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WO2022158398A1 - 非水電解液及び非水電解液電池 - Google Patents

非水電解液及び非水電解液電池 Download PDF

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WO2022158398A1
WO2022158398A1 PCT/JP2022/001224 JP2022001224W WO2022158398A1 WO 2022158398 A1 WO2022158398 A1 WO 2022158398A1 JP 2022001224 W JP2022001224 W JP 2022001224W WO 2022158398 A1 WO2022158398 A1 WO 2022158398A1
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WO
WIPO (PCT)
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group
atom
carbon atoms
general formula
ion
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/JP2022/001224
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English (en)
French (fr)
Inventor
良介 寺田
幹弘 高橋
渉 河端
克俊 鈴木
翔 山澤
玲 塚▲崎▼
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Central Glass Co Ltd
Original Assignee
Central Glass Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Central Glass Co Ltd filed Critical Central Glass Co Ltd
Publication of WO2022158398A1 publication Critical patent/WO2022158398A1/ja
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C07ORGANIC CHEMISTRY
    • C07DHETEROCYCLIC COMPOUNDS
    • C07D233/00Heterocyclic compounds containing 1,3-diazole or hydrogenated 1,3-diazole rings, not condensed with other rings
    • C07D233/04Heterocyclic compounds containing 1,3-diazole or hydrogenated 1,3-diazole rings, not condensed with other rings having one double bond between ring members or between a ring member and a non-ring member
    • C07D233/28Heterocyclic compounds containing 1,3-diazole or hydrogenated 1,3-diazole rings, not condensed with other rings having one double bond between ring members or between a ring member and a non-ring member with hetero atoms or with carbon atoms having three bonds to hetero atoms with at the most one bond to halogen, e.g. ester or nitrile radicals, directly attached to ring carbon atoms
    • C07D233/30Oxygen or sulfur atoms
    • C07D233/32One oxygen atom
    • C07D233/34Ethylene-urea
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052Li-accumulators
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/054Accumulators with insertion or intercalation of metals other than lithium, e.g. with magnesium or aluminium
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/056Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes
    • H01M10/0564Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes the electrolyte being constituted of organic materials only
    • H01M10/0566Liquid materials
    • H01M10/0567Liquid materials characterised by the additives
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/056Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes
    • H01M10/0564Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes the electrolyte being constituted of organic materials only
    • H01M10/0566Liquid materials
    • H01M10/0569Liquid materials characterised by the solvents

