JPWO2017065145A1 - 非水電解液電池用電解液及びそれを用いた非水電解液電池 - Google Patents
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Abstract
Description
特に電気自動車、ハイブリッド車、燃料電池車補助電源、家庭用電力貯蔵システム等の屋外で使用されるものは高温環境下でも電池特性が劣化しないことが要求されているが、高温環境下では充放電時の電極表面での非水電解液の分解が促進され、著しい電池特性の低下を起こす。このため、高温環境下でのサイクル特性に優れたリチウム非水電解液電池用電解液が望まれている。
しかし、この不動態皮膜は塩素成分により破壊され、アルミニウムの溶出(腐食)が進行する事で集電体/正極活物質間の界面接触抵抗が著しく増加する結果、電池容量が急激に減少する事も報告されている(非特許文献3)。
また、フッ化水素酸等を非水電解液中に添加する手法はコストへの影響は極めて少ないものの、高電圧といったより過酷な条件下ではその効果が充分なものではなかった。
そこで含フッ素イミド塩、含フッ素スルホン酸塩や、含フッ素リン酸塩を非水電解液に添加した際の、正極集電体であるアルミニウム箔からのアルミニウム成分の溶出(腐食)防止のための低コスト且つ過酷な条件下でも効果を有する技術が求められていた。
非水有機溶媒と、
溶質としてフッ素を含むイオン性塩と、
添加剤として、含フッ素イミド塩、含フッ素スルホン酸塩、及び、含フッ素リン酸塩からなる群から選ばれる少なくとも1種と、
を含有する非水電解液電池用電解液において、
従来は正極集電体のアルミニウム箔からアルミニウム成分を溶出させ電池性能を劣化させると考えられていた、塩化物イオンや、充電により塩化物イオンを発生させる含塩素化合物を特定の範囲内の量で含有させる事により、
高温環境下での充電において、正極集電体として用いるアルミニウム箔からのアルミニウム成分の溶出を抑制するという極めて意外な効果を見出し、本発明に至った。
正極集電体としてアルミニウム箔を用いる非水電解液電池用電解液において、
(I)非水有機溶媒、
(II)フッ素を含むイオン性塩である、溶質、
(III)含フッ素イミド塩、含フッ素スルホン酸塩、及び、含フッ素リン酸塩からなる群から選ばれる少なくとも1種の、添加剤、
(IV)塩化物イオン、及び、充電により塩化物イオンを発生させる含塩素化合物からなる群から選ばれる少なくとも1種
を含み、
上記(I)及び(II)の総量に対する(IV)の濃度が、塩素原子換算で0.1質量ppm以上、500質量ppm以下である、非水電解液電池用電解液(第1電解液)が提供される。
なお、後述するように、上記溶質の具体例と上記含フッ素イミド塩や含フッ素スルホン酸塩の具体例で、一部重複するものがあるが、該当する塩の添加量が、0.5〜2.5mol/Lの場合は溶質として用いられていることを意味し、0.02〜10.0質量%の場合は添加剤として用いられていることを意味する。
リチウム、及びナトリウムからなる群から選ばれる少なくとも1種のカチオンと、
ヘキサフルオロリン酸アニオン、テトラフルオロホウ酸アニオン、ジフルオロオキサラトホウ酸アニオン、テトラフルオロオキサラトリン酸アニオン、トリフルオロメタンスルホン酸アニオン、フルオロスルホン酸アニオン、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドアニオン、ビス(フルオロスルホニル)イミドアニオン、(トリフルオロメタンスルホニル)(フルオロスルホニル)イミドアニオン、ビス(ジフルオロホスホニル)イミドアニオン、(ジフルオロホスホニル)(フルオロスルホニル)イミドアニオン、及び(ジフルオロホスホニル)(トリフルオロスルホニル)イミドアニオンからなる群から選ばれる少なくとも1種のアニオンの対からなるイオン性塩である、非水電解液電池用電解液(第11電解液)であってもよい。
含フッ素イミド塩が、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド塩、ビス(ペンタフルオロエタンスルホニル)イミド塩、ビス(フルオロスルホニル)イミド塩、(トリフルオロメタンスルホニル)(ペンタフルオロエタンスルホニル)イミド塩、(トリフルオロメタンスルホニル)(フルオロスルホニル)イミド塩、(ペンタフルオロエタンスルホニル)(フルオロスルホニル)イミド塩、ビス(ジフルオロホスホニル)イミド塩、(ジフルオロホスホニル)(フルオロスルホニル)イミド塩、及び(ジフルオロホスホニル)(トリフルオロスルホニル)イミド塩からなる群から選ばれる少なくとも1種であり、
含フッ素スルホン酸塩が、トリフルオロメタンスルホン酸塩、フルオロメタンスルホン酸塩、及びペンタフルオロメタンスルホン酸塩からなる群から選ばれる少なくとも1種であり、
含フッ素リン酸塩が、モノフルオロリン酸塩、及びジフルオロリン酸塩からなる群から選ばれる少なくとも1種である、非水電解液電池用電解液(第12電解液)であってもよい。
第15電解液は、上記環状カーボネートが、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、及びブチレンカーボネートからなる群から選ばれる少なくとも1種であり、上記鎖状カーボネートが、エチルメチルカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、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、及びメチルブチルカーボネートからなる群から選ばれる少なくとも1種であり、上記エステルが、酢酸メチル、酢酸エチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、2−フルオロプロピオン酸メチル、及び2−フルオロプロピオン酸エチルからなる群から選ばれる少なくとも1種である、非水電解液電池用電解液(第16電解液)であってもよい。
