JPWO2008093837A1 - エステル化合物、それを用いた非水電解液及びリチウム二次電池 - Google Patents

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Abstract

本発明は、(1)特定構造を有するエステル化合物、(2)非水溶媒に電解質が溶解されている非水電解液において、特定構造を有するエステル化合物を、非水電解液に対して0.01〜10重量%含有されている、初期の電池容量やサイクル特性に優れたリチウム二次電池用非水電解液、及び(3)正極、負極及び非水溶媒に電解質塩が溶解されている非水電解液からなるリチウム二次電池において、該非水電解液中に特定構造を有するエステル化合物を、非水電解液の重量に対して0.01〜10重量%含有するリチウム二次電池である。

Description

本発明は、医薬、農薬、電子材料、高分子材料等の中間原料又は電池材料として有用なエステル化合物、及びそれを用いた、初期の電池容量やサイクル特性に優れ、長期にわたり電池性能を維持しうる非水電解液、並びにそれを用いたリチウム二次電池に関する。
近年、リチウム二次電池は、携帯電話やノート型パソコン等の小型電子機器等の駆動用電源等として広く使用されている。リチウム二次電池は、主にリチウムを吸蔵放出可能な材料を含む正極及び負極、リチウム塩を含む非水電解液から構成され、非水電解液としては、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)等のカーボネート類が使用されている。
また、リチウム二次電池の負極としては、金属リチウム、リチウムを吸蔵及び放出可能な金属化合物(金属単体、酸化物、リチウムとの合金等)や炭素材料が知られており、特にリチウムを吸蔵・放出することが可能なコークス、人造黒鉛、天然黒鉛等の炭素材料を用いたリチウム二次電池が広く実用化されている。
例えば、天然黒鉛や人造黒鉛等の高結晶化した炭素材料を負極材料として用いたリチウム二次電池は、非水電解液中の溶媒が充電時に負極表面で還元分解し、非水電解液溶媒として広く用いられているECであっても充放電を繰り返す間に一部還元分解が起こり、電池容量やサイクル特性のような電池性能の低下が起こることが知られている。
更に、負極材料として、リチウム金属やその合金、スズ又はケイ素等の金属単体や酸化物を用いたリチウム二次電池は、初期の容量は高いもののサイクル中に微粉化が進むため、炭素材料の負極に比べて非水電解液溶媒の還元分解が加速的に起こり、電池容量やサイクル特性のような電池性能が大きく低下することが知られている。
一方、正極として、例えばLiCoO2、LiMn24、LiNiO2等を用いたリチウム二次電池は、非水電解液中の溶媒が充電状態で高温になった場合に、正極材料と非水電解液との界面において、局部的に一部酸化分解することにより、該分解物が電池の望ましい電気化学的反応を阻害するため、電池性能の低下を生じる。
以上のように、正極や負極上で電解液が分解するとガスを発生することで電池が膨れたり、正負極の電極間にガスが溜まりリチウムイオンの移動を阻害し、電池性能を低下させる一因となっていた。そのような状況にも関わらず、リチウム二次電池が搭載されている電子機器はますます電力消費量が増大する流れにあり、それに伴ってリチウム二次電池の高容量化が進んでおり、電解液の分解はますます起こり易い方向へ進み、サイクル特性等の電池特性が悪化してしまう問題があった。
特許文献1及び2には、一部をフッ素原子等で置換したメトキシベンゼン系化合物を溶解した非水電解液を用いた非水電解液電池が開示され、過充電状態となった場合にレドックス反応により、熱暴走を回避する提案がされている。しかしながら、サイクル特性に関しては全く触れられておらず、未だ満足いくものではなかった。
特許文献3や特許文献4には、安息香酸メチルや安息香酸ビニルを溶解した非水電解液が開示され、炭素材料との親和性や初回の充放電効率に効果がある電池が提案されている。しかしながら、サイクル特性に関しては全く触れられておらず、未だ満足いくものではなかった。
特許文献5には抗菌剤の製造原料として、ジメチル硫酸を用いて、3−メトキシ−2,4,5−トリフルオロ安息香酸から3−メトキシ−2,4,5−トリフルオロ安息香酸メチルを得る方法が開示されている。
特許文献6には、一部をフッ素原子等で置換した安息香酸メチルを溶解した非水電解液を用いたリチウム二次電池が開示され、フッ素原子等で置換していない安息香酸メチルを溶解した非水電解液を用いたリチウム二次電池に比べて高い放電容量を有することが示されている。しかしながら、この電池においても初期の電池容量やサイクル特性が十分に満足できるものではなかった。
特開平10−308236号公報 特開2000−156243号公報 特開平8−293323号公報 特開2000−299127号公報 特開平3−127755号公報 特開2000−323169号
本発明は、各種材料の中間原料又は電池材料として有用なエステル化合物、及びそれを用いた、初期の電池容量やサイクル特性に優れ、長期にわたり電池性能を維持しうるリチウム二次電池用非水電解液、並びにそれを用いたリチウム二次電池を提供することを目的とする。
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究を重ね、非水溶媒に電解質塩が溶解されている非水電解液において、3−メトキシ−2,4,5−トリフルオロ安息香酸プロパルギル等のアルコキシ基とフッ素原子をベンゼン環上に有するエステル化合物を合成し、これを非水電解液に添加することで、初期の電池容量やサイクル特性に優れ、長期にわたり電池性能を維持しうるリチウム二次電池が得られることを見出し、本発明を完成した。
また、非水溶媒に電解質塩が溶解されている非水電解液において、フッ素原子をベンゼン環に有し、かつ不飽和結合部位を有する2,4−トリフルオロ安息香酸プロパルギル等を非水電解液に添加することで、初期の電池容量やサイクル特性に優れたリチウム二次電池が得られることを見出し、本発明を完成した。
すなわち、本発明は、下記の(1)〜(4)を提供するものである。
(1)下記一般式(I)又は(II)で表されるエステル化合物。
Figure 2008093837
(式中、R1はメトキシ基又はエトキシ基を示し、R2は、炭素数2〜6の直鎖又は分枝鎖のアルケニル基、炭素数3〜6の直鎖又は分枝鎖のアルキニル基、フェニル基又はビフェニル基を示す。)
Figure 2008093837
(式中、R3はメトキシ基又はエトキシ基を示し、L1は、炭素数2〜6の直鎖又は分枝鎖のアルキレン基、炭素数4〜6の直鎖又は分枝鎖のアルケニレン基、炭素数4〜6の直鎖又は分枝鎖のアルキニレン基を示す。)
(2)非水溶媒に電解質が溶解されている非水電解液において、下記一般式(III)で表されるエステル化合物を、非水電解液に対して0.01〜10重量%含有することを特徴とするリチウム二次電池用非水電解液。
Figure 2008093837
(式中、R11、R13、R14及びR15は、それぞれ独立して、水素原子又はフッ素原子を示し、R12は、水素原子、フッ素原子、メトキシ基又はエトキシ基を示し、R11〜R15の1つ以上がフッ素原子であり、L2は、炭素数1〜6のアルキル基、炭素数2〜6のアルケニル基、炭素数3〜6のアルキニル基、フェニル基又はビフェニル基を示す。ただし、R11〜R15の全てがフッ素原子の場合、L2は、炭素数2〜6のアルケニル基、炭素数3〜6のアルキニル基、フェニル基又はビフェニル基を示す。)
(3)非水溶媒に電解質塩が溶解されている非水電解液において、下記一般式(II)及び/又は(IV)で表されるエステル化合物を、非水電解液に対して0.01〜10重量%含有することを特徴とする非水電解液。
Figure 2008093837
(式中、R3及びL1は前記と同じである。)
Figure 2008093837
(式中、R4はメトキシ基又はエトキシ基を示し、R5は、炭素数1〜6の直鎖又は分枝鎖のアルキル基、炭素数2〜6の直鎖又は分枝鎖のアルケニル基、炭素数3〜6の直鎖又は分枝鎖のアルキニル基、フェニル基又はビフェニル基を示す。)
(4)正極、負極及び非水溶媒に電解質塩が溶解されている非水電解液からなるリチウム二次電池において、該非水電解液中に一般式(II)、(III)及び(IV)で表されるエステル化合物から選ばれる1種以上を、非水電解液の重量に対して0.01〜10重量%含有することを特徴とするリチウム二次電池。
本発明の非水電解液を用いたリチウム二次電池は、初期の電池容量やサイクル特性に優れ、長期にわたり電池性能を維持することができる。
以下に、本発明のエステル化合物、それを用いたリチウム二次電池用非水電解液、及びそれを用いたリチウム二次電池について詳述する。
本発明のエステル化合物は、下記一般式(I)又は(II)で表される。
〔一般式(I)で表されるエステル化合物〕
Figure 2008093837
(式中、R1はメトキシ基又はエトキシ基を示し、R2は、炭素数2〜6の直鎖又は分枝鎖のアルケニル基、炭素数3〜6の直鎖又は分枝鎖のアルキニル基、フェニル基又はビフェニル基を示す。)
一般式(I)におけるR1としては、メトキシ基又はエトキシ基が挙げられるが、好ましくはメトキシ基である。
2である炭素数2〜6の直鎖又は分枝鎖のアルケニル基としては、ビニル基、2−プロペニル基、2−ブテニル基、3−ブテニル基、4−ペンテニル基、2−メチル−2−プロペニル基、2−メチル−2−ブテニル基、3−メチル−2−ブテニル基等が挙げられる。R2である炭素数3〜6の直鎖又は分枝鎖のアルキニル基としては、2−プロピニル基、2−ブチニル基、3−ブチニル基、4−ペンチニル基、5−ヘキシニル基、1−メチル−2−プロピニル、1−メチル−2−ブチニル、1,1−ジメチル−2−プロピニル等が挙げられる。
2であるフェニル基は、炭素数1〜6のアルキル基やフッ素原子で置換されていてもよく、フェニル基、トリル基、キシリル基、メシチル基、フルオロフェニル基等が挙げられる。また、R2であるビフェニル基は、炭素数1〜6のアルキル基やフッ素原子で置換されていてもよい。
一般式(I)で表されるエステル化合物としては、具体的には、3−メトキシ−2,4,5−トリフルオロ安息香酸ビニル[R1=メトキシ基、R2=ビニル基]、3−メトキシ−2,4,5−トリフルオロ安息香酸2−プロペニル[R1=メトキシ基、R2=2−プロペニル基]、3−メトキシ−2,4,5−トリフルオロ安息香酸2−ブテニル[R1=メトキシ基、R2=2−ブテニル基]、3−メトキシ−2,4,5−トリフルオロ安息香酸3−ブテニル[R1=メトキシ基、R2=3−ブテニル基]、3−メトキシ−2,4,5−トリフルオロ安息香酸4−ペンテニル[R1=メトキシ基、R2=4−ペンテニル基]、3−メトキシ−2,4,5−トリフルオロ安息香酸2−メチル−2−プロペニル[R1=メトキシ基、R2=3−メチル−2−プロペニル基]、3−メトキシ−2,4,5−トリフルオロ安息香酸3−メチル−2−ブテニル[R1=メトキシ基、R2=3−メチル−2−ブテニル基]、3−メトキシ−2,4,5−トリフルオロ安息香酸2−プロピニル[R1=メトキシ基、R2=2−プロピニル基]、3−メトキシ−2,4,5−トリフルオロ安息香酸2−ブチニル[R1=メトキシ基、R2=2−ブチニル基]、3−メトキシ−2,4,5−トリフルオロ安息香酸4−ペンチニル[R1=メトキシ基、R2=2−ペンチニル基]、3−メトキシ−2,4,5−トリフルオロ安息香酸5−ヘキシニル[R1=メトキシ基、R2=5−ヘキシニル基]、3−メトキシ−2,4,5−トリフルオロ安息香酸1−メチル−2−プロピニル[R1=メトキシ基、R2=1−メチル−2−プロピニル基]、3−メトキシ−2,4,5−トリフルオロ安息香酸1,1−ジメチル−2−プロピニル[R1=メトキシ基、R2=1,1−ジメチル−2−プロピニル基]、3−メトキシ−2,4,5−トリフルオロ安息香酸フェニル[R1=メトキシ基、R2=フェニル基]、3−メトキシ−2,4,5−トリフルオロ安息香酸トリル[R1=メトキシ基、R2=トリル基]、3−メトキシ−2,4,5−トリフルオロ安息香酸キシリル[R1=メトキシ基、R2=キシリル基]、3−メトキシ−2,4,5−トリフルオロ安息香酸ビフェニル[R1=メトキシ基、R2=ビフェニル基]、3−エトキシ−2,4,5−トリフルオロ安息香酸ビニル[R1=エトキシ基、R2=ビニル基]、3−エトキシ−2,4,5−トリフルオロ安息香酸2−プロペニル[R1=エトキシ基、R2=2−プロペニル基]、3−エトキシ−2,4,5−トリフルオロ安息香酸2−プロピニル[R1=エトキシ基、R2=2−プロピニル基]、3−エトキシ−2,4,5−トリフルオロ安息香酸フェニル[R1=エトキシ基、R2=フェニル基]、3−エトキシ−2,4,5−トリフルオロ安息香酸トリル[R1=エトキシ基、R2=トリル基]、3−エトキシ−2,4,5−トリフルオロ安息香酸ビフェニル[R1=エトキシ基、R2=ビフェニル基]等を挙げることができる。
これらの中でも、3−メトキシ−2,4,5−トリフルオロ安息香酸メチル、3−メトキシ−2,4,5−トリフルオロ安息香酸エチル、3−メトキシ−2,4,5−トリフルオロ安息香酸ビニル、3−メトキシ−2,4,5−トリフルオロ安息香酸2−プロペニル、3−メトキシ−2,4,5−トリフルオロ安息香酸2−プロピニル、3−メトキシ−2,4,5−トリフルオロ安息香酸フェニル、3−メトキシ−2,4,5−トリフルオロ安息香酸トリル、3−メトキシ−2,4,5−トリフルオロ安息香酸ビフェニルが好ましい。
〔一般式(II)で表されるエステル化合物〕
Figure 2008093837
(式中、R3はメトキシ基又はエトキシ基を示し、L1は、炭素数2〜6の直鎖又は分枝鎖のアルキレン基、炭素数4〜6の直鎖又は分枝鎖のアルケニレン基、炭素数4〜6の直鎖又は分枝鎖のアルキニレン基を示す。)
一般式(II)におけるR3としては、メトキシ基又はエトキシ基が挙げられるが、好ましくはメトキシ基である。
1である炭素数2〜6の直鎖又は分枝鎖のアルキレン基(アルカンジイル基)としては、エチレン基、1,2−プロピレン基、1,3−プロピレン基、1,2−ブチレン基、1,3−ブチレン基、1,4−ブチレン基、2,3−ブチレン基、1,3−ペンチレン基、1,4−ペンチレン基、1,5−ペンチレン基、2,4−ペンチレン基、1,5−ヘキシレン基、1,6−ヘキシレン基、2,4−ヘキシレン基等が挙げられる。これらの中でも、1,2−プロピレン基、1,3−ブチレン基、2,3−ブチレン基、1,4−ペンチレン基、2,4−ペンチレン基、2,4−ヘキシレン基等の分枝鎖のアルキレン基が好ましく、1,2−プロピレン基(プロパン−1,2−ジイル基)、1,3−ブチレン基、2,3−ブチレン基等のメチル基を分枝として有するアルキレン基が特に好ましい。
