WO2013002186A1 - 電極保護膜形成剤、電極、電解液、リチウム二次電池、リチウムイオンキャパシタ、及び、電極保護膜の形成方法 - Google Patents

電極保護膜形成剤、電極、電解液、リチウム二次電池、リチウムイオンキャパシタ、及び、電極保護膜の形成方法 Download PDF

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lithium
electrode
protective film
forming agent
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文平 吉田
剛史 大高
敦史 若月
拓馬 竹田
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三洋化成工業株式会社
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    • Y02T10/70Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • the present invention relates to an electrode protective film forming agent useful for a lithium secondary battery or a lithium ion capacitor, an electrode, an electrolytic solution, a lithium secondary battery, a lithium ion capacitor, and a method for forming an electrode protective film.
  • Non-aqueous electrolyte secondary batteries such as lithium secondary batteries are characterized by high voltage and high energy density, so they are widely used in the field of portable information equipment, and the demand is rapidly expanding.
  • a position as a standard battery for mobile information devices such as mobile phones and notebook computers has been established.
  • higher performance for example, higher capacity and higher energy density
  • various methods such as higher density by improving the filling rate of electrodes, improvement of the depth of use of current active materials (especially positive electrodes), development of new high-capacity active materials, etc. have been carried out. Yes.
  • the capacity of the non-aqueous electrolyte secondary battery is reliably increased by these methods.
  • the interfacial resistance on the electrode surface has a particularly large resistance. It is said that the cause of the interface resistance of the negative electrode is a rate-determining reaction in which the desolvation reaction in which the solvent molecules coordinated to the lithium ions are eliminated when the lithium ions are inserted into the negative electrode is slow.
  • a method for promoting desolvation a method using polyacrylic acid as a binder has been proposed. (Patent Document 1)
  • An object of the present invention is to provide an electrode protective film forming agent for a lithium secondary battery or a lithium ion capacitor having excellent output characteristics.
  • the present invention is based -M - is a density functional calculation (B3LYP / 6-31G (d)) by the lithium-ion coordination energy required is 100 ⁇ 1500kJ / mol group, group -M - Electrode protective film forming agent (B) containing compound (K) having Li + (m) and polymerizable group (a); Electrode comprising negative electrode containing the electrode protective film forming agent (B); An electrode comprising a positive electrode containing a film-forming agent (B); an electrolytic solution containing the electrode-protecting film-forming agent (B); a lithium secondary battery having the electrode and / or the electrolytic solution; the electrode and / or the Lithium ion capacitor having electrolytic solution; the electrode protective film forming agent (B) is contained in at least one selected from the group consisting of a positive electrode, a negative electrode and an electrolytic solution, and the surface of the electrode active material is protected
  • the electrode protective film forming agent (B) of the present invention can improve output characteristics, and is excellent in output characteristics by using an electrode or an electrolyte containing the electrode protective film forming agent (B) of the present invention.
  • a lithium secondary battery or a lithium ion capacitor can be obtained.
  • Group -M - is a group Density functional calculations (B3LYP / 6-31G (d)) by the lithium obtained ion coordinating energy (En) is 100 ⁇ 1500kJ / mol, the electrode protective film-forming agent (B ) Contains a group -M - Li + (m) and a compound (K) having a polymerizable group (a).
  • Group -M compound (K) having - is determined by the stabilization energy when coordinated to the lithium ion, i.e. a lithium ion coordinating energy (En) is the density functional calculations (B3LYP / 6-31G (d)) In this case, it is 100 to 1500 kJ / mol, preferably 300 to 1300 kJ / mol. If (En) is less than 100 kJ / mol, the coordination of lithium ions is insufficient because it is not preferable, and if it exceeds 1500 kJ / mol, ion conductivity deteriorates, which is not preferable.
  • the density functional calculation is a method for calculating the energy of the electron system from the electron density, and can be calculated by using commercially available software such as Gaussian 03 (Gaussian is a registered trademark of Gaussian).
  • the calculation level in the density functional calculation is selected according to the molecular weight of the molecule to be calculated and the capacity of the computer. In the present invention, calculation is performed using B3LYP / 6-31G (d).
  • the lithium ion coordination energy (En) using density functional calculation can be obtained from the following equation.
  • En E A ⁇ (E B + E C )
  • E A Energy of compound (K) in lithium salt state
  • E B Energy of compound (K) in dissociated state
  • E C Energy of lithium ion
  • the compound (K) used in the present invention is preferably a lithium oxoacid (A) having a polymerizable group (a).
  • the molecular weight of the compound (K) is preferably 150 to 2000, more preferably 200 to 1500.
  • the compound (K) used in the present invention is preferably represented by the following general formula (1).
  • T is a carbon atom, sulfur atom, or phosphorus atom
  • r is 1 or 2
  • p is 1 or 2
  • s is 1 or 2
  • t is 0 or 1
  • s + t is 1 or 2
  • q is an integer of 1 to 4
  • R is a 1 to q valent organic group having 2 to 40 carbon atoms and having a polymerizable group (a).
  • R has 2 to 40 carbon atoms, more preferably 6 to 30 carbon atoms.
  • Q includes a structure having a carbon atom directly connected to the polymerizable group (a), and Q is a divalent aliphatic carbon atom having 2 to 20 carbon atoms.
  • Q1, -O-Q1, Q2, -O-Q2, Q4, and -O-Q4 are preferably used.
  • Specific examples of Q1 include an ethylene group, a propylene group, and a butylene group.
  • Specific examples of —O—Q1 include an oxyethylene group.
  • Specific examples of Q2 include 1,4-phenylene. Group, 1,2-phenylene group, 1,3-phenylene group, etc.
  • —O—Q2 include oxy 1,4-phenylene group, etc.
  • Q3 include tolylene
  • Q4 include 1,4-cyclohexylene group, 1,2-cyclohexylene group, 1,3-cyclohexylene group, etc.
  • Specific examples of —O—Q4 include Examples thereof include an oxy 1,4-cyclohexylene group.
  • the polymerizable group (a) possessed by the compound (K) is preferably represented by the following general formula (2).
  • Y 1 is a double oxygen atoms directly bonded to the carbon atom of the bond, a divalent hydrocarbon group having an oxygen atom and 1 carbon atoms which may have a 4 or nonexistent group
  • Y 2 Y 4 is a hydrogen atom or a monovalent hydrocarbon group having 1 to 4 carbon atoms which may have an oxygen atom and / or a sulfur atom, and may be bonded to each other to form a ring.
  • Y 1 is a group that does not exist, the carbon atom constituting the double bond and the group Q are directly bonded.
  • Preferred groups as Y 1 which may have an oxygen atom include a methylene group, an ethylene group, a propylene group, a butylene group, a methyleneoxy group, an ethyleneoxy group, a propyleneoxy group or a butyleneoxy group (the above four groups are oxygen Atom is directly bonded to the carbon atom constituting the double bond), oxymethylene group, oxyethylene group, oxypropylene group or oxybutylene group (the above four groups are directly bonded to the carbon atom constituting the double bond) ) Etc.
  • Preferred groups as Y 2 to Y 4 are methyl group, ethyl group, propyl group, butyl group, hydroxymethyl group, 2-hydroxyethyl group, 3-hydroxypropyl group, 4-hydroxybutyl group, methoxy group, ethoxy group, Examples thereof include n-propoxy group and n-butoxy group.
  • Y 2 to Y 4 form a ring
  • preferred structures include the following.
  • Examples include a cyclopentane ring, a cyclohexane ring, and a cycloheptane ring.
  • When forming a ring with Y 3 and Y 4 Together with the double bond carbon in the formula (2), it constitutes a cyclopentene ring or a cyclohexene ring.
  • Y 3 or Y 4 contains an oxygen atom or a sulfur atom, it constitutes a furyl group or a thienyl group. These groups may be substituted with an alkyl group or an alkoxy group.
  • the polymerizable group (a) is preferably a vinyl group, 1-propenyl group, 1-propenyloxy group, 2-methyl-1-propenyl group, 2-methyl-1-propenyloxy group, vinyloxy group, 3-methyl. -2-butenoxy group and the like.
  • the compound (K) is preferably at least one selected from the group consisting of lithium oxoacids (A1) to (A3) represented by the following general formulas (3) to (5).
  • R 1 ⁇ R 5 are each independently a hydrogen atom, a methyl group, or an alkenyl group having at least one number of 2 to 6 carbon atoms an alkenyl group having 2 to 6 carbon atoms;
  • X - is -CO 2 - or -SO 3 - is.
  • R 6 represents an alkenyl group having 2 to 6 carbon atoms
  • R 7 represents a linear or branched aliphatic hydrocarbon group having 1 to 6 carbon atoms or a cyclic structure having 5 to 12 carbon atoms. family hydrocarbon group
  • X - is -CO 2 - or -SO 3 - is.
  • Examples of the alkenyl group having 2 to 6 carbon atoms in the lithium oxoacid salt (A1) represented by the general formula (3) include a vinyl group, a 1-propenyl group, a 2-propenyl group, an isopropenyl group, a 1-butenyl group, Examples thereof include 2-butenyl group, isobutenyl group, 1-pentenyl group, 2-pentenyl group, 3-pentenyl group, isopentenyl group, 1-hexenyl group, 2-hexenyl group, 3-hexenyl group and isohexenyl group. Of these, a vinyl group and a 1-propenyl group are preferable from the viewpoint of output characteristics.
  • R 1 hydrogen atom
  • R 2 hydrogen atom
  • R 3 vinyl group
  • R 4 hydrogen atom
  • R 5 hydrogen atom
  • R 1 hydrogen atom
  • R 2 vinyl group
  • R 3 Hydrogen atom
  • R 4 hydrogen atom
  • R 5 hydrogen atom
  • R 1 vinyl group
  • R 2 hydrogen atom
  • R 3 hydrogen atom
  • R 4 hydrogen atom
  • R 5 hydrogen atom
  • R 1 vinyl group
  • R 2 hydrogen atom
  • R 3 hydrogen atom
  • R 4 hydrogen atom
  • R 5 hydrogen atom
  • R 1 hydrogen atom
  • R 2 hydrogen atom
  • R 3 1-propenyl group
  • R 4 hydrogen atom
  • R 5 hydrogen atom
  • the combination of (1) is more preferred.
  • X ⁇ in the general formula (3) is a group represented by —CO 2 — or —SO 3 — .
  • lithium oxoacid salt (A1) represented by the general formula (3) examples include lithium 4-vinylbenzenesulfonate, lithium 2-vinylbenzenesulfonate, lithium 3-vinylbenzenesulfonate, and 4-vinylbenzoate. And lithium 4- (1-propenyl) benzoate. Of these, lithium 4-vinylbenzoate, lithium 4- (1-propenyl) benzoate or lithium 4-vinylbenzenesulfonate is preferable from the viewpoint of output characteristics.
  • R 6 is an alkenyl group having 2 to 6 carbon atoms, and specific examples thereof include a vinyl group, 1-propenyl group, 2-propenyl group, Propenyl group, 1-butenyl group, 2-butenyl group, isobutenyl group, 1-pentenyl group, 2-pentenyl group, 3-pentenyl group, isopentenyl group, 1-hexenyl group, 2-hexenyl group, 3-hexenyl group and An isohexenyl group etc. are mentioned.
  • R 7 is a linear or branched aliphatic hydrocarbon group having 1 to 6 carbon atoms or an aliphatic hydrocarbon group having a cyclic structure having 5 to 12 carbon atoms. Specific examples include methylene group, ethylene group, propylene Group, 2-methylpropylene group, 2,2-dimethylpropylene group, butylene group, cyclopentylene group, cyclohexylene group, 2-methylbutylene group and the like.
  • lithium oxoacid salt (A2) examples include Lithium carboxylate [lithium 3-vinyloxypropionate, lithium 3- (1-propenoxy) propionate, lithium 3- (3-methyl-2-butenoxy) propionate, lithium 4-vinyloxycyclohexanecarboxylate, 4- ( 1-propenoxy) lithium cyclohexanecarboxylate, lithium vinyloxyacetate, lithium 4-vinyloxybutyrate, lithium 3-methyl-4-vinyloxybutyrate, lithium 3,3-dimethyl-4-vinyloxybutyrate, 3- (1-butenoxy) cyclopentane Lithium carboxylate, lithium 4- (1-butenoxy) cyclohexanecarboxylate, lithium (1-propenoxy) acetate, lithium 3- (1-propenoxy) propionate, lithium 3-methyl-4- (1-propenoxy) butyrate, 3 , 3-Dimethyl-4- 1-propenoxy) lithium butyrate, 3- (1-propenoxy) lithium cyclopentane
  • lithium 3- (1-propenoxy) propionate lithium 4- (1-propenoxy) cyclohexanecarboxylate, lithium 2- (1-propenoxy) ethanesulfonate or 4- (1 -Propenoxy) lithium cyclohexanesulfonate.
  • Z is a 4-vinylphenyl group, a 2-vinylphenyl group, a 3-vinylphenyl group, a 2-vinyloxyethyl group, 2 Examples include-(1-propenoxy) ethyl group, 3-vinyloxypropyl group, 3- (1-propenoxy) propyl group, 4-vinyloxycyclohexyl group, 4- (1-propenoxy) cyclohexyl group, and the like.
  • dilithium phosphate 2- (1-propenoxy) ethyl, dilithium phosphate ⁇ 4- (1-propenoxy) cyclohexyl ⁇ , lithium phosphate bis (4-vinylphenyl) or phosphoric acid is preferable from the viewpoint of output characteristics.
  • the electrode protective film forming agent (B) of the present invention can contain other components (L) in addition to the compound (K).
  • the content of the other component (L) is 0 to 90% by weight, preferably 0 to 50% by weight, based on the weight of the compound (K). If it exceeds 90% by weight, the interfacial resistance of the electrode increases, which is not preferable.
  • the component (L) include a positive electrode protective film forming agent (C) and a negative electrode protective film forming agent (D). By containing (C), the stability of the positive electrode protective film can be improved and the output characteristics can be improved.
  • R 8 is a linear or branched aliphatic hydrocarbon group having 1 to 6 carbon atoms or an aliphatic hydrocarbon group having a cyclic structure having 5 to 12 carbon atoms, and a plurality of R 8 are the same.
  • T 1 , T 2 and T 3 are each independently a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 3 carbon atoms, and n is an integer of 1 to 10.
  • R 8 include methylene group, ethylene group, trimethylene group, 1-ethylethylene group, 1,1-dimethylethylene group, 1,2-cyclopentylene group, 1,2-cyclohexylene group, 1, Examples thereof include a residue obtained by removing two hydroxyl groups from a 3-cyclohexylene group and 1,4-cyclohexanedimethanol.
