特許第5953146号(P5953146)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2022.1.31 β版

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特許5953146非水電解液用添加剤、非水電解液、及び、蓄電デバイス
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  • 特許5953146-非水電解液用添加剤、非水電解液、及び、蓄電デバイス 図000007
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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】5953146
(24)【登録日】2016年6月17日
(45)【発行日】2016年7月20日
(54)【発明の名称】非水電解液用添加剤、非水電解液、及び、蓄電デバイス
(51)【国際特許分類】
   H01M 10/0567 20100101AFI20160707BHJP
   H01M 10/0568 20100101ALI20160707BHJP
   H01M 10/0569 20100101ALI20160707BHJP
   H01M 10/052 20100101ALI20160707BHJP
   H01G 11/60 20130101ALI20160707BHJP
   H01G 11/62 20130101ALI20160707BHJP
   H01G 11/64 20130101ALI20160707BHJP
   H01G 11/06 20130101ALI20160707BHJP
【FI】
   H01M10/0567
   H01M10/0568
   H01M10/0569
   H01M10/052
   H01G11/60
   H01G11/62
   H01G11/64
   H01G11/06
【請求項の数】9
【全頁数】17
(21)【出願番号】特願2012-151428(P2012-151428)
(22)【出願日】2012年7月5日
(65)【公開番号】特開2014-13728(P2014-13728A)
(43)【公開日】2014年1月23日
【審査請求日】2015年6月23日
(73)【特許権者】
【識別番号】000195661
【氏名又は名称】住友精化株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110000914
【氏名又は名称】特許業務法人 安富国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】小野塚 智洋
(72)【発明者】
【氏名】藤本 翔平
(72)【発明者】
【氏名】藤田 浩司
【審査官】 近藤 政克
(56)【参考文献】
【文献】 特開2005−203343(JP,A)
【文献】 特開2006−278106(JP,A)
【文献】 特開2009−252545(JP,A)
【文献】 特開2010−219011(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H01M 10/0567
H01G 11/06
H01G 11/60
H01G 11/62
H01G 11/64
H01M 10/052
H01M 10/0568
H01M 10/0569
CAplus/REGISTRY(STN)
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
下記式(1)で表されるジスルホン酸アミド化合物からなることを特徴とする非水電解液用添加剤。
【化1】
式(1)中、X及びXは、それぞれ独立し、炭素数1〜6のアルキレン基、又は、炭素鎖中若しくは鎖端に、酸素原子、置換基を有していてもよい窒素原子、若しくは、硫黄原子を有する炭素数1〜6のアルキレン基を示す。Aは、C(2m−n)を示し、mは1〜6の整数であり、nは0〜12の整数であり、Zは置換されていてもよい炭素数1〜4のアルキル基、シリル基、ホスホン酸エステル基、アシル基、シアノ基、又は、ニトロ基を示す。
【請求項2】
請求項1記載の非水電解液用添加剤、非水溶媒、及び、電解質を含有することを特徴とする非水電解液。
【請求項3】
非水溶媒は、非プロトン性溶媒であることを特徴とする請求項2記載の非水電解液。
【請求項4】
非プロトン性溶媒は、環状カーボネート、鎖状カーボネート、脂肪族カルボン酸エステル、ラクトン、ラクタム、環状エーテル、鎖状エーテル、スルホン、及び、これらのハロゲン誘導体からなる群より選択される少なくとも1種であることを特徴とする請求項3記載の非水電解液。
【請求項5】
電解質は、リチウム塩を含有することを特徴とする請求項2、3又は4記載の非水電解液。
【請求項6】
リチウム塩は、LiAlCl、LiBF、LiPF、LiClO、LiAsF、及び、LiSbFからなる群より選択される少なくとも1種であることを特徴とする請求項5記載の非水電解液。
【請求項7】
請求項2、3、4、5又は6記載の非水電解液、正極、及び、負極を備えたことを特徴とする蓄電デバイス。
【請求項8】
蓄電デバイスがリチウムイオン電池である、請求項7記載の蓄電デバイス。
【請求項9】
