JP7647766B2 - Electrolytes and electrochemical devices - Google Patents
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Description
本開示は、電解液及び電気化学デバイスに関する。 The present disclosure relates to electrolytes and electrochemical devices.
近年、携帯型電子機器、電気自動車等の普及により、リチウムイオン二次電池に代表される非水電解液二次電池、キャパシタ等の高性能な電気化学デバイスが必要とされている。電気化学デバイスの性能を向上させる手段としては、例えば、電解液に所定の添加剤を添加する方法が検討されている。特許文献1には、サイクル特性及び内部抵抗特性を改善するために、特定のシロキサン化合物を含有させた非水電解液電池用電解液が開示されている。In recent years, the spread of portable electronic devices, electric vehicles, and the like has created a need for high-performance electrochemical devices, such as nonaqueous electrolyte secondary batteries, such as lithium-ion secondary batteries, and capacitors. As a means for improving the performance of electrochemical devices, for example, a method of adding a specific additive to the electrolyte has been considered.
本発明の一側面は、電気化学デバイスの性能を向上させることが可能な電解液を提供することを目的とする。 One aspect of the present invention aims to provide an electrolyte solution that can improve the performance of electrochemical devices.
本発明の一側面は、下記式(1)で表される化合物と、リチウム塩とを含有する、電解液である。
R1及びR2は、それぞれ独立に無置換の1価の炭化水素基を表してよい。R3は、直鎖状のアルキレン基を表してよい。R3は、炭素数2以上のアルキレン基を表してよい。R4は、水素原子を表してよい。R4は、ハロゲン原子を表してよい。 R1 and R2 may each independently represent an unsubstituted monovalent hydrocarbon group. R3 may represent a linear alkylene group. R3 may represent an alkylene group having 2 or more carbon atoms. R4 may represent a hydrogen atom. R4 may represent a halogen atom.
R4は、シリル基を表してよい。当該シリル基は、下記式(1a)で表されてよい。
式(1)で表される化合物における合計の炭素数は、4以上であってよい。The total number of carbon atoms in the compound represented by formula (1) may be 4 or more.
R1及びR2がメチル基を表し、R3が炭素数2以上の直鎖状のアルキレン基を表し、R4が水素原子又はハロゲン原子を表してよい。当該R4は、水素原子であってよい。 R1 and R2 may represent a methyl group, R3 may represent a linear alkylene group having 2 or more carbon atoms, and R4 may represent a hydrogen atom or a halogen atom. R4 may be a hydrogen atom.
リチウム塩は、LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiB(C6H5)4、LiCH3SO3、CF3SO2OLi、LiN(SO2F)2、LiN(SO2CF3)2、及びLiN(SO2CF2CF3)2からなる群より選ばれる少なくとも1種を含んでよい。リチウム塩は、ホウ素原子又はリン原子を含む環を有する環状化合物のリチウム塩を含んでよい。リチウム塩は、フッ素原子、酸素原子及びリン原子を有する化合物のリチウム塩を含んでよい。 The lithium salt may include at least one selected from the group consisting of LiPF6, LiBF4 , LiClO4 , LiB( C6H5 ) 4 , LiCH3SO3 , CF3SO2OLi , LiN( SO2F ) 2 , LiN( SO2CF3 ) 2 , and LiN( SO2CF2CF3 ) 2 . The lithium salt may include a lithium salt of a cyclic compound having a ring containing a boron atom or a phosphorus atom . The lithium salt may include a lithium salt of a compound having a fluorine atom, an oxygen atom, and a phosphorus atom.
電解液は、式(1)で表される化合物及びリチウム塩とは異なる添加剤を更に含有してよく、添加剤の含有量は、電解液全量を基準として10質量%以下であってよい。The electrolyte may further contain an additive other than the compound represented by formula (1) and the lithium salt, and the content of the additive may be 10 mass% or less based on the total amount of the electrolyte.
添加剤は、炭素-炭素二重結合を有する環状化合物を含んでよい。添加剤は、フッ素原子を有する環状化合物を含んでよい。添加剤は、硫黄原子を有する環状化合物を含んでよい。添加剤は、ニトリル化合物を含んでよい。The additive may include a cyclic compound having a carbon-carbon double bond. The additive may include a cyclic compound having a fluorine atom. The additive may include a cyclic compound having a sulfur atom. The additive may include a nitrile compound.
本発明の他の一側面は、正極と、負極と、上記の電解液と、を備える電気化学デバイスである。Another aspect of the present invention is an electrochemical device comprising a positive electrode, a negative electrode, and the above-described electrolyte.
本発明の一側面によれば、電気化学デバイスの性能を向上させることが可能な電解液を提供することができる。 According to one aspect of the present invention, an electrolyte solution capable of improving the performance of an electrochemical device can be provided.
以下、図面を適宜参照しながら、本発明の実施形態について説明する。ただし、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the following embodiment.
図1は、一実施形態に係る電気化学デバイスを示す斜視図である。本実施形態において、電気化学デバイスは非水電解液二次電池である。図1に示すように、非水電解液二次電池1は、正極、負極及びセパレータから構成される電極群2と、電極群2を収容する袋状の電池外装体3とを備えている。正極及び負極には、それぞれ正極集電タブ4及び負極集電タブ5が設けられている。正極集電タブ4及び負極集電タブ5は、それぞれ正極及び負極が非水電解液二次電池1の外部と電気的に接続可能なように、電池外装体3の内部から外部へ突き出している。電池外装体3内には、電解液(図示せず)が充填されている。非水電解液二次電池1は、上述したようないわゆる「ラミネート型」以外の形状の電池(コイン型、円筒型、積層型等)であってもよい。
FIG. 1 is a perspective view showing an electrochemical device according to one embodiment. In this embodiment, the electrochemical device is a nonaqueous electrolyte secondary battery. As shown in FIG. 1, the nonaqueous electrolyte
電池外装体3は、例えばラミネートフィルムで形成された容器であってよい。ラミネートフィルムは、例えば、ポリエチレンテレフタレート(PET)フィルム等の樹脂フィルムと、アルミニウム、銅、ステンレス鋼等の金属箔と、ポリプロピレン等のシーラント層とがこの順で積層された積層フィルムであってよい。The battery exterior body 3 may be a container formed of, for example, a laminate film. The laminate film may be a laminate film in which, for example, a resin film such as a polyethylene terephthalate (PET) film, a metal foil such as aluminum, copper, or stainless steel, and a sealant layer such as polypropylene are laminated in this order.
図2は、図1に示した非水電解液二次電池1における電極群2の一実施形態を示す分解斜視図である。図2に示すように、電極群2は、正極6と、セパレータ7と、負極8とをこの順に備えている。正極6及び負極8は、正極合剤層10側及び負極合剤層12側の面がそれぞれセパレータ7と対向するように配置されている。2 is an exploded perspective view showing one embodiment of the
正極6は、正極集電体9と、正極集電体9上に設けられた正極合剤層10とを備えている。正極集電体9には、正極集電タブ4が設けられている。The
正極集電体9は、例えば、アルミニウム、チタン、ステンレス、ニッケル、焼成炭素、導電性高分子、導電性ガラス等で形成されている。正極集電体9は、接着性、導電性及び耐酸化性向上の目的で、アルミニウム、銅等の表面にカーボン、ニッケル、チタン、銀等で処理が施されたものであってもよい。正極集電体9の厚さは、電極強度及びエネルギー密度の点から、例えば1~50μmである。The
正極合剤層10は、一実施形態において、正極活物質と、導電剤と、結着剤とを含有する。正極合剤層10の厚さは、例えば20~200μmである。In one embodiment, the positive
正極活物質は、例えばリチウム酸化物であってよい。リチウム酸化物としては、例えば、LixCoO2、LixNiO2、LixMnO2、LixCoyNi1-yO2、LixCoyM1-yOz、LixNi1-yMyOz、LixMn2O4及びLixMn2-yMyO4(各式中、Mは、Na、Mg、Sc、Y、Mn、Fe、Co、Cu、Zn、Al、Cr、Pb、Sb、V及びBからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を示す(ただし、Mは、各式中の他の元素と異なる元素である)。x=0~1.2、y=0~0.9、z=2.0~2.3である。)が挙げられる。LixNi1-yMyOzで表されるリチウム酸化物は、LixNi1-(y1+y2)Coy1Mny2Oz(ただし、x及びzは上述したものと同様であり、y1=0~0.9、y2=0~0.9であり、かつ、y1+y2=0~0.9である。)であってよく、例えばLiNi1/3Co1/3Mn1/3O2、LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2、LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2、LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2であってよい。LixNi1-yMyOzで表されるリチウム酸化物は、LixNi1-(y3+y4)Coy3Aly4Oz(ただし、x及びzは上述したものと同様であり、y3=0~0.9、y4=0~0.9であり、かつ、y3+y4=0~0.9である。)であってよく、例えばLiNi0.8Co0.15Al0.05O2であってもよい。 The positive electrode active material may be, for example, lithium oxide. Examples of lithium oxides include LixCoO2 , LixNiO2 , LixMnO2 , LixCoyNi1-yO2, LixCoyM1- yOz , LixNi1 - yMyOz , LixMn2O4 and LixMn2 - yMyO4 (in each formula, M represents at least one element selected from the group consisting of Na, Mg, Sc , Y, Mn , Fe , Co , Cu , Zn, Al, Cr, Pb, Sb, V and B (with the proviso that M is an element different from the other elements in each formula); x = 0 to 1.2, y = 0 to 0.9, z = 2.0 to 2.3). The lithium oxide represented by Li x Ni 1-y M y O z may be Li x Ni 1-(y1+y2) Co y1 Mn y2 O z (wherein x and z are the same as those described above, y1=0 to 0.9, y2=0 to 0.9, and y1+y2=0 to 0.9), and may be, for example, LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 , LiNi 0.5 Co 0.2 Mn 0.3 O 2 , LiNi 0.6 Co 0.2 Mn 0.2 O 2 , or LiNi 0.8 Co 0.1 Mn 0.1 O 2 . The lithium oxide represented by Li x Ni 1-y M y O z may be Li x Ni 1-(y3+y4) Co y3 Al y4 O z (wherein x and z are the same as those described above, y3=0 to 0.9, y4=0 to 0.9, and y3+y4=0 to 0.9), for example, LiNi 0.8 Co 0.15 Al 0.05 O 2 .
