JPWO2016027788A1 - 電解質組成物、二次電池、及び二次電池の使用方法 - Google Patents

電解質組成物、二次電池、及び二次電池の使用方法 Download PDF

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征太郎 山口
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Abstract

本発明は、下記(A)成分、(B)成分及び(C)成分を含有する電解質組成物、この電解質組成物を用いて得られる二次電池、及び、この二次電池の使用方法に関する
(A)成分:(A−1)特定の高分子化合物、又は、(A−2)特定の有機溶媒
(B)成分:周期律表第1族又は第2族の金属の塩
(C)成分:下記式(I)で示される双性イオン化合物
Figure 2016027788

(式中、Xは、1又は2以上の窒素原子又はリン原子を含み、かつ、1の結合手を有するカチオン性基を表し、Yは、Xの窒素原子又はリン原子と結合する、炭素数2〜5のアルキレン基を表す。)

Description

本発明は、イオン伝導性を有し、かつ、電気化学的安定性に優れる電解質組成物、サイクル特性に優れ、かつ、高容量の二次電池、及び、この二次電池の使用方法に関する。
に関する。
近年、リチウムイオン電池等の二次電池においては、エネルギー密度を高め、軽量化及び小型化を達成することが要望されてきている。このため、作動電位の高い正極活物質を用いた、よりエネルギー密度の高い二次電池の研究開発が行われてきた。
例えば、特許文献1には、特定の2種の酸化物を含む二次電池用正極活物質であって、5V級の二次電池のサイクル特性及び高温動作の信頼性の向上に寄与するものが記載されている。
しかしながら、このような作動電位の高い正極活物質を用いた二次電池は、電解質を構成する導電性ポリマー等が高電圧下において分解し、電池性能が低下したり、破裂、発火したりするおそれがあった。
このため、イオン伝導性を有し、かつ、電気化学的安定性に優れる(本発明においては、高電位でも酸化分解し難い性質をいう。)電解質組成物が要望されている。
また、従来の二次電池においては、充電時のカットオフ電圧の上限を高くして充放電を繰り返すと、放電容量が徐々に低下する場合があった。このため、充放電を繰り返しても放電容量を低下させないためには、充電時のカットオフ電圧の上限を低くする必要があり、高容量の電池として使用することができなかった。
本発明に関連して、特許文献2、3には、双性イオン塩とプロトン供与体とからなるプロトン伝導体、及びこのプロトン伝導体からなるプロトン伝導層を有する燃料電池等が記載されている。
特開2011−138787号公報 特開2005−228588号公報(US2006/0263661A1) WO2006/025482号パンフレット(US2007/0231647 A1)
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、イオン伝導性を有し、かつ、電気化学的安定性に優れる電解質組成物、サイクル特性に優れ(充放電を繰り返しても放電容量が低下し難いことをいう)、かつ、高容量の二次電池、及び、この二次電池の使用方法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べく鋭意検討した結果、(A)特定の、高分子化合物又は有機溶媒、(B)周期律表第1族又は第2族の金属の塩、(C)分子内に、窒素原子又はリン原子を含むカチオン性基と、スルホナート系アニオンとを有する双性イオン化合物、を含有する電解質組成物は、イオン伝導性を有し、かつ、電気化学的安定性に優れることを見出し、本発明を完成するに至った。
かくして本発明によれば、下記(1)〜(6)の電解質組成物、(7)の二次電池、及び(8)の二次電池の使用方法が提供される。
(1)下記(A)成分、(B)成分及び(C)成分を含有する電解質組成物。
(A)成分:
(A−1)ポリアルキレンオキシド、ポリアルキレンカーボネート、及び、アルキレンポリオール(メタ)アクリレート由来の繰り返し単位を有するビニル系重合体からなる群から選ばれる少なくとも1種の高分子化合物、又は
(A−2)カーボネート系溶媒、エステル系溶媒、ラクトン系溶媒、エーテル系溶媒、ニトリル系溶媒、及び含硫黄系溶媒からなる群から選ばれる少なくとも1種の有機溶媒
(B)成分:周期律表第1族又は第2族の金属の塩
(C)成分:下記式(I)
Figure 2016027788
(式中、Xは、1又は2以上の窒素原子又はリン原子を含み、かつ、1の結合手を有するカチオン性基を表し、Yは、Xの窒素原子又はリン原子と結合する、炭素数2〜5のアルキレン基を表す。)
で示される双性イオン化合物
(2)前記(A)成分が、ポリエチレンオキシド、エチレンカーボネート、及びジエチルカーボネートからなる群から選ばれる少なくとも一種である、(1)に記載の電解質組成物。
(3)前記(B)成分が、リチウム塩である、(1)に記載の電解質組成物。
(4)前記(C)成分の、Xで表されるカチオン性基が、下記式(II)〜(VI)のいずれかで示される基である、(1)に記載の電解質組成物。
Figure 2016027788
(式中、Rは、エーテル結合を有する若しくは有しない炭素数1〜10のアルキル基、エーテル結合を有する若しくは有しない炭素数2〜11のシアノアルキル基、エーテル結合を有する若しくは有しない炭素数2〜10のアルケニル基、又は置換若しくは無置換の炭素数6〜20のアリール基を表す。R、Rは、それぞれ独立に、水素原子、エーテル結合を有する若しくは有しない炭素数1〜10のアルキル基、エーテル結合を有する若しくは有しない炭素数2〜11のシアノアルキル基、エーテル結合を有する若しくは有しない炭素数2〜10のアルケニル基、又は置換若しくは無置換の炭素数6〜20のアリール基を表す。R及びRは、互いに結合して、環を形成していてもよい。*は結合手を表す。)
Figure 2016027788
(式中、Rは、エーテル結合を有する若しくは有しない炭素数1〜10のアルキル基、エーテル結合を有する若しくは有しない炭素数2〜11のシアノアルキル基、又はエーテル結合を有する若しくは有しない炭素数2〜10のアルケニル基を表し、Rは、水素原子、又は、エーテル結合を有する若しくは有しない炭素数1〜10のアルキル基を表す。*は結合手を表す。)
Figure 2016027788
(式中、R〜R10は、それぞれ独立に、水素原子、又は、エーテル結合を有する若しくは有しない炭素数1〜10のアルキル基を表す。*は結合手を表す。)
Figure 2016027788
(式中、R11〜R15は、それぞれ独立に、水素原子、又は、エーテル結合を有する若しくは有しない炭素数1〜10のアルキル基を表す。*は結合手を表す。)
Figure 2016027788
(式中、R16は、エーテル結合を有する若しくは有しない炭素数1〜10のアルキル基、エーテル結合を有する若しくは有しない炭素数2〜11のシアノアルキル基、エーテル結合を有する若しくは有しない炭素数2〜10のアルケニル基、又は置換若しくは無置換の炭素数6〜20のアリール基を表す。R17、R18は、それぞれ独立に、水素原子、エーテル結合を有する若しくは有しない炭素数1〜10のアルキル基、エーテル結合を有する若しくは有しない炭素数2〜11のシアノアルキル基、エーテル結合を有する若しくは有しない炭素数2〜10のアルケニル基、又は置換若しくは無置換の炭素数6〜20のアリール基を表す。*は結合手を表す。)
(5)前記(A)成分と(B)成分の含有量の割合が、〔(A)成分:(B)成分〕の質量比で、100:0.1〜100:10,000である(1)に記載の電解質組成物。
(6)前記(A)成分と(C)成分の含有量の割合が、〔(A)成分:(C)成分〕の質量比で、100:0.01〜100:100である(1)に記載の電解質組成物。
(7)正極、負極、及び、(1)に記載の電解質組成物を有する二次電池。
(8)前記(7)に記載の二次電池の使用方法であって、充電時のカットオフ電圧の上限が4.4〜5.5Vである、二次電池の使用方法。
本発明によれば、イオン伝導性を有し、かつ、電気化学的安定性に優れる電解質組成物、サイクル特性に優れ、かつ、高容量の二次電池、及び、この二次電池の使用方法が提供される。