蓄電デバイスがリチウムイオンキャパシタである、請求項7記載の蓄電デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、保存安定性に優れ、非水電解液二次電池、電気二重層キャパシタ等の蓄電デバイスに用いた場合に、電極表面上に安定な固体電解質界面を形成してサイクル特性、充放電容量、内部抵抗等の電池特性を改善することができる非水電解液用添加剤に関する。また、本発明は、該非水電解液用添加剤を含む非水電解液、及び、該非水電解液を用いた蓄電デバイスに関する。
【背景技術】
【0002】
近年、環境問題の解決、持続可能な循環型社会の実現に対する関心が高まるにつれ、リチウムイオン電池に代表される非水電解液二次電池や、電気二重層キャパシタ等の蓄電デバイスの研究が広範囲に行われている。なかでもリチウムイオン電池は高い使用電圧とエネルギー密度から、ノート型パソコン、携帯電話等の電源として用いられている。これらリチウムイオン電池は、鉛電池やニッケルカドミウム電池と比較してエネルギー密度が高く、高容量化が実現されるため期待されている。
【0003】
しかしながら、リチウムイオン電池には、充放電サイクルの経過に伴って電池の容量が低下するという問題がある。これは長期間の充放電サイクルの経過に伴い、電極反応による電解液の分解や電極活物質層への電解質の含浸性の低下、更にリチウムイオンのインターカレーション効率の低下が生じること等が要因に挙げられる。
【0004】
充放電サイクルの経過に伴う電池の容量の低下を抑制する方法として、電解液に各種添加剤を加える方法が検討されている。添加剤は、最初の充放電時に分解され、電極表面上に固体電解質界面(SEI)と呼ばれる被膜を形成する。SEIは、充放電サイクルの最初のサイクルにおいて形成するため、電解液中の溶媒等の分解に電気が消費されることはなく、リチウムイオンはSEIを介して電極を行き来することができる。すなわち、SEIの形成は充放電サイクルを繰り返した場合の非水電解液二次電池等の蓄電デバイスの劣化を防ぎ、電池特性、保存特性又は負荷特性等を向上させることに大きな役割を果たすと考えられている。
【0005】
SEIを形成する電解液用添加剤として、例えば、特許文献1〜3には、環状モノスルホン酸エステルが開示されている。また、特許文献4には、含硫黄芳香族化合物が開示されており、特許文献5にはジスルフィド化合物が開示されている。更に、特許文献6〜9にはジスルホン酸エステルが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】特開昭63−102173号公報
【特許文献2】特開2000−003724号公報
【特許文献3】特開平11−339850号公報
【特許文献4】特開平05−258753号公報
【特許文献5】特開2001−052735号公報
【特許文献6】特開2009−038018号公報
【特許文献7】特開2005−203341号公報
【特許文献8】特開2004−281325号公報
【特許文献9】特開2005−228631号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
非水電解液二次電池の電極における電気化学的還元に対する非水電解液用添加剤の適応性の指標として、例えば、「Geun−Chang,Hyung−Jin kim,Seung−ll Yu,Song−Hui Jun,Jong−Wook Choi,Myung−Hwan Kim.Journal of The Electrochemical Society,147,12,4391(2000)」には、非水電解液用添加剤を構成する化合物のLUMO(最低空分子軌道)エネルギーのエネルギー準位を用いる方法が報告されている。このような文献では、LUMOエネルギーが低い化合物ほど優れた電子受容体であり、非水電解液二次電池等の電極表面上に安定なSEIを形成することができる非水電解液用添加剤になるとされている。従って、化合物のLUMOエネルギーを測定することにより、該化合物が非水電解液二次電池等の蓄電デバイスの電極表面上に安定なSEIを形成する性能を有するかどうかを容易に評価することができ、この方法が現在では非常に有用な手段となっている。
【0008】
一方で、特許文献1〜9に開示されている化合物では、LUMOエネルギーが高く、非水電解液用添加剤としての性能が不充分であったり、LUMOエネルギーが低くても化学的に不安定である等の問題があった。とりわけ、ジスルホン酸エステル化合物は低いLUMOエネルギーを示すものの、水分に対する安定性が低く容易に劣化するため、長期間保管する場合には、厳密な水分含有量及び温度の管理が必要であった。更に、例えば、一般的にリチウムイオン電池の耐熱温度としては約60℃、リチウムイオンキャパシタとしては約80℃の耐熱温度が求められていることから、蓄電デバイスに用いられる非水電解液用添加剤の高温での安定性向上は重要な課題の1つであった。
【0009】
このように、従来の非水電解液用添加剤は充分な性能が得られておらず改善の余地があった。したがって、保存安定性に優れ、電極表面上に安定なSEIを形成し、非水電解液二次電池等の蓄電デバイスの電池特性を向上させる新規な電解液用添加剤の開発が望まれていた。
本発明は、保存安定性に優れ、非水電解液二次電池等の蓄電デバイスに用いた場合に、電極表面上に安定なSEIを形成してサイクル特性、充放電容量、内部抵抗等の電池特性を改善することができる非水電解液用添加剤を提供することを目的とする。また、本発明は、該非水電解液用添加剤を含む非水電解液、及び、該非水電解液を用いた蓄電デバイスを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本発明は、下記式(1)で表されるジスルホン酸アミド化合物からなることを特徴とする非水電解液用添加剤である。
