JP7749143B2 - Electrolyte and battery using same - Google Patents
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Description
本発明は、電解液及びそれを用いた電池に関する。より詳しくは、リチウムイオン電池等の電池を構成する電解液及びそれを用いた電池に関する。 The present invention relates to an electrolyte solution and a battery using the same. More specifically, it relates to an electrolyte solution constituting a battery such as a lithium-ion battery and a battery using the same.
近年、環境問題への関心の高まりを背景に、石油や石炭等の化石燃料からのエネルギー資源の転換が進んでおり、それとともに電池の重要性が高まり、需要増大が見込まれるところである。中でも、繰り返し充放電を行うことができる二次電池は、携帯電話やノートパソコン等の電子機器だけでなく、自動車や航空機等、様々な分野においても使用がすすんでおり、各種二次電池や二次電池に用いられる材料について、研究、開発が行われている。特に、容量が大きく、軽量のリチウムイオン電池については、今後の利用の拡大が最も期待される二次電池であり、最も研究、開発が活発に行われている。In recent years, growing concern about environmental issues has led to a shift in energy resources away from fossil fuels such as oil and coal. This has led to an increase in the importance of batteries, and demand for them is expected to grow. Secondary batteries, which can be repeatedly charged and discharged, are increasingly being used in a variety of fields, including automobiles and aircraft, as well as in electronic devices such as mobile phones and laptops. Research and development is underway on various secondary batteries and the materials used in them. Lithium-ion batteries, which offer large capacity and are lightweight, are particularly anticipated as the type of secondary battery most likely to see increased use in the future, and are the subject of the most active research and development.
例えば、電極に関して、電池の容量や充放電サイクル特性の向上およびガス発生の抑制効果を目的として、電極反応物質を吸蔵および放出することが可能な正極材料を含む粒子と、該粒子の少なくとも一部に設けられた特定の金属塩の被膜とを備える正極活物質を用いる技術が開示されている(特許文献1参照)。また、電解質に関し、リチウムビスフルオロスルホニルイミド(LiFSI)等の特定の構造のスルホニルイミド化合物とフッ素を含有する別のアルカリ金属塩とを含む電解質とすることで電池のサイクル特性を向上させる技術(特許文献2参照)や、電解質とリチウムビスフルオロスルホニルイミド(LiFSI)等の特定の構造のスルホニルイミド化合物とを所定の割合で含み、カーボネート系溶媒を含む電解液とすることで低温環境下におけるイオン伝導度を向上させる技術が開示されている(特許文献3参照)。また、電解質と所定の構造のスルホン酸アニオンを含む化合物を含む非水系電解液が開示され、電解質として各種リチウム塩が開示されている(特許文献4参照)。For example, with regard to electrodes, a technology has been disclosed that uses a positive electrode active material comprising particles containing a positive electrode material capable of absorbing and releasing an electrode reactant, and a coating of a specific metal salt formed on at least a portion of the particles, with the aim of improving battery capacity and charge/discharge cycle characteristics and suppressing gas generation (see Patent Document 1). Furthermore, with regard to electrolytes, a technology has been disclosed that improves battery cycle characteristics by using an electrolyte containing a sulfonylimide compound with a specific structure, such as lithium bisfluorosulfonylimide (LiFSI), and another fluorine-containing alkali metal salt (see Patent Document 2). Another technology has been disclosed that improves ionic conductivity in low-temperature environments by using an electrolyte containing an electrolyte and a sulfonylimide compound with a specific structure, such as lithium bisfluorosulfonylimide (LiFSI), in a specific ratio, in an electrolyte solution containing a carbonate-based solvent (see Patent Document 3). Furthermore, a nonaqueous electrolyte solution has been disclosed that contains an electrolyte and a compound containing a sulfonate anion with a specific structure, and various lithium salts have been disclosed as electrolytes (see Patent Document 4).
上記のように、電池性能を向上させるためにLiFSI等の特定の構造のイミド系アルカリ金属塩を用いる技術が開示されているが、LiFSIを含む電解液は高温で保存した際の自己放電が大きいという課題があった。 As mentioned above, technologies have been disclosed that use imide-based alkali metal salts with specific structures, such as LiFSI, to improve battery performance, but electrolytes containing LiFSI have the problem of high self-discharge when stored at high temperatures.
本発明は、上記現状に鑑みてなされたものであり、LiFSI等のスルホニルイミド化合物を含み、かつ、高温時の自己放電が抑制された電解液を提供することを目的とする。 The present invention was made in consideration of the above-mentioned current situation, and aims to provide an electrolyte solution that contains a sulfonylimide compound such as LiFSI and that suppresses self-discharge at high temperatures.
本発明者は、LiFSI等のスルホニルイミド化合物を含む電解液の高温時の自己放電を抑制する方法について検討し、スルホニルイミド化合物を含む電解液に、所定の構造のヒドロキシ基を有するスルホン酸系又はスルフィン酸系の化合物を添加することで、電解液の高温時の自己放電を抑制することができることを見出し、本発明に到達したものである。 The inventors investigated methods for suppressing self-discharge at high temperatures in electrolyte solutions containing sulfonylimide compounds such as LiFSI, and discovered that adding a sulfonic acid or sulfinic acid compound having a hydroxy group of a specific structure to an electrolyte solution containing a sulfonylimide compound can suppress self-discharge at high temperatures, leading to the present invention.
すなわち本発明は、以下のとおりである。 In other words, the present invention is as follows.
〔1〕下記式(1);
MN(R1SO2)(R2SO2) (1)
(式(1)中、Mはアルカリ金属原子を表す。R1、R2は、同一又は異なって、フッ素原子、炭素数1~6のアルキル基又は炭素数1~6のフルオロアルキル基を表す。)で表されるスルホニルイミド化合物と、下記式(2);
[1] The following formula (1):
MN(R 1 SO 2 )(R 2 SO 2 ) (1)
(in formula (1), M represents an alkali metal atom; R 1 and R 2 are the same or different and represent a fluorine atom, an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, or a fluoroalkyl group having 1 to 6 carbon atoms), with a sulfonylimide compound represented by the following formula (2);
(式(2)中、R3は置換基を有していてもよい炭化水素基を表す。M’は金属原子を表す。aは1以上の整数であり、bは1又は2の数である。c、d、e、nは、同一又は異なって、それぞれ1以上の整数であり、c×d=n×eである。)で表される化合物とを含むことを特徴とする電解液。 (in formula (2), R3 represents a hydrocarbon group which may have a substituent; M' represents a metal atom; a is an integer of 1 or more; b is a number of 1 or 2; c, d, e, and n are the same or different and each is an integer of 1 or more, and c×d=n×e).
〔2〕前記式(2)のR3は置換基を有していてもよい炭素数1~6の炭化水素基であることを特徴とする〔1〕に記載の電解液。 [2] The electrolyte solution according to [1], wherein R 3 in the formula (2) is a hydrocarbon group having 1 to 6 carbon atoms which may have a substituent.
〔3〕前記式(2)で表される化合物を電解液100質量%に対して、0.0005~1.5質量%の割合で含むことを特徴とする〔1〕又は〔2〕に記載の電解液。 [3] An electrolyte solution described in [1] or [2], characterized in that the compound represented by formula (2) is contained in an amount of 0.0005 to 1.5 mass% relative to 100 mass% of the electrolyte solution.
〔4〕前記式(1)で表されるスルホニルイミド化合物を、0.01~5.0mol/Lの割合で含むことを特徴とする〔1〕~〔3〕のいずれかに記載の電解液。 [4] An electrolyte solution described in any of [1] to [3], characterized in that it contains a sulfonylimide compound represented by formula (1) in a ratio of 0.01 to 5.0 mol/L.
〔5〕更にM1PF6、M1BF4、M1PO2F2、M1FSO3(M1は、アルカリ金属原子を表す。)の少なくとも1種を含むことを特徴とする〔1〕~〔4〕のいずれかに記載の電解液。 [5] The electrolyte solution according to any one of [1] to [4], further comprising at least one of M 1 PF 6 , M 1 BF 4 , M 1 PO 2 F 2 , and M 1 FSO 3 (M 1 represents an alkali metal atom).
〔6〕下記式(1);
MN(R1SO2)(R2SO2) (1)
(式(1)中、Mはアルカリ金属原子を表す。R1、R2は、同一又は異なって、フッ素原子、炭素数1~6のアルキル基又は炭素数1~6のフルオロアルキル基を表す。)で表されるスルホニルイミド化合物と、下記式(3);
[6] The following formula (1):
MN(R 1 SO 2 )(R 2 SO 2 ) (1)
(in formula (1), M represents an alkali metal atom; R 1 and R 2 are the same or different and represent a fluorine atom, an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, or a fluoroalkyl group having 1 to 6 carbon atoms), with a sulfonylimide compound represented by the following formula (3);
(式(3)中、R4は置換基を有していてもよい炭化水素基、若しくは、置換基を有していてもよい複数の炭化水素基を酸素原子又は硫黄原子で連結してできる2価の基を表す。R5は水素原子、又は、置換基を有していてもよい炭化水素基を表す。M’’m+は金属カチオン、又は、オニウムカチオンを表し、R4が置換基を有していてもよい炭化水素基の場合はオニウムカチオンを表す。fは1以上の整数であり、gは1又は2の数である。h、i、j、mは、同一又は異なって、それぞれ1以上の整数であり、h×i=m×jである。)で表される化合物とを含むことを特徴とする電解液。 (in formula (3), R4 represents a hydrocarbon group which may have a substituent, or a divalent group formed by linking multiple hydrocarbon groups which may have a substituent via an oxygen atom or a sulfur atom; R5 represents a hydrogen atom or a hydrocarbon group which may have a substituent; M″ m+ represents a metal cation or an onium cation, and represents an onium cation when R4 is a hydrocarbon group which may have a substituent; f is an integer of 1 or more, and g is a number of 1 or 2; h, i, j, and m are the same or different and each is an integer of 1 or more, and h×i=m×j).
〔7〕前記式(3)のR4は置換基を有していてもよい炭素数1~6の炭化水素基であることを特徴とする〔6〕に記載の電解液。 [7] The electrolyte solution according to [6], wherein R 4 in the formula (3) is a hydrocarbon group having 1 to 6 carbon atoms which may have a substituent.
〔8〕前記式(3)で表される化合物を電解液100質量%に対して、0.0005~1.5質量%の割合で含むことを特徴とする〔6〕又は〔7〕に記載の電解液。 [8] An electrolyte solution described in [6] or [7], characterized in that the compound represented by formula (3) is contained in an amount of 0.0005 to 1.5 mass% relative to 100 mass% of the electrolyte solution.
〔9〕前記式(1)で表されるスルホニルイミド化合物を、0.01~5.0mol/Lの割合で含むことを特徴とする〔6〕~〔8〕のいずれかに記載の電解液。 [9] An electrolyte solution described in any of [6] to [8], characterized in that it contains a sulfonylimide compound represented by formula (1) in a ratio of 0.01 to 5.0 mol/L.
〔10〕更にM1PF6、M1BF4、M1PO2F2、M1FSO3(M1は、アルカリ金属原子を表す。)の少なくとも1種を含むことを特徴とする〔6〕~〔9〕のいずれかに記載の電解液。 [10] The electrolyte solution according to any one of [6] to [9], further comprising at least one of M 1 PF 6 , M 1 BF 4 , M 1 PO 2 F 2 , and M 1 FSO 3 (M 1 represents an alkali metal atom).
〔11〕〔1〕~〔10〕のいずれかに記載の電解液を備えて構成されることを特徴とする電池。 [11] A battery characterized by being constructed using the electrolyte solution described in any one of [1] to [10].
〔12〕前記電池は、下記式(5);
LiNixCoyMnzO2 (5)
(式(5)中、x、y、zは、x+y+z=1、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1を満たす数である。)で表される複合金属酸化物及び/又はLiFePO4を含む正極を備えて構成されることを特徴とする〔11〕に記載の電池。
[12] The battery comprises a lithium secondary battery represented by the following formula (5);
LiNixCoyMnzO2 ( 5 )
(wherein x, y, and z are numbers satisfying x + y + z = 1, 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, and 0 ≦ z ≦ 1.) The battery according to [11], characterized in that it is configured with a positive electrode containing a composite metal oxide represented by the formula (5) and/or LiFePO 4 .
〔13〕前記電池は、Siを含有する負極活物質を備えて構成されることを特徴とする〔11〕又は〔12〕に記載の電池。 [13] A battery described in [11] or [12], characterized in that the battery is constructed with a negative electrode active material containing Si.
本発明の電解液は、LiFSI等のスルホニルイミド化合物を含みながら、高温時の自己放電が抑制された電解液であり、高温での使用が想定される用途向けの電池の電解液等として好適に使用することができる。 The electrolyte solution of the present invention contains a sulfonylimide compound such as LiFSI, yet has suppressed self-discharge at high temperatures, making it suitable for use as an electrolyte solution for batteries intended for use at high temperatures.
以下に本発明を詳述する。
なお、以下において記載する本発明の個々の好ましい形態を2つ以上組み合わせたものもまた、本発明の好ましい形態である。
The present invention will be described in detail below.
It should be noted that a combination of two or more of the individual preferred embodiments of the present invention described below is also a preferred embodiment of the present invention.
1.電解液
本発明の電解液は、上記式(1)で表されるスルホニルイミド化合物と、上記式(2)で表される化合物又は上記式(3)で表される化合物とを含むことを特徴とする。上記式(2)で表される化合物又は上記式(3)で表される化合物を添加することでスルホニルイミド化合物の分解を抑制し、電解液の安定性を向上させることができる。これにより、この電解液を用いた電池を高温で保存した場合においても自己放電を抑制することができる。加えて、高温サイクル時の抵抗上昇も抑制することができる。
本発明の電解液は、上記式(1)で表されるスルホニルイミド化合物に加え、上記式(2)で表される化合物又は上記式(3)で表される化合物のいずれか少なくとも一方を含んでいればよいが、上記式(2)で表される化合物と上記式(3)で表される化合物の両方を含むものであってもよい。
1. Electrolyte The electrolyte of the present invention is characterized by containing a sulfonylimide compound represented by the above formula (1) and a compound represented by the above formula (2) or a compound represented by the above formula (3). By adding the compound represented by the above formula (2) or the above formula (3), decomposition of the sulfonylimide compound can be suppressed, thereby improving the stability of the electrolyte. This makes it possible to suppress self-discharge even when a battery using this electrolyte is stored at high temperatures. In addition, it is possible to suppress an increase in resistance during high-temperature cycling.