Definitions

  • the present disclosure relates to non-aqueous electrolytes and non-aqueous electrolyte batteries.
  • Non-aqueous electrolyte-related technologies are no exception, and various additives have been proposed to suppress deterioration due to decomposition of the non-aqueous electrolyte on the surfaces of active positive and negative electrodes.
  • Patent Document 1 proposes to improve various battery characteristics such as high-temperature storage characteristics by adding vinylene carbonate to the non-aqueous electrolyte. This method prevents the decomposition of the non-aqueous electrolyte on the electrode surface by coating the electrode with a polymer film formed by polymerizing vinylene carbonate. is an issue.
  • Patent Document 2 the addition of lithium difluorophosphate disclosed in Patent Document 2 is effective, and by using vinylene carbonate and lithium difluorophosphate together, the internal resistance can be It is known that it is possible to obtain a battery in which an increase in the is suppressed.
  • Patent Document 3 discloses a method for improving input/output characteristics and impedance characteristics by incorporating a fluorosulfonate into a non-aqueous electrolytic solution as a single additive instead of a combination of multiple additives.
  • the present disclosure has been made in view of the above circumstances, and aims to provide a non-aqueous electrolyte and a non-aqueous electrolyte battery with a low initial resistance value.
  • component (I) one or more compounds represented by the general formula (1) (hereinafter referred to as “component (I)” or simply “(I )”.),
  • component (II) One or more of the compounds represented by the general formulas (2) to (4) and (6) (hereinafter referred to as “component (II)” or simply “ (II)”),
  • component (III) solute
  • component (IV) non-aqueous organic solvent
  • R 1 and R 2 each independently represent PO(R f ) 2 or SO 2 R f .
  • Each R f independently represents a fluorine atom or a linear or branched perfluoroalkyl group having 1 to 4 carbon atoms or 3 to 4 carbon atoms.
  • R 3 and R 4 each independently represents a hydrogen atom, a lithium ion, a sodium ion, a potassium ion, or a linear or branched alkyl group having 1 to 12 carbon atoms or 3 to 12 carbon atoms;
  • An oxygen atom may be included between carbon atom-carbon atom bonds in the group. Any hydrogen atom of the alkyl group may be substituted with a fluorine atom.
  • R3 represents a lithium ion , sodium ion or potassium ion
  • the bond between the nitrogen atom and R3 in general formula ( 1 ) represents an ionic bond
  • R4 represents a lithium ion, sodium ion or potassium ion
  • the bond between the nitrogen atom and R4 in general formula (1) represents an ionic bond.
  • R 3 and R 4 may also form a ring structure together with the nitrogen atom to which they are attached. In this case, R 3 and R 4 together form an alkylene group having 2 to 4 carbon atoms, and an oxygen atom is included between the carbon atom-carbon atom bonds in the alkylene group. or may have an alkyl group on its side chain. Any hydrogen atom in the alkyl group and alkylene group may be substituted with a fluorine atom. ]
  • R 5 is a hydrogen atom, a lithium ion, a sodium ion, a potassium ion, an alkyl group having 5 or less carbon atoms, an alkoxy group, an alkenyl group, an alkenyloxy group, an alkynyl group, an alkynyloxy group, an aryl group having 6 to 10 carbon atoms, or an aryloxy group having 6 to 10 carbon atoms.
  • any hydrogen atom of the alkyl group, the alkoxy group, the alkenyl group, the alkenyloxy group, the alkynyl group, the alkynyloxy group, the aryl group, and the aryloxy group may be substituted with a fluorine atom.
  • an oxygen atom may be included between the carbon atom-carbon atom bonds of these groups.
  • R5 represents a lithium ion, sodium ion or potassium ion
  • the bond between the oxygen atom and R5 in general formula ( 2 ) represents an ionic bond.
  • R 6 to R 9 each independently represent a fluorine atom or a group represented by —OR 10 .
  • R 10 is a straight or branched alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, a straight or branched alkenyl group having 2 to 10 carbon atoms, a straight or branched chain having 2 to 10 carbon atoms at least one organic group selected from the group consisting of an alkynyl group, a cycloalkyl or cycloalkenyl group having 3 to 10 carbon atoms, and an aryl group having 6 to 10 carbon atoms; may be substituted with a fluorine atom.
  • the organic group may contain an unsaturated bond, and an oxygen atom may be contained between the carbon atom-carbon atom bonds of the organic group.
  • M represents a lithium ion, sodium ion or potassium ion.
  • at least one of R 6 to R 9 represents a fluorine atom.
  • n represents an integer of 1 to 3
  • L represents an aliphatic hydrocarbon group having 1 to 10 carbon atoms or OM.
  • L represents an aliphatic hydrocarbon group having 1 to 10 carbon atoms.
  • Any hydrogen atom of the aliphatic hydrocarbon group may be substituted with a fluorine atom.
  • at least one selected from the group consisting of an oxygen atom and an ester bond may be included between the carbon atom-carbon atom bonds of the aliphatic hydrocarbon group.
  • the aliphatic hydrocarbon group may contain an unsaturated bond.
  • the M represents a hydrogen atom, lithium ion, sodium ion, or potassium ion.
  • each R 14 is independently selected from the group consisting of a linear or branched alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, a cycloalkyl group having 3 to 10 carbon atoms, or -SiR 15 3 ; and any hydrogen atom of the organic group may be substituted with a fluorine atom. Further, an oxygen atom may be included between the carbon atom-carbon atom bonds of the organic group.
  • Each R 15 is independently selected from linear or branched alkyl groups having 1 to 4 carbon atoms.
  • R 3 and R 4 in the general formula (1) are each independently a hydrogen atom, a lithium ion, a sodium ion, or a linear or branched alkyl group having 1 to 4 carbon atoms or 3 to 4 carbon atoms;
  • R 1 and R 2 each independently represent PO(R f ) 2 or SO 2 R f .
  • Each R f independently represents a fluorine atom or a linear or branched perfluoroalkyl group having 1 to 4 carbon atoms or 3 to 4 carbon atoms.
  • R 3 and R 4 each independently represents a hydrogen atom, a lithium ion, a sodium ion, a potassium ion, or a linear or branched alkyl group having 1 to 12 carbon atoms or 3 to 12 carbon atoms;
  • An oxygen atom may be included between carbon atom-carbon atom bonds in the group. Any hydrogen atom of the alkyl group may be substituted with a fluorine atom.
  • R3 represents a lithium ion , sodium ion or potassium ion
  • the bond between the nitrogen atom and R3 in general formula ( 1 ) represents an ionic bond
  • R4 represents a lithium ion, sodium ion or potassium ion
  • the bond between the nitrogen atom and R4 in general formula (1) represents an ionic bond.
  • R 3 and R 4 may also form a ring structure together with the nitrogen atom to which they are attached. In this case, R 3 and R 4 together form an alkylene group having 2 to 4 carbon atoms, and an oxygen atom is included between the carbon atom-carbon atom bonds in the alkylene group. or may have an alkyl group on its side chain.
  • Any hydrogen atom in the alkyl group and alkylene group may be substituted with a fluorine atom.
  • Any one of [1] to [10], wherein the content of (II) with respect to the total of (I), (II), (III) and (IV) is 0.01% by mass to 10.0% by mass 1.
  • non-aqueous electrolyte solution according to any one of [1] to [11], wherein the non-aqueous organic solvent contains at least one selected from the group consisting of cyclic carbonates and chain carbonates.
  • the cyclic carbonate is at least one selected from the group consisting of ethylene carbonate, propylene carbonate, and fluoroethylene carbonate
  • the chain carbonate is the group consisting of ethyl methyl carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, and methyl propyl carbonate.
  • a non-aqueous electrolyte battery comprising a positive electrode, a negative electrode, and the non-aqueous electrolyte according to any one of [1] to [14].
  • the initial resistance value is after performing a total of three cycles of charging and discharging, including the first charging and discharging to form an electrode film and then two cycles of charging and discharging to stabilize the battery.
  • the non-aqueous electrolyte of the present disclosure is (I) a compound represented by the above general formula (1), (II) at least one compound selected from the group consisting of compounds represented by the general formulas (2) to (4) and (6); (III) a solute and (IV) a non-aqueous electrolyte containing a non-aqueous organic solvent.
  • the non-aqueous electrolyte of the present disclosure contains a compound represented by general formula (1), which is component (I).
  • component (I) When the non-aqueous electrolyte containing the component (I) is used in a non-aqueous electrolyte battery (for example, a lithium ion secondary battery or a sodium ion secondary battery), the component (I) is present on at least the positive electrode and the negative electrode. It decomposes at a high temperature and forms a film with good ion conductivity on at least one of the surfaces of the positive electrode and the negative electrode.
  • this coating suppresses direct contact between the non-aqueous organic solvent or solute and the electrode active material, and lowers the Li or Na ion dissociation energy of the solute.
  • the present inventors presume that the component (I) forms a film on the electrode surface together with the component (II), which will be described later, and as a result, the initial resistance of the non-aqueous electrolyte battery is reduced. .
  • R 1 and R 2 each independently represent PO(R f ) 2 or SO 2 R f .
  • Each R f independently represents a fluorine atom or a linear or branched perfluoroalkyl group having 1 to 4 carbon atoms or 3 to 4 carbon atoms.
  • Specific examples of when R f represents a linear or branched perfluoroalkyl group having 1 to 4 carbon atoms or a branched perfluoroalkyl group having 3 to 4 carbon atoms include, for example, a trifluoromethyl group, a pentafluoroethyl group, a heptafluoro Examples include propyl group, heptafluoroisopropyl group, nonafluoro-n-butyl group and the like. Among them, a trifluoromethyl group is preferred.
  • R f is preferably a fluorine atom.
  • Two R f in PO(R f ) 2 may be the same or different.
  • R 1 and R 2 are each independently preferably POF 2 or SO 2 F, and both R 1 and R 2 are preferably SO 2 F.
  • R 3 and R 4 each independently represent a hydrogen atom, a lithium ion, a sodium ion, a potassium ion, or a linear or branched alkyl group having 1 to 12 carbon atoms or 3 to 12 carbon atoms.
  • R 3 and R 4 represent a linear or branched alkyl group having 1 to 12 carbon atoms or a branched alkyl group having 3 to 12 carbon atoms include, for example, methyl group, ethyl group, n-propyl group, isopropyl group, n-butyl group, sec-butyl group, isobutyl group, tert-butyl group, n-pentyl group and the like.
  • An oxygen atom may be included between the carbon atom-carbon atom bonds in the alkyl group.
  • Specific examples of the alkyl group containing an oxygen atom between carbon atom-carbon atom bonds include a 2-methoxyethyl group and a 2-ethoxyethyl group.
  • any hydrogen atom in the above alkyl group may be substituted with a fluorine atom.
  • the alkyl group in which any hydrogen atom is substituted with a fluorine atom include a trifluoromethyl group, a difluoromethyl group, a fluoromethyl group, a 2,2,2-trifluoroethyl group, a 2,2-difluoroethyl group, 2-fluoroethyl group, 3-fluoropropyl group, 3,3,3-trifluoropropyl group, 2,2,3,3,3-pentafluoropropyl group, 2,2,3,3-tetrafluoropropyl group , hexafluoroisopropyl group, and the like.
  • the above alkyl group is preferably an alkyl group having 6 or less carbon atoms because it can reduce the resistance when a film is formed on the electrode.
  • the alkyl group is more preferably an alkyl group having 4 or less carbon atoms, and particularly preferably a methyl group, ethyl group, n-propyl group, isopropyl group, n-butyl group, or tert-butyl group. .
  • R 3 and R 4 are each independently preferably a hydrogen atom, a lithium ion, a sodium ion, or a linear or branched alkyl group having 1 to 4 carbon atoms or 3 to 4 carbon atoms; , a lithium ion, a sodium ion, or an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, more preferably a hydrogen atom, a lithium ion, a sodium ion, or a methyl group, any of R 3 and R 4 Lithium ions are particularly preferred.
  • R 3 and R 4 may also form a ring structure together with the nitrogen atom to which they are attached.
  • R 3 and R 4 together form an alkylene group having 2 to 4 carbon atoms, and an oxygen atom is included between the carbon atom-carbon atom bonds in the alkylene group. or may have an alkyl group on its side chain. Any hydrogen atom in the alkyl group and alkylene group may be substituted with a fluorine atom.
  • the alkylene group includes, for example, an ethylene group, a propylene group, and the like, and an ethylene group is particularly preferred.
  • the compound represented by general formula (1) is preferably at least one selected from the group consisting of compounds represented by the following formulas (1a) to (1y). More preferably, a compound represented by formula (1a) (also referred to as compound (1a)), a compound represented by formula (1b) (also referred to as compound (1b)), or a compound represented by formula (1c) compound (also referred to as compound (1c)), compound represented by formula (1e) (also referred to as compound (1e)), compound represented by formula (1p) (also referred to as compound (1p)), formula at least one selected from the group consisting of a compound represented by (1w) (also referred to as compound (1w)) and a compound represented by formula (1x) (also referred to as compound (1x)); At least one selected from the group consisting of compound (1a), compound (1e), compound (1w), and compound (1x) is preferred, and compound (1a) is particularly preferred.
  • the compound represented by general formula (1) is preferably used as an additive.
  • the content of (I) with respect to the total (100% by mass) of (I), (II), (III) and (IV) (hereinafter also referred to as "concentration of (I)" ), the lower limit is preferably 0.01% by mass or more, more preferably 0.05% by mass or more, and still more preferably 0.1% by mass or more.
  • the upper limit of the concentration of (I) is preferably 10.0% by mass or less, more preferably 5.0% by mass or less, and even more preferably 2.0% by mass or less.
  • the concentration of (I) By setting the concentration of (I) to 0.01% by mass or more, the effect of suppressing the initial resistance increase of a non-aqueous electrolyte battery using the non-aqueous electrolyte is likely to be obtained. On the other hand, by setting the concentration of (I) to 10.0% by mass or less, the viscosity increase of the non-aqueous electrolyte can be suppressed, and the effect of improving the high-temperature cycle characteristics of a non-aqueous electrolyte battery using the non-aqueous electrolyte can be obtained. easier to get.
  • one type of compound may be used alone as component (I), or two or more types of compounds may be used by mixing them in any combination and ratio according to the application.
  • the method for synthesizing the compound represented by the general formula (1) is not particularly limited. ), 237, by reacting fluorosulfonyl isocyanate with water or by reacting phosgene with methylsulfamoyl fluoride. Furthermore, by reacting with an inorganic base such as an alkali metal hydride ion, the compound represented by the above general formula (1) in which R 3 and R 4 are lithium ion, sodium ion, or potassium ion can be synthesized. can be done.
  • the non-aqueous electrolyte of the present disclosure contains (II) at least one compound selected from the group consisting of compounds represented by general formulas (2) to (4) and (6).
  • component (I) and component (II) in combination, a higher initial resistance reduction effect can be obtained than when each component is used alone.
  • R5 is a hydrogen atom, a lithium ion, a sodium ion, a potassium ion, an alkyl group having 5 or less carbon atoms, an alkoxy group, an alkenyl group, an alkenyloxy group, an alkynyl group, an alkynyloxy group having 6 or more carbon atoms; represents an aryl group having 10 or less, or an aryloxy group having 6 or more and 10 or less carbon atoms.
  • the number of carbon atoms in the alkyl group is preferably 1 or more and 5 or less, and examples thereof include methyl group, ethyl group, n-propyl group, isopropyl group, n-butyl group and tert-butyl group.
  • any hydrogen atom in the above alkyl group may be substituted with a fluorine atom.
  • the alkyl group in which any hydrogen atom is substituted with a fluorine atom include a trifluoromethyl group, a difluoromethyl group, a fluoromethyl group, a 2,2,2-trifluoroethyl group, a 2,2-difluoroethyl group, 2-fluoroethyl group, 3-fluoropropyl group, 3,3,3-trifluoropropyl group, 2,2,3,3,3-pentafluoropropyl group, 2,2,3,3-tetrafluoropropyl group , hexafluoroisopropyl group, and the like.
  • An oxygen atom may be included between the carbon atom-carbon atom bonds in the alkyl group.
  • Specific examples of the alkyl group containing an oxygen atom between carbon atom-carbon atom bonds include a 2-methoxyethyl group and a 2-ethoxyethyl group.
  • the number of carbon atoms in the alkoxy group is 5 or less, preferably 1 or more and 5 or less, and the alkenyl group, the alkenyloxy group, the alkynyl group, and the alkynyloxy group have 5 or less carbon atoms. , is preferably 2 or more and 5 or less.
  • the aryl group and the aryloxy group have 6 or more and 10 or less carbon atoms.
  • Examples include phenyl group, tolyl group, o-xylyl group, m-butylphenyl group, p-butylphenyl group and the like. Any hydrogen atom of the alkoxy group, alkenyl group, alkenyloxy group, alkynyl group, alkynyloxy group, aryl group, and aryloxy group may be substituted with a fluorine atom. In addition, an oxygen atom may be included between the carbon atom-carbon atom bonds of these groups.
  • R 5 is preferably a lithium ion, a sodium ion or a potassium ion, particularly preferably a lithium ion.
  • Specific examples of the compound represented by formula (2) include lithium difluorophosphate.
  • R5 represents a lithium ion, sodium ion or potassium ion
  • the bond between the oxygen atom and R5 in general formula ( 2 ) represents an ionic bond.
  • R 6 to R 9 independently represents a fluorine atom or a group represented by —OR 10 .
  • R 10 is a straight or branched alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, a straight or branched alkenyl group having 2 to 10 carbon atoms, a straight or branched chain having 2 to 10 carbon atoms It is at least one organic group selected from the group consisting of an alkynyl group, a cycloalkyl or cycloalkenyl group having 3 to 10 carbon atoms, and an aryl group having 6 to 10 carbon atoms.
  • alkyl group examples and preferred ranges of the alkyl group, the alkenyl group, the alkynyl group, and the aryl group are the same as those described in the explanation of R 5 in the general formula (2).
  • examples of the cycloalkyl group and cycloalkenyl group include cyclopropyl group, cyclopentyl group, cyclopropenyl group, cyclopentynyl group and the like.
  • Any hydrogen atom of the organic group represented by R 10 may be substituted with a fluorine atom. Further, the organic group may contain an unsaturated bond, and an oxygen atom may be contained between the carbon atom-carbon atom bonds of the organic group.