【0011】
【化1】
【0012】
式(1)中、X及びXは、それぞれ独立し、炭素数1〜6のアルキレン基、又は、炭素鎖中若しくは鎖端に、酸素原子、置換基を有していてもよい窒素原子、若しくは、硫黄原子を有する炭素数1〜6のアルキレン基を示す。Aは、C(2m−n)を示し、mは1〜6の整数であり、nは0〜12の整数であり、Zは置換されていてもよい炭素数1〜4のアルキル基、シリル基、ホスホン酸エステル基、アシル基、シアノ基、又は、ニトロ基を示す。
以下に本発明を詳細に説明する。
【0013】
本発明者らは、前記式(1)で表されるジスルホン酸アミド化合物は、電気化学的還元を受けやすい低いLUMOエネルギーを示し、かつ、化学的に安定であることを見出した。そこで本発明者らは、該ジスルホン酸アミド化合物からなる非水電解液用添加剤を非水電解液に用い、更に該非水電解液を非水電解液二次電池等の蓄電デバイスに用いた場合に、電極表面上に安定なSEIを形成してサイクル特性、充放電容量、内部抵抗等の電池特性を改善することができることを見出し、本発明を完成させるに至った。
本発明にかかる式(1)で表されるジスルホン酸アミド化合物が非水電解液用添加剤として、サイクル特性、充放電容量、内部抵抗等の電池特性を改善する理由は詳らかではないが、次のように考えられる。前記式(1)で表されるジスルホン酸アミド化合物は環状アミノ基を有しており、電気化学的還元を受けた際に、環状アミノ基が開環し、N、S、O等を含む極性基を多数含有するSEIを形成すると考えられる。このようなN、S、O等を含む極性基を多数含有しているSEIは、優れたイオン伝導度を示すことができることから、非常に高性能なSEIであると考えられる。
【0014】
本発明は、前記式(1)で表されるジスルホン酸アミド化合物からなる非水電解液用添加剤である。
【0015】
前記式(1)中、X及びXは、それぞれ独立し、炭素数1〜6のアルキレン基、又は、炭素鎖中若しくは鎖端に、酸素原子、置換基を有していてもよい窒素原子、若しくは、硫黄原子を有する炭素数1〜6のアルキレン基を示し、Aは、C(2m−n)を示し、mは1〜6の整数であり、nは0〜12の整数であり、Zは置換されていてもよい炭素数1〜4のアルキル基、シリル基、ホスホン酸エステル基、アシル基、シアノ基、又は、ニトロ基を示す。
【0016】
及びXにおける「炭素鎖中若しくは鎖端に、酸素原子、置換基を有していてもよい窒素原子、若しくは、硫黄原子を有する炭素数1〜6のアルキレン基」の、「炭素鎖中若しくは鎖端に、酸素原子、置換基を有していてもよい窒素原子、若しくは、硫黄原子を有する炭素数1〜6のアルキレン基」の部分は、上記「炭素数1〜6のアルキレン基」の炭素鎖中若しくは鎖端に酸素原子、置換基を有していてもよい窒素原子、若しくは、硫黄原子を有する基であり、例えば、−O−CH−、−O−(CH−、−O−(CH−、−O−(CH−、−O−(CH−、−O−(CH−、−CH−O−CH−、−CH−O−(CH−、−CH−O−(CH−、−CH−O−(CH−、−CH−O−(CH−、−(CH−O−(CH−、−(CH−O−(CH−、−(CH−O−(CH−、−(CH−O−(CH−、−N−CH−、−N−(CH−、−N−(CH−、−N−(CH−、−N−(CH−、−N−(CH−、−CH−N−CH−、−CH−N−(CH−、−CH−N−(CH−、−CH−N−(CH−、−CH−N−(CH−、−(CH−N−(CH−、−(CH−N−(CH−、−(CH−N−(CH−、−(CH−N−(CH−、−N(CH)−CH−、−N(CH)−(CH−、−N(CH)−(CH−、−N(CH)−(CH−、−N(CH)−(CH−、−N(CH)−(CH−、−CH−N(CH)−CH−、−CH−N(CH)−(CH−、−CH−N(CH)−(CH−、−CH−N(CH)−(CH−、−CH−N(CH)−(CH−、−(CH−N(CH)−(CH−、−(CH−N(CH)−(CH−、−(CH−N(CH)−(CH−、−(CH−N(CH)−(CH−、−S−CH−、−S−(CH−、−S−(CH−、−S−(CH−、−S−(CH−、−S−(CH−、−CH−S−CH−、−CH−S−(CH−、−CH−S−(CH−、−CH−S−(CH−、−CH−S−(CH−、−(CH−S−(CH−、−(CH−S−(CH−、−(CH−S−(CH−、−(CH−S−(CH−を有する基等が挙げられる。好適には、炭素鎖中若しくは鎖端に酸素原子、置換基を有していてもよい窒素原子、又は、硫黄原子を有する炭素数2〜4のアルキレン基であり、より好適には、−(CH−O−(CH−、−(CH−N−(CH−、−(CH−N(CH)−(CH−、−(CH−S−(CH−を有する基である。
【0017】
前記式(1)中、スルホニル基と結合した窒素原子とXとで形成される環構造、及び、スルホニル基と結合した窒素原子とXとで形成される環構造は、5員環又は6員環であることが好ましい。前記環構造が4員環以下であると、製造しにくくなるおそれがあり、前記環構造が7員環を超えると、非水溶媒への溶解性が低下するおそれがある。
【0018】
前記式(1)中、Aは、C(2m−n)を示し、mは1〜6の整数であり、nは0〜12の整数であり、Zは置換されていてもよい炭素数1〜4のアルキル基、シリル基、ホスホン酸エステル基、アシル基、シアノ基、又は、ニトロ基を示す。mの好ましい上限は4、より好ましい上限は2であり、Aは、メチレン基又はエチレン基であることが好ましい。Zが置換されたアルキル基である場合、アルキル基の一部又は全部の水素がフッ素原子で置換されていることが好ましい。