The electrolytic solution of the present invention may contain, in addition to the sulfonylimide compound represented by the formula (1), at least one of the compound represented by the formula (2) or the compound represented by the formula (3), but may also contain both the compound represented by the formula (2) and the compound represented by the formula (3).
本発明の電解液における上記式(1)で表されるスルホニルイミド化合物の濃度は、0.01~5.0mol/Lであることが好ましい。スルホニルイミド化合物をこのような濃度で含むことで、電解液がよりイオン伝導性に優れたものとなる。スルホニルイミド化合物の濃度は、より好ましくは、0.05~2.5mol/Lであり、更に好ましくは、0.1~1.5mol/Lである。
上記式(1)で表されるスルホニルイミド化合物の濃度として好ましくは、0.01~5.0mol/Kgであり、より好ましくは、0.05~2.5mol/Kgであり、更に好ましくは、0.1~1.5mol/Kgである。
The concentration of the sulfonylimide compound represented by formula (1) in the electrolytic solution of the present invention is preferably 0.01 to 5.0 mol/L. By including the sulfonylimide compound at such a concentration, the electrolytic solution has better ionic conductivity. The concentration of the sulfonylimide compound is more preferably 0.05 to 2.5 mol/L, and even more preferably 0.1 to 1.5 mol/L.
The concentration of the sulfonylimide compound represented by the formula (1) is preferably 0.01 to 5.0 mol/kg, more preferably 0.05 to 2.5 mol/kg, and even more preferably 0.1 to 1.5 mol/kg.
本発明の電解液における上記式(2)で表される化合物又は上記式(3)で表される化合物の含有割合は、電解液全体100質量%に対して、0.0005~1.5質量%であることが好ましい。上記式(2)で表される化合物又は上記式(3)で表される化合物をこのような割合で含むことで、電解液のイオン伝導性を良好なものとしつつ、電解液の自己放電をより充分に抑制することができる。上記式(2)で表される化合物又は上記式(3)で表される化合物の含有割合は、より好ましくは、電解液全体100質量%に対して0.001~1質量%であり、更に好ましくは、0.01~0.5質量%であり、特に好ましくは、0.05~0.3質量%である。
本発明の電解液が上記式(2)で表される化合物と上記式(3)で表される化合物の両方を含むものである場合、これらの合計含有割合が上記のとおりであることが好ましい。
The content of the compound represented by formula (2) or the compound represented by formula (3) in the electrolyte solution of the present invention is preferably 0.0005 to 1.5% by mass relative to 100% by mass of the entire electrolyte solution. By including the compound represented by formula (2) or the compound represented by formula (3) in such a proportion, the ionic conductivity of the electrolyte solution can be improved while more sufficiently suppressing self-discharge of the electrolyte solution. The content of the compound represented by formula (2) or the compound represented by formula (3) is more preferably 0.001 to 1% by mass, even more preferably 0.01 to 0.5% by mass, and particularly preferably 0.05 to 0.3% by mass relative to 100% by mass of the entire electrolyte solution.
When the electrolytic solution of the present invention contains both the compound represented by the formula (2) and the compound represented by the formula (3), the total content ratio of these is preferably as described above.
本発明の電解液は、アルカリ金属塩として上記スルホニルイミド化合物を含むものであるが、上記スルホニルイミド化合物以外のアルカリ金属塩を含んでいてもよい。
本発明の電解液における上記スルホニルイミド化合物以外のアルカリ金属塩の濃度は特に制限されないが、0~2.5mol/Lであることが好ましい。より好ましくは0~1.5mol/Lであり、更に好ましくは0.1~1.5mol/Lである。
上記スルホニルイミド化合物以外のアルカリ金属塩の濃度として好ましくは、0~2.5mol/Kgであり、より好ましくは0~1.5mol/Kgであり、更に好ましくは0.1~1.5mol/Kgである。
The electrolyte solution of the present invention contains the above-mentioned sulfonylimide compound as an alkali metal salt, but may also contain an alkali metal salt other than the above-mentioned sulfonylimide compound.
The concentration of the alkali metal salt other than the sulfonylimide compound in the electrolytic solution of the present invention is not particularly limited, but is preferably 0 to 2.5 mol/L, more preferably 0 to 1.5 mol/L, and even more preferably 0.1 to 1.5 mol/L.
The concentration of the alkali metal salt other than the sulfonylimide compound is preferably 0 to 2.5 mol/kg, more preferably 0 to 1.5 mol/kg, and even more preferably 0.1 to 1.5 mol/kg.
本発明の電解液が上記式(1)で表されるスルホニルイミド化合物以外のその他のアルカリ金属塩を含む場合、上記式(1)で表されるスルホニルイミド化合物とその他のアルカリ金属塩との合計濃度が、0.5~5mol/Lであることが好ましい。より好ましくは0.8~2.5mol/Lであり、更に好ましくは1~1.5mol/Lである。
本発明の電解液が上記式(1)で表されるスルホニルイミド化合物以外のその他のアルカリ金属塩を含む場合、上記式(1)で表されるスルホニルイミド化合物とその他のアルカリ金属塩との合計濃度は好ましくは、0.5~5mol/Kgであり、より好ましくは0.8~2.5mol/Kgであり、更に好ましくは1~1.5mol/Kgである。
When the electrolytic solution of the present invention contains an alkali metal salt other than the sulfonylimide compound represented by formula (1), the total concentration of the sulfonylimide compound represented by formula (1) and the alkali metal salt is preferably 0.5 to 5 mol/L, more preferably 0.8 to 2.5 mol/L, and even more preferably 1 to 1.5 mol/L.
When the electrolytic solution of the present invention contains an alkali metal salt other than the sulfonylimide compound represented by the above formula (1), the total concentration of the sulfonylimide compound represented by the above formula (1) and the alkali metal salt is preferably 0.5 to 5 mol/kg, more preferably 0.8 to 2.5 mol/kg, and even more preferably 1 to 1.5 mol/kg.
本発明の電解液が上記式(1)で表されるスルホニルイミド化合物以外のその他のアルカリ金属塩を含む場合、電解液中の電解質(上記スルホニルイミド化合物及びこれ以外のアルカリ金属塩の合計)100モル%に対する上記式(1)で表されるスルホニルイミド化合物の割合は、1~99モル%であることが好ましい。これにより上記式(2)で表される化合物又は上記式(3)で表される化合物を含むことによる本発明の作用効果をより充分に発揮することができる。より好ましくは5~90モル%であり、更に好ましくは10~85モル%であり、特に好ましくは、10~70モル%である。 When the electrolytic solution of the present invention contains an alkali metal salt other than the sulfonylimide compound represented by formula (1) above, the proportion of the sulfonylimide compound represented by formula (1) above relative to 100 mol % of the electrolyte in the electrolytic solution (the total of the sulfonylimide compound and other alkali metal salts) is preferably 1 to 99 mol %. This allows the effects of the present invention, which are achieved by including the compound represented by formula (2) or the compound represented by formula (3) above, to be more fully exhibited. It is more preferably 5 to 90 mol %, even more preferably 10 to 85 mol %, and particularly preferably 10 to 70 mol %.
本発明の電解液が含む溶媒の割合は、電解質(上記スルホニルイミド化合物及びこれ以外のアルカリ金属塩)100質量部に対して50~1500質量部であることが好ましい。より好ましくは150~800質量部であり、更に好ましくは300~700質量部である。 The proportion of solvent contained in the electrolytic solution of the present invention is preferably 50 to 1,500 parts by mass per 100 parts by mass of the electrolyte (the above-mentioned sulfonylimide compound and other alkali metal salts). It is more preferably 150 to 800 parts by mass, and even more preferably 300 to 700 parts by mass.
本発明の電解液は、水分を1質量%以下の割合で含んでいてもよいが、水分量として好ましくは200質量ppm以下である。これにより本発明の作用効果をより充分に発揮することができる。水分量としてより好ましくは100質量ppm以下であり、更に好ましくは50質量ppm以下である。水分は、実質的に含まれていなくてもよい(0質量ppm程度でもよい)。
上記水分量は、カールフィッシャー水分測定装置により測定することができる。
The electrolytic solution of the present invention may contain water at a rate of 1% by mass or less, but the water content is preferably 200 ppm by mass or less. This allows the effects of the present invention to be more fully exhibited. The water content is more preferably 100 ppm by mass or less, and even more preferably 50 ppm by mass or less. The electrolytic solution may not substantially contain water (it may be about 0 ppm by mass).
The water content can be measured using a Karl Fischer water content analyzer.
本発明の電解液は、上記式(1)で表されるスルホニルイミド化合物やその他のアルカリ金属塩、上記式(2)で表される化合物又は上記式(3)で表される化合物、溶媒以外のその他の成分を含んでいてもよい。
その他の成分の含有量は、特に制限されないが、電解液100質量%に対して、20質量%以下であることが好ましい。より好ましくは10質量%以下であり、更に好ましくは5質量%以下である。
The electrolyte solution of the present invention may contain other components other than the sulfonylimide compound represented by the above formula (1), other alkali metal salts, the compound represented by the above formula (2), or the compound represented by the above formula (3), and the solvent.
The content of the other components is not particularly limited, but is preferably 20% by mass or less, more preferably 10% by mass or less, and even more preferably 5% by mass or less, relative to 100% by mass of the electrolyte solution.
以下では、本発明の電解液に含まれる必須成分及び任意成分について更に説明する。
<スルホニルイミド化合物>
本発明の電解液は、下記式(1);
MN(R1SO2)(R2SO2) (1)
(式(1)中、Mはアルカリ金属原子を表す。R1、R2は、同一又は異なって、フッ素原子、炭素数1~6のアルキル基又は炭素数1~6のフルオロアルキル基を表す。)で表されるスルホニルイミド化合物を含む。
The essential components and optional components contained in the electrolyte solution of the present invention will be further described below.
<Sulfonylimide Compound>
The electrolyte solution of the present invention is a compound represented by the following formula (1):
MN(R 1 SO 2 )(R 2 SO 2 ) (1)
(in formula (1), M represents an alkali metal atom; R 1 and R 2 are the same or different and represent a fluorine atom, an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, or a fluoroalkyl group having 1 to 6 carbon atoms).
上記式(1)において、Mで表されるアルカリ金属としては、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム等が挙げられる。好ましくは、リチウム、ナトリウム、カリウムであり、より好ましくはリチウムである。 In the above formula (1), examples of alkali metals represented by M include lithium, sodium, potassium, rubidium, etc. Preferred are lithium, sodium, and potassium, and more preferred is lithium.
上記R1、R2における炭素数1~6のアルキル基としては、メチル基、エチル基、n-プロピル基、n-ブチル基、n-ペンチル基(アミル基)、n-ヘキシル基等の直鎖アルキル基;i-プロピル基、sec-ブチル基、i-ブチル基、t-ブチル基、1-メチルブチル基、1-エチルプロピル基、2-メチルブチル基、i-アミル基、ネオペンチル基、1,2-ジメチルプロピル基、1,1-ジメチルプロピル基、t-アミル基、1,3-ジメチルブチル基、3,3-ジメチルブチル基、2-エチルブチル基等の分岐鎖アルキル基;シクロプロピル基、シクロプロピルメチル基、シクロブチル基、シクロブチルメチル基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基等の環状アルキル基が挙げられる。中でも好ましくは直鎖アルキル基である。 Examples of the alkyl group having 1 to 6 carbon atoms for R 1 and R 2 include straight-chain alkyl groups such as methyl, ethyl, n-propyl, n-butyl, n-pentyl (amyl), and n-hexyl; branched-chain alkyl groups such as i-propyl, sec-butyl, i-butyl, t-butyl, 1-methylbutyl, 1-ethylpropyl, 2-methylbutyl, i-amyl, neopentyl, 1,2-dimethylpropyl, 1,1-dimethylpropyl, t-amyl, 1,3-dimethylbutyl, 3,3-dimethylbutyl, and 2-ethylbutyl; and cyclic alkyl groups such as cyclopropyl, cyclopropylmethyl, cyclobutyl, cyclobutylmethyl, cyclopentyl, and cyclohexyl. Of these, straight-chain alkyl groups are preferred.
上記R1、R2におけるアルキル基の炭素数として好ましくは1~4であり、より好ましくは1~3であり、更に好ましくは1~2である。 The alkyl groups in R 1 and R 2 preferably have 1 to 4 carbon atoms, more preferably 1 to 3 carbon atoms, and even more preferably 1 or 2 carbon atoms.
上記R1、R2における炭素数1~6のフルオロアルキル基は、炭素数1~6のアルキル基の炭素原子に結合する水素原子の少なくとも一部がフッ素原子に置換されたものであればよい。上記アルキル基の具体例は上記のとおりである。
炭素数1~6のフルオロアルキル基としては、例えば、フルオロメチル基、ジフルオロメチル基、トリフルオロメチル基、フルオロエチル基、ジフルオロエチル基、トリフルオロエチル基、ペンタフルオロエチル基、フルオロプロピル基、フルオロペンチル基、フルオロヘキシル基等が挙げられる。
The fluoroalkyl group having 1 to 6 carbon atoms in R 1 and R 2 may be an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms in which at least some of the hydrogen atoms bonded to the carbon atoms have been substituted with fluorine atoms. Specific examples of the alkyl group are as described above.
Examples of the fluoroalkyl group having 1 to 6 carbon atoms include a fluoromethyl group, a difluoromethyl group, a trifluoromethyl group, a fluoroethyl group, a difluoroethyl group, a trifluoroethyl group, a pentafluoroethyl group, a fluoropropyl group, a fluoropentyl group, and a fluorohexyl group.