正極集電体としてアルミニウム箔を備えた正極と、
リチウム又はリチウムの吸蔵放出の可能な負極材料からなる負極と、或いはナトリウム又はナトリウムの吸蔵放出の可能な負極材料からなる負極と、
第1〜第16電解液のいずれか1つとを含む、非水電解液電池が提供される。
例えば、3000質量ppmの塩化物イオンが含まれる非水電解液を使用した電池にて高温環境下での充電を繰り返し(充放電試験や高温貯蔵試験)、その劣化後の電池を分解して正極集電体アルミニウムを取り出し電子顕微鏡を用いて観察すると、アルミニウム表面に多数の孔食痕が見られる事から、明らかに不動態皮膜が破壊されている事が分かる。
また、充電により分解して塩化物イオンを生成するような物質を含む非水電解液に対して予め分解電位以上の電位で充電操作を行って、該電解液を、例えば3000質量ppmの塩化物イオンが含まれる非水電解液とした場合も、充放電試験や高温貯蔵試験を行うと、上記と同様に不動態皮膜が破壊されている事を確認できる。
さらに、塩化物イオンは充電により、アルミニウム表面の不動態皮膜Al−F化合物と反応し、Al−F結合の一部をAl−Cl結合に置き換える。なお、この状態(例えば、AlF2ClやAlFCl2)では充分な溶解度を持たないため、その皮膜の溶出までには至らない。この状態は、Alに結合した立体的に嵩高いCl分子がジフルオロリン酸アニオンのAl近傍への接近を防いでいると見ることも可能であり、そのためAlとジフルオロリン酸アニオンとの反応が進行せず、不動態皮膜の溶出が進行しないものと考えられる。
本発明の非水電解液電池用電解液に用いられる非水有機溶媒として、例えば、カーボネート類、エステル類、エーテル類、ラクトン類、ニトリル類、イミド類、及びスルホン類が挙げられる。
本発明の非水電解液電池用電解液に用いられる溶質として、例えば、アルカリ金属イオン、アルカリ土類金属イオンからなる群から選ばれる少なくとも1種のカチオンと、ヘキサフルオロリン酸アニオン、テトラフルオロホウ酸アニオン、ヘキサフルオロヒ酸アニオン、ヘキサフルオロアンチモン酸アニオン、ジフルオロオキサラトホウ酸アニオン、テトラフルオロオキサラトリン酸アニオン、トリフルオロメタンスルホン酸アニオン、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドアニオン、ビス(ペンタフルオロエタンスルホニル)イミドアニオン、(トリフルオロメタンスルホニル)(ペンタフルオロエタンスルホニル)イミドアニオン、ビス(フルオロスルホニル)イミドアニオン、(トリフルオロメタンスルホニル)(フルオロスルホニル)イミドアニオン、(ペンタフルオロエタンスルホニル)(フルオロスルホニル)イミドアニオン、トリス(トリフルオロメタンスルホニル)メチドアニオン、ビス(ジフルオロホスホニル)イミドアニオン、(ジフルオロホスホニル)(フルオロスルホニル)イミドアニオン、及び(ジフルオロホスホニル)(トリフルオロスルホニル)イミドアニオンが挙げられる。
本発明の非水電解液電池用電解液に用いられる添加剤である、含フッ素イミド塩の具体例として、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド塩、ビス(ペンタフルオロエタンスルホニル)イミド塩、ビス(フルオロスルホニル)イミド塩、(トリフルオロメタンスルホニル)(ペンタフルオロエタンスルホニル)イミド塩、(トリフルオロメタンスルホニル)(フルオロスルホニル)イミド塩、(ペンタフルオロエタンスルホニル)(フルオロスルホニル)イミド塩、ビス(ジフルオロホスホニル)イミド塩、(ジフルオロホスホニル)(フルオロスルホニル)イミド塩、及び(ジフルオロホスホニル)(トリフルオロスルホニル)イミド塩が挙げられ、含フッ素スルホン酸塩の具体例として、トリフルオロメタンスルホン酸塩、フルオロメタンスルホン酸塩、ペンタフルオロメタンスルホン酸塩が挙げられ、含フッ素リン酸塩の具体例として、モノフルオロリン酸塩、ジフルオロリン酸塩が挙げられる。
本発明の非水電解液電池用電解液に用いられる(IV)成分のうち、塩化物イオンは、上記(I)、(II)、(III)に“電離して塩化物イオンを生成する物質”を混合して生成されたものであってもよい。上記“電離して塩化物イオンを生成する物質”として金属塩化物、4級アンモニウム塩化物等が挙げられる。
本発明の要旨を損なわない限りにおいて、本発明の非水電解液電池用電解液に一般に用いられる添加成分を任意の比率でさらに添加しても良い。具体例としては、シクロヘキシルベンゼン、シクロヘキシルフルオロベンゼン、ビフェニル、ジフルオロアニソール、t−ブチルベンゼン、t−アミルベンゼン、2−フルオロトルエン、2−フルオロビフェニル、ビニレンカーボネート、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、フルオロエチレンカーボネート、無水マレイン酸、無水コハク酸、プロパンサルトン、1,3−プロパンスルトン、ブタンスルトン、メチレンメタンジスルホネート、ジメチレンメタンジスルホネート、トリメチレンメタンジスルホネート、メタンスルホン酸メチル、ジフルオロビス(オキサラト)リン酸リチウム、ジフルオロビス(オキサラト)リン酸ナトリウム、ジフルオロビス(オキサラト)リン酸カリウム、ジフルオロオキサラトホウ酸リチウム、ジフルオロオキサラトホウ酸ナトリウム、ジフルオロオキサラトホウ酸カリウム、テトラフルオロオキサラトリン酸リチウム、テトラフルオロオキサラトリン酸ナトリウム、テトラフルオロオキサラトリン酸カリウム、トリス(オキサラト)リン酸リチウム、ヘキサフルオロイソプロパノール、トリフルオロエタノール、ジ(ヘキサフルオロイソプロピル)カーボネート、ジ(トリフルオロエチル)カーボネート等の過充電防止効果、負極皮膜形成効果や正極保護効果を有する化合物が挙げられる。