実施例1の電解質組成物(1)と比較例1の電解質組成物(11)について、それぞれリニアスイープボルタムメトリーを行って得られたグラフ(高電位側)である。 実施例1の電解質組成物(1)と比較例1の電解質組成物(11)について、それぞれリニアスイープボルタムメトリーを行って得られたグラフ(低電位側)である。 実施例2の電解質組成物(2)について、リニアスイープボルタムメトリーを行って得られたグラフである。 実施例3の電解質組成物(3)について、リニアスイープボルタムメトリーを行って得られたグラフである。 実施例4の電解質組成物(4)について、リニアスイープボルタムメトリーを行って得られたグラフである。 実施例5の電解質組成物(5)について、リニアスイープボルタムメトリーを行って得られたグラフである。 実施例6の電解質組成物(6)について、リニアスイープボルタムメトリーを行って得られたグラフである。 実施例7の電解質組成物(7)について、リニアスイープボルタムメトリーを行って得られたグラフである。 実施例8の電解質組成物(8)について、リニアスイープボルタムメトリーを行って得られたグラフである。 実施例9の電解質組成物(9)について、リニアスイープボルタムメトリーを行って得られたグラフである。 実施例10の電解質組成物(10)と比較例2の電解質組成物(12)について、それぞれリニアスイープボルタムメトリーを行って得られたグラフ(高電位側)である。 実施例10の電解質組成物(10)と比較例2の電解質組成物(12)について、それぞれリニアスイープボルタムメトリーを行って得られたグラフ(低電位側)である。 実施例12の電解質組成物(14)と比較例2の電解質組成物(12)をそれぞれ用いて行った定電流充放電試験1の結果を表すグラフである。 実施例2、4、5の電解質組成物(2)、(4)、(5)と比較例1の電解質組成物(11)をそれぞれ用いて行った定電流充放電試験2の結果を表すグラフである。 実施例8、11の電解質組成物(8)、(13)と比較例1の電解質組成物(11)をそれぞれ用いて行った定電流充放電試験2の結果を表すグラフである。 実施例12の電解質組成物(14)と比較例2の電解質組成物(12)をそれぞれ用いて行った定電流充放電試験3の結果を表すグラフである。
以下、本発明を、1)電解質組成物、並びに、2)二次電池及びその使用方法、に項分けして詳細に説明する。
1)電解質組成物
本発明の電解質組成物は、下記(A)成分、(B)成分及び(C)成分を含有する。
(A)成分:
(A−1)ポリアルキレンオキシド、ポリアルキレンカーボネート、及び、アルキレンポリオール(メタ)アクリレート由来の繰り返し単位を有するビニル系重合体からなる群から選ばれる少なくとも1種の高分子化合物、又は
(A−2)カーボネート系溶媒、エステル系溶媒、エーテル系溶媒、ラクトン系溶媒、ニトリル系溶媒、及び含硫黄系溶媒からなる群から選ばれる少なくとも1種の有機溶媒
(B)成分:周期律表第1族又は第2族の金属の塩
(C)成分:前記式(I)で示される双性イオン化合物
〔(A)成分〕
本発明の電解質組成物を構成する(A)成分は、(A−1)ポリアルキレンオキシド、ポリアルキレンカーボネート、及び、アルキレンポリオール(メタ)アクリレート由来の繰り返し単位を有するビニル系重合体からなる群から選ばれる少なくとも1種の高分子化合物、又は、(A−2)カーボネート系溶媒、エステル系溶媒、ラクトン系溶媒、エーテル系溶媒、ニトリル系溶媒、及び含硫黄系溶媒からなる群から選ばれる少なくとも1種の有機溶媒である。
本発明の電解質組成物において、(A)成分は、イオン伝導媒体として用いられる。
(A−1)成分の高分子化合物は、ポリアルキレンオキシド、ポリアルキレンカーボネート、及び、アルキレンポリオール(メタ)アクリレート由来の繰り返し単位を有するビニル系重合体からなる群から選ばれる少なくとも1種である。
(A−1)成分のポリアルキレンオキシドとしては、下記式(VII)で示される化合物が挙げられる。
Figure 2016027788
(式中、Rは、炭素数2〜10のアルキレン基を表す。R、Rは、それぞれ独立に、水素原子又は炭素数1〜10のアルキル基を表す。pは任意の自然数を表す。pが2以上のとき、複数のRは、互いに同一であっても、異なっていてもよい。式(VII)で示される化合物が共重合体であるとき、それは、ブロック共重合体であってもよいし、ランダム共重合体であってもよい。)
のアルキレン基の炭素数は、2〜10、好ましくは2〜5、より好ましくは2又は3である。
のアルキレン基としては、エチレン基、トリエチレン基、プロピレン基、テトラエチレン基等が挙げられる。
、Rのアルキル基としては、メチル基、エチル基、n−プロピル基、n−ブチル基、t−ブチル基等が挙げられる。
式(VII)で示される化合物としては、ポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシド、エチレンオキシド−プロピレンオキシド共重合体等の分子両末端が水素原子であるポリアルキレンオキシド類;ポリエチレンオキシドモノメチルエーテル、ポリプロピレンオキシドモノメチルエーテル、エチレンオキシド−プロピレンオキシド共重合体のモノメチルエーテル体等のポリアルキレンオキシドモノアルキルエーテル類;ポリエチレンオキシドジメチルエーテル、ポリプロピレンオキシドジメチルエーテル、エチレンオキシド−プロピレンオキシド共重合体のジメチルエーテル体等のポリアルキレンオキシドジアルキルエーテル類;等が挙げられる。
これらの中でも、式(VII)で示される化合物としては、下記式(VIII)で示される化合物が好ましい。
Figure 2016027788
(式中、EOはオキシエチレン基(−CHCH−O−)を表し、POはオキシプロピレン基〔−CH(CH)−CH−O−〕を表す。q、rは、q≧0、r≧0、及びq+r≧2を満たす整数である。)
なお、式(VIII)中、−(EO)−、−(PO)−は、それぞれの繰り返し単位の有無、及びその量を示すものであり、順番を表すものではない。したがって、式(VIII)で示される化合物には、EOの繰り返し単位のみからなる単独重合体、POの繰り返し単位のみからなる単独重合体、EOの繰り返し単位とPOの繰り返し単位からなるランダム共重合体、及びEOの繰り返し単位とPOの繰り返し単位からなるブロック共重合体が含まれる。
ポリアルキレンオキシドは、有機アルミニウム触媒を用いる、アルキレンオキシドの重合反応等の公知の製造方法を用いて合成することができる。また、市販品をそのまま(A−1)成分として利用することができる。
(A−1)成分のポリアルキレンカーボネートとしては、下記式(IX)で示される化合物が挙げられる。
Figure 2016027788
(式中、Rは、炭素数2〜10のアルキレン基を表す。R、Rは、それぞれ独立に、水素原子又は炭素数1〜10のアルキル基を表す。sは任意の自然数を表す。sが2以上のとき、複数のRは、互いに同一であっても、異なっていてもよい。2以上のRが含まれるとき、式(IX)で示される化合物は、ブロック共重合体であってもよいし、ランダム共重合体であってもよい。)
のアルキレン基の炭素数は、2〜10、好ましくは2〜5、より好ましくは2又は3である。
のアルキレン基としては、エチレン基、トリエチレン基、プロピレン基、テトラエチレン基等が挙げられる。
、Rのアルキル基としては、メチル基、エチル基、n−プロピル基等が挙げられる。
式(IX)で示される化合物としては、ポリエチレンカーボネート、ポリプロピレンカーボネート等が挙げられる。
ポリアルキレンカーボネートは、例えば、亜鉛系触媒の存在下、二酸化炭素とエポキシドを反応させる方法等の公知の製造方法を用いて合成することができる。また、市販品をそのまま(A−1)成分として利用することができる。
(A−1)成分のアルキレンポリオール(メタ)アクリレート由来の繰り返し単位を有するビニル系重合体としては、下記式(X)
Figure 2016027788
(式中、Rは水素原子又はメチル基を表し、Rは炭素数2〜10のアルキレン基を表し、Rは炭素数1〜10のアルキル基を表す。tは任意の整数を表す。複数のRは、互いに同一であっても、異なっていてもよい。2以上のRが含まれるとき、(ORで表される鎖は、ブロック共重合鎖であってもよいし、ランダム共重合鎖であってもよい。)
