(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】
(24)【登録日】2025-08-22
(45)【発行日】2025-09-01
(54)【発明の名称】アルカリ金属電気化学セルにおける電解質添加剤による電圧遅延の解消とインピーダンスの安定化
(51)【国際特許分類】
H01M 6/16 20060101AFI20250825BHJP
H01M 4/58 20100101ALI20250825BHJP
H01M 4/40 20060101ALI20250825BHJP
【FI】
H01M6/16 A
H01M4/58
H01M4/40
(21)【出願番号】P 2021576819
(86)(22)【出願日】2020-07-01
(86)【国際出願番号】 EP2020068552
(87)【国際公開番号】W WO2021004862
(87)【国際公開日】2021-01-14
【審査請求日】2023-05-02
(32)【優先日】2019-07-10
(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP
(73)【特許権者】
【識別番号】521561330
【氏名又は名称】リトロニック バッテリーテクノロジー ゲーエムベーハー
(74)【代理人】
【識別番号】110000855
【氏名又は名称】弁理士法人浅村特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】ブアッザ、ソフィアン
【審査官】冨士 美香
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第2012/133556(WO,A1)
【文献】米国特許出願公開第2014/0023941(US,A1)
【文献】特開2013-182673(JP,A)
【文献】米国特許出願公開第2007/0202416(US,A1)
【文献】特表平11-514790(JP,A)
【文献】特開2006-164867(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H01M 6/16
H01M 4/58
H01M 4/40
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
活性電極材料としての、特に活性アノード材料としての、アルカリ金属、及び
ホウ素化合物を含む電解質、
を含む一次電池であって、
前記ホウ素化合物が、式(1)、(2)、(3)、(4)、(7)または(8)で表される化合物であることを特徴とする、一次電池。
【化1-8】
ここで、
R1、R2、R3、R4およびR5の各々は、互いに独立して、水素、アルキル、アルケニル、シクロアルキル、チオエーテル、複素環化合物、アリールおよびヘテロアリールからなる群から選択され、R1、R2、R3、R4またはR5は、チオフェンではない。
【請求項2】
互いに独立したR1、R2、R3、R4およびR5の各々が、非置換であるか、または、
アルキル、フルオロアルキル、アルコキシ、カルボニル、カルボキシル、チオール、チオアルコキシド、アリール、エーテル、チオエーテル(チオフェンを除く)、ニトロ、シアノ、アミノ、アジド、アミジノ、ヒドラジノ、ヒドラゾノ、カルバモイル、スルホ、スルファモイル、スルホニルアミノ、アルキルアミノスルホニル、アルキルスルホニルアミノおよび/またはハロゲンからなる群から選択される、少なくとも1つの置換基で一置換または多重置換され、R1、R2、R3、R4またはR5がチオフェンではないことを特徴とする、請求項1に記載の一次電池。
【請求項3】
ホウ素化合物が以下のものであることを特徴とする、請求項1または2に記載の一次電池:
式(1)の化合物であって、R1がアルキ
ルまたはアリー
ルであり、非置換であるか、または1つ以上のC
1-C
4アルキル、-F、-Cl、-Br、-I、-CN、-CF
3もしくは-OCF
3で置換されており、互いに独立したR2からR5のそれぞれがC
1-C
4アルキルである化合物;
互いに独立したR1からR5のそれぞれがC
1からC
4アルキルである、式(2)の化合物;
R1がアルキル、アルケニル
、またはアリー
ルであり、非置換であるか、またはC
1~C
4アルキル、-F、-Cl、-Br、-I、-CN、-CF
3もしくは-OCF
3で置換されている式(3)の化合物、または互いに独立したR2およびR3のそれぞれがC
1~C
4アルキルである式(3)による化合物;
互いに独立したR1、R2およびR3の各々がC
1~C
4アルキルである、式(4)の化合物;
互いに独立したR1からR3のそれぞれが、アルキ
ルまたはアリー
ルであり、非置換であるか、または1つ以上の-F、-Cl、-Br、-I、-CN、-CF
3もしくは-OCF
3で置換されている式(7)の化合物;または
互いに独立したR1からR3のそれぞれがC
1からC
4アルキルである、式(8)の化合物。
【請求項4】
ホウ素化合物が以下のものであることを特徴とする、請求項1~3のいずれか1項に記載の一次電池:
4,4,5,5-テトラメチル-2-(3,4,5-トリフルオロフェニル)-1,3,2-ジオキサボロラン;
2-(ブロモメチル)-4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン;
2-シクロプロピル-4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン;
2-シクロヘキシル-4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン;
4,4,5,5-テトラメチル-2-(ナフタレン-1-イルメチル)-1,3,2-ジオキサボロラン;
2-ベンジル-4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン;
2-フェニル-4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン;
4,4,5,5-テトラメチル-2-(1-ナフチル)-1,3,2-ジオキサボロラン;
2-(4-クロロフェニル)-4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン;
2-(4-フルオロフェニル)-4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン;
4,4,5,5-テトラメチル-2-(3,4,5-トリフルオロフェニル)-1,3,2-ジオキサボロラン;
2-(4-ブロモフェニル)-4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン;
2-(3,5-ジクロロフェニル)-4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン;
2-(2-ヨードフェニル)-4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン;
4-(4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン-2-イル)ベンゾニトリル;
4,4,5,5-テトラメチル-2-[3-(トリフルオロメトキシ)フェニル]-1,3,2-ジオキサボロラン;
2-(4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン-2-イル)アニリン;
2-[2-(トリフルオロメチル)フェニル]-4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン;
2-[3,5-ビス(トリフルオロメチル)フェニル]-4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン;
2-フルオロ-5-(4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン-2-イル)ベンゾニトリル;
2-エトキシ-4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン;
2-メトキシ-4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン;
2-イソプロポキシ-4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン;
2-アリル-5,5-ジメチル-1,3,2-ジオキサボリナン;
5,5-ジメチル-2-フェニル-1,3,2-ジオキサボリナン;
2,2’-(1,4-フェニレン)ビス[5,5-ジメチル-1,3,2-ジオキサボリナン];
2-(2-クロロフェニル)-5,5-ジメチル-1,3,2-ジオキサボリナン;
2-(1,3,2-ジオキサボリナン-2-イル)ベンゾニトリル;
