JP7749856B2 - Non-aqueous electrolytes and batteries - Google Patents
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Description
本発明は、非水電解液及び電池に関する。より詳しくは、リチウムイオン電池等の電池用材料として好適に用いることができる非水電解液、及び、これを用いて構成される電池に関する。The present invention relates to a non-aqueous electrolyte and a battery. More specifically, the present invention relates to a non-aqueous electrolyte that can be suitably used as a battery material for lithium-ion batteries and the like, and a battery constructed 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進んでおり、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電池である。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. In particular, lithium-ion batteries, which offer large capacity and are lightweight, are the secondary batteries most expected to see increased use in the future, and are the batteries for which research and development is most actively underway.
このような電池の研究、開発において、電解液の性能を向上させる技術が開発されている。
例えば、特許文献1には、金属イオンを吸蔵及び放出可能な負極及び正極と、非水系電解液とを備える非水系電解液二次電池に用いられる非水系電解液であって、該非水系電解液が、不飽和結合を有する脂肪族置換基を有さず、Si-Si結合を有する化合物、及び、不飽和結合を有する炭酸エステル、所定の式で表される化合物、S=O基を有する化合物、NCO基を有する化合物、モノフルオロリン酸塩、ジフルオロリン酸塩、フルオロスルホン酸塩、及びイミド塩からなる群より選ばれる少なくとも1種の化合物を含有する非水系電解液が開示されている。
特許文献2~4にもジシラン化合物を含む電解液及びこれを含む二次電池等が開示されている。
In the research and development of such batteries, techniques for improving the performance of the electrolyte have been developed.
For example, Patent Document 1 discloses a nonaqueous electrolyte solution used in a nonaqueous electrolyte secondary battery including a negative electrode and a positive electrode capable of absorbing and releasing metal ions, and a nonaqueous electrolyte solution, the nonaqueous electrolyte solution containing a compound having a Si—Si bond and no aliphatic substituent having an unsaturated bond, and at least one compound selected from the group consisting of a carbonate ester having an unsaturated bond, a compound represented by a predetermined formula, a compound having an S═O group, a compound having an NCO group, a monofluorophosphate, a difluorophosphate, a fluorosulfonate, and an imide salt.
Patent Documents 2 to 4 also disclose electrolytes containing disilane compounds and secondary batteries containing the same.
上述のとおり、電解液の性能を向上させる種々の技術が報告されているものの、電解液を高温環境下で保存した際の安定性については何ら記載されていない。本発明者らはスルホニルイミド化合物を含む非水電解液を高温環境下で保存した際にスルホニルイミド化合物が分解するという新たな課題を見出した。また、従来の電解液を用いた電池は、繰り返し充電した際に直流抵抗(DCR)が上昇するという問題があった。As mentioned above, various technologies for improving the performance of electrolytes have been reported, but nothing has been reported regarding the stability of electrolytes when stored in high-temperature environments. The inventors have discovered a new issue: when a non-aqueous electrolyte containing a sulfonylimide compound is stored in a high-temperature environment, the sulfonylimide compound decomposes. Furthermore, batteries using conventional electrolytes have the problem of increasing direct current resistance (DCR) when repeatedly charged.
本発明は、上記現状に鑑みてなされたものであり、高温環境下での保存安定性に優れ、かつ、電池におけるDCRの上昇を抑制することができる、スルホニルイミド化合物を含む非水電解液を提供することを目的とする。 The present invention has been made in consideration of the above-mentioned current situation, and aims to provide a non-aqueous electrolyte solution containing a sulfonylimide compound that has excellent storage stability in high-temperature environments and can suppress an increase in DCR in a battery.
本発明者らは、スルホニルイミド化合物を含む非水電解液について種々検討したところ、所定の構造のスルホニルイミド化合物を所定の割合で含む非水電解液において、所定の構造のジシラン化合物を組み合わせることにより、非水電解液を高温環境下で保存した際にも安定性に優れ、かつ、電池におけるDCRの上昇を抑制することができることを見いだし、上記課題をみごとに解決することができることに想到し、本発明に到達したものである。 The inventors conducted extensive research into non-aqueous electrolyte solutions containing sulfonylimide compounds and discovered that by combining a disilane compound of a specific structure with a non-aqueous electrolyte solution containing a sulfonylimide compound of a specific structure in a specific ratio, the non-aqueous electrolyte solution has excellent stability even when stored in a high-temperature environment and can suppress an increase in DCR in the battery. They then came to the conclusion that the above-mentioned problems could be successfully solved, leading to the present invention.
本発明は、以下の非水電解液等を包含する。
〔1〕下記式(1);
M1N(R1SO2)(R2SO2)(1)
(式中、M1はアルカリ金属原子を表す。R1及び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);
〔2〕上記式(2)におけるR3~R8が、同一又は異なって、炭素数1~12のアルキル基、炭素数6~14のアリール基、炭素数2~14のアルケニル基、炭素数1~12のアルコキシ基、炭素数6~14のアリールオキシ基、水素原子、又は、ハロゲン原子である、上記〔1〕に記載の非水電解液。
〔3〕上記式(2)におけるR3~R8が、同一又は異なって、炭素数1~12のアルキル基、炭素数6~14のアリール基、炭素数2~14のアルケニル基、水素原子、又は、ハロゲン原子である、上記〔1〕又は〔2〕に記載の非水電解液。
〔4〕上記式(2)におけるR3~R8が、同一又は異なって、メチル基、水素原子、又は、ハロゲン原子である、上記〔1〕~〔3〕のいずれかに記載の非水電解液。
〔5〕上記式(2)で表される化合物の含有割合が、非水電解液100質量%に対して、0.05質量%以上、5.0質量%未満である、上記〔1〕~〔4〕のいずれかに記載の非水電解液。
〔6〕更にM2PF6、M2BF4、M2PO2F2及びM2FSO3(M2は、アルカリ金属原子を表す。)からなる群より選択される少なくとも1種を含む、上記〔1〕~〔5〕のいずれかに記載の非水電解液。
〔7〕上記〔1〕~〔6〕のいずれかに記載の非水電解液を備えて構成されることを特徴とする電池。
〔8〕上記電池は、下記式(3);
LiNixCoyMnzO2 (3)
(式中、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、上記〔7〕に記載の電池。
The present invention encompasses the following nonaqueous electrolytes and the like.
[1] The following formula (1):
M 1 N(R 1 SO 2 )(R 2 SO 2 )(1)
(wherein M1 represents an alkali metal atom; R1 and R2 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);
[2] The nonaqueous electrolyte solution according to [1] above, wherein R 3 to R 8 in the formula (2) are the same or different and represent an alkyl group having 1 to 12 carbon atoms, an aryl group having 6 to 14 carbon atoms, an alkenyl group having 2 to 14 carbon atoms, an alkoxy group having 1 to 12 carbon atoms, an aryloxy group having 6 to 14 carbon atoms, a hydrogen atom, or a halogen atom.
[3] The nonaqueous electrolyte solution according to [1] or [2] above, wherein R 3 to R 8 in the formula (2) are the same or different and represent an alkyl group having 1 to 12 carbon atoms, an aryl group having 6 to 14 carbon atoms, an alkenyl group having 2 to 14 carbon atoms, a hydrogen atom, or a halogen atom.
[4] The non-aqueous electrolyte solution according to any one of [1] to [3] above, wherein R 3 to R 8 in the formula (2) above are the same or different and each represent a methyl group, a hydrogen atom, or a halogen atom.
[5] The non-aqueous electrolyte solution according to any one of [1] to [4], wherein the content of the compound represented by formula (2) is 0.05% by mass or more and less than 5.0% by mass, relative to 100% by mass of the non-aqueous electrolyte solution.
[6] The nonaqueous electrolyte solution according to any one of the above [1 ] to [5], further comprising at least one selected from the group consisting of M 2 PF 6 , M 2 BF 4 , M 2 PO 2 F 2 and M 2 FSO 3 (M 2 represents an alkali metal atom).
[7] A battery comprising the nonaqueous electrolyte solution according to any one of [1] to [6] above.