で示される単量体〔以下、単量体(α)ということがある。〕を重合させて得られる重合体が挙げられる。
のアルキレン基の炭素数は、2〜10、好ましくは2〜5、より好ましくは2又は3である。
のアルキレン基としては、エチレン基、トリエチレン基、プロピレン基、テトラエチレン基等が挙げられる。
のアルキル基としては、メチル基、エチル基、n−プロピル基等が挙げられる。
単量体(α)としては、2−メトキシエチル(メタ)アクリレート、2−エトキシエチル(メタ)アクリレート、2−メトキシプロピル(メタ)アクリレート、2−エトキシプロピル(メタ)アクリレート、ジエチレングリコールモノメチルエーテル(メタ)アクリレート、ジエチレングリコールモノエチルエーテル(メタ)アクリレート、メトキシポリエチレングリコール(メタ)アクリレート(繰り返し単位数は2〜100)、エトキシポリエチレングリコール(メタ)アクリレート(繰り返し単位数は2〜100)等が挙げられる。
単量体(α)は、一種単独で、あるいは二種以上を組み合わせて用いることができる。
(A−1)成分のビニル系重合体は、単量体(α)と共重合可能な、単量体(α)以外の単量体〔以下、単量体(β)ということがある。〕と、単量体(α)との共重合体であってもよい。
単量体(β)としては、単量体(α)以外の(メタ)アクリル酸エステル系単量体、α−オレフィン系単量体、及びその他のビニル系単量体等が挙げられる。
単量体(α)以外の(メタ)アクリル酸エステル系単量体としては、メチル(メタ)アクリレート、エチル(メタ)アクリレート、n−プロピル(メタ)アクリレート等のアルキル(メタ)アクリレートが挙げられる。
α−オレフィン系単量体としては、エチレン、プロピレン、イソブチレン等が挙げられる。
その他のビニル系単量体としては、スチレン、α−メチルスチレン、ビニルトルエン、蟻酸ビニル、酢酸ビニル、アクリロニトリル、アクリルアミド等が挙げられる。
(A−1)成分として用いるビニル系重合体は、単量体(α)由来の繰り返し単位の含有量が、全繰り返し単位中、20〜100質量%のものが好ましく、25〜50質量%のものがより好ましい。
(A−1)成分として用いるビニル系重合体は、例えば、溶媒の存在下又は不存在下で、ラジカル重合開始剤を用いて単量体を重合させる方法等の公知の重合方法により製造することができる。また、市販品をそのまま(A−1)成分として利用することができる。
(A−1)成分の質量平均分子量は特に限定されないが、通常、500〜6,000,000、好ましくは600〜1,500,000、より好ましくは700〜50,000、特に好ましくは800〜10,000である。
(A−1)成分の質量平均分子量は、N,N−ジメチルホルムアミド、テトラヒドロフラン、クロロホルム等を溶媒とするゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)法で測定される標準ポリスチレン換算値である。
(A−2)成分の有機溶媒は、カーボネート系溶媒、エステル系溶媒、ラクトン系溶媒、エーテル系溶媒、ニトリル系溶媒、及び含硫黄系溶媒からなる群から選ばれる少なくとも1種である。
(A−2)成分の、カーボネート系溶媒としては、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、ジプロピルカーボネート、メチルプロピルカーボネート、エチルプロピルカーボネート、メチルエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ビニレンカーボネート等が挙げられる。
エステル系溶媒としては、n−メチルアセテート、n−エチルアセテート、n−プロピルアセテート等が挙げられる。
(A−2)成分のラクトン系溶媒としては、γ−ブチロラクトン、バレロラクトン、メバロノラクトン、カプロラクトン等が挙げられる。
エーテル系溶媒としては、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン等の環状エーテル類;ジブチルエーテル、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジブトキシエタン、1,4−ジオキサン等の鎖状エーテル類;が挙げられる。
ニトリル系溶媒としては、アセトニトリル、プロピオニトリル等が挙げられる。
含硫黄系溶媒としては、スルホラン、ジメチルスルホキシド等が挙げられる。
(A)成分は、1種単独で、あるいは2種以上を組み合わせて用いることができる。
これらの中でも、(A)成分としては、電気化学的安定性により優れる電解質組成物が得られることから、ポリエチレンオキシド、エチレンカーボネート、及びジエチルカーボネートからなる群から選ばれる少なくとも一種が好ましい。
(A)成分の酸化電位は、好ましくは3.5V以上、より好ましくは4.0〜6.5Vである。(A)成分の酸化電位が上記範囲内であることで、電気化学的安定性により優れる電解質組成物が得られる。
本発明において、酸化電位とは、高電位とした場合に電気化学的に安定な範囲を超えて電流が大きくなる際の電位をいう。
〔(B)成分〕
本発明の電解質組成物を構成する(B)成分は、周期律表第1族又は第2族の金属の塩である。
本発明の電解質組成物において、(B)成分は、イオン源として用いられる。
前記金属の塩を構成する金属イオンとしては、リチウムイオン、ナトリウムイオン、カリウムイオン等のアルカリ金属イオン;マグネシウムイオン;カルシウムイオン、ストロンチウムイオン等のアルカリ土類金属イオン;が挙げられる。
前記金属の塩を構成する陰イオンとしては、(CHFSO〔ビス(フルオロメタンスルホニル)アミンアニオン〕、(CFSO〔ビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミンアニオン〕、(CSO〔ビス(ペンタフルオロエタンスルホニル)アミンアニオン〕、(FSO〔ビス(フルオロスルホニル)アミンアニオン〕、(CFSO〔トリス(トリフルオロメタンスルホニル)メチドイオン〕、トリフルオロメタンスルホン酸イオン、ヘキサフルオロリン酸イオン、テトラフルオロボレートイオン、テトラシアノボレートイオン、過塩素酸イオン、ヘキサフルオロヒ酸イオン等が挙げられる。
前記金属の塩としては、リチウム塩、ナトリウム塩、カリウム塩、マグネシウム塩、カルシウム塩が好ましく、リチウム塩がより好ましい。
リチウム塩としては、リチウムビス(フルオロメタンスルホニル)アミド(LiN(SOCHF))、リチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド(LiN(SOCF)、リチウムビス(ペンタフルオロエタンスルホニル)アミド(LiN(SO)、リチウムビス(フルオロスルホニル)アミド(LiN(SOF))、リチウムトリス(トリフルオロメタンスルホニル)メチド(LiC(SOCF)、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム(LiCFSO)、ヘキサフルオロリン酸リチウム(LiPF)、リチウムテトラフルオロボレート(LiBF)、リチウムテトラシアノボレート(LiB(CN))、過塩素酸リチウム(LiClO)、ヘキサフルオロヒ酸リチウム(LiAsF)等が挙げられる。
本発明において、周期律表第1族又は第2族の金属の塩は、一種単独で、あるいは二種以上を組み合わせて用いることができる。
本発明の電解質組成物中、前記(A)成分と(B)成分の含有量の割合は、〔(A)成分:(B)成分〕の質量比で、好ましくは100:0.1〜100:10,000、より好ましくは100:1〜100:1000である。
(A)成分と(B)成分の含有量の割合が上記範囲内にあることで、十分なイオン伝導性を有する電解質組成物が得られ易くなる。
〔(C)成分〕
本発明の電解質組成物を構成する(C)成分は、下記式(I)で示される双性イオン化合物である。(C)成分を含有することで、本発明の電解質組成物は電気化学的安定性に優れる。また、(C)成分を含有する電解質組成物を用いる二次電池は、充電時のカットオフ電圧の上限を4.4V以上に高めてもサイクル特性に優れる。
Figure 2016027788
