WO2016208607A1 - 導電性材料とその製造方法及び精製方法、並びにこの導電性材料を用いた非水電解液並びに帯電防止剤 - Google Patents
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Abstract
Description
特許文献1には、有機溶媒中でジスルホニルアミンオニウム塩をカチオン交換反応させた後、得られたアルカリ金属塩の有機溶媒溶液を保留粒子径0.1~10μmのフィルターでろ過し、濃縮、晶析させて高純度のジスルホニルアミンアルカリ金属塩を得る方法が開示されている。
LiPFl(CmF2m+1)6-l(0≦l≦6、1≦m≦2) (2)
LiBFn(CoF2o+1)4-n(0≦n≦4、1≦o≦2) (3)
本発明の導電性材料とは、下記一般式(1)で表されるフルオロスルホニルイミド塩(フルオロスルホニルイミド塩(1)と称する場合がある。)と、カーボネート系、エステル系、ケトン系、アルコール系よりなる群から選択される少なくとも1種の有機溶媒を含み、上記フルオロスルホニルイミド塩の濃度が0.1mol/L以上であり、濁度が50NTU/mol-LiFSI以下であるところに特徴を有する。
本発明の導電性材料は、下記一般式(1)で表されるフルオロスルホニルイミド塩を含む。
一般式(1)中、Xはフッ素原子(F)、又は炭素数1~6のフルオロアルキル基を表す。したがって、本発明において「フルオロスルホニルイミド」との文言には、フルオロスルホニル基を2つ有するビス(フルオロスルホニル)イミドの他、フルオロスルホニル基とフルオロアルキルスルホニル基とを有するN-(フルオロスルホニル)-N-(フルオロアルキルスルホニル)イミドが含まれる。
無機カチオンとしてはアルカリ金属カチオン及びアルカリ土類金属カチオンが好ましく、有機カチオンとしてはオニウムカチオンが好ましい。
本発明の導電性材料は、カーボネート系、エステル系、ケトン系、アルコール系よりなる群から選択される少なくとも1種の有機溶媒を含む。
カーボネート系の有機溶媒としては、炭酸ジメチル(ジメチルカーボネート)、炭酸エチルメチル(エチルメチルカーボネート)、炭酸ジエチル(ジエチルカーボネート)、炭酸ジフェニル、炭酸メチルフェニル等の鎖状炭酸エステル類;炭酸エチレン(エチレンカーボネート)、炭酸プロピレン(プロピレンカーボネート)、2,3-ジメチル炭酸エチレン、炭酸ブチレン、炭酸ビニレン、2-ビニル炭酸エチレン等の環状炭酸エステル類;が挙げられる。
ケトン系の有機溶媒としては、アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、ジイソブチルケトン、シクロヘキサノン等が挙げられる。
アルコール系の有機溶媒としては、エチレングリコール、プロピレングリコール、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、メタノール、エタノール、プロパン-1-オール、プロパン-2-オール、ブタン-2-オール等が挙げられる。
本発明の導電性材料は、上記フルオロスルホニルイミド塩(1)、有機溶媒、及び任意で用いられる電解質塩以外に、各種特性(例えば、イオン伝導度、熱安定性、光安定性、粘度特性、作業性等の特性)の向上を目的とする添加剤を含んでいてもよい。このような添加剤としては、例えば酸化防止剤、老化防止剤、光安定剤、滑剤、補強剤、充填剤等が挙げられる。
本発明の導電性材料は濁度が50NTU/mol-LiFSI以下である。濁度とは導電性材料の濁りの程度を指標する値であって、その値が小さいほど濁りが少なく導電性材料が清澄であることを意味する。本発明ではISO7027に準拠して、散乱光測定法(ネフェロメトリー測定法)により濁度を測定する。より詳細には、濁度計(例えば濁度試験機(HACK社製2100P)を用い、ISO7027に従って、ホルマジン標準液により校正を行った後、試料溶液の濁度を測定して濃度1mol/Lの値に換算した値を、その試料溶液の濁度とする。なお、導電性材料がLiFSI以外のフルオロスルホニルイミド塩(1)や、電解質塩(2)、(3)又は六フッ化砒酸リチウム等の化合物を含む場合も、上記と同じようにして、LiFSI濃度1mol/Lあたりの濁度を求めればよい。濁度の測定は、試料溶液の調製後2時間以内に実施するのが好ましい。
