JP6879799B2 - 電池用非水電解液及びリチウム二次電池 - Google Patents
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Description
まず、非水電解液は、二次電池の保存特性やサイクル特性を高めるために、正極及び負極に対して、化学的及び電気化学的に安定である必要がある。
また、非水電解液は、二次電池の充放電特性を高めるために、イオンの移動速度が速い液であることが好ましく、具体的には、粘度が低いこと、拡散による物質移動が起こりやすい液であること、が要求される。
従って、本開示の課題は、保存による電池抵抗の上昇を抑制できる電池用非水電解液、及び、この電池用非水電解液を用いたリチウム二次電池を提供することである。
<1> 下記式(A)で表されるホウ素化合物からなる群から選択される少なくとも1種である添加剤Aと、
モノフルオロリン酸リチウム、ジフルオロリン酸リチウム、下記式(X)で表される化合物、及び下記式(Y)で表される化合物からなる群から選択される少なくとも1種である添加剤Bと、
モノフルオロリン酸リチウム、ジフルオロリン酸リチウム、及び前記式(Y)で表される化合物以外のリチウム塩である電解質と、
を含有する電池用非水電解液。
式(Y)中、R5は、少なくとも1つのフッ素原子で置換された炭素数1〜6の炭化水素基、少なくとも1つのフッ素原子で置換された炭素数1〜6の炭化水素オキシ基、又はフッ素原子を表す。〕
<2> 前記添加剤Aの含有量が、電池用非水電解液の全量に対し、0.001質量%〜10質量%である<1>に記載の電池用非水電解液。
<3> 前記添加剤Bの含有量が、電池用非水電解液の全量に対し、0.001質量%〜10質量%である<1>又は<2>に記載の電池用非水電解液。
<4> 更に、下記式(C)で表される化合物からなる群から選択される少なくとも1種である添加剤Cを含有する<1>〜<3>のいずれか1つに記載の電池用非水電解液。
<5> 前記添加剤Cの含有量が、電池用非水電解液の全量に対し、0.001質量%〜10質量%である<4>に記載の電池用非水電解液。
金属リチウム、リチウム含有合金、リチウムとの合金化が可能な金属若しくは合金、リチウムイオンのドープ・脱ドープが可能な酸化物、リチウムイオンのドープ・脱ドープが可能な遷移金属窒素化物、及び、リチウムイオンのドープ・脱ドープが可能な炭素材料からなる群から選ばれる少なくとも1種を負極活物質として含む負極と、
<1>〜<5>のいずれか1つに記載の電池用非水電解液と、
を含むリチウム二次電池。
本明細書において、組成物中の各成分の量は、組成物中に各成分に該当する物質が複数存在する場合は、特に断らない限り、組成物中に存在する当該複数の物質の合計量を意味する。
本開示の電池用非水電解液(以下、単に「非水電解液」ともいう)は、
下記式(A)で表されるホウ素化合物からなる群から選択される少なくとも1種である添加剤Aと、
モノフルオロリン酸リチウム、ジフルオロリン酸リチウム、下記式(X)で表される化合物、及び下記式(Y)で表される化合物からなる群から選択される少なくとも1種である添加剤Bと、
モノフルオロリン酸リチウム、ジフルオロリン酸リチウム、及び前記式(Y)で表される化合物以外のリチウム塩である電解質と、
を含有する。
式(Y)中、R5は、少なくとも1つのフッ素原子で置換された炭素数1〜6の炭化水素基、少なくとも1つのフッ素原子で置換された炭素数1〜6の炭化水素オキシ基、又はフッ素原子を表す。
このような効果が得られる詳細な作用機構は不明であるが、上記式(A)で表されるホウ素化合物(添加剤A)が初期充電により分解してオキサラト構造部「・O−(C=O)2−O・」を生じ、これが電極(活物質)の表面に作用して、イオン伝導率の高いイオン伝導経路が形成されることが考えられる。ホウ素化合物の中でも、分解してオキサラト構造部が生じやすい観点で、上記式(A)で表される構造を有するホウ素化合物(中でも特に、上記式(A1)で表される置換基を有するホウ素化合物)が有利と考えられる。また、上記式(A)で表されるホウ素化合物は、ホウ素原子に置換基としてオキサラト基とR−O−で表される基とが結合しており、ホウ素原子を中心とすると非対称な分子構造となっていることから、分子内での電荷分布に不均衡を生じさせることができるため、ホウ素化合物の中でも、初期充電により分解しやすく、上記作用が効果的に奏されると考えられる。
本開示の非水電解液では、添加剤Bが存在することで、添加剤Aの分解物(オキサラト構造部)の作用により形成される上記イオン伝導経路の保存時の耐久性が向上すると考えられる。これにより、保存による電池抵抗の上昇が抑制されると考えられる。
本開示の非水電解液は、添加剤Aを含有する。