[8] The battery comprises a lithium secondary battery represented by the following formula (3):
LiNixCoyMnzO2 ( 3 )
(wherein x, y, and z are numbers satisfying x + y + z = 1, 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 1) and / or a positive electrode containing LiFePO 4. The battery according to [7] above.
本発明の非水電解液は、上述の構成よりなり、高温環境下で保存した場合の安定性に優れかつ、電池におけるDCRの上昇を抑制することができるため、リチウムイオン電池等の電池用材料等に好適に用いることができる。 The non-aqueous electrolyte of the present invention has the above-mentioned configuration, has excellent stability when stored in a high-temperature environment, and can suppress an increase in DCR in the battery, making it suitable for use as a battery material for lithium-ion batteries and the like.
以下に本発明の好ましい形態について具体的に説明するが、本発明は以下の記載のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲において適宜変更して適用することができる。なお、以下に記載される本発明の個々の好ましい形態を2又は3以上組み合わせた形態も、本発明の好ましい形態に該当する。 The following describes in detail preferred embodiments of the present invention, but the present invention is not limited to the following description and can be modified and applied as appropriate within the scope of the present invention. Furthermore, a combination of two or more of the individual preferred embodiments of the present invention described below also falls under the category of preferred embodiments of the present invention.
1.非水電解液
本発明の非水電解液は、上記式(1)で表されるスルホニルイミド化合物(以下、単にスルホニルイミド化合物ともいう。)と、上記式(2)で表されるジシラン化合物(以下、単にジシラン化合物ともいう。)とを含み、上記スルホニルイミド化合物の濃度が、0.1モル/L以上である。
スルホニルイミド化合物を所定の割合以上含む非水電解液において、上記ジシラン化合物を用いることにより、非水電解液を高温環境下で保存した場合にも、スルホニルイミド化合物の分解が抑制されるため保存安定性に優れ、かつ、電池におけるDCRの上昇を抑制することができる。また、非水電解液中のスルホニルイミド化合物の分解が進んだ場合、低温条件でのDCRの上昇や容量維持率の低下等の不具合が生じるおそれがあるが、このような非水電解液を用いた電池は、低温条件でのDCRの上昇を抑え、容量維持率にも優れるものとなる。
1. Nonaqueous Electrolyte The nonaqueous electrolyte of the present invention contains a sulfonylimide compound represented by the above formula (1) (hereinafter also simply referred to as a sulfonylimide compound) and a disilane compound represented by the above formula (2) (hereinafter also simply referred to as a disilane compound), and the concentration of the sulfonylimide compound is 0.1 mol/L or more.
By using the disilane compound in a non-aqueous electrolyte containing a sulfonylimide compound in a predetermined proportion or more, decomposition of the sulfonylimide compound is suppressed even when the non-aqueous electrolyte is stored in a high-temperature environment, resulting in excellent storage stability and suppressing an increase in DCR in the battery. Furthermore, if decomposition of the sulfonylimide compound in the non-aqueous electrolyte progresses, problems such as an increase in DCR and a decrease in capacity retention rate at low temperatures may occur. However, a battery using such a non-aqueous electrolyte suppresses an increase in DCR at low temperatures and also exhibits an excellent capacity retention rate.
上記非水電解液において、上記スルホニルイミド化合物の濃度は0.1モル/L以上である。好ましくは0.1~6.0モル/Lであり、より好ましくは0.2~3.0モル/Lであり、更に好ましくは0.4~2.0モル/Lであり、一層好ましくは0.6~2.0モル/Lであり、特に好ましくは0.8~2.0モル/Lである。
上記スルホニルイミド化合物の濃度として好ましくは0.1~6.0モル/kgであり、より好ましくは0.2~3.0モル/kgであり、更に好ましくは0.4~2.0モル/kgであり、一層好ましくは0.6~2.0モル/kgであり、特に好ましくは0.8~2.0モル/kgである。
In the nonaqueous electrolyte, the concentration of the sulfonylimide compound is 0.1 mol/L or more, preferably 0.1 to 6.0 mol/L, more preferably 0.2 to 3.0 mol/L, even more preferably 0.4 to 2.0 mol/L, still more preferably 0.6 to 2.0 mol/L, and particularly preferably 0.8 to 2.0 mol/L.
The concentration of the sulfonylimide compound is preferably 0.1 to 6.0 mol/kg, more preferably 0.2 to 3.0 mol/kg, still more preferably 0.4 to 2.0 mol/kg, even more preferably 0.6 to 2.0 mol/kg, and particularly preferably 0.8 to 2.0 mol/kg.
上記非水電解液において、上記ジシラン化合物の含有割合は特に制限されないが、非水電解液100質量%に対して、0.05質量%以上、5.0質量%未満であることが好ましい。これにより、電池における低温条件でのDCRの上昇をより充分に低減し、繰り返し充電した際のDCR上昇率及び容量維持率をより改善することができる。上記ジシラン化合物の含有割合としてより好ましくは0.1~3.0質量%であり、更に好ましくは0.2~2.0質量%であり、一層好ましくは0.5~1.5質量%であり、特に好ましくは0.5~1.0質量%である。 The content of the disilane compound in the nonaqueous electrolyte is not particularly limited, but is preferably 0.05% by mass or more and less than 5.0% by mass, based on 100% by mass of the nonaqueous electrolyte. This more sufficiently reduces the increase in DCR in the battery under low-temperature conditions and further improves the DCR increase rate and capacity retention rate during repeated charging. The content of the disilane compound is more preferably 0.1 to 3.0% by mass, even more preferably 0.2 to 2.0% by mass, even more preferably 0.5 to 1.5% by mass, and particularly preferably 0.5 to 1.0% by mass.
上記非水電解液は、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。
上記非水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、0.1~1.5モル/Lであることが好ましい。より好ましくは0.2~1.0モル/Lであり、更に好ましくは0.2~0.6モル/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、0.1~1.5モル/kgであり、より好ましくは0.2~1.0モル/kgであり、更に好ましくは0.2~0.6モル/kgである。
The non-aqueous electrolyte contains the sulfonylimide compound as an alkali metal salt, but may contain an alkali metal salt other than the sulfonylimide compound.
The concentration of the alkali metal salt other than the sulfonylimide compound in the nonaqueous electrolyte is not particularly limited, but is preferably 0.1 to 1.5 mol/L, more preferably 0.2 to 1.0 mol/L, and even more preferably 0.2 to 0.6 mol/L.
The concentration of the alkali metal salt other than the sulfonylimide compound is preferably 0.1 to 1.5 mol/kg, more preferably 0.2 to 1.0 mol/kg, and even more preferably 0.2 to 0.6 mol/kg.
上記非水電解液は、上記スルホニルイミド化合物と上記スルホニルイミド化合物以外のアルカリ金属塩との合計のアルカリ金属濃度が、0.8~6.0モル/Lであることが好ましい。より好ましくは1.0~3.0モル/Lであり、更に好ましくは1.2~2.0モル/Lである。
上記スルホニルイミド化合物と上記スルホニルイミド化合物以外のアルカリ金属塩との合計のアルカリ金属濃度として好ましくは、0.8~6.0モル/kgであり、より好ましくは1.0~3.0モル/kgであり、更に好ましくは1.2~2.0モル/kgである。
In the nonaqueous electrolyte, the total alkali metal concentration of the sulfonylimide compound and the alkali metal salt other than the sulfonylimide compound is preferably 0.8 to 6.0 mol/L, more preferably 1.0 to 3.0 mol/L, and even more preferably 1.2 to 2.0 mol/L.
The total alkali metal concentration of the sulfonylimide compound and the alkali metal salt other than the sulfonylimide compound is preferably 0.8 to 6.0 mol/kg, more preferably 1.0 to 3.0 mol/kg, and even more preferably 1.2 to 2.0 mol/kg.