正極活物質は、例えばリチウムのリン酸塩であってもよい。リチウムのリン酸塩としては、例えば、リン酸マンガンリチウム(LiMnPO4)、リン酸鉄リチウム(LiFePO4)、リン酸コバルトリチウム(LiCoPO4)及びリン酸バナジウムリチウム(Li3V2(PO4)3)が挙げられる。 The positive electrode active material may be, for example, a lithium phosphate, such as lithium manganese phosphate (LiMnPO 4 ), lithium iron phosphate (LiFePO 4 ), lithium cobalt phosphate (LiCoPO 4 ), and lithium vanadium phosphate (Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 ).
正極活物質の含有量は、正極合剤層全量を基準として、80質量%以上、又は85質量%以上であってよく、99質量%以下であってよい。The content of the positive electrode active material may be 80% by mass or more, or 85% by mass or more, and may be 99% by mass or less, based on the total amount of the positive electrode mixture layer.
導電剤は、アセチレンブラック、ケッチェンブラック等のカーボンブラック、黒鉛、グラフェン、カーボンナノチューブなどの炭素材料であってよい。導電剤の含有量は、正極合剤層全量を基準として、例えば、0.01質量%以上、0.1質量%以上、又は1質量%以上であってよく、50質量%以下、30質量%以下、又は15質量%以下であってよい。The conductive agent may be a carbon material such as carbon black, such as acetylene black or ketjen black, graphite, graphene, or carbon nanotubes. The content of the conductive agent may be, for example, 0.01% by mass or more, 0.1% by mass or more, or 1% by mass or more, and 50% by mass or less, 30% by mass or less, or 15% by mass or less, based on the total amount of the positive electrode mixture layer.
結着剤は、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリメチルメタクリレート、ポリイミド、芳香族ポリアミド、セルロース、ニトロセルロース等の樹脂;SBR(スチレン-ブタジエンゴム)、NBR(アクリロニトリル-ブタジエンゴム)、フッ素ゴム、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、エチレン-プロピレンゴム等のゴム;スチレン・ブタジエン・スチレンブロック共重合体又はその水素添加物、EPDM(エチレン・プロピレン・ジエン三元共重合体)、スチレン・エチレン・ブタジエン・エチレン共重合体、スチレン・イソプレン・スチレンブロック共重合体又はその水素添加物等の熱可塑性エラストマー;シンジオタクチック-1、2-ポリブタジエン、ポリ酢酸ビニル、エチレン・酢酸ビニル共重合体、プロピレン・α-オレフィン共重合体等の軟質樹脂;ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン、フッ素化ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン・エチレン共重合体、ポリテトラフルオロエチレン・フッ化ビニリデン共重合体等のフッ素含有樹脂;ニトリル基含有モノマーをモノマー単位として有する樹脂;アルカリ金属イオン(例えばリチウムイオン)のイオン伝導性を有する高分子組成物などが挙げられる。 Examples of binders include resins such as polyethylene, polypropylene, polyethylene terephthalate, polymethyl methacrylate, polyimide, aromatic polyamide, cellulose, and nitrocellulose; rubbers such as SBR (styrene-butadiene rubber), NBR (acrylonitrile-butadiene rubber), fluororubber, isoprene rubber, butadiene rubber, and ethylene-propylene rubber; styrene-butadiene-styrene block copolymers or hydrogenated products thereof, EPDM (ethylene-propylene-diene terpolymer), styrene-ethylene-butadiene-ethylene copolymer, and styrene-isoprene-styrene block copolymer. Examples of the polymer include thermoplastic elastomers such as polyvinyl acetate, ethylene-vinyl acetate copolymers, and propylene-α-olefin copolymers; soft resins such as syndiotactic-1,2-polybutadiene, polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene-ethylene copolymers, and polytetrafluoroethylene-vinylidene fluoride copolymers; fluorine-containing resins such as polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene, fluorinated polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene-ethylene copolymers, and polytetrafluoroethylene-vinylidene fluoride copolymers; resins having a nitrile group-containing monomer as a monomer unit; and polymer compositions having ionic conductivity for alkali metal ions (for example, lithium ions).
結着剤の含有量は、正極合剤層全量を基準として、例えば、0.1質量%以上、1質量%以上、又は1.5質量%以上であってよく、30質量%以下、20質量%以下、又は10質量%以下であってよい。The binder content may be, for example, 0.1 mass% or more, 1 mass% or more, or 1.5 mass% or more, and may be 30 mass% or less, 20 mass% or less, or 10 mass% or less, based on the total amount of the positive electrode mixture layer.
セパレータ7は、正極6及び負極8間を電子的には絶縁する一方でイオンを透過させ、かつ、正極6側における酸化性及び負極8側における還元性に対する耐性を備えるものであれば、特に制限されない。このようなセパレータ7の材料(材質)としては、樹脂、無機物等が挙げられる。There are no particular limitations on the
樹脂としては、オレフィン系ポリマー、フッ素系ポリマー、セルロース系ポリマー、ポリイミド、ナイロン等が挙げられる。セパレータ7は、電解液に対して安定で、保液性に優れる観点から、好ましくは、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィンで形成された多孔質シート又は不織布である。Examples of the resin include olefin polymers, fluorine polymers, cellulose polymers, polyimides, nylons, etc. From the viewpoint of being stable against the electrolyte and having excellent electrolyte retention, the
無機物としては、アルミナ、二酸化珪素等の酸化物、窒化アルミニウム、窒化珪素等の窒化物、硫酸バリウム、硫酸カルシウム等の硫酸塩が挙げられる。セパレータ7は、例えば、不織布、織布、微多孔性フィルム等の薄膜状基材に、繊維状又は粒子状の無機物を付着させたセパレータであってよい。
Examples of inorganic substances include oxides such as alumina and silicon dioxide, nitrides such as aluminum nitride and silicon nitride, and sulfates such as barium sulfate and calcium sulfate.
