JPH11233141A - 難燃性電解液および非水電解液二次電池 - Google Patents

難燃性電解液および非水電解液二次電池

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JPH11233141A
JPH11233141A JP10342065A JP34206598A JPH11233141A JP H11233141 A JPH11233141 A JP H11233141A JP 10342065 A JP10342065 A JP 10342065A JP 34206598 A JP34206598 A JP 34206598A JP H11233141 A JPH11233141 A JP H11233141A
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retardant
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みほ 伊藤
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直宏 久保田
Nobuya Mashita
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 電気特性に悪影響がなく、優れた難燃性を有
する難燃性電解液およびこれを用いた非水電解液二次電
池を提供すること。 【解決手段】 本発明の難燃性電解液は、電解質塩を有
機溶媒に溶解した電解液において、該有機溶媒が下記
〔化1〕の一般式(I)で表されるリン化合物の少なく
とも一種を含むものである。また、本発明の非水電解液
二次電池は、電解液として、上記難燃性電解液を用いた
ものである。 【化1】

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、難燃性に優れた非
水電解液、詳細には、特定の構造を有するリン系難燃剤
を添加された難燃性電解液、および該難燃性電解液を用
いてなる非水電解液二次電池に関する。
【0002】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】ノート
型パソコン、ビデオカメラ、携帯電話などの携帯機器の
小型軽量化のために、より高いエネルギー密度を持つ二
次電池の必要性が高まっている。また、大気汚染物質を
排出しない電気自動車の実用化が検討されている。しか
し、電気自動車の実用化のためには、現状の鉛電池より
も高いエネルギー密度を持つ電池の開発が必要である。
【0003】このような高いエネルギー密度を有する電
池として、リチウム電池が知られている。リチウム電池
には非水電解液として、高誘電率溶媒であるプロピレン
カーボネート、γ−ブチロラクトン、スルホラン等の溶
媒と低粘度の溶媒であるジメトキシエタン、テトラヒド
ロフラン、1,3−ジオキソラン等とを混合した溶媒
に、LiBF4 、LiPF6 、LiClO4、LiAsF6、LiCF3SO3、LiAl
Cl4 、LiSiF6等の電解質を溶解したものが用いられてい
る。
【0004】しかし、このような非水電解液に用いられ
る溶媒は、燃えやすい化合物であるため、ショートなど
により火災の原因となる恐れがある。特に、高エネルギ
ー密度化された電池では、万一ショートした場合、その
電池の持つ高いエネルギーを一度に放出することになる
ため、火災を防止する対策は不可欠である。
【0005】従来は、外部安全装置を用いて、過充電、
過放電、外部ショートによる火災を回避する方法が取ら
れてきた。しかし、電池内部でショートした場合には、
外部安全機構は作用しないという問題があった。そこ
で、外部安全機構に依存しない、安全な電池の開発が必
要となっている。
【0006】従来から、外部安全装置に依存しない安全
化のための方法として溶媒の難燃化が知られている。難
燃化方法としては、電解液にリン酸エステル、ハロゲン
化合物などの難燃性化合物を添加することが提案されて
いる。例えば、特開平4−184870号公報、特開平
6−283205号公報および特開平8−22839号
公報には、トリメチルホスフェート、トリクレジルホス