【0019】
前記式(1)で表されるジスルホン酸アミド化合物としては、例えば、メタンジスルホン酸ビスピロリジン、メタンジスルホン酸ビスピペリジン、メタンジスルホン酸ビスモルホリン、メタンジスルホン酸ビスチオモルホリン、1,2−エタンジスルホン酸ビスモルホリン、メタンジスルホン酸ビス(1−メチルピペラジン)、1,1−エタンジスルホン酸ビスモルホリン、エタン−1,1−ジスルホン酸ビスピロリジン、エタン−1,1−ジスルホン酸ビスピペリジン、プロパン−1,1−ジスルホン酸ビスピロリジン、プロパン−1,1−ジスルホン酸ビスピペリジン、プロパン−1,1−ジスルホン酸ビスモルホリン、2−オキソプロパン−1,1−ジスルホン酸ビスピロリジン、2−オキソプロパン−1,1−ジスルホン酸ビスモルホリン、2−オキソ−2−フェニル−エタン−1,1−ジスルホン酸ビスピロリジン、2−オキソ−2−フェニル−エタン−1,1−ジスルホン酸ビスモルホリン、ビス(モルホリン−スルホニル)メチルリン酸ジエチル、トリメチルシラニル−メタンジスルホン酸ビスモルホリン等が挙げられる。なかでも、製造が容易であること、保存安定性に優れること等の観点から、メタンジスルホン酸ビスピロリジン、メタンジスルホン酸ビスピペリジン、メタンジスルホン酸ビスモルホリン、メタンジスルホン酸ビスチオモルホリン、1,2−エタンジスルホン酸ビスモルホリン、メタンジスルホン酸ビス(1−メチルピペラジン)が好ましい。
【0020】
前記式(1)で表されるジスルホン酸アミド化合物を製造する方法としては、例えば、XとNH基とにより形成される環状第二級アミン、及び、XとNH基とにより形成される環状第二級アミン(X及びXは式(1)と同様のものである)と、2つのクロロスルホニル基の間にAで示される基(Aは式(1)と同様のものである)を有する化合物とを反応させる方法等が挙げられる。
例えば、メタンジスルホン酸ビスピロリジンを製造する場合は、まず、ピロリジンに、メタンジスルホニルクロライドを滴下し、次いで、トリエチルアミンを滴下して撹拌し、反応終了後、有機層に抽出し、晶析操作により析出した結晶をろ過する方法を用いることができる。なお、該化合物を製造する場合、必要に応じて、1,2−ジメトキシエタン等の反応溶媒を用いることもできる。
【0021】
前記式(1)で表されるジスルホン酸アミド化合物は、電気化学的還元を受けやすい低いLUMOエネルギーを示すため、該化合物からなる本発明の非水電解液用添加剤は、非水電解液に含有され非水電解液二次電池等の蓄電デバイスに用いた場合に、電極表面上に安定なSEIを形成してサイクル特性、充放電容量、内部抵抗等の電池特性を改善することができる。また、前記式(1)で表されるジスルホン酸アミド化合物は、水分や温度変化に対して安定であるため、該化合物からなる本発明の非水電解液用添加剤は、長期間、室温で保存することが可能である。したがって、該非水電解液用添加剤を含有する非水電解液も、長期間の保存及び使用に耐えることができる。
本発明の非水電解液用添加剤、非水溶媒、及び、電解質を含有する非水電解液もまた、本発明の1つである。
【0022】
本発明の非水電解液における本発明の非水電解液用添加剤の含有量(即ち、前記式(1)で表されるジスルホン酸アミド化合物の含有量)は特に限定されないが、好ましい下限は0.005質量%、好ましい上限は10質量%である。本発明の非水電解液用添加剤の含有量が0.005質量%未満であると、非水電解液二次電池等に用いた場合に電極表面での電気化学的還元反応によって安定なSEIを充分に形成できないおそれがある。本発明の非水電解液用添加剤の含有量が10質量%を超えると、溶解しにくくなるだけでなく非水電解液の粘度が上昇し、イオンの移動度を充分に確保できなくなるため、電解液の導電性等を充分に確保することができず、非水電解液二次電池等の蓄電デバイスに用いた場合に充放電特性等に支障をきたすおそれがある。本発明の非水電解液用添加剤の含有量のより好ましい下限は0.01質量%である。なお、本発明の非水電解液用添加剤(即ち、前記式(1)で表されるジスルホン酸アミド化合物)は、単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。なお、該化合物を2種以上併用する場合の含有量は、合わせて、好ましい下限は0.005質量%、好ましい上限は10質量%である。
更に、該非水電解液用添加剤と共に、必要に応じて、非水電解液にビニレンカーボネート(VC)、フルオロエチレンカーボネート(FEC)、1,3−プロパンスルトン(PS)等の一般的な添加剤を混合してもよい。
【0023】
前記非水溶媒としては、得られる非水電解液の粘度を低く抑える等の観点から、非プロトン性溶媒が好適である。なかでも、環状カーボネート、鎖状カーボネート、脂肪族カルボン酸エステル、ラクトン、ラクタム、環状エーテル、鎖状エーテル、スルホン、及び、これらのハロゲン誘導体からなる群より選択される少なくとも1種を含有することが好ましい。なかでも、環状カーボネート、鎖状カーボネートがより好ましく用いられる。
【0024】
前記環状カーボネートとしては、例えば、炭酸エチレン、炭酸プロピレン、炭酸ブチレン等が挙げられる。
前記鎖状カーボネートとしては、例えば、炭酸ジメチル、炭酸ジエチル、炭酸エチルメチル等が挙げられる。