  • R 6 to R 9 represents a fluorine atom. Any one of R 6 to R 9 preferably represents a fluorine atom.
  • M in the general formula (3) represents a lithium ion, a sodium ion or a potassium ion, preferably a lithium ion. It is particularly preferred that all of R 6 , R 7 , R 8 and R 9 in general formula (3) are fluorine atoms and M is a lithium ion.
  • Lithium bis(difluorophosphate)imide can be synthesized, for example, by reacting phosphoryl trifluoride obtained by reacting phosphoryl chloride with hydrogen fluoride, and lithium hexamethyldisilazide.
  • n represents an integer of 1 to 3
  • L represents an aliphatic hydrocarbon group having 1 to 10 carbon atoms or OM.
  • L represents an aliphatic hydrocarbon group having 1 to 10 carbon atoms.
  • L represents an aliphatic hydrocarbon group
  • n 1, it is a monovalent aliphatic hydrocarbon group
  • n 2, it is a divalent aliphatic hydrocarbon group
  • n 3 is a trivalent aliphatic hydrocarbon group.
  • the above aliphatic hydrocarbon groups include monovalent methyl, ethyl, propyl and butyl groups, divalent methylene, ethylene, propylene and trimethylene groups, and trivalent A methine group etc. are mentioned as a thing.
  • the aliphatic hydrocarbon group preferably has 1 to 6 carbon atoms, more preferably 1 to 4 carbon atoms. Any hydrogen atom in the above aliphatic hydrocarbon group may be substituted with a fluorine atom. In addition, at least one selected from the group consisting of an oxygen atom and an ester bond may be included between the carbon atom-carbon atom bonds of the aliphatic hydrocarbon group. Also, the aliphatic hydrocarbon group may contain an unsaturated bond.
  • M represents a hydrogen atom, lithium ion, sodium ion, or potassium ion.
  • n in general formula (4) is 1 and L is OLi, n is 2 and L is CH2 , or n is 1 and L is CH3 .
  • Specific examples of the compound represented by the general formula (4) include lithium fluorosulfonate, methanesulfonyl fluoride, methanedisulfonyl difluoride, ethanesulfonyl fluoride, ethanedisulfonyl fluoride, propanesulfonyl fluoride, and the like. Methanesulfonyl fluoride and methanedisulfonyl difluoride are particularly preferred.
  • the non-aqueous electrolyte of the present disclosure contains a solute.
  • the solute is not particularly limited, it is preferably an ionic salt, more preferably an ionic salt containing fluorine.
  • solute examples include at least one cation selected from the group consisting of alkali metal ions such as lithium ions and sodium ions, alkaline earth metal ions, and quaternary ammonium ions, hexafluorophosphate anions, tetrafluoro Borate anion, perchlorate anion, hexafluoroarsenate anion, hexafluoroantimonate anion, trifluoromethanesulfonate anion, bis(trifluoromethanesulfonyl)imide anion, bis(pentafluoroethanesulfonyl)imide anion, (trifluoromethanesulfonyl) ) (pentafluoroethanesulfonyl)imide anion, bis(fluorosulfonyl)imide anion, (trifluoromethanesulfonyl)(fluorosulfonyl)imide anion, (penta)
  • solutes may be used alone, or two or more types may be mixed and used in an arbitrary combination and ratio according to the application.
  • the cation is at least one selected from the group consisting of lithium, sodium, magnesium, and quaternary ammonium, and the anion is hexafluorophosphate.
  • At least one selected from the group consisting of anions, tetrafluoroborate anions, bis(trifluoromethanesulfonyl)imide anions, bis(fluorosulfonyl)imide anions, and (difluorophosphoryl)(fluorosulfonyl)imide anions is preferred.
  • the total amount of solutes in the non-aqueous electrolyte of the present disclosure (hereinafter also referred to as "solute concentration") is not particularly limited, but the lower limit is preferably 0.5 mol/L or more, more preferably 0.7 mol. /L or more, more preferably 0.9 mol/L or more. Also, the upper limit of the solute concentration is preferably 5.0 mol/L or less, more preferably 4.0 mol/L or less, and still more preferably 2.0 mol/L or less.
  • the solute concentration By setting the solute concentration to 0.5 mol/L or more, it is possible to suppress the deterioration of the cycle characteristics and output characteristics of the non-aqueous electrolyte battery due to the decrease in ionic conductivity. It is possible to suppress the decrease in ionic conductivity, the cycle characteristics of the non-aqueous electrolyte battery, and the output characteristics due to an increase in the viscosity of the electrolyte.
  • Non-aqueous organic solvent used in the non-aqueous electrolyte of the present disclosure is not particularly limited, and any non-aqueous organic solvent can be used.
  • EMC ethyl methyl carbonate
  • DMC dimethyl carbonate
  • DEC diethyl carbonate
  • methyl propyl carbonate ethyl propyl carbonate, methyl butyl carbonate
  • 2,2,2-trifluoroethyl methyl carbonate 2,2,2-trifluoroethyl ethyl carbonate
  • 2,2,2-trifluoroethyl propyl carbonate bis(2,2,2 -trifluoroethyl) carbonate, 1,1,1,3,3,3-hexafluoro-1-propylmethyl carbonate, 1,1,1,3,3,3-hexafluoro-1
  • the non-aqueous organic solvent is at least one selected from the group consisting of cyclic carbonates and chain carbonates from the viewpoint of excellent cycle characteristics at high temperatures. Moreover, it is preferable that the non-aqueous organic solvent is at least one selected from the group consisting of esters, because the input/output characteristics at low temperatures are excellent.
  • cyclic carbonate examples include EC, PC, butylene carbonate, FEC, etc.
  • EC EC
  • PC butylene carbonate
  • FEC fluorescence-activated carbonate
  • at least one selected from the group consisting of EC, PC, and FEC is preferable.
  • chain carbonate examples include EMC, DMC, DEC, methylpropyl carbonate, ethylpropyl carbonate, 2,2,2-trifluoroethylmethyl carbonate, 2,2,2-trifluoroethylethyl carbonate, 1,1, 1,3,3,3-hexafluoro-1-propylmethyl carbonate and 1,1,1,3,3,3-hexafluoro-1-propylethyl carbonate, among others EMC, DMC, DEC, and at least one selected from the group consisting of methyl propyl carbonate.
  • esters include methyl acetate, ethyl acetate, methyl propionate, ethyl propionate, methyl 2-fluoropropionate, and ethyl 2-fluoropropionate.
  • additive components generally used in the non-aqueous electrolytic solution of the present disclosure may be further added in any ratio.
  • specific examples of other additives include cyclohexylbenzene, cyclohexylfluorobenzene, fluorobenzene, biphenyl, difluoroanisole, tert-butylbenzene, tert-amylbenzene, 2-fluorotoluene, 2-fluorobiphenyl, vinylene carbonate, and dimethylvinylene.
  • the non-aqueous electrolytic solution of the present disclosure may contain a compound represented by the following general formula (5) as another additive.
  • R 11 to R 13 each independently represent a fluorine atom, a linear alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, a branched alkyl group having 3 to 10 carbon atoms, straight-chain alkoxy groups of 1 to 10 carbon atoms, branched alkoxy groups of 3 to 10 carbon atoms, alkenyl groups of 2 to 10 carbon atoms, alkenyloxy groups of 2 to 10 carbon atoms, and 2 to 10 carbon atoms alkynyl group, alkynyloxy group having 2 to 10 carbon atoms, cycloalkyl group having 3 to 10 carbon atoms, cycloalkoxy group having 3 to 10 carbon atoms, cycloalkenyl group having 3 to 10 carbon atoms, number of carbon atoms an organic group selected from a cycloalkenyloxy group having 3 to 10 carbon atoms, an aryl group having 6 to 10 carbon atoms, and an aryloxy group having 6 to 10 carbon carbon
  • R 11 to R 13 is a fluorine atom.
  • M m+ is an alkali metal cation, an alkaline earth metal cation, or an onium cation, where m represents an integer of the same number as the valence of the corresponding cation.
  • At least one of R 11 to R 13 is a fluorine atom; At least one of R 11 to R 13 is preferably a compound selected from hydrocarbon groups having 6 or less carbon atoms which may contain fluorine atoms.
  • At least one of R 11 to R 13 is a fluorine atom; at least one of R 11 to R 13 is a methyl group, methoxy group, ethyl group, ethoxy group, propyl group, propoxyl group, vinyl group, allyl group, allyloxy group, ethynyl group, 2-propynyl group, 2-propynyloxy; group, phenyl group, phenyloxy group, 2,2-difluoroethyl group, 2,2-difluoroethyloxy group, 2,2,2-trifluoroethyl group, 2,2,2-trifluoroethyloxy group, 2 , 2,3,3-tetrafluoropropyl group, 2,2,3,3-tetrafluoropropyloxy group, 1,1,1,3,3,3-hexafluoroisopropyl group, and 1,1,1, Compounds selected from 3,3,3
  • the counter cation M m+ of the salt having the imide anion represented by the general formula (5) is preferably selected from the group consisting of lithium ion, sodium ion, potassium ion and tetraalkylammonium ion.
  • the alkyl group and alkoxyl group represented by R 11 to R 13 include a methyl group, an ethyl group, a propyl group, an isopropyl group, a butyl group, a sec-butyl group, a tertiary butyl group, pentyl group, 2,2-difluoroethyl group, 2,2,2-trifluoroethyl group, 2,2,3,3-tetrafluoropropyl group, and 1,1,1,3,3,3 Examples include alkyl groups having 1 to 10 carbon atoms such as -hexafluoroisopropyl group, fluorine-containing alkyl groups, and alkoxy groups derived from these groups.
  • the alkenyl group and alkenyloxy group include alkenyl groups having 2 to 10 carbon atoms such as vinyl group, allyl group, 1-propenyl group, isopropenyl group, 2-butenyl group, and 1,3-butadienyl group. Examples include fluorine alkenyl groups and alkenyloxy groups derived from these groups.
  • the alkynyl group and alkynyloxy group include alkynyl groups and fluorine-containing alkynyl groups having 2 to 10 carbon atoms such as ethynyl group, 2-propynyl group, and 1,1 dimethyl-2-propynyl group, and these groups. Examples include derivatized alkynyloxy groups.
  • Cycloalkyl groups and cycloalkoxy groups include cycloalkyl groups and fluorine-containing cycloalkyl groups having 3 to 10 carbon atoms such as cyclopentyl and cyclohexyl groups, and cycloalkoxy groups derived from these groups. .
  • the cycloalkenyl group and cycloalkenyloxy group include cycloalkenyl groups and fluorine-containing cycloalkenyl groups having 3 to 10 carbon atoms such as cyclopentenyl group and cyclohexenyl group, and cycloalkenyloxy groups derived from these groups. groups.
  • Aryl groups and aryloxy groups include aryl groups and fluorine-containing aryl groups having 6 to 10 carbon atoms such as phenyl, tolyl, and xylyl groups, and aryloxy groups derived from these groups. .
  • the content of the other additive in the non-aqueous electrolyte is preferably 0.01% by mass or more and 8.0% by mass or less with respect to the total amount of the non-aqueous electrolyte.
  • the negative electrode coating is used as "other additives". Formation effect and positive electrode protection effect can be exhibited.
  • the content in the non-aqueous electrolyte is preferably 0.01% by mass to 5.0% by mass.
  • ionic salts in this case include lithium trifluoromethanesulfonate, sodium trifluoromethanesulfonate, potassium trifluoromethanesulfonate, magnesium trifluoromethanesulfonate, lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide, and bis(trifluoromethanesulfonyl).
  • Alkali metal salts other than the above solutes may be used as additives.
  • Specific examples include carboxylates such as lithium acrylate, sodium acrylate, lithium methacrylate, and sodium methacrylate, and sulfate ester salts such as lithium methyl sulfate, sodium methyl sulfate, lithium ethyl sulfate, and sodium ethyl sulfate. .
  • the non-aqueous electrolyte of the present disclosure includes vinylene carbonate, lithium bis(oxalato)borate, lithium difluorooxalatoborate, lithium difluorobis(oxalato)phosphate, lithium tetrafluorooxalatophosphate, bis(fluorosulfonyl)imide It preferably contains at least one selected from lithium, (difluorophosphoryl)(fluorosulfonyl)imidelithium, 1,3-propenesultone and 1,3-propanesultone.
  • non-aqueous electrolyte of the present disclosure can also contain a polymer, and the non-aqueous electrolyte is pseudo-solidified with a gelling agent or a cross-linked polymer as in the case of using a non-aqueous electrolyte battery called a polymer battery. It is also possible to use Polymer solid electrolytes also include those containing non-aqueous organic solvents as plasticizers.
  • the polymer is not particularly limited as long as it is an aprotic polymer capable of dissolving the above (I) to (III) and other additives.
  • examples thereof include polymers having polyethylene oxide as a main chain or side chain, homopolymers or copolymers of polyvinylidene fluoride, methacrylic acid ester polymers, polyacrylonitrile, and the like.
  • an aprotic non-aqueous organic solvent is preferred among the above non-aqueous organic solvents.
  • the non-aqueous electrolyte battery of the present disclosure includes at least the non-aqueous electrolyte of the present disclosure, a negative electrode, and a positive electrode. Furthermore, it is preferable to include a separator, an outer package, and the like.
  • the negative electrode is not particularly limited, it is preferable to use a material in which alkali metal ions such as lithium ions and sodium ions, or alkaline earth metal ions can be reversibly intercalated and deintercalated.
  • the positive electrode is not particularly limited, it is preferable to use a material in which alkali metal ions such as lithium ions and sodium ions, or alkaline earth metal ions can be reversibly intercalated and deintercalated.
  • the cation is lithium
  • lithium metal when the cation is lithium
  • a conductive polymer or the like is used.
  • the carbon material include graphitizable carbon, non-graphitizable carbon (also called hard carbon) having a (002) plane spacing of 0.37 nm or more, and (002) plane spacing of 0.37 nm or more.
  • Graphite of 37 nm or less can be used, and the latter includes artificial graphite, natural graphite, and the like.
  • lithium-containing transition metal composite oxides such as LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMnO 2 and LiMn 2 O 4 are used as the positive electrode material, and the lithium-containing transition metal composite oxides such as Co, Mn and Ni are used.
  • Phosphate compounds of transition metals oxides such as TiO 2 , V 2 O 5 and MoO 3 , sulfides such as TiS 2 and FeS, conductive polymers such as polyacetylene, polyparaphenylene, polyaniline and polypyrrole, activated carbon , a polymer that generates radicals, a carbon material, or the like is used.
  • Acetylene black, ketjen black, carbon fiber, or graphite as a conductive material and polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, or SBR resin as a binder are added to the positive electrode and negative electrode materials, and then molded into a sheet.
  • An electrode sheet can be used.
  • Nonwoven fabrics and porous sheets made of polypropylene, polyethylene, paper, glass fiber, etc. are used as separators to prevent contact between the positive and negative electrodes.
  • a coin-shaped, cylindrical, rectangular, or aluminum laminate sheet-shaped electrochemical device is assembled from the above elements.
  • LiPF 6 was added in an amount that gave a concentration of 1.0 mol/L with respect to the total amount of the non-aqueous electrolyte
  • lithium difluorophosphate was mixed with the non-aqueous organic solvent and LiPF 6 .
  • Lithium difluorophosphate was added so as to have a concentration of 0.5% by mass with respect to the total amount, and dissolved by stirring for 1 hour to prepare a comparative non-aqueous electrolyte 1-1 of Comparative Example 1-1.
  • component (IV) LiPF 6
  • Non-aqueous electrolyte 1-1 except that the type and content of component (I), the type and content of component (II), and the type and content of other additives are changed as shown in Table 1, and Non-aqueous electrolyte solutions 1-2, 1-3, comparative non-aqueous electrolyte solutions 1-2, 1-4, 1-5, reference non-aqueous electrolyte solutions were prepared in the same manner as in the preparation of comparative non-aqueous electrolyte solution 1-1. Got 1-3.
  • Example 2-1 to 2-3 Comparative Examples 2-1 to 2-2, Reference Example 2-3> (Preparation of nonaqueous electrolyte solutions 2-1 to 2-3, comparative nonaqueous electrolyte solutions 2-1 to 2-2, and reference nonaqueous electrolyte solution 2-3)
  • Non-aqueous electrolyte 1-1 and comparative non-aqueous electrolyte 1-1 except that the type and content of component (I) and the type and content of component (II) were changed as shown in Table 2.
  • Non-aqueous electrolyte solutions 2-1 to 2-3, comparative non-aqueous electrolyte solutions 2-1 to 2-2, and reference non-aqueous electrolyte solution 2-3 were obtained in the same manner as in the preparation.
  • Example 3-1 to 3-3 Comparative Examples 3-1 to 3-2, Reference Example 3-3> (Preparation of non-aqueous electrolytes 3-1 to 3-3, comparative non-aqueous electrolytes 3-1 to 3-2, and reference non-aqueous electrolyte 3-3)
  • Non-aqueous electrolyte 1-1 and comparative non-aqueous electrolyte 1-1 except that the type and content of component (I) and the type and content of component (II) were changed as shown in Table 3.
  • Non-aqueous electrolyte solutions 3-1 to 3-3, comparative non-aqueous electrolyte solutions 3-1 to 3-2, and reference non-aqueous electrolyte solution 2-3 were obtained in the same manner as in the preparation.
  • Examples 4-1 to 4-3, Comparative Examples 4-1 to 4-2> (Preparation of non-aqueous electrolyte solutions 4-1 to 4-3 and comparative non-aqueous electrolyte solutions 4-1 to 4-2)
  • Non-aqueous electrolyte solutions 4-1 to 4-3 and comparative non-aqueous electrolyte solutions 4-1 to 4-2 were obtained in the same manner as in the preparation.
  • Examples 5-1 to 5-3, Comparative Examples 5-1 to 5-2> (Preparation of non-aqueous electrolytes 5-1 to 5-3 and comparative non-aqueous electrolytes 5-1 to 5-2)
  • Non-aqueous electrolyte solutions 5-1 and 5-2 and comparative non-aqueous electrolyte solutions 5-1 and 5-2 were obtained in the same manner as in the preparation.
  • Example 6-1 to 6-3 Comparative Example 6-1> (Preparation of non-aqueous electrolytes 6-1 to 6-3 and comparative non-aqueous electrolyte 6-1)
  • Non-aqueous electrolyte solutions 6-1 to 6-3 and comparative non-aqueous electrolyte solution 6-1 were obtained in the same manner as in the preparation.
  • VC vinylene carbonate
  • DFP lithium difluorophosphate
  • BFPI lithium bis(difluorophosphate)imide
  • MSF methanesulfonyl fluoride
  • MDSDF methanedisulfonyl difluoride.
  • TFBL means lithium tetrafluoroborate
  • FS means lithium fluorosulfonate.
  • the content of component (I) represents the concentration relative to the total amount of components (I) to (IV).
  • the content of component (II) represents the concentration relative to the total amount of components (I) to (IV).
  • NCM622 positive electrode 90% by mass of LiNi 0.6 Co 0.2 Mn 0.2 O 2 powder is mixed with 5% by mass of polyvinylidene fluoride (hereinafter also referred to as PVDF) as a binder and 5% by mass of acetylene black as a conductive material, Further, N-methyl-2-pyrrolidone was added to prepare a positive electrode mixture paste. This paste was applied to both sides of an aluminum foil (A1085), dried and pressed, and then punched out to a size of 4 cm ⁇ 5 cm to obtain an NCM622 positive electrode for testing.
  • PVDF polyvinylidene fluoride
  • the non-aqueous electrolyte battery using the non-aqueous electrolyte of the present disclosure containing component (I) and component (II) has low initial resistance and is excellent.
  • component (I) and component (II) have low initial resistance and is excellent.
  • the compound (1a) and DFP are used in combination at 0.5% by mass, respectively, the vinylene carbonate disclosed in Patent Document 1 and the lithium difluorophosphate disclosed in Patent Document 2 are used in combination at 1.0% by mass. A result was obtained that the resistance value was lower than in the case.