次に本発明の導電性材料の製造方法及び精製方法について説明する。本発明の製造方法及び精製方法とは、フルオロスルホニルイミド塩(1)を含む溶液(すなわち上記導電性材料。以下、フルオロスルホニルイミド塩(1)溶液と称する場合がある。)を、セルロース系樹脂、ポリエステル系樹脂、ガラス系材料、シリカ系材料、及び活性炭よりなる群から選択される少なくとも1種の材料を含む濾材(フィルター)を使用して濾過するところに特徴を有する。
なお、本発明の製造方法、精製方法は何れか1種を単独で実施してもよく、また本発明の製造方法により導電性材料を得た後、得られた導電性材料を本発明の精製方法で精製してもよい。
非水電解液では水分は不純物となるため、通常は、水を吸着する可能性のある上記濾材ではなく、ステンレス鋼のメッシュ等が使われることが多かった。しかし、本発明では、濾過後の導電性材料の濁度が著しく改善されることから、セルロース系樹脂、ポリエステル系樹脂、二酸化ケイ素系材料及び活性炭よりなる群から選択される少なくとも1種の極性を有する材料を含む濾材(フィルター)を用いる。これらを用いることで導電性材料の濁度が改善されるのは、極性を有する濾材が濁りの原因となる懸濁物質を吸着してためであると推察される。
セルロース系樹脂としては、セルロースアセテート、脱脂綿、セルロースを原料とする紙及び布等挙げられる。ポリエステル系樹脂としては、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート等が挙げられる。二酸化ケイ素系材料としては、ガラス系材料(ケイ酸塩材料等)、シリカ、珪藻土、素焼板等が挙げられる。活性炭としては、ガス賦活炭、塩化亜鉛賦活炭等が挙げられる。
なお、保留粒子径とはJIS P 3801で規定された硫酸バリウムを自然濾過した後、原液と濾液の硫酸バリウムの粒子数により効率を算出し、約99%以上分離している粒子径を保留粒子径と称する。保留粒子径は、製造業者の公称値を参考にしてもよく、上記方法に従って測定してもよい。
上記導電性材料は、電気二重層キャパシタ、リチウムイオンキャパシタ、リチウムイオン二次電池などの蓄電デバイスに備えられる非水電解液として使用することができる。本発明の導電性材料は濁度が50NTU/mol-LiFSI以下なので、この導電性材料を含む非水電解液はセパレーターの目詰まりや、長期使用時に非水電解液中の懸濁成分が偏在することによる性能の低下といった不良を生じ難いものとなる。
本発明の非水電解液に使用できる有機溶媒としては、上述したカーボネート系、エステル系、ケトン系、及びアルコール系の有機溶媒の他、エーテル系、硫黄化合物系、その他有機溶媒が挙げられる。また、本発明の非水電解液は、各種蓄電デバイスにおいて溶媒に代えて用いられるポリマー及びポリマーゲル等の媒体等を含んでいてもよい。
本発明の非水電解液は、蓄電デバイスの各種特性の向上を目的とする添加剤を含んでいてもよい。
添加剤としては、ビニレンカーボネート(VC)、ビニルエチレンカーボネート(VEC)、メチルビニレンカーボネート(MVC)、エチルビニレンカーボネート(EVC)等の不飽和結合を有する環状カーボネート;フルオロエチレンカーボネート、トリフルオロプロピレンカーボネート、フェニルエチレンカーボネート及びエリスリタンカーボネート等のカーボネート化合物;無水コハク酸、無水グルタル酸、無水マレイン酸、無水シトラコン酸、無水グルタコン酸、無水イタコン酸、無水ジグリコール酸、シクロヘキサンジカルボン酸無水物、シクロペンタンテトラカルボン酸二無水物、フェニルコハク酸無水物等のカルボン酸無水物;エチレンサルファイト、1,3-プロパンスルトン、1,4-ブタンスルトン、メタンスルホン酸メチル、ブサルファン、スルホラン、スルホレン、ジメチルスルホン、テトラメチルチウラムモノスルフィド、トリメチレングリコール硫酸エステル等の含硫黄化合物;1-メチル-2-ピロリジノン、1-メチル-2-ピペリドン、3-メチル-2-オキサゾリジノン、1,3-ジメチル-2-イミダゾリジノン、N-メチルスクシンイミド等の含窒素化合物;モノフルオロリン酸塩、ジフルオロリン酸塩等のリン酸塩;ヘプタン、オクタン、シクロヘプタン等の飽和炭化水素化合物;等が挙げられる。