負極8は、負極集電体11と、負極集電体11上に設けられた負極合剤層12とを備えている。負極集電体11には、負極集電タブ5が設けられている。The
負極集電体11は、銅、ステンレス、ニッケル、アルミニウム、チタン、焼成炭素、導電性高分子、導電性ガラス、アルミニウム-カドミウム合金等で形成されている。負極集電体11は、接着性、導電性、耐還元性向上の目的で、銅、アルミニウム等の表面にカーボン、ニッケル、チタン、銀等で処理が施されたものであってもよい。負極集電体11の厚さは、電極強度及びエネルギー密度の点から、例えば1~50μmである。The negative electrode
負極合剤層12は、例えば、負極活物質と、結着剤とを含有する。The negative
負極活物質は、リチウムイオンを吸蔵及び放出可能な物質であれば特に制限されない。負極活物質としては、例えば、炭素材料、金属複合酸化物、錫、ゲルマニウム、ケイ素等の第四族元素の酸化物又は窒化物、リチウムの単体、リチウムアルミニウム合金等のリチウム合金、Sn、Si等のリチウムと合金を形成可能な金属などが挙げられる。負極活物質は、安全性の観点からは、好ましくは炭素材料及び金属複合酸化物からなる群より選択される少なくとも1種である。負極活物質はこれらの1種単独又は2種以上の混合物であってよい。負極活物質の形状は、例えば、粒子状であってよい。The negative electrode active material is not particularly limited as long as it is a material capable of absorbing and releasing lithium ions. Examples of the negative electrode active material include carbon materials, metal composite oxides, oxides or nitrides of
炭素材料としては、非晶質炭素材料、天然黒鉛、天然黒鉛に非晶質炭素材料の被膜を形成した複合炭素材料、人造黒鉛(エポキシ樹脂、フェノール樹脂等の樹脂原料、又は、石油、石炭等から得られるピッチ系原料を焼成して得られるもの)などが挙げられる。金属複合酸化物は、高電流密度充放電特性の観点からは、好ましくはチタン及びリチウムのいずれか一方又は両方を含有し、より好ましくはリチウムを含有する。 Examples of carbon materials include amorphous carbon materials, natural graphite, composite carbon materials in which a coating of amorphous carbon material is formed on natural graphite, and artificial graphite (obtained by firing resin raw materials such as epoxy resins and phenolic resins, or pitch-based raw materials obtained from petroleum, coal, etc.). From the viewpoint of high current density charge/discharge characteristics, the metal composite oxide preferably contains either one or both of titanium and lithium, and more preferably contains lithium.
負極活物質の中でも炭素材料は、導電性が高く、低温特性及びサイクル安定性に特に優れている。炭素材料の中でも高容量化の観点からは、黒鉛が好ましい。黒鉛においては、好ましくはX線広角回折法における炭素網面層間(d002)が0.34nm未満であり、より好ましくは0.3354nm以上0.337nm以下である。このような条件を満たす炭素材料を、擬似異方性炭素と称する場合がある。Among the negative electrode active materials, carbon materials have high electrical conductivity and are particularly excellent in low-temperature characteristics and cycle stability. Among carbon materials, graphite is preferred from the viewpoint of increasing capacity. In graphite, the carbon net surface interlayer distance (d002) in the wide-angle X-ray diffraction method is preferably less than 0.34 nm, and more preferably 0.3354 nm or more and 0.337 nm or less. Carbon materials that satisfy these conditions are sometimes called pseudoanisotropic carbon.
負極活物質には、ケイ素及びスズからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を含む材料が更に含まれていてもよい。ケイ素及びスズからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を含む材料は、ケイ素又はスズの単体、ケイ素及びスズからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を含む化合物であってよい。当該化合物は、ケイ素及びスズからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を含む合金であってよく、例えば、ケイ素及びスズの他に、ニッケル、銅、鉄、コバルト、マンガン、亜鉛、インジウム、銀、チタン、ゲルマニウム、ビスマス、アンチモン及びクロムからなる群より選ばれる少なくとも1種を含む合金である。ケイ素及びスズからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を含む化合物は、酸化物、窒化物、又は炭化物であってもよく、具体的には、例えば、SiO、SiO2、LiSiO等のケイ素酸化物、Si3N4、Si2N2O等のケイ素窒化物、SiC等のケイ素炭化物、SnO、SnO2、LiSnO等のスズ酸化物などであってよい。 The negative electrode active material may further contain a material containing at least one element selected from the group consisting of silicon and tin. The material containing at least one element selected from the group consisting of silicon and tin may be a simple substance of silicon or tin, or a compound containing at least one element selected from the group consisting of silicon and tin. The compound may be an alloy containing at least one element selected from the group consisting of silicon and tin, for example, an alloy containing at least one element selected from the group consisting of nickel, copper, iron, cobalt, manganese, zinc, indium, silver, titanium, germanium, bismuth, antimony, and chromium in addition to silicon and tin. The compound containing at least one element selected from the group consisting of silicon and tin may be an oxide, nitride, or carbide, and specifically may be, for example, a silicon oxide such as SiO, SiO2 , or LiSiO , a silicon nitride such as Si3N4 or Si2N2O , a silicon carbide such as SiC, or a tin oxide such as SnO, SnO2 , or LiSnO.
負極8は、低温入力特性等の電気化学デバイスの性能を更に向上させる観点から、負極活物質として、好ましくは炭素材料を含み、より好ましくは黒鉛を含み、更に好ましくは、炭素材料と、ケイ素及びスズからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を含む材料との混合物を含み、特に好ましくは、黒鉛とケイ素酸化物との混合物を含む。当該混合物におけるケイ素及びスズからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を含む材料(ケイ素酸化物)に対する炭素材料(黒鉛)の含有量は、当該混合物全量を基準として、1質量%以上、又は3質量%以上であってよく、30質量%以下であってよい。From the viewpoint of further improving the performance of the electrochemical device, such as low-temperature input characteristics, the
負極活物質の含有量は、負極合剤層全量を基準として、80質量%以上、又は85質量%以上であってよく、99質量%以下であってよい。The content of the negative electrode active material may be 80% by mass or more, or 85% by mass or more, and may be 99% by mass or less, based on the total amount of the negative electrode mixture layer.
結着剤及びその含有量は、上述した正極合剤層における結着剤及びその含有量と同様であってよい。The binder and its content may be similar to the binder and its content in the positive electrode mixture layer described above.
負極合剤層12は、粘度を調節するために増粘剤を含有してもよい。増粘剤は、特に制限されないが、カルボキシメチルセルロース、メチルセルロース、ヒドロキシメチルセルロース、エチルセルロース、ポリビニルアルコール、酸化スターチ、リン酸化スターチ、カゼイン、これらの塩等であってよい。増粘剤は、これらの1種単独又は2種以上の混合物であってよい。The negative
負極合剤層12が増粘剤を含む場合、その含有量は特に制限されない。増粘剤の含有量は、負極合剤層の塗布性の観点からは、負極合剤層全量を基準として、0.1質量%以上であってよく、好ましくは0.2質量%以上であり、より好ましくは0.5質量%以上である。増粘剤の含有量は、電池容量の低下又は負極活物質間の抵抗の上昇を抑制する観点からは、負極合剤層全量を基準として、5質量%以下であってよく、好ましくは3質量%以下であり、より好ましくは2質量%以下である。When the negative
電解液は、一実施形態において、下記式(1)で表される化合物と、リチウム塩と、非水溶媒とを含有する。
R1及びR2で表される「ハロゲン原子で置換されていてもよい1価の炭化水素基」は、無置換の1価の炭化水素基、又は、当該1価の炭化水素基における水素原子の少なくとも1個がハロゲン原子で置換された1価の炭化水素基(以下「ハロゲン置換の1価の炭化水素基」ともいう)である。 The "monovalent hydrocarbon group which may be substituted with a halogen atom" represented by R1 and R2 is an unsubstituted monovalent hydrocarbon group or a monovalent hydrocarbon group in which at least one hydrogen atom has been substituted with a halogen atom (hereinafter also referred to as a "halogen-substituted monovalent hydrocarbon group").
1価の炭化水素基は、例えば、アルキル基又はアリール基であってよい。当該アルキル基は、直鎖状であってよく、分岐状であってもよい。1価の炭化水素基の炭素数は、1以上、2以上、3以上、4以上、5以上、又は6以上であってよく、8以下、7以下、6以下、5以下、4以下、3以下、又は2以下であってよい。The monovalent hydrocarbon group may be, for example, an alkyl group or an aryl group. The alkyl group may be linear or branched. The number of carbon atoms in the monovalent hydrocarbon group may be 1 or more, 2 or more, 3 or more, 4 or more, 5 or more, or 6 or more, and may be 8 or less, 7 or less, 6 or less, 5 or less, 4 or less, 3 or less, or 2 or less.
ハロゲン置換の1価の炭化水素基におけるハロゲン原子は、例えば、フッ素原子、塩素原子、臭素原子、又はヨウ素原子であってよく、フッ素原子又は塩素原子であってよく、フッ素原子であってよい。ハロゲン置換の1価の炭化水素基におけるハロゲン原子の数は、1以上、2以上、3以上、又は4以上であってよく、6以下、5以下、4以下、3以下、又は2以下であってよい。The halogen atoms in the halogen-substituted monovalent hydrocarbon group may be, for example, fluorine atoms, chlorine atoms, bromine atoms, or iodine atoms, or may be fluorine atoms or chlorine atoms, or may be fluorine atoms. The number of halogen atoms in the halogen-substituted monovalent hydrocarbon group may be 1 or more, 2 or more, 3 or more, or 4 or more, and may be 6 or less, 5 or less, 4 or less, 3 or less, or 2 or less.