2-(2-フルオロフェニル)-5,5-ジメチル-1,3,2-ジオキサボリナン;
2-(4-フルオロフェニル)-5,5-ジメチル-1,3,2-ジオキサボリナン;
4,4’-ビス(5,5-ジメチル-1,3,2-ジオキサボリナン-2-イル)ビフェニル;
エチル2-(5,5-ジメチル-1,3,2-ジオキサボリナン-2-イル)ベンゾエート;
2-(5,5-ジメチル-1,3,2-ジオキサボリナン-2-イル)-6-(トリフルオロメチル)ベンゾニトリル;
4-(トリフルオロメチル)-2-(5,5-ジメチル-1,3,2-ジオキサボリナン-2-イル)ベンゾニトリル;
2-イソプロポキシ-4,4,6-トリメチル-1,3,2-ジオキサボリナン;
2-エトキシ-4,4,6-トリメチル-1,3,2-ジオキサボリナン;
2-メトキシ-4,4,6-トリメチル-1,3,2-ジオキサボリナン;
トリメチルボロキシン;
2,4,6-トリフェニルボロキシン;
2,4,6-トリス(4-フルオロフェニル)ボロキシン;
2,4,6-トリス(3,4,5-トリフルオロフェニル)ボロキシン;
2,4,6-トリス(3,4-フルオロフェニル)ボロキシン;
2,4,6-トリス(3,4-ジクロロフェニル)ボロキシン;または
2,4,6-トリメトキシボロキシン。
【請求項5】
ホウ素化合物が電解液中に0.001mol
*l
-1~0.5mol
*l
-1の範囲の濃度で存在することを特徴とする、請求項1~4のいずれか1項に記載の一次電池。
【請求項6】
アルカリ金属がリチウムであり、一次電池がリチウム電池であることを特徴とする、請求項1~5のいずれか1項に記載の一次電池。
【請求項7】
前記電解質が非水系電解質であることを特徴とする、請求項1~6のいずれか1項に記載の一次電池。
【請求項8】
非水系電解質が、
エステル、エーテル、ジアルキルカーボネート、およびそれらの混合物、特にテトラヒドロフラン、酢酸メチル、ジグライム、トリグライム、テトラグライム、1,2-ジメトキシエタン、1,2-ジエトキシエタン、1-エトキシ、2-メトキシエタン、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、ジプロピルカーボネート、エチルメチルカーボネート、メチルプロピルカーボネート、エチルプロピルカーボネート、またはそれらの混合物からなる群から選択される第1の溶媒を含み、および
環状カーボネート、環状エステル、環状アミドおよびそれらの混合物、特にプロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ブチレンカーボネート、γ-ブチロラクトン、N-メチルピロリジノンまたはそれらの混合物からなる群から選択される第2の溶媒、または、アセトニトリル、ジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミドまたはそれらの混合物から選択される極性非水系溶媒を含む、
請求項7に記載の一次電池。
【請求項9】
電解質が、無水のアルカリ塩、特に無水のリチウム塩を含むことを特徴とする、請求項1~8のいずれか1項に記載の一次電池。
【請求項10】
活性電極材料として、特に活性カソード材料として、一フッ化炭素をさらに含むことを特徴とする、請求項1~9のいずれか1項に記載の一次電池。
【請求項11】
アルカリ金属を活性電極材料として含む一次電池の電解質添加剤としてのホウ素化合物の使用であって、ホウ素化合物が式(1)、(2)、(3)、(4)、(7)または(8)の化合物であることを特徴とする、使用。
【化1-8】
ここで、
互いに独立したR1、R2、R3、R4およびR5の各々は、水素、アルキル、アルケン、シクロアルキル、チオエーテル、複素環化合物、アリールおよびヘテロアリールからなる群から選択され、R1、R2、R3、R4またはR5は、チオフェンではない。
【請求項12】
互いに独立したR1、R2、R3、R4およびR5の各々が、非置換であるか、または、
アルキル、フルオロアルキル、アルコキシ、カルボニル、カルボキシル、チオール、チオアルコキシド、芳香族化合物、エーテル、チオエーテル、ニトロ、シアノ、アミノ、アジド、アミジノ、ヒドラジノ、ヒドラゾノ、カルバモイル、スルホ、スルファモイル、スルホニルアミノ、アルキルアミノスルホニル、アルキルスルホニルアミノおよび/またはハロゲンからなる群から選択される、少なくとも1つの置換基で一置換または多重置換され、R1、R2、R3、R4またはR5がチオフェンではないことを特徴とする、請求項11に記載の、アルカリ金属を活性電極材料として含む一次電池の電解質添加剤としてのホウ素化合物の使用。
【請求項13】
ホウ素化合物が以下のものであることを特徴とする、請求項11または12に記載の、アルカリ金属を活性電極材料として含む一次電池の電解質添加剤としてのホウ素化合物の使用:
式(1)の化合物であって、R1がアルキ
ルまたはアリー
ルであり、非置換であるか、または1つ以上のC
1-C
4アルキル、-F、-Cl、-Br、-I、-CN、-CF
3もしくは-OCF
3で置換されており、互いに独立したR2からR5のそれぞれがC
1-C
4アルキルである化合物;
互いに独立したR1からR5のそれぞれがC
1からC
4アルキルである、式(2)の化合物;
R1がアルキル、アルケニル
、またはアリー
ルであり、非置換であるか、またはC
1~C
4アルキル、-F、-Cl、-Br、-I、-CN、-CF
3もしくは-OCF
3で置換されている式(3)の化合物、または互いに独立したR2およびR3のそれぞれがC
1~C
4アルキルである式(3)による化合物;
互いに独立したR1、R2およびR3の各々がC
1~C
4アルキルである、式(4)の化合物;
互いに独立したR1からR3のそれぞれが、アルキ
ルまたはアリー
ルであり、非置換であるか、または1つ以上の-F、-Cl、-Br、-I、-CN、-CF
3もしくは-OCF
3で置換されている式(7)の化合物;または
互いに独立したR1からR3のそれぞれがC
1からC
4アルキルである、式(8)の化合物。
【請求項14】
ホウ素化合物が以下のものであることを特徴とする、請求項11~13のいずれか1項に記載の、アルカリ金属を活性電極材料として含む一次電池の電解質添加剤としてのホウ素化合物の使用:
4,4,5,5-テトラメチル-2-(3,4,5-トリフルオロフェニル)-1,3,2-ジオキサボロラン;
2-(ブロモメチル)-4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン;
2-シクロプロピル-4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン;
2-シクロヘキシル-4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン;
4,4,5,5-テトラメチル-2-(ナフタレン-1-イルメチル)-1,3,2-ジオキサボロラン;
2-ベンジル-4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン;
2-フェニル-4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン;
4,4,5,5-テトラメチル-2-(1-ナフチル)-1,3,2-ジオキサボロラン;
2-(4-クロロフェニル)-4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン;
2-(4-フルオロフェニル)-4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン;
4,4,5,5-テトラメチル-2-(3,4,5-トリフルオロフェニル)-1,3,2-ジオキサボロラン;
2-(4-ブロモフェニル)-4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン;
2-(3,5-ジクロロフェニル)-4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン;
2-(2-ヨードフェニル)-4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン;
4-(4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン-2-イル)ベンゾニトリル;
4,4,5,5-テトラメチル-2-[3-(トリフルオロメトキシ)フェニル]-1,3,2-ジオキサボロラン;
2-(4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン-2-イル)アニリン;
2-[2-(トリフルオロメチル)フェニル]-4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン;
