JP2017004638A - Electrolyte salt, non-aqueous electrolyte containing the electrolyte salt, and electricity storage device using the same - Google Patents
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Abstract
【課題】高温での安定性と低温での高伝導性を兼ね備えた電解質塩、非水電解液、および前記非水電解液を含む蓄電デバイスを提供する。
【解決手段】下記一般式(I)で表されるシアノフルオロボレート・リチウム塩
Li・BFX(CN)4−X (I) (ただし、Xは、1〜3の整数である。)、
及び前記シアノフルオロボレート・リチウム塩以外のリチウム塩を含む電解質塩であって、
前記シアノフルオロボレート・リチウム塩以外のリチウム塩1モルに対して、前記シアノフルオロボレート・リチウム塩を0.05モル以上1モル未満含むことを特徴とする電解質塩である。
【選択図】図1An electrolyte salt, a non-aqueous electrolyte, and an electricity storage device including the non-aqueous electrolyte that have both stability at high temperatures and high conductivity at low temperatures.
A cyanofluoroborate lithium salt represented by the following general formula (I): Li.BF X (CN) 4 -X (I) (where X is an integer of 1 to 3),
And an electrolyte salt containing a lithium salt other than the cyanofluoroborate lithium salt,
An electrolyte salt comprising 0.05 mol or more and less than 1 mol of the cyanofluoroborate / lithium salt with respect to 1 mol of a lithium salt other than the cyanofluoroborate / lithium salt.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、新規な電解質塩、該電解質塩を含む新規な非水電解液、及び該非水電解液を用いた新規な蓄電デバイスに関する。 The present invention relates to a novel electrolyte salt, a novel non-aqueous electrolyte containing the electrolyte salt, and a novel electricity storage device using the non-aqueous electrolyte.
近年、携帯用電子機器、携帯電話およびビデオカメラなどが急激に普及し、それらに用いられる軽量で高性能の二次電池の需要が大幅に増大した。また、二次電池は、車載用途または自然エネルギーの貯蔵用途などに向けての開発が進められている。車載用途では使用環境温度は−30℃から60℃が想定されており、従来使用されている温度領域より厳しい使用環境が想定され、高温側では電解質の耐久性が求められ、低温側では従来以上のイオン伝導率が求められている。特に高温環境については、セルが大型化されるため、使用環境のみならず、自己発熱によって定常的に比較的高い温度にさらされることになり、従来リチウムイオン電池が使用される上限温度の45℃よりも高い60℃、あるいはそれ以上の高い温度における耐久性の向上が重要な開発課題になってきている。 In recent years, portable electronic devices, mobile phones, video cameras, and the like have spread rapidly, and the demand for lightweight, high-performance secondary batteries used for them has greatly increased. In addition, secondary batteries are being developed for in-vehicle applications or natural energy storage applications. For automotive applications, the operating environment temperature is assumed to be -30 ° C to 60 ° C, and it is assumed that the usage environment is severer than the temperature range that has been used in the past. The ionic conductivity of is required. Especially in a high temperature environment, since the cell is enlarged, not only the use environment but also a constant relatively high temperature is exposed by self-heating, and the upper limit temperature of 45 ° C. at which a conventional lithium ion battery is used. Improvement of durability at a higher temperature of 60 ° C. or higher has become an important development issue.
また、車載用または自然エネルギー貯蔵用の電池の場合、使用条件として−30℃での作動が想定され、低温でのイオン伝導性も要求される。低温でのイオン伝導度低下を避けるために通常は低粘度の有機溶媒(炭酸エチレンと炭酸エチルメチルとの混合溶媒など)を用いる事が行われているが、ほとんどの低粘度の有機溶媒は蒸気圧が高く、デンドライト析出などにより電池にショートが発生した場合、容易に火災が発生するなど安全性が低下する問題点がある。 In addition, in the case of a vehicle-mounted battery or a natural energy storage battery, operation at −30 ° C. is assumed as a use condition, and ion conductivity at a low temperature is also required. In order to avoid a decrease in ionic conductivity at low temperatures, a low-viscosity organic solvent (such as a mixed solvent of ethylene carbonate and ethyl methyl carbonate) is usually used, but most low-viscosity organic solvents are vapors. When the pressure is high and a short circuit occurs in the battery due to dendrite deposition, there is a problem that the safety is lowered, for example, fire is easily generated.
前記二次電池等の蓄電デバイスに用いられている電解液として、多くの場合、非水溶媒にリチウム塩を溶解した電解液が使用されている。さらに、非水溶媒としては、例えば炭酸エチレン、炭酸プロピレン、炭酸ジエチル等の混合溶媒が一般的に使用されている。リチウム塩としてはLiPF6、LiBF4などが用いられている。 In many cases, an electrolytic solution in which a lithium salt is dissolved in a nonaqueous solvent is used as an electrolytic solution used in an electricity storage device such as the secondary battery. Furthermore, as the non-aqueous solvent, for example, a mixed solvent such as ethylene carbonate, propylene carbonate, and diethyl carbonate is generally used. As the lithium salt, LiPF 6 , LiBF 4 or the like is used.
また、リチウムイオン二次電池の負極活物質としては、リチウムイオンを吸蔵および放出することができる炭素質材料、ならびに、高容量化を目指してシリコンまたはスズ等を用いた金属または合金系の材料などが知られ、現在は炭素質材料である天然黒鉛、人造黒鉛、非晶質炭素等が主に用いられている。正極活物質としてはリチウムイオンを吸蔵および放出することができる遷移金属複合酸化物が用いられている。遷移金属の代表例としてはコバルト、ニッケル、マンガン、鉄等である。 In addition, as a negative electrode active material of a lithium ion secondary battery, a carbonaceous material capable of inserting and extracting lithium ions, and a metal or alloy-based material using silicon or tin etc. aiming at high capacity, etc. Currently, carbonaceous materials such as natural graphite, artificial graphite, and amorphous carbon are mainly used. As the positive electrode active material, a transition metal composite oxide capable of inserting and extracting lithium ions is used. Typical examples of transition metals are cobalt, nickel, manganese, iron and the like.
このようなリチウムイオン二次電池は、活性の高い正極と負極とを使用しているため、電極と電解液との副反応により、充放電容量が低下することが知られており、電池特性を改良するために、電解液の成分である非水溶媒、電解質や添加剤について種々の検討がなされている。 Since such a lithium ion secondary battery uses a positive electrode and a negative electrode with high activity, it is known that the charge / discharge capacity decreases due to a side reaction between the electrode and the electrolyte solution. In order to improve, various studies have been made on non-aqueous solvents, electrolytes, and additives that are components of the electrolytic solution.
電解質として用いられている化合物(電解質塩)は、上記の通り、LiPF6およびLiBF4である。その他に、リチウムビストリフルオロメチルスルフォニルイミド(LITFSI)、リチウムビスフルオロスルフォニルイミド(LiFSI)、LiClO4、リチウムビス[ペンタフルオロエタンスルホニル]イミド、リチウム[トリフルオロメタンスルホニル][ノナフルオロブタンスルホニル]イミド、リチウムシクロヘキサフルオロプロパン−1,3−ビス[スルホニル]イミド、リチウムビス[オキサレート(2−)]ボレート、リチウムトリフルオロメチルトリフルオロボレート、リチウムペンタフルオロエチルトリフルオロボレート、リチウムヘプタフルオロプロピルトリフルオロボレート、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、リチウムジシアノジフルオロボレート、リチウムトリシアノフルオロボレート、リチウムテトラシアノボレートなどのリチウム塩も検討されている。中でも、主に使用されているのがLiPF6、及びLiBF4であり、そして、有機溶媒への溶解性、伝導度のことを考慮すると、LiPF6が好適に使用されている。 The compound (electrolyte salt) used as the electrolyte is LiPF 6 and LiBF 4 as described above. In addition, lithium bistrifluoromethylsulfonylimide (LITFSI), lithium bisfluorosulfonylimide (LiFSI), LiClO 4 , lithium bis [pentafluoroethanesulfonyl] imide, lithium [trifluoromethanesulfonyl] [nonafluorobutanesulfonyl] imide, lithium Cyclohexafluoropropane-1,3-bis [sulfonyl] imide, lithium bis [oxalate (2-)] borate, lithium trifluoromethyl trifluoroborate, lithium pentafluoroethyl trifluoroborate, lithium heptafluoropropyl trifluoroborate, Lithium tris [pentafluoroethyl] trifluorophosphate, lithium dicyanodifluoroborate, lithium tricyano Ruoroboreto, it has been studied also lithium salt such as lithium tetracyanoborate. Among them, LiPF 6 and LiBF 4 are mainly used, and LiPF 6 is preferably used in consideration of solubility in an organic solvent and conductivity.