  • T 1 , T 2 and T 3 include a methyl group, an ethyl group, an n-propyl group and an isopropyl group.
  • n is a number of 1 to 10, and preferably 1 to 4 from the viewpoint of cycle characteristics.
  • the content of the positive electrode protective film forming agent (C) in the electrode protective film forming agent (B) is preferably 0 to 90% by weight, more preferably 0 to 50% by weight, based on the weight of the compound (K). %.
  • Specific examples of (C) include bis [ ⁇ 4- (propenyloxymethyl) cyclohexyl ⁇ methyl] carbonate, bis [ ⁇ 3,4-di- (propenyloxymethyl) cyclohexyl ⁇ methyl] carbonate, bis [ ⁇ 3,4 , 5-Tri- (propenyloxymethyl) cyclohexyl ⁇ methyl] carbonate, bis [ ⁇ 2,3,4,5-tetra- (propenyloxymethyl) cyclohexyl ⁇ methyl] carbonate and bis [ ⁇ 2,3,4,5 , 6-penta- (propenyloxymethyl) cyclohexyl ⁇ methyl] carbonate and the like.
  • a negative electrode protective film formation agent (D) by containing a negative electrode protective film formation agent (D), stability of a negative electrode protective film improves and an output characteristic can be improved.
  • the negative electrode protective film forming agent (D) include vinylene carbonate, fluoroethylene carbonate, chloroethylene carbonate, ethylene sulfite, propylene sulfite, and ⁇ -bromo- ⁇ -butyrolactone. Among these, vinylene carbonate is preferable from the viewpoint of cycle characteristics.
  • the content of the negative electrode protective film forming agent (D) in the electrode protective film forming agent (B) is preferably 0 to 90% by weight, more preferably 0 to 50% by weight, based on the weight of the compound (K). %.
  • the electrode protective film-forming agent (B) of the present invention can further contain a Lewis base (G) in addition to the compound (K).
  • a Lewis base (G) By containing (G), the storage stability of the compound (K) is improved.
  • the content of (G) is preferably 0 to 90% by weight, more preferably 0 to 50% by weight, based on the weight of the compound (K).
  • the Lewis base (G) include triazole derivatives (G-1) (1,2,3-benzotriazole, 5-methyl-1,2,3-benzotriazole, 5,6-dimethyl-1,2,3.
  • the electrode protective film forming agent (B) is contained in the electrode or the electrolyte, and when a voltage is applied to the electrode, (B) is polymerized on the surface of the electrode active material to form a film.
  • This film serves as a protective film that lowers the interface resistance on the electrode surface and improves output characteristics.
  • the protective film is formed at the time of initial charge.
  • a separate electrode surface is provided as an electrode of a lithium secondary battery or lithium ion capacitor.
  • An electrode on which the polymer coating (B) is formed can also be used.
  • the electrode of the present invention contains an electrode protective film forming agent (B) and an active material (E). Furthermore, it is preferable to contain a binder (F).
  • the active material (E) examples include a negative electrode active material (E1), a positive electrode active material (E2) for a lithium secondary battery, and a positive electrode active material (E3) for a lithium ion capacitor.
  • a negative electrode active material (E1) graphite, amorphous carbon, a polymer compound fired body (for example, a product obtained by firing and carbonizing a phenol resin, a furan resin, etc.), cokes (for example, pitch coke, needle coke, and petroleum coke), And carbon fibers, conductive polymers (for example, polyacetylene and polypyrrole), tin, silicon, and metal alloys (for example, lithium-tin alloy, lithium-silicon alloy, lithium-aluminum alloy, and lithium-aluminum-manganese alloy).
  • the positive electrode active material (E2) for a lithium secondary battery a composite oxide of lithium and a transition metal (for example, LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMnO 2 and LiMn 2 O 4 ), a transition metal oxide (for example, MnO 2 and V 2). O 5 ), transition metal sulfides (eg, MoS 2 and TiS 2 ), and conductive polymers (eg, polyaniline, polyvinylidene fluoride, polypyrrole, polythiophene, polyacetylene, poly-p-phenylene, and polycarbazole).
  • the positive electrode active material (E3) for lithium ion capacitors include activated carbon, carbon fiber, and conductive polymer (for example, polyacetylene and polypyrrole).
  • binder (F) examples include high molecular compounds such as starch, polyvinylidene fluoride, polyvinyl alcohol, carboxymethyl cellulose, polyvinyl pyrrolidone, tetrafluoroethylene, polyethylene, and polypropylene.
  • the electrode of the present invention can further contain a conductive additive (H).
  • a conductive additive H
  • the conductive auxiliary agent H
  • graphite for example, natural graphite and artificial graphite
  • carbon blacks for example, carbon black, acetylene black, ketjen black, channel black, furnace black, lamp black and thermal black
  • metal powder for example, Aluminum powder and nickel powder
  • conductive metal oxides for example, zinc oxide and titanium oxide
  • the preferred contents of the electrode protective film forming agent (B), the active material (E), the binder (F), and the conductive additive (H) are (B) and (E), respectively. , (F) based on the total weight as follows.
  • the content of the electrode protective film forming agent (B) is preferably 0.5 to 5% by weight, more preferably 1 to 3% by weight from the viewpoints of output characteristics, charge / discharge cycle characteristics, battery capacity and high storage characteristics. %.
  • the content of the active material (E) is preferably 70 to 98% by weight, more preferably 90 to 98% by weight, from the viewpoint of output characteristics and charge / discharge cycle characteristics.
  • the content of the binder (F) is preferably 0.5 to 29% by weight, more preferably 1 to 10% by weight from the viewpoint of output characteristics and charge / discharge cycle characteristics.
  • the content of the conductive auxiliary agent (H) is preferably 0 to 29% by weight, more preferably 0 to 10% by weight, from the viewpoint of battery output.
  • the electrode of the present invention comprises, for example, an electrode protective film forming agent (B), an active material (E), a binder (F), and, if necessary, a conductive auxiliary (H), based on the weight of water or solvent, 30 to 60.
  • a dispersion liquid in a weight percent concentration to a slurry and applying it to a current collector with a coating device such as a bar coater, drying to remove water or solvent, and pressing with a press if necessary can get.
  • a positive electrode for a lithium secondary battery is obtained by using the positive electrode active material (E2) for a lithium secondary battery as the active material (E), and a positive electrode active material for a lithium ion capacitor (E3) as the active material (E).
  • the negative electrode for lithium secondary batteries is obtained by using a negative electrode active material (E1), and the negative electrode for lithium ion capacitors is obtained by doping lithium by the well-known method etc. to the obtained negative electrode.
  • Examples of the solvent include 1-methyl-2-pyrrolidone, methyl ethyl ketone, dimethylformamide, dimethylacetamide, N, N-dimethylaminopropylamine and tetrahydrofuran.
  • Examples of the current collector include copper, aluminum, titanium, stainless steel, nickel, baked carbon, conductive polymer, and conductive glass.
  • the electrolytic solution of the present invention contains an electrode protective film forming agent (B), an electrolyte (I), and a nonaqueous solvent (J). It is useful as an electrolytic solution for lithium secondary batteries and lithium ion capacitors.
  • the electrolyte (I), the normal is can be used such as those used in the electrolyte, LiPF 6, LiBF 4, LiSbF 6, LiAsF 6 , and lithium salts of inorganic acids LiClO 4, etc., LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , LiN (C 2 F 5 SO 2 ) 2, and lithium salts of organic acids such as LiC (CF 3 SO 2 ) 3 .
  • LiPF 6 is preferable from the viewpoint of battery output and charge / discharge cycle characteristics.
  • non-aqueous solvent (J) those used in ordinary electrolytic solutions can be used, such as lactone compounds, cyclic or chain carbonates, chain carboxylates, cyclic or chain ethers, phosphates, Nitrile compounds, amide compounds, sulfones, sulfolanes and the like and mixtures thereof can be used.
  • lactone compound examples include 5-membered rings (such as ⁇ -butyrolactone (GBL) and ⁇ -valerolactone) and 6-membered lactone compounds (such as ⁇ -valerolactone).
  • GBL ⁇ -butyrolactone
  • ⁇ -valerolactone 6-membered lactone compounds
  • Examples of the cyclic carbonate include propylene carbonate, ethylene carbonate (EC) and butylene carbonate.
  • Examples of the chain carbonate include dimethyl carbonate (DMC), methyl ethyl carbonate, diethyl carbonate, methyl n-propyl carbonate, ethyl n-propyl carbonate, and di-n-propyl carbonate.
  • chain carboxylic acid esters include methyl acetate, ethyl acetate, propyl acetate, and methyl propionate.
  • cyclic ether examples include tetrahydrofuran, tetrahydropyran, 1,3-dioxolane, 1,4-dioxane and the like.
  • chain ether examples include dimethoxymethane and 1,2-dimethoxyethane.
  • phosphate esters include trimethyl phosphate, triethyl phosphate, ethyl dimethyl phosphate, diethyl methyl phosphate, tripropyl phosphate, tributyl phosphate, tri (trifluoromethyl) phosphate, tri (trichloromethyl) phosphate, Tri (trifluoroethyl) phosphate, tri (triperfluoroethyl) phosphate, 2-ethoxy-1,3,2-dioxaphosphoran-2-one, 2-trifluoroethoxy-1,3,2- Examples include dioxaphospholan-2-one and 2-methoxyethoxy-1,3,2-dioxaphosphoran-2-one.
  • Examples of the nitrile compound include acetonitrile.
  • Examples of the amide compound include dimethylformamide.
  • Examples of the sulfone include dimethyl sulfone and diethyl sulfone.
  • a nonaqueous solvent (J) may be used individually by 1 type, and may use 2 or more types together.
  • nonaqueous solvents (J) lactone compounds, cyclic carbonates, chain carbonates and phosphates are preferable from the viewpoint of battery output and charge / discharge recycling characteristics, and more preferable are cyclic carbonates and chains.
  • a carbonate ester is preferable.
  • the electrode protective film forming agent (B) to be added to the electrolytic solution preferably further contains a Lewis base (G).
  • a Lewis base examples include the triazole derivative (G-1) and azacrown ether described above. Derivative (G-2) and the like.
  • the azacrown ether derivative (G-2) has a 9-membered to 24-membered crown ether skeleton having 1 to 4 nitrogen atoms, and at least one of the nitrogen atoms in the skeleton has a polymerizable unsaturated divalent skeleton. What the substituent (a) which has a heavy bond has couple
  • Examples of 9- to 24-membered crown ethers having 1 to 4 nitrogen atoms include aza-9-crown-3-ether (4-aza-9-crown-3-ether and 4,7-diaza-9 -Crown-3-ether, etc.), aza-12-crown-4-ether (eg 4-aza-12-crown-4-ether and 4,10-diaza-12-crown-4-ether), aza-14 -Crown-4-ether (such as 4-aza-14-crown-4-ether and 4,10-diaza-14-crown 4-ether), aza-15-crown-5-ether (4-aza-15- Crown-5-ether, 4,10-diaza-15-crown-5-ether, 4,14-diaza-15-crown-5 and 4,10,16-triaza-15-crown-5-ether ), Aza-18-crown-6-ether (4-aza-18-crown 6-ether, 4,10-diaza-18-crown-6-ether and 4,10,16-triaza-18-crown
  • aza-12-crown-4-ether, aza-14-crown-4-ether, aza-15-crown-5-ether and aza- are preferred from the viewpoint of coordination power with lithium ions.
  • the number of nitrogen atoms in the azacrown ether skeleton is preferably 1 to 3, more preferably 1 or 2, from the viewpoint of coordination power to lithium ions.
  • Examples of the substituent (a) having a polymerizable unsaturated double bond that the azacrown ether derivative (G-2) has include a substituent represented by the above general formula (1), a (meth) acryloyloxyalkyl group And a (meth) acryloylalkyl group and the like, and preferred examples include the substituent represented by the above general formula (1), a (meth) acryloyloxyalkyl group, and a (meth) acryloylalkyl group.
  • azacrown ether derivative (G-2) examples include N- (3-methoxycarbonyl-2-propenyl) -4-aza-12-crown-4-ether, N, N-bis- (3-methoxy Carbonyl-2-propenyl) -4,10-diaza-12-crown-4-ether, N- (3-methoxycarbonyl-2-propenyl) -4-aza-15-crown-5-ether, N, N- Bis- (3-methoxycarbonyl-2-propenyl) -4,10-diaza-15-crown-5-ether, N- (cinnamyl) -4-aza-12-crown-4-ether, N, N-di -(Cinnamyl) -4,10-diaza-12-crown-4-ether, N- (cinnamyl) -4-aza-15-crown-5-ether, N, N-di- (cinnamyl) 4,10-diaza-15-crown-5-ether
  • the azacrown ether derivative (G-2) in the present invention can be produced by a usual method or the like. For example, a method of reacting an unsubstituted azacrown ether with an alkyl halide having a polymerizable unsaturated double bond in an organic solvent in the absence of a catalyst or in the presence of a catalyst.
  • Organic solvents include nitrile organic solvents (acetonitrile, propionitrile, benzonitrile, etc.), ketone organic solvents (acetone, methyl ethyl ketone, etc.), amide organic solvents (formamide, acetamide, dimethylformamide, dimethylacetamide, etc.), ether Organic solvents (such as dimethyl ether, tetrahydrofuran and dioxane), ester organic solvents (such as ethyl acetate and diethyl maleate), sulfur-containing organic solvents (such as dimethyl sulfoxide and sulfolane), halogenated hydrocarbons (such as chloroform and dichloromethane), carbonization Examples thereof include hydrogen (hexane, heptane, toluene, xylene and the like) and a mixture of two or more of these solvents.
  • Catalysts include alkali metal hydroxides (such as lithium hydroxide, sodium hydroxide and potassium hydroxide), alkali metal carbonates (such as sodium bicarbonate, potassium bicarbonate, sodium carbonate and potassium carbonate) and alkali metal hydrides ( Sodium hydride, potassium hydride, etc.).
  • the reaction temperature is usually 10 to 150 ° C., and the reaction time is usually 0.5 to 24 hours. After completion of the reaction, if necessary, the catalyst can be neutralized and treated with an adsorbent to remove and purify the catalyst.
  • alkyl halide having a polymerizable unsaturated double bond examples include 4-bromo-2-butenoic acid methyl ester, 4-chloro-2-butenoic acid methyl ester, 1-bromo-4-cyano-2-butene, 1 -Chloro-4-cyano-2-butene, acrylic acid chloromethyl ester, acrylic acid bromomethyl ester, acrylic acid-2-chloroethyl ester, acrylic acid-2-bromoethyl ester, methacrylic acid chloromethyl ester, bromomethacrylic acid bromo
  • Examples include methyl ester, methacrylic acid-2-chloroethyl ester, methacrylic acid-2-bromoethyl ester, cinnamilk chloride, cinnamyl bromide, 4- (chloromethyl) styrene, and 4- (bromomethyl) styrene.
