JP3188478B2 - フルオロリン酸リチウムおよびそれらの導電塩としての使用 - Google Patents

フルオロリン酸リチウムおよびそれらの導電塩としての使用

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Description

【発明の詳細な説明】 ペルフルオロアルキルフルオロホスホララン類は各種
のオルガノフルオロホスホラス化合物の合成のための出
発物質として広範囲にわたり興味がもたれている(N.V.
Plavenko:“トリス(ペルフルオロアルキル)ホスフィ
ン酸化物およびトリス(ペルフルオロアルキル)ジフル
オロホスホラン類とフッ化物イオンとの反応”、Journ.
of General Chem.USSR,Vol.59.469−473,1989)。
通常、リチウム二次電池において、ヘキサフルオロリ
ン酸リチウムが導電塩として用いられている。この場合
の不利な点は、この塩の加水分解抵抗性が比較的小さい
ことである。従って、この塩の代替物を見出すために種
々の実験が行われた。例えば、WO88/03331には、リチウ
ム二次電池用の非水性電解質中で導電塩として用いるこ
とのできる、それらのリチウム塩を含む環状パーフルオ
ロアルカンビス(ホスホニル)イミドについて記載され
ている。しかしながら、実験により明らかにされたよう
に、かかる化合物は多大なる費用によってのみ製造が可
能で、また、合成後には望ましくない副生成物を除かな
ければならない。電池電解質の構成要素としての適用の
ためには再現性が不可欠であるので、この塩の精製が必
要である。
したがって、本発明の目的は、リチウム電池に有用な
フルオロリン酸リチウムを提供することである。
本発明の目的は、一般式 Li+[PFa(CHbFc(CF3 (I) {式中、 aは1、2、3、4または5、 bは0または1、 cは0、1、2または3、 dは0、1、2または3、かつ eは1、2、3または4である (ただし、リガンド(CHbFc(CF3)は異なっていて
もよいという条件で、a+eの和は6に等しく、b+c
+dの和は3に等しく、かつ、bとcは同時に0となら
ない)}で示される新規フルオロリン酸リチウムにより
達成され、このフルオロリン酸リチウムは、従来、リチ
ウム二次電池において導電塩として使用されているヘキ
サフルオロリン酸リチウムと置換可能で、また後者との
混合物としても使用することもできる。
したがって、本発明は、一般式(1a) [PFa(CHbFc(CF3] (I a) {式中、式(I)と同様、 bは0または1、 cは0、1、2または3、 dは0、1、2または3、かつ eは1、2、3または4であるが、 aは1、2、3または4である} で示される化合物であって、一般式(I)で示される塩
の製造のための中間体として必要な化合物にも関する。
本発明は特に、以下のリチウム塩に関する。
本発明の塩を製造するためには、第一の工程で、適切
なモノクロロ−またはフルオロ−、ジクロロ−またはジ
フルオロ−、クロロフルオロアルキルホスファン類、ク
ロロモノ−、クロロジ−、クロロトリ−またはクロロテ
トラアルキルホスホラン類、フルオロモノ−、フルオロ
ジ−、フルオロトリ−またはフルオロテトラアルキルホ
スホラン類、もしくはトリフルオロモノヒドロアルキル
ホスホラン類を溶媒中に取り、公知の方法で、常圧下、
−15℃ないし20℃の温度にて電気化学的にフッ素化す
る。フッ化水素はこの反応の溶媒として適切である。理
論的電気量の、90ないし150%、特に110ないし130%が
消費された時点でフッ素化反応を終了させる。これは電
量測定により決定する。
反応時間によって、フッ素により完全に飽和された化
合物と、部分的にフッ素化された化合物の双方を含んで
なる生成混合物が得られる。例えば、以下の生成物はク
ロロジイソプロピルホスファンのフッ素化により得られ
る: 式(I)で示される本発明の実際の塩は、第一の工程
で得られたフッ化アルキルホスホラン(II)を、好まし
くは、例えばジメチルエーテル、ジメトキシエタンまた
