TRI)材料、当該材料を含有する電解質、及び、当該電解質を含有する電気エネルギー貯蔵装置に関する。
携帯用電子機器に使用されるリチウムイオン電池(PTC、CID、シャットダウンセパレータなど)、化学シャトル、カソード添加剤などの安全性の最近の進歩及び改善にもかかわらず、電気自動車用及び民生用途の高エネルギー密度大型電池に関連する安全性への懸念が、依然として存在する。電池による機械的、電気的又は熱的乱用における熱暴走の始まりを妨げるために又は遅らせるために、難燃剤添加剤が、電解質に添加される。
この開示は、リン系の熱暴走抑制(TRI)材料、当該材料を含有する電解質、及び、当該電解質を含有する電気化学セルに関する。
この開示は、リン系の熱暴走抑制(TRI)材料、当該材料を含有する電解質、及び、当該電解質を含有する電気化学セルに関する。
ここで:
Aは、酸素又は硫黄;
Phは、フェニル基;
Lは、酸素又は硫黄;
x及びyは、1又は2のいずれかであるが、合計は3に等しくなければならない;
Rは、ハロゲン、メチル、メトキシ、シリル、アミド、過フッ素化アルキル、シラン、スルホキシド、アゾ、エーテル、又はチオエーテル基、又は、それらの組合せ、で置換されている環上に少なくとも1つの水素原子を持つフェニル環である。
本発明に関連して、以下の内容を更に開示する。
[1]
a)非プロトン性有機溶媒システム;
b)アルカリ金属塩;及び
c)少なくとも1つの下記のホスフェート(phosphate)系化合物:
を含む電気エネルギー貯蔵装置電解質であって、ここで:
Aは、酸素又は硫黄;
Phは、フェニル環;
Lは、酸素又は硫黄;
x及びyは、1又は2のいずれかであるが、合計は3に等しくなければならない;
Rは、ハロゲン、アルキル、アルコキシ、シリル、スルホキシド、過フッ素化アルキル、シラン、スルホキシド、アゾ、アミド、エーテル、又はチオエーテル基、又は、それらの組合せ、で置換されている環上に少なくとも1つの水素原子を持つフェニル環である、電気エネルギー貯蔵装置電解質。
[2]
非プロトン性有機溶媒が、開鎖の又は環状のカルボネート、カルボン酸エステル、ナイトライト(nitrite)、エーテル、スルホン、ケトン、ラクトン、ジオキソラン、グリム、クラウンエーテル、シロキサン、リン酸エステル、ホスファイト(phosphite)、モノホスファゼン又はポリホスファゼン、又は、それらの混合物を含む、[1]の電解質。
[3]
アルカリ金属塩のカチオンが、リチウム、ナトリウム、アルミニウム、又は、マグネシウムを含む、[1]の電解質。
[4]
添加剤を更に含む、[1]の電解質。
[5]
添加剤が、硫黄含有化合物、リン含有化合物、ホウ素含有化合物、ケイ素含有化合物、フッ素含有化合物、窒素含有化合物、少なくとも1つの不飽和炭素-炭素結合を含有する化合物、カルボン酸無水物、又は、それらの混合物を含む、[4]の電解質。
[6]
添加剤が、電解質中に約0.01wt.%~約5wt.%の濃度を含む、[1]の電解質。
[7]
イオン液体を更に含む、[1]の電解質。
[8]
イオン液体が、N-アルキル-N-アルキル-ピロリジニウム、N-アルキル-N-アルキル-ピリジニウム、N-アルキル-N-アルキル-スルホニウム、N-アルキル-N-アルキル-アンモニウム、又はN-アルキル-N-アルキル-ピペリジニウムを含む有機カチオンを含む、[7]の電解質。
[9]
イオン液体が、テトラフルオロボレート、ヘキサフルオロホスフェート、ビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド、ビス(ペンタフルオロエチルスルホニル)イミド、又はトリフルオロアセテートを含むアニオンを含む、[7]の電解質。
[10]
カソード;
アノード;及び
[1]に記載の電解質:
を含む、電気エネルギー貯蔵装置。
[11]
カソードが、リチウム金属酸化物、スピネル、カンラン石、炭素被覆カンラン石、LiFePO 4 、LiCoO 2 、LiNiO 2 、LiNi 1x Co y Met z O 2 、LiMn 0.5 Ni 0.5 O 2 、LiMn 0.3 Co 0.3 Ni 0.3 O 2 、LiMn 2 O 4 、LiFeO 2 、Li 1+x’ Ni α Mn β Co γ Met’ δ O 2-z’ F z’ 、A n’ B 2 (XO 4 ) 3 (NASICON)、酸化バナジウム、過酸化リチウム、硫黄、ポリスルフィド、一フッ化リチウム炭素、又は、それらのいかなる2つ以上の混合物を含み、ここで、
Metは、Al、Mg、Ti、B、Ga、Si、Mn又はCoであり;
Met’は、Mg、Zn、Al、Ga、B、Zr又はTiであり;