上記スルホニルイミド化合物は、非水電解液中の電解質(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)100モル%に対して5~100モル%であることが好ましい。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。より好ましくは10~95モル%であり、更に好ましくは20~90モル%であり、一層好ましくは30~85モル%であり、より一層好ましくは40~85モル%であり、特に好ましくは50~85モル%であり、特に一層好ましくは60~85モル%である。一態様においてスルホニルイミド化合物は、電解質100モル%に対して70モル%以上、80モル%以上、90モル%以上であってもよい。 The sulfonylimide compound is preferably present in an amount of 5 to 100 mol% relative to 100 mol% of the electrolyte (the sulfonylimide compound and other alkali metal salts) in the nonaqueous electrolyte. This allows the effects of the present invention to be more fully exhibited. It is more preferably present in an amount of 10 to 95 mol%, even more preferably 20 to 90 mol%, even more preferably 30 to 85 mol%, even more preferably 40 to 85 mol%, particularly preferably 50 to 85 mol%, and especially preferably 60 to 85 mol%. In one embodiment, the sulfonylimide compound may be present in an amount of 70 mol% or more, 80 mol% or more, or 90 mol% or more relative to 100 mol% of the electrolyte.
上記非水電解液は、溶媒として非水溶媒を含むものであるが、水分を10%以下の割合で含んでいてもよい。水分量として好ましくは1%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1000ppm以下であり、更に好ましくは100ppm以下である。
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 nonaqueous electrolyte solution contains a nonaqueous solvent as a solvent, and may contain water at a rate of 10% or less. The water content is preferably 1% or less. This allows the effects of the present invention to be more fully exhibited. The water content is more preferably 1000 ppm or less, and even more preferably 100 ppm or less.
The water content can be measured using a Karl Fischer water content analyzer.
上記非水電解液における非水溶媒の割合としては特に制限されないが、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100質量部~5000質量部であるのが好ましく、より好ましくは150質量部~2500質量部であり、さらに好ましくは200質量部~2000質量部である。 The proportion of non-aqueous solvent in the above-mentioned non-aqueous electrolyte solution is not particularly limited, but is preferably 100 to 5,000 parts by weight per 100 parts by weight of electrolyte (the above-mentioned sulfonylimide compound and other alkali metal salts), more preferably 150 to 2,500 parts by weight, and even more preferably 200 to 2,000 parts by weight.
上記非水電解液は、上記スルホニルイミド化合物、上記ジシラン化合物、上記スルホニルイミド化合物以外のアルカリ金属塩、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、非水電解液100質量%に対して、0~20質量%であることが好ましい。より好ましくは0~10質量%であり、更に好ましくは0~5質量%である。
The non-aqueous electrolyte may contain other components other than the sulfonylimide compound, the disilane compound, an alkali metal salt other than the sulfonylimide compound, and a solvent.
The content of the other components is not particularly limited, but is preferably 0 to 20% by mass, more preferably 0 to 10% by mass, and even more preferably 0 to 5% by mass, relative to 100% by mass of the nonaqueous electrolyte solution.
以下では、本発明の非水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>
上記スルホニルイミド化合物は、下記式(1);
M1N(R1SO2)(R2SO2)(1)
(式中、M1はアルカリ金属原子を表す。R1及び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。)で表される化合物である。
The essential components and optional components contained in the nonaqueous electrolyte solution of the present invention will be further described below.
<Sulfonylimide Compound>
The sulfonylimide compound is represented by the following formula (1):
M 1 N(R 1 SO 2 )(R 2 SO 2 )(1)
(wherein M1 represents an alkali metal atom; R1 and R2 may be 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M1におけ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、セシウム、フランシウムが挙げられる。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。 The alkali metal for M1 includes lithium, sodium, potassium, rubidium, cesium, and francium. Preferred are lithium, sodium, and potassium, and more preferred is lithium.
上記R1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 in R1 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及び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 group in R1 and R2 preferably has 1 to 4 carbon atoms, more preferably 1 to 3 carbon atoms, and even more preferably 1 or 2 carbon atoms.
上記R1及び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 R1 and R2 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及び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R1及びR2としては、フッ素原子、トリフルオロメチル基、ペンタフルオロエチル基が好ましい。より好ましくはフッ素原子であり、上記R1及びR2の少なくとも1つがフッ素原子であることが好ましい。R1及びR2がともにフッ素原子である形態は本発明の好ましい実施形態の1つである。 R1 and R2 are preferably a fluorine atom, a trifluoromethyl group, or a pentafluoroethyl group. A fluorine atom is more preferred, and it is preferable that at least one of R1 and R2 is a fluorine atom. An embodiment in which both R1 and R2 are fluorine atoms is one of the preferred embodiments of the present invention.
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(以下LiFSIともいう。)、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、リチウムビス(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、リチウムビス(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、カリウムビス(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、ナトリウムビス(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)イミドである。
Examples of the sulfonylimide compound include lithium bis(fluorosulfonyl)imide (hereinafter also referred to as LiFSI), lithium (fluorosulfonyl)(trifluoromethylsulfonyl)imide, lithium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide, lithium (fluorosulfonyl)(pentafluoroethylsulfonyl)imide, lithium bis(pentafluoroethylsulfonyl)imide, potassium bis(fluorosulfonyl)imide, potassium (fluorosulfonyl)(trifluoromethylsulfonyl)imide, potassium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide, sodium bis(fluorosulfonyl)imide, sodium (fluorosulfonyl)(trifluoromethylsulfonyl)imide, and sodium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide.
Of these, lithium bis(fluorosulfonyl)imide, lithium (fluorosulfonyl)(trifluoromethylsulfonyl)imide, and lithium (fluorosulfonyl)(pentafluoroethylsulfonyl)imide are preferred, and lithium bis(fluorosulfonyl)imide is more preferred.
<ジシラン化合物>
上記ジシラン化合物は、下記式(2);
<Disilane Compounds>
The disilane compound is represented by the following formula (2):
(式中、R3~R8は、同一又は異なって、ヘテロ原子を有していてもよい炭素数1~14の炭化水素基、水素原子、水酸基、又は、ハロゲン原子を表す。)で表される化合物である。 (wherein R 3 to R 8 may be the same or different and represent a hydrocarbon group having 1 to 14 carbon atoms which may have a heteroatom, a hydrogen atom, a hydroxyl group, or a halogen atom).
上記R3~R8における炭素数1~14の炭化水素基としては、炭素数1~14の脂肪族アルキル基、炭素数3~14の脂環式アルキル基、炭素数2~14のアルケニル基、炭素数2~14のアルキニル基、炭素数6~14のアリール基等が挙げられる。 Examples of the hydrocarbon group having 1 to 14 carbon atoms in R 3 to R 8 include an aliphatic alkyl group having 1 to 14 carbon atoms, an alicyclic alkyl group having 3 to 14 carbon atoms, an alkenyl group having 2 to 14 carbon atoms, an alkynyl group having 2 to 14 carbon atoms, and an aryl group having 6 to 14 carbon atoms.
上記炭素数1~14の脂肪族アルキル基としては、例えば、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、n-ヘプチル基、n-オクチル基、n-ノニル基、n-デシル基、n-ウンデシル基、n-ドデシル基、n-トリデシル基、n-テトラデシル基、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、2-エチル-2-メチルプロピル基、1-メチルヘプチル基、2-エチルヘキシル基、1,5-ジメチルヘキシル基、t-オクチル基、分岐したノニル基、デシル基、ウンデシル基、ドデシル基、トリデシル基、テトラデシル基等が挙げられる。 Examples of the aliphatic alkyl group having 1 to 14 carbon atoms include methyl, ethyl, n-propyl, n-butyl, n-pentyl (amyl), n-hexyl, n-heptyl, n-octyl, n-nonyl, n-decyl, n-undecyl, n-dodecyl, n-tridecyl, n-tetradecyl, i-propyl, sec-butyl, i-butyl, t-butyl, 1-methylbutyl, 1-ethylpropyl, and 2-methylbutyl. Examples of such groups include an isopropyl group, an i-amyl group, a neopentyl group, a 1,2-dimethylpropyl group, a 1,1-dimethylpropyl group, a t-amyl group, a 1,3-dimethylbutyl group, a 3,3-dimethylbutyl group, a 2-ethylbutyl group, a 2-ethyl-2-methylpropyl group, a 1-methylheptyl group, a 2-ethylhexyl group, a 1,5-dimethylhexyl group, a t-octyl group, a branched nonyl group, a decyl group, an undecyl group, a dodecyl group, a tridecyl group, and a tetradecyl group.