はそれらの混合物のような適切な非プロトン性の極性溶
媒中の無水条件下で蒸留分離した後に、生成混合物とし
て取り、次いで、反応性に応じて−35℃ないし60℃、好
ましくは室温付近でフッ化リチウムと反応させて式
(I)の化合物を生成することにより得られる。
式(I)の純粋な化合物およびフッ素化反応により得
られた混合物の双方を電解質に使用できる。電解質特性
の再現性のためには、純粋な化合物を用いて電解質溶液
を作製することが好ましい。
意外にも、式(I)の化合物は室温にて非プロトン性
の極性溶媒中で加水分解耐性を有し、また、とりわけ、
それらの化合物は特にそのアルキルラジカルがフッ素に
よって完全に飽和されていることが実験によって見出さ
れた。これに関連して、分子内のフッ素原子の数ととも
に加水分解抵抗性も増加する。
非プロトン性の極性溶媒とは、以下のような溶媒を意
味すると理解すべきである。
ニトリル類 アセトニトリルまたはベンゾニトリル、 エーテル類 ジエチルエーテル、ジメトキシエタン、
テトラヒドロフラン、ジオキサンまたはジメチルテトラ
ヒドロフラン、 エステル類 ギ酸、酢酸、プロピオン酸のメチルまた
はエチルエステル、およびブチロラクトンのような環状
エステル類、および例えば炭酸ジメチル、炭酸ジエチ
ル、炭酸エチルメチル、炭酸エチレンまたは炭酸プロピ
レンのような有機炭酸塩、 アミド類 ジメチルホルムアミド、ジエチルホルム
アミド、N−メチルピロリジン または スルホン類 ジメチルスルホン、テトラメチレンスル
ホンまたは他のスルホラン類 本発明の塩は、さらに、該溶媒に優れた溶解性を示
し、特にフッ素により完全に飽和された化合物はほとん
ど吸湿性を示さない。
これらの化合物は極めて安定であることが実験により
示されている。固体状態での乾燥貯蔵の場合、過フッ素
化化合物は100℃より低い温度においてまったく分解し
ない。それらは温度がさらに上昇しようとも、熱的に安
定であることが証明されている。それは、温度が130℃
を超える場合にのみ、わずかに退色する。
例えばジメトキシエタンのような溶液中での貯蔵にお
いてさえ、色調の変化は認められず、また一週間後でさ
え、分解産物は検出されない。
このため、本発明の化合物、特に式III、IV、V、VI
およびVIIの化合物はすでに非常に、リチウム電池用の
非水性電解質の導電塩として適している。
さらに、これらの化合物を含有する電解質溶液は、顕
著な化学的および電気化学的安定性を有する。特にリチ
ウムの析出に先立って、相当する陰イオンの酸化を検出
することはできない。
かかる電解質は、式(I)で示される本発明の化合物
のような有機リチウム塩に加えて、1以上の非水性有機
溶媒および、所望によりさらなる添加物を含む。所望に
より、本発明の化合物に加えて、すでに公知のリチウム
塩もまた導電塩として電解質に加えることができる。か
かる電解質および構造またはリチウム電池の操作モード
に関するさらなる詳細は、当該技術分野に精通した当業
者に公知である。本明の化合物は、この適用のための公
知のリチウム化合物と全く同じように使用することがで
き、また、これらの条件下で極めて高い安定性を示す。
これに対応する電池は、容量および一定した電圧に関し
て優れた特性を示し、また平均以上の多数回の充電−放
電周期を上回る限定されない実用性を示す。
以下、実施例により本発明をさらに詳しく説明する
が、本発明は本明細書に開示される特徴に限定するもの
ではない。
実施例 実施例1 ビス(ヘプタフルオロイソプロピル)トリフルオロホス
ホラン(II a)およびその誘導体 ジイソプロピルクロロホスファンを、サイモンの方法
により、フッ化水素を溶媒として含む電気化学電池中で
電気化学的にフッ素化する。使用した円柱形の電池は31
0cm3の容積で、有効表面積S=3.75dm2のニッケル陽極
と、同じ有効表面積を有する陰極を備えている。さら
に、この電池には冷却器が取り付けられている。電池の
温度は電気分解中−5℃に保ち、冷却器は−30℃に保
つ。
200gのフッ化水素酸に溶解した57gのジイソプロピル
