JP7769272B2 - 二次電池 - Google Patents

二次電池

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Description

本開示は、二次電池に関する。
近年、リチウム二次電池に代表されるアルカリ金属二次電池の更なる高エネルギー密度化を目指し、高い理論容量を持つアルカリ金属を負極に用いるアルカリ金属二次電池の研究開発が進められている。
しかし、アルカリ金属を使用した二次電池の場合、充放電を繰り返すと電池の寿命が短くなってしまうという課題があった。更に、正極活物質中の遷移金属が溶出し、負極へ堆積することで、電池寿命が低下するという課題もある。
特許文献1には、リチウム金属表面にポリフッ化ビニリデン重合体によって表面被覆した電極が開示されている。
特許文献2には、フッ化ビニリデン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体を含有する保護膜形成用組成物が開示されている。このような保護膜形成用組成物をリチウム金属箔膜層上にコーティングすることによって、保護膜形成することが記載されている。
特許文献3には、リチウム金属を電極として使用する電池において、フッ素化エーテル化合物を含有する電解質液を使用することが開示されている。
特許文献4には、電極を樹脂で被覆することが開示されている。
特許文献5には、リチウム金属表面にポリフッ化ビニリデン重合体によって表面被覆した電極が開示されている。
特許文献6,7には、ポリフッ化ビニリデン重合体と電極活物質とを含有するバインダー組成物によって電極を製造することについて開示されている。
国際公開2017/140649 特表2019-515481 国際公開2020/246579 国際公開2014/132579 国際公開2021/123151 国際公開2018/092676 国際公開2021/015229
本開示は、金属からなる負極を使用した電池においてガス発生量減少、抵抗低減、負極におけるMn,Ni等の正極中の金属元素の析出量の低減等によって、電池寿命の向上を図ることを目的とするものである。
本開示は、
金属を含む層上にフッ素ポリマーが積層された負極を有し、液体電解質を有する二次電池であり、
金属はリチウム、ナトリウム、マグネシウム及び亜鉛から選択される少なくとも1種であり、
フッ素ポリマーは、ビニリデンフルオライド単位(A)および、
テトラフルオロエチレン、トリフルオロエチレン、クロロトリフルオロエチレン、一般式(1)で表される単量体、一般式(2)で表される単量体及び一般式(3)で表される単量体からなる群より選択される少なくとも1の単量体に由来する構成単位(B)を有する共重合体であり、
液体電解質は、フッ素化エーテルを含有することを特徴とする二次電池である。
式中、Rfは、炭素数1~12の直鎖又は分岐したフルオロアルキル基またはフッ素化アルコキシ基であり、フッ素化アルキル基およびフッ素化アルコキシ基は、いずれも、炭素数が2以上ある場合には、炭素-炭素原子間に酸素原子(-O-)を含むことができる。
Rfは、炭素数1~12の直鎖又は分岐したフルオロアルキル基またはフッ素化アルコキシ基であり、フッ素化アルキル基およびフッ素化アルコキシ基は、いずれも、炭素数が2以上ある場合には、炭素-炭素原子間に酸素原子(-O-)を含むことができる。
式中、R、R及びRは、それぞれ独立に水素原子、塩素原子又は炭素数1~5のアルキル基である。Xは、単結合または主鎖が原子数1~20で構成される分子量500以下の原子団である。Yは、無機カチオンおよび/または有機カチオンを表す。
上記共重合体は、ビニリデンフルオライドの含有量が全単量体単位に対して、30~99.5モル%であることが好ましい。
上記フッ素化エーテルは、下記一般式(5)で表される化合物であることが好ましい。
(Rは、エーテル基を含有しても良いアルキル基、もしくはエーテル基を含有してもよいフッ素化アルキル基である。)
上記一般式(5)で表される化合物は、下記一般式で表される化合物からなる群より選択される少なくとも1の化合物であることが好ましい。
本開示は、集電体上に直接フッ素ポリマーが積層された積層体を含む負極を有する二次電池であって、
フッ素ポリマーは、ビニリデンフルオライド単位(A)および、
テトラフルオロエチレン、トリフルオロエチレン、クロロトリフルオロエチレン、一般式(1)で表される単量体、一般式(2)で表される単量体及び一般式(3)で表される単量体からなる群より選択される少なくとも1の単量体に由来する構成単位(B)を有する共重合体であり、
液体電解質は、フッ素化エーテルを含有することを特徴とする二次電池でもある。
式中、Rfは、炭素数1~12の直鎖又は分岐したフルオロアルキル基またはフッ素化アルコキシ基であり、フッ素化アルキル基およびフッ素化アルコキシ基は、いずれも、炭素数が2以上ある場合には、炭素-炭素原子間に酸素原子(-O-)を含むことができる。
Rfは、炭素数1~12の直鎖又は分岐したフルオロアルキル基またはフッ素化アルコキシ基であり、フッ素化アルキル基およびフッ素化アルコキシ基は、いずれも、炭素数が2以上ある場合には、炭素-炭素原子間に酸素原子(-O-)を含むことができる。
式中、R、R及びRは、それぞれ独立に水素原子、塩素原子又は炭素数1~5のアルキル基である。Xは、単結合または主鎖が原子数1~20で構成される分子量500以下の原子団である。Yは、無機カチオンおよび/または有機カチオンを表す。
前記共重合体は、ビニリデンフルオライドの含有量が全単量体単位に対して、30~99.5モル%であることが好ましい。
前記フッ素化エーテルは、下記一般式(5)で表される化合物であることが好ましい。
(Rは、エーテル基を含有しても良いアルキル基、もしくはエーテル基を含有してもよいフッ素化アルキル基である。)
上記一般式(5)で表される化合物は、下記一般式で表される化合物からなる群より選択される少なくとも1の化合物であることが好ましい。
本開示によって、正極活物質中の遷移金属の溶出や、ガス発生量減少、抵抗低減、負極におけるMn,Ni等の正極中の金属元素の析出量の低減による正極の劣化の抑制等の効果を得ることができ、これによって電池寿命の向上を図ることができる。
以下、本開示を詳細に説明する。
本開示は、特定の組成を有する含フッ素重合体による被覆層を形成した負極を有し、フッ素化エーテルを含有する液体電解質を使用するものである。このような被覆層を形成し、更に、特定の液体電解質を使用することによって、上述した特許文献に記載されたような二次電池に比べて、特に好適に上述した問題を改善することができる。
本開示の二次電池において使用する負極は、以下で詳述するようなフッ素ポリマーによる被覆層を有するものである。ここで、上記負極は、リチウム金属等の金属を主体とする負極材料上に直接フッ素ポリマーによる被覆を形成したもの(第1の態様)であってもよいし、集電体上にフッ素ポリマーによる被覆層を形成したもの(第2の態様)であってもよい。
上記第2の態様として記載した集電体上にフッ素ポリマーによる被覆層を形成した構造の電極も上述した効果を得ることができる。
上記第2の態様においては、集電体上に金属からなる負極材料による層を設けず、直接フッ素ポリマーによる被覆層を形成したものを負極とする。この場合、このような負極を正極等のその他の電池を構成する層と積層させて、その後、充電を行った場合、充電における電極反応によって、集電体上にリチウム金属等の金属層が形成されることになる。このような金属層は、集電体とフッ素ポリマー層との間に形成されることとなる。すなわち、充電を行うことによって、リチウム金属等の金属からなる層上に直接フッ素ポリマーによる被覆を形成した負極となり、これは、上述した第1の態様の負極と同様のものである。
よって、本開示の効果を好適に発揮するものである。
本開示の二次電池の負極において、上述したビニリデンフルオライド単位(A)および構成単位(B)を含有する含フッ素重合体を使用することで特に好適な効果が得られるのは特定のフッ素ポリマー層とリチウムイオンとの相互作用により、均一な金属析出が可能となり、デンドライトの発生を抑制できるという作用によるものであると推測される。
引用文献6,7には、同様の重合体を電池分野において使用することが開示されている。
これらは、金属層上にフッ素ポリマーが積層された負極を有するものではないことから、本開示とは明確に相違するものである。
以下に、本開示において使用される重合体について詳述し、その後、負極、電池について詳述する。
本開示において、負極は、以下で詳述するフッ素ポリマーが積層されたものである。このような被覆を有することによって、上述した効果が得られる。以下の説明において、構成単位(B)としてテトラフルオロエチレン、トリフルオロエチレン、クロロトリフルオロエチレンを必須とするフッ素ポリマーを以下、フッ素ポリマー1とする。
更に、構成単位(B)として一般式(1)で表される単量体又は一般式(2)で表される単量体を必須とするフッ素ポリマーを以下、フッ素ポリマー2とし、構成単位(B)として一般式(3)で表される単量体を必須とするフッ素ポリマーを以下でフッ素ポリマー3とする。
なお、以下の記載は、フッ素ポリマー1,2,3の2以上に該当するようなフッ素ポリマーの使用を排除するものではない。すなわち、テトラフルオロエチレン、トリフルオロエチレン、クロロトリフルオロエチレン、一般式(1)で表される単量体、一般式(2)で表される単量体、一般式(3)で表される単量体からなる群より選択される任意の2以上の単量体を併用したものであっても何ら差し支えない。
以下で詳述するように、使用する共重合成分によって、それぞれ共重合割合の好ましい範囲は相違するものとなるが、全体としてみれば、ビニリデンフルオライドの含有量が単量体単位に対して30~99.5モル%であることが好ましい。
(フッ素ポリマー1)
フッ素ポリマー1は、テトラフルオロエチレン、トリフルオロエチレン及びクロロトリフルオロエチレンからなる群より選択される少なくとも1の単量体に基づく構成単位を有するものである。
フッ素ポリマー1のVdF単位の含有量は、全単量体単位に対して、好ましくは57.0モル%以上であり、より好ましくは60.0モル%以上であり、さらに好ましくは63.0モル%以上である。好ましくは95.0モル%以下であり、さらに好ましくは90.0モル%以下であり、最も好ましくは85.0モル%以下である。
フッ素ポリマー1のテトラフルオロエチレン、トリフルオロエチレン及びクロロトリフルオロエチレンからなる群より選択される少なくとも1の単量体の含有量は、全単量体単位に対して、好ましくは5.0モル%以上であり、より好ましくは8.0モル%以上であり、特に好ましくは10.0モル%以上であり、最も好ましくは15モル%以上であり、好ましくは43.0モル%以下であり、より好ましくは40.0モル%以下であり、さらに好ましく38.0モル%以下であり、特に好ましくは37.0モル%以下である。
フッ素ポリマー1としては、なかでも、VdF単位、TFE単位、および、任意の非フッ素化単量体単位のみからなり、VdF単位とTFE単位とのモル比(VdF単位/TFE単位)が、57/43~90/10であるフッ素ポリマー1が好ましい。すなわち、フッ素ポリマー1は、VdF単位およびTFE単位のみからなる二元の共重合体、または、VdF単位、TFE単位および非フッ素化単量体単位のみからなる三元以上の共重合体であって、VdF単位およびTFE単位以外のフッ素化単量体単位を含まないことが好ましい。
フッ素ポリマー1がVdF単位およびTFE単位を含有する場合の、VdF単位とTFE単位とのモル比(VdF単位/TFE単位)は、好ましくは57/43~90/10であり、より好ましくは60/40~89/11であり、さらに好ましくは63/37~88/12であり、特に好ましくは63/37~85/15である。
フッ素ポリマー1の重量平均分子量(ポリスチレン換算)は、好ましくは161000~2760000であり、より好ましくは322000~2530000であり、さらに好ましくは600000~2000000である。上記重量平均分子量は、ゲルパーミエーションクロマトグラフィ(GPC)により溶媒としてジメチルホルムアミドを用い50℃で測定することができる。
フッ素ポリマー1の数平均分子量(ポリスチレン換算)は、好ましくは70000~1200000であり、より好ましくは140000~1100000である。上記数平均分子量は、ゲルパーミエーションクロマトグラフィ(GPC)により溶媒としてジメチルホルムアミドを用い50℃で測定することができる。
フッ素ポリマー1の融点は、好ましくは100~170℃であり、より好ましくは110~165℃であり、さらに好ましくは120~163℃である。上記融点は、示差走査熱量測定(DSC)装置を用い、30℃から220℃まで10℃/分の速度で昇温し、その後10℃/分で30℃まで降下させ、再度10℃/分の速度で 220℃まで昇温したときの融解熱曲線における極大値に対する温度として求める。
(フッ素ポリマー2)
フッ素ポリマー2は下記一般式(1)で表される構造を有する単量体単位及び下記一般式(2)で表される構造からなる群より選択される少なくとも1の単量体単位からなる群より選択される少なくとも1つの共重合単位を有するフッ素ポリマーである。
式中、Rfは、炭素数1~12の直鎖又は分岐したフルオロアルキル基又はフッ素化アルコキシ基であり、フッ素化アルキル基およびフッ素化アルコキシ基は、いずれも、炭素数が2以上ある場合には、炭素-炭素原子間に酸素原子(-O-)を含むことができる。

Rfは、炭素数1~12の直鎖又は分岐したフルオロアルキル基又はフッ素化アルコキシ基であり、フッ素化アルキル基およびフッ素化アルコキシ基は、いずれも、炭素数が2以上ある場合には、炭素-炭素原子間に酸素原子(-O-)を含むことができる。
上記一般式(1)で表される構造を有する単量体単位及び上記一般式(2)で表される構造を有する単量体単位からなる群より選択される少なくとも1つの共重合単位を含むフッ素ポリマーは、コーティング時の均一性が得やすいという点で優れている。
一般式(1)で表される含フッ素単量体は、Rfが、炭素数1~12の直鎖状もしくは分岐鎖状のフッ素化アルキル基、又は、炭素数1~12の直鎖状もしくは分岐鎖状のフッ素化アルコキシ基である。フッ素化アルキル基およびフッ素化アルコキシ基は、いずれも、炭素数が2以上ある場合には、炭素-炭素原子間に酸素原子(-O-)を含むことができる。
Rfのフッ素化アルキル基は、炭素原子に結合した水素原子の一部がフッ素原子により置換された部分フッ素化アルキル基であってもよいし、炭素原子に結合した水素原子の全部がフッ素原子により置換された過フッ素化アルキル基であってもよい。また、Rfのフッ素化アルキル基は、水素原子がフッ素原子以外の置換基により置換されていてもよいが、フッ素原子以外の置換基を含まないことが好ましい。
また、Rfのフッ素化アルコキシ基は、炭素原子に結合した水素原子の一部がフッ素原子により置換された部分フッ素化アルコキシ基であってもよいし、炭素原子に結合した水素原子の全部がフッ素原子により置換された過フッ素化アルコキシ基であってもよい。また、Rfのフッ素化アルコキシ基は、水素原子がフッ素原子以外の置換基により置換されていてもよいが、フッ素原子以外の置換基を含まないことが好ましい。
Rfの炭素数としては、好ましくは1~10であり、より好ましくは1~6であり、さらに好ましくは1~4であり、特に好ましくは1である。
Rfとしては、一般式:
-(Rf11-(O)-(Rf12-O)-Rf13
(式中、Rf11およびRf12は、独立に、直鎖状もしくは分岐鎖状の、炭素数1~4のフッ素化アルキレン基、Rf13は、直鎖状もしくは分岐鎖状の、炭素数1~4のフッ素化アルキル基、pは0又は1、mは0~4の整数、nは0~4の整数である)で表される基が好ましい。
Rf11およびRf12のフッ素化アルキレン基は、炭素原子に結合した水素原子の一部がフッ素原子により置換された部分フッ素化アルキレン基であってもよいし、炭素原子に結合した水素原子の全部がフッ素原子により置換された過フッ素化アルキレン基であってもよい。また、Rf11およびRf12のフッ素化アルキレン基は、水素原子がフッ素原子以外の置換基により置換されていてもよいが、フッ素原子以外の置換基を含まないことが好ましい。Rf11およびRf12は、各出現において、同じであってもよいし、異なっていてもよい。
Rf11のフッ素化アルキレン基としては、-CHF-、-CF-、-CH-CF-、-CHF-CF-、-CF-CF-、-CF(CF)-、-CH-CF-CF-、-CHF-CF-CF-、-CF-CF-CF-、-CF(CF)-CF-、-CF-CF(CF)-、-C(CF-、-CH-CF-CF-CF-、-CHF-CF-CF-CF-、-CF-CF-CF-CF-、-CH(CF)-CF-CF-、-CF(CF)-CF-CF-、-C(CF-CF-などが挙げられ、なかでも、炭素数1又は2の過フッ素化アルキレン基が好ましく、-CF-がより好ましい。
Rf12のフッ素化アルキレン基としては、-CHF-、-CF-、-CH-CF-、-CHF-CF-、-CF-CF-、-CF(CF)-、-CH-CF-CF-、-CHF-CF-CF-、-CF-CF-CF-、-CF(CF)-CF-、-CF-CF(CF)-、-C(CF-、-CH-CF-CF-CF-、-CHF-CF-CF-CF-、-CF-CF-CF-CF-、-CH(CF)-CF-CF-、-CF(CF)-CF-CF-、-C(CF-CF-などが挙げられ、なかでも、炭素数1~3の過フッ素化アルキレン基が好ましく、-CF-、-CFCF-、-CF-CF-CF-、-CF(CF)-CF-又はCF-CF(CF)-がより好ましい。
Rf13のフッ素化アルキル基としては、炭素原子に結合した水素原子の一部がフッ素原子により置換された部分フッ素化アルキル基であってもよいし、炭素原子に結合した水素原子の全部がフッ素原子により置換された過フッ素化アルキル基であってもよい。また、Rf13のフッ素化アルキル基は、水素原子がフッ素原子以外の置換基により置換されていてもよいが、フッ素原子以外の置換基(たとえば、-CN、-CHI、-CHBrなど)を含まないことが好ましい。
Rf13のフッ素化アルキル基としては、-CHF、-CHF、-CF、-CH-CHF、-CH-CHF、-CH-CF、-CHF-CHF、-CHF-CHF、-CHF-CF、-CF-CHF、-CF-CHF、-CF-CF、-CH-CF-CHF、-CHF-CF-CHF、-CF-CF-CHF、-CF(CF)-CHF、-CH-CF-CHF、-CHF-CF-CHF、-CF-CF-CHF、-CF(CF)-CHF、-CH-CF-CF、-CHF-CF-CF、-CF-CF-CF、-CF(CF)-CF、-CH-CF-CF-CF、-CHF-CF-CF-CF、-CF-CF-CF-CF、-CH(CF)-CF-CF、-CF(CF)-CF-CF、-C(CF-CFなどが挙げられ、なかでも、-CF、-CHF-CF、-CF-CHF、-CF-CF、-CF-CF-CF、-CF(CF)-CF、-CF-CF-CF-CF、-CH(CF)-CF-CF又はCF(CF)-CF-CFが好ましい。
pとしては、0が好ましい。
mとしては、好ましくは0~2の整数であり、より好ましくは0又は1であり、さらに好ましくは0である。また、pが0であるときはmも0であることが好ましい。
nとしては、好ましくは0~2の整数であり、より好ましくは0又は1であり、さらに好ましくは0である。
繰り返し単位としては、
-CH-CF[-CF]-、
-CH-CF[-CFCF]-、
-CH-CF[-CFCFCF]-、
-CH-CF[-CFCFCFCF]-、
-CH-CF[-CF-O-CF(CF)-CF-O-CHF-CF]-、
-CH-CF[-CF-O-CF(CF)-CF-O-CF-CF]-、
-CH-CF[-CF-O-CF(CF)-CF-O-CF(CF)-CF]-、
-CH-CF[-CF-O-CF(CF)-CF-O-CH(CF)-CF-CF]-、
-CH-CF[-CF-O-CF(CF)-CF-O-CF(CF)-CF-CF]-、
-CH-CF[-OCFOCF]-、
-CH-CF[-OCFCFCF2OCF]-、
-CH-CF[-CFOCFOCF]-、
-CH-CF[-CFOCFCFCFOCF]-、又は、
-CH-CF[-O-CF-CF]-
が好ましく、
-CH-CF[-CF]-
がより好ましい。
上記式(2)で表される含フッ素単量体(2)は、Rfは、炭素数1~12の直鎖状もしくは分岐鎖状のフッ素化アルキル基、又は、炭素数1~12の直鎖状もしくは分岐鎖状のフッ素化アルコキシ基である。フッ素化アルキル基およびフッ素化アルコキシ基は、いずれも、炭素数が2以上ある場合には、炭素-炭素原子間に酸素原子(-O-)を含むことができる。
Rfのフッ素化アルキル基は、炭素原子に結合した水素原子の一部がフッ素原子により置換された部分フッ素化アルキル基であってもよいし、炭素原子に結合した水素原子の全部がフッ素原子により置換された過フッ素化アルキル基であってもよい。また、Rfのフッ素化アルキル基は、水素原子がフッ素原子以外の置換基により置換されていてもよいが、フッ素原子以外の置換基を含まないことが好ましい。
また、Rfのフッ素化アルコキシ基は、炭素原子に結合した水素原子の一部がフッ素原子により置換された部分フッ素化アルコキシ基であってもよいし、炭素原子に結合した水素原子の全部がフッ素原子により置換された過フッ素化アルコキシ基であってもよい。また、Rfのフッ素化アルコキシ基は、水素原子がフッ素原子以外の置換基により置換されていてもよいが、フッ素原子以外の置換基を含まないことが好ましい。
Rfの炭素数としては、好ましくは1~10であり、より好ましくは1~6であり、さらに好ましくは1~4であり、特に好ましくは1である。
Rfとしては、一般式:
-(Rf21-(O)-(Rf22-O)-Rf23
(式中、Rf21およびRf22は、独立に、直鎖状もしくは分岐鎖状の、炭素数1~4のフッ素化アルキレン基、Rf23は、直鎖状もしくは分岐鎖状の、炭素数1~4のフッ素化アルキル基、pは0又は1、mは0~4の整数、nは0~4の整数である。)で表される基が好ましい。
Rf21およびRf22のフッ素化アルキレン基は、炭素原子に結合した水素原子の一部がフッ素原子により置換された部分フッ素化アルキレン基であってもよいし、炭素原子に結合した水素原子の全部がフッ素原子により置換された過フッ素化アルキレン基であってもよい。また、Rf21およびRf22のフッ素化アルキレン基は、水素原子がフッ素原子以外の置換基により置換されていてもよいが、フッ素原子以外の置換基を含まないことが好ましい。Rf21およびRf22は、各出現において、同じであってもよいし、異なっていてもよい。
Rf21のフッ素化アルキレン基としては、-CHF-、-CF-、-CH-CF-、-CHF-CF-、-CF-CF-、-CF(CF)-、-CH-CF-CF-、-CHF-CF-CF-、-CF-CF-CF-、-CF(CF)-CF-、-CF-CF(CF)-、-C(CF-、-CH-CF-CF-CF-、-CHF-CF-CF-CF-、-CF-CF-CF-CF-、-CH(CF)-CF-CF-、-CF(CF)-CF-CF-、-C(CF-CF-などが挙げられ、なかでも、炭素数1又は2の過フッ素化アルキレン基が好ましく、-CF-がより好ましい。
Rf22のフッ素化アルキレン基としては、-CHF-、-CF-、-CH-CF-、-CHF-CF-、-CF-CF-、-CF(CF)-、-CH-CF-CF-、-CHF-CF-CF-、-CF-CF-CF-、-CF(CF)-CF-、-CF-CF(CF)-、-C(CF-、-CH-CF-CF-CF-、-CHF-CF-CF-CF-、-CF-CF-CF-CF-、-CH(CF)-CF-CF-、-CF(CF)-CF-CF-、-C(CF-CF-などが挙げられ、なかでも、炭素数1~3の過フッ素化アルキレン基が好ましく、-CF-、-CFCF-、-CF-CF-CF-、-CF(CF)-CF-又はCF-CF(CF)-がより好ましい。
Rf23のフッ素化アルキル基としては、炭素原子に結合した水素原子の一部がフッ素原子により置換された部分フッ素化アルキル基であってもよいし、炭素原子に結合した水素原子の全部がフッ素原子により置換された過フッ素化アルキル基であってもよい。また、Rf23のフッ素化アルキル基は、水素原子がフッ素原子以外の置換基により置換されていてもよいが、フッ素原子以外の置換基(たとえば、-CN、-CHI、-CHBrなど)を含まないことが好ましい。
Rf23のフッ素化アルキル基としては、-CHF、-CHF、-CF、-CH-CHF、-CH-CHF、-CH-CF、-CHF-CHF、-CHF-CHF、-CHF-CF、-CF-CHF、-CF-CHF、-CF-CF、-CH-CF-CHF、-CHF-CF-CHF、-CF-CF-CHF、-CF(CF)-CHF、-CH-CF-CHF、-CHF-CF-CHF、-CF-CF-CHF、-CF(CF)-CHF、-CH-CF-CF、-CHF-CF-CF、-CF-CF-CF、-CF(CF)-CF、-CH-CF-CF-CF、-CHF-CF-CF-CF、-CF-CF-CF-CF、-CH(CF)-CF-CF、-CF(CF)-CF-CF、-C(CF-CFなどが挙げられ、なかでも、-CF、-CHF-CF、-CF-CHF、-CF-CF、-CF-CF-CF、-CF(CF)-CF、-CF-CF-CF-CF、-CH(CF)-CF-CF又はCF(CF)-CF-CFが好ましい。
pとしては、0が好ましい。
mとしては、好ましくは0~2の整数であり、より好ましくは0又は1であり、さらに好ましくは0である。また、pが0であるときはmも0であることが好ましい。
nとしては、好ましくは0~2の整数であり、より好ましくは0又は1であり、さらに好ましくは0である。
繰り返し単位としては、
-CHF-CH[-CF]-、
-CHF-CH[-CFCF]-、
-CHF-CH[-CFCFCF]-、又は、
-CHF-CH[-CFCFCFCF]-、
が好ましく、
-CHF-CH[-CF]-
がより好ましい。
上記フッ素ポリマー2は、ビニリデンフルオライド単位/共重合単位のモル比が87/13~20/80であることが好ましい。溶解性の観点から、更に好ましくは85/15~30/70である。
上記フッ素ポリマー2は、ビニリデンフルオライド単位と共重合単位以外の構成単位を有するものであってもよい。この場合、その他の重合体の含有量は、50モル%以下であることが好ましい。なお、ビニリデンフルオライド単位及び共重合単位のみからなるものであってもよい。その他の重合体の含有量は、30モル%以下であることがより好ましく、15モル%以下であることが更に好ましい。
上記フッ素ポリマー2は、上記他の単量体として、架橋部位を与える単量体を使用するものであってもよい。
上記架橋部位を与える単量体としては特に限定されず、たとえば、一般式:
CX12=CX-RfCHR
(式中、Xは、水素原子、フッ素原子又はCH、Rfは、フルオロアルキレン基、パーフルオロアルキレン基、フルオロ(ポリ)オキシアルキレン基又はパーフルオロ(ポリ)オキシアルキレン基、Rは、水素原子又はCH、Xは、ヨウ素原子又は臭素原子である。)で表されるヨウ素又は臭素含有単量体、一般式:
CF=CFO(CFCF(CF)O)(CF-X
(式中、mは0~5の整数、nは1~3の整数、Xは、シアノ基、カルボキシル基、アルコキシカルボニル基、ヨウ素原子、又は臭素原子である。)で表される単量体、一般式:
CH=CFCFO(CF(CF)CFO)(CF(CF))-X
(式中、mは0~5の整数、nは1~3の整数、Xは、シアノ基、カルボキシル基、アルコキシカルボニル基、ヨウ素原子、臭素原子、又は-CHOHである。)で表される単量体を他の単量体として使用するものであってもよい。
なかでも、CF=CFOCFCF(CF)OCFCFCN、CF=CFOCFCF(CF)OCFCFCOOH、CF=CFOCFCFCHI、CF=CFOCFCF(CF)OCFCFCHI、CH=CFCFOCF(CF)CFOCF(CF)CN、CH=CFCFOCF(CF)CFOCF(CF)COOH、及び、CH=CFCFOCF(CF)CFOCF(CF)CHOHからなる群より選択される少なくとも1種であることが好ましい。
上記フッ素ポリマー2は、含フッ素エラストマーであることが好ましい。含フッ素エラストマーは低いガラス転移温度を有する非晶性のフッ素系重合体である。また、架橋部位を与える単量体に基づく繰り返し単位を含有してもよいが、本開示の一実施形態においては、架橋剤を含有しない。
上記含フッ素エラストマーは、ガラス転移温度が25℃以下であることが好ましい。より好ましくは、ガラス転移温度が0℃以下である。ガラス転移温度は、-5℃以下が更に好ましく、-10℃以下が最も好ましい。更には-20℃以下とすることもできる。ここで、ガラス転移温度は、示差走査熱量計(日立テクノサイエンス社製、X-DSC823e)を用い、-75℃まで冷却した後、試料10mgを20℃/分で昇温することによりDSC曲線を得て、DSC曲線の二次転移前後のベースラインの延長線と、DSC曲線の変曲点における接線との交点を示す温度をガラス転移温度とした。
上記含フッ素エラストマーは、非晶質であることが好ましい。非晶質であるとは、上述したDSC曲線において、融点ピークが存在しないものであることを意味する。
このような低Tgで非晶質である含フッ素エラストマーは、溶媒に溶けやすく、電極に柔軟性を与え、加工し易さを与えるという点で特に好ましいものである。
上述した含フッ素エラストマーは、ビニリデンフルオライド単位、上述した共重合単位、及び、必要に応じて、これらと共重合可能な他の単量体からなる共重合体であり、ビニリデンフルオライド単位/共重合単位のモル比が99.5/0.5~80/20であり、他の単量体単位が全単量体単位の0~15モル%であることが好ましい。
含フッ素エラストマーは、ビニリデンフルオライド、共重合単位及び他の単量体のみからなる共重合体であることが好ましい。
本開示に用いられるフッ素ポリマー2は、共重合単位に由来する構成単位を0.001~10モル%(但し、フッ化ビニリデンに由来する構成単位と、共重合単位との合計を100モル%とする)有することが好ましく、0.01~5モル%有することがより好ましく、0.01~3.0モル%有することが特に好ましい。また、フッ化ビニリデンに由来する構成単位を、90~99.999モル%有することが好ましく、95~99.75モル%有することがより好ましく、96~99.63モル%有することが特に好ましい。共重合単位が0.01モル%以上である場合、ポリマー溶剤の粘度が高くなり過ぎず、ポリマー溶剤の塗工が困難になることを防ぐことができる。
フッ素ポリマー2の重量平均分子量(ポリスチレン換算)は、好ましくは161000~2760000であり、より好ましくは322000~2530000であり、さらに好ましくは600000~2000000である。上記重量平均分子量は、ゲルパーミエーションクロマトグラフィ(GPC)により溶媒としてジメチルホルムアミドを用い50℃で測定することができる。
フッ素ポリマー2の数平均分子量(ポリスチレン換算)は、好ましくは70000~1200000であり、より好ましくは140000~1100000である。上記数平均分子量は、ゲルパーミエーションクロマトグラフィ(GPC)により溶媒としてジメチルホルムアミドを用い50℃で測定することができる。
フッ素ポリマー2のガラス転移温度は、25℃以下であることが好ましく、より好ましくは20℃以下であり、更に好ましくは15℃以下であり、更に好ましくは0℃以下であり、更に好ましくは-5℃以下であり、最も好ましくは-10℃以下である。フッ素ポリマー2のガラス転移温度は、-25℃以上であることが好ましく、より好ましくは-23℃以上であり、更に好ましくは-20℃以上である。ここで、ガラス転移温度は、示差走査熱量計(日立テクノサイエンス社製、X-DSC823e)を用い、-75℃まで冷却した後、試料10mgを20℃/分で昇温することによりDSC曲線を得て、DSC曲線の二次転移前後のベースラインの延長線と、DSC曲線の変曲点における接線との交点を示す温度をガラス転移温度として求める。
フッ素ポリマー2の121℃のムーニー粘度(ML1+10(121℃))は、2以上であることが好ましく、5以上であることがより好ましく、10以上であることがさらに好ましく、15以上であることが特に好ましく、200以下であってもよい。
フッ素ポリマー2の140℃のムーニー粘度(ML1+10(121℃))は、2以上であることが好ましく、5以上であることがより好ましく、10以上であることがさらに好ましく、15以上であることが特に好ましく、200以下であってもよい。
ムーニー粘度は、ASTM-D1646-15およびJIS K6300-1:2013に準拠して測定する値である。
上記フッ素ポリマー2は、末端構造が以下の不等式:
0.01≦([-CHOH]+[-COOH])/([-CH]+[-CFH]+[-CHOH]+[-CHI]+[-OC(O)RH]+[-COOH])≦0.25
(式中、Rは炭素数1~20のアルキル基を表す。)を満たすことが好ましい。より好ましくは、0.03≦([-CHOH]+[-COOH])/([-CH]+[-CFH]+[-CHOH]+[-CHI]+[-OC(O)RH]+[-COOH]≦0.20である。
末端官能基が上記式を満たすものとすることで、密着性・柔軟性が良好なものとなり、優れた機能を有するものとなる。
すなわち、[-CHOH]や[-COOH]は、水酸基、カルボキシル基といった親和性が高い官能基を有するものであるため、電解液との親和性が高いという点で好ましい。
したがって、これらの官能基量を一定以上の割合で含有すると、密着性が優れる点で好ましい。一方、[-CHOH]や[-COOH]の量が過剰になると、柔軟性が低下することとなってしまう。このような観点から、[-CHOH]や[-COOH]が上述した範囲内となることが好ましい。
なお、上記一般式を満たすということは、上記フッ素ポリマー2末端中に、[-CH]、[-CFH]、[-CHOH]、[-CHI]、[-OC(O)RH]、[-COOH]のすべての官能基を有することを意味するものではなく、これらのうち、存在する末端基について、その個数比が上述した範囲内とすることを意味するものである。