フェート等のリン酸エステル化合物を用いることが提案
されているが、これらの化合物を用いた場合には充放電
効率が低下したり、充電時にリチウムが樹枝状に析出す
る欠点があり、実用上満足できるものではなかった。
【0007】また、特開平2−244565号公報に
は、電解液のセパレーターへの含浸性を改善するために
ホスフェート、ホスホネート等のリン化合物を少量用い
ることが提案されているが、電解液の難燃性を改善する
ためにリン酸エステル化合物が有効であることは全く記
載されていない。
【0008】従って、本発明の目的は、電気特性に悪影
響がなく、優れた難燃性を有する難燃性電解液およびこ
れを用いた非水電解液二次電池を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明者等は、種々検討
を重ねた結果、特定のリン化合物を非水電解液に添加す
ることにより、上記目的を達成し得るとの知見を得た。
【0010】本発明は、上記知見に基づき成されたもの
で、電解質塩を有機溶媒に溶解した電解液において該有
機溶媒が下記〔化2〕(前記〔化1〕と同じ)の一般式
(I)で表されるリン化合物の少なくとも一種を含むこ
とを特徴とする難燃性電解液を提供するものである。
【0011】
【化2】
【0012】また、本発明は、電解液として、上記難燃
性電解液を用いた非水電解液二次電池を提供するもので
ある。
【0013】
【発明の実施の形態】以下、先ず本発明の難燃性電解液
について詳述する。本発明に用いられる上記一般式
(I)で表されるリン化合物は、電解液に優れた難燃性
を付与し得る難燃剤として用いられるものである。
【0014】上記一般式(I)において、R1およびR3
示される炭素原子数1〜8のアルキル基としては、例え
ば、メチル、エチル、プロピル、ブチル、ヘキシル、ヘ
プチル、オクチル、イソオクチル、2−エチルヘキシル
等の直鎖または分岐のアルキル基が挙げられ、R1、R2
よびR3で示されるハロゲン化アルキル基としては、上記
アルキル基の水素原子を、フッ素原子、塩素原子、臭素
原子と任意の数置換した基が挙げられ、例えば、パーフ
ルオロメチル、パーフルオロエチル、パーフルオロプロ
ピル、パーフルオロイソプロピル、パーフルオロペンチ
ル、パーフルオロヘキシル、パールオロヘプチル、パー
フルオロオクチル等の直鎖または分岐のパーフルオロア
ルキル基、2,2,2−トリフルオロエチル、2,2,
3,3,3−ペンタフルオロ−n−プロピル、1H,1
H,−ヘプタフルオロ−n−ブチル、6−(パーフルオ
ロエチル)−n−ヘキシル、2−(パーフルオロ−n−
ブチル)−エチル、3−パーフルオロブチル−2−ヨー
ドプロピル、6−(パーフルオロ−n−ブチル)ヘキシ
ル、2−(パーフルオロ−n−ヘキシル)エチル等の基
が挙げられる。
【0015】また、R1で表されるアリール基としては、
フェニル、ナフチル等が挙げられ、アルキルアリール基
としては、トリル、p−ブチルフェニル、p−t−ブチ
ルフェニル、ノニルフェニル等が挙げられ、アラルキル
基としては、ベンジル、フェネチル等が挙げられる。
【0016】従って、本発明に用いられる上記一般式
(I)で表されるリン化合物の具体例としては、例え
ば、下記のリン化合物No.1〜12等が挙げられる。し
かし、これらの化合物により本発明はなんら制限される
ものではない。
【0017】 No.1 ジメチルメタンホスホネート No.2 ジエチルメタンホスホネート No.3 ジエチルエトキシカルボニルメチルホスホネート No.4 ジメチルエタンホスホネート No.5 ジメチルベンゼンホスホネート No.6 ジメチル−α−トルエンホスホネート No.7 ジ−(2,2,2−トリフルオロエチル)メタンホスホネート No.8 ジ−(2,2,2−トリフルオロエチル)エタンホスホネート No.9 ジ−(2,2,3,3,3−ペンタフルオロ−n−プロピル)メタンホ スホネート No.10 ジ−メチルパーフルオロエタンホスホネート No.11 ジメチルホスフィン酸メチル No.12 ジメチルホスフィン酸−2,2,2−トリフルオロエチル
【0018】上記リン化合物の中でも、R1がアルキル基
である化合物は粘度が低く、電解質の溶解性に優れてい
るので好ましい。また、上記リン化合物の中でも、R1