そして、リチウムイオン電池の性能を改良するために、上記電解質塩同士の組み合わせ、及びその他の添加剤を電解質塩と組み合わせたりする開発が多数なされている。例えば、LiPF6を主たる電解質塩として使用し、それにLiTFSI、又はLiFSIを組み合わせた電解質塩組成物の開発がされている(例えば、特許文献1〜3参照)。より具体的には、特許文献1には、充電保存後の残存・復帰容量の向上を目的として、電解質塩としてLiPF6とLiFSIとを組み合わせたものを使用し、非水溶媒としてγ-ブチロラクトン系溶媒を使用した例が示されている。特許文献2には、高温サイクル特性の向上を目的として、電解質塩としてLiPF6とLiTFSIとを組み合わせたものを使用し、フッ素化環状エステルを配合した例が示されている。さらに、特許文献3には、高温後の充電残存量の向上、高電圧下での使用を目的として、電解質塩としてLiPF6とLiFSIとを組み合わせたものを使用し、フッ化環状炭酸カーボネートを配合した例が示されている。
And in order to improve the performance of a lithium ion battery, the development which combines the combination of said electrolyte salt and another additive with electrolyte salt is made | formed. For example, an electrolyte salt composition in which LiPF 6 is used as a main electrolyte salt and LiTFSI or LiFSI is combined therewith has been developed (for example, see
以上の特許文献1〜3に記載の方法に従えば、性能の優れたリチウムイオン電池を製造することができる。
According to the methods described in
しかしながら、上記方法等においては、高温での使用特性が向上するとは言っても、実際に示されているのは、60℃までの特性であり、60℃を超える温度においての特性は示されていない。近年、リチウムイオン電池用途は広がっており、その使用状況においては60℃での繰り返し動作が想定されている。また、車載用途などでは車内温度は炎天下で70℃を超える場合があり、より高温での特性維持が望まれている。その要件を十分に満足できるものが開発されていないのが現状である。 However, in the above method, although the use characteristics at high temperature are improved, what is actually shown is the characteristics up to 60 ° C., and the characteristics at temperatures exceeding 60 ° C. are shown. Absent. In recent years, the use of lithium ion batteries has been expanded, and repeated use at 60 ° C. is assumed in the usage situation. In addition, in-vehicle applications and the like, the in-vehicle temperature may exceed 70 ° C. under hot weather, and it is desired to maintain characteristics at higher temperatures. At present, there is no development that can fully satisfy these requirements.
例えば、LiPF6等は、極めて加水分解を受けやすく、また、熱安定性が悪い化合物であり60℃以上で分解することが知られており、60℃を超える温度下においてLiPF6単独での使用は難しい。さらに、LiPF6は、微量の水分と反応し、フッ化水素(HF)が発生する。具体的には、高温保管時にはLiPF6が熱分解(LiPF6→LiF+PF5)し、生じたPF5が水と反応してHFを生成する。また、HFやPF5は有機溶媒と反応して水を発生しこの水がさらにPF6の分解を引き起こすことも考えられる。HFは電池容器や集電体の金属材料を溶解、腐食させ、また、正極活物質を溶解して遷移金属を溶出させ電池劣化の原因となることが知られている。この様な電池特性の劣化は、電解質中でLiPF6の熱分解が僅かに生じた場合でも起こり、また、電池の長期保存、連続充放電時において顕著に起こり、二次電池の致命的欠陥となる。 For example, LiPF 6 and the like are extremely susceptible to hydrolysis and are poor in thermal stability and are known to decompose at 60 ° C. or higher. Use of LiPF 6 alone at a temperature exceeding 60 ° C. Is difficult. Furthermore, LiPF 6 reacts with a small amount of moisture to generate hydrogen fluoride (HF). Specifically, during high-temperature storage, LiPF 6 is thermally decomposed (LiPF 6 → LiF + PF 5 ), and the generated PF 5 reacts with water to generate HF. Further, HF and PF5 is also conceivable to cause decomposition of the water is more PF 6 reacts with an organic solvent to generate water. HF is known to dissolve and corrode metal materials of battery containers and current collectors, and to dissolve positive electrode active materials to elute transition metals and cause battery deterioration. Such deterioration of the battery characteristics occurs even when a slight thermal decomposition of LiPF 6 occurs in the electrolyte, and occurs remarkably during long-term storage and continuous charge / discharge of the battery. Become.
したがって、本発明の目的は、広い範囲で電気化学的に安定であり、高温での安定性、特に60℃を超える温度での安定性を改善できる電解質塩、該電改質塩を含む非水電解液、及びそれを用いた蓄電デバイスを提供するにある。さらには、より高性能な蓄電ダバイスとするために、より広い温度領域で使用可能な蓄電デバイスを提供することにあり、特に0℃未満の温度においても、優れた特性を示す蓄電デバイスを提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide an electrolyte salt that is electrochemically stable over a wide range and can improve stability at high temperatures, particularly stability at temperatures exceeding 60 ° C., and a non-aqueous solution containing the electromodified salt. It is in providing an electrolyte solution and an electrical storage device using the same. Furthermore, to provide a power storage device with higher performance, it is to provide a power storage device that can be used in a wider temperature range, and in particular, to provide a power storage device that exhibits excellent characteristics even at temperatures below 0 ° C. There is.
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた。そして、従来のリチウム塩(電解質塩)の分解の機構について検討し、その分解を抑制する方法について検討した。具体的には、リチウム塩が分解を抑制しつつ、その性能を低下させないためには、それ自身が優れた電解質塩として働くと共に、主となるリチウム塩の分解物をトラップできる添加剤が有用ではないかと考え、検討を行った。その結果、シアノ基を有するリチウム塩を添加剤として使用することにより、上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。 The inventors of the present invention have made extensive studies to solve the above problems. And the mechanism of decomposition | disassembly of the conventional lithium salt (electrolyte salt) was examined, and the method of suppressing the decomposition | disassembly was examined. Specifically, in order to prevent the lithium salt from degrading while not degrading its performance, an additive that can itself act as an excellent electrolyte salt and trap the decomposition product of the main lithium salt is useful. I thought that it might be. As a result, it has been found that the above problem can be solved by using a lithium salt having a cyano group as an additive, and the present invention has been completed.
すなわち、本発明は、例えば以下の[1]〜[8]に関する。
[1] 下記一般式(I)で表されるシアノフルオロボレート・リチウム塩
Li・BFX(CN)4−X (I)(ただし、Xは、1〜3の整数である。)、
及び前記シアノフルオロボレート・リチウム塩以外のリチウム塩を含む電解質塩であって、
前記シアノフルオロボレート・リチウム塩以外のリチウム塩1モルに対して、前記シアノフルオロボレート・リチウム塩を0.05モル以上1モル未満含むことを特徴とする電解質塩。
[2] 前記シアノフルオロボレート・リチウム塩以外のリチウム塩が、LiPF6、又はLiBF4であることを特徴とする[1]に記載の電解質塩。
[3] [1]又は[2]に記載の電解質塩が非水溶媒中に溶解してなる非水電解液であって、非電解質液に含まれる全リチウム塩の合計濃度が0.3〜4mol/Lであることを特徴とする非水電解液。
[4] 前記非水溶媒が、鎖状カーボネート、環状カーボネート、鎖状エステル、ラクトンおよびエーテルよりなる群から選ばれる少なくとも1種であることを特徴とする[3]に記載の非水電解液。
[5] 蓄電デバイスに用いられることを特徴とする[3]又は[4]に記載の非水電解液。
[6] リチウム電池、リチウムイオン電池またはリチウムイオンキャパシタに用いられることを特徴とする[3]又は[4]に記載の非水電解液。
[7] 正極、負極、および[3]又は[4]に記載の非水電解液を有することを特徴とする蓄電デバイス。
[8] リチウム電池、リチウムイオン電池またはリチウムイオンキャパシタであることを特徴とする[7]に記載の蓄電デバイス。
That is, the present invention relates to the following [1] to [8], for example.
[1] Cyanofluoroborate / lithium salt represented by the following general formula (I) Li · BF X (CN) 4 -X (I) (where X is an integer of 1 to 3),
And an electrolyte salt containing a lithium salt other than the cyanofluoroborate lithium salt,
An electrolyte salt comprising 0.05 mol or more and less than 1 mol of the cyanofluoroborate / lithium salt with respect to 1 mol of a lithium salt other than the cyanofluoroborate / lithium salt.