上記炭素数3~14の脂環式アルキル基としては、例えば、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、シクロヘキシルメチル基、シクロヘプチル基、シクロオクチル基、シクロヘキシルプロピル基、シクロドデシル基、ノルボルニル基(C7)、アダマンチル基(C10)、シクロペンチルエチル基等が挙げられる。 Examples of the alicyclic alkyl group having 3 to 14 carbon atoms include a cyclopropyl group, a cyclopropylmethyl group, a cyclobutyl group, a cyclobutylmethyl group, a cyclopentyl group, a cyclohexyl group, a cyclohexylmethyl group, a cycloheptyl group, a cyclooctyl group, a cyclohexylpropyl group, a cyclododecyl group, a norbornyl group (C7), an adamantyl group (C10), and a cyclopentylethyl group.
上記炭素数2~14のアルケニル基としては、例えば、ビニル基、アリル基、1-ブテニル基、2-ブテニル基、ペンテニル基、ヘキセニル基、ヘプテニル基、オクテニル基、ノネニル基、デセニル基、ドデセニル基、テトラデセニル基等が挙げられる。 Examples of the alkenyl group having 2 to 14 carbon atoms include a vinyl group, an allyl group, a 1-butenyl group, a 2-butenyl group, a pentenyl group, a hexenyl group, a heptenyl group, an octenyl group, a nonenyl group, a decenyl group, a dodecenyl group, and a tetradecenyl group.
上記炭素数2~14のアルキニル基としては、例えば、エチニル基、1-プロピニル基、2-プロピニル基、ブチニル基、ペンチニル基、ヘキシニル基、ヘプチニル基、オクチニル基、ノニニル基、デシニル基、ドデシニル基、テトラデシニル基等が挙げられる。 Examples of the alkynyl group having 2 to 14 carbon atoms include ethynyl, 1-propynyl, 2-propynyl, butynyl, pentynyl, hexynyl, heptynyl, octynyl, nonynyl, decynyl, dodecynyl, and tetradecynyl groups.
上記炭素数6~14のアリール基としては、例えば、フェニル基;ナフチル基;ベンジル基、1-フェニルエチル基、2-フェニルエチル基、3-フェニルプロピル基、4-フェニルブチル基、スチリル基(Ph-CH=C-基)、シンナミル基(Ph-CH=CHCH2-基)等が挙げられる。好ましくはフェニル基、ベンジル基である。 Examples of the aryl group having 6 to 14 carbon atoms include a phenyl group, a naphthyl group, a benzyl group, a 1-phenylethyl group, a 2-phenylethyl group, a 3-phenylpropyl group, a 4-phenylbutyl group, a styryl group (Ph-CH=C- group), a cinnamyl group (Ph-CH=CHCH 2 - group), etc. Preferred are a phenyl group and a benzyl group.
上記アルキル基の炭素数として、好ましくは1~10であり、より好ましくは1~8であり、更に好ましくは1~4であり、特に好ましくは1~2である。
上記アルケニル基及びアルキニル基の炭素数として、好ましくは2~10であり、より好ましくは2~8であり、更に好ましくは2~4であり、特に好ましくは2~3である。
上記アリール基の炭素数として、好ましくは6~10であり、より好ましくは6~8であり、更に好ましくは6~7である。
上記炭化水素基が置換基を有する場合、上記炭素数には置換基の炭素数も含まれる。
The alkyl group preferably has 1 to 10 carbon atoms, more preferably 1 to 8 carbon atoms, even more preferably 1 to 4 carbon atoms, and particularly preferably 1 or 2 carbon atoms.
The alkenyl group and alkynyl group preferably have 2 to 10 carbon atoms, more preferably 2 to 8 carbon atoms, even more preferably 2 to 4 carbon atoms, and particularly preferably 2 to 3 carbon atoms.
The aryl group preferably has 6 to 10 carbon atoms, more preferably 6 to 8 carbon atoms, and even more preferably 6 to 7 carbon atoms.
When the hydrocarbon group has a substituent, the number of carbon atoms included in the number of carbon atoms of the substituent is also included.
上記R3~R8における炭化水素基は、ヘテロ原子を有していてもよく、ヘテロ原子としては、窒素原子、硫黄原子、酸素原子、リン原子、ハロゲン原子等が挙げられる。
上記R3~R8における炭化水素基は、ヘテロ原子を有する置換基を有していてもよく、ヘテロ原子を有する置換基としては、水酸基、エーテル基、エステル基、カルボキシル基、アシル基、スルホン酸基、アミノ基、リン酸基等が挙げられる。
The hydrocarbon groups in R 3 to R 8 may contain heteroatoms, and examples of the heteroatoms include nitrogen atoms, sulfur atoms, oxygen atoms, phosphorus atoms, and halogen atoms.
The hydrocarbon groups in R 3 to R 8 may have a substituent having a hetero atom, and examples of the substituent having a hetero atom include a hydroxyl group, an ether group, an ester group, a carboxyl group, an acyl group, a sulfonic acid group, an amino group, and a phosphate group.
ヘテロ原子を有する置換基として好ましくはエーテル基であり、ヘテロ原子を有する炭化水素基として好ましくは、炭素数1~12のアルコキシ基、炭素数6~14のアリールオキシ基である。
上記アルコキシ基としては例えば、メトキシ基、エトキシ基、プロポキシ基等が挙げられる。
上記アリールオキシ基としては例えば、フェニルオキシ基、ベンジルオキシ基等が挙げられる。
The substituent having a hetero atom is preferably an ether group, and the hydrocarbon group having a hetero atom is preferably an alkoxy group having 1 to 12 carbon atoms or an aryloxy group having 6 to 14 carbon atoms.
Examples of the alkoxy group include a methoxy group, an ethoxy group, and a propoxy group.
Examples of the aryloxy group include a phenyloxy group and a benzyloxy group.
上記R3~R8におけるハロゲン原子としては例えば、フッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子等が挙げられる。 Examples of the halogen atom in R 3 to R 8 include a fluorine atom, a chlorine atom, a bromine atom, and an iodine atom.
上記R3~R8として好ましくは、炭素数1~12のアルキル基、炭素数6~14のアリール基、炭素数2~14のアルケニル基、炭素数1~12のアルコキシ基、炭素数6~14のアリールオキシ基、水素原子、又は、ハロゲン原子であり、より好ましくは炭素数1~12のアルキル基、炭素数6~14のアリール基、炭素数2~14のアルケニル基、水素原子、又は、ハロゲン原子であり、更に好ましくは炭素数1~12のアルキル基、水素原子、又は、ハロゲン原子であり、特に好ましくはメチル基、水素原子、又は、ハロゲン原子である。 R 3 to R 8 are preferably an alkyl group having 1 to 12 carbon atoms, an aryl group having 6 to 14 carbon atoms, an alkenyl group having 2 to 14 carbon atoms, an alkoxy group having 1 to 12 carbon atoms, an aryloxy group having 6 to 14 carbon atoms, a hydrogen atom, or a halogen atom, more preferably an alkyl group having 1 to 12 carbon atoms, an aryl group having 6 to 14 carbon atoms, an alkenyl group having 2 to 14 carbon atoms, a hydrogen atom, or a halogen atom, still more preferably an alkyl group having 1 to 12 carbon atoms, a hydrogen atom, or a halogen atom, and particularly preferably a methyl group, a hydrogen atom, or a halogen atom.