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Abstract

明細書中に記載の一般式(1)で表される化合物、一般式(2)~(4)、(6)で表される化合物からなる群から選ばれる少なくとも1種の化合物、溶質、及び非水有機溶媒を含有する非水電解液により、初期抵抗値の低い非水電解液、及び非水電解液電池を提供する。

Description

非水電解液及び非水電解液電池
 本開示は、非水電解液及び非水電解液電池に関するものである。
 これまで非水電解液電池のサイクル特性、高温貯蔵特性等、耐久性を改善するための手段として、正極や負極の活物質をはじめとする様々な電池構成要素の最適化が検討されてきた。非水電解液関連技術もその例外ではなく、活性な正極や負極の表面で非水電解液が分解することによる劣化を種々の添加剤で抑制することが提案されている。
 特許文献1には、非水電解液にビニレンカーボネートを添加することにより、高温貯蔵特性等の各電池特性を向上させることが提案されている。この方法はビニレンカーボネートの重合によるポリマー皮膜で電極をコートすることにより非水電解液の電極表面での分解を防ぐものであるが、リチウムイオンもこの皮膜を通過しにくいため内部抵抗が上昇することが課題となっている。
 この問題を解決するには特許文献2で開示されたジフルオロリン酸リチウムの添加が有効であり、ビニレンカーボネートとジフルオロリン酸リチウムを併せて使用する事で、高い高温貯蔵特性を保ったまま内部抵抗の上昇を抑制した電池が得られる事が知られている。
 また、複数の添加剤の組み合わせでなく、単体の添加剤として、フルオロスルホン酸塩を非水電解液に含有させることによって、入出力特性、インピーダンス特性を改善する方法が特許文献3に開示されている。
日本国特許第3438636号公報 日本国特許第3439085号公報 日本国特開2013-152956号公報
 しかしながら、本発明者らが検討したところ、ビニレンカーボネートを含む非水電解液にジフルオロリン酸リチウムを添加した場合においても、内部抵抗の上昇抑制効果は小さく、また、特許文献3に示されるフルオロスルホン酸リチウム含有非水電解液を用いた場合においても、初期の入出力特性を向上させる効果は小さいことが分かった。このように、抵抗特性、特に初期の抵抗特性については改善の余地があった。
 本開示は、上記事情を鑑みてなされたもので、初期抵抗値の低い非水電解液、及び非水電解液電池を提供することを目的とする。
 本発明者らは、かかる問題に鑑み、鋭意研究を重ねたところ、(I)一般式(1)で表される化合物のうち1種類以上(以降、「成分(I)」や単に「(I)」と記載する場合がある。)、(II)一般式(2)~(4)、(6)で表される化合物の中から1種類以上(以降、「成分(II)」や単に「(II)」と記載する場合がある。)、(III)溶質(以降、「成分(III)」や単に「(III)」と記載する場合がある。)、及び(IV)非水有機溶媒(以降、「成分(IV)」や単に「(IV)」と記載する場合がある。)を含有する非水電解液により、初期抵抗値の低い非水電解液電池が得られる事を見出し、本発明を完成させるに至った。
 すなわち、本発明者らは、以下の構成により上記課題を解決することができることを見出した。
[1]
(I)下記一般式(1)で表される化合物、
(II)下記一般式(2)~(4)、(6)で表される化合物からなる群から選ばれる少なくとも1種の化合物、
(III)溶質、及び
(IV)非水有機溶媒を含有する非水電解液。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000008
[一般式(1)中、R及びRはそれぞれ独立に、PO(R又はSOを表す。Rはそれぞれ独立に、フッ素原子又は炭素原子数1~4の直鎖若しくは炭素原子数3~4の分岐状のパーフルオロアルキル基を表す。
 R及びRはそれぞれ独立に、水素原子、リチウムイオン、ナトリウムイオン、カリウムイオン、又は炭素原子数1~12の直鎖若しくは炭素原子数3~12の分岐状のアルキル基を表し、前記アルキル基中の炭素原子-炭素原子結合間には、酸素原子が含まれていてもよい。また、前記アルキル基の任意の水素原子はフッ素原子に置換されていても良い。Rがリチウムイオン、ナトリウムイオン又はカリウムイオンを表す場合、一般式(1)中の窒素原子とRとの結合はイオン結合を表す。Rがリチウムイオン、ナトリウムイオン又はカリウムイオンを表す場合、一般式(1)中の窒素原子とRとの結合はイオン結合を表す。また、R及びRは、それらが結合する窒素原子と一緒になって、環状構造を形成してもよい。この場合、R及びRは、一緒になって、炭素原子数2~4のアルキレン基を形成し、該アルキレン基中の炭素原子-炭素原子結合間には、酸素原子が含まれていてもよく、その側鎖にアルキル基を有していてもよい。また、前記アルキル基及びアルキレン基の任意の水素原子はフッ素原子に置換されていても良い。]
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000009
[一般式(2)中、Rは水素原子、リチウムイオン、ナトリウムイオン、カリウムイオン、炭素原子数が5以下である、アルキル基、アルコキシ基、アルケニル基、アルケニルオキシ基、アルキニル基、アルキニルオキシ基、炭素原子数が6以上10以下であるアリール基、又は、炭素原子数が6以上10以下であるアリールオキシ基を表す。前記アルキル基、前記アルコキシ基、前記アルケニル基、前記アルケニルオキシ基、前記アルキニル基、前記アルキニルオキシ基、前記アリール基、及び前記アリールオキシ基の任意の水素原子はフッ素原子に置換されていてもよい。また、これらの基の炭素原子-炭素原子結合間には酸素原子が含まれていてもよい。但し、Rがリチウムイオン、ナトリウムイオン又はカリウムイオンを表す場合、一般式(2)中の酸素原子とRとの結合はイオン結合を表す。]
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000010
[式中、R~Rはそれぞれ独立して、フッ素原子、又は-OR10で示される基を表す。R10は炭素原子数1~10の直鎖若しくは分岐状のアルキル基、炭素原子数が2~10の直鎖若しくは分岐状のアルケニル基、炭素原子数が2~10の直鎖若しくは分岐状のアルキニル基、炭素原子数が3~10のシクロアルキル基又はシクロアルケニル基、及び、炭素原子数が6~10のアリール基からなる群より選ばれる少なくとも1つの有機基であり、前記有機基の任意の水素原子はフッ素原子に置換されていてもよい。また、前記有機基には不飽和結合が含まれていてもよく、前記有機基の炭素原子-炭素原子結合間には酸素原子が含まれていてもよい。Mはリチウムイオン、ナトリウムイオン又はカリウムイオンを表す。但し、R~Rの少なくとも1つはフッ素原子を示す。]
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000011
[式中、nは1~3の整数を表し、Lは炭素原子数1~10の脂肪族炭化水素基又はOMを表す。ただし、nが2又は3を表す場合、Lは炭素原子数1~10の脂肪族炭化水素基を表す。前記脂肪族炭化水素基の任意の水素原子はフッ素原子に置換されていてもよい。また、前記脂肪族炭化水素基の炭素原子-炭素原子結合間には酸素原子及びエステル結合からなる群より選ばれる少なくとも1つが含まれていてもよい。また、前記脂肪族炭化水素基には不飽和結合が含まれていてもよい。前記Mは水素原子、リチウムイオン、ナトリウムイオン、又はカリウムイオンを表す。]
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000012
[式中、R14はそれぞれ独立して、炭素原子数1~10の直鎖若しくは分岐状のアルキル基、炭素原子数が3~10のシクロアルキル基、又は-SiR15 からなる群より選ばれる少なくとも1つの有機基であり、前記有機基の任意の水素原子はフッ素原子に置換されていてもよい。また、前記有機基の炭素原子-炭素原子結合間には酸素原子が含まれていてもよい。R15はそれぞれ独立して、炭素原子数1~4の直鎖若しくは分岐状のアルキル基から選ばれる。]
[2]
 前記一般式(1)中のR及びRがそれぞれ独立に、POF又はSOFである[1]に記載の非水電解液。
[3]
 前記一般式(1)中のR及びRが、いずれもSOFである[1]又は[2]に記載の非水電解液。
[4]
 前記一般式(1)中のR及びRがそれぞれ独立に、水素原子、リチウムイオン、ナトリウムイオン、又は炭素原子数1~4の直鎖若しくは炭素原子数3~4の分岐状のアルキル基を表す[1]~[3]のいずれか1項に記載の非水電解液。
[5]
 前記一般式(1)で表される化合物が、下記式(1a)で表される化合物である、[1]~[4]のいずれか1項に記載の非水電解液。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000013
[6]
 前記一般式(2)で表される化合物のRがリチウムイオンである、[1]~[5]のいずれか1項に記載の非水電解液。
[7]
 前記一般式(3)で表される化合物のR、R、R、及びRがいずれもフッ素原子であり、Mがリチウムイオンである、[1]~[6]のいずれか1項に記載の非水電解液。
[8]
 前記一般式(4)で表される化合物のnが1でありLがOLiであるか、又は、nが2でありLがCHである、[1]~[7]のいずれか1項に記載の非水電解液。
[9]
(I)下記一般式(1)で表される化合物、
(II)LiBF
(III)LiBFを除く溶質、及び
(IV)非水有機溶媒を含有する非水電解液。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000014
[一般式(1)中、R及びRはそれぞれ独立に、PO(R又はSOを表す。Rはそれぞれ独立に、フッ素原子又は炭素原子数1~4の直鎖若しくは炭素原子数3~4の分岐状のパーフルオロアルキル基を表す。
 R及びRはそれぞれ独立に、水素原子、リチウムイオン、ナトリウムイオン、カリウムイオン、又は炭素原子数1~12の直鎖若しくは炭素原子数3~12の分岐状のアルキル基を表し、前記アルキル基中の炭素原子-炭素原子結合間には、酸素原子が含まれていてもよい。また、前記アルキル基の任意の水素原子はフッ素原子に置換されていても良い。Rがリチウムイオン、ナトリウムイオン又はカリウムイオンを表す場合、一般式(1)中の窒素原子とRとの結合はイオン結合を表す。Rがリチウムイオン、ナトリウムイオン又はカリウムイオンを表す場合、一般式(1)中の窒素原子とRとの結合はイオン結合を表す。また、R及びRは、それらが結合する窒素原子と一緒になって、環状構造を形成してもよい。この場合、R及びRは、一緒になって、炭素原子数2~4のアルキレン基を形成し、該アルキレン基中の炭素原子-炭素原子結合間には、酸素原子が含まれていてもよく、その側鎖にアルキル基を有していてもよい。また、前記アルキル基及びアルキレン基の任意の水素原子はフッ素原子に置換されていても良い。]
[10]
 前記(I)、(II)、(III)及び(IV)の合計に対する(I)の含有量が0.01質量%~10.0質量%である、[1]~[9]のいずれか1項に記載の非水電解液。
[11]
 前記(I)、(II)、(III)及び(IV)の合計に対する(II)の含有量が0.01質量%~10.0質量%である、[1]~[10]のいずれか1項に記載の非水電解液。
[12]
 前記非水有機溶媒が、環状カーボネート及び鎖状カーボネートからなる群から選ばれる少なくとも1種を含有する、[1]~[11]のいずれか1項に記載の非水電解液。
[13]
 前記環状カーボネートが、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、及びフルオロエチレンカーボネートからなる群から選ばれる少なくとも1種であり、前記鎖状カーボネートが、エチルメチルカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、及びメチルプロピルカーボネートからなる群から選ばれる少なくとも1種である、[12]に記載の非水電解液。
[14]
 更にビニレンカーボネート、ビス(オキサラト)ホウ酸リチウム、ジフルオロオキサラトホウ酸リチウム、ジフルオロビス(オキサラト)リン酸リチウム、テトラフルオロオキサラトリン酸リチウム、ビス(フルオロスルホニル)イミドリチウム、(ジフルオロホスホリル)(フルオロスルホニル)イミドリチウム、1,3-プロペンスルトン及び1,3-プロパンスルトンから選ばれる少なくとも1種を含有する、[1]~[13]のいずれか1項に記載の非水電解液。
[15]
 正極と、負極と、[1]~[14]のいずれか1項に記載の非水電解液とを含む、非水電解液電池。
 本開示によれば、初期抵抗値の低い非水電解液及び非水電解液電池を提供することができる。
 以下の実施形態における各構成及びそれらの組み合わせは単なる例示であり、本開示の趣旨から逸脱しない範囲内で、各種変更態様が可能である。また、本開示は実施形態によって限定されることはなく、特許請求の範囲によってのみ限定される。
 本件明細書において、「~」とはその前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む意味で使用される。
 なお、本件明細書において、初期抵抗値とは、電極被膜を形成させる最初の充放電と、その次に電池安定化のために行う2サイクルの充放電の計3サイクルの充放電を実施した後の非水電解液電池の抵抗値を表す。具体的には、電極被膜を形成させる最初の充放電と、その次に電池安定化のために行う2サイクルの充放電の計3サイクルの充放電を実施した後のインピーダンス測定による抵抗値を指すものである。
〔1.非水電解液〕
 本開示の非水電解液は、
(I)上記一般式(1)で表される化合物、
(II)上記一般式(2)~(4)、(6)で表される化合物からなる群から選ばれる少なくとも1種の化合物、
(III)溶質、及び
(IV)非水有機溶媒を含有する非水電解液である。
<(I)一般式(1)で表される化合物について>
 本開示の非水電解液は、成分(I)である一般式(1)で表される化合物を含む。
 上記成分(I)を含む非水電解液を、非水電解液電池(例えばリチウムイオン二次電池、又はナトリウムイオン二次電池)に用いると、成分(I)は少なくとも正極上及び負極上のいずれかで分解し、イオン伝導性の良い被膜を少なくとも正極及び負極のいずれかの表面に形成する。この被膜は、非水有機溶媒や溶質と電極活物質との間の直接の接触を抑制し、溶質のLi又はNaイオン乖離エネルギーを低下させると考えられる。また、成分(I)が、後述の成分(II)とともに電極表面に被膜を形成する結果、非水電解液電池の初期抵抗の低下効果を奏するものであると本発明者らは推定している。
 以下、一般式(1)で表される化合物について説明する。
 R及びRは、それぞれ独立に、PO(R又はSOを表す。
 Rは、それぞれ独立に、フッ素原子、又は炭素原子数1~4の直鎖若しくは炭素原子数3~4の分岐状のパーフルオロアルキル基を表す。