上記R1、R2におけるフルオロアルキル基の炭素数として好ましくは1~4であり、より好ましくは1~3であり、更に好ましくは1~2である。 The fluoroalkyl groups in R 1 and R 2 preferably have 1 to 4 carbon atoms, more preferably 1 to 3 carbon atoms, and even more preferably 1 or 2 carbon atoms.
上記スルホニルイミド化合物としては、例えば、リチウムビス(フルオロスルホニル)イミド、リチウム(フルオロスルホニル)(トリフルオロメチルスルホニル)イミド、リチウム(フルオロスルホニル)(ペンタフルオロエチルスルホニル)イミド、カリウムビス(フルオロスルホニル)イミド、カリウム(フルオロスルホニル)(トリフルオロメチルスルホニル)イミド、ナトリウムビス(フルオロスルホニル)イミド、ナトリウム(フルオロスルホニル)(トリフルオロメチルスルホニル)イミド等が挙げられる。
中でも好ましくは、リチウムビス(フルオロスルホニル)イミド、リチウム(フルオロスルホニル)(トリフルオロメチルスルホニル)イミド、リチウム(フルオロスルホニル)(ペンタフルオロエチルスルホニル)イミドであり、より好ましくはリチウムビス(フルオロスルホニル)イミド(LiFSI)である。
Examples of the sulfonylimide compound include lithium bis(fluorosulfonyl)imide, lithium (fluorosulfonyl)(trifluoromethylsulfonyl)imide, lithium (fluorosulfonyl)(pentafluoroethylsulfonyl)imide, potassium bis(fluorosulfonyl)imide, potassium (fluorosulfonyl)(trifluoromethylsulfonyl)imide, sodium bis(fluorosulfonyl)imide, and sodium (fluorosulfonyl)(trifluoromethylsulfonyl)imide.
Among these, lithium bis(fluorosulfonyl)imide, lithium (fluorosulfonyl)(trifluoromethylsulfonyl)imide, and lithium (fluorosulfonyl)(pentafluoroethylsulfonyl)imide are preferred, and lithium bis(fluorosulfonyl)imide (LiFSI) is more preferred.
<上記式(2)で表される化合物>
下記式(2);
<Compound represented by the above formula (2)>
The following formula (2):
(式(2)中、R3は置換基を有していてもよい炭化水素基を表す。M’は金属原子を表す。aは1以上の整数であり、bは1又は2の数である。c、d、e、nは、同一又は異なって、それぞれ1以上の整数であり、c×d=n×eである。)で表される化合物を含む電解液は、本発明の電解液の実施形態の1つである。 (in formula (2), R3 represents a hydrocarbon group which may have a substituent; M' represents a metal atom; a represents an integer of 1 or more; b represents a number of 1 or 2; c, d, e, and n are the same or different and each represents an integer of 1 or more, and c×d=n×e) is one embodiment of the electrolyte solution of the present invention.
上記式(2)において、R3は置換基を有していてもよい2価の炭化水素基を表す。炭化水素基は直鎖状又は分岐鎖状の鎖状構造のものであっても、環状構造のものであっても、鎖状構造と環状構造の両方を有するものであってもよい。
また炭化水素基は、飽和炭化水素基であってもよく、不飽和炭化水素基であってもよい。
炭化水素基の炭素数は特に制限されないが、鎖状構造のものである場合、1~6であることが好ましい。より好ましくは、1~4であり、更に好ましくは、1~2である。
また炭化水素基が環状構造のもの、又は、鎖状構造と環状構造の両方を有するものである場合、炭化水素基の炭素数は3~12であることが好ましい。より好ましくは、3~10であり、更に好ましくは、5~8である。
In the formula (2), R3 represents a divalent hydrocarbon group which may have a substituent. The hydrocarbon group may have a linear or branched chain structure, a cyclic structure, or both a chain structure and a cyclic structure.
The hydrocarbon group may be a saturated hydrocarbon group or an unsaturated hydrocarbon group.
The number of carbon atoms in the hydrocarbon group is not particularly limited, but in the case of a chain structure, it is preferably 1 to 6, more preferably 1 to 4, and even more preferably 1 or 2.
When the hydrocarbon group has a cyclic structure or both a chain structure and a cyclic structure, the hydrocarbon group preferably has 3 to 12 carbon atoms, more preferably 3 to 10 carbon atoms, and even more preferably 5 to 8 carbon atoms.
上記式(2)のR3が有していてもよい置換基は特に制限されないが、カルボキシル基、スルホン酸基、ホスホン酸基、リン酸及びこれらのエステルや塩;アミノ基、水酸基、ケトン基、スルホン基、チオール基、ハロゲン基等が挙げられる。 The substituent that R3 in the above formula (2) may have is not particularly limited, and examples thereof include a carboxyl group, a sulfonic acid group, a phosphonic acid group, phosphoric acid, and esters and salts thereof; an amino group, a hydroxyl group, a ketone group, a sulfonic acid group, a thiol group, and a halogen group.
上記式(2)において、M’は金属原子を表し、M’n+が金属カチオンを表す。M’の金属元素の種類は特に制限されないが、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビシウム等の周期表第1族元素;ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム等の周期表第2族元素;のいずれかが好ましい。より好ましくは、周期表第1族元素であり、更に好ましくは、リチウムである。 In the above formula (2), M' represents a metal atom, and M'n + represents a metal cation. The type of metal element for M' is not particularly limited, but is preferably either a Group 1 element of the periodic table, such as lithium, sodium, potassium, or rubidium; or a Group 2 element of the periodic table, such as beryllium, magnesium, calcium, or strontium. A Group 1 element of the periodic table is more preferred, and lithium is even more preferred.
上記式(2)において、aは1以上の整数であればよいが、1~12の整数であることが好ましい。より好ましくは、1~6の整数であり、更に好ましくは、1~4の整数である。
上記式(2)において、c、d、e、nは、同一又は異なって、それぞれ1以上の整数であるが、cは、1~4の整数であることが好ましい。より好ましくは、1又は2である。
dは、1~3の整数であることが好ましい。より好ましくは、1又は2である。
In the above formula (2), a may be any integer of 1 or more, but is preferably an integer of 1 to 12. It is more preferably an integer of 1 to 6, and even more preferably an integer of 1 to 4.
In the above formula (2), c, d, e, and n are the same or different and each represents an integer of 1 or more, but c is preferably an integer of 1 to 4, and more preferably 1 or 2.
d is preferably an integer of 1 to 3, more preferably 1 or 2.
<上記式(3)で表される化合物>
下記式(3);
<Compound represented by the above formula (3)>
The following formula (3):
(式(3)中、R4は置換基を有していてもよい炭化水素基、若しくは、置換基を有していてもよい複数の炭化水素基を酸素原子又は硫黄原子で連結してできる2価の基を表す。R5は水素原子、又は、置換基を有していてもよい炭化水素基を表す。M’’m+は金属カチオン、又は、オニウムカチオンを表し、R4が置換基を有していてもよい炭化水素基の場合はオニウムカチオンを表す。fは1以上の整数であり、gは1又は2の数である。h、i、j、mは、同一又は異なって、それぞれ1以上の整数であり、h×i=m×jである。)で表される化合物を含む電解液は、本発明の電解液の実施形態の1つである。 (In formula (3), R4 represents a hydrocarbon group which may have a substituent, or a divalent group formed by linking multiple hydrocarbon groups which may have a substituent via an oxygen atom or a sulfur atom. R5 represents a hydrogen atom or a hydrocarbon group which may have a substituent. M″ m+ represents a metal cation or an onium cation, and represents an onium cation when R4 is a hydrocarbon group which may have a substituent. f represents an integer of 1 or more, and g is a number of 1 or 2. h, i, j, and m are the same or different and each represents an integer of 1 or more, and h×i=m×j.) is one embodiment of the electrolyte solution of the present invention.
上記式(3)において、R4は置換基を有していてもよい2価の炭化水素基、若しくは、置換基を有していてもよい複数の炭化水素基を酸素原子又は硫黄原子で連結してできる2価の基を表す。R4が置換基を有していてもよい2価の炭化水素基である場合、R4としては上記式(2)におけるR3と同様のものが挙げられる。
R4が置換基を有していてもよい複数の炭化水素基を酸素原子又は硫黄原子で連結してできる2価の基である場合、該2価の基は、下記式(4):
In the above formula (3), R4 represents a divalent hydrocarbon group which may have a substituent, or a divalent group formed by linking multiple hydrocarbon groups which may have a substituent via an oxygen atom or a sulfur atom. When R4 is a divalent hydrocarbon group which may have a substituent, examples of R4 include the same as those for R3 in the above formula (2).
When R4 is a divalent group formed by linking a plurality of hydrocarbon groups which may have a substituent with an oxygen atom or a sulfur atom, the divalent group is represented by the following formula (4):
(式(4)中、R6、R7は、同一又は異なって、置換基を有していてもよい炭化水素基を表す。Xは、同一又は異なって、酸素原子又は硫黄原子を表す。rは1~12の数を表す。)のように表される構造であることが好ましい。
上記式(4)中、rは1~12の数であればよいが、1~6であることが好ましい。より好ましくは、1~4であり、更に好ましくは、1~2である。
上記式(4)中、Xは、酸素原子であっても硫黄原子であってもよく、Xが複数ある場合には、酸素原子と硫黄原子の両方が含まれていてもよい。
(In formula (4), R 6 and R 7 are the same or different and represent a hydrocarbon group which may have a substituent; X is the same or different and represents an oxygen atom or a sulfur atom; and r is a number from 1 to 12.)
In the above formula (4), r may be a number from 1 to 12, but is preferably 1 to 6, more preferably 1 to 4, and even more preferably 1 to 2.
In the above formula (4), X may be either an oxygen atom or a sulfur atom, and when there are multiple Xs, they may contain both oxygen atoms and sulfur atoms.
上記式(4)中、R6、R7における炭化水素基は直鎖状又は分岐鎖状の鎖状構造のものであっても、環状構造のものであっても、鎖状構造と環状構造の両方を有するものであってもよい。
また炭化水素基は、飽和炭化水素基であってもよく、不飽和炭化水素基であってもよい。
炭化水素基の炭素数は特に制限されないが、鎖状構造のものである場合、1~6であることが好ましい。より好ましくは、1~4であり、更に好ましくは、1~2である。
また炭化水素基が環状構造のもの、又は、鎖状構造と環状構造の両方を有するものである場合、炭化水素基の炭素数は3~12であることが好ましい。より好ましくは、3~10であり、更に好ましくは、5~8である。
In the above formula (4), the hydrocarbon group in R 6 and R 7 may have a linear or branched chain structure, a cyclic structure, or both a chain structure and a cyclic structure.
The hydrocarbon group may be a saturated hydrocarbon group or an unsaturated hydrocarbon group.
The number of carbon atoms in the hydrocarbon group is not particularly limited, but in the case of a chain structure, it is preferably 1 to 6, more preferably 1 to 4, and even more preferably 1 or 2.
When the hydrocarbon group has a cyclic structure or both a chain structure and a cyclic structure, the hydrocarbon group preferably has 3 to 12 carbon atoms, more preferably 3 to 10 carbon atoms, and even more preferably 5 to 8 carbon atoms.
上記式(3)におけるR5は、水素原子、又は、置換基を有していてもよい炭化水素基を表す。炭化水素基は直鎖状又は分岐鎖状の鎖状構造のものであっても、環状構造のものであっても、鎖状構造と環状構造の両方を有するものであってもよい。
また炭化水素基は、飽和炭化水素基であってもよく、不飽和炭化水素基であってもよい。
炭化水素基の炭素数は特に制限されないが、鎖状構造のものである場合、1~6であることが好ましい。より好ましくは、1~4であり、更に好ましくは、1~2である。
また炭化水素基が環状構造のもの、又は、鎖状構造と環状構造の両方を有するものである場合、炭化水素基の炭素数は3~12であることが好ましい。より好ましくは、3~10であり、更に好ましくは、5~8である。
R5 in the above formula (3) represents a hydrogen atom or a hydrocarbon group which may have a substituent. The hydrocarbon group may have a linear or branched chain structure, a cyclic structure, or both a chain structure and a cyclic structure.
The hydrocarbon group may be a saturated hydrocarbon group or an unsaturated hydrocarbon group.
The number of carbon atoms in the hydrocarbon group is not particularly limited, but in the case of a chain structure, it is preferably 1 to 6, more preferably 1 to 4, and even more preferably 1 or 2.
When the hydrocarbon group has a cyclic structure or both a chain structure and a cyclic structure, the hydrocarbon group preferably has 3 to 12 carbon atoms, more preferably 3 to 10 carbon atoms, and even more preferably 5 to 8 carbon atoms.
上記式(3)、(4)中、R5、R6、及び、R7における炭化水素基が有していてもよい置換基は特に制限されず、上記式(2)のR3の炭化水素基が有していてもよい置換基と同様のものが挙げられる。 In the above formulas (3) and (4), the substituents that the hydrocarbon groups in R5 , R6 , and R7 may have are not particularly limited, and examples thereof include the same substituents that the hydrocarbon group in R3 in the above formula (2) may have.
上記式(3)において、M’’m+が金属カチオンの場合の具体例や好ましいものは上記式(2)のM’n+と同様である。
上記式(3)において、M’’m+がオニウムカチオンの場合、オニウムカチオンとしては、アンモニウムカチオン、ホスホニウムカチオン、オキソニウムカチオン、スルホニウムカチオン、フルオロニウムカチオン、クロロニウムカチオン等が挙げられ、これらのいずれのものであってもよいが、アンモニウムカチオン、ホスホニウムカチオンが好ましい。
In the above formula (3), specific examples and preferred examples when M''m + is a metal cation are the same as those of M'n + in the above formula (2).
In the above formula (3), when M″ m+ is an onium cation, examples of the onium cation include ammonium cation, phosphonium cation, oxonium cation, sulfonium cation, fluoronium cation, and chloronium cation. Any of these may be used, but ammonium cation and phosphonium cation are preferred.