R1及びR2で表されるハロゲン原子は、例えば、フッ素原子、塩素原子、臭素原子、又はヨウ素原子であってよく、フッ素原子又は塩素原子であってよく、フッ素原子であってよい。 The halogen atom represented by R 1 and R 2 may be, for example, a fluorine atom, a chlorine atom, a bromine atom, or an iodine atom, or may be a fluorine atom or a chlorine atom.
R3で表されるアルキレン基は、直鎖状であってよく、分岐状であってもよい。アルキレン基の炭素数は、1以上、2以上、3以上、4以上、5以上、又は6以上であってよく、12以下、11以下、10以下、9以下、8以下、7以下、6以下、5以下、4以下、又は3以下であってよい。 The alkylene group represented by R3 may be linear or branched. The number of carbon atoms in the alkylene group may be 1 or more, 2 or more, 3 or more, 4 or more, 5 or more, or 6 or more, and may be 12 or less, 11 or less, 10 or less, 9 or less, 8 or less, 7 or less, 6 or less, 5 or less, 4 or less, or 3 or less.
R4で表されるハロゲン原子は、例えば、フッ素原子、塩素原子、臭素原子、又はヨウ素原子であってよく、フッ素原子又は塩素原子であってよく、フッ素原子であってよい。 The halogen atom represented by R4 may be, for example, a fluorine atom, a chlorine atom, a bromine atom, or an iodine atom, and may be a fluorine atom or a chlorine atom, or may be a fluorine atom.
R4で表されるシリル基は、例えば下記式(1a)で表される。
R41~R43で表される「ハロゲン原子で置換されていてもよい1価の炭化水素基」は、無置換の1価の炭化水素基、又は、ハロゲン置換の1価の炭化水素基である。1価の炭化水素基は、例えば、アルキル基又はアリール基であってよい。当該アルキル基は、直鎖状であってよく、分岐状であってもよい。1価の炭化水素基の炭素数は、1以上、2以上、3以上、4以上、5以上、又は6以上であってよく、8以下、7以下、6以下、5以下、4以下、3以下、又は2以下であってよい。 The "monovalent hydrocarbon group which may be substituted with a halogen atom" represented by R 41 to R 43 is an unsubstituted monovalent hydrocarbon group or a halogen-substituted monovalent hydrocarbon group. The monovalent hydrocarbon group may be, for example, an alkyl group or an aryl group. The alkyl group may be linear or branched. The number of carbon atoms in the monovalent hydrocarbon group may be 1 or more, 2 or more, 3 or more, 4 or more, 5 or more, or 6 or more, and may be 8 or less, 7 or less, 6 or less, 5 or less, 4 or less, 3 or less, or 2 or less.
ハロゲン置換の1価の炭化水素基におけるハロゲン原子は、例えば、フッ素原子、塩素原子、臭素原子、又はヨウ素原子であってよく、フッ素原子又は塩素原子であってよく、フッ素原子であってよい。ハロゲン置換の1価の炭化水素基におけるハロゲン原子の数は、1以上、2以上、3以上、又は4以上であってよく、6以下、5以下、4以下、3以下、又は2以下であってよい。The halogen atoms in the halogen-substituted monovalent hydrocarbon group may be, for example, fluorine atoms, chlorine atoms, bromine atoms, or iodine atoms, or may be fluorine atoms or chlorine atoms, or may be fluorine atoms. The number of halogen atoms in the halogen-substituted monovalent hydrocarbon group may be 1 or more, 2 or more, 3 or more, or 4 or more, and may be 6 or less, 5 or less, 4 or less, 3 or less, or 2 or less.
R41~R43で表されるハロゲン原子は、例えば、フッ素原子、塩素原子、臭素原子、又はヨウ素原子であってよく、フッ素原子又は塩素原子であってよく、フッ素原子であってよい。 The halogen atom represented by R 41 to R 43 may be, for example, a fluorine atom, a chlorine atom, a bromine atom, or an iodine atom, and may be a fluorine atom or a chlorine atom, or may be a fluorine atom.
式(1)で表される化合物における合計の炭素数は、4以上、5以上、6以上、7以上、8以上、9以上、又は10以上であってよく、20以下、19以下、18以下、17以下、16以下、15以下、14以下、13以下、12以下、11以下、10以下、9以下、又は8以下であってよい。The total number of carbon atoms in the compound represented by formula (1) may be 4 or more, 5 or more, 6 or more, 7 or more, 8 or more, 9 or more, or 10 or more, and may be 20 or less, 19 or less, 18 or less, 17 or less, 16 or less, 15 or less, 14 or less, 13 or less, 12 or less, 11 or less, 10 or less, 9 or less, or 8 or less.
式(1)で表される化合物の好ましい一実施形態では、R1及びR2がそれぞれ独立にメチル基又はハロゲン原子を表し、R3が炭素数2以上の直鎖状のアルキレン基を表し、R4が水素原子又はハロゲン原子を表す。式(1)で表される化合物の好ましい他の一実施形態では、R1及びR2がメチル基を表し、R3が炭素数2以上の直鎖状のアルキレン基を表し、R4が水素原子又はハロゲン原子を表す。式(1)で表される化合物の好ましい他の一実施形態では、R1及びR2がメチル基を表し、R3が炭素数2以上の直鎖状のアルキレン基を表し、R4が水素原子を表す。 In a preferred embodiment of the compound represented by formula (1), R 1 and R 2 each independently represent a methyl group or a halogen atom, R 3 represents a linear alkylene group having 2 or more carbon atoms, and R 4 represents a hydrogen atom or a halogen atom. In another preferred embodiment of the compound represented by formula (1), R 1 and R 2 represent a methyl group, R 3 represents a linear alkylene group having 2 or more carbon atoms, and R 4 represents a hydrogen atom or a halogen atom. In another preferred embodiment of the compound represented by formula (1), R 1 and R 2 represent a methyl group, R 3 represents a linear alkylene group having 2 or more carbon atoms, and R 4 represents a hydrogen atom.
式(1)で表される化合物の具体例としては、下記式で表される化合物が挙げられる。
式(1)で表される化合物は、25℃において固体又は液体であってよい。式(1)で表される化合物が25℃において液体である場合、式(1)で表される化合物の25℃における粘度は、10mPa・s以下、5mPa・s以下、又は1mPa・s以下であってよく、0.2mPa・s以上であってもよい。式(1)で表される化合物の25℃における粘度は、差圧式微量粘度計(例えば、RheoSense社製、差圧式微量粘度計マイクロビスク(低粘度用センサーカートリッジHA01-01を適用))により測定される。The compound represented by formula (1) may be a solid or liquid at 25°C. When the compound represented by formula (1) is a liquid at 25°C, the viscosity of the compound represented by formula (1) at 25°C may be 10 mPa·s or less, 5 mPa·s or less, or 1 mPa·s or less, or may be 0.2 mPa·s or more. The viscosity of the compound represented by formula (1) at 25°C is measured using a differential pressure microviscometer (for example, a differential pressure microviscometer Microvisc manufactured by RheoSense (applied with low viscosity sensor cartridge HA01-01)).
式(1)で表される化合物の含有量は、電解液全量を基準として、0.1質量%以上、0.3質量%以上、0.5質量%以上、0.7質量%以上、1質量%以上、2質量%以上、3質量%以上、5質量%以上、10質量%以上、15質量%以上、又は20質量%以上であってよく、50質量%以下、40質量%以下、30質量%以下、20質量%以下、15質量%以下、10質量%以下、9質量%以下、8質量%以下、7質量%以下、6質量%以下、又は5質量%以下であってよい。The content of the compound represented by formula (1) may be, based on the total amount of the electrolyte, 0.1% by mass or more, 0.3% by mass or more, 0.5% by mass or more, 0.7% by mass or more, 1% by mass or more, 2% by mass or more, 3% by mass or more, 5% by mass or more, 10% by mass or more, 15% by mass or more, or 20% by mass or more, and may be 50% by mass or less, 40% by mass or less, 30% by mass or less, 20% by mass or less, 15% by mass or less, 10% by mass or less, 9% by mass or less, 8% by mass or less, 7% by mass or less, 6% by mass or less, or 5% by mass or less.