樹脂の各末端基の存在量は、NMRによる分析によって行うことができる。
NMRの末端基分析は、プロトンの溶液NMR法により測定した。分析サンプルはAcetone-d6を溶媒として、20wt%溶液となるように調整し、測定を行った。
基準ピークはアセトンのピークトップを2.05ppmとする
測定装置:バリアン社製 VNMRS400
共鳴周波数:399.74(Sfrq)
パルス幅:45°
各末端は、以下のピーク位置のものに対応させた。
[-CH]:1.72~1.86ppm
[-CFH]:6.1~6.8ppm
[-CHOH]:3.74~3.80ppm
[-CHI]:3.87~3.92ppm
[-OC(O)RH]:1.09~1.16ppm
[-COOH]:10~15ppm
上述した測定によって特定された各ピークの積分値に基づいて、各ピーク強度から官能基量を算出し、その結果に基づいて下記式にて計算する。
([-CHOH]+[-COOH])/([-CH]+[-CFH]+[-CHOH]+[-CHI]+[-OC(O)RH]+[-COOH])
また、[-CHOH]や[-COOH]を上述した所定の範囲内のものとする方法は、特に限定されず、公知の方法(例えば、使用する開始剤の選択・使用量等)によって制御することができる。
上記フッ素ポリマー2は、密着性、柔軟性を良好なものとし、溶媒への溶解性を良好とするために、数平均分子量(Mn)が7000~5000000であることが好ましく、重量平均分子量(Mw)が10000~10000000であることが好ましく、Mw/Mnが1.0~30.0であることが好ましく、1.5~25.0であることがさらに好ましい。上記数平均分子量(Mn)、重量平均分子量(Mw)、及び、Mw/Mnは、GPC法により測定する値である。
上記フッ素ポリマー2は、一般的なラジカル重合法により製造することができる。重合形態は、塊状重合、溶液重合、懸濁重合及び乳化重合のいずれの形態でもよいが、工業的に実施が容易であることから、乳化重合であることが好ましい。
重合においては、重合開始剤、連鎖移動剤、界面活性剤、及び、溶媒を使用することができ、それぞれ従来公知のものを使用することができる。共重合体の重合において、重合開始剤として油溶性ラジカル重合開始剤、又は水溶性ラジカル開始剤を使用できる。
油溶性ラジカル重合開始剤としては、公知の油溶性の過酸化物であってよく、たとえば、ジイソプロピルパーオキシジカーボネート、ジsec-ブチルパーオキシジカーボネートなどのジアルキルパーオキシカーボネート類、t-ブチルパーオキシイソブチレート、t-ブチルパーオキシピバレートなどのパーオキシエステル類、ジt-ブチルパーオキサイドなどのジアルキルパーオキサイド類などが、また、ジ(ω-ハイドロ-ドデカフルオロヘプタノイル)パーオキサイド、ジ(ω-ハイドロ-テトラデカフルオロヘプタノイル)パーオキサイド、ジ(ω-ハイドロ-ヘキサデカフルオロノナノイル)パーオキサイド、ジ(パーフルオロブチリル)パーオキサイド、ジ(パーフルパレリル)パーオキサイド、ジ(パーフルオロヘキサノイル)パーオキサイド、ジ(パーフルオロヘプタノイル)パーオキサイド、ジ(パーフルオロオクタノイル)パーオキサイド、ジ(パーフルオロノナノイル)パーオキサイド、ジ(ω-クロロ-ヘキサフルオロブチリル)パーオキサイド、ジ(ω-クロロ-デカフルオロヘキサノイル)パーオキサイド、ジ(ω-クロロ-テトラデカフルオロオクタノイル)パーオキサイド、ω-ハイドロ-ドデカフルオロヘプタノイル-ω-ハイドロヘキサデカフルオロノナノイル-パーオキサイド、ω-クロロ-ヘキサフルオロブチリル-ω-クロロ-デカフルオロヘキサノイル-パーオキサイド、ω-ハイドロドデカフルオロヘプタノイル-パーフルオロブチリル-パーオキサイド、ジ(ジクロロペンタフルオロブタノイル)パーオキサイド、ジ(トリクロロオクタフルオロヘキサノイル)パーオキサイド、ジ(テトラクロロウンデカフルオロオクタノイル)パーオキサイド、ジ(ペンタクロロテトラデカフルオロデカノイル)パーオキサイド、ジ(ウンデカクロロドトリアコンタフルオロドコサノイル)パーオキサイドのジ[パーフルオロ(又はフルオロクロロ)アシル]パーオキサイド類などが代表的なものとしてあげられる。
水溶性ラジカル重合開始剤としては、公知の水溶性過酸化物であってよく、たとえば、過硫酸、過ホウ酸、過塩素酸、過リン酸、過炭酸などのアンモニウム塩、カリウム塩、ナトリウム塩、t-ブチルパーマレエート、t-ブチルハイドロパーオキサイドなどがあげられる。サルファイト類、亜硫酸塩類のような還元剤も併せて含んでもよく、その使用量は過酸化物に対して0.1~20倍であってよい。
ラジカル重合開始剤の添加量は、特に限定はないが、重合速度が著しく低下しない程度の量(たとえば、数ppm対水濃度)以上を重合の初期に一括して、又は逐次的に、又は連続して添加すればよい。上限は、装置面から重合反応熱を除熱出来る範囲である。
溶媒としては、連鎖移動性を持たない溶媒であることが好ましい。溶液重合の場合、ジクロロペンタフルオロプロパン(R-225)があげられ、乳化重合及び懸濁重合の場合、水、水と水溶性有機溶媒との混合物、又は、水と非水溶性有機溶媒との混合物があげられる。
上記重合において、連鎖移動剤としては、たとえば、マロン酸ジメチル、マロン酸ジエチル、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸ブチル、コハク酸ジメチルなどのエステル類のほか、イソペンタン、メタン、エタン、プロパン、イソプロパノール、アセトン、各種メルカプタン、四塩化炭素、シクロヘキサンなどがあげられる。
連鎖移動剤として臭素化合物又はヨウ素化合物を使用してもよい。臭素化合物又はヨウ素化合物を使用して行う重合方法としては、たとえば、実質的に無酸素状態で、臭素化合物又はヨウ素化合物の存在下に、加圧しながら水媒体中で乳化重合を行う方法があげられる(ヨウ素移動重合法)。使用する臭素化合物又はヨウ素化合物の代表例としては、たとえば、一般式:
Br
(式中、xおよびyはそれぞれ0~2の整数であり、かつ1≦x+y≦2を満たすものであり、Rは炭素数1~16の飽和もしくは不飽和のフルオロ炭化水素基又はクロロフルオロ炭化水素基、又は炭素数1~3の炭化水素基であり、酸素原子を含んでいてもよい)
で表される化合物があげられる。
ヨウ素化合物としては、たとえば、1,3-ジヨードパーフルオロプロパン、2-ヨードパーフルオロプロパン、1,3-ジヨード-2-クロロパーフルオロプロパン、1,4-ジヨードパーフルオロブタン、1,5-ジヨード-2,4-ジクロロパーフルオロペンタン、1,6-ジヨードパーフルオロヘキサン、1,8-ジヨードパーフルオロオクタン、1,12-ジヨードパーフルオロドデカン、1,16-ジヨードパーフルオロヘキサデカン、ジヨードメタン、1,2-ジヨードエタン、1,3-ジヨード-n-プロパン、CFBr、BrCFCFBr、CFCFBrCFBr、CFClBr、BrCFCFClBr、CFBrClCFClBr、BrCFCFCFBr、BrCFCFBrOCF、1-ブロモ-2-ヨードパーフルオロエタン、1-ブロモ-3-ヨードパーフルオロプロパン、1-ブロモ-4-ヨードパーフルオロブタン、2-ブロモ-3-ヨードパーフルオロブタン、3-ブロモ-4-ヨードパーフルオロブテン-1、2-ブロモ-4-ヨードパーフルオロブテン-1、ベンゼンのモノヨードモノブロモ置換体、ジヨードモノブロモ置換体、ならびに(2-ヨードエチル)および(2-ブロモエチル)置換体などがあげられ、これらの化合物は、単独で使用してもよく、相互に組み合わせて使用することもできる。
これらのなかでも、重合反応性、架橋反応性、入手容易性などの点から、1,4-ジヨードパーフルオロブタン、1,6-ジヨードパーフルオロヘキサン、2-ヨードパーフルオロプロパンを用いるのが好ましい。
上述した方法で得られた重合体は、乳化重合の場合、重合上がりの分散液を凝析させ、水洗し、脱水し、乾燥することによって粉体状態のものを得ることができる。凝析は、硫酸アルミニウム等の無機塩又は無機酸を添加するか、機械的な剪断力を与えるか、分散液を凍結させることによって行うことができる。懸濁重合の場合は、重合上がりの分散液から回収し、乾燥することにより粉体状態のものを得ることができる。溶液重合の場合は、重合体を含む溶液をそのまま乾燥させて得ることができるし、貧溶媒を滴下して精製することによっても得ることができる。
フッ素ポリマー2としては、1種を用いてもよいし、2種以上を用いてもよい。特に、分子構造の異なる2種類の共重合体を併用する形態であってもよい。
(フッ素ポリマー3)
本開示に用いられるフッ素ポリマーは、フッ化ビニリデンと、上記式(3)で表される単量体との共重合体を含有するものであってもよい。
上記式(3)において、R、RおよびRは、それぞれ独立に水素原子、塩素原子又は炭素数1~5のアルキル基であるが、重合反応の観点から、特にR、Rは立体障害の小さな置換基であることが望まれ、水素又は炭素数1~3のアルキル基が好ましく、水素又はメチル基であることが好ましい。
上記式(3)において、Xは、単結合または主鎖が原子数1~20で構成される分子量500以下の原子団であればよいが、200以下であることが好ましい。また、原子団である場合の分子量の下限としては特に限定はないが、通常は15である。この範囲であると、電極合剤スラリーのゲル化を好適に抑えられるという点で好ましい。
さらに、上記式(3)中、Xは、下記式(3-1)で示される構造であってよい。
-COO-X’・・・(3-1)
上記式(3-1)において、X’は、主鎖が原子数1~18で構成される分子量456以下の原子団であるが、好ましくは主鎖が原子数1~13、主鎖が原子数1~8で構成されることがより好ましく、分子量は156以下であることが好ましい。またX’は原子団の分子量の下限としては特に限定はないが、通常は14である。この範囲であると、重合性の観点から好ましい。なお、主鎖の原子数には、水素原子の数は含めない。また、主鎖の原子数とは、式(3)におけるXの右側に記載されたカルボキシル基と、Xの左側に記載された基(RC=CR-)とを、最も少ない原子数で結ぶ鎖の骨格部分の原子数を意味している。またXは、官能基を側鎖として含むことで分岐していてもよい。Xに含まれる側鎖は、1つであってもよく、複数含まれていてもよい。
上記一般式(3)中のYは、無機カチオン及び/又は有機カチオンを表すものである。
無機カチオンとしては、H、Li、Na、K、Mg、Ca、Al、Fe等のカチオンが挙げられる。有機カチオンとしては、NH、NH15、NH15 、NHR15 、NR15 (R15は、独立に、炭素数1~4のアルキル基を表す。)等のカチオンが挙げられる。Yとしては、H、Li、Na、K、Mg、Ca、Al、NHが好ましく、H、Li、Na、K、Mg、Al、NHがより好ましく、H、Li、Al、NHがさらに好ましく、Hが特に好ましい。なお、無機カチオンおよび有機カチオンの具体例は、便宜上、符号および価数を省略して記載している。
さらに、上記式(3)で表される単量体は、極性基含有化合物であることが好ましい。極性基含有化合物としては、例えば、カルボキシル基、エポキシ基、ヒドロキシル基、スルホン酸基等を含む化合物が挙げられ、中でもカルボキシル基を含む化合物であることが好ましい。上記式(3)で表される極性基含有化合物がカルボキシル基を含むことは、電極活物質と集電体との良好な結着性の点から好ましい。
式(3)で表される極性基含有化合物としては、具体的には、例えば、アクリル酸(AA)、2-カルボキシエチルアクリレート、2-カルボキシエチルメタクリレート、アクリロイロキシエチルコハク酸(AES)、アクリロイロキシプロピルコハク酸(APS)、等を挙げることができ、中でもアクリル酸、2‐カルボキシエチルアクリレート、アクリロイロキシエチルコハク酸およびアクリロイロキシプロピルコハク酸が好ましい。本開示において、式(1)で表される極性基含有化合物として、1種又は2種以上が含まれてもよい。
本開示に用いられるフッ素ポリマー3は、式(3)で表される単量体に由来する構成単位を0.01~10モル%(但し、フッ化ビニリデンに由来する構成単位と、式(3)で表される単量体に由来する構成単位との合計を100モル%とする)有することが好ましく、0.20~7モル%有することがより好ましく、0.30~4モル%有することが特に好ましい。また、フッ化ビニリデンに由来する構成単位を、90~99.99モル%有することが好ましく、93~99.75モル%有することがより好ましく、96~99.63モル%有することが特に好ましい。式(3)で表される単量体に由来する構成単位が0.01モル%以上である場合、式(3)のフッ素ポリマー内で占める割合が小さくなり過ぎず、フッ素ポリマー溶液のゲル化を抑制する効果を得ることができる。また、式(3)で表される単量体に由来する構成単位が10モル%以下である場合、粘度が高くなり過ぎず、塗工が困難になることを防ぐことができる。
なお、フッ素ポリマー3のフッ化ビニリデン単位の量、および上記式(3)で表される単量体単位の量は、通常は共重合体のH NMRスペクトル、もしくは中和滴定により求めることができる。
本開示に用いられるフッ素ポリマー3は、フッ化ビニリデンおよび上記式(3)で表される単量体以外の他の単量体の成分を有していてもよい。例えば、フッ化ビニリデンと共重合可能なフッ素系単量体あるいはエチレン、プロピレン等の炭化水素系単量体、また、上記式(3)と共重合可能な単量体が挙げられる。フッ化ビニリデンと共重合可能なフッ素系単量体としては、フッ化ビニル、トリフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン、クロロトリフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレン、ペルフルオロメチルビニルエーテルに代表されるペルフルオロアルキルビニルエーテル等を挙げることができる。上記式(3)と共重合可能な単量体としては、(メタ)アクリル酸、(メタ)アクリル酸メチルに代表される(メタ)アクリル酸アルキル化合物等が挙げられる。なお、他の単量体は、1種単独で用いてもよく、2種以上を用いても良い。
上記フッ素ポリマー3が上述した他の単量体を有する場合には、フッ素ポリマー3を構成する全単量体単位を100モル%とすると、他の単量体単位を0.01~10モル%有することが好ましい。
本開示に用いられるフッ素ポリマー3は、GPC(ゲルパミエーションクロマトグラフィー)で測定して求めた重量平均分子量が、通常は5万から150万の範囲である。
上記フッ素ポリマー3は、フッ化ビニリデンと、上記式(3)で表される単量体の少なくとも一方とを従来公知の方法で重合させることによって得ることができる。重合方法については、特に限定されるものではないが、例えば、懸濁重合、乳化重合、溶液重合等の方法を挙げることができる。これらの中でも、後処理の容易さ等から、重合方法は、水系の懸濁重合又は乳化重合であることが好ましい。また、重合に用いるフッ化ビニリデンおよび上記式(3)で表される単量体は、それぞれ既に周知の化合物であり、一般の市販品を用いてもよい。
上記フッ素ポリマー3は、通常、フッ化ビニリデン90~99.9質量部、および上記式(3)で表される単量体0.1~10質量部、さらに好ましくは、フッ化ビニリデン95~99.9質量部、および上記式(3)で表される単量体0.1~5質量部を共重合して得られることが好ましい(ただし、フッ化ビニリデンおよび上記式(3)で表される単量体の合計を100質量部とする)。
上記フッ素ポリマー3のインヘレント粘度ηiは、0.5dl/g~5.0dl/gであることが好ましく、1.0dl/g~4.0dl/gであることがより好ましく、1.5dl/g~3.5dl/gであることがさらに好ましい。インヘレント粘度が上記の範囲であれば、フッ素樹脂溶液の固形分低下による生産性の悪化や、電極合剤を塗工する際に電極の厚みムラを発生させることなく、電極作製を容易に行える点で好ましい。
なお、上述したインヘレント粘度ηiは、重合体80mgを20mlのN,N-ジメチルホルムアミドに溶解して、30°Cの恒温槽内でウベローデ粘度計を用いて次式により求めることができる。
ηi=(1/C)・ln(η/η0)
上記式においてηは重合体溶液の粘度、η0は溶媒であるN,N-ジメチルホルムアミドの粘度、Cは0.4g/dlである。
インヘレント粘度が上記の範囲であれば、フッ素樹脂溶液の固形分低下による生産性の悪化や、電極合剤を塗工する際に電極の厚みムラを発生させることなく、電極作製を容易に行える点で好ましい。
(負極)
本開示の二次電池における負極は、リチウム、ナトリウム、マグネシウム及び亜鉛からなる群より選択される少なくとも1種の金属元素の金属状態の層を含むものであることが好ましい。
なお、上記第1の態様においては、負極は、リチウム、ナトリウム、マグネシウム及び亜鉛からなる群より選択される少なくとも1種の金属元素の金属状態の層を含むことが必須である。
上記第2の態様においては、電極が製造された時点では、金属状態の層を有していない。その後充電によって形成されることとなる金属元素の金属状態の層は、リチウム、ナトリウム、マグネシウム及び亜鉛からなる群より選択される少なくとも1種の金属元素からなるものであることが好ましい。
これらのなかでも、リチウム金属単体又はこれを含有する合金を使用することが最も好ましく、リチウム金属単体であることが最も好ましい。
負極の製造は、金属箔の一般的な製造方法によって行うことができる。また、合金材料を用いる場合には、蒸着法、スパッタ法、メッキ法等の手法により、上述の負極活物質を含有する薄膜層(負極活物質層)を形成する方法も用いられる。
負極板の厚さは用いられる正極板に合わせて設計されるものであり、特に制限されないが、芯材の金属箔厚さを差し引いた合剤層の厚さは通常15μm以上、好ましくは20μm以上、より好ましくは30μm以上、また、通常300μm以下、好ましくは280μm以下、より好ましくは250μm以下が望ましい。
(負極用集電体)
負極用集電体の材質としては、アルミニウム、チタン、タンタル、ステンレス鋼、ニッケル、銅等の金属、又は、その合金等の金属材料;カーボンクロス、カーボンペーパー等の炭素材料が挙げられる。なかでも、金属材料、特にアルミニウム、銅又はその合金が好ましい。
集電体の形状としては、金属材料の場合、金属箔、金属円柱、金属コイル、金属板、金属薄膜、エキスパンドメタル、パンチメタル、発泡メタル等が挙げられ、炭素材料の場合、炭素板、炭素薄膜、炭素円柱等が挙げられる。これらのうち、金属薄膜が好ましい。なお、薄膜は適宜メッシュ状に形成してもよい。薄膜の厚さは任意であるが、通常1μm以上、好ましくは3μm以上、より好ましくは5μm以上、また、通常1mm以下、好ましくは100μm以下、より好ましくは50μm以下である。薄膜がこの範囲よりも薄いと集電体として必要な強度が不足する場合がある。逆に、薄膜がこの範囲よりも厚いと取り扱い性が損なわれる場合がある。
また、集電体の表面に導電助剤が塗布されていることも、電気接触抵抗を低下させる観点で好ましい。導電助剤としては、炭素や、金、白金、銀等の貴金属類が挙げられる。
集電体と負極活物質層の厚さの比は特には限定されないが、(液体電解質注液直前の片面の負極活物質層の厚さ)/(集電体の厚さ)の値が20以下であることが好ましく、より好ましくは15以下、最も好ましくは10以下であり、また、0.5以上が好ましく、より好ましくは0.8以上、最も好ましくは1以上の範囲である。この範囲を上回ると、高電流密度充放電時に集電体がジュール熱による発熱を生じる場合がある。この範囲を下回ると、集電体の体積比が増加し、電池の容量が減少する場合がある。
上記フッ素ポリマーによる被覆は、乾燥前のコーティング厚みが3~8μmであることが好ましい。このような範囲内のものとすることで、本開示の効果を好適に発揮することができる。
(負極の製造方法)
本開示の負極の製造は、上述した重合体の溶液を負極材料又は集電体上に塗布・乾燥する方法、圧延より貼り付ける方法によって得ることができる。
重合体の溶液とする場合の溶媒は、N-メチル-2-ピロリドン、3-メトキシ-N,N-ジメチルプロパンアミド、N-エチル-2-ピロリドンおよびN-ブチル-2-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、ヘキサメチルホスファルアミド、ジメチルスルホキシド、ジエチレントリアミン、N,N-ジメチルアミノプロピルアミン、ジエチルエーテル、プロピレンオキシド、テトラヒドロフラン等を挙げることができる。
重合体の溶液中の重合体は、重合体の溶液全体に対して3~40質量%であることが好ましく、より好ましくは5~15質量%である。
乾燥後のコーティング層の密度は0.3~3.0g/cmであることが好ましく、より好ましくは1~2g/cmである。
乾燥後のコーティング層の厚みは、重合体の溶液中のフッ素ポリマー重量部と、負極材料又は集電体へのコーティング層の厚みから、算出可能である。
第2の態様においては、コーティング層が形成された集電体を液体窒素に投入することにより凍結乾燥し、この凍結乾燥サンプルをコーティング層に対して垂直に切断することで断面観察用のサンプルを作製し、該サンプルのコーティング層断面を走査電子顕微鏡(SEM)で観察することでも、乾燥後のコーティング層の厚みを測定可能である。
乾燥後のコーティング層の密度は、乾燥前後のコーティング層の重量変化から重量を算出し、乾燥後のコーティング層の体積で割ることにより、算出可能である。
(電池)
本開示は、上述した負極を備え、かつ、フッ素化エーテルを必須成分として含有する液体電解質を有する二次電池である。以下、上記フッ素化エーテル及びこれを含有する液体電解質について詳述する。フッ素化エーテルを含有する電解液を使用し、上述した負極を使用した場合に、特にデンドライトの形成を低減することができる点で好ましい。
(フッ素化エーテル)
液体電解質は、フッ素化エーテルを電解液溶媒全体のうち90質量%未満含むものであることが好ましい。
フッ素化エーテルとしては特に限定されずフッ素を一部に含むエーテル化合物であれば特に限定されるものではない。
上記フッ素化エーテルとしては、下記一般式(I):
Rf-O-Rf (I)
(式中、Rf及びRfは同じか又は異なり、炭素数1~10のアルキル基又は炭素数1~10のフッ素化アルキル基である。ただし、Rf及びRfの少なくとも一方は、フッ素化アルキル基である。)
で表されるその他のフッ素化エーテルが挙げられる。その他のフッ素化エーテルを含有させることにより、液体電解質の難燃性が向上するとともに、高温高電圧での安定性、安全性が向上する。
上記一般式(I)においては、Rf及びRfの少なくとも一方が炭素数1~10のフッ素化アルキル基であればよいが、液体電解質の難燃性及び高温高電圧での安定性、安全性を一層向上させる観点から、Rf及びRfが、ともに炭素数1~10のフッ素化アルキル基であることが好ましい。この場合、Rf及びRfは同じであってもよく、互いに異なっていてもよい。
なかでも、Rf及びRfが、同じか又は異なり、Rfが炭素数3~6のフッ素化アルキル基であり、かつ、Rfが炭素数2~6のフッ素化アルキル基であることがより好ましい。
Rf及びRfの合計炭素数が少な過ぎるとフッ素化エーテルの沸点が低くなりすぎ、また、Rf又はRfの炭素数が多過ぎると、電解質塩の溶解性が低下し、他の溶媒との相溶性にも悪影響が出始め、また粘度が上昇するためレート特性が低減する。Rfの炭素数が3又は4、Rfの炭素数が2又は3のとき、沸点及びレート特性に優れる点で有利である。
このようなフッ素化エーテルとしては、例えば、下記一般式(10)で表されるフッ素化エーテルを挙げることができる。
HCFCF-O-R (10)
(式中、Rは、エーテル基を含有しても良いアルキル基、もしくはエーテル基を含有してもよいフッ素化アルキル基である。)
以下においては、まず、一般式(10)で表されるフッ素化エーテル化合物について、詳述し、その後、更に、上記一般式(10)で表されるフッ素化エーテル化合物以外のフッ素化エーテル化合物(以下これを「その他のフッ素化エーテル化合物」と記すことがある。
本開示においては、上記一般式(10)で表されるフッ素化エーテル化合物と「その他のフッ素化エーテル化合物」とを併用して使用するものであっても差し支えない。
上記一般式(10)で表される化合物において、フッ化アルキル基は、炭素数1~10のフッ素化アルキル基であることが好ましい。中でも、炭素数2~6のフッ素化アルキル基であることがより好ましい。
上記一般式(10)で表される化合物において、フッ化アルキル基の炭素数が少なすぎると、沸点が低下し電解液の揮発性が高くなり、また、炭素数が多すぎると、粘度が増加し出力特性が低下してしまう。
上記一般式(10)で表される化合物は、フッ素含有率が40~75質量%であることが好ましい。この範囲のフッ素含有率を有するとき、不燃性と相溶性のバランスに特に優れたものになる。また、耐酸化性、安全性が良好な点からも好ましい。
上記フッ素含有率の下限は、43質量%がより好ましく、45質量%が更に好ましく、50質量%が特に好ましい。上限は70質量%がより好ましく、66質量%が更に好ましい。
なお、フッ素化エーテルのフッ素含有率は、フッ素化エーテルの構造式に基づいて、{(フッ素原子の個数×19)/フッ素化エーテルの分子量}×100(%)により算出した値である。
Rとしては、例えば、-CHCFCF、-CFCFHCF、-CFCFCFH、-CHCFCFH、-CHCHCFCF、-CHCFCFHCF、-CFCFCFCFH、-CHCFCFCFH、-CHCHCFCFH、-CHCF(CF)CFH、-CFCFH、-CHCFH、-CHCF、-CFCH3、-CH-CH、CH-CH-CH、CH-CH-CH-CH、-CHCH-O-CFCFH、-CHCH-O-CH、-CHCH-O-CHCH、-CHCH-O-CF、-CHCH-O-CHCF、-CHCH-O-CFCFH、-CHCH-O-CFH、-CHCH-O-CHCFH等が挙げられる。
上記一般式(10)で表される化合物の具体例としては、例えば、HCFCF-O-CHCFCFH、HCFCF-O-CHCFCF、HCFCF-O-CHCF、HCF-CF-O-CH-CH-CH、HCF-CF-O-CH-CH-CH-CH、HCF-CF-O-CH-CH-O-CF-CFH等が挙げられる。
上記一般式(10)で表されるフッ素化エーテルとして、特に、下記一般式(12)~(14)で表されるフッ素化エーテルからなる群より選択される少なくとも1のフッ素化エーテルであることが好ましい。
HCFCF-O-CHCFCFH (12)
HCFCF-O-CHCFCF (13)
HCFCF-O-CHCF (14)
特に、上記一般式(12)~(14)で表されるフッ素化エーテルを液体電解質に、添加剤として含むことにより、電解液の引火点を低下させる点で有利である。
上記その他のフッ素化エーテル(すなわち、上記一般式(10)で表されるものではない、フッ素化エーテル)としては、以下のものを挙げることができる。
上記その他のフッ素化エーテルは、フッ素含有率が40~75質量%であることが好ましい。この範囲のフッ素含有率を有するとき、不燃性と相溶性のバランスに特に優れたものになる。また、耐酸化性、安全性が良好な点からも好ましい。
上記フッ素含有率の下限は、45質量%がより好ましく、50質量%が更に好ましく、55質量%が特に好ましい。上限は70質量%がより好ましく、66質量%が更に好ましい。
なお、その他のフッ素化エーテルのフッ素含有率は、その他のフッ素化エーテルの構造式に基づいて、{(フッ素原子の個数×19)/その他のフッ素化エーテルの分子量}×100(%)により算出した値である。
Rfとしては、例えば、CFCFCH-、CFCFHCF-、HCFCFCF-、HCFCFCH-、CFCFCHCH-、CFCFHCFCH-、HCFCFCFCF-、HCFCFCFCH-、HCFCFCHCH-、HCFCF(CF)CH-等が挙げられる。また、Rfとしては、例えば、-CHCFCF、-CFCFHCF、-CFCFCFH、-CHCFCFH、-CHCHCFCF、-CHCFCFHCF、-CFCFCFCFH、-CHCFCFCFH、-CHCHCFCFH、-CHCF(CF)CFH、-CFCFH、-CHCFH、-CFCH等が挙げられる。
上記その他のフッ素化エーテルの具体例としては、例えばHCFCFCHOCFCFHCF、CFCFCHOCFCFHCF、C13OCH、C13OC、C17OCH、C17OC、CFCFHCFCH(CH)OCFCFHCF、HCFCFOCH(C、HCFCFOC、HCFCFOCHCH(C、HCFCFOCHCH(CH等が挙げられる。
なかでも、片末端又は両末端にHCFを含むものが分極性に優れ、沸点の高いその他のフッ素化エーテルを与えることができる。その他のフッ素化エーテルの沸点は、67~120℃であることが好ましい。より好ましくは80℃以上、更に好ましくは90℃以上である。
このようなその他のフッ素化エーテルとしては、例えば、CFCHOCFCFHCF、CFCFCHOCFCFHCF、HCFCFCHOCFCFHCF、HCFCFCHOCHCFCFH、CFCFHCFCHOCFCFHCF、HCFCFCHOCFCFH、等の1種又は2種以上が挙げられる。
なかでも、高沸点、他の溶媒との相溶性や電解質塩の溶解性が良好な点で有利なことから、HCFCFCHOCFCFHCF(沸点106℃)、CFCFCHOCFCFHCF(沸点82℃)、からなる群より選択される少なくとも1種であることが好ましく、HCFCFCHOCFCFHCF(沸点106℃)がより好ましい。
上記フッ素化エーテルの含有量は、液体電解質中、90質量%未満であることが好ましい。
当該範囲内とすることで、良好な液体電解質として使用することができる。すなわち、含有量が多くなると、液体電解質の濃度が高くなり、また、イオン伝導度は下がることから、電池の寿命が下がってしまう。
上記下限は、3質量%であることが好ましく、5質量%であることが更に好ましい。上記上限は、70質量%であることが好ましく、60質量%であることが更に好ましい。
上記一般式(10)で表されるフッ素化エーテルを使用する場合、上記フッ素化エーテルの含有量を上述した範囲内のものとすることが好ましい。
(液体電解質におけるフッ素化エーテル以外の成分)
本開示の液体電解質は、フッ素化エーテル以外の成分を含むことが好ましい。このような液体電解質に配合することができる成分について以下詳述する。
上記溶媒は、カーボネート及びカルボン酸エステルからなる群より選択される少なくとも1種を含むことが好ましい。
上記カーボネートは、環状カーボネートであってもよいし、鎖状カーボネートであってもよい。
上記環状カーボネートは、非フッ素化環状カーボネートであってもよいし、フッ素化環状カーボネートであってもよい。
上記非フッ素化環状カーボネートとしては、非フッ素化飽和環状カーボネートが挙げられ、炭素数2~6のアルキレン基を有する非フッ素化飽和アルキレンカーボネートが好ましく、炭素数2~4のアルキレン基を有する非フッ素化飽和アルキレンカーボネートがより好ましい。
なかでも、上記非フッ素化飽和環状カーボネートとしては、誘電率が高く、粘度が好適となる点で、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、シス-2,3-ペンチレンカーボネート、シス-2,3-ブチレンカーボネート、2,3-ペンチレンカーボネート、2,3-ブチレンカーボネート、1,2-ペンチレンカーボネート、1,2-ブチレンカーボネート及びブチレンカーボネートからなる群より選択される少なくとも1種が好ましい。
上記非フッ素化飽和環状カーボネートは、1種を単独で用いてもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。
上記非フッ素化飽和環状カーボネートが含まれる場合、上記非フッ素化飽和環状カーボネートの含有量は、上記溶媒に対して5~90体積%であることが好ましく、10~60体積%であることがより好ましく、15~45体積%であることが更に好ましい。
上記フッ素化環状カーボネートは、フッ素原子を有する環状カーボネートである。フッ素化環状カーボネートを含む溶媒は、高電圧下でも好適に使用することができる。
なお、本明細書において「高電圧」とは、4.2V以上の電圧をいう。また、「高電圧」の上限は4.9Vが好ましい。
上記フッ素化環状カーボネートは、フッ素化飽和環状カーボネートであってもよいし、フッ素化不飽和環状カーボネートであってもよい。
上記フッ素化飽和環状カーボネートは、フッ素原子を有する飽和環状カーボネートであり、具体的には、下記一般式(A):
(式中、X~Xは同じか又は異なり、それぞれ-H、-CH、-C、-F、エーテル結合を有してもよいフッ素化アルキル基、又は、エーテル結合を有してもよいフッ素化アルコキシ基を表す。ただし、X~Xの少なくとも1つは、-F、エーテル結合を有してもよいフッ素化アルキル基、又は、エーテル結合を有してもよいフッ素化アルコキシ基である。)で示される化合物が挙げられる。上記フッ素化アルキル基とは、-CF、-CFH、-CHF等である。
上記フッ素化飽和環状カーボネートを含むと、本開示の液体電解質を高電圧リチウムイオン二次電池等に適用した場合液体電解質の耐酸化性が向上し、安定で優れた充放電特性が得られる。
なお、本明細書中で「エーテル結合」は、-O-で表される結合である。
誘電率、耐酸化性が良好な点から、X~Xの1つ又は2つが、-F、エーテル結合を有してもよいフッ素化アルキル基、又は、エーテル結合を有してもよいフッ素化アルコキシ基であることが好ましい。
低温での粘性の低下、引火点の上昇、更には電解質塩の溶解性の向上が期待できることから、X~Xは、-H、-F、フッ素化アルキル基(a)、エーテル結合を有するフッ素化アルキル基(b)、又は、フッ素化アルコキシ基(c)であることが好ましい。
上記フッ素化アルキル基(a)は、アルキル基が有する水素原子の少なくとも1つをフッ素原子で置換したものである。フッ素化アルキル基(a)の炭素数は、1~20が好ましく、1~17がより好ましく、1~7が更に好ましく、1~5が特に好ましい。炭素数が大きくなりすぎると低温特性が低下したり、電解質塩の溶解性が低下したりするおそれがあり、炭素数が少な過ぎると、電解質塩の溶解性の低下、放電効率の低下、更には粘性の増大等がみられることがある。