上記式(3)において、f、h、i、j、mの好ましい範囲はそれぞれ上記式(2)のa、c、d、e、nと同様である。 In the above formula (3), the preferred ranges of f, h, i, j, and m are the same as those of a, c, d, e, and n in the above formula (2).
本発明の電解液は、上記式(1)で表されるスルホニルイミド化合物と、上記式(2)で表される化合物又は上記式(3)で表される化合物とを含む限り、その他の成分を含んでいてもよい。
その他の成分としては、上記式(1)で表されるスルホニルイミド化合物以外のその他の電解質や、上記式(2)で表される化合物、上記式(3)で表される化合物以外の添加剤が挙げられる。
The electrolytic solution of the present invention may contain other components as long as it contains the sulfonylimide compound represented by the above formula (1) and the compound represented by the above formula (2) or the compound represented by the above formula (3).
Examples of other components include electrolytes other than the sulfonylimide compound represented by the above formula (1), and additives other than the compound represented by the above formula (2) and the compound represented by the above formula (3).
<その他のアルカリ金属塩>
本発明の電解液が、上記式(1)で表されるスルホニルイミド化合物以外のその他のアルカリ金属塩を含む場合、その他のアルカリ金属塩としては、上記スルホニルイミド化合物以外のアルカリ金属塩であれば特に制限されないが、例えば、LiPF6、LiPO2F2等のフルオロリン酸のアルカリ金属塩;LiFSO3等のフルオロスルホン酸のアルカリ金属塩;LiCF3SO3等のトリフロロメタンスルホン酸のアルカリ金属塩;LiN(CF3SO2)2等のイミド系アルカリ金属塩;LiC(CF3SO2)3等のパーフルオロアルカンスルホニルメチドのアルカリ金属塩;LiPFα(CβF2β+1)6-α(0≦α≦6、1≦β≦2)等のフルオロリン酸塩;LiClO4等の過塩素酸アルカリ金属塩;LiBFγ(CδF2δ+1)4-γ(0≦γ≦4、1≦δ≦2)等のフルオロホウ酸塩;LiBOB等のオキサラトボレートのアルカリ金属塩;リチウムテトラシアノボレート等のシアノホウ酸塩;LiAsF6、LiI、LiSbF6等のアルカリ金属塩等が挙げられ、これらの1種又は2種以上を用いることができる。
<Other alkali metal salts>
When the electrolytic solution of the present invention contains an alkali metal salt other than the sulfonylimide compound represented by the above formula (1), the other alkali metal salt is not particularly limited as long as it is an alkali metal salt other than the above sulfonylimide compound, and examples thereof include alkali metal salts of fluorophosphates such as LiPF 6 and LiPO 2 F 2 ; alkali metal salts of fluorosulfonic acids such as LiFSO 3 ; alkali metal salts of trifluoromethanesulfonic acids such as LiCF 3 SO 3 ; imide-based alkali metal salts such as LiN(CF 3 SO 2 ) 2 ; alkali metal salts of perfluoroalkanesulfonylmethides such as LiC(CF 3 SO 2 ) 3 ; fluorophosphates such as LiPF α (C β F 2 β + 1 ) 6-α (0≦α≦6, 1≦β≦2); alkali metal perchlorates such as LiClO 4 ; and LiBF γ (C δ F 2 δ + 1 ) 4-γ. Examples of suitable borates include fluoroborates (0≦γ≦4, 1≦δ≦2), alkali metal salts of oxalatoborates such as LiBOB, cyanoborates such as lithium tetracyanoborate, and alkali metal salts such as LiAsF 6 , LiI, and LiSbF 6 , and one or more of these can be used.
上記その他のアルカリ金属塩として好ましくは、M1PF6、M1BF4、M1PO2F2、M1FSO3(M1は、アルカリ金属原子を表す。)であり、M1PF6、M1BF4、M1PO2F2、M1FSO3(M1は、アルカリ金属原子を表す。)の少なくとも1種以上を含むことは本発明の電解液の好適な実施形態の1つである。
M1PF6、M1BF4、M1PO2F2、M1FSO3におけるM1のアルカリ金属原子の具体例及び好ましい形態は、上記スルホニルイミド化合物におけるアルカリ金属原子と同様である。
The other alkali metal salts are preferably M 1 PF 6 , M 1 BF 4 , M 1 PO 2 F 2 , and M 1 FSO 3 (M 1 represents an alkali metal atom), and one preferred embodiment of the electrolyte solution of the present invention includes at least one of M 1 PF 6 , M 1 BF 4 , M 1 PO 2 F 2 , and M 1 FSO 3 (M 1 represents an alkali metal atom).
Specific examples and preferred forms of the alkali metal atom of M 1 in M 1 PF 6 , M 1 BF 4 , M 1 PO 2 F 2 and M 1 FSO 3 are the same as those of the alkali metal atom in the sulfonylimide compound.
<溶媒>
本発明の電解液が含む溶媒は、非水系であって、上記電解質(スルホニルイミド化合物及びこれ以外のアルカリ金属塩)、上記式(2)で表される化合物、上記式(3)で表される化合物及び後述するその他の成分を溶解させることができる限り特に制限されないが、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジエチルカーボネート等の鎖状カーボネート類;エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、クロロエチレンカーボネート等の環状カーボネート類;テトラヒドロフラン、2-メチルテトラヒドロフラン、1,4-ジオキサン、1,1-ジメトキシエタン、1,2-ジメトキシエタン、1,2-ジエトキシエタン、1,2-ジブトキシエタン等のエーテル類;γ-ブチロラクトン、γ-バレロラクトン、α-メチル-γ-ブチロラクトン等のラクトン類;酢酸エチル、プロピオン酸メチルや酪酸メチル等の鎖状カルボン酸エステル類;フルオロエチレンカーボネート、4,5-ジフルオロエチレンカーボネート、4,4-ジフルオロエチレンカーボネート、テトラフルオロエチレンカーボネート、4-フルオロ-5-メチルエチレンカーボネート等のフッ素化環状カーボネート類;トリフルオロジメチルカーボネート、トリフルオロジエチルカーボネート、トリフルオロエチルメチルカーボネート等のフッ素化鎖状カーボネート類;アセトニトリル、プロピオニトリル、スクシノニトリル、アジポニトリル等の鎖状ニトリル等が挙げられる。これらの非水溶媒は、1種を使用しても、2種以上を混合して使用してもよい。中でも好ましくはジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート等の鎖状カーボネート類;エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、フルオロエチレンカーボネート、4,5-ジフルオロエチレンカーボネート等の環状カーボネート類;酢酸エチル、プロピオン酸メチルや酪酸メチル等の鎖状カルボン酸エステル類である。
<Solvent>
The solvent contained in the electrolytic solution of the present invention is non-aqueous and is not particularly limited as long as it can dissolve the electrolyte (sulfonylimide compound and other alkali metal salts), the compound represented by the formula (2), the compound represented by the formula (3), and other components described later. Examples of suitable solvents include: chain carbonates such as dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, and diethyl carbonate; cyclic carbonates such as ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, and chloroethylene carbonate; tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, 1,4-dioxane, 1,1-dimethoxyethane, 1,2-dimethoxyethane, 1,2-diethoxyethane, and 1,2-dibutoxyethane; Examples of suitable non-aqueous solvents include ethers, lactones such as γ-butyrolactone, γ-valerolactone, and α-methyl-γ-butyrolactone, chain carboxylic acid esters such as ethyl acetate, methyl propionate, and methyl butyrate, fluorinated cyclic carbonates such as fluoroethylene carbonate, 4,5-difluoroethylene carbonate, 4,4-difluoroethylene carbonate, tetrafluoroethylene carbonate, and 4-fluoro-5-methylethylene carbonate, fluorinated chain carbonates such as trifluorodimethyl carbonate, trifluorodiethyl carbonate, and trifluoroethylmethyl carbonate, and chain nitriles such as acetonitrile, propionitrile, succinonitrile, and adiponitrile. These non-aqueous solvents may be used alone or in combination of two or more. Among these, preferred are chain carbonates such as dimethyl carbonate, diethyl carbonate, and ethyl methyl carbonate; cyclic carbonates such as ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, fluoroethylene carbonate, and 4,5-difluoroethylene carbonate; and chain carboxylic acid esters such as ethyl acetate, methyl propionate, and methyl butyrate.
上記溶媒の含有量は特に制限されず、本実施形態に係る発明の効果を著しく損なわない限り任意であるが、上記溶媒のうち、環状カーボネート類を使用する場合の含有量は、非水系電解液の非水系溶媒全量に対して、好ましくは5体積%以上であり、より好ましくは10体積%以上である。また環状カーボネート類の含有量は、非水系電解液の非水系溶媒全量に対して、好ましくは50体積%以下であり、より好ましくは40体積%以下であり、更に好ましくは30体積%以下であり、特に好ましくは25体積%以下である。
また環状カーボネート類の含有量の範囲としては、非水系電解液の非水系溶媒全量に対して、好ましくは5~50体積%であり、より好ましくは5~40体積%であり、更に好ましくは10~30体積%であり、特に好ましくは10~25体積%である。
The content of the solvent is not particularly limited and may be any as long as it does not significantly impair the effects of the present invention, but when cyclic carbonates are used among the solvents, the content is preferably 5% by volume or more, more preferably 10% by volume or more, based on the total amount of non-aqueous solvents in the non-aqueous electrolyte solution. The content of the cyclic carbonates is preferably 50% by volume or less, more preferably 40% by volume or less, even more preferably 30% by volume or less, and particularly preferably 25% by volume or less, based on the total amount of non-aqueous solvents in the non-aqueous electrolyte solution.
The range of the content of the cyclic carbonates relative to the total amount of the nonaqueous solvent in the nonaqueous electrolyte solution is preferably 5 to 50% by volume, more preferably 5 to 40% by volume, even more preferably 10 to 30% by volume, and particularly preferably 10 to 25% by volume.
また上記溶媒のうち、鎖状カルボン酸エステル類、鎖状カーボネート類を使用する場合の含有量は特に限定されないが、非水系電解液の非水系溶媒全量に対して、好ましくは50体積%以上であり、より好ましくは60体積%以上であり、更に好ましくは70体積%以上であり、特に好ましくは、75体積%以上である。また鎖状カルボン酸エステル類、鎖状カーボネート類の含有量は非水系電解液の非水系溶媒全量に対して、好ましくは95体積%以下であり、より好ましくは 90体積%以下である。
また鎖状カルボン酸エステル類、鎖状カーボネート類の含有量の範囲としては、非水系電解液の非水系溶媒全量に対して、好ましくは50~95体積%であり、より好ましくは60~95体積%であり、更に好ましくは70~90体積%であり、より好ましくは75~90体積%である。
Furthermore, when chain carboxylic acid esters and chain carbonates are used among the above solvents, their contents are not particularly limited, but are preferably 50% by volume or more, more preferably 60% by volume or more, even more preferably 70% by volume or more, and particularly preferably 75% by volume or more, based on the total amount of nonaqueous solvents in the nonaqueous electrolyte solution. Furthermore, the contents of chain carboxylic acid esters and chain carbonates are preferably 95% by volume or less, more preferably 90% by volume or less, based on the total amount of nonaqueous solvents in the nonaqueous electrolyte solution.
The range of the content of the chain carboxylic acid esters and chain carbonates relative to the total amount of the nonaqueous solvent in the nonaqueous electrolyte solution is preferably 50 to 95% by volume, more preferably 60 to 95% by volume, even more preferably 70 to 90% by volume, and still more preferably 75 to 90% by volume.
また溶媒として環状カーボネート類と、鎖状カルボン酸エステル類及び/又は鎖状カーボネート類とを組み合わせて用いる場合、環状カーボネート類と、鎖状カルボン酸エステル類及び/又は鎖状カーボネート類との体積比((環状カーボネート類)/(鎖状カルボン酸エステル類及び/又は鎖状カーボネート類))は、5/95~50/50であることが好ましい。より好ましくは、5/95~40/60であり、更に好ましくは、10/90~30/70であり、特に好ましくは、10/90~25/75である。 Furthermore, when cyclic carbonates are used in combination with chain carboxylic acid esters and/or chain carbonates as a solvent, the volume ratio of the cyclic carbonates to the chain carboxylic acid esters and/or chain carbonates ((cyclic carbonates)/(chain carboxylic acid esters and/or chain carbonates)) is preferably 5/95 to 50/50. It is more preferably 5/95 to 40/60, even more preferably 10/90 to 30/70, and particularly preferably 10/90 to 25/75.