[2] The electrolyte salt according to [1], wherein the lithium salt other than the cyanofluoroborate / lithium salt is LiPF 6 or LiBF 4 .
[3] A non-aqueous electrolyte obtained by dissolving the electrolyte salt according to [1] or [2] in a non-aqueous solvent, wherein the total concentration of all lithium salts contained in the non-electrolyte solution is 0.3 to A non-aqueous electrolyte characterized by being 4 mol / L.
[4] The nonaqueous electrolytic solution according to [3], wherein the nonaqueous solvent is at least one selected from the group consisting of a chain carbonate, a cyclic carbonate, a chain ester, a lactone, and an ether.
[5] The non-aqueous electrolyte according to [3] or [4], which is used for an electricity storage device.
[6] The nonaqueous electrolytic solution according to [3] or [4], which is used for a lithium battery, a lithium ion battery, or a lithium ion capacitor.
[7] An electricity storage device comprising a positive electrode, a negative electrode, and the nonaqueous electrolytic solution according to [3] or [4].
[8] The electricity storage device according to [7], which is a lithium battery, a lithium ion battery, or a lithium ion capacitor.
本発明によれば、低温での伝導度と特に高温での安定性などとを向上できる電解質塩、該電解質塩を含む非水電解液及びそれを用いた蓄電デバイスを提供することができる。具体的には、LiPF6などのリチウム塩と、前記一般式(I)で表されるシアノフルオロボレート塩とを組み合わせた電解質塩が溶解した電解液を用いることにより、従来の電解液に比べて、室温で同等の電気伝導度を有し、低温では伝導度が高く、充電後高温保存した後にも充放電特性の劣化しにくい、作動温度領域が広い電解液が得られる。特に、車載用蓄電デバイス用の非水電解液または自然エネルギー貯蔵用の大型電池の非水電解液として好適に使用され、高温での電気化学特性が低下しにくく、低温環境でも動作するリチウム電池、リチウムイオン電池、またはリチウムイオンキャパシタ等の蓄電デバイスを得ることができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the electrolyte salt which can improve the electrical conductivity in low temperature, especially stability at high temperature, the nonaqueous electrolyte containing this electrolyte salt, and an electrical storage device using the same can be provided. Specifically, by using an electrolytic solution in which an electrolyte salt obtained by combining a lithium salt such as LiPF 6 and the cyanofluoroborate salt represented by the general formula (I) is used, compared with a conventional electrolytic solution. An electrolytic solution having a wide operating temperature range, which has an equivalent electrical conductivity at room temperature, high conductivity at low temperatures, and is less likely to deteriorate charge / discharge characteristics even after being stored at high temperature after charging, can be obtained. In particular, a lithium battery that is suitably used as a non-aqueous electrolyte for an in-vehicle power storage device or a non-aqueous electrolyte for a large-sized battery for storing natural energy, has low electrochemical characteristics at high temperatures, and operates in a low-temperature environment, An electric storage device such as a lithium ion battery or a lithium ion capacitor can be obtained.
[電解質塩]
本発明の電解質塩は、少なくとも2種類のリチウム塩を電解質塩として含有する。そして、その一方のリチウム塩は、下記一般式(I)で表されるシアノフルオロボレート・リチウム塩(以下、リチウム塩(I)ともいう。)である。
Li・BFX(CN)4−X (I) (ただし、Xは、1〜3の整数である。)。
[Electrolyte salt]
The electrolyte salt of the present invention contains at least two types of lithium salts as electrolyte salts. One lithium salt is a cyanofluoroborate / lithium salt represented by the following general formula (I) (hereinafter also referred to as lithium salt (I)).
Li · BF X (CN) 4 -X (I) ( provided that, X is an integer of 1 to 3.).
そして、本発明の電解質塩は、上記リチウム塩(I)以外のリチウム塩(以下、その他のリチウム塩ともいう。)を主成分として、その他のリチウム塩と前記リチウム塩(I)とを組み合わせたものである。先ず、リチウム塩(I)について説明する。 The electrolyte salt of the present invention is composed of a lithium salt other than the lithium salt (I) (hereinafter also referred to as other lithium salt) as a main component, and a combination of the other lithium salt and the lithium salt (I). Is. First, the lithium salt (I) will be described.
<リチウム塩(I)>
本発明の電解質塩は、下記一般式(I)で表されるシアノフルオロボレート・リチウム塩を電解質塩として含有する。
Li・BFX(CN)4−X (I)
上記式においてXは1から3の整数である。
<Lithium salt (I)>
The electrolyte salt of the present invention contains a cyanofluoroborate lithium salt represented by the following general formula (I) as an electrolyte salt.
Li · BF X (CN) 4-X (I)
In the above formula, X is an integer of 1 to 3.
即ち、Li・BF(CN)3、Li・BF2(CN)2及びLi・BF3(CN)が本発明におけるリチウム塩(I)として使用される。Xが0の場合、即ち、Li・B(CN)4は電気化学安定性が十分でないことと低温での電気伝導度が低くなるという問題があるため、その他のリチウム塩と組み合わせた場合、性能を向上することができない。一方、Xが4の場合、即ち、LiBF4は電気伝導度が低いため、その他のリチウム塩と組み合わせた場合、性能を向上することができない。また、フッ素原子(F)に代えて他の基で置換された化合物では、それ自体の電気化学安定性の低さと電気伝導度の低さという問題があり、その他のリチウム塩と組み合わせた場合、性能を向上することができない。それに対しリチウム塩(I)は、ホウ素原子がフッ素原子およびシアノ基の双方で置換されていることと、PF6やBF4に比べて対称性が低くなっていることにより、リチウム塩(I)自体で十分な電気化学安定性と特に低温での高電気伝導度という効果を有するため、本発明の電解質塩として使用できると考える。 That is, Li · BF (CN) 3 , Li · BF 2 (CN) 2 and Li · BF 3 (CN) are used as the lithium salt (I) in the present invention. When X is 0, that is, Li · B (CN) 4 has problems of insufficient electrochemical stability and low electrical conductivity at a low temperature. Therefore, when combined with other lithium salts, Can not improve. On the other hand, when X is 4, that is, LiBF 4 has low electrical conductivity, the performance cannot be improved when combined with other lithium salts. In addition, a compound substituted with another group instead of the fluorine atom (F) has a problem of low electrochemical stability and low electrical conductivity, and when combined with other lithium salts, The performance cannot be improved. On the other hand, the lithium salt (I) has the lithium salt (I) because the boron atom is substituted with both a fluorine atom and a cyano group, and the symmetry is lower than that of PF 6 or BF 4. It is considered that it can be used as the electrolyte salt of the present invention because it has sufficient electrochemical stability by itself and high electrical conductivity particularly at low temperature.
また、Li・BF2(CN)2およびLi・BF(CN)3は、比較的水に対しても安定である。したがって、水分が多少混入していても、分解し難く、電池性能を劣化させるHFなどは発生しにくい。 Li · BF 2 (CN) 2 and Li · BF (CN) 3 are relatively stable against water. Therefore, even if some moisture is mixed in, it is difficult to decompose and HF or the like that degrades battery performance is unlikely to occur.
加えて、推定ではあるが、リチウム塩(I)は、その他リチウム塩の分解物、例えば、HF等をトラップし易いものと考えられ、HFの発生により引き起こされる電解液のさらなる分解や電極の腐食などを抑制できるものと考えられる。さらに、アニオンのイオン半径、及び分子量が小さく、アニオンの対称性が低いため、非水溶媒中に析出し難いこと、及び、アニオンの極性が小さく化合物間の相互作用が小さいことから、その他のリチウム塩と組み合わせた場合、低温での非水電解液の性能を向上できるものと考えられる。
次に、このリチウム塩(I)の製造方法について説明する。
In addition, it is estimated that the lithium salt (I) is likely to trap other decomposition products of the lithium salt, such as HF, etc., and further decomposition of the electrolyte caused by the generation of HF and corrosion of the electrode. It is thought that it can be suppressed. Furthermore, since the ion radius and molecular weight of the anion are small and the symmetry of the anion is low, it is difficult to deposit in a non-aqueous solvent, and the interaction between the compounds is small because the polarity of the anion is small. When combined with salt, it is considered that the performance of the non-aqueous electrolyte at low temperatures can be improved.
Next, the manufacturing method of this lithium salt (I) is demonstrated.