1である炭素数4〜6の直鎖又は分枝鎖のアルケニレン基としては、2−ブテニレン基、2−ペンチニレン基、2−ヘキシニレン、3−ヘキシニレン基、1,4−ジメチル−2−ブテニレン基等が挙げられる。
1である炭素数4〜6の直鎖又は分枝鎖のアルキニル基としては、2−ブチニレン基、2−ペンチニレン基、2−ヘキシニレン、3−ヘキシニレン基、1,4−ジメチル−2−ブチニレン基等が挙げられる。
また、L1であるフェニル基及びビフェニル基は、炭素数1〜6のアルキル基やフッ素原子で置換されていてもよい。
一般式(II)で表されるエステル化合物としては、具体的には、エチレングリコール ビス(3−メトキシ−2,4,5−トリフルオロベンゾエート)[R3=メトキシ基、L1=エチレン基]、1,2−プロパンジオール ビス(3−メトキシ−2,4,5−トリフルオロベンゾエート)[R3=メトキシ基、L1=1,2−プロピレン基]、1,3−プロパンジオール ビス(3−メトキシ−2,4,5−トリフルオロベンゾエート)[R3=メトキシ基、L1=1,3−プロピレン基]、1,3−ブタンジオール ビス(3−メトキシ−2,4,5−トリフルオロベンゾエート)[R3=メトキシ基、L1=1,3−ブチレン基]、1,4−ブタンジオール ビス(3−メトキシ−2,4,5−トリフルオロベンゾエート)[R3=メトキシ基、L1=1,4−ブチレン基]、2,3−ブタンジオール ビス(3−メトキシ−2,4,5−トリフルオロベンゾエート)[R3=メトキシ基、L1=2,3−ブチレン基]、1,3−ジメチル−1,3−プロパンジオール ビス(3−メトキシ−2,4,5−トリフルオロベンゾエート)[R3=メトキシ基、L1=2,4−ペンチレン基]、1,4−ジメチル−1,4−ブタンジオール ビス(3−メトキシ−2,4,5−トリフルオロベンゾエート)[R3=メトキシ基、L1=2,5−ヘキシレン基]、2−ブテン−1,4−ジオール ビス(3−メトキシ−2,4,5−トリフルオロベンゾエート)[R3=メトキシ基、L1=2−ブテニレン基]、2−ブチン−1,4−ジオール ビス(3−メトキシ−2,4,5−トリフルオロベンゾエート)[R3=メトキシ基、L1=2−ブチニレン基]等を挙げることができる。
これらの中でも、エチレングリコール ビス(3−メトキシ−2,4,5−トリフルオロベンゾエート)、1,2−プロパンジオール ビス(3−メトキシ−2,4,5−トリフルオロベンゾエート)、1,3−プロパンジオール ビス(3−メトキシ−2,4,5−トリフルオロベンゾエート)、1,2−ブタンジオール ビス(3−メトキシ−2,4,5−トリフルオロベンゾエート)、1,3−ブタンジオール ビス(3−メトキシ−2,4,5−トリフルオロベンゾエート)、1,4−ブタンジオール ビス(3−メトキシ−2,4,5−トリフルオロベンゾエート)、2,3−ブタンジオール ビス(3−メトキシ−2,4,5−トリフルオロベンゾエート)、2−ブチン−1,4−ジオール ビス(3−メトキシ−2,4,5−トリフルオロベンゾエート)が好ましく、1,2−プロパンジオール ビス(3−メトキシ−2,4,5−トリフルオロベンゾエート)、1,3−ブタンジオール ビス(3−メトキシ−2,4,5−トリフルオロベンゾエート)、2,3−ブタンジオール ビス(3−メトキシ−2,4,5−トリフルオロベンゾエート)等のメチル基を分枝として有するアルキレン基を含む化合物が特に好ましい。
〔一般式(I)で表されるエステル化合物の製法〕
本発明の前記一般式(I)で表されるエステル化合物は、下記の(a)エステル交換法、及び(b)酸クロリド法により合成することができるが、これらの製法に限定されるものではない。
(a)エステル交換法
エステル交換法は、3−メトキシ−2,4,5−トリフルオロ安息香酸(以下、「MTFBA」という)を溶媒中又は無溶媒で、塩基及び金属触媒の存在下で、エステル交換反応させることによって、目的とするエステル化合物を得る方法である。
MTFBAとエステル交換反応させるエステル化合物としては、酢酸ビニル等の酢酸エステル、プロピオン酸エステル、酪酸エステル、吉草酸エステル等の脂肪酸エステルが挙げられ、それらの中でも酢酸エステルがより好ましい。前記エステルの使用量は、MTFBA 1モルに対して1〜50モルが好ましく、より好ましくは4〜20モルである。
前記エステル交換反応に使用される金属触媒としては、2価のパラジウム化合物、2価のイリジウム化合物等が挙げられ、具体的には、Pd(OAc)2、Pd(OCOEt)2、PdCl2、Li2PdCl4、[Ir(cod)Cl]2、及びこれら化合物等の混合物が好適に使用される。
前記金属触媒の使用量は、反応液の総重量に対して好ましくは0.001〜20重量%、より好ましくは0.01〜10重量%、更に好ましくは0.1〜5重量%である。
また、塩基触媒としては、アルカリ金属又はアルカリ土類金属の水酸化物、炭酸塩、リン酸塩、酢酸塩、及びこれら混合物等が挙げられる。具体的には、水酸化カリウム、炭酸カリウム、水酸化ナトリウム、炭酸ナトリウム、炭酸水素ナトリウム、酢酸ナトリウム、水酸化リチウムが好適に使用される。前記塩基触媒の使用量は、反応液の総重量に対して好ましくは0.01〜20重量%、より好ましくは0.05〜10重量%、更に好ましくは0.1〜5重量%である。
前記エステル交換反応においては、反応条件下で不活性な溶剤を用いることができる。使用できる不活性溶媒としては、ヘキサン、ヘプタン等の脂肪族炭化水素、ジクロロエタン、ジクロロプロパン等のハロゲン化炭化水素、トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素、クロロベンゼン、フルオロベンゼン等のハロゲン化芳香族炭化水素、ジエチルエーテル等のエーテル類、アセトニトリル、プロピオニトリル等のニトリル類、N,N−ジメチルホルムアミド等のアミド類、ジメチルスルホキシド等のスルホキシド類、ニトロメタン、ニトロエタン等のニトロ類、又はこれらの混合物が挙げられる。特にトルエン、キシレン、N,N−ジメチルホルムアミドが好適に使用できる。前記不活性溶媒の使用量は、MTFBA 1重量部に対して好ましくは0.01〜20重量部、より好ましくは1〜5重量部である。
前記エステル交換反応の温度は、−20℃以上が好ましく、反応性を低下させないために0℃以上がより好ましい。反応温度の上限は80℃以下が好ましく、60℃以下がより好ましい。反応温度が80℃を超えると副反応や生成物の分解が進行しやすくなる。
反応時間は、前記反応温度やスケールによるが、好ましくは0.5〜30時間、より好ましくは1〜48時間である。反応時間が短すぎると未反応物が残り、逆に反応時間が長すぎると生成物の分解や副反応の恐れが生じる。
(b)酸クロリド法
酸クロリド法は、MTFBAの酸クロリドを溶媒中又は無溶媒で、塩基の存在下で、アルコールとエステル化反応させることによって、目的とするエステル化合物を得る方法である。
MTFBAの酸クロリドと反応させるアルコールの使用量は、MTFBA 1モルに対し、好ましくは1〜20モル、より好ましくは1〜5モルである。なお、MTFBAの酸クロリドは、MTFBAに塩化チオニルを反応させることにより得ることができる。
酸クロリドからエステル化合物を合成する際、塩酸ガスを副生する。塩酸ガスは捕獲せずに、反応系外へ除去して中和槽で吸収させるか、又は反応系に塩基を混在させ、反応系内で中和捕獲する手法が採用される。反応系外へ塩酸ガスを除去する手法としては、不活性ガスを反応液にバブリングする方法、反応液を減圧する方法等が挙げられ、操作温度の範囲はいずれの場合も0〜100℃が好ましい。
MTFBAの酸クロリドから塩基を用いないで該エステルを合成する場合、溶媒を用いても用いなくてもよい。塩基を用いて該エステルを合成する場合、中和塩が存在するため、付加的に反応条件下で不活性な溶剤を用いることが好ましい。いずれの場合にも共通して使用される不活性溶媒としては、ヘキサン、ヘプタン等の脂肪族炭化水素、ジクロロエタン、ジクロロプロパン等のハロゲン化炭化水素、トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素、クロロベンゼン、フルオロベンゼン等のハロゲン化芳香族炭化水素、ジエチルエーテル等のエーテル類、アセトニトリル、プロピオニトリル等のニトリル類、N,N−ジメチルホルムアミド等のアミド類、ジメチルスルホキシド等のスルホキシド類、ニトロメタン、ニトロエタン等のニトロ類、又はこれらの混合物が挙げられる。特にトルエン、キシレン、N,N−ジメチルホルムアミドが好適に使用できる。前記不活性溶媒の使用量は、MTFBA 1重量部に対して好ましくは0〜10重量部、より好ましくは1〜2重量部である。
塩基としては、無機塩基及び有機塩基のいずれも使用することができる。またこれらは単独でも、混合して使用してもよい。使用される無機塩基としては、炭酸カリウム、炭酸ナトリウム、水酸化カルシウム、及び酸化カルシウム等が挙げられる。使用される有機塩基としては、直鎖又は分枝鎖の脂肪族3級アミン、単置換又は多置換されたピロール、ピロリドン、イミダゾール、イミダゾリジノン、ピリジン、ピリミジン、キノリン、N,N−ジアルキルカルボキシアミドが挙げられる。
これらの中でも、特にトリメチルアミン、トリエチルアミン、トリプロピルアミン、トリブチルアミン、エチルジイソプロピルアミン等のトリアルキルアミン、ピリジン、N−メチルピロリドン、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジメチルアミノピリジン、1,3−ジメチルイミダゾリジノンがより好ましい。前記塩基の使用量は、MTFBA 1モルに対して好ましくは0.8〜5モル、より好ましくは1〜3モルであり、特に1〜1.5モルを使用すると副生物が押さえられ好ましい。
MTFBAの酸クロリドと該アルコールとの反応において、反応温度の下限は−20℃以上が好ましく、反応性を低下させないために0℃以上がより好ましい。また、反応温度の上限は80℃以下が好ましく、60℃以下がより好ましい。反応温度が80℃を超えると副反応や生成物の分解が進行しやすくなる。
反応時間は、前記反応温度やスケールによるが、好ましくは0.1〜12時間、より好ましくは0.2〜6時間である。反応時間が短すぎると未反応物が残り、逆に反応時間が長すぎると生成物の分解や副反応の恐れが生じる。
〔一般式(II)で表されるエステル化合物の製法〕
本発明の一般式(II)で表されるエステル化合物は、前記の(b)酸クロリド法により合成することができる。すなわち、MTFBAの酸クロリドを溶媒中又は無溶媒で、塩基の存在下で、ジオールとエステル化反応させることにより合成することができるが、この製法に限定されるものではない。
MTFBAの酸クロリドと反応させるジオールの使用量は、MTFBA 1モルに対し、好ましくは1〜20モル、より好ましくは1〜5モルである。
使用する不活性溶媒及び塩基の種類と量は、前記と同様であり、反応温度及び反応時間も前記と同様である。
〔一般式(III)で表される化合物〕
本願発明の非水電解液中に含有される化合物は、下記一般式(III)で表される。
Figure 2008093837
(式中、R11、R13、R14及びR15は、それぞれ独立して、水素原子又はフッ素原子を示し、R12は、水素原子、フッ素原子、メトキシ基又はエトキシ基を示し、R11〜R15の1つ以上がフッ素原子であり、L2は、炭素数1〜6のアルキル基、炭素数2〜6のアルケニル基、炭素数3〜6のアルキニル基、フェニル基又はビフェニル基を示す。ただし、R11〜R15の全てがフッ素原子の場合、L2は、炭素数2〜6のアルケニル基、炭素数3〜6のアルキニル基、フェニル基又はビフェニル基を示す。)
2である炭素数2〜6のアルケニル基としては、エテニル基(ビニル基)、2−プロペニル基(アリル基)、2−ブテニル基、3−ブテニル基、4−ペンテニル基等の直鎖アルケニル基、2−メチル−2−プロペニル基、3−メチル−2−ブテニル基等の分枝鎖のアルケニル基が挙げられる。
2である炭素数3〜6のアルキニル基としては、2−プロピニル基(プロパルギル基)、2−ブチニル基、3−ブチニル基、4−ペンチニル基、5−ヘキシニル基等の直鎖アルキニル基、1−メチル−2−プロピニル基、1−メチル−2−ブチニル基、1,1−ジメチル−2−プロピニル等の分枝鎖のアルキニル基が挙げられる。
2であるフェニル基は、炭素数1〜6のアルキル基やフッ素原子で置換されていてもよく、フェニル基、トリル基、キシリル基、メシチル基、フルオロフェニル基等が挙げられる。また、ビフェニル基は、炭素数1〜6のアルキル基やフッ素原子で置換されていてもよい。
一般式(III)で表されるエステル化合物のうち、直鎖アルケニルエステルとしては、具体的には、2−フルオロ安息香酸ビニル[R11=フッ素原子、R12=R13=R14=R15=水素原子、L2=ビニル基]、3−フルオロ安息香酸ビニル[R12=フッ素原子、R11=R13=R14=R15=水素原子、L2=ビニル基]、4−フルオロ安息香酸ビニル[R13=フッ素原子、R11=R12=R14=R15=水素原子、L2=ビニル基]、2,4−ジフルオロ安息香酸ビニル[R11=R13=フッ素原子、R12=R14=R15=水素原子、L2=ビニル基]、2,6−ジフルオロ安息香酸ビニル[R11=R15=フッ素原子、R12=R13=R14=水素原子、L2=ビニル基]、2,4,6−トリフルオロ安息香酸ビニル[R11=R13=R15=フッ素原子、R12=R14=水素原子、L2=ビニル基]、2,3,4,6−テトラフルオロ安息香酸ビニル[R11=R12=R13=R15=フッ素原子、R14=水素原子、L2=ビニル基]、2,3,4,5,6−ペンタフルオロ安息香酸ビニル[R11=R12=R13=R14=R15=フッ素原子、L2=ビニル基]、2−フルオロ安息香酸2−プロペニル[R11=フッ素原子、R12=R13=R14=R15=水素原子、L2=2−プロペニル基]、3−フルオロ安息香酸2−プロペニル[R12=フッ素原子、R11=R13=R14=R15=水素原子、L2=2−プロペニル基]、4−フルオロ安息香酸2−プロペニル[R13=フッ素原子、R11=R12=R14=R15=水素原子、L2=2−プロペニル基]、2,4−ジフルオロ安息香酸2−プロペニル[R11=R13=フッ素原子、R12=R14=R15=水素原子、L2=2−プロペニル基]、2,6−ジフルオロ安息香酸2−プロペニル[R11=R15=フッ素原子、R12=R13=R14=水素原子、L2=2−プロペニル基]、2,4,6−トリフルオロ安息香酸2−プロペニル[R11=R13=R15=フッ素原子、R12=R14=水素原子、L2=2−プロペニル基]、2,3,4,6−テトラフルオロ安息香酸2−プロペニル[R11=R12=R13=R15=フッ素原子、R14=水素原子、L2=2−プロペニル基]、2,3,4,5,6−ペンタフルオロ安息香酸2−プロペニル