<その他の成分>
本発明の電解液における、上記式(1)で表されるスルホニルイミド化合物やその他のアルカリ金属塩、上記式(2)で表される化合物、上記式(3)で表される化合物、溶媒以外のその他の成分としては、例えば、炭酸ビニレン、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、2-ビニル炭酸エチレン、フェニルエチレンカーボネート、エリスリタンカーボネート等のカーボネート化合物;1,3-プロパンサルトン、1,4-ブタンサルトン、1,5-ペンタンサルトン、1,4-へキサンサルトン、4,6-ヘプタンサルトン、メタンスルホン酸メチル、ベンゼンスルホン酸メチル、トリフルオロメタンスルホン酸メチル等のスルホン酸エステル;スルホラン、3-メチルスルホラン、エチルメチルスルホン、ジフェニルスルホン、ビス(4-フルオロフェニル)スルホン等のスルホン化合物;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;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-メチルスクシイミド等の含窒素化合物;スルファミン酸(アミド硫酸、H3NSO3);スルファミン酸塩(リチウム塩、ナトリウム塩、カリウム塩等のアルカリ金属塩;カルシウム塩、ストロンチウム塩、バリウム塩等のアルカリ土類金属塩;マンガン塩、銅塩、亜鉛塩、鉄塩、コバルト塩、ニッケル塩等の他の金属塩;アンモニウム塩;グアニジン塩等);モノフルオロリン酸塩、ジフルオロリン酸塩などのリン酸塩;フルオロスルホン酸リチウム(LiFSO3)、フルオロスルホン酸ナトリウム(NaFSO3)、フルオロスルホン酸カリウム(KFSO3)、フルオロスルホン酸マグネシウム(Mg(FSO3)2)等のフルオロスルホン酸化合物;ヘプタン、オクタン、シクロヘプタン、シクロへキシルベンゼン、アミルベンゼン等の炭化水素化合物;等が挙げられ、これらの1種又は2種以上を用いることができる。
<Other ingredients>
In the electrolytic solution of the present invention, other components besides the sulfonylimide compound represented by the above formula (1), other alkali metal salts, the compound represented by the above formula (2), the compound represented by the above formula (3), and the solvent include, for example, carbonate compounds such as vinylene carbonate, methyl vinylene carbonate, ethyl vinylene carbonate, 2-vinyl ethylene carbonate, phenyl ethylene carbonate, and erythritol carbonate; sulfonates such as 1,3-propane sultone, 1,4-butane sultone, 1,5-pentane sultone, 1,4-hexane sultone, 4,6-heptane sultone, methyl methanesulfonate, methyl benzenesulfonate, and methyl trifluoromethanesulfonate; sulfonic acid esters; sulfone compounds such as sulfolane, 3-methylsulfolane, ethylmethylsulfone, diphenylsulfone, and bis(4-fluorophenyl)sulfone; carboxylic acid anhydrides such as succinic anhydride, glutaric anhydride, maleic anhydride, citraconic anhydride, glutaconic anhydride, itaconic anhydride, diglycolic anhydride, cyclohexanedicarboxylic anhydride, cyclopentanetetracarboxylic dianhydride, and phenylsuccinic anhydride; nitrogen-containing compounds such as 1-methyl-2-pyrrolidinone, 1-methyl-2-piperidone, 3-methyl-2-oxazolidinone, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, and N-methylsuccinimide; sulfamic acid (amidosulfuric acid, H 3NSO3 ); sulfamates (alkali metal salts such as lithium salts, sodium salts, and potassium salts; alkaline earth metal salts such as calcium salts, strontium salts, and barium salts; other metal salts such as manganese salts, copper salts, zinc salts, iron salts, cobalt salts, and nickel salts; ammonium salts; guanidine salts, etc.); phosphates such as monofluorophosphates and difluorophosphates; fluorosulfonic acid compounds such as lithium fluorosulfonate ( LiFSO3 ), sodium fluorosulfonate ( NaFSO3 ), potassium fluorosulfonate ( KFSO3 ), and magnesium fluorosulfonate (Mg( FSO3 ) 2 ); hydrocarbon compounds such as heptane, octane, cycloheptane, cyclohexylbenzene, and amylbenzene; and the like, and one or more of these can be used.
2.電池
本発明はまた、本発明の電解液を備えて構成されることを特徴とする電池でもある。
本発明の電解液は、上記式(1)で表されるスルホニルイミド化合物を含みながら、高温で保存した場合の自己放電が効果的に抑制された電解液であり、この電解液を含んで構成された電池もまた、高温で保存した場合の自己放電が効果的に抑制された電池となる。
2. Battery The present invention also provides a battery comprising the electrolyte solution of the present invention.
The electrolyte solution of the present invention is an electrolyte solution that contains the sulfonylimide compound represented by the above formula (1) and that is effectively suppressed in self-discharge when stored at high temperatures, and a battery constructed containing this electrolyte solution is also a battery that is effectively suppressed in self-discharge when stored at high temperatures.
本発明の電池の形状は特に限定されず、円筒型、角型、ラミネート型、コイン型、大型等、電池の形状として従来公知の形状はいずれも使用することができる。また、電気自動車、ハイブリッド電気自動車等に搭載するための高電圧電源(数10V~数100V)として使用する場合には、個々の電池を直列に接続して構成される電池モジュールとすることもできる。 The shape of the battery of the present invention is not particularly limited, and any of the conventionally known battery shapes can be used, such as cylindrical, prismatic, laminated, coin, large, etc. Furthermore, when used as a high-voltage power source (several tens of volts to several hundreds of volts) for installation in electric vehicles, hybrid electric vehicles, etc., it can also be made into a battery module consisting of individual batteries connected in series.
本発明の電池は、アルカリ金属電池であることが好ましい。また電池としては、二次電池であることがより好ましく、リチウムイオン二次電池であることは、本発明の好ましい実施形態の1つである。
以下に、本発明の電池を構成する正極、負極、セパレータについて説明する。
The battery of the present invention is preferably an alkali metal battery, and more preferably a secondary battery, and in one preferred embodiment of the present invention, the battery is a lithium ion secondary battery.
The positive electrode, negative electrode, and separator that constitute the battery of the present invention will be described below.
上記電池を構成する正極としては特に制限されないが、正極活物質、導電助剤、結着剤および分散用溶媒等を含む正極活物質組成物が正極集電体に担持されているものであり、通常、シート状に成形されている。 The positive electrode constituting the above-mentioned battery is not particularly limited, but is typically a positive electrode active material composition containing a positive electrode active material, a conductive additive, a binder, a dispersion solvent, etc., supported on a positive electrode current collector and typically formed into a sheet.
正極の製造方法としては、例えば、正極集電体に正極活物質組成物をドクターブレード法等で塗工したり、正極集電体を正極活物質組成物に浸漬した後に、乾燥する方法;正極活物質組成物を混練成形し乾燥して得たシートを正極集電体に導電性接着剤を介して接合し、プレス、乾燥する方法;液状潤滑剤を添加した正極活物質組成物を正極集電体上に塗布または流延して、所望の形状に成形した後、液状潤滑剤を除去し、次いで、一軸または多軸方向に延伸する方法;等が挙げられる。 Examples of methods for manufacturing positive electrodes include applying a positive electrode active material composition to a positive electrode current collector using a doctor blade method or immersing the positive electrode current collector in the positive electrode active material composition and then drying it; kneading and molding the positive electrode active material composition, drying the resulting sheet, and bonding it to a positive electrode current collector via a conductive adhesive, followed by pressing and drying; and applying or casting a positive electrode active material composition to which a liquid lubricant has been added onto a positive electrode current collector, forming it into the desired shape, removing the liquid lubricant, and then stretching it uniaxially or multiaxially.
正極集電体の材料としては特に限定されず、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、SUS(ステンレス鋼)、チタン等の導電性金属が使用できる。中でも、薄膜に加工し易く、安価であるという観点からは、アルミニウムが好ましい。 The material for the positive electrode current collector is not particularly limited, and conductive metals such as aluminum, aluminum alloys, SUS (stainless steel), and titanium can be used. Among these, aluminum is preferred because it is easy to process into a thin film and is inexpensive.
正極活物質としては、イオンを吸蔵・放出可能であれば良く、従来公知の正極活物質が用いられる。具体的には、M2CoO2、M2NiO2、M2MnO2、M2NixCoyMnzO2やM2NixCoyAlzO2(x、y、zは、x+y+z=1、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1を満たす数である。)で表される三元系酸化物等の複合金属酸化物、M2
pNiqMn(2-q)O4(0.9≦p≦1.1、0<q<1)で表されるニッケルマンガン酸、M3APO4(A=Fe、Mn、Ni、Co)等のオリビン構造を有する化合物、遷移金属を複数取り入れた固溶材料(電気化学的に不活性な層状のM2
2MnO3と、電気化学的に活性な層状のM2M4O([M4=Co、Ni等の遷移金属]との固溶体)(M2はアルカリ金属イオンを表す)等が正極活物質として例示できる。これらの正極活物質は、1種を単独で使用してもよく、または、複数を組み合わせて使用してもよい。
これらの中でも正極活物質としては、下記式(5);
LiNixCoyMnzO2 (5)
(式(5)中、x、y、zは、x+y+z=1、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1を満たす数である。)で表される複合金属酸化物及び/又はLiFePO4が好ましい。このような正極活物質を含む正極を備えて構成される電池は、本発明の好ましい実施形態の1つである。
The positive electrode active material may be any material capable of absorbing and releasing ions, and any known positive electrode active material may be used. Specifically, the materials include composite metal oxides such as ternary oxides represented by M 2 CoO 2 , M 2 NiO 2 , M 2 MnO 2 , M 2 Ni x Co y Mn z O 2 and M 2 Ni x Co y Al z O 2 (x, y, z are numbers that satisfy x + y + z = 1, 0≦x≦1, 0≦y≦1, 0≦z≦1), nickel manganese oxides represented by M 2 p Ni q Mn (2-q) O 4 (0.9≦p≦1.1, 0<q<1), compounds with an olivine structure such as M 3 APO 4 (A=Fe, Mn, Ni, Co), and solid solution materials incorporating multiple transition metals (electrochemically inactive layered M 2 2 MnO 3 and electrochemically active layered M Examples of the positive electrode active material include a solid solution of CoO with a transition metal such as Co or Ni ( M2 represents an alkali metal ion). These positive electrode active materials may be used alone or in combination.
Among these, the positive electrode active material is a compound represented by the following formula (5):
LiNixCoyMnzO2 ( 5 )
(In formula (5), x, y, and z are numbers that satisfy x + y + z = 1, 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, and 0 ≤ z ≤ 1.) and/or LiFePO4 are preferred. A battery configured with a positive electrode containing such a positive electrode active material is one of the preferred embodiments of the present invention.
導電助剤としては、アセチレンブラック、カーボンブラック、グラファイト、金属粉末材料、単層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ、気相法炭素繊維等が挙げられ、これらの1種又は2種以上を用いることができる。 Conductive additives include acetylene black, carbon black, graphite, metal powder materials, single-walled carbon nanotubes, multi-walled carbon nanotubes, vapor-grown carbon fibers, etc., and one or more of these can be used.
結着剤としては、ポリビニリデンフロライド、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系樹脂;スチレン-ブタジエンゴム、ニトリルブタジエンゴム等の合成ゴム;ポリアミドイミド等のポリアミド系樹脂;ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン系樹脂;ポリ(メタ)アクリル系樹脂;ポリアクリル酸;カルボキシメチルセルロース等のセルロース系樹脂;等が挙げられ、これらの1種又は2種以上を用いることができる。これらの結着剤は、使用の際に溶媒に溶けた状態であっても、溶媒に分散した状態であっても構わない。 Examples of binders include fluorine-based resins such as polyvinylidene fluoride and polytetrafluoroethylene; synthetic rubbers such as styrene-butadiene rubber and nitrile butadiene rubber; polyamide-based resins such as polyamideimide; polyolefin-based resins such as polyethylene and polypropylene; poly(meth)acrylic resins; polyacrylic acid; cellulose-based resins such as carboxymethyl cellulose; and the like. One or more of these can be used. These binders may be dissolved in a solvent or dispersed in a solvent when used.
導電助剤および結着剤の配合量は、電池の使用目的(出力重視、エネルギー重視など)、イオン伝導性等を考慮して適宜調整することができる。 The amount of conductive additive and binder can be adjusted appropriately taking into account the intended use of the battery (emphasis on output, emphasis on energy, etc.), ionic conductivity, etc.
正極を製造するに際して、正極活物質組成物に用いられる溶媒としては、N-メチルピロリドン、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、メチルエチルケトン、テトラヒドロフラン、アセトニトリル、アセトン、エタノール、酢酸エチル、水等が挙げられる。これらの溶媒は組み合わせて使用してもよい。溶媒の使用量は特に限定されず、製造方法や、使用する材料に応じて適宜決定すればよい。 When manufacturing a positive electrode, solvents used in the positive electrode active material composition include N-methylpyrrolidone, dimethylformamide, dimethylacetamide, methyl ethyl ketone, tetrahydrofuran, acetonitrile, acetone, ethanol, ethyl acetate, water, etc. These solvents may be used in combination. The amount of solvent used is not particularly limited and may be determined appropriately depending on the manufacturing method and materials used.
上記電池を構成する負極としては特に制限されないが、負極活物質、分散用溶媒、結着剤および必要に応じて導電助剤等を含む負極活物質組成物が負極集電体に担持されているものであり、通常、シート状に成形されている。 The negative electrode constituting the above-mentioned battery is not particularly limited, but is typically a negative electrode active material composition containing a negative electrode active material, a dispersion solvent, a binder, and optionally a conductive additive, etc., supported on a negative electrode current collector and typically formed into a sheet.
負極集電体の材料としては、銅、鉄、ニッケル、銀、ステンレス鋼(SUS)等の導電性金属を用いることができる。なお、薄膜への加工が容易である観点からは、銅が好ましい。 Conductive metals such as copper, iron, nickel, silver, and stainless steel (SUS) can be used as materials for the negative electrode current collector. Copper is preferred because it can be easily processed into a thin film.
負極活物質としては、電池で使用される従来公知の負極活物質を用いることができ、イオンを吸蔵・放出可能なものであればよい。具体的には、アルカリ金属、アルカリ金属-アルミニウム合金等の金属合金、人造黒鉛、天然黒鉛等の黒鉛材料、石炭、石油ピッチから作られるメソフェーズ焼成体、難黒鉛化性炭素等の炭素材料、Si、Si合金、SiO等のSi系負極材料、Sn合金等のSn系負極材料を用いることができる。
これらの中でも負極活物質としては、Siを含有するSi系負極材料が好ましい。このような負極活物質を含む負極を備えて構成される電池は、本発明の好ましい実施形態の1つである。
The negative electrode active material may be any conventionally known negative electrode active material used in batteries, as long as it is capable of absorbing and releasing ions. Specifically, examples of the negative electrode active material include alkali metals, metal alloys such as alkali metal-aluminum alloys, graphite materials such as artificial graphite and natural graphite, mesophase sintered bodies made from coal and petroleum pitch, carbon materials such as non-graphitizable carbon, Si-based negative electrode materials such as Si, Si alloys, and SiO, and Sn-based negative electrode materials such as Sn alloys.
Among these, a Si-based negative electrode material containing Si is preferred as the negative electrode active material. A battery comprising a negative electrode containing such a negative electrode active material is one of the preferred embodiments of the present invention.