2-[3,5-ビス(トリフルオロメチル)フェニル]-4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン;
2-フルオロ-5-(4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン-2-イル)ベンゾニトリル;
2-エトキシ-4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン;
2-メトキシ-4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン;
2-イソプロポキシ-4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン;
2-アリル-5,5-ジメチル-1,3,2-ジオキサボリナン;
5,5-ジメチル-2-フェニル-1,3,2-ジオキサボリナン;
2,2’-(1,4-フェニレン)ビス[5,5-ジメチル-1,3,2-ジオキサボリナン];
2-(2-クロロフェニル)-5,5-ジメチル-1,3,2-ジオキサボリナン;
2-(1,3,2-ジオキサボリナン-2-イル)ベンゾニトリル;
2-(2-フルオロフェニル)-5,5-ジメチル-1,3,2-ジオキサボリナン;
2-(4-フルオロフェニル)-5,5-ジメチル-1,3,2-ジオキサボリナン;
4,4’-ビス(5,5-ジメチル-1,3,2-ジオキサボリナン-2-イル)ビフェニル;
エチル2-(5,5-ジメチル-1,3,2-ジオキサボリナン-2-イル)ベンゾエート;
2-(5,5-ジメチル-1,3,2-ジオキサボリナン-2-イル)-6-(トリフルオロメチル)ベンゾニトリル;
4-(トリフルオロメチル)-2-(5,5-ジメチル-1,3,2-ジオキサボリナン-2-イル)ベンゾニトリル;
2-イソプロポキシ-4,4,6-トリメチル-1,3,2-ジオキサボリナン;
2-エトキシ-4,4,6-トリメチル-1,3,2-ジオキサボリナン;
2-メトキシ-4,4,6-トリメチル-1,3,2-ジオキサボリナン;
トリメチルボロキシン;
2,4,6-トリフェニルボロキシン;
2,4,6-トリス(4-フルオロフェニル)ボロキシン;
2,4,6-トリス(3,4,5-トリフルオロフェニル)ボロキシン;
2,4,6-トリス(3,4-フルオロフェニル)ボロキシン;
2,4,6-トリス(3,4-ジクロロフェニル)ボロキシン;または
2,4,6-トリメトキシボロキシン。
【請求項15】
一次電池がリチウム電池であることを特徴とする、請求項11~14のいずれか1項に記載の、アルカリ金属を活性電極材料として含む一次電池の電解質添加剤としてのホウ素化合物の使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、一次アルカリ金属電気化学セル用のホウ素系電解質添加剤および対応する一次アルカリ金属電気化学セル(電気化学的電池)に関するものである。
【背景技術】
【0002】
電気化学セルでは、一般的に単調なパルス形状が望ましいとされている。単調なパルス形状とは、電圧曲線がパルス条件下で一定であるか、またはパルスの終わりに最小まで減少し、パルス系列の最初のパルスの最小電圧が最後のパルスの最小電圧よりも高い場合に存在するものである。このパルス系列の電圧カーブは、通常、長方形をしている(
図1)。
【0003】
電圧遅延は,電流パルス放電条件下での植込み型アルカリ金属電池の放電プロファイルにおける望ましくない特性である。電圧遅延は、アノード表面に比較的高インピーダンスのカバー層が形成され、その結果、電池の内部抵抗が増大することによって生じる。この効果は、電池に高いパルス電流密度を与え、その過程で電池の電圧が不均衡に低下する場合、すなわち、最初のパルスの開始時の電圧がパルスの終了時よりも低い場合や、最初のパルスが最後のパルスの最小電圧よりも低い場合にのみ観察される(
図2)。
【0004】
電圧遅延は通常、アルカリ金属/金属酸化物電池およびアルカリ金属/混合金属酸化物電池において、容量放電の40%DoD(放電深度)以上のパルス負荷時、または長期保存後に初めて顕在化する。ある場合には、例えば、カソード活物質の溶解や電池電解液中の放電生成物に起因して、アノード表面に高インピーダンスのカバー層が形成され、特定のパルス放電条件下では、電圧遅延や非単調な挙動が生じることがある。
【0005】
アルカリ金属/遷移金属酸化物(Li/SVOなど)およびアルカリ金属/混合酸化物xおよび/または遷移金属酸化物、またはLi/SVOセルの電圧遅延を抑制または低減するための、リン酸塩、重炭酸塩、亜硝酸塩、アルキルリン酸塩、水酸基(-OH)およびカルボキシル基を含む有機添加剤などの電解質添加剤は、先行技術で知られている。
【0006】
前述の添加剤は、アルカリ金属/遷移金属酸化物系、特にリチウム/銀バナジウム酸化物(Li/SVO)およびリチウム/銀バナジウム酸化物ハイブリッド陰極(Li/SVOハイブリッド陰極)に使用され、電極表面のバナジウム、銀および/または金属合金などの金属堆積物からなる高インピーダンスのカバー層によってインピーダンスが上昇し、その結果、電圧遅延が発生する。しかし、前述の添加剤は、アノード表面にフッ化物リチウムが堆積することで電圧遅延が発生するアルカリ金属/一フッ化炭素(Li/CFx)系には適していない。
【0007】
有機ホウ酸塩は、自己放電を低下させ、Li/CFxセルの室温および高温での保管後の電圧遅延を低減/解消するための電解質伝導塩または電解質添加剤として、先行技術(例えば、US 7740986 B2)でも知られている。しかし、標準的な電解質と比較して、有機ホウ酸塩系の電解質は、電池抵抗の増加を示す(実施例01参照)。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【0008】
このような背景を踏まえ、本発明の目的は、電圧遅延を低減し、好ましくは解消し、電池のインピーダンスを低減する、特にリチウムを活性電極材料として含む一次電池用の電解液添加剤を提供することである。
【0009】
その目的は、請求項1の特徴を有する一次電池と、請求項9の特徴を有するホウ素化合物の使用によって達成される。適切な実施形態は、対応する従属請求項および以下の説明に記載されている。
【0010】
請求項1によれば、アルカリ金属を活性電極材料、特に活性アノード材料として含み、ホウ素化合物、特に有機ホウ素化合物を含む電解質を含む、一次電池が提供される。
【0011】
「一次電池」という用語は、本明細書では、一般的に知られている技術的な意味で使用されている。これは特に、一度放電するともはや電気的に充電できないガルバニックセルを示す。一次電池は、一次バッテリーと呼ばれることもある。
【0012】
ホウ素化合物は、特に非イオン性の化合物であり、すなわち、好ましくはホウ素含有酸の塩ではない。
【0013】
本発明によれば、特に、ホウ素化合物が、式(1)、(2)、(3)、(4)、(7)または(8)による化合物であることが提供される。
【0014】
【0015】
ここで、互いに独立したR1、R2、R3、R4およびR5は、水素、アルキル、アルケニル、シクロアルキル、チオエーテル、複素環化合物、アリールおよびヘテロアリールからなる群から選択され、R1、R2、R3、R4またはR5は、チオフェンではないものとする。
【0016】
本発明による一次電池の一実施形態では、互いに独立したR1、R2、R3、R4およびR5が、非置換であるか、または以下からなる群から選択される少なくとも1つの置換基で単置換または多重置換されていることが提供される:アルキル、フルオロアルキル、アルコキシ、カルボニル、カルボキシル、チオール、チオアルコキシド、アリール、エーテル、チオエーテル、ニトロ、シアノ、アミノ、アジド、アミジノ、ヒドラジノ、ヒドラゾノ、カルバモイル、スルホ、スルファモイル、スルホニルアミノ、アルキルアミノスルホニル、アルキルスルホニルアミノおよび/またはハロゲン。好ましい置換基は、ハロゲン、フルオロアルキルおよびシアノ基またはニトリル基を含み、R1、R2、R3、R4またはR4はチオフェンではない。
【0017】
本発明による一次電池の一実施形態では、ホウ素化合物が、式(1)の化合物であって、R1がアルキル、特にC1-C6アルキル、特にメチル、シクロプロピルもしくはシクロヘキシル、またはアリール、特にフェニル、ベンジルもしくはナフチルであり、非置換であるか、または1つ以上のC1-C4アルキル、-F、-Cl、-Br、-I、-CN、-CF3もしくは-OCF3で置換されており、互いに独立したR2からR5のそれぞれがC1-C4アルキルである化合物である。
【0018】
本発明による一次電池の一実施形態では、式(1)に従った化合物が提供される:
4,4,5,5-テトラメチル-2-(3,4,5-トリフルオロフェニル)-1,3,2-ジオキサボロラン;
2-(ブロモメチル)-4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン;