 Rが炭素原子数1~4の直鎖若しくは炭素原子数3~4の分岐状のパーフルオロアルキル基を表す場合の具体例としては、例えば、トリフルオロメチル基、ペンタフルオロエチル基、ヘプタフルオロプロピル基、ヘプタフルオロイソプロピル基、ノナフルオロ-n-ブチル基等が挙げられる。その中でも、トリフルオロメチル基が好ましい。
 Rは、フッ素原子であることが好ましい。
 PO(Rにおける2つのRは同一でも異なっていてもよい。
 R及びRは、それぞれ独立に、POF又はSOFであることが好ましく、R及びRは、いずれもSOFであることが好ましい。
 R及びRは、それぞれ独立に、水素原子、リチウムイオン、ナトリウムイオン、カリウムイオン、又は炭素原子数1~12の直鎖若しくは炭素原子数3~12の分岐状のアルキル基を表す。
 R及びRが炭素原子数1~12の直鎖若しくは炭素原子数3~12の分岐状のアルキル基を表す場合の具体例としては、例えば、メチル基、エチル基、n-プロピル基、イソプロピル基、n-ブチル基、sec-ブチル基、イソブチル基、tert-ブチル基、n-ペンチル基等が挙げられる。
 上記アルキル基中の炭素原子-炭素原子結合間には、酸素原子が含まれていてもよい。上記アルキル基中の炭素原子-炭素原子結合間に酸素原子が含まれている場合の具体例としては、例えば、2-メトキシエチル基、2-エトキシエチル基等が挙げられる。
 上記アルキル基の任意の水素原子は、フッ素原子に置換されていても良い。任意の水素原子がフッ素原子に置換されたアルキル基としては、例えば、トリフルオロメチル基、ジフルオロメチル基、フルオロメチル基、2,2,2-トリフルオロエチル基、2,2-ジフルオロエチル基、2-フルオロエチル基、3-フルオロプロピル基、3,3,3-トリフルオロプロピル基、2,2,3,3,3-ペンタフルオロプロピル基、2,2,3,3-テトラフルオロプロピル基、ヘキサフルオロイソプロピル基等が挙げられる。
 上記アルキル基は、炭素原子数6以下のアルキル基であると、電極上に被膜を形成した際の抵抗を小さくできるため好ましい。上記アルキル基は、炭素原子数4以下のアルキル基であることがより好ましく、メチル基、エチル基、n-プロピル基、イソプロピル基、n-ブチル基、又はtert-ブチル基であることが特に好ましい。
 R及びRはそれぞれ独立に、水素原子、リチウムイオン、ナトリウムイオン、又は炭素原子数1~4の直鎖若しくは炭素原子数3~4の分岐状のアルキル基であることが好ましく、水素原子、リチウムイオン、ナトリウムイオン、又は炭素原子数1~4のアルキル基であることがより好ましく、水素原子、リチウムイオン、ナトリウムイオン、又はメチル基であることが更に好ましく、R及びRのいずれもがリチウムイオンであることが特に好ましい。
 また、R及びRは、それらが結合する窒素原子と一緒になって、環状構造を形成してもよい。この場合、R及びRは、一緒になって、炭素原子数2~4のアルキレン基を形成し、該アルキレン基中の炭素原子-炭素原子結合間には、酸素原子が含まれていてもよく、その側鎖にアルキル基を有していてもよい。また、前記アルキル基及びアルキレン基の任意の水素原子はフッ素原子に置換されていても良い。
 アルキレン基としては、例えば、エチレン基や、プロピレン基などが挙げられ、特に好ましいのは、エチレン基である。
 一般式(1)で表される化合物は、具体的には下記式(1a)~(1y)で表される化合物からなる群から選ばれる少なくとも1種であることが好ましい。
 より好ましくは、式(1a)で表される化合物(化合物(1a)とも呼ぶ。)、式(1b)で表される化合物(化合物(1b)とも呼ぶ。)、式(1c)で表される化合物(化合物(1c)とも呼ぶ。)、式(1e)で表される化合物(化合物(1e)とも呼ぶ。)、式(1p)で表される化合物(化合物(1p)とも呼ぶ。)、式(1w)で表される化合物(化合物(1w)とも呼ぶ。)、及び式(1x)で表される化合物(化合物(1x)とも呼ぶ。)からなる群から選ばれる少なくとも1種であり、更に好ましくは化合物(1a)、化合物(1e)、化合物(1w)、及び化合物(1x)からなる群から選ばれる少なくとも1種であり、特に好ましくは化合物(1a)である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000015
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000016
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000017
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 本開示の非水電解液において、上記一般式(1)で表される化合物は、添加剤として用いられることが好ましい。
 本開示の非水電解液において、上記(I)、(II)、(III)及び(IV)の合計(100質量%)に対する(I)の含有量(以降、「(I)の濃度」とも記載する。)は、下限が0.01質量%以上であることが好ましく、より好ましくは0.05質量%以上であり、更に好ましくは0.1質量%以上である。(I)の濃度の上限は、10.0質量%以下であることが好ましく、より好ましくは5.0質量%以下であり、更に好ましくは2.0質量%以下である。
 (I)の濃度を0.01質量%以上とすることで、該非水電解液を用いた非水電解液電池の初期抵抗上昇を抑制する効果が得られやすい。一方、(I)の濃度を10.0質量%以下とすることで、該非水電解液の粘度上昇を抑制でき、該非水電解液を用いた非水電解液電池の高温サイクル特性向上効果が得られ易くなる。
 本開示の非水電解液は、成分(I)として一種類の化合物を単独で用いても良く、二種類以上の化合物を用途に合わせて任意の組み合わせ、比率で混合して用いても良い。
 上記一般式(1)で表される化合物の合成方法は特に限定されないが、例えば、Chemische Berichte (1968),101(1),162-73や、Journal of Chemical Research, Synopses (1977),(10),237に記載のように、フルオロスルホニルイソシアネートと水との反応や、ホスゲンとメチルスルファモイルフルオリドの反応によって合成することができる。
 更に、水素化アルカリ金属イオンなどの無機塩基と反応させることで、R及びRが、リチウムイオン、ナトリウムイオン、又はカリウムイオンである上記一般式(1)で表される化合物を合成することができる。
<(II)一般式(2)~(4)、(6)で表される化合物からなる群から選ばれる少なくとも1種の化合物について>
 本開示の非水電解液は、(II)一般式(2)~(4)、(6)で表される化合物からなる群から選ばれる少なくとも1種の化合物を含む。
 本開示の非水電解液は、成分(I)と成分(II)とを併用することにより、それぞれを単独で使用した結果に比べて高い初期抵抗低減効果が得られる。
[一般式(2)で表される化合物]
 一般式(2)で表される化合物について説明する。
 Rは水素原子、リチウムイオン、ナトリウムイオン、カリウムイオン、炭素原子数が5以下である、アルキル基、アルコキシ基、アルケニル基、アルケニルオキシ基、アルキニル基、アルキニルオキシ基、炭素原子数が6以上10以下であるアリール基、又は、炭素原子数が6以上10以下であるアリールオキシ基を表す。
 上記アルキル基の炭素原子数は、1以上5以下であることが好ましく、例えば、メチル基、エチル基、n-プロピル基、イソプロピル基、n-ブチル基、tert-ブチル基等が挙げられる。
 上記アルキル基の任意の水素原子は、フッ素原子に置換されていても良い。任意の水素原子がフッ素原子に置換されたアルキル基としては、例えば、トリフルオロメチル基、ジフルオロメチル基、フルオロメチル基、2,2,2-トリフルオロエチル基、2,2-ジフルオロエチル基、2-フルオロエチル基、3-フルオロプロピル基、3,3,3-トリフルオロプロピル基、2,2,3,3,3-ペンタフルオロプロピル基、2,2,3,3-テトラフルオロプロピル基、ヘキサフルオロイソプロピル基等が挙げられる。
 上記アルキル基中の炭素原子-炭素原子結合間には、酸素原子が含まれていてもよい。上記アルキル基中の炭素原子-炭素原子結合間に酸素原子が含まれている場合の具体例としては、例えば、2-メトキシエチル基、2-エトキシエチル基等が挙げられる。
 上記アルコキシ基の炭素原子数は5以下であり、1以上5以下であることが好ましく、上記アルケニル基、上記アルケニルオキシ基、上記アルキニル基、及び上記アルキニルオキシ基の炭素原子数は5以下であり、2以上5以下であることが好ましい。例えば、メトキシ基、エトキシ基、イソプロポキシ基、エテニル基、1-プロペニル基、2-プロペニル基、1-ブテニル基、2-ブテニル基、エテニルオキシ基、2-プロペニルオキシ基、1-ブテニルオキシ基、2-ブテニルオキシ基、エチニル基、1-プロピニル基、2-プロピニル基、エチニルオキシ基、1-プロピニルオキシ基、2-プロピニルオキシ基等が挙げられる。
 上記アリール基及び上記アリールオキシ基の炭素原子数は6以上10以下である。例えば、フェニル基、トリル基、o-キシリル基、m-ブチルフェニル基、p-ブチルフェニル基等が挙げられる。
 上記アルコキシ基、上記アルケニル基、上記アルケニルオキシ基、上記アルキニル基、上記アルキニルオキシ基、上記アリール基、及び上記アリールオキシ基の任意の水素原子はフッ素原子に置換されていてもよい。また、これらの基の炭素原子-炭素原子結合間には酸素原子が含まれていてもよい。
 Rはリチウムイオン、ナトリウムイオン、又はカリウムイオンであることが好ましく、リチウムイオンであることが特に好ましい。
 一般式(2)で表される化合物の具体例としては、ジフルオロリン酸リチウム等が挙げられる。
 但し、Rがリチウムイオン、ナトリウムイオン又はカリウムイオンを表す場合、一般式(2)中の酸素原子とRとの結合はイオン結合を表す。
[一般式(3)で表される化合物]
 一般式(3)で表される化合物について説明する。
 R~Rはそれぞれ独立して、フッ素原子、又は-OR10で示される基を表す。
 R10は炭素原子数1~10の直鎖若しくは分岐状のアルキル基、炭素原子数が2~10の直鎖若しくは分岐状のアルケニル基、炭素原子数が2~10の直鎖若しくは分岐状のアルキニル基、炭素原子数が3~10のシクロアルキル基又はシクロアルケニル基、及び、炭素原子数が6~10のアリール基からなる群より選ばれる少なくとも1つの有機基である。
 上記アルキル基、上記アルケニル基、上記アルキニル基、及び上記アリール基の具体例及び好ましい範囲は、前述の一般式(2)中のRの説明において記載したものと同様である。上記シクロアルキル基及びシクロアルケニル基は、例えば、シクロプロピル基、シクロペンチル基、シクロプロペニル基、シクロペンチニル基等が挙げられる。
 R10が表す有機基の任意の水素原子はフッ素原子に置換されていてもよい。また、上記有機基には不飽和結合が含まれていてもよく、上記有機基の炭素原子-炭素原子結合間には酸素原子が含まれていてもよい。
 但し、R~Rの少なくとも1つはフッ素原子を示す。R~Rのいずれもがフッ素原子を表すことが好ましい。
 一般式(3)中のMはリチウムイオン、ナトリウムイオン又はカリウムイオンを表し、リチウムイオンを表すことが特に好ましい。
 一般式(3)中のR、R、R、及びRがいずれもフッ素原子であり、Mがリチウムイオンであることが特に好ましい。
 一般式(3)で表される化合物の具体例としては、ビス(ジフルオロリン酸)イミドリチウム等が挙げられる。ビス(ジフルオロリン酸)イミドリチウムは、例えば、塩化ホスホリルとフッ化水素との反応によって得られる三フッ化ホスホリルと、リチウムヘキサメチルジシラジドとの反応によって合成する事ができる。
[一般式(4)で表される化合物]
 一般式(4)で表される化合物について説明する。
 nは1~3の整数を表し、Lは炭素原子数1~10の脂肪族炭化水素基又はOMを表す。ただし、nが2又は3を表す場合、Lは炭素原子数1~10の脂肪族炭化水素基を表す。
 Lが脂肪族炭化水素基を表す場合、nが1のときは、1価の脂肪族炭化水素基であり、nが2のときは、2価の脂肪族炭化水素基であり、nが3のときは、3価の脂肪族炭化水素基である。上記脂肪族炭化水素基は、1価のものとしてはメチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基が、2価のものとしてはメチレン基、エチレン基、プロピレン基、トリメチレン基が、そして3価のものとしてはメチン基等が挙げられる。
 上記脂肪族炭化水素基の炭素原子数は、1~6であることが好ましく、1~4であることがより好ましい。
 上記脂肪族炭化水素基の任意の水素原子はフッ素原子に置換されていてもよい。また、前記脂肪族炭化水素基の炭素原子-炭素原子結合間には酸素原子及びエステル結合からなる群より選ばれる少なくとも1つが含まれていてもよい。また、前記脂肪族炭化水素基には不飽和結合が含まれていてもよい。
 Mは水素原子、リチウムイオン、ナトリウムイオン、又はカリウムイオンを表す。
 一般式(4)中のnが1でありLがOLiであるか、nが2でありLがCHであるか、又は、nが1でありLがCHであることが好ましい。
 一般式(4)で表される化合物の具体例としては、フルオロスルホン酸リチウム、メタンスルホニルフルオライド、メタンジスルホニルジフルオライド、エタンスルホニルフルオライド、エタンジスルホニルフルオライド、プロパンスルホニルフルオライド等が挙げられ、メタンスルホニルフルオライド、メタンジスルホニルジフルオライドが特に好ましい。
[一般式(6)で表される化合物]
 一般式(6)で表される化合物について説明する。
 一般式(6)で表される化合物の具体例としては、ホウ酸トリメチル、ホウ酸トリエチル、ホウ酸トリプロピル、ホウ酸トリイソプロピル、ホウ酸トリブチル、ホウ酸トリス(トリメチルシリル)等が挙げられ、ホウ酸トリメチル、ホウ酸トリス(トリメチルシリル)が特に好ましい。
<(III)溶質について>
 本開示の非水電解液は、溶質を含有する。
 溶質としては特に限定されないが、イオン性塩であることが好ましく、フッ素を含むイオン性塩であることがより好ましい。
 溶質としては、例えば、リチウムイオンやナトリウムイオンを始めとするアルカリ金属イオン、アルカリ土類金属イオン、及び四級アンモニウムからなる群から選ばれる少なくとも1種のカチオンと、ヘキサフルオロリン酸アニオン、テトラフルオロホウ酸アニオン、過塩素酸アニオン、ヘキサフルオロヒ酸アニオン、ヘキサフルオロアンチモン酸アニオン、トリフルオロメタンスルホン酸アニオン、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、(トリフルオロメタンスルホニル)(ペンタフルオロエタンスルホニル)イミドアニオン、ビス(フルオロスルホニル)イミドアニオン、(トリフルオロメタンスルホニル)(フルオロスルホニル)イミドアニオン、(ペンタフルオロエタンスルホニル)(フルオロスルホニル)イミドアニオン、トリス(トリフルオロメタンスルホニル)メチドアニオン、(ジフルオロホスホリル)(トリフルオロメタンスルホニル)イミドアニオン、及び(ジフルオロホスホリル)(フルオロスルホニル)イミドアニオンからなる群から選ばれる少なくとも1種のアニオンの対からなるイオン性塩であることが好ましい。