添加剤Aは、式(A)で表されるホウ素化合物からなる群から選択される少なくとも1種である。
上記アルキル基としては、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、イソブチル基、sec−ブチル基、tert−ブチル基、n−ペンチル基、イソペンチル基、ネオペンチル基、tert−ペンチル基、n−ヘキシル基、イソヘキシル基、sec−ヘキシル基、tert−ヘキシル基、n−ヘプチル基、イソヘプチル基、sec−ヘプチル基、tert−ヘプチル基、n−オクチル基、イソオクチル基、sec−オクチル基、tert−オクチル基等が挙げられる。
Rで表される炭素数1〜12のアルキル基は、非置換でもよく、ハロゲン原子(例えば、フッ素原子、塩素原子)等で置換されていてもよい。
上記アルケニル基としては、例えば、エテニル基、プロペニル基、ブテニル基、ペンテニル基、ヘキセニル基、ヘプテニル基、オクテニル基等が挙げられる。
Rで表される炭素数2〜12のアルケニル基は、非置換でもよく、ハロゲン原子(例えば、フッ素原子、塩素原子)等で置換されていてもよい。
上記アルキル基としては、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、イソブチル基、sec−ブチル基、tert−ブチル基、n−ペンチル基、イソペンチル基、ネオペンチル基、tert−ペンチル基、n−ヘキシル基、イソヘキシル基、sec−ヘキシル基、tert−ヘキシル基、n−ヘプチル基、イソヘプチル基、sec−ヘプチル基、tert−ヘプチル基、n−オクチル基、イソオクチル基、sec−オクチル基、tert−オクチル基等が挙げられる。
R1〜R3で表される炭素数1〜12のアルキル基は、非置換でもよく、ハロゲン原子(例えば、フッ素原子、塩素原子)等で置換されていてもよい。
上記アルケニル基としては、例えば、エテニル基、プロペニル基、ブテニル基、ペンテニル基、ヘキセニル基、ヘプテニル基、オクテニル基等が挙げられる。
R1〜R3で表される炭素数2〜12のアルケニル基は、非置換でもよく、ハロゲン原子(例えば、フッ素原子、塩素原子)等で置換されていてもよい。
上記アリール基としては、例えば、フェニル基、アルキルベンゼンから水素原子が1個外れた基(例えば、ベンジル基、トリル基、キシリル基、メチシル基等)、ナフチル基、ナフタレンのアルキル基置換体から水素原子が1個外れた基等が挙げられる。
R1〜R3で表される炭素数6〜12のアリール基は、非置換でもよく、ハロゲン原子(例えば、フッ素原子、塩素原子)等で置換されていてもよい。
前記一般式(A)で表されるホウ素化合物は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよい。
本開示の非水電解液は、モノフルオロリン酸リチウム、ジフルオロリン酸リチウム、式(X)で表される化合物、及び式(Y)で表される化合物からなる群から選択される少なくとも1種である添加剤Bを含有する。
添加剤Bは、1種のみであってもよいし、2種以上であってもよい。
本開示の非水電解液は、添加剤Bとして、モノフルオロリン酸リチウム(Li2PO3F)及びジフルオロリン酸リチウム(LiPO2F2)の少なくとも一方(以下、「フルオロリン酸リチウム」ということがある)を含有し得る。
本開示の非水電解液が添加剤Bとしてのフルオロリン酸リチウムを含有する場合、添加剤Bは、ジフルオロリン酸リチウムを含むことが好ましい。
本開示の非水電解液は、添加剤Bとして、下記式(X)で表される化合物を含有し得る。
本開示の非水電解液が添加剤Bとしての下記式(X)で表される化合物を含有する場合、下記式(X)で表される化合物は、1種のみであってもよいし、2種以上であってもよい。
R4で表される「炭素数1〜6の炭化水素基」は、直鎖炭化水素基であっても分岐炭化水素基であっても環状炭化水素基であってもよい。
R4で表される「炭素数1〜6の炭化水素基」としては、アルキル基又はアルケニル基が好ましく、アルキル基がより好ましい。
R4で表される「炭素数1〜6の炭化水素基」の炭素数は、1〜3が好ましく、1又は2がより好ましく、1が特に好ましい。
R4で表される「炭素数1〜6の炭化水素オキシ基」としては、アルコキシ基又はアルケニルオキシ基が好ましく、アルコキシ基がより好ましい。
メタンスルホニルフルオリド、エタンスルホニルフルオリド、プロパンスルホニルフルオリド、2−プロパンスルホニルフルオリド、ブタンスルホニルフルオリド、2−ブタンスルホニルフルオリド、ヘキサ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、パーフルオロエタンスルホニルフルオリド、パーフルオロプロパンスルホニルフルオリド、パーフルオロブタンスルホニルフルオリド、エテンスルホニルフルオリド、1−プロペン−1−スルホニルフルオリド、又は2−プロペン−1−スルホニルフルオリドが好ましく、