式(I)中、Xは、1又は2以上の窒素原子又はリン原子を含み、かつ、1の結合手を有するカチオン性基を表し、Yは、Xの窒素原子又はリン原子と結合する、炭素数2〜5のアルキレン基を表す。
で表されるカチオン性基の炭素数は、1〜40が好ましく、3〜30がより好ましく、6〜20がさらに好ましく、9〜15が特に好ましい。
で表されるカチオン性基としては、下記式(II)〜(VI)のいずれかで示される基が挙げられる。
Figure 2016027788
(式中、Rは、エーテル結合を有する若しくは有しない炭素数1〜10のアルキル基、エーテル結合を有する若しくは有しない炭素数2〜11のシアノアルキル基、エーテル結合を有する若しくは有しない炭素数2〜10のアルケニル基、又は置換若しくは無置換の炭素数6〜20のアリール基を表す。R、Rは、それぞれ独立に、水素原子、エーテル結合を有する若しくは有しない炭素数1〜10のアルキル基、エーテル結合を有する若しくは有しない炭素数2〜11のシアノアルキル基、エーテル結合を有する若しくは有しない炭素数2〜10のアルケニル基、又は置換若しくは無置換の炭素数6〜20のアリール基を表す。R及びRは、互いに結合して、環を形成していてもよい。*は結合手を表す。)
Figure 2016027788
(式中、Rは、エーテル結合を有する若しくは有しない炭素数1〜10のアルキル基、エーテル結合を有する若しくは有しない炭素数2〜11のシアノアルキル基、又はエーテル結合を有する若しくは有しない炭素数2〜10のアルケニル基を表し、Rは、水素原子、又は、エーテル結合を有する若しくは有しない炭素数1〜10のアルキル基を表す。*は結合手を表す。)
Figure 2016027788
(式中、R〜R10は、水素原子、又は、エーテル結合を有する若しくは有しない炭素数1〜10のアルキル基を表す。*は結合手を表す。)
Figure 2016027788
(式中、R11〜R15は、水素原子、又は、エーテル結合を有する若しくは有しない炭素数1〜10のアルキル基を表す。*は結合手を表す。)
Figure 2016027788
(式中、R16は、エーテル結合を有する若しくは有しない炭素数1〜10のアルキル基、エーテル結合を有する若しくは有しない炭素数2〜11のシアノアルキル基、エーテル結合を有する若しくは有しない炭素数2〜10のアルケニル基、又は置換若しくは無置換の炭素数6〜20のアリール基を表す。R17、R18は、それぞれ独立に、水素原子、エーテル結合を有する若しくは有しない炭素数1〜10のアルキル基、エーテル結合を有する若しくは有しない炭素数2〜11のシアノアルキル基、エーテル結合を有する若しくは有しない炭素数2〜10のアルケニル基、又は置換若しくは無置換の炭素数6〜20のアリール基を表す。*は結合手を表す。)
式(II)〜(VI)中、R〜R18の、エーテル結合を有する若しくは有しない炭素数1〜10のアルキル基のアルキル基の炭素数は、1〜8が好ましく、1〜5がより好ましい。
エーテル結合を有しないアルキル基としては、メチル基、エチル基、n−プロピル基、n−ブチル基等が挙げられる。
エーテル結合を有するアルキル基としては、下記式で示される基等が挙げられる。
Figure 2016027788
(式中、R19は、炭素数1〜8のアルキル基を表し、Zは、炭素数2〜9のアルキレン基を表し、R19とZの炭素数の合計は、3〜10である。R20は、炭素数1〜6のアルキル基を表し、Zは、炭素数2〜7のアルキレン基を表し、Zは、炭素数2〜7のアルキレン基を表し、R20、Z、Zの炭素数の合計は、5〜10である。*は結合手を表す。)
〜R、R16〜R18の、エーテル結合を有する若しくは有しない炭素数2〜11のシアノアルキル基の炭素数は、2〜9が好ましく、2〜6がより好ましい。
エーテル結合を有しないシアノアルキル基としては、シアノメチル基、2−シアノエチル基、3−シアノプロピル基、4−シアノブチル基等が挙げられる。
エーテル結合を有するシアノアルキル基としては、下記式で示される基等が挙げられる。
Figure 2016027788
(式中、R21は、炭素数2〜9のシアノアルキル基を表し、Zは、炭素数2〜9のアルキレン基を表し、R21とZの炭素数の合計は、4〜11である。R22は、炭素数2〜7のシアノアルキル基を表し、Zは、炭素数2〜7のアルキレン基を表し、Zは、炭素数2〜7のアルキレン基を表し、R22、Z、Zの炭素数の合計は、6〜11である。*は結合手を表す。)
〜R、R16〜R18の、エーテル結合を有する若しくは有しない炭素数2〜10のアルケニル基の炭素数は、2〜9が好ましく、2〜6がより好ましい。
エーテル結合を有しないアルケニル基としては、ビニル基、アリル基、1−ブテニル基、2−ブテニル基、1−ペンテニル基等が挙げられる。
エーテル結合を有するアルケニル基としては、下記式で示される基等が挙げられる。
Figure 2016027788
(式中、R23は、炭素数2〜8のアルケニル基を表し、Zは、炭素数2〜8のアルキレン基を表し、R23とZの炭素数の合計は、4〜10である。R24は、炭素数2〜6のアルケニル基を表し、Zは、炭素数2〜6のアルキレン基を表し、Zは、炭素数2〜6のアルキレン基を表し、R24、Z、Zの炭素数の合計は、6〜10である。*は結合手を表す。)
〜R、R16〜R18の、置換若しくは無置換の炭素数6〜20のアリール基のアリール基の炭素数は6〜10が好ましい。
無置換のアリール基としては、フェニル基、1−ナフチル基、2−ナフチル基等が挙げられる。
置換アリール基の置換基としては、メチル基、エチル基等の炭素数1〜6のアルキル基;メトキシ基、エトキシ基等の炭素数1〜6のアルコキシ基;等が挙げられる。
また、R及びRが結合して形成する環としては、ピロリジン環等の含窒素5員環;ピペラジン環、ピペリジン環、モルホリン環等の含窒素6員環;等が挙げられる。
式(I)中、Yは、Xの窒素原子又はリン原子と結合する、炭素数2〜5のアルキレン基を表す。
Yのアルキレン基としては、エチレン基、トリメチレン基、テトラメチレン基、ペンタメチレン基等の直鎖状アルキレン基;プロパン−1,2−ジイル基、ブタン−1,3−ジイル基等の分岐鎖状アルキレン基が挙げられる。
(C)成分として用いる双性イオン化合物の製造方法は特に限定されない。例えば、下記式に示すように、Xが、前記式(II)で示される基である双性イオン化合物(3)は、対応するアミン化合物(1)とスルトン化合物(2)とを反応させることにより得ることができる。
Figure 2016027788
(上記式中、R、R、Rは前記と同じ意味を表し、nは0、1、2又は3である。)
前記アミン化合物(1)としては、トリメチルアミン、トリエチルアミン、トリ(n−ブチルアミン)等が挙げられる。
これらのアミン化合物は、実施例に記載する合成方法等を用いて、製造し、入手することができる。また、アミン化合物として、市販品を用いることもできる。
前記スルトン化合物(2)としては、1,2−エタンスルトン、1,3−プロパンスルトン、1,4−ブタンスルトン、2,4−ブタンスルトン、1,5−ペンタンスルトンが挙げられる。
これらは、公知化合物であり、公知の方法で製造し、入手することができる。また、スルトン化合物として、市販品を用いることもできる。
アミン化合物(1)とスルトン化合物(2)との反応において、スルトン化合物(2)の使用量は、アミン化合物(1)に対して、好ましくは0.8〜1.2当量、より好ましくは0.9〜1.1当量である。スルトン化合物(2)の使用量を上記範囲にすることで、未反応物を除去する工程を省略したり、除去にかかる時間を短縮したりすることができる。
アミン化合物(1)とスルトン化合物(2)との反応は、無溶媒で行ってもよいし、不活性溶媒の存在下に行ってもよい。
用いる不活性溶媒としては、テトラヒドロフラン、ジグライム等のエーテル系溶媒;アセトニトリル、プロピオニトリル等のニトリル系溶媒;アセトン、メチルエチルケトン等のケトン系溶媒;トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素系溶媒;クロロホルム等のハロゲン化炭化水素系溶媒;等が挙げられる。
不活性溶媒を用いる場合、その使用量は特に制限されないが、アミン化合物(1)1質量部に対して、通常100質量部以下であることが好ましい。