クロロホスファンを、予め電気分解したフッ化水素酸23
5gに、特に、以下に示す方法で少量ずつ加えた: 冷却器および2つのPTFEトラップを通過した気体生成
物を、−78℃に冷却する。
電気分解は、電圧4.4ないし5.4Vおよび電流密度0.30
ないし0.53A/dm2にて行い、420Ah(理論値の131%)の
電流消費の後に終了させると、約220gの液体生成物が電
池から回収される。温度を−20℃に調節し、フッ化水素
層から下層を分離した後、18gの粗生成物が得られる。N
MR19F分光分析により75%のビス(ヘプタフルオロイソ
プロピル)トリフルオロホスホラン(II a)、15%のヘ
プタフルオロイソプロピル(1,1,1,3,3,3−ヘキサフル
オロイソプロピル)トリフルオロホスホラン(II b)お
よびビス(1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロイソプロピ
ル)トリフルオロホスホラン(II c)がその生成物中に
検出される。
この混合物は、各々これらの化合物のうちの1つを主
要成分として含有する画分へと分画蒸留することにより
分離することができる。さらに、フッ化水素層の分離の
後、低温では液体の生成物33gが冷却トラップから得ら
れる。NMR19F分光分析により調べたところ、これらは主
にヘプタフルオロイソプロピルテトラフルオロホスホラ
ン(II d)、1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロイソプロピ
ルテトラフルオロホスホラン(II e)およびペルフルオ
ロプロパンであることが示されている。ペルフルオロプ
ロパンは20℃に加熱することにより留去できる。この残
渣は、ヘプタフルオロイソプロピルテトラフルオロホス
ホラン(II d)または1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロイ
ソプロピルテトラフルオロホスホラン(II e)を主成分
として含んでなる画分へと分画蒸留することにより分離
できる。
得られた化合物は以下のデータにより特徴づけられ
る: ビス(ヘプタフルオロイソプロピル)トリフルオロホス
ホラン(II a): NMR19F,ppm:(標準としてCCl3Fを含有するCD3CNフィル
ム) −39.72dtm(3F1) −70.15m(12F3) −171.78dm(2F2) J3 F1F2=8.0Hz NMR31P,ppm:(標準として85% H3PO4を含有するCD3CNフ
ィルム) −26.0qtm J1 P,F1=1083Hz J2 P,F2= 102Hz J3 P,F3= 4.9Hz ヘプタフルオロイソプロピル(1,1,1,3,3,3−ヘキサフ
ルオロイソプロピル)−トリフルオロホスホラン(II
b): NMR19F,ppm:(標準として85% CCl3Fを含有するCD3CNフ
ィルム) −33.10dm(3F1) −59.56m(6F4) −70.26m(6F3) −171.90m(1F2) NMR31P,ppm:(標準として85% H3PO4を含有するCD3CNフ
ィルム) −23.2qdm J1 P,F1=1014.0Hz J2 P,F2= 99.0Hz J3 P,F3= 5.2Hz J3 P,F4= 5.7Hz J2 P,H= 11.0Hz NMR1H,ppm:(標準としてTMSを含有するCD3CNフィルム) 3.9dm ビス(1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロイソプロピル)ト
リフルオロホスホラン(II c): NMR19F,ppm:(標準としてCCl3Fを含有するCD3CNフィル
ム) −25.96dm(3F1) −59.51m(12F2) NMR31P,ppm:(標準として85% H3PO4Fを含有するCD3CN
フィルム) −20.69qm J1 P,F1=960.0Hz J3 P,F2= 11.3Hz NMR1H,ppm:(標準としてTMSを含有するCD3CNフィルム) 3.9dm ヘプタフルオロイソプロピルテトラフルオロホスホラン