上記フッ素化アルキル基(a)のうち、炭素数が1のものとしては、CFH-、CFH-、CF-が挙げられる。特に、CFH-又はCF-が高温保存特性上好ましく、CF-が最も好ましい。
上記フッ素化アルキル基(a)のうち、炭素数が2以上のものとしては、下記一般式(a-1):
-R- (a-1)
(式中、Rはフッ素原子を有していてもよい炭素数1以上のアルキル基;Rはフッ素原子を有していてもよい炭素数1~3のアルキレン基;ただし、R及びRの少なくとも一方はフッ素原子を有している)で示されるフッ素化アルキル基が、電解質塩の溶解性が良好な点から好ましく例示できる。
なお、R及びRは、更に、炭素原子、水素原子及びフッ素原子以外の、その他の原子を有していてもよい。
は、フッ素原子を有していてもよい炭素数1以上のアルキル基である。Rとしては、炭素数1~16の直鎖状又は分岐鎖状のアルキル基が好ましい。Rの炭素数としては、1~6がより好ましく、1~3が更に好ましい。
として、具体的には、直鎖状又は分岐鎖状のアルキル基として、CH-、CHCH-、CHCHCH-、CHCHCHCH-、
等が挙げられる。
また、Rがフッ素原子を有する直鎖状のアルキル基である場合、CF-、CFCH-、CFCF-、CFCHCH-、CFCFCH-、CFCFCF-、CFCHCF-、CFCHCHCH-、CFCFCHCH-、CFCHCFCH-、CFCFCFCH-、CFCFCFCF-、CFCFCHCF-、CFCHCHCHCH-、CFCFCHCHCH-、CFCHCFCHCH-、CFCFCFCHCH-、CFCFCFCFCH-、CFCFCHCFCH-、CFCFCHCHCHCH-、CFCFCFCFCHCH-、CFCFCHCFCHCH-、HCF-、HCFCH-、HCFCF-、HCFCHCH-、HCFCFCH-、HCFCHCF-、HCFCFCHCH-、HCFCHCFCH-、HCFCFCFCF-、HCFCFCHCHCH-、HCFCHCFCHCH-、HCFCFCFCFCH-、HCFCFCFCFCHCH-、FCH-、FCHCH-、FCHCF-、FCHCFCH-、FCHCFCF-、CHCFCH-、CHCFCF-、CHCFCHCF-、CHCFCFCF-、CHCHCFCF-、CHCFCHCFCH-、CHCFCFCFCH-、CHCFCFCHCH-、CHCHCFCFCH-、CHCFCHCFCHCH-、CHCFCHCFCHCH-、HCFClCFCH-、HCFCFClCH-、HCFCFClCFCFClCH-、HCFClCFCFClCFCH-等が挙げられる。
また、Rがフッ素原子を有する分岐鎖状のアルキル基である場合、
等が好ましく挙げられる。ただし、CH-やCF-という分岐を有していると粘性が高くなりやすいため、その数は少ない(1個)かゼロであることがより好ましい。
はフッ素原子を有していてもよい炭素数1~3のアルキレン基である。Rは、直鎖状であってもよく、分岐鎖状であってもよい。このような直鎖状又は分岐鎖状のアルキレン基を構成する最小構造単位の一例を下記に示す。Rはこれらの単独又は組合せで構成される。
(i)直鎖状の最小構造単位:
-CH-、-CHF-、-CF-、-CHCl-、-CFCl-、-CCl
(ii)分岐鎖状の最小構造単位:
なお、以上の例示のなかでも、塩基による脱HCl反応が起こらず、より安定なことから、Clを含有しない構成単位から構成されることが好ましい。
は、直鎖状である場合には、上述した直鎖状の最小構造単位のみからなるものであり、なかでも-CH-、-CHCH-又は-CF-が好ましい。電解質塩の溶解性をより一層向上させることができる点から、-CH-又は-CHCH-がより好ましい。
は、分岐鎖状である場合には、上述した分岐鎖状の最小構造単位を少なくとも1つ含んでなるものであり、一般式-(CX)-(XはH、F、CH又はCF;XはCH又はCF。ただし、XがCFの場合、XはH又はCHである)で表されるものが好ましく例示できる。これらは特に電解質塩の溶解性をより一層向上させることができる。
好ましいフッ素化アルキル基(a)としては、例えばCFCF-、HCFCF-、HCFCF-、CHCF-、CFCHF-、CHCF-、CFCFCF-、HCFCFCF-、HCFCFCF-、CHCFCF-、
等が挙げられる。
上記エーテル結合を有するフッ素化アルキル基(b)は、エーテル結合を有するアルキル基が有する水素原子の少なくとも1つをフッ素原子で置換したものである。上記エーテル結合を有するフッ素化アルキル基(b)は、炭素数が2~17であることが好ましい。炭素数が多過ぎると、上記フッ素化飽和環状カーボネートの粘性が高くなり、また、フッ素含有基が多くなることから、誘電率の低下による電解質塩の溶解性低下や、他の溶剤との相溶性の低下がみられることがある。この観点から上記エーテル結合を有するフッ素化アルキル基(b)の炭素数は2~10がより好ましく、2~7が更に好ましい。
上記エーテル結合を有するフッ素化アルキル基(b)のエーテル部分を構成するアルキレン基は直鎖状又は分岐鎖状のアルキレン基でよい。そうした直鎖状又は分岐鎖状のアルキレン基を構成する最小構造単位の一例を下記に示す。
(i)直鎖状の最小構造単位:
-CH-、-CHF-、-CF-、-CHCl-、-CFCl-、-CCl
(ii)分岐鎖状の最小構造単位:
アルキレン基は、これらの最小構造単位単独で構成されてもよく、直鎖状(i)同士、分岐鎖状(ii)同士、又は、直鎖状(i)と分岐鎖状(ii)との組み合わせにより構成されてもよい。好ましい具体例は、後述する。
なお、以上の例示のなかでも、塩基による脱HCl反応が起こらず、より安定なことから、Clを含有しない構成単位から構成されることが好ましい。
更に好ましいエーテル結合を有するフッ素化アルキル基(b)としては、一般式(b-1):
10-(OR11n2- (b-1)
(式中、R10はフッ素原子を有していてもよい、好ましくは炭素数1~6のアルキル基;R11はフッ素原子を有していてもよい、好ましくは炭素数1~4のアルキレン基;nは1~3の整数;ただし、R及びRの少なくとも1つはフッ素原子を有している)で示されるものが挙げられる。
10及びR11としては以下のものが例示でき、これらを適宜組み合わせて、上記一般式(b-1)で表されるエーテル結合を有するフッ素化アルキル基(b)を構成することができるが、これらのみに限定されるものではない。
(1)R10としては、一般式:X C-(R12n3-(3つのXは同じか又は異なりいずれもH又はF;R12は炭素数1~5のフッ素原子を有していてもよいアルキレン基;nは0又は1)で表されるアルキル基が好ましい。
が0の場合、R10としては、CH-、CF-、HCF-及びHCF-が挙げられる。
が1の場合の具体例としては、R10が直鎖状のものとして、CFCH-、CFCF-、CFCHCH-、CFCFCH-、CFCFCF-、CFCHCF-、CFCHCHCH-、CFCFCHCH-、CFCHCFCH-、CFCFCFCH-、CFCFCFCF-、CFCFCHCF-、CFCHCHCHCH-、CFCFCHCHCH-、CFCHCFCHCH-、CFCFCFCHCH-、CFCFCFCFCH-、CFCFCHCFCH-、CFCFCHCHCHCH-、CFCFCFCFCHCH-、CFCFCHCFCHCH-、HCFCH-、HCFCF-、HCFCHCH-、HCFCFCH-、HCFCHCF-、HCFCFCHCH-、HCFCHCFCH-、HCFCFCFCF-、HCFCFCHCHCH-、HCFCHCFCHCH-、HCFCFCFCFCH-、HCFCFCFCFCHCH-、FCHCH-、FCHCF-、FCHCFCH-、CHCF-、CHCH-、CHCFCH-、CHCFCF-、CHCHCH-、CHCFCHCF-、CHCFCFCF-、CHCHCFCF-、CHCHCHCH-、CHCFCHCFCH-、CHCFCFCFCH-、CHCFCFCHCH-、CHCHCFCFCH-、CHCFCHCFCHCH-、CHCHCFCFCHCH-、CHCFCHCFCHCH-等が例示できる。
が1であり、かつR10が分岐鎖状のものとしては、
等が挙げられる。
ただし、CH-やCF-という分岐を有していると粘性が高くなりやすいため、R10が直鎖状のものがより好ましい。
(2)上記一般式(b-1)の-(ORn2-において、nは1~3の整数であり、好ましくは1又は2である。なお、n=2又は3のとき、R11は同じでも異なっていてもよい。
11の好ましい具体例としては、次の直鎖状又は分岐鎖状のものが例示できる。
直鎖状のものとしては、-CH-、-CHF-、-CF-、-CHCH-、-CFCH-、-CFCF-、-CHCF-、-CHCHCH-、-CHCHCF-、-CHCFCH-、-CHCFCF-、-CFCHCH-、-CFCFCH-、-CFCHCF-、-CFCFCF-等が例示できる。
分岐鎖状のものとしては、
等が挙げられる。
上記フッ素化アルコキシ基(c)は、アルコキシ基が有する水素原子の少なくとも1つをフッ素原子で置換したものである。上記フッ素化アルコキシ基(c)は、炭素数が1~17であることが好ましい。より好ましくは、炭素数1~6である。
上記フッ素化アルコキシ基(c)としては、一般式:X C-(R13n3-O-(3つのXは同じか又は異なりいずれもH又はF;R13は好ましくは炭素数1~5のフッ素原子を有していてもよいアルキレン基;n3は0又は1;ただし3つのXのいずれかはフッ素原子を含んでいる)で表されるフッ素化アルコキシ基が特に好ましい。
上記フッ素化アルコキシ基(c)の具体例としては、上記一般式(a-1)におけるRとして例示したアルキル基の末端に酸素原子が結合したフッ素化アルコキシ基が挙げられる。
上記フッ素化飽和環状カーボネートにおけるフッ素化アルキル基(a)、エーテル結合を有するフッ素化アルキル基(b)、及び、フッ素化アルコキシ基(c)のフッ素含有率は10質量%以上が好ましい。フッ素含有率が低過ぎると、低温での粘性低下効果や引火点の上昇効果が充分に得られないおそれがある。この観点から上記フッ素含有率は12質量%以上がより好ましく、15質量%以上が更に好ましい。上限は通常76質量%である。
フッ素化アルキル基(a)、エーテル結合を有するフッ素化アルキル基(b)、及び、フッ素化アルコキシ基(c)のフッ素含有率は、各基の構造式に基づいて、{(フッ素原子の個数×19)/各基の式量}×100(%)により算出した値である。
また、誘電率、耐酸化性が良好な点からは、上記フッ素化飽和環状カーボネート全体のフッ素含有率は10質量%以上が好ましく、15質量%以上がより好ましい。上限は通常76質量%である。
なお、上記フッ素化飽和環状カーボネートのフッ素含有率は、フッ素化飽和環状カーボネートの構造式に基づいて、{(フッ素原子の個数×19)/フッ素化飽和環状カーボネートの分子量}×100(%)により算出した値である。
上記フッ素化飽和環状カーボネートとしては、具体的には、例えば、以下が挙げられる。
~Xの少なくとも1つが-Fであるフッ素化飽和環状カーボネートの具体例として、
等が挙げられる。これらの化合物は、耐電圧が高く、電解質塩の溶解性も良好である。
他に、
等も使用できる。
~Xの少なくとも1つがフッ素化アルキル基(a)であり、かつ残りが全て-Hで
あるフッ素化飽和環状カーボネートの具体例としては、
等が挙げられる。
~Xの少なくとも1つが、エーテル結合を有するフッ素化アルキル基(b)、又は、フッ素化アルコキシ基(c)であり、かつ残りが全て-Hであるフッ素化飽和環状カーボネートの具体例としては、
等が挙げられる。
なかでも、上記フッ素化飽和環状カーボネートとしては、以下の化合物のいずれかであることが好ましい。
上記フッ素化飽和環状カーボネートとしては、その他にも、trans-4,5-ジフルオロ-1,3-ジオキソラン-2-オン、5-(1,1-ジフルオロエチル)-4,4-ジフルオロ-1,3-ジオキソラン-2-オン、4-メチレン-1,3-ジオキソラン-2-オン、4-メチル-5-トリフルオロメチル-1,3-ジオキソラン-2-オン、4-エチル-5-フルオロ-1,3-ジオキソラン-2-オン、4-エチル-5,5-ジフルオロ-1,3-ジオキソラン-2-オン、4-エチル-4,5-ジフルオロ-1,3-ジオキソラン-2-オン、4-エチル-4,5,5-トリフルオロ-1,3-ジオキソラン-2-オン、4,4-ジフルオロ-5-メチル-1,3-ジオキソラン-2-オン、4-フルオロ-5-メチル-1,3-ジオキソラン-2-オン、4-フルオロ-5-トリフルオロメチル-1,3-ジオキソラン-2-オン、4,4-ジフルオロ-1,3-ジオキソラン-2-オン等が挙げられる。
上記フッ素化飽和環状カーボネートとしては、なかでも、フルオロエチレンカーボネート、ジフルオロエチレンカーボネート、トリフルオロメチルエチレンカーボネート(3,3,3-トリフルオロプロピレンカーボネート)、2,2,3,3,3-ペンタフルオロプロピルエチレンカーボネートがより好ましい。
上記フッ素化不飽和環状カーボネートは、不飽和結合とフッ素原子とを有する環状カーボネートであり、芳香環又は炭素-炭素二重結合を有する置換基で置換されたフッ素化エチレンカーボネート誘導体が好ましい。具体的には、4,4-ジフルオロ-5-フェニルエチレンカーボネート、4,5-ジフルオロ-4-フェニルエチレンカーボネート、4-フルオロ-5-フェニルエチレンカーボネート、4-フルオロ-5-ビニルエチレンカーボネート、4-フルオロ-4-フェニルエチレンカーボネート、4,4-ジフルオロ-4-ビニルエチレンカーボネート、4,4-ジフルオロ-4-アリルエチレンカーボネート、4-フルオロ-4-ビニルエチレンカーボネート、4-フルオロ-4,5-ジアリルエチレンカーボネート、4,5-ジフルオロ-4-ビニルエチレンカーボネート、4,5-ジフルオロ-4,5-ジビニルエチレンカーボネート、4,5-ジフルオロ-4,5-ジアリルエチレンカーボネート等が挙げられる。
上記フッ素化環状カーボネートは、1種を単独で用いてもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。
上記フッ素化環状カーボネートが含まれる場合、上記フッ素化環状カーボネートの含有量は、上記溶媒に対して5~90体積%であることが好ましく、10~60体積%であることがより好ましく、15~45体積%であることが更に好ましい。
上記鎖状カーボネートは、非フッ素化鎖状カーボネートであってもよいし、フッ素化鎖状カーボネートであってもよい。
上記非フッ素化鎖状カーボネートとしては、例えば、CHOCOOCH(ジメチルカーボネート:DMC)、CHCHOCOOCHCH(ジエチルカーボネート:DEC)、CHCHOCOOCH(エチルメチルカーボネート:EMC)、CHOCOOCHCHCH(メチルプロピルカーボネート)、メチルブチルカーボネート、エチルプロピルカーボネート、エチルブチルカーボネート、ジプロピルカーボネート、ジブチルカーボネート、メチルイソプロピルカーボネート、メチル-2-フェニルフェニルカーボネート、フェニル-2-フェニルフェニルカーボネート、トランス-2,3-ペンチレンカーボネート、トランス-2,3-ブチレンカーボネート、エチルフェニルカーボネート等の炭化水素系鎖状カーボネートが挙げられる。なかでも、エチルメチルカーボネート、ジエチルカーボネート及びジメチルカーボネートからなる群より選択される少なくとも1種であることが好ましい。
上記非フッ素化鎖状カーボネートは、1種を単独で用いてもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。
上記非フッ素化鎖状カーボネートが含まれる場合、上記非フッ素化鎖状カーボネートの含有量は、上記溶媒に対して10~90体積%であることが好ましく、40~85体積%であることがより好ましく、50~80体積%であることが更に好ましい。
上記フッ素化鎖状カーボネートは、フッ素原子を有する鎖状カーボネートである。フッ素化鎖状カーボネートを含む溶媒は、高電圧下でも好適に使用することができる。
上記フッ素化鎖状カーボネートとしては、一般式(B):
RfOCOOR14 (B)
(式中、Rfは、炭素数1~7のフッ素化アルキル基であり、R14は、炭素数1~7のフッ素原子を含んでいてもよいアルキル基である。)で示される化合物を挙げることができる。
Rfは、炭素数1~7のフッ素化アルキル基であり、R14は、炭素数1~7のフッ素原子を含んでいてもよいアルキル基である。
上記フッ素化アルキル基は、アルキル基が有する水素原子の少なくとも1つをフッ素原子で置換したものである。R14がフッ素原子を含むアルキル基である場合、フッ素化アルキル基となる。
Rf及びR14は、低粘性である点で、炭素数が1~7であることが好ましく、1~2であることがより好ましい。
炭素数が大きくなりすぎると低温特性が低下したり、電解質塩の溶解性が低下したりするおそれがあり、炭素数が少な過ぎると、電解質塩の溶解性の低下、放電効率の低下、更には粘性の増大等がみられることがある。
炭素数が1のフッ素化アルキル基としては、CFH-、CFH-、CF-等が挙げられる。特に、CFH-又はCF-が高温保存特性上好ましい。
炭素数が2以上のフッ素化アルキル基としては、下記一般式(d-1):
-R- (d-1)
(式中、Rはフッ素原子を有していてもよい炭素数1以上のアルキル基;Rはフッ素原子を有していてもよい炭素数1~3のアルキレン基;ただし、R及びRの少なくとも一方はフッ素原子を有している)で示されるフッ素化アルキル基が、電解質塩の溶解性が良好な点から好ましく例示できる。
なお、R及びRは、更に、炭素原子、水素原子及びフッ素原子以外の、その他の原子を有していてもよい。
は、フッ素原子を有していてもよい炭素数1以上のアルキル基である。Rとしては、炭素数1~6の直鎖状又は分岐鎖状のアルキル基が好ましい。Rの炭素数としては、1~3がより好ましい。
として、具体的には、直鎖状又は分岐鎖状のアルキル基として、CH-、CF-、CHCH-、CHCHCH-、CHCHCHCH-、
等が挙げられる。
また、Rがフッ素原子を有する直鎖状のアルキル基である場合、CF-、CFCH-、CFCF-、CFCHCH-、CFCFCH-、CFCFCF-、CFCHCF-、CFCHCHCH-、CFCFCHCH-、CFCHCFCH-、CFCFCFCH-、CFCFCFCF-、CFCFCHCF-、CFCHCHCHCH-、CFCFCHCHCH-、CFCHCFCHCH-、CFCFCFCHCH-、CFCFCFCFCH-、CFCFCHCFCH-、CFCFCHCHCHCH-、CFCFCFCFCHCH-、CFCFCHCFCHCH-、HCF-、HCFCH-、HCFCF-、HCFCHCH-、HCFCFCH-、HCFCHCF-、HCFCFCHCH-、HCFCHCFCH-、HCFCFCFCF-、HCFCFCHCHCH-、HCFCHCFCHCH-、HCFCFCFCFCH-、HCFCFCFCFCHCH-、FCH-、FCHCH-、FCHCF-、FCHCFCH-、FCHCFCF-、CHCFCH-、CHCFCF-、CHCFCHCF-、CHCFCFCF-、CHCHCFCF-、CHCFCHCFCH-、CHCFCFCFCH-、CHCFCFCHCH-、CHCHCFCFCH-、CHCFCHCFCHCH-、CHCFCHCFCHCH-、HCFClCFCH-、HCFCFClCH-、HCFCFClCFCFClCH-、HCFClCFCFClCFCH-等が挙げられる。
また、Rがフッ素原子を有する分岐鎖状のアルキル基である場合、
等が好ましく挙げられる。ただし、CH-やCF-という分岐を有していると粘性が高くなりやすいため、その数は少ない(1個)かゼロであることがより好ましい。
はフッ素原子を有していてもよい炭素数1~3のアルキレン基である。Rは、直鎖状であってもよく、分岐鎖状であってもよい。このような直鎖状又は分岐鎖状のアルキレン基を構成する最小構造単位の一例を下記に示す。Rはこれらの単独又は組合せで構成される。
(i)直鎖状の最小構造単位:
-CH-、-CHF-、-CF-、-CHCl-、-CFCl-、-CCl
(ii)分岐鎖状の最小構造単位:
なお、以上の例示のなかでも、塩基による脱HCl反応が起こらず、より安定なことから、Clを含有しない構成単位から構成されることが好ましい。
は、直鎖状である場合には、上述した直鎖状の最小構造単位のみからなるものであり、なかでも-CH-、-CHCH-又は-CF-が好ましい。電解質塩の溶解性をより一層向上させることができる点から、-CH-又は-CHCH-がより好ましい。
は、分岐鎖状である場合には、上述した分岐鎖状の最小構造単位を少なくとも1つ含んでなるものであり、一般式-(CX)-(XはH、F、CH又はCF;XはCH又はCF。ただし、XがCFの場合、XはH又はCHである)で表されるものが好ましく例示できる。これらは特に電解質塩の溶解性をより一層向上させることができる。
好ましいフッ素化アルキル基としては、具体的には、例えば、CFCF-、HCFCF-、HCFCF-、CHCF-、CFCH-、CFCFCF-、HCFCFCF-、HCFCFCF-、CHCFCF-、
等が挙げられる。
なかでも、RfとR14のフッ素化アルキル基としては、CF-、CFCF-、(CFCH-、CFCH-、CCH-、CFCFCH-、HCFCFCH-、CFCFHCFCH-、CFH-、CFH-が好ましく、難燃性が高く、レート特性や耐酸化性が良好な点から、CFCH-、CFCFCH-、HCFCFCH-、CFH-、CFH-がより好ましい。
14がフッ素原子を含まないアルキル基の場合は炭素数1~7のアルキル基である。R14は、低粘性である点で、炭素数が1~4であることが好ましく、1~3であることがより好ましい。
上記フッ素原子を含まないアルキル基としては、例えば、CH-、CHCH-、(CHCH-、C-等が挙げられる。なかでも、粘度が低く、レート特性が良好な点から、CH-、CHCH-が好ましい。
上記フッ素化鎖状カーボネートは、フッ素含有率が15~70質量%であることが好ましい。フッ素含有率が上述の範囲であると、溶剤との相溶性、塩の溶解性を維持することができる。上記フッ素含有率は、20質量%以上がより好ましく、30質量%以上が更に好ましく、35質量%以上が特に好ましく、60質量%以下がより好ましく、50質量%以下が更に好ましい。
なお、本開示においてフッ素含有率は、上記フッ素化鎖状カーボネートの構造式に基づいて、
{(フッ素原子の個数×19)/フッ素化鎖状カーボネートの分子量}×100(%)
により算出した値である。
上記フッ素化鎖状カーボネートとしては、低粘性である点で、以下の化合物のいずれかであることが好ましい。
上記フッ素化鎖状カーボネートとしては、メチル2,2,2-トリフルオロエチルカーボネート(FCHCOC(=O)OCH)が特に好ましい。
上記フッ素化鎖状カーボネートは、1種を単独で用いてもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。
上記フッ素化鎖状カーボネートが含まれる場合、上記フッ素化鎖状カーボネートの含有量は、上記溶媒に対して10~90体積%であることが好ましく、40~85体積%であることがより好ましく、50~80体積%であることが更に好ましい。
上記カルボン酸エステルは、環状カルボン酸エステルであってもよいし、鎖状カルボン酸エステルであってもよい。
上記環状カルボン酸エステルは、非フッ素化環状カルボン酸エステルであってもよいし、フッ素化環状カルボン酸エステルであってもよい。
上記非フッ素化環状カルボン酸エステルとしては、非フッ素化飽和環状カルボン酸エステルが挙げられ、炭素数2~4のアルキレン基を有する非フッ素化飽和環状カルボン酸エステルが好ましい。
炭素数2~4のアルキレン基を有する非フッ素化飽和環状カルボン酸エステルの具体的な例としては、β-プロピオラクトン、γ-ブチロラクトン、ε-カプロラクトン、δ-バレロラクトン、αメチル-γ-ブチロラクトンが挙げられる。なかでも、γ-ブチロラクトン、δ-バレロラクトンがリチウムイオン解離度の向上及び負荷特性向上の点から特に好ましい。
上記非フッ素化飽和環状カルボン酸エステルは、1種を単独で用いてもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。
上記非フッ素化飽和環状カルボン酸エステルが含まれる場合、上記非フッ素化飽和環状カルボン酸エステルの含有量は、上記溶媒に対して0~90体積%であることが好ましく、0.001~90体積%であることがより好ましく、1~60体積%であることが更に好ましく、5~40体積%であることが特に好ましい。
上記鎖状カルボン酸エステルは、非フッ素化鎖状カルボン酸エステルであってもよいし、フッ素化鎖状カルボン酸エステルであってもよい。上記溶媒が上記鎖状カルボン酸エステルを含む場合、液体電解質の高温保存後の抵抗増加を一層抑制することができる。
上記非フッ素化鎖状カルボン酸エステルとしては、例えば、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸プロピル、酢酸ブチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、プロピオン酸プロピル、プロピオン酸ブチル、tert-ブチルプロピオネート、tert-ブチルブチレート、sec-ブチルプロピオネート、sec-ブチルブチレート、n-ブチルブチレート、ピロリン酸メチル、ピロリン酸エチル、tert-ブチルホルメート、tert-ブチルアセテート、sec-ブチルホルメート、sec-ブチルアセテート、n-ヘキシルピバレート、n-プロピルホルメート、n-プロピルアセテート、n-ブチルホルメート、n-ブチルピバレート、n-オクチルピバレート、エチル2-(ジメトキシホスホリル)アセテート、エチル2-(ジメチルホスホリル)アセテート、エチル2-(ジエトキシホスホリル)アセテート、エチル2-(ジエチルホスホリル)アセテート、イソプロピルプロピオネート、イソプロピルアセテート、エチルホルメート、エチル2-プロピニルオギザレート、イソプロピルホルメート、イソプロピルブチレート、イソブチルホルメート、イソブチルプロピオネート、イソブチルブチレート、イソブチルアセテート等が挙げられる。
なかでも、酢酸ブチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、プロピオン酸プロピル、プロピオン酸ブチルが好ましく、特に好ましくはプロピオン酸エチル、プロピオン酸プロピルである。
上記非フッ素化鎖状カルボン酸エステルは、1種を単独で用いてもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。
上記非フッ素化鎖状カルボン酸エステルが含まれる場合、上記非フッ素化鎖状カルボン酸エステルの含有量は、上記溶媒に対して0~90体積%であることが好ましく、0.001~90体積%であることがより好ましく、1~60体積%であることが更に好ましく、5~40体積%であることが特に好ましい。
上記フッ素化鎖状カルボン酸エステルは、フッ素原子を有する鎖状カルボン酸エステルである。フッ素化鎖状カルボン酸エステルを含む溶媒は、高電圧下でも好適に使用することができる。
上記フッ素化鎖状カルボン酸エステルとしては、下記一般式:
31COOR32
(式中、R31及びR32は、互いに独立に、炭素数1~4のフッ素原子を含んでいてもよいアルキル基であり、R31及びR32の少なくとも一方はフッ素原子を含む。)で示されるフッ素化鎖状カルボン酸エステルが、他溶媒との相溶性や耐酸化性が良好な点から好ましい。
31及びR32としては、例えばメチル基(-CH)、エチル基(-CHCH)、プロピル基(-CHCHCH)、イソプロピル基(-CH(CH)、ノルマルブチル基(-CHCHCHCH)、ターシャリーブチル基(-C(CH)等の非フッ素化アルキル基;-CF、-CFH、-CFH、-CFCF、-CFCFH、-CFCFH、-CHCF、-CHCFH、-CHCFH、-CFCFCF、-CFCFCFH、-CFCFCFH、-CHCFCF、-CHCFCFH、-CHCFCFH、-CHCHCF、-CHCHCFH、-CHCHCFH、-CF(CF、-CF(CFH)、-CF(CFH、-CH(CF、-CH(CFH)、-CH(CFH、-CF(OCH)CF、-CFCFCFCF、-CFCFCFCFH、-CFCFCFCFH、-CHCFCFCF、-CHCFCFCFH、-CHCFCFCFH、-CHCHCFCF、-CHCHCFCFH、-CHCHCFCFH、-CHCHCHCF、-CHCHCHCFH、-CHCHCHCFH、-CF(CF)CFCF、-CF(CFH)CFCF、-CF(CFH)CFCF、-CF(CF)CFCFH、-CF(CF)CFCFH、-CF(CF)CHCF、-CF(CF)CHCFH、-CF(CF)CHCFH、-CH(CF)CFCF、-CH(CFH)CFCF、-CH(CFH)CFCF、-CH(CF)CFCFH、-CH(CF)CFCFH、-CH(CF)CHCF、-CH(CF)CHCFH、-CH(CF)CHCFH、-CFCF(CF)CF、-CFCF(CFH)CF、-CFCF(CFH)CF、-CFCF(CF)CFH、-CFCF(CF)CFH、-CHCF(CF)CF、-CHCF(CFH)CF、-CHCF(CFH)CF、-CHCF(CF)CFH、-CHCF(CF)CFH、-CHCH(CF)CF、-CHCH(CFH)CF、-CHCH(CFH)CF、-CHCH(CF)CFH、-CHCH(CF)CFH、-CFCH(CF)CF、-CFCH(CFH)CF、-CFCH(CFH)CF、-CFCH(CF)CFH、-CFCH(CF)CFH、-C(CF、-C(CFH)、-C(CFH等のフッ素化アルキル基等が挙げられる。なかでもメチル基、エチル基、-CF、-CFH、-CFCF、-CHCF、-CHCFH、-CHCFH、-CHCHCF、-CHCFCF、-CHCFCFH、-CHCFCFHが他溶媒との相溶性、粘度、耐酸化性が良好な点から特に好ましい。
上記フッ素化鎖状カルボン酸エステルの具体例としては、例えばCFCHC(=O)OCH(3,3,3-トリフルオロプロピオン酸メチル)、HCFC(=O)OCH(ジフルオロ酢酸メチル)、HCFC(=O)OC(ジフルオロ酢酸エチル)、CFC(=O)OCHCHCF、CFC(=O)OCH、CFC(=O)OCHCFCFH(トリフルオロ酢酸2,2,3,3-テトラフルオロプロピル)、CFC(=O)OCHCF、CFC(=O)OCH(CF、ペンタフルオロ酪酸エチル、ペンタフルオロプロピオン酸メチル、ペンタフルオロプロピオン酸エチル、ヘプタフルオロイソ酪酸メチル、トリフルオロ酪酸イソプロピル、トリフルオロ酢酸エチル、トリフルオロ酢酸tert-ブチル、トリフルオロ酢酸n-ブチル、テトラフルオロ-2-(メトキシ)プロピオン酸メチル、酢酸2,2-ジフルオロエチル、酢酸2,2,3,3-テトラフルオロプロピル、CHC(=O)OCHCF(酢酸2,2,2-トリフルオロエチル)、酢酸1H,1H-ヘプタフルオロブチル、4,4,4-トリフルオロ酪酸メチル、4,4,4-トリフルオロ酪酸エチル、3,3,3-トリフルオロプロピオン酸エチル、3,3,3-トリフルオロプロピオン酸3,3,3トリフルオロプロピル、3-(トリフルオロメチル)酪酸エチル、2,3,3,3-テトラフルオロプロピオン酸メチル、2,2-ジフルオロ酢酸ブチル、2,2,3,3-テトラフルオロプロピオン酸メチル、2-(トリフルオロメチル)-3,3,3-トリフルオロプロピオン酸メチル、ヘプタフルオロ酪酸メチル等の1種又は2種以上が例示できる。
なかでもCFCHC(=O)OCH、HCFC(=O)OCH、HCFC(=O)OC、CFC(=O)OCH、CFC(=O)OCHCFCFH、CFC(=O)OCHCF、CFC(=O)OCH(CF、ペンタフルオロ酪酸エチル、ペンタフルオロプロピオン酸メチル、ペンタフルオロプロピオン酸エチル、ヘプタフルオロイソ酪酸メチル、トリフルオロ酪酸イソプロピル、トリフルオロ酢酸エチル、トリフルオロ酢酸tert-ブチル、トリフルオロ酢酸n-ブチル、テトラフルオロ-2-(メトキシ)プロピオン酸メチル、酢酸2,2-ジフルオロエチル、酢酸2,2,3,3-テトラフルオロプロピル、CHC(=O)OCHCF、酢酸1H,1H-ヘプタフルオロブチル、4,4,4-トリフルオロ酪酸メチル、4,4,4-トリフルオロ酪酸エチル、3,3,3-トリフルオロプロピオン酸エチル、3,3,3-トリフルオロプロピオン酸3,3,3-トリフルオロプロピル、3-(トリフルオロメチル)酪酸エチル、2,3,3,3-テトラフルオロプロピオン酸メチル、2,2-ジフルオロ酢酸ブチル、2,2,3,3-テトラフルオロプロピオン酸メチル、2-(トリフルオロメチル)-3,3,3-トリフルオロプロピオン酸メチル、ヘプタフルオロ酪酸メチルが、他溶媒との相溶性及びレート特性が良好な点から好ましく、CFCHC(=O)OCH、HCFC(=O)OCH、HCFC(=O)OC、CHC(=O)OCHCFがより好ましく、HCFC(=O)OCH、HCFC(=O)OC、CHC(=O)OCHCFが特に好ましい。
上記フッ素化鎖状カルボン酸エステルは、1種を単独で用いてもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。
上記フッ素化鎖状カルボン酸エステルが含まれる場合、上記フッ素化鎖状カルボン酸エステルの含有量は、上記溶媒に対して10~90体積%であることが好ましく、40~85体積%であることがより好ましく、50~80体積%であることが更に好ましい。
上記溶媒は、上記環状カーボネート、上記鎖状カーボネート及び上記鎖状カルボン酸エステルからなる群より選択される少なくとも1種を含むことが好ましく、上記環状カーボネートと、上記鎖状カーボネート及び上記鎖状カルボン酸エステルからなる群より選択される少なくとも1種とを含むことがより好ましい。上記環状カーボネートは、飽和環状カーボネートであることが好ましい。
上記の組成の溶媒を含有する液体電解質は、電気化学デバイスの高温保存特性やサイクル特性を一層向上させることができる。
上記溶媒が上記環状カーボネートと、上記鎖状カーボネート及び上記鎖状カルボン酸エステルからなる群より選択される少なくとも1種とを含む場合、上記環状カーボネートと、上記鎖状カーボネート及び上記鎖状カルボン酸エステルからなる群より選択される少なくとも1種とを合計で、10~100体積%含むことが好ましく、30~100体積%含むことがより好ましく、50~100体積%含むことが更に好ましい。