<リチウム塩(I)の製造方法>
前記リチウム塩(I)は、公知の方法で合成することが可能であり、例えば、アセトニトリルおよびアセトンなどの有機溶媒にリチウム金属のシアン化合物を溶解させBF3ガスを吹き込む方法、または、リチウム金属のシアン化合物を、アセトニトリル、ジエチルエーテル、テトラヒドロフランおよびジメトキシエタン等の非プロトン性溶媒の存在下で、三フッ化ホウ素エーテルBF3・OEt2等のBF3付加化合物と反応させる方法で合成することができる。
<Method for producing lithium salt (I)>
The lithium salt (I) can be synthesized by a known method. For example, a lithium metal cyanide compound is dissolved in an organic solvent such as acetonitrile and acetone, and BF 3 gas is blown, or lithium metal It can be synthesized by a method in which a cyanide compound is reacted with a BF 3 addition compound such as boron trifluoride ether BF 3 · OEt 2 in the presence of an aprotic solvent such as acetonitrile, diethyl ether, tetrahydrofuran, and dimethoxyethane. .
また、上記方法の他には、カリウム、ナトリウム、マグネシウムおよびカルシウム等の、リチウム以外のアルカリ金属またはアルカリ土類金属のシアン化合物を、有機溶媒に溶解させ得られた溶液に上述のBF3ガスを吹き込み、または、非プロトン性溶媒の存在下で三フッ化ホウ素エーテルBF3・OEt2等のBF3付加化合物を作用させ、シアノフルオロボレートの対応するアルカリ金属またはアルカリ土類金属塩を合成し、これに、水酸化リチウム、炭酸リチウム、ハロゲン化リチウムなどの無機リチウム塩を作用させることで塩交換を行い、前記リチウム塩(I)を合成する方法などがある。 In addition to the above method, the above BF 3 gas is added to a solution obtained by dissolving an alkali metal or alkaline earth metal cyanide other than lithium, such as potassium, sodium, magnesium and calcium, in an organic solvent. BF 3 addition compound such as boron trifluoride ether BF 3 .OEt 2 is allowed to act in the presence of an aprotic solvent to synthesize a corresponding alkali metal or alkaline earth metal salt of cyanofluoroborate, This includes a method of synthesizing the lithium salt (I) by performing salt exchange by allowing an inorganic lithium salt such as lithium hydroxide, lithium carbonate, or lithium halide to act.
また、合成されたリチウム塩(I)を本発明の非水電解液に用いる際には、例えば、水洗、乾燥などを十分に行い、不純物を十分除去することが好ましい。具体的には、水分濃度は1000ppm以下、Li以外の金属濃度はNaが20ppm以下、Kが10ppm以下、Caが10ppm以下、Feが3ppm以下、Pbが10ppm以下となるよう精製して用いることが好ましい(いずれもリチウム塩(I)を100質量%とする)。 Further, when the synthesized lithium salt (I) is used for the non-aqueous electrolyte of the present invention, it is preferable to sufficiently remove impurities by, for example, sufficiently washing with water and drying. Specifically, the metal concentration other than Li is 1000 ppm or less, Na is 20 ppm or less, K is 10 ppm or less, Ca is 10 ppm or less, Fe is 3 ppm or less, and Pb is 10 ppm or less. Preferable (both lithium salt (I) is 100% by mass).
本発明の電解質塩は、上記リチウム塩(I)以外のその他のリチウム塩を主成分とする。次に、その他のリチウム塩について説明する。 The electrolyte salt of the present invention contains a lithium salt other than the lithium salt (I) as a main component. Next, other lithium salts will be described.
<その他のリチウム塩>
本発明の電解質塩は、上記のリチウム塩(I)以外のその他のリチウム塩を主成分とする。その他のリチウム塩としては、前記リチウム塩(I)以外の既存のリチウム塩を特に制限無く用いることができる。その他のリチウム塩としては、具体的には、CF3SO3Li、LiN(FSO2)2、LiN(FSO2)(CF3SO2)、LiN(CF3SO2)2、LiN(C2F5SO2)2、リチウム環状1,2−パーフルオロエタンジスルホニルイミド、リチウム環状1,3−パーフルオロプロパンジスルホニルイミド、LiC(FSO2)3、LiC(CF3SO2)3、LiC(C2F5SO2)3、リチウムビスオキサラトボレート、リチウムジフルオロオキサラトボレート、リチウムテトラフルオロオキサラトホスフェート、リチウムジフルオロビスオキサラトフォスフェート、LiBF3CF3、LiBF3C2F5、LiPF3(CF3)3、LiPF3(C2F5)3等の有機リチウム塩、およびLiPF6、LiBF4、LiClO4などの無機リチウム塩などが挙げられる。この中でも、リチウム塩(I)の作用機構を考えると、分子内にフッ素(F)原子を有するリチウム塩であることが好ましく、さらにLiPF6、又はLiBF4の無機リチウム塩が好ましい。特に60℃で分解するLiPF6である場合に、本発明は顕著な効果を発揮する。前記その他のリチウム塩は1種単独で用いても、あるいは、2種以上を併用してもよい。
<Other lithium salts>
The electrolyte salt of the present invention contains a lithium salt other than the lithium salt (I) as a main component. As other lithium salts, existing lithium salts other than the lithium salt (I) can be used without particular limitation. Specifically, as other lithium salts, CF 3 SO 3 Li, LiN (FSO 2 ) 2 , LiN (FSO 2 ) (CF 3 SO 2 ), LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , LiN (C 2) F 5 SO 2) 2, lithium cyclic 1,2-perfluoroethanedisulfonylimide, lithium cyclic 1,3-perfluoropropanedisulfonylimide, LiC (FSO 2) 3, LiC (
[電解質塩の配合割合]
本発明の電解質塩は、その他のリチウム塩1モルに対して、リチウム塩(I)を0.05モル以上1モル未満含むものである。リチウム塩(I)の使用量が1モル以上、0.05モル未満になると、その他のリチウム塩の性能向上させる効果が低減するため好ましくない。リチウム塩(I)の配合効果をより高くするためには、その他のリチウム塩1モルに対して、リチウム塩(I)を0.05モル以上0.5モル以下とすることが好ましく、0.05モル以上0.3モル以下とすることがより好ましい。
[Mixing ratio of electrolyte salt]
The electrolyte salt of the present invention contains 0.05 mol or more and less than 1 mol of lithium salt (I) with respect to 1 mol of the other lithium salt. When the amount of the lithium salt (I) used is 1 mol or more and less than 0.05 mol, the effect of improving the performance of other lithium salts is reduced, which is not preferable. In order to further increase the blending effect of the lithium salt (I), the lithium salt (I) is preferably 0.05 mol or more and 0.5 mol or less with respect to 1 mol of the other lithium salt. More preferably, the amount is from 05 mol to 0.3 mol.
以上に説明した電解質塩は、非水溶媒中に溶解させて非水電解液として使用することができる。次に、非水溶媒について説明する。 The electrolyte salt described above can be dissolved in a non-aqueous solvent and used as a non-aqueous electrolyte. Next, the nonaqueous solvent will be described.
<非水電解液>
<非水溶媒>
本発明の非水電解液に用いられる有機溶媒(非水溶媒)は、特に限定されず用いることができる。Liイオン電池やLiイオンキャパシターに用いる場合、電池用電解液には、1)使用範囲の電気化学安定性と、2)電解質塩への高い溶解性と、3)低粘性などによる高い電気伝導性が要求される。特にリチウムイオン電池は充放電の電位が0〜4.5V vs Li+/Li程度と他の電池に比して非常に広く、用いることができる溶媒は限定され、鎖状カーボネート、環状カーボネート、鎖状エステル、ラクトンおよびエーテルよりなる群から選ばれる溶媒が好ましい。本発明において好ましい有機溶媒としては以下の有機溶媒(非水溶媒)が例示される。
<Non-aqueous electrolyte>
<Nonaqueous solvent>
The organic solvent (nonaqueous solvent) used for the nonaqueous electrolytic solution of the present invention is not particularly limited and can be used. When used in Li-ion batteries and Li-ion capacitors, the battery electrolytes include 1) electrochemical stability in the range of use, 2) high solubility in electrolyte salts, and 3) high electrical conductivity due to low viscosity. Is required. In particular, lithium-ion batteries have a charge / discharge potential of about 0 to 4.5 V vs. Li + / Li, which is very wide compared to other batteries, and the solvents that can be used are limited. Chain carbonates, cyclic carbonates, chain-like A solvent selected from the group consisting of esters, lactones and ethers is preferred. Examples of preferable organic solvents in the present invention include the following organic solvents (non-aqueous solvents).
鎖状カーボネートとしては、炭素数3〜6の鎖状カーボネートが好ましい。具体的な鎖状カーボネートとしては、炭酸ジメチル、炭酸エチルメチル、炭酸ジエチルが挙げられる。 As the chain carbonate, a chain carbonate having 3 to 6 carbon atoms is preferable. Specific examples of the chain carbonate include dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, and diethyl carbonate.