前記脂肪族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、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、酪酸メチル、イソ酪酸メチル、トリメチル酢酸メチル等が挙げられる。
前記ラクトンとしては、例えば、γ−ブチロラクトン等が挙げられる。
前記ラクタムとしては、例えば、ε−カプロラクタム、N−メチルピロリドン等が挙げられる。
前記環状エーテルとしては、例えば、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、テトラヒドロピラン、1,3−ジオキソラン等が挙げられる。
前記鎖状エーテルとしては、例えば、1,2−ジエトキシエタン、エトキシメトキシエタン等が挙げられる。
前記スルホンとしては、例えば、スルホラン等が挙げられる。
前記ハロゲン誘導体としては、例えば、4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オン、4−クロロ−1,3−ジオキソラン−2−オン、4,5−ジフルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オン等が挙げられる。
これらの非水溶媒は、単独で用いてもよいし、複数種を混合してもよい。
これらの非水溶媒は、例えば、リチウムイオン電池等の非水電解液二次電池や、リチウムイオンキャパシタ等の電気二重層キャパシタ等に好ましく用いられる。
【0025】
前記電解質としては、リチウムイオンのイオン源となるリチウム塩が好ましい。なかでも、LiAlCl、LiBF、LiPF、LiClO、LiAsF、及び、LiSbF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、解離度が高く電解液のイオン伝導度を高めることができ、さらには耐酸化還元特性により長期間の使用による蓄電デバイスの性能劣化を抑制する作用がある等の観点から、LiBF、LiPFであることがより好ましい。これらの電解質は、単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
【0026】
本発明の非水電解液における前記電解質の濃度は特に限定されないが、好ましい下限は0.1mol/L、好ましい上限は2.0mol/Lである。前記電解質の濃度が0.1mol/L未満であると、非水電解液の導電性等を充分に確保することができず、非水電解液二次電池等の蓄電デバイスに用いた場合に放電特性及び充電特性等に支障をきたすおそれがある。前記電解質の濃度が2.0mol/Lを超えると、粘度が上昇し、イオンの移動度を充分に確保できなくなるため、非水電解液の導電性等を充分に確保することができず、非水電解液二次電池等の蓄電デバイスに用いた場合に放電特性及び充電特性等に支障をきたすおそれがある。前記電解質の濃度のより好ましい下限は0.5mol/L、より好ましい上限は1.5mol/Lである。
【0027】
本発明の非水電解液、正極、及び、負極を備えた蓄電デバイスもまた、本発明の1つである。蓄電デバイスとしては、非水電解液二次電池や電気二重層キャパシタ等がある。これらの中でもリチウムイオン電池、リチウムイオンキャパシタが好適である。
【0028】
図1は、本発明の蓄電デバイスにかかる非水電解液二次電池の一例を模式的に示した断面図である。
図1において、非水電解液二次電池1は、正極集電体2の一方面側に正極活物質層3が設けられてなる正極板4、及び、負極集電体5の一方面側に負極活物質層6が設けられてなる負極板7を有する。正極板4と負極板7とは、本発明の非水電解液8と非水電解液8中に設けたセパレータ9を介して対向配置されている。
【0029】
本発明の蓄電デバイスにかかる非水電解液二次電池において、正極集電体2及び負極集電体5としては、例えば、アルミニウム、銅、ニッケル、ステンレス等の金属からなる金属箔を用いることができる。
【0030】
本発明の蓄電デバイスにかかる非水電解液二次電池において、正極活物質層3に用いる正極活物質としては、リチウム含有複合酸化物が好ましく用いられ、例えば、LiMnO、LiFeO、LiCoO、LiMn、LiFeSiO、LiNi1/3Co1/3Mn1/3、LiFePO等のリチウム含有複合酸化物が挙げられる。
【0031】
本発明の蓄電デバイスにかかる非水電解液二次電池において、負極活物質層6に用いる負極活物質としては、例えば、リチウムを吸蔵、放出することができる材料が挙げられる。このような材料としては、黒鉛、非晶質炭素等の炭素材料や、酸化インジウム、酸化シリコン、酸化スズ、酸化亜鉛、及び、酸化リチウム等の酸化物材料等が挙げられる。
また、負極活物質として、リチウム金属、及び、リチウムと合金を形成することができる金属材料を用いることもできる。前記リチウムと合金を形成することができる金属としては、例えば、Cu、Sn、Si、Co、Mn、Fe、Sb、Ag等が挙げられ、これらの金属とリチウムを含む2元又は3元からなる合金を用いることもできる。
これらの負極活物質は単独で用いてもよいし、2種以上を混合して用いてもよい。
【0032】
本発明の蓄電デバイスにかかる非水電解液二次電池において、セパレータ9としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、フッ素樹脂等からなる多孔質フィルムを用いることができる。
【発明の効果】
【0033】