上記溶媒が上記環状カーボネートと、上記鎖状カーボネート及び上記鎖状カルボン酸エステルからなる群より選択される少なくとも1種とを含む場合、上記環状カーボネートと、上記鎖状カーボネート及び上記鎖状カルボン酸エステルからなる群より選択される少なくとも1種との体積比としては、5/95~95/5が好ましく、10/90以上がより好ましく、15/85以上が更に好ましく、20/80以上が特に好ましく、90/10以下がより好ましく、60/40以下が更に好ましく、50/50以下が特に好ましい。
上記溶媒は、また、上記非フッ素化飽和環状カーボネート、上記非フッ素化鎖状カーボネート及び上記非フッ素化鎖状カルボン酸エステルからなる群より選択される少なくとも1種を含むことも好ましく、上記非フッ素化飽和環状カーボネートと、上記非フッ素化鎖状カーボネート及び上記非フッ素化鎖状カルボン酸エステルからなる群より選択される少なくとも1種とを含むことがより好ましい。上記の組成の溶媒を含有する液体電解質は、比較的低電圧で使用される電気化学デバイスに好適に利用できる。
上記溶媒が上記非フッ素化飽和環状カーボネートと、上記非フッ素化鎖状カーボネート及び上記非フッ素化鎖状カルボン酸エステルからなる群より選択される少なくとも1種とを含む場合、上記非フッ素化飽和環状カーボネートと、上記非フッ素化鎖状カーボネート及び上記非フッ素化鎖状カルボン酸エステルからなる群より選択される少なくとも1種とを合計で、5~100体積%含むことが好ましく、20~100体積%含むことがより好ましく、30~100体積%含むことが更に好ましい。
上記液体電解質が上記非フッ素化飽和環状カーボネートと、上記非フッ素化鎖状カーボネート及び上記非フッ素化鎖状カルボン酸エステルからなる群より選択される少なくとも1種とを含む場合、上記非フッ素化飽和環状カーボネートと、上記非フッ素化鎖状カーボネート及び上記非フッ素化鎖状カルボン酸エステルからなる群より選択される少なくとも1種との体積比としては、5/95~95/5が好ましく、10/90以上がより好ましく、15/85以上が更に好ましく、20/80以上が特に好ましく、90/10以下がより好ましく、60/40以下が更に好ましく、50/50以下が特に好ましい。
上記溶媒は、また、上記フッ素化飽和環状カーボネート、上記フッ素化鎖状カーボネート及び上記フッ素化鎖状カルボン酸エステルからなる群より選択される少なくとも1種を含むことも好ましく、上記フッ素化飽和環状カーボネートと、上記フッ素化鎖状カーボネート及び上記フッ素化鎖状カルボン酸エステルからなる群より選択される少なくとも1種とを含むことがより好ましい。上記の組成の溶媒を含有する液体電解質は、比較的低電圧で使用される電気化学デバイスだけでなく、比較的高電圧で使用される電気化学デバイスにも好適に利用できる。
上記溶媒が上記フッ素化飽和環状カーボネートと、上記フッ素化鎖状カーボネート及び上記フッ素化鎖状カルボン酸エステルからなる群より選択される少なくとも1種とを含む場合、上記フッ素化飽和環状カーボネートと、上記フッ素化鎖状カーボネート及び上記フッ素化鎖状カルボン酸エステルからなる群より選択される少なくとも1種とを合計で、5~100体積%含むことが好ましく、10~100体積%含むことがより好ましく、30~100体積%含むことが更に好ましい。
上記溶媒が上記フッ素化飽和環状カーボネートと、上記フッ素化鎖状カーボネート及び上記フッ素化鎖状カルボン酸エステルからなる群より選択される少なくとも1種とを含む場合、上記フッ素化飽和環状カーボネートと、上記フッ素化鎖状カーボネート及び上記フッ素化鎖状カルボン酸エステルからなる群より選択される少なくとも1種との体積比としては、5/95~95/5が好ましく、10/90以上がより好ましく、15/85以上が更に好ましく、20/80以上が特に好ましく、90/10以下がより好ましく、60/40以下が更に好ましく、50/50以下が特に好ましい。
また、上記溶媒として、イオン液体を用いることもできる。「イオン液体」とは、有機カチオンとアニオンとを組み合わせたイオンからなる液体である。
有機カチオンとしては、特に限定されないが、例えば、ジアルキルイミダゾリウムカチオン、トリアルキルイミダゾリウムカチオン等のイミダゾリウムイオン;テトラアルキルアンモニウムイオン;アルキルピリジニウムイオン;ジアルキルピロリジニウムイオン;及びジアルキルピペリジニウムイオンが挙げられる。
これらの有機カチオンのカウンターとなるアニオンとしては、特に限定されないが、例えば、PFアニオン、PF(Cアニオン、PF(CFアニオン、BFアニオン、BF(CFアニオン、BF(CF)アニオン、ビスオキサラトホウ酸アニオン、P(C)Fアニオン、Tf(トリフルオロメタンスルホニル)アニオン、Nf(ノナフルオロブタンスルホニル)アニオン、ビス(フルオロスルホニル)イミドアニオン、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドアニオン、ビス(ペンタフルオロエタンスルホニル)イミドアニオン、ジシアノアミンアニオン、ハロゲン化物アニオンを用いることができる。
上記溶媒は、非水溶媒であることが好ましく、本開示の液体電解質は、非水液体電解質であることが好ましい。
上記溶媒の含有量は、液体電解質中70~99.999質量%であることが好ましく、80質量%以上がより好ましく、92質量%以下がより好ましい。
本開示の液体電解質は、更に、一般式(8)で示される化合物(8)を含んでもよい。
一般式(8):
(式中、Aa+は金属イオン、水素イオン又はオニウムイオン。aは1~3の整数、bは1~3の整数、pはb/a、n203は1~4の整数、n201は0~8の整数、n202は0又は1、Z201は遷移金属、周期律表のIII族、IV族又はV族の元素。
201は、O、S、炭素数1~10のアルキレン基、炭素数1~10のハロゲン化アルキレン基、炭素数6~20のアリーレン基又は炭素数6~20のハロゲン化アリーレン基(アルキレン基、ハロゲン化アルキレン基、アリーレン基、及び、ハロゲン化アリーレン基はその構造中に置換基、ヘテロ原子を持っていてもよく、またn202が1でn203が2~4のときにはn203個のX201はそれぞれが結合していてもよい)。
201は、ハロゲン原子、シアノ基、炭素数1~10のアルキル基、炭素数1~10のハロゲン化アルキル基、炭素数6~20のアリール基、炭素数6~20のハロゲン化アリール基(アルキレン基、ハロゲン化アルキレン基、アリーレン基、及び、ハロゲン化アリーレン基はその構造中に置換基、ヘテロ原子を持っていてもよく、またn201が2~8のときにはn201個のL201はそれぞれが結合して環を形成してもよい)又は-Z203203。Y201、Y202及びZ203は、それぞれ独立でO、S、NY204、炭化水素基又はフッ素化炭化水素基。Y203及びY204は、それぞれ独立でH、F、炭素数1~10のアルキル基、炭素数1~10のハロゲン化アルキル基、炭素数6~20のアリール基又は炭素数6~20のハロゲン化アリール基(アルキル基、ハロゲン化アルキル基、アリール基及びハロゲン化アリール基はその構造中に置換基、ヘテロ原子を持っていてもよく、Y203又はY204が複数個存在する場合にはそれぞれが結合して環を形成してもよい)。
a+としては、リチウムイオン、ナトリウムイオン、カリウムイオン、マグネシウムイオン、カルシウムイオン、バリウムイオン、セシウムイオン、銀イオン、亜鉛イオン、銅イオン、コバルトイオン、鉄イオン、ニッケルイオン、マンガンイオン、チタンイオン、鉛イオン、クロムイオン、バナジウムイオン、ルテニウムイオン、イットリウムイオン、ランタノイドイオン、アクチノイドイオン、テトラブチルアンモニウムイオン、テトラエチルアンモニウムイオン、テトラメチルアンモニウムイオン、トリエチルメチルアンモニウムイオン、トリエチルアンモニウムイオン、ピリジニウムイオン、イミダゾリウムイオン、水素イオン、テトラエチルホスホニウムイオン、テトラメチルホスホニウムイオン、テトラフェニルホスホニウムイオン、トリフェニルスルホニウムイオン、トリエチルスルホニウムイオン等が挙げられる。
電気化学的なデバイス等の用途に使用する場合、Aa+は、リチウムイオン、ナトリウムイオン、マグネシウムイオン、テトラアルキルアンモニウムイオン、水素イオンが好ましく、リチウムイオンが特に好ましい。Aa+のカチオンの価数aは、1~3の整数である。3より大きい場合、結晶格子エネルギーが大きくなるため、溶媒に溶解することが困難になるという問題が起こる。そのため溶解度を必要とする場合は1がより好ましい。アニオンの価数bも同様に1~3の整数であり、特に1が好ましい。カチオンとアニオンの比を表す定数pは、両者の価数の比b/aで必然的に決まる。
次に、一般式(8)の配位子の部分について説明する。本明細書において、一般式(8)におけるZ201に結合している有機又は無機の部分を配位子と呼ぶ。
201は、Al、B、V、Ti、Si、Zr、Ge、Sn、Cu、Y、Zn、Ga、Nb、Ta、Bi、P、As、Sc、Hf又はSbであることが好ましく、Al、B又はPであることがより好ましい。
201は、O、S、炭素数1~10のアルキレン基、炭素数1~10のハロゲン化アルキレン基、炭素数6~20のアリーレン基又は炭素数6~20のハロゲン化アリーレン基を表す。これらのアルキレン基及びアリーレン基はその構造中に置換基、ヘテロ原子を持っていてもよい。具体的には、アルキレン基及びアリーレン基上の水素の代わりに、ハロゲン原子、鎖状又は環状のアルキル基、アリール基、アルケニル基、アルコキシ基、アリーロキシ基、スルホニル基、アミノ基、シアノ基、カルボニル基、アシル基、アミド基、水酸基を置換基として持っていてもよいし、アルキレン及びアリーレン上の炭素の代わりに、窒素、硫黄、酸素が導入された構造であってもよい。またn202が1でn203が2~4のときには、n203個のX201はそれぞれが結合していてもよい。そのような例としては、エチレンジアミン四酢酸のような配位子を挙げることができる。
201は、ハロゲン原子、シアノ基、炭素数1~10のアルキル基、炭素数1~10のハロゲン化アルキル基、炭素数6~20のアリール基、炭素数6~20のハロゲン化アリール基又は-Z203203(Z203、Y203については後述)を表す。ここでのアルキル基及びアリール基も、X201と同様に、その構造中に置換基、ヘテロ原子を持っていてもよく、またn201が2~8のときにはn201個のL201はそれぞれが結合して環を形成していてもよい。L201としては、フッ素原子又はシアノ基が好ましい。フッ素原子の場合には、アニオン化合物の塩の溶解度や解離度が向上し、これに伴ってイオン伝導度が向上するからである。また、耐酸化性が向上し、これにより副反応の発生を抑制することができるからである。
201、Y202及びZ203は、それぞれ独立で、O、S、NY204、炭化水素基
又はフッ素化炭化水素基を表す。Y201及びY202は、O、S又はNY204であることが好ましく、Oであることがより好ましい。化合物(8)の特徴として、同一の配位子内にY201及びY202によるZ201との結合があるため、これらの配位子がZ201とキレート構造を構成している。このキレートの効果により、この化合物の耐熱性、化学的安定性、耐加水分解性が向上している。この配位子中の定数n202は0又は1であるが、特に、0の場合はこのキレートリングが五員環になるため、キレート効果が最も強く発揮され安定性が増すため好ましい。
なお、本明細書において、フッ素化炭化水素基は、炭化水素基の水素原子の少なくとも1つがフッ素原子に置換された基である。
203及びY204は、それぞれ独立で、H、F、炭素数1~10のアルキル基、炭素数1~10のハロゲン化アルキル基、炭素数6~20のアリール基又は炭素数6~20のハロゲン化アリール基であり、これらのアルキル基及びアリール基は、その構造中に置換基又はヘテロ原子を有してもよく、またY203又はY204が複数個存在する場合には、それぞれが結合して環を形成してもよい。
また、上述した配位子の数に関係する定数n203は、1~4の整数であり、好ましくは1又は2であり、より好ましくは2である。また、上述した配位子の数に関係する定数n201は、0~8の整数であり、好ましくは0~4の整数であり、より好ましくは0、2又は4である。更に、n203が1のときn201は2、n203が2のときn201は0であることが好ましい。
一般式(8)において、アルキル基、ハロゲン化アルキル基、アリール基、ハロゲン化アリール基は、分岐や水酸基、エーテル結合等の他の官能基を持つものも含む。
化合物(8)としては、一般式:
(式中、Aa+、a、b、p、n201、Z201及びL201は上述したとおり)で示される化合物、又は、一般式:
(式中、Aa+、a、b、p、n201、Z201及びL201は上述したとおり)で示される化合物であることが好ましい。
化合物(8)としては、リチウムオキサラトボレート塩類が挙げられ、下記式:
で示されるリチウムビス(オキサラト)ボレート(LIBOB)、下記式:
で示されるリチウムジフルオロオキサラトボレート(LIDFOB)、
化合物(8)としては、また、下記式:
で示されるリチウムジフルオロオキサラトホスファナイト(LIDFOP)、下記式:
で示されるリチウムテトラフルオロオキサラトホスファナイト(LITFOP)、下記式:
で示されるリチウムビス(オキサラト)ジフルオロホスファナイト等が挙げられる。
その他、錯体中心元素がホウ素であるジカルボン酸錯体塩の具体例としては、リチウムビス(マロナト)ボレート、リチウムジフルオロ(マロナト)ボレート、リチウムビス(メチルマロナト)ボレート、リチウムジフルオロ(メチルマロナト)ボレート、リチウムビス(ジメチルマロナト)ボレート、リチウムジフルオロ(ジメチルマロナト)ボレート等が挙げられる。
錯体中心元素がリンであるジカルボン酸錯体塩の具体例としては、リチウムトリス(オキサラト)ホスフェート、リチウムトリス(マロナト)ホスフェート、リチウムジフルオロビス(マロナト)ホスフェート、リチウムテトラフルオロ(マロナト)ホスフェート、リチウムトリス(メチルマロナト)ホスフェート、リチウムジフルオロビス(メチルマロナト)ホスフェート、リチウムテトラフルオロ(メチルマロナト)ホスフェート、リチウムトリス(ジメチルマロナト)ホスフェート、リチウムジフルオロビス(ジメチルマロナト)ホスフェート、リチウムテトラフルオロ(ジメチルマロナト)ホスフェート等が挙げられる。
錯体中心元素がアルミニウムであるジカルボン酸錯体塩の具体例としては、LiAl(C、LiAlF(C)等が挙げられる。
中でも、リチウムビス(オキサラト)ボレート、リチウムジフルオロ(オキサラト)ボレート、リチウムトリス(オキサラト)ホスフェート、リチウムジフルオロビス(オキサラト)ホスフェート、リチウムテトラフルオロ(オキサラト)ホスフェートが、入手の容易さや安定な被膜状の構造物の形成に寄与することができる点から、より好適に用いられる。
化合物(8)としては、リチウムビス(オキサラト)ボレートが特に好ましい。
化合物(8)の含有量としては、より一層の優れたサイクル特性が得られることから、上記溶媒に対して、0.001質量%以上が好ましく、0.01質量%以上がより好ましく、10質量%以下が好ましく、3質量%以下がより好ましい。
本開示の液体電解質は、更に、電解質塩(但し、化合物(1)及び(8)を除く)を含むことが好ましい。上記電解質塩としては、リチウム塩、アンモニウム塩、金属塩のほか、液体状の塩(イオン性液体)、無機高分子型の塩、有機高分子型の塩等、液体電解質に使用することができる任意のものを用いることができる。
リチウムイオン二次電池用液体電解質の電解質塩としては、リチウム塩が好ましい。上記リチウム塩として任意のものを用いることができ、具体的には以下のものが挙げられる。例えば、LiPF、LiBF、LiClO、LiAlF、LiSbF、LiTaF、LiWF、LiAsF,LiAlCl,LiI、LiBr、LiCl、LiB10Cl10、LiSiF、LiPFO、LiPO等の無機リチウム塩;
LiWOF等のタングステン酸リチウム類;
HCOLi、CHCOLi、CHFCOLi、CHFCOLi、CFCOLi、CFCHCOLi、CFCFCOLi、CFCFCFCOLi、CFCFCFCFCOLi等のカルボン酸リチウム塩類;
FSOLi、CHSOLi、CHFSOLi、CHFSOLi、CFSOLi、CFCFSOLi、CFCFCFSOLi、CFCFCFCFSOLi、リチウムメチルサルフェート、リチウムエチルサルフェート(COSOLi)、リチウム2,2,2-トリフルオロエチルサルフェート等のS=O基を有するリチウム塩類;
LiN(FCO)、LiN(FCO)(FSO)、LiN(FSO、LiN(FSO)(CFSO)、LiN(CFSO、LiN(CSO、リチウムビスパーフルオロエタンスルホニルイミド、リチウム環状1,2-パーフルオロエタンジスルホニルイミド、リチウム環状1,3-パーフルオロプロパンジスルホニルイミド、リチウム環状1,2-エタンジスルホニルイミド、リチウム環状1,3-プロパンジスルホニルイミド、リチウム環状1,4-パーフルオロブタンジスルホニルイミド、LiN(CFSO)(FSO)、LiN(CFSO)(CSO)、LiN(CFSO)(CSO)、LiN(POF等のリチウムイミド塩類;
LiC(FSO、LiC(CFSO、LiC(CSO等のリチウムメチド塩類;
その他、式:LiPF(C2n+16-a(式中、aは0~5の整数であり、nは1~6の整数である)で表される塩(例えばLiPF(C、LiPF(CF、LiPF(iso-C、LiPF(iso-C)、LiPF(CF、LiPF(C)、LiPF(CFSO、LiPF(CSO、LiBFCF、LiBF、LiBF、LiBF(CF、LiBF(C、LiBF(CFSO、LiBF(CSO等の含フッ素有機リチウム塩類、LiSCN、LiB(CN)、LiB(C、Li(C)、LiP(C、Li1212-b(bは0~3の整数)等が挙げられる。
中でも、LiPF、LiBF、LiSbF、LiTaF、LiPO、FSOLi、CFSOLi、LiN(FSO、LiN(FSO)(CFSO)、LiN(CFSO、LiN(CSO、リチウム環状1,2-パーフルオロエタンジスルホニルイミド、リチウム環状1,3-パーフルオロプロパンジスルホニルイミド、LiC(FSO、LiC(CFSO、LiC(CSO、LiBFCF、LiBF、LiPF(CF、LiPF(C等が出力特性やハイレート充放電特性、高温保存特性、サイクル特性等を向上させる効果がある点から特に好ましく、LiPF、LiN(FSO及びLiBFからなる群より選択される少なくとも1種のリチウム塩が最も好ましい。
これらの電解質塩は単独で用いても、2種以上を併用してもよい。2種以上を併用する場合の好ましい一例は、LiPFとLiBFとの併用や、LiPFとLiPO、COSOLi又はFSOLiとの併用であり、高温保存特性、負荷特性やサイクル特性を向上させる効果がある。
この場合、液体電解質全体100質量%に対するLiBF、LiPO、COSOLi又はFSOLiの配合量に制限は無く、本開示の効果を著しく損なわない限り任意であるが、本開示の液体電解質に対して、通常、0.01質量%以上、好ましくは0.1質量%以上であり、また、通常30質量%以下、好ましくは20質量%以下、より好ましくは10質量%以下、更に好ましくは5質量%以下である。
また、他の一例は、無機リチウム塩と有機リチウム塩との併用であり、この両者の併用は、高温保存による劣化を抑制する効果がある。有機リチウム塩としては、CFSOLi、LiN(FSO、LiN(FSO)(CFSO)、LiN(CFSO、LiN(CSO、リチウム環状1,2-パーフルオロエタンジスルホニルイミド、リチウム環状1,3-パーフルオロプロパンジスルホニルイミド、LiC(FSO、LiC(CFSO、LiC(CSO、LiBFCF、LiBF、LiPF(CF、LiPF(C等であるのが好ましい。この場合には、液体電解質全体100質量%に対する有機リチウム塩の割合は、好ましくは0.1質量%以上、特に好ましくは0.5質量%以上であり、また、好ましくは30質量%以下、特に好ましくは20質量%以下である。
液体電解質中のこれらの電解質塩の濃度は、本開示の効果を損なわない限り特に制限されない。液体電解質の電気伝導率を良好な範囲とし、良好な電池性能を確保する点から、液体電解質中のリチウムの総モル濃度は、好ましくは0.3mol/L以上、より好ましくは0.4mol/L以上、更に好ましくは0.5mol/L以上であり、また、好ましくは4.0mol/L以下、より好ましくは3.8mol/L以下、更に好ましくは3.5mol/L以下である。
リチウムの総モル濃度が低すぎると、液体電解質の電気伝導率が不十分の場合があり、一方、濃度が高すぎると、粘度上昇のため電気伝導度が低下する場合があり、電池性能が低下する場合がある。
電気二重層キャパシタ用液体電解質の電解質塩としては、アンモニウム塩が好ましい。
上記アンモニウム塩としては、以下(IIa)~(IIe)が挙げられる。
(IIa)テトラアルキル4級アンモニウム塩
一般式(IIa):
(式中、R1a、R2a、R3a及びR4aは同じか又は異なり、いずれも炭素数1~6のエーテル結合を含んでいてもよいアルキル基;Xはアニオン)
で示されるテトラアルキル4級アンモニウム塩が好ましく例示できる。また、このアンモニウム塩の水素原子の一部又は全部がフッ素原子及び/又は炭素数1~4の含フッ素アルキル基で置換されているものも、耐酸化性が向上する点から好ましい。
具体例としては、一般式(IIa-1):
(式中、R1a、R2a及びXは前記と同じ;x及びyは同じか又は異なり0~4の整数で、かつx+y=4)
で示されるテトラアルキル4級アンモニウム塩、一般式(IIa-2):
(式中、R5aは炭素数1~6のアルキル基;R6aは炭素数1~6の2価の炭化水素基;R7aは炭素数1~4のアルキル基;zは1又は2;Xはアニオン)
で示されるアルキルエーテル基含有トリアルキルアンモニウム塩、
等が挙げられる。アルキルエーテル基を導入することにより、粘性の低下を図ることができる。
アニオンXは、無機アニオンでも有機アニオンでもよい。無機アニオンとしては、例えばAlCl 、BF 、PF 、AsF 、TaF 、I、SbF が挙げられる。有機アニオンとしては、例えばビスオキサラトボレートアニオン、ジフルオロオキサラトボレートアニオン、テトラフルオロオキサラトホスフェートアニオン、ジフルオロビスオキサラトフォスフェートアニオン、CFCOO、CFSO 、(CFSO、(CSO等が挙げられる。
これらのうち、耐酸化性やイオン解離性が良好な点から、BF 、PF 、AsF 、SbF が好ましい。
テトラアルキル4級アンモニウム塩の好適な具体例としては、EtNBF、EtNClO、EtNPF、EtNAsF、EtNSbF、EtNCFSO、EtN(CFSON、EtNCSO、EtMeNBF、EtMeNClO、EtMeNPF、EtMeNAsF、EtMeNSbF、EtMeNCFSO、EtMeN(CFSON、EtMeNCSOを用いればよく、特に、EtNBF、EtNPF、EtNSbF、EtNAsF、EtMeNBF、N,N-ジエチル-N-メチル-N-(2-メトキシエチル)アンモニウム塩等が挙げられる。
(IIb)スピロ環ビピロリジニウム塩
一般式(IIb-1):
(式中、R8a及びR9aは同じか又は異なり、いずれも炭素数1~4のアルキル基;Xはアニオン;n1は0~5の整数;n2は0~5の整数)
で示されるスピロ環ビピロリジニウム塩、一般式(IIb-2):
(式中、R10a及びR11aは同じか又は異なり、いずれも炭素数1~4のアルキル基;Xはアニオン;n3は0~5の整数;n4は0~5の整数)
で示されるスピロ環ビピロリジニウム塩、又は、一般式(IIb-3):
(式中、R12a及びR13aは同じか又は異なり、いずれも炭素数1~4のアルキル基;Xはアニオン;n5は0~5の整数;n6は0~5の整数)
で示されるスピロ環ビピロリジニウム塩が好ましく挙げられる。また、このスピロ環ビピロリジニウム塩の水素原子の一部又は全部がフッ素原子及び/又は炭素数1~4の含フッ素アルキル基で置換されているものも、耐酸化性が向上する点から好ましい。
アニオンXの好ましい具体例は、(IIa)の場合と同じである。なかでも、解離性が高く、高電圧下での内部抵抗が低い点から、BF-、PF-、(CFSON-又は(CSON-が好ましい。
スピロ環ビピロリジニウム塩の好ましい具体例としては、例えば、
等が挙げられる。
このスピロ環ビピロリジニウム塩は溶媒への溶解性、耐酸化性、イオン伝導性の点で優れている。
(IIc)イミダゾリウム塩
一般式(IIc):
(式中、R14a及びR15aは同じか又は異なり、いずれも炭素数1~6のアルキル基;Xはアニオン)
で示されるイミダゾリウム塩が好ましく例示できる。また、このイミダゾリウム塩の水素原子の一部又は全部がフッ素原子及び/又は炭素数1~4の含フッ素アルキル基で置換されているものも、耐酸化性が向上する点から好ましい。
アニオンXの好ましい具体例は、(IIa)と同じである。
好ましい具体例としては、例えば
等が挙げられる。
このイミダゾリウム塩は粘性が低く、また溶解性が良好な点で優れている。
(IId):N-アルキルピリジニウム塩
一般式(IId):
(式中、R16aは炭素数1~6のアルキル基;Xはアニオン)
で示されるN-アルキルピリジニウム塩が好ましく例示できる。また、このN-アルキル
ピリジニウム塩の水素原子の一部又は全部がフッ素原子及び/又は炭素数1~4の含フッ
素アルキル基で置換されているものも、耐酸化性が向上する点から好ましい。
アニオンXの好ましい具体例は、(IIa)と同じである。
好ましい具体例としては、例えば
等が挙げられる。
このN-アルキルピリジニウム塩は粘性が低く、また溶解性が良好な点で優れている。
(IIe)N,N-ジアルキルピロリジニウム塩
一般式(IIe):
(式中、R17a及びR18aは同じか又は異なり、いずれも炭素数1~6のアルキル基;Xはアニオン)
で示されるN,N-ジアルキルピロリジニウム塩が好ましく例示できる。また、このN,N-ジアルキルピロリジニウム塩の水素原子の一部又は全部がフッ素原子及び/又は炭素数1~4の含フッ素アルキル基で置換されているものも、耐酸化性が向上する点から好ましい。
アニオンXの好ましい具体例は、(IIa)と同じである。
好ましい具体例としては、例えば
等が挙げられる。
このN,N-ジアルキルピロリジニウム塩は粘性が低く、また溶解性が良好な点で優れている。
これらのアンモニウム塩のうち、(IIa)、(IIb)及び(IIc)が溶解性、耐酸化性、イオン伝導性が良好な点で好ましく、更には
(式中、Meはメチル基;Etはエチル基;X、x、yは式(IIa-1)と同じ)
が好ましい。
また、電気二重層キャパシタ用電解質塩として、リチウム塩を用いてもよい。リチウム塩としては、例えば、LiPF、LiBF、LiN(FSO、LiAsF、LiSbF、LiN(SOが好ましい。
更に容量を向上させるために、マグネシウム塩を用いてもよい。マグネシウム塩としては、例えば、Mg(ClO、Mg(OOC等が好ましい。
電解質塩が上記アンモニウム塩である場合、濃度は、0.7モル/リットル以上であることが好ましい。0.7モル/リットル未満であると、低温特性が悪くなるだけでなく、初期内部抵抗が高くなってしまうおそれがある。上記電解質塩の濃度は、0.9モル/リットル以上であることがより好ましい。
上記濃度の上限は、低温特性の点で、2.0モル/リットル以下であることが好ましく、1.5モル/リットル以下であることがより好ましい。
上記アンモニウム塩が、4フッ化ホウ酸トリエチルメチルアンモニウム(TEMABF)の場合、その濃度は、低温特性に優れる点で、0.7~1.5モル/リットルであることが好ましい。
また、4フッ化ホウ酸スピロビピロリジニウム(SBPBF)の場合は、0.7~2.0モル/リットルであることが好ましい。
本開示の液体電解質は、一般式(2):
(式中、X21は少なくともH又はCを含む基、n21は1~3の整数、Y21及びZ21は、同じか又は異なり、少なくともH、C、O又はFを含む基、n22は0又は1、Y21及びZ21はお互いに結合して環を形成してもよい。)で示される化合物(2)を更に含むことが好ましい。上記液体電解質が化合物(2)を含むと、高温で保管した場合でも、容量保持率が一層低下しにくく、ガスの発生量が更に増加しにくい。
n21が2又は3の場合、2つ又は3つのX21は同じであっても異なっていてもよい。
21及びZ21が複数存在する場合、複数存在するY21及びZ21は同じであっても異なっていてもよい。
21としては、-CY2121-(式中、Y21及びZ21は上記のとおり)又は-CY21=CZ21-(式中、Y21及びZ21は上記のとおり)で示される基が好ましい。
21としては、H-、F-、CH-、CHCH-、CHCHCH-、CF-、CFCF-、CHFCH-及びCFCFCF-からなる群より選択される少なくとも1種が好ましい。
21としては、H-、F-、CH-、CHCH-、CHCHCH-、CF-、CFCF-、CHFCH-及びCFCFCF-からなる群より選択される少なくとも1種が好ましい。
又は、Y21及びZ21は、お互いに結合して、不飽和結合を含んでもよく、芳香族性を有していてもよい炭素環又は複素環を形成することができる。環の炭素数は3~20が好ましい。
次いで、化合物(2)の具体例について説明する。なお、以下の例示において「類縁体」
とは、例示される酸無水物の構造の一部を、本開示の趣旨に反しない範囲で、別の構造に置き換えることにより得られる酸無水物を指すもので、例えば複数の酸無水物からなる二量体、三量体及び四量体等、又は、置換基の炭素数が同じではあるが分岐鎖を有する等構造異性のもの、置換基が酸無水物に結合する部位が異なるもの等が挙げられる。
5員環構造を形成している酸無水物の具体例としては、無水コハク酸、メチルコハク酸無水物(4-メチルコハク酸無水物)、ジメチルコハク酸無水物(4,4-ジメチルコハク酸無水物、4,5-ジメチルコハク酸無水物等)、4,4,5-トリメチルコハク酸無水物、4,4,5,5-テトラメチルコハク酸無水物、4-ビニルコハク酸無水物、4,5-ジビニルコハク酸無水物、フェニルコハク酸無水物(4-フェニルコハク酸無水物)、4,5-ジフェニルコハク酸無水物、4,4-ジフェニルコハク酸無水物、無水シトラコン酸、無水マレイン酸、メチルマレイン酸無水物(4-メチルマレイン酸無水物)、4,5-ジメチルマレイン酸無水物、フェニルマレイン酸無水物(4-フェニルマレイン酸無水物)、4,5-ジフェニルマレイン酸無水物、イタコン酸無水物、5-メチルイタコン酸無水物、5,5-ジメチルイタコン酸無水物、無水フタル酸、3,4,5,6-テトラヒドロフタル酸無水物等、及びそれらの類縁体等が挙げられる。
6員環構造を形成している酸無水物の具体例としては、シクロヘキサンジカルボン酸無水物(シクロヘキサン-1,2-ジカルボン酸無水物等)、4-シクロヘキセン-1,2-ジカルボン酸無水物、無水グルタル酸、無水グルタコン酸、2-フェニルグルタル酸無水物等、及びそれらの類縁体等が挙げられる。
その他の環状構造を形成している酸無水物の具体例としては、5-ノルボルネン-2,3-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、ピロメリット酸無水物、無水ジグリコール酸等、及びそれらの類縁体等が挙げられる。
環状構造を形成するとともに、ハロゲン原子で置換された酸無水物の具体例としては、モノフルオロコハク酸無水物(4-フルオロコハク酸無水物等)、4,4-ジフルオロコハク酸無水物、4,5-ジフルオロコハク酸無水物、4,4,5-トリフルオロコハク酸無水物、トリフルオロメチルコハク酸無水物、テトラフルオロコハク酸無水物(4,4,5,5-テトラフルオロコハク酸無水物)、4-フルオロマレイン酸無水物、4,5-ジフルオロマレイン酸無水物、トリフルオロメチルマレイン酸無水物、5-フルオロイタコン酸無水物、5,5-ジフルオロイタコン酸無水物等、及びそれらの類縁体等が挙げられる。
化合物(2)としては、なかでも、無水グルタル酸、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、4-シクロヘキセン-1,2-ジカルボン酸無水物、3,4,5,6-テトラヒドロフタル酸無水物、5-ノルボルネン-2,3-ジカルボン酸無水物、フェニルコハク酸無水物、2-フェニルグルタル酸無水物、無水マレイン酸、メチルマレイン酸無水物、トリフルオロメチルマレイン酸無水物、フェニルマレイン酸無水物、無水コハク酸、メチルコハク酸無水物、ジメチルコハク酸無水物、トリフルオロメチルコハク酸無水物、モノフルオロコハク酸無水物、テトラフルオロコハク酸無水物等が好ましく、無水マレイン酸、メチルマレイン酸無水物、トリフルオロメチルマレイン酸無水物、無水コハク酸、メチルコハク酸無水物、トリフルオロメチルコハク酸無水物、テトラフルオロコハク酸無水物がより好ましく、無水マレイン酸、無水コハク酸が更に好ましい。
化合物(2)は、一般式(3):
(式中、X31~X34は、同じか又は異なり、少なくともH、C、O又はFを含む基)
で示される化合物(3)、及び、一般式(4):
(式中、X41及びX42は、同じか又は異なり、少なくともH、C、O又はFを含む基)で示される化合物(4)からなる群より選択される少なくとも1種であることが好ましい。
31~X34としては、同じか又は異なり、アルキル基、フッ素化アルキル基、アルケニル基及びフッ素化アルケニル基からなる群より選択される少なくとも1種が好ましい。
31~X34の炭素数は、1~10が好ましく、1~3がより好ましい。
31~X34としては、同じか又は異なり、H-、F-、CH-、CHCH-、CHCHCH-、CF-、CFCF-、CHFCH-及びCFCFCF-からなる群より選択される少なくとも1種がより好ましい。
41及びX42としては、同じか又は異なり、アルキル基、フッ素化アルキル基、アルケニル基及びフッ素化アルケニル基からなる群より選択される少なくとも1種が好ましい。X41及びX42の炭素数は、1~10が好ましく、1~3がより好ましい。
41及びX42としては、同じか又は異なり、H-、F-、CH-、CHCH-、CHCHCH-、CF-、CFCF-、CHFCH-及びCFCFCF-からなる群より選択される少なくとも1種がより好ましい。
化合物(3)は、以下の化合物のいずれかであることが好ましい。