2-シクロプロピル-4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン;
2-シクロヘキシル-4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン;
4,4,5,5-テトラメチル-2-(ナフタレン-1-イルメチル)-1,3,2-ジオキサボロラン;
2-ベンジル-4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン;
2-フェニル-4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン;
4,4,5,5-テトラメチル-2-(1-ナフチル)-1,3,2-ジオキサボロラン;
2-(4-クロロフェニル)-4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン;
2-(4-フルオロフェニル)-4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン;
4,4,5,5-テトラメチル-2-(3,4,5-トリフルオロフェニル)-1,3,2-ジオキサボロラン;
2-(4-ブロモフェニル)-4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン;
2-(3,5-ジクロロフェニル)-4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン;
2-(2-ヨードフェニル)-4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン;
4-(4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン-2-イル)ベンゾニトリル;
4,4,5,5-テトラメチル-2-[3-(トリフルオロメトキシ)フェニル]-1,3,2-ジオキサボロラン;
2-(4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン-2-イル)アニリン;
2-[2-(トリフルオロメチル)フェニル]-4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン;
2-[3,5-ビス(トリフルオロメチル)フェニル]-4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン;または
2-フルオロ-5-(4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン-2-イル)ベンゾニトリル;
好ましくは4,4,5,5-テトラメチル-2-(3,4,5-トリフルオロフェニル)-1,3,2-ジオキサボロラン。
【0019】
本発明による一次電池の一実施形態では、ホウ素化合物が式(2)による化合物であり、互いに独立したR1~R4およびR5のそれぞれがC1~C4アルキルであることが提供される。
【0020】
本発明による一次電池の一実施形態では、式(2)による化合物が提供される:
2-エトキシ-4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン;
2-メトキシ-4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン;または
2-イソプロポキシ-4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン。
【0021】
本発明による一次電池の一実施形態では、ホウ素化合物が、式(3)による化合物であり、R1がアルキル、アルケニル、特にアリルまたはアリール、特にベンジル、フェニルまたはベンゾエートであり、非置換であるか、またはC1~C4アルキル、-F、-Cl、-Br、-I、-CN、-CF3もしくは-OCF3で置換されている式(3)の化合物、または互いに独立したR2およびR3のそれぞれがC1~C4アルキルである。
【0022】
本発明による一次電池の一実施形態では、式(3)による化合物が提供される:
2-アリル-5,5-ジメチル-1,3,2-ジオキサボリナン;
5,5-ジメチル-2-フェニル-1,3,2-ジオキサボリナン;
2,2’-(1,4-フェニレン)ビス[5,5-ジメチル-1,3,2-ジオキサボリナン];
2-(2-クロロフェニル)-5,5-ジメチル-1,3,2-ジオキサボリナン;
2-(1,3,2-ジオキサボリナン-2-イル)ベンゾニトリル;
2-(2-フルオロフェニル)-5,5-ジメチル-1,3,2-ジオキサボリナン;
2-(4-フルオロフェニル)-5,5-ジメチル-1,3,2-ジオキサボリナン;
4,4’-ビス(5,5-ジメチル-1,3,2-ジオキサボリナン-2-イル)ビフェニル;
エチル2-(5,5-ジメチル-1,3,2-ジオキサボリナン-2-イル)ベンゾエート;
2-(5,5-ジメチル-1,3,2-ジオキサボリナン-2-イル)-6-(トリフルオロメチル)ベンゾニトリル;または
4-(トリフルオロメチル)-2-(5,5-ジメチル-1,3,2-ジオキサボリナン-2-イル)ベンゾニトリル。
【0023】
本発明による一次電池の一実施形態では、ホウ素化合物が式(4)による化合物であり、互いに独立したR1、R2およびR3の各々がC1~C4アルキルであることが提供される。
【0024】
本発明による一次電池の一実施形態では、式(4)による化合物が提供される:
2-イソプロポキシ-4,4,6-トリメチル-1,3,2-ジオキサボリナン;
2-エトキシ-4,4,6-トリメチル-1,3,2-ジオキサボリナン;または
2-メトキシ-4,4,6-トリメチル-1,3,2-ジオキサボリナン。
【0025】
本発明による一次電池の一実施形態では、ホウ素化合物が、式(7)による化合物であり、互いに独立したR1からR3のそれぞれが、アルキル、特にC1からC4アルキル、特にメチル、またはアリール、特にフェニルであり、非置換であるか、または1つ以上の-F、-Cl、-Br、-I、-CN、-CF3もしくは-OCF3で置換されている。
【0026】
本発明による一次電池の一実施形態では、式(7)による化合物が提供される:
トリメチルボロキシン;
2,4,6-トリフェニルボロキシン;
2,4,6-トリス(4-フルオロフェニル)ボロキシン;
2,4,6-トリス(3,4,5-トリフルオロフェニル)ボロキシン;
2,4,6-トリス(3,4-ジフルオロフェニル)ボロキシン;または
2,4,6-トリス(3,4-ジクロロフェニル)ボロキシン。
【0027】
本発明による一次電池の一実施形態では、ホウ素化合物が式(8)による化合物であり、互いに独立したR1~R3のそれぞれがC1~C4アルキルであることが提供される。
【0028】
本発明による一次電池の一実施形態では、式(8)による化合物が2,4,6-トリメトキシボロキシンであることが提供される。
【0029】
本発明による一次電池の一実施形態では、ホウ素化合物が、0.001mol*l-1から0.5mol*l-1の範囲の濃度で電解液中に存在することが提供される。
【0030】
本発明による一次電池の一実施形態では、活性電極材料として機能するアルカリ金属がリチウムであり、一次電池がリチウム電池であることが提供される。
【0031】
本発明による一次電池の一実施形態では、電解質が非水系電解質であることが提供される。
【0032】
本発明による一次電池の一実施形態では、
非水系電解質が、
エステル、エーテル、ジアルキルカーボネート、およびそれらの混合物、特にテトラヒドロフラン、酢酸メチル、ジグライム(ビス(2-メトキシエチル)エーテル)、トリグライム(トリス(2-メトキシエチル)エーテル)、テトラグライム(テトラ(2-メトキシエチル)エーテル)、1,2-ジメトキシエタン、1,2-ジエトキシエタン、1-エトキシ、2-メトキシエタン、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、ジプロピルカーボネート、エチルメチルカーボネート、メチルプロピルカーボネート、エチルプロピルカーボネート、またはそれらの混合物からなる群から選択される第1の溶媒を含み、および
環状カーボネート、環状エステル、環状アミドおよびそれらの混合物、特にプロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ブチレンカーボネート、γ-ブチロラクトン、N-メチルピロリジノンまたはそれらの混合物からなる群から選択される第2の溶媒、または、アセトニトリル、ジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミドまたはそれらの混合物などの極性非水系溶媒を含む。
【0033】