また、ポリマー電池と呼ばれる非水電解液電池に使用される場合のように非水電解液電池用電解液をゲル化剤や架橋ポリマーにより擬固体化して使用することも可能である。ヘキサフルオロイソプロパノール等のフッ素化されたアルコールは、その求核性の低さからヘキサフルオロリン酸塩を始めとする溶質と反応してフッ化水素を発生させる事は無く、例えば入出力特性を向上する添加剤として用いられる。
本発明の非水電解液電池は、正極と、リチウム又はリチウムの吸蔵放出の可能な負極材料からなる負極と、上記非水電解液電池用電解液と、集電体、セパレーター、容器等から成る。あるいは、本発明の電池は、正極と、ナトリウム又はナトリウムの吸蔵放出の可能な負極材料からなる負極と、上記非水電解液電池用電解液と、集電体、セパレーター、容器等から成る。
正極は正極活物質、集電体であるアルミニウム箔、導電材、バインダーから成り、正極活物質の種類は特に限定されるものでないが、リチウムイオンやナトリウムイオンを始めとするアルカリ金属イオン、又はアルカリ土類金属イオンが可逆的に挿入−脱離可能な材料が用いられる。アルミニウム箔の材質としては、一般的にはアルミニウム純度の高い純アルミニウム1000系(例えばA1085や、A1N30等)や、強度を高める目的でマンガンを添加したアルミマンガン合金3000系(例えばA3003)等が用いられる。更には、同様に強度を高める目的でマグネシウムを添加したアルミマグネシウム合金5000系や、鉄を添加した8000系(1000〜7000番台に該当しない合金)もよく用いられる。また、アルミニウム箔は厚さ数μm〜数十μmのものが一般的に用いられている。
負極は負極活物質、集電体、導電材、バインダーから成り、負極活物質の種類は特に限定されるものでないが、リチウムイオンやナトリウムイオンをはじめとするアルカリ金属イオン、又はアルカリ土類金属イオンが可逆的に挿入−脱離可能な材料が用いられる。
正極や負極には、導電材として、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、ファーネスブラック、炭素繊維、黒鉛、フッ素化黒鉛等が使用される。また、バインダーとして、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重含体、スチレンブタジエンゴム、カルボキシメチルセルロース、メチルセルロース、酢酸フタル酸セルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、ポリビニルアルコール等が用いられる。
LiNi1/2Mn3/2O4粉末90質量%に、バインダーとしてポリフッ化ビニリデン(以下PVDF)を5質量%、導電材としてアセチレンブラックを5質量%混合し、さらにN−メチルピロリドン(以下NMP)を添加し、正極合材ペーストを作製した。このペーストをアルミニウム箔(A3003、厚さ20μm)の片面に塗布して、乾燥、加圧を行った後に、直径15.5mmの円形に打ち抜くことで試験用LMNO正極を得た。
LiCoO2粉末90質量%に、バインダーとしてPVDFを5質量%、導電材としてアセチレンブラックを5質量%混合し、さらにNMPを添加し、正極合材ペーストを作製した。このペーストをアルミニウム箔(A3003、厚さ20μm)の片面に塗布して、乾燥、加圧を行った後に、直径15.5mmの円形に打ち抜くことで試験用LCO正極を得た。
LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2粉末90質量%に、バインダーとしてPVDFを5質量%、導電材としてアセチレンブラックを5質量%混合し、さらにNMPを添加し、正極合材ペーストを作製した。このペーストをアルミニウム箔(A3003、厚さ20μm)の片面に塗布して、乾燥、加圧を行った後に、直径15.5mmの円形に打ち抜くことで試験用NCM正極を得た。
非晶質炭素でコーティングされたLiFePO4粉末90質量%に、バインダーとしてPVDFを5質量%、導電材としてアセチレンブラックを5質量%混合し、さらにNMPを添加し、正極合材ペーストを作製した。このペーストをアルミニウム箔(A3003、厚さ20μm)の片面に塗布して、乾燥、加圧を行った後に、直径15.5mmの円形に打ち抜くことで試験用LFP正極を得た。
黒鉛粉末90質量%に、バインダーとして10質量%のPVDFを混合し、さらにNMPを添加し、負極合材ペーストを作製した。このペーストを銅箔の片面に塗布して、乾燥、加圧を行った後に、直径15.5mmの円形に打ち抜くことで試験用黒鉛負極を得た。
露点−50℃以下のアルゴン雰囲気で、上記の各活物質(LMNO/LCO/NCM/LFP)を使用した試験用正極の何れかと、試験用黒鉛負極と、後述する実施例及び比較例で調製した電解液を浸み込ませたポリエチレン製セパレーター(直径16.0mm)と、SUS316L製外装缶を使用してR2032型コインセルを組み立てた。
25℃で充電レート0.3C(正極活物質量で規格化した容量値のセルが3.3時間で放電終了となる電流値)にて表1に示す上限電圧まで充電を行った。上限電圧に到達後、その電圧を1時間維持した後に放電レート0.3Cにて表1に示す下限電圧まで放電を行った。これを充放電1サイクルとし、計3サイクルの充放電を行ってセルを安定化させた。