(II d): NMR19F,ppm((標準としてCCl3Fを含有するCD3CNフィル
ム);−30℃): −50.10dm(4F1) −72.22m(6F3) −172.83dm(1F2) NMR31P,ppm((標準として85% H3PO4を含有するCD3COC
D3フィルム);−40℃): −55.3pdsep J1 P,F1=1042.0Hz J2 P,F2= 100.0Hz J3 P,F3= 6.0Hz 1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロイソプロピルテトラフル
オロホスホラン(II e): NMR19F,ppm((標準としてCCl3Fを含有するCD3CNフィル
ム);−30℃): −40.90dm(4F1) −61.8m(6F2) NMR31P,ppm((標準として85% H3PO4を含有するCD3COC
D3フィルム);−40℃): −50.8pdsep J1 P,F1=1003.0Hz J3 P,F2= 14.0Hz J2 P,F = 27.0Hz 実施例2 トリス(ペンタフルオロエチル)ジフルオロホスホラン
(V a) 70gのトリス(ペンタフルオロエチル)ジフルオロホ
スホラン(V a)を、実施例1に記載された方法と同様
に69gの酸化トリエチルホスフィンから製造する。NMR31
P分光分析データは、文献中のそれと一致している(V.
J.Semeniiら;Zh.Obshch.Khim,(Russ.)1985,第1巻.5
5,12,2716−2720): NMR31P,(標準として85% H3PO4を含有するCD3COCD3
ィルム),ppm: −47.55tsep J1 P,F=1003.0Hz J3 P,F= 122.0Hz 実施例3 リチウムビス(ヘプタフルオロイソプロピル)テトラフ
ルオロホスフェート(II) 12g(0.028mol)のビス(ヘプタフルオロイソプロピ
ル)−トリフルオロホスホラン(II a)を、水分を排除
し、マグネチックスターラーを用いて撹拌しつつ、PTFE
反応容器中に入れた0.82g(0.031mol)のLiFおよび60ml
の予め乾燥したジメトキシエタンからなる溶液にゆっく
り加え、温度は氷水浴にて冷却することにより室温に保
つ。次いで同じ温度にて1時間撹拌を行い、少量の金属
リチウムも加える。この反応混合物を24時間室温に保
ち、次いで濾過すれば、直ちに充電式電池用電解質とし
て使用できる。しかしながら、反応中に生成されたリチ
ウムビス(ヘプタフルオロイソプロピル)テトラフルオ
ロホスフェート(II)はまた、高真空のもとで溶媒を留
去することによっても単離可能である。
リチウム錯塩(II)、Li+[i−C3F72PF4×2DM
Eを単離する。融点:126〜128℃;130℃まで熱的に安定。
分析:Li 理論値:0.93% 実測値:1.15% 溶媒は、数日間、高真空のもとで錯塩(II)を80℃に
加熱することにより除去できる。
実施例3a 本発明のリチウム塩を製造するためには、実施例1で
得られたフルオロホスフォラン混合物を事前に分画蒸留
せず、直接用いることができる。
前記のように、75%の化合物(II a)、15%の化合物
(II b)、および10%の化合物(II c)を含んでなる、
実施例1からの16gのフルオロホスフォラン混合物を、
1.0gのLiFおよび80mlの乾燥したDMEからなる溶液に加え
た。この溶液もまた、濾過の後に直接、電解質として用
いることができる。しかしながらリチウム塩もまた、DM
E溶液に予め乾燥させたヘキサンを加えた場合、溶液か
ら析出すると考えられる。13.6gのリチウムビス(ヘプ
タフルオロイソプロピル)テトラフルオロホスフェート
(II)は、6%リチウムヘプタフルオロイソプロピル
(1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロイソプロピル)テトラ
フルオロホスホェート(IV)とともに、乾燥したDMEお