環状カーボネートとしては、炭素数3〜6の環状カーボネートが好ましい。具体的な環状カーボネートとしては、炭酸エチレン、炭酸プロピレンが挙げられる。 As a cyclic carbonate, a C3-C6 cyclic carbonate is preferable. Specific examples of the cyclic carbonate include ethylene carbonate and propylene carbonate.
鎖状エステルとしては、炭素数3〜6の鎖状エステルが好ましい。具体的な鎖状エステルとしては、プロピオン酸エチル、プロピオン酸メチル、酢酸エチル、酢酸メチルが挙げられる。 As the chain ester, a chain ester having 3 to 6 carbon atoms is preferable. Specific examples of the chain ester include ethyl propionate, methyl propionate, ethyl acetate, and methyl acetate.
ラクトンとしては、炭素数3〜6のラクトンが挙げられる。具体的なラクトンとしては、γ−ブチロラクトンが挙げられる。 Examples of the lactone include lactones having 3 to 6 carbon atoms. Specific examples of the lactone include γ-butyrolactone.
エーテルとしては、炭素数3〜8のエーテルが好ましい。具体的なエーテルとしては、ジメトキシエタン、エトキシメトキシエタン、ジエトキシエタンおよびトリエチレングリコールジメチルエーテルが挙げられる。 As ether, C3-C8 ether is preferable. Specific ethers include dimethoxyethane, ethoxymethoxyethane, diethoxyethane, and triethylene glycol dimethyl ether.
以上の例示の有機溶媒(非水溶媒)において、電解液の調製時、または電解液の使用時に固体であるものについては、液状である上記他の有機溶媒(非水溶媒)と混合して液状の混合溶媒として使用することができる。 Of the organic solvents (nonaqueous solvents) exemplified above, those that are solid when the electrolytic solution is prepared or used are mixed with the above-mentioned other organic solvents (nonaqueous solvents) that are liquid. It can be used as a mixed solvent.
上記以外の有機溶媒は通常、電気化学安定性が不十分であったり、電解質塩の溶解度が小さい、粘度が高く電気伝導度が小さいなどの理由で電解液としては適さない。 Organic solvents other than those described above are usually unsuitable as electrolytes because of insufficient electrochemical stability, low solubility of electrolyte salts, high viscosity and low electrical conductivity.
上記溶媒は1種単独で用いても、あるいは、2種以上を併用してもよい。例えば、環状カーボネート類のような高誘電率の溶媒と鎖状カーボネートおよび鎖状エステル類のような低粘度の溶媒とを組み合わせることで良好な溶解性と高い電気伝導性が得られることが知られていて、これらを好適に用いることができる。 The said solvent may be used individually by 1 type, or may use 2 or more types together. For example, it is known that good solubility and high electrical conductivity can be obtained by combining a high dielectric constant solvent such as cyclic carbonates with a low viscosity solvent such as chain carbonates and chain esters. These can be preferably used.
その中でも、リチウム塩(I)の溶解性と得られる電解液の性能(優れた電気伝導度および電気化学安定性等)とを考慮すると、非水溶媒として鎖状カーボネートまたは環状カーボネートを使用することが好ましく、特に、鎖状カーボネートと環状カーボネートとの混合溶媒を使用することが好ましい。 Among them, in consideration of the solubility of the lithium salt (I) and the performance of the obtained electrolyte (excellent electrical conductivity and electrochemical stability), a chain carbonate or a cyclic carbonate should be used as a non-aqueous solvent. In particular, it is preferable to use a mixed solvent of a chain carbonate and a cyclic carbonate.
前記混合溶媒を使用する場合、混合溶媒中の鎖状カーボネート含有割合が体積%(23℃)として15%以上であると電解液の粘度を調整し易く、かつ電気伝導度を高くすることができるために好適である。また、鎖状カーボネート含有割合が体積%(23℃)として90%以下であると、溶媒の誘電率の低下による電気伝導度の低下を少なくすることができる。そのため、混合溶媒とする場合には、鎖状カーボネート含有割合が15%以上90%以下、環状カーボネート含有割合が10%以上85%以下であることが好ましく、鎖状カーボネート含有割合が20%以上85%以下、環状カーボネート含有割合が15%以上80%以下であることがより好ましく、鎖状カーボネート含有割合が25%以上80%以下、環状カーボネート含有割合が20%以上75%以下であることがさらに好ましい(ただし、23℃における鎖状カーボネートと環状カーボネートとの合計体積%は100%とする。)。上記の混合溶媒の中でも、環状カーボネートとして炭酸エチレンを使用した場合には、体積%(23℃)として、鎖状カーボネートが40%以上85%以下、炭酸エチレンが15%以上60%以下であることが好ましく、鎖状カーボネートが45%以上80%以下、炭酸エチレンが20%以上55%以下であることがより好ましい。 When the mixed solvent is used, the viscosity of the electrolytic solution can be easily adjusted and the electrical conductivity can be increased when the linear carbonate content in the mixed solvent is 15% or more by volume% (23 ° C.). Therefore, it is suitable. In addition, when the chain carbonate content is 90% or less in terms of volume% (23 ° C.), a decrease in electrical conductivity due to a decrease in the dielectric constant of the solvent can be reduced. For this reason, when a mixed solvent is used, the chain carbonate content is preferably 15% to 90%, the cyclic carbonate content is preferably 10% to 85%, and the chain carbonate content is 20% to 85%. %, More preferably the cyclic carbonate content is 15% to 80%, the chain carbonate content is 25% to 80%, and the cyclic carbonate content is 20% to 75%. Preferred (however, the total volume% of the chain carbonate and cyclic carbonate at 23 ° C. is 100%). Among the above mixed solvents, when ethylene carbonate is used as the cyclic carbonate, the linear carbonate is 40% to 85% and the ethylene carbonate is 15% to 60% as volume% (23 ° C.). The chain carbonate is more preferably 45% to 80%, and the ethylene carbonate is more preferably 20% to 55%.
また、高い電気伝導度を得ることができるため、非水溶媒としてラクトンを使用することも好ましい。 Moreover, since high electrical conductivity can be obtained, it is also preferable to use lactone as a non-aqueous solvent.
この非水溶媒を含む非水電解液を電池に適用することで、高温での安定性と低温での高伝導率の両立した電池を提供することができる。 By applying the non-aqueous electrolyte containing this non-aqueous solvent to the battery, it is possible to provide a battery having both high temperature stability and high conductivity at low temperature.
<リチウム塩以外の添加物>
本発明の非水電解液はまた、既存の電池用または電気二重層キャパシタの電解液に用いられる添加物を含んでいても良い。リチウムイオン電池用電解液は、難燃化およびサイクル特性向上等の目的で様々な添加剤を含んでいるが、当該非水電解液は既存の添加剤がそのまま使える。添加剤の例としては二重結合を含む不飽和カーボネート、フッ化カーボネートなどが挙げられる。
<Additives other than lithium salt>
The non-aqueous electrolyte of the present invention may also contain an additive used for an existing battery or an electric double layer capacitor electrolyte. The electrolyte for a lithium ion battery contains various additives for the purpose of flame retardancy and cycle characteristics improvement, but the existing additive can be used as it is for the non-aqueous electrolyte. Examples of the additive include unsaturated carbonates containing double bonds and fluorinated carbonates.
二重結合を含む不飽和カーボネートの具体的な例としては、炭酸ビニレン、炭酸ビニルエチレン等が挙げられ、フッ化カーボネートの具体的な例としては、フッ素化ジメチルカーボネート誘導体、フッ素化エチルメチルカーボネート誘導体、フッ素化ジエチルカーボネート誘導体等が挙げられる。 Specific examples of the unsaturated carbonate containing a double bond include vinylene carbonate and vinyl ethylene carbonate. Specific examples of the fluorinated carbonate include a fluorinated dimethyl carbonate derivative and a fluorinated ethyl methyl carbonate derivative. And fluorinated diethyl carbonate derivatives.