  • the preferred contents of the electrode protective film forming agent (B), the electrolyte (I) and the nonaqueous solvent (J) in the electrolytic solution of the present invention are each based on the total weight of the essential components (B), (I) and (J). Is as follows.
  • the content of (B) is preferably 0.01 to 10% by weight, more preferably 0.05 to 1% by weight from the viewpoint of battery output, charge / discharge cycle characteristics, battery capacity and high storage characteristics.
  • the content of the electrolyte (I) is preferably 3 to 50% by weight, more preferably 7 to 30% by weight from the viewpoint of battery output and charge / discharge cycle characteristics.
  • the concentration of the electrolyte (I) is preferably 0.1 to 5.0 mol / L, more preferably 0.8 to 2.0 mol from the viewpoint of battery output and charge / discharge cycle characteristics, based on the capacity of the electrolytic solution. / L.
  • the content of the non-aqueous solvent (J) is preferably 70 to 97% by weight, more preferably 93 to 95% by weight from the viewpoint of battery output and charge / discharge cycle characteristics.
  • the electrolytic solution of the present invention may further contain additives such as an overcharge inhibitor, a dehydrating agent and a capacity stabilizer.
  • additives such as an overcharge inhibitor, a dehydrating agent and a capacity stabilizer.
  • the overcharge inhibitor include biphenyl, alkylbiphenyl, terphenyl, partially hydrogenated terphenyl, aromatic compounds such as cyclohexylbenzene, t-butylbenzene, and t-amylbenzene.
  • the amount of the overcharge inhibitor used is usually 0 to 5% by weight, preferably 0 to 3% by weight, based on the total weight of (B), (I) and (J).
  • dehydrating agent examples include zeolite, silica gel and calcium oxide.
  • the amount of the dehydrating agent used is usually 0 to 5% by weight, preferably 0 to 3% by weight, based on the total weight of (B), (I) and (J).
  • the capacity stabilizer examples include fluoroethylene carbonate, succinic anhydride, 1-methyl-2-piperidone, heptane and fluorobenzene.
  • the amount of the capacity stabilizer used is usually 0 to 5% by weight, preferably 0 to 3% by weight, based on the total weight of (B), (I) and (J).
  • the lithium secondary battery of the present invention uses the electrode of the present invention as the positive electrode or the negative electrode when the electrolytic solution is injected into the battery can containing the positive electrode, the negative electrode, and the separator to seal the battery can.
  • the electrolytic solution of the present invention is used or obtained by a combination thereof.
  • a separator in a lithium secondary battery As a separator in a lithium secondary battery, a microporous film made of polyethylene or polypropylene film, a multilayer film of porous polyethylene film and polypropylene, a nonwoven fabric made of polyester fiber, aramid fiber, glass fiber, etc., and silica on these surfaces, The thing to which ceramic fine particles, such as an alumina and a titania, were made to adhere is mentioned.
  • the battery can in the lithium secondary battery, metal materials such as stainless steel, iron, aluminum and nickel-plated steel can be used, but plastic materials can also be used depending on the battery application. Further, the battery can be formed into a cylindrical shape, a coin shape, a square shape, or any other shape depending on the application.
  • the lithium ion capacitor of the present invention can be obtained by replacing the positive electrode with a positive electrode for a lithium ion capacitor and replacing the battery can with a capacitor can in the basic configuration of the lithium secondary battery of the present invention.
  • Examples of the material and shape of the capacitor can include the same as those exemplified for the battery can.
  • the temperature was raised to 65 ° C. over 2 hours and further stirred for 4 hours to carry out an etherification reaction and a rearrangement reaction. After allowing to cool, 200 parts of water was added and the aqueous layer was separated. Further, the organic layer was washed with 200 parts of water. After removing toluene at 80 ° C. under reduced pressure (1.3 kPa), the reaction product was purified by an alumina column [150 mesh, Blockman 1, standard grade, manufactured by Sigma-Aldrich] using ethyl acetate as a solvent. The purified compound was neutralized with an aqueous lithium hydroxide solution, and water was dried under reduced pressure to obtain 5.4 parts (39.7 mmol) of (A-6) (yield 58%).
  • the obtained compound was charged into a flask equipped with a stirrer, a thermometer and a condenser, and allyl chloride [manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.] 8.42 parts (110 mmol), sodium hydroxide 4.4 parts (110 mmol) and After 50 parts of toluene was charged and dissolved uniformly with stirring, 1.32 parts (4.1 mmol) of tetrabutylammonium bromide was added after stirring for 15 minutes at room temperature. The temperature was raised to 65 ° C. over 2 hours and further stirred for 4 hours to carry out an etherification reaction and a rearrangement reaction. After allowing to cool, 200 parts of water was added and the aqueous layer was separated.
  • the organic layer was washed with 200 parts of water. After removing toluene at 80 ° C. under reduced pressure (1.3 kPa), the reaction product was purified by an alumina column [150 mesh, Blockman 1, standard grade, manufactured by Sigma-Aldrich] using ethyl acetate as a solvent. The purified compound was neutralized with an aqueous lithium hydroxide solution, and water was dried under reduced pressure to obtain 5.45 parts (29 mmol) of (A-8) (yield 29%).
  • the organic layer was washed with 200 parts of water. After removing toluene at 80 ° C. under reduced pressure (1.3 kPa), the reaction product was purified by an alumina column [150 mesh, Blockman 1, standard grade, manufactured by Sigma-Aldrich] using ethyl acetate as a solvent. The purified compound was neutralized with an aqueous lithium hydroxide solution, and water was dried under reduced pressure to obtain 15.78 parts (58 mmol) of (A-12) (yield 29%).
  • Electrode protective film forming agent (B) Lithium oxoacid (A), positive electrode protective film forming agent (C), negative electrode protective film forming agent (D) and Lewis in the proportions shown in Tables 1-1 and 1-2
  • An electrode protective film forming agent (B) of Examples 1 to 28 was prepared by blending the base (G).
  • lithium 4-vinylbenzenesulfonate (A-4) listed in Table 1-1 commercially available products [Spinomer (registered trademark) LiSS manufactured by Tosoh Organic Chemical Co., Ltd.] were used.
  • Tables 1-1 and 1- As the 3-amino-1,2,4-triazole (G-1) described in 2, a commercially available product (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) was used.
  • Lewis base (G-2) was produced and used by the following method.
  • a flask equipped with a stirrer, a thermometer and a condenser 4,10-diaza-15-crown-5-ether (Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) 0.61 part (2.8 mmol part), 4-bromo- 1 part (5.6 mmol) of 2-butenoic acid methyl ester [manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.] and 10 parts of acetonitrile were charged and dissolved uniformly with stirring, and then reacted at room temperature for 24 hours with stirring.
  • the reaction product was purified by an alumina column [150 mesh, Blockman 1, standard grade, Sigma-Aldrich] using acetone as a solvent, and N, N-bis- (3-methoxy Carbonyl-2-propenyl) -4,10-diaza-15-crown-5-ether 0.85 parts (2.0 mmol) was obtained (yield 71%).
  • the electrode for lithium secondary batteries containing an electrode protective film forming agent (B) was produced as follows. [Preparation of positive electrode for lithium secondary battery] Based on the formulation shown in Tables 3-1 and 3-2, a positive electrode to which the electrode protective film forming agent (B) was added was produced by the following method.
  • a negative electrode to which the electrode protective film forming agent (B) was added based on the formulation shown in Tables 3-1 and 3-2 was produced by the following method. 92.5 parts of graphite powder having an average particle size of about 8 to 12 ⁇ m, 7.5 parts of polyvinylidene fluoride, 200 parts of 1-methyl-2-pyrrolidone [manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.] and Tables 3-1 and 3-2 The number of parts (B) shown in (1) was sufficiently mixed in a mortar to obtain a slurry. The obtained slurry was applied to one side of a 20 ⁇ m thick copper foil, dried at 100 ° C. for 15 minutes to evaporate the solvent, punched to 16.15 mm ⁇ , and made 30 ⁇ m thick with a press machine. Negative electrode for lithium secondary battery of ⁇ 52 was prepared.
  • Example 4 A comparison was made in the same manner as in Example 33, except that 0.5 part of 1,4-bis (vinyloxymethyl) cyclohexane (A′-1) was added as a comparative compound instead of the electrode protective film forming agent (B). The negative electrode and positive electrode for lithium secondary batteries of Example 4 were produced.
  • Comparative Example 5 was prepared in the same manner as in Example 33, except that 0.5 part of 1,4-butanediol divinyl ether (A′-2) was added as a comparative compound instead of the electrode protective film forming agent (B). A negative electrode and a positive electrode for lithium secondary batteries were produced.
  • A′-2 1,4-butanediol divinyl ether
  • 1,4-bis (vinyloxymethyl) cyclohexane (A′-1) and 1,4-butanediol divinyl ether (A′-2) listed in Table 3-2 are commercially available products [Nippon Carbide Industries ( Made by Co., Ltd.].
  • the electrode for lithium ion capacitors containing an electrode protective film formation agent (B) was produced as follows. [Production of positive electrode for lithium ion capacitor] Based on the formulation shown in Tables 4-1 and 4-2, a positive electrode to which the electrode protective film forming agent (B) was added was produced by the following method.
  • a negative electrode to which the electrode protective film forming agent (B) was added was prepared by the following method. 92.5 parts of graphite powder having an average particle size of about 8 to 12 ⁇ m, 7.5 parts of polyvinylidene fluoride, 200 parts of 1-methyl-2-pyrrolidone [manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.] and Tables 4-1 and 4-2 The number of parts (B) shown in (1) was sufficiently mixed in a mortar to obtain a slurry. The obtained slurry was applied to one side of a 20 ⁇ m thick copper foil, dried at 100 ° C.
  • ⁇ Comparative Example 7> A negative electrode and a positive electrode for a lithium ion capacitor of Comparative Example 7 in the same manner as in Example 53 except that 1.0 part of lithium polyacrylate (A′-3) was added instead of the electrode protective film forming agent (B).
  • ⁇ Comparative Example 8> For the lithium ion capacitor of Comparative Example 8 in the same manner as in Example 53, except that 0.5 part of sodium 4-vinylbenzenesulfonate (A′-4) was added instead of the electrode protective film forming agent (B). A negative electrode and a positive electrode were produced.
  • Example 9 Comparison was made in the same manner as in Example 57 except that 0.5 part of 1,4-bis (vinyloxymethyl) cyclohexane (A′-1) was added as a comparative compound instead of the electrode protective film forming agent (B). The negative electrode and positive electrode for lithium ion capacitors of Example 9 were produced.
  • Comparative Example 10 was prepared in the same manner as in Example 57, except that 0.5 part of 1,4-butanediol divinyl ether (A′-2) was added as a comparative compound instead of the electrode protective film forming agent (B). A negative electrode and a positive electrode for lithium ion capacitors were prepared.
  • Examples 77 to 102 [Preparation of electrolyte]
  • the electrode protective film-forming agent (B) and the non-aqueous solvent (J) are blended in the weight ratios shown in Tables 5-1 and 5-2, and the electrolyte (I) is adjusted to a concentration of 1.0 mol / L. LiPF 6 was dissolved to prepare electrolytic solutions of Examples 77 to 102.
  • Comparative Example 11 An electrolytic solution of Comparative Example 11 was prepared in the same manner as in Example 77 except that the electrode protective film forming agent (B) was not added.
  • the electrolyte solution of Comparative Example 13 was prepared by dissolving LiPF 6 as an electrolyte.
  • ⁇ Comparative example 14 1,4-bis (vinyloxymethyl) cyclohexane (A′-1) and a non-aqueous solvent (J) were blended as comparative compounds in the weight ratio shown in Table 5-2, and the concentration was 1.0 mol / L. LiPF 6 as an electrolyte was dissolved so that the electrolyte solution of Comparative Example 14 was prepared.
  • ⁇ Comparative Example 15 1,4-butanediol divinyl ether (A′-2) and a non-aqueous solvent (J) were blended as comparative compounds at the weight ratios shown in Table 5-2 so that the concentration was 1.0 mol / L. LiPF 6 as an electrolyte was dissolved in to prepare an electrolytic solution of Comparative Example 15.
  • the positive electrode active material activated carbon having a specific surface area obtained by an alkali activation method of about 2200 m 2 / g was used. Activated carbon powder, acetylene black, and polyvinylidene fluoride are mixed in a weight ratio of 80:10:10, and this mixture is added to 1-methyl-2-pyrrolidone as a solvent and mixed by stirring. To obtain a slurry. This slurry was applied onto an aluminum foil having a thickness of 30 ⁇ m by a doctor blade method, temporarily dried, and then cut so that the electrode size was 20 mm ⁇ 30 mm. The electrode thickness was about 50 ⁇ m. Before assembling the cell, it was dried in a vacuum at 120 ° C. for 10 hours to produce a positive electrode for a lithium ion capacitor.
  • the negative electrode obtained as described above was doped with lithium as follows.
  • the negative electrode and lithium metal foil were sandwiched between separators (polypropylene nonwoven fabric) and set in a beaker cell, and a predetermined amount of lithium ions was occluded in the negative electrode over about 10 hours.
  • the doping amount of lithium was about 75% of the negative electrode theoretical capacity.
  • Capacitor cell assembly A separator (polypropylene non-woven fabric) is inserted between the positive electrode and the negative electrode obtained as described above, and impregnated with an electrolytic solution. The case was sealed and a lithium ion capacitor cell was produced.
  • the lithium secondary battery produced using the electrode protective film forming agent of the present invention is excellent in output characteristics.
  • the reason why the output characteristics are improved is considered to be that a lithium ion-coordinating polymer film is formed on the surface and the desolvation energy is reduced.
  • the electrode and electrolyte using the electrode protective film forming agent (B) of the present invention have excellent output characteristics, they are particularly useful as electrodes and electrolytes for lithium secondary batteries or lithium ion capacitors. Suitable for use.