よびジブチルエーテル(1:2)からなる溶媒混合物を用
いて得られた生成物の再結晶により得られる。
塩類(II)および(III)の構造はNMR19Fおよび31P分
光分析により検出した。NMRスペクトルは、CD3COCD3
液中でCCl3Fとともに、またそうでない場合は85% H3PO
4を外部標準として測定した。
リチウムビス(ヘプタフルオロイソプロピル)テトラフ
ルオロホスフェート(II) NMR19F,ppm: −58.14dm(4F1) −71.07pdd(12F3) −184.40cdsep(2F2) J3 F1,F2= 4.0Hz J4 F1,F3=10.9Hz J3 F2,F3= 4.7Hz NMR31P,ppm: −149.27ptm −148.42ptm(CD3CN溶液) J1 P,F1=943.0Hz J2 P,F2= 75.0Hz J3 P,F3= 8.2Hz リチウムヘプタフルオロイソプロピル(1,1,1,3,3,3−
ヘキサフルオロ−イソプロピル)テトラフルオロホスフ
ェート(IV) NMR19F,ppm: −47.20dddm(4F1) −58.01dpd(6F4) −70.79pdd(6F3) −183.50dm(1F2) J3 F1,F2= 4.1Hz J3 H,F1 = 4.1Hz J3 F2,F3= 8.0Hz J4 F1,F3=11.5Hz J4 F1,F4=11.5Hz NMR31P,ppm: −147.37pdm J1 P,F1=928.0Hz J2 P,F2= 74.5Hz J3 P,F3= 8.3Hz J3 P,F4= 11.4Hz 実施例4 リチウムヘプタフルオロイソプロピルペンタフルオロホ
スフェート(VIII) リチウムヘプタフルオロイソプロピルペンタフルオロ
ホスフェート(VIII)は、実施例3に記載したものと同
様の方法で、乾燥したジメトキシエタン中でフルオロホ
スホラン(II d)をLiFと反応させることにより得られ
る。記載のように、濾過後に得られる溶液は直接、電解
質溶液として使用することができるか、または前記の塩
は高真空下での溶媒の留去により、もしくはヘキサンを
加えることによる結晶化により単離できる。
実施例1に従って得られたフルオロホスホランの混合
物もまた、予め精製することなく、LiFとそれらを反応
させることにより、電解質溶液を製造するために使用す
ることができる。この場合得られる2つのリチウム塩
(VIII)および(IX)の溶液もまた、リチウム電池用電
解質として使用できる。
塩は双方とも前記した同様の方法で単離できる。
リチウムヘプタフルオロイソプロピルペンタフルオロホ
スフェート(VIII) NMR19F,ppm:(溶媒:CD3COCD3;標準:CCl3F) −62.62dddsep(4F1) −73.13p(1F2) −71.49pdd(6F4) −183.72dsepm(1F3) J2 F1,F2=45.4Hz J3 F1,F3= 3.6Hz J3 F3,F4= 4.2Hz J4 F1,F4=11.4Hz NMR31P,ppm:(溶媒:CD3CN;外部標準:85% H3PO4) −148.16pddsep J1 P,F1=841.0Hz J1 P,F2=717.0Hz J2 P,F3= 68.7Hz J3 P,F4= 4.9Hz リチウム1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロイソプロピルペ
ンタフルオロ−ホスフェート(IX) NMR19F,ppm:(溶媒:CD3COCD3;標準:CCl3F) −52.95dddsep(4F1) −69.04p(1F2) −59.40dp(6F3) J2 F1,F2=42.6Hz J3 F1,H = 3.8Hz J4 F1,F3=12.3Hz NMR31P,ppm:(溶媒:CD3CN;外部標準:85% H3PO4) −145.82pddsep J1 P,F1=829.0Hz J1 P,F2=708.0Hz J2 P,H = 29.0Hz J3 P,F3= 12.9Hz リチウムヘプタフルオロプロピルペンタフルオロホス