[R11=R12=R13=R14=R15=フッ素原子、L2=2−プロペニル基]、2−フルオロ安息香酸2−ブテニル[R11=フッ素原子、R12=R13=R14=R15=水素原子、L2=2−ブテニル基]、3−フルオロ安息香酸2−ブテニル[R12=フッ素原子、R11=R13=R14=R15=水素原子、L2=2−ブテニル基]、4−フルオロ安息香酸2−ブテニル[R13=フッ素原子、R11=R12=R14=R15=水素原子、L2=2−ブテニル基]、2,4−ジフルオロ安息香酸2−ブテニル[R11=R13=フッ素原子、R12=R14=R15=水素原子、L2=2−ブテニル基]、2,6−ジフルオロ安息香酸2−ブテニル[R11=R15=フッ素原子、R12=R13=R14=水素原子、L2=2−ブテニル基]、2,4,6−トリフルオロ安息香酸2−ブテニル[R11=R13=R15=フッ素原子、R12=R14=水素原子、L2=2−ブテニル基]、2,3,4,6−テトラフルオロ安息香酸2−ブテニル[R11=R12=R13=R15=フッ素原子、R14=水素原子、L2=2−ブテニル基]、2,3,4,5,6−ペンタフルオロ安息香酸2−ブテニル[R11=R12=R13=R14=R15=フッ素原子、L2=2−ブテニル基]、2−フルオロ安息香酸3−ブテニル[R11=フッ素原子、R12=R13=R14=R15=水素原子、L2=3−ブテニル基]、3−フルオロ安息香酸3−ブテニル[R12=フッ素原子、R11=R13=R14=R15=水素原子、L2=3−ブテニル基]、4−フルオロ安息香酸3−ブテニル[R13=フッ素原子、R11=R12=R14=R15=水素原子、L2=3−ブテニル基]、2,4−ジフルオロ安息香酸3−ブテニル[R11=R13=フッ素原子、R12=R14=R15=水素原子、L2=3−ブテニル基]、2,6−ジフルオロ安息香酸3−ブテニル[R11=R15=フッ素原子、R12=R13=R14=水素原子、L2=3−ブテニル基]、2,4,6−トリフルオロ安息香酸3−ブテニル[R11=R13=R15=フッ素原子、R12=R14=水素原子、L2=3−ブテニル基]、2,3,4,6−テトラフルオロ安息香酸3−ブテニル[R11=R12=R13=R15=フッ素原子、R14=水素原子、L2=3−ブテニル基]、2,3,4,5,6−ペンタフルオロ安息香酸3−ブテニル[R11=R12=R13=R14=R15=フッ素原子、L2=3−ブテニル基]、2−フルオロ安息香酸4−ペンテニル[R11=フッ素原子、R12=R13=R14=R15=水素原子、L2=4−ペンテニル基]、3−フルオロ安息香酸4−ペンテニル[R12=フッ素原子、R11=R13=R14=R15=水素原子、L2=4−ペンテニル基]、4−フルオロ安息香酸4−ペンテニル[R13=フッ素原子、R11=R12=R14=R15=水素原子、L2=4−ペンテニル基]、2,4−ジフルオロ安息香酸4−ペンテニル[R11=R13=フッ素原子、R12=R14=R15=水素原子、L2=4−ペンテニル基]、2,6−ジフルオロ安息香酸4−ペンテニル[R11=R15=フッ素原子、R12=R13=R14=水素原子、L2=4−ペンテニル基]、2,4,6−トリフルオロ安息香酸4−ペンテニル[R11=R13=R15=フッ素原子、R12=R14=水素原子、L2=4−ペンテニル基]、2,3,4,6−テトラフルオロ安息香酸4−ペンテニル[R11=R12=R13=R15=フッ素原子、R14=水素原子、L2=4−ペンテニル基]、2,3,4,5,6−ペンタフルオロ安息香酸4−ペンテニル[R11=R12=R13=R14=R15=フッ素原子、L2=4−ペンテニル基]等が挙げられる。
分枝鎖のアルケニルエステルとしては、2−フルオロ安息香酸2−メチル−2−プロペニル[R11=フッ素原子、R12=R13=R14=R15=水素原子、L2=2−メチル−2−プロペニル基]、3−フルオロ安息香酸2−メチル−2−プロペニル[R12=フッ素原子、R11=R13=R14=R15=水素原子、L2=2−メチル−2−プロペニル基]、4−フルオロ安息香酸2−メチル−2−プロペニル[R13=フッ素原子、R11=R12=R14=R15=水素原子、L2=2−メチル−2−プロペニル基]、2,4−ジフルオロ安息香酸2−メチル−2−プロペニル[R11=R13=フッ素原子、R12=R14=R15=水素原子、L2=2−メチル−2−プロペニル基]、2,6−ジフルオロ安息香酸2−メチル−2−プロペニル[R11=R15=フッ素原子、R12=R13=R14=水素原子、L2=2−メチル−2−プロペニル基]、2,4,6−トリフルオロ安息香酸2−メチル−2−プロペニル[R11=R13=R15=フッ素原子、R12=R14=水素原子、L2=2−メチル−2−プロペニル基]、2,3,4,6−テトラフルオロ安息香酸2−メチル−2−プロペニル[R11=R12=R13=R15=フッ素原子、R14=水素原子、L2=2−メチル−2−プロペニル基]、2,3,4,5,6−ペンタフルオロ安息香酸2−メチル−2−プロペニル[R11=R12=R13=R15=フッ素原子、R14=水素原子、L2=2−メチル−2−プロペニル基]、2−フルオロ安息香酸3−メチル−2−ブテニル[R11=フッ素原子、R12=R13=R14=R15=水素原子、L2=3−メチル−2−ブテニル基]、3−フルオロ安息香酸3−メチル−2−ブテニル[R12=フッ素原子、R11=R13=R14=R15=水素原子、L2=3−メチル−2−ブテニル基]、4−フルオロ安息香酸3−メチル−2−ブテニル[R13=フッ素原子、R11=R12=R14=R15=水素原子、L2=3−メチル−2−ブテニル基]、2,4−ジフルオロ安息香酸3−メチル−2−ブテニル[R11=R13=フッ素原子、R12=R14=R15=水素原子、L2=3−メチル−2−ブテニル基]、2,6−ジフルオロ安息香酸3−メチル−2−ブテニル[R11=R15=フッ素原子、R12=R13=R14=水素原子、L2=3−メチル−2−ブテニル基]、2,4,6−トリフルオロ安息香酸3−メチル−2−ブテニル[R11=R13=R15=フッ素原子、R12=R14=水素原子、L2=3−メチル−2−ブテニル基]、2,3,4,6−テトラフルオロ安息香酸3−メチル−2−ブテニル[R11=R12=R13=R15=フッ素原子、R14=水素原子、L2=3−メチル−2−ブテニル基]、2,3,4,5,6−ペンタフルオロ安息香酸3−メチル−2−ブテニル[R11=R12=R13=R14=R15=フッ素原子、L2=3−メチル−2−ブテニル基]等が挙げられる。
直鎖アルキニルエステルとしては、2−フルオロ安息香酸2−プロピニル[R11=フッ素原子、R12=R13=R14=R15=水素原子、L2=2−プロピニル基]、3−フルオロ安息香酸2−プロピニル[R12=フッ素原子、R11=R13=R14=R15=水素原子、L2=2−プロピニル基]、4−フルオロ安息香酸2−プロピニル[R13=フッ素原子、R11=R12=R14=R15=水素原子、L2=2−プロピニル基]、2,4−ジフルオロ安息香酸2−プロピニル[R11=R13=フッ素原子、R12=R14=R15=水素原子、L2=2−プロピニル基]、2,6−ジフルオロ安息香酸2−プロピニル[R11=R15=フッ素原子、R12=R13=R14=水素原子、L2=2−プロピニル基]、2,4,6−トリフルオロ安息香酸2−プロピニル[R11=R13=R15=フッ素原子、R12=R14=水素原子、L2=2−プロピニル基]、2,3,4,6−テトラフルオロ安息香酸2−プロピニル[R11=R12=R13=R15=フッ素原子、R14=水素原子、L2=2−プロピニル基]、2,3,4,5,6−ペンタフルオロ安息香酸2−プロピニル[R11=R12=R13=R14=R15=フッ素原子、L2=2−プロピニル基]、2−フルオロ安息香酸2−ブチニル[R11=フッ素原子、R12=R13=R14=R15=水素原子、L2=2−ブチニル基]、3−フルオロ安息香酸2−ブチニル[R12=フッ素原子、R11=R13=R14=R15=水素原子、L2=2−ブチニル基]、4−フルオロ安息香酸2−ブチニル[R13=フッ素原子、R11=R12=R14=R15=水素原子、L2=2−ブチニル基]、2,4−ジフルオロ安息香酸2−ブチニル[R11=R13=フッ素原子、R12=R14=R15=水素原子、L2=2−ブチニル基]、2,6−ジフルオロ安息香酸2−ブチニル[R11=R15=フッ素原子、R12=R13=R14=水素原子、L2=2−ブチニル基]、2,4,6−トリフルオロ安息香酸2−ブチニル[R11=R13=R15=フッ素原子、R12=R14=水素原子、L2=2−ブチニル基]、2,3,4,6−テトラフルオロ安息香酸2−ブチニル[R11=R12=R13=R15=フッ素原子、R14=水素原子、L2=2−ブチニル基]、2,3,4,5,6−ペンタフルオロ安息香酸2−ブチニル[R11=R12=R13=R14=R15=フッ素原子、L2=2−ブチニル基]、2−フルオロ安息香酸3−ブチニル[R11=フッ素原子、R12=R13=R14=R15=水素原子、L2=3−ブチニル基]、3−フルオロ安息香酸3−ブチニル[R12=フッ素原子、R11=R13=R14=R15=水素原子、L2=3−ブチニル基]、4−フルオロ安息香酸3−ブチニル[R13=フッ素原子、R11=R12=R14=R15=水素原子、L2=3−ブチニル基]、2,4−ジフルオロ安息香酸3−ブチニル[R11=R13=フッ素原子、R12=R14=R15=水素原子、L2=3−ブチニル基]、2,6−ジフルオロ安息香酸3−ブチニル[R11=R15=フッ素原子、R12=R13=R14=水素原子、L2=3−ブチニル基]、2,4,6−トリフルオロ安息香酸3−ブチニル[R11=R13=R15=フッ素原子、R12=R14=水素原子、L2=3−ブチニル基]、2,3,4,6−テトラフルオロ安息香酸3−ブチニル[R11=R12=R13=R15=フッ素原子、R14=水素原子、L2=3−ブチニル基]、2,3,4,5,6−ペンタフルオロ安息香酸3−ブチニル[R11=R12=R13=R14=R15=フッ素原子、L2=3−ブチニル基]、2−フルオロ安息香酸4−ペンチニル[R11=フッ素原子、R12=R13=R14=R15=水素原子、L2=4−ペンチニル基]、3−フルオロ安息香酸4−ペンチニル[R12=フッ素原子、R11=R13=R14=R15=水素原子、L2=4−ペンチニル基]、4−フルオロ安息香酸4−ペンチニル[R13=フッ素原子、R11=R12=R14=R15=水素原子、L2=4−ペンチニル基]、2,4−ジフルオロ安息香酸4−ペンチニル[R11=R13=フッ素原子、R12=R14=R15=水素原子、L2=4−ペンチニル基]、2,6−ジフルオロ安息香酸4−ペンチニル[R11=R15=フッ素原子、R12=R13=R14=水素原子、L2=4−ペンチニル基]、2,4,6−トリフルオロ安息香酸4−ペンチニル[R11=R13=R15=フッ素原子、R12=R14=水素原子、L2=4−ペンチニル基]、2,3,4,6−テトラフルオロ安息香酸4−ペンチニル[R11=R12=R13=R15=フッ素原子、R14=水素原子、L2=4−ペンチニル基]、2,3,4,5,6−ペンタフルオロ安息香酸4−ペンチニル[R11=R12=R13=R14=R15=フッ素原子、L2=4−ペンチニル基]、2−フルオロ安息香酸5−ヘキシニル[R11=フッ素原子、R12=R13=R14=R15=水素原子、L2=5−ヘキシニル基]、3−フルオロ安息香酸5−ヘキシニル[R12=フッ素原子、R11=R13=R14=R15=水素原子、L2=5−ヘキシニル基]、4−フルオロ安息香酸5−ヘキシニル[R13=フッ素原子、R11=R12=R14=R15=水素原子、L2=5−ヘキシニル基]、2,4−ジフルオロ安息香酸5−ヘキシニル[R11=R13=フッ素原子、R12=R14=R15=水素原子、L2=5−ヘキシニル基]、2,6−ジフルオロ安息香酸5−ヘキシニル[R11=R15=フッ素原子、R12=R13=R14=水素原子、L2=5−ヘキシニル基]、2,4,6−トリフルオロ安息香酸5−ヘキシニル[R11=R13=R15=フッ素原子、R12=R14=水素原子、L2=5−ヘキシニル基]、2,3,4,6−テトラフルオロ安息香酸5−ヘキシニル[R11=R12=R13=R15=フッ素原子、R14=水素原子、L2=5−ヘキシニル基]、2,3,4,5,6−ペンタフルオロ安息香酸5−ヘキシニル[R11=R12=R13=R14=R15=フッ素原子、L2=5−ヘキシニル基]等が挙げられる。
分枝鎖のアルキニルエステルとしては、2−フルオロ安息香酸1−メチル−2−プロピニル[R11=フッ素原子、R12=R13=R14=R15=水素原子、L2=1−メチル−2−プロピニル基]、3−フルオロ安息香酸1−メチル−2−プロピニル[R12=フッ素原子、R11=R13=R14=R15=水素原子、L2=1−メチル−2−プロピニル基]、4−フルオロ安息香酸1−メチル−2−プロピニル[R13=フッ素原子、R11=R12=R14=R15=水素原子、L2=1−メチル−2−プロピニル基]、2,4−ジフルオロ安息香酸1−メチル−2−プロピニル[R11=R13=フッ素原子、R12=R14=R15=水素原子、L2=1−メチル−2−プロピニル基]、2,6−ジフルオロ安息香酸1−メチル−2−プロピニル[R11=R15=フッ素原子、R12=R13=R14=水素原子、L2=1−メチル−2−プロピニル基]、2,4,6−トリフルオロ安息香酸1−メチル−2−プロピニル[R11=R13=R15=フッ素原子、R12=R14=水素原子、L2=1−メチル−2−プロピニル基]、2,3,4,6−テトラフルオロ安息香酸1−メチル−2−プロピニル[R11=R12=R13=R15=フッ素原子、R14=水素原子、L2=1−メチル−2−プロピニル基]、2,3,4,5,6−ペンタフルオロ安息香酸1−メチル−2−プロピニル[R11=R12=R13=R14=R15=フッ素原子、L2=1−メチル−2−プロピニル基]、2−フルオロ安息香酸1−メチル−2−ブチニル[R11=フッ素原子、R12=R13=R14=R15=水素原子、L2=1−メチル−2−ブチニル基]、3−フルオロ安息香酸1−メチル−2−ブチニル[R12=フッ素原子、R11=R13=R14=R15=水素原子、L2=1−メチル−2−ブチニル基]、4−フルオロ安息香酸1−メチル−2−ブチニル[R13=フッ素原子、R11=R12=R14=R15=水素原子、L2=1−メチル−2−ブチニル基]、2,4−ジフルオロ安息香酸1−メチル−2−ブチニル[R11=R13=フッ素原子、R12=R14=R15=水素原子、L2=1−メチル−2−ブチニル基]、2,6−ジフルオロ安息香酸1−メチル−2−ブチニル[R11=R15=フッ素原子、R12=R13=R14=水素原子、L2=1−メチル−2−ブチニル基]、2,4,6−トリフルオロ安息香酸1−メチル−2−ブチニル[R11=R13=R15=フッ素原子、R12=R14=水素原子、L2=1−メチル−2−ブチニル基]、2,3,4,6−テトラフルオロ安息香酸1−メチル−2−ブチニル[R11=R12=R13=R15=フッ素原子、R14=水素原子、L2=1−メチル−2−ブチニル基]、2,3,4,5,6−ペンタフルオロ安息香酸1−メチル−2−ブチニル[R11=R12=R13=R14=R15=フッ素原子、L2=1−メチル−2−ブチニル基]、2−フルオロ安息香酸1,1−ジメチル−2−プロピニル[R11=フッ素原子、R12=R13=R14=R15=水素原子、L2=1,1−ジメチル−2−プロピニル基]、3−フルオロ安息香酸1,1−ジメチル−2−プロピニル[R12=フッ素原子、R11=R13=R14=R15=水素原子、L2=1,1−ジメチル−2−プロピニル基]、4−フルオロ安息香酸1,1−ジメチル−2−プロピニル[R13=フッ素原子、R11=R12=R14=R15=水素原子、L2=1,1−ジメチル−2−プロピニル基]、2,4−ジフルオロ安息香酸1,1−ジメチル−2−プロピニル[R11=R13=フッ素原子、R12=R14=R15=水素原子、L2=1,1−ジメチル−2−プロピニル基]、2,6−ジフルオロ安息香酸1,1−ジメチル−2−プロピニル[R11=R15=フッ素原子、R12=R13=R14=水素原子、L2=1,1−ジメチル−2−プロピニル基]、2,4,6−トリフルオロ安息香酸1,1−ジメチル−2−プロピニル[R11=R13=R15=フッ素原子、R12=R14=水素原子、L2=1,1−ジメチル−2−プロピニル基]、2,3,4,6−テトラフルオロ安息香酸1,1−ジメチル−2−プロピニル[R11=R12=R13=R15=フッ素原子、R14=水素原子、L2=1,1−ジメチル−2−プロピニル基]、2,3,4,5,6−ペンタフルオロ安息香酸1,1−ジメチル−2−プロピニル[R11=R12=R13=R14=R15=フッ素原子、L2=1,1−ジメチル−2−プロピニル基]等が挙げられる。