 これらの溶質は、一種類を単独で用いても良く、二種類以上を用途に合わせて任意の組合せ、比率で混合して用いても良い。
 中でも、非水電解液電池としてのエネルギー密度、出力特性、寿命等から考えると、カチオンはリチウム、ナトリウム、マグネシウム、及び四級アンモニウムからなる群から選ばれる少なくとも1種が、アニオンはヘキサフルオロリン酸アニオン、テトラフルオロホウ酸アニオン、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(フルオロスルホニル)イミドアニオン、及び(ジフルオロホスホリル)(フルオロスルホニル)イミドアニオンからなる群から選ばれる少なくとも1種が好ましい。
 本開示の非水電解液中の溶質の総量(以降、「溶質濃度」とも記載する。)は、特に制限はないが、下限は、0.5mol/L以上が好ましく、より好ましくは0.7mol/L以上であり、更に好ましくは0.9mol/L以上である。また、溶質濃度の上限は、5.0mol/L以下が好ましく、より好ましくは4.0mol/L以下であり、更に好ましくは2.0mol/L以下である。溶質濃度を0.5mol/L以上とすることでイオン伝導度が低下することによる非水電解液電池のサイクル特性、出力特性の低下を抑制でき、5.0mol/L以下とすることで非水電解液の粘度が上昇することによるイオン伝導度の低下、非水電解液電池のサイクル特性、出力特性の低下を抑制できる。
<(IV)非水有機溶媒について>
 本開示の非水電解液に用いる非水有機溶媒の種類は、特に限定されず、任意の非水有機溶媒を用いることができる。
 具体的には、エチルメチルカーボネート(以降「EMC」とも記載する。)、ジメチルカーボネート(以降「DMC」とも記載する。)、ジエチルカーボネート(以降「DEC」とも記載する。)、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、メチルブチルカーボネート、2,2,2-トリフルオロエチルメチルカーボネート、2,2,2-トリフルオロエチルエチルカーボネート、2,2,2-トリフルオロエチルプロピルカーボネート、ビス(2,2,2-トリフルオロエチル)カーボネート、1,1,1,3,3,3-ヘキサフルオロ-1-プロピルメチルカーボネート、1,1,1,3,3,3-ヘキサフルオロ-1-プロピルエチルカーボネート、1,1,1,3,3,3-ヘキサフルオロ-1-プロピルプロピルカーボネート、ビス(1,1,1,3,3,3-ヘキサフルオロ-1-プロピル)カーボネート、エチレンカーボネート(以降「EC」とも記載する。)、プロピレンカーボネート(以降「PC」とも記載する。)、ブチレンカーボネート、フルオロエチレンカーボネート(以降「FEC」とも記載する。)、ジフルオロエチレンカーボネート、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、2-フルオロプロピオン酸メチル、2-フルオロプロピオン酸エチル、ジエチルエーテル、ジブチルエーテル、ジイソプロピルエーテル、1,2-ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン(以降「THF」とも記載する。)、2-メチルテトラヒドロフラン、フラン、テトラヒドロピラン、1,3-ジオキサン、1,4-ジオキサン、N,N-ジメチルホルムアミド、アセトニトリル、プロピオニトリル、ジメチルスルホキシド、スルホラン、γ-ブチロラクトン、及びγ-バレロラクトンからなる群から選ばれる少なくとも1種であることが好ましい。
また、本開示においては、非水有機溶媒として、塩構造を採るイオン液体を用いても良い。
 また、上記非水有機溶媒は、環状カーボネート及び鎖状カーボネートからなる群から選ばれる少なくとも1種であると、高温でのサイクル特性に優れる点で好ましい。また、上記非水有機溶媒が、エステルからなる群から選ばれる少なくとも1種であると、低温での入出力特性に優れる点で好ましい。
 上記環状カーボネートの具体例としてEC、PC、ブチレンカーボネート、FEC等が挙げられ、中でもEC、PC、及びFECからなる群から選ばれる少なくとも1種が好ましい。
 上記鎖状カーボネートの具体例としてEMC、DMC、DEC、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、2,2,2-トリフルオロエチルメチルカーボネート、2,2,2-トリフルオロエチルエチルカーボネート、1,1,1,3,3,3-ヘキサフルオロ-1-プロピルメチルカーボネート、及び1,1,1,3,3,3-ヘキサフルオロ-1-プロピルエチルカーボネート等が挙げられ、中でもEMC、DMC、DEC、及びメチルプロピルカーボネートからなる群から選ばれる少なくとも1種が好ましい。
 また、上記エステルの具体例として、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、2-フルオロプロピオン酸メチル、及び2-フルオロプロピオン酸エチル等が挙げられる。
<その他の添加剤について>
 本開示の要旨を損なわない限りにおいて、本開示の非水電解液に一般に用いられる添加成分を任意の比率で更に添加しても良い。
 その他の添加剤の具体例としては、シクロヘキシルベンゼン、シクロヘキシルフルオロベンゼン、フルオロベンゼン、ビフェニル、ジフルオロアニソール、tert-ブチルベンゼン、tert-アミルベンゼン、2-フルオロトルエン、2-フルオロビフェニル、ビニレンカーボネート、ジメチルビニレンカーボネート、ビニルエチレンカーボネート、フルオロエチレンカーボネート、trans-ジフルオロエチレンカーボネート、メチルプロパルギルカーボネート、エチルプロパルギルカーボネート、ジプロパルギルカーボネート、無水マレイン酸、無水コハク酸、プロパンスルトン、1,3-プロパンスルトン、1,3-プロペンスルトン、ブタンスルトン、メチレンメタンジスルホネート、ジメチレンメタンジスルホネート、トリメチレンメタンジスルホネート、メタンスルホン酸メチル、1,6-ジイソシアナトヘキサン、トリス(トリメチルシリル)ボレート、スクシノニトリル、(エトキシ)ペンタフルオロシクロトリホスファゼン、ジフルオロビス(オキサラト)リン酸リチウム、ジフルオロビス(オキサラト)リン酸ナトリウム、ジフルオロビス(オキサラト)リン酸カリウム、ジフルオロオキサラトホウ酸リチウム、ジフルオロオキサラトホウ酸ナトリウム、ジフルオロオキサラトホウ酸カリウム、ビス(オキサラト)ホウ酸リチウム、ビス(オキサラト)ホウ酸ナトリウム、ビス(オキサラト)ホウ酸カリウム、テトラフルオロオキサラトリン酸リチウム、テトラフルオロオキサラトリン酸ナトリウム、テトラフルオロオキサラトリン酸カリウム、トリス(オキサラト)リン酸リチウム、エチルフルオロリン酸リチウム、フルオロリン酸リチウム、エテンスルホニルフルオリド、トリフルオロメタンスルホニルフルオリド、メタンスルホニルフルオリド等の過充電防止効果、負極被膜形成効果や正極保護効果を有する化合物が挙げられる。
 本開示の非水電解液は、その他の添加剤として、下記一般式(5)で表される化合物を含んでもよい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000019
[一般式(5)中、R11~R13は、それぞれ独立に、フッ素原子、炭素原子数1~10の直鎖アルキル基、炭素原子数3~10の分岐状のアルキル基、炭素原子数1~10の直鎖アルコキシ基、炭素原子数3~10の分岐状のアルコキシ基、炭素原子数2~10のアルケニル基、炭素原子数2~10のアルケニルオキシ基、炭素原子数2~10のアルキニル基、炭素原子数2~10のアルキニルオキシ基、炭素原子数3~10のシクロアルキル基、炭素原子数3~10のシクロアルコキシ基、炭素原子数3~10のシクロアルケニル基、炭素原子数3~10のシクロアルケニルオキシ基、炭素原子数6~10のアリール基、及び炭素原子数6~10のアリールオキシ基から選ばれる有機基であり、その有機基中、フッ素原子、酸素原子又は不飽和結合が存在することもできる。但し、R11~R13の少なくとも1つはフッ素原子である。
m+は、アルカリ金属カチオン、アルカリ土類金属カチオン、又はオニウムカチオンであり、mは該当するカチオンの価数と同数の整数を表す。]
 一般式(5)で表される化合物(イミドアニオンを有する塩)が、少なくとも1つのP-F結合又はS-F結合を有すると、優れた低温特性が得られる。上記イミドアニオンを有する塩中のP-F結合やS-F結合の数が多いほど低温特性を更に向上することができるため好ましく、上記一般式(5)で表されるイミドアニオンを有する塩において、R11~R13が全てフッ素原子である化合物であると、更に好ましい。
 また、上記一般式(5)で表されるイミドアニオンを有する塩において、
11~R13の少なくとも1つがフッ素原子であり、
11~R13の少なくとも1つがフッ素原子を含んでいてもよい炭素原子数6以下の炭化水素基から選ばれる化合物であることが好ましい。
 また、上記一般式(5)で表されるイミドアニオンを有する塩において、
11~R13の少なくとも1つがフッ素原子であり、
11~R13の少なくとも1つが、メチル基、メトキシ基、エチル基、エトキシ基、プロピル基、プロポキシル基、ビニル基、アリル基、アリルオキシ基、エチニル基、2-プロピニル基、2-プロピニルオキシ基、フェニル基、フェニルオキシ基、2,2-ジフルオロエチル基、2,2-ジフルオロエチルオキシ基、2,2,2-トリフルオロエチル基、2,2,2-トリフルオロエチルオキシ基、2,2,3,3-テトラフルオロプロピル基、2,2,3,3-テトラフルオロプロピルオキシ基、1,1,1,3,3,3-ヘキサフルオロイソプロピル基、及び1,1,1,3,3,3-ヘキサフルオロイソプロピルオキシ基から選ばれる化合物であることが好ましい。
 上記一般式(5)で表されるイミドアニオンを有する塩の対カチオンMm+が、リチウムイオン、ナトリウムイオン、カリウムイオン、及びテトラアルキルアンモニウムイオンからなる群から選ばれることが好ましい。
 また、上記一般式(5)において、R11~R13で表される、アルキル基及びアルコキシル基としては、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、第二ブチル基、第三ブチル基、ペンチル基、2,2-ジフルオロエチル基、2,2,2-トリフルオロエチル基、2,2,3,3-テトラフルオロプロピル基、及び1,1,1,3,3,3-ヘキサフルオロイソプロピル基等の炭素原子数が1~10のアルキル基や含フッ素アルキル基、及びこれらの基から誘導されるアルコキシ基が挙げられる。
 アルケニル基及びアルケニルオキシ基としては、ビニル基、アリル基、1-プロペニル基、イソプロペニル基、2-ブテニル基、及び1,3-ブタジエニル基等の炭素原子数が2~10のアルケニル基や含フッ素アルケニル基、及びこれらの基から誘導されるアルケニルオキシ基が挙げられる。
 アルキニル基及びアルキニルオキシ基としては、エチニル基、2-プロピニル基、及び1,1ジメチル-2-プロピニル基等の炭素原子数が2~10のアルキニル基や含フッ素アルキニル基、及びこれらの基から誘導されるアルキニルオキシ基が挙げられる。
 シクロアルキル基及びシクロアルコキシ基としては、シクロペンチル基、及びシクロヘキシル基等の炭素原子数が3~10のシクロアルキル基や含フッ素シクロアルキル基、及びこれらの基から誘導されるシクロアルコキシ基が挙げられる。
 シクロアルケニル基及びシクロアルケニルオキシ基としては、シクロペンテニル基、及びシクロヘキセニル基等の炭素原子数が3~10のシクロアルケニル基や含フッ素シクロアルケニル基、及びこれらの基から誘導されるシクロアルケニルオキシ基が挙げられる。
 アリール基及びアリールオキシ基としては、フェニル基、トリル基、及びキシリル基等の炭素原子数が6~10のアリール基や含フッ素アリール基、及びこれらの基から誘導されるアリールオキシ基が挙げられる。
 上記一般式(5)で表されるイミドアニオンを有する塩の具体例及び合成方法は、国際公開第2017/111143号に記載されているものを挙げることができる。
 当該その他の添加剤の非水電解液中の含有量は、非水電解液の総量に対して、0.01質量%以上、8.0質量%以下が好ましい。
 また、溶質として挙げられたイオン性塩は、溶質の好適な濃度の下限である0.5mol/Lよりも非水電解液中の含有量が少ない場合に、“その他の添加剤”として負極被膜形成効果や正極保護効果を発揮し得る。この場合、非水電解液中の含有量が0.01質量%~5.0質量%が好ましい。
 この場合のイオン性塩としては、例えば、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム、トリフルオロメタンスルホン酸ナトリウム、トリフルオロメタンスルホン酸カリウム、トリフルオロメタンスルホン酸マグネシウム、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドリチウム、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドナトリウム、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドカリウム、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドマグネシウム、ビス(フルオロスルホニル)イミドリチウム、ビス(フルオロスルホニル)イミドナトリウム、ビス(フルオロスルホニル)イミドカリウム、ビス(フルオロスルホニル)イミドマグネシウム、(トリフルオロメタンスルホニル)(フルオロスルホニル)イミドリチウム、(トリフルオロメタンスルホニル)(フルオロスルホニル)イミドナトリウム、(トリフルオロメタンスルホニル)(フルオロスルホニル)イミドカリウム、(トリフルオロメタンスルホニル)(フルオロスルホニル)イミドマグネシウム、(ジフルオロホスホリル)(フルオロスルホニル)イミドリチウム、(ジフルオロホスホリル)(フルオロスルホニル)イミドナトリウム、(ジフルオロホスホリル)(フルオロスルホニル)イミドカリウム、(ジフルオロホスホリル)(フルオロスルホニル)イミドマグネシウム、(ジフルオロホスホリル)(トリフルオロメタンスルホニル)イミドリチウム、(ジフルオロホスホリル)(トリフルオロメタンスルホニル)イミドナトリウム、(ジフルオロホスホリル)(トリフルオロメタンスルホニル)イミドカリウム、(ジフルオロホスホリル)(トリフルオロメタンスルホニル)イミドマグネシウム等が挙げられる。
 また、上記溶質(リチウム塩、ナトリウム塩、カリウム塩、マグネシウム塩)以外のアルカリ金属塩を添加剤として用いてもよい。
 具体的には、アクリル酸リチウム、アクリル酸ナトリウム、メタクリル酸リチウム、メタクリル酸ナトリウムなどのカルボン酸塩、リチウムメチルサルフェート、ナトリウムメチルサルフェート、リチウムエチルサルフェート、ナトリウムエチルサルフェートなどの硫酸エステル塩などが挙げられる。