本発明によれば、保存安定性に優れ、非水電解液二次電池、電気二重層キャパシタ等の蓄電デバイスに用いた場合に、電極表面上に安定なSEIを形成してサイクル特性、充放電容量、内部抵抗等の電池特性を改善することができる非水電解液用添加剤を提供することができる。また、本発明によれば、該非水電解液用添加剤を含む非水電解液、及び、該非水電解液を用いた蓄電デバイスを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0034】
図1】本発明の蓄電デバイスにかかる非水電解液二次電池の一例を模式的に示した断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0035】
以下に実施例を掲げて本発明を更に詳しく説明するが、本発明はこれら実施例のみに限定されない。
【0036】
(実施例1)
(メタンジスルホン酸ビスピロリジン(化合物1)の作製)
撹拌機、冷却管、温度計及び滴下ロートを備え付けた200mL容の4つ口フラスコに、ピロリジン7.3g(0.103モル)及び1,2−ジメトキシエタン100gを仕込み、1,2−ジメトキシエタン10gに溶解させたメタンジスルホニルクロライド10.0g(0.047モル)を0℃に維持しながら20分間かけて滴下した。引き続き同温度に維持しながら、1,2−ジメトキシエタン10gに溶解させたトリエチルアミン11.4g(0.112モル)を1時間かけて滴下し、同温度に維持しながら終夜撹拌した。
反応終了後、反応液をろ過した後、ろ液にトルエン100.0g及び水50.0gを添加して分液した。得られた有機層より溶媒の一部を25℃で減圧留去し、析出した結晶をろ過し、得られた結晶を乾燥することにより、メタンジスルホン酸ビスピロリジン6.0g(0.021モル)を取得した。メタンジスルホン酸ビスピロリジンの収率は、メタンジスルホニルクロライドに対して45.2%であった。
なお、得られたメタンジスルホン酸ビスピロリジンは、下記の物性を有することから同定することができた。
H−核磁気共鳴スペクトル(溶媒:CDCl)δ(ppm):1.58ppm(dt、8H)、2.80ppm(t、8H)、5.55ppm(s、2H)
【0037】
(非水電解液の調製)
炭酸エチレン(EC)と炭酸ジエチル(DEC)とを、EC:DEC=30:70の体積組成比で混合して得られた混合非水溶媒に、電解質としてLiPFを1.0mol/Lの濃度となるように溶解し、該混合非水溶媒と該電解質とからなる溶液全重量に対し、非水電解液用添加剤として表1に示した化合物1を、含有割合が0.5質量%となるように添加し、非水電解液を調製した。
【0038】
(実施例2)
「(非水電解液の調製)」において、化合物1の含有割合を1.0質量%となるようにしたこと以外は、実施例1と同様にして非水電解液を調製した。
【0039】
(実施例3)
(メタンジスルホン酸ビスピペリジン(化合物2)の作製)
撹拌機、冷却管、温度計及び滴下ロートを備え付けた200mL容の4つ口フラスコに、ピペリジン8.8g(0.103モル)及び1,2−ジメトキシエタン100gを仕込み、1,2−ジメトキシエタン10gに溶解させたメタンジスルホニルクロライド10.0g(0.047モル)を0℃に維持しながら20分間かけて滴下した。引き続き同温度に維持しながら、1,2−ジメトキシエタン10gに溶解させたトリエチルアミン11.4g(0.112モル)を1時間かけて滴下し、同温度に維持しながら終夜撹拌した。
反応終了後、反応液をろ過した後、ろ液にトルエン100.0g及び水50.0gを添加して分液した。得られた有機層より溶媒の一部を25℃で減圧留去し、析出した結晶をろ過し、得られた結晶を乾燥することにより、メタンジスルホン酸ビスピペリジン4.5g(0.014モル)を取得した。メタンジスルホン酸ビスピペリジンの収率は、メタンジスルホニルクロライドに対して30.8%であった。
なお、得られたメタンジスルホン酸ビスピペリジンは、下記の物性を有することから同定することができた。
H−核磁気共鳴スペクトル(溶媒:CDCl)δ(ppm):1.47ppm(dt、8H)、1.51ppm(dt、4H)、2.66ppm(t、8H)、5.73ppm(s、2H)
「(非水電解液の調製)」において、化合物1に代えて、化合物2を含有割合が1.0質量%となるようにして用いたこと以外は、実施例1と同様にして非水電解液を調製した。
【0040】
(実施例4)
(メタンジスルホン酸ビスモルホリン(化合物3)の作製)
撹拌機、冷却管、温度計及び滴下ロートを備え付けた200mL容の4つ口フラスコに、モルホリン9.0g(0.103モル)及び1,2−ジメトキシエタン100gを仕込み、1,2−ジメトキシエタン10gに溶解させたメタンジスルホニルクロライド10.0g(0.047モル)を0℃に維持しながら20分間かけて滴下した。引き続き同温度に維持しながら、1,2−ジメトキシエタン10gに溶解させたトリエチルアミン11.4g(0.112モル)を1時間かけて滴下し、同温度に維持しながら終夜撹拌した。
反応終了後、反応液をろ過した後、ろ液にトルエン100.0g及び水50.0gを添加して分液した。得られた有機層より溶媒の一部を25℃で減圧留去し、析出した結晶をろ過し、得られた結晶を乾燥することにより、メタンジスルホン酸ビスモルホリン8.6g(0.027モル)を取得した。メタンジスルホン酸ビスモルホリンの収率は、メタンジスルホニルクロライドに対して58.2%であった。
なお、得られたメタンジスルホン酸ビスモルホリンは、下記の物性を有することから同定することができた。
H−核磁気共鳴スペクトル(溶媒:CDCl)δ(ppm):3.25(t、8H)、3.64(t、8H)、5.12(s、2H)