初期充放電を完了させたセルは充電レート0.3Cにて表1に示す上限電圧まで充電を行った。更に上限電圧に到達後、その電圧を1時間維持した。その後、セルを充放電装置から取外し、60℃の恒温槽にて15日間の保管を行った。そして、セルを恒温槽から取り出し、露点−50℃以下のアルゴンで満たされたグローブボックス内へ移した。充分にセルの温度が下がっている事を確認してから、セルを解体して正極を取り出した。取り出した正極をNMPに浸漬させて正極集電体アルミニウム上から活物質、導電材、バインダーを除去した。得られた正極集電体アルミニウムの表面(中央、端)、裏面(中央、端)の計四点を電子顕微鏡にて観察し、50μm四方の中で見られる孔食痕の数を計測した。そして計測された四点の平均値をそのセルの孔食痕数として腐食評価に用いた。
(基本組成非水電解液A)
露点−50℃以下のアルゴンで満たされたグローブボックス内で、
(I)エチレンカーボネート(以下EC)とエチルメチルカーボネート(以下EMC)の混合溶媒(体積比で1:2)に対して、
(II)ヘキサフルオロリン酸リチウム(以下LiPF6)を1.0mol/Lの濃度となるように添加し、完全に溶解させた。このとき、液温が45℃を超えない添加速度を保った。
これを基本組成非水電解液Aとする。この基本組成非水電解液A中の(IV)成分の濃度を測定したところ、いずれも検出下限以下であった。
露点−50℃以下のアルゴンで満たされたグローブボックス内で、
(I)ECとEMCの混合溶媒(体積比で1:2)に対して、その他成分(一般に用いられる添加成分)としてヘキサフルオロイソプロパノール(以下HFIP)を濃度500質量ppmとなるように添加した。さらに、
(II)LiPF6を1.0mol/Lの濃度となるように添加し、完全に溶解させた。このとき、液温が45℃を超えない添加速度を保った。
これを基本組成非水電解液Bとする。この基本組成非水電解液B中の(IV)成分の濃度を測定したところ、いずれも検出下限以下であった。また、この基本組成非水電解液B中の遊離酸濃度を中和滴定により測定したところ、調製直後は7.0質量ppm、室温で2週間保管後は8.0ppmであり、ほとんど変化がなかった。この事から、アルコールであるHFIPが添加されてもフッ化水素が発生していない事が分かる。
露点−50℃以下のアルゴンで満たされたグローブボックス内で、
(I)ECとEMCと2−フルオロプロピオン酸エチル(以下FPE)の混合溶媒(体積比で1:1:1)に対して、
(II)LiPF6を1.0mol/Lの濃度となるように添加し、完全に溶解させた。このとき、液温が45℃を超えない添加速度を保った。これを基本組成非水電解液Cとする。この基本組成非水電解液C中の(IV)成分の濃度を測定したところ、いずれも検出下限以下であった。
(IV)成分の濃度は、電気伝導度検出器を備えたイオンクロマトグラフィー装置(ICS−3000 日本ダイオネクス製)や、蛍光X線分析装置(ZSX PrimusIV リガク製)、塩素・硫黄分析装置(TOX−2100H 三菱化学アナリテック製)の何れを用いる事でも測定が可能だが、全て「塩化物イオン」として測定しているため、(IV)成分が塩化物イオンでない場合は、測定前にフラスコ燃焼法にて完全に分解させ、そこで得られた吸収液を測定に用いる必要がある。また、フッ化物イオンが塩化物イオン定量の妨害となるため、塩化物イオンとしての測定値が50質量ppm以下だと予想される場合は、フラスコ燃焼法にて得られた吸収液にホウ酸やホウ酸塩を添加し、フッ化物イオンを低減させた後に測定を行う必要がある。なお、蛍光X線分析装置では、吸収液に硝酸銀水溶液を添加して塩化物イオンを塩化銀として沈殿・ろ別回収した固体試料を測定に使用する。
特許文献8に開示された手法にて粗ジクロロリン酸リチウムを合成し、これをアセトニトリル中で精製、乾燥する事でリン純度99%(P−NMRより)のジクロロリン酸リチウム(LiPO2Cl2)を得た。上記基本組成非水電解液A(1.0kg)に対して、(IV)成分として、このジクロロリン酸リチウム(1.0mg)を添加し、室温下で攪拌して完全に溶解させた。塩素・硫黄分析装置(TOX−2100H)を用いて、ここで得られた(IV)成分含有非水電解液の(IV)成分濃度を測定したところ0.4質量ppmであった(仕込み値は0.5質量ppm)。なお、ジクロロリン酸リチウムの分解電位は約2.7Vである。
上記基本組成非水電解液A(1.0kg)に対して、(IV)成分として、上記ジクロロリン酸リチウム(99.2mg)を添加し、室温下で攪拌して完全に溶解させた。ここで得られた(IV)成分含有非水電解液の(IV)成分濃度を測定したところ52質量ppmであった(仕込み値は50.0質量ppm)。
上記基本組成非水電解液A(0.5kg)に対して、(IV)成分として、上記ジクロロリン酸リチウム(148.8mg)を添加し、室温下で攪拌して完全に溶解させた。ここで得られた(IV)成分含有非水電解液の(IV)成分濃度を測定したところ144質量ppmであった(仕込み値は150.0質量ppm)。
上記基本組成非水電解液A(0.5kg)に対して、(IV)成分として、上記ジクロロリン酸リチウム(992mg)を添加し、40℃で攪拌して完全に溶解させた。室温に冷却後、ここで得られた(IV)成分含有非水電解液の(IV)成分濃度を測定したところ1008質量ppmであった(仕込み値は1000質量ppm)。