本発明による一次電池の一実施形態では、電解質が、無水のアルカリ塩、特に無水のリチウム塩、好ましくはLiClO4、LiPF6、LiBF4、LiAsF6、LiSbF6、LiClO4、LiAlCl4、LiGaCl4、LiC(SO2CF3)3、LiN(SO2CF3)2、LiSCN、LiO3SCF2CF3、LiC6F5SO3、LiO2CF3、LiSO3F、LiB(C6H5)4、LiCF3SO3またはこれらの混合物からなることが提供される。
【0034】
一実施形態では、本発明による一次電池は、さらに、活性電極材料として、特に活性カソード材料として、一フッ化炭素を含む。一フッ化炭素は、それ自体で存在してもよいし、金属酸化物、好ましくは遷移金属の酸化物、例えばMnO2、SVO(酸化銀および五酸化バナジウム)、酸化銅銀バナジウム、酸化コバルト、酸化ニッケル、酸化銅、硫化銅、硫化鉄、二硫化鉄、二硫化チタン、またはそれらの混合物とのハイブリッドカソードを形成してもよい。
【0035】
一実施形態では、本発明による一次電池は、カソードバインダー、特にポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリオレフィン、好ましくは熱可塑性エラストマー、特にエチレン・プロピレン・ジエン・ターポリマー、またはそれらの混合物を含む。
【0036】
一実施形態では、本発明による一次電池は、導電性添加剤として、炭素、特に黒鉛、黒鉛粉末、カーボンブラックの形態、またはアルミニウム、特にアルミニウム粉末、チタン、特にチタン粉末、ステンレス鋼、特にステンレス鋼粉末、またはそれらの混合物を含んでいる。
【0037】
請求項9によれば、アルカリ金属を活性電極材料として含む一次電池の電解質添加剤として使用するためのホウ素化合物、特に有機ホウ素化合物が提供される。
【0038】
本発明によれば、特に、ホウ素化合物が、式(1)、(2)、(3)、(4)、(7)または(8)による化合物であることが提供される。
【0039】
【0040】
ここで、互いに独立したR1、R2、R3、R4およびR5の各々は、水素、アルキル、アルケニル、シクロアルキル、チオエーテル、複素環化合物、アリールおよびヘテロアリールからなる群から選択され、R1、R2、R3、R4またはR5は、チオフェンではないものとする。
【0041】
本発明による使用の一実施形態では、互いに独立したR1、R2、R3、R4およびR5のそれぞれが、非置換であるか、または以下からなる群から選択される少なくとも1つの置換基で一置換または多重置換されていることが提供される:アルキル、フルオロアルキル、アルコキシ、カルボニル、カルボキシル、チオール、チオアルコキシド、アリール、エーテル、チオエーテル、ニトロ、シアノ、アミノ、アジド、アミジノ、ヒドラジノ、カルバモイル、スルホ、スルファモイル、スルホニルアミノ、アルキルアミノサルフェート、アルキルスルホニルアミノおよび/またはハロゲンであり、R1、R2、R3、R4またはR5がチオフェンではないこと。
【0042】
本発明による使用の一実施形態では、ホウ素化合物が、式(1)による化合物であり、R1がアルキル、特にC1~C6アルキル、特にメチル、シクロプロピルもしくはシクロヘキシル、またはアリール、特にフェニル、ベンジル、ナフチルであり、これらは非置換であるか、または1つ以上のC1~C4アルキル、-F、-Cl、-Br、-I、-CN、-CF3、または、-OCF3で置換されており、互いに独立したR2からR4およびR5のそれぞれは、C1~C4のアルキルである。
【0043】
本発明による使用の一実施形態では、式(1)による化合物が:
4,4,5,5-テトラメチル-2-(3,4,5-トリフルオロフェニル)-1,3,2-ジオキサボロラン;
2-(ブロモメチル)-4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン;
2-シクロプロピル-4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン;
2-シクロヘキシル-4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン;
4,4,5,5-テトラメチル-2-(ナフタレン-1-イルメチル)-1,3,2-ジオキサボロラン;
2-ベンジル-4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン;
2-フェニル-4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン;
4,4,5,5-テトラメチル-2-(1-ナフチル)-1,3,2-ジオキサボロラン;
2-(4-クロロフェニル)-4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン;
2-(4-フルオロフェニル)-4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン;
4,4,5,5-テトラメチル-2-(3,4,5-トリフルオロフェニル)-1,3,2-ジオキサボロラン;
2-(4-ブロモフェニル)-4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン;
2-(3,5-ジクロロフェニル)-4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン;
2-(2-ヨードフェニル)-4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン;
4-(4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン-2-イル)ベンゾニトリル;
4,4,5,5-テトラメチル-2-[3-(トリフルオロメトキシ)フェニル]-1,3,2-ジオキサボロラン;
2-(4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン-2-イル)アニリン;
2-[2-(トリフルオロメチル)フェニル]-4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン;
2-[3,5-ビス(トリフルオロメチル)フェニル]-4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン;または
2-フルオロ-5-(4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン-2-イル)ベンゾニトリル;
好ましくは4,4,5,5-テトラメチル-2-(3,4,5-トリフルオロフェニル)-1,3,2-ジオキサボロランである。
【0044】
本発明による使用の一実施形態では、ホウ素化合物が、互いに独立したR1~R4およびR5の各々がC1~C4アルキルである、式(2)による化合物であることが提供される。
【0045】
本発明による使用の一実施形態では、式(2)による化合物が:
2-エトキシ-4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン;
2-メトキシ-4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン;または
2-イソプロポキシ-4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロランである。
【0046】
本発明による使用の1つの実施形態では、ホウ素化合物が式(3)による化合物であり、R1がアルキル、アルケニル、特にアリルまたはアリール、特にベンジル、フェニルまたはベンゾエートであり、非置換であるか、または1つ以上のC1~C4アルキル、-F、-Cl、-Br、-I、-CN、-CF3または-OCF3で置換されており、互いに独立したR2およびR3のそれぞれがC1~C4アルキルであることが提供される。
【0047】
本発明による使用の1つの実施形態では、下記の式(3)による化合物が提供される:
2-アリル-5,5-ジメチル-1,3,2-ジオキサボリナン;
5,5-ジメチル-2-フェニル-1,3,2-ジオキサボリナン;
2,2’-(1,4-フェニレン)ビス[5,5-ジメチル-1,3,2-ジオキサボリナン];
2-(2-クロロフェニル)-5,5-ジメチル-1,3,2-ジオキサボリナン;
2-(1,3,2-ジオキサボリナン-2-イル)ベンゾニトリル;
2-(2-フルオロフェニル)-5,5-ジメチル-1,3,2-ジオキサボリナン;
2-(4-フルオロフェニル)-5,5-ジメチル-1,3,2-ジオキサボリナン;
4,4’-ビス(5,5-ジメチル-1,3,2-ジオキサボリナン-2-イル)ビフェニル;
エチル2-(5,5-ジメチル-1,3,2-ジオキサボリナン-2-イル)ベンゾエート;
2-(5,5-ジメチル-1,3,2-ジオキサボリナン-2-イル)-6-(トリフルオロメチル)ベンゾニトリル;または
4-(トリフルオロメチル)-2-(5,5-ジメチル-1,3,2-ジオキサボリナン-2-イル)ベンゾニトリル。