化合物(4)は、以下の化合物のいずれかであることが好ましい。
上記液体電解質は、高温で保管した場合でも、容量保持率が一層低下しにくく、ガスの発生量が更に増加しにくいことから、上記液体電解質に対して、0.0001~15質量%の化合物(2)を含むことが好ましい。化合物(2)の含有量としては、0.01~10質量%がより好ましく、0.1~3質量%が更に好ましく、0.1~1.0質量%が特に好ましい。
上記液体電解質が化合物(3)及び(4)の両方を含む場合、高温で保管した場合でも、容量保持率が一層低下しにくく、ガスの発生量が更に増加しにくいことから、上記液体電解質は、上記液体電解質に対して、0.08~2.50質量%の化合物(3)及び0.02~1.50質量%の化合物(4)を含むことが好ましく、0.80~2.50質量%の化合物(3)及び0.08~1.50質量%の化合物(4)を含むことがより好ましい。
本開示の液体電解質は、下記一般式(1a)、(1b)及び(1c)で表されるニトリル化合物からなる群より選択される少なくとも1種を含んでもよい。
(式中、R及びRは、それぞれ独立して、水素原子、シアノ基(CN)、ハロゲン原子、アルキル基、又は、アルキル基の少なくとも一部の水素原子をハロゲン原子で置換した基を表す。nは1~10の整数を表す。)
(式中、Rは、水素原子、ハロゲン原子、アルキル基、アルキル基の少なくとも一部の水素原子をハロゲン原子で置換した基、又は、NC-Rc1-Xc1-(Rc1はアルキレン基、Xc1は酸素原子又は硫黄原子を表す。)で表される基を表す。R及びRは、それぞれ独立して、水素原子、ハロゲン原子、アルキル基、又は、アルキル基の少なくとも一部の水素原子をハロゲン原子で置換した基を表す。mは1~10の整数を表す。)
(式中、R、R、R及びRは、それぞれ独立して、シアノ基(CN)を含む基、水素原子(H)、ハロゲン原子、アルキル基、又は、アルキル基の少なくとも一部の水素原子をハロゲン原子で置換した基を表す。ただし、R、R、R及びRのうち少なくとも1つはシアノ基を含む基である。lは1~3の整数を表す。)
これにより、電気化学デバイスの高温保存特性を向上させることができる。上記ニトリル化合物を単独で用いてもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。
上記一般式(1a)において、R及びRは、それぞれ独立して、水素原子、シアノ基(CN)、ハロゲン原子、アルキル基、又は、アルキル基の少なくとも一部の水素原子をハロゲン原子で置換した基である。
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、ヨウ素原子が挙げられる。中でもフッ素原子が好ましい。
アルキル基としては、炭素数1~5のものが好ましい。アルキル基の具体例としては、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、イソブチル基、tert-ブチル基等が挙げられる。
アルキル基の少なくとも一部の水素原子をハロゲン原子で置換した基としては、上述したアルキル基の少なくとも一部の水素原子を上述したハロゲン原子で置換した基が挙げられる。R及びRがアルキル基、又は、アルキル基の少なくとも一部の水素原子をハロゲン原子で置換した基である場合は、RとRとが互いに結合して環構造(例えば、シクロヘキサン環)を形成していてもよい。
及びRは、水素原子又はアルキル基であることが好ましい。
上記一般式(1a)において、nは1~10の整数である。nが2以上である場合、n個のRは全て同じであってもよく、少なくとも一部が異なっていてもよい。Rについても同様である。nは、1~7の整数が好ましく、2~5の整数がより好ましい。
上記一般式(1a)で表されるニトリル化合物としては、ジニトリル及びトリカルボニトリルが好ましい。
ジニトリルの具体例としては、マロノニトリル、スクシノニトリル、グルタロニトリル、アジポニトリル、ピメロニトリル、スベロニトリル、アゼラニトリル、セバコニトリル、ウンデカンジニトリル、ドデカンジニトリル、メチルマロノニトリル、エチルマロノニトリル、イソプロピルマロノニトリル、tert-ブチルマロノニトリル、メチルスクシノニトリル、2,2-ジメチルスクシノニトリル、2,3-ジメチルスクシノニトリル、2,3,3-トリメチルスクシノニトリル、2,2,3,3-テトラメチルスクシノニトリル、2,3-ジエチル-2,3-ジメチルスクシノニトリル、2,2-ジエチル-3,3-ジメチルスクシノニトリル、ビシクロヘキシル-1,1-ジカルボニトリル、ビシクロヘキシル-2,2-ジカルボニトリル、ビシクロヘキシル-3,3-ジカルボニトリル、2,5-ジメチル-2,5-ヘキサンジカルボニトリル、2,3-ジイソブチル-2,3-ジメチルスクシノニトリル、2,2-ジイソブチル-3,3-ジメチルスクシノニトリル、2-メチルグルタロニトリル、2,3-ジメチルグルタロニトリル、2,4-ジメチルグルタロニトリル、2,2,3,3-テトラメチルグルタロニトリル、2,2,4,4-テトラメチルグルタロニトリル、2,2,3,4-テトラメチルグルタロニトリル、2,3,3,4-テトラメチルグルタロニトリル、1,4-ジシアノペンタン、2,6-ジシアノヘプタン、2,7-ジシアノオクタン、2,8-ジシアノノナン、1,6-ジシアノデカン、1,2-ジジアノベンゼン、1,3-ジシアノベンゼン、1,4-ジシアノベンゼン、3,3’-(エチレンジオキシ)ジプロピオニトリル、3,3’-(エチレンジチオ)ジプロピオニトリル、3,9-ビス(2-シアノエチル)-2,4,8,10-テトラオキサスピロ[5,5]ウンデカン、ブタンニトリル、フタロニトリル等を例示できる。これらのうち、特に好ましいのはスクシノニトリル、グルタロニトリル、アジポニトリルである。
また、トリカルボニトリルの具体例としては、ペンタントリカルボニトリル、プロパントリカルボニトリル、1,3,5-ヘキサントリカルボニトリル、1,3,6-ヘキサントリカルボニトリル、ヘプタントリカルボニトリル、1,2,3-プロパントリカルボニトリル、1,3,5-ペンタントリカルボニトリル、シクロヘキサントリカルボニトリル、トリスシアノエチルアミン、トリスシアノエトキシプロパン、トリシアノエチレン、トリス(2-シアノエチル)アミン等が挙げられ特に好ましいものは、1,3,6-ヘキサントリカルボニトリル、シクロヘキサントリカルボニトリルであり、最も好ましいものはシクロヘキサントリカルボニトリルである。
上記一般式(1b)において、Rは、水素原子、ハロゲン原子、アルキル基、アルキル基の少なくとも一部の水素原子をハロゲン原子で置換した基、又は、NC-Rc1-Xc1-(Rc1はアルキレン基、Xc1は酸素原子又は硫黄原子を表す。)で表される基であり、R及びRは、それぞれ独立して、水素原子、ハロゲン原子、アルキル基、又は、アルキル基の少なくとも一部の水素原子をハロゲン原子で置換した基である。
ハロゲン原子、アルキル基、及び、アルキル基の少なくとも一部の水素原子をハロゲン原子で置換した基については、上記一般式(1a)について例示したものが挙げられる。
上記NC-Rc1-Xc1-におけるRc1はアルキレン基である。アルキレン基としては、炭素数1~3のアルキレン基が好ましい。
、R及びRは、それぞれ独立して、水素原子、ハロゲン原子、アルキル基、又は、アルキル基の少なくとも一部の水素原子をハロゲン原子で置換した基であることが好ましい。R、R及びRの少なくとも1つは、ハロゲン原子、又は、アルキル基の少なくとも一部の水素原子をハロゲン原子で置換した基であることが好ましく、フッ素原子、又は、アルキル基の少なくとも一部の水素原子をフッ素原子で置換した基であることがより好ましい。R及びRがアルキル基、又は、アルキル基の少なくとも一部の水素原子をハロゲン原子で置換した基である場合は、RとRとが互いに結合して環構造(例えば、シクロヘキサン環)を形成していてもよい。
上記一般式(1b)において、mは1~10の整数である。mが2以上である場合、m個のRは全て同じであってもよく、少なくとも一部が異なっていてもよい。Rについても同様である。mは、2~7の整数が好ましく、2~5の整数がより好ましい。
上記一般式(1b)で表されるニトリル化合物としては、アセトニトリル、プロピオニトリル、ブチロニトリル、イソブチロニトリル、バレロニトリル、イソバレロニトリル、ラウロニトリル、3-メトキシプロピオニトリル、2-メチルブチロニトリル、トリメチルアセトニトリル、ヘキサンニトリル、シクロペンタンカルボニトリル、シクロヘキサンカルボニトリル、フルオロアセトニトリル、ジフルオロアセトニトリル、トリフルオロアセトニトリル、2-フルオロプロピオニトリル、3-フルオロプロピオニトリル、2,2-ジフルオロプロピオニトリル、2,3-ジフルオロプロピオニトリル、3,3-ジフルオロプロピオニトリル、2,2,3-トリフルオロプロピオニトリル、3,3,3-トリフルオロプロピオニトリル、3,3’-オキシジプロピオニトリル、3,3’-チオジプロピオニトリル、ペンタフルオロプロピオニトリル、メトキシアセトニトリル、ベンゾニトリル等が例示できる。これらのうち、特に好ましいのは,3,3,3-トリフルオロプロピオニトリルである。
上記一般式(1c)において、R、R、R及びRは、それぞれ独立して、シアノ基(CN)を含む基、水素原子、ハロゲン原子、アルキル基、又は、アルキル基の少なくとも一部の水素原子をハロゲン原子で置換した基である。
ハロゲン原子、アルキル基、及び、アルキル基の少なくとも一部の水素原子をハロゲン原子で置換した基については、上記一般式(1a)について例示したものが挙げられる。シアノ基を含む基としては、シアノ基のほか、アルキル基の少なくとも一部の水素原子をシアノ基で置換した基が挙げられる。この場合のアルキル基としては、上記一般式(1a)について例示したものが挙げられる。
、R、R及びRのうち少なくとも1つはシアノ基を含む基である。好ましくは、R、R、R及びRのうち少なくとも2つがシアノ基を含む基であることであり、より好ましくは、R及びRがシアノ基を含む基であることである。R及びRがシアノ基を含む基である場合、R及びRは、水素原子であることが好ましい。
上記一般式(1c)において、lは1~3の整数である。lが2以上である場合、l個のRは全て同じであってもよく、少なくとも一部が異なっていてもよい。Rについても同様である。lは、1~2の整数が好ましい。
上記一般式(1c)で表されるニトリル化合物としては、3-ヘキセンジニトリル、ムコノニトリル、マレオニトリル、フマロニトリル、アクリロニトリル、メタクリロニトリル、クロトノニトリル、3-メチルクロトノニトリル、2-メチル-2-ブテンニトリル、2-ペンテンニトリル、2-メチル-2-ペンテンニトリル、3-メチル-2-ペンテンニトリル、2-ヘキセンニトリル等が例示され、3-ヘキセンジニトリル、ムコノニトリルが好ましく、特に3-ヘキセンジニトリルが好ましい。
上記ニトリル化合物の含有量は、液体電解質に対して0.2~7質量%であることが好ましい。これにより、電気化学デバイスの高電圧での高温保存特性、安全性を一層向上させることができる。上記ニトリル化合物の含有量の合計の下限は0.3質量%がより好ましく、0.5質量%が更に好ましい。上限は5質量%がより好ましく、2質量%が更に好ましく、0.5質量%が特に好ましい。
本開示の液体電解質は、イソシアナト基を有する化合物(以下、「イソシアネート」と略記する場合がある)を含んでもよい。上記イソシアネートとしては、特に限定されず、任意のイソシアネートを用いることができる。イソシアネートの例としては、モノイソシアネート類、ジイソシアネート類、トリイソシアネート類等が挙げられる。
モノイソシアネート類の具体例としては、イソシアナトメタン、イソシアナトエタン、1-イソシアナトプロパン、1-イソシアナトブタン、1-イソシアナトペンタン、1-イソシアナトヘキサン、1-イソシアナトヘプタン、1-イソシアナトオクタン、1-イソシアナトノナン、1-イソシアナトデカン、イソシアナトシクロヘキサン、メトキシカルボニルイソシアネート、エトキシカルボニルイソシアネート、プロポキシカルボニルイソシアネート、ブトキシカルボニルイソシアネート、メトキシスルホニルイソシアネート、エトキシスルホニルイソシアネート、プロポキシスルホニルイソシアネート、ブトキシスルホニルイソシアネート、フルオロスルホニルイソシアネート、メチルイソシアネート、ブチルイソシアネート、フェニルイソシアネート、2-イソシアナトエチルアクリレート、2-イソシアナトエチルメタクリレート、エチルイソシアネート等が挙げられる。
ジイソシアネート類の具体例としては、1,4-ジイソシアナトブタン、1,5-ジイソシアナトペンタン、1,6-ジイソシアナトヘキサン、1,7-ジイソシアナトヘプタン、1,8-ジイソシアナトオクタン、1,9-ジイソシアナトノナン、1,10-ジイソシアナトデカン、1,3-ジイソシアナトプロペン、1,4-ジイソシアナト-2-ブテン、1,4-ジイソシアナト-2-フルオロブタン、1,4-ジイソシアナト-2,3-ジフルオロブタン、1,5-ジイソシアナト-2-ペンテン、1,5-ジイソシアナト-2-メチルペンタン、1,6-ジイソシアナト-2-ヘキセン、1,6-ジイソシアナト-3-ヘキセン、1,6-ジイソシアナト-3-フルオロヘキサン、1,6-ジイソシアナト-3,4-ジフルオロヘキサン、トルエンジイソシアネート、キシレンジイソシアネート、トリレンジイソシアネート、1,2-ビス(イソシアナトメチル)シクロヘキサン、1,3-ビス(イソシアナトメチル)シクロヘキサン、1,4-ビス(イソシアナトメチル)シクロヘキサン、1,2-ジイソシアナトシクロヘキサン、1,3-ジイソシアナトシクロヘキサン、1,4-ジイソシアナトシクロヘキサン、ジシクロヘキシルメタン-1,1’-ジイソシアネート、ジシクロヘキシルメタン-2,2’-ジイソシアネート、ジシクロヘキシルメタン-3,3’-ジイソシアネート、ジシクロヘキシルメタン-4,4’-ジイソシアネート、イソホロンジイソシアネート、ビシクロ[2.2.1]ヘプタン-2,5-ジイルビス(メチル=イソシアネート)、ビシクロ[2.2.1]ヘプタン-2,6-ジイルビス(メチル=イソシアネート)、2,4,4-トリメチルヘキサメチレンジイソシアナート、2,2,4-トリメチルヘキサメチレンジイソシアナート、ヘキサメチレンジイソシアネート、1,4-フェニレンジイソシアネート、オクタメチレンジイソシアネート、テトラメチレンジイソシアネート等が挙げられる。
トリイソシアネート類の具体例としては、1,6,11-トリイソシアナトウンデカン、4-イソシアナトメチル-1,8-オクタメチレンジイソシアネート、1,3,5-トリイソシアネートメチルベンゼン、1,3,5-トリス(6-イソシアナトヘキサ-1-イル)-1,3,5-トリアジン-2,4,6(1H,3H,5H)-トリオン、4-(イソシアナトメチル)オクタメチレン=ジイソシアネート等が挙げられる。
中でも、1,6-ジイソシアナトヘキサン、1,3-ビス(イソシアナトメチル)シクロヘキサン、1,3,5-トリス(6-イソシアナトヘキサ-1-イル)-1,3,5-トリアジン-2,4,6(1H,3H,5H)-トリオン、2,4,4-トリメチルヘキサメチレンジイソシアナート、2,2,4-トリメチルヘキサメチレンジイソシアナートが、工業的に入手し易いものであり、液体電解質の製造コストが低く抑えられる点で好ましく、また技術的な観点からも安定な被膜状の構造物の形成に寄与することができ、より好適に用いられる。
イソシアネートの含有量は、特に限定されず、本開示の効果を著しく損なわない限り任意であるが、液体電解質に対して、好ましくは0.001質量%以上、1.0質量%以下である。イソシアネートの含有量がこの下限以上であると、非水系液体電解質二次電池に、十分なサイクル特性向上効果をもたらすことができる。また、この上限以下であると、非水系液体電解質二次電池の初期の抵抗増加を避けることができる。イソシアネートの含有量は、より好ましくは0.01質量%以上、更に好ましくは0.1質量%以上、特に好ましくは0.2質量%以上、また、より好ましくは0.8質量%以下、更に好ましくは0.7質量%以下、特に好ましくは0.6質量%以下である。
本開示の液体電解質は、環状スルホン酸エステルを含んでもよい。環状スルホン酸エステルとしては、特に限定されず、任意の環状スルホン酸エステルを用いることができる。環状スルホン酸エステルの例としては、飽和環状スルホン酸エステル、不飽和環状スルホン酸エステル、飽和環状ジスルホン酸エステル、不飽和環状ジスルホン酸エステル等が挙げられる。
飽和環状スルホン酸エステルの具体例としては、1,3-プロパンスルトン、1-フルオロ-1,3-プロパンスルトン、2-フルオロ-1,3-プロパンスルトン、3-フルオロ-1,3-プロパンスルトン、1-メチル-1,3-プロパンスルトン、2-メチル-1,3-プロパンスルトン、3-メチル-1,3-プロパンスルトン、1,3-ブタンスルトン、1,4-ブタンスルトン、1-フルオロ-1,4-ブタンスルトン、2-フルオロ-1,4-ブタンスルトン、3-フルオロ-1,4-ブタンスルトン、4-フルオロ-1,4-ブタンスルトン、1-メチル-1,4-ブタンスルトン、2-メチル-1,4-ブタンスルトン、3-メチル-1,4-ブタンスルトン、4-メチル-1,4-ブタンスルトン、2,4-ブタンスルトン等が挙げられる。
不飽和環状スルホン酸エステルの具体例としては、1-プロペン-1,3-スルトン、2-プロペン-1,3-スルトン、1-フルオロ-1-プロペン-1,3-スルトン、2-フルオロ-1-プロペン-1,3-スルトン、3-フルオロ-1-プロペン-1,3-スルトン、1-フルオロ-2-プロペン-1,3-スルトン、2-フルオロ-2-プロペン-1,3-スルトン、3-フルオロ-2-プロペン-1,3-スルトン、1-メチル-1-プロペン-1,3-スルトン、2-メチル-1-プロペン-1,3-スルトン、3-メチル-1-プロペン-1,3-スルトン、1-メチル-2-プロペン-1,3-スルトン、2-メチル-2-プロペン-1,3-スルトン、3-メチル-2-プロペン-1,3-スルトン、1-ブテン-1,4-スルトン、2-ブテン-1,4-スルトン、3-ブテン-1,4-スルトン、1-フルオロ-1-ブテン-1,4-スルトン、2-フルオロ-1-ブテン-1,4-スルトン、3-フルオロ-1-ブテン-1,4-スルトン、4-フルオロ-1-ブテン-1,4-スルトン、1-フルオロ-2-ブテン-1,4-スルトン、2-フルオロ-2-ブテン-1,4-スルトン、3-フルオロ-2-ブテン-1,4-スルトン、4-フルオロ-2-ブテン-1,4-スルトン、1,3-プロペンスルトン、1-フルオロ-3-ブテン-1,4-スルトン、2-フルオロ-3-ブテン-1,4-スルトン、3-フルオロ-3-ブテン-1,4-スルトン、4-フルオロ-3-ブテン-1,4-スルトン、1-メチル-1-ブテン-1,4-スルトン、2-メチル-1-ブテン-1,4-スルトン、3-メチル-1-ブテン-1,4-スルトン、4-メチル-1-ブテン-1,4-スルトン、1-メチル-2-ブテン-1,4-スルトン、2-メチル-2-ブテン-1,4-スルトン、3-メチル-2-ブテン-1,4-スルトン、4-メチル-2-ブテン-1,4-スルトン、1-メチル-3-ブテン-1,4-スルトン、2-メチル-3-ブテン-1,4-スルトン、3-メチル-3-ブテン-1,4-スルトン、4-メチル-3-ブテン-14-スルトン等が挙げられる。
中でも、1,3-プロパンスルトン、1-フルオロ-1,3-プロパンスルトン、2-フルオロ-1,3-プロパンスルトン、3-フルオロ-1,3-プロパンスルトン、1-プロペン-1,3-スルトンが、入手の容易さや安定な被膜状の構造物の形成に寄与することができる点から、より好適に用いられる。環状スルホン酸エステルの含有量は、特に限定されず、本開示の効果を著しく損なわない限り任意であるが、液体電解質に対して、好ましくは0.001質量%以上、3.0質量%以下である。
環状スルホン酸エステルの含有量がこの下限以上であると、非水系液体電解質二次電池に、十分なサイクル特性向上効果をもたらすことができる。また、この上限以下であると、非水系液体電解質二次電池の製造コストの増加を避けることができる。環状スルホン酸エステルの含有量は、より好ましくは0.01質量%以上、更に好ましくは0.1質量%以上、特に好ましくは0.2質量%以上、また、より好ましくは2.5質量%以下、更に好ましくは2.0質量%以下、特に好ましくは1.8質量%以下である。
本開示の液体電解質は、更に、重量平均分子量が2000~40000であり、末端に-OH、-OCOOH、又は、-COOHを有するポリエチレンオキシドを含有してもよい。
このような化合物を含有することにより、電極界面の安定性が向上し、電気化学デバイスの特性を向上させることができる。
上記ポリエチレンオキシドとしては、例えば、ポリエチレンオキシドモノオール、ポリエチレンオキシドカルボン酸、ポリエチレンオキシドジオール、ポリエチレンオキシドジカルボン酸、ポリエチレンオキシドトリオール、ポリエチレンオキシドトリカルボン酸等が挙げられる。これらは単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。なかでも、電気化学デバイスの特性がより良好となる点で、ポリエチレンオキシドモノオールとポリエチレンオキシドジオールの混合物、及び、ポリエチレンカルボン酸とポリエチレンジカルボン酸の混合物であることが好ましい。
上記ポリエチレンオキシドの重量平均分子量が小さすぎると、酸化分解されやすくなるおそれがある。上記重量平均分子量は、3000~40000がより好ましい。上記重量平均分子量は、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)法によるポリスチレン換算により測定することができる。
上記ポリエチレンオキシドの含有量は、液体電解質中1×10-6~1×10-2mol/kgであることが好ましい。上記ポリエチレンオキシドの含有量が多すぎると、電気化学デバイスの特性を損なうおそれがある。
上記ポリエチレンオキシドの含有量は、5×10-6mol/kg以上であることがより好ましい。
本開示の液体電解質は、添加剤として、更に、フッ素化飽和環状カーボネート、不飽和環状カーボネート、過充電防止剤、その他の公知の助剤等を含有していてもよい。これにより、電気化学デバイスの特性の低下を抑制することができる。
フッ素化飽和環状カーボネートとしては、上述した一般式(A)で示される化合物が挙げられる。なかでも、フルオロエチレンカーボネート、ジフルオロエチレンカーボネート、モノフルオロメチルエチレンカーボネート、トリフルオロメチルエチレンカーボネート、2,2,3,3,3-ペンタフルオロプロピルエチレンカーボネート(4-(2,2,3,3,3-ペンタフルオロ-プロピル)-[1,3]ジオキソラン-2-オン)が好ましい。フッ素化飽和環状カーボネートは、1種を単独で用いてもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。
上記フッ素化飽和環状カーボネートの含有量は、上記液体電解質に対して、0.001~10質量%であることが好ましく、0.01~5質量%であることがより好ましく、0.1~3質量%であることが更に好ましい。
不飽和環状カーボネートとしては、ビニレンカーボネート類、芳香環又は炭素-炭素二重結合又は炭素-炭素三重結合を有する置換基で置換されたエチレンカーボネート類、フェニルカーボネート類、ビニルカーボネート類、アリルカーボネート類、カテコールカーボネート類等が挙げられる。
ビニレンカーボネート類としては、ビニレンカーボネート、メチルビニレンカーボネート、4,5-ジメチルビニレンカーボネート、フェニルビニレンカーボネート、4,5-ジフェニルビニレンカーボネート、ビニルビニレンカーボネート、4,5-ジビニルビニレンカーボネート、アリルビニレンカーボネート、4,5-ジアリルビニレンカーボネート、4-フルオロビニレンカーボネート、4-フルオロ-5-メチルビニレンカーボネート、4-フルオロ-5-フェニルビニレンカーボネート、4-フルオロ-5-ビニルビニレンカーボネート、4-アリル-5-フルオロビニレンカーボネート、エチニルエチレンカーボネート、プロパルギルエチレンカーボネート、メチルビニレンカーボネート、ジメチルビニレンカーボネート等が挙げられる。
芳香環又は炭素-炭素二重結合又は炭素-炭素三重結合を有する置換基で置換されたエチレンカーボネート類の具体例としては、ビニルエチレンカーボネート、4,5-ジビニルエチレンカーボネート、4-メチル-5-ビニルエチレンカーボネート、4-アリル-5-ビニルエチレンカーボネート、エチニルエチレンカーボネート、4,5-ジエチニルエチレンカーボネート、4-メチル-5-エチニルエチレンカーボネート、4-ビニル-5-エチニルエチレンカーボネート、4-アリル-5-エチニルエチレンカーボネート、フェニルエチレンカーボネート、4,5-ジフェニルエチレンカーボネート、4-フェニル-5-ビニルエチレンカーボネート、4-アリル-5-フェニルエチレンカーボネート、アリルエチレンカーボネート、4,5-ジアリルエチレンカーボネート、4-メチル-5-アリルエチレンカーボネート、4-メチレン-1,3-ジオキソラン-2-オン、4,5-ジメチレン-1,3-ジオキソラン-2-オン、4-メチル-5-アリルエチレンカーボネート等が挙げられる。
なかでも、不飽和環状カーボネートとしては、ビニレンカーボネート、メチルビニレンカーボネート、4,5-ジメチルビニレンカーボネート、ビニルビニレンカーボネート、4,5-ビニルビニレンカーボネート、アリルビニレンカーボネート、4,5-ジアリルビニレンカーボネート、ビニルエチレンカーボネート、4,5-ジビニルエチレンカーボネート、4-メチル-5-ビニルエチレンカーボネート、アリルエチレンカーボネート、4,5-ジアリルエチレンカーボネート、4-メチル-5-アリルエチレンカーボネート、4-アリル-5-ビニルエチレンカーボネート、エチニルエチレンカーボネート、4,5-ジエチニルエチレンカーボネート、4-メチル-5-エチニルエチレンカーボネート、4-ビニル-5-エチニルエチレンカーボネートが好ましい。また、ビニレンカーボネート、ビニルエチレンカーボネート、エチニルエチレンカーボネートは更に安定な界面保護被膜を形成するので、特に好ましく、ビニレンカーボネートが最も好ましい。
不飽和環状カーボネートの分子量は、特に制限されず、本開示の効果を著しく損なわない限り任意である。分子量は、好ましくは、50以上、250以下である。この範囲であれば、液体電解質に対する不飽和環状カーボネートの溶解性を確保しやすく、本開示の効果が十分に発現されやすい。不飽和環状カーボネートの分子量は、より好ましくは80以上であり、また、より好ましくは150以下である。
不飽和環状カーボネートの製造方法は、特に制限されず、公知の方法を任意に選択して製造することが可能である。
不飽和環状カーボネートは、1種を単独で用いても、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。
上記不飽和環状カーボネートの含有量は、特に制限されず、本開示の効果を著しく損なわない限り任意である。上記不飽和環状カーボネートの含有量は、液体電解質100質量%中0.001質量%以上が好ましく、より好ましくは0.01質量%以上、更に好ましくは0.1質量%以上である。また、上記含有量は、5質量%以下が好ましく、より好ましくは4質量%以下、更に好ましくは3質量%以下である。上記範囲内であれば、液体電解質を用いた電気化学デバイスが十分なサイクル特性向上効果を発現しやすく、また、高温保存特性が低下し、ガス発生量が多くなり、放電容量維持率が低下するといった事態を回避しやすい。
不飽和環状カーボネートとしては、上述のような非フッ素化不飽和環状カーボネートの他、フッ素化不飽和環状カーボネートも好適に用いることができる。
フッ素化不飽和環状カーボネートは、不飽和結合とフッ素原子とを有する環状カーボネートである。フッ素化不飽和環状カーボネートが有するフッ素原子の数は1以上があれば、特に制限されない。中でもフッ素原子が通常6以下、好ましくは4以下であり、1個又は2個のものが最も好ましい。
フッ素化不飽和環状カーボネートとしては、フッ素化ビニレンカーボネート誘導体、芳香環又は炭素-炭素二重結合を有する置換基で置換されたフッ素化エチレンカーボネート誘導体等が挙げられる。
フッ素化ビニレンカーボネート誘導体としては、4-フルオロビニレンカーボネート、4-フルオロ-5-メチルビニレンカーボネート、4-フルオロ-5-フェニルビニレンカーボネート、4-アリル-5-フルオロビニレンカーボネート、4-フルオロ-5-ビニルビニレンカーボネート等が挙げられる。
芳香環又は炭素-炭素二重結合を有する置換基で置換されたフッ素化エチレンカーボネート誘導体としては、4-フルオロ-4-ビニルエチレンカーボネート、4-フルオロ-4-アリルエチレンカーボネート、4-フルオロ-5-ビニルエチレンカーボネート、4-フルオロ-5-アリルエチレンカーボネート、4,4-ジフルオロ-4-ビニルエチレンカーボネート、4,4-ジフルオロ-4-アリルエチレンカーボネート、4,5-ジフルオロ-4-ビニルエチレンカーボネート、4,5-ジフルオロ-4-アリルエチレンカーボネート、4-フルオロ-4,5-ジビニルエチレンカーボネート、4-フルオロ-4,5-ジアリルエチレンカーボネート、4,5-ジフルオロ-4,5-ジビニルエチレンカーボネート、4,5-ジフルオロ-4,5-ジアリルエチレンカーボネート、4-フルオロ-4-フェニルエチレンカーボネート、4-フルオロ-5-フェニルエチレンカーボネート、4,4-ジフルオロ-5-フェニルエチレンカーボネート、4,5-ジフルオロ-4-フェニルエチレンカーボネート等が挙げられる。
なかでも、フッ素化不飽和環状カーボネートとしては、4-フルオロビニレンカーボネート、4-フルオロ-5-メチルビニレンカーボネート、4-フルオロ-5-ビニルビニレンカーボネート、4-アリル-5-フルオロビニレンカーボネート、4-フルオロ-4-ビニルエチレンカーボネート、4-フルオロ-4-アリルエチレンカーボネート、4-フルオロ-5-ビニルエチレンカーボネート、4-フルオロ-5-アリルエチレンカーボネート、4,4-ジフルオロ-4-ビニルエチレンカーボネート、4,4-ジフルオロ-4-アリルエチレンカーボネート、4,5-ジフルオロ-4-ビニルエチレンカーボネート、4,5-ジフルオロ-4-アリルエチレンカーボネート、4-フルオロ-4,5-ジビニルエチレンカーボネート、4-フルオロ-4,5-ジアリルエチレンカーボネート、4,5-ジフルオロ-4,5-ジビニルエチレンカーボネート、4,5-ジフルオロ-4,5-ジアリルエチレンカーボネートが、安定な界面保護被膜を形成するので、より好適に用いられる。
フッ素化不飽和環状カーボネートの分子量は、特に制限されず、本開示の効果を著しく損なわない限り任意である。分子量は、好ましくは、50以上であり、また、500以下である。この範囲であれば、液体電解質に対するフッ素化不飽和環状カーボネートの溶解性を確保しやすい。
フッ素化不飽和環状カーボネートの製造方法は、特に制限されず、公知の方法を任意に選択して製造することが可能である。分子量は、より好ましくは100以上であり、また、より好ましくは200以下である。
フッ素化不飽和環状カーボネートは、1種を単独で用いてもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。また、フッ素化不飽和環状カーボネートの含有量は、特に制限されず、本開示の効果を著しく損なわない限り任意である。フッ素化不飽和環状カーボネートの含有量は、通常、液体電解質100質量%中、好ましくは0.001質量%以上、より好ましくは0.01質量%以上、更に好ましくは0.1質量%以上であり、また、好ましくは5質量%以下、より好ましくは4質量%以下、更に好ましくは3質量%以下である。この範囲内であれば、液体電解質を用いた電気化学デバイスが十分なサイクル特性向上効果を発現しやすく、また、高温保存特性が低下し、ガス発生量が多くなり、放電容量維持率が低下するといった事態を回避しやすい。
本開示の液体電解質は、三重結合を有する化合物を含んでいてもよい。分子内に三重結合を1つ以上有している化合物であれば特にその種類は限定されない。
三重結合を有する化合物の具体例としては、例えば、以下の化合物が挙げられる。
1-ペンチン、2-ペンチン、1-ヘキシン、2-ヘキシン、3-ヘキシン、1-ヘプチン、2-ヘプチン、3-ヘプチン、1-オクチン、2-オクチン、3-オクチン、4-オクチン、1-ノニン、2-ノニン、3-ノニン、4-ノニン、1-ドデシン、2-ドデシン、3-ドデシン、4-ドデシン、5-ドデシン、フェニルアセチレン、1-フェニル-1-プロピン、1-フェニル-2-プロピン、1-フェニル-1-ブチン、4-フェニル-1-ブチン、4-フェニル-1-ブチン、1-フェニル-1-ペンチン、5-フェニル-1-ペンチン、1-フェニル-1-ヘキシン、6-フェニル-1-ヘキシン、ジフェニルアセチレン、4-エチニルトルエン、ジシクロヘキシルアセチレン等の炭化水素化合物;
2-プロピニルメチルカーボネート、2-プロピニルエチルカーボネート、2-プロピニルプロピルカーボネート、2-プロピニルブチルカーボネート、2-プロピニルフェニルカーボネート、2-プロピニルシクロヘキシルカーボネート、ジ-2-プロピニルカーボネート、1-メチル-2-プロピニルメチルカーボネート、1、1-ジメチル-2-プロピニルメチルカーボネート、2-ブチニルメチルカーボネート、3-ブチニルメチルカーボネート、2-ペンチニルメチルカーボネート、3-ペンチニルメチルカーボネート、4-ペンチニルメチルカーボネート等のモノカーボネート;2-ブチン-1,4-ジオールジメチルジカーボネート、2-ブチン-1,4-ジオールジエチルジカーボネート、2-ブチン-1,4-ジオールジプロピルジカーボネート、2-ブチン-1,4-ジオールジブチルジカーボネート、2-ブチン-1,4-ジオールジフェニルジカーボネート、2-ブチン-1,4-ジオールジシクロヘキシルジカーボネート等のジカーボネート;