メタンスルホニルフルオリド、エタンスルホニルフルオリド、プロパンスルホニルフルオリド、2−プロパンスルホニルフルオリド、ブタンスルホニルフルオリド、2−ブタンスルホニルフルオリド、ヘキサ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、パーフルオロエタンスルホニルフルオリド、パーフルオロプロパンスルホニルフルオリド、又はパーフルオロブタンスルホニルフルオリドがより好ましく、
メタンスルホニルフルオリド、エタンスルホニルフルオリド、プロパンスルホニルフルオリド、2−プロパンスルホニルフルオリド、ブタンスルホニルフルオリド、2−ブタンスルホニルフルオリド、又はヘキサンスルホニルフルオリドが更に好ましく、
メタンスルホニルフルオリド、エタンスルホニルフルオリド、又はプロパンスルホニルフルオリドが更に好ましく、
メタンスルホニルフルオリドが特に好ましい。
本開示の非水電解液は、添加剤Bとして、下記式(Y)で表される化合物を含有し得る。
本開示の非水電解液が添加剤Bとしての下記式(Y)で表される化合物を含有する場合、下記式(Y)で表される化合物は、1種のみであってもよいし、2種以上であってもよい。
式(Y)中、R5で表される「少なくとも1つのフッ素原子で置換された炭素数1〜6の炭化水素オキシ基」は、前述した式(X)中のR4で表される「少なくとも1つのフッ素原子で置換された炭素数1〜6の炭化水素オキシ基」と同義である。
本開示の非水電解液は、モノフルオロリン酸リチウム、ジフルオロリン酸リチウム、及び上記式(Y)で表される化合物以外のリチウム塩(以下、「特定リチウム塩」ともいう)である電解質を含有する。
電解質としての特定リチウム塩は、1種のみであってもよいし、2種以上であってもよい。
また、次の一般式で表されるリチウム塩も使用することができる。
特定リチウム塩がLiPF6を含む場合、特定リチウム塩中に占めるLiPF6の比率は、10質量%〜100質量%が好ましく、50質量%〜100質量%がより好ましく、70質量%〜100質量%が特に好ましい。
本開示の非水電解液は、下記式(C)で表される化合物である添加剤Cを含有してもよい。
本開示の非水電解液が添加剤Cを含有する場合には、添加剤Aと添加剤Bとの組み合わせによる効果がより効果的に発揮される。
添加剤Cは、下記式(C)で表される化合物からなる群から選択される1種のみであってもよいし、2種以上であってもよい。
式(C)で表される化合物としては、ビニレンカーボネート、メチルビニレンカーボネート、エチルビニレンカーボネート、ブロピ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、ジエチルビニレンカーボネート、ジプロピルビニレンカーボネートなどが例示される。これらのうちでビニレンカーボネートが最も好ましい。
本開示の非水電解液は、添加剤A、添加剤B、及び添加剤C以外のその他の添加剤(本明細書中では「その他の添加剤」とも称する)を含有してもよい。
本開示の非水電解液がその他の添加剤を含有する場合、含有されるその他の添加剤は、1種のみであってもよいし、2種以上であってもよい。
その他の添加剤としては、オキサラト化合物(ただし、添加剤Aを除く)、フルオロリン酸化合物(ただし、モノフルオロリン酸リチウム及びジフルオロリン酸リチウムを除く)、炭素−炭素不飽和結合を有するカーボネート化合物(ただし、添加剤Cを除く)、フッ素原子を有するカーボネート化合物、環状スルトン化合物、及び環状硫酸エステル化合物からなる群から選ばれる少なくとも1種が好ましい。
オキサラト化合物(ただし、添加剤Aを除く)としては、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、トリス(オキサラト)リン酸リチウム、ジフルオロ(オキサラト)ホウ酸リチウム、ビス(オキサラト)ホウ酸リチウムなどが挙げられる。これらのうち、好ましくはジフルオロビス(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、又はビス(オキサラト)ホウ酸リチウムである。
フルオロリン酸化合物(ただし、モノフルオロリン酸リチウム及びジフルオロリン酸リチウムを除く)としては、ジフルオロリン酸、モノフルオロリン酸、ジフルオロリン酸メチル、ジフルオロリン酸エチル、フルオロリン酸ジメチル、フルオロリン酸ジエチルなどが挙げられる。