R2、R3のうち、一つ以上がハロゲン化アルキル基である
化合物およびmが2でnが1である化合物(ホスホネー
ト化合物)は、非水電解液二次電池に用いたときの容量
維持率〔充放電を100サイクル行い、2サイクル目の
放電容量を100としたときの100サイクル目の放電
容量(後述の実施例参照)〕が高くなるので好ましい。
【0019】本発明の難燃性電解液は、電解質塩を、上
記リン化合物の少なくとも一種を含む有機溶媒に溶解し
た電解液であり、上記リン化合物はそれ自身で電解液の
溶媒として用いることもできる(即ち、上記有機溶媒が
全て上記リン化合物であってもよい)が、他の有機溶媒
との相溶性に優れるので、粘度を低下させたり、電気伝
導度を高めるために他の有機溶媒と混合してもよい。
【0020】上記他の有機溶媒としては、通常非水電解
液二次電池の電解液に用いられる有機溶媒であれば特に
限定されず、例えば、カーボネート化合物、ラクトン化
合物、エーテル化合物、スルホラン化合物、ジオキソラ
ン化合物、ケトン化合物、ニトリル化合物、ハロゲン化
炭化水素化合物等があげられ、具体的には、ジメチルカ
ーボネート、メチルエチルカーボネート、ジエチルカー
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、エチレングリコールジメチルカーボネート、プロ
ピレングリコールジメチルカーボネート、エチレングリ
コールジエチルカーボネート、ビニレンカーボネートな
どのカーボネート類;γ−ブチロラクトンなどのラクト
ン類;テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフ
ラン、1,4−ジオキサン、アニソール、モノグライム
などのエーテル類;スルホラン、3−メチルスルホラン
などのスルホラン類;1,3−ジオキソランなどのジオ
キソラン類;4−メチル−2−ペンタノンなどのケトン
類;アセトニトリル、プロピオニトリル、ブチロニトリ
ル、バレロニトリル、ベンゾニトリルなどのニトリル
類;1,2−ジクロロエタンなどのハロゲン化炭化水素
類;その他メチルフォルメート、ジメチルホルムアミ
ド、ジメチルチオホルムアミド、ジメチルスルホキシド
などが挙げられ、また、これらの複数の混合物であって
もよい。これら有機溶剤のうち、カーボネート類、ラク
トン類、エーテル類、スルホラン類およびジオキソラン
類からなる群より選ばれた一種または二種以上が、電解
質の溶解性、誘電率および粘度において優れるので好ま
しい。
【0021】上記リン化合物の存在割合(使用量)は、
電解液を構成する有機溶媒中、5〜100重量%が好ま
しく、10〜100重量%が更に好ましく、特に10〜
80重量%が好ましい。該割合が5重量%未満では十分
な難燃化効果が得られないことがある。
【0022】上記リン化合物の合成方法としては、特に
限定されるものではなく、有機リン化合物に通常採用さ
れる合成方法のいずれでもよい。
【0023】また、本発明に用いられる電解質塩として
は、LiPF6 、LiBF4 、LiClO4、LiAsF6、CF3SO3Li、N(CF
3SO2)2Li、C(CF3SO2)3Li、LiI 、LiAlCl4 、NaClO4、Na
BF4 、NaI 等があげられ、中でも、LiPF6 、LiBF4 、Li
ClO4、LiAsF6などの無機塩、または、CF3SO3Li、N(CF3S
O2)2Li、C(CF3SO2)3Liなどの有機塩が、電気特性に優れ
るので好ましい。
【0024】上記電解質塩は、その電解液中の濃度が、
0.1〜3.0モル/リットル、特に0.5〜2.0モ
ル/リットルとなるように前記有機溶媒に溶解すること
が好ましい。該電解質塩の濃度が0.1モル/リットル
より小さいと充分な電流密度が得られないことがあり、
3.0モル/リットルより大きいと電解液の安定性を損
なうことがある。
【0025】本発明の難燃性電解液は、通常公知の方法
により前記リン化合物および必要に応じて前記他の有機
溶媒からなる有機溶媒に、前記電解質塩を溶解すること
により調製することができる。
【0026】本発明の難燃性電解液は、後述する非水電
解液二次電池を構成する非水電解液として好適に用いら
れる。
【0027】次に、本発明の非水電解液二次電池につい