負極の製造方法としては、正極の製造方法と同様の方法を採用することができる。また、負極の製造時に使用する導電助剤、結着剤、材料分散用の溶媒も、正極で用いられるものと同様のものが用いられる。 The negative electrode can be manufactured using the same method as the positive electrode. Furthermore, the conductive additives, binders, and solvents for dispersing materials used in manufacturing the negative electrode are the same as those used in manufacturing the positive electrode.
セパレータは正極と負極とを隔てるように配置されるものである。
上記電池を構成するセパレータは、特に制限されず、通常用いられるセパレータを使用することができる。
セパレータとしては、例えば、非水電解液を吸収・保持し得るポリマーからなる多孔性シート(例えば、ポリオレフィン系微多孔質セパレータやセルロース系セパレータなど)、不織布セパレータ、多孔質金属体等が挙げられる。中でも、ポリオレフィン系微多孔質セパレータは、有機溶媒に対して化学的に安定であるという性質を有するため好適である。
The separator is disposed to separate the positive electrode from the negative electrode.
The separator constituting the battery is not particularly limited, and any separator that is commonly used can be used.
Examples of the separator include a porous sheet made of a polymer capable of absorbing and retaining a non-aqueous electrolyte solution (e.g., a polyolefin-based microporous separator or a cellulose-based separator), a nonwoven fabric separator, a porous metal body, etc. Among these, a polyolefin-based microporous separator is preferred because it is chemically stable against organic solvents.
上記多孔性シートの材質としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリプロピレン/ポリエチレン/ポリプロピレンの3層構造を有する積層体等が挙げられる。 Examples of materials for the porous sheet include polyethylene, polypropylene, and laminates having a three-layer structure of polypropylene/polyethylene/polypropylene.
上記不織布セパレータの材質としては、例えば、綿、レーヨン、アセテート、ナイロン、ポリエステル、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリイミド、アラミド、ガラス等が挙げられ、非水電解液層に要求される機械的強度等に応じて、上記例示の材質を単独で、または、混合して用いることができる。 Examples of materials for the nonwoven fabric separator include cotton, rayon, acetate, nylon, polyester, polypropylene, polyethylene, polyimide, aramid, glass, etc., and the above-mentioned materials can be used alone or in combination depending on the mechanical strength required of the nonaqueous electrolyte layer.
以下に実施例を掲げて本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。なお、特に断りのない限り、「部」は「重量部」を、「%」は「質量%」を意味するものとする。The present invention will be explained in more detail below with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples. Unless otherwise specified, "parts" means "parts by weight" and "%" means "% by mass."
合成例1:2-(2-ヒドロキシエトキシ)エタンスルホン酸リチウムの合成
100mlのフラスコに、亜硫酸リチウム・n水和物3.2gとイオン交換水10mL、エチレングリコールモノ2-クロロエチルエーテル3.3gを加え、22時間加熱還流した。減圧下、揮発分を留去したのち、10mlのエタノールを加え、不溶部をろ過により取り除いた。ろ液のエタノールを減圧下で留去したのち、析出した固体を大量のアセトンで洗浄し、乾燥することで目的とする化合物を収量1.9gで得た。
Synthesis Example 1: Synthesis of lithium 2-(2-hydroxyethoxy)ethanesulfonate 3.2 g of lithium sulfite n-hydrate, 10 mL of ion-exchanged water, and 3.3 g of ethylene glycol mono-2-chloroethyl ether were added to a 100 mL flask and heated under reflux for 22 hours. After volatile matter was distilled off under reduced pressure, 10 mL of ethanol was added, and the insoluble matter was removed by filtration. After the ethanol was distilled off from the filtrate under reduced pressure, the precipitated solid was washed with a large amount of acetone and dried to obtain 1.9 g of the target compound.
合成例2:ヒドロキシエタンスルホン酸テトラブチルホスホニウムの合成
ヒドロキシエタンスルホン酸70%水溶液1.3gに40%テトラブチルホスホニウムヒドロキシド5.0gを0℃で滴下したのち1時間撹拌した。その後、水をエバポレーターで留去したのち、70℃で真空乾燥を行うことで脱水し、目的物2.78gを得た。
Synthesis Example 2: Synthesis of tetrabutylphosphonium hydroxyethanesulfonate 5.0 g of 40% tetrabutylphosphonium hydroxide was added dropwise to 1.3 g of a 70% aqueous solution of hydroxyethanesulfonic acid at 0° C., followed by stirring for 1 hour. Thereafter, water was distilled off using an evaporator, and the resulting mixture was dehydrated by vacuum drying at 70° C., yielding 2.78 g of the target product.
合成例3:ヒドロキシエタンスルホン酸テトラエチルホスホニウムの合成
ヒドロキシエタンスルホン酸70%水溶液0.88gに8%テトラエチルホスホニウムヒドロキシド10.8gを0℃で滴下したのち1時間撹拌した。その後、水をエバポレーターで留去したのち、70℃で真空乾燥を行うことで脱水し、目的物1.28gを得た。
Synthesis Example 3: Synthesis of tetraethylphosphonium hydroxyethanesulfonate 10.8 g of 8% tetraethylphosphonium hydroxide was added dropwise to 0.88 g of a 70% aqueous solution of hydroxyethanesulfonic acid at 0° C., followed by stirring for 1 hour. Thereafter, water was distilled off using an evaporator, and the resulting mixture was dehydrated by vacuum drying at 70° C., yielding 1.28 g of the target product.
合成例4:ヒドロキシエタンスルホン酸テトラメチルアンモニウムの合成
ヒドロキシエタンスルホン酸70%水溶液1.8gに25%テトラメチルアンモニウムヒドロキシド3.7gを0℃で滴下したのち1時間撹拌した。その後、水をエバポレーターで留去したのち、60℃で真空乾燥を行うことで脱水し、目的物1.98gを得た。
Synthesis Example 4: Synthesis of tetramethylammonium hydroxyethanesulfonate 3.7 g of 25% tetramethylammonium hydroxide was added dropwise to 1.8 g of a 70% aqueous solution of hydroxyethanesulfonic acid at 0° C., followed by stirring for 1 hour. Thereafter, water was distilled off using an evaporator, and the resulting mixture was dehydrated by vacuum drying at 60° C., yielding 1.98 g of the target product.
合成例5:2-メトキシエタンスルホン酸リチウムの合成 Synthesis Example 5: Synthesis of lithium 2-methoxyethanesulfonate
2-クロロエチルメチルエーテル8.05g(85.1mmol)、亜硫酸リチウム・n水和物11.82g(60%として75mmol)、イオン交換水20gを加え、加熱還流20hを行ったのち、水を減圧下留去した。60℃真空下にて一晩乾燥後、メタノールに溶解させ、不溶部をろ過で取り除き、メタノールを減圧下にて除いて得られた粘ちょう物にアセトンを加え、アセトン可溶部を抽出しアセトンを乾固させることで目的化合物を得た。8.05 g (85.1 mmol) of 2-chloroethyl methyl ether, 11.82 g (75 mmol at 60%) of lithium sulfite n-hydrate, and 20 g of ion-exchanged water were added and heated under reflux for 20 hours, after which the water was distilled off under reduced pressure. After drying overnight under vacuum at 60°C, the mixture was dissolved in methanol, and the insoluble matter was removed by filtration. The methanol was removed under reduced pressure, and acetone was added to the resulting viscous substance. The acetone-soluble matter was extracted, and the acetone was evaporated to dryness to obtain the target compound.
合成例6:2-メトキシエタンスルホン酸ナトリウムの合成
亜硫酸リチウム・n水和物に代えて亜硫酸ナトリウム10.02g(79.5mmol)を使用した以外は合成例5の2-メトキシエタンスルホン酸リチウムの合成と同様に行った。
Synthesis Example 6: Synthesis of sodium 2-methoxyethanesulfonate The synthesis of lithium 2-methoxyethanesulfonate was carried out in the same manner as in Synthesis Example 5, except that 10.02 g (79.5 mmol) of sodium sulfite was used instead of lithium sulfite n-hydrate.
合成例7:2-メトキシエタンスルホン酸テトラブチルホスホニウムの合成
2-メトキシエタンスルホン酸ナトリウム(1.0g)水溶液に塩酸2mlを混合し2時間攪拌した。イソプロピルアルコールに希釈して不溶物を濾別し、ろ液を減圧下、濃縮して2-メトキシエタンスルホン酸を得た。この2-メトキシエタンスルホン酸を水で希釈し、0℃で40%テトラブチルホスホニウムヒドロキシド水溶液をpHが7となるまで滴下し、その後1時間撹拌した。水をエバポレーターで留去したのち、60℃で真空乾燥を行うことで脱水し、目的物を得た。
Synthesis Example 7: Synthesis of tetrabutylphosphonium 2-methoxyethanesulfonate An aqueous solution of sodium 2-methoxyethanesulfonate (1.0 g) was mixed with 2 ml of hydrochloric acid and stirred for 2 hours. The mixture was diluted with isopropyl alcohol, and insoluble matter was filtered off. The filtrate was concentrated under reduced pressure to obtain 2-methoxyethanesulfonic acid. This 2-methoxyethanesulfonic acid was diluted with water, and a 40% aqueous solution of tetrabutylphosphonium hydroxide was added dropwise at 0°C until the pH reached 7, followed by stirring for 1 hour. Water was removed using an evaporator, and the mixture was dehydrated by vacuum drying at 60°C to obtain the target product.
合成例8:2-メトキシエタンスルホン酸テトラメチルアンモニウムの合成
40%テトラブチルホスホニウムヒドロキシド水溶液に代えて8%テトラメチルアンモニウムヒドロキシドを使用した以外は合成例7の2-メトキシエタンスルホン酸テトラブチルホスホニウムの合成と同様に行った。
Synthesis Example 8: Synthesis of tetramethylammonium 2-methoxyethanesulfonate The synthesis of tetrabutylphosphonium 2-methoxyethanesulfonate was carried out in the same manner as in Synthesis Example 7, except that 8% tetramethylammonium hydroxide was used instead of the 40% aqueous tetrabutylphosphonium hydroxide solution.
実施例1-1~1-15、比較例1-1
ジメチルカーボネート(DMC)にLiFSI(日本触媒社製)を2.9mol/L(3.56mol/Kg)となるように溶解し、電解液を作成した。この電解液に表1に記載の化合物をそれぞれ0.1wt%添加し、電解液を作製した。
電解液作製直後(初期)、40℃で1か月保存後、及び、40℃で3か月保存後の電解液をアニオンイオンクロマトグラフィーで分析し、F-、SO4
-イオンを検量した。結果を表1に示す。
Examples 1-1 to 1-15, Comparative Example 1-1
An electrolyte solution was prepared by dissolving LiFSI (manufactured by Nippon Shokubai Co., Ltd.) in dimethyl carbonate (DMC) to a concentration of 2.9 mol/L (3.56 mol/Kg). 0.1 wt % of each of the compounds listed in Table 1 was added to the electrolyte solution.
The electrolyte solutions immediately after preparation (initial stage), after one month of storage at 40° C., and after three months of storage at 40° C. were analyzed by anion chromatography, and F − and SO 4 − ions were calibrated. The results are shown in Table 1.
実施例1-16~1-21
ジメチルカーボネート(DMC)にLiFSI(日本触媒社製)を2.9mol/L(3.56mol/Kg)となるように溶解し、電解液を作成した。この電解液に表1に記載の化合物をそれぞれ0.5wt%添加し、電解液を作製した。
電解液作製直後(初期)、40℃で1か月保存後、及び、40℃で3か月保存後の電解液をアニオンイオンクロマトグラフィーで分析し、F-、SO4
-イオンを検量した。結果を表1に示す。
Examples 1-16 to 1-21
An electrolyte solution was prepared by dissolving LiFSI (manufactured by Nippon Shokubai Co., Ltd.) in dimethyl carbonate (DMC) to a concentration of 2.9 mol/L (3.56 mol/Kg). 0.5 wt % of each of the compounds listed in Table 1 was added to the electrolyte solution.
The electrolyte solutions immediately after preparation (initial stage), after one month of storage at 40° C., and after three months of storage at 40° C. were analyzed by anion chromatography, and F − and SO 4 − ions were calibrated. The results are shown in Table 1.
実施例2-1~2-15、比較例2-1
市販のLiPF6とLiFSI(日本触媒社製)を市販のエチレンカーボネート(EC)とエチルメチルカーボネート(EMC)との混合溶媒(EC/EMC=3/7(vol/vol))にそれぞれが0.6mol/L(0.59mol/Kg)となるように溶解したものに、表2に記載の化合物をそれぞれ0.1wt%添加し、電解液を作製した。
電解液作製直後(初期)、40℃で1か月保存後、及び、40℃で3か月保存後の電解液をアニオンイオンクロマトグラフィーで分析し、F-、SO4
-イオンを検量した。結果を表2に示す。
Examples 2-1 to 2-15, Comparative Example 2-1
Commercially available LiPF6 and LiFSI (manufactured by Nippon Shokubai Co., Ltd.) were dissolved in a commercially available mixed solvent of ethylene carbonate (EC) and ethyl methyl carbonate (EMC) (EC/EMC = 3/7 (vol/vol)) to a concentration of 0.6 mol/L (0.59 mol/Kg), and 0.1 wt % of each of the compounds listed in Table 2 was added to the resulting solution to prepare an electrolyte solution.
The electrolyte solutions immediately after preparation (initial stage), after one month of storage at 40° C., and after three months of storage at 40° C. were analyzed by anion chromatography, and F − and SO 4 − ions were calibrated. The results are shown in Table 2.