炭素−炭素不飽和結合を有するカーボネート化合物(ただし、添加剤Cを除く)としては、メチルビニルカーボネート、エチルビニルカーボネート、ジビニルカーボネート、メチルプロピニルカーボネート、エチルプロピニルカーボネート、ジプロピニルカーボネート、メチルフェニルカーボネート、エチルフェニルカーボネート、ジフェニルカーボネートなどの鎖状カーボネート類;ビニルエチレンカーボネート、4,4−ジビニルエチレンカーボネート、4,5−ジビニルエチレンカーボネート、エチニルエチレンカーボネート、4,4−ジエチニルエチレンカーボネート、4,5−ジエチニルエチレンカーボネート、プロピニルエチレンカーボネート、4,4−ジプロピニルエチレンカーボネート、4,5−ジプロピニルエチレンカーボネートなどの環状カーボネート類;などが挙げられる。これらのうち、好ましくは、メチルフェニルカーボネート、エチルフェニルカーボネート、ジフェニルカーボネート、ビニルエチレンカーボネート、4,4−ジビニルエチレンカーボネート、又は4,5−ジビニルエチレンカーボネートであり、より好ましくは、ビニルエチレンカーボネートである。
フッ素原子を有するカーボネート化合物としては、メチルトリフルオロメチルカーボネート、エチルトリフルオロメチルカーボネート、ビス(トリフルオロメチル)カーボネート、メチル(2,2,2−トリフルオロエチル)カーボネート、エチル(2,2,2−トリフルオロエチル)カーボネート、ビス(2,2,2−トリフルオロエチル)カーボネートなどの鎖状カーボネート類;4−フルオロエチレンカーボネート、4,4−ジフルオロエチレンカーボネート、4,5−ジフルオロエチレンカーボネート、4−トリフルオロメチルエチレンカーボネートなどの環状カーボネート類;などが挙げられる。これらのうち、好ましくは、4−フルオロエチレンカーボネート、4,4−ジフルオロエチレンカーボネート、又は4,5−ジフルオロエチレンカーボネートである。
環状スルトン化合物としては、1,3−プロパンスルトン、1,4−ブタンスルトン、1,3−プロペンスルトン、1−メチル−1,3−プロペンスルトン、2−メチル−1,3−プロペンスルトン、3−メチル−1,3−プロペンスルトン等のスルトン類が挙げられる。これらのうち、好ましくは、1,3−プロパンスルトン又は1,3−プロペンスルトンである。
環状硫酸エステル化合物としては、下記式(I)で表される化合物が好ましい。
式(II)中、R3は、ハロゲン原子、炭素数1〜6のアルキル基、炭素数1〜6のハロゲン化アルキル基、炭素数1〜6のアルコキシ基、又は式(IV)で表される基を表す。式(II)、式(III)、および式(IV)における波線は、結合位置を表す。
式(I)で表される化合物中に、式(II)で表される基が2つ含まれる場合、2つの式(II)で表される基は、同一であっても互いに異なっていてもよい。
ハロゲン原子としては、フッ素原子が好ましい。
炭素数1〜6のアルキル基としては、炭素数1〜3のアルキル基がより好ましい。
炭素数1〜6のハロゲン化アルキル基としては、炭素数1〜3のハロゲン化アルキル基がより好ましい。
炭素数1〜6のアルコキシ基としては、炭素数1〜3のアルコキシ基がより好ましい。
式(I)中のR2が式(II)で表される基である場合、式(II)中のR3の好ましい範囲については、式(I)中のR1が式(II)で表される基である場合におけるR3の好ましい範囲と同様である。
式(I)におけるR1及びR2のより好ましい組み合わせとしては、R1が式(II)で表される基(式(II)中、R3はフッ素原子、メチル基、エチル基、トリフルオロメチル基、メトキシ基、エトキシ基、又は式(IV)で表される基であることが好ましい)又は式(III)で表される基であり、R2が水素原子又はメチル基である組み合わせである。
非水電解液は、一般的に、非水溶媒を含有する。
非水溶媒としては、種々公知のものを適宜選択することができるが、環状の非プロトン性溶媒及び鎖状の非プロトン性溶媒から選ばれる少なくとも一方を用いることが好ましい。
環状の非プロトン性溶媒としては、環状カーボネート、環状カルボン酸エステル、環状スルホン、環状エーテルを用いることができる。
環状の非プロトン性溶媒の非水溶媒中の混合割合は、10質量%〜100質量%、さらに好ましくは20質量%〜90質量%、特に好ましくは30質量%〜80質量%である。このような比率にすることによって、電池の充放電特性に関わる電解液の伝導度を高めることができる。
環状エーテルの例としてジオキソランを挙げることができる。
鎖状の非プロトン性溶媒としては、鎖状カーボネート、鎖状カルボン酸エステル、鎖状エーテル、鎖状リン酸エステルなどを用いることができる。
鎖状エーテルとして具体的には、ジメトキシエタンなどが挙げられる。
鎖状リン酸エステルとして具体的には、リン酸トリメチルなどが挙げられる。