芳香族エステルとしては、2−フルオロ安息香酸フェニル[R11=フッ素原子、R12=R13=R14=R15=水素原子、L2=フェニル基]、3−フルオロ安息香酸フェニル[R12=フッ素原子、R11=R13=R14=R15=水素原子、L2=フェニル基]、4−フルオロ安息香酸フェニル[R13=フッ素原子、R11=R12=R14=R15=水素原子、L2=フェニル基]、2,4−ジフルオロ安息香酸フェニル[R11=R13=フッ素原子、R12=R14=R15=水素原子、L2=フェニル基]、2,6−ジフルオロ安息香酸フェニル[R11=R15=フッ素原子、R12=R13=R14=水素原子、L2=フェニル基]、2,4,6−トリフルオロ安息香酸フェニル[R11=R13=R15=フッ素原子、R12=R14=水素原子、L2=フェニル基]、2,3,4,6−テトラフルオロ安息香酸フェニル[R11=R12=R13=R15=フッ素原子、R14=水素原子、L2=フェニル基]、2,3,4,5,6−ペンタフルオロ安息香酸フェニル[R11=R12=R13=R14=R15=フッ素原子、L2=フェニル基]、2−フルオロ安息香酸トリル[R11=フッ素原子、R12=R13=R14=R15=水素原子、L2=トリル基]、3−フルオロ安息香酸トリル[R12=フッ素原子、R11=R13=R14=R15=水素原子、L2=トリル基]、4−フルオロ安息香酸トリル[R13=フッ素原子、R11=R12=R14=R15=水素原子、L2=トリル基]、2,4−ジフルオロ安息香酸トリル[R11=R13=フッ素原子、R12=R14=R15=水素原子、L2=トリル基]、2,6−ジフルオロ安息香酸トリル[R11=R15=フッ素原子、R12=R13=R14=水素原子、L2=トリル基]、2,4,6−トリフルオロ安息香酸トリル[R11=R13=R15=フッ素原子、R12=R14=水素原子、L2=トリル基]、2,3,4,6−テトラフルオロ安息香酸トリル[R11=R12=R13=R15=フッ素原子、R14=水素原子、L2=トリル基]、2,3,4,5,6−ペンタフルオロ安息香酸トリル[R11=R12=R13=R14=R15=フッ素原子、L2=キシリル基]、2−フルオロ安息香酸キシリル[R11=フッ素原子、R12=R13=R14=R15=水素原子、L2=キシリル基]、3−フルオロ安息香酸キシリル[R12=フッ素原子、R11=R13=R14=R15=水素原子、L2=キシリル基]、4−フルオロ安息香酸キシリル[R13=フッ素原子、R11=R12=R14=R15=水素原子、L2=キシリル基]、2,4−ジフルオロ安息香酸キシリル[R11=R13=フッ素原子、R12=R14=R15=水素原子、L2=キシリル基]、2,6−ジフルオロ安息香酸キシリル[R11=R15=フッ素原子、R12=R13=R14=水素原子、L2=キシリル基]、2,4,6−トリフルオロ安息香酸キシリル[R11=R13=R15=フッ素原子、R12=R14=水素原子、L2=キシリル基]、2,3,4,6−テトラフルオロ安息香酸キシリル[R11=R12=R13=R15=フッ素原子、R14=水素原子、L2=キシリル基]、2,3,4,5,6−ペンタフルオロ安息香酸キシリル[R11=R12=R13=R14=R15=フッ素原子、L2=キシリル基]、2−フルオロ安息香酸メシチル[R11=フッ素原子、R12=R13=R14=R15=水素原子、L2=メシチル基]、3−フルオロ安息香酸メシチル[R12=フッ素原子、R11=R13=R14=R15=水素原子、L2=メシチル基]、4−フルオロ安息香酸メシチル[R13=フッ素原子、R11=R12=R14=R15=水素原子、L2=メシチル基]、2,4−ジフルオロ安息香酸メシチル[R11=R13=フッ素原子、R12=R14=R15=水素原子、L2=メシチル基]、2,6−ジフルオロ安息香酸メシチル[R11=R15=フッ素原子、R12=R13=R14=水素原子、L2=メシチル基]、2,4,6−トリフルオロ安息香酸メシチル[R11=R13=R15=フッ素原子、R12=R14=水素原子、L2=メシチル基]、2,3,4,6−テトラフルオロ安息香酸メシチル[R11=R12=R13=R15=フッ素原子、R14=水素原子、L2=メシチル基]、2,3,4,5,6−ペンタフルオロ安息香酸メシチル[R11=R12=R13=R14=R15=フッ素原子、L2=メシチル基]、2−フルオロ安息香酸フルオロフェニル[R11=フッ素原子、R12=R13=R14=R15=水素原子、L2=フルオロフェニル基]、3−フルオロ安息香酸フルオロフェニル[R12=フッ素原子、R11=R13=R14=R15=水素原子、L2=フルオロフェニル基]、4−フルオロ安息香酸フルオロフェニル[R13=フッ素原子、R11=R12=R14=R15=水素原子、L2=フルオロフェニル基]、2,4−ジフルオロ安息香酸フルオロフェニル[R11=R13=フッ素原子、R12=R14=R15=水素原子、L2=フルオロフェニル基]、2,6−ジフルオロ安息香酸フルオロフェニル[R11=R15=フッ素原子、R12=R13=R14=水素原子、L2=フルオロフェニル基]、2,4,6−トリフルオロ安息香酸フルオロフェニル[R11=R13=R15=フッ素原子、R12=R14=水素原子、L2=フルオロフェニル基]、2,3,4,6−テトラフルオロ安息香酸フルオロフェニル[R11=R12=R13=R15=フッ素原子、R14=水素原子、L2=フルオロフェニル基]、2,3,4,5,6−ペンタフルオロ安息香酸フルオロフェニル[R11=R12=R13=R14=R15=フッ素原子、L2=フルオロフェニル基]、2−フルオロ安息香酸ビフェニル[R11=フッ素原子、R12=R13=R14=R15=水素原子、L2=ビフェニル基]、3−フルオロ安息香酸ビフェニル[R12=フッ素原子、R11=R13=R14=R15=水素原子、L2=ビフェニル基]、4−フルオロ安息香酸ビフェニル[R13=フッ素原子、R11=R12=R14=R15=水素原子、L2=ビフェニル基]、2,4−ジフルオロ安息香酸ビフェニル[R11=R13=フッ素原子、R12=R14=R15=水素原子、L2=ビフェニル基]、2,6−ジフルオロ安息香酸ビフェニル[R11=R15=フッ素原子、R12=R13=R14=水素原子、L2=ビフェニル基]、2,4,6−トリフルオロ安息香酸ビフェニル[R11=R13=R15=フッ素原子、R12=R14=水素原子、L2=ビフェニル基]、2,3,4,6−テトラフルオロ安息香酸ビフェニル[R11=R12=R13=R15=フッ素原子、R14=水素原子、L2=ビフェニル基]、2,3,4,5,6−ペンタフルオロ安息香酸ビフェニル[R11=R12=R13=R14=R15=フッ素原子、L2=ビフェニル基]等の芳香族エステルを挙げることができる。
これらの中でも、2,4−ジフルオロ安息香酸ビニル、2,6−ジフルオロ安息香酸ビニル、2,4,6−トリフルオロ安息香酸ビニル、2,3,4,5,6−ペンタフルオロ安息香酸ビニル、2,4−ジフルオロ安息香酸2−プロペニル、2,6−ジフルオロ安息香酸2−プロペニル、2,4,6−トリフルオロ安息香酸2−プロペニル、2,3,4,5,6−ペンタフルオロ安息香酸2−プロペニル、2,4−ジフルオロ安息香酸2−プロピニル、2,6−ジフルオロ安息香酸2−プロピニル、2,4,6−トリフルオロ安息香酸2−プロピニル、2,3,4,5,6−ペンタフルオロ安息香酸2−プロピニルが初期容量やサイクル特性が高いため好ましい。
〔一般式(IV)で表される化合物〕
本願発明の非水電解液中に含有される化合物は、下記一般式(IV)で表される。
Figure 2008093837
(式中、R4はメトキシ基又はエトキシ基を示し、R5は、炭素数1〜6の直鎖又は分枝鎖のアルキル基、炭素数2〜6の直鎖又は分枝鎖のアルケニル基、炭素数3〜6の直鎖又は分枝鎖のアルキニル基、フェニル基又はビフェニル基を示す。)
前記一般式(IV)におけるR4としては、メトキシ基又はエトキシ基が挙げられるが、好ましくはメトキシ基である。
5である炭素数1〜6の直鎖又は分枝のアルキル基としては、メチル基、エチル基、1−プロピル基、2−プロピル基、1−ブチル基、sec−ブチル基、iso−ブチル基、tert−ブチル基、1−ペンチル基、tert−ペンチル基、ヘキシル基が挙げられる。
5である炭素数2〜6の直鎖又は分枝のアルケニル基としては、ビニル基、2−プロペニル基、2−ブテニル基、3−ブテニル基、4−ペンテニル基等が挙げられ、炭素数3〜6の直鎖又は分枝のアルキニル基としては、2−プロピニル基、2−ブチニル基、3−ブチニル基、4−ペンチニル基、5−ヘキシニル基、1−メチル−2−プロピニル基等が挙げられる。
5であるフェニル基は、炭素数1〜6のアルキル基やフッ素原子で置換されていてもよく、フェニル基、トリル基、キシリル基、メシチル基、フルオロフェニル基等が挙げられる。また、ビフェニル基は、炭素数1〜6のアルキル基やフッ素原子で置換されていてもよい。
これらの中でも、R5に炭素数1〜3のアルキル基を有する場合が、負極表面上に緻密な被膜を形成し充放電による電解液の還元分解を抑制することができるためより好ましく、メチル基又はエチル基を有する場合が最も好ましい。
一般式(IV)で表されるエステル化合物としては、具体的には、3−メトキシ−2,4,5−トリフルオロ安息香酸メチル[R4=メトキシ基、R5=メチル基]、3−メトキシ−2,4,5−トリフルオロ安息香酸エチル[R4=メトキシ基、R5=エチル基]、3−メトキシ−2,4,5−トリフルオロ安息香酸プロピル[R4=メトキシ基、R5=プロピル基]、3−メトキシ−2,4,5−トリフルオロ安息香酸ビニル[R4=メトキシ基、R5=ビニル基]、3−メトキシ−2,4,5−トリフルオロ安息香酸2−プロペニル[R4=メトキシ基、R5=2−プロペニル基]、3−メトキシ−2,4,5−トリフルオロ安息香酸2−ブテニル[R4=メトキシ基、R5=2−ブテニル基]、3−メトキシ−2,4,5−トリフルオロ安息香酸3−ブテニル[R4=メトキシ基、R5=3−ブテニル基]、3−メトキシ−2,4,5−トリフルオロ安息香酸4−ペンテニル[R4=メトキシ基、R5=4−ペンテニル基]、3−メトキシ−2,4,5−トリフルオロ安息香酸2−プロピニル[R4=メトキシ基、R5=2−プロピニル基]、3−メトキシ−2,4,5−トリフルオロ安息香酸2−ブチニル[R4=メトキシ基、R5=2−ブチニル基]、3−メトキシ−2,4,5−トリフルオロ安息香酸4−ペンチニル[R4=メトキシ基、R5=4−ペンチニル基]、3−メトキシ−2,4,5−トリフルオロ安息香酸5−ヘキシニル[R4=メトキシ基、R5=5−ヘキシニル基]、3−メトキシ−2,4,5−トリフルオロ安息香酸1−メチル−2−プロピニル[R4=メトキシ基、R5=1−メチル−2−プロピニル基]、3−メトキシ−2,4,5−トリフルオロ安息香酸フェニル[R4=メトキシ基、R5=フェニル基]、3−メトキシ−2,4,5−トリフルオロ安息香酸トリル[R4=メトキシ基、R5=トリル基]、3−メトキシ−2,4,5−トリフルオロ安息香酸キシリル[R4=メトキシ基、R5=キシリル基]、3−メトキシ−2,4,5−トリフルオロ安息香酸ビフェニル[R4=メトキシ基、R5=ビフェニル基]等を挙げることができる。
これらの中でも、3−メトキシ−2,4,5−トリフルオロ安息香酸メチル、3−メトキシ−2,4,5−トリフルオロ安息香酸エチル、3−メトキシ−2,4,5−トリフルオロ安息香酸ビニル、3−メトキシ−2,4,5−トリフルオロ安息香酸2−プロペニル[R5=2−プロペニル、3−メトキシ−2,4,5−トリフルオロ安息香酸2−プロピニル、3−メトキシ−2,4,5−トリフルオロ安息香酸フェニル、3−メトキシ−2,4,5−トリフルオロ安息香酸トリル、3−メトキシ−2,4,5−トリフルオロ安息香酸ビフェニルが好ましく、3−メトキシ−2,4,5−トリフルオロ安息香酸メチル、3−メトキシ−2,4,5−トリフルオロ安息香酸エチルがより好ましい。
〔非水電解液〕
本発明の第1の非水電解液は、非水溶媒に電解質塩が溶解されている非水電解液において、前記一般式(III)で表されるエステル化合物を、該非水電解液の重量に対して0.01〜10重量%含有することを特徴とする。
Figure 2008093837
(式中、R11〜R15及びL2は、前記のとおりである。)
本発明の非水電解液において、非水電解液中に含有される一般式(III)で表されるエステル化合物の含有量は、10重量%を超えると電池容量が低下する場合があり、また、0.01重量%に満たないと被膜の形成が十分でなく、初期の電池容量が得られない。したがって、該化合物の含有量は、非水電解液の重量に対して0.01重量%以上が好ましく、0.1重量%以上がより好ましく、0.2重量%がさらに好ましく、0.3重量%以上が最も好ましい。また、その上限は10重量%以下が好ましく、7重量%以下がより好ましく、5重量%以下がさらに好ましく、3重量%以下が最も好ましい。