リチウム塩としては、例えば、電解質塩として機能するリチウム塩(第1のリチウム塩)、ホウ素原子又はリン原子を含む環を有する環状化合物のリチウム塩(第2のリチウム塩)、フッ素原子、酸素原子及びリン原子を有する化合物のリチウム塩(第3のリチウム塩)等が挙げられる。なお、第2のリチウム塩又は第3のリチウム塩に該当するリチウム塩は、第1のリチウム塩には含まれないものとする。また、第2のリチウム塩に該当するリチウム塩は、第3のリチウム塩には含まれないものとする。Examples of lithium salts include lithium salts that function as electrolyte salts (first lithium salts), lithium salts of cyclic compounds having a ring containing a boron atom or a phosphorus atom (second lithium salts), and lithium salts of compounds having a fluorine atom, an oxygen atom, and a phosphorus atom (third lithium salts). Note that lithium salts that fall under the second lithium salt or the third lithium salt are not included in the first lithium salt. Also, lithium salts that fall under the second lithium salt are not included in the third lithium salt.
第1のリチウム塩は、例えば、LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiB(C6H5)4、LiCH3SO3、CF3SO2OLi、LiN(SO2F)2(Li[FSI]、リチウムビスフルオロスルホニルイミド)、LiN(SO2CF3)2(Li[TFSI]、リチウムビストリフルオロメタンスルホニルイミド)、及びLiN(SO2CF2CF3)2からなる群より選ばれる少なくとも1種であってよい。リチウム塩は、溶媒に対する溶解性、二次電池の充放電特性、出力特性、サイクル特性等に更に優れる観点から、好ましくはLiPF6を含む。 The first lithium salt may be, for example, at least one selected from the group consisting of LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiB(C 6 H 5 ) 4 , LiCH 3 SO 3 , CF 3 SO 2 OLi, LiN(SO 2 F) 2 (Li[FSI], lithium bisfluorosulfonylimide), LiN(SO 2 CF 3 ) 2 (Li[TFSI], lithium bistrifluoromethanesulfonylimide), and LiN(SO 2 CF 2 CF 3 ) 2. The lithium salt preferably contains LiPF 6 from the viewpoint of further improving solubility in a solvent, and the charge/discharge characteristics, output characteristics, cycle characteristics, and the like of the secondary battery.
第1のリチウム塩の濃度は、充放電特性に優れる観点から、非水溶媒全量を基準として、好ましくは0.5mol/L以上、より好ましくは0.7mol/L以上、更に好ましくは0.8mol/L以上であり、また、好ましくは1.5mol/L以下、より好ましくは1.3mol/L以下、更に好ましくは1.2mol/L以下である。From the viewpoint of excellent charge/discharge characteristics, the concentration of the first lithium salt is preferably 0.5 mol/L or more, more preferably 0.7 mol/L or more, and even more preferably 0.8 mol/L or more, based on the total amount of the nonaqueous solvent, and is preferably 1.5 mol/L or less, more preferably 1.3 mol/L or less, and even more preferably 1.2 mol/L or less.
第2のリチウム塩は、例えば、下記式(2)で表されるリチウム塩であってよい。
pは、好ましくは2である。Xで表されるフルオロアルキル基の炭素数は、例えば1~4であってよい。Xは、好ましくは、フッ素原子又はトリフルオロメチル基であり、より好ましくはフッ素原子である。p is preferably 2. The number of carbon atoms of the fluoroalkyl group represented by X may be, for example, 1 to 4. X is preferably a fluorine atom or a trifluoromethyl group, and more preferably a fluorine atom.
第2のリチウム塩の具体例としては、下記式で表されるリチウム塩が挙げられる。
第2のリチウム塩の含有量は、電解液全量を基準として、0.001質量%以上、0.005質量%以上、0.01質量%以上、0.05質量%以上、又は0.1質量%以上であってよく、10質量%以下、5質量%以下、3質量%以下、2質量%以下、又は1質量%以下であってよい。The content of the second lithium salt may be, based on the total amount of the electrolyte, 0.001% by mass or more, 0.005% by mass or more, 0.01% by mass or more, 0.05% by mass or more, or 0.1% by mass or more, and may be 10% by mass or less, 5% by mass or less, 3% by mass or less, 2% by mass or less, or 1% by mass or less.
第3のリチウム塩を構成する、フッ素原子、酸素原子及びリン原子を有する化合物は、例えば、P=O結合及びP-F結合を有する化合物であってよく、P=O結合、P-O結合及びP-F結合を有する化合物であってよい。The compound having a fluorine atom, an oxygen atom and a phosphorus atom that constitutes the third lithium salt may be, for example, a compound having a P=O bond and a P-F bond, or a compound having a P=O bond, a P-O bond and a P-F bond.
第3のリチウム塩の具体例としては、下記式で表されるリチウム塩が挙げられる。
第3のリチウム塩の含有量は、電解液全量を基準として、0.001質量%以上、0.005質量%以上、0.01質量%以上、0.05質量%以上、又は0.1質量%以上であってよく、10質量%以下、5質量%以下、3質量%以下、2質量%以下、又は1質量%以下であってよい。The content of the third lithium salt may be, based on the total amount of the electrolyte, 0.001% by mass or more, 0.005% by mass or more, 0.01% by mass or more, 0.05% by mass or more, or 0.1% by mass or more, and may be 10% by mass or less, 5% by mass or less, 3% by mass or less, 2% by mass or less, or 1% by mass or less.
リチウム塩は、第1のリチウム塩、第2のリチウム塩、及び第3のリチウム塩のいずれか1種を含んでよく、2種以上を含んでよい。リチウム塩が2種以上のリチウム塩を含む場合、リチウム塩は、例えば、第1のリチウム塩及び第2のリチウム塩を含んでよく、第1のリチウム塩及び第3のリチウム塩を含んでよく、第1のリチウム塩、第2のリチウム塩、及び第3のリチウム塩を含んでよい。The lithium salt may include any one of the first lithium salt, the second lithium salt, and the third lithium salt, or may include two or more. When the lithium salt includes two or more lithium salts, the lithium salt may include, for example, the first lithium salt and the second lithium salt, the first lithium salt and the third lithium salt, or the first lithium salt, the second lithium salt, and the third lithium salt.
電解液が、第1のリチウム塩と、第2のリチウム塩及び/又は第3のリチウム塩とを含有する場合、第2のリチウム塩及び/又は第3のリチウム塩の含有量は、第1のリチウム塩、第2のリチウム塩及び第3のリチウム塩の合計量100質量部に対して、1質量部以上、3質量部以上、又は5質量部以上であってよく、20質量部以下、15質量部以下、又は10質量部以下であってよい。When the electrolyte solution contains a first lithium salt and a second lithium salt and/or a third lithium salt, the content of the second lithium salt and/or the third lithium salt may be 1 part by mass or more, 3 parts by mass or more, or 5 parts by mass or more per 100 parts by mass of the total amount of the first lithium salt, the second lithium salt, and the third lithium salt, and may be 20 parts by mass or less, 15 parts by mass or less, or 10 parts by mass or less.
非水溶媒は、リチウム塩を溶解し得る非水溶媒である。非水溶媒は、例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、γ-ブチルラクトン、アセトニトリル、1,2-ジメトキシエタン、ジメトキシメタン、テトラヒドロフラン、ジオキソラン、塩化メチレン、酢酸メチル等であってよい。非水溶媒は、これらの1種単独又は2種以上の混合物であってよく、好ましくは2種以上の混合物である。The non-aqueous solvent is a non-aqueous solvent capable of dissolving a lithium salt. The non-aqueous solvent may be, for example, ethylene carbonate, propylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, methyl ethyl carbonate, γ-butyrolactone, acetonitrile, 1,2-dimethoxyethane, dimethoxymethane, tetrahydrofuran, dioxolane, methylene chloride, methyl acetate, etc. The non-aqueous solvent may be one of these alone or a mixture of two or more of them, and is preferably a mixture of two or more of them.
非水溶媒の含有量は、電解液全量を基準として、50質量%以上、60質量%以上、70質量%以上、80質量%以上、又は90質量%以上であってよく、99質量%以下であってよい。The content of the non-aqueous solvent may be 50% by mass or more, 60% by mass or more, 70% by mass or more, 80% by mass or more, or 90% by mass or more, based on the total amount of the electrolyte, and may be 99% by mass or less.
以上説明した電解液は、式(1)で表される化合物を含有することにより、電気化学デバイスの性能を向上させることができる。具体的には、例えば、電解液が式(1)で表される化合物を含有することにより、電解液の低粘度化が図られる。これにより、電解液中でのリチウム塩のカチオン(Li+)の拡散速度が向上し、その結果、電気化学デバイスのレート特性が向上し得る。加えて、電解液の低粘度化により、高密度電極への電解液の浸透性の向上、及び電解液の泡立ちの抑制が達成され得る。 The electrolyte solution described above can improve the performance of an electrochemical device by containing a compound represented by formula (1). Specifically, for example, the electrolyte solution contains a compound represented by formula (1), thereby reducing the viscosity of the electrolyte solution. This improves the diffusion rate of the lithium salt cation (Li + ) in the electrolyte solution, and as a result, the rate characteristics of the electrochemical device can be improved. In addition, the reduced viscosity of the electrolyte solution can improve the permeability of the electrolyte solution to the high-density electrode and suppress the bubbling of the electrolyte solution.