本開示の非水電解液で使用する非水溶媒は、1種類でも複数種類を混合して用いてもよい。また、環状の非プロトン性溶媒のみを1種類又は複数種類用いても、鎖状の非プロトン性溶媒のみを1種類又は複数種類用いても、又は環状の非プロトン性溶媒及び鎖状のプロトン性溶媒を混合して用いてもよい。電池の負荷特性、低温特性の向上を特に意図した場合は、非水溶媒として環状の非プロトン性溶媒と鎖状の非プロトン性溶媒を組み合わせて使用することが好ましい。
非水溶媒としては、上記以外のその他の溶媒も挙げられる。
その他の溶媒としては、具体的には、ジメチルホルムアミドなどのアミド、メチル−N,N−ジメチルカーバメートなどの鎖状カーバメート、N−メチルピロリドンなどの環状アミド、N,N−ジメチルイミダゾリジノンなどの環状ウレア、ホウ酸トリメチル、ホウ酸トリエチル、ホウ酸トリブチル、ホウ酸トリオクチル、ホウ酸トリメチルシリル等のホウ素化合物、及び下記の一般式で表されるポリエチレングリコール誘導体などを挙げることができる。
HO(CH2CH2O)aH
HO[CH2CH(CH3)O]bH
CH3O(CH2CH2O)cH
CH3O[CH2CH(CH3)O]dH
CH3O(CH2CH2O)eCH3
CH3O[CH2CH(CH3)O]fCH3
C9H19PhO(CH2CH2O)g[CH(CH3)O]hCH3
(Phはフェニル基)
CH3O[CH2CH(CH3)O]iCO[OCH(CH3)CH2]jOCH3
上記式中、a〜fは、5〜250の整数、g〜jは2〜249の整数、5≦g+h≦250、5≦i+j≦250である。
本開示のリチウム二次電池は、正極と、負極と、本開示の非水電解液と、を含む。
負極は、負極活物質及び負極集電体を含んでもよい。
負極における負極活物質としては、金属リチウム、リチウム含有合金、リチウムとの合金化が可能な金属もしくは合金、リチウムイオンのドープ・脱ドープが可能な酸化物、リチウムイオンのドープ・脱ドープが可能な遷移金属窒素化物、及び、リチウムイオンのドープ・脱ドープが可能な炭素材料からなる群から選ばれた少なくとも1種(単独で用いてもよいし、これらの2種以上を含む混合物を用いてもよい)を用いることができる。
リチウム(又はリチウムイオン)との合金化が可能な金属もしくは合金としては、シリコン、シリコン合金、スズ、スズ合金などを挙げることができる。また、チタン酸リチウムでもよい。
これらの中でもリチウムイオンをドープ・脱ドープすることが可能な炭素材料が好ましい。このような炭素材料としては、カーボンブラック、活性炭、黒鉛材料(人造黒鉛、天然黒鉛)、非晶質炭素材料、等が挙げられる。上記炭素材料の形態は、繊維状、球状、ポテト状、フレーク状いずれの形態であってもよい。
上記黒鉛材料としては、天然黒鉛、人造黒鉛が挙げられる。人造黒鉛としては、黒鉛化MCMB、黒鉛化MCFなどが用いられる。また、黒鉛材料としては、ホウ素を含有するものなども用いることができる。また、黒鉛材料としては、金、白金、銀、銅、スズなどの金属で被覆したもの、非晶質炭素で被覆したもの、非晶質炭素と黒鉛を混合したものも使用することができる。
上記炭素材料としては、特にX線解析で測定した(002)面の面間隔d(002)が0.340nm以下の炭素材料が好ましい。また、炭素材料としては、真密度が1.70g/cm3以上である黒鉛又はそれに近い性質を有する高結晶性炭素材料も好ましい。以上のような炭素材料を使用すると、電池のエネルギー密度をより高くすることができる。
負極集電体の具体例としては、銅、ニッケル、ステンレス鋼、ニッケルメッキ鋼等の金属材料が挙げられる。中でも、加工しやすさの点から特に銅が好ましい。
正極は、正極活物質及び正極集電体を含んでもよい。
正極における正極活物質としては、MoS2、TiS2、MnO2、V2O5などの遷移金属酸化物又は遷移金属硫化物、LiCoO2、LiMnO2、LiMn2O4、LiNiO2、LiNiXCo(1−X)O2〔0<X<1〕、α−NaFeO2型結晶構造を有するLi1+αMe1−αO2(Meは、Mn、Ni及びCoを含む遷移金属元素、1.0≦(1+α)/(1−α)≦1.6)、LiNixCoyMnzO2〔x+y+z=1、0<x<1、0<y<1、0<z<1〕(例えば、LiNi0.33Co0.33Mn0.33O2、LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2等)、LiFePO4、LiMnPO4などのリチウムと遷移金属とからなる複合酸化物、ポリアニリン、ポリチオフェン、ポリピロール、ポリアセチレン、ポリアセン、ジメルカプトチアジアゾール、ポリアニリン複合体などの導電性高分子材料等が挙げられる。これらの中でも、特にリチウムと遷移金属とからなる複合酸化物が好ましい。負極がリチウム金属又はリチウム合金である場合は、正極として炭素材料を用いることもできる。また、正極として、リチウムと遷移金属との複合酸化物と、炭素材料と、の混合物を用いることもできる。