「(非水電解液の調製)」において、化合物1に代えて、化合物3を含有割合が1.0質量%となるようにして用いたこと以外は、実施例1と同様にして非水電解液を調製した。
【0041】
(実施例5)
(メタンジスルホン酸ビスチオモルホリン(化合物4)の作製)
撹拌機、冷却管、温度計及び滴下ロートを備え付けた200mL容の4つ口フラスコに、チオモルホリン10.6 g(0.103モル)及び1,2−ジメトキシエタン100gを仕込み、1,2−ジメトキシエタン10gに溶解させたメタンジスルホニルクロライド10.0 g(0.047 モル)を0℃に維持しながら20分間かけて滴下した。引き続き同温度に維持しながら、1,2−ジメトキシエタン10gに溶解させたトリエチルアミン11.4g(0.112モル)を1時間かけて滴下し、同温度に維持しながら終夜撹拌した。
反応終了後、反応液をろ過した後、ろ液にトルエン100.0g及び水50.0gを添加して分液した。得られた有機層より溶媒の一部を25℃で減圧留去し、析出した結晶をろ過し、得られた結晶を乾燥することにより、メタンジスルホン酸ビスチオモルホリン5.3g(0.015モル)を取得した。メタンジスルホン酸ビスチオモルホリンの収率は、メタンジスルホニルクロライドに対して32.5%であった。
なお、得られたメタンジスルホン酸ビスチオモルホリンは、下記の物性を有することから同定することができた。
H−核磁気共鳴スペクトル(溶媒:CDCl)δ(ppm):3.33(t、8H)、3.66(t、8H)、5.13(s、2H)
「(非水電解液の調製)」において、化合物1に代えて、化合物4を含有割合が1.0質量%となるようにして用いたこと以外は、実施例1と同様にして非水電解液を調製した。
【0042】
(実施例6)
(メタンジスルホン酸ビス(1−メチルピペラジン)(化合物5)の作製)
撹拌機、冷却管、温度計及び滴下ロートを備え付けた200mL容の4つ口フラスコに、1−メチルピペラジン10.3g(0.103モル)及び1,2−ジメトキシエタン100gを仕込み、1,2−ジメトキシエタン10gに溶解させたメタンジスルホニルクロライド10.0g(0.047モル)を0℃に維持しながら20分間かけて滴下した。引き続き同温度に維持しながら、1,2−ジメトキシエタン10gに溶解させたトリエチルアミン11.4g(0.113モル)を1時間かけて滴下し、同温度に維持しながら終夜撹拌した。
反応終了後、反応液をろ過した後、ろ液にトルエン100.0g及び水50.0gを添加して分液した。得られた有機層より溶媒の一部を25℃で減圧留去し、析出した結晶をろ過し、得られた結晶を乾燥することにより、メタンジスルホン酸ビス(1−メチルピペラジン)6.7g(0.020モル)を取得した。メタンジスルホン酸ビス(1−メチルピペラジン)の収率は、メタンジスルホニルクロライドに対して41.9%であった。
なお、得られたメタンジスルホン酸ビス(1−メチルピペラジン)は、下記の物性を有することから同定することができた。
H−核磁気共鳴スペクトル(溶媒:CDCl)δ(ppm):3.32(s、6H)3.55(t、8H)、3.67(t、8H)、5.11(s、2H)
「(非水電解液の調製)」において、化合物1に代えて、化合物5を含有割合が1.0質量%となるよう用いたこと以外は、実施例1と同様にして非水電解液を調製した。
【0043】
(実施例7)
(1,2−エタンジスルホン酸ビスモルホリン(化合物6)の作製)
撹拌機、冷却管、温度計及び滴下ロートを備え付けた200mL容の4つ口フラスコに、モルホリン8.4g(0.097モル)及び1,2−ジメトキシエタン100gを仕込み、1,2−ジメトキシエタン10gに溶解させた1,2−エタンジスルホニルクロライド10.0g(0.044モル)を0℃に維持しながら20分間かけて滴下した。引き続き同温度に維持しながら、1,2−ジメトキシエタン10gに溶解させたトリエチルアミン10.7g(0.106モル)を1時間かけて滴下し、同温度に維持しながら終夜撹拌した。
反応終了後、反応液をろ過した後、ろ液にトルエン100.0g及び水50.0gを添加して分液した。得られた有機層より溶媒の一部を25℃で減圧留去し、析出した結晶をろ過し、得られた結晶を乾燥することにより、1,2−エタンジスルホン酸ビスモルホリン7.6g(0.023モル)を取得した。1,2−エタンジスルホン酸ビスモルホリンの収率は、1,2−エタンジスルホニルクロライドに対して52.6%であった。
なお、得られた1,2−エタンジスルホン酸ビスモルホリンは、下記の物性を有することから同定することができた。
H−核磁気共鳴スペクトル(溶媒:CDCl)δ(ppm):3.34(t、8H)、3.65(t、8H)、5.02(s、4H)
「(非水電解液の調製)」において、化合物1に代えて、化合物6を含有割合が1.0質量%となるよう用いたこと以外は、実施例1と同様にして非水電解液を調製した。
【0044】
(比較例1)
実施例1の「(非水電解液の調製)」において、化合物1を用いなかったこと以外は、実施例1と同様にして非水電解液を調製した。
【0045】
(比較例2)
実施例1の「(非水電解液の調製)」において、化合物1に代えて、1,3−プロパンスルトン(PS)を含有割合が1.0質量%となるようにして用いたこと以外は、実施例1と同様にして非水電解液を調製した。
【0046】
(比較例3)
実施例1の「(非水電解液の調製)」において、化合物1に代えて、ビニレンカーボネート(VC)を含有割合が1.0質量%となるようにして用いたこと以外は、実施例1と同様にして非水電解液を調製した。