また、例えば、式(1)で表される化合物におけるSi-F結合が、リチウム塩のアニオン(例えばPF6 -)をトラップして、リチウム塩の解離性を向上させ、結果として、電気化学デバイス(二次電池)における界面電荷移動抵抗が低減し得る。また、例えば、式(1)で表される化合物におけるSi-F結合が、リチウム塩のアニオンを安定化し、当該アニオンの電極上での分解を抑制し得る。また、例えば、式(1)で表される化合物が電気化学的安定性に優れているため、ビニレンカーボネート、フルオロエチレンカーボネート等の従来の被膜形成用添加剤に比べて、上述したような効果が長期にわたって発揮され得る。 Furthermore, for example, the Si-F bond in the compound represented by formula (1) can trap the anion of the lithium salt (e.g., PF 6 - ) and improve the dissociation property of the lithium salt, resulting in a reduction in the interfacial charge transfer resistance in an electrochemical device (secondary battery). Furthermore, for example, the Si-F bond in the compound represented by formula (1) can stabilize the anion of the lithium salt and suppress the decomposition of the anion on an electrode. Furthermore, for example, since the compound represented by formula (1) has excellent electrochemical stability, the above-mentioned effects can be exhibited for a long period of time, as compared with conventional film-forming additives such as vinylene carbonate and fluoroethylene carbonate.
電解液は、式(1)で表される化合物、リチウム塩及び非水溶媒に加えて、添加剤を更に含有してもよい。電解液が添加剤を更に含有することにより、上述した式(1)で表される化合物による効果がより顕著に得られることが期待される。本明細書における添加剤は、式(1)で表される化合物、リチウム塩及び非水溶媒以外の成分であって、その含有量が電解液全量を基準として10質量%以下である成分を意味する。The electrolyte may further contain an additive in addition to the compound represented by formula (1), the lithium salt, and the non-aqueous solvent. By further containing an additive in the electrolyte, it is expected that the effect of the compound represented by formula (1) described above can be more significantly obtained. In this specification, the additive means a component other than the compound represented by formula (1), the lithium salt, and the non-aqueous solvent, the content of which is 10 mass% or less based on the total amount of the electrolyte.
添加剤は、炭素-炭素二重結合を有する環状化合物を含んでよい。炭素-炭素二重結合を有する環状化合物は、例えば、炭素-炭素二重結合を有する環状カーボネートであってよい。一実施形態では、環状カーボネートにおいて、環を構成する二つの炭素が二重結合を形成していてよい。The additive may include a cyclic compound having a carbon-carbon double bond. The cyclic compound having a carbon-carbon double bond may be, for example, a cyclic carbonate having a carbon-carbon double bond. In one embodiment, in the cyclic carbonate, two carbons constituting the ring may form a double bond.
炭素-炭素二重結合を有する環状カーボネートとしては、例えば、ビニレンカーボネート、メチ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(4,5-ジメチルビニレンカーボネート)、エチルビニレンカーボネート(4,5-ジエチルビニレンカーボネート)、及びジエチルビニレンカーボネートが挙げられる。炭素-炭素二重結合を有する環状カーボネートは、電気化学デバイスの性能を更に向上させることができる観点から、好ましくはビニレンカーボネートである。Examples of cyclic carbonates having a carbon-carbon double bond include vinylene carbonate, methylvinylene carbonate, dimethylvinylene carbonate (4,5-dimethylvinylene carbonate), ethylvinylene carbonate (4,5-diethylvinylene carbonate), and diethylvinylene carbonate. The cyclic carbonate having a carbon-carbon double bond is preferably vinylene carbonate, from the viewpoint of further improving the performance of the electrochemical device.
炭素-炭素二重結合を有する環状化合物の含有量は、電解液全量を基準として、0.001質量%以上、0.005質量%以上、0.01質量%以上、0.05質量%以上、又は0.1質量%以上であってよく、10質量%以下、5質量%以下、3質量%以下、又は2質量%以下であってよい。The content of the cyclic compound having a carbon-carbon double bond may be 0.001% by mass or more, 0.005% by mass or more, 0.01% by mass or more, 0.05% by mass or more, or 0.1% by mass or more, based on the total amount of the electrolyte, and may be 10% by mass or less, 5% by mass or less, 3% by mass or less, or 2% by mass or less.
添加剤は、フッ素原子を有する環状化合物を含んでよい。フッ素原子を有する環状化合物は、例えばフッ素原子を有する環状カーボネートであってよい。一実施形態において、フッ素原子を有する環状カーボネートは、フルオロ基を有する環状炭酸エステルである。The additive may include a cyclic compound having a fluorine atom. The cyclic compound having a fluorine atom may be, for example, a cyclic carbonate having a fluorine atom. In one embodiment, the cyclic carbonate having a fluorine atom is a cyclic carbonate ester having a fluoro group.
フッ素原子を有する環状カーボネートとしては、例えば、4-フルオロ-1,3-ジオキソラン-2-オン(フルオロエチレンカーボネート;FEC)、1,2-ジフルオロエチレンカーボネート、1,1-ジフルオロエチレンカーボネート、1,1,2-トリフルオロエチレンカーボネート、及び1,1,2,2-テトラフルオロエチレンカーボネートが挙げられる。フッ素原子を有する環状カーボネートは、負極上で安定な被膜を形成した際の副反応を抑制する観点から、好ましくは、4-フルオロ-1,3-ジオキソラン-2-オン(フルオロエチレンカーボネート;FEC)である。Examples of cyclic carbonates having fluorine atoms include 4-fluoro-1,3-dioxolane-2-one (fluoroethylene carbonate; FEC), 1,2-difluoroethylene carbonate, 1,1-difluoroethylene carbonate, 1,1,2-trifluoroethylene carbonate, and 1,1,2,2-tetrafluoroethylene carbonate. The cyclic carbonate having fluorine atoms is preferably 4-fluoro-1,3-dioxolane-2-one (fluoroethylene carbonate; FEC), from the viewpoint of suppressing side reactions when a stable coating is formed on the negative electrode.
フッ素原子を有する環状化合物の含有量は、電解液全量を基準として、0.001質量%以上、0.005質量%以上、0.01質量%以上、0.05質量%以上、又は0.1質量%以上であってよく、10質量%以下、5質量%以下、3質量%以下、2質量%以下、又は1質量%以下である。The content of the cyclic compound having a fluorine atom may be 0.001 mass% or more, 0.005 mass% or more, 0.01 mass% or more, 0.05 mass% or more, or 0.1 mass% or more, based on the total amount of the electrolyte, and is 10 mass% or less, 5 mass% or less, 3 mass% or less, 2 mass% or less, or 1 mass% or less.
添加剤は、硫黄原子を有する環状化合物を含んでよい。硫黄原子を有する環状化合物は、例えば、環状スルホン酸エステル化合物(スルトン化合物とも呼ばれる)であってよい。環状スルホン酸エステル化合物は、-OSO2-基を含む環を有する化合物である。環状スルホン酸エステル化合物は、-OSO2-基を1つ又は2つ含む環を有している。 The additive may include a cyclic compound having a sulfur atom. The cyclic compound having a sulfur atom may be, for example, a cyclic sulfonate compound (also called a sultone compound). The cyclic sulfonate compound is a compound having a ring containing an —OSO 2 — group. The cyclic sulfonate compound has a ring containing one or two —OSO 2 — groups.
-OSO2-基を1つ含む環を有する環状スルホン酸エステル化合物は、例えば下記式(X)で表される化合物(モノスルホン酸エステル)であってよい。
上記アルキル基の炭素数は、例えば1~12であってよい。上記シクロアルキル基の炭素数は、例えば3~6であってよい。上記アリール基の炭素数は、例えば6~12であってよい。The number of carbon atoms in the alkyl group may be, for example, 1 to 12. The number of carbon atoms in the cycloalkyl group may be, for example, 3 to 6. The number of carbon atoms in the aryl group may be, for example, 6 to 12.