試薬の塩化トリエチルアンモニウム(東京化成工業製)を減圧乾燥し、水分0.1質量%以下の塩化トリエチルアンモニウム((C2H5)3NHCl)を得た。上記基本組成非水電解液A(1.0kg)に対してこの塩化トリエチルアンモニウム(1.9mg)を添加し、室温下で攪拌して完全に溶解させた。塩化トリエチルアンモニウムは速やかに電離して、(IV)成分である塩化物イオンが生成したと推察される。ここで得られた(IV)成分含有非水電解液の(IV)成分濃度を測定したところ0.5質量ppmであった(仕込み値は0.5質量ppm)。
上記基本組成非水電解液A(1.0kg)に対して、上記塩化トリエチルアンモニウム(193.9mg)を添加し、室温下で攪拌して完全に溶解させた。ここで得られた(IV)成分含有非水電解液の(IV)成分濃度を測定したところ49質量ppmであった(仕込み値は50.0質量ppm)。
上記基本組成非水電解液A(0.5kg)に対して、上記塩化トリエチルアンモニウム(290.8mg)を添加し、室温下で攪拌して完全に溶解させた。ここで得られた(IV)成分含有非水電解液の(IV)成分濃度を測定したところ138質量ppmであった(仕込み値は150.0質量ppm)。
上記基本組成非水電解液A(0.5kg)に対して、上記塩化トリエチルアンモニウム(1939mg)を添加し、40℃で攪拌して完全に溶解させた。室温に冷却後、ここで得られた(IV)成分含有非水電解液の(IV)成分濃度を測定したところ993質量ppmであった。(仕込み値は1000質量ppm)
上記基本組成非水電解液A(1.0kg)に対して、(IV)成分として、トリクロロメタン(CHCl3)(和光純薬工業製 超脱水品)(0.6mg)を添加し、密閉・室温下で攪拌して溶解させた。ここで得られた(IV)成分含有非水電解液の(IV)成分濃度を測定したところ0.3質量ppmであった(仕込み値は0.5質量ppm)。なお、トリクロロメタンの分解電位は約2.6Vである。
上記基本組成非水電解液A(1.0kg)に対して、(IV)成分として、上記トリクロロメタン(56.0mg)を添加し、密閉・室温下で攪拌して溶解させた。ここで得られた(IV)成分含有非水電解液の(IV)成分濃度を測定したところ41質量ppmであった(仕込み値は50.0質量ppm)。
上記基本組成非水電解液A(0.5kg)に対して、(IV)成分として、上記トリクロロメタン(84.0mg)を添加し、密閉・室温下で攪拌して溶解させた。ここで得られた(IV)成分含有非水電解液の(IV)成分濃度を測定したところ130質量ppmであった(仕込み値は150.0質量ppm)。
上記基本組成非水電解液A(0.5kg)に対して、(IV)成分として、上記トリクロロメタン(561mg)を添加し、密閉・室温下で攪拌して溶解させた。ここで得られた(IV)成分含有非水電解液の(IV)成分濃度を測定したところ950質量ppmであった(仕込み値は1000質量ppm)。
特許文献9の実施例6に開示された手法にて粗ジフルオロリン酸リチウムを、ジホスホリルクロリドとLiPF6と炭酸リチウムから合成し、これを酢酸エチル系で一回精製する事でリン、フッ素純度99%(P、F−NMRより)のジフルオロリン酸リチウムを得た。なお、当該ジフルオロリン酸リチウム中には、不純物としてジクロロリン酸リチウム及び塩化リチウムを主体とする(IV)成分が含まれている。上記基本組成非水電解液A(100g)に対して、この不純物を含有したジフルオロリン酸リチウム(2g)を添加し、室温下で攪拌して完全に溶解させた。溶解後には、(III)成分としてジフルオロリン酸リチウムが2.0質量%含有され、(IV)成分として塩化物イオン及びジクロロリン酸リチウムが合計で85質量ppm含有された非水電解液が得られた。
上記基本組成非水電解液B(0.5kg)に対して、(IV)成分として、上記トリクロロメタン(84.0mg)を添加し、密閉・室温下で攪拌して溶解させた。ここで得られた(IV)成分含有非水電解液の(IV)成分濃度を測定したところ140質量ppmであった(仕込み値は150.0質量ppm)。
上記基本組成非水電解液C(0.5kg)に対して、(IV)成分として、上記トリクロロメタン(84.0mg)を添加し、密閉・室温下で攪拌して溶解させた。ここで得られた(IV)成分含有非水電解液の(IV)成分濃度を測定したところ140質量ppmであった(仕込み値は150.0質量ppm)。
ジフルオロリン酸リチウムについて
特許文献10の(実施例1)に開示された手法にてジフルオロリン酸リチウムが2.7質量%含まれたEMC溶液を得た後、更に濃縮を行った。そこで析出したジフルオロリン酸リチウムを濾過にて回収し、酢酸エチル系にて再結晶精製を行ったものを使用した。
セントラル硝子製(PFM-LI、純度99%以上)のものを用いた。
特許文献11の(実施例2)に開示された手法にて合成したものを用いた。
非特許文献5に記載された方法に従って合成したものを用いた。
試験液1に、(III)成分として、0.2質量%の濃度となるようにジフルオロリン酸リチウムを溶解させる事で調製した非水電解液を用いて、上述の通り非水電解液電池の作製(正極LMNO)を行い、更に初期充放電を経てから正極集電体アルミニウムの腐食評価を行った。結果を表2に示す。
試験液1に換えて試験液2を使用した以外は実施例1−1と同様の手順にて正極集電体アルミニウムの腐食評価を行った。結果を表2に示す。
試験液1に換えて試験液3を使用した以外は実施例1−1と同様の手順にて正極集電体アルミニウムの腐食評価を行った。結果を表2に示す。
試験液1に、(III)成分として、2.0質量%の濃度となるようにジフルオロリン酸リチウムを溶解させる事で調製した非水電解液を用いて、上述の通り非水電解液電池の作製(正極LMNO)を行い、更に初期充放電を経てから正極集電体アルミニウムの腐食評価を行った。結果を表2に示す。
試験液1に換えて試験液2を使用した以外は実施例1−4と同様の手順にて正極集電体アルミニウムの腐食評価を行った。結果を表2に示す。