また、本発明の第2の非水電解液は、非水溶媒に電解質塩が溶解されている非水電解液において、下記一般式(II)及び/又は(IV)で表されるエステル化合物を、該非水電解液の重量に対して0.01〜10重量%含有することを特徴とする。
Figure 2008093837
(式中、R3及びL1は、前記のとおりである。)
Figure 2008093837
(式中、R4及びR5は、前記のとおりである。)
本発明の非水電解液において、非水電解液中に含有される一般式(II)及び/又は(IV)で表されるエステル化合物の含有量は、10重量%を超えると電気容量が低下する場合があり、また、0.01重量%に満たないと被膜の形成が十分でなくやはり電気容量が得られない。したがって、該エステル化合物の含有量は、非水電解液の重量に対して0.01重量%以上が好ましく、0.1重量%以上がより好ましく、0.2重量%がさらに好ましく、0.3重量%以上が最も好ましい。また、その上限は10重量%以下が好ましく、7重量%以下がより好ましく、5重量%以下がさらに好ましく、3重量%以下が最も好ましい。
〔非水溶媒〕
本発明の非水電解液に使用される非水溶媒としては、環状カーボネート類、鎖状カーボネート類、鎖状エステル類、エーテル類、アミド類、リン酸エステル類、スルホン類、ラクトン類、ニトリル類、S=O結合含有化合物等が挙げられる。
環状カーボネート類としては、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ブチレンカーボネート(BC)、フルオロエチレンカーボネート(FEC)、ビニレンカーボネート(VC)、ジメチルビニレンカーボネート、ビニルエチレンカーボネート等が挙げられる。これらの環状カーボネートは1種類で使用してもよいが、特に、高誘電率を有するEC、PC、VC、FECから選ばれる少なくとも2種以上を含むと、電解液の電導度が上がり、サイクル特性が向上するので好ましく、とりわけ3〜4種類を組み合わせると更に好ましい。
環状カーボネートの含有量は、非水溶媒の総容量に対して、10〜40容量%の範囲で用いるのが好ましい。該含有量が10容量%未満であると電解液の電気伝導度が低下し、サイクル特性が低下する傾向があり、40容量%を超えると電解液の粘度が上昇し、サイクル特性が低下する傾向があるので上記範囲であることが好ましい。
鎖状カーボネート類としては、メチルエチルカーボネート(MEC)、メチルプロピルカーボネート、メチルイソプロピルカーボネート、メチルブチルカーボネート、エチルプロピルカーボネート等の非対称鎖状カーボネート、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、ジプロピルカーボネート、ジブチルカーボネート等の対称鎖状カーボネートが挙げられ、特に非対称カーボネートを含むとサイクル特性が向上するので好ましい。
これらの鎖状カーボネート類は1種類で使用してもよいが、2種類以上を組み合わせて使用すると、サイクル特性が向上するので好ましい。
鎖状カーボネートの含有量は、非水溶媒の総容量に対して、60〜90容量%の範囲で用いるのが好ましい。該含有量が60容量%未満であると電解液の粘度が上昇し、サイクル特性が低下する傾向がある。また、90容量%を超えると電解液の電気伝導度が低下し、サイクル特性が低下する傾向があるので上記範囲であることが好ましい。
また、鎖状エステル類としては、プロピオン酸メチル、ピバリン酸メチル、ピバリン酸ブチル、ピバリン酸ヘキシル、ピバリン酸オクチル、シュウ酸ジメチル、シュウ酸エチルメチル、シュウ酸ジエチル等が挙げられ、エーテル類としては、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、1,3−ジオキサン、1,4−ジオキサン、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキシエタン、1,2−ジブトキシエタン等が挙げられる。
アミド類としては、ジメチルホルムアミド等が挙げられ、リン酸エステル類としては、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等が挙げられ、スルホン類としてはジビニルスルホン、スルホラン等が挙げられ、ラクトン類としてはγ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン、α−アンゲリカラクトン等、ニトリル類としてはアセトニトリル、スクシノニトリル、アジポニトリル等が挙げられる。これらニトリルとS=O結合含有化合物を組み合わせて使用すると、サイクル特性が向上するので好ましい。
S=O結合含有化合物の具体例としては、1,3−プロパンスルトン(PS)、1,4−プロパンスルトン、1,3−ブタンジオールジメタンスルホネート、1,4−ブタンジオールジメタンスルホネート、ジビニルスルホン、エチレンサルファイト、プロピレンサルファイト、ビニルエチレンサルファイト、ビニレンサルファイト、メチル2−プロピニルサルファイト、エチル2−プロピニルサルファイト、ジプロピニルサルファイト、シクロヘキシルサルファイト、エチレンサルフェート、プロピレンサルフェート等が挙げられる。
上記の非水溶媒は通常、適切な物性を達成するために、混合して使用される。その組合せは、例えば、環状カーボネート類と鎖状カーボネート類の組合せ、環状カーボネート類と鎖状カーボネート類とラクトン類との組合せ、環状カーボネート類と鎖状カーボネート類とエーテル類の組合せ、環状カーボネート類と鎖状カーボネート類と鎖状エステル類との組合せ等が挙げられる。
これらの中でも、環状カーボネート類と鎖状カーボネート類の組合せが好ましく、具体的には、EC、PC、VC、FEC等の環状カーボネート類と、DMC、MEC、DEC等の鎖状カーボネート類との組合せが、サイクル特性を向上できるので特に好ましい。
環状カーボネート類と鎖状カーボネート類の割合は、サイクル特性向上の観点から、環状カーボネート類:鎖状カーボネート類(容量比)が10:90〜40:60が好ましく、15:85〜35:65がより好ましく、20:80〜30:70が特に好ましい。
〔電解質塩〕
本発明に使用される電解質としては、LiPF6、LiBF4、LiClO4等のLi塩、LiN(SO2CF32、LiN(SO2252、LiCF3SO3、LiC(SO2CF33、LiPF4(CF32、LiPF3(C253、LiPF3(CF33、LiPF3(iso−C373、LiPF5(iso−C37)等の鎖状のフッ化アルキル基を含有するリチウム塩や、(CF22(SO22NLi、(CF23(SO22NLi等の環状のフッ化アルキレン鎖を含有するリチウム塩が挙げられる。これらの中でも、特に好ましい電解質塩は、LiPF6、LiBF4、LiN(SO2CF32、LiN(SO2252であり、最も好ましい電解質塩はLiPF6、LiBF4及びLiN(SO2CF32である。これらの電解質塩は、1種単独で又は2種以上を組み合わせて使用することができる。
これらの電解質塩の好適な組合せとしては、LiPF6を含み、さらにLiBF4、LiN(SO2CF32及びLiN(SO2252から選ばれる少なくとも1種を含む組合せが挙げられる。好ましくは、LiPF6とLiBF4との組合せ、LiPF6とLiN(SO2CF32との組合せ、LiPF6とLiN(SO2252との組合せ等が挙げられる。LiPF6:LiBF4又はLiN(SO2CF32又はLiN(SO2252(モル比)が70:30よりもLiPF6の割合が少ない場合、及び99:1よりもLiPF6の割合が多い場合にはサイクル特性が低下する場合がある。したがって、LiPF6:LiBF4又はLiN(SO2CF32又はLiN(SO2252(モル比)は、70:30〜99:1の範囲が好ましく、80:20〜98:2の範囲がより好ましい。上記範囲の組合せで使用することにより、サイクル特性が向上する。
電解質塩は任意の割合で混合することができるが、LiPF6と組み合わせて使用する場合のLiBF4、LiN(SO2CF32及びLiN(SO2252を除く他の電解質塩が全電解質塩に占める割合(モル比)は、0.01%に満たないと高温保存特性の向上効果が乏しく、45%を超えると高温保存特性は低下する場合がある。したがって、その割合(モル比)は、好ましくは0.01〜45%、より好ましくは0.03〜20%、更に好ましくは0.05〜10%、最も好ましくは0.05〜5%である。
これら全電解質塩が溶解されて使用される濃度は、前記の非水溶媒に対して、通常0.3M以上が好ましく、0.5M以上がより好ましく、0.7M以上が最も好ましい。またその上限は、2.5M以下が好ましく、2.0M以下がより好ましく、1.5M以下が更に好ましく、1.2M以下が最も好ましい。
〔その他の添加剤〕
本発明の非水電解液には、芳香族化合物を含有させることにより、過充電時の電池の安全性を確保することができる。かかる芳香族化合物の好適例としては、シクロヘキシルベンゼン、フルオロシクロヘキシルベンゼン化合物(1−フルオロ−2−シクロヘキシルベンゼン、1−フルオロ−3−シクロヘキシルベンゼン、1−フルオロ−4−シクロヘキシルベンゼン)、tert−ブチルベンゼン、tert−アミルベンゼン、1−フルオロ−4−tert−ブチルベンゼン、1,3−ジ−tert−ブチルベンゼン、ビフェニル、ターフェニル(o−、m−、p−体)、ジフェニルエーテル、フルオロベンゼン、ジフルオロベンゼン(o−、m−、p−体)、2,4−ジフルオロアニソール、ターフェニルの部分水素化物(1,2−ジシクロヘキシルベンゼン、2−フェニルビシクロヘキシル、1,2−ジフェニルシクロヘキサン、o−シクロヘキシルビフェニル)等が挙げられる。これらの芳香族化合物は、1種類で使用してもよく、また2種類以上を組み合わせて使用してもよい。
〔非水電解液の製造〕
本発明の非水電解液は、例えば、前記の非水溶媒を混合し、これに前記の電解質塩及び該非水電解液の重量に対して、前記一般式(II)、(III)及び(IV)で表される化合物から選ばれる1種以上を0.01〜10重量%溶解させることにより得ることができる。
この際、用いる非水溶媒、及び電解液に加える化合物は、生産性を著しく低下させない範囲内で、予め精製して、不純物が極力少ないものを用いることが好ましい。
本発明の非水電解液には、例えば、空気や二酸化炭素を含ませることにより、さらに電解液の分解によるガス発生の抑制や、長期にわたるサイクル特性や充電保存特性等の電池特性を向上させることができる。
本発明においては、高温における充放電特性向上の観点から、非水電解液中に二酸化炭素を溶解させた電解液を用いることが特に好ましい。二酸化炭素の溶解量は、非水電解液の重量に対して0.001重量%以上が好ましく、0.05重量%以上がより好ましく、0.2重量%以上がより好ましく、非水電解液に二酸化炭素を飽和するまで溶解させることが最も好ましい。
〔リチウム二次電池〕
本発明のリチウム二次電池は、正極、負極及び非水溶媒に電解質塩が溶解されている前記非水電解液からなる。非水電解液以外の正極、負極等の構成部材は特に制限なく使用できる。
例えば、正極活物質としては、コバルト、マンガン、ニッケルを含有するリチウムとの複合金属酸化物が使用される。これらの正極活物質は、1種単独又は2種以上を組み合わせて用いることができる。
このような複合金属酸化物としては、例えば、LiCoO2、LiMn24、LiNiO2、LiCo1-xNix2(0.01<x<1)、LiCo1/3Ni1/3Mn1/32、LiNi1/2Mn3/24、LiCo0.98Mg0.022等が挙げられる。また、LiCoO2とLiMn24、LiCoO2とLiNiO2、LiMn24とLiNiO2のように併用してもよい。
また、過充電時の安全性やサイクル特性を向上したり、4.3V以上の充電電位での使用を可能にするためにリチウム複合酸化物の一部は他元素で置換してもよく、コバルト、マンガン、ニッケルの一部をSn、Mg、Fe、Ti、Al、Zr、Cr、V、Ga、Zn、Cu、Bi、Mo、La等の少なくとも1種以上の元素で置換したり、Oの一部をSやFで置換したり、又はこれらの他元素を含有する化合物を被覆することもできる。
これらの中では、LiCoO2、LiMn24、LiNiO2のような満充電状態における正極の充電電位がLi基準で4.3V以上で使用可能なリチウム複合金属酸化物が好ましく、LiCo1-xx2(但し、MはSn、Mg、Fe、Ti、Al、Zr、Cr、V、Ga、Zn、Cuから表される少なくとも1種類以上の元素、0.001≦x≦0.05)、LiCo1/3Ni1/3Mn1/32、LiNi1/2Mn3/24のような4.4V以上で使用可能なリチウム複合酸化物がより好ましい。高充電電圧のリチウム遷移金属複合酸化物を使用すると、充電時における電解液との反応によりガス発生が生じやすいが、本発明に係るリチウム二次電池ではガス発生を抑制することができる。
更に、正極活物質としてリチウム含有オリビン型リン酸塩を用いることもできる。その具体例としては、LiFePO4、LiCoPO4、LiNiPO4、LiMnPO4、LiFe1-xxPO4(M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種であり、xは、0≦x≦0.5である。)等が挙げられる。これらの中では、LiFePO4又はLiCoPO4が好ましい。
リチウム含有オリビン型リン酸塩は、例えば、前記の正極活物質と混合して用いることもできる。
正極の導電剤は、化学変化を起こさない電子伝導材料であれば特に制限はない。例えば、天然黒鉛(鱗片状黒鉛等)、人造黒鉛等のグラファイト類、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チェンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラック等のカーボンブラック類等が挙げられる。また、グラファイト類とカーボンブラック類を適宜混合して用いてもよい。導電剤の正極合剤への添加量は、1〜10重量%が好ましく、特に2〜5重量%が好ましい。
正極は、前記の正極活物質をアセチレンブラック、カーボンブラック等の導電剤、及びポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、スチレンとブタジエンの共重合体(SBR)、アクリロニトリルとブタジエンの共重合体(NBR)、カルボキシメチルセルロース(CMC)、エチレンプロピレンジエンターポリマー等の結着剤と混合し、これに1−メチル−2−ピロリドン等の高沸点溶剤を加えて混練して正極合剤とした後、この正極合剤を集電体のアルミニウム箔やステンレス製のラス板等に塗布して、乾燥、加圧成型した後、50℃〜250℃程度の温度で2時間程度真空下で加熱処理することにより作製することができる。