上記ジシラン化合物として具体的には例えば、テトラメチルジシラン、テトラエチルジシラン、テトラプロピルジシラン、ヘキサメチルジシラン、ヘキサエチルジシラン、ヘキサプロピルジシラン、ジビニルテトラメチルジシラン、ヘキサフェニルジシラン、ヘキサヒドロジシラン、1,1,2,2-テトラメチル-1,2-ジフェニルジシラン、1,2-ジメチル-1,1,2,2-テトラフェニルジシラン、1,2-ジ(t-ブチル)-1,1,2,2-テトラメチルジシラン、1,1,2,2-テトラメチル-1,2-ジメトキシジシラン、1,1,2,2-テトラメチル-1,2-ジエトキシジシラン、1,1,2-トリメチル-1,2,2-トリメトキシジシラン、1,1,2-トリメチル-1,2,2-トリエトキシジシラン、1,2-ジメチル-1,1,2,2-テトラメトキシジシラン、1,2-ジメチル-1,1,2,2-テトラエトキシジシラン、1,2-ジアリル-1,1,2,2-テトラメチルジシラン、1,2-ジアリル-1,1,2,2-テトラエチルジシラン、1,2-ジアリル-1,1,2,2-テトラプロピルジシラン、1,2-ジアリル-1,1,2,2-テトラフェニルジシラン、ヘキサヒドロジシラン、1,2-ジクロロ-1,1,2,2-テトラメチルジシラン、1,1,2-トリクロロ-1,2,2-トリメチルジシラン等が挙げられる。中でも好ましくはテトラメチルジシラン、ヘキサメチルジシラン、ジビニルテトラメチルジシランである。 Specific examples of the above disilane compounds include tetramethyldisilane, tetraethyldisilane, tetrapropyldisilane, hexamethyldisilane, hexaethyldisilane, hexapropyldisilane, divinyltetramethyldisilane, hexaphenyldisilane, hexahydrodisilane, 1,1,2,2-tetramethyl-1,2-diphenyldisilane, 1,2-dimethyl-1,1,2,2-tetraphenyldisilane, 1,2-di(t-butyl)-1,1,2,2-tetramethyldisilane, 1,1,2,2-tetramethyl-1,2-dimethoxydisilane, 1,1,2,2-tetramethyl-1,2-diethoxydisilane, 1,1,2-trimethyl-1, Examples of the disilane include 2,2-trimethoxydisilane, 1,1,2-trimethyl-1,2,2-triethoxydisilane, 1,2-dimethyl-1,1,2,2-tetramethoxydisilane, 1,2-dimethyl-1,1,2,2-tetraethoxydisilane, 1,2-diallyl-1,1,2,2-tetramethyldisilane, 1,2-diallyl-1,1,2,2-tetraethyldisilane, 1,2-diallyl-1,1,2,2-tetrapropyldisilane, 1,2-diallyl-1,1,2,2-tetraphenyldisilane, hexahydrodisilane, 1,2-dichloro-1,1,2,2-tetramethyldisilane, and 1,1,2-trichloro-1,2,2-trimethyldisilane. Among these, tetramethyldisilane, hexamethyldisilane, and divinyltetramethyldisilane are preferred.
<その他のアルカリ金属塩>
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;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;LiPFa(CmF2m+1)6-a(0≦a≦6、1≦m≦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;LiBFb(CnF2n+1)4-b(0≦b≦4、1≦n≦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る。
<Other alkali metal salts>
The other alkali metal salts are not particularly limited as long as they are alkali metal salts other than the above-mentioned sulfonylimide compounds, 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 ; alkali metal salts of perfluoroalkanesulfonylmethides such as LiC(CF 3 SO 2 ) 3 ; fluorophosphates such as LiPF a (C m F 2m+1 ) 6-a (0≦a≦6, 1≦m≦2); alkali metal salts of perchlorates such as LiClO 4 ; and LiBF b (C n F 2n+1 ) 4-b (0≦b≦4, 1≦n≦2); alkali metal salts of oxalatoborates such as LiBOB; cyanoborates such as lithium tetracyanoborate; alkali metal salts such as LiAsF 6 , LiI, LiSbF 6 , and the like.
その他のアルカリ金属塩として好ましくは、M2PF6、M2BF4、M2PO2F2又はM2FSO3(M2は、アルカリ金属原子を表す。)であり、M2PF6、M2BF4、M2PO2F2及びM2FSO3からなる群より選択される少なくとも1種を含む形態は、本発明の好ましい実施形態の1つである。その他のアルカリ金属塩としてより好ましくはM2PF6である。
上記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 salt is preferably M2PF6 , M2BF4 , M2PO2F2 , or M2FSO3 ( M2 represents an alkali metal atom) , and an embodiment including at least one selected from the group consisting of M2PF6, M2BF4 , M2PO2F2 , and M2FSO3 is one of the preferred embodiments of the present invention. The other alkali metal salt is more preferably M2PF6 .
Specific examples and preferred forms of the alkali metal atom are the same as those of the alkali metal atom in the sulfonylimide compound.
<溶媒>
本発明の非水電解液における溶媒は、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)、ジシラン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;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;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;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等が挙げられる。これらの非水溶媒は、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である。
<Solvent>
The solvent in the non-aqueous electrolytic solution of the present invention is not particularly limited as long as it is non-aqueous and can dissolve the electrolyte (sulfonylimide compound and other alkali metal salts), the disilane compound, and other components described below. 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, and 1,2-diethoxyethane. ethers such as 1,2-dibutoxyethane; lactones such as γ-butyrolactone, γ-valerolactone, and α-methyl-γ-butyrolactone; chain carboxylic acid esters such as 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; and fluorinated chain carbonates such as trifluorodimethyl carbonate, trifluorodiethyl carbonate, and trifluoroethylmethyl carbonate. These nonaqueous solvents may be used in combination of two or more. Of these, chain carbonates such as dimethyl carbonate, diethyl carbonate, and ethylmethyl carbonate are preferred.
<その他の成分>
本発明の非水電解液におけるその他の成分は、上記スルホニルイミド化合物、上記ジシラン化合物、上記スルホニルイミド化合物以外のアルカリ金属塩、溶媒以外の成分であり、特に制限されないが、例えば、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;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;ヘプタン、オクタン、シクロヘプタン等の炭化水素化合物;等が挙げられる。
<Other ingredients>
The other components in the non-aqueous electrolyte solution of the present invention are components other than the sulfonylimide compound, the disilane compound, the alkali metal salt other than the sulfonylimide compound, and the solvent, and are not particularly limited. Examples of the other components include carbonate compounds such as phenylethylene carbonate and erythritol carbonate; sulfonic acid esters 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; sulfolane, 3-methylsulfolane, ethyl methyl sulfone, diphenyl sulfone, bis( sulfone compounds such as succinic anhydride, glutaric anhydride, maleic anhydride, citraconic anhydride, glutaconic anhydride, itaconic anhydride, diglycolic anhydride, cyclohexanedicarboxylic anhydride, cyclopentanetetracarboxylic dianhydride, phenylsuccinic anhydride, and the like; nitrogen-containing compounds such as 1-methyl-2-pyrrolidinone, 1-methyl-2-piperidone, 3-methyl-2-oxazolidinone, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, N-methylsuccinimide, and the like; phosphates such as monofluorophosphates, difluorophosphates, and the like; hydrocarbon compounds such as heptane, octane, and cycloheptane, and the like.
2.電池
本発明の非水電解液は、上述の構成よりなり、高温環境下で保存した場合の安定性に優れるため、リチウムイオン電池等の電池用材料等に好適に用いることができる。
本発明は、本発明の非水電解液を備えて構成される電池でもある。
上記電池として好ましくは正極と負極とを備えた電池であり、より好ましくは、正極と負極との間に、本発明の非水電解液が含浸されたセパレータが設けられている形態であり、更に好ましくはこれらが外装ケースに収容されている形態である。
2. Batteries The nonaqueous electrolyte solution of the present invention has the above-described structure and is highly stable when stored in a high-temperature environment, and therefore can be suitably used as a battery material for lithium-ion batteries and the like.
The present invention also relates to a battery comprising the nonaqueous electrolyte of the present invention.
The battery is preferably a battery including a positive electrode and a negative electrode, more preferably a battery in which a separator impregnated with the nonaqueous electrolyte solution of the present invention is provided between the positive electrode and the negative electrode, and even more preferably a battery in which these are housed in an exterior case.