試験液1に換えて試験液3を使用した以外は実施例1−4と同様の手順にて正極集電体アルミニウムの腐食評価を行った。結果を表2に示す。
試験液13を用いて、上述の通り非水電解液電池の作製(正極LMNO)を行い、更に初期充放電を経てから正極集電体アルミニウムの腐食評価を行った。結果を表2に示す。
試験液5に、(III)成分として、2.0質量%の濃度となるようにジフルオロリン酸リチウムを溶解させる事で調製した非水電解液を用いて、上述の通り非水電解液電池の作製(正極LMNO)を行い、更に初期充放電を経てから正極集電体アルミニウムの腐食評価を行った。結果を表3に示す。
試験液5に換えて試験液6を使用した以外は実施例1−8と同様の手順にて正極集電体アルミニウムの腐食評価を行った。結果を表3に示す。
試験液5に換えて試験液7を使用した以外は実施例1−8と同様の手順にて正極集電体アルミニウムの腐食評価を行った。結果を表3に示す。
試験液9に、(III)成分として、2.0質量%の濃度となるようにジフルオロリン酸リチウムを溶解させる事で調製した非水電解液を用いて、上述の通り非水電解液電池の作製(正極LMNO)を行い、更に初期充放電を経てから正極集電体アルミニウムの腐食評価を行った。結果を表4に示す。
試験液9に換えて試験液10を使用した以外は実施例1−11と同様の手順にて正極集電体アルミニウムの腐食評価を行った。結果を表4に示す。
試験液9に換えて試験液11を使用した以外は実施例1−11と同様の手順にて正極集電体アルミニウムの腐食評価を行った。結果を表4に示す。
試験液11に、(III)成分として2.0質量%の濃度となるようにジフルオロリン酸リチウムと、その他成分(一般に用いられる添加成分)として2.0質量%の濃度となるようにビニレンカーボネート(VC)とを溶解させる事で調製した非水電解液を用いて、上述の通り非水電解液電池の作製(正極LMNO)を行い、更に初期充放電を経てから正極集電体アルミニウムの腐食評価を行った。結果を表5に示す。
試験液9に換えて試験液14を使用した以外は実施例1−11と同様の手順にて正極集電体アルミニウムの腐食評価を行った。結果を表5に示す。
試験液9に換えて試験液15を使用した以外は実施例1−11と同様の手順にて正極集電体アルミニウムの腐食評価を行った。結果を表5に示す。
上記基本組成非水電解液Aに、(III)成分として、0.2質量%の濃度となるようにジフルオロリン酸リチウムを溶解させる事で調製した非水電解液(すなわち(IV)を含有しない非水電解液)を用いて、上述の通り非水電解液電池の作製(正極LMNO)を行い、更に初期充放電を経てから正極集電体アルミニウムの腐食評価を行った。結果を表2に示す。
上記基本組成非水電解液Aに、(III)成分として、2.0質量%の濃度となるようにジフルオロリン酸リチウムを溶解させる事で調製した非水電解液(すなわち(IV)を含有しない非水電解液)を用いて、上述の通り非水電解液電池の作製(正極LMNO)を行い、更に初期充放電を経てから正極集電体アルミニウムの腐食評価を行った。結果を表2、3、4に示す。
試験液4に、(III)成分として、2.0質量%の濃度となるようにジフルオロリン酸リチウムを溶解させる事で調製した非水電解液(すなわち(IV)の濃度が500質量ppmを超える非水電解液)を用いて、上述の通り非水電解液電池の作製(正極LMNO)を行い、更に初期充放電を経てから正極集電体アルミニウムの腐食評価を行った。結果を表2に示す。
試験液8に、(III)成分として、2.0質量%の濃度となるようにジフルオロリン酸リチウムを溶解させる事で調製した非水電解液(すなわち(IV)の濃度が500質量ppmを超える非水電解液)を用いて、上述の通り非水電解液電池の作製(正極LMNO)を行い、更に初期充放電を経てから正極集電体アルミニウムの腐食評価を行った。結果を表3に示す。
試験液12に、(III)成分として、2.0質量%の濃度となるようにジフルオロリン酸リチウムを溶解させる事で調製した非水電解液(すなわち(IV)の濃度が500質量ppmを超える非水電解液)を用いて、上述の通り非水電解液電池の作製(正極LMNO)を行い、更に初期充放電を経てから正極集電体アルミニウムの腐食評価を行った。結果を表4に示す。
(III)成分として、ジフルオロリン酸リチウムの代わりにトリフルオロメタンスルホン酸リチウムを用い、その濃度を7.0質量%とした以外は実施例1−9と同様の手順にて正極集電体アルミニウムの腐食評価を行った。結果を表6に示す。
(III)成分として、ジフルオロリン酸リチウムの代わりにビス(フルオロスルホニル)イミドリチウムを用い、その濃度を7.0質量%とした以外は実施例1−9と同様の手順にて正極集電体アルミニウムの腐食評価を行った。結果を表6に示す。
(III)成分として、ジフルオロリン酸リチウムの代わりにビス(フルオロホスホニル)イミドリチウムを用い、その濃度を7.0質量%とした以外は実施例1−9と同様の手順にて正極集電体アルミニウムの腐食評価を行った。結果を表6に示す。
上記基本組成非水電解液Aに、(III)成分として、7.0質量%の濃度となるようにトリフルオロメタンスルホン酸リチウムを溶解させる事で調製した非水電解液(すなわち(IV)を含有しない非水電解液)を用いて、上述の通り非水電解液電池の作製(正極LMNO)を行い、更に初期充放電を経てから正極集電体アルミニウムの腐食評価を行った。結果を表6に示す。
上記基本組成非水電解液Aに、(III)成分として、7.0質量%の濃度となるようにビス(フルオロスルホニル)イミドリチウムを溶解させる事で調製した非水電解液(すなわち(IV)を含有しない非水電解液)を用いて、上述の通り非水電解液電池の作製(正極LMNO)を行い、更に初期充放電を経てから正極集電体アルミニウムの腐食評価を行った。結果を表6に示す。