A1は、好ましくは、炭素数3のアルキレン基又は炭素数3のアルケニレン基である。すなわち、モノスルホン酸エステルは、好ましくは、下記式(X-1)又は式(X-2)で表される化合物である。
式中、R11~R20は、それぞれ独立に、水素原子、アルキル基、シクロアルキル基、アリール基、又はフルオロ基を表す。R11~R20で表されるアルキル基、シクロアルキル基及びアリール基の炭素数は、式(X)について説明したアルキル基、シクロアルキル基及びアリール基の炭素数とそれぞれ同様である。R11~R20は、好ましくは水素原子である。 In the formula, R 11 to R 20 each independently represent a hydrogen atom, an alkyl group, a cycloalkyl group, an aryl group, or a fluoro group. The carbon numbers of the alkyl group, cycloalkyl group, and aryl group represented by R 11 to R 20 are the same as the carbon numbers of the alkyl group, cycloalkyl group, and aryl group described for formula (X), respectively. R 11 to R 20 are preferably hydrogen atoms.
モノスルホン酸エステルとしては、例えば、1,3-プロパンスルトン、1,4-ブタンスルトン、2,4-ブタンスルトン、1,3-プロペンスルトン、1,4-ブテンスルトン、1-メチル-1,3-プロパンスルトン、3-メチル-1,3-プロパンスルトン、1-フルオロ-1,3-プロパンスルトン、及び3-フルオロ-1,3-プロパンスルトンが挙げられる。モノスルホン酸エステルは、電気化学デバイスの性能を更に向上させることができる観点から、好ましくは、1,3-プロパンスルトン(式(X-1)において、R11~R16のすべてが水素原子である化合物)又は1-プロペン-1,3-スルトン(式(X-2)において、R17~R20のすべてが水素原子である化合物)である。 Examples of the monosulfonic acid ester include 1,3-propane sultone, 1,4-butane sultone, 2,4-butane sultone, 1,3-propene sultone, 1,4-butene sultone, 1-methyl-1,3-propane sultone, 3-methyl-1,3-propane sultone, 1-fluoro-1,3-propane sultone, and 3-fluoro-1,3-propane sultone. From the viewpoint of further improving the performance of the electrochemical device, the monosulfonic acid ester is preferably 1,3-propane sultone (a compound in which all of R 11 to R 16 in formula (X-1) are hydrogen atoms) or 1-propene-1,3-sultone (a compound in which all of R 17 to R 20 in formula (X-2) are hydrogen atoms).
-OSO2-基を2つ含む環を有する環状スルホン酸エステル化合物は、例えば下記式(X-3)で表される化合物(ジスルホン酸エステル)であってよい。
B1及びB2は、好ましくは、炭素数1又は2の無置換のアルキレン基である。ジスルホン酸エステルとしては、例えば、メチレンメタンジスルホン酸エステル、及びエチレンメタンジスルホン酸エステルが挙げられる。 B1 and B2 are preferably an unsubstituted alkylene group having 1 or 2 carbon atoms. Examples of disulfonic acid esters include methylenemethane disulfonic acid ester and ethylenemethane disulfonic acid ester.
硫黄原子を有する環状化合物は、例えば、式(Y)で表される化合物又は式(Z)で表される化合物であってもよい。
A2及びA3におけるアルキル基、シクロアルキル基及びアリール基の炭素数は、式(X)について説明したアルキル基、シクロアルキル基及びアリール基の炭素数とそれぞれ同様である。 The numbers of carbon atoms of the alkyl group, cycloalkyl group and aryl group in A2 and A3 are the same as the numbers of carbon atoms of the alkyl group, cycloalkyl group and aryl group explained in relation to formula (X), respectively.
式(Y)で表される化合物としては、例えば、スルホラン、2-メチルスルホラン、3-メチルスルホラン、2-エチルスルホラン、3-エチルスルホラン、2,4-ジメチルスルホラン、2-フェニルスルホラン、3-フェニルスルホラン、スルホレン、及び3-メチルスルホレンが挙げられる。式(Y)で表される化合物は、電気化学デバイスの性能を更に向上させることができる観点から、好ましくはスルホランである。Examples of the compound represented by formula (Y) include sulfolane, 2-methylsulfolane, 3-methylsulfolane, 2-ethylsulfolane, 3-ethylsulfolane, 2,4-dimethylsulfolane, 2-phenylsulfolane, 3-phenylsulfolane, sulfolene, and 3-methylsulfolene. The compound represented by formula (Y) is preferably sulfolane, from the viewpoint of further improving the performance of the electrochemical device.
式(Z)で表される化合物としては、例えば、エチレンサルファイト、プロピレンサルファイト、ブチレンサルファイト、ビニレンサルファイト、及びフェニルエチレンサルファイトが挙げられる。式(Z)で表される化合物は、電気化学デバイスの性能を更に向上させることができる観点から、好ましくはエチレンサルファイトである。Examples of compounds represented by formula (Z) include ethylene sulfite, propylene sulfite, butylene sulfite, vinylene sulfite, and phenylethylene sulfite. The compound represented by formula (Z) is preferably ethylene sulfite, from the viewpoint of further improving the performance of the electrochemical device.
硫黄原子を有する環状化合物の含有量は、電解液全量を基準として、0.001質量%以上、0.005質量%以上、0.01質量%以上、0.05質量%以上、又は0.1質量%以上であってよく、10質量%以下、5質量%以下、3質量%以下、2質量%以下、又は1質量%以下であってよい。The content of the cyclic compound having a sulfur atom may be 0.001% by mass or more, 0.005% by mass or more, 0.01% by mass or more, 0.05% by mass or more, or 0.1% by mass or more, based on the total amount of the electrolyte, and may be 10% by mass or less, 5% by mass or less, 3% by mass or less, 2% by mass or less, or 1% by mass or less.
添加剤は、ニトリル化合物を含んでよい。ニトリル化合物は、シアノ基(ニトリル基)を少なくとも1つ有する化合物である。ニトリル化合物は、シアノ基を1つ又は2つ以上有していてよく、シアノ基を2つ又は3つ有していてもよい。The additive may include a nitrile compound. The nitrile compound is a compound having at least one cyano group (nitrile group). The nitrile compound may have one or more cyano groups, or may have two or three cyano groups.
シアノ基を1つ有するニトリル化合物としては、例えば、ブチロニトリル、バレロニトリル、及びn-ヘプタンニトリルが挙げられる。シアノ基を2つ有するニトリル化合物としては、例えば、スクシノニトリル、グルタルニトリル、アジポニトリル、ピメロニトリル、及びスベロニトリルが挙げられる。シアノ基を3つ有するニトリル化合物としては、例えば、1,2,3-プロパントリカルボニトリル、及び1,3,5-ペンタントリカルボニトリルが挙げられる。Examples of nitrile compounds having one cyano group include butyronitrile, valeronitrile, and n-heptanenitrile. Examples of nitrile compounds having two cyano groups include succinonitrile, glutarnitrile, adiponitrile, pimelonitrile, and suberonitrile. Examples of nitrile compounds having three cyano groups include 1,2,3-propanetricarbonitrile and 1,3,5-pentanetricarbonitrile.
ニトリル化合物は、正極又は負極上にて安定な被膜が形成され、電解液の分解に起因する電池の膨張を抑制できる観点から、好ましくは、シアノ基を2つ以上有し、シアノ基における炭素原子を除く炭素原子の数が2以上のニトリル化合物である。ニトリル化合物は、より好ましくは、シアノ基を2つ又は3つ有し、シアノ基における炭素原子を除く炭素原子の数が2以上の化合物である。ニトリル化合物は、更に好ましくは、スクシノニトリル、グルタルニトリル、アジポニトリル、ピメロニトリル、スベロニトリル、1,2,3-プロパントリカルボニトリル、又は1,3,5-ペンタントリカルボニトリルである。From the viewpoint of forming a stable coating on the positive electrode or negative electrode and suppressing expansion of the battery due to decomposition of the electrolyte, the nitrile compound is preferably a nitrile compound having two or more cyano groups and having two or more carbon atoms excluding the carbon atom in the cyano group. More preferably, the nitrile compound is a compound having two or three cyano groups and having two or more carbon atoms excluding the carbon atom in the cyano group. More preferably, the nitrile compound is succinonitrile, glutaric nitrile, adiponitrile, pimelonitrile, suberonitrile, 1,2,3-propanetricarbonitrile, or 1,3,5-pentanetricarbonitrile.
ニトリル化合物の含有量は、電解液全量を基準として、0.001質量%以上、0.005質量%以上、0.01質量%以上、0.05質量%以上、又は0.1質量%以上であってよく、10質量%以下、5質量%以下、3質量%以下、2質量%以下、又は1質量%以下であってよい。The content of the nitrile compound may be 0.001% by mass or more, 0.005% by mass or more, 0.01% by mass or more, 0.05% by mass or more, or 0.1% by mass or more, based on the total amount of the electrolyte, and may be 10% by mass or less, 5% by mass or less, 3% by mass or less, 2% by mass or less, or 1% by mass or less.