本発明の導電性材料は、高分子材料に帯電防止性能を付与する帯電防止剤としても機能する。本発明の導電性材料は濁度が50NTU/mol-LiFSI以下であるので、例えば導電性材料を高分子材料等と混練、成形して成形品とする場合には、意図した色調を成形品に忠実に再現でき、また、本発明の帯電防止剤を含む塗布液により成形品に帯電防止層を形成する場合にも、被塗布面の意匠に変化を与え難く、成形品に外観不良を起こし難い。
本発明の帯電防止剤に使用できる添加剤としては染料、顔料、充填剤、シランカップリング剤、接着性改良剤、安定剤、レベリング剤、消泡剤、沈降防止剤、潤滑剤、及び防錆剤等が挙げられる。
添加剤は、本発明の帯電防止剤中の濃度が0.01質量%~50質量%となる範囲で用いるのが好ましい。より好ましくは0.1質量%~20質量%であり、さらに好ましくは0.5質量%~10質量%である(導電性材料と、任意で用いられる添加剤の合計を100質量%とする。)。添加剤の使用量が少なすぎるときには、添加剤に由来する効果が得られ難い場合があり、一方、多量に他の添加剤を使用しても、添加量に見合う効果は得られ難くなる。
上記帯電防止剤を高分子材料や溶媒等と混合すれば、帯電防止剤含有組成物が得られる。
高分子材料としては、例えば熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂及びゴム等が挙げられる。熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン等のポリオレフィン系樹脂及びその組成物;ポリアセタール、ポリアクリレート、アクリル樹脂及びその組成物;ポリフェニレンエーテル(PPE)、PPE/ポリスチレン、PPE/ポリアミド(PA)、PPE/ポリブチレンテレフタレート(PBT)等のポリフェニレンエーテル系樹脂及びその組成物;ポリエーテルケトン、ポリエチレンテレフタレート(PET)、PBT/ABS等のポリエステル系樹脂及びその組成物;ポリカーボネート(PC)、PC/ABS、PC/PET、PC/PBT等のポリカーボネート系樹脂及びその組成物;ポリウレタン及びその組成物;ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン;ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリアミドイミド;ポリフェニレンサルファイド系樹脂及びその組成物;ポリサルホン等が挙げられ、これらの1種又は2種以上を使用することが好ましい。これらの中でも、導電性に優れる点から、アクリル樹脂、ポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、エポキシ樹脂がより好ましく、上記高分子材料として、これらの樹脂の少なくとも1種を用いることが好適である。
上記ゴムとしては、例えば、ウレタンゴム、アクリルゴム、アクリロニトリル-ブタジエンゴム、エピクロルヒドリンゴム、エピクロルヒドリン-エチレンオキサイド共重合ゴム、シリコンゴム、フルオロオレフィンビニルエーテル共重合体ウレタンゴム、スチレンブタジエン共重合体ゴム及びそれらの発泡体等が挙げられ、これらの1種又は2種以上を使用することが好ましい。
本発明ではISO7027に準拠して、散乱光測定法(ネフェロメトリー測定法)により濁度を測定した。より詳細には、濁度試験機(HACK社製2100P)を用い、ISO7027に従って、ホルマジン標準液により校正を行った。次いで下記実施例及び比較例で得られたリチウムビス(フルオロスルホニル)イミド溶液(フルオロスルホニルイミド塩(1)濃度1mol/L、濾過前)と導電性材料(フルオロスルホニルイミド塩(1)濃度1mol/L、濾過後)について、温度25℃で散乱光測定法(ネフェロメトリー測定法)の測定を行い、得られた値と予め作成しておいた検量線より濁度を求めた。
ジエチルカーボネート(DEC)(キシダ化学株式会社製、LBGグレード)に、濃度が1mol/Lとなるようにリチウムビス(フルオロスルホニル)イミド(株式会社日本触媒製。以下「LiFSI」と称する。)を溶解させてリチウムビス(フルオロスルホニル)イミド溶液を調製した。このリチウムビス(フルオロスルホニル)イミド溶液について濁度を測定したところ80NTU/mol-LiFSIであった。