【0047】
(比較例4)
ビニレンカーボネート(VC)の含有割合を2.0質量%となるようにしたこと以外は、比較例3と同様にして非水電解液を調製した。
【0048】
(比較例5)
実施例1の「(非水電解液の調製)」において、化合物1に代えて、フルオロエチレンカーボネート(FEC)を含有割合が1.0質量%となるようにして用いたこと以外は、実施例1と同様にして非水電解液を調製した。
【0049】
(比較例6)
フルオロエチレンカーボネート(FEC)の含有割合を2.0質量%となるようにしたこと以外は、比較例5と同様にして非水電解液を調製した。
【0050】
<評価>
実施例で得られた化合物1〜6、及び、実施例及び比較例で得られた非水電解液について、以下の評価を行った。
【0051】
(LUMOエネルギーの測定)
実施例で得られた化合物1〜6について、LUMO(最低空分子軌道)エネルギーを測定するため、Gaussian03ソフトウェアにより、半経験的分子軌道計算を行った。軌道計算により得られた化合物1〜6のLUMOエネルギーを表1に示した。
【0052】
【表1】
【0053】
表1より、式(1)で表されるジスルホン酸アミド化合物(化合物1〜6)のLUMOエネルギーは約0.15eVから約0.36eVであり、本発明の非水電解液用添加剤にかかるこれらのジスルホン酸アミド化合物は、一般的に用いられる非水電解液の溶媒よりも低いLUMOエネルギーを有していることがわかる(例えば、環状カーボネートや鎖状カーボネート:LUMOエネルギー約1.2eV)。そのため、化合物1〜6を非水電解液用添加剤として非水電解液二次電池等の蓄電デバイスに用いた場合、非水電解液の溶媒よりも先に化合物1〜6の電気化学的還元が起こり、電極上にSEIが形成されるため電解液中の溶媒分子の分解を抑制することができる。その結果、高い抵抗を示す、溶媒の分解被膜が電極上に形成されにくくなり電池特性の向上が期待される。
以上より、本発明の非水電解液用添加剤にかかる式(1)で表されるジスルホン酸アミド化合物は充分に低いLUMOエネルギーを有しており、非水電解液二次電池等の蓄電デバイスの電極上に安定なSEIを形成する新規の非水電解液用添加剤として有効であることを示している。
【0054】
(安定性の評価)
実施例1〜7で得られた化合物1〜6、及び一般的に用いられるフルオロエチレンカーボネート(FEC)について、温度40±2℃、湿度75±5%の恒温恒湿下で90日間の保存試験を行った。各化合物の分解をH−核磁気共鳴スペクトル(H−NMR)で測定し、評価した。結果を表2に示した。
〇:保存前後でH−NMRのピーク変化なし
×:保存前後でH−NMRのピーク変化を確認
【表2】
【0055】
(電池の作製)
正極活物質としてLiMn、及び、導電性付与剤としてカーボンブラックを乾式混合し、バインダーとしてポリフッ化ビニリデン(PVDF)を溶解させたN−メチル−2−ピロリドン(NMP)中に均一に分散させ、スラリーを作製した。得られたそのスラリーを正極集電体となるアルミ金属箔(角型、厚さ20μm)上に塗布後、NMPを蒸発させることにより正極シートを作製した。得られた正極シート中の固形分比率は、質量比で、正極活物質:導電性付与剤:PVDF=80:10:10とした。
一方、負極シートとして、市販の黒鉛塗布電極シート(宝泉社製)を用いた。
各実施例及び各比較例で得られた非水電解液中にて、負極シートと正極シートとを、ポリエチレンからなるセパレータを介して積層し、円筒型二次電池を作製した。
【0056】
(放電容量維持率及び内部抵抗比の測定)
得られた各円筒型二次電池に対して、25℃において、充電レートを0.3C、放電レートを0.3C、充電終止電圧を4.2V、及び、放電終止電圧を2.5Vとして充放電サイクル試験を行った。200サイクル後の放電容量維持率(%)及び内部抵抗比を表3に示した。
なお、200サイクル後の「放電容量維持率(%)」とは、200サイクル試験後の放電容量(mAh)を、10サイクル試験後の放電容量(mAh)で割った値に100をかけたものである。また、200サイクル後の「内部抵抗比」とは、サイクル試験前の抵抗を1としたときの、200サイクル試験後の抵抗を相対値で示したものである。
【0057】
【表3】
【0058】
表3から、実施例の非水電解液を用いた円筒型二次電池は、比較例の非水電解液を用いた円筒型二次電池と比較してサイクル試験時における放電容量維持率が高いことが分かる。従って、実施例の非水電解液を非水電解液二次電池等に用いた場合、比較例の非水電解液を用いた場合と比較して、非水電解液二次電池等の電極表面上に充放電サイクルに対して安定性の高いSEIが形成していることがわかる。
また、実施例の非水電解液は、比較例の非水電解液に比べて、内部抵抗比が小さいことから、サイクル時による内部抵抗の増加を抑制できることが分かる。
【産業上の利用可能性】
【0059】
本発明によれば、保存安定性に優れ、非水電解液二次電池に用いた場合に、電極表面上に安定なSEIを形成してサイクル特性、充放電容量、内部抵抗等の電池特性を改善することができる非水電解液用添加剤を提供することができる。また、本発明によれば、該非水電解液用添加剤を含む非水電解液、及び、該非水電解液を用いた蓄電デバイスを提供することができる。
【符号の説明】
【0060】
1 非水電解液二次電池
2 正極集電体
3 正極活物質層
4 正極板
5 負極集電体
6 負極活物質層
7 負極板
8 非水電解液
9 セパレータ
図1