添加剤の含有量(電解液が2種以上の添加剤を含有する場合はそれらの合計の含有量)は、電解液全量を基準として、0.001質量%以上、0.005質量%以上、0.01質量%以上、0.05質量%以上、又は0.1質量%以上であってよく、10質量%以下、5質量%以下、3質量%以下、2質量%以下、又は1質量%以下であってよい。The content of the additives (the total content of the additives when the electrolyte contains two or more types of additives) may be, based on the total amount of the electrolyte, 0.001% by mass or more, 0.005% by mass or more, 0.01% by mass or more, 0.05% by mass or more, or 0.1% by mass or more, and may be 10% by mass or less, 5% by mass or less, 3% by mass or less, 2% by mass or less, or 1% by mass or less.
電解液の25℃における粘度は、20mPa・s以下、10mPa・s以下、又は5mPa・s以下であってよく、0.5mPa・s以上であってもよい。電解液の25℃における粘度は、差圧式微量粘度計(例えば、RheoSense社製、差圧式微量粘度計マイクロビスク(低粘度用センサーカートリッジHA01-01を適用))により測定される。The viscosity of the electrolyte at 25°C may be 20 mPa·s or less, 10 mPa·s or less, or 5 mPa·s or less, or may be 0.5 mPa·s or more. The viscosity of the electrolyte at 25°C is measured using a differential pressure microviscometer (for example, a differential pressure microviscometer Microvisc manufactured by RheoSense (using low viscosity sensor cartridge HA01-01)).
続いて、非水電解液二次電池1の製造方法を説明する。非水電解液二次電池1の製造方法は、正極6を得る第1の工程と、負極8を得る第2の工程と、電極群2を電池外装体3に収容する第3の工程と、電解液を電池外装体3に注液する第4の工程と、を備える。Next, a method for manufacturing the nonaqueous electrolyte
第1の工程では、正極合剤層10に用いる材料を混練機、分散機等を用いて分散媒に分散させてスラリー状の正極合剤を得た後、この正極合剤をドクターブレード法、ディッピング法、スプレー法等により正極集電体9上に塗布し、その後分散媒を揮発させることにより正極6を得る。分散媒を揮発させた後、必要に応じて、ロールプレスによる圧縮成型工程が設けられてもよい。正極合剤層10は、上述した正極合剤の塗布から分散媒の揮発までの工程を複数回行うことにより、多層構造の正極合剤層として形成されてもよい。分散媒は、水、1-メチル-2-ピロリドン(以下、NMPともいう。)等であってよい。In the first step, the material used for the positive
第2の工程は、上述した第1の工程と同様であってよく、負極集電体11に負極合剤層12を形成する方法は、上述した第1の工程と同様の方法であってよい。The second step may be the same as the first step described above, and the method for forming the negative
第3の工程では、作製した正極6及び負極8の間にセパレータ7を挟み、電極群2を形成する。次いで、この電極群2を電池外装体3に収容する。In the third step, a
第4の工程では、電解液を電池外装体3に注入する。電解液は、例えば、はじめにリチウム塩を非水溶媒に溶解させてから、その他の材料を非水溶媒に更に溶解させることにより調製することができる。In the fourth step, the electrolyte is injected into the battery exterior body 3. The electrolyte can be prepared, for example, by first dissolving a lithium salt in a non-aqueous solvent and then further dissolving other materials in the non-aqueous solvent.
他の実施形態として、電気化学デバイスはキャパシタであってもよい。キャパシタは、上述した非水電解液二次電池1と同様に、正極、負極及びセパレータから構成される電極群と、電極群を収容する袋状の電池外装体とを備えていてよい。キャパシタにおける各構成要素の詳細は、非水電解液二次電池1と同様であってよい。In another embodiment, the electrochemical device may be a capacitor. The capacitor may include an electrode group consisting of a positive electrode, a negative electrode, and a separator, and a bag-shaped battery exterior body that houses the electrode group, similar to the nonaqueous electrolyte
以下、実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。The present invention will be described in detail below with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.
[電解液の調製]
(実施例1)
1mol/LのLiPF6を含む、エチレンカーボネート(EC)、ジメチルカーボネート(DMC)及びエチルメチルカーボネート(EMC)の混合溶液(EC/DMC/EMC=1:1:1(体積比))に、電解液全量基準で、1質量%のビニレンカーボネート(VC)、及び0.5質量%の下記式(A)で表される化合物(LiPF6 1molに対して0.033molに相当)を添加して、電解液を調製した。なお、式(A)で表される化合物の25℃における粘度は、0.48mPa・sであった。
Example 1
An electrolyte solution was prepared by adding 1 mass% vinylene carbonate (VC) and 0.5 mass% of a compound represented by the following formula (A) (corresponding to 0.033 mol per 1 mol of LiPF 6 ) to a mixed solution (EC/DMC/EMC = 1:1:1 (volume ratio)) of ethylene carbonate (EC), dimethyl carbonate (DMC) and ethyl methyl carbonate (EMC) containing 1 mol/L of LiPF 6. The viscosity of the compound represented by formula (A) at 25°C was 0.48 mPa·s.
(実施例2)
式(A)で表される化合物の含有量を電解液全量基準で5質量%(LiPF6 1molに対して0.33molに相当)に変更した以外は、実施例1と同様に電解液を調製した。
Example 2
An electrolyte solution was prepared in the same manner as in Example 1, except that the content of the compound represented by formula (A) was changed to 5 mass % (corresponding to 0.33 mol per 1 mol of LiPF 6 ) based on the total mass of the electrolyte solution.
(比較例1)
式(A)で表される化合物を添加しなかった以外は、実施例1と同様に電解液を調製した。
(Comparative Example 1)
An electrolyte solution was prepared in the same manner as in Example 1, except that the compound represented by formula (A) was not added.
[電解液の粘度の測定]
実施例及び比較例の各電解液の25℃における粘度をRheoSense社製、差圧式微量粘度計マイクロビスク(低粘度用センサーカートリッジHA01-01を適用)により測定した。結果を以下に示す。
実施例1:3.00mPa・s
実施例2:2.77mPa・s
比較例1:3.07mPa・s
[Measurement of viscosity of electrolyte]
The viscosity of each of the electrolyte solutions in the Examples and Comparative Examples at 25° C. was measured using a differential pressure type microviscometer Microvisc (applied with low viscosity sensor cartridge HA01-01) manufactured by RheoSense. The results are shown below.
Example 1: 3.00 mPa·s
Example 2: 2.77 mPa·s
Comparative example 1: 3.07 mPa・s
以上のとおり、電解液が式(1)で表される化合物を含有することにより、電解液の低粘度化が図られた。これにより、電解液中でのリチウム塩のカチオン(Li+)の拡散速度が向上し、その結果、電気化学デバイスのレート特性が向上し得る。つまり、電解液が式(1)で表される化合物を含有することにより、電気化学デバイスの性能を向上させることができる。 As described above, the electrolyte solution contains the compound represented by formula (1), thereby reducing the viscosity of the electrolyte solution. This improves the diffusion rate of the lithium salt cation (Li + ) in the electrolyte solution, and as a result, the rate characteristics of the electrochemical device can be improved. In other words, the electrolyte solution contains the compound represented by formula (1), thereby improving the performance of the electrochemical device.
1…非水電解液二次電池(電気化学デバイス)、6…正極、7…セパレータ、8…負極。 1... nonaqueous electrolyte secondary battery (electrochemical device), 6... positive electrode, 7... separator, 8... negative electrode.
Claims (11)
[式(1)中、R1及びR2はメチル基を表し、R3は炭素数2以上5以下のアルキレン基を表し、R4 は水素原子を表す。]
前記式(1)で表される化合物の含有量が、前記電解液全量を基準として、3質量%以上である、電解液。 An electrolyte solution containing a compound represented by the following formula (1) and a lithium salt ,
[In formula (1), R1 and R2 represent a methyl group , R3 represents an alkylene group having 2 to 5 carbon atoms , and R4 represents a hydrogen atom .]
The content of the compound represented by the formula (1) is 3 mass% or more based on the total amount of the electrolyte solution.
前記添加剤の含有量が、前記電解液全量を基準として10質量%以下である、請求項1~5のいずれか一項に記載の電解液。 The composition further contains an additive different from the compound represented by formula (1) and the lithium salt,
The electrolyte solution according to any one of claims 1 to 5 , wherein the content of the additive is 10 mass % or less based on the total amount of the electrolyte solution.
An electrochemical device comprising a positive electrode, a negative electrode, and the electrolyte solution according to any one of claims 1 to 10 .
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