正極活物質は、1種類で使用してもよく、2種類以上を混合して使用してもよい。正極活物質は導電性が不充分である場合には、導電性助剤とともに使用して正極を構成することができる。導電性助剤としては、カーボンブラック、アモルファスウィスカー、グラファイトなどの炭素材料を例示することができる。
正極集電体の具体例としては、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、ステンレス鋼、ニッケル、チタン、タンタルなどの金属材料;カーボンクロス、カーボンペーパーなどの炭素材料;等が挙げられる。
本開示のリチウム二次電池は、負極と正極との間にセパレータを含むことが好ましい。
セパレータは、正極と負極とを電気的に絶縁し且つリチウムイオンを透過する膜であって、多孔性膜や高分子電解質が例示される。
多孔性膜としては微多孔性高分子フィルムが好適に使用され、材質としてポリオレフィン、ポリイミド、ポリフッ化ビニリデン、ポリエステル等が例示される。
特に、多孔性ポリオレフィンが好ましく、具体的には多孔性ポリエチレンフィルム、多孔性ポリプロピレンフィルム、又は多孔性のポリエチレンフィルムとポリプロピレンフィルムとの多層フィルムを例示することができる。多孔性ポリオレフィンフィルム上には、熱安定性に優れる他の樹脂がコーティングされてもよい。
高分子電解質としては、リチウム塩を溶解した高分子や、電解液で膨潤させた高分子等が挙げられる。
本開示の非水電解液は、高分子を膨潤させて高分子電解質を得る目的で使用してもよい。
本開示のリチウム二次電池は、種々公知の形状をとることができ、円筒型、コイン型、角型、ラミネート型、フィルム型その他任意の形状に形成することができる。しかし、電池の基本構造は、形状によらず同じであり、目的に応じて設計変更を施すことができる。
図1は、本開示のリチウム二次電池の一例であるラミネート型電池の一例を示す概略斜視図であり、図2は、図1に示すラミネート型電池に収容される積層型電極体の厚さ方向の概略断面図である。
図1に示すラミネート型電池は、内部に非水電解液(図1中では不図示)及び積層型電極体(図1中では不図示)が収納され、且つ、周縁部が封止されることにより内部が密閉されたラミネート外装体1を備える。ラミネート外装体1としては、例えばアルミニウム製のラミネート外装体が用いられる。
ラミネート外装体1に収容される積層型電極体は、図2に示されるように、正極板5と負極板6とがセパレータ7を介して交互に積層されてなる積層体と、この積層体の周囲を囲むセパレータ8と、を備える。正極板5、負極板6、セパレータ7、及びセパレータ8には、本開示の非水電解液が含浸されている。
上記積層型電極体における複数の正極板5は、いずれも正極タブを介して正極端子2と電気的に接続されており(不図示)、この正極端子2の一部が上記ラミネート外装体1の周端部から外側に突出している(図1)。ラミネート外装体1の周端部において正極端子2が突出する部分は、絶縁シール4によってシールされている。
同様に、上記積層型電極体における複数の負極板6は、いずれも負極タブを介して負極端子3と電気的に接続されており(不図示)、この負極端子3の一部が上記ラミネート外装体1の周端部から外側に突出している(図1)。ラミネート外装体1の周端部において負極端子3が突出する部分は、絶縁シール4によってシールされている。
なお、上記一例に係るラミネート型電池では、正極板5の数が5枚、負極板6の数が6枚となっており、正極板5と負極板6とがセパレータ7を介し、両側の最外層がいずれも負極板6となる配置で積層されている。しかし、ラミネート型電池における、正極板の数、負極板の数、及び配置については、この一例には限定されず、種々の変更がなされてもよいことは言うまでもない。
図3は、本開示のリチウム二次電池の別の一例であるコイン型電池の一例を示す概略斜視図である。
図3に示すコイン型電池では、円盤状負極12、非水電解液を注入したセパレータ15、円盤状正極11、必要に応じて、ステンレス、又はアルミニウムなどのスペーサー板17、18が、この順序に積層された状態で、正極缶13(以下、「電池缶」ともいう)と封口板14(以下、「電池缶蓋」ともいう)との間に収納される。正極缶13と封口板14とはガスケット16を介してかしめ密封する。
この一例では、セパレータ15に注入される非水電解液として、本開示の非水電解液を用いる。
即ち、本開示のリチウム二次電池は、まず、負極と、正極と、上記本開示の非水電解液と、を含む充放電前のリチウム二次電池を作製し、次いで、この充放電前のリチウム二次電池を1回以上充放電させることによって作製されたリチウム二次電池(充放電されたリチウム二次電池)であってもよい。