て詳述する。本発明の非水電解液二次電池は、電解液と
して、前述した本発明の難燃性電解液を用いたものであ
る。上記非水電解液二次電池を構成するその他の材料、
即ち正極、負極、セパレーター等については特に制限を
受けず、従来非水電解液二次電池に用いられている種々
の材料をそのまま使用することができる。
【0028】ここで、上記正極を構成する正極活物質と
しては、例えば、TiS2、TiS3、MoS3、FeS2、Li(1-x) Mn
O2、Li(1-x) Mn2O4 、Li(1-x) CoO2、Li(1-x) NiO2、V2
O5、V6O13 等があげられる。なお、該正極活物質の例示
におけるXは0〜1の数を示す。
【0029】また、上記負極を構成する負極活物質とし
ては、例えば、リチウム、リチウム合金、スズ化合物等
の無機化合物、炭素質材料、導電性ポリマー等があげら
れる。
【0030】また、上記セパレーターとしては、例え
ば、熱可塑性樹脂製セパレーターが用いられ、該熱可塑
性樹脂製セパレーターの製造に用いられる熱可塑性樹脂
としては、例えば、高密度ポリエチレン、低密度ポリエ
チレン、直鎖状低密度ポリエチレン、ポリプロピレン、
ポリブテン−1、ポリ−3−メチルペンテン、エチレン
−プロピレン共重合体等のポリオレフィン、ポリテトラ
フルオロエチレン等のフッ素系樹脂、ポリスチレン、ポ
リメチルメタクリレート、ポリジメチルシロキサン等お
よびこれらの混合物があげられるが、特に、ポリオレフ
ィンが成形加工性、耐薬品性、機械的強度などの観点か
ら好ましい。
【0031】上記熱可塑性樹脂製セパレーターは、短絡
による発熱による電池内容物の噴出または爆発を防止す
るために、低融点熱可塑性樹脂製膜と高融点熱可塑性樹
脂製膜または不織布とを積層させたものなどの複層構造
であってもよい。
【0032】本発明の非水電解液二次電池は、その形状
には特に制限を受けず、偏平型(ボタン型)、円筒型、
角型等、種々の形状の電池として使用できる。ここで、
本発明の非水電解液二次電池の円筒型の形態の例を図1
に示す。図1は、本発明の非水電解液二次電池としての
リチウム二次電池(円筒型)の内部構造を断面として示
す斜視図である。図1に示す非水電解液二次電池10と
してのリチウム二次電池において、負極板1’は、負極
集電体を負極でサンドイッチして構成されており、正極
板3’は、正極集電体を正極でサンドイッチして構成さ
れている。また、電解液(図示せず)は、液体として、
電極間に満たされている。
【0033】
【実施例】以下、実施例により本発明を更に詳細に説明
する。しかしながら、本発明は下記の実施例によって制
限されるものではない。図2は、本発明の難燃性電解液
を用いた、本発明の非水電解液二次電池としてのリチウ
ム二次電池の基本構成を示す概略図である。
【0034】図2に示す非水電解液二次電池10として
のリチウム二次電池は、少なくとも、リチウムまたはリ
チウム合金から構成される負極1、負極集電体2、正極
3、正極集電体4、本発明の難燃性電解液である電解液
5、セパレーター6、正極端子7および負極端子8から
構成されている。尚、該リチウム二次電池は、必要に応
じて、非水電池に通常用いられる上記以外の構成材料を
使用することができる。
【0035】上記リチウム二次電池は、上記電解液5と
して、前記一般式(I)で表されるリン化合物を含む本
発明の難燃性電解液を用いているため、電解液の発火が
抑制され、電池の安全性向上に有効なものである。
【0036】一般に、リチウム二次電池において、放電
時に起こる放電反応では、負極を構成する負極活物質中
から電解液中にリチウムイオンが溶け出すと同時に、電
解液中のリチウムが正極を構成する正極活物質中に取り
込まれる。一方、充電時に起こる充電反応では、電解液
中のリチウムイオンが負極を構成する負極活物質中にリ
チウムとして取り込まれる。このとき、リチウムイオン
はリチウム金属として析出すると同時に、正極を構成す
る正極活物質中のリチウムイオンは電解液中に溶け出し
ていく。このような充電時に、負極においてリチウム金
属として析出したリチウムが、リチウム表面に均一に析
出せず、局所的に析出すると、そこを成長核としてリチ
ウムが樹枝状に成長し(この樹脂状に成長したリチウム
はデンドライトと呼ばれる)、電解液中を成長し、最後