反応温度は、特に限定されないが、通常、0〜200℃、好ましくは10〜100℃、より好ましくは20〜60℃の範囲である。また、常圧条件下で反応を実施してもよいし、加圧条件下で反応を実施してもよい。
反応時間は、特に限定されないが、通常、12〜332時間、好ましくは24〜168時間である。
反応は酸素による酸化や、空気中の水分によるスルトン化合物(2)の加水分解による収率の低下を防ぐ観点から、不活性ガス雰囲気下で行うことが好ましい。
反応の進行は、ガスクロマトグラフィー、高速液体クロマトグラフィー、薄層クロマトグラフィー、NMR、IR等の通常の分析手段により確認することができる。
反応終了後、得られた双性イオン化合物は、溶剤洗浄、再結晶、カラムクロマトグラフィー等の公知の精製方法により精製し、単離することができる。
また、アミン化合物(1)に代えて、下記式(XI)〜(XIV)で示される化合物を用いて同様の反応を行うことで、前記式(III)〜(VI)で示されるカチオン性基を有する双性イオン化合物を、それぞれ製造することができる。
Figure 2016027788
式(XI)〜(XIV)中、R〜R18は、前記と同じ意味を表す。
式(XI)〜(XIV)で示される化合物は、実施例に記載する合成方法等を用いて、製造し、入手することができる。また、市販品を用いることもできる。
本発明の電解質組成物中、前記(A)成分と(C)成分の含有量の割合は、〔(A)成分:(B)成分〕の質量比で、好ましくは100:0.01〜100:100、より好ましくは100:0.1〜100:50である。
(A)成分と(C)成分の含有量の割合が上記範囲内にあることで、十分なイオン伝導性を有し、かつ、電気化学的安定性に優れる電解質組成物が得られ易くなる。また、その電解質組成物を含有する二次電池は、サイクル特性により優れたものとなる。
本発明の電解質組成物は、電気化学的安定性に優れる。
本発明の電解質組成物が電気化学的安定性に優れることは、例えば、実施例に記載の条件でリニアスイープボルタムメトリーを行ったときに、本発明の電解質組成物の酸化電位は、(A)成分と(B)成分の混合物の酸化電位に比べて、より高い値になることから示される。
本発明の電解質組成物の酸化電位は、4.3V以上が好ましく、4.6〜6.5Vがより好ましい。
上記のように、本発明の電解質組成物は、イオン伝導性を有し、かつ、電気化学的安定性に優れる。
したがって、本発明の電解質組成物は、作動電位の高い正極活物質を用いた二次電池等の電解質材料として好適に用いられる。
2)二次電池及びその使用方法
本発明の二次電池は、正極、負極、及び、本発明の電解質組成物を有するものである。
正極は、通常、正極集電体と正極活物質層とを含む。
集電体は、活物質層を保持するとともに、活物質との電子の受け渡しを担うものである。
正極集電体を構成する材料は特に限定されない。例えば、アルミニウム、ニッケル、鉄、ステンレス鋼、チタン、銅等の金属材料や導電性高分子が挙げられる。
正極活物質層は、正極集電体の表面に形成される層であり、そこには正極活物質が含まれる。正極活物質としては、LiMn、LiCoO、LiNiO、Li(Ni−Mn−Co)Oおよびこれらの遷移金属の一部が他の元素により置換されたもの等の無機系活物質が挙げられる。
正極活物質層は、正極活物質に加えて添加剤を含有してもよい。
かかる添加剤としては、ポリフッ化ビニリデン、合成ゴム系バインダ、エポキシ樹脂等のバインダ;カーボンブラック、グラファイト、気相成長炭素繊維等の導電助剤;本願発明の(B)成分等の電解質塩;ポリエチレンオキシド(PEO)系ポリマー、ポリプロピレンオキシド(PPO)系ポリマー等のイオン伝導性ポリマー;等が挙げられる。
負極は、通常、負極集電体と負極活物質層とを含む。また、負極は、負極活物質層のみで構成されるもの(すなわち、負極活物質層が負極集電体を兼ねるもの)であってもよい。
負極集電体を構成する材料としては、正極集電体の材料として示したものと同様のものが挙げられる。
負極活物質層は、負極集電体の表面に形成される層であり、そこには負極活物質が含まれる。負極活物質としては、グラファイト、ソフトカーボン、ハードカーボン等の炭素材料;LiTi12等のリチウム−遷移金属複合酸化物;ケイ素単体、ケイ素酸化物、ケイ素合金等のケイ素材料;リチウム金属;リチウム−スズまたはリチウム−ケイ素合金等のリチウム−金属合金;スズ材料等の単体、合金、化合物;またはこれらの材料を併用した複合材料等が挙げられる。
負極活物質層は、負極活物質に加えて添加剤を含有してもよい。かかる添加剤としては、正極活物質層中の添加剤として示したものと同様のものが挙げられる。
本発明の二次電池において、本発明の電解質組成物は正極と負極の間に存在し、イオン伝導を担う。
本発明の二次電池は、正極と負極の間にセパレーターを有していてもよい。セパレーターは正極と負極とを電子的に絶縁してショートを防止し、イオンの移動のみを可能とする機能を有する。セパレーターを構成する材料としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリイミド等の絶縁性プラスチックで形成された多孔体や、シリカゲル等の無機微粒子が挙げられる。
本発明の二次電池の製造方法は特に限定されず、公知の方法に従って製造することができる。
本発明の二次電池は、双性イオン化合物〔(C)成分〕を含有するため、充電時のカットオフ電圧の上限を高くして充放電を繰り返しても、放電容量の低下が起こり難い。
本発明の二次電池を使用する際は、充電時のカットオフ電圧の上限を4.4〜5.5Vの間で使用することが好ましい。
このように、本発明の二次電池は、充電時のカットオフ電圧の上限を高くしてもサイクル特性に優れるものであり、より高容量の二次電池である。
以下、実施例を挙げて本発明を更に詳細に説明する。但し、本発明は、以下の実施例になんら限定されるものではない。
各例中の部及び%は、特に断りのない限り、質量基準である。
〔製造例1〕双性イオン化合物(1)の製造
耐圧容器に、ジエチルアミン6.13g(83.8mmol)、5−クロロバレロニトリル5.0g(42.5mmol)を入れ、全容を加熱し、140℃で48時間反応を行った。
反応終了後、反応液を減圧蒸留して、粗生成物を得た。次いで、このものをアルミナカラムクロマトグラフィー〔展開溶媒:酢酸エチル/n−ヘキサン混合溶媒(1/1,vol/vol)〕にて精製することにより、4−シアノブチルジエチルアミンを得た。(収量:2.57g、収率:39.4%)
次いで、滴下漏斗を備えた三口フラスコに、4−シアノブチルジエチルアミン2.57g(16.7mmol)、アセトン10mlを入れ、内容物を撹拌しながら、25℃で、1,3−プロパンスルトン2.04g(16.7mmol)をゆっくりと添加し、添加終了後、全容を同温度で96時間撹拌した。
反応終了後、析出した白色固体を濾取し、これをアセトンで洗浄し、乾燥することで、下記式で示される双性イオン化合物(1)を得た。(収量:3.97g、収率:86.1%)
Figure 2016027788
双性イオン化合物(1)の、H−NMRスペクトルデータ及び元素分析結果を下記に示す。
H−NMR(CDCl,500MHz):δ(ppm)=1.87(m,2H),2.46−2.49(t,J=0.15Hz,2H),3.02(s,9H),3.43(m,6H),3.50(m,6H)
Anal Calc.for C1224S,%:C,52.15;H,8.75;N,10.14;S,11.60;Found,%:C,52.28;H,8.64;N,10.08;S,11.62
〔製造例2〕双性イオン化合物(2)の製造
滴下漏斗を備えた二口ナスフラスコに、窒素雰囲気下、トリブチルアミン10g(53.9mol)、アセトン10mlを入れ、内容物を撹拌しながら、25℃で、1,3−プロパンスルトン6.59g(54.0mmol)をゆっくりと添加し、添加終了後、全容を40℃で168時間撹拌した。
反応終了後、析出した白色固体を濾取し、これをアセトンで洗浄し、乾燥することで、下記式で示される双性イオン化合物(2)を得た。(収量:9.11g、収率:54.9%)
Figure 2016027788
双性イオン化合物(2)の、H−NMRスペクトルデータ及び元素分析結果を下記に示す。