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Abstract

本発明の目的は、出力特性に優れたリチウム二次電池又はリチウムイオンキャパシタ用の電極保護膜形成剤を提供することであって、本発明の電極保護膜形成剤(B)は、基-Mが密度汎関数計算(B3LYP/6-31G(d))により求められるリチウムイオン配位エネルギーが100~1500kJ/molである基であって、基-MLi(m)と重合性基(a)を有する化合物(K)、好ましくはオキソ酸リチウム塩(A)を含有することを特徴とする。

Description

電極保護膜形成剤、電極、電解液、リチウム二次電池、リチウムイオンキャパシタ、及び、電極保護膜の形成方法
 本発明は、リチウム二次電池又はリチウムイオンキャパシタに有用な電極保護膜形成剤、電極、電解液、リチウム二次電池、リチウムイオンキャパシタ、及び、電極保護膜の形成方法に関する。
 リチウム二次電池等の非水電解液二次電池は、高電圧、高エネルギー密度という特徴を持つことから、携帯情報機器分野等において広く利用され、その需要が急速に拡大しており、現在、携帯電話、ノート型パソコンを始めとするモバイル情報化機器用の標準電池としてのポジションが確立されている。当然ながら、携帯機器等の高性能化と多機能化に伴い、その電源としての非水電解液二次電池に対しても更なる高性能化(例えば、高容量化と高エネルギー密度化)が求められている。この要求に応えるために種々の方法、例えば、電極の充填率の向上による高密度化、現行の活物質(特に正極)の利用深度の向上、新規高容量の活物質の開発等が行われている。そして、現実に非水電解液二次電池がこれらの方法によって確実に高容量化されている。
 近年、電気自動車のニーズに応えるため、リチウム二次電池の高出力化が急務となっている。一般に、電池の高出力化には2つの重要な要素が考えられる。ひとつは電極材料において電子伝導性が高いこと、もうひとつはリチウムイオンの伝導性が高いことである。いずれか一方が劣る場合は、電池の内部抵抗が高くなり充分な出力特性は得られない。内部抵抗の主な原因となる箇所は、イオン伝導と電子伝導の反応界面が集中する電極材料である。
 イオン伝導の中でも特に大きな抵抗となっているのが電極表面での界面抵抗である。負極の界面抵抗の原因はリチウムイオンに配位している溶媒分子が、リチウムイオンが負極に挿入される際に脱離する脱溶媒和反応が遅く律速反応になっていると言われている。脱溶媒和を促進する方法としてはバインダーにポリアクリル酸を使用する方法が提案されている。(特許文献1)
特開2007-287570号公報
 しかしながら、正極の界面抵抗を低減する方法はなく、負極の界面抵抗の低減効果についても特許文献1の化合物では充分ではない。
 本発明は、出力特性に優れたリチウム二次電池又はリチウムイオンキャパシタ用の電極保護膜形成剤を提供することを目的とする。
 本発明者らは、上記の目的を達成すべく鋭意検討を行った結果、本発明に到達した。即ち、本発明は、基-Mが密度汎関数計算(B3LYP/6-31G(d))により求められるリチウムイオン配位エネルギーが100~1500kJ/molである基であって、基-MLi(m)と重合性基(a)を有する化合物(K)を含有する電極保護膜形成剤(B);該電極保護膜形成剤(B)を含有する負極からなる電極;該電極保護膜形成剤(B)を含有する正極からなる電極;該電極保護膜形成剤(B)を含有する電解液;該電極及び/又は該電解液を有するリチウム二次電池;該電極及び/又は該電解液を有するリチウムイオンキャパシタ;該電極保護膜形成剤(B)を正極、負極及び電解液からなる群から選ばれる少なくとも1種に含有させて、電圧を印加することにより電極活物質表面に保護膜を形成することを特徴とする電極保護膜の形成方法である。
 本発明の電極保護膜形成剤(B)は、出力特性を向上させることができ、本発明の電極保護膜形成剤(B)を含有する電極又は電解液を使用することで、出力特性に優れたリチウム二次電池又はリチウムイオンキャパシタを得ることができる。
 基-Mが密度汎関数計算(B3LYP/6-31G(d))により求められるリチウムイオン配位エネルギー(En)が100~1500kJ/molである基であって、電極保護膜形成剤(B)は、基-MLi(m)と、重合性基(a)を有する化合物(K)を含有する。
 化合物(K)が有する基-Mが、リチウムイオンに配位したときの安定化エネルギー、すなわちリチウムイオン配位エネルギー(En)は密度汎関数計算(B3LYP/6-31G(d))で求めた場合、100~1500kJ/molであり、好ましくは300~1300kJ/molである。
 (En)が100kJ/mol未満であればリチウムイオンの配位が不充分であるため好ましくなく、1500kJ/molを超えればイオン伝導性が悪化するため好ましくない。
 ここで密度汎関数計算とは電子系のエネルギーを電子密度から計算する手法であり、Gaussian03(GaussianはGaussian社の登録商標)などの市販のソフトウェアを用いて計算することができる。
 密度汎関数計算における計算レベルは計算すべき分子の分子量や計算機の能力に応じて適当なものが選択される。本発明においてはB3LYP/6-31G(d)を用いて計算する。
 密度汎関数計算を用いたリチウムイオン配位エネルギー(En)は下式より求めることができる。
En=E-(E+E
:リチウム塩状態の化合物(K)のエネルギー
:解離した状態の化合物(K)のエネルギー
:リチウムイオンのエネルギー
 本発明で用いられる化合物(K)は重合性基(a)を有するオキソ酸リチウム塩(A)であることが望ましい。化合物(K)の分子量は、好ましくは150~2000、さらに好ましくは200~1500である。
 本発明で用いられる化合物(K)は下記一般式(1)で表されることが望ましい。
-[TO(OLi)(OH)    (1)
[Tは炭素原子、イオウ原子、またはリン原子、rは1または2、pは1または2、sは1または2、tは0または1、s+tは1または2、qは1~4の整数、Rは重合性基(a)を有する炭素数2~40の1~q価の有機基である。]
 Rの炭素数は2~40であり、6~30がより好ましい。
Rを-Q-(a)で表したとき、Qとしては、重合性基(a)に直結した炭素原子を有する構造が挙げられ、Qとしては炭素数2~20の2価の脂肪族炭化水素基(Q1)、炭素数6~20の2価の芳香族基(Q2)、炭素数7~40の2価の脂肪芳香族基(Q3)、及び、炭素数5~13の2価の脂環式炭化水素基(Q4)等が挙げられ、さらに、酸素原子が一般式(1)におけるTと直接結合している、-O-Q1、-O-Q2、-O-Q3、-O-Q4等が挙げられる。これらのうちQ1、-O-Q1、Q2、-O-Q2、Q4、-O-Q4が好ましく用いられる。
 Q1の具体例としては、エチレン基、プロピレン基、ブチレン基等が挙げられ、-O-Q1の具体例としては、オキシエチレン基等が挙げられ、Q2の具体例としては、1,4-フェニレン基、1,2-フェニレン基、1,3-フェニレン基等が挙げられ、-O-Q2の具体例としては、オキシ1,4-フェニレン基等が挙げられ、Q3の具体例としては、トリレン基等が挙げられ、Q4の具体例としては1,4-シクロヘキシレン基、1,2-シクロヘキシレン基、1,3-シクロヘキシレン基等が挙げられ、-O-Q4の具体例としては、オキシ1,4-シクロヘキシレン基等が挙げられる。
 化合物(K)が有する重合性基(a)は下記一般式(2)で表されるものが好ましい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000005
[Yは二重結合を構成する炭素原子に直結した酸素原子、酸素原子を有していてもよい炭素数1~4の2価の炭化水素基、又は、存在しない基であり、Y~Yは水素原子または、酸素原子および/またはイオウ原子を有していてもよい炭素数1~4の1価の炭化水素基であり互いに結合して環を形成していてもよい。]
 Yが存在しない基である場合、二重結合を構成する炭素原子と基Qとが直接結合することとなる。
 酸素原子を有していてもよいYとして好ましい基としてはメチレン基、エチレン基、プロピレン基、ブチレン基、メチレンオキシ基、エチレンオキシ基、プロピレンオキシ基またはブチレンオキシ基(以上4つの基は酸素原子が二重結合を構成する炭素原子と直接結合)、オキシメチレン基、オキシエチレン基、オキシプロピレン基またはオキシブチレン基(以上4つの基は炭素原子が二重結合を構成する炭素原子と直接結合)等があげられる。
 Y~Yとして好ましい基としてはメチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、ヒドロキシメチル基、2-ヒドロキシエチル基、3-ヒドロキシプロピル基、4-ヒドロキシブチル基、メトキシ基、エトキシ基、n-プロポキシ基またはn-ブトキシ基があげられる。
 Y~Yが環を形成する場合、好ましい構造としては以下のものがあげられる。
とYで環を形成する場合:
 シクロペンタン環、シクロヘキサン環またはシクロヘプタン環があげられる。
とYで環を形成する場合:
 式(2)中の二重結合炭素と併せて、シクロペンテン環またはシクロヘキセン環を構成する。YまたはYが酸素原子またはイオウ原子を含有する場合フリル基、チエニル基を構成する。これらの基はアルキル基またはアルコキシ基で置換されていてもよい。これらの基の具体例としては、メチルフリル基、エチルフリル基、メトキシフリル基、メチルチエニル基、エチルチエニル基、又はメトキシチエニル基等が挙げられる。
重合性基(a)として好ましいのは、ビニル基、1-プロペニル基、1-プロペニルオキシ基、2-メチル-1-プロペニル基、2-メチル-1-プロペニルオキシ基、ビニロキシ基、3-メチル-2-ブテノキシ基等である。
 化合物(K)としては、下記一般式(3)~(5)で表されるオキソ酸リチウム塩(A1)~(A3)からなる群より選ばれる少なくとも1種であることが好ましい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000006
[式中、R~Rはそれぞれ独立に水素原子、メチル基、又は、炭素数2~6のアルケニル基であり少なくとも1つは炭素数2~6のアルケニル基;Xは-CO 又は-SO である。]
-O-R-XLi         (4)
[式中、Rは炭素数2~6のアルケニル基であり、Rは、直鎖若しくは分岐の炭素数1~6の脂肪族炭化水素基又は炭素数5~12の環状構造を有する脂肪族炭化水素基;Xは-CO 又は-SO である。]
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000007
[式中、Zは一般式(3)又は一般式(4)で表されるリチウム塩から-XLiを除いた基、nとmは、それぞれ1又は2であって、かつn+m=3を満足する整数である。]
 一般式(3)で表されるオキソ酸リチウム塩(A1)における炭素数2~6のアルケニル基としては、ビニル基、1-プロペニル基、2-プロペニル基、イソプロペニル基、1-ブテニル基、2-ブテニル基、イソブテニル基、1-ペンテニル基、2-ペンテニル基、3-ペンテニル基、イソペンテニル基、1-ヘキセニル基、2-ヘキセニル基、3-ヘキセニル基及びイソヘキセニル基等が挙げられる。
 これらの内、出力特性の観点から好ましくは、ビニル基及び1-プロペニル基である。
 これらの内、出力特性の観点からR~Rの好ましい組合せとしては以下の(1)~(4)が挙げられる。
(1)  R=水素原子、R=水素原子、R=ビニル基、R=水素原子、R=水素原子
(2)  R=水素原子、R=ビニル基、R=水素原子、R=水素原子、R=水素原子
(3)  R=ビニル基、R=水素原子、R=水素原子、R=水素原子、R=水素原子
(4)  R=水素原子、R=水素原子、R=1-プロペニル基、R=水素原子、R=水素原子
 これらのうち更に好ましいのは(1)の組合せである。
 一般式(3)におけるXは、-CO 又は-SO で表される基である。
 一般式(3)で表されるオキソ酸リチウム塩(A1)の具体例としては、4-ビニルベンゼンスルホン酸リチウム、2-ビニルベンゼンスルホン酸リチウム、3-ビニルベンゼンスルホン酸リチウム、4-ビニル安息香酸リチウム、及び4-(1-プロペニル)安息香酸リチウム等が挙げられる。これらのうち出力特性の観点から好ましいのは4-ビニル安息香酸リチウム、4-(1-プロペニル)安息香酸リチウム又は4-ビニルベンゼンスルホン酸リチウムである。
 一般式(4)で表されるオキソ酸リチウム塩(A2)において、Rは炭素数2~6のアルケニル基であり、具体例としてはビニル基、1-プロペニル基、2-プロペニル基、イソプロペニル基、1-ブテニル基、2-ブテニル基、イソブテニル基、1-ペンテニル基、2-ペンテニル基、3-ペンテニル基、イソペンテニル基、1-ヘキセニル基、2-ヘキセニル基、3-ヘキセニル基及びイソヘキセニル基等が挙げられる。Rは、直鎖若しくは分岐の炭素数1~6の脂肪族炭化水素基又は炭素数5~12の環状構造を有する脂肪族炭化水素基であり、具体例としてはメチレン基、エチレン基、プロピレン基、2-メチルプロピレン基、2,2-ジメチルプロピレン基、ブチレン基、シクロペンチレン基、シクロヘキシレン基及び2-メチルブチレン基等が挙げられる。オキソ酸リチウム塩(A2)の具体例としては、
カルボン酸リチウム[3-ビニロキシプロピオン酸リチウム、3-(1-プロペノキシ)プロピオン酸リチウム、3-(3-メチル-2-ブテノキシ)プロピオン酸リチウム、4-ビニロキシシクロヘキサンカルボン酸リチウム、4-(1-プロペノキシ)シクロヘキサンカルボン酸リチウム、ビニロキシ酢酸リチウム、4-ビニロキシ酪酸リチウム、3-メチル-4-ビニロキシ酪酸リチウム、3,3-ジメチル-4-ビニロキシ酪酸リチウム、3-(1-ブテノキシ)シクロペンタンカルボン酸リチウム、4-(1-ブテノキシ)シクロヘキサンカルボン酸リチウム、(1-プロペノキシ)酢酸リチウム、3-(1-プロペノキシ)プロピオン酸リチウム、3-メチル-4-(1-プロペノキシ)酪酸リチウム、3,3-ジメチル-4-(1-プロペノキシ)酪酸リチウム、3-(1-プロペノキシ)シクロペンタンカルボン酸リチウム及び4-(1-プロペノキシ)シクロヘキサンカルボン酸リチウム];
