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JP7728183B2 - 二次電池用非水電解質および非水電解質二次電池 - Google Patents

二次電池用非水電解質および非水電解質二次電池

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JP7728183B2
JP7728183B2 JP2021574655A JP2021574655A JP7728183B2 JP 7728183 B2 JP7728183 B2 JP 7728183B2 JP 2021574655 A JP2021574655 A JP 2021574655A JP 2021574655 A JP2021574655 A JP 2021574655A JP 7728183 B2 JP7728183 B2 JP 7728183B2
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Description

本開示は、二次電池用非水電解質および当該非水電解質を用いた非水電解質二次電池に関する。
リチウムイオン電池等の非水電解質二次電池において、非水電解質は入出力特性、容量、サイクル特性等の電池性能に大きく影響することが知られている。例えば、特許文献1には、非水溶媒の体積に対して3~30体積%の鎖状カルボン酸エステルを含む非水電解質を備えた非水電解質二次電池が開示されている。特許文献1には、優れた低温出力特性が得られるとの効果が記載されている。
国際公開WO2016/084357号公報
非水電解質二次電池では、充放電時の非水溶媒の分解によりガスが発生する場合があり、ガス抜きが必要になる場合がある。また、ガスの発生量が多くなると、ガスによる電池の膨れや、電極間にガスが噛み込まれることによる容量低下等の問題が起こり得る。特許文献1の非水電解質二次電池に使用されるカルボン酸エステルは、誘電率が高く、低粘度であり、入出力特性の向上に寄与するが、初期充電時に還元分解し易い。このため、カルボン酸エステルを用いた非水電解質二次電池は、ガス発生量が多いという課題がある。
本開示に係る二次電池用非水電解質は、非水溶媒を含む非水電解質であって、カルボン酸エステルと、リチウムビスオキサラトボレートとