JP4929766B2 - 電解液 - Google Patents
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Description
式(IA−2):
−CH2−、−CHF−、−CF2−、−CHCl−、−CFCl−、−CCl2−
R20−R21−
(式中、R20はフッ素原子を有していてもよい炭素数1以上のアルキル基;R21はフッ素原子を有していてもよい炭素数1〜3のアルキレン基;ただし、R20およびR21の少なくとも一方はフッ素原子を有している)で示される含フッ素アルキル基が、電解質塩の溶解性が良好な点から好ましく例示できる。
CF3−、CF3CH2−、CF3CF2−、CF3CH2CH2−、CF3CF2CH2−、CF3CF2CF2−、CF3CH2CF2−、CF3CH2CH2CH2−、CF3CF2CH2CH2−、CF3CH2CF2CH2−、CF3CF2CF2CH2−、CF3CF2CF2CF2−、CF3CF2CH2CF2−、CF3CH2CH2CH2CH2−、CF3CF2CH2CH2CH2−、CF3CH2CF2CH2CH2−、CF3CF2CF2CH2CH2−、CF3CF2CF2CF2CH2−、CF3CF2CH2CF2CH2−、CF3CF2CH2CH2CH2CH2−、CF3CF2CF2CF2CH2CH2−、CF3CF2CH2CF2CH2CH2−、HCF2−、HCF2CH2−、HCF2CF2−、HCF2CH2CH2−、HCF2CF2CH2−、HCF2CH2CF2−、HCF2CF2CH2CH2−、HCF2CH2CF2CH2−、HCF2CF2CF2CF2−、HCF2CF2CH2CH2CH2−、HCF2CH2CF2CH2CH2−、HCF2CF2CF2CF2CH2−、HCF2CF2CF2CF2CH2CH2−、FCH2−、FCH2CH2−、FCH2CF2−、FCH2CF2CH2−、FCH2CF2CF2−、CH3CF2CH2−、CH3CF2CF2−、CH3CH2CH2−、CH3CF2CH2CF2−、CH3CF2CF2CF2−、CH3CH2CF2CF2−、CH3CF2CH2CF2CH2−、CH3CF2CF2CF2CH2−、CH3CF2CF2CH2CH2−、CH3CH2CF2CF2CH2−、CH3CF2CH2CF2CH2−、CH3CF2CH2CF2CH2CH2−、CH3CF2CH2CF2CH2CH2−、HCFClCF2CH2−、HCF2CFClCH2−、HCF2CFClCF2CFClCH2−、HCFClCF2CFClCF2CH2−などの直鎖状のものとしての例があげられ、また分岐鎖状のものとしては、
−CH2−、−CHF−、−CF2−、−CHCl−、−CFCl−、−CCl2−
Rf1−OH (I−a)
(式中、Rf1は前記と同じ)で示される含フッ素アルコール(I−a)をつぎの反応に供する方法が例示できる。
Rf1−O−R3−CH=CH−R
をO3、KMnO4、NaOClなどを用いて酸化して対応するエポキシ化合物:
式:
式:
HCFX1c−
(式中、X1cはHまたはF)で示される部位を末端に有しかつフッ素含有率が10〜76質量%である含フッ素エーテル基;R1cは水素原子がハロゲン原子で置換されていてもよく、ヘテロ原子を鎖中に含んでいてもよいアルキル基)で示される鎖状カーボネート
なども併用してもよい。特に、高耐電圧が必要なキャパシタ用途では、電解質塩溶解用溶媒(III)として上記の含フッ素鎖状カーボネートを用いることが望ましい。
また、テトラアルキル4級アンモニウム塩のうち、アルキル基の1個か2個がエーテルである4級アンモニウム塩を用いることが粘性低下の点で望ましい。たとえば、N,N−ジエチル−N−メチル−N−(2−メトキシエチル)アンモニウム塩などは粘性が低いため好ましい。また、スピロビピロリジニウム塩、またはスピロビピリジニウムの水素原子を一部フッ素原子で置換した塩も粘性が低く、特に低温特性が優れているため好ましい。また、テトラアルキル4級アンモニウム塩のうち、アルキル基が1つ以上の含フッ素アルキル基、または含フッ素エーテル基であるものが、耐酸化性向上、粘性低下の点から好ましい。さらには、フッ素原子または含フッ素アルキル基、含フッ素エーテル基を含有するイミダゾリウム塩も耐酸化性向上、粘性低下の点から好ましい。塩のアニオン種としては、耐酸化性の優れたBF4 -、PF6 -、AsF6 -、SbF6 -が好ましい。
P−(D)−Q (1−1)
[式中、Dは式(2−1):
−(D1)n−(FAE)m−(AE)p−(Y)q− (2−1)
(式中、D1は、式(2a):
AEは、式(2c):
Yは、式(2d−1)〜(2d−3):
nは0〜200の整数;mは0〜200の整数;pは0〜10000の整数;qは1〜100の整数;ただしn+mは0ではなく、D1、FAE、AEおよびYの結合順序は特定されない);
PおよびQは同じかまたは異なり、水素原子、フッ素原子および/または架橋性官能基を含んでいてもよいアルキル基、フッ素原子および/または架橋性官能基を含んでいてもよいフェニル基、−COOH基、−OR14(R14は水素原子またはフッ素原子および/または架橋性官能基を含んでいてもよいアルキル基)、エステル基またはカーボネート基(ただし、Dの末端が酸素原子の場合は−COOH基、−OR14、エステル基およびカーボネート基ではない)]で表される側鎖に含フッ素基を有する非晶性含フッ素ポリエーテル化合物である。
19F−NMR:
測定条件:282MHz(トリクロロフルオロメタン=0ppm)
1H−NMR:
測定条件:300MHz(テトラメチルシラン=0ppm)
Perkin Elmer社製フーリエ変換赤外分光光度計1760Xで室温にて測定する。
装置:GC17A GAS CHROMATOGRAPH((株)島津製作所製)
測定条件:100℃で5分間保持した後20℃/分で230℃まで昇温し、230℃で10分間保持する。
使用カラム:DB624
酸素フラスコ燃焼法により試料10mgを燃焼し、分解ガスを脱イオン水20mlに吸収させ、吸収液中のフッ素イオン濃度をフッ素選択電極法(フッ素イオンメーター、オリオン社製 901型)で測定することにより求める(質量%)。
ステンレススチール製の500mlオートクレーブを用いて反応を行った。オートクレーブ内にアゾイソブチロニトリル(AIBN)(840mg:5mmol)、4−ペンテン酸(25g:250mmol)を加え、ドライアイス-アセトン溶液を用いてオートクレーブを冷却し、系内を真空下にした。
1H−NMR:(neat):2.33〜2.51ppm(1H)、2.76〜3.08ppm(5H)、5.18〜5.28ppm(1H)
SUS製の500mlオートクレーブを用いて反応を行った。オートクレーブ内にAIBN(771mg:4.70mmol)、4−ペンテン酸(23.62g:236mmol)、(CF3)2CFI(67g:275mmol)を加えた。攪拌しながら、その後70℃まで熱を加えた。その時の内圧は0MPaであった。1時間攪拌を行った後反応を止めた。ガスクロマトグラフィ法により4−ペンテン酸の消失を確認した。つぎにその反応溶液を500mlの還流管を付けた三口フラスコに移した。反応溶液を60℃まで熱を加え滴下ロートを用いてK2CO3水溶液(32.0g、水80ml)を滴下した。滴下と同時に二酸化炭素の発生が確認できた。二酸化炭素の発生が終了した時点で滴下を終了した。滴下後反応溶液は2相に分離していた。下層の溶液を抜き出し蒸留を行った。目的生成物を収率70%(45.6g:170mmol)で得た。
1H−NMR:(neat):1.51〜2.78ppm(6H)、4.83〜4.93ppm(1H)
窒素雰囲気下、還流管、滴下ロート、温度計を付けた500mlの四口フラスコに、ナトリウムエトキサイド(86ml:245mmol)、エタノール100mlを入れ撹拌した。続いて、マロン酸ジエチル(37.5g:234mmol)を30℃に保ちながら滴下し反応させた。滴下後、1,1,1−トリフルオロ−2,3−エポキシプロパン(25g:223mmol)を滴下した。発熱がおさまったところで、反応器の温度を80℃にし30分攪拌した。つぎに、KOH溶液(16g:285mmol)を滴下した。この時、気体の発生を確認した。気体の発生が見られなくなった時点で、温度を下げ、反応液をHCl溶液に注いだ。このとき、酸性であることを確認した。酢酸エチルで抽出し、溶媒を留去後、蒸留精製を行なった。目的生成物を収率40%(12g:78mmol;沸点=64℃/3mmHg)で得た。
1H−NMR:(neat):2.28〜2.43ppm(1H)2.55〜2.70ppm(3H)、5.01〜5.14pp(1H)
500mlオートクレーブに無水コハク酸(20g:0.20mol)、亜鉛(26.7g:0.41mmol)、BrCH2CH2Br(1滴)、I2(0.25g:0.98mmol)、CH3CN(152g)、ピリジン(64g:0.80mmol)を加え、反応容器内を真空下にしその状態で5分攪拌を行った。続いて、CF3I(90g:563mmol)を導入した。このとき反応温度が50℃まで発熱した。その後10〜20℃に保ったまま1.5時間程度攪拌後、内容物を取り出した。取り出した反応溶液に、酢酸エチル(300ml)を加え攪拌、ろ過を行い亜鉛を除去した。続いて1N−HCl溶液で3回クエンチし、分液により上層を採取した。採取した上層はエバポレーターにより濃縮し、ガスクロマトグラフィ法による分析を行った。続いて、濃縮した溶液の蒸留を行った。蒸留により収率20%で目的生成物を得た(8.8g)。
1H−NMR:(neat):3.62〜3.81ppm(4H)
合成例1〜2でそれぞれ得た含フッ素アルキル基を有する含フッ素ラクトンと、比較合成例1〜2で得た含フッ素アルキル基含有含フッ素ラクトンについて粘度、耐塩基性試験を調べた。さらに、上記溶液に、電解質塩としてLiN(SO2C2F5)2を1モル/リットルの濃度になるように配合し、電解液を調製した。この電解液について、耐電圧、電解質塩の溶解性を調べた。結果を表1に示す。
3電極式電圧測定セル(作用極、対極:白金(なお、対極と作用極の面積比を5:1とする)、参照極:Ag。宝泉(株)製のHSセル)に電解液を入れ、ポテンシオスタットで3mV/secで電位走引し、分解電流が0.1mA以上流れなかった範囲を耐電圧(V)とする。
B型回転粘度計(東海八神(株)製のVISCONE CVシリーズ)により、測定粘度範囲1〜500mPa・秒のコーンを用い、回転数60rpm、温度25、0、−20℃で溶液の粘度を測定する。
溶液にLiN(SO2C2F5)2および4フッ化ホウ酸4エチルアンモニウム[(C2H5)4NBF4]をそれぞれ室温で1モル/リットルになるように加え、充分に攪拌し、目視で溶解性を観察する。
○:均一に溶解した。
△:若干懸濁している状態となった。
×:不溶分が沈殿した。
10重量%K2CO3水溶液と含フッ素ラクトンをサンプル瓶に1:1の体積比で混合し攪拌を行う。1時間攪拌後の溶液の状態を目視によって検討する。
○:分解せず、2層分離のまま。
×:分解し、均一層になる。
つぎの方法でコイン型リチウム二次電池を作製した。
正極活物質としてLiCoO2(85質量%)にカーボンブラック(6質量%)およびポリフッ化ビニリデン(呉羽化学(株)製の商品名KF−1000)(9質量%)を加えて混合し、N−メチル−2−ピロリドンで分散しスラリー状としたもの用い、これを正極集電体である厚さ20μmのアルミニウム箔上に均一に塗布し、乾燥後、直径12.5mmの円盤状に打ち抜いて正極とした。
人造黒鉛粉末(テイムカル社製の商品名KS−44)94重量%に蒸留水で分散させたスチレンーブタジエンゴム(SBR)を固形分で6重量%となるように加えてディスパーザーで混合し、スラリー状にしたものを負極集電体である厚さ18μmの銅箔上に均一に塗布し、乾燥後、直径12.5mmの円盤状に打ち抜いて負極とした。
正極集電体をかねるステンレス製の缶体に上記正極を収容し、その上に下記に示す各種の電解液を含浸させたポリエチレン製のセパレータを介して上記負極を載置し、この缶体と、負極集電体をかねる封口板とを絶縁用ガスケットを介してかしめて密封し、コイン型リチウム二次電池を作製した。
水蒸気賦活された比表面積2000m2/gのフェノール樹脂系活性炭とポリテトラフルオロエチレン(PTFE)とカーボンブラックとの質量比で8:1:1の混合物にエタノールを加えて混練した。これをシート状に成形後、厚さ0.6mmにロール圧延し、得られたシートを直径12mmの円盤に打ち抜き、電極を作製した。
Claims (8)
- 式(I):
前記含フッ素ラクトンが、式(IA−1):
- 前記含フッ素ラクトンにおいて、Rf1が式:
R20−R21−
(式中、R20はフッ素原子を有していてもよい炭素数1以上のアルキル基;R21はフッ素原子を有していてもよい炭素数1〜3のアルキレン基;ただし、R20およびR21の少なくとも一方はフッ素原子を有している)で示される含フッ素アルキル基である請求項1記載の電解液。 - 前記含フッ素ラクトンにおいて、ラクトン環を構成している炭素原子に結合している原子が、Rf1を除いていずれもHである請求項1〜3のいずれかに記載の電解液。
- 0℃での粘度が30mPa・秒以下である請求項1〜4のいずれかに記載の電解液。
- −20℃での粘度が40mPa・秒以下である請求項1〜5のいずれかに記載の電解液。
- 請求項1〜6のいずれかに記載の電解液を備える電気化学デバイス。
- 請求項1〜6のいずれかに記載の電解液を備え、耐電圧が3.5V以上である電気二重層キャパシタ。
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