 本開示の非水電解液は、ビニレンカーボネート、ビス(オキサラト)ホウ酸リチウム、ジフルオロオキサラトホウ酸リチウム、ジフルオロビス(オキサラト)リン酸リチウム、テトラフルオロオキサラトリン酸リチウム、ビス(フルオロスルホニル)イミドリチウム、(ジフルオロホスホリル)(フルオロスルホニル)イミドリチウム、1,3-プロペンスルトン及び1,3-プロパンスルトンから選ばれる少なくとも1種を含有することが好ましい。
 また、本開示の非水電解液は、ポリマーを含む事もでき、ポリマー電池と呼ばれる非水電解液電池に使用される場合のように非水電解液をゲル化剤や架橋ポリマーにより擬固体化して使用することも可能である。ポリマー固体電解質には、可塑剤として非水有機溶媒を含有するものも含まれる。
 上記ポリマーは、上記(I)~(III)及び上記その他の添加剤を溶解できる非プロトン性のポリマーであれば特に限定されるものではない。例えば、ポリエチレンオキシドを主鎖又は側鎖に持つポリマー、ポリビニリデンフルオライドのホモポリマー又はコポリマー、メタクリル酸エステルポリマー、ポリアクリロニトリルなどが挙げられる。これらのポリマーに可塑剤を加える場合は、上記の非水有機溶媒のうち非プロトン性非水有機溶媒が好ましい。
〔2.非水電解液電池〕
 本開示の非水電解液電池は、少なくとも、上記の本開示の非水電解液と、負極と、正極とを含む。更には、セパレータや外装体等を含むことが好ましい。
 負極としては、特に限定されないが、リチウムイオンやナトリウムイオンを始めとするアルカリ金属イオン、又はアルカリ土類金属イオンが可逆的に挿入-脱離可能な材料が用いられることが好ましい。
 正極としては、特に限定されないが、リチウムイオンやナトリウムイオンを始めとするアルカリ金属イオン、又はアルカリ土類金属イオンが可逆的に挿入-脱離可能な材料が用いられることが好ましい。
 例えばカチオンがリチウムの場合、負極材料としてリチウム金属、リチウムと他の金属との合金及び金属間化合物やリチウムを吸蔵および放出することが可能な種々の炭素材料、金属酸化物、金属窒化物、活性炭、導電性ポリマー等が用いられる。上記の炭素材料としては、例えば、易黒鉛化性炭素や(002)面の面間隔が0.37nm以上の難黒鉛化性炭素(ハードカーボンとも呼ばれる)や(002)面の面間隔が0.37nm以下の黒鉛などが挙げられ、後者は、人造黒鉛、天然黒鉛などが用いられる。
 例えばカチオンがリチウムの場合、正極材料としてLiCoO、LiNiO、LiMnO、LiMn等のリチウム含有遷移金属複合酸化物、それらのリチウム含有遷移金属複合酸化物のCo、Mn、Ni等の遷移金属が複数混合したもの、それらのリチウム含有遷移金属複合酸化物の遷移金属の一部が他の遷移金属以外の金属に置換されたもの、オリビンと呼ばれるLiFePO、LiCoPO、LiMnPO等の遷移金属のリン酸化合物、TiO、V、MoO等の酸化物、TiS、FeS等の硫化物、あるいはポリアセチレン、ポリパラフェニレン、ポリアニリン、及びポリピロール等の導電性高分子、活性炭、ラジカルを発生するポリマー、カーボン材料等が使用される。
 正極や負極材料には、導電材としてアセチレンブラック、ケッチェンブラック、炭素繊維、又は黒鉛、結着剤としてポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、又はSBR樹脂等が加えられ、更にシート状に成型された電極シートを用いることができる。
 正極と負極の接触を防ぐためのセパレータとしては、ポリプロピレン、ポリエチレン、紙、又はガラス繊維等で作られた不織布や多孔質シートが使用される。
 以上の各要素からコイン状、円筒状、角形、又はアルミラミネートシート型等の形状の電気化学デバイスが組み立てられる。
 以下、本開示について、更に実施例により詳細に説明するが、本開示の範囲はこれらの実施例の記載によって何ら限定されるものではない。
〔化合物(1a)の合成〕
 50mlナスフラスコにEMC7.0g、水0.07gを入れた後、フルオロスルホニルイソシアネート1.00gをゆっくりと加えた。発泡が終息した後、水素化リチウム0.07gを加え、一晩攪拌した。反応液を濾過することにより、目的物が14.7質量%溶解した、EMC溶液7.8g(目的物0.8g、回収率86%)を得た。
化合物(1a):
 19F-NMR[基準物質;CFCl、重溶媒CDCN]、δppm;50.46 (s、2F).
 13C-NMR[基準物質;CDCN、重溶媒CDCN]、δppm;166.36 (s、1C)
〔合成例2:化合物(1e)の合成〕
 50mlナスフラスコにTHF50.0g、メチルスルファモイルフルオリド2.0g、トリホスゲン0.86gを入れ攪拌した。0℃まで冷却してトリエチルアミン1.75gを滴下し、室温で3時間攪拌した。反応液を水、ヘキサンを用いて分液洗浄し、回収した油層を硫酸マグネシウムで乾燥した。この溶液を濃縮乾固した後、ヘキサンで洗浄することにより、白色固体0.5g(回収率11%)を得た。
化合物(1e):
 H-NMR[基準物質;Si(CH、重溶媒CDCN]、δppm;3.40 (s、6H).
 19F-NMR[基準物質;CFCl、重溶媒CDCN]、δppm;48.71 (s、2F).
〔合成例3:化合物(1x)の合成〕
 500mlナスフラスコにTHF200.0g、2―イミダゾリジノン5.0g、ジアザビシクロウンデセン8.8gを入れ攪拌した。溶液を0℃まで冷却しフッ化スルフリル5.8gを導入し室温で18時間攪拌した。反応液を希塩酸水溶液、ヘキサンを用いて分液洗浄し、回収した油層を硫酸マグネシウムで乾燥した。得られた溶液を0℃まで冷却しジフルオロホスホリルクロライド7.3gをゆっくりと加え、1時間攪拌した。溶液を0℃に保ったままトリエチルアミン6.1gを滴下し、室温で3時間攪拌した。析出した固体を濾別し、ろ液にヘキサン30gをゆっくりと加え、固体を析出させた。析出した固体を濾別し、ろ物をヘキサンで洗浄することにより、白色固体0.9g(回収率6%)を得た。
〔実施例及び比較例の非水電解液の調製〕
<比較例0>
(LiPF溶液の調製)
 露点-60℃以下のグローブボックス内において、EC、FEC、EMC及びDMCを、EC:FEC:EMC:DMC=2:1:3:4の体積比率で混合させた。その後、内温を40℃以下に保ちながら非水電解液の総量に対して1.0mol/Lの濃度となる量のLiPFを添加し、攪拌して完全に溶解させることでLiPF溶液を得た。これを比較非水電解液0とした。
<比較例1-1>
(比較非水電解液1-1の調製)
 露点-60℃以下のグローブボックス内において、EC、FEC、EMC及びDMCを、EC:FEC:EMC:DMC=2:1:3:4の体積比率で混合させた。その後、内温を40℃以下に保ちながら非水電解液の総量に対して1.0mol/Lの濃度となる量のLiPFを加え、ジフルオロリン酸リチウムを、非水有機溶媒とLiPFとジフルオロリン酸リチウムの総量に対して0.5質量%の濃度となるように加え、1時間攪拌して溶解させることで比較例1-1の比較非水電解液1-1を調製した。
<実施例1-1>
(非水電解液1-1の調製)
 露点-60℃以下のグローブボックス内において、EC、FEC、EMC及びDMCを、EC:FEC:EMC:DMC=2:1:3:4の体積比率で混合させた(成分(IV))。その後、内温を40℃以下に保ちながら非水電解液の総量に対して1.0mol/Lの濃度となる量のLiPF(成分(III))を加え、成分(I)として化合物(1a)と成分(II)としてジフルオロリン酸リチウムを、成分(I)~(IV)の総量に対してそれぞれ0.5質量%の濃度となるように加え、1時間攪拌して溶解させることで実施例1-1の非水電解液1-1を調製した。
<実施例1-2、1-3、比較例1-2、1-4、1-5、参考例1-3>
(非水電解液1-2、1-3、及び比較非水電解液1-2、1-4、1-5、参考非水電解液1-3の調製)
 成分(I)の種類や含有量、成分(II)の種類や含有量、及びその他添加剤の種類や含有量を表1に記載のように変更した以外は非水電解液1-1、及び比較非水電解液1-1の調製と同様にして、非水電解液1-2、1-3、及び比較非水電解液1-2、1-4、1-5、参考非水電解液1-3を得た。
<実施例2-1~2-3、比較例2-1~2-2、参考例2-3>
(非水電解液2-1~2-3、比較非水電解液2-1~2-2、及び参考非水電解液2-3の調製)
 成分(I)の種類や含有量、及び成分(II)の種類や含有量を表2に記載のように変更した以外は非水電解液1-1、及び比較非水電解液1-1の調製と同様にして、非水電解液2-1~2-3、比較非水電解液2-1~2-2、及び参考非水電解液2-3を得た。
<実施例3-1~3-3、比較例3-1~3-2、参考例3-3>
(非水電解液3-1~3-3、及び比較非水電解液3-1~3-2、参考非水電解液3-3の調製)
 成分(I)の種類や含有量、及び成分(II)の種類や含有量を表3に記載のように変更した以外は非水電解液1-1、及び比較非水電解液1-1の調製と同様にして、非水電解液3-1~3-3、比較非水電解液3-1~3-2、及び参考非水電解液2-3を得た。
<実施例4-1~4-3、比較例4-1~4-2>
(非水電解液4-1~4-3、及び比較非水電解液4-1~4-2の調製)
 成分(I)の種類や含有量、及び成分(II)の種類や含有量を表4に記載のように変更した以外は非水電解液1-1、及び比較非水電解液1-1の調製と同様にして、非水電解液4-1~4-3、及び比較非水電解液4-1~4-2を得た。
<実施例5-1~5-3、比較例5-1~5-2>
(非水電解液5-1~5-3、及び比較非水電解液5-1~5-2の調製)
 成分(I)の種類や含有量、及び成分(II)の種類や含有量を表5に記載のように変更した以外は非水電解液1-1、及び比較非水電解液1-1の調製と同様にして、非水電解液5-1~5-2、及び比較非水電解液5-1~5-2を得た。
<実施例6-1~6-3、比較例6-1>
(非水電解液6-1~6-3、及び比較非水電解液6-1の調製)
 成分(I)の種類や含有量、及び成分(II)の種類や含有量を表6に記載のように変更した以外は非水電解液1-1、及び比較非水電解液1-1の調製と同様にして、非水電解液6-1~6-3、及び比較非水電解液6-1を得た。
 下記表1~6中、VCはビニレンカーボネートを、DFPはジフルオロリン酸リチウムを、BFPIはビス(ジフルオロリン酸)イミドリチウムを、MSFはメタンスルホニルフルオライドを、MDSDFはメタンジスルホニルジフルオライドを、TFBLはテトラフルオロホウ酸リチウムを、FSはフルオロスルホン酸リチウムを意味する。
 下記表1~6において、成分(I)の含有量は成分(I)~(IV)の総量に対する濃度を表したものである。また、成分(II)の含有量は成分(I)~(IV)の総量に対する濃度を表したものである。
〔非水電解液電池の作製〕
(NCM622正極の作製)
 LiNi0.6Co0.2Mn0.2粉末90質量%に、バインダーとしてポリフッ化ビニリデン(以下、PVDFとも記載する)を5質量%、導電材としてアセチレンブラックを5質量%混合し、更にN-メチル-2-ピロリドンを添加し、正極合材ペーストを作製した。このペーストをアルミニウム箔(A1085)の両面に塗布して、乾燥、加圧を行った後に、4cm×5cmに打ち抜くことで試験用NCM622正極を得た。
(人造黒鉛負極の作製)
 人造黒鉛粉末90質量%、バインダーとしてPVDFを5質量%、導電材としてアセチレンブラックを5質量%混合し、負極合材ペーストを作製した。このペーストを銅箔の片面に塗布して、乾燥、加圧を行った後に、4cm×5cmに打ち抜くことで試験用人造黒鉛負極を得た。
(非水電解液電池の作製)
 露点-50℃以下のアルゴン雰囲気で、上述のNCM622正極に端子を溶接した後に、その両側をポリエチレン製セパレータ(5cm×6cm)2枚で挟み、更にその外側を予め端子を溶接した人造黒鉛負極2枚で、負極活物質面が正極活物質面と対向するように挟み込んだ。そして、それらを一辺の開口部が残されたアルミラミネートの袋に入れ、非水電解液を真空注液した後に、開口部を熱で封止する事によって、実施例及び比較例のアルミラミネート型の非水電解液電池を作製した。なお、非水電解液として表1~6に記載のものを用いた。
〔評価〕
-初期充放電-
 非水電解液電池を25℃恒温槽に入れその状態で充放電装置と接続した。3mAで4.3Vまで充電を行った。4.3Vを1時間維持した後に、6mAで3.0Vまで放電を行った。これを充放電1サイクルとし、計3サイクルの充放電を行って電池を安定化させた。
<初期抵抗測定>
 初期充放電後25℃、6mAで4.3Vまで充電し、そのままインピーダンス測定により抵抗値を測定した。
 表1~6のそれぞれにおいて、比較非水電解液0を用いた比較例0の初期抵抗の値を100とし、それぞれの実施例及び比較例の初期抵抗の評価結果を相対値として示した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000020
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000021
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000022
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000023
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000024
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000025
 表1~6から明らかなように、成分(I)と成分(II)とを含む本開示の非水電解液を用いた非水電解液電池は、初期抵抗が低く、優れていることが分かる。
 例えば、化合物(1a)とDFPをそれぞれ0.5質量%併用する方が、特許文献1で開示されたビニレンカーボネートと特許文献2で開示されたジフルオロリン酸リチウムをそれぞれ1.0質量%併用する場合よりも抵抗値が低くなるといった結果が得られた。(実施例1-1と、比較例1-4との比較。)
 同様に、化合物(1a)とDFPをそれぞれ0.5質量%併用する方が、特許文献3で開示されたような、フルオロスルホン酸リチウムを単独で1.0質量%含有する場合よりも抵抗値が低くなるといった予期せぬ結果が得られた。(実施例1-1と、比較例1-5との比較。)
 本開示によれば、初期抵抗値の低い非水電解液及び非水電解液電池を提供することができる。
 本開示を詳細にまた特定の実施態様を参照して説明したが、本開示の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明らかである。
 本出願は、2021年1月22日出願の日本特許出願(特願2021-009170)に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。