【0048】
本発明による使用の一実施形態では、ホウ素化合物が、互いに独立したR1、R2およびR3の各々がC1~C4アルキルである、式(4)による化合物であることが提供される。
【0049】
本発明による使用の一実施形態では、式(4)による化合物が:
2-イソプロポキシ-4,4,6-トリメチル-1,3,2-ジオキサボリナン;
2-エトキシ-4,4,6-トリメチル-1,3,2-ジオキサボリナン;または
2-メトキシ-4,4,6-トリメチル-1,3,2-ジオキサボリナンである。
【0050】
本発明による使用の一実施形態では、ホウ素化合物が式(7)による化合物であり、ここで、互いに独立したR1~R3のそれぞれは、アルキル、特にC1~C4アルキル、特にメチル、またはアリール、特にフェニルであり、これらは、非置換であるか、または1つ以上の-F、-Cl、-Br、-I、-CN、-CF3または-OCF3で置換されている。
【0051】
本発明による使用の一実施形態では、式(7)による化合物が:
トリメチルボロキシン;
2,4,6-トリフェニルボロキシン;
2,4,6-トリス(4-フルオロフェニル)ボロキシン;
2,4,6-トリス(3,4,5-トリフルオロフェニル)ボロキシン;
2,4,6-トリス(3,4-ジフルオロフェニル)ボロキシン;または
2,4,6-トリス(3,4-ジクロロフェニル)ボロキシンである。
【0052】
本発明による使用の一実施形態では、ホウ素化合物が、互いに独立したR1~R3の各々がC1~C4アルキルである、式(8)による化合物であることが提供される。
【0053】
本発明による使用の一実施形態では、式(8)による化合物が2,4,6-トリメトキシボロキシンであることが提供される。
【0054】
本発明による使用の一実施形態では、活性電極材料として機能するアルカリ金属がリチウムであり、一次電池がリチウム電池であることが提供される。
【図面の簡単な説明】
【0055】
以下、本発明のさらなる特徴および利点を、例示的な実施形態の図の説明に基づいて説明する。図面では
【
図1】
図1は、電圧遅延のない電気化学セルのパルスカーブを示したものである。
【
図2】
図2は、電圧遅延のある電気化学セルのパルスカーブを示したものである。
【
図3】
図3は,従来 技術で知られる電解質添加剤(ビス(オキサラト)ホウ酸リチウム(LiBOB))を用いた電池のインピーダンス曲線である。
【
図4】
図4は、本発明による電解質添加剤(4,4,5,5-テトラメチル-2-(3,4,5-トリフルオロフェニル)-1,3,2-ジオキサボロラン(TMTFPDDB))を含む電池のインピーダンス曲線(a)、および180mAhの放電深度におけるパルス放電およびパルス曲線(b)を示したものである。
【
図5】
図5は、本発明によるさらなる電解質添加剤(トリメチルボロキシン(TMB))を含む電池のインピーダンス曲線(a)、および180mAhの放電深度でのパルス放電およびパルス曲線(b)を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0056】
例
市販のリチウム一次電池と比較して、最も高い理論比容量を持つのが、一フッ化炭素リチウム電池(Li/CFx)である。放電の全体式は以下の通りである。
CFx + xLi → C + xLiF
LiFはアニオン性で電気絶縁体であり、一方ではカソード孔の表面に付着し、他方では電解液中に部分的に溶解する。MOL状態とEOL状態の間の放電深度では、電解液中のフッ化物濃度が上昇し、アノード表面にフッ化リチウム化合物の高インピーダンスカバー層が形成される(表1)。特定のパルス放電条件下では、これが電圧の遅延や非単調な挙動を引き起こす可能性がある。
【0057】
【0058】
本発明は、一般に、電気化学的なアルカリ金属電池に関し、特に、電流パルス放電を伴う使用に適した、電圧遅延のないリチウム/カーボンモノフルオライドまたはリチウム/カーボンモノフルオライド金属酸化物電池に関するものである。より詳細には、本発明は、非水系の電解液を含む電気化学的なリチウム金属電池であって、電解液添加剤による電圧遅延を防止するものに関する。
【0059】
本発明は、特に、一フッ化炭素(CFx)またはCFx遷移金属酸化物ハイブリッドカソード(Li/CFx-MnO2、Li/CFx-SVOなど)をカソード活物質として含むアルカリ金属電気化学セル用のジオキサボロラン、ジホウ素およびボロキシン電解質添加剤に関する。LiCFx系では、EOL(End-of-Life)状態になる前のパルス状態で電圧遅延が発生する。電圧遅延を抑制し、インピーダンスの増加を抑えるために、本発明によれば、特にジオキサボロラン、ジホウ素およびボロキシン添加剤が電解液に添加される。
【0060】
本発明の利点は、負極(例えばリチウム金属)上に固体電解質界面(SEI)膜を形成することで、電極表面を保護すること、すなわちアノード表面の電解質添加剤を減らし、高インピーダンスのカバー層の形成からこれを保護することであり、これにより、電池の内部抵抗の安定化、放電電力の向上、電圧遅延の解消を図ることができる(表2)。
【0061】
【0062】
本発明は、好ましくは、非水系のイオン伝導性電解質と、一般式(1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6)、(7)および(8)に従う少なくとも1つの化合物とを含む、上述の電気化学的アルカリ金属セルに関するものである。
【0063】
実施例と比較例の電気化学セルは、以下の部品で製作した。
【表0】
【0064】
例1(比較例):
図3は、12.7KOhmの放電と10mA/156秒のデイリーパルス負荷のインピーダンス曲線を示しており、測定はそれぞれの場合において、標準電解液(電解質添加剤なし)と、添加剤として0.075Mのリチウムビス(オキサラト)ボレート(LiBOB)を含む標準電解液で行われた。冒頭で述べたように、LiBOBは先行技術から知られている電解質添加剤である。放電量の増加に伴い、電池の内部抵抗が増加することは明らかである。
【0065】
例2:
図4は、12.7KOhmおよび10mA/156秒の日刊パルス負荷による放電データを示しており、放電中の電池のインピーダンス曲線を(a)に、180mAhでのパルス曲線を(b)に示している。標準電解液と、この場合は4,4,5,5-テトラメチル-2-(3,4,5-トリフルオロフェニル)-1,3,2-ジオキサボロラン(TMTFPDDB)である本発明による電解質添加剤を0.075M含んだ標準電解液を使用した。本発明による電解質添加剤により、広い放電範囲で電池の内部抵抗が増加しないことが明らかになった。
【0066】
例3:
図5は、12.7KOhm、10mA/156秒のデイリーパルス負荷での放電データを示しており、放電中の電池のインピーダンス曲線を(a)に、180mAhでのパルス曲線を(b)に示している。標準電解液と、この場合はトリメチルボロキシン(TMB)である本発明による電解質添加剤を0.075M含む標準電解液を使用した。また、ここでは、本発明による電解質添加剤のために、広い放電範囲にわたって電池の内部抵抗が増加しないことが明らかになっている。
【0067】
以上のことから、特にジオキサボロラン、ジホウ素、ボロキシンの添加剤を使用することで、電圧遅延をなくし、電池のインピーダンスを下げることができることがわかりました。
【0068】
心臓治療用の植込み型電池では,電圧遅延が発生した電池は,(電圧遅延が発生するまでは)総容量の一部しか使用できなかった。ジオキサボロラン、ジホウ素、ボロキシンの電解質添加剤により、植込み型電池の放電容量を使用可能にすることができた。
本発明に関連して、以下の内容を更に開示する。
[1]
活性電極材料としての、特に活性アノード材料としての、アルカリ金属、及び
ホウ素化合物を含む電解質、
を含む一次電池であって、
前記ホウ素化合物が、式(1)、(2)、(3)、(4)、(7)または(8)で表される化合物であることを特徴とする、前記の一次電池。
【化1-8】
ここで、
R1、R2、R3、R4およびR5の各々は、互いに独立して、水素、アルキル、アルケニル、シクロアルキル、チオエーテル、複素環化合物、アリールおよびヘテロアリールからなる群から選択され、R1、R2、R3、R4またはR5は、チオフェンではない。
[2]
互いに独立したR1、R2、R3、R4およびR5の各々が、非置換であるか、または、
アルキル、フルオロアルキル、アルコキシ、カルボニル、カルボキシル、チオール、チオアルコキシド、アリール、エーテル、チオエーテル(チオフェンを除く)、ニトロ、シアノ、アミノ、アジド、アミジノ、ヒドラジノ、ヒドラゾノ、カルバモイル、スルホ、スルファモイル、スルホニルアミノ、アルキルアミノスルホニル、アルキルスルホニルアミノおよび/またはハロゲンからなる群から選択される、好ましくはハロゲン、フルオロアルキルおよびシアノからなる群から選択される、少なくとも1つの置換基で一置換または多重置換され、R1、R2、R3、R4またはR5がチオフェンではないことを特徴とする、[1]に記載の一次電池。