実施例2-16~2-21
市販のLiPF6とLiFSI(日本触媒社製)を市販のエチレンカーボネート(EC)とエチルメチルカーボネート(EMC)との混合溶媒(EC/EMC=3/7(vol/vol))にそれぞれが0.6mol/L(0.59mol/Kg)となるように溶解したものに、表2に記載の化合物をそれぞれ0.5wt%添加し、電解液を作製した。
電解液作製直後(初期)、40℃で1か月保存後、及び、40℃で3か月保存後の電解液をアニオンイオンクロマトグラフィーで分析し、F-、SO4
-イオンを検量した。結果を表2に示す。
Examples 2-16 to 2-21
Commercially available LiPF6 and LiFSI (manufactured by Nippon Shokubai Co., Ltd.) were dissolved in a commercially available mixed solvent of ethylene carbonate (EC) and ethyl methyl carbonate (EMC) (EC/EMC = 3/7 (vol/vol)) to a concentration of 0.6 mol/L (0.59 mol/Kg), and 0.5 wt % of each of the compounds listed in Table 2 was added to the solution to prepare an electrolyte solution.
The electrolyte solutions immediately after preparation (initial stage), after one month of storage at 40° C., and after three months of storage at 40° C. were analyzed by anion chromatography, and F − and SO 4 − ions were calibrated. The results are shown in Table 2.
実施例3-1~3-50、比較例3-1
(1)ラミネート電池作製
三元系正極(LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2、ユミコア社製)とアセチレンブラック(デンカブラック)、グラファイト(SP270)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF、♯1120)を100:3:3:3の質量比で秤量し、NMPに分散させスラリーを作成した。作成したスラリーをアルミ箔に片面塗工し、乾燥、ロールプレスを行い、正極を作製した。
グラファイト(SMG/SFG15=85/15):カーボンファイバー(VGCF):スチレンブタジエンゴム(SBR):カルボキシメチルセルロース(CMC)=100:2:1.5:1.5の組成(質量比)の水系スラリーを作成し、銅箔に片面塗工し、乾燥、ロールプレスを行って負極を作成した。
得られた正負極をカットし、極性導出リードを超音波で溶接し、20μmのポリエチレン(PE)セパレータで対向させ、ラミネート外装で3方を封止した。
未封止の一方より実施例、比較例の電解液700μLを添加した。
電解液は、EC/EMC=3/7(vol/vol)混合溶媒にLiFSIとLiPF6をそれぞれが0.6mol/L(0.59mol/Kg)となるように溶解し、表3、4に記載の化合物を表3、4に記載の割合で添加したものを使用した。
注液後の電池に対し、開封状態で0.2C(6mA)、2時間の予備充電を行った。その後、真空封止して常温で3日間放置した。3日後0.5C(15mA)で4.2V、5時間充電→0.2C(6mA)、2.75V終止の充放電を行い、ラミネート1片を開裂し、再度真空封止することでガス抜きを行った。
ガス抜き後の電池を以下の条件で充放電し、セルのコンディショニング工程とした。
[コンディショニング条件]
1サイクル目 充電:3mA 4.2V 定電流定電圧充電 0.3mA終止 ⇒ 放電:6mA 放電 2.75V終止
2サイクル目 充電:6mA 4.2V 定電流定電圧充電 0.6mA終止 ⇒ 放電:6mA 放電 2.75V終止
3サイクル目 充電:6mA 4.2V 定電流定電圧充電 0.6mA終止 ⇒ 放電:30mA 放電 2.75V終止
(2)特性評価
上記(1)で得られた完成電池を用いて、以下の方法により、DCR上昇率の算出、及び、高温保存後のOCV測定を行った。結果を表3、4に示す。
<DCR上昇率>
完成電池に対して30mA 4.2V 0.6mA終止の定電流定電圧充電を行い、満充電状態とした。満充電状態から25℃でDCRを測定した。DCR測定は、満充電完了後30分待機し、6mA(0.2C)で10秒放電した。更に30分待機後に30mA(1C)で10秒放電した。更に30分待機後に90mA(3C)で10秒放電した。各放電電流での放電開始直前と、10秒後の電圧の差分と電流の関係よりI-V直線を作成し、その傾きをDCRとして算出した。
DCR測定後の電池について45℃サイクル試験を700サイクル行い、初期同様に25℃でDCRを測定した。
サイクル条件は充電:4.2V 30mA(1C) 0.6mA(0.05C)終止 10分休止⇒ 放電:30mA(1C) 2.75V終止 10分休止とした。
DCR上昇率は100×(サイクル試験後のDCR)/(サイクル試験前のDCR)(%)として算出した。
<高温保存後のOCV>
コンディショニング後のセルについて、常温にて1C(30mA)、4.2Vで0.02C(0.6mA)終止の定電流定電圧充電を行い、満充電状態とし、65℃で31日保存した。保存前後のセルの開路電圧(OCV:Open Circuit Voltage)を測定した。
Examples 3-1 to 3-50, Comparative Example 3-1
(1) Preparation of laminated battery A ternary positive electrode (LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 , manufactured by Umicore), acetylene black (Denka Black), graphite (SP270), and polyvinylidene fluoride (PVdF, #1120) were weighed in a mass ratio of 100:3:3:3 and dispersed in NMP to prepare a slurry. The prepared slurry was coated on one side of aluminum foil, dried, and roll-pressed to prepare a positive electrode.
An aqueous slurry having a composition (mass ratio) of graphite (SMG/SFG15=85/15):carbon fiber (VGCF):styrene butadiene rubber (SBR):carboxymethyl cellulose (CMC)=100:2:1.5:1.5 was prepared, and the slurry was coated on one side of a copper foil, dried, and roll-pressed to prepare a negative electrode.
The resulting positive and negative electrodes were cut, polarity leads were ultrasonically welded, and the electrodes were placed opposite each other with a 20 μm polyethylene (PE) separator, and the three sides were sealed with a laminate exterior.
700 μL of the electrolyte solution of the example or comparative example was added to one of the unsealed sides.
The electrolyte solution used was prepared by dissolving LiFSI and LiPF6 in a mixed solvent of EC/EMC = 3/7 (vol/vol) so that each was 0.6 mol/L (0.59 mol/Kg), and adding the compounds shown in Tables 3 and 4 in the proportions shown in Tables 3 and 4.
After the electrolyte injection, the battery was precharged at 0.2 C (6 mA) for 2 hours in an unsealed state. It was then vacuum-sealed and left at room temperature for 3 days. After 3 days, it was charged at 0.5 C (15 mA) for 5 hours to 4.2 V, then charged and discharged at 0.2 C (6 mA) until it reached 2.75 V. One piece of the laminate was then opened and vacuum-sealed again to release the gas.
After degassing, the battery was charged and discharged under the following conditions as a cell conditioning step.
[Conditioning conditions]
1st cycle: Charge: 3mA, 4.2V, constant current/constant voltage charge, 0.3mA cutoff ⇒ Discharge: 6mA, discharge, 2.75V cutoff 2nd cycle: Charge: 6mA, 4.2V, constant current/constant voltage charge, 0.6mA cutoff ⇒ Discharge: 6mA, discharge, 2.75V cutoff 3rd cycle: Charge: 6mA, 4.2V, constant current/constant voltage charge, 0.6mA cutoff ⇒ Discharge: 30mA, discharge, 2.75V cutoff (2) Characteristic Evaluation Using the completed batteries obtained in (1) above, the DCR increase rate was calculated and the OCV after high-temperature storage was measured by the following method. The results are shown in Tables 3 and 4.
<DCR increase rate>
The completed battery was charged at a constant current of 30 mA, 4.2 V, and a 0.6 mA cutoff current until fully charged. The DCR was measured at 25°C from the fully charged state. For the DCR measurement, the battery was waited 30 minutes after full charge and then discharged at 6 mA (0.2 C) for 10 seconds. After another 30-minute wait, the battery was discharged at 30 mA (1 C) for 10 seconds. After another 30-minute wait, the battery was discharged at 90 mA (3 C) for 10 seconds. An IV line was created from the relationship between the difference in voltage immediately before and 10 seconds after discharge at each discharge current and the current, and the slope of the line was calculated as the DCR.
After the DCR measurement, the battery was subjected to a 45° C. cycle test for 700 cycles, and the DCR was measured at 25° C. in the same manner as in the initial state.
The cycle conditions were: charge: 4.2 V, 30 mA (1 C), 0.6 mA (0.05 C), termination, 10 minutes rest ⇒ discharge: 30 mA (1 C), 2.75 V, termination, 10 minutes rest.
The DCR increase rate was calculated as 100 x (DCR after the cycle test)/(DCR before the cycle test) (%).
<OCV after high temperature storage>
After conditioning, the cell was charged at room temperature at a constant current and constant voltage of 1 C (30 mA) with a termination of 0.02 C (0.6 mA) at 4.2 V to a fully charged state, and then stored at 65° C. for 31 days. The open circuit voltage (OCV) of the cell was measured before and after storage.
実施例3-51~3-75
添加する化合物を表5のように変更した以外は実施例3-1~3-50と同様にして完成電池を作製し、実施例3-1~3-50と同様にしてDCR上昇率の算出、及び、高温保存後のOCV測定を行った。更に以下の方法により、低温放電維持率の算出を行った。低温放電維持率の算出は比較例3-1についても行った。結果を表5に示す。
<低温放電維持率>
25℃にて6mA 4.2V 定電流定電圧充電0.6mA終止で行い、電池を-25℃で2時間保管したのち、-25℃で定電流放電 30mA 放電 (1C) 2.75V終止にて放電容量を求めた。
低温放電容量維持率は
低温放電容量維持率=100×(-25℃での1C放電容量)/(25℃での1C放電容量=コンディショニング3サイクル目放電容量)
で求めた。
Examples 3-51 to 3-75
Finished batteries were fabricated in the same manner as in Examples 3-1 to 3-50, except that the compounds added were changed as shown in Table 5. The DCR increase rate was calculated and the OCV after high-temperature storage was measured in the same manner as in Examples 3-1 to 3-50. Furthermore, the low-temperature discharge retention rate was calculated by the following method. The calculation of the low-temperature discharge retention rate was also performed for Comparative Example 3-1. The results are shown in Table 5.
<Low temperature discharge maintenance rate>
The battery was charged at 25°C at a constant current of 6 mA and a constant voltage of 4.2 V with a termination of 0.6 mA. After storing the battery at -25°C for 2 hours, the discharge capacity was determined by discharging at a constant current of 30 mA (1C) at -25°C with a termination of 2.75 V.
Low-temperature discharge capacity retention rate = 100 × (1 C discharge capacity at -25°C) / (1 C discharge capacity at 25°C = discharge capacity at the third conditioning cycle)
was calculated.
実施例4-1~4-25、比較例4-1
添加する化合物を表6のように変更した以外は実施例3-1~3-50と同様にしてDCR上昇率の算出、及び、高温保存後のOCV測定を行った。結果を表6に示す。
Examples 4-1 to 4-25, Comparative Example 4-1
The DCR increase rate was calculated and the OCV after high-temperature storage was measured in the same manner as in Examples 3-1 to 3-50, except that the compounds to be added were changed as shown in Table 6. The results are shown in Table 6.
実施例4-26~4-30
添加する化合物を表7のように変更した以外は実施例3-51~3-75と同様にしてDCR上昇率の算出、高温保存後のOCV測定、及び、低温放電容量維持率の算出を行った。低温放電容量維持率の算出は比較例4-1についても行った。結果を表7に示す。
Examples 4-26 to 4-30
The calculation of the DCR increase rate, the OCV measurement after high-temperature storage, and the calculation of the low-temperature discharge capacity retention rate were performed in the same manner as in Examples 3-51 to 3-75, except that the compound to be added was changed as shown in Table 7. The calculation of the low-temperature discharge capacity retention rate was also performed for Comparative Example 4-1. The results are shown in Table 7.
実施例5-1~5-36、比較例5-1~5-7
LiFSIとLiPF6の濃度を表8、9のように変更し、添加する化合物を表8、9のように変更した以外は実施例3-1~3-50と同様にしてDCR上昇率の算出、及び、高温保存後のOCV測定を行った。結果を表8、9に示す。
Examples 5-1 to 5-36, Comparative Examples 5-1 to 5-7
The DCR increase rate was calculated and the OCV after high-temperature storage was measured in the same manner as in Examples 3-1 to 3-50, except that the concentrations of LiFSI and LiPF6 were changed as shown in Tables 8 and 9 and the compounds to be added were changed as shown in Tables 8 and 9. The results are shown in Tables 8 and 9.
実施例6-1~6-36、比較例6-1~6-7
(1)電極の作製
(正極の作製)
三元系正極活物質であるLiNi0.8Co0.1Mn0.1O2(北京当升社製)、アセチレンブラック(AB、デンカ(株)製、製品名:デンカブラック(登録商標))、グラファイト(日本黒鉛工業(株)製、品番:SP270)、及びポリフッ化ビニリデン(PVdF、(株)クレハ製、品番:KF1120)をN-メチル-2-ピロリドン(NMP)中に分散させて正極合材スラリー(正極活物質:AB:グラファイト:PVdF=93:3:3:3(固形分質量比))を作製した。続いて、得られた正極合材スラリーをアルミニウム箔(正極集電体、日本製箔(株)製、厚み15μm)に対して、乾燥後の塗工重量が19.4mg/cm2となるようにアプリケーターで片面塗工し、110℃のホットプレート上で10分間乾燥させた。さらに、110℃の真空乾燥炉で12時間乾燥させた。その後、ロールプレス機により密度3.1g/cm3となるまで加圧成形することにより、シート状の正極を得た。
(負極の作製)
負極活物質として酸化ケイ素(SiO)/黒鉛複合材料(BTR製、品番:BSO-600)、導電助剤(昭和電工(株)製、品番:VGCF-H(登録商標)および(イメリス製、品番:Super-P(登録商標)、スチレン-ブタジエンゴム(SBR、結着剤)及びカルボキシメチルセルロース(CMC、結着剤)を、超純水中に分散させて、負極合材スラリー(負極活物質:VGCF:Super-P:SBR:CMC=90:2:3:3:2(固形分質量比))を作製した。続いて、得られた負極合材スラリーを銅箔(負極集電体、福田金属箔粉工業(株)製、厚み15μm)に対して、乾燥後の塗工重量が6.8mg/cm2となるようにアプリケーターで片面塗工し、80℃のホットプレート上で10分間乾燥させた。さらに、100℃の真空乾燥炉で12時間乾燥させた。その後、ロールプレス機により密度1.3g/cm3となるまで加圧成形することにより、シート状の負極を得た。
(2)特性評価
EC/フルオロエチレンカーボネート(FEC)/EMC=2/1/7(vol/vol)の混合溶媒にLiFSIとLiPF6を表10、11に記載の濃度となるように溶解し、式(2)の化合物として表10、11に記載の化合物を表10、11に記載の添加量で添加した。この電解液と上記(1)で作製した正極、負極とを用いて実施例3-1~3-50と同条件で電池評価を行った。結果を表10、11に示す。
Examples 6-1 to 6-36, Comparative Examples 6-1 to 6-7
(1) Preparation of electrode (preparation of positive electrode)
A ternary positive electrode active material , LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 (manufactured by Beijing Dangsheng Co. , Ltd.), acetylene black (AB, manufactured by Denka Co., Ltd., product name: Denka Black ( registered trademark)), graphite (manufactured by Nippon Graphite Industries Co., Ltd., product number: SP270), and polyvinylidene fluoride (PVdF, manufactured by Kureha Corporation, product number: KF1120) were dispersed in N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) to prepare a positive electrode mixture slurry (positive electrode active material: AB: graphite: PVdF = 93:3:3:3 (mass ratio of solids)). Next, the obtained positive electrode mixture slurry was applied to one side of an aluminum foil (positive electrode current collector, manufactured by Nippon Foil Co., Ltd., thickness 15 μm) using an applicator so that the coating weight after drying would be 19.4 mg/ cm² , and the resultant was dried on a hot plate at 110°C for 10 minutes. The resultant was further dried in a vacuum drying furnace at 110°C for 12 hours. Thereafter, the resultant was pressure-molded using a roll press to a density of 3.1 g/ cm³ , thereby obtaining a sheet-like positive electrode.