Aは、Li、Ag、Cu、Na、Mn、Fe、Co、Ni、Cu又はZnであり;
Bは、Ti、V、Cr、Fe又はZrであり;
Xは、P、S、Si、W又はMoであり;及び
0≦x≦0.3、0≦y≦0.5、0≦z≦0.5、0≦x’≦0.4、0≦α≦1、0≦β≦1、0≦γ≦1、0≦δ≦0.4、0≦z’≦0.4及び0≦n’≦3である、
[10]の装置。
[12]
アノードが、リチウム金属、黒鉛材料、アモルファスカーボン、Li 4 Ti 5 O 12 、スズ合金、ケイ素合金、金属間化合物、又は、それらの混合物を含む、[10]の装置。
[13]
装置が、リチウム電池、リチウムイオン電池、リチウム-硫黄電池、リチウム-空気電池、ナトリウムイオン電池、マグネシウム電池、電気化学セル、キャパシター、リチウム/MnO 2 電池、Li/ポリ(一フッ化炭素)電池、又は太陽電池を含む、[10]の装置。
[14]
アノード及びカソードをお互いから分離する多孔質セパレータを更に含む、[10]の装置。
[15]
多孔質セパレータが、ナイロン、セルロース、ニトロセルロース、ポリスルホン、ポリアクリロニトリル、ポリフッ化ビニリデン、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリブテン、又はコポリマー、又は、いかなる2つ以上のそのようなポリマーのブレンドを含む、微多孔性ポリマーフィルム又は電子ビーム処理された微多孔性ポリオレフィンセパレータを含む、[14]の装置。
[16]
非プロトン性有機溶媒が、開鎖の又は環状のカルボネート、カルボン酸エステル、ナイトライト、エーテル、スルホン、ケトン、ラクトン、ジオキソラン、グリム、クラウンエーテル、シロキサン、リン酸エステル、ホスファイト、モノホスファゼン又はポリホスファゼン、又は、それらの混合物を含む、[10]の装置。
[17]
アルカリ金属塩のカチオンが、リチウム、ナトリウム、アルミニウム、又は、マグネシウムを含む、[10]の装置。
[18]
電解質が添加剤を更に含む、[10]の装置。
[19]
添加剤が、硫黄含有化合物、リン含有化合物、ホウ素含有化合物、ケイ素含有化合物、フッ素含有化合物、窒素含有化合物、少なくとも1つの不飽和炭素-炭素結合を含有する化合物、カルボン酸無水物、又は、それらの混合物を含む、[18]の装置。
[20]
イオン液体を更に含む、[10]の装置。
[21]
イオン液体が、N-アルキル-N-アルキル-ピロリジニウム、N-アルキル-N-アルキル-ピリジニウム、N-アルキル-N-アルキル-スルホニウム、N-アルキル-N-アルキル-アンモニウム、又はN-アルキル-N-アルキル-ピペリジニウムを含む有機カチオンを含む、[20]の装置。
[22]
イオン液体が、テトラフルオロボレート、ヘキサフルオロホスフェート、ビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド、ビス(ペンタフルオロエチルスルホニル)イミド、又はトリフルオロアセテートを含むアニオンを含む、[20]の装置。
Claims (23)
- a)非プロトン性有機溶媒システム;
b)アルカリ金属塩;及び
c)少なくとも1つの下記のホスフェート(phosphate)系化合物:
を含む電気エネルギー貯蔵装置電解質であって、ここで:
Aは、酸素;
Phは、フェニル環;
Lは、酸素;
x及びyは、1又は2のいずれかであるが、合計は3に等しくなければならない;
Rは、フッ素で置換されている環上に少なくとも1つの水素原子を持つフェニル環であり、
非プロトン性有機溶媒が、開鎖の又は環状のカルボネート、カルボン酸エステル、ナイトライト(nitrite)、エーテル、スルホン、ケトン、ラクトン、ジオキソラン、グリム、クラウンエーテル、シロキサン、リン酸エステル、ホスファイト(phosphite)、モノホスファゼン又はポリホスファゼン、又は、それらの混合物を含み、
アルカリ金属塩のカチオンが、リチウム、ナトリウム、アルミニウム、又は、マグネシウムを含む、電気エネルギー貯蔵装置電解質。 - 非プロトン性有機溶媒が、エチレンカルボネート又はエチルメチルカルボネートである、請求項1の電解質。
- アルカリ金属塩が、LiPF 6 である、請求項1の電解質。
- 添加剤を更に含む、請求項1の電解質。
- 添加剤が、硫黄含有化合物、リン含有化合物、ホウ素含有化合物、ケイ素含有化合物、フッ素含有化合物、窒素含有化合物、少なくとも1つの不飽和炭素-炭素結合を含有する化合物、カルボン酸無水物、又は、それらの混合物を含む、請求項4の電解質。
- 添加剤が、電解質中に0.01wt.%~5wt.%の濃度を含む、請求項1の電解質。
- イオン液体を更に含む、請求項1の電解質。