本発明に係る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 according to 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 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.
上記電池としては、アルカリ金属電池であることが好ましく、本発明の非水電解液を備えて構成されるアルカリ金属電池もまた、本発明の1つである。上記電池としては、二次電池であることがより好ましく、上記電池が、リチウムイオン二次電池である形態は、本発明の好ましい実施形態の1つである。 The above-mentioned battery is preferably an alkali metal battery, and an alkali metal battery comprising the nonaqueous electrolyte of the present invention also constitutes one aspect of the present invention. The above-mentioned battery is more preferably a secondary battery, and a configuration in which the above-mentioned battery is a lithium-ion secondary battery constitutes one preferred embodiment of the present invention.
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、M3CoO2、M3NiO2、M3MnO2、M3NixCoyMnzO2やM3NixCoyAlzO2(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、M3
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M3
2MnO3と、電気化学的に活性な層状のM3M”O([M”=Co、Ni等の遷移金属]との固溶体)(M3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。
正極活物質としては、下記式(3);
LiNixCoyMnzO2 (3)
(式中、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 M3CoO2, M3NiO2 , M3MnO2 , M3NixCoyMnzO2 , and M3NixCoyAlzO2 ( x , y, and z are numbers that satisfy x+ y + z = 1 , 0≦x≦ 1 , 0≦y≦1, and 0≦z≦1), nickel manganese oxides represented by M3pNiqMn (2-q) O4 (0.9≦ p ≦ 1.1 , 0<q<1), compounds with an olivine structure such as M3APO4 (A=Fe, Mn , Ni, Co), and solid solution materials incorporating multiple transition metals (electrochemically inactive layered M32MnO3 and electrochemically active layered M32MnO3 ) . Examples of the positive electrode active material include a solid solution of M3MO (where M3 is a transition metal such as Co or Ni) ( M3 represents an alkali metal ion). These positive electrode active materials may be used alone or in combination.
The positive electrode active material may be a compound represented by the following formula (3):
LiNixCoyMnzO2 ( 3 )
(wherein x, y, and z are numbers satisfying x + y + z = 1, 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, 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.
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;等が挙げられる。これらの結着剤は単独で使用してもよく、複数種を混合して使用してもよい。また、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 others. These binders may be used alone or in combination. Furthermore, 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。 The negative electrode active material can be any conventionally known negative electrode active material used in batteries, as long as it is capable of absorbing and releasing ions. Specifically, the following can be used: 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 or 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.
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."
非水電解液の物性及び電池特性の評価方法は以下のとおりである。
(非水電解液の保存安定性評価)
PFA(フッ素系樹脂)製容器に非水電解液を10ml投入し、PFA製容器を密閉してアルミラミジップで包装し、60℃に設定した恒温槽で任意の期間保存した。保存後の電解液を超純水で100倍に希釈し、以下のとおりイオンクロマトグラフィーにて硫酸イオン(SO4
2-)濃度を測定した。
下記式(4)により、ジシラン化合物未添加の電解液における硫酸イオンの濃度を100とした場合に対する硫酸イオンの相対量に基づき、保存安定性を評価した。
硫酸イオン相対量(%)=ジシラン化合物を含む場合の硫酸イオン濃度/ジシラン化合物を含まない場合の硫酸イオン濃度×100 (4)
(イオンクロマトグラフィー測定)
非水電解液を超純水で100倍に希釈して測定溶液とし、イオンクロマトグラフィーシステム ICS-3000(日本ダイオネクス株式会社製)を用いて、以下の測定条件で非水電解液中に含まれる硫酸イオン(SO4
2-)の濃度を測定した。
測定条件
分離モード:イオン交換
溶離液:7~18mM KOH水溶液
検出器:電気伝導度検出器
カラム:アニオン分析用カラム Ion PAC AS-17C(日本ダイオネクス株式会社製)
The physical properties of the non-aqueous electrolyte and the battery characteristics were evaluated as follows.
(Evaluation of storage stability of non-aqueous electrolyte)
10 ml of the non-aqueous electrolyte solution was placed in a PFA (fluorine-based resin) container, the PFA container was sealed, wrapped in aluminum laminate zip, and stored for a desired period in a thermostatic chamber set at 60° C. After storage, the electrolyte solution was diluted 100 times with ultrapure water, and the sulfate ion (SO 4 2− ) concentration was measured by ion chromatography as follows.
The storage stability was evaluated based on the relative amount of sulfate ions in the electrolyte solution to which no disilane compound was added, using the following formula (4), where the concentration of sulfate ions in the electrolyte solution to which no disilane compound was added was taken as 100.
Relative amount of sulfate ion (%)=sulfate ion concentration when disilane compound is included/sulfate ion concentration when disilane compound is not included×100 (4)
(Ion chromatography measurement)
The non-aqueous electrolyte was diluted 100 times with ultrapure water to prepare a measurement solution, and the concentration of sulfate ions (SO 4 2− ) contained in the non-aqueous electrolyte was measured using an ion chromatography system ICS-3000 (manufactured by Nippon Dionex Co., Ltd.) under the following measurement conditions.
Measurement conditions: Separation mode: ion exchange; Eluent: 7 to 18 mM KOH aqueous solution; Detector: electrical conductivity detector; Column: anion analysis column Ion PAC AS-17C (manufactured by Nippon Dionex Co., Ltd.)
(DCR上昇率、容量維持率)
(i)DCR
エージング後のリチウムイオン二次電池(セル)を、常温にて4.2V、1C(30mA)でCCCV充電した。30分後に0.2C(6mA)で10秒間放電し、続いて30分放置後に1C(30mA)で10秒間放電し、さらに30分放置後に3C(90mA)で10秒間CC放電した。各放電電流を横軸に、各放電電流での放電開始時と10秒後の閉路電圧の差(ΔV)を縦軸にプロットし、そのI-V直線の傾きをセルのDCRとした。
(ii)低温DCR
上記エージング後のセルを、常温にて4.2V、1C(30mA)でCCCV充電した。恒温槽の温度を-10℃に設定した後、0.2C(6mA)で10秒間放電し、続いて30分放置後に0.5C(15mA)で10秒間放電し、さらに30分放置後に1C(30mA)で10秒間CC放電した。上記(i)のDCRと同様の方法でI-V直線の傾きを算出し、セルの低温DCRとした。
(iii)サイクル充放電
上記(i)のDCR測定後のセルを45℃にて4.2V、0.5C(15mA)でCCCV充電をした後、2.75V、0.2C(6mA)でCC放電を行った。続いて、4.2V、1C(30mA)でCCCV充電をした後、2.75V、1C(30mA)でCC放電を行った。この1C充放電を合計500回繰り返した。下記式(5)から500サイクル時点の容量維持率を算出した。
また、サイクル充放電後のセルについて再度DCR測定を行い、下記式(6)からDCR上昇率を算出した。
容量維持率(%)
=500回目の1C放電容量/1回目の1C放電容量×100 (5)
DCR上昇率(%)
=サイクル充放電後のDCR/エージング後のDCR×100 (6)
(DCR increase rate, capacity maintenance rate)
(i) DCR
The aged lithium-ion secondary battery (cell) was CCCV charged at 4.2 V and 1 C (30 mA) at room temperature. After 30 minutes, it was discharged at 0.2 C (6 mA) for 10 seconds, then left for 30 minutes, discharged at 1 C (30 mA) for 10 seconds, and then CC discharged at 3 C (90 mA) for 10 seconds after leaving for another 30 minutes. Each discharge current was plotted on the horizontal axis, and the difference (ΔV) in closed-circuit voltage between the start of discharge and 10 seconds after discharge at each discharge current was plotted on the vertical axis. The slope of the IV line was taken as the DCR of the cell.
(ii) Low-Temperature DCR
The aged cell was subjected to CCCV charging at 4.2 V and 1 C (30 mA) at room temperature. After setting the temperature of the thermostatic chamber to -10°C, the cell was discharged at 0.2 C (6 mA) for 10 seconds, then left for 30 minutes, discharged at 0.5 C (15 mA) for 10 seconds, and then left for another 30 minutes, after which it was CC discharged at 1 C (30 mA) for 10 seconds. The slope of the IV line was calculated in the same manner as for the DCR in (i) above, and this was used as the low-temperature DCR of the cell.