H−NMR(DO,500MHz):δ(ppm)=0.90−0.93(t,J=7.4Hz、9H),1.30−1.37(sext,J=7.4Hz,6H)1.60−1.67(m、6H)2.07−2.14(m,2H),2.91−2.93(t,J=7.1Hz,2H)、3.19−3.22(m,6H)、3.34−3.37(m,2H)
Anal Calc.for C1533NOS,%:C,58.57;H,10.82;N,4.56;S,10.43;Found,%:C,58.79;H,10.30;N,4.50;S,10.61
〔製造例3〕双性イオン化合物(3)の製造
耐圧容器に、ジブチルアミン19.4g(148mmol)、2−クロロエチルメチルエーテル7.0g(74.0mmol)を入れ、全容を加熱し、140℃で48時間反応を行った。
反応終了後、反応液を減圧蒸留して、粗生成物を得た。次いで、このものをアルミナカラムクロマトグラフィー〔展開溶媒:酢酸エチル/n−ヘキサン混合溶媒(1/1,vol/vol)〕にて精製することにより、ジブチル(2−メトキシエチル)アミンを得た。(収量:4.0g、収率:26.6%)
次いで、滴下漏斗を備えた三口フラスコに、ジブチル(2−メトキシエチル)アミン4.0g(21.7mmol)、アセトン10mlを入れ、内容物を撹拌しながら、25℃で、1,3−プロパンスルトン3.4g(27.8mmol)をゆっくりと添加し、添加終了後、全容を、同温度で96時間撹拌した。
反応終了後、反応液から揮発成分を減圧留去し、残留物をアルミナカラムクロマトグラフィー〔展開溶媒:クロロホルム/メタノール混合溶媒(50/1,vol/vol)〕にて精製することで、下記式で示される双性イオン化合物(3)を得た。(収量:3.58、収率:53.7%)
Figure 2016027788
双性イオン化合物(3)の、H−NMRスペクトルデータ及び元素分析結果を下記に示す。
H−NMR(DO,500MHz):δ(ppm)=0.97−1.00(t,J=7.3Hz,6H)、1.36−1.43(sext,J=7.3Hz,4H)、1.69−1.72(m,4H)2.18(m,2H)2.86(t,J=6.2Hz,2H)3.28−3.31(t,J=7.6Hz,4H)、3.37(s,3H)、3.65−3.66(m,2H)、3.69−3.72(m,2H)、3.84(m,2H)
Anal Calc.for C1433NOS,%:C,54.34;H,10.10;N,4.53;S,10.36;Found,%:C,54.72;H,9.63;N,4.60;S,10.54
〔製造例4〕双性イオン化合物(4)の製造
滴下漏斗を備えた二口ナスフラスコに、窒素雰囲気下、トリブチルホスフィン6.0g(29.7mol)、クロロホルム10mlを入れ、内容物を撹拌しながら、25℃で、1,3−プロパンスルトン3.6g(29.7mmol)をゆっくりと添加し、添加終了後、全容を40℃で168時間撹拌した。
反応終了後、反応液から揮発成分を減圧留去し、残留物を酢酸エチルで洗浄し、乾燥することで、下記式で示される双性イオン化合物(4)を得た。
Figure 2016027788
双性イオン化合物(4)の、H−NMRスペクトルデータを下記に示す。
H−NMR(CDCl,500MHz):δ(ppm)=0.96−0.98(t,J=7.1、9H),1.5(m,12H),2.04−2.12(sext,J=8.6Hz,2H),2.23(m,6H),2.66(m,6H),2.91−2.93(t,J=6.6Hz,2H)
〔製造例5〕双性イオン化合物(5)の製造
滴下漏斗を備えた二口ナスフラスコに、窒素雰囲気下、1−ブチルイミダゾール10g(80.5mmol)、クロロホルム15mlを入れ、内容物を撹拌しながら、25℃で、1,3−プロパンスルトン9.83g(80.5mmol)をゆっくりと添加し、添加終了後、全容を25℃で48時間撹拌した。
反応終了後、クロロホルム層をデカンテーションにより除去し、残留物に、アセトニトリル及びアセトンをこの順に加え、静置することで結晶を析出させた。得られた結晶を、濾取することで、下記式で示される双性イオン化合物(5)を無色板状結晶として得た。(収量17.9g、収率90.1%)
Figure 2016027788
双性イオン化合物(5)の、H−NMRスペクトルデータ及び元素分析結果を下記に示す。
H−NMR(CDOD,500MHz):δ(ppm)=1.34−1.42(quin,J=7.5Hz,2H),1.85−1.91(quin,J=7.5Hz,2H),2.30−2.36(quin,J=7.1Hz,2H),2.79−2.82(t,J=7.1Hz,2H),4.22−4.25(t,J=7.4Hz,2H),4.42−4.44(t,J=7.1Hz,2H),7.65−7.66(t,J=1.8Hz,1H),6.9−7.70(t,J=1.8Hz,1H),9.03(s,1H)
Anal Calc. for C1018S,%:C,48.76;H,7.37;N,11.37;S,13.02;Found,%:C,48.7;H,7.29;N,11.36;S,13.06
〔製造例6〕双性イオン化合物(6)の製造
冷却管を備えた二口ナスフラスコに、アクリロニトリル4.68g(88.2mmol)、イミダゾール5.00g(73.4mmol)、メタノール5mlを入れ、全容を55℃で4時間撹拌した。
反応終了後、反応液から揮発成分を減圧留去し、得られた残留物をアルミナカラムクロマトグラフィー〔展開溶媒:クロロホルム/メタノール混合溶媒(50/1,vol/vol)〕にて精製することで、2−シアノエチルイミダゾールを無色透明液体として得た。(収量8.43g、収率94.6%)
製造例1において、4−シアノブチルジエチルアミンに代えて、2−シアノエチルイミダゾールを用いたこと以外は、製造例1と同様にして、下記式で示される双性イオン化合物(6)を無色板状結晶として得た。(収量16.0g、収率89.9%)
Figure 2016027788
双性イオン化合物(6)の、H−NMRスペクトルデータ及び元素分析結果を下記に示す。
H−NMR(DO,500MHz):δ(ppm)=2.33−2.39(quin,J=7.2Hz,2H),2.93−2.96(quin,J=7.2Hz,2H),3.17−3.20(t.J=6.3Hz,2H),4.42−4.44(t,J=7.1Hz,2H),4.59−4.62(t,J=6.3Hz,2H),7.65(m,2H)
Anal Calc. for C13S,%:C,44.43;H,5.39;N,17.27;S,13.18;Found,%:C,43.97;H,5.55;N,17.09;S,13.28
〔製造例7〕双性イオン化合物(7)の製造
冷却管、滴下漏斗を備えた三口フラスコに、窒素雰囲気下、水素化ナトリウム2.82g、乾燥テトラヒドロフラン40mlを入れて内容物を撹拌し、水素化ナトリウムを分散させた。次いで、イミダゾール4.00g(58.8mmol)を加え、室温で1時間撹拌した。その後、内容物を撹拌しながら、5−ブロモバレロニトリル9.8g(60.6mmol)をゆっくりと添加し、次いで、系内の温度を上げて、全容を48時間加熱還流させた。
反応終了後、ロータリーエバポレーターを用いて、反応液からテトラヒドロフランを留去した。残留物をクロロホルムに懸濁させ、不溶物を濾別した後、濾液を精製水で洗浄し、クロロホルム層を無水硫酸マグネシウムで乾燥した後、硫酸マグネシウムを濾別した。ロータリーエバポレーターを用いて、濾液からクロロホルムを留去し、残留物を、アルミナカラムクロマトグラフィー〔展開溶媒:クロロホルム/メタノール混合溶媒(50/1,vol/vol)〕にて精製することにより、1−(4−シアノブチル)イミダゾール6.25gを無色透明液体として得た(収率59.6%)。
滴下漏斗を備えた二口ナスフラスコに、窒素雰囲気下、得られた1−(4−シアノブチル)イミダゾール29.4mmol、及びクロロホルム15mlを入れ、内容物を撹拌しながら、25℃で、1,3−プロパンサルトン3.59g(29.4mmol)をゆっくりと添加し、添加終了後、25℃で、さらに48時間撹拌を継続した。
反応終了後、クロロホルム層をデカンテーションにより除去し、残留物に、アセトニトリル及びアセトンをこの順に加え、静置することで結晶を析出させた。得られた結晶を、濾取し、下記式で示される双性イオン化合物(7)を無色板状結晶として得た。(収量11.2g、収率89.6%)