なお、以下の実施例において、「添加量」は、最終的に得られる非水電解液中における含有量(即ち、最終的に得られる非水電解液全量に対する量)を表す。
また、「wt%」は、質量%を意味する。
以下の手順にて、リチウム二次電池であるコイン型電池(試験用電池)を作製した。
<負極の作製>
天然黒鉛98質量部、カルボキシメチルセルロース1質量部及び結着剤1質量部を水溶媒で混錬してペースト状の負極合剤スラリーを調製した。
次に、この負極合剤スラリーを厚さ10μmの帯状銅箔製の負極集電体に塗布し乾燥した後に、ロールプレスで圧縮して負極集電体と負極活物質層とからなるシート状の負極を得た。このときの負極活物質層の塗布密度は10mg/cm2であり、充填密度は1.5g/mlであった。
LiNi0.5Mn0.3Co0.2O2を92質量部、アセチレンブラック2.5質量部、ポリフッ化ビニリデン2.5質量部及び結着剤3質量部を、N−メチルピロリジノンを溶媒として混錬してペースト状の正極合剤スラリーを調製した。
次に、この正極合剤スラリーを厚さ20μmの帯状アルミ箔の正極集電体に塗布し乾燥した後に、ロールプレスで圧縮して正極集電体と正極活物質層とからなるシート状の正極を得た。このときの正極活物質層の塗布密度は30mg/cm2であり、充填密度は2.5g/mlであった。
非水溶媒としてエチレンカーボネート(EC)とジメチルカーボネート(DMC)とメチルエチルカーボネート(EMC)とをそれぞれ28:36:36(質量比)の割合で混合し、混合溶媒を得た。
得られた混合溶媒中に、電解質であるLiPF6を、最終的に得られる非水電解液中における電解質濃度が1.2モル/リットルとなるように溶解させた。
上記で得られた溶液に対して、
添加剤Aとして(3−メチル−2,4−ペンタンジオナト)オキサラトボレート(例示化合物(25)、添加量0.5質量%)、及び
添加剤Bとしてジフルオロリン酸リチウム(以下、「LiDFP」ともいう)(添加量1.0質量%)
を添加し、非水電解液を得た。
上述の負極を直径14mmで、上述の正極を直径13mmで、それぞれ円盤状に打ち抜いて、コイン状の電極(負極及び正極)を得た。また、厚さ20μmの微多孔性ポリエチレンフィルムを直径17mmの円盤状に打ち抜きセパレータを得た。
得られたコイン状の負極、セパレータ及びコイン状の正極を、この順序でステンレス製の電池缶(2032サイズ)内に積層し、上記非水電解液20μlを注入してセパレータと正極と負極に含漬させた。
さらに、正極上にアルミニウム製の板(厚さ1.2mm、直径16mm)及びバネを乗せ、ポリプロピレン製のガスケットを介して、電池缶蓋をかしめることにより電池を密封し、直径20mm、高さ3.2mmの図3で示す構成を有するコイン型のリチウム二次電池(以下、試験用電池と称する)を作製した。
得られたコイン型電池(試験用電池)について、以下の評価を実施した。
コイン型電池を定電圧3.9Vで充電し、次いで、該充電後のコイン型電池を恒温槽内で−20℃に冷却し、−20℃において0.2mA定電流で放電し、放電開始から10秒間における電位低下を測定することにより、コイン型電池の直流抵抗[Ω]を測定し、得られた値を初期抵抗値(−20℃)とした。
上記初期抵抗値を測定したコイン型電池に対し、定電圧4.25V充電し、充電したコイン型電池を60℃の恒温槽内に5日間保存し、前述の初期抵抗値(−20℃)と同様の方法で、コイン型電池の直流抵抗[Ω]を測定し、得られた値を保存後の抵抗値(−20℃)とした。
これらの結果から、下記式により、「保存による抵抗上昇率[%](−20℃)」を求めた。
得られた結果を表1に示す。
=((保存後の抵抗値[Ω](−20℃)−初期抵抗値[Ω](−20℃))/初期抵抗値[Ω](−20℃))×100
放電時(初期及び保存後)の温度を−20℃から室温(25℃)に変更したこと以外は、前述の「保存による抵抗上昇率[%](−20℃)」と同様にして「保存による抵抗上昇率[%](−25℃)」を求めた。
結果を表1に示す。
上記コイン型電池を、25℃の恒温槽中で充電レート0.2Cで4.25Vまで充電し、この25℃恒温槽中で放電レート0.2Cで2.85Vまで放電し、放電した際の放電容量を測定し、この放電容量を初期放電容量[mAh]とした。
上記初期放電容量[mAh]を測定したコイン型電池に対し、25℃の恒温槽中で充電レート0.2Cで4.25Vまで充電を行った後、恒温槽の温度を60℃に上昇させ、60℃の恒温槽中に上記コイン型電池を5日間保存した(高温保存)。
上記高温保存後、恒温槽の温度を25℃に戻し、25℃の恒温槽中で上記コイン型電池を放電レート0.2Cで2.85Vまで放電し、放電した際の放電容量を測定し、この放電容量を残存放電容量[mAh]とした。