(iii) Cycle Charge/Discharge: After the DCR measurement in (i) above, the cell was CCCV charged at 4.2 V, 0.5 C (15 mA) at 45°C, followed by CC discharge at 2.75 V, 0.2 C (6 mA). Subsequently, CCCV charged at 4.2 V, 1 C (30 mA), followed by CC discharge at 2.75 V, 1 C (30 mA). This 1 C charge/discharge cycle was repeated a total of 500 times. The capacity retention rate at 500 cycles was calculated using the following formula (5):
Furthermore, the DCR of the cell after the cycle charge/discharge was measured again, and the DCR increase rate was calculated using the following formula (6).
Capacity retention rate (%)
= 500th 1C discharge capacity / 1st 1C discharge capacity × 100 (5)
DCR increase rate (%)
= DCR after cycle charge/discharge / DCR after aging × 100 (6)
(電解液の調製:実施例1-1~18-1、比較例1-1~15-1)
エチレンカーボネート(EC):エチルメチルカーボネート(EMC)=3:7(体積比)組成の混合溶媒(キシダ化学(株)製)に、LiFSI((株)日本触媒製)及び/又はLiPF6(ステラケミファ(株)製)を溶解することにより、各種塩濃度の非水電解液(以下単に「電解液」ともいう)を調製した。
一部の電解液には、さらにジシラン化合物を表1に示す濃度となるように添加し、非水電解液を調製した。
(Preparation of Electrolyte Solutions: Examples 1-1 to 18-1, Comparative Examples 1-1 to 15-1)
Non-aqueous electrolyte solutions (hereinafter simply referred to as "electrolytes") with various salt concentrations were prepared by dissolving LiFSI (manufactured by Nippon Shokubai Co., Ltd.) and/or LiPF6 (manufactured by Stella Chemifa Co., Ltd.) in a mixed solvent (manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd.) with a composition of ethylene carbonate (EC):ethyl methyl carbonate (EMC) = 3:7 (volume ratio).
A disilane compound was further added to some of the electrolyte solutions to give the concentrations shown in Table 1 to prepare non-aqueous electrolyte solutions.
得られた非水電解液について、60℃で3か月保存後の安定性を評価した。結果を表1に示した。The stability of the obtained non-aqueous electrolyte solution was evaluated after storage at 60°C for 3 months. The results are shown in Table 1.
(リチウムイオン二次電池1の作製:実施例1-2~13-2、比較例1-2~14-2)
(i)正極(NMC111)の作製
三元系正極活物質であるLiNi1/3Co1/3Mn1/3O2(ユミコア製)、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=93:2:2:3(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(厚み83μm)の正極を得た。
(Fabrication of Lithium-ion Secondary Battery 1: Examples 1-2 to 13-2, Comparative Examples 1-2 to 14-2)
(i) Preparation of positive electrode (NMC111) A ternary positive electrode active material, LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 (manufactured by Umicore), 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 = 93:2:2:3 (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. It was then 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-shaped positive electrode (thickness 83 μm).
(ii)負極の作製
負極活物質としてグラファイト(天然黒鉛)、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:SBR:CMC=97.3:1.5:1.2(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9.8mg/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(厚み113μm)の負極を得た。
(ii) Preparation of negative electrode As the negative electrode active material, graphite (natural graphite), 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: SBR: CMC = 97.3: 1.5: 1.2 (solid mass ratio)). Subsequently, the obtained negative electrode mixture slurry was applied to a copper foil (negative electrode current collector, manufactured by Fukuda Metal Foil and Powder Co., Ltd., thickness 15 μm) with an applicator to a single-sided coating weight of 9.8 mg / cm 2 after drying, and then dried on a hot plate at 80 ° C. for 10 minutes. Further, the mixture was dried for 12 hours in a vacuum drying oven at 100 ° C. Then, the negative electrode was pressure-molded using a roll press to a density of 1.3 g / cm 3 , thereby obtaining a sheet-shaped negative electrode (thickness 113 μm).
(iii)リチウムイオン二次電池の作製
上記(i)、(ii)で得られた正極及び負極をそれぞれカットし、極性導出リードを超音波で溶接し、25μmのポリエチレン(PE)セパレータを介して該正極及び負極を対向させ、ラミネート外装で3方を封止することにより、未注液電池を作製した。続いて、未注液電池の未封止の1方より、表2に示す各電解液を700μL添加した。電解液の注液後、真空封止を行うことにより、4.2V、容量30mAhのリチウムイオン二次電池(セル)を作製した。
(iii) Fabrication of Lithium-Ion Secondary Batteries The positive and negative electrodes obtained in (i) and (ii) above were cut, and the polarity leads were ultrasonically welded. The positive and negative electrodes were placed opposite each other via a 25 μm polyethylene (PE) separator, and the three sides were sealed with a laminate exterior to fabricate unfilled batteries. Subsequently, 700 μL of each electrolyte solution shown in Table 2 was added to one of the unsealed sides of the unfilled battery. After the electrolyte solution was injected, the battery was vacuum sealed to fabricate a 4.2 V, 30 mAh capacity lithium-ion secondary battery (cell).
(iv)セルのエージング工程
充放電試験装置(アスカ電子(株)製、品番:ACD-01、以下同じ)を用い、上記(iii)で得られたセルのエージングを行った。具体的には、常温(25℃、以下同じ)にて0.1C(3mA)で3時間の定電流(CC)充電を行い、48時間常温で放置した。放置後、余剰ラミネートを開裂し、真空封止することでセルのガス抜きを行った。さらに常温にて4.2V、0.5C(15mA)で定電流定電圧(CCCV)充電をした後、2.75V、0.2C(6mA)でCC放電を行った。また、同様のCCCV充電をした後、2.75V、1C(30mA)でCC放電を行い、加えて、同様のCCCV充電をしたのち、2.75V、2C(60mA)でCC放電を行い、最後に2.75V、0.2C(6mA)でCC放電を行った。以上をセルのエージング工程とした。
(iv) Cell Aging Process Using a charge-discharge tester (manufactured by Asuka Electronics Co., Ltd., product number: ACD-01, the same applies hereinafter), the cell obtained in (iii) above was aged. Specifically, the cell was charged at a constant current (CC) of 0.1 C (3 mA) for 3 hours at room temperature (25°C, the same applies hereinafter), and then left at room temperature for 48 hours. After leaving the cell, the excess laminate was cleaved and the cell was vacuum-sealed to degas the cell. Furthermore, the cell was charged at a constant current/constant voltage (CCCV) of 4.2 V and 0.5 C (15 mA) at room temperature, and then CC discharged at 2.75 V and 0.2 C (6 mA). After the same CCCV charging, the cells were discharged at 2.75 V, 1 C (30 mA), and then discharged at 2.75 V, 2 C (60 mA), followed by a final CC discharge at 2.75 V, 0.2 C (6 mA). This was the aging process for the cells.
得られたリチウムイオン二次電池1を用いて、DCR上昇率、容量維持率、低温DCRを測定し、結果を表2に示した。 Using the obtained lithium ion secondary battery 1, the DCR increase rate, capacity retention rate, and low-temperature DCR were measured, and the results are shown in Table 2.