上記基本組成非水電解液Aに、(III)成分として、7.0質量%の濃度となるようにビス(フルオロホスホニル)イミドリチウムを溶解させる事で調製した非水電解液(すなわち(IV)を含有しない非水電解液)を用いて、上述の通り非水電解液電池の作製(正極LMNO)を行い、更に初期充放電を経てから正極集電体アルミニウムの腐食評価を行った。結果を表6に示す。
試験用正極をLMNOからLCOに換えた以外は実施例1−5と同様の手順にて正極集電体アルミニウムの腐食評価を行った。結果を表7に示す。
試験用正極をLMNOからNCMに換えた以外は実施例1−5と同様の手順にて正極集電体アルミニウムの腐食評価を行った。結果を表7に示す。
試験用正極をLMNOからLFPに換えた以外は実施例1−5と同様の手順にて正極集電体アルミニウムの腐食評価を行った。結果を表7に示す。
試験用正極をLMNOからLFPに換え、(III)成分として、ジフルオロリン酸リチウムの代わりにビス(フルオロホスホニル)イミドリチウムを用い、その濃度を7.0質量%とした以外は実施例1−9と同様の手順にて正極集電体アルミニウムの腐食評価を行った。結果を表7に示す。
上記基本組成非水電解液Aに、(III)成分として、2.0質量%の濃度となるようにジフルオロリン酸リチウムを溶解させる事で調製した非水電解液(すなわち(IV)を含有しない非水電解液)を用いて、上述の通り非水電解液電池の作製(正極LCO)を行い、更に初期充放電を経てから正極集電体アルミニウムの腐食評価を行った。結果を表7に示す。
上記基本組成非水電解液Aに、(III)成分として、2.0質量%の濃度となるようにジフルオロリン酸リチウムを溶解させる事で調製した非水電解液(すなわち(IV)を含有しない非水電解液)を用いて、上述の通り非水電解液電池の作製(正極NCM)を行い、更に初期充放電を経てから正極集電体アルミニウムの腐食評価を行った。結果を表7に示す。
上記基本組成非水電解液Aに、(III)成分として、2.0質量%の濃度となるようにジフルオロリン酸リチウムを溶解させる事で調製した非水電解液(すなわち(IV)を含有しない非水電解液)を用いて、上述の通り非水電解液電池の作製(正極LFP)を行い、更に初期充放電を経てから正極集電体アルミニウムの腐食評価を行った。結果を表7に示す。
上記基本組成非水電解液Aに、(III)成分として、7.0質量%の濃度となるようにビス(フルオロホスホニル)イミドリチウムを溶解させる事で調製した非水電解液(すなわち(IV)を含有しない非水電解液)を用いて、上述の通り非水電解液電池の作製(正極LFP)を行い、更に初期充放電を経てから正極集電体アルミニウムの腐食評価を行った。結果を表7に示す。
Claims (17)
- 正極集電体としてアルミニウム箔を用いる非水電解液電池用電解液において、
(I)非水有機溶媒、
(II)フッ素を含むイオン性塩である、溶質、
(III)含フッ素イミド塩、含フッ素スルホン酸塩、及び、含フッ素リン酸塩からなる群から選ばれる少なくとも1種の、添加剤、
(IV)塩化物イオン、及び、充電により塩化物イオンを発生させる含塩素化合物からなる群から選ばれる少なくとも1種
を含み、
前記(I)及び(II)の総量に対する(IV)の濃度が、塩素原子換算で0.1質量ppm以上、500質量ppm以下である、非水電解液電池用電解液。 - 前記(IV)の濃度が、塩素原子換算で0.2質量ppm以上、300質量ppm以下である、請求項1に記載の非水電解液電池用電解液。
- 前記(IV)の含塩素化合物が、有機塩素化合物、P−Cl結合を有するリン化合物、S(=O)2−Cl結合を有するスルホン酸化合物、S(=O)−Cl結合を有するスルフィン酸化合物、及びSi−Cl結合を有するケイ素化合物からなる群から選ばれる少なくとも1種である、請求項1又は2に記載の非水電解液電池用電解液。
- 前記有機塩素化合物が、C−Cl結合を有する脂肪族炭化水素化合物、及びC−Cl結合を有する芳香族炭化水素化合物からなる群から選ばれる少なくとも1種である、請求項3に記載の非水電解液電池用電解液。
- 前記P−Cl結合を有するリン化合物が、三塩化リン、二塩化一フッ化リン、一塩化二フッ化リン、塩化ホスホリル、二塩化一フッ化ホスホリル、一塩化二フッ化ホスホリル、五塩化リン、四塩化一フッ化リン、三塩化二フッ化リン、二塩化三フッ化リン、一塩化四フッ化リン、六塩化リン酸塩、五塩化一フッ化リン酸塩、四塩化二フッ化リン酸塩、三塩化三フッ化リン酸塩、二塩化四フッ化リン酸塩、一塩化五フッ化リン酸塩、モノクロロリン酸塩、ジクロロリン酸塩、及びモノクロロモノフルオロリン酸塩からなる群から選ばれる少なくとも1種である、請求項3に記載の非水電解液電池用電解液。
- 前記S(=O)2−Cl結合を有するスルホン酸化合物が、メタンスルホニルクロリド、トリフルオロメタンスルホニルクロリド、塩化スルフリル、塩化フッ化スルフリル、クロロスルホン酸、ベンゼンスルホニルクロリド、及びp−トルエンスルホニルクロリドからなる群から選ばれる少なくとも1種である、請求項3に記載の非水電解液電池用電解液。
- 前記S(=O)−Cl結合を有するスルフィン酸化合物が、塩化スルフィニル、及び塩化フッ化スルフィニルからなる群から選ばれる少なくとも1種である、請求項3に記載の非水電解液電池用電解液。
- 前記Si−Cl結合を有するケイ素化合物が、トリアルキルクロロシラン、ジアルキルジクロロシラン、アルキルトリクロロシラン、テトラクロロシラン、ジアルキルクロロヒドロシラン、アルキルジクロロヒドロシラン、アルキルクロロジヒドロシランからなる群から選ばれる少なくとも1種である、請求項3に記載の非水電解液電池用電解液。