<非水電解液の特性>
本発明の非水電解液において、非水電解液に含有される全リチウム塩(その他のリチウム塩、及びリチウム塩の合計)の含有量は、特に制限されるものではないが、非水電解液中に、好ましくは0.3〜4mol/L、より好ましくは0.5〜3mol/L、さらに好ましくは0.7〜1.5mol/Lである。非水電解液中に全リチウム塩の含有量が0.3〜4mol/Lであれば、電流の媒体であるリチウムイオンの濃度が少なすぎず、電解液の粘度の範囲が適切であり、適切な電気伝導度を得ることができる。
<Characteristics of non-aqueous electrolyte>
In the non-aqueous electrolyte of the present invention, the content of all lithium salts (total of other lithium salts and lithium salts) contained in the non-aqueous electrolyte is not particularly limited. Among these, Preferably it is 0.3-4 mol / L, More preferably, it is 0.5-3 mol / L, More preferably, it is 0.7-1.5 mol / L. If the total lithium salt content in the non-aqueous electrolyte is 0.3 to 4 mol / L, the concentration of lithium ions as the current medium is not too small, and the viscosity range of the electrolyte is appropriate and appropriate. Electrical conductivity can be obtained.
本発明の非水電解液(その他のリチウム塩とリチウム塩(I)とを組み合わせた電解質塩が非水溶媒に溶解した非電解液)が、高温下、具体的には60℃を超える高温下での貯蔵特性を大幅に改善できる理由は必ずしも明確ではないが、以下のように考えられる。 The non-aqueous electrolyte of the present invention (non-electrolytic solution in which an electrolyte salt combining other lithium salt and lithium salt (I) is dissolved in a non-aqueous solvent) is at a high temperature, specifically at a high temperature exceeding 60 ° C. The reason why the storage characteristics can be greatly improved is not necessarily clear, but is considered as follows.
例えば、その他のリチウム塩である六フッ化フォスフェート・リチウム塩(LiPF6)は、60℃付近から分解を始めると共に、水に対して不安定であり、水分と反応して分解しHFを発生させる鋭敏な化合物である。リチウムイオン電池などは充電時に電極で溶媒などが反応し、その反応で水分が容易に生じうる。そのため、LiPF6が高温で分解(LiPF6→LiF+PF5)し、生成したPF5が電解液成分である有機溶媒と反応し水を発生させさらに分解が進行するものと考えられる(PF5水とが反応し、さらにHFを生成するものと考えられる)。この分解機構に対して、配合するリチウム塩(I)は、上記分解時に生じるHF、特にフッ素イオン(Fイオン)をトラップして無害な形に変化させているのではないかと推定される。すなわち、分解時に発生したFイオンが、リチウム塩(I)のCN基と入れ替わり、CNイオンは電極表面でSEI(Solid Electrolyte Interface)皮膜を形成することにより、その他のリチウム塩の分解を抑制し、高温下でのサイクル特性を大幅に改善できると考えられる。そのため、その他のリチウム塩が分子内にフッ素(F)原子を有するものである場合に、本発明は、特に優れた効果を発揮するものと考えられる。 For example, hexafluorophosphate lithium salt (LiPF 6 ), which is another lithium salt, starts decomposing at around 60 ° C. and is unstable to water, reacts with moisture and decomposes to generate HF. It is a sensitive compound. A lithium ion battery or the like reacts with a solvent or the like at the time of charging, and moisture can easily be generated by the reaction. Therefore, it is considered that LiPF 6 decomposes at a high temperature (LiPF 6 → LiF + PF 5 ), and the generated PF 5 reacts with an organic solvent that is an electrolyte component to generate water and further decompose (PF 5 water and Is considered to react with and generate HF). With respect to this decomposition mechanism, it is presumed that the lithium salt (I) to be blended has trapped HF, particularly fluorine ions (F ions) generated during the decomposition, and changed them into harmless forms. That is, F ions generated at the time of decomposition are replaced with CN groups of the lithium salt (I), and the CN ions form a SEI (Solid Electrolyte Interface) film on the electrode surface, thereby suppressing the decomposition of other lithium salts, It is thought that the cycle characteristics at high temperature can be greatly improved. Therefore, when other lithium salt has a fluorine (F) atom in a molecule | numerator, this invention is considered to exhibit the especially outstanding effect.
また、本発明の非水電解液は、下記の実施例で詳細に説明するが、低温での特性も向上することができる。この理由も明らかではないが、以下の通り推定している。リチウム塩(I)のアニオンのイオン径、及び分子量は、その他のリチウム塩のアニオンのイオン径、及び分子量よりも比較的小さく、対称性が低い。特に、六フッ化フォスフェートアニオンの分子量が小さく、対称性が低い。そのため、リチウム塩(I)が配合された本発明の非電解液では、低温になっても電解質塩が析出し難く、低温での特性を維持できるものと考えられる。加えて、リチウム塩(I)のアニオンの極性が小さく、化合物間の相互作用が小さくなるため、本発明の非電解液は、低温での特性を維持できるものと考えられる。 Moreover, although the nonaqueous electrolyte of this invention is demonstrated in detail in the following Example, the characteristic in low temperature can also be improved. The reason for this is not clear, but is estimated as follows. The ionic diameter and molecular weight of the anion of the lithium salt (I) are relatively smaller than the ionic diameter and molecular weight of other lithium salt anions, and the symmetry is low. In particular, the molecular weight of the hexafluorophosphate anion is small and the symmetry is low. Therefore, in the non-electrolytic solution of the present invention in which the lithium salt (I) is blended, it is considered that the electrolyte salt hardly precipitates even at a low temperature, and the characteristics at a low temperature can be maintained. In addition, since the polarity of the anion of the lithium salt (I) is small and the interaction between the compounds is small, it is considered that the non-electrolytic solution of the present invention can maintain the characteristics at low temperatures.
<蓄電デバイス>
前記非水電解液は、リチウム電池(リチウム一次電池)、リチウムイオン電池(リチウム二次電池)およびリチウムイオンキャパシタ等の蓄電デバイスに使用することができる。その中でも、リチウム電池およびリチウムイオン電池として用いることが更に好ましく、リチウムイオン電池として用いることが最も好ましい。また、非水電解液は、液体状のものだけでなくゲル化して使用してもよい。更に本発明の非水電解液は固体高分子電解質用としても使用できる。
<Power storage device>
The non-aqueous electrolyte can be used for power storage devices such as lithium batteries (lithium primary batteries), lithium ion batteries (lithium secondary batteries), and lithium ion capacitors. Among these, it is more preferable to use as a lithium battery and a lithium ion battery, and it is most preferable to use as a lithium ion battery. Further, the nonaqueous electrolytic solution may be used in a gel form as well as in a liquid form. Furthermore, the non-aqueous electrolyte of the present invention can be used for a solid polymer electrolyte.
本発明の蓄電デバイスは、非水電解液に、その他のリチウム塩、及びリチウム塩(I)を用いることで、60℃以上の高温で保存しても劣化が少なく、常温から低温まで既存の電解液以上の電気伝導度を持ち、電気化学的にも安定な電解液とする事ができる。この効果は、その他のリチウム塩単独、またはリチウム塩(I)単独で使用した場合よりも高くなる。 The electricity storage device of the present invention uses the other lithium salt and lithium salt (I) as the non-aqueous electrolyte solution, so that it does not deteriorate even when stored at a high temperature of 60 ° C. or higher. It has an electrical conductivity higher than that of the liquid, and can be made into an electrochemically stable electrolyte. This effect is higher than when other lithium salt alone or lithium salt (I) is used alone.
<リチウム電池>
リチウム電池は、負極と、正極と、正極と負極との間に配されたセパレータと、前記の本発明の非水電解液とを備えるものである。
<Lithium battery>
The lithium battery includes a negative electrode, a positive electrode, a separator disposed between the positive electrode and the negative electrode, and the nonaqueous electrolytic solution of the present invention.
リチウム電池は、非水電解液以外の構成については公知のリチウム電池と同様であり、通常は、前記非水電解液が含浸されている多孔膜を介し正極と負極とが積層され、これらがケースに収納された形態を有する。従って、リチウム電池の形状は特に制限されるものではなく、円筒型、角形、ラミネート型、コイン型、大型等の何れであってもよい。 The lithium battery has the same configuration as the known lithium battery except for the non-aqueous electrolyte. Usually, the positive electrode and the negative electrode are laminated through a porous film impregnated with the non-aqueous electrolyte, and these are the cases. It has the form stored in. Therefore, the shape of the lithium battery is not particularly limited, and may be any of a cylindrical shape, a square shape, a laminate shape, a coin shape, a large size, and the like.
負極には、活物質として、リチウムおよびリチウム合金からなる群より選ばれる少なくとも1種が用いられる。 In the negative electrode, at least one selected from the group consisting of lithium and lithium alloys is used as an active material.