(Preparation of negative electrode)
A silicon oxide (SiO)/graphite composite material (manufactured by BTR, product number: BSO-600) as a negative electrode active material, a conductive additive (manufactured by Showa Denko K.K., product number: VGCF-H (registered trademark) and (manufactured by Imerys, product number: Super-P (registered trademark)), styrene-butadiene rubber (SBR, binder), and carboxymethyl cellulose (CMC, binder) were dispersed in ultrapure water to prepare a negative electrode mixture slurry (negative electrode active material: VGCF: Super-P: SBR: CMC = 90: 2: 3: 3: 2 (solid content mass ratio)). Subsequently, the obtained negative electrode mixture slurry was applied to a copper foil (negative electrode current collector, manufactured by Fukuda Metal Foil & Powder Co., Ltd., thickness 15 μm) so that the coating weight after drying was 6.8 mg/cm The mixture was applied to one side using an applicator so that the density became 2 , and then dried on a hot plate at 80° C. for 10 minutes. The mixture was further dried in a vacuum drying oven at 100° C. for 12 hours. Thereafter, the mixture was pressure-molded using a roll press until the density became 1.3 g/cm 3 , thereby obtaining a sheet-like negative electrode.
(2) Characteristic Evaluation LiFSI and LiPF6 were dissolved in a mixed solvent of EC/fluoroethylene carbonate (FEC)/EMC = 2/1/7 (vol/vol) to the concentrations shown in Tables 10 and 11, and the compounds of formula (2) shown in Tables 10 and 11 were added in the amounts shown in Tables 10 and 11. Battery evaluation was performed under the same conditions as in Examples 3-1 to 3-50 using this electrolyte solution and the positive and negative electrodes prepared in (1) above. The results are shown in Tables 10 and 11.
実施例7-1~7-24、比較例7-1~7-7
(1)ラミネート電池の作製
正極活物質を市販のLiFePO4に変更し、アセチレンブラック(HS-100)、PVdF(クレハ#L7208)を100:9:6の組成(質量)比で秤量し、NMPに分散させスラリーを作成した。作成したスラリーをアルミ箔に片面塗工(塗工重量20.20mg/cm2)し、乾燥、ロールプレスを行い、正極を作製した。
グラファイト(SMG/SFG15=85/15):VGCF:SBR:CMC=100:2:1.5:1.5組成の水系スラリーを作成し、銅箔に塗工重量8.8mg/cm2で塗工し、乾燥、ロールプレスを行い、負極を作製した。
作製した正負極を用いて実施例3-1~3-50と同様の部材、方法で25mAhのラミネート電池を作成した。電解液は、EC/EMC=3/7(vol/vol)混合溶媒にLiFSIとLiPF6を表12、13に記載の所定の比率となるように溶解し、式(2)化合物として表12、13に記載の化合物を表12、13に記載の添加量で添加したものを使用した。
注液後5mA 3時間の定電流充電を行い、1片を開裂して、再真空封止する事でガス抜きを行った。ガス抜き後のセルを25℃で48時間保管後、以下のコンディショニング条件で充放電させ、評価用電池を完成させた。
[コンディショニング条件]
1サイクル目 充電:2.5mA 3.6V 定電流定電圧充電 0.25mA終止 ⇒ 放電:5mA 放電 2.0V終止
2サイクル目 充電:2.5mA 3.6V 定電流定電圧充電 0.5mA終止 ⇒ 放電:5mA 放電 2.0V終止
3サイクル目 充電:2.5mA 3.6V 定電流定電圧充電 0.5mA終止 ⇒ 放電:25mA 放電 2.0V終止
(2)特性評価
上記(1)で得られた評価用電池を用いて、以下の方法により、DCR上昇率の算出、及び、高温保存後の自己放電容量率測定を行った。結果を表12、13に示す。
<DCR上昇率>
コンディショニング後のセルを25mA 3.6V 0.5mA終止の定電流定電圧充電を行い、満充電状態とした。満充電状態から25℃でDCRを測定した。DCR測定は、以下のようにして行った。
満充電完了後30分待機し、5mA(0.2C)で10秒放電した。更に30分待機後に25mA(1C)で10秒放電した。更に30分待機後に75mA(3C)で10秒放電した。各放電電流での放電開始直前と、10秒後の電圧の差分と電流の関係よりI-V直線を作成し、その傾きをDCRとして算出した。
その後45℃サイクル試験を
サイクル条件:定電流定電圧充電:25mA 3.6V 0.5mA終止 ⇒定電流放電:25mA 放電 2.0V終止
で700サイクル行い、その後初期同様の方法にてサイクル後のDCRを求めた。
DCR上昇率は100×(サイクル試験後のDCR)/(サイクル試験前のDCR)(%)として算出した。
<高温保存後の自己放電容量率測定>
自己放電量は、65℃31日保存後の自己放電容量率として以下の式により算出した。
100×{(保存前の放電容量)―(保存後の放電容量)}/(保存前の放電容量)
完成電池を以下の条件(25℃)で充放電し、保存前の放電容量を確認した。
充電:3.6V 25mA 定電流定電圧充電0.5mA終止 ⇒ 定電流放電:2.5mA 2.0V終止
高温での保存は放電容量確認後のセルに対して、常温にて1C(25mA)、3.6Vで0.02C(0.5mA)終止の定電流定電圧充電を行い、満充電状態としたのち65℃で31日保存した。
保存後の放電容量は、31日保存後の電池を25℃にて2.5mA、2.0V終止の条件で定電流放電を行うことで求めた。
Examples 7-1 to 7-24, Comparative Examples 7-1 to 7-7
(1) Fabrication of Laminated Battery The positive electrode active material was changed to commercially available LiFePO4, and acetylene black (HS-100) and PVdF (Kureha #L7208) were weighed in a composition (mass) ratio of 100:9:6 and dispersed in NMP to prepare a slurry. The prepared slurry was coated on one side of aluminum foil (coating weight 20.20 mg/ cm2 ), dried, and roll-pressed to prepare a positive electrode.
An aqueous slurry with a composition of graphite (SMG/SFG15=85/15):VGCF:SBR:CMC=100:2:1.5:1.5 was prepared, and applied to a copper foil at a coating weight of 8.8 mg/ cm2. The coating was then dried and roll-pressed to prepare a negative electrode.
Using the prepared positive and negative electrodes, 25 mAh laminate batteries were produced using the same materials and methods as in Examples 3-1 to 3-50. The electrolyte solution used was prepared by dissolving LiFSI and LiPF6 in a 3/7 (vol/vol) EC/EMC mixed solvent to give the ratios shown in Tables 12 and 13, and adding the compounds of formula (2) shown in Tables 12 and 13 in the amounts shown in Tables 12 and 13.
After the injection, the battery was charged at a constant current of 5 mA for 3 hours, and then one piece was opened and vacuum-sealed again to degas the cell. After degassing, the cell was stored at 25°C for 48 hours and then charged and discharged under the following conditioning conditions to complete a battery for evaluation.
[Conditioning conditions]
1st cycle: Charge: 2.5 mA, 3.6 V, constant current/constant voltage, charge, 0.25 mA cutoff, → Discharge: 5 mA, discharge, 2.0 V cutoff. 2nd cycle: Charge: 2.5 mA, 3.6 V, constant current/constant voltage, charge, 0.5 mA cutoff, → Discharge: 5 mA, discharge, 2.0 V cutoff. 3rd cycle: Charge: 2.5 mA, 3.6 V, constant current/constant voltage, charge, 0.5 mA cutoff, → Discharge: 25 mA, discharge, 2.0 V cutoff. (2) Characteristic Evaluation: Using the evaluation battery obtained in (1) above, the DCR increase rate was calculated and the self-discharge capacity rate after high-temperature storage was measured by the following method. The results are shown in Tables 12 and 13.
<DCR increase rate>
After conditioning, the cell was charged at a constant current of 25 mA, a constant voltage of 3.6 V, and a cutoff of 0.5 mA until it reached a fully charged state. The DCR was measured at 25° C. from the fully charged state. The DCR measurement was performed as follows.
After full charge, the battery was left to stand for 30 minutes, then discharged at 5 mA (0.2 C) for 10 seconds. After another 30-minute wait, the battery was discharged at 25 mA (1 C) for 10 seconds. After another 30-minute wait, the battery was discharged at 75 mA (3 C) for 10 seconds. An IV line was created from the relationship between the difference in voltage immediately before discharge began and 10 seconds after discharge at each discharge current, and the current, and the slope was calculated as the DCR.
Thereafter, a 45°C cycle test was carried out under the following cycle conditions: constant current constant voltage charge: 25 mA, 3.6 V, 0.5 mA termination ⇒ constant current discharge: 25 mA discharge, 2.0 V termination, for 700 cycles, and the DCR after the cycles was determined in the same manner as in the initial stage.
The DCR increase rate was calculated as 100 x (DCR after the cycle test)/(DCR before the cycle test) (%).
<Self-discharge capacity rate measurement after high-temperature storage>
The self-discharge amount was calculated as a self-discharge capacity rate after storage at 65° C. for 31 days using the following formula.
100 × {(discharge capacity before storage) − (discharge capacity after storage)} / (discharge capacity before storage)
The completed battery was charged and discharged under the following conditions (25° C.), and the discharge capacity before storage was confirmed.
Charge: 3.6V 25mA constant current constant voltage charge 0.5mA termination ⇒ Constant current discharge: 2.5mA 2.0V termination For storage at high temperatures, after checking the discharge capacity, the cells were charged at a constant current and constant voltage of 1C (25mA) at room temperature and 0.02C (0.5mA) termination at 3.6V, and then fully charged and stored at 65°C for 31 days.
The discharge capacity after storage was determined by discharging the battery after 31 days of storage at a constant current of 2.5 mA at 25° C. with a cut-off voltage of 2.0 V.
実施例8-1~8-10、比較例8-1
電解液に混合溶媒のECとEMCの比率を表14のように変更し、添加する化合物を表14のように変更した以外は実施例3-1~3-50と同様にしてDCR上昇率の算出、及び、高温保存後のOCV測定を行った。結果を表14に示す。
Examples 8-1 to 8-10, Comparative Example 8-1
The DCR increase rate was calculated and the OCV after high-temperature storage was measured in the same manner as in Examples 3-1 to 3-50, except that the ratio of EC and EMC in the mixed solvent in the electrolyte was changed as shown in Table 14 and the compounds to be added were changed as shown in Table 14. The results are shown in Table 14.
Claims (13)
MN(R1SO2)(R2SO2) (1)
(式(1)中、Mはアルカリ金属原子を表す。R1、R2は、同一又は異なって、フッ素原子、炭素数1~6のアルキル基又は炭素数1~6のフルオロアルキル基を表す。)で表されるスルホニルイミド化合物と、下記式(2);
MN(R 1 SO 2 )(R 2 SO 2 ) (1)
(in formula (1), M represents an alkali metal atom; R 1 and R 2 are the same or different and represent a fluorine atom, an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, or a fluoroalkyl group having 1 to 6 carbon atoms), with a sulfonylimide compound represented by the following formula (2);
MN(R1SO2)(R2SO2) (1)
(式(1)中、Mはアルカリ金属原子を表す。R1、R2は、同一又は異なって、フッ素原子、炭素数1~6のアルキル基又は炭素数1~6のフルオロアルキル基を表す。)で表されるスルホニルイミド化合物と、下記式(3);
MN(R 1 SO 2 )(R 2 SO 2 ) (1)
(in formula (1), M represents an alkali metal atom; R 1 and R 2 are the same or different and represent a fluorine atom, an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, or a fluoroalkyl group having 1 to 6 carbon atoms), with a sulfonylimide compound represented by the following formula (3);
LiNixCoyMnzO2 (5)
(式(5)中、x、y、zは、x+y+z=1、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1を満たす数である。)で表される複合金属酸化物及び/又はLiFePO4を含む正極を備えて構成されることを特徴とする請求項11に記載の電池。 The battery has the following formula (5):
LiNixCoyMnzO2 ( 5 )
(wherein x, y, and z are numbers satisfying x + y + z = 1, 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, and 0 ≦ z ≦ 1), and/or a positive electrode containing LiFePO4 .
13. The battery according to claim 12, wherein the battery is configured to include a negative electrode active material containing Si.
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