負極活物質としては、リチウム金属やリチウム合金、及びリチウムを吸蔵・放出することが可能な炭素材料や金属化合物等を1種単独又は2種以上を組み合わせて用いることができる。
これらの中では、リチウムイオンの吸蔵・放出能力において人造黒鉛や天然黒鉛等の高結晶性の炭素材料を使用することが好ましく、格子面(002)の面間隔(d002)が0.340nm(ナノメータ)以下、特に0.335〜0.337nmである黒鉛型結晶構造を有する炭素材料を使用することが特に好ましい。また、高結晶性の炭素材料は低結晶性の炭素材料によって被膜されていると、ガス発生が抑制されるので好ましい。高結晶性の炭素材料を使用すると、充電時において電解液と反応してガスを発生しやすいが、本発明に係るリチウム二次電池ではその反応を抑制することができる。
また、負極活物質としてのリチウムを吸蔵及び放出可能な金属化合物としては、Si、Ge、Sn、Pb、P、Sb、Bi、Al、Ga、In、Ti、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ag、Mg、Sr、Ba等の金属元素を少なくとも1種含有する化合物が挙げられる。これらの金属化合物は単体、合金、酸化物、窒化物、硫化物、硼化物、リチウムとの合金等、何れの形態で用いてもよいが、単体、合金、酸化物、リチウムとの合金の何れかが高容量化できるので好ましい。中でも、Si、Ge及びSnから選ばれる少なくとも1種の元素を含有するものが好ましく、Si及びSnから選ばれる少なくとも1種の元素を含むものが電池を高容量化できるので特に好ましい。
負極は、上記の正極の作製と同様な導電剤、結着剤、高沸点溶剤を用いて混練して負極合剤とした後、この負極合剤を集電体の銅箔等に塗布して、乾燥、加圧成型した後、50℃〜250℃程度の温度で2時間程度真空下で加熱処理することにより作製することができる。
本発明においては、前記一般式(II)、(III)及び(IV)で表されるエステル化合物の添加効果を高めるために、電極合剤密度を高めることが好ましい。特に、アルミニウム箔上に形成される正極の活物質として、コバルト、マンガン、ニッケルを含有するリチウムとの複合金属酸化物を用いた場合、正極(正極合剤層)の密度は3.2g/cm3以上が好ましく、3.3g/cm3以上がより好ましく、3.4g/cm3以上が最も好ましい。またその上限は、4.0g/cm3を超えると実質上作製が困難となる場合があるため、4.0g/cm3以下が好ましく、3.9g/cm3以下がより好ましく、3.8g/cm3以下が最も好ましい。
また、正極活物質として、リチウム含有オリビン型リン酸塩を用いた場合、正極(正極合剤層)の密度は1.3g/cm3以上が好ましく、1.4g/cm3以上がより好ましく、1.5g/cm3以上が最も好ましい。またその上限は、4.0g/cm3を超えると実質上作製が困難となる場合があるため、4.0g/cm3以下が好ましく、3.5g/cm3以下がより好ましく、3.0g/cm3以下が最も好ましい。
一方、銅箔上に形成される負極(負極合剤層)の密度は、1.3g/cm3以上が好ましく、1.4g/cm3以上がより好ましく、1.5g/cm3以上が最も好ましい。その上限は、2.0g/cm3を超えると実質上作製が困難となる場合があるため、2.0g/cm3以下が好ましく、1.9g/cm3以下がより好ましく、1.8g/cm3以下が最も好ましい。
また、正極の電極層の厚さ(集電体片面当たり)は、電極材料層の厚みが薄すぎると、電極材料層での活物質量が低下して電池容量が小さくなるため、30μm以上が好ましく、50μm以上がより好ましい。また、その厚さが厚すぎると、サイクル特性やレート特性が低下するので好ましくない。したがって、正極の電極層の厚さは、120μm以下が好ましく、100μm以下がより好ましい。
負極の電極層の厚さ(集電体片面当たり)は薄すぎると、電極材料層での活物質量が低下して電池容量が小さくなるため、1μm以上が好ましく、3μm以上がより好ましい。また、その厚さが厚すぎると、サイクル特性やレート特性が低下するので好ましくない。したがって、負極の電極層の厚さは、100μm以下が好ましく、70μm以下がより好ましい。
更に、本発明における正負電極は集電体の両面に電極合剤を塗布した形態であることが好ましい。この場合、片面当たりの層数は1層であっても2層以上から構成されていてもよい。片面当たりの層の数が2以上である場合、正極活物質(又は負極活物質)含有層が2層以上であっても良い。より好ましい構成は、正極活物質(又は負極活物質)を含有する層と正極活物質(又は負極活物質)を含有しない層から構成される場合であり、正極活物質(又は負極活物質)を含有しない層は、正極活物質(又は負極活物質)を含有する層を保護する保護層、分割された正極活物質(又は負極活物質)含有層の間にある中間層、正極活物質(又は負極活物質)含有層と集電体との間にある下塗り層等があるが、本発明においてはこれらを総称して補助層という。
補助層の厚さ(片面当たり)は薄すぎると、電解液の分解を抑制できないため、1μm以上が好ましく、3μm以上がより好ましい。また、その厚さが厚すぎると、イオンの移動を阻害し、サイクル特性やレート特性が低下するので好ましくない。したがって、補助層の厚さは、20μm以下が好ましく、10μm以下がより好ましい。
本発明において、前記一般式(II)、(III)及び(IV)で表されるエステル化合物の添加効果を高めるために、保護層を有する構成が特に好ましい。保護層は正負電極の両方又は正負電極の何れかにあることが好ましく、特に、負極に保護層を有する形態であることが望ましい。保護層は、少なくとも1層からなり、同種又は異種の複数層により構成されていても良い。保護層は、水不溶性の粒子と結着剤等から構成され、結着剤は、前述の電極合剤を形成する際に用いられる結着剤を用いることができる。水不溶性の粒子としては、アルカリ金属特にリチウムとの反応性が低いものが好ましく、種々の導電性粒子、実質的に導電性を有さない有機及び無機の粒子を少なくとも一種以上を用いることができる。また、保護層に含まれる不溶性の粒子の割合は2.5重量%以上、99重量%以下が好ましく、5重量%以上、98重量%以下が特に好ましい。
水不溶性の導電性粒子としては、金属、金属酸化物、金属繊維、炭素繊維、カーボンブラックや黒鉛等の炭素粒子を挙げることができる。また、導電性を持たない水不溶性粒子としては、テフロン(登録商標)の微粉末、SiC、窒化アルミニウム、アルミナ、ジルコニア、マグネシア、ムライト、フォルステライト、ステアタイトを挙げることができる。これらの水不溶の粒子の中では、特にSiC、窒化アルミニウム、アルミナ、ジルコニア、マグネシア、ムライト、フォルステライト、ステアタイト等のセラミックス粒子を含むことが好ましく、これらは、単独で用いたり、保護層に導電性を持たせるために炭素粒子と混合して構成してもよい。このとき導電材料として用いられる炭素粒子は、公知の炭素材料を用いることができる。具体的には電極合剤を作る際に用いられる導電剤が用いられる。これらの粒子の形状は、針状、柱状、板状、塊状のいずれでもよく、最大径が0.02μm以上、20μm以下が好ましく、0.1μm以上、10μm以下がより好ましい。
リチウム二次電池の構造には特に限定はなく、単層又は複層のセパレータを有するコイン型電池、円筒型電池、角型電池、ラミネート式電池等を適用できる。
電池用セパレータとしては、ポリプロピレン、ポリエチレン等のポリオレフィンの単層又は積層の多孔性フィルム、織布、不織布等を使用できる。
電池用セパレータは、製造条件によっても異なるが、ガーレー値(通気度)が高すぎるとリチウムイオン伝導性が低下し、電池用セパレータとしての機能が十分でなくなる。そのため、ガーレー値は1000秒/100cc以下が好ましく、800秒/100cc以下がより好ましく、500秒/100cc以下が最も好ましい。また逆に、ガーレー値が低すぎると機械的強度が低下するので、50秒/100cc以上が好ましく、100秒/100cc以上がより好ましく、300秒/100cc以上が最も好ましい。その空孔率は、電池容量特性向上の観点から、30〜60%が好ましく、35〜55%がより好ましく、40〜50%が最も好ましい。
さらに、電池用セパレータの厚みは、薄い方がエネルギー密度を高くできるため、50μm以下が好ましく、40μm以下がより好ましく、25μm以下が最も好ましい。また、機械的強度の面から、その厚みは5μm以上が好ましく、10μm以上がより好ましく、15μm以上が最も好ましい。
本発明におけるリチウム二次電池は、充電終止電圧が4.2V以上、特に4.3V以上の場合にも長期間にわたり優れたサイクル特性を有しており、さらに、4.4Vにおいてもサイクル特性は良好である。放電終止電圧は、2.5V以上、さらに2.8V以上とすることができる。電流値については特に限定されないが、通常0.1〜3Cの定電流放電で使用される。また、本発明におけるリチウム二次電池は、−40〜100℃、好ましくは0〜80℃で充放電することができる。
本発明においては、リチウム二次電池の内圧上昇の対策として、封口板に安全弁を設けたり、電池缶やガスケット等の部材に切り込みを入れる方法も採用することができる。
本発明におけるリチウム二次電池は、必要に応じて複数本を直列及び/又は並列に組んで電池パックに収納される。電池パックには、PTC素子、温度ヒューズ、バイメタル等の過電流防止素子のほか、安全回路(各電池及び/又は組電池全体の電圧、温度、電流等をモニターし、電流を遮断する機能を有する回路)を設けることができる。
以下、本発明のエステル化合物の合成例、及び本発明の電解液を用いた実施例を示す。
合成例1〔3−メトキシ−2,4,5−トリフルオロ安息香酸ビニル(化合物−2)の合成〕
Figure 2008093837
3−メトキシ−2,4,5−トリフルオロ安息香酸(MTFBA)10.19g(0.0494mol)、酢酸ビニル85.1g(0.989mol)、酢酸パラジウム1.66g(0.00741mol)、水酸化カリウム0.277g(0.00494mol)、を40℃で24時間攪拌した。反応混合物をろ過し、ろ液を飽和NaHCO3溶液で洗浄した後、ブライン洗浄し、MgSO4乾燥後、エバポレーターで濃縮して、ビニルエステルを5.89g(収率:51%)得た。電池評価試験には、減圧蒸留(135℃/1.5Torr)により精製したものを使用した。
得られた3−メトキシ−2,4,5−トリフルオロ安息香酸ビニルについて、1H−NMR、13C−NMR(日本電子株式会社製、型式:AL300使用)及び質量分析(株式会社日立製作所製、型式:M80B使用)の測定を行い、その構造を確認した。結果を以下に示す。
(1)1H−NMR(300 MHz, CDCl3):δ= 7.9-7.4(m, 1 H), 5.1(dxd, J = 7.0x1.0 Hz, 1 H), 4.8(dxd, J = 3.1x0.9 Hz, 1 H), 4.1(t, J = 1.2 Hz, 3 H)
(2)13C−NMR(75 MHz, CDCl3) δ= 159.7-159.6(m), 154.4-145.2(m), 141.0, 112.4-112.1(m), 99.4, 62.3(t, J = 3.7 Hz)
(3)質量分析:MS(EI) m/z(%) = 232(10) [M+], 189(100), 161(27), 146(31), 113(22), 81(9), 43(4), 18(8)
合成例2〔3−メトキシ−2,4,5−トリフルオロ安息香酸アリル(化合物−3)の合成〕
Figure 2008093837
MTFBA 20.42g(0.0991mol)とジメチルホルムアミド(以下、「DMF」という)0.0724g(0.991mmol)をトルエン100mLに溶解し、塩化チオニル23.56g(0.198mol)を70℃で60分かけて滴下した。滴下終了後、2時間70℃で攪拌してMTFBAの消失を確認した後、トルエンと過剰の塩化チオニルを減圧除去して、MTFBAの酸クロリドを調製した。別の反応容器にアリルアルコール6.04g(0.104mol)、トリエチルアミン 10.5g(0.102mol)、トルエン30mLを混合し、調製したMTFBAの酸クロリドを0℃で滴下した。滴下終了後、室温で1時間攪拌した後、飽和NaHCO3水溶液で洗浄し、酢酸エチルで抽出した。有機層をブラインで2回洗浄し、MgSO4乾燥後、エバポレーターで濃縮することで、アリルエステルを20.5g(84%収率)得た。電池評価試験には、減圧蒸留 (108℃/2Torr) により精製したものを使用した。
得られた3−メトキシ−2,4,5−トリフルオロ安息香酸アリルについて、前記と同様にして、その構造を確認した。なお、MTFBAの消失は、反応液の一部を一定量取出し、メタノールを加え撹拌した後、メチルエステル体としてHPLCにて定量し確認した(以下の合成例においても同様である)。結果を以下に示す。
(1)1H−NMR(300 MHz, CDCl3):δ= 7.5-7.4(m, 1 H), 6.1-5.9(m, 1 H), 5.4(dxq, J = 7.5x1.5 Hz, 1 H), 5.3 (dxq, J = 5.2x2.1 Hz, 1 H), 4.8(dxt, J = 2.8x1.5 Hz, 2 H), 4.1(t, J = 1.2 Hz, 3 H)
(2)13C−NMR(75 MHz, CDCl3) δ= 162.4, 154.0-153.9(m), 150.6-145.1(m), 131.5, 118.9, 112.3-112.0(m), 66.4, 62.3(t, J = 3.1 Hz)
(3)質量分析:MS(EI) m/z(%) = 246(11) [M+] , 189(100), 116(7), 146(8), 118(7), 81(3), 41(26), 39(15), 18(6)
合成例3〔3−メトキシ−2,4,5−トリフルオロ安息香酸プロパルギル(化合物−4)〕の合成
Figure 2008093837
MTFBA 20.11g(0.0976mol)とDMF 0.0713g(0.976mmol)をトルエン100mLに溶解し、塩化チオニル 23.21g(0.195mol)を70℃で60分かけて滴下した。滴下終了後、2時間70℃で攪拌してMTFBAの消失を確認した後、トルエンと過剰の塩化チオニルを減圧除去して、MTFBAの酸クロリドを調製した。別の反応容器にプロパルギルアルコール 5.72g(0.102mol)、トリエチルアミン 10.3g(0.102mol)、トルエン30mLを混合し、調製したMTFBAの酸クロリドを0℃にて滴下した。滴下終了後、室温で1時間攪拌した後、合成例2と同様に水洗処理し、プロパルギルエステルを21.4g(90%収率)得た。電池評価試験には、減圧蒸留 (93℃/1Torr) により精製したものを使用した。