- イオン液体が、N-アルキル-N-アルキル-ピロリジニウム、N-アルキル-N-アルキル-ピリジニウム、N-アルキル-N-アルキル-スルホニウム、N-アルキル-N-アルキル-アンモニウム、又はN-アルキル-N-アルキル-ピペリジニウムを含む有機カチオンを含む、請求項7の電解質。
- イオン液体が、テトラフルオロボレート、ヘキサフルオロホスフェート、ビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド、ビス(ペンタフルオロエチルスルホニル)イミド、又はトリフルオロアセテートを含むアニオンを含む、請求項7の電解質。
- カソード;
アノード;及び
請求項1に記載の電解質:
を含む、電気エネルギー貯蔵装置。 - カソードが、リチウム金属酸化物、スピネル、カンラン石、炭素被覆カンラン石、酸化バナジウム、過酸化リチウム、硫黄、ポリスルフィド、一フッ化リチウム炭素、又は、それらのいかなる2つ以上の混合物を含む、
請求項10の装置。 - カソードが、LiFePO4、LiCoO2、LiNiO2、LiNi1xCoyMetzO2、LiMn0.5Ni0.5O2、LiMn0.3Co0.3Ni0.3O2、LiMn2O4、LiFeO2、Li1+x’NiαMnβCoγMet’δO2-z’Fz’、An’B2(XO4)3(NASICON)、又は、それらのいかなる2つ以上の混合物を含み、ここで、
Metは、Al、Mg、Ti、B、Ga、Si、Mn又はCoであり;
Met’は、Mg、Zn、Al、Ga、B、Zr又はTiであり;
Aは、Li、Ag、Cu、Na、Mn、Fe、Co、Ni、Cu又はZnであり;
Bは、Ti、V、Cr、Fe又はZrであり;
Xは、P、S、Si、W又はMoであり;及び
0≦x≦0.3、0≦y≦0.5、0≦z≦0.5、0≦x’≦0.4、0≦α≦1、0≦β≦1、0≦γ≦1、0≦δ≦0.4、0≦z’≦0.4及び0≦n’≦3である、
請求項10の装置。 - アノードが、リチウム金属、黒鉛材料、アモルファスカーボン、Li4Ti5O12、スズ合金、ケイ素合金、金属間化合物、又は、それらの混合物を含む、請求項10の装置。
- 装置が、リチウム電池、リチウムイオン電池、リチウム-硫黄電池、リチウム-空気電池、ナトリウムイオン電池、マグネシウム電池、電気化学セル、キャパシター、リチウム/MnO2電池、Li/ポリ(一フッ化炭素)電池、又は太陽電池を含む、請求項10の装置。
- アノード及びカソードをお互いから分離する多孔質セパレータを更に含む、請求項10の装置。
- 多孔質セパレータが、ナイロン、セルロース、ニトロセルロース、ポリスルホン、ポリアクリロニトリル、ポリフッ化ビニリデン、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリブテン、又はコポリマー、又は、いかなる2つ以上のそのようなポリマーのブレンドを含む、微多孔性ポリマーフィルム又は電子ビーム処理された微多孔性ポリオレフィンセパレータを含む、請求項15の装置。
- 非プロトン性有機溶媒が、開鎖の又は環状のカルボネート、カルボン酸エステル、ナイトライト、エーテル、スルホン、ケトン、ラクトン、ジオキソラン、グリム、クラウンエーテル、シロキサン、リン酸エステル、ホスファイト、モノホスファゼン又はポリホスファゼン、又は、それらの混合物を含む、請求項10の装置。
- アルカリ金属塩のカチオンが、リチウム、ナトリウム、アルミニウム、又は、マグネシウムを含む、請求項10の装置。
- 電解質が添加剤を更に含む、請求項10の装置。
- 添加剤が、硫黄含有化合物、リン含有化合物、ホウ素含有化合物、ケイ素含有化合物、フッ素含有化合物、窒素含有化合物、少なくとも1つの不飽和炭素-炭素結合を含有する化合物、カルボン酸無水物、又は、それらの混合物を含む、請求項19の装置。
- 電解質がイオン液体を更に含む、請求項10の装置。
- イオン液体が、N-アルキル-N-アルキル-ピロリジニウム、N-アルキル-N-アルキル-ピリジニウム、N-アルキル-N-アルキル-スルホニウム、N-アルキル-N-アルキル-アンモニウム、又はN-アルキル-N-アルキル-ピペリジニウムを含む有機カチオンを含む、請求項21の装置。
- イオン液体が、テトラフルオロボレート、ヘキサフルオロホスフェート、ビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド、ビス(ペンタフルオロエチルスルホニル)イミド、又はトリフルオロアセテートを含むアニオンを含む、請求項21の装置。
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