濾材としてガラス繊維濾紙(桐山製作所製「SS-47」、保留粒子径0.5μm)を使用したこと以外は実施例1と同様にして導電性材料No.2を調製し、その濁度を測定した。結果を表1に示す。
真空ポンプを用いなかったこと以外は実施例1と同様にして導電性材料No.3を調製し、その濁度を測定した(自然濾過)。このときの濾過時間は60秒間であった。結果を表1に示す。
濾材としてポリエステル繊維からなる濾紙(中尾フィルター工業株式会社製「TRG940B2K」)を使用したこと以外は実施例1と同様にして導電性材料No.4を調製し、その濁度を測定した。このときの濾過時間は30秒間であった。結果を表1に示す。
濾材としてセルロース繊維からなる濾過板(ADVANTEC社製「1034-2」)を使用したこと以外は実施例1と同様にして導電性材料No.5を調製し、その濁度を測定した。このときの濾過時間は8秒間であった。結果を表1に示す。
濾材としてセルロース繊維と珪藻土からなる濾紙(ADVANTEC社製「NA-17」、保留粒子径0.3μm)を使用したこと以外は実施例1と同様にして導電性材料No.6を調製し、その濁度を測定した。このときの濾過時間は25秒間であった。結果を表1に示す。
市販のステンレス鋼製メッシュ(800メッシュ、目開き16μm、保留粒子径(換算値)16μm)を使用したこと以外は実施例1と同様にして導電性材料No.7を調製し、その濁度を測定した。このときの濾過時間は5秒間であった。結果を表1に示す。
濾材として親水性PTFE濾紙「H010A047」(ADVANTEC社製、親水処理化品、ポアサイズ0.1μm、保留粒子径(換算値)0.1μm)を使用したこと以外は実施例1と同様にして導電性材料No.8を調製し、その濁度を測定した。このときの濾過時間は8秒間であった。結果を表1に示す。
濾材として疎水性PTFE濾紙「T010A047」(ADVANTEC社製、ポアサイズ0.1μm、保留粒子径(換算値)0.1μm)を使用したこと以外は実施例1と同様にしてリチウムビス(フルオロスルホニル)イミド溶液の吸引濾過を行おうとしたところ、濾材がリチウムビス(フルオロスルホニル)イミド溶液をはじいてしまい濾過をすることができなかった。
ジエチルカーボネート(DEC)に、濃度が3.3mol/LとなるようにLiFSIを溶解させてLiFSI溶液を調製した。このLiFSI溶液について濁度を測定したところ、65NTU/mol-LiFSIであった。
用いた濾紙を、桐山製作所製、桐山ロート(登録商標)用濾紙No.3(保留粒子径5μm)に変えた以外は、実施例7と同様にして導電性材料No.11を調製し、濁度を測定した。結果を表2に示す。
LiFSIのDEC溶液の濃度を2.2mol/Lに変えた以外は、実施例8と同様にして導電性材料No.12を調製し、濁度を測定した。結果を表2に示す。
溶媒をジエチルカーボネート(DEC)からエチレンカーボネート(EC)に変えた以外は、実施例7と同様にして導電性材料No.13を調製し、濁度を測定した。結果を表2に示す。
溶媒をジエチルカーボネート(DEC)からエチレンカーボネート(EC)に変えた以外は、実施例9と同様にして導電性材料No.14を調製し、濁度を測定した。結果を表2に示す。
Claims (7)
- 上記有機溶媒が、カーボネート系溶媒を含む請求項1に記載の導電性材料。
- 上記導電性材料が、下記一般式(2)で表される化合物、下記一般式(3)で表される化合物、及び六フッ化砒酸リチウムよりなる群から選択される少なくとも1種の化合物を含む請求項1又は2に記載の導電性材料。
LiPFl(CmF2m+1)6-l(0≦l≦6、1≦m≦2) (2)
LiBFn(CoF2o+1)4-n(0≦n≦4、1≦o≦2) (3) - 請求項1~3のいずれかに記載の導電性材料を含むことを特徴とする非水電解液。
- 請求項1~3のいずれかに記載の導電性材料を含むことを特徴とする帯電防止剤。
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