- 前記(I)、(II)、(III)、及び(IV)の総量に対する、(III)の濃度が0.02質量%以上、10.0質量%以下である、請求項1〜8のいずれか1つに記載の非水電解液電池用電解液。
- 前記濃度が0.02質量%以上、4.0質量%以下である、請求項9に記載の非水電解液電池用電解液。
- 前記溶質であるイオン性塩が、リチウム、及びナトリウムからなる群から選ばれる少なくとも1種のカチオンと、
ヘキサフルオロリン酸アニオン、テトラフルオロホウ酸アニオン、ジフルオロオキサラトホウ酸アニオン、テトラフルオロオキサラトリン酸アニオン、トリフルオロメタンスルホン酸アニオン、フルオロスルホン酸アニオン、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドアニオン、ビス(フルオロスルホニル)イミドアニオン、(トリフルオロメタンスルホニル)(フルオロスルホニル)イミドアニオン、ビス(ジフルオロホスホニル)イミドアニオン、(ジフルオロホスホニル)(フルオロスルホニル)イミドアニオン、及び(ジフルオロホスホニル)(トリフルオロスルホニル)イミドアニオンからなる群から選ばれる少なくとも1種のアニオンの対からなるイオン性塩である、請求項1〜10のいずれか1つに記載の非水電解液電池用電解液。 - 前記添加剤である、含フッ素イミド塩が、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド塩、ビス(ペンタフルオロエタンスルホニル)イミド塩、ビス(フルオロスルホニル)イミド塩、(トリフルオロメタンスルホニル)(ペンタフルオロエタンスルホニル)イミド塩、(トリフルオロメタンスルホニル)(フルオロスルホニル)イミド塩、(ペンタフルオロエタンスルホニル)(フルオロスルホニル)イミド塩、ビス(ジフルオロホスホニル)イミド塩、(ジフルオロホスホニル)(フルオロスルホニル)イミド塩、及び(ジフルオロホスホニル)(トリフルオロスルホニル)イミド塩からなる群から選ばれる少なくとも1種であり、
含フッ素スルホン酸塩が、トリフルオロメタンスルホン酸塩、フルオロメタンスルホン酸塩、及びペンタフルオロメタンスルホン酸塩からなる群から選ばれる少なくとも1種であり、
含フッ素リン酸塩が、モノフルオロリン酸塩、及びジフルオロリン酸塩からなる群から選ばれる少なくとも1種である、請求項1〜11のいずれか1つに記載の非水電解液電池用電解液。 - 前記添加剤である、含フッ素イミド塩、含フッ素スルホン酸塩、及び含フッ素リン酸塩のカチオンが、リチウム、ナトリウム、カリウム、及び四級アンモニウムからなる群から選ばれる少なくとも1種である、請求項1〜12のいずれか1つに記載の非水電解液電池用電解液。
- 前記非水有機溶媒が、エチルメチルカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、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、メチルブチルカーボネート、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、フルオロエチレンカーボネート、酢酸メチル、酢酸エチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、2−フルオロプロピオン酸メチル、2−フルオロプロピオン酸エチル、ジエチルエーテル、アセトニトリル、プロピオニトリル、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、フラン、テトラヒドロピラン、1,3−ジオキサン、1,4−ジオキサン、ジブチルエーテル、ジイソプロピルエーテル、1,2−ジメトキシエタン、N,N−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、スルホラン、γ−ブチロラクトン、及びγ−バレロラクトンからなる群から選ばれる少なくとも1種である、請求項1〜13のいずれか1つに記載の非水電解液電池用電解液。
- 前記非水有機溶媒が、環状カーボネート、鎖状カーボネート、及び、エステルからなる群から選ばれる少なくとも1種を含有する、請求項1〜13のいずれか1つに記載の非水電解液電池用電解液。
- 前記環状カーボネートが、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、及びブチレンカーボネートからなる群から選ばれる少なくとも1種であり、前記鎖状カーボネートが、エチルメチルカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、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、及びメチルブチルカーボネートからなる群から選ばれる少なくとも1種であり、前記エステルが、酢酸メチル、酢酸エチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、2−フルオロプロピオン酸メチル、及び2−フルオロプロピオン酸エチルからなる群から選ばれる少なくとも1種である、請求項15に記載の非水電解液電池用電解液。
- 正極集電体としてアルミニウム箔を備えた正極と、
リチウム又はリチウムの吸蔵放出の可能な負極材料からなる負極と、或いはナトリウム又はナトリウムの吸蔵放出の可能な負極材料からなる負極と、
請求項1〜16のいずれか1つに記載の非水電解液電池用電解液とを含む、非水電解液電池。
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