に正極と接触し、ショートを引き起こす。このとき、短
時間に大電流が流れるために発火する場合がある。
【0037】また、上記負極活物質がリチウムまたはリ
チウム合金でなく、リチウムイオンを吸蔵放出する物
質、例えば炭素材料であっても、過充電時には、炭素表
面にリチウム金属が析出し、ここが成長核となって、デ
ンドライトが成長しショートを引き起こすこともある。
【0038】このような発火の虞がある場合において、
電解液にハロゲン化合物や本発明に係る以外のリン化合
物からなる難燃性基材を含有させると、電解液の発火が
ある程度は抑制されるが、充分ではないため電池の安全
性向上に有効とは言えない。
【0039】これに対し、前記一般式(I)で表される
リン化合物を含む本発明の難燃性電解液を用いると、リ
チウムまたはリチウム合金以外の如何なる負極活物質か
ら構成される負極を用いた場合でも、電解液の発火を抑
制することが可能で、電池の安全性向上に有効である。
【0040】本発明の非水電解液二次電池としては、上
記リチウム二次電池に限定されず、本発明の効果を損な
わない範囲において適宣その構成を変更したものも採用
することができる。
【0041】次に、本発明の非水電解液二次電池の他の
例(負極に炭素質材料を用いた円筒型の非水電解液二次
電池)を挙げ、該非水電池の効果〔難燃性および電気特
性(充電効率)〕について示す。該非水電解液二次電池
の効果は、以下の方法に従って評価・測定し、それらの
結果を下記〔表1〕に示す。
【0042】〔電解液の難燃性評価方法〕 エチレンカーボネート(EC):ジエチルカーボネート
(DEC):リン化合物(下記〔表1〕参照)=1:
1:X(下記〔表1〕参照)〔重量比〕からなる有機溶
媒に、LiPF6 を1モル/リットルの濃度で溶解した電解
液に、幅15mm、長さ320mmに裁断した厚さ0.
04mmのセパレーター用マニラ紙を浸漬し、その後3
分間垂直に吊り下げて余分な電解液を除く。このように
して電解液を含浸させたマニラ紙を25mm間隔で支持
針を有するサンプル台の支持針に刺して水平に固定す
る。このサンプル台を250mm×250mm×500
mmの金属製の箱に入れ、その一端にライターで着火
し、燃焼速度(mm/秒)を測定し、電解液の難燃性を
評価した。
【0043】〔試験用電池の作製方法および充放電効率
の測定〕真比重2.20g/cm3 の黒鉛炭素材料を平
均粒径10μmに粉砕し、この炭素材料粉末90重量部
にポリフッ化ビニリデン10重量部を混合して負極材料
とした。この負極材料をN−メチル−2−ピロリドンに
分散させてスラリー状とした。このスラリーを厚さ10
μmの銅箔の両面に塗布し、乾燥後、ロールプレス機で
圧縮成型し、負極を作製した。
【0044】また、LiCoO2を平均粒径3μmに粉砕し、
この粉砕したLiCoO291重量部、グラファイト6重量部
およびポリフッ化ビニリデン3重量部を混合して正極材
料とした。この正極材料をN−メチル−2−ピロリドン
に分散させてスラリー状とした。このスラリーを厚さ2
0μmのアルミニウム箔の両面に塗布し、乾燥後、ロー
ルプレス機で圧縮成型し、正極を作製した。
【0045】厚さ25μmの微孔性ポリプロピレンフィ
ルムをセパレーターとし、前記の正極および負極を順々
に積層してから渦巻き型に多数回巻回することにより巻
回体とした。次に、ニッケルメッキを施した鉄製の電池
缶の底部に絶縁体を挿入し、上記巻回体を収納した。そ
して、ニッケル製の負極端子を負極に圧着し、他端を電
池缶に溶接した。また、アルミニウム製の正極端子を正
極に取付け、他端を電流遮断用薄板を介して電池蓋と電
気的に接続した。
【0046】前記の難燃性評価の試験で用いたものと同
様の下記〔表1〕に示すリン化合物を含む前記有機溶媒
にLiPF6 を1モル/リットルで溶解した電解液を、上述
のようにして作成した電池缶に注入し、直径18mm、
高さ65mmの円筒型非水電解液二次電池を作製した。
【0047】上記非水電解液二次電池を用いて、4.2
V、1A、2.5時間の定電流定電圧による充電、およ
び1Aの定電流で終止電圧を2.75Vとする放電の充
放電を行った。この充放電を100サイクル行い、2サ
イクル目の放電容量を100としたときの100サイク