(リチウムイオン二次電池2の作製:実施例6-3、11-3、13-3、16-2~18-2、比較例3-3、4-3、7-3、8-3、10-3、11-3、14-3、15-2)
(i)正極(LFP)の作製
リン酸鉄系正極活物質であるLiFePO4、導電助剤としてアセチレンブラック、結着材として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:PVdF=87:8:5(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20.0mg/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1.6g/cm3となるまで加圧成形することにより、シート状(厚み129μm)の正極を得た。
(Fabrication of lithium ion secondary battery 2: Examples 6-3, 11-3, 13-3, 16-2 to 18-2, Comparative Examples 3-3, 4-3, 7-3, 8-3, 10-3, 11-3, 14-3, 15-2)
(i) Preparation of Positive Electrode (LFP) LiFePO 4 , an iron phosphate-based positive electrode active material, acetylene black as a conductive additive, and polyvinylidene fluoride (PVdF, manufactured by Kureha Corporation, product number: KF1120) as a binder were dispersed in N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) to prepare a positive electrode mixture slurry (positive electrode active material: AB: PVdF = 87:8:5 (solid content mass ratio)). Subsequently, 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) with an applicator so that the coating weight after drying was 20.0 mg/cm 2 , and then dried on a hot plate at 110 ° C. for 10 minutes. Further, it was dried for 12 hours in a vacuum drying oven at 110 ° C. Thereafter, the mixture was press-molded using a roll press until the density reached 1.6 g/cm 3 , thereby obtaining a sheet-shaped positive electrode (thickness: 129 μm).
(ii)負極の作製
負極活物質としてグラファイト(天然黒鉛)導電助剤として繊維状黒鉛、結着材としてスチレン-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:繊維状黒鉛:SBR:CMC=96:2:1:1(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8.7mg/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1.2g/cm3となるまで加圧成形することにより、シート状(厚み73μm)の負極を得た。
(ii) Preparation of negative electrode Graphite (natural graphite) as a negative electrode active material, fibrous graphite as a conductive aid, styrene-butadiene rubber (SBR, binder) and carboxymethyl cellulose (CMC, binder) as binders were dispersed in ultrapure water to prepare a negative electrode mixture slurry (negative electrode active material: fibrous graphite: SBR: CMC = 96: 2: 1: 1 (solid mass ratio)). Subsequently, the obtained negative electrode mixture slurry was applied to a copper foil (negative electrode current collector, manufactured by Fukuda Metal Foil and Powder Co., Ltd., thickness 15 μm) with an applicator to a single-sided coating weight of 8.7 mg / cm 2 after drying, and dried on a hot plate at 80 ° C. for 10 minutes. Further, it was dried for 12 hours in a vacuum drying oven at 100 ° C. Then, it was pressure-molded using a roll press to a density of 1.2 g / cm 3 , thereby obtaining a sheet-shaped negative electrode (thickness 73 μm).
(iii)リチウムイオン二次電池の作製
得られた正極及び負極をそれぞれカットし、極性導出リードを超音波で溶接し、25μmのポリエチレン(PE)セパレータを介して該正極及び負極を対向させ、ラミネート外装で3方を封止することにより、未注液電池を作製した。続いて、未注液電池の未封止の1方より、表3に示す各電解液を700μL添加した。電解液の注液後、真空封止を行うことにより、3.6V、容量21mAhのリチウムイオン二次電池(セル)2を作製した。
(iii) Fabrication of Lithium-Ion Secondary Battery The resulting positive and negative electrodes were cut, and the polarity leads were ultrasonically welded. The positive and negative electrodes were placed opposite each other via a 25 μm polyethylene (PE) separator, and the three sides were sealed with a laminate exterior to fabricate a non-filled battery. Subsequently, 700 μL of each electrolyte solution shown in Table 3 was added to one of the unsealed sides of the non-filled battery. After the electrolyte solution was injected, the battery was vacuum sealed to fabricate a 3.6 V, 21 mAh capacity lithium-ion secondary battery (cell) 2.
(iv)セルのエージング工程
充放電試験装置を用い、上記(iii)で得られたセルのエージングを行った。具体的には、常温(25℃、以下同じ)にて0.1C(2.1mA)で3時間の定電流(CC)充電を行い、48時間常温で放置した。放置後、余剰ラミネートを開裂し、真空封止することでセルのガス抜きを行った。さらに常温にて3.6V、0.1C(2.1mA)で定電流定電圧(CCCV)充電をした後、2.0V、0.2C(4.2mA)でCC放電を行った。また、3.6V、0.5C(10.5mA)でCCCV充電をした後、2.00V、1C(21mA)でCC放電を行い、加えて、同様のCCCV充電をしたのち、2.00V、2C(42mA)でCC放電を行い、最後に2.0V、0.2C(4.2mA)でCC放電を行った。以上をセルのエージング工程とした。
(iv) Cell Aging Process: The cell obtained in (iii) above was aged using a charge/discharge tester. Specifically, the cell was charged at 0.1 C (2.1 mA) for 3 hours at room temperature (25 ° C, the same applies below) and then left at room temperature for 48 hours. After leaving the cell, the excess laminate was cleaved and vacuum sealed to degas the cell. Furthermore, the cell was charged at 3.6 V, 0.1 C (2.1 mA) at room temperature using constant current constant voltage (CCCV), followed by CC discharge at 2.0 V, 0.2 C (4.2 mA). In addition, after CCCV charging at 3.6 V, 0.5 C (10.5 mA), CC discharging was performed at 2.00 V, 1 C (21 mA), and after similar CCCV charging, CC discharging was performed at 2.00 V, 2 C (42 mA), and finally CC discharging was performed at 2.0 V, 0.2 C (4.2 mA). This was the cell aging process.
得られたリチウムイオン二次電池2を用いて、DCR上昇率、容量維持率、低温DCRを測定し、結果を表3に示した。 Using the obtained lithium ion secondary battery 2, the DCR increase rate, capacity retention rate, and low-temperature DCR were measured, and the results are shown in Table 3.
表1~3より、上記式(1)で表されるスルホニルイミド化合物を0.1モル/L以上の濃度で含む非水電解液において上記式(2)で表されるジシラン化合物を添加することにより、高温環境下で保存した際の安定性に優れ、かつ、DCRの上昇を抑制することができることが明らかとなった。特に、比較例2-2、4-2において、上記式(1)で表されるスルホニルイミド化合物の濃度が0.05モル/Lの場合には、式(2)で表されるジシラン化合物を添加した場合にもDCRの上昇が抑制されないのに対して、実施例1-2、4-2において、上記式(1)で表されるスルホニルイミド化合物の濃度が0.1モル/L以上である場合にジシラン化合物を添加することにより、DCRの上昇が効果的に抑制されることが明らかとなった。以上より、本発明は、上記式(1)で表されるスルホニルイミド化合物の濃度を0.1モル/L以上としたうえで、上記式(2)で表されるジシラン化合物を用いることに技術的意義を有する。
From Tables 1 to 3, it was revealed that by adding the disilane compound represented by the formula (2) to a non-aqueous electrolyte containing a sulfonylimide compound represented by the formula (1) at a concentration of 0.1 mol/L or more, the electrolyte exhibited excellent stability when stored in a high-temperature environment and could suppress an increase in DCR. In particular, in Comparative Examples 2-2 and 4-2, when the concentration of the sulfonylimide compound represented by the formula (1) was 0.05 mol/L, the increase in DCR was not suppressed even when the disilane compound represented by the formula (2) was added. In contrast, in Examples 1-2 and 4-2, when the concentration of the sulfonylimide compound represented by the formula (1) was 0.1 mol/L or more, the increase in DCR was effectively suppressed by adding the disilane compound. From the above, it was revealed that the present invention has technical significance in that the concentration of the sulfonylimide compound represented by the formula (1) was 0.1 mol/L or more and the disilane compound represented by the formula (2) was used.
Claims (8)
M1N(R1SO2)(R2SO2)(1)
(式中、M1はアルカリ金属原子を表す。R1及び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);
該スルホニルイミド化合物の濃度が、0.1モル/L以上であることを特徴とする非水電解液。 The following formula (1):
M 1 N(R 1 SO 2 )(R 2 SO 2 )(1)
(wherein M1 represents an alkali metal atom; R1 and R2 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);
The non-aqueous electrolyte solution is characterized in that the concentration of the sulfonylimide compound is 0.1 mol/L or more.
LiNixCoyMnzO2 (3)
(式中、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7に記載の電池。 The battery has the following formula (3):
LiNixCoyMnzO2 ( 3 )
(wherein x, y, and z are numbers satisfying x + y + z = 1, 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 1), and/or a positive electrode containing LiFePO4 .
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