酢酸2-プロピニル、プロピオン酸2-プロピニル、酪酸2-プロピニル、安息香酸2-プロピニル、シクロヘキシルカルボン酸2-プロピニル、酢酸1、1-ジメチル-2-プロピニル、プロピオン酸1、1-ジメチル-2-プロピニル、酪酸1、1-ジメチル-2-プロピニル、安息香酸1、1-ジメチル-2-プロピニル、シクロヘキシルカルボン酸1、1-ジメチル-2-プロピニル、酢酸2-ブチニル、酢酸3-ブチニル、酢酸2-ペンチニル、酢酸3-ペンチニル、酢酸4-ペンチニル、アクリル酸メチル、アクリル酸エチル、アクリル酸プロピル、アクリル酸ビニル、アクリル酸2-プロペニル、アクリル酸2-ブテニル、アクリル酸3-ブテニル、メタクリル酸メチル、メタクリル酸エチル、メタクリル酸プロピル、メタクリル酸ビニル、メタクリル酸2-プロペニル、メタクリル酸2-ブテニル、メタクリル酸3-ブテニル、2-プロピン酸メチル、2-プロピン酸エチル、2-プロピン酸プロピル、2-プロピン酸ビニル、2-プロピン酸2-プロペニル、2-プロピン酸2-ブテニル、2-プロピン酸3-ブテニル、2-ブチン酸メチル、2-ブチン酸エチル、2-ブチン酸プロピル、2-ブチン酸ビニル、2-ブチン酸2-プロペニル、2-ブチン酸2-ブテニル、2-ブチン酸3-ブテニル、3-ブチン酸メチル、3-ブチン酸エチル、3-ブチン酸プロピル、3-ブチン酸ビニル、3-ブチン酸2-プロペニル、3-ブチン酸2-ブテニル、3-ブチン酸3-ブテニル、2-ペンチン酸メチル、2-ペンチン酸エチル、2-ペンチン酸プロピル、2-ペンチン酸ビニル、2-ペンチン酸2-プロペニル、2-ペンチン酸2-ブテニル、2-ペンチン酸3-ブテニル、3-ペンチン酸メチル、3-ペンチン酸エチル、3-ペンチン酸プロピル、3-ペンチン酸ビニル、3-ペンチン酸2-プロペニル、3-ペンチン酸2-ブテニル、3-ペンチン酸3-ブテニル、4-ペンチン酸メチル、4-ペンチン酸エチル、4-ペンチン酸プロピル、4-ペンチン酸ビニル、4-ペンチン酸2-プロペニル、4-ペンチン酸2-ブテニル、4-ペンチン酸3-ブテニル等のモノカルボン酸エステル、フマル酸エステル、トリメチル酢酸メチル、トリメチル酢酸エチル;
2-ブチン-1,4-ジオールジアセテート、2-ブチン-1,4-ジオールジプロピオネート、2-ブチン-1,4-ジオールジブチレート、2-ブチン-1,4-ジオールジベンゾエート、2-ブチン-1,4-ジオールジシクロヘキサンカルボキシレート、ヘキサヒドロベンゾ[1,3,2]ジオキサチオラン-2-オキシド(1,2-シクロヘキサンジオール、2,2-ジオキシド-1,2-オキサチオラン-4-イルアセテート、2,2-ジオキシド-1,2-オキサチオラン-4-イルアセテート等のジカルボン酸エステル;
シュウ酸メチル2-プロピニル、シュウ酸エチル2-プロピニル、シュウ酸プロピル2-プロピニル、シュウ酸2-プロピニルビニル、シュウ酸アリル2-プロピニル、シュウ酸ジ-2-プロピニル、シュウ酸2-ブチニルメチル、シュウ酸2-ブチニルエチル、シュウ酸2-ブチニルプロピル、シュウ酸2-ブチニルビニル、シュウ酸アリル2-ブチニル、シュウ酸ジ-2-ブチニル、シュウ酸3-ブチニルメチル、シュウ酸3-ブチニルエチル、シュウ酸3-ブチニルプロピル、シュウ酸3-ブチニルビニル、シュウ酸アリル3-ブチニル、シュウ酸ジ-3-ブチニル等のシュウ酸ジエステル;
メチル(2-プロピニル)(ビニル)ホスフィンオキシド、ジビニル(2-プロピニル)ホスフィンオキシド、ジ(2-プロピニル)(ビニル)ホスフィンオキシド、ジ(2-プロペニル)2(-プロピニル)ホスフィンオキシド、ジ(2-プロピニル)(2-プロペニル)ホスフィンオキシド、ジ(3-ブテニル)(2-プロピニル)ホスフィンオキシド、及びジ(2-プロピニル)(3-ブテニル)ホスフィンオキシド等のホスフィンオキシド;
メチル(2-プロペニル)ホスフィン酸2-プロピニル、2-ブテニル(メチル)ホスフィン酸2-プロピニル、ジ(2-プロペニル)ホスフィン酸2-プロピニル、ジ(3-ブテニル)ホスフィン酸2-プロピニル、メチル(2-プロペニル)ホスフィン酸1,1-ジメチル-2-プロピニル、2-ブテニル(メチル)ホスフィン酸1,1-ジメチル-2-プロピニル、ジ(2-プロペニル)ホスフィン酸1,1-ジメチル-2-プロピニル、及びジ(3-ブテニル)ホスフィン酸1,1-ジメチル-2-プロピニル、メチル(2-プロピニル)ホスフィン酸2-プロペニル、メチル(2-プロピニル)ホスフィン酸3-ブテニル、ジ(2-プロピニル)ホスフィン酸2-プロペニル、ジ(2-プロピニル)ホスフィン酸3-ブテニル、2-プロピニル(2-プロペニル)ホスフィン酸2-プロペニル、及び2-プロピニル(2-プロペニル)ホスフィン酸3-ブテニル等のホスフィン酸エステル;
2-プロペニルホスホン酸メチル2-プロピニル、2-ブテニルホスホン酸メチル(2-プロピニル)、2-プロペニルホスホン酸(2-プロピニル)(2-プロペニル)、3-ブテニルホスホン酸(3-ブテニル)(2-プロピニル)、2-プロペニルホスホン酸(1,1-ジメチル-2-プロピニル)(メチル)、2-ブテニルホスホン酸(1,1-ジメチル-2-プロピニル)(メチル)、2-プロペニルホスホン酸(1,1-ジメチル-2-プロピニル)(2-プロペニル)、及び3-ブテニルホスホン酸(3-ブテニル)(1,1-ジメチル-2-プロピニル)、メチルホスホン酸(2-プロピニル)(2-プロペニル)、メチルホスホン酸(3-ブテニル)(2-プロピニル)、メチルホスホン酸(1,1-ジメチル-2-プロピニル)(2-プロペニル)、メチルホスホン酸(3-ブテニル)(1,1-ジメチル-2-プロピニル)、エチルホスホン酸(2-プロピニル)(2-プロペニル)、エチルホスホン酸(3-ブテニル)(2-プロピニル)、エチルホスホン酸(1,1-ジメチル-2-プロピニル)(2-プロペニル)、及びエチルホスホン酸(3-ブテニル)(1,1-ジメチル-2-プロピニル)等のホスホン酸エステル;
リン酸(メチル)(2-プロペニル)(2-プロピニル)、リン酸(エチル)(2-プロペニル)(2-プロピニル)、リン酸(2-ブテニル)(メチル)(2-プロピニル)、リン酸(2-ブテニル)(エチル)(2-プロピニル)、リン酸(1,1-ジメチル-2-プロピニル)(メチル)(2-プロペニル)、リン酸(1,1-ジメチル-2-プロピニル)(エチル)(2-プロペニル)、リン酸(2-ブテニル)(1,1-ジメチル-2-プロピニル)(メチル)、及びリン酸(2-ブテニル)(エチル)(1,1-ジメチル-2-プロピニル)等のリン酸エステル;
これらのうち、アルキニルオキシ基を有する化合物は、液体電解質中でより安定に負極被膜を形成するため好ましい。
更に、2-プロピニルメチルカーボネート、ジ-2-プロピニルカーボネート、2-ブチン-1,4-ジオールジメチルジカーボネート、酢酸2-プロピニル、2-ブチン-1,4-ジオールジアセテート、シュウ酸メチル2-プロピニル、シュウ酸ジ-2-プロピニル等の化合物が保存特性向上の点から特に好ましい。
上記三重結合を有する化合物は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。本開示の液体電解質全体に対する三重結合を有する化合物の配合量に制限は無く、本開示の効果を著しく損なわない限り任意であるが、本開示の液体電解質に対して、通常0.01質量%以上、好ましくは0.05質量%以上、より好ましくは0.1質量%以上、また、通常5質量%以下、好ましくは3質量%以下、より好ましくは1質量%以下の濃度で含有させる。上記範囲を満たした場合は、出力特性、負荷特性、サイクル特性、高温保存特性等の効果がより向上する。
本開示の液体電解質においては、液体電解質を用いた電気化学デバイスが過充電等の状態になった際に電池の破裂・発火を効果的に抑制するために、過充電防止剤を用いることができる。
過充電防止剤としては、ビフェニル、o-ターフェニル、m-ターフェニル、p-ターフェニル等の無置換又はアルキル基で置換されたターフェニル誘導体、無置換又はアルキル基で置換されたターフェニル誘導体の部分水素化物、シクロヘキシルベンゼン、t-ブチルベンゼン、t-アミルベンゼン、ジフェニルエーテル、ジベンゾフラン、ジフェニルシクロヘキサン、1,1,3-トリメチル-3-フェニルインダン、シクロペンチルベンゼン、シクロヘキシルベンゼン、クメン、1,3-ジイソプロピルベンゼン、1,4-ジイソプロピルベンゼン、t-ブチルベンゼン、t-アミルベンゼン、t-ヘキシルベンゼン、アニソール等の芳香族化合物;2-フルオロビフェニル、4-フルオロビフェニル、o-シクロヘキシルフルオロベンゼン、p-シクロヘキシルフルオロベンゼン、o-シクロヘキシルフルオロベンゼン、p-シクロヘキシルフルオロベンゼンフルオロベンゼン、フルオロトルエン、ベンゾトリフルオリド等の上記芳香族化合物の部分フッ素化物;2,4-ジフルオロアニソール、2,5-ジフルオロアニソール、1,6-ジフルオロアニソール、2,6-ジフルオロアニソール、3,5-ジフルオロアニソール等の含フッ素アニソール化合物;3-プロピルフェニルアセテート、2-エチルフェニルアセテート、ベンジルフェニルアセテート、メチルフェニルアセテート、ベンジルアセテート、フェネチルフェニルアセテート等の芳香族アセテート類;ジフェニルカーボネート、メチルフェニルカーボネート等の芳香族カーボネート類、トルエン、キシレン等のトルエン誘導体、2-メチルビフェニル、3-メチルビフェニル、4-メチルビフェニル、o-シクロヘキシルビフェニル等の無置換又はアルキル基で置換されたビフェニル誘導体等が挙げられる。中でも、ビフェニル、アルキルビフェニル、ターフェニル、ターフェニルの部分水素化体、シクロヘキシルベンゼン、t-ブチルベンゼン、t-アミルベンゼン、ジフェニルエーテル、ジベンゾフラン等の芳香族化合物、ジフェニルシクロヘキサン、1,1,3-トリメチル-3-フェニルインダン、3-プロピルフェニルアセテート、2-エチルフェニルアセテート、ベンジルフェニルアセテート、メチルフェニルアセテート、ベンジルアセテート、ジフェニルカーボネート、メチルフェニルカーボネート等が好ましい。これらは1種を単独で用いても、2種以上を併用してもよい。2種以上併用する場合は、特に、シクロヘキシルベンゼンとt-ブチルベンゼン又はt-アミルベンゼンとの組み合わせ、ビフェニル、アルキルビフェニル、ターフェニル、ターフェニルの部分水素化体、シクロヘキシルベンゼン、t-ブチルベンゼン、t-アミルベンゼン等の酸素を含有しない芳香族化合物から選ばれる少なくとも1種と、ジフェニルエーテル、ジベンゾフラン等の含酸素芳香族化合物から選ばれる少なくとも1種を併用するのが過充電防止特性と高温保存特性のバランスの点から好ましい。
本開示の電池に使用する液体電解質には、カルボン酸無水物(但し、化合物(2)を除く)を用いてもよい。下記一般式(6)で表される化合物が好ましい。カルボン酸無水物の製造方法は、特に制限されず、公知の方法を任意に選択して製造することが可能である。
(一般式(6)中、R61、R62はそれぞれ独立に、置換基を有していてもよい、炭素数1以上15以下の炭化水素基を表す。)
61、R62は、一価の炭化水素基であれば、その種類は特に制限されない。例えば、脂肪族炭化水素基であっても芳香族炭化水素基であってもよく、脂肪族炭化水素基と芳香族炭化水素基とが結合したものであってもよい。脂肪族炭化水素基は、飽和炭化水素基であってもよく、不飽和結合(炭素-炭素二重結合又は炭素-炭素三重結合)を含んでいてもよい。また、脂肪族炭化水素基は、鎖状であっても環状であってもよく、鎖状の場合は、直鎖状であっても分岐鎖状であってもよい。更には、鎖状と環状とが結合したものであってもよい。なお、R61及びR62は互いに同一であってもよく、異なっていてもよい。
また、R61、R62の炭化水素基が置換基を有する場合、その置換基の種類は、本開示の趣旨に反するものでない限り特に制限されないが、例としてはフッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子等のハロゲン原子が挙げられ、好ましくはフッ素原子である。又はハロゲン原子以外の置換基として、エステル基、シアノ基、カルボニル基、エーテル基等の官能基を有する置換基等も挙げられ、好ましくはシアノ基、カルボニル基である。R61、R62の炭化水素基は、これらの置換基を一つのみ有していてもよく、二つ以上有していてもよい。二つ以上の置換基を有する場合、それらの置換基は同じであってもよく、互いに異なっていてもよい。
61、R62の各々の炭化水素基の炭素数は、通常1以上であり、また通常15以下、好ましくは12以下、より好ましくは10以下、更に好ましくは9以下である。RとRとが互いに結合して二価の炭化水素基を形成している場合は、その二価の炭化水素基の炭素数が、通常1以上であり、また通常15以下、好ましくは13以下、より好ましくは10以下、更に好ましくは8以下である。尚、R61、R62の炭化水素基が炭素原子を含有する置換基を有する場合は、その置換基も含めたR61、R62全体の炭素数が上記範囲を満たしていることが好ましい。
次いで、上記一般式(6)で表わされる酸無水物の具体例について説明する。なお、以下の例示において「類縁体」とは、例示される酸無水物の構造の一部を、本開示の趣旨に反しない範囲で、別の構造に置き換えることにより得られる酸無水物を指すもので、例えば複数の酸無水物からなる二量体、三量体及び四量体等、又は、置換基の炭素数が同じではあるが分岐鎖を有する等構造異性のもの、置換基が酸無水物に結合する部位が異なるもの等が挙げられる。
まず、R61、R62が同一である酸無水物の具体例を以下に挙げる。
61、R62が鎖状アルキル基である酸無水物の具体例としては、無水酢酸、プロピオン酸無水物、ブタン酸無水物、2-メチルプロピオン酸無水物、2,2-ジメチルプロピオン酸無水物、2-メチルブタン酸無水物、3-メチルブタン酸無水物、2,2-ジメチルブタン酸無水物、2,3-ジメチルブタン酸無水物、3,3-ジメチルブタン酸無水物、2,2,3-トリメチルブタン酸無水物、2,3,3-トリメチルブタン酸無水物、2,2,3,3-テトラメチルブタン酸無水物、2-エチルブタン酸無水物等、及びそれらの類縁体等が挙げられる。
61、R62が環状アルキル基である酸無水物の具体例としては、シクロプロパンカルボン酸無水物、シクロペンタンカルボン酸無水物、シクロヘキサンカルボン酸無水物等、及びそれらの類縁体等が挙げられる。
61、R62がアルケニル基である酸無水物の具体例としては、アクリル酸無水物、2-メチルアクリル酸無水物、3-メチルアクリル酸無水物、2,3-ジメチルアクリル酸無水物、3,3-ジメチルアクリル酸無水物、2,3,3-トリメチルアクリル酸無水物、2-フェニルアクリル酸無水物、3-フェニルアクリル酸無水物、2,3-ジフェニルアクリル酸無水物、3,3-ジフェニルアクリル酸無水物、3-ブテン酸無水物、2-メチル-3-ブテン酸無水物、2,2-ジメチル-3-ブテン酸無水物、3-メチル-3-テン酸無水物、2-メチル-3-メチル-3-ブテン酸無水物、2,2-ジメチル-3-メチル-3-ブテン酸無水物、3-ペンテン酸無水物、4-ペンテン酸無水物、2-シクロペンテンカルボン酸無水物、3-シクロペンテンカルボン酸無水物、4-シクロペンテンカルボン酸無水物等、及びそれらの類縁体等が挙げられる。
61、R62がアルキニル基である酸無水物の具体例としては、プロピン酸無水物、3-フェニルプロピン酸無水物、2-ブチン酸無水物、2-ペンチン酸無水物、3-ブチン酸無水物、3-ペンチン酸無水物、4-ペンチン酸無水物等、及びそれらの類縁体等が挙げられる。
61、R62がアリール基である酸無水物の具体例としては、安息香酸無水物、4-メチル安息香酸無水物、4-エチル安息香酸無水物、4-tert-ブチル安息香酸無水物、2-メチル安息香酸無水物、2,4,6-トリメチル安息香酸無水物、1-ナフタレンカルボン酸無水物、2-ナフタレンカルボン酸無水物等、及びそれらの類縁体等が挙げられる。
また、R61、R62がハロゲン原子で置換された酸無水物の例として、主にフッ素原子で置換された酸無水物の例を以下に挙げるが、これらのフッ素原子の一部又は全部を塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子に置換して得られる酸無水物も、例示化合物に含まれるものとする。
61、R62がハロゲン原子で置換された鎖状アルキル基である酸無水物の例としては、フルオロ酢酸無水物、ジフルオロ酢酸無水物、トリフルオロ酢酸無水物、2-フルオロプロピオン酸無水物、2,2-ジフルオロプロピオン酸無水物、2,3-ジフルオロプロピオン酸無水物、2,2,3-トリフルオロプロピオン酸無水物、2,3,3-トリフルオロプロピオン酸無水物、2,2,3,3-テトラプロピオン酸無水物、2,3,3,3-テトラプロピオン酸無水物、3-フルオロプロピオン酸無水物、3,3-ジフルオロプロピオン酸無水物、3,3,3-トリフルオロプロピオン酸無水物、パーフルオロプロピオン酸無水物等、及びそれらの類縁体等が挙げられる。
61、R62がハロゲン原子で置換された環状アルキル基である酸無水物の例としては、2-フルオロシクロペンタンカルボン酸無水物、3-フルオロシクロペンタンカルボン酸無水物、4-フルオロシクロペンタンカルボン酸無水物等、及びそれらの類縁体等が挙げられる。
61、R62がハロゲン原子で置換されたアルケニル基である酸無水物の例としては、2-フルオロアクリル酸無水物、3-フルオロアクリル酸無水物、2,3-ジフルオロアクリル酸無水物、3,3-ジフルオロアクリル酸無水物、2,3,3-トリフルオロアクリル酸無水物、2-(トリフルオロメチル)アクリル酸無水物、3-(トリフルオロメチル)アクリル酸無水物、2,3-ビス(トリフルオロメチル)アクリル酸無水物、2,3,3-トリス(トリフルオロメチル)アクリル酸無水物、2-(4-フルオロフェニル)アクリル酸無水物、3-(4-フルオロフェニル)アクリル酸無水物、2,3-ビス(4-フルオロフェニル)アクリル酸無水物、3,3-ビス(4-フルオロフェニル)アクリル酸無水物、2-フルオロ-3-ブテン酸無水物、2,2-ジフルオロ-3-ブテン酸無水物、3-フルオロ-2-ブテン酸無水物、4-フルオロ-3-ブテン酸無水物、3,4-ジフルオロ-3-ブテン酸無水物、3,3,4-トリフルオロ-3-ブテン酸無水物等、及びそれらの類縁体等が挙げられる。
61、R62がハロゲン原子で置換されたアルキニル基である酸無水物の例としては、3-フルオロ-2-プロピン酸無水物、3-(4-フルオロフェニル)-2-プロピン酸無水物、3-(2,3,4,5,6-ペンタフルオロフェニル)-2-プロピン酸無水物、4-フルオロ-2-ブチン酸無水物、4,4-ジフルオロ-2-ブチン酸無水物、4,4,4-トリフルオロ-2-ブチン酸無水物等、及びそれらの類縁体等が挙げられる。
61、R62がハロゲン原子で置換されたアリール基である酸無水物の例としては、4-フルオロ安息香酸無水物、2,3,4,5,6-ペンタフルオロ安息香酸無水物、4-トリフルオロメチル安息香酸無水物等、及びそれらの類縁体等が挙げられる。
61、R62がエステル、ニトリル、ケトン、エーテル等の官能基を有する置換基を有している酸無水物の例としては、メトキシギ酸無水物、エトキシギ酸無水物、メチルシュウ酸無水物、エチルシュウ酸無水物、2-シアノ酢酸無水物、2-オキソプロピオン酸無水物、3-オキソブタン酸無水物、4-アセチル安息香酸無水物、メトキシ酢酸無水物、4-メトキシ安息香酸無水物等、及びそれらの類縁体等が挙げられる。
続いて、R61、R62が互いに異なる酸無水物の具体例を以下に挙げる。
61、R62としては上に挙げた例、及びそれらの類縁体の全ての組み合わせが考えられるが、以下に代表的な例を挙げる。
鎖状アルキル基同士の組み合わせの例としては、酢酸プロピオン酸無水物、酢酸ブタン酸無水物、ブタン酸プロピオン酸無水物、酢酸2-メチルプロピオン酸無水物、等が挙げられる。
鎖状アルキル基と環状アルキル基の組み合わせの例としては、酢酸シクロペンタン酸無水物、酢酸シクロヘキサン酸無水物、シクロペンタン酸プロピオン酸無水物、等が挙げられる。
鎖状アルキル基とアルケニル基の組み合わせの例としては、酢酸アクリル酸無水物、酢酸3-メチルアクリル酸無水物、酢酸3-ブテン酸無水物、アクリル酸プロピオン酸無水物、等が挙げられる。
鎖状アルキル基とアルキニル基の組み合わせの例としては、酢酸プロピン酸無水物、酢酸2-ブチン酸無水物、酢酸3-ブチン酸無水物、酢酸3-フェニルプロピン酸無水物プロピオン酸プロピン酸無水物、等が挙げられる。
鎖状アルキル基とアリール基の組み合わせの例としては、酢酸安息香酸無水物、酢酸4-メチル安息香酸無水物、酢酸1-ナフタレンカルボン酸無水物、安息香酸プロピオン酸無水物、等が挙げられる。
鎖状アルキル基と官能基を有する炭化水素基の組み合わせの例としては、酢酸フルオロ酢酸無水物、酢酸トリフルオロ酢酸無水物、酢酸4-フルオロ安息香酸無水物、フルオロ酢酸プロピオン酸無水物、酢酸アルキルシュウ酸無水物、酢酸2-シアノ酢酸無水物、酢酸2-オキソプロピオン酸無水物、酢酸メトキシ酢酸無水物、メトキシ酢酸プロピオン酸無水物、等が挙げられる。
環状アルキル基同士の組み合わせの例としては、シクロペンタン酸シクロヘキサン酸無水物、等が挙げられる。
環状アルキル基とアルケニル基の組み合わせの例としては、アクリル酸シクロペンタン酸無水物、3-メチルアクリル酸シクロペンタン酸無水物、3-ブテン酸シクロペンタン酸無水物、アクリル酸シクロヘキサン酸無水物、等が挙げられる。
環状アルキル基とアルキニル基の組み合わせの例としては、プロピン酸シクロペンタン酸無水物、2-ブチン酸シクロペンタン酸無水物、プロピン酸シクロヘキサン酸無水物、等が挙げられる。
環状アルキル基とアリール基の組み合わせの例としては、安息香酸シクロペンタン酸無水物、4-メチル安息香酸シクロペンタン酸無水物、安息香酸シクロヘキサン酸無水物、等が挙げられる。
環状アルキル基と官能基を有する炭化水素基の組み合わせの例としては、フルオロ酢酸シクロペンタン酸無水物、シクロペンタン酸トリフルオロ酢酸無水物、シクロペンタン酸2-シアノ酢酸無水物、シクロペンタン酸メトキシ酢酸無水物、シクロヘキサン酸フルオロ酢酸無水物、等が挙げられる。
アルケニル基同士の組み合わせの例としては、アクリル酸2-メチルアクリル酸無水物、アクリル酸3-メチルアクリル酸無水物、アクリル酸3-ブテン酸無水物、2-メチルアクリル酸3-メチルアクリル酸無水物、等が挙げられる。
アルケニル基とアルキニル基の組み合わせの例としては、アクリル酸プロピン酸無水物、アクリル酸2-ブチン酸無水物、2-メチルアクリル酸プロピン酸無水物、等が挙げられる。
アルケニル基とアリール基の組み合わせの例としては、アクリル酸安息香酸無水物、アクリル酸4-メチル安息香酸無水物、2-メチルアクリル酸安息香酸無水物、等が挙げられる。
アルケニル基と官能基を有する炭化水素基の組み合わせの例としては、アクリル酸フルオロ酢酸無水物、アクリル酸トリフルオロ酢酸無水物、アクリル酸2-シアノ酢酸無水物、アクリル酸メトキシ酢酸無水物、2-メチルアクリル酸フルオロ酢酸無水物、等が挙げられる。
アルキニル基同士の組み合わせの例としては、プロピン酸2-ブチン酸無水物、プロピン酸3-ブチン酸無水物、2-ブチン酸3-ブチン酸無水物、等が挙げられる。
アルキニル基とアリール基の組み合わせの例としては、安息香酸プロピン酸無水物、4-メチル安息香酸プロピン酸無水物、安息香酸2-ブチン酸無水物、等が挙げられる。
アルキニル基と官能基を有する炭化水素基の組み合わせの例としては、プロピン酸フルオロ酢酸無水物、プロピン酸トリフルオロ酢酸無水物、プロピン酸2-シアノ酢酸無水物、プロピン酸メトキシ酢酸無水物、2-ブチン酸フルオロ酢酸無水物、等が挙げられる。
アリール基同士の組み合わせの例としては、安息香酸4-メチル安息香酸無水物、安息香酸1-ナフタレンカルボン酸無水物、4-メチル安息香酸1-ナフタレンカルボン酸無水物、等が挙げられる。
アリール基と官能基を有する炭化水素基の組み合わせの例としては、安息香酸フルオロ酢酸無水物、安息香酸トリフルオロ酢酸無水物、安息香酸2-シアノ酢酸無水物、安息香酸メトキシ酢酸無水物、4-メチル安息香酸フルオロ酢酸無水物、等が挙げられる。
官能基を有する炭化水素基同士の組み合わせの例としては、フルオロ酢酸トリフルオロ酢酸無水物、フルオロ酢酸2-シアノ酢酸無水物、フルオロ酢酸メトキシ酢酸無水物、トリフルオロ酢酸2-シアノ酢酸無水物、等が挙げられる。
上記の鎖状構造を形成している酸無水物のうち好ましくは、無水酢酸、プロピオン酸無水物、2-メチルプロピオン酸無水物、シクロペンタンカルボン酸無水物、シクロヘキサンカルボン酸無水物等、アクリル酸無水物、2-メチルアクリル酸無水物、3-メチルアクリル酸無水物、2,3-ジメチルアクリル酸無水物、3,3-ジメチルアクリル酸無水物、3-ブテン酸無水物、2-メチル-3-ブテン酸無水物、プロピン酸無水物、2-ブチン酸無水物、安息香酸無水物、2-メチル安息香酸無水物、4-メチル安息香酸無水物、4-tert-ブチル安息香酸無水物、トリフルオロ酢酸無水物、3,3,3-トリフルオロプロピオン酸無水物、2-(トリフルオロメチル)アクリル酸無水物、2-(4-フルオロフェニル)アクリル酸無水物、4-フルオロ安息香酸無水物、2,3,4,5,6-ペンタフルオロ安息香酸無水物、メトキシギ酸無水物、エトキシギ酸無水物、であり、より好ましくは、アクリル酸無水物、2-メチルアクリル酸無水物、3-メチルアクリル酸無水物、安息香酸無水物、2-メチル安息香酸無水物、4-メチル安息香酸無水物、4-tert-ブチル安息香酸無水物、4-フルオロ安息香酸無水物、2,3,4,5,6-ペンタフルオロ安息香酸無水物、メトキシギ酸無水物、エトキシギ酸無水物である。
これらの化合物は、適切にリチウムオキサラート塩との結合を形成して耐久性に優れる皮膜を形成することで、特に耐久試験後の充放電レート特性、入出力特性、インピーダンス特性を向上させることができる観点で好ましい。
なお、上記カルボン酸無水物の分子量に制限は無く、本開示の効果を著しく損なわない限り任意であるが、通常90以上、好ましくは95以上であり、一方、通常300以下、好ましくは200以下である。カルボン酸無水物の分子量が上記範囲内であると、液体電解質の粘度上昇を抑制でき、かつ皮膜密度が適正化されるために耐久性を適切に向上することができる。
また、上記カルボン酸無水物の製造方法にも特に制限は無く、公知の方法を任意に選択して製造することが可能である。以上説明したカルボン酸無水物は、本開示の非水系液体電解質中に、何れか1種を単独で含有させてもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併有させてもよい。
また、本開示の液体電解質に対する上記カルボン酸無水物の含有量に特に制限は無く、本開示の効果を著しく損なわない限り任意であるが、本開示の液体電解質に対して、通常0.01質量%以上、好ましくは0.1質量%以上、また、通常5質量%以下、好ましくは3質量%以下の濃度で含有させることが望ましい。カルボン酸無水物の含有量が上記範囲内であると、サイクル特性向上効果が発現しやすくなり、また反応性が好適であるため電池特性が向上しやすくなる。
本開示の液体電解質には、公知のその他の助剤を用いることができる。その他の助剤としては、ペンタン、ヘプタン、オクタン、ノナン、デカン、シクロヘプタン、ベンゼン、フラン、ナフタレン、2-フェニルビシクロヘキシル、シクロヘキサン、2,4,8,10-テトラオキサスピロ[5.5]ウンデカン、3,9-ジビニル-2,4,8,10-テトラオキサスピロ[5.5]ウンデカン等の炭化水素化合物;
フルオロベンゼン、ジフルオロベンゼン、ヘキサフルオロベンゼン、ベンゾトリフルオライド、モノフルオロベンゼン、1-フルオロ-2-シクロヘキシルベンゼン、1-フルオロ-4-tert-ブチルベンゼン、1-フルオロ-3-シクロヘキシルベンゼン、1-フルオロ-2-シクロヘキシルベンゼン、フッ素化ビフェニル等の含フッ素芳香族化合物;
エリスリタンカーボネート、スピロ-ビス-ジメチレンカーボネート、メトキシエチル-メチルカーボネート等のカーボネート化合物;
ジオキソラン、ジオキサン、2,5,8,11-テトラオキサドデカン、2,5,8,11,14-ペンタオキサペンタデカン、エトキシメトキシエタン、トリメトキシメタン、グライム、エチルモノグライム等のエーテル系化合物;
ジメチルケトン、ジエチルケトン、3-ペンタノン等のケトン系化合物;
2-アリル無水コハク酸等の酸無水物;
シュウ酸ジメチル、シュウ酸ジエチル、シュウ酸エチルメチル、シュウ酸ジ(2-プロピニル)、シュウ酸メチル2-プロピニル、コハク酸ジメチル、グルタル酸ジ(2-プロピニル)、ギ酸メチル、ギ酸エチル、ギ酸2-プロピニル、2-ブチン-1,4-ジイルジホルメート、メタクリル酸2-プロピニル、マロン酸ジメチル等のエステル化合物;
アセトアミド、N-メチルホルムアミド、N,N-ジメチルホルムアミド、N,N-ジメチルアセトアミド等のアミド系化合物;
硫酸エチレン、硫酸ビニレン、亜硫酸エチレン、フルオロスルホン酸メチル、フルオロスルホン酸エチル、メタンスルホン酸メチル、メタンスルホン酸エチル、ブスルファン、スルホレン、ジフェニルスルホン、N,N-ジメチルメタンスルホンアミド、N,N-ジエチルメタンスルホンアミド、ビニルスルホン酸メチル、ビニルスルホン酸エチル、ビニルスルホン酸アリル、ビニルスルホン酸プロパルギル、アリルスルホン酸メチル、アリルスルホン酸エチル、アリルスルホン酸アリル、アリルスルホン酸プロパルギル、1,2-ビス(ビニルスルホニロキシ)エタン、無水プロパンジスルホン酸、無水スルホ酪酸、無水スルホ安息香酸、無水スルホプロピオン酸、無水エタンジスルホン酸、メチレンメタンジスルホネート、メタンスルホン酸2-プロピニル、ペンテンサルファイト、ペンタフルオロフェニルメタンスルホネート、プロピレンサルフェート、プロピレンサルファイト、プロパンサルトン、ブチレンサルファイト、ブタン-2,3-ジイルジメタンスルホネート、2-ブチン-1,4-ジイルジメタンスルホネート、ビニルスルホン酸2-プロピニル、ビス(2-ビニルスルホニルエチル)エーテル、5-ビニル-ヘキサヒドロ-1,3,2-ベンゾジオキサチオール-2-オキシド、2-(メタンスルホニルオキシ)プロピオン酸2-プロピニル、5,5-ジメチル-1,2-オキサチオラン-4-オン2,2-ジオキシド、3-スルホ-プロピオン酸無水物トリメチレンメタンジスルホネート2-メチルテトラヒドロフラン、トリメチレンメタンジスルホネート、テトラメチレンスルホキシド、ジメチレンメタンジスルホネート、ジフルオロエチルメチルスルホン、ジビニルスルホン、1,2-ビス(ビニルスルホニル)エタン、エチレンビススルホン酸メチル、エチレンビススルホン酸エチル、エチレンサルフェート、チオフェン1-オキシド等の含硫黄化合物;
1-メチル-2-ピロリジノン、1-メチル-2-ピペリドン、3-メチル-2-オキサゾリジノン、1,3-ジメチル-2-イミダゾリジノン及びN-メチルスクシンイミド、ニトロメタン、ニトロエタン、エチレンジアミン等の含窒素化合物;
亜リン酸トリメチル、亜リン酸トリエチル、亜リン酸トリフェニル、リン酸トリメチル、リン酸トリエチル、リン酸トリフェニル、メチルホスホン酸ジメチル、エチルホスホン酸ジエチル、ビニルホスホン酸ジメチル、ビニルホスホン酸ジエチル、ジエチルホスホノ酢酸エチル、ジメチルホスフィン酸メチル、ジエチルホスフィン酸エチル、トリメチルホスフィンオキシド、トリエチルホスフィンオキシド、リン酸ビス(2,2-ジフルオロエチル)2,2,2-トリフルオロエチル、リン酸ビス(2,2,3,3-テトラフルオロプロピル)2,2,2-トリフルオロエチル、リン酸ビス(2,2,2-トリフルオロエチル)メチル、リン酸ビス(2,2,2-トリフルオロエチル)エチル、リン酸ビス(2,2,2-トリフルオロエチル)2,2-ジフルオロエチルリン酸ビス(2,2,2-トリフルオロエチル)2,2,3,3-テトラフルオロプロピル、リン酸トリブチル、リン酸トリス(2,2,2-トリフルオロエチル)、リン酸トリス(1,1,1,3,3,3-ヘキサフルオロプロパン-2-イル)、リン酸トリオクチル、リン酸2-フェニルフェニルジメチル、リン酸2-フェニルフェニルジエチル、リン酸(2,2,2-トリフルオロエチル)(2,2,3,3-テトラフルオロプロピル)メチル、メチル2-(ジメトキシホスホリル)アセテート、メチル2-(ジメチルホスホリル)アセテート、メチル2-(ジエトキシホスホリル)アセテート、メチル2-(ジエチルホスホリル)アセテート、メチレンビスホスホン酸メチル、メチレンビスホスホン酸エチル、エチレンビスホスホン酸メチル、エチレンビスホスホン酸エチル、ブチレンビスホスホン酸メチル、ブチレンビスホスホン酸エチル、酢酸2-プロピニル2-(ジメトキシホスホリル)、酢酸2-プロピニル2-(ジメチルホスホリル)、酢酸2-プロピニル2-(ジエトキシホスホリル)、酢酸2-プロピニル2-(ジエチルホスホリル)、リン酸トリス(トリメチルシリル)、リン酸トリス(トリエチルシリル)、リン酸トリス(トリメトキシシリル)、亜リン酸トリス(トリメチルシリル)、亜リン酸トリス(トリエチルシリル)、亜リン酸トリス(トリメトキシシリル)、ポリリン酸トリメチルシリル等の含燐化合物;
ホウ酸トリス(トリメチルシリル)、ホウ酸トリス(トリメトキシシリル)等の含ホウ素化合物;
ジメトキシアルミノキシトリメトキシシラン、ジエトキシアルミノキシトリエトキシシラン、ジプロポキシアルミノキシトリエトキシシラン、ジブトキシアルミノキシトリメトキシシラン、ジブトキシアルミノキシトリエトキシシラン、チタンテトラキス(トリメチルシロキシド)、チタンテトラキス(トリエチルシロキシド)、テトラメチルシラン等のシラン化合物;
等が挙げられる。これらは1種を単独で用いても、2種以上を併用してもよい。これらの助剤を添加することにより、高温保存後の容量維持特性やサイクル特性を向上させることができる。上記その他の助剤としては、なかでも、含燐化合物が好ましく、リン酸トリス(トリメチルシリル)、亜リン酸(トリストリメチルシリル)が好ましい。
その他の助剤の配合量は、特に制限されず、本開示の効果を著しく損なわない限り任意である。その他の助剤は、液体電解質100質量%中、好ましくは、0.01質量%以上であり、また、5質量%以下である。この範囲であれば、その他助剤の効果が十分に発現させやすく、高負荷放電特性等の電池の特性が低下するといった事態も回避しやすい。その他の助剤の配合量は、より好ましくは0.1質量%以上、更に好ましくは0.2質量%以上であり、また、より好ましくは3質量%以下、更に好ましくは1質量%以下である。