ル目の放電容量を容量維持率として測定した。また、比
較例1−1の2サイクル目の放電容量を100とした場
合の各例の2サイクル目の放電容量の値を求めた。
【0048】
【表1】
【0049】上記〔表1〕の結果より判るように、リン
化合物を全く添加しない電解液(比較例1−1)を用い
てなる非水電池は、電池としての性能である容量維持率
については問題ないが、難燃性がなく発火の危険性がか
なり大きい。また、本発明に係る以外のリン化合物を添
加した電解液(比較例1−2〜1−4)を用いてなる非
水電解液二次電池は、難燃性についてはある程度改善す
るものの依然として発火の危険性があり、また容量維持
率についても低下している。これに対し、前記一般式
(I)で表されるリン化合物を添加した本発明の難燃性
電解液(実施例1−1〜1−18)を用いてなる非水電
解液二次電池は、電池としての性能である容量維持率が
高く、しかも優れた難燃性を有しており発火の危険性が
著しく小さいことが明白である。
【0050】
【発明の効果】本発明の難燃性電解液は、電池としての
性能に悪影響を与えず、高度の難燃性を有する非水電池
を提供し得るものである。また、本発明の非水電解液二
次電池は、電池としての性能に優れ、且つ、高度の難燃
性を有するものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、本発明の非水電解液二次電池としての
リチウム二次電池(円筒型)の内部構造を断面として示
す斜視図である。
【図2】図2は、本発明の非水電解液二次電池としての
リチウム二次電池の基本構成を示す概略図である。
【符号の説明】
1 負極 2 負極集電体 1’負極板 1”負極リード 3 正極 4 正極集電体 3’正極板 3”正極リード 5 電解液 6 セパレーター 7 正極端子 8 負極端子 10 非水電解液二次電池 11 ケース 12 絶縁板 13 ガスケット 14 安全弁 15 PTC素子
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 久保田 直宏 東京都荒川区東尾久7丁目2番35号 旭電 化工業株式会社内 (72)発明者 真下 伸弥 東京都荒川区東尾久7丁目2番35号 旭電 化工業株式会社内

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 電解質塩を有機溶媒に溶解した電解液に
    おいて、該有機溶媒が下記〔化1〕の一般式(I)で表
    されるリン化合物の少なくとも一種を含むことを特徴と
    する難燃性電解液。 【化1】
  2. 【請求項2】 上記一般式(I)において、R1がアルキ
    ル基である請求項1記載の難燃性電解液。
  3. 【請求項3】 上記一般式(I)において、R1、R2、R3
    のうち、一つ以上がハロゲン化アルキル基である請求項
    1記載の難燃性電解液。
  4. 【請求項4】 上記一般式(I)において、mが2で、
    nが1である請求項1記載の難燃性電解液。
  5. 【請求項5】 上記有機溶媒が、カーボネート類、ラク
    トン類、エーテル類、スルホラン類およびジオキソラン
    類からなる群より選ばれた一種または二種以上を含む請
    求項1〜4のいずれかに記載の難燃性電解液。
  6. 【請求項6】 上記電解質塩が、リチウムイオンとP
    F6 、BF4 、ClO4、およびAsF6からなる群より選ばれた
    アニオンの一種または二種以上とから構成される無機
    塩、またはリチウムイオンとSO3CF3、N(CF3SO2)2、C(CF
    3SO2)3およびこれらの誘導体からなる群より選ばれたア
    ニオンの一種または二種以上とから構成される有機塩で
    ある請求項1〜5のいずれかに記載の難燃性電解液。
  7. 【請求項7】 上記リン化合物の有機溶媒中の存在割合
    が、5〜100重量%である請求項1〜6のいずれかに
    記載の難燃性電解液。
  8. 【請求項8】 電解液として、請求項1〜7のいずれか
    に記載の難燃性電解液を用いた非水電解液二次電池。
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