スルホン酸リチウム[2-ビニロキシエタンスルホン酸リチウム、2-(1-プロペノキシ)エタンスルホン酸リチウム、4-ビニロキシシクロヘキサンスルホン酸リチウム、4-(1-プロペノキシ)シクロヘキサンスルホン酸リチウム、ビニロキシメタンスルホン酸リチウム、3-ビニロキシプロパンスルホン酸リチウム、2-メチル-3-ビニロキシプロパンスルホン酸リチウム、2,2-ジメチル-3-ビニロキシプロパンスルホン酸リチウム、(1-プロペノキシ)メタンスルホン酸リチウム、3-(1-プロペノキシ)プロパンスルホン酸リチウム、2-メチル-3-(1-プロペノキシ)プロパンスルホン酸リチウム及び2,2-ジメチル-3-(1-プロペノキシ)プロパンスルホン酸リチウム]等が挙げられる。
 これらのうち出力特性の観点から好ましいのは3-(1-プロペノキシ)プロピオン酸リチウム、4-(1-プロペノキシ)シクロヘキサンカルボン酸リチウム、2-(1-プロペノキシ)エタンスルホン酸リチウム又は4-(1-プロペノキシ)シクロヘキサンスルホン酸リチウムである。
 一般式(5)で表されるオキソ酸リチウム塩(A3)において、Zとしては、4-ビニルフェニル基、2-ビニルフェニル基、3-ビニルフェニル基、及び2-ビニロキシシエチル基、2-(1-プロペノキシ)エチル基、3-ビニロキシプロピル基、3-(1-プロペノキシ)プロピル基、4-ビニロキシシクロヘキシル基又は4-(1-プロペノキシ)シクロヘキシル基等が挙げられる。
 オキソ酸リチウム塩(A3)の具体例としては、
一般式(5)においてm=1の場合;
[リン酸ジリチウム(4-ビニルフェニル)、リン酸ジリチウム{2-(1-プロペノキシ)エチル}、リン酸ジリチウム{4-(1-プロペノキシ)シクロヘキシル}、リン酸ジリチウム(ビニロキシメチル)、リン酸ジリチウム(2-ビニロキシエチル)、リン酸ジリチウム(3-ビニロキシプロピル)、リン酸ジリチウム(2-メチル-3-ビニロキシプロピル)、リン酸ジリチウム(2,2-ジメチル-3-ビニロキシプロピル)、リン酸ジリチウム(4-ビニロキシシクロヘキシル)等];モノ(1-プロペニルエーテル)[リン酸ジリチウム{(1-プロペノキシ)メチル}、リン酸ジリチウム{2-(1-プロペノキシ)エチル}、リン酸ジリチウム{3-(1-プロペノキシ)プロピル}、リン酸ジリチウム{2-メチル-3-(1-プロペノキシ)プロピル}、リン酸ジリチウム{2,2-ジメチル-3-(1-プロペノキシ)プロピル}、リン酸ジリチウム{4-(1-プロペノキシ)シクロヘキシル}等];
一般式(5)においてm=2の場合;
[リン酸リチウム{ビス(4-ビニルフェニル)}、リン酸リチウム[ビス{4-(1-プロペノキシ)シクロヘキシル}]、リン酸リチウム{ビス(ビニロキシメチル)}、リン酸リチウム{ビス(2-ビニロキシエチル)}、リン酸リチウム{ビス(3-ビニロキシプロピル)}、リン酸リチウム{ビス(2-メチル-3-ビニロキシプロピル)}、リン酸リチウム{ビス(2,2-ジメチル-3-ビニロキシプロピル)}、リン酸リチウム{ビス(4-ビニロキシシクロヘキシル)}等];モノ(1-プロペニルエーテル)[リン酸リチウム[ビス{(1-プロペノキシ)メチル}]、リン酸リチウム[ビス{2-(1-プロペノキシ)エチル}]、リン酸リチウム[ビス{3-(1-プロペノキシ)プロピル}]、リン酸リチウム[ビス{2-メチル-3-(1-プロペノキシ)プロピル}]、リン酸リチウム[ビス{2,2-ジメチル-3-(1-プロペノキシ)プロピル}]、リン酸リチウム[ビス{4-(1-プロペノキシ)シクロヘキシル}]等]が挙げられる。これらのうち出力特性の観点から好ましいのはリン酸ジリチウム2-(1-プロペノキシ)エチル、リン酸ジリチウム{4-(1-プロペノキシ)シクロヘキシル}、リン酸リチウムビス(4-ビニルフェニル)又はリン酸リチウム[ビス{4-(1-プロペノキシ)シクロヘキシル}]である。
 本発明の電極保護膜形成剤(B)は、化合物(K)の他に他の成分(L)を含有することができる。他の成分(L)の含有率は化合物(K)の重量に対して0~90重量%であり、好ましくは0~50重量%である。90重量%を超えると電極の界面抵抗が上昇するため好ましくない。
成分(L)としては、正極保護膜形成剤(C)、負極保護膜形成剤(D)が挙げられる。(C)を含有することにより、正極保護膜の安定性が向上し出力特性を向上させることができる。
 正極保護膜形成剤(C)としては、一般式(6)で示される化合物が挙げられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000008
[式中、Rは直鎖若しくは分岐の炭素数1~6の脂肪族炭化水素基又は炭素数5~12の環状構造を有する脂肪族炭化水素基であり、複数個あるRはそれぞれ同一でも異なっていてもよく、T、T及びTはそれぞれ独立に水素原子又は炭素数1~3のアルキル基であり、nは1~10の整数である。]
の具体例としてはメチレン基、エチレン基、トリメチレン基、1-エチルエチレン基、1,1-ジメチルエチレン基、1,2-シクロペンチレン基、1,2-シクロへキシレン基、1,3-シクロへキシレン基、1,4-シクロヘキサンジメタノールから2個の水酸基を除いた残基が挙げられる。
、T及びTとして好ましいものはメチル基、エチル基、n-プロピル基及びイソプロピル基が挙げられる。
 nは1~10の数であり、サイクル特性の観点から1~4が好ましい。
電極保護膜形成剤(B)における正極保護膜形成剤(C)の含有量は、化合物(K)の重量に基づいて、0~90重量%であることが好ましく、更に好ましくは0~50重量%である。
 (C)の具体例としてはビス[{4-(プロペニルオキシメチル)シクロヘキシル}メチル]カーボネート、ビス[{3,4-ジ-(プロペニルオキシメチル)シクロヘキシル}メチル]カーボネート、ビス[{3,4,5-トリ-(プロペニルオキシメチル)シクロヘキシル}メチル]カーボネート、ビス[{2,3,4,5-テトラ-(プロペニルオキシメチル)シクロヘキシル}メチル]カーボネート及びビス[{2,3,4,5,6-ペンタ-(プロペニルオキシメチル)シクロヘキシル}メチル]カーボネート等が挙げられる。これらの内、サイクル特性の観点から好ましいのはビス[{4-(プロペニルオキシメチル)シクロヘキシル}メチル]カーボネートである。
 また、負極保護膜形成剤(D)を含有することにより、負極保護膜の安定性が向上し出力特性を向上させることができる。
負極保護膜形成剤(D)としては、ビニレンカーボネート、フルオロエチレンカーボネート、クロロエチレンカーボネート、エチレンサルファイト、プロピレンサルファイト及びα-ブロモ-γ-ブチロラクトン等が挙げられる。これらの内、サイクル特性の観点から好ましいのはビニレンカーボネートである。
 電極保護膜形成剤(B)における負極保護膜形成剤(D)の含有量は、化合物(K)の重量に基づいて、0~90重量%であることが好ましく、更に好ましくは0~50重量%である。
 本発明の電極保護膜形成剤(B)は、化合物(K)の他に更にルイス塩基(G)を含有することができる。(G)を含有することにより、化合物(K)の保存安定性が向上する。
 (G)の含有率は化合物(K)の重量に対して0~90重量%であることが好ましく、更に好ましくは0~50重量%である。
 ルイス塩基(G)としては、例えばトリアゾール誘導体(G-1)(1,2,3-ベンゾトリアゾール、5-メチル-1,2,3-ベンゾトリアゾール、5,6-ジメチル-1,2,3-ベンゾトリアゾール、1,2,4-トリアゾール、3-アミノ-1,2,4-トリアゾール、3,5-ジアミノ-1,2,4-トリアゾール、3-アミノ-5-メチル-1,2,4-トリアゾール、3-アミノ-5-エチル-1,2,4-トリアゾール、3-アミノ-5-プロピル-1,2,4-トリアゾール及び3-アミノ-5-ブチル-1,2,4-トリアゾール等)が挙げられる。これらは市販品を入手することが出来る。これらの内、サイクル特性の観点から好ましいのは、3-アミノ-1,2,4-トリアゾールである。
 電極保護膜形成剤(B)は電極や電解液に含有させて、電極に電圧を印加することにより(B)が電極活物質表面で重合し被膜を形成する。この被膜が、電極表面での界面抵抗を下げる保護膜となり、出力特性を向上させる。
 リチウム二次電池やリチウムイオンキャパシタの電極又は電解質に(B)を含有させた場合、初回充電時に上記保護膜が形成されるが、リチウム二次電池やリチウムイオンキャパシタの電極として、別途電極表面に(B)の重合被膜を形成させた電極を使用することもできる。
 本発明の電極は、電極保護膜形成剤(B)及び活物質(E)を含有する。さらに結着剤(F)を含有することが好ましい。
 活物質(E)としては負極活物質(E1)、リチウム二次電池用正極活物質(E2)及びリチウムイオンキャパシタ用正極活物質(E3)が挙げられる。
 負極活物質(E1)としては、黒鉛、アモルファス炭素、高分子化合物焼成体(例えばフェノール樹脂及びフラン樹脂等を焼成し炭素化したもの)、コークス類(例えばピッチコークス、ニードルコークス及び石油コークス)、炭素繊維、導電性高分子(例えばポリアセチレン及びポリピロール)、スズ、シリコン、及び金属合金(例えばリチウム-スズ合金、リチウム-シリコン合金、リチウム-アルミニウム合金及びリチウム-アルミニウム-マンガン合金等)等が挙げられる。
 リチウム二次電池用正極活物質(E2)としてはリチウムと遷移金属との複合酸化物(例えばLiCoO、LiNiO、LiMnO及びLiMn)、遷移金属酸化物(例えばMnO及びV)、遷移金属硫化物(例えばMoS及びTiS)及び導電性高分子(例えばポリアニリン、ポリフッ化ビニリデン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリ-p-フェニレン及びポリカルバゾール)等が挙げられる。
 リチウムイオンキャパシタ用正極活物質(E3)としては活性炭、炭素繊維及び導電性高分子(例えばポリアセチレン及びポリピロール)等が挙げられる。
 結着剤(F)としてはデンプン、ポリフッ化ビニリデン、ポリビニルアルコール、カルボキシメチルセルロース、ポリビニルピロリドン、テトラフルオロエチレン、ポリエチレン及びポリプロピレン等の高分子化合物が挙げられる。
 本発明の電極は更に導電助剤(H)を含有することができる。
 導電助剤(H)としては黒鉛(例えば天然黒鉛及び人工黒鉛)、カーボンブラック類(例えばカーボンブラック、アセチレンブラック、ケチェンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック及びサーマルブラック)及び金属粉末(例えばアルミニウム粉及びニッケル粉)、導電性金属酸化物(例えば酸化亜鉛及び酸化チタン)等が挙げられる。
 本発明の電極における、電極保護膜形成剤(B)、活物質(E)、結着剤(F)、及び、導電助剤(H)のそれぞれの好ましい含有量は(B)、(E)、(F)の合計重量に基づいて以下の通りである。
 電極保護膜形成剤(B)の含有量は、出力特性、充放電サイクル特性、電池容量及び高貯蔵特性の観点から、好ましくは0.5~5重量%であり、更に好ましくは1~3重量%である。
 活物質(E)の含有量は、出力特性及び充放電サイクル特性の観点から、好ましくは70~98重量%であり、更に好ましくは90~98重量%である。
 結着剤(F)の含有量は、出力特性及び充放電サイクル特性の観点から、好ましくは0.5~29重量%であり、更に好ましくは1~10重量%である。
 導電助剤(H)の含有量は、電池出力の観点から、好ましくは0~29重量%であり、更に好ましくは0~10重量%である。
 本発明の電極は、例えば電極保護膜形成剤(B)、活物質(E)及び結着剤(F)並びに必要により導電助剤(H)を、水又は溶媒の重量に基づいて30~60重量%の濃度で分散してスラリー化した分散液を、集電体にバーコーター等の塗工装置で塗布後、乾燥して水又は溶媒を除去して、必要によりプレス機でプレスすることにより得られる。
 ここで、活物質(E)としてリチウム二次電池用正極活物質(E2)を用いることによりリチウム二次電池用の正極が得られ、活物質(E)としてリチウムイオンキャパシタ用正極活物質(E3)を用いることによりリチウムイオンキャパシタ用の正極が得られる。
 また、リチウム二次電池用の負極は負極活物質(E1)を用いることにより得られ、得られた負極に公知の方法等でリチウムをドーピングすることによりリチウムイオンキャパシタ用の負極が得られる。
 溶媒としては、1-メチル-2-ピロリドン、メチルエチルケトン、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、N,N-ジメチルアミノプロピルアミン及びテトラヒドロフラン等が挙げられる。
 集電体としては、銅、アルミニウム、チタン、ステンレス鋼、ニッケル、焼成炭素、導電性高分子及び導電性ガラス等が挙げられる。
 本発明の電解液は、電極保護膜形成剤(B)、電解質(I)及び非水溶媒(J)を含有する。
 リチウム二次電池用及びリチウムイオンキャパシタ用の電解液として有用である。
 電解質(I)としては、通常の電解液に用いられているもの等が使用でき、LiPF、LiBF、LiSbF、LiAsF及びLiClO等の無機酸のリチウム塩、LiN(CFSO、LiN(CSO及びLiC(CFSO等の有機酸のリチウム塩が挙げられる。これらの内、電池出力及び充放電サイクル特性の観点から好ましいのはLiPFである。
 非水溶媒(J)としては、通常の電解液に用いられているもの等が使用でき、ラクトン化合物、環状又は鎖状炭酸エステル、鎖状カルボン酸エステル、環状又は鎖状エーテル、リン酸エステル、ニトリル化合物、アミド化合物、スルホン、スルホラン等及びこれらの混合物を用いることができる。
 ラクトン化合物としては、5員環(γ-ブチロラクトン(GBL)及びγ-バレロラクトン等)及び6員環のラクトン化合物(δ-バレロラクトン等)等を挙げることができる。
 環状炭酸エステルとしては、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート(EC)及びブチレンカーボネート等が挙げられる。
 鎖状炭酸エステルとしては、ジメチルカーボネート(DMC)、メチルエチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチル-n-プロピルカーボネート、エチル-n-プロピルカーボネート及びジ-n-プロピルカーボネート等が挙げられる。
 鎖状カルボン酸エステルとしては、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸プロピル及びプロピオン酸メチル等が挙げられる。