Figure 2016027788
双性イオン化合物(7)の、H−NMRスペクトルデータ及び元素分析結果を下記に示す。
H−NMR(DO,500MHz):δ(ppm)=1.64−1.68(quin,J=7.5Hz,2H),1.93−1.99(quin,J=7.4Hz,2H),2.36−2.39(t,J=7.0Hz,2H),4.00−4.03(t,J=6.9Hz,2H),6.92−6.93(t,J=1.2Hz,1H),7.07−7.08(t,J=1.0Hz,1H),7.47(s,1H)
Anal Calc. for C1117S,%:C,48.69;H,6.32;N,15.49;S,11.82;Found,%:C,48.41;H,6.19;N,15.38;S,11.97
〔製造例8〕双性イオン化合物(8)の製造
製造例7において、5−ブロモバレロニトリルに代えて、7−ブロモヘプタンニトリルを用いたことを除き、製造例7と同様にして、下記式で示される双性イオン化合物(8)を無色板状結晶として得た。(収量5.52g、収率62.7%)
Figure 2016027788
双性イオン化合物(8)の、H−NMRスペクトルデータ及び元素分析結果を下記に示す。
H−NMR(D2O,500MHz):δ(ppm)=1.29−1.35(quin,J=7.6Hz,2H),1.41−1.47(quin,J=7.6Hz,2H),1.60−1.66(quin,J=7.3Hz,2H),1.86−1.92(quin,J=7.4Hz,2H),2.28−2.34(quin,J=7.3Hz,2H),2.43−2.46(t,J=7.1Hz,2H),2.88−2.91(t,J=7.4Hz,2H),4.19−4.22(t,J=7.1Hz,2H),4.34−4.37(t,J=7.1Hz,2H),7.51−7.52(t,J=1.8Hz,1H),7.53−7.54(t,J=1.8Hz,1H),8.82(s,1H)
Anal Calc.for C1321S,%:C,52.15;H,7.07;N,14.64;S,10.71;Found,%:C,51.91;H,7.48;N,13.85;S,10.62
〔製造例9〕双性イオン化合物(9)の製造
滴下漏斗を備えた二口ナスフラスコに、1−(2−ヒドロキシエチル)イミダゾール5.00g(44.6mmol)、1,4−ジオキサン5ml、及び25%水酸化カリウム水溶液1.25mlを入れ、内容物を5分間撹拌した。撹拌を継続しながら、アクリロニトリル2.60g(49.1mmol)をゆっくりと添加し、25℃でさらに24時間撹拌を継続した。
反応終了後、ロータリーエバポレーターを用いて、反応液から1,4−ジオキサン、及び未反応のアクリロニトリルを留去した。残留物をクロロホルムに溶解させ、得られたクロロホルム溶液を精製水で洗浄し、クロロホルム層を無水硫酸マグネシウムで乾燥した後、硫酸マグネシウムを濾別した。ロータリーエバポレーターを用いて、濾液からクロロホルムを留去し、残留物を、アルミナカラムクロマトグラフィー〔展開溶媒:クロロホルム/メタノール混合溶媒(50/1,vol/vol)〕にて精製することにより、1−[2−(2−シアノエトキシ)エチル]イミダゾール3.10gを無色透明液体として得た。(収率42.1%)
滴下漏斗を備えた二口ナスフラスコに、窒素雰囲気下、得られた1−[2−(2−シアノエトキシ)エチル]イミダゾール2.68g(16.2mmol)、アセトン10mlを入れて、内容物を撹拌しながら、25℃で、1,3−プロパンサルトン1.98g(16.2mmol)をゆっくりと添加し、添加終了後、25℃でさらに4日間攪拌を継続した。
反応終了後、析出した沈殿物を濾取し、得られた沈殿物をアセトンで洗浄した後、アセトニトリルで再結晶を行った。得られた結晶をメタノールに溶解させて得られた溶液に活性炭を加え、24間加熱還流した。活性炭を濾別した後、ロータリーエバポレーターを用いて、濾液からメタノールを留去し、下記式で示される双性イオン化合物(9)を無色結晶として得た。(収量13.5g、収率77.9%)
Figure 2016027788
双性イオン化合物(9)の、H−NMRスペクトルデータ及び元素分析結果を下記に示す。
H−NMR(DO,500MHz):δ(ppm)=2.28−2.33(quin,J=7.3Hz,2H),2.71−2.73(t,J=5.9Hz,2H),2.88−2.91(t,J=7.4Hz,2H),3.71−3.74(t,J=5.85Hz,2H),3.89−3.91(t,J=4.8Hz,2H),4.34−4.37(t,J=7.1Hz,2H),4.40−4.42(t,J=4.8Hz,2H),7.55(s,2H)
Anal Calc. for C1117S,%:C,45.98;H,5.96;N,14.62;S,11.16;Found,%:C,46.04;H,5.95;N,14.65;S,11.23
〔実施例1〕
ポリエチレンオキシド(アルドリッチ社製、質量平均分子量1,000)1500mg、リチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド(関東化学社製)1170mg、及び製造例1で得た双性イオン化合物(1)60mgを脱水アセトニトリル3mlに添加し、全容を24時間撹拌した。その後、アセトニトリルを減圧留去し、得られた残渣を70℃で48時間真空乾燥することで、電解質組成物(1)を得た。
〔実施例2〕
実施例1において、双性イオン化合物(1)の代わりに、製造例2で得た双性イオン化合物(2)を66mg用いたこと以外は、実施例1と同様にして電解質組成物(2)を得た。
〔実施例3〕
実施例1において、双性イオン化合物(1)の代わりに、製造例3で得た双性イオン化合物(3)を65mg用いたこと以外は、実施例1と同様にして電解質組成物(3)を得た。
〔実施例4〕
実施例1において、双性イオン化合物(1)の代わりに、製造例4で得た双性イオン化合物(4)を53mg用いたこと以外は、実施例1と同様にして電解質組成物(4)を得た。
〔実施例5〕
実施例1において、双性イオン化合物(1)の代わりに、製造例5で得た双性イオン化合物(5)を70mg用いたこと以外は、実施例1と同様にして電解質組成物(5)を得た。
〔実施例6〕
実施例1において、双性イオン化合物(1)の代わりに、製造例6で得た双性イオン化合物(6)を52mg用いたこと以外は、実施例1と同様にして電解質組成物(6)を得た。
〔実施例7〕
実施例1において、双性イオン化合物(1)の代わりに、製造例7で得た双性イオン化合物(7)を58mg用いたこと以外は、実施例1と同様にして電解質組成物(7)を得た。
〔実施例8〕
実施例1において、双性イオン化合物(1)の代わりに、製造例8で得た双性イオン化合物(8)を64mg用いたこと以外は、実施例1と同様にして電解質組成物(8)を得た。
〔実施例9〕
実施例1において、双性イオン化合物(1)の代わりに、製造例9で得た双性イオン化合物(9)を62mg用いたこと以外は、実施例1と同様にして電解質組成物(9)を得た。
〔実施例10〕
有機電解液(キシダ化学社製、製品名:LBG−96553、溶媒:エチレンカーボネートとジエチルカーボネートを体積比で1:1とした混合溶媒、電解質:LiPF、電解質のモル濃度:1mol/l)に、製造例9で得た双性イオン化合物(9)を濃度が2.25質量%になるように添加し、24時間撹拌することで、電解質組成物(10)を得た。
〔比較例1〕
実施例1において、双性イオン化合物(1)を添加しないこと以外は、実施例1と同様にして、電解質組成物(11)を得た。
〔比較例2〕
有機電解液(キシダ化学社製、製品名:LBG−96553)を、電解質組成物(12)として使用した。
実施例1〜10、及び比較例1、2で得た電解質組成物(1)〜(12)について、それぞれ以下の方法により、リニアスイープボルタムメトリー(LSV)を行った。
測定装置:エーエルエス社製、製品名606C
測定温度:40℃
走査電位範囲:0〜6V
作用極:白金盤
対極:リチウム箔
走査速度:1mV/s
(測定方法)