得られた3−メトキシ−2,4,5−トリフルオロ安息香酸プロパルギルについて、前記と同様にして、その構造を確認した。結果を以下に示す。
(1)1H−NMR(300 MHz, CDCl3):δ= 7.6-7.5(m, 1 H), 4.9(d, J = 2.4 Hz, 2 H), 4.1(t, J = 1.1 Hz, 3 H), 2.6(t, J = 4.9 Hz, 1 H)
(2)13C−NMR(75 MHz, CDCl3):δ= 161.9, 154.2-145.2(m), 112.4-112.0(m), 77.0, 75.6, 62.3(t, J = 3.4 Hz), 53.1
(3)質量分析:MS(EI) m/z(%) = 224(17) [M+] , 189(100), 161(10), 146(11), 99(11), 68(9), 39(49), 18(14)
合成例4〔3−メトキシ−2,4,5−トリフルオロ安息香酸フェニル(化合物−5)の合成〕
Figure 2008093837
MTFBA 21.33g(0.104mol)とDMF 0.0755g(1.04mmol)をトルエン100mLに溶解し、塩化チオニル 24.7g(0.208mol)を70℃で60分かけて滴下した。滴下終了後、2時間70℃で攪拌し、MTFBAの消失を確認した後、トルエンと過剰の塩化チオニルを減圧除去して、MTFBAの酸クロリドを調製した。別の反応容器にフェノール 10.2g(0.109mol)、トリエチルアミン11.02g(0.109mol)、トルエン45mLを混合し、調製したMTFBAの酸クロリドを0℃で滴下した。滴下終了後、室温で1時間攪拌した後、合成例2と同様に水洗処理し、フェニルエステルを25.1g(86%収率)得た。電池評価試験には、減圧蒸留 (169℃/1.5Torr)により精製したものを使用した。
得られた3−メトキシ−2,4,5−トリフルオロ安息香酸フェニルについて、前記と同様にして、その構造を確認した。結果を以下に示す。
(1)1H−NMR(300 MHz, CDCl3):δ= 7.6-7.2(m, 6 H), 4.1(t, J = 1.2 Hz, 3 H)
(2)13C−NMR(75 MHz, CDCl3):δ= 161.2, 154.4-145.2(m), 153.4, 129.6, 126.4, 121.5, 112.6-112.3(m), 62.4(t, J = 3.8 Hz)
(3)質量分析:MS(EI) m/z(%) = 282(9) [M+] , 189(100), 161(9), 146(10), 113(6), 81(3), 39(9)
合成例5〔3−メトキシ−2,4,5−トリフルオロ安息香酸ビフェニル(化合物−6)の合成〕
Figure 2008093837
MTFBA 21.33g(0.104mol)とDMF 0.0755g(1.04mmol)をトルエン100mLに溶解し、塩化チオニル 24.7g(0.208mol)を70℃で60分かけて滴下した。滴下終了後、2時間70℃で攪拌し、MTFBAの消失を確認した後、トルエン、過剰の塩化チオニルを減圧除去して、MTFBAの酸クロリドを調製した。別の反応容器に4−フェニルフェノール 18.6g(0.109mol)、トリエチルアミン11.02g(0.109mol)、トルエン45mL、エーテル45mLを混合し、調製したMTFBAの酸クロリドを0℃で滴下した。滴下終了後、室温で1時間攪拌した後、5%−NaOH水溶液で洗浄し、酢酸エチルで抽出した。有機層をブラインで2回洗浄し、MgSO4乾燥後、エバポレーターで濃縮することで、ビフェニルエステルを7.8g(21%収率)得た。電池評価試験には、ジメチルカーボネート溶媒にて晶析精製したものを使用した(白色粉末、融点94℃)。
得られた3−メトキシ−2,4,5−トリフルオロ安息香酸ビフェニルについて、前記と同様にして、その構造を確認した。結果を以下に示す。
(1)1H−NMR(300 MHz, CDCl3):δ= 7.7-7.3(m, 10 H), 4.1(t, J = 1.1 Hz, 3 H)
(2)13C−NMR(75 MHz, CDCl3):δ= 161.2, 154.2-145.2(m), 149.8, 140.2, 139.5, 128.3, 128.3, 127.5, 127.2, 112.5(d, J = 10.6 Hz), 62.4(d, J = 3.7Hz)
(3)質量分析: MS(EI) m/z(%) = 358(20) [M+], 189(100), 161(7), 146(8), 115(11), 63(4)
合成例6〔2−ブチン−1,4−ジオール ビス(3−メトキシ−2,4,5−トリフルオロベンゾエート)(化合物−7)の合成〕
Figure 2008093837
MTFBA 15.07g(0.073mol)とDMF 0.0637g(0.731mmol)をトルエン50mLに溶解し、塩化チオニル 13.04g(0.110mol)を70℃で60分かけて滴下した。滴下終了後、2時間70℃で攪拌し、MTFBAの消失を確認した後、トルエン、過剰の塩化チオニルを減圧除去して、MTFBAの酸クロリドを調製した。別の反応容器に2−ブチン−1,4−ジオール3.12 g(0.036mol)、トリエチルアミン7.86g(0.078mol)、トルエン100mLを混合し、調製したMTFBAの酸クロリドを0℃で滴下した。滴下終了後、室温で1時間攪拌した後、合成例2と同様に水洗処理し、2−ブチン−1,4−ジオール ビス(3−メトキシ−2,4,5−トリフルオロベンゾエート)を16.6g(99%収率)得た。電池評価試験には、ジメチルカーボネート溶媒にて晶析精製したものを使用した(白色粉末、融点96℃)。
得られた2−ブチン−1,4−ジオール ビス(3−メトキシ−2,4,5−トリフルオロベンゾエート)について、前記と同様にして、その構造を確認した。結果を以下に示す。
(1)1H−NMR(300 MHz, CDCl3):δ=7.6-7.5(m, 2 H), 4.9(s, 4 H) , 4.1(t, J = 1.2 Hz, 6 H)
(2)IR(KBr法): 1730, 1621, 1504, 1479, 1438, 1384, 1353, 1276, 1222, 1102, 957, 784, 569 cm-1
(3)質量分析: MS(EI) m/z(%) = 462(5) [M+], 418(4), 257(4), 189(100), 146(5), 32(4)
実施例A−1
〔電解液の調製〕
エチレンカーボネート(EC):プロピレンカーボネート(PC):ビニレンカーボネート(VC):ジメチルカーボネート(DMC):ジエチルカーボネート(DEC)(容量比)=(18:10:2:35:35)に調製した非水溶媒に、LiPF6を0.95M、LiN(SO2CF32を0.05Mの濃度になるように溶解し、さらに下記の化合物−1を非水電解液に対して2重量%加え非水電解液を調製した。
Figure 2008093837
〔リチウムイオン二次電池の作製〕
LiCo1/3Mn1/3Ni1/32(正極活物質)を92重量%、アセチレンブラック(導電剤)を3重量%、ポリフッ化ビニリデン(結着剤)を5重量%の割合で混合し、これに1−メチル2−ピロリドン溶剤を加えて混合したものをアルミニウム箔集電体上に塗布し、乾燥、加圧処理して所定の大きさに裁断し、帯状の正極シートを作製した。人造黒鉛(負極活物質)を95重量%、ポリフッ化ビニリデン(結着剤)を5重量%の割合で混合し、これに1−メチル2−ピロリドン溶剤を加えて混合したものを銅箔集電体上に塗布し、乾燥、加圧処理して所定の大きさに裁断し、帯状の負極シートを作製した。そして、正極シート、微孔性ポリエチレンフィルム製セパレータ、負極シート及びセパレータの順に積層し、これを渦巻き状に巻回した。この巻回体を負極端子を兼ねるニッケルメッキを施した鉄製の円筒型電池缶に収納した。さらに、電解液を注入し、正極端子を有する電池蓋をガスケットを介してかしめて設計容量が2200mAhの円筒型電池を作製した。なお、正極端子は正極シートとアルミニウムのリードタブを用いて接続し、負極缶は負極シートとニッケルのリードタブを用いて予め電池内部で接続した。
〔電池特性の測定〕
〔サイクル特性の測定〕
上記の方法で作製した電池を用いて25℃の恒温槽中、440mAh(0.2C)の定電流及び定電圧で、終止電圧4.35Vまで7時間充電し、次に440mAh(0.2C)の定電流下、放電電圧2.7Vまで放電し、初期容量を測定した。初期容量を測定した電池に対し45℃の恒温槽中、2200mAh(1C)の定電流及び定電圧で、終止電圧4.35Vまで3時間充電し、次に2200mAh(1C)の定電流下、放電電圧2.7Vまで放電することを1サイクルとし、これを100サイクルに達するまで繰り返した。そして、以下の式によりサイクル後の容量維持率を求めた結果、100サイクル後の容量維持率は90%であった。
容量維持率(%)=(100サイクル後の放電容量/1サイクル目の放電容量)×100
実施例A−2〜A−7
実施例A−1において、エチレンカーボネート(EC):プロピレンカーボネート(PC):ビニレンカーボネート(VC):ジメチルカーボネート(DMC):ジエチルカーボネート(DEC)(容量比)=(18:10:2:35:35)に調製した非水溶媒に、LiPF6を0.95M、LiN(SO2CF32を0.05Mの濃度になるように溶解し、化合物−1を添加する代わりに化合物−2〜化合物−7を非水電解液に対して2重量%加えた以外は、実施例A-1と同様に非水電解液を調製して円筒型電池を作製し、電池特性を測定した。結果を表A−1に示す。
実施例A−8〜A−11
実施例1において、エチレンカーボネート(EC):プロピレンカーボネート(PC):ビニレンカーボネート(VC):ジメチルカーボネート(DMC):ジエチルカーボネート(DEC)(容量比)=(18:10:2:35:35)に調製した非水溶媒に、LiPF6を0.95M、LiN(SO2CF32を0.05Mの濃度になるように溶解し、化合物−1を非水電解液に対して、それぞれ0.01重量%、1重量%、5重量%、10重量%加えた以外は、実施例A−1と同様に非水電解液を調製して円筒型電池を作製し、電池特性を測定した。結果を表A−1に示す。
比較例A−1
実施例A−1において、エチレンカーボネート(EC):プロピレンカーボネート(PC):ビニレンカーボネート(VC):ジメチルカーボネート(DMC):ジエチルカーボネート(DEC)(容量比)=(18:10:2:35:35)に調製した非水溶媒に、LiPF6を0.95M、LiN(SO2CF32を0.05Mの濃度になるように溶解し、化合物−1を加えなかったこと以外は、実施例A−1と同様に非水電解液を調製して円筒型電池を作製し、電池特性を測定した。結果を表A−1に示す。
比較例A−2及びA−3
実施例A−1において、エチレンカーボネート(EC):プロピレンカーボネート(PC):ビニレンカーボネート(VC):ジメチルカーボネート(DMC):ジエチルカーボネート(DEC)(容量比)=(18:10:2:35:35)に調製した非水溶媒に、LiPF6を0.95M、LiN(SO2CF32を0.05Mの濃度になるように溶解し、化合物−1を添加する代わりに、下記の比較化合物−1〜2を非水電解液に対して2重量%加えた以外は、実施例A−1と同様に非水電解液を調製して円筒型電池を作製し、電池特性を測定した。結果を表A−1に示す。
Figure 2008093837
Figure 2008093837
実施例A−12
エチレンカーボネート(EC):プロピレンカーボネート(PC):フルオロエチレンカーボネート(FEC):ビニレンカーボネート(VC):メチルエチルカーボネート(MEC)(容量比)=(3:10:15:2:70)に調製した非水溶媒に、LiPF6を0.95M、LiN(SO2CF32を0.05Mの濃度になるように溶解し、非水電解液に対して、化合物−1を2重量%、アジポニトリルを1重量%、シクロヘキシルサルファイトを0.5重量%加えた以外は、実施例A−1と同様に非水電解液を調製して円筒型電池を作製し、電池特性を測定した。結果を表A−2に示す。
比較例A−4
実施例A−12において、エチレンカーボネート(EC):プロピレンカーボネート(PC):フルオロエチレンカーボネート(FEC):ビニレンカーボネート(VC):メチルエチルカーボネート(MEC)(容量比)=(3:10:15:2:70)に調製した非水溶媒に、LiPF6を0.95M、LiN(SO2CF32を0.05Mの濃度になるように溶解し、化合物−1、アジポニトリル、およびシクロヘキシルサルファイトを加えなかった以外は、実施例A−12と同様に非水電解液を調製して円筒型電池を作製し、電池特性を測定した。結果を表A−2に示す。
Figure 2008093837
本発明の実施例A−1〜A−12においては、負極が黒鉛の場合に優れたサイクル特性を示すことを実証しているが、本発明の電解液は、黒鉛負極に限らず、シリコン負極、スズ負極、及びLi負極の場合においても、これらの実施例と同様にサイクル特性の向上効果があることが分かった。
実施例B-1
実施例A−1で用いた正極活物質に変えて、LiFePO4(正極活物質)を用いて、正極シートを作製した。LiFePO4(正極活物質)を90重量%、アセチレンブラック(導電剤)を5重量%、ポリフッ化ビニリデン(結着剤)を5重量%の割合で混合し、これに1−メチル2−ピロリドン溶剤を加えて混合したものをアルミニウム箔集電体上に塗布し、乾燥、加圧処理して所定の大きさに裁断し、帯状の正極シートを作製した。そして、正極シート、微孔性ポリエチレンフィルム製セパレータ、負極シート及びセパレータの順に積層し、これを渦巻き状に巻回した。この巻回体を負極端子を兼ねるニッケルメッキを施した鉄製の円筒型電池缶に収納した。さらに、実施例A−1で調整した電解液を注入し、正極端子を有する電池蓋をガスケットを介してかしめて設計容量が1200mAhの円筒型電池を作製した。なお正極端子は正極シートとアルミニウムのリードタブを用いて、負極缶は負極シートとニッケルのリードタブを用いて予め電池内部で接続した。
〔電池特性の測定〕
〔サイクル特性の測定〕
上記の方法で作製した電池を用いて25℃の恒温槽中、240mAh(0.2C)の定電流及び定電圧で、終止電圧3.6Vまで7時間充電し、次に240mAh(0.2C)の定電流下、放電電圧2.0Vまで放電し、初期容量を測定した。初期容量を測定した電池に対し45℃の恒温槽中、1200mAh(1C)の定電流及び定電圧で、終止電圧3.6まで3時間充電し、次に1200mAh(1C)の定電流下、放電電圧2.0Vまで放電することを1サイクルとし、これを100サイクルに達するまで繰り返した。そして、以下の式によりサイクル後の容量維持率を求めた。容量維持率は83%であった。