 環状エーテルとしては、テトラヒドロフラン、テトラヒドロピラン、1,3-ジオキソラン及び1,4-ジオキサン等が挙げられる。
 鎖状エーテルとしては、ジメトキシメタン及び1,2-ジメトキシエタン等が挙げられる。
 リン酸エステルとしては、リン酸トリメチル、リン酸トリエチル、リン酸エチルジメチル、リン酸ジエチルメチル、リン酸トリプロピル、リン酸トリブチル、リン酸トリ(トリフルオロメチル)、リン酸トリ(トリクロロメチル)、リン酸トリ(トリフルオロエチル)、リン酸トリ(トリパーフルオロエチル)、2-エトキシ-1,3,2-ジオキサホスホラン-2-オン、2-トリフルオロエトキシ-1,3,2-ジオキサホスホラン-2-オン及び2-メトキシエトキシ-1,3,2-ジオキサホスホラン-2-オン等が挙げられる。
 ニトリル化合物としては、アセトニトリル等が挙げられる。
 アミド化合物としては、ジメチルホルムアミド等が挙げられる。
 スルホンとしては、ジメチルスルホン及びジエチルスルホン等が挙げられる。
 非水溶媒(J)は1種を単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。
 非水溶媒(J)の内、電池出力及び充放電リサイクル特性の観点から好ましいのは、ラクトン化合物、環状炭酸エステル、鎖状炭酸エステル及びリン酸エステルであり、更に好ましいのは環状炭酸エステル及び鎖状炭酸エステルである。
 電解液中に添加する電極保護膜形成剤(B)としては、さらにルイス塩基(G)を含むことが望ましく、ルイス塩基(G)としては、前述のトリアゾール誘導体(G-1)及びアザクラウンエーテル誘導体(G-2)等が挙げられる。
 アザクラウンエーテル誘導体(G-2)としては、窒素原子を1~4個有する9員環~24員環のクラウンエーテル骨格を有し、該骨格の窒素原子の1個以上に重合性不飽和二重結合を有する置換基(a)が結合しているものが好ましい。
 窒素原子を1~4個有する9員環~24員環のクラウンエーテルとしては、アザ-9-クラウン-3-エーテル(4-アザ-9-クラウン-3-エーテル及び4,7-ジアザ-9-クラウン-3-エーテル等)、アザ-12-クラウン-4-エーテル(4-アザ-12-クラウン-4-エーテル及び4,10-ジアザ-12-クラウン-4-エーテル等)、アザ-14-クラウン-4-エーテル(4-アザ-14-クラウン-4-エーテル及び4,10-ジアザ-14-クラウン4-エーテル等)、アザ-15-クラウン-5-エーテル(4-アザ-15-クラウン-5-エーテル、4,10-ジアザ-15-クラウン-5-エーテル、4,14-ジアザ-15-クラウン-5及び4,10,16-トリアザ-15-クラウン-5-エーテル等)、アザ-18-クラウン-6-エーテル(4-アザ-18-クラウン6-エーテル、4,10-ジアザ-18-クラウン-6-エーテル及び4,10,16-トリアザ-18-クラウン-6-エーテル等)、アザ-21-クラウン-7-エーテル(4-アザ-21-クラウン-7-エーテル、4,10-ジアザ-21-クラウン-7-エーテル及び4,10,16-トリアザ-21-クラウン-7-エーテル等)及びアザ-24-クラウン-8-エーテル(4-アザ-24-クラウン-8-エーテル、4,10-ジアザ-24-クラウン-8-エーテル及び4,10,16-トリアザ-24-クラウン-8-エーテル等)等が挙げられる。
 これらの内、リチウムイオンとの配位力の観点から、好ましいのはアザ-12-クラウン-4-エーテル、アザ-14-クラウン-4-エーテル、アザ-15-クラウン-5-エーテル及びアザ-18-クラウン-6-エーテルであり、更に好ましいのは4-アザ-12-クラウン-4-エーテル、4,10-ジアザ-12-クラウン-4-エーテル、4-アザ-15-クラウン-5-エーテル及び4,10-ジアザ-15-クラウン-5エーテルである。
 アザクラウンエーテル骨格における窒素原子の数は、リチウムイオンに対する配位力の観点から好ましくは1~3個であり、更に好ましくは1又は2個である。
 アザクラウンエーテル誘導体(G-2)が有する、重合性不飽和二重結合を有する置換基(a)としては、前述の一般式(1)で表される置換基、(メタ)アクリロイルオキシアルキル基及び(メタ)アクリロイルアルキル基等が挙げられ、好ましいものは、前述の一般式(1)で表される置換基、(メタ)アクリロイルオキシアルキル基及び(メタ)アクリロイルアルキル基が挙げられる。
 アザクラウンエーテル誘導体(G-2)の具体例としては、N-(3-メトキシカルボニル-2-プロペニル)-4-アザ-12-クラウン-4-エーテル、N,N-ビス-(3-メトキシカルボニル-2-プロペニル)-4,10-ジアザ-12-クラウン-4-エーテル、N-(3-メトキシカルボニル-2-プロペニル)-4-アザ-15-クラウン-5-エーテル、N,N-ビス-(3-メトキシカルボニル-2-プロペニル)-4,10-ジアザ-15-クラウン-5-エーテル、N-(シンナミル)-4-アザ-12-クラウン-4-エーテル、N,N-ジ-(シンナミル)-4,10-ジアザ-12-クラウン-4-エーテル、N-(シンナミル)-4-アザ-15-クラウン-5-エーテル、N,N-ジ-(シンナミル)-4,10-ジアザ-15-クラウン-5-エーテル、N-(4-ビニルベンジル)-4-アザ-12-クラウン-4-エーテル、N,N-ジ-(4-ビニルベンジル)-4,10-ジアザ-12-クラウン-4-エーテル、N-(4-ビニルベンジル)-4-アザ-15-クラウン-5-エーテル、N,N-ジ-(4-ビニルベンジル)-4,10-ジアザ-15-クラウン-5-エーテル、N,N-ジ-(1-アクリロイルオキシエチル)-4,10-ジアザ-15-クラウン-5-エーテル、N-(1-アクリロイルオキシエチル)-4-アザ-14-クラウン-4-エーテル、N-(4-エトキシカルボニル-3-ブテニル)-4-アザ-18-クラウン-6-エーテル及びN,N-ビス-(4-エトキシカルボニル-3-ブテニル)-4,14-ジアザ-18-クラウン-6-エーテル等が挙げられる。
 本発明におけるアザクラウンエーテル誘導体(G-2)は、通常の方法等で製造することができる。例えば、有機溶媒中で、無触媒又は触媒の存在下、無置換のアザクラウンエーテルと、重合性不飽和二重結合を有するハロゲン化アルキルを反応させる方法が挙げられる。有機溶媒としては、ニトリル系有機溶媒(アセトニトリル、プロピオニトリル及びベンゾニトリル等)、ケトン系有機溶媒(アセトン及びメチルエチルケトン等)、アミド系有機溶媒(ホルムアミド、アセトアミド、ジメチルホルムアミド及びジメチルアセトアミド等)、エーテル系有機溶媒(ジメチルエーテル、テトラヒドロフラン及びジオキサン等)、エステル系有機溶媒(酢酸エチル及びマレイン酸ジエチル等)、イオウ含有有機溶剤(ジメチルスルホキシド及びスルホラン等)、ハロゲン化炭化水素(クロロホルム及びジクロロメタン等)、炭化水素(ヘキサン、ヘプタン、トルエン及びキシレン等)及びこれらの溶媒の二種以上の混合物が挙げられる。触媒としては、アルカリ金属水酸化物(水酸化リチウム、水酸化ナトリウム及び水酸化カリウム等)、アルカリ金属炭酸塩(炭酸水素ナトリウム、炭酸水素カリウム、炭酸ナトリウム及び炭酸カリウム等)及びアルカリ金属水素化物(水素化ナトリウム及び水素化カリウム等)等が挙げられる。反応温度は通常10~150℃、反応時間は通常0.5~24時間である。反応終了後は、必要により触媒を中和し、吸着剤で処理して触媒を除去・精製することができる。
 重合性不飽和二重結合を有するハロゲン化アルキルとしては、4-ブロモ-2-ブテン酸メチルエステル、4-クロロ-2-ブテン酸メチルエステル、1-ブロモ-4-シアノ-2-ブテン、1-クロロ-4-シアノ-2-ブテン、アクリル酸クロロメチルエステル、アクリル酸ブロモメチルエステル、アクリル酸-2-クロロエチルエステル、アクリル酸-2-ブロモエチルエステル、メタクリル酸クロロメチルエステル、メタクリル酸ブロモメチルエステル、メタクリル酸-2-クロロエチルエステル、メタクリル酸-2-ブロモエチルエステル、シンナミルクロリド、シンナミルブロミド、4-(クロロメチル)スチレン及び4-(ブロモメチル)スチレン等が挙げられる。
 本発明の電解液における電極保護膜形成剤(B)、電解質(I)及び非水溶媒(J)のそれぞれ好ましい含有量は必須成分(B)、(I)及び(J)の合計重量に基づいて以下の通りである。
 (B)の含有量は、電池出力、充放電サイクル特性、電池容量及び高貯蔵特性の観点から好ましくは0.01~10重量%、更に好ましくは0.05~1重量%である。
 電解質(I)の含有量は、電池出力及び充放電サイクル特性の観点から好ましくは3~50重量%であり、更に好ましくは7~30重量%である。
 電解質(I)の濃度は、電解液の容量に基づいて、電池出力及び充放電サイクル特性の観点から好ましくは0.1~5.0mol/Lであり、更に好ましくは0.8~2.0mol/Lである。
 非水溶媒(J)の含有量は、電池出力及び充放電サイクル特性の観点から好ましくは70~97重量%であり、更に好ましくは93~95重量%である。
 本発明の電解液は、更に過充電防止剤、脱水剤及び容量安定化剤等の添加剤を含有してもよい。
 過充電防止剤としては、ビフェニル、アルキルビフェニル、ターフェニル、ターフェニルの部分水素化体、シクロヘキシルベンゼン、t-ブチルベンゼン及びt-アミルベンゼン等の芳香族化合物等が挙げられる。過充電防止剤の使用量は、(B)、(I)及び(J)の合計重量に基づいて、通常0~5重量%、好ましくは0~3重量%である。
 脱水剤としては、ゼオライト、シリカゲル及び酸化カルシウム等が挙げられる。脱水剤の使用量は、(B)、(I)及び(J)の合計重量に基づいて、通常0~5重量%、好ましくは0~3重量%である。
 容量安定化剤としては、フルオロエチレンカーボネート、無水コハク酸、1-メチル-2-ピペリドン、ヘプタン及びフルオロベンゼン等が挙げられる。容量安定化剤の使用量は、(B)、(I)及び(J)の合計重量に基づいて、通常0~5重量%、好ましくは0~3重量%である。
 本発明のリチウム二次電池は、正極、負極及びセパレータを収納した電池缶内に電解液を注入して電池缶を密封する際に、正極又は負極として本発明の電極を用いるか、電解液に本発明の電解液を用いるか、又はこれらの併用により得られる。
 リチウム二次電池におけるセパレータとしては、ポリエチレン又はポリプロピレン製フィルムの微多孔膜、多孔性のポリエチレンフィルムとポリプロピレンとの多層フィルム、ポリエステル繊維、アラミド繊維及びガラス繊維等からなる不織布並びにこれらの表面にシリカ、アルミナ及びチタニア等のセラミック微粒子を付着させたものが挙げられる。
 リチウム二次電池における電池缶としては、ステンレススチール、鉄、アルミニウム及びニッケルメッキスチール等の金属材料を用いることができるが、電池用途に応じてプラスチック材料を用いることもできる。また電池缶は、用途に応じて円筒型、コイン型、角型又はその他任意の形状にすることができる。
 本発明のリチウムイオンキャパシタは、本発明のリチウム二次電池の基本構成において、正極をリチウムイオンキャパシタ用の正極に代え、電池缶をキャパシタ缶に代えることにより得られる。キャパシタ缶の材質及び形状としては、電池缶で例示したものと同様のものが挙げられる。
 以下、実施例により本発明を更に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。以下、特に定めない限り、%は重量%、部は重量部を示す。
<製造例1> 
 4-ビニル安息香酸リチウム(以下(A-1)と略記)の合成;
 攪拌機、温度計及び冷却管を取り付けたフラスコに、4-ビニル安息香酸[東京化成工業(株)製]1.0部(6.75mmol部)、水酸化リチウム[東京化成工業(株)製]0.16部(6.75mmol部)及びアセトニトリル10部を仕込み、室温で30分攪拌した。アセトニトリルと水とを減圧(1.3kPa)下に除去し(A-1)1.04部(6.75mmol部)を得た(収率100%)。
<製造例2> 
 リン酸リチウム{ビス(4-ビニルフェニル)}(以下(A-2)と略記)の合成;
 攪拌機、温度計及び冷却管を取り付けたフラスコに、POCl1.0部(6.52mmol部)、4-ビニルフェノール[ASDI社製]1.57部(13.0mmol部)及びアセトニトリル10部を仕込み室温で2時間攪拌し反応させた。反応溶液に10%水酸化リチウム水溶液1.6部を注いだ後、さらに室温で2時間攪拌した。反応溶液にヘキサン10部を加え、有機層を分離した。水層のアセトニトリルと水を減圧(1.3kPa)下に除去し(A-2)1.05部(3.39mmol部)を得た(収率52%)。
<製造例3> 
 4-(1-プロペニル)安息香酸リチウム(以下(A-3)と略記)の合成;
 攪拌機、温度計及び冷却管を取り付けたフラスコに、4-(1-プロペニル)ブロモベンゼン[シグマアルドリッチ社製]1.0部(5.07mmol部)、Mg0.12部(5.07mmol部)及びTHF1.0部を仕込み室温で2時間攪拌し反応させグリニャール試薬を作製した。反応溶液にドライアイス0.5部を加え、30分攪拌した後、10%水酸化リチウム水溶液1.2部を注ぎ、さらに室温で2時間攪拌した。反応溶液にヘキサン10部を加え、有機層を分離した後、水層のTHFと水を減圧(1.3kPa)下に除去し(A-3)0.55部(3.3mmol部)を得た(収率65%)。
 <製造例4>
 3-(3-メチル-2-ブテノキシ)プロピオン酸リチウム(以下(A-5)と略記)の合成;
 攪拌機、温度計及び冷却管を取り付けたフラスコに、3-メチル-2-ブテン-1-オール[東京化成工業(株)製]5.0部(58mmol部)、水素化ナトリウム[60%流動パラフィン分散、東京化成工業(株)製]2.3部(58mmol部)およびTHF100部を仕込み室温で30分撹拌した。次に3-クロロプロピオン酸[東京化成工業(株)製]3.1部(29mmol部)を仕込み50℃で4時間加熱した。6.0Mの塩酸を加え、有機層を分離し、THFを減圧で除去した後、蒸発残留物を酢酸エチルを溶剤としたシリカゲルカラムにより精製し、3-(3-メチル-2-ブテノキシ)プロピオン酸1.5部(9.5mmol部)を得た。次に10%水酸化リチウム水溶液2.2部を注いだ後、さらに室温で2時間攪拌した。水を減圧(1.3kPa)下に除去し(A-5)1.5部(9.1mmol部)を得た(収率31%)。
<製造例5>
 3-(1-プロペノキシ)プロピオン酸リチウム(以下(A-6)と略記)の合成;