正極は、正極活物質を含有し、好ましくは、さらに導電材および結着剤を含む。正極活物質としては、リチウム電池の分野で常用される材料をそのまま使用でき、その中でも、二酸化マンガンなどの金属酸化物、フッ化黒鉛、塩化チオニルなどが好適に使用できる。二酸化マンガンは、放電特性が良好であり、特に好ましい。 The positive electrode contains a positive electrode active material, and preferably further contains a conductive material and a binder. As the positive electrode active material, materials commonly used in the field of lithium batteries can be used as they are, and among them, metal oxides such as manganese dioxide, graphite fluoride, thionyl chloride and the like can be preferably used. Manganese dioxide is particularly preferable because of its good discharge characteristics.
リチウム塩(I)、及びその他のリチウム塩を用いた本発明の非水電解液は、60℃以上の高温で保存しても劣化が少なく、常温から低温まで既存のリチウム電池以上の電流で放電可能な電池とする事ができる。 The non-aqueous electrolyte of the present invention using the lithium salt (I) and other lithium salts has little deterioration even when stored at a high temperature of 60 ° C. or higher, and is discharged at a current higher than that of an existing lithium battery from room temperature to low temperature. A possible battery can be obtained.
<リチウムイオン電池>
リチウムイオン電池は、リチウムイオンを吸蔵および放出し得る、負極および正極と、正極と負極との間に配されたセパレータと、前記の本発明の非水電解液とを備えるものである。
<Lithium ion battery>
The lithium ion battery includes a negative electrode and a positive electrode that can occlude and release lithium ions, a separator disposed between the positive electrode and the negative electrode, and the nonaqueous electrolytic solution of the present invention.
リチウムイオン電池は、非水電解液以外の構成については、公知のリチウムイオン電池と同様であり、通常は、前記非水電解液が含浸されている多孔膜を介し正極と負極とが積層され、これらがケースに収納された形態を有する。従って、リチウムイオン電池の形状は特に制限されるものではなく、円筒型、角形、ラミネート型、コイン型、大型等の何れであってもよい。 The lithium ion battery is the same as the known lithium ion battery in terms of the configuration other than the non-aqueous electrolyte, and usually the positive electrode and the negative electrode are laminated through the porous film impregnated with the non-aqueous electrolyte, These have the form accommodated in the case. Therefore, the shape of the lithium ion battery is not particularly limited, and may be any of a cylindrical shape, a square shape, a laminate shape, a coin shape, a large size, and the like.
リチウムイオン電池に使用する負極は、集電体上に負極活物質層を有する。負極活物質としては、電気化学的にリチウムイオンを吸蔵および放出可能なものであれば、特に制限はない。その具体例としては、炭素質材料、合金系材料、リチウム含有金属複合酸化物材料等が挙げられる。これらは1種を単独で用いてもよく、また2種以上を任意に組み合わせて併用してもよい。 A negative electrode used for a lithium ion battery has a negative electrode active material layer on a current collector. The negative electrode active material is not particularly limited as long as it can electrochemically occlude and release lithium ions. Specific examples thereof include carbonaceous materials, alloy-based materials, lithium-containing metal composite oxide materials, and the like. These may be used individually by 1 type, and may be used together combining 2 or more types arbitrarily.
正極活物質としては、電気化学的にリチウムイオンを吸蔵および放出可能なものであれば特に制限されず用いることができる。正極活物質としてはリチウムと少なくとも1種の遷移金属とを含有する物質が好ましい。具体例としては、リチウム遷移金属複合酸化物、リチウム含有遷移金属リン酸化合物が挙げられる。これらの正極活物質は、1種を単独で用いてもよく、また、2種以上を任意に組み合わせて併用してもよい。 Any positive electrode active material can be used without particular limitation as long as it can electrochemically occlude and release lithium ions. The positive electrode active material is preferably a material containing lithium and at least one transition metal. Specific examples include lithium transition metal composite oxides and lithium-containing transition metal phosphate compounds. These positive electrode active materials may be used alone or in any combination of two or more.
リチウムイオン電池は、充電終止電圧が4.2V以上、特に4.3V以上の場合にも高温での電気化学特性に優れている。また、本発明におけるリチウムイオン電池は、−40〜100℃で充放電することができる。 Lithium ion batteries are excellent in electrochemical properties at high temperatures even when the end-of-charge voltage is 4.2 V or higher, particularly 4.3 V or higher. Moreover, the lithium ion battery in this invention can be charged / discharged at -40-100 degreeC.
リチウム塩(I)、及びその他のリチウム塩を用いた本発明の非水電解液は、60℃以上の高温で保存しても劣化が少なく、常温から低温まで既存のリチウムイオン電池以上の電流で充放電可能な二次電池とする事ができる。 The non-aqueous electrolyte of the present invention using the lithium salt (I) and other lithium salts has little deterioration even when stored at a high temperature of 60 ° C. or higher, and has a current higher than that of an existing lithium ion battery from room temperature to low temperature. It can be set as the secondary battery which can be charged / discharged.
<リチウムイオンキャパシタ>
リチウムイオンキャパシタ(LIC)とは、負極にグラファイト等の炭素材料を用い、それへのリチウムイオンのインターカレーションを利用してエネルギーを貯蔵する蓄電デバイスである。正極は、例えば活性炭電極と電解液との間の電気二重層を利用したもの、π共役高分子電極のドープ/脱ドープ反応を利用したもの等が挙げられる。
<Lithium ion capacitor>
A lithium ion capacitor (LIC) is a power storage device that uses a carbon material such as graphite as a negative electrode and stores energy using lithium ion intercalation thereto. Examples of the positive electrode include those using an electric double layer between an activated carbon electrode and an electrolytic solution, those using a π-conjugated polymer electrode doping / dedoping reaction, and the like.
電解液として前述の電解液が使用されるため、LICは、高温での電気化学安定性と低温での高伝導率の両立することができる。 Since the above-mentioned electrolytic solution is used as the electrolytic solution, the LIC can achieve both electrochemical stability at high temperature and high conductivity at low temperature.
以下、実施例を挙げて本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although an Example is given and this invention is demonstrated further in detail, this invention is not limited to these.
(1)電池の作製
正極は、活物質としてLiNi1/3Co1/3Mn1/3O293部、導電材としてアセチレンブラック4部、および、バインダーとしてポリビニリデンフルオライド3部をスラリー状にし、集電箔にアプリケーターで塗工し、120℃で10分乾燥後プレスして作製した。
(1) Production of battery The positive electrode is made into a slurry form of LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O293 part as an active material, 4 parts of acetylene black as a conductive material, and 3 parts of polyvinylidene fluoride as a binder, The current collector foil was coated with an applicator, dried at 120 ° C. for 10 minutes, and then pressed.
負極は、活物質として黒鉛93部、導電材としてアセチレンブラック2部、および、バインダーとしてポリビニリデンフルオライド5部を用い、正極と同じ工程で作製した。 The negative electrode was prepared in the same process as the positive electrode, using 93 parts of graphite as an active material, 2 parts of acetylene black as a conductive material, and 5 parts of polyvinylidene fluoride as a binder.
セパレータは、ポリエチレン製微多孔膜(厚さ20μm、気孔率40%)を用いた。
As the separator, a polyethylene microporous film (
上記で作製した正極と負極とを30×50mm2に打ち抜き、170℃にて10時間それぞれ乾燥した後、セパレータを介して対向させアルミニウム製のラミネート内に挿入し、実施例・比較例で作製した電解液を注液、減圧含浸後、真空シールして電池性能評価用単層ラミネートセル(電池)を作製した。 The positive electrode and negative electrode prepared above were punched out to 30 × 50 mm 2 , dried at 170 ° C. for 10 hours, respectively, opposed to each other through a separator and inserted into an aluminum laminate, and prepared in Examples and Comparative Examples. The electrolyte was injected, impregnated under reduced pressure, and vacuum sealed to produce a single-layer laminate cell (battery) for battery performance evaluation.
(2) 充電容量および放電容量
初期充放電特性の評価で測定した充電容量および放電容量、ならびに、低温動作性の評価で測定した放電容量は、充放電試験装置(北斗電工製HJ0501SD8)で測定した。充放電試験の条件は、室温23℃で0.2Cに相当する電流で4.2VまでCCCV充電(0.05Cカット)した後に0.2Cに相当する電流で2.7Vまで放電を行った。この条件で繰り返し充放電を行い、3回目の結果を初期充放電特性とした。
(2) Charge capacity and discharge capacity The charge capacity and discharge capacity measured in the initial charge / discharge characteristics evaluation and the discharge capacity measured in the low temperature operability evaluation were measured with a charge / discharge test device (HJ0501SD8 manufactured by Hokuto Denko). . The conditions of the charge / discharge test were as follows: CCCV charge (0.05 C cut) to 4.2 V at a current corresponding to 0.2 C at room temperature 23 ° C., and then discharge to 2.7 V at a current corresponding to 0.2 C. Charging / discharging was repeated under these conditions, and the third result was defined as initial charge / discharge characteristics.