本開示の電池に使用する液体電解質は、本開示の効果を損なわない範囲で、環状及び鎖状カルボン酸エステル、エーテル化合物、窒素含有化合物、ホウ素含有化合物、有機ケイ素含有化合物、不燃(難燃)化剤、界面活性剤、高誘電化添加剤、サイクル特性及びレート特性改善剤、スルホン系化合物等を添加剤として更に含有してもよい。
上記環状カルボン酸エステルとしては、その構造式中の全炭素原子数が3~12のものが挙げられる。具体的には、ガンマブチロラクトン、ガンマバレロラクトン、ガンマカプロラクトン、イプシロンカプロラクトン、3-メチル-γ-ブチロラクトン等が挙げられる。中でも、ガンマブチロラクトンがリチウムイオン解離度の向上に由来する電気化学デバイスの特性向上の点から特に好ましい。
添加剤としての環状カルボン酸エステルの配合量は、通常、溶媒100質量%中、好ましくは0.1質量%以上、より好ましくは1質量%以上である。この範囲であると、液体電解質の電気伝導率を改善し、電気化学デバイスの大電流放電特性を向上させやすくなる。また、環状カルボン酸エステルの配合量は、好ましくは10質量%以下、より好ましくは5質量%以下である。このように上限を設定することにより、液体電解質の粘度を適切な範囲とし、電気伝導率の低下を回避し、負極抵抗の増大を抑制し、電気化学デバイスの大電流放電特性を良好な範囲としやすくする。
また、上記環状カルボン酸エステルとしては、フッ素化環状カルボン酸エステル(含フッ素ラクトン)も好適に用いることができる。含フッ素ラクトンとしては、としては、例えば、下記式(C):
(式中、X15~X20は同じか又は異なり、いずれも-H、-F、-Cl、-CH又はフッ素化アルキル基;ただし、X15~X20の少なくとも1つはフッ素化アルキル基である)で示される含フッ素ラクトンが挙げられる。
15~X20におけるフッ素化アルキル基としては、例えば、-CFH、-CFH、-CF、-CHCF、-CFCF、-CHCFCF、-CF(CF等が挙げられ、耐酸化性が高く、安全性向上効果がある点から-CHCF、-CHCFCFが好ましい。
15~X20の少なくとも1つがフッ素化アルキル基であれば、-H、-F、-Cl、-CH又はフッ素化アルキル基は、X15~X20の1箇所のみに置換していてもよいし、複数の箇所に置換していてもよい。好ましくは、電解質塩の溶解性が良好な点から1~3箇所、更に好ましくは1~2箇所である。
フッ素化アルキル基の置換位置は特に限定されないが、合成収率が良好なことから、X17及び/又はX18が、特にX17又はX18がフッ素化アルキル基、なかでも-CHCF、-CHCFCFであることが好ましい。フッ素化アルキル基以外のX15~X20は、-H、-F、-Cl又はCHであり、特に電解質塩の溶解性が良好な点から-Hが好ましい。
含フッ素ラクトンとしては、上記式で示されるもの以外にも、例えば、下記式(D):
(式中、A及びBはいずれか一方がCX226227(X226及びX227は同じか
又は異なり、いずれも-H、-F、-Cl、-CF、-CH又は水素原子がハロゲン原子で置換されていてもよくヘテロ原子を鎖中に含んでいてもよいアルキレン基)であり、他方は酸素原子;Rf12はエーテル結合を有していてもよいフッ素化アルキル基又はフッ素化アルコキシ基;X221及びX222は同じか又は異なり、いずれも-H、-F、-Cl、-CF又はCH;X223~X225は同じか又は異なり、いずれも-H、-F、-Cl又は水素原子がハロゲン原子で置換されていてもよくヘテロ原子を鎖中に含んでいてもよいアルキル基;n=0又は1)
で示される含フッ素ラクトン等も挙げられる。
式(D)で示される含フッ素ラクトンとしては、下記式(E):
(式中、A、B、Rf12、X221、X222及びX223は式(D)と同じである)
で示される5員環構造が、合成が容易である点、化学的安定性が良好な点から好ましく挙げられ、更には、AとBの組合せにより、下記式(F):
(式中、Rf12、X221、X222、X223、X226及びX227は式(D)と
同じである)
で示される含フッ素ラクトンと、下記式(G):
(式中、Rf12、X221、X222、X223、X226及びX227は式(D)と
同じである)
で示される含フッ素ラクトンがある。
これらのなかでも、高い誘電率、高い耐電圧といった優れた特性が特に発揮できる点、そのほか電解質塩の溶解性、内部抵抗の低減が良好な点で本開示における液体電解質としての特性が向上する点から、
等が挙げられる。
フッ素化環状カルボン酸エステルを含有させることにより、イオン伝導度の向上、安全性の向上、高温時の安定性向上といった効果が得られる。
上記鎖状カルボン酸エステルとしては、その構造式中の全炭素数が3~7のものが挙げられる。具体的には、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸-n-プロピル、酢酸イソプロピル、酢酸-n-ブチル、酢酸イソブチル、酢酸-t-ブチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、プロピオン酸-n-プロピル、プロピオン酸イソブチル、プロピオン酸-n-ブチル、メチルブチレート、プロピオン酸イソブチル、プロピオン酸-t-ブチル、酪酸メチル、酪酸エチル、酪酸-n-プロピル、酪酸イソプロピル、イソ酪酸メチル、イソ酪酸エチル、イソ酪酸-n-プロピル、イソ酪酸イソプロピル等が挙げられる。
中でも、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸-n-プロピル、酢酸-n-ブチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、プロピオン酸-n-プロピル、プロピオン酸イソプロピル、酪酸メチル、酪酸エチル等が粘度低下によるイオン伝導度の向上の点から好ましい。
上記エーテル化合物としては、炭素数2~10の鎖状エーテル、及び炭素数3~6の環状エーテルが好ましい。
炭素数2~10の鎖状エーテルとしては、ジメチルエーテル、ジエチルエーテル、ジ-n-ブチルエーテル、ジメトキシメタン、メトキシエトキシメタン、ジエトキシメタン、ジメトキシエタン、メトキシエトキシエタン、ジエトキシエタン、エチレングリコールジ-n-プロピルエーテル、エチレングリコールジ-n-ブチルエーテル、ジエチレングリコール、ジエチレングリコールジメチルエーテル、ペンタエチレングリコール、トリエチレングリコールジメチルエーテル、トリエチレングリコール、テトラエチレングリコール、テトラエチレングリコールジメチルエーテル、ジイソプロピルエーテル等が挙げられる。
炭素数3~6の環状エーテルとしては、1,2-ジオキサン、1,3-ジオキサン、2-メチル-1,3-ジオキサン、4-メチル-1,3-ジオキサン、1,4-ジオキサン、メタホルムアルデヒド、2-メチル-1,3-ジオキソラン、1,3-ジオキソラン、4-メチル-1,3-ジオキソラン、2-(トリフルオロエチル)ジオキソラン2,2,-ビス(トリフルオロメチル)-1,3-ジオキソラン等、及びこれらのフッ素化化合物が挙げられる。中でも、ジメトキシメタン、ジエトキシメタン、エトキシメトキシメタン、エチレングリコール-n-プロピルエーテル、エチレングリコールジ-n-ブチルエーテル、ジエチレングリコールジメチルエーテル、クラウンエーテルが、リチウムイオンへの溶媒和能力が高く、イオン解離度を向上させる点で好ましく、特に好ましくは、粘性が低く、高いイオン伝導度を与えることから、ジメトキシメタン、ジエトキシメタン、エトキシメトキシメタンである。
上記窒素含有化合物としては、ニトリル、含フッ素ニトリル、カルボン酸アミド、含フッ素カルボン酸アミド、スルホン酸アミド及び含フッ素スルホン酸アミド、アセトアミド、ホルムアミド等が挙げられる。また、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-オキサジリジノン、1,3-ジメチル-2-イミダゾリジノン及びN-メチルスクシンイミド等も使用できる。ただし、上記一般式(1a)、(1b)及び(1c)で表されるニトリル化合物は上記窒素含有化合物に含めないものとする。
上記ホウ素含有化合物としては、例えば、トリメチルボレート、トリエチルボレート等のホウ酸エステル、ホウ酸エーテル、及び、ホウ酸アルキル等が挙げられる。
上記有機ケイ素含有化合物としては、例えば、(CH-Si、(CH-Si-Si(CH、シリコンオイル等が挙げられる。
上記不燃(難燃)化剤としては、リン酸エステルやホスファゼン系化合物が挙げられる。上記リン酸エステルとしては、例えば、含フッ素アルキルリン酸エステル、非フッ素系アルキルリン酸エステル、アリールリン酸エステル等が挙げられる。なかでも、少量で不燃効果を発揮できる点で、含フッ素アルキルリン酸エステルであることが好ましい。
上記ホスファゼン系化合物は例えば、メトキシペンタフルオロシクロトリホスファゼン、フェノキシペンタフルオロシクロトリホスファゼン、ジメチルアミノペンタフルオロシクロトリホスファゼン、ジエチルアミノペンタフルオロシクロトリホスファゼン、エトキシペンタフルオロシクロトリホスファゼン、エトキシヘプタフルオロシクロテトラホスファゼン等が挙げられる。
上記含フッ素アルキルリン酸エステルとしては、具体的には、特開平11-233141号公報に記載された含フッ素ジアルキルリン酸エステル、特開平11-283669号公報に記載された環状のアルキルリン酸エステル、又は、含フッ素トリアルキルリン酸エステル等が挙げられる。
上記不燃(難燃)化剤としては、(CHO)P=O、(CFCHO)P=O、(HCFCHO)P=O、(CFCFCHP=O、(HCFCFCHP=O等が好ましい。
上記界面活性剤としては、カチオン性界面活性剤、アニオン性界面活性剤、非イオン性界面活性剤、両性界面活性剤のいずれでもよいが、サイクル特性、レート特性が良好となる点から、フッ素原子を含むものであることが好ましい。
上記界面活性剤の含有量は、充放電サイクル特性を低下させずに液体電解質の表面張力を低下させることができる点から、液体電解質中0.01~2質量%であることが好ましい。
上記高誘電化添加剤としては、例えば、スルホラン、メチルスルホラン、γ-ブチロラクトン、γ-バレロラクトン等が挙げられる。
上記サイクル特性及びレート特性改善剤としては、例えば、酢酸メチル、酢酸エチル、テトラヒドロフラン、1,4-ジオキサン等が挙げられる。
また、本開示の電池において使用される液体電解質は、更に高分子材料と組み合わせてゲル状(可塑化された)のゲル液体電解質としてもよい。
かかる高分子材料としては、従来公知のポリエチレンオキシドやポリプロピレンオキシド、それらの変性体(特開平8-222270号公報、特開2002-100405号公報);ポリアクリレート系ポリマー、ポリアクリロニトリルや、ポリフッ化ビニリデン、フッ化ビニリデン-ヘキサフルオロプロピレン共重合体等のフッ素樹脂(特表平4-506726号公報、特表平8-507407号公報、特開平10-294131号公報);それらフッ素樹脂と炭化水素系樹脂との複合体(特開平11-35765号公報、特開平11-86630号公報)等が挙げられる。特には、ポリフッ化ビニリデン、フッ化ビニリデン-ヘキサフルオロプロピレン共重合体をゲル電解質用高分子材料として用いることが望ましい。
そのほか、本開示の電池において使用される液体電解質は、特願2004-301934号明細書に記載されているイオン伝導性化合物も含んでいてもよい。
このイオン伝導性化合物は、式(101):
A-(D)-B (101)
[式中、Dは式(201):
-(D1)-(FAE)-(AE)-(Y)- (201)
(式中、D1は、式(2a):
(式中、Rfは架橋性官能基を有していてもよい含フッ素エーテル基;R10はRfと主鎖を結合する基又は結合手)
で示される側鎖に含フッ素エーテル基を有するエーテル単位;
FAEは、式(2b):
(式中、Rfaは水素原子、架橋性官能基を有していてもよいフッ素化アルキル基;R11はRfaと主鎖を結合する基又は結合手)
で示される側鎖にフッ素化アルキル基を有するエーテル単位;
AEは、式(2c):
(式中、R13は水素原子、架橋性官能基を有していてもよいアルキル基、架橋性官能基を有していてもよい脂肪族環式炭化水素基又は架橋性官能基を有していてもよい芳香族炭化水素基;R12はR13と主鎖を結合する基又は結合手)
で示されるエーテル単位;
Yは、式(2d-1)~(2d-3):
の少なくとも1種を含む単位;
nは0~200の整数;mは0~200の整数;pは0~10000の整数;qは1~100の整数;ただしn+mは0ではなく、D1、FAE、AE及びYの結合順序は特定されない);
A及びBは同じか又は異なり、水素原子、フッ素原子及び/又は架橋性官能基を含んでいてもよいアルキル基、フッ素原子及び/又は架橋性官能基を含んでいてもよいフェニル基、-COOH基、-OR(Rは水素原子又はフッ素原子及び/又は架橋性官能基を含んでいてもよいアルキル基)、エステル基又はカーボネート基(ただし、Dの末端が酸素原子の場合は-COOH基、-OR、エステル基及びカーボネート基ではない)]
で表される側鎖に含フッ素基を有する非晶性含フッ素ポリエーテル化合物である。
本開示の電池において使用される液体電解質は、スルホン系化合物を含んでもよい。スルホン系化合物としては、炭素数3~6の環状スルホン、及び炭素数2~6の鎖状スルホンが好ましい。1分子中のスルホニル基の数は、1又は2であることが好ましい。
環状スルホンとしては、モノスルホン化合物であるトリメチレンスルホン類、テトラメチレンスルホン類、ヘキサメチレンスルホン類;ジスルホン化合物であるトリメチレンジスルホン類、テトラメチレンジスルホン類、ヘキサメチレンジスルホン類等が挙げられる。中でも誘電率と粘性の観点から、テトラメチレンスルホン類、テトラメチレンジスルホン類、ヘキサメチレンスルホン類、ヘキサメチレンジスルホン類がより好ましく、テトラメチレンスルホン類(スルホラン類)が特に好ましい。
スルホラン類としては、スルホラン及び/又はスルホラン誘導体(以下、スルホランも含めて「スルホラン類」と略記する場合がある。)が好ましい。スルホラン誘導体としては、スルホラン環を構成する炭素原子上に結合した水素原子の1以上がフッ素原子やアルキル基で置換されたものが好ましい。
中でも、2-メチルスルホラン、3-メチルスルホラン、2-フルオロスルホラン、3-フルオロスルホラン、2,2-ジフルオロスルホラン、2,3-ジフルオロスルホラン、2,4-ジフルオロスルホラン、2,5-ジフルオロスルホラン、3,4-ジフルオロスルホラン、2-フルオロ-3-メチルスルホラン、2-フルオロ-2-メチルスルホラン、3-フルオロ-3-メチルスルホラン、3-フルオロ-2-メチルスルホラン、4-フルオロ-3-メチルスルホラン、4-フルオロ-2-メチルスルホラン、5-フルオロ-3-メチルスルホラン、5-フルオロ-2-メチルスルホラン、2-フルオロメチルスルホラン、3-フルオロメチルスルホラン、2-ジフルオロメチルスルホラン、3-ジフルオロメチルスルホラン、2-トリフルオロメチルスルホラン、3-トリフルオロメチルスルホラン、2-フルオロ-3-(トリフルオロメチル)スルホラン、3-フルオロ-3-(トリフルオロメチル)スルホラン、4-フルオロ-3-(トリフルオロメチル)スルホラン、3-スルホレン、5-フルオロ-3-(トリフルオロメチル)スルホラン等がイオン伝導度が高く入出力が高い点で好ましい。
また、鎖状スルホンとしては、ジメチルスルホン、エチルメチルスルホン、ジエチルスルホン、n-プロピルメチルスルホン、n-プロピルエチルスルホン、ジ-n-プロピルスルホン、イソプロピルメチルスルホン、イソプロピルエチルスルホン、ジイソプロピルスルホン、n-ブチルメチルスルホン、n-ブチルエチルスルホン、t-ブチルメチルスルホン、t-ブチルエチルスルホン、モノフルオロメチルメチルスルホン、ジフルオロメチルメチルスルホン、トリフルオロメチルメチルスルホン、モノフルオロエチルメチルスルホン、ジフルオロエチルメチルスルホン、トリフルオロエチルメチルスルホン、ペンタフルオロエチルメチルスルホン、エチルモノフルオロメチルスルホン、エチルジフルオロメチルスルホン、エチルトリフルオロメチルスルホン、パーフルオロエチルメチルスルホン、エチルトリフルオロエチルスルホン、エチルペンタフルオロエチルスルホン、ジ(トリフルオロエチル)スルホン、パーフルオロジエチルスルホン、フルオロメチル-n-プロピルスルホン、ジフルオロメチル-n-プロピルスルホン、トリフルオロメチル-n-プロピルスルホン、フルオロメチルイソプロピルスルホン、ジフルオロメチルイソプロピルスルホン、トリフルオロメチルイソプロピルスルホン、トリフルオロエチル-n-プロピルスルホン、トリフルオロエチルイソプロピルスルホン、ペンタフルオロエチル-n-プロピルスルホン、ペンタフルオロエチルイソプロピルスルホン、トリフルオロエチル-n-ブチルスルホン、トリフルオロエチル-t-ブチルスルホン、ペンタフルオロエチル-n-ブチルスルホン、ペンタフルオロエチル-t-ブチルスルホン等が挙げられる。
中でも、ジメチルスルホン、エチルメチルスルホン、ジエチルスルホン、n-プロピルメチルスルホン、イソプロピルメチルスルホン、n-ブチルメチルスルホン、t-ブチルメチルスルホン、モノフルオロメチルメチルスルホン、ジフルオロメチルメチルスルホン、トリフルオロメチルメチルスルホン、モノフルオロエチルメチルスルホン、ジフルオロエチルメチルスルホン、トリフルオロエチルメチルスルホン、ペンタフルオロエチルメチルスルホン、エチルモノフルオロメチルスルホン、エチルジフルオロメチルスルホン、エチルトリフルオロメチルスルホン、エチルトリフルオロエチルスルホン、エチルペンタフルオロエチルスルホン、トリフルオロメチル-n-プロピルスルホン、トリフルオロメチルイソプロピルスルホン、トリフルオロエチル-n-ブチルスルホン、トリフルオロエチル-t-ブチルスルホン、トリフルオロメチル-n-ブチルスルホン、トリフルオロメチル-t-ブチルスルホン等がイオン伝導度が高く入出力が高い点で好ましい。
スルホン系化合物の含有量は、特に制限されず、本開示の効果を著しく損なわない限り任意であるが、上記溶媒100体積%中、通常0.3体積%以上、好ましくは0.5体積%以上、より好ましくは1体積%以上であり、また、通常40体積%以下、好ましくは35体積%以下、より好ましくは30体積%以下である。スルホン系化合物の含有量が上記範囲内であれば、サイクル特性や保存特性等の耐久性の向上効果が得られやすく、また、非水系液体電解質の粘度を適切な範囲とし、電気伝導率の低下を回避することができ、非水系液体電解質二次電池の入出力特性や充放電レート特性を適正な範囲とすることができる。
本開示の電池において使用される液体電解質は、出力特性向上の観点から、添加剤として、フルオロリン酸リチウム塩類(但し、LiPFを除く)及びS=O基を有するリチウム塩類からなる群より選択される少なくとも1種の化合物(7)を含むことも好ましい。
なお、添加剤として化合物(7)を使用する場合、上述した電解質塩としては、化合物(7)以外の化合物を使用することが好ましい。
上記フルオロリン酸リチウム塩類としては、モノフルオロリン酸リチウム(LiPOF)、ジフルオロリン酸リチウム(LiPO)等が挙げられる。
上記S=O基を有するリチウム塩類としては、モノフルオロスルホン酸リチウム(FSOLi)、メチル硫酸リチウム(CHOSOLi)、エチル硫酸リチウム(COSOLi)、2,2,2-トリフルオロエチル硫酸リチウム等が挙げられる。
化合物(7)としては、中でも、LiPO、FSOLi、COSOLiが好ましい。
化合物(7)の含有量は、上記液体電解質に対し、0.001~20質量%であることが好ましく、0.01~15質量%であることがより好ましく、0.1~10質量%であることが更に好ましく、0.1~7質量%であることが特に好ましい。
本開示の電池において使用される液体電解質には必要に応じて、更に他の添加剤を配合してもよい。他の添加剤としては、例えば、金属酸化物、ガラス等が挙げられる。
本開示の電池において使用される液体電解質は、フッ化水素(HF)の含有量が5~200ppmであることが好ましい。HFを含有することにより、上述した添加剤の被膜形成を促進させることができる。HFの含有量が少なすぎると、負極上での被膜形成能力が下がり、電気化学デバイスの特性が低下する傾向がある。また、HF含有量が多すぎると、HFの影響により液体電解質の耐酸化性が低下する傾向がある。本開示の電池において使用される液体電解質は、上記範囲のHFを含有しても、電気化学デバイスの高温保存性回復容量率を低下させることがない。
HFの含有量は、10ppm以上がより好ましく、20ppm以上が更に好ましい。HFの含有量はまた、100ppm以下がより好ましく、80ppm以下が更に好ましく、50ppm以下が特に好ましい。
HFの含有量は、中和滴定法により測定することができる。
本開示の電池において使用される液体電解質は、上述した成分を用いて、任意の方法で調製することができる。
(正極)
本開示の電池において、正極は、特に限定されるものではないが、正極活物質を含む正極活物質層と、集電体とから構成されるものを使用することができる。
上記正極活物質としては、電気化学的にリチウム、ナトリウム、マグネシウム及び亜鉛から選択される少なくとも1種の金属イオンを吸蔵・放出可能なものであれば特に制限されないが、例えば、アルカリ金属と少なくとも1種の遷移金属を含有する物質が好ましい。具体例としては、アルカリ金属含有遷移金属複合酸化物、アルカリ金属含有遷移金属リン酸化合物、硫黄系材料、導電性高分子等が挙げられる。
なかでも、正極活物質としては、特に、高電圧を産み出すアルカリ金属含有遷移金属複合酸化物が好ましい。上記アルカリ金属イオンとしては、リチウムイオン、ナトリウムイオン等が挙げられる。好ましい態様において、アルカリ金属イオンは、リチウムイオンであり得る。即ち、この態様において、アルカリ金属イオン二次電池は、リチウムイオン二次電池である。
上記アルカリ金属含有遷移金属複合酸化物としては、例えば、
式:MaMn2-b
(式中、Mは、Li及びNaからなる群より選択される少なくとも1種の金属であり;0.5≦a;0≦b≦1.5;MはFe、Co、Ni、Cu、Zn、Al、Sn、Cr、V、Ti、Mg、Ca、Sr、B、Ga、In、SiおよびGeよりなる群より選択される少なくとも1種の金属)で表されるアルカリ金属・マンガンスピネル複合酸化物、
式:MNi1-c
(式中、Mは、Li及びNaからなる群より選択される少なくとも1種の金属であり;0≦c≦0.5;MはFe、Co、Mn、Cu、Zn、Al、Sn、Cr、V、Ti、Mg、Ca、Sr、B、Ga、In、SiおよびGeよりなる群より選択される少なくとも1種の金属)で表されるアルカリ金属・ニッケル複合酸化物、又は、
式:MCo1-d
(式中、Mは、Li及びNaからなる群より選択される少なくとも1種の金属であり;0≦d≦0.5;MはFe、Ni、Mn、Cu、Zn、Al、Sn、Cr、V、Ti、Mg、Ca、Sr、B、Ga、In、SiおよびGeよりなる群より選択される少なくとも1種の金属)
で表されるアルカリ金属・コバルト複合酸化物が挙げられる。上記において、Mは、好ましくは、Li及びNaからなる群より選択される1種の金属であり、Li又はNaであり、さらに好ましくはLiである。
なかでも、エネルギー密度が高く、高出力な二次電池を提供できる点から、MCoO、MMnO、MNiO、MMn、MNi0.8Co0.15Al0.05、又はMNi1/3Co1/3Mn1/3等が好ましく、下記一般式(3)で表される化合物であることが好ましい。
MNiCoMn (3)
(式中、Mは、MはFe、Cu、Zn、Al、Sn、Cr、V、Ti、Mg、Ca、Sr、B、Ga、In、Si及びGeからなる群より選択される少なくとも1種を示し、(h+i+j+k)=1.0、0≦h≦1.0、0≦i≦1.0、0≦j≦1.5、0≦k≦0.2である。)
上記アルカリ金属含有遷移金属リン酸化合物としては、例えば、下記式(4)
(PO
(式中、Mは、Li及びNaからなる群より選択される少なくとも1種の金属であり、MはV、Ti、Cr、Mn、Fe、Co、Ni及びCuからなる群より選択される少なくとも1種を示し、0.5≦e≦3、1≦f≦2、1≦g≦3)で表される化合物が挙げられる。上記において、Mは、好ましくは、Li及びNaからなる群より選択される1種の金属であり、さらに好ましくはLiである。
リチウム含有遷移金属リン酸化合物の遷移金属としては、V、Ti、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu等が好ましく、具体例としては、例えば、LiFePO、LiFe(PO、LiFeP等のリン酸鉄類、LiCoPO等のリン酸コバルト類、これらのリチウム遷移金属リン酸化合物の主体となる遷移金属原子の一部をAl、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Li、Ni、Cu、Zn、Mg、Ga、Zr、Nb、Si等の他の元素で置換したもの等が挙げられる。上記リチウム含有遷移金属リン酸化合物としては、オリビン型構造を有するものが好ましい。
その他の正極活物質としては、MFePO、MNi0.8Co0.2、M1.2Fe0.4Mn0.4、MNi0.5Mn1.5、MV、MMnO、M
MnO3等が挙げられる。特に、MMnO、MNi0.5Mn1.5等の正極活物質は、4.4Vを超える電圧や、4.6V以上の電圧で二次電池を作動させた場合であって、結晶構造が崩壊しない点で好ましい。従って、上記に例示した正極活物質を含む正極材を用いた二次電池等の電気化学デバイスは、高温で保管した場合でも、残存容量が低下しにくく、抵抗増加率も変化しにくい上、高電圧で作動させても電池性能が劣化しないことから、好ましい。
その他の正極活物質として、MMnOとMM(式中、Mは、Li及びNaからなる群より選択される少なくとも1種の金属であり、Mは、Co、Ni、Mn、Fe等の遷移金属)との固溶体材料等も挙げられる。
上記固溶体材料としては、例えば、一般式Mx[Mn(1-y)My]Ozで表わされるアルカリ金属マンガン酸化物である。ここで式中のMは、Li及びNaからなる群より選択される少なくとも1種の金属であり、Mは、M及びMn以外の少なくとも一種の金属元素からなり、例えば、Co,Ni,Fe,Ti,Mo,W,Cr,ZrおよびSnからなる群から選択される一種又は二種以上の元素を含んでいる。また、式中のx、y、zの値は、0.5<x<2、0≦y<1、1.5<z<3の範囲である。中でも、Li1.2Mn0.5Co0.14Ni0.14のようなLiMnOをベースにLiNiOやLiCoOを固溶したマンガン含有固溶体材料は、高エネルギー密度を有するアルカリ金属イオン二次電池を提供できる点から好ましい。
また、正極活物質にリン酸リチウムを含ませると、連続充電特性が向上するので好ましい。リン酸リチウムの使用に制限はないが、前記の正極活物質とリン酸リチウムを混合して用いることが好ましい。使用するリン酸リチウムの量は上記正極活物質とリン酸リチウムの合計に対し、下限が、好ましくは0.1質量%以上、より好ましくは0.3質量%以上、更に好ましくは0.5質量%以上であり、上限が、好ましくは10質量%以下、より好ましくは8質量%以下、更に好ましくは5質量%以下である。
上記硫黄系材料としては、硫黄原子を含む材料が例示でき、単体硫黄、金属硫化物、及び、有機硫黄化合物からなる群より選択される少なくとも1種が好ましく、単体硫黄がより好ましい。上記金属硫化物は金属多硫化物であってもよい。上記有機硫黄化合物は、有機多硫化物であってもよい。
上記金属硫化物としては、LiS(0<x≦8)で表される化合物;Li(0<x≦8)で表される化合物;TiSやMoS等の二次元層状構造をもつ化合物;一般式MeMo(MeはPb,Ag,Cuをはじめとする各種遷移金属)で表される強固な三次元骨格構造を有するシュブレル化合物等が挙げられる。
上記有機硫黄化合物としては、カーボンスルフィド化合物等が挙げられる。
上記有機硫黄化合物は、カーボン等の細孔を有する材料に坦持させて、炭素複合材料として用いる場合がある。炭素複合材料中に含まれる硫黄の含有量としては、サイクル性能に一層優れ、過電圧が更に低下することから、上記炭素複合材料に対して、10~99質量%が好ましく、20質量%以上がより好ましく、30質量以上が更に好ましく、40質量以上が特に好ましく、また、85質量%以下が好ましい。
上記正極活物質が上記硫黄単体の場合、上記正極活物質に含まれる硫黄の含有量は、上記硫黄単体の含有量と等しい。
導電性高分子としては、p-ドーピング型の導電性高分子やn-ドーピング型の導電性高分子が挙げられる。導電性高分子としては、ポリアセチレン系、ポリフェニレン系、複素環ポリマー、イオン性ポリマー、ラダー及びネットワーク状ポリマー等が挙げられる。
また、上記正極活物質の表面に、これとは異なる組成の物質が付着したものを用いてもよい。表面付着物質としては酸化アルミニウム、酸化ケイ素、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化ホウ素、酸化アンチモン、酸化ビスマス等の酸化物、硫酸リチウム、硫酸ナトリウム、硫酸カリウム、硫酸マグネシウム、硫酸カルシウム、硫酸アルミニウム等の硫酸塩、炭酸リチウム、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム等の炭酸塩、炭素等が挙げられる。
これら表面付着物質は、例えば、溶媒に溶解又は懸濁させて該正極活物質に含浸添加、乾燥する方法、表面付着物質前駆体を溶媒に溶解又は懸濁させて該正極活物質に含浸添加後、加熱等により反応させる方法、正極活物質前駆体に添加して同時に焼成する方法等により該正極活物質表面に付着させることができる。なお、炭素を付着させる場合には、炭素質を、例えば、活性炭等の形で後から機械的に付着させる方法も用いることもできる。
表面付着物質の量としては、上記正極活物質に対して質量で、下限として好ましくは0.1ppm以上、より好ましくは1ppm以上、更に好ましくは10ppm以上、上限として、好ましくは20%以下、より好ましくは10%以下、更に好ましくは5%以下で用いられる。表面付着物質により、正極活物質表面での液体電解質の酸化反応を抑制することができ、電池寿命を向上させることができるが、その付着量が少なすぎる場合その効果は十分に発現せず、多すぎる場合には、リチウムイオンの出入りを阻害するため抵抗が増加する場合がある。
正極活物質の粒子の形状は、従来用いられるような、塊状、多面体状、球状、楕円球状、板状、針状、柱状等が挙げられる。また、一次粒子が凝集して、二次粒子を形成していてもよい。
正極活物質のタップ密度は、好ましくは0.5g/cm以上、より好ましくは0.8g/cm以上、更に好ましくは1.0g/cm以上である。該正極活物質のタップ密度が上記下限を下回ると正極活物質層形成時に、必要な分散媒量が増加すると共に、導電材や結着剤の必要量が増加し、正極活物質層への正極活物質の充填率が制約され、電池容量が制約される場合がある。タップ密度の高い複合酸化物粉体を用いることにより、高密度の正極活物質層を形成することができる。タップ密度は一般に大きいほど好ましく、特に上限はないが、大きすぎると、正極活物質層内における液体電解質を媒体としたリチウムイオンの拡散が律速となり、負荷特性が低下しやすくなる場合があるため、上限は、好ましくは4.0g/cm以下、より好ましくは3.7g/cm以下、更に好ましくは3.5g/cm以下である。
なお、本開示では、タップ密度は、正極活物質粉体5~10gを10mlのガラス製メスシリンダーに入れ、ストローク約20mmで200回タップした時の粉体充填密度(タップ密度)g/cmとして求める。
正極活物質の粒子のメジアン径d50(一次粒子が凝集して二次粒子を形成している場合には二次粒子径)は好ましくは0.3μm以上、より好ましくは0.5μm以上、更に好ましくは0.8μm以上、最も好ましくは1.0μm以上であり、また、好ましくは30μm以下、より好ましくは27μm以下、更に好ましくは25μm以下、最も好ましくは22μm以下である。上記下限を下回ると、高タップ密度品が得られなくなる場合があり、上限を超えると粒子内のリチウムの拡散に時間がかかるため、電池性能の低下をきたしたり、電池の正極作成、即ち活物質と導電材やバインダー等を溶媒でスラリー化し、薄膜状に塗布する際に、スジを引く等の問題を生ずる場合がある。ここで、異なるメジアン径d50をもつ上記正極活物質を2種類以上混合することで、正極作成時の充填性を更に向上させることができる。
なお、本開示では、メジアン径d50は、公知のレーザー回折/散乱式粒度分布測定装置によって測定される。粒度分布計としてHORIBA社製LA-920を用いる場合、測定の際に用いる分散媒として、0.1質量%ヘキサメタリン酸ナトリウム水溶液を用い、5分間の超音波分散後に測定屈折率1.24を設定して測定される。
一次粒子が凝集して二次粒子を形成している場合には、上記正極活物質の平均一次粒子径としては、好ましくは0.05μm以上、より好ましくは0.1μm以上、更に好ましくは0.2μm以上であり、上限は、好ましくは5μm以下、より好ましくは4μm以下、更に好ましくは3μm以下、最も好ましくは2μm以下である。上記上限を超えると球状の二次粒子を形成し難く、粉体充填性に悪影響を及ぼしたり、比表面積が大きく低下するために、出力特性等の電池性能が低下する可能性が高くなる場合がある。逆に、上記下限を下回ると、通常、結晶が未発達であるために充放電の可逆性が劣る等の問題を生ずる場合がある。
なお、本開示では、一次粒子径は、走査電子顕微鏡(SEM)を用いた観察により測定される。具体的には、10000倍の倍率の写真で、水平方向の直線に対する一次粒子の左右の境界線による切片の最長の値を、任意の50個の一次粒子について求め、平均値をとることにより求められる。
正極活物質のBET比表面積は、好ましくは0.1m/g以上、より好ましくは0.2m/g以上、更に好ましくは0.3m/g以上であり、上限は好ましくは50m/g以下、より好ましくは40m/g以下、更に好ましくは30m/g以下である。BET比表面積がこの範囲よりも小さいと電池性能が低下しやすく、大きいとタップ密度が上がりにくくなり、正極活物質層形成時の塗布性に問題が発生しやすい場合がある。