 撹拌機、温度計及び冷却管を取り付けたフラスコに、3-ヒドロキシプロピオン酸[東京化成工業(株)製]6.16部(68.4mmol)、塩化アリル[東京化成工業(株)製]5.75部(75.2mmol)、水酸化ナトリウム3.00部(75.2mmol)及びトルエン50部を仕込み、撹拌しながら均一に溶解させた後、室温で15分間撹拌後、テトラブチルアンモニウムブロマイド1.32部(4.1mmol)を加えた。2時間かけて65℃まで昇温し更に4時間撹拌して、エーテル化反応及び転位反応を行った。放冷後、水200部を加え水層を分離した。更に有機層を水200部で洗浄した。トルエンを減圧(1.3kPa)80℃によって除去後、酢酸エチルを溶剤としたアルミナカラム[150mesh、Brockman1,standard grade、シグマアルドリッチ社製]によって反応物を精製した。精製した化合物を水酸化リチウム水溶液で中和し、水を減圧乾固し(A-6)5.4部(39.7mmol)を得た(収率58%)。
<製造例6>
 4-(1-プロペノキシ)シクロヘキサンカルボン酸リチウム(以下(A-7)と略記)の合成;
3-ヒドロキシプロピオン酸の代わりに、4-ヒドロキシシクロヘキサンカルボン酸[東京化成工業(株)製]9.86部(68.4mmol)を使用したこと以外は、製造例5と同様にして(A-7)6.77部(35.6mmol)を得た(収率52%)。
<製造例7>
 2-(1-プロペノキシ)エタンスルホン酸リチウム(以下(A-8)と略記)の合成;
 撹拌機、温度計及び冷却管を取り付けたフラスコに、エチレングリコール[東京化成工業(株)製]6.21部(100mmol)を仕込み、クロロスルホン酸[東京化成工業(株)製]11.65部(100mmol)を滴下した。室温で30分間撹拌後、炭酸ナトリウム水溶液で中和し、水を減圧乾固した。撹拌機、温度計及び冷却管を取り付けたフラスコに得られた化合物を仕込み、塩化アリル[東京化成工業(株)製]8.42部(110mmol)、水酸化ナトリウム4.4部(110mmol)及びトルエン50部を仕込み、撹拌しながら均一に溶解させた後、室温で15分間撹拌後、テトラブチルアンモニウムブロマイド1.32部(4.1mmol)を加えた。2時間かけて65℃まで昇温し更に4時間撹拌して、エーテル化反応及び転位反応を行った。放冷後、水200部を加え水層を分離した。更に有機層を水200部で洗浄した。トルエンを減圧(1.3kPa)80℃によって除去後、酢酸エチルを溶剤としたアルミナカラム[150mesh、Brockman1,standard grade、シグマアルドリッチ社製]によって反応物を精製した。精製した化合物を水酸化リチウム水溶液で中和し、水を減圧乾固し(A-8)5.45部(29mmol)を得た(収率29%)
<製造例8>
 4-(1-プロペノキシ)シクロヘキサンスルホン酸リチウム(以下(A-9)と略記)の合成;
 エチレングリコールの代わりに、1,4-シクロヘキサンジオール[東京化成工業(株)製]11.62部(100mmol)を使用したこと以外は、製造例7と同様にして(A-9)7.75部(32mmol)を得た(収率32%)。
<製造例9>
 リン酸ジリチウム{2-(1-プロペノキシ)エチル}(以下(A-10)と略記)の合成;
 クロロスルホン酸の代わりに、塩化ホスホリル[和光純薬工業(株)製]15.33部(100mmol)を使用したこと以外は、製造例7と同様にして(A-10)6.79部(35mmol)を得た(収率35%)。
<製造例10>
 リン酸ジリチウム{4-(1-プロペノキシ)シクロヘキシル}(以下(A-11)と略記)の合成;
 エチレングリコールの代わりに、1,4-シクロヘキサンジオール[東京化成工業(株)製]11.62部(100mmol)を使用し、またクロロスルホン酸の代わりに、塩化ホスホリル[和光純薬工業(株)製]15.33部(100mmol)を使用したこと以外は、製造例7と同様にして(A-11)5.46部(22mmol)を得た(収率22%)。
<製造例11>
 リン酸リチウム[ビス{4-(1-プロペノキシ)シクロヘキシル}](以下(A-12)と略記)の合成;
 撹拌機、温度計及び冷却管を取り付けたフラスコに、1,4-シクロヘキサンジオール[東京化成工業(株)製]23.23部(200mmol)を仕込み、塩化ホスホリル[和光純薬工業(株)製]15.33部(100mmol)を滴下した。室温で30分間撹拌後、炭酸ナトリウム水溶液で中和し、水を減圧乾固した。撹拌機、温度計及び冷却管を取り付けたフラスコに得られた化合物を仕込み、塩化アリル[東京化成工業(株)製]16.83部(220mmol)、水酸化ナトリウム13.2部(330mmol)及びトルエン100部を仕込み、撹拌しながら均一に溶解させた後、室温で15分間撹拌後、テトラブチルアンモニウムブロマイド2.64部(8.2mmol)を加えた。2時間かけて65℃まで昇温し更に4時間撹拌して、エーテル化反応及び転位反応を行った。放冷後、水200部を加え水層を分離した。更に有機層を水200部で洗浄した。トルエンを減圧(1.3kPa)80℃によって除去後、酢酸エチルを溶剤としたアルミナカラム[150mesh、Brockman1,standard grade、シグマアルドリッチ社製]によって反応物を精製した。精製した化合物を水酸化リチウム水溶液で中和し、水を減圧乾固し、(A-12)15.78部(58mmol)を得た(収率29%)。
<実施例1~28>
 電極保護膜形成剤(B)の調製
 表1-1及び1-2に示した割合でオキソ酸リチウム塩(A)、正極保護膜形成剤(C)、負極保護膜形成剤(D)及びルイス塩基(G)を配合し実施例1~28の電極保護膜形成剤(B)を調製した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000009
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000010
 なお、表1-1及び1-2中のオキソ酸リチウム塩(A)、正極保護膜形成剤(C)、負極保護膜形成剤(D)及びルイス塩基(G)の略号は下記の通りである。
(A-1):4-ビニル安息香酸リチウム
(A-2):リン酸リチウム{ビス(4-ビニルフェニル)}
(A-3):4-(1-プロペニル)安息香酸リチウム
(A-4):4-ビニルベンゼンスルホン酸リチウム
(A-5):3-(3-メチル-2-ブテノキシ)プロピオン酸リチウム
(A-6):3-(1-プロペノキシ)プロピオン酸リチウム
(A-7):4-(1-プロペノキシ)シクロヘキサンカルボン酸リチウム
(A-8):2-(1-プロペノキシ)エタンスルホン酸リチウム
(A-9):4-(1-プロペノキシ)シクロヘキサンスルホン酸リチウム
(A-10):リン酸ジリチウム{2-(1-プロペノキシ)エチル}
(A-11):リン酸ジリチウム{4-(1-プロペノキシ)シクロヘキシル}
(A-12):リン酸リチウム[ビス{4-(1-プロペノキシ)シクロヘキシル}]
(C-1):ビス[{4-(プロペニルオキシメチル)シクロヘキシル}メチル]カーボネート
(D-1):ビニレンカーボネート
(G-1):3-アミノ-1,2,4-トリアゾール
(G-2):N,N-ビス-(3-メトキシカルボニル-2-プロペニル)-4,10-ジアザ-15-クラウン-5-エーテル
 なお、表1-1に記載の4-ビニルベンゼンスルホン酸リチウム(A-4)は市販品[東ソー有機化学(株)製 スピノマー(登録商標)LiSS]を使用し、表1-1及び1-2に記載の3-アミノ-1,2,4-トリアゾール(G-1)は、市販品[東京化成工業(株)製]を使用した。
 なお、実施例26~28ではルイス塩基(G-2)は以下の方法により製造して使用した。
 攪拌機、温度計及び冷却管を取り付けたフラスコに、4,10-ジアザ-15-クラウン-5-エーテル[東京化成工業(株)製]0.61部(2.8mmol部)、4-ブロモ-2-ブテン酸メチルエステル[東京化成工業(株)製]1部(5.6mmol)及びアセトニトリル10部を仕込み、攪拌しながら均一に溶解させた後、攪拌下室温で24時間反応させた。アセトニトリルを減圧(1.3kPa)下に除去後、アセトンを溶剤としたアルミナカラム[150mesh、Brockman1,standard grade、シグマアルドリッチ社製]によって反応物を精製し、N,N-ビス-(3-メトキシカルボニル-2-プロペニル)-4,10-ジアザ-15-クラウン-5-エーテル0.85部(2.0mmol)を得た(収率71%)。
[リチウムイオン配位エネルギー(En)の計算]
 各化合物(A-1)~(A-12)のリチウムイオン配位エネルギー(En)の密度汎関数計算はGaussian03(Gaussians社製)を用いて以下の式に基づいて算出した。基底関数はB3LYP/6-31G(d)を用いた。
En=E-(E+E
:リチウム塩状態の化合物(K)のエネルギー
:解離した状態の化合物(K)のエネルギー
:リチウムイオンのエネルギー
 各化合物(A-1)~(A-12)についてのリチウムイオン配位エネルギー(En)は表2に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000011
<実施例29~52>
 電極保護膜形成剤(B)を含有するリチウム二次電池用電極を下記のように作製した。
[リチウム二次電池用正極の作製] 
 表3-1及び3-2に示した処方に基づいて電極保護膜形成剤(B)を添加した正極を以下の方法で作製した。
 LiCoO粉末90.0部、ケチェンブラック[シグマアルドリッチ社製]5部、ポリフッ化ビニリデン[シグマアルドリッチ社製]5部及び表3-1及び3-2に示した部数の(B)を乳鉢で充分に混合した後、1-メチル-2-ピロリドン[東京化成工業(株)製]70.0部を添加し、更に乳鉢で充分に混合してスラリーを得た。得られたスラリーを、大気中でワイヤーバーを用いて厚さ20μmのアルミニウム電解箔上の片面に塗布し、100℃で15分間乾燥させた後、更に減圧下(1.3kPa)、80℃で5分間乾燥して、15.95mmφに打ち抜き、実施例29~52のリチウム二次電池用正極を作製した。
[リチウム二次電池用負極の作製]
 表3-1及び3-2に示した処方に基づいて電極保護膜形成剤(B)を添加した負極を以下の方法で作製した。
 平均粒子径約8~12μmの黒鉛粉末92.5部、ポリフッ化ビニリデン7.5部、1-メチル-2-ピロリドン[東京化成工業(株)製]200部及び表3-1及び3-2に示した部数の(B)を乳鉢で充分に混合しスラリーを得た。得られたスラリーを、厚さ20μmの銅箔の片面に塗布し、100℃で15分間乾燥して溶媒を蒸発させた後、16.15mmφに打ち抜き、プレス機で厚さ30μmにして実施例29~52のリチウム二次電池用負極を作製した。
<比較例1>
 電極保護膜形成剤(B)を添加しないこと以外は実施例29と同様の方法で比較例1のリチウム二次電池用負極、及び正極を作製した。
<比較例2> 
 電極保護膜形成剤(B)の代わりにポリアクリル酸リチウム(A’-3)1.0部を添加すること以外は実施例29と同様の方法で比較例2のリチウム二次電池用負極及び正極を作製した。
<比較例3>
 電極保護膜形成剤(B)の代わりに4-ビニルベンゼンスルホン酸ナトリウム[東ソー有機化学(株)製、スピノマー(登録商標)NaSS](A’-4)0.5部を添加すること以外は実施例29と同様の方法で比較例3のリチウム二次電池用負極及び正極を作製した。
<比較例4>
 電極保護膜形成剤(B)の代わりに比較化合物として1,4-ビス(ビニロキシメチル)シクロヘキサン(A’-1)0.5部を添加すること以外は実施例33と同様の方法で比較例4のリチウム二次電池用負極及び正極を作製した。
<比較例5>
 電極保護膜形成剤(B)の代わりに比較化合物として1,4-ブタンジオールジビニルエーテル(A’-2)0.5部を添加すること以外は実施例33と同様の方法で比較例5のリチウム二次電池用負極及び正極を作製した。
 なお、表3-2に記載の1,4-ビス(ビニロキシメチル)シクロヘキサン(A’-1)、1,4-ブタンジオールジビニルエーテル(A’-2)は、市販品[日本カーバイド工業(株)製]を使用した。
<実施例53~76>
 電極保護膜形成剤(B)を含有するリチウムイオンキャパシタ用電極を下記のように作製した。
[リチウムイオンキャパシタ用正極の作製]
 表4-1及び4-2に示した処方に基づいて電極保護膜形成剤(B)を添加した正極を以下の方法で作製した。
 活性炭粉末90.0部、ケチェンブラック[シグマアルドリッチ社製]5.0部、ポリフッ化ビニリデン[シグマアルドリッチ社製]5.0部、及び表4-1及び4-2に示した部数の(B)を乳鉢で充分に混合した後、1-メチル-2-ピロリドン[東京化成工業(株)製]70.0部、を添加し、更に乳鉢で充分に混合してスラリーを得た。得られたスラリーを、大気中でワイヤーバーを用いて厚さ20μmのアルミニウム電解箔上の片面に塗布し、100℃で15分間乾燥させた後、更に減圧下(1.3kPa)、80℃で5分間乾燥して、15.95mmφに打ち抜き、実施例53~76のリチウムイオンキャパシタ用正極を作製した。
[リチウムイオンキャパシタ用負極の作製]
 表4-1及び4-2に示した処方に基づいて電極保護膜形成剤(B)を添加した負極を以下の方法で作製した。
 平均粒子径約8~12μmの黒鉛粉末92.5部、ポリフッ化ビニリデン7.5部、1-メチル-2-ピロリドン[東京化成工業(株)製]200部及び表4-1及び4-2に示した部数の(B)を乳鉢で充分に混合しスラリーを得た。得られたスラリーを、厚さ20μmの銅箔の片面に塗布し、100℃で15分間乾燥して溶媒を蒸発させた後、16.15mmφに打ち抜き、プレス機で厚さ30μmにした。得られた電極と、リチウム金属箔を、セパレータ(ポリプロピレン製不織布)で挟んでビーカーセルにセットし、負極理論容量の約75%のリチウムイオンを約10時間かけて負極に吸蔵させ、実施例53~76のリチウムイオンキャパシタ用負極を作製した。
<比較例6> 
 電極保護膜形成剤(B)を添加しないこと以外は実施例53と同様の方法で比較例6のリチウムイオンキャパシタ用負極及び正極を作製した。
<比較例7>
 電極保護膜形成剤(B)の代わりにポリアクリル酸リチウム(A’-3)1.0部を添加すること以外は実施例53と同様の方法で比較例7のリチウムイオンキャパシタ用負極及び正極を作製した。
<比較例8> 