[3]
ホウ素化合物が以下のものであることを特徴とする、[1]または[2]に記載の一次電池:
式(1)の化合物であって、R1がアルキル、特にC
1
-C
6
アルキル、特にメチル、シクロプロピルもしくはシクロヘキシル、またはアリール、特にフェニル、ベンジルもしくはナフチルであり、非置換であるか、または1つ以上のC
1
-C
4
アルキル、-F、-Cl、-Br、-I、-CN、-CF
3
もしくは-OCF
3
で置換されており、互いに独立したR2からR5のそれぞれがC
1
-C
4
アルキルである化合物;
互いに独立したR1からR5のそれぞれがC
1
からC
4
アルキルである、式(2)の化合物;
R1がアルキル、アルケニル、特にアリルまたはアリール、特にベンジル、フェニルまたはベンゾエートであり、非置換であるか、またはC
1
~C
4
アルキル、-F、-Cl、-Br、-I、-CN、-CF
3
もしくは-OCF
3
で置換されている式(3)の化合物、または互いに独立したR2およびR3のそれぞれがC
1
~C
4
アルキルである式(3)による化合物;
互いに独立したR1、R2およびR3の各々がC
1
~C
4
アルキルである、式(4)の化合物;
互いに独立したR1からR3のそれぞれが、アルキル、特にC
1
からC
4
アルキル、特にメチル、またはアリール、特にフェニルであり、非置換であるか、または1つ以上の-F、-Cl、-Br、-I、-CN、-CF
3
もしくは-OCF
3
で置換されている式(7)の化合物;または
互いに独立したR1からR3のそれぞれがC
1
からC
4
アルキルである、式(8)の化合物。
[4]
ホウ素化合物が以下のものであることを特徴とする、前記のいずれかに記載の一次電池:
4,4,5,5-テトラメチル-2-(3,4,5-トリフルオロフェニル)-1,3,2-ジオキサボロラン;
2-(ブロモメチル)-4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン;
2-シクロプロピル-4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン;
2-シクロヘキシル-4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン;
4,4,5,5-テトラメチル-2-(ナフタレン-1-イルメチル)-1,3,2-ジオキサボロラン;
2-ベンジル-4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン;
2-フェニル-4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン;
4,4,5,5-テトラメチル-2-(1-ナフチル)-1,3,2-ジオキサボロラン;
2-(4-クロロフェニル)-4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン;
2-(4-フルオロフェニル)-4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン;
4,4,5,5-テトラメチル-2-(3,4,5-トリフルオロフェニル)-1,3,2-ジオキサボロラン;
2-(4-ブロモフェニル)-4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン;
2-(3,5-ジクロロフェニル)-4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン;
2-(2-ヨードフェニル)-4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン;
4-(4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン-2-イル)ベンゾニトリル;
4,4,5,5-テトラメチル-2-[3-(トリフルオロメトキシ)フェニル]-1,3,2-ジオキサボロラン;
2-(4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン-2-イル)アニリン;
2-[2-(トリフルオロメチル)フェニル]-4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン;
2-[3,5-ビス(トリフルオロメチル)フェニル]-4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン;
2-フルオロ-5-(4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン-2-イル)ベンゾニトリル;
2-エトキシ-4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン;
2-メトキシ-4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン;
2-イソプロポキシ-4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン;
2-アリル-5,5-ジメチル-1,3,2-ジオキサボリナン;
5,5-ジメチル-2-フェニル-1,3,2-ジオキサボリナン;
2,2’-(1,4-フェニレン)ビス[5,5-ジメチル-1,3,2-ジオキサボリナン];
2-(2-クロロフェニル)-5,5-ジメチル-1,3,2-ジオキサボリナン;
2-(1,3,2-ジオキサボリナン-2-イル)ベンゾニトリル;
2-(2-フルオロフェニル)-5,5-ジメチル-1,3,2-ジオキサボリナン;
2-(4-フルオロフェニル)-5,5-ジメチル-1,3,2-ジオキサボリナン;
4,4’-ビス(5,5-ジメチル-1,3,2-ジオキサボリナン-2-イル)ビフェニル;
エチル2-(5,5-ジメチル-1,3,2-ジオキサボリナン-2-イル)ベンゾエート;
2-(5,5-ジメチル-1,3,2-ジオキサボリナン-2-イル)-6-(トリフルオロメチル)ベンゾニトリル;
4-(トリフルオロメチル)-2-(5,5-ジメチル-1,3,2-ジオキサボリナン-2-イル)ベンゾニトリル;
2-イソプロポキシ-4,4,6-トリメチル-1,3,2-ジオキサボリナン;
2-エトキシ-4,4,6-トリメチル-1,3,2-ジオキサボリナン;
2-メトキシ-4,4,6-トリメチル-1,3,2-ジオキサボリナン;
トリメチルボロキシン;
2,4,6-トリフェニルボロキシン;
2,4,6-トリス(4-フルオロフェニル)ボロキシン;
2,4,6-トリス(3,4,5-トリフルオロフェニル)ボロキシン;
2,4,6-トリス(3,4-フルオロフェニル)ボロキシン;
2,4,6-トリス(3,4-ジクロロフェニル)ボロキシン;または
2,4,6-トリメトキシボロキシン。
[5]
ホウ素化合物が電解液中に0.001mol
*
l
-1
~0.5mol
*
l
-1
の範囲の濃度で存在することを特徴とする、前記のいずれかに記載の一次電池。
[6]
アルカリ金属がリチウムであり、一次電池がリチウム電池であることを特徴とする、前記のいずれかに記載の一次電池。
[7]
前記電解質が非水系電解質であることを特徴とする、前記のいずれかに記載の一次電池。
[8]
非水系電解質が、
エステル、エーテル、ジアルキルカーボネート、およびそれらの混合物、特にテトラヒドロフラン、酢酸メチル、ジグライム、トリグライム、テトラグライム、1,2-ジメトキシエタン、1,2-ジエトキシエタン、1-エトキシ、2-メトキシエタン、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、ジプロピルカーボネート、エチルメチルカーボネート、メチルプロピルカーボネート、エチルプロピルカーボネート、またはそれらの混合物からなる群から選択される第1の溶媒を含み、および
環状カーボネート、環状エステル、環状アミドおよびそれらの混合物、特にプロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ブチレンカーボネート、γ-ブチロラクトン、N-メチルピロリジノンまたはそれらの混合物からなる群から選択される第2の溶媒、または、アセトニトリル、ジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミドまたはそれらの混合物などの極性非水系溶媒を含む、
[7]に記載の一次電池。
[9]
電解質が、無水のアルカリ塩、特に無水のリチウム塩、好ましくは、LiClO
4
、LiPF6、LiBF4、LiAsF
6
、LiSbF
6
、LiClO
4
、LiAlCl
4
、LiGaCl
4
、LiC(SO
2
CF
3
)
3
、LiN(SO
2
CF
3
)
2
、LiSCN、LiO
3
SCF
2
CF
3