(3)高温保存性能の評価、および低温動作性の評価
以下の高温保存性能の評価、および低温動作性の評価で測定した抵抗は、東陽テクニカ製VersaSTAT4で測定した。
(3) Evaluation of high-temperature storage performance and evaluation of low-temperature operability The resistance measured in the following evaluation of high-temperature storage performance and low-temperature operability was measured with VersaSTAT4 manufactured by Toyo Technica.
<高温保存性能>
実施例・比較例で作製した電池の初期充放電試験を行った後、抵抗を測定した(初期抵抗値)。その後、85℃にて10日保存し、再度、抵抗を測定した(高温保存後の抵抗)。
<High temperature storage performance>
After conducting an initial charge / discharge test of the batteries prepared in Examples and Comparative Examples, the resistance was measured (initial resistance value). Then, it preserve | saved for 10 days at 85 degreeC, and resistance was measured again (resistance after high temperature preservation | save).
<低温動作性>
実施例・比較例で作製した電池の初期充放電試験を行った後、−30℃にて、放電容量および抵抗を測定した(抵抗)。
<Low temperature operability>
After conducting the initial charge / discharge test of the batteries prepared in Examples and Comparative Examples, the discharge capacity and resistance were measured at −30 ° C. (resistance).
実施例1
キシダ化学株式会社より購入した1mol/L LiPF6の炭酸エチレン(EC)−炭酸ジエチル(DEC)の混合溶液(1:1 23℃体積比)98gに2gのLi・BF2(CN)2を溶解(1mol/L LiPF6 0.24mol/lLi・BF2(CN)2添加溶液)し、非水電解液を作製した。その後に前記(1)電池の作製で説明した方法で電池性能評価用単層ラミネートセルを作製した。その後、前記(2)充電容量および放電容量、(3)高温保存性能の評価、および低温動作性の評価に従い電池特性を評価した。評価結果、使用した成分、その使用量を表1にまとめた。また、初期充放電特性の測定結果を図1に示した。
Example 1
2 g of Li · BF 2 (CN) 2 was dissolved in 98 g of a mixed solution of ethylene carbonate (EC) -diethyl carbonate (DEC) of 1 mol / L LiPF 6 (1: 1 23 ° C. volume ratio) purchased from Kishida Chemical Co., Ltd. (1 mol / L LiPF 6 0.24 mol / l Li · BF 2 (CN) 2 added solution) to prepare a non-aqueous electrolyte. Thereafter, a single-layer laminate cell for battery performance evaluation was produced by the method described in (1) Production of battery. Thereafter, battery characteristics were evaluated according to (2) charge capacity and discharge capacity, (3) evaluation of high-temperature storage performance, and evaluation of low-temperature operability. The evaluation results, the components used, and the amounts used are summarized in Table 1. The measurement results of the initial charge / discharge characteristics are shown in FIG.
比較例1
キシダ化学株式会社より購入した1mol/L LiPF6の炭酸エチレン(EC)−炭酸ジエチル(DEC)の混合溶液(1:1)を用いた以外は実施例1と同様に電池性能評価用単層ラミネートセルを作製し、同様の評価を行った。結果を表1にまとめ、初期充放電特性の測定結果を図2に示した。
Comparative Example 1
Single layer laminate for battery performance evaluation in the same manner as in Example 1 except that a mixed solution (1: 1) of ethylene carbonate (EC) -diethyl carbonate (DEC) of 1 mol / L LiPF 6 purchased from Kishida Chemical Co., Ltd. was used. A cell was prepared and evaluated in the same manner. The results are summarized in Table 1, and the measurement results of the initial charge / discharge characteristics are shown in FIG.
比較例2
炭酸エチレン(EC)33gに炭酸ジエチル(DEC)25mlを加え溶解させ、さらに、Li・BF2(CN)25.39gを加え攪拌し、完全に溶解させ、炭酸エチレン(EC)−炭酸ジエチル(DEC)の1:1(23℃体積比)混合溶媒にLi・BF2(CN)2が1mol/Lの濃度で溶解した非水電解液を作製した。この作製した電解液を用いた以外は実施例1と同様に電池性能評価用単層ラミネートセルを作製し、同様の評価を行った。結果を表1にまとめ、初期充放電特性の測定結果を図3に示した。
Comparative Example 2
25 ml of diethyl carbonate (DEC) was added to 33 g of ethylene carbonate (EC) and dissolved. Further, 5.39 g of Li · BF 2 (CN) 2 was added and stirred to completely dissolve, and ethylene carbonate (EC) -diethyl carbonate ( A nonaqueous electrolytic solution in which Li · BF 2 (CN) 2 was dissolved in a 1: 1 (23 ° C. volume ratio) mixed solvent of DEC at a concentration of 1 mol / L was prepared. A single-layer laminate cell for battery performance evaluation was prepared in the same manner as in Example 1 except that the prepared electrolytic solution was used, and the same evaluation was performed. The results are summarized in Table 1, and the measurement results of the initial charge / discharge characteristics are shown in FIG.
表1に示した通り、初期充放電特性の評価結果より、実施例1で作製した電池は、常温において、比較例2で作製した電池と同等の初期充放電特性を示すこと分かった。 As shown in Table 1, it was found from the evaluation results of the initial charge / discharge characteristics that the battery produced in Example 1 exhibited the same initial charge / discharge characteristics as the battery produced in Comparative Example 2 at room temperature.
また、高温保存性能の評価結果より、実施例1で作製した電池は、高温保存後(85℃、10日)において、比較例1で作製した電池と比べて抵抗の上昇が小さく、高温でより安定であることが分かった。 In addition, from the evaluation results of the high temperature storage performance, the battery produced in Example 1 has a small increase in resistance compared with the battery produced in Comparative Example 1 after high temperature storage (85 ° C., 10 days). It was found to be stable.
さらに低温動作性の評価結果から、実施例1で作製した電池は比較例2で作製した電池と比較して、低温において放電容量が大きく、また、抵抗が小さいため、低温での電池性能に優れることが分かった。 Furthermore, from the evaluation results of the low temperature operability, the battery produced in Example 1 has a higher discharge capacity at a low temperature and a lower resistance than the battery produced in Comparative Example 2, and thus has excellent battery performance at a low temperature. I understood that.
驚くべきことに、0.24mol/LのLiBF2CN2、及び1mol/LのLiPF6がEC:DEC1:1の溶液に溶解した非水電解液(実施例1)は、熱分解しやすいLiPF6の入っていない1mol/LのLiBF2CN2の非水電解液(比較例2)よりも、高温保存後の抵抗上昇、及び低温時の抵抗上昇が抑えられており、高温保存後において特性が維持され、低温での性能が向上することが分かった。 Surprisingly, the non-aqueous electrolyte (Example 1) in which 0.24 mol / L LiBF 2 CN 2 and 1 mol / L LiPF 6 were dissolved in a solution of EC: DEC 1: 1 was LiPF which is easily thermally decomposed. Compared to a 1 mol / L LiBF 2 CN 2 non-aqueous electrolyte containing no 6 (Comparative Example 2), the increase in resistance after storage at high temperatures and the increase in resistance at low temperatures are suppressed. Was maintained and the performance at low temperature was improved.
Claims (8)
Li・BFX(CN)4−X (I) (ただし、Xは、1〜3の整数である。)、
及び前記シアノフルオロボレート・リチウム塩以外のリチウム塩を含む電解質塩であって、
前記シアノフルオロボレート・リチウム塩以外のリチウム塩1モルに対して、前記シアノフルオロボレート・リチウム塩を0.05モル以上1モル未満含むことを特徴とする電解質塩。 Cyanofluoroborate lithium salt represented by the following general formula (I) Li.BF X (CN) 4 -X (I) (where X is an integer of 1 to 3),
And an electrolyte salt containing a lithium salt other than the cyanofluoroborate lithium salt,
An electrolyte salt comprising 0.05 mol or more and less than 1 mol of the cyanofluoroborate / lithium salt with respect to 1 mol of a lithium salt other than the cyanofluoroborate / lithium salt.
非電解質液に含まれる全リチウム塩の合計濃度が0.3〜4mol/Lであることを特徴とする非水電解液。 A non-aqueous electrolyte obtained by dissolving the electrolyte salt according to claim 1 or 2 in a non-aqueous solvent,
A nonaqueous electrolytic solution, wherein the total concentration of all lithium salts contained in the nonelectrolytic solution is 0.3 to 4 mol / L.
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