 電極保護膜形成剤(B)の代わりに4-ビニルベンゼンスルホン酸ナトリウム(A’-4)0.5部を添加すること以外は実施例53と同様の方法で比較例8のリチウムイオンキャパシタ用負極及び正極を作製した。
<比較例9> 
 電極保護膜形成剤(B)の代わりに比較化合物として1,4-ビス(ビニロキシメチル)シクロヘキサン(A’-1)0.5部を添加すること以外は実施例57と同様の方法で比較例9のリチウムイオンキャパシタ用負極及び正極を作製した。
<比較例10> 
 電極保護膜形成剤(B)の代わりに比較化合物として1,4-ブタンジオールジビニルエーテル(A’-2)0.5部を添加すること以外は実施例57と同様の方法で比較例10のリチウムイオンキャパシタ用負極及び正極を作製した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000012
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000013
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000014
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000015
<電極の評価>
(1)リチウム二次電池の作製
 2032型コインセル内の両端に、実施例29~52、比較例1~5の正極、及び、負極を、それぞれの塗布面が向き合うように配置して、電極間にセパレータ(ポリプロピレン製不織布)を挿入し、二次電池用セルを作製した。エチレンカーボネート(EC)とジメチルカーボネート(DMC)の混合溶媒(体積比率1:1)に、LiPFを1.0mol/Lの割合で溶解させた電解液を作製したセルに注液密封し、以下の方法で出力特性を評価した結果を表3-1及び3-2に示す。
(2)リチウムイオンキャパシタの作製
 ポリプロピレンのアルミラミネートフィルムからなる収納ケースに、実施例53~76、比較例6~10の正極、及び、負極を、それぞれの塗布面が向き合うように配置して、電極間にセパレータ(ポリプロピレン製不織布)を挿入し、キャパシタ用セルを作製した。エチレンカーボネート(EC)とジメチルカーボネート(DMC)の混合溶媒(体積比率1:1)に、LiPFを1.0mol/Lの割合で溶解させた電解液を作製したセルに注液密封し、以下の方法で出力特性を評価した結果を表4-1及び4-2に示す。
<二次電池出力特性の評価>
 充放電測定装置「バッテリーアナライザー1470型」[東陽テクニカ(株)製]を用いて、0.1Cの電流で電圧4.3Vまで充電し、10分間の休止後、0.1Cの電流で電圧を3.0Vまで放電し、放電容量(以下0.1C放電容量と記載)を測定した。次に0.1Cの電流で電圧4.3Vまで充電し、10分間の休止後、1Cの電流で電圧を3.0Vまで放電し容量(以下1C放電容量と記載)を測定し、下記式から1C放電時の容量維持率を算出する。数値が大きい程、出力特性が良好であることを示す。
1C放電時の容量維持率(%)=(1C放電容量/0.1C放電容量)×100
<キャパシタ出力特性の評価>
 充放電測定装置「バッテリーアナライザー1470型」[東陽テクニカ(株)製]を用いて、1Cの電流で電圧3.8Vまで充電し、10分間の休止後、1Cの電流で電圧を1.0Vまで放電し、放電容量(以下1C放電容量と記載)を測定した。次に1Cの電流で電圧3.8Vまで充電し、10分間の休止後、10Cの電流で電圧を2.0Vまで放電し容量(以下10C放電容量と記載)を測定し、下記式から10C放電時の容量維持率を算出する。数値が大きい程、出力特性が良好であることを示す。
10C放電時の容量維持率(%)=(10C放電容量/1C放電容量)×100
<実施例77~102>
[電解液の作製]
 表5-1及び5-2に示した重量割合で電極保護膜形成剤(B)、及び非水溶媒(J)を配合し、そこに1.0mol/Lの濃度になるように電解質(I)としてのLiPFを溶解させ実施例77~102の電解液を調製した。
<比較例11>
 電極保護膜形成剤(B)を添加しないこと以外は実施例77と同様の方法で比較例11の電解液を調製した。
<比較例12>
 表5-1に示した重量割合で比較化合物としてのポリアクリル酸リチウム(A’-3)及び非水溶媒(J)を配合し、そこに1.0mol/Lの濃度になるように電解質としてのLiPFを溶解させ比較例12の電解液を調製した。
<比較例13>
 表5-1に示した重量割合で比較化合物としての4-ビニルベンゼンスルホン酸ナトリウム(A’-4)及び非水溶媒(J)を配合し、そこに1.0mol/Lの濃度になるように電解質としてのLiPFを溶解させ比較例13の電解液を調製した。
<比較例14>
 表5-2に示した重量割合で比較化合物として1,4-ビス(ビニロキシメチル)シクロヘキサン(A’-1)及び非水溶媒(J)を配合し、そこに1.0mol/Lの濃度になるように電解質としてのLiPFを溶解させ比較例14の電解液を調製した。
<比較例15>
 表5-2に示した重量割合で比較化合物として1,4-ブタンジオールジビニルエーテル(A’-2)及び非水溶媒(J)を配合し、そこに1.0mol/Lの濃度になるように電解質としてのLiPFを溶解させ比較例15の電解液を調製した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000016
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000017
[リチウム二次電池、リチウムイオンキャパシタの作製]
(1)リチウム二次電池の作製
 (1-1)正極の作製
 LiCoO粉末9.0部、ケチェンブラック[シグマアルドリッチ社製]0.5部及びポリフッ化ビニリデン[シグマアルドリッチ社製]0.5部を乳鉢で充分に混合した後、1-メチル-2-ピロリドン[東京化成工業(株)製]7.0部を添加し、更に乳鉢で充分に混合してスラリーを得た。得られたスラリーを、大気中でワイヤーバーを用いて厚さ20μmのアルミニウム電解箔上の片面に塗布し、100℃で15分間乾燥させた後、更に減圧下(1.3kPa)、80℃で5分間乾燥して、15.95mmφに打ち抜き、膜厚30μmのリチウム二次電池用の正極を作製した。
 (1-2)負極の作製
 平均粒子径約8~12μmの黒鉛粉末92.5部、ポリフッ化ビニリデン7.5部及び1-メチル-2-ピロリドン[東京化成工業(株)製]200部を乳鉢で充分に混合しスラリーを得た。得られたスラリーを、厚さ20μmの銅箔の片面に塗布し、100℃で15分間乾燥して溶媒を蒸発させた後、16.15mmφに打ち抜き、プレス機で厚さ30μmにしてリチウム二次電池用の負極を作製した。
 (1-3)二次電池用セルの作製
 2032型コインセル内の両端に、上記正極及び負極を、それぞれの塗布面が向き合うように配置して、電極間にセパレータ(ポリプロピレン製不織布)を挿入し、二次電池用セルを作製した。
 (2)リチウムイオンキャパシタの作製
 (2-1)正極の作製
 正極活物質として、アルカリ賦活法によって得られた比表面積が約2200m/gである活性炭を用いた。活性炭粉末、アセチレンブラック及びポリフッ化ビニリデンを、それぞれ重量比80:10:10の割合となるように混合し、この混合物を、溶媒である1-メチル-2-ピロリドン中に添加し、撹拌混合してスラリーを得た。このスラリーを、厚さ30μmのアルミニウム箔の上にドクターブレード法で塗布し、仮乾燥した後、電極サイズが20mm×30mmとなるように切り取った。電極の厚みは約50μmであった。セルの組み立て前には、真空中で120℃、10時間乾燥しリチウムイオンキャパシタ用の正極を作製した。
 (2-2)負極の作製
 平均粒子径約8~12μmの黒鉛粉末80部、アセチレンブラック10部、及びポリフッ化ビニリデン10部を混合し、この混合物を溶媒である1-メチル-2-ピロリドンに添加して撹拌混合し、スラリーを得た。このスラリーを、厚さ18μmの銅箔の上にドクターブレード法で塗布し、仮乾燥した後、電極サイズが20mm×30mmとなるように切り取った。電極の厚みは、約50μmであった。セルの組み立て前に、真空中で120℃、5時間乾燥しリチウムイオンキャパシタ用の負極を作製した。
 (2-3)負極へのリチウムのドーピング
 上記のようにして得られた負極に、以下のようにしてリチウムをドーピングさせた。負極と、リチウム金属箔を、セパレータ(ポリプロピレン製不織布)で挟んでビーカーセルにセットし、所定量のリチウムイオンを約10時間かけて負極に吸蔵させた。リチウムのドープ量は、負極理論容量の約75%とした。
 (2-4)キャパシタセルの組み立て
 上記のようにして得られた正極と負極の間に、セパレータ(ポリプロピレン製不織布)を挿入し、これに電解液を含浸させ、ポリプロピレンのアルミラミネートフィルムからなる収納ケースに入れて密封しリチウムイオンキャパシタセルを作製した。
[電解液の評価]
 実施例77~102及び比較例11~15で調製した電解液を、それぞれ上記二次電池用セルに注液後密封し、前記の方法で出力特性を評価した結果と、リチウムイオンキャパシタセルに注液後密封し、前記の方法で出力特性を評価した結果を表5-1及び5-2に示す。
 本発明の電極保護膜形成剤を用いて作製したリチウム二次電池は、出力特性に優れている。出力特性が向上する原因としては、表面でリチウムイオン配位性の高分子皮膜が形成され、脱溶媒和エネルギーが低減されるためと考える。
 本発明の電極保護膜形成剤(B)を使用した電極及び電解液は出力特性が優れているため、特にリチウム二次電池用又はリチウムイオンキャパシタ用の電極及び電解液として有用であり、電気自動車用として好適である。

Claims (15)

  1.  基-Mが密度汎関数計算(B3LYP/6-31G(d))により求められるリチウムイオン配位エネルギーが100~1500kJ/molである基であって、基-MLi(m)と重合性基(a)を有する化合物(K)を含有する電極保護膜形成剤(B)。
  2.  化合物(K)が、重合性基(a)を有するオキソ酸リチウム塩(A)である請求項1に記載の電極保護膜形成剤(B)。  
  3.  化合物(K)が一般式(1)で表されるオキソ酸リチウム塩(A)である請求項2に記載の電極保護膜形成剤(B)。
    -[TO(OLi)(OH)    (1)
    [Tは炭素原子、イオウ原子、またはリン原子、rは1または2、pは1または2、sは1または2、tは0または1、s+tは1または2、qは1~4の整数、Rは重合性基(a)を有する炭素数2~40の1~q価の有機基である。]
  4.  重合性基(a)が、下記の一般式(2)で表される基である請求項1~3のいずれか1項に記載の電極保護膜形成剤(B)。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-C000001
    [Yは二重結合を構成する炭素原子に直結した酸素原子、酸素原子を有していてもよい炭素数1~4の2価の炭化水素基、又は、存在しない基であり、Y~Yは水素原子または、酸素原子および/またはイオウ原子を有していてもよい炭素数1~4の1価の炭化水素基であり互いに結合して環を形成していてもよい。]
  5.  化合物(K)が、下記一般式(3)~(5)で表されるオキソ酸リチウム塩からなる群より選ばれる少なくとも1種である請求項1~4のいずれか1項に記載の電極保護膜形成剤(B)。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-C000002
    [式中、R~Rはそれぞれ独立に水素原子、メチル基、又は、炭素数2~6のアルケニル基であり少なくとも1つは炭素数2~6のアルケニル基;Xは-CO 又は-SO である。]
    -O-R-XLi         (4)
    [式中、Rは炭素数2~6のアルケニル基であり、Rは、直鎖若しくは分岐の炭素数1~10の脂肪族炭化水素基又は炭素数5~12の環状構造を有する脂肪族炭化水素基;Xは-CO 又は-SO である。]
    Figure JPOXMLDOC01-appb-C000003
    [式中、Zは一般式(3)又は一般式(4)で表されるリチウム塩から-XLiを除いた基、nとmは、それぞれ独立に1又は2であって、かつn+m=3を満足する整数である。mが2であるときZは同じでも異なっていてもよい。]
  6.  更に一般式(6)で示される正極保護膜形成剤(C)を含有する請求項1~5のいずれか1項に記載の電極保護膜形成剤(B)。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-C000004
    [式中、Rは直鎖若しくは分岐の炭素数1~6の脂肪族炭化水素基又は炭素数5~12の環状構造を有する脂肪族炭化水素基であり、複数個あるRはそれぞれ同一でも異なっていてもよく、T、T及びTはそれぞれ独立に水素原子又は炭素数1~3のアルキル基であり、nは1~10の整数である。]
  7.  更に、ルイス塩基(G)を含有する請求項1~6のいずれか1項に記載の電極保護膜形成剤(B)。
  8.  請求項1~7のいずれか1項に記載の電極保護膜形成剤(B)及び活物質(E)を含有する正極からなる電極。
  9.  請求項1~7のいずれか1項に記載の電極保護膜形成剤(B)及び活物質(E)を含有する負極からなる電極。
  10.  請求項1~7のいずれか1項に記載の電極保護膜形成剤(B)、電解質(I)及び非水溶媒(J)を含有する電解液。
  11.  電極および/または電解液に請求項1~7のいずれか1項に記載の電極保護膜形成剤(B)を含有するリチウム二次電池。
  12.  電極および/または電解液に請求項1~7のいずれか1項に記載の電極保護膜形成剤(B)を含有するリチウムイオンキャパシタ。
  13.  請求項1~7のいずれか1項に記載の電極保護膜形成剤(B)により形成された膜で被覆された電極活物質を有するリチウム二次電池。
  14.  請求項1~7のいずれか1項に記載の電極保護膜形成剤(B)により形成された膜で被覆された電極活物質を有するリチウムイオンキャパシタ。
  15.  請求項1~7のいずれか1項に記載の電極保護膜形成剤(B)を正極、負極及び電解液からなる群から選ばれる少なくとも1種に含有させて、電圧を印加することにより電極活物質表面に保護膜を形成することを特徴とする電極保護膜の形成方法。
     
     
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