、LiC
6
F
5
SO
3
、LiO
2
CF
3
、LiSO
3
F、LiB(C
6
H
5
)
4
、LiCF
3
SO
3
またはこれらの混合物を含むことを特徴とする、前記のいずれかに記載の一次電池。
[10]
活性電極材料として、特に活性カソード材料として、一フッ化炭素をさらに含むことを特徴とする、前記のいずれかに記載の一次電池。
[11]
アルカリ金属を活性電極材料として含む一次電池の電解質添加剤としてのホウ素化合物の使用であって、ホウ素化合物が式(1)、(2)、(3)、(4)、(7)または(8)の化合物であることを特徴とする、前記の使用。
【化1-8】
ここで、
互いに独立したR1、R2、R3、R4およびR5の各々は、水素、アルキル、アルケン、シクロアルキル、チオエーテル、複素環化合物、アリールおよびヘテロアリールからなる群から選択され、R1、R2、R3、R4またはR5は、チオフェンではない。
[12]
互いに独立したR1、R2、R3、R4およびR5の各々が、非置換であるか、または、
アルキル、フルオロアルキル、アルコキシ、カルボニル、カルボキシル、チオール、チオアルコキシド、芳香族化合物、エーテル、チオエーテル、ニトロ、シアノ、アミノ、アジド、アミジノ、ヒドラジノ、ヒドラゾノ、カルバモイル、スルホ、スルファモイル、スルホニルアミノ、アルキルアミノスルホニル、アルキルスルホニルアミノおよび/またはハロゲンからなる群から選択される、少なくとも1つの置換基で一置換または多重置換され、R1、R2、R3、R4またはR5がチオフェンではないことを特徴とする、[11]に記載の、アルカリ金属を活性電極材料として含む一次電池の電解質添加剤としてのホウ素化合物の使用。
[13]
ホウ素化合物が以下のものであることを特徴とする、[11]または[12]に記載の、アルカリ金属を活性電極材料として含む一次電池の電解質添加剤としてのホウ素化合物の使用:
式(1)の化合物であって、R1がアルキル、特にC
1
-C
6
アルキル、特にメチル、シクロプロピルもしくはシクロヘキシル、またはアリール、特にフェニル、ベンジルもしくはナフチルであり、非置換であるか、または1つ以上のC
1
-C
4
アルキル、-F、-Cl、-Br、-I、-CN、-CF
3
もしくは-OCF
3
で置換されており、互いに独立したR2からR5のそれぞれがC
1
-C
4
アルキルである化合物;
互いに独立したR1からR5のそれぞれがC
1
からC
4
アルキルである、式(2)の化合物;
R1がアルキル、アルケニル、特にアリルまたはアリール、特にベンジル、フェニルまたはベンゾエートであり、非置換であるか、またはC
1
~C
4
アルキル、-F、-Cl、-Br、-I、-CN、-CF
3
もしくは-OCF
3
で置換されている式(3)の化合物、または互いに独立したR2およびR3のそれぞれがC
1
~C
4
アルキルである式(3)による化合物;
互いに独立したR1、R2およびR3の各々がC
1
~C
4
アルキルである、式(4)の化合物;
互いに独立したR1からR3のそれぞれが、アルキル、特にC
1
からC
4
アルキル、特にメチル、またはアリール、特にフェニルであり、非置換であるか、または1つ以上の-F、-Cl、-Br、-I、-CN、-CF
3
もしくは-OCF
3
で置換されている式(7)の化合物;または
互いに独立したR1からR3のそれぞれがC
1
からC
4
アルキルである、式(8)の化合物。
[14]
ホウ素化合物が以下のものであることを特徴とする、[11]~[13]のいずれかに記載の、アルカリ金属を活性電極材料として含む一次電池の電解質添加剤としてのホウ素化合物の使用:
4,4,5,5-テトラメチル-2-(3,4,5-トリフルオロフェニル)-1,3,2-ジオキサボロラン;
2-(ブロモメチル)-4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン;
2-シクロプロピル-4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン;
2-シクロヘキシル-4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン;
4,4,5,5-テトラメチル-2-(ナフタレン-1-イルメチル)-1,3,2-ジオキサボロラン;
2-ベンジル-4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン;
2-フェニル-4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン;
4,4,5,5-テトラメチル-2-(1-ナフチル)-1,3,2-ジオキサボロラン;
2-(4-クロロフェニル)-4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン;
2-(4-フルオロフェニル)-4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン;
4,4,5,5-テトラメチル-2-(3,4,5-トリフルオロフェニル)-1,3,2-ジオキサボロラン;
2-(4-ブロモフェニル)-4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン;
2-(3,5-ジクロロフェニル)-4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン;
2-(2-ヨードフェニル)-4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン;
4-(4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン-2-イル)ベンゾニトリル;
4,4,5,5-テトラメチル-2-[3-(トリフルオロメトキシ)フェニル]-1,3,2-ジオキサボロラン;
2-(4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン-2-イル)アニリン;
2-[2-(トリフルオロメチル)フェニル]-4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン;
2-[3,5-ビス(トリフルオロメチル)フェニル]-4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン;
2-フルオロ-5-(4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン-2-イル)ベンゾニトリル;
2-エトキシ-4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン;
2-メトキシ-4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン;
2-イソプロポキシ-4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン;
2-アリル-5,5-ジメチル-1,3,2-ジオキサボリナン;
5,5-ジメチル-2-フェニル-1,3,2-ジオキサボリナン;
2,2’-(1,4-フェニレン)ビス[5,5-ジメチル-1,3,2-ジオキサボリナン];
2-(2-クロロフェニル)-5,5-ジメチル-1,3,2-ジオキサボリナン;
2-(1,3,2-ジオキサボリナン-2-イル)ベンゾニトリル;
2-(2-フルオロフェニル)-5,5-ジメチル-1,3,2-ジオキサボリナン;
2-(4-フルオロフェニル)-5,5-ジメチル-1,3,2-ジオキサボリナン;
4,4’-ビス(5,5-ジメチル-1,3,2-ジオキサボリナン-2-イル)ビフェニル;
エチル2-(5,5-ジメチル-1,3,2-ジオキサボリナン-2-イル)ベンゾエート;
2-(5,5-ジメチル-1,3,2-ジオキサボリナン-2-イル)-6-(トリフルオロメチル)ベンゾニトリル;
4-(トリフルオロメチル)-2-(5,5-ジメチル-1,3,2-ジオキサボリナン-2-イル)ベンゾニトリル;
2-イソプロポキシ-4,4,6-トリメチル-1,3,2-ジオキサボリナン;
2-エトキシ-4,4,6-トリメチル-1,3,2-ジオキサボリナン;
2-メトキシ-4,4,6-トリメチル-1,3,2-ジオキサボリナン;
トリメチルボロキシン;
2,4,6-トリフェニルボロキシン;
2,4,6-トリス(4-フルオロフェニル)ボロキシン;
2,4,6-トリス(3,4,5-トリフルオロフェニル)ボロキシン;
2,4,6-トリス(3,4-フルオロフェニル)ボロキシン;
2,4,6-トリス(3,4-ジクロロフェニル)ボロキシン;または
2,4,6-トリメトキシボロキシン。
[15]
一次電池がリチウム電池であることを特徴とする、[11]~[14]のいずれかに記載の、アルカリ金属を活性電極材料として含む一次電池の電解質添加剤としてのホウ素化合物の使用。