二極セル(東洋システム製)内にコイン型のリチウム箔を設置し、その上にセパレーターとしてガラスフィルター(ADVANTEC社製 GA−55)を重ねた。電解質組成物(1)〜(12)をそれぞれガラスフィルターに十分に染み込ませた後、白金盤をセパレーター上に設置した。二極セルを密閉にした後、白金盤側に作用極を取り付け、リチウム箔側に対極及び参照極を取り付けた。
次いで、電気化学測定器(エーエルエス社製、606C)を用いて、前記条件で電位を掃引した。
得られた結果を、図1〜図12に示す。図1〜図12中、横軸は電圧を、縦軸は電流を示す。なお、図1〜12のグラフにおいて、縦軸のスケールは同じである。
図1〜図12から以下のことが分かる。
実施例1〜10の電解質組成物(1)〜(10)は、比較例1、2の電解質組成物(11)、(12)に比べて、高電位であっても流れる電流が小さく、電気的安定性に優れている。
特に、電解質組成物(1)及び(10)は、低電位側においても、還元電流が流れる電位が低く、電気化学的に安定な電位範囲すなわち電位窓が広いという特徴を示す。
〔実施例11〕
実施例1において、双性イオン化合物(1)の代わりに、製造例9で得た双性イオン化合物(9)を128mg用いたこと以外は、実施例1と同様にして電解質組成物(13)を得た。
〔実施例12〕
実施例10において、双性イオン化合物(9)の代わりに、製造例2で得た双性イオン化合物(2)を濃度が5質量%になるように添加し、24時間攪拌することで、電解質組成物(14)を得た。
実施例2、4、5、8、11、12及び比較例1、2で得た電解質組成物を用いて、以下の方法により、定電流充放電試験を行った。
(定電流充放電試験1)
コバルト酸リチウム(日下レアメタル研究所社製)31.9g、アセチレンブラック(電気化学社製、デンカブラック)2.25gを乳鉢上ですりつぶしながら混合し、次いで、PVDF(ポリフッ化ビニリデン)溶液(クレハ・バッテリー・マテリアルズ・ジャパン社製、KFポリマー♯1120、固形分12%)27.5g、N−メチルピロリドン(和光純薬社製)54gを加えて混合した。得られた混合物を、ホモジナイザーを用いて30分間攪拌し、正極活物質分散液を得た。
得られた正極活物質分散液を、アプリケーターを用いてアルミ箔上に塗布し、得られた塗膜を80℃で1時間乾燥した。このものを70℃、0.02MPa/cmで1時間プレスし、電極シートを作製した。
次いで、Biologic社製測定装置(VMP−300)を用いて、以下の条件で充放電試験を行った。
測定温度:40℃
カットオフ電圧:3.0〜4.6V
正極:コバルト酸リチウム電極(前記電極シート)
負極:リチウム箔
セパレーター:グラスフィルター(アドバンテック社製、GA−55)
電流密度:778μA/cm
なお、セパレーターとして用いたグラスフィルターには、電解質組成物を染み込ませた。
(定電流充放電試験2)
電流密度を156μA/cmに変更したことを除き、定電流充放電試験1と同様にして、試験を行った。
(定電流充放電試験3)
コバルト酸リチウムに代えて、Li(Ni−Mn−Co)Oを用いて得られた電極シートを正極として用いたことを除き、定電流充放電試験1と同様にして、試験を行った。
定電流充放電試験の結果を図13〜16に示す。なお、図13は、定電流充放電試験1の結果であり、図14、15は、定電流充放電試験2の結果であり、図16は、定電流充放電試験3の結果である。図中、横軸は充放電の回数を表し、縦軸は放電容量を表す。
図13〜16から以下のことが分かる。
実施例においては、比較例に比べて、充放電を繰り返したときの放電容量の低下が抑制されている。このように、本発明の電解質組成物を用いた二次電池は、充電時のカットオフ電圧の上限を4.6Vと高くして充放電を繰り返した場合においても、放電容量がより低下し難くいものである。

Claims (8)

  1. 下記(A)成分、(B)成分及び(C)成分を含有する電解質組成物。
    (A)成分:
    (A−1)ポリアルキレンオキシド、ポリアルキレンカーボネート、及び、アルキレンポリオール(メタ)アクリレート由来の繰り返し単位を有するビニル系重合体からなる群から選ばれる少なくとも1種の高分子化合物、又は
    (A−2)カーボネート系溶媒、エステル系溶媒、ラクトン系溶媒、エーテル系溶媒、ニトリル系溶媒、及び含硫黄系溶媒からなる群から選ばれる少なくとも1種の有機溶媒
    (B)成分:周期律表第1族又は第2族の金属の塩
    (C)成分:下記式(I)
    Figure 2016027788
    (式中、Xは、1又は2以上の窒素原子又はリン原子を含み、かつ、1の結合手を有するカチオン性基を表し、Yは、Xの窒素原子又はリン原子と結合する、炭素数2〜5のアルキレン基を表す。)
    で示される双性イオン化合物
  2. 前記(A)成分が、ポリエチレンオキシド、エチレンカーボネート、及びジエチルカーボネートからなる群から選ばれる少なくとも一種である、請求項1に記載の電解質組成物。
  3. 前記(B)成分が、リチウム塩である、請求項1に記載の電解質組成物。
  4. 前記(C)成分の、Xで表されるカチオン性基が、下記式(II)〜(VI)のいずれかで示される基である、請求項1に記載の電解質組成物。
    Figure 2016027788
    (式中、Rは、エーテル結合を有する若しくは有しない炭素数1〜10のアルキル基、エーテル結合を有する若しくは有しない炭素数2〜11のシアノアルキル基、エーテル結合を有する若しくは有しない炭素数2〜10のアルケニル基、又は置換若しくは無置換の炭素数6〜20のアリール基を表す。R、Rは、それぞれ独立に、水素原子、エーテル結合を有する若しくは有しない炭素数1〜10のアルキル基、エーテル結合を有する若しくは有しない炭素数2〜11のシアノアルキル基、エーテル結合を有する若しくは有しない炭素数2〜10のアルケニル基、又は置換若しくは無置換の炭素数6〜20のアリール基を表す。R及びRは、互いに結合して、環を形成していてもよい。*は結合手を表す。)
    Figure 2016027788
    (式中、Rは、エーテル結合を有する若しくは有しない炭素数1〜10のアルキル基、エーテル結合を有する若しくは有しない炭素数2〜11のシアノアルキル基、又はエーテル結合を有する若しくは有しない炭素数2〜20のアルケニル基を表し、Rは、水素原子、又は、エーテル結合を有する若しくは有しない炭素数1〜10のアルキル基を表す。*は結合手を表す。)
    Figure 2016027788
    (式中、R〜R10は、それぞれ独立に、水素原子、又は、エーテル結合を有する若しくは有しない炭素数1〜10のアルキル基を表す。*は結合手を表す。)
    Figure 2016027788
    (式中、R11〜R15は、それぞれ独立に、水素原子、又は、エーテル結合を有する若しくは有しない炭素数1〜10のアルキル基を表す。*は結合手を表す。)
    Figure 2016027788
    (式中、R16は、エーテル結合を有する若しくは有しない炭素数1〜10のアルキル基、エーテル結合を有する若しくは有しない炭素数2〜11のシアノアルキル基、エーテル結合を有する若しくは有しない炭素数2〜10のアルケニル基、又は置換若しくは無置換の炭素数6〜20のアリール基を表す。R17、R18は、それぞれ独立に、水素原子、エーテル結合を有する若しくは有しない炭素数1〜10のアルキル基、エーテル結合を有する若しくは有しない炭素数2〜11のシアノアルキル基、エーテル結合を有する若しくは有しない炭素数2〜10のアルケニル基、又は置換若しくは無置換の炭素数6〜20のアリール基を表す。*は結合手を表す。)
  5. 前記(A)成分と(B)成分の含有量の割合が、〔(A)成分:(B)成分〕の質量比で、100:0.1〜100:10,000である請求項1に記載の電解質組成物。
  6. 前記(A)成分と(C)成分の含有量の割合が、〔(A)成分:(C)成分〕の質量比で、100:0.01〜100:100である請求項1に記載の電解質組成物。
  7. 正極、負極、及び、請求項1に記載の電解質組成物を有する二次電池。
  8. 請求項7に記載の二次電池の使用方法であって、充電時のカットオフ電圧の上限が4.4〜5.5Vである、二次電池の使用方法。
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