Claims (15)

  1. (I)下記一般式(1)で表される化合物、
    (II)下記一般式(2)~(4)、(6)で表される化合物からなる群から選ばれる少なくとも1種の化合物、
    (III)溶質、及び
    (IV)非水有機溶媒を含有する非水電解液。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-C000001

    [一般式(1)中、R及びRはそれぞれ独立に、PO(R又はSOを表す。Rはそれぞれ独立に、フッ素原子又は炭素原子数1~4の直鎖若しくは炭素原子数3~4の分岐状のパーフルオロアルキル基を表す。
     R及びRはそれぞれ独立に、水素原子、リチウムイオン、ナトリウムイオン、カリウムイオン、又は炭素原子数1~12の直鎖若しくは炭素原子数3~12の分岐状のアルキル基を表し、前記アルキル基中の炭素原子-炭素原子結合間には、酸素原子が含まれていてもよい。また、前記アルキル基の任意の水素原子はフッ素原子に置換されていても良い。Rがリチウムイオン、ナトリウムイオン又はカリウムイオンを表す場合、一般式(1)中の窒素原子とRとの結合はイオン結合を表す。Rがリチウムイオン、ナトリウムイオン又はカリウムイオンを表す場合、一般式(1)中の窒素原子とRとの結合はイオン結合を表す。また、R及びRは、それらが結合する窒素原子と一緒になって、環状構造を形成してもよい。この場合、R及びRは、一緒になって、炭素原子数2~4のアルキレン基を形成し、該アルキレン基中の炭素原子-炭素原子結合間には、酸素原子が含まれていてもよく、その側鎖にアルキル基を有していてもよい。また、前記アルキル基及びアルキレン基の任意の水素原子はフッ素原子に置換されていても良い。]
    Figure JPOXMLDOC01-appb-C000002

    [一般式(2)中、Rは水素原子、リチウムイオン、ナトリウムイオン、カリウムイオン、炭素原子数が5以下である、アルキル基、アルコキシ基、アルケニル基、アルケニルオキシ基、アルキニル基、アルキニルオキシ基、炭素原子数が6以上10以下であるアリール基、又は、炭素原子数が6以上10以下であるアリールオキシ基を表す。前記アルキル基、前記アルコキシ基、前記アルケニル基、前記アルケニルオキシ基、前記アルキニル基、前記アルキニルオキシ基、前記アリール基、及び前記アリールオキシ基の任意の水素原子はフッ素原子に置換されていてもよい。また、これらの基の炭素原子-炭素原子結合間には酸素原子が含まれていてもよい。但し、Rがリチウムイオン、ナトリウムイオン又はカリウムイオンを表す場合、一般式(2)中の酸素原子とRとの結合はイオン結合を表す。]
    Figure JPOXMLDOC01-appb-C000003

    [式中、R~Rはそれぞれ独立して、フッ素原子、又は-OR10で示される基を表す。R10は炭素原子数1~10の直鎖若しくは分岐状のアルキル基、炭素原子数が2~10の直鎖若しくは分岐状のアルケニル基、炭素原子数が2~10の直鎖若しくは分岐状のアルキニル基、炭素原子数が3~10のシクロアルキル基又はシクロアルケニル基、及び、炭素原子数が6~10のアリール基からなる群より選ばれる少なくとも1つの有機基であり、前記有機基の任意の水素原子はフッ素原子に置換されていてもよい。また、前記有機基には不飽和結合が含まれていてもよく、前記有機基の炭素原子-炭素原子結合間には酸素原子が含まれていてもよい。Mはリチウムイオン、ナトリウムイオン又はカリウムイオンを表す。但し、R~Rの少なくとも1つはフッ素原子を示す。]
    Figure JPOXMLDOC01-appb-C000004

    [式中、nは1~3の整数を表し、Lは炭素原子数1~10の脂肪族炭化水素基又はOMを表す。ただし、nが2又は3を表す場合、Lは炭素原子数1~10の脂肪族炭化水素基を表す。前記脂肪族炭化水素基の任意の水素原子はフッ素原子に置換されていてもよい。また、前記脂肪族炭化水素基の炭素原子-炭素原子結合間には酸素原子及びエステル結合からなる群より選ばれる少なくとも1つが含まれていてもよい。また、前記脂肪族炭化水素基には不飽和結合が含まれていてもよい。前記Mは水素原子、リチウムイオン、ナトリウムイオン、又はカリウムイオンを表す。]
    Figure JPOXMLDOC01-appb-C000005

    [式中、R14はそれぞれ独立して、炭素原子数1~10の直鎖若しくは分岐状のアルキル基、炭素原子数が3~10のシクロアルキル基、又は-SiR15 からなる群より選ばれる少なくとも1つの有機基であり、前記有機基の任意の水素原子はフッ素原子に置換されていてもよい。また、前記有機基の炭素原子-炭素原子結合間には酸素原子が含まれていてもよい。R15はそれぞれ独立して、炭素原子数1~4の直鎖若しくは分岐状のアルキル基から選ばれる。]
  2.  前記一般式(1)中のR及びRがそれぞれ独立に、POF又はSOFである請求項1に記載の非水電解液。
  3.  前記一般式(1)中のR及びRが、いずれもSOFである請求項1又は2に記載の非水電解液。
  4.  前記一般式(1)中のR及びRがそれぞれ独立に、水素原子、リチウムイオン、ナトリウムイオン、又は炭素原子数1~4の直鎖若しくは炭素原子数3~4の分岐状のアルキル基を表す請求項1~3のいずれか1項に記載の非水電解液。
  5.  前記一般式(1)で表される化合物が、下記式(1a)で表される化合物である、請求項1~4のいずれか1項に記載の非水電解液。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-C000006
  6.  前記一般式(2)で表される化合物のRがリチウムイオンである、請求項1~5のいずれか1項に記載の非水電解液。
  7.  前記一般式(3)で表される化合物のR、R、R、及びRがいずれもフッ素原子であり、Mがリチウムイオンである、請求項1~6のいずれか1項に記載の非水電解液。
  8.  前記一般式(4)で表される化合物のnが1でありLがOLiであるか、又は、nが2でありLがCHである、請求項1~7のいずれか1項に記載の非水電解液。
  9. (I)下記一般式(1)で表される化合物、
    (II)LiBF
    (III)LiBFを除く溶質、及び
    (IV)非水有機溶媒を含有する非水電解液。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-C000007

    [一般式(1)中、R及びRはそれぞれ独立に、PO(R又はSOを表す。Rはそれぞれ独立に、フッ素原子又は炭素原子数1~4の直鎖若しくは炭素原子数3~4の分岐状のパーフルオロアルキル基を表す。
     R及びRはそれぞれ独立に、水素原子、リチウムイオン、ナトリウムイオン、カリウムイオン、又は炭素原子数1~12の直鎖若しくは炭素原子数3~12の分岐状のアルキル基を表し、前記アルキル基中の炭素原子-炭素原子結合間には、酸素原子が含まれていてもよい。また、前記アルキル基の任意の水素原子はフッ素原子に置換されていても良い。Rがリチウムイオン、ナトリウムイオン又はカリウムイオンを表す場合、一般式(1)中の窒素原子とRとの結合はイオン結合を表す。Rがリチウムイオン、ナトリウムイオン又はカリウムイオンを表す場合、一般式(1)中の窒素原子とRとの結合はイオン結合を表す。また、R及びRは、それらが結合する窒素原子と一緒になって、環状構造を形成してもよい。この場合、R及びRは、一緒になって、炭素原子数2~4のアルキレン基を形成し、該アルキレン基中の炭素原子-炭素原子結合間には、酸素原子が含まれていてもよく、その側鎖にアルキル基を有していてもよい。また、前記アルキル基及びアルキレン基の任意の水素原子はフッ素原子に置換されていても良い。]
  10.  前記(I)、(II)、(III)及び(IV)の合計に対する(I)の含有量が0.01質量%~10.0質量%である、請求項1~9のいずれか1項に記載の非水電解液。
  11.  前記(I)、(II)、(III)及び(IV)の合計に対する(II)の含有量が0.01質量%~10.0質量%である、請求項1~10のいずれか1項に記載の非水電解液。
  12.  前記非水有機溶媒が、環状カーボネート及び鎖状カーボネートからなる群から選ばれる少なくとも1種を含有する、請求項1~11のいずれか1項に記載の非水電解液。
  13.  前記環状カーボネートが、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、及びフルオロエチレンカーボネートからなる群から選ばれる少なくとも1種であり、前記鎖状カーボネートが、エチルメチルカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、及びメチルプロピルカーボネートからなる群から選ばれる少なくとも1種である、請求項12に記載の非水電解液。
  14.  更にビニレンカーボネート、ビス(オキサラト)ホウ酸リチウム、ジフルオロオキサラトホウ酸リチウム、ジフルオロビス(オキサラト)リン酸リチウム、テトラフルオロオキサラトリン酸リチウム、ビス(フルオロスルホニル)イミドリチウム、(ジフルオロホスホリル)(フルオロスルホニル)イミドリチウム、1,3-プロペンスルトン及び1,3-プロパンスルトンから選ばれる少なくとも1種を含有する、請求項1~13のいずれか1項に記載の非水電解液。
  15.  正極と、負極と、請求項1~14のいずれか1項に記載の非水電解液とを含む、非水電解液電池。
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