フェート(VIII)を用いて、サイクル実験を行い、その
結果を図1、図1a、図1bに示す。図1a、図1bは図1を分
解して明確にしたもので、図1aは下記条件における電位
間隔0.0〜0.3Vの場合、図1bは電位間隔3.0〜6.0Vの場合
の結果を示している。これらの実験は、以下の条件下で
行った: 電位間隔:0.0〜3.0;3.0〜6.0V 変化速度:100mV/s 作用電極:Pt,表面積1.96×103cm2 参照電極:Li 試験電極:Li 電気化学的安定性:5.0Vまで 実施例5 リチウムトリス(ペンタフルオロエチル)トリフルオロ
ホスフェート(V) リチウムトリス(ペンタフルオロエチル)トリフルオ
ロホスフェート(V)は、実施例3と同様にして、予め
乾燥させたジメトキシエタン中で、実施例2と同様にし
て得られた、対応するフルオロホスホラン(V a)をLiF
と反応させることにより得られる。この場合もまた、反
応後に得られた反応溶液および濾液は直接、電解質とし
て用いることが可能であるか、またはこの塩(V)は高
真空下で溶媒を留去するか、もしくはヘキサンを加えて
ることにより結晶化させて、単離することができる。リ
チウムトリス(ペンタフルオロエチル)トリフルオロホ
スフェート(V) NMR19F,ppm:(溶媒:CD3COCD3;標準:CCl3F) −87.0d(2F1) −43.6dm(1F2) −115.3m(4F3) −115.7m(2F5) −79.7m(3F6) −81.3m(6F4) NMR31P,ppm:(溶媒:CD3COCD3;外部標準:85% H3PO4) −149.8tdpt J1 P,F1=902.0Hz J1 P,F2=889.0Hz J2 P,F3= 98.0Hz J2 P,F5= 83.0Hz リチウムトリス(ペンタフルオロエチル)トリフルオ
ロホスフェートのDME複合体(V)の融点は116〜118℃
であり、130℃まで熱的に安定である。
DME中に溶解させ、19mlのLP10を加えたリチウムトリ
ス(ペンタフルオロエチル)トリフルオロホスフェート
(V)1mlを用いてサイクル実験を行った。最初および
5回目のサイクル実験の結果を図2、図2a、図2bに示
す。図2a、図2bは図2を分解して明確にしたもので、図
2aは下記条件における電位間隔0.0〜0.3Vの場合、図2b
は電位間隔3.0〜6.0Vの場合の結果を示している。これ
らの実験は以下の条件下で行った: 電位間隔:0.0〜3.0V;3.0〜6.0V 変化速度:100mV/s 作用電極:Pt、表面積1.96×103cm2 参照電極:Li 試験電極:Li 電気化学的安定性:5.0Vまで
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 イグナツィーフ、 ニコライ ドイツ連邦共和国 デー―47058 ジュ イスブルク プリンツェンシュトラーセ 104 (56)参考文献 J.General Chem.US SR.,59(3),469−473(1989) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C07F 9/535 CA(STN) REGISTRY(STN)

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】一般式(I) Li+[PFa(CHbFc(CF3 (I) {式中、 aは1、2、3、4または5、 bは0または1、 cは0、1、2または3、 dは0、1、2または3、かつ eは1、2、3または4である (ただし、リガンド(CHbFc(CF3)は異なっていて
    もよいという条件で、a+eの和は6に等しく、b+c
    +dの和は3に等しく、かつ、bとcは同時に0となら
    ない)} で示されるフルオロリン酸リチウム。
  2. 【請求項2】下記式(II)ないし(IX)で表される請求
    項1記載のフルオロリン酸リチウム。
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