これらの結果から、下記式により、「回復容量維持率[%]」を求めた。
得られた結果を表1に示す。
回復容量維持率[%]
=(残存放電容量[mAh]/初期放電容量[mAh])×100[%]
非水電解液の調製における添加剤の種類及び量を、表1に示すように変更したこと以外は実施例1と同様の操作を行った。結果を表1に示す。
〔比較例1〕
非水電解液の調製において、添加剤を添加しなかったこと以外は実施例1と同様の操作を行った。結果を表1に示す。
例示化合物(25)は、式(A)で表される化合物の一例である、(3−メチル−2,4−ペンタンジオナト)オキサラトボレートである。
「LiDFP」は、ジフルオロリン酸リチウム(LiPO2F2)である。
「MSF」は、式(X)で表される化合物の一例である、メタンスルホニルフルオリドである。
「TFMSLi」は、式(Y)で表される化合物の一例である、トリフルオロメタンスルホン酸リチウムである。
各添加剤欄の「−」は、該当する添加剤を含有しないことを意味する。
後述する表2においても同様である。
また、実施例1〜3の回復容量維持率は、比較例1の回復容量維持率と同等レベルであった。
このような実施例1〜3の効果は、添加剤A及び添加剤Bの両方を含むことにより発揮される効果である。
非水電解液の調製における添加剤の種類及び量を、表2に示すように変更したこと以外は実施例1と同様にして、コイン型電池(試験用電池)を作製し、保存による抵抗上昇率(−20℃)及び回復容量維持率の評価を行った。各例において、保存後の抵抗は、初期抵抗値を100%とした場合の相対値(%)で表した。
結果を表2に示す。
「VC」は、式(C)で表される化合物の一例である、ビニレンカーボネートである。
また、実施例101〜102の回復容量維持率は、比較例101の回復容量維持率と同等レベルであった。
このような実施例101〜102の効果は、添加剤A及び添加剤Bの両方を含むことにより発揮される効果である。
2 正極端子
3 負極端子
4 絶縁シール
5 正極板
6 負極板
7、8 セパレータ
11 正極
12 負極
13 正極缶
14 封口板
15 セパレータ
16 ガスケット
17、18 スペーサー板
Claims (6)
- 下記式(A)で表されるホウ素化合物からなる群から選択される少なくとも1種である添加剤Aと、
モノフルオロリン酸リチウム、ジフルオロリン酸リチウム、下記式(X)で表される化合物、及び下記式(Y)で表される化合物からなる群から選択される少なくとも1種である添加剤Bと、
モノフルオロリン酸リチウム、ジフルオロリン酸リチウム、及び前記式(Y)で表される化合物以外のリチウム塩である電解質と、
を含有する電池用非水電解液。
〔式(A)中、Rは、炭素数1〜12のアルキル基、炭素数2〜12のアルケニル基、又は式(A1)で表される基を表す。式(A1)中、R1〜R3は、各々独立に、水素原子、ハロゲン原子、炭素数1〜12のアルキル基、炭素数2〜12のアルケニル基、又は炭素数6〜12のアリール基を表す。式(A1)中、*は、式(A)中の酸素原子との結合部位を表す。〕
〔式(X)中、R4は、炭素数1〜6の炭化水素基、少なくとも1つのフッ素原子で置換された炭素数1〜6の炭化水素基、炭素数1〜6の炭化水素オキシ基、少なくとも1つのフッ素原子で置換された炭素数1〜6の炭化水素オキシ基、又はフッ素原子を表す。
式(Y)中、R5は、少なくとも1つのフッ素原子で置換された炭素数1〜6の炭化水素基、少なくとも1つのフッ素原子で置換された炭素数1〜6の炭化水素オキシ基、又はフッ素原子を表す。〕 - 前記添加剤Aの含有量が、電池用非水電解液の全量に対し、0.001質量%〜10質量%である請求項1に記載の電池用非水電解液。
- 前記添加剤Bの含有量が、電池用非水電解液の全量に対し、0.001質量%〜10質量%である請求項1又は請求項2に記載の電池用非水電解液。
- 前記添加剤Cの含有量が、電池用非水電解液の全量に対し、0.001質量%〜10質量%である請求項4に記載の電池用非水電解液。
- 正極と、
金属リチウム、リチウム含有合金、リチウムとの合金化が可能な金属若しくは合金、リチウムイオンのドープ・脱ドープが可能な酸化物、リチウムイオンのドープ・脱ドープが可能な遷移金属窒素化物、及び、リチウムイオンのドープ・脱ドープが可能な炭素材料からなる群から選ばれる少なくとも1種を負極活物質として含む負極と、
請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の電池用非水電解液と、
を含むリチウム二次電池。
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