容量維持率(%)=(100サイクル後の放電容量/1サイクル目の放電容量)×100
実施例B−2〜B−7
実施例A−12において、エチレンカーボネート(EC):プロピレンカーボネート(PC):ビニレンカーボネート(VC):ジメチルカーボネート(DMC):ジエチルカーボネート(DEC)(容量比)=(18:10:2:35:35)に調製した非水溶媒に、LiPF6を0.95M、LiN(SO2CF32を0.05Mの濃度になるように溶解し、化合物−1を添加する代わりに、前記の化合物−2〜7を非水電解液に対して2重量%加えた以外は、実施例B−1と同様に非水電解液を調製して円筒型電池を作製し、電池特性を測定した。結果を表B−1に示す。
比較例B−1
実施例B−1において、エチレンカーボネート(EC):プロピレンカーボネート(PC):ビニレンカーボネート(VC):ジメチルカーボネート(DMC):ジエチルカーボネート(DEC)(容量比)=(18:10:2:35:35)に調製した非水溶媒に、LiPF6を0.95M、LiN(SO2CF32を0.05Mの濃度になるように溶解し、化合物−1を加えなかったこと以外は、実施例B−1と同様に非水電解液を調製して円筒型電池を作製し、電池特性を測定した。結果を表B−1に示す。
比較例B−2〜3
実施例B−1において、エチレンカーボネート(EC):プロピレンカーボネート(PC):ビニレンカーボネート(VC):ジメチルカーボネート(DMC):ジエチルカーボネート(DEC)(容量比)=(18:10:2:35:35)に調製した非水溶媒に、LiPF6を0.95M、LiN(SO2CF32を0.05Mの濃度になるように溶解し、化合物−1を添加する代わりに、比較化合物−1〜2を非水電解液に対して2重量%加えた以外は、実施例B−1と同様に非水電解液を調製して円筒型電池を作製し、電池特性を測定した。結果を表B−1に示す。
Figure 2008093837
上記実施例B−1〜B−7のリチウム二次電池は、一般式(II)又は(IV)で表される特定のエステル化合物を含有しない比較例のリチウム二次電池に比べて、初期の電池容量やサイクル特性に優れた電池性能を有することが分かる。
本発明の実施例B−1〜B−7においては、負極が黒鉛の場合に優れたサイクル特性を示すことを実証しているが、本発明の電解液は、黒鉛負極に限らず、シリコン負極、スズ負極、及びLi負極の場合においても、これらの実施例と同様にサイクル特性の向上効果があることが分かった。
実施例C−1
〔電解液の調製〕
エチレンカーボネート(EC):プロピレンカーボネート(PC):ビニレンカーボネート(VC):メチルエチルカーボネート(MEC):ジエチルカーボネート(DEC)(容量比)=(8:20:2:35:35)に調製した非水溶媒に、LiPF6を0.95M、LiN(SO2CF32を0.05Mになるように溶解し、さらに2,4−ジフルオロ安息香酸プロパルギルを非水電解液に対して0.5重量%加え非水電解液を調製した。
〔リチウムイオン二次電池の作製〕
LiCoO2(正極活物質)を85重量%、黒鉛(導電剤)を10重量%、ポリフッ化ビニリデン(結着剤)を5重量%の割合で混合し、これに1−メチル2−ピロリドン溶剤を加えて混合したものをアルミニウム箔(集電体)上の両面に塗布し、乾燥、加圧処理して所定の大きさに裁断し、帯状の正極シートを作製した。また、人造黒鉛(負極活物質)を95重量%、ポリフッ化ビニリデン(結着剤)を5重量%の割合で混合し、これに1−メチル2−ピロリドン溶剤を加えて混合したものを銅箔(集電体)上の両面に塗布し、乾燥、加圧処理して所定の大きさに裁断し、帯状の負極シートを作製した。そして、正極シート、微孔性ポリエチレンフィルム製セパレータ、負極シート及びセパレータの順に積層し、これを渦巻き状に巻回した。この巻回体を負極端子を兼ねるニッケルメッキを施した鉄製の円筒型電池缶に収納した。さらに、電解液を注入し、正極端子を有する電池蓋をガスケットを介してかしめて、18650型円筒電池を作製した。なお正極端子は正極シートとアルミニウムのリードタブを用いて、負極缶は負極シートとニッケルのリードタブを用いて予め電池内部で接続した。
〔電池特性の測定〕
〔サイクル特性の測定〕
上記の方法で作製した電池を用いて25℃の恒温槽中、1mA/cm2の定電流で4.2Vまで充電した後、4.35Vの定電圧で2.5時間充電し、次に0.33mA/cm2の定電流で、放電電圧3.0Vまで放電し、初期の放電容量を測定した。初期効率は85%であった。
次いで、60℃の恒温槽中、1mA/cm2の定電流で4.35Vまで充電した後、4.35Vの定電圧で2.5時間充電し、次に1mA/cm2の定電流で、放電電圧3.0Vまで放電することを1サイクルとし、これを100サイクルに達するまで繰り返した。そして、以下の式によりサイクル後の容量維持率を求めた結果、100サイクル後の容量維持率は85%であった。結果を表C−1に示す。
容量維持率(%)=(100サイクル後の放電容量/1サイクル目の放電容量)×100
実施例C−2〜11
エチレンカーボネート(EC):プロピレンカーボネート(PC):ビニレンカーボネート(VC):メチルエチルカーボネート(MEC):ジエチルカーボネート(DEC)(容量比)=(8:20:2:35:35)に調製した非水溶媒に、LiPF6を0.95M、LiN(SO2CF32を0.05Mの濃度になるように溶解し、実施例C−1における2,4−ジフルオロ安息香酸プロパルギルを添加する代わりに、2−フルオロ安息香酸プロパルギル(実施例C−2)、4−フルオロ安息香酸プロパルギル(実施例C−3)、2,4−ジフルオロ安息香酸アリル(実施例C−4)、2,4−ジフルオロ安息香酸ビニル(実施例C−5)、2,4−ジフルオロ安息香酸フェニル(実施例C−6)、2,4−ジフルオロ安息香酸ビフェニル(実施例C−7)、2,6−ジフルオロ安息香酸プロパルギル(実施例C−8)、2,4、6−トリフルオロ安息香酸プロパルギル(実施例C−9)、2,3,4,6−テトラフルオロ安息香酸プロパルギル(実施例C−10)、ペンタフルオロ安息香酸プロパルギル(実施例C−11)を非水電解液に対して0.5重量%加えて非水電解液を調製し、18650型円筒電池を作製し、実施例C−1と同様に電池特性を測定した。結果を表C−1に示す。
実施例C−12〜15
エチレンカーボネート(EC):プロピレンカーボネート(PC):ビニレンカーボネート(VC):メチルエチルカーボネート(MEC):ジエチルカーボネート(DEC)(容量比)=(8:20:2:35:35)に調製した非水溶媒に、LiPF6を0.95M、LiN(SO2CF32を0.05Mの濃度になるように溶解し、2,4−ジフルオロ安息香酸プロパルギルを非水電解液に対して、それぞれ0.01重量%(実施例C−12)、2重量%(実施例C−13)、5重量%(実施例C−14)、10重量%(実施例C−15)加えて非水電解液を調製し、18650型円筒電池を作製し、実施例C−1と同様に電池特性を測定した。結果を表C−1に示す。
実施例C−16
エチレンカーボネート(EC):プロピレンカーボネート(PC):ビニレンカーボネート(VC):メチルエチルカーボネート(MEC):ジエチルカーボネート(DEC)(容量比)=(8:20:2:35:35)に調製した非水溶媒に、LiPF6を0.95M、LiBF4を0.05Mの濃度になるように溶解し、2,4−ジフルオロ安息香酸プロパルギルを非水電解液に対して、それぞれ0.5重量%加えて非水電解液を調製し、18650型円筒電池を作製し、実施例C−1と同様に電池特性を測定した。結果を表C−1に示す。
比較例C−1
エチレンカーボネート(EC):プロピレンカーボネート(PC):ビニレンカーボネート(VC):メチルエチルカーボネート(MEC):ジエチルカーボネート(DEC)(容量比)=(8:20:2:35:35)に調製した非水溶媒に、LiPF6を0.95M、LiN(SO2CF32を0.05Mの濃度になるように溶解した非水電解液を調製し、18650型円筒電池を作製し、実施例C−1と同様に電池特性を測定した。結果を表C−1に示す。
比較例C−2〜5
エチレンカーボネート(EC):プロピレンカーボネート(PC):ビニレンカーボネート(VC):メチルエチルカーボネート(MEC):ジエチルカーボネート(DEC)(容量比)=(8:20:2:35:35)に調製した非水溶媒に、LiPF6を0.95M、LiN(SO2CF32を0.05Mの濃度になるように溶解し、実施例C−1における2,4−ジフルオロ安息香酸プロパルギルを添加する代わりに、2,4−ジフルオロ安息香酸メチル(比較例C−2)、2,6−ジフルオロ安息香酸メチル(比較例C−3)、2−フルオロ安息香酸メチル(比較例C−4)、4−フルオロ安息香酸メチル(比較例C−5)を非水電解液に対して0.5重量%加えて非水電解液を調製し、18650型円筒電池を作製し、実施例C−1と同様に電池特性を測定した。結果を表C−1に示す。
Figure 2008093837
実施例C−17
エチレンカーボネート(EC):プロピレンカーボネート(PC):フルオロエチレンカーボネート(FEC):ビニレンカーボネート(VC):メチルエチルカーボネート(MEC)(容量比)=(3:20:5:2:70)に調製した非水溶媒に、LiPF6を0.95M、LiN(SO2CF32を0.05Mの濃度になるように溶解し、非水電解液に対して、2,4−ジフルオロ安息香酸プロパルギルを0.5重量%、アジポニトリルを1重量%、シクロヘキシルサルファイトを0.5重量%加えた以外は、実施例C−1と同様に非水電解液を調製して円筒型電池を作製し、電池特性を測定した。結果を表C−2に示す。
比較例C−6
実施例A−17において、エチレンカーボネート(EC):プロピレンカーボネート(PC):フルオロエチレンカーボネート(FEC):ビニレンカーボネート(VC):メチルエチルカーボネート(MEC)(容量比)=(3:20:5:2:70)に調製した非水溶媒に、LiPF6を0.95M、LiN(SO2CF32を0.05Mの濃度になるように溶解し、2,4−ジフルオロ安息香酸プロパルギル、アジポニトリル、およびシクロヘキシルサルファイトを加えなかった以外は、実施例C−17と同様に非水電解液を調製して円筒型電池を作製し、電池特性を測定した。結果を表C−2に示す。
Figure 2008093837
上記実施例C−1〜C−17のリチウム二次電池は、一般式(III)で表される特定の化合物を含有しない比較例のリチウム二次電池に比べて、初期の電池容量やサイクル特性に優れた電池性能を有することが分かる。
本発明の実施例C−1〜C−17においては、負極が黒鉛の場合に優れたサイクル特性を示すことを実証しているが、本発明の電解液は、黒鉛負極に限らず、シリコン負極、スズ負極、及びLi負極の場合においても、また、正極にリチウム含有オリビン型リン酸塩を用いた場合にも、これらの実施例と同様な効果が得られた。
本発明によれば、医薬、農薬、電子材料、高分子材料等の中間原料、又は電池材料として有用な、新規なエステル化合物を提供することができる。
本発明の非水電解液を用いたリチウム二次電池は、初期の電池容量やサイクル特性に優れ、長期にわたり電池性能を維持することができる。

Claims (9)

  1. 下記一般式(I)又は(II)で表されるエステル化合物。
    Figure 2008093837
    (式中、R1はメトキシ基又はエトキシ基を示し、R2は、炭素数2〜6の直鎖又は分枝鎖のアルケニル基、炭素数3〜6の直鎖又は分枝鎖のアルキニル基、フェニル基又はビフェニル基を示す。)
    Figure 2008093837
    (式中、R3はメトキシ基又はエトキシ基を示し、L1は、炭素数2〜6の直鎖又は分枝鎖のアルキレン基、炭素数4〜6の直鎖又は分枝鎖のアルケニレン基、炭素数4〜6の直鎖又は分枝鎖のアルキニレン基を示す。)
  2. 一般式(I)において、R1がメトキシ基であり、R2がビニル基、アリル基、プロパルギル基、フェニル基又はビフェニル基である請求項1に記載のエステル化合物。
  3. 非水溶媒に電解質が溶解されている非水電解液において、下記一般式(III)で表されるエステル化合物を、非水電解液に対して0.01〜10重量%含有することを特徴とするリチウム二次電池用非水電解液。
    Figure 2008093837
    (式中、R11、R13、R14及びR15は、それぞれ独立して、水素原子又はフッ素原子を示し、R12は、水素原子、フッ素原子、メトキシ基又はエトキシ基を示し、R11〜R15の1つ以上がフッ素原子であり、L2は、炭素数1〜6のアルキル基、炭素数2〜6のアルケニル基、炭素数3〜6のアルキニル基、フェニル基又はビフェニル基を示す。ただし、R11〜R15の全てがフッ素原子の場合、L2は、炭素数2〜6のアルケニル基、炭素数3〜6のアルキニル基、フェニル基又はビフェニル基を示す。)
  4. 一般式(III)において、L2がビニル基、アリル基又はプロパルギル基である請求項3に記載のリチウム二次電池用非水電解液。
  5. 一般式(III)において、R11、R13及びR15のうちの2個以上がフッ素原子である請求項3又は4に記載のリチウム二次電池用非水電解液。
  6. 電解液が、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ビニレンカーボネート及びフルオロエチレンカーボネートから選ばれる2種以上を含む請求項3〜5のいずれかに記載のリチウム二次電池用非水電解液。
  7. 非水溶媒に電解質塩が溶解されている非水電解液において、下記一般式(II)及び/又は(IV)で表されるエステル化合物を、非水電解液に対して0.01〜10重量%含有することを特徴とする非水電解液。
    Figure 2008093837
    (式中、R3及びL1は前記と同じである。)
    Figure 2008093837
    (式中、R4はメトキシ基又はエトキシ基を示し、R5は、炭素数1〜6の直鎖又は分枝鎖のアルキル基、炭素数2〜6の直鎖又は分枝鎖のアルケニル基、炭素数3〜6の直鎖又は分枝鎖のアルキニル基、フェニル基又はビフェニル基を示す。)
  8. 一般式(IV)において、R4がメトキシ基であり、R5がメチル基、エチル基、ビニル基、アリル基、プロパルギル基、フェニル基又はビフェニル基である請求項7に記載の非水電解液。
  9. 正極、負極及び非水溶媒に電解質塩が溶解されている非水電解液からなるリチウム二次電池において、該非水電解液中に一般式(II)、(III)及び(IV)で表されるエステル化合物から選ばれる1種以上を、非水電解液の重量に対して0.01〜10重量%含有することを特徴とするリチウム二次電池。
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