なお、本開示では、BET比表面積は、表面積計(例えば、大倉理研社製全自動表面積測定装置)を用い、試料に対して窒素流通下150℃で30分間、予備乾燥を行なった後、大気圧に対する窒素の相対圧の値が0.3となるように正確に調整した窒素ヘリウム混合ガスを用い、ガス流動法による窒素吸着BET1点法によって測定した値で定義される。
本開示の二次電池が、ハイブリッド自動車用や分散電源用の大型リチウムイオン二次電池として使用される場合、高出力が要求されるため、上記正極活物質の粒子は二次粒子が主体となることが好ましい。
上記正極活物質の粒子は、二次粒子の平均粒子径が40μm以下で、かつ、平均一次粒子径が1μm以下の微粒子を、0.5~7.0体積%含むものであることが好ましい。平均一次粒子径が1μm以下の微粒子を含有させることにより、液体電解質との接触面積が大きくなり、電極と液体電解質との間でのリチウムイオンの拡散をより速くすることができ、その結果、電池の出力性能を向上させることができる。
正極活物質の製造法としては、無機化合物の製造法として一般的な方法が用いられる。特に球状ないし楕円球状の活物質を作成するには種々の方法が考えられるが、例えば、遷移金属の原料物質を水等の溶媒中に溶解ないし粉砕分散して、攪拌をしながらpHを調節して球状の前駆体を作成回収し、これを必要に応じて乾燥した後、LiOH、LiCO、LiNO等のLi源を加えて高温で焼成して活物質を得る方法等が挙げられる。
正極の製造のために、前記の正極活物質を単独で用いてもよく、異なる組成の2種以上を、任意の組み合わせ又は比率で併用してもよい。この場合の好ましい組み合わせとしては、LiCoOとLiNi0.33Co0.33Mn0.33等のLiMn若しくはこのMnの一部を他の遷移金属等で置換したものとの組み合わせ、あるいは、LiCoO若しくはこのCoの一部を他の遷移金属等で置換したものとの組み合わせが挙げられる。
上記正極活物質の含有量は、電池容量が高い点で、正極合剤の50~99.5質量%が好ましく、80~99質量%がより好ましい。また、正極活物質の、正極活物質層中の含有量は、好ましくは80質量%以上、より好ましくは82質量%以上、特に好ましくは84質量%以上である。また上限は、好ましくは99質量%以下、より好ましくは98質量%以下である。正極活物質層中の正極活物質の含有量が低いと電気容量が不十分となる場合がある。逆に含有量が高すぎると正極の強度が不足する場合がある。
上記正極合剤は、更に、結着剤、増粘剤、導電材を含むことが好ましい。
上記結着剤としては、電極製造時に使用する溶媒や液体電解質に対して安全な材料であれば、任意のものを使用することができ、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリメチルメタクリレート、芳香族ポリアミド、キトサン、アルギン酸、ポリアクリル酸、ポリイミド、セルロース、ニトロセルロース等の樹脂系高分子;SBR(スチレン・ブタジエンゴム)、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、フッ素ゴム、NBR(アクリロニトリル・ブタジエンゴム)、エチレン・プロピレンゴム等のゴム状高分子;スチレン・ブタジエン・スチレンブロック共重合体又はその水素添加物;EPDM(エチレン・プロピレン・ジエン三元共重合体)、スチレン・エチレン・ブタジエン・スチレン共重合体、スチレン・イソプレン・スチレンブロック共重合体又はその水素添加物等の熱可塑性エラストマー状高分子;シンジオタクチック-1,2-ポリブタジエン、ポリ酢酸ビニル、エチレン・酢酸ビニル共重合体、プロピレン・α-オレフィン共重合体等の軟質樹脂状高分子;ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、フッ化ビニリデン共重合体、テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体等のフッ素系高分子;アルカリ金属イオン(特にリチウムイオン)のイオン伝導性を有する高分子組成物等が挙げられる。これらは、1種を単独で用いても、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。
結着剤の含有量は、正極活物質層中の結着剤の割合として、通常0.1質量%以上、好ましくは1質量%以上、更に好ましくは1.5質量%以上であり、また、通常80質量%以下、好ましくは60質量%以下、更に好ましくは40質量%以下、最も好ましくは10質量%以下である。結着剤の割合が低すぎると、正極活物質を十分保持できずに正極の機械的強度が不足し、サイクル特性等の電池性能を悪化させてしまう場合がある。一方で、高すぎると、電池容量や導電性の低下につながる場合がある。
上記増粘剤としては、カルボキシメチルセルロース、メチルセルロース、ヒドロキシメチルセルロース、エチルセルロース、ポリビニルアルコール、酸化スターチ、リン酸化スターチ、カゼイン、ポリビニルピロリドン及びこれらの塩等が挙げられる。1種を単独で用いても、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。
活物質に対する増粘剤の割合は、通常0.1質量%以上、好ましくは0.2質量%以上、より好ましくは0.3質量%以上であり、また、通常5質量%以下、好ましくは3質量%以下、より好ましくは2質量%以下の範囲である。この範囲を下回ると、著しく塗布性が低下する場合がある。上回ると、正極活物質層に占める活物質の割合が低下し、電池の容量が低下する問題や正極活物質間の抵抗が増大する問題が生じる場合がある。
上記導電材としては、公知の導電材を任意に用いることができる。具体例としては、銅、ニッケル等の金属材料、天然黒鉛、人造黒鉛等の黒鉛(グラファイト)、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラック等のカーボンブラック、ニードルコークス、カーボンナノチューブ、フラーレン、VGCF等の無定形炭素等の炭素材料等が挙げられる。なお、これらは、1種を単独で用いてもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。導電材は、正極活物質層中に、通常0.01質量%以上、好ましくは0.1質量%以上、より好ましくは1質量%以上であり、また、通常50質量%以下、好ましくは30質量%以下、より好ましくは15質量%以下含有するように用いられる。含有量がこの範囲よりも低いと導電性が不十分となる場合がある。逆に、含有量がこの範囲よりも高いと電池容量が低下する場合がある。
スラリーを形成するための溶媒としては、正極活物質、導電材、結着剤、並びに必要に応じて使用される増粘剤を溶解又は分散することが可能な溶媒であれば、その種類に特に制限はなく、水系溶媒と有機系溶媒のどちらを用いてもよい。水系溶媒としては、例えば、水、アルコールと水との混合媒等が挙げられる。有機系溶媒としては、例えば、ヘキサン等の脂肪族炭化水素類;ベンゼン、トルエン、キシレン、メチルナフタレン等の芳香族炭化水素類;キノリン、ピリジン等の複素環化合物;アセトン、メチルエチルケトン、シクロヘキサノン等のケトン類;酢酸メチル、アクリル酸メチル等のエステル類;ジエチレントリアミン、N,N-ジメチルアミノプロピルアミン等のアミン類;ジエチルエーテル、プロピレンオキシド、テトラヒドロフラン(THF)等のエーテル類;N-メチルピロリドン(NMP)、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド等のアミド類;ヘキサメチルホスファルアミド、ジメチルスルホキシド等の非プロトン性極性溶媒等が挙げられる。
正極用集電体の材質としては、アルミニウム、チタン、タンタル、ステンレス鋼、ニッケル等の金属、又は、その合金等の金属材料;カーボンクロス、カーボンペーパー等の炭素材料が挙げられる。なかでも、金属材料、特にアルミニウム又はその合金が好ましい。
集電体の形状としては、金属材料の場合、金属箔、金属円柱、金属コイル、金属板、金属薄膜、金属粗化箔、エキスパンドメタル、パンチメタル、発泡メタル等が挙げられ、炭素材料の場合、炭素板、炭素薄膜、炭素円柱等が挙げられる。これらのうち、金属薄膜が好ましい。なお、薄膜は適宜メッシュ状に形成してもよい。薄膜の厚さは任意であるが、通常1μm以上、好ましくは3μm以上、より好ましくは5μm以上、また、通常1mm以下、好ましくは100μm以下、より好ましくは50μm以下である。薄膜がこの範囲よりも薄いと集電体として必要な強度が不足する場合がある。逆に、薄膜がこの範囲よりも厚いと取り扱い性が損なわれる場合がある。
また、集電体の表面に導電助剤が塗布されていることも、集電体と正極活物質層の電気接触抵抗を低下させる観点で好ましい。導電助剤としては、炭素や、金、白金、銀等の貴金属類が挙げられる。
集電体と正極活物質層の厚さの比は特には限定されないが、(液体電解質注液直前の片面の正極活物質層の厚さ)/(集電体の厚さ)の値が20以下であることが好ましく、より好ましくは15以下、最も好ましくは10以下であり、また、0.5以上が好ましく、より好ましくは0.8以上、最も好ましくは1以上の範囲である。この範囲を上回ると、高電流密度充放電時に集電体がジュール熱による発熱を生じる場合がある。この範囲を下回ると、正極活物質に対する集電体の体積比が増加し、電池の容量が減少する場合がある。
正極の製造は、常法によればよい。例えば、上記正極活物質に、上述した結着剤、増粘剤、導電材、溶媒等を加えてスラリー状の正極合剤とし、これを集電体に塗布し、乾燥した後にプレスして高密度化する方法が挙げられる。
上記高密度化は、ハンドプレス、ローラープレス等により行うことができる。正極活物質層の密度は、好ましくは1.5g/cm以上、より好ましくは2g/cm以上、更に好ましくは2.2g/cm以上であり、また、好ましくは5g/cm以下、より好ましくは4.5g/cm以下、更に好ましくは4g/cm以下の範囲である。この範囲を上回ると集電体/活物質界面付近への液体電解質の浸透性が低下し、特に高電流密度での充放電特性が低下し高出力が得られない場合がある。また下回ると活物質間の導電性が低下し、電池抵抗が増大し高出力が得られない場合がある。
本開示の電池において使用される液体電解質又は本開示のアルカリ金属二次電池で使用される液体電解質を用いる場合、高出力かつ高温時の安定性を高める観点から、正極活物質層の面積は、電池外装ケースの外表面積に対して大きくすることが好ましい。具体的には、二次電池の外装の表面積に対する正極の電極面積の総和が面積比で15倍以上とすることが好ましく、更に40倍以上とすることがより好ましい。電池外装ケースの外表面積とは、有底角型形状の場合には、端子の突起部分を除いた発電要素が充填されたケース部分の縦と横と厚さの寸法から計算で求める総面積をいう。有底円筒形状の場合には、端子の突起部分を除いた発電要素が充填されたケース部分を円筒として近似する幾何表面積である。正極の電極面積の総和とは、負極活物質を含む合剤層に対向する正極合剤層の幾何表面積であり、集電体箔を介して両面に正極合剤層を形成してなる構造では、それぞれの面を別々に算出する面積の総和をいう。
正極板の厚さは特に限定されないが、高容量かつ高出力の観点から、芯材の金属箔厚さを差し引いた合剤層の厚さは、集電体の片面に対して下限として、好ましくは10μm以上、より好ましくは20μm以上で、また、好ましくは500μm以下、より好ましくは450μm以下である。
また、上記正極板の表面に、これとは異なる組成の物質が付着したものを用いてもよい。表面付着物質としては酸化アルミニウム、酸化ケイ素、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化ホウ素、酸化アンチモン、酸化ビスマス等の酸化物、硫酸リチウム、硫酸ナトリウム、硫酸カリウム、硫酸マグネシウム、硫酸カルシウム、硫酸アルミニウム等の硫酸塩、炭酸リチウム、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム等の炭酸塩、炭素等が挙げられる。
(セパレータ)
本開示の二次電池は、更に、セパレータを備えることが好ましい。
上記セパレータの材質や形状は、液体電解質に安定であり、かつ、保液性に優れていれば特に限定されず、公知のものを使用することができる。なかでも、本開示の電池において使用される液体電解質又は本開示のアルカリ金属二次電池で使用される液体電解質に対し安定な材料で形成された、樹脂、ガラス繊維、無機物等が用いられ、保液性に優れた多孔性シート又は不織布状の形態の物等を用いるのが好ましい。
樹脂、ガラス繊維セパレータの材料としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン、芳香族ポリアミド、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエーテルスルホン、ガラスフィルター等を用いることができる。ポリプロピレン/ポリエチレン2層フィルム、ポリプロピレン/ポリエチレン/ポリプロピレン3層フィルム等、これらの材料は1種を単独で用いてもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。
なかでも、上記セパレータは、液体電解質の浸透性やシャットダウン効果が良好である点で、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィンを原料とする多孔性シート又は不織布等であることが好ましい。
セパレータの厚さは任意であるが、通常1μm以上であり、5μm以上が好ましく、8μm以上が更に好ましく、また、通常50μm以下であり、40μm以下が好ましく、30μm以下が更に好ましい。セパレータが、上記範囲より薄過ぎると、絶縁性や機械的強度が低下する場合がある。また、上記範囲より厚過ぎると、レート特性等の電池性能が低下する場合があるばかりでなく、液体電解質電池全体としてのエネルギー密度が低下する場合がある。
更に、セパレータとして多孔性シートや不織布等の多孔質のものを用いる場合、セパレータの空孔率は任意であるが、通常20%以上であり、35%以上が好ましく、45%以上が更に好ましく、また、通常90%以下であり、85%以下が好ましく、75%以下が更に好ましい。空孔率が、上記範囲より小さ過ぎると、膜抵抗が大きくなってレート特性が悪化する傾向がある。また、上記範囲より大き過ぎると、セパレータの機械的強度が低下し、絶縁性が低下する傾向にある。
また、セパレータの平均孔径も任意であるが、通常0.5μm以下であり、0.2μm以下が好ましく、また、通常0.05μm以上である。平均孔径が、上記範囲を上回ると、短絡が生じ易くなる。また、上記範囲を下回ると、膜抵抗が大きくなりレート特性が低下する場合がある。
一方、無機物の材料としては、例えば、アルミナや二酸化ケイ素等の酸化物、窒化アルミや窒化ケイ素等の窒化物、硫酸バリウムや硫酸カルシウム等の硫酸塩が用いられ、粒子形状若しくは繊維形状のものが用いられる。
形態としては、不織布、織布、微多孔性フィルム等の薄膜形状のものが用いられる。薄膜形状では、孔径が0.01~1μm、厚さが5~50μmのものが好適に用いられる。上記の独立した薄膜形状以外に、樹脂製の結着剤を用いて上記無機物の粒子を含有する複合多孔層を正極及び/又は負極の表層に形成させてなるセパレータを用いることができる。
例えば、正極の両面に90%粒径が1μm未満のアルミナ粒子を、フッ素樹脂を結着剤として多孔層を形成させることが挙げられる。
(電池設計)
電極群は、上記の正極板と負極板とを上記のセパレータを介してなる積層構造のもの、及び上記の正極板と負極板とを上記のセパレータを介して渦巻き状に捲回した構造のもののいずれでもよい。電極群の体積が電池内容積に占める割合(以下、電極群占有率と称する
)は、通常40%以上であり、50%以上が好ましく、また、通常90%以下であり、80%以下が好ましい。
電極群占有率が、上記範囲を下回ると、電池容量が小さくなる。また、上記範囲を上回ると空隙スペースが少なく、電池が高温になることによって部材が膨張したり電解質の液成分の蒸気圧が高くなったりして内部圧力が上昇し、電池としての充放電繰り返し性能や高温保存等の諸特性を低下させたり、更には、内部圧力を外に逃がすガス放出弁が作動する場合がある。
集電構造は、特に制限されないが、本開示の電池において使用される液体電解質又は本開示のアルカリ金属二次電池で使用される液体電解質による高電流密度の充放電特性の向上をより効果的に実現するには、配線部分や接合部分の抵抗を低減する構造にすることが好ましい。この様に内部抵抗を低減させた場合、本開示の電池において使用される液体電解質又は本開示のアルカリ金属二次電池で使用される液体電解質を使用した効果は特に良好に発揮される。
電極群が上記の積層構造のものでは、各電極層の金属芯部分を束ねて端子に溶接して形成される構造が好適に用いられる。一枚の電極面積が大きくなる場合には、内部抵抗が大きくなるので、電極内に複数の端子を設けて抵抗を低減することも好適に用いられる。電極群が上記の捲回構造のものでは、正極及び負極にそれぞれ複数のリード構造を設け、端子に束ねることにより、内部抵抗を低くすることができる。
外装ケースの材質は用いられる液体電解質に対して安定な物質であれば特に制限されない。具体的には、ニッケルめっき鋼板、ステンレス、アルミニウム又はアルミニウム合金、マグネシウム合金等の金属類、又は、樹脂とアルミ箔との積層フィルム(ラミネートフィルム)が用いられる。軽量化の観点から、アルミニウム又はアルミニウム合金の金属、ラミネートフィルムが好適に用いられる。
金属類を用いる外装ケースでは、レーザー溶接、抵抗溶接、超音波溶接により金属同士を溶着して封止密閉構造とするもの、若しくは、樹脂製ガスケットを介して上記金属類を用いてかしめ構造とするものが挙げられる。上記ラミネートフィルムを用いる外装ケースでは、樹脂層同士を熱融着することにより封止密閉構造とするもの等が挙げられる。シール性を上げるために、上記樹脂層の間にラミネートフィルムに用いられる樹脂と異なる樹脂を介在させてもよい。特に、集電端子を介して樹脂層を熱融着して密閉構造とする場合には、金属と樹脂との接合になるので、介在する樹脂として極性基を有する樹脂や極性基を導入した変成樹脂が好適に用いられる。
本開示の二次電池の形状は任意であり、例えば、円筒型、角型、ラミネート型、コイン型、大型等の形状が挙げられる。なお、正極、負極、セパレータの形状及び構成は、それぞれの電池の形状に応じて変更して使用することができる。
以下、本開示を実施例に基づいて具体的に説明する。以下の実施例においては特に言及しない場合は、「部」「%」はそれぞれ「質量部」「質量%」を表す。
・フッ素ポリマーの種類
ポリマーA:
ビニリデンフルオライド(VdF)単位およびテトラフルオロエチレン(TFE)単位を含有するフッ素共重合体
VdF/TFE=81/19(モル%)
重量平均分子量:970000
融点:128℃
ポリマーB:
VdF単位およびトリフルオロエチレン(TrFE)単位を含有するフッ素共重合体
VdF/TrFE=80/20(モル%)
重量平均分子量:720000
融点:165℃
ポリマーC:
VdF単位、TrFE単位、クロロトリフルオロエチレン(CTFE)単位を含有するフッ素共重合体
VdF/TrFE/CTFE=65/28/7(モル%)
重量平均分子量:650000
融点:170℃
ポリマーD:
VdF単位およびアクリル酸単位を含有するフッ素共重合体
VdF/アクリル酸=99/1(モル%)
重量平均分子量:1120000
融点:161℃
ポリマーE:
VdF単位、および、2,3,3,3-テトラフルオロプロペン単位を含有するフッ素共重合体
VdF/2,3,3,3-テトラフルオロプロペン=77/23
重量平均分子量:480000
Tg:-13℃
ムーニー粘度:ML1+10(121℃)):25
ポリマーF:
VdF単位、および、パーフルオロ-(2,9,9-トリハロイド-5-トリフルオロメチル-3,6-ジオキサ-8-ヘプテン)(AEHF-1)単位を含有するフッ素共重合体
VdF/AEHF-1=81.4/18.6
重量平均分子量:950000
Tg:-27℃
ムーニー粘度:(ML1+10(121℃)):15
なお、AEHF-1は、以下の一般式で表される化合物である。
ポリマーG:(比較例のポリマー)
VdF単位、および、ヘキサフルオロプロピレン(HFP)単位を含有するフッ素共重合体
VdF/HFP=95:5
重量平均分子量:870000
融点:141℃
・フッ素エーテルの種類
(E-1)HCF-CF-O-CH-CF-CF
(E-2)HCF-CF-O-CH-CH-CH
(E-3)HCF-CF-O-CH-CH-CH-CH
(E-4)HCF-CF-O-CH-CF
(E-5)HCF-CF-O-CH-CH-O- CF-CF
(E-6)CF-CF-CH-O-CH-CF-CF
・リチウム塩
LiPF
LiFSI:リチウムビス(フルオロスルホニル)イミド
LiBOB:リチウムビス(オキサラト)ボレート
・環状カーボネート
EC:エチレンカーボネート
FEC:フルオロエチレンカーボネート
・鎖状カーボネート
EMC:エチルメチルカーボネート
DMC:ジメチルカーボネート
・その他の溶媒
GBL:γ-ブチロラクトン
DME:ジメトキシエタン
(重量平均分子量の測定方法)
ゲルパーミエーションクロマトグラフィ(GPC)により測定した。東ソー社製のAS-8010、CO-8020、カラム(GMHHR-Hを3本直列に接続)および島津製作所社製RID-10Aを用い、溶媒としてジメチルホルムアミド(DMF)を流速1.0ml/分で流して測定したデータ(リファレンス:ポリスチレン)より算出した。
(Tgの測定方法)
示差走査熱量計(日立テクノサイエンス社製、X-DSC823e)を用い、試料10mgを20℃/minで昇温することによりDSC曲線を得て、DSC曲線の二次転移前後のベースラインの延長線と、DSC曲線の変曲点における接線との交点を示す温度をガラス転移温度(Tg)とした。
(ムーニー粘度の測定方法)
<ムーニー粘度(ML1+10(121℃、140℃))>
ASTM-D1646-15およびJIS K6300-1:2013に準拠して測定した。
測定機器:ALPHA TECHNOLOGIES社製のMV2000E型
ローター回転数:2rpm
測定温度:121℃、140℃
(実施例1~17,比較例1~6)
(集電体への塗工)
種々のフッ素ポリマーを溶媒であるN-メチル-2-ピロリドン(NMP)に8重量部を溶解させ、保護膜形成組成物を得た。
上記保護膜形成用組成物を、負極集電体である銅箔(15μm)上部にドクターブレードで5μm厚にコーティングした。上記コーティングされた組成物を約100℃で乾燥させた。40mm×40mmのサイズに切り抜き電極を作製した。乾燥後のコーティングの厚みは0.4μmであり、乾燥後のコーティング層の密度は1.6g/cmであった。なお、比較例2、3においては、当該コーティングを行っていない銅箔を電極として使用した。
別途、LiCoO、導電剤(Super-P,Timcal Ltd.)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)及びNMPを混合し、正極組成物を得た。該正極組成物において、LiCoO、導電剤及びPVDFの混合重量比は、97:1.5:1.5である。
上記正極組成物を、アルミニウム箔(厚み:約15μm)上部にコーティングし、真空、約110℃で乾燥させ、正極を得た。得られた正極を39mm×39mmのサイズに切り抜き電極を作製した。
上記過程によって得た正極と、負極集電箔との間に、ポリエチレン/ポリプロピレンセパレータを介在させ、ラミネートセルを製造した。ここで、上記正極と負極との間には、表1記載のLi塩と溶媒の組み合わせから種々の電解液を得た。
<高温保存特性評価試験>
上記で製造したコインセルを、25℃において、0.2Cに相当する電流で4.4Vまで定電流-定電圧充電(以下、CC/CV充電と表記する。)(0.1Cカット)した後、0.2Cの定電流で3Vまで放電し、これを1サイクルとして、3サイクル目の放電容量から初期放電容量を求めた。ここで、1Cとは電池の基準容量を1時間で放電する電流値を表わし、例えば、0.2Cとはその1/5の電流値を表わす。再度4.4VまでCC/CV充電(0.1Cカット)をおこなった後、65℃36時間の条件で高温保存を行った。電池を十分に冷却させた後、アルキメデス法により体積を測定し、保存前後の体積変化から発生したガス量を求めた。次に、25℃において0.2Cで3Vまで放電させ、高温保存後の残存容量を測定し、初期放電容量に対する残存容量の割合を求め、これを保存容量維持率(%)とした。
(残存容量)/(初期放電容量)×100=保存容量維持率(%)
<IV抵抗の評価>
初期放電容量の評価が終了した電池を、25℃にて、0.2Cの定電流で初期放電容量の半分の容量となるよう充電した。これを25℃において、2.0Cで放電させ、その10秒時の電圧を測定した。放電時の電圧の降下から抵抗を算出し、IV抵抗とした。高温保存後前後の抵抗から抵抗増加率(%)を計算した。
(高温保存後の抵抗)/(高温保存前の抵抗)×100=抵抗増加率(%)
<正極の遷移金属の溶出量の測定>
保存容量測定後のセルを解体し、負極をDMCで洗浄し、負極上に析出した遷移金属を取り出した。遷移金属含有DMC溶液をICP発光分析にてNiをそれぞれ定量することで遷移金属の溶出量を求めた。なお正極のNiの溶出量は負極上の析出量であると仮定する。結果を表1に示す。
(乾燥後のコーティング層の厚み)保護膜形成組成物中のフッ素ポリマー重量部と、乾燥前のコーティング層の厚みから、乾燥後のコーティング層の厚みを算出した。
(乾燥後のコーティング層の密度)
乾燥前後のコーティング層の重量変化から重量を算出し、乾燥後のコーティング層の体積で割ることにより、乾燥後のコーティング層の密度を算出した。
(実施例18~26,比較例7~10)
(Li金属への塗工)
種々のフッ素ポリマーを溶媒であるN-メチル-2-ピロリドン(NMP)に8重量部を溶解させ、保護膜形成組成物を得た。
上記保護膜形成用組成物を、リチウム金属薄膜(厚み:約15μm)上部に、ドクターブレードで約8μm厚にコーティングした。上記コーティングされた結果物を約25℃で乾燥させた後、真空、約40℃で熱処理し、リチウム金属上に保護膜が形成されたリチウム負極を製造した。20mm×20mmのサイズに切り抜き電極を作製した。乾燥後のコーティングの厚みは0.4μmであり、乾燥後のコーティング層の密度は1.6g/cmであった。
別途、LiNi0.8Mn0.1Co0.1、導電剤(Super-P,Timcal Ltd.)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)及びNMPを混合し、正極組成物を得た。該正極組成物において、LiCoO、導電剤及びPVDFの混合重量比は、97.5:1.25:1.25である。
上記正極組成物を、アルミニウム箔(厚み:約15μm)上部にコーティングし、真空、約110℃で乾燥させ、正極を得た。得られた正極を19mm×19mmのサイズに切り抜き電極を作製した。
上記過程によって得た正極と、リチウム金属負極との間に、ポリエチレン/ポリプロピレンセパレータを介在させ、ラミネートセルを製造した。ここで、上記正極と負極との間には、表2記載のLi塩と溶媒の組み合わせから種々の電解液を得た。
<高温保存特性評価試験>
上記で製造したコインセルを、25℃において、0.2Cに相当する電流で4.3Vまで定電流-定電圧充電(以下、CC/CV充電と表記する。)(0.1Cカット)した後、0.2Cの定電流で3Vまで放電し、これを1サイクルとして、3サイクル目の放電容量から初期放電容量を求めた。ここで、1Cとは電池の基準容量を1時間で放電する電流値を表わし、例えば、0.2Cとはその1/5の電流値を表わす。再度4.3VまでCC/CV充電(0.1Cカット)をおこなった後、45℃48時間の条件で高温保存を行った。電池を十分に冷却させた後、アルキメデス法により体積を測定し、保存前後の体積変化から発生したガス量を求めた。次に、25℃において0.2Cで3Vまで放電させ、高温保存後の残存容量を測定し、初期放電容量に対する残存容量の割合を求め、これを保存容量維持率(%)とした。
(残存容量)/(初期放電容量)×100=保存容量維持率(%)
<IV抵抗の評価>
初期放電容量の評価が終了した電池を、25℃にて、0.2Cの定電流で初期放電容量の半分の容量となるよう充電した。これを25℃において、2.0Cで放電させ、その10秒時の電圧を測定した。放電時の電圧の降下から抵抗を算出し、IV抵抗とした。高温保存後前後の抵抗から抵抗増加率(%)を計算した。
(高温保存後の抵抗)/(高温保存前の抵抗)×100=抵抗増加率(%)
<正極の遷移金属の溶出量の測定>
保存容量測定後のセルを解体し、負極をDMCで洗浄し、負極上に析出した遷移金属を取り出した。遷移金属含有DMC溶液をICP発光分析にてMnを定量することで遷移金属の溶出量を求めた。なお正極のMnの溶出量は負極上の析出量であると仮定する。結果を表2に示す。
(乾燥後のコーティング層の厚み)
保護膜形成組成物中のフッ素ポリマーの重量部と、リチウム金属箔へのコーティング層の厚みから、乾燥後のコーティング層の厚みを算出した。
(乾燥後のコーティング層の密度)
乾燥前後のコーティング層の重量変化から重量を算出し、乾燥後のコーティング層の体積で割ることにより、乾燥後のコーティング層の密度を算出した。
表1,2の結果から、本開示の二次電池は、容量保持率、ガス発生量、抵抗増加率、Mn溶出量、Ni溶出量といった観点からみて、優れた効果を有し、負極の劣化が抑制されていると判断することができ、これによって電池寿命が向上するという効果が得られている。
本開示の二次電池は、一般的な各種の二次電池として使用することができる。

Claims (8)

  1. 金属を含む層上にフッ素ポリマーが積層された負極を有し、液体電解質を有する二次電池であり、
    金属はリチウム、ナトリウム、マグネシウム及び亜鉛から選択される少なくとも1種であり、
    フッ素ポリマーは、ビニリデンフルオライド単位(A)および、
    テトラフルオロエチレン、トリフルオロエチレン、クロロトリフルオロエチレン、一般式(1)で表される単量体、一般式(2)で表される単量体及び一般式(3)で表される単量体からなる群より選択される少なくとも1の単量体に由来する構成単位(B)
    を有する共重合体であり、
    液体電解質は、フッ素化エーテルを含有することを特徴とする二次電池。
    式中、Rfは、炭素数1~12の直鎖又は分岐したフルオロアルキル基またはフッ素化アルコキシ基であり、フッ素化アルキル基およびフッ素化アルコキシ基は、いずれも、炭素数が2以上ある場合には、炭素-炭素原子間に酸素原子(-O-)を含むことができる。

    Rfは、炭素数1~12の直鎖又は分岐したフルオロアルキル基またはフッ素化アルコキシ基であり、フッ素化アルキル基およびフッ素化アルコキシ基は、いずれも、炭素数が2以上ある場合には、炭素-炭素原子間に酸素原子(-O-)を含むことができる。

    式中、R、R及びRは、それぞれ独立に水素原子、塩素原子又は炭素数1~5のアルキル基である。Xは、単結合または主鎖が原子数1~20で構成される分子量500以下の原子団である。Yは、無機カチオンおよび/または有機カチオンを表す。
  2. 前記共重合体は、ビニリデンフルオライドの含有量が全単量体単位に対して、30~99.5モル%である請求項1記載の二次電池。
  3. 前記フッ素化エーテルは、下記一般式(5)で表される化合物である請求項1又は2記載の二次電池。
    (Rは、エーテル基を含有しても良いアルキル基、もしくはエーテル基を含有してもよいフッ素化アルキル基である。)
  4. 上記一般式(5)で表される化合物は、下記一般式で表される化合物からなる群より選択される少なくとも1の化合物である請求項3記載の二次電池。
  5. 集電体上に直接フッ素ポリマーが積層された積層体を含む負極を有する二次電池であって、
    フッ素ポリマーは、ビニリデンフルオライド単位(A)および、
    テトラフルオロエチレン、トリフルオロエチレン、クロロトリフルオロエチレン、一般式(1)で表される単量体、一般式(2)で表される単量体及び一般式(3)で表される単量体からなる群より選択される少なくとも1の単量体に由来する構成単位(B)
    を有する共重合体であり、
    液体電解質は、フッ素化エーテルを含有することを特徴とする二次電池。
    式中、Rfは、炭素数1~12の直鎖又は分岐したフルオロアルキル基またはフッ素化アルコキシ基であり、フッ素化アルキル基およびフッ素化アルコキシ基は、いずれも、炭素数が2以上ある場合には、炭素-炭素原子間に酸素原子(-O-)を含むことができる。
    Rfは、炭素数1~12の直鎖又は分岐したフルオロアルキル基またはフッ素化アルコキシ基であり、フッ素化アルキル基およびフッ素化アルコキシ基は、いずれも、炭素数が2以上ある場合には、炭素-炭素原子間に酸素原子(-O-)を含むことができる。
    式中、R、R及びRは、それぞれ独立に水素原子、塩素原子又は炭素数1~5のアルキル基である。Xは、単結合または主鎖が原子数1~20で構成される分子量500以下の原子団である。Yは、無機カチオンおよび/または有機カチオンを表す。
  6. 前記共重合体は、ビニリデンフルオライドの含有量が全単量体単位に対して、30~99.5モル%である請求項5記載の二次電池。
  7. 前記フッ素化エーテルは、下記一般式(5)で表される化合物である請求項5又は6記載の二次電池。
    (Rは、エーテル基を含有しても良いアルキル基、もしくはエーテル基を含有してもよいフッ素化アルキル基である。)
  8. 上記一般式(5)で表される化合物は、下記一般式で表される化合物からなる群より選択される少なくとも1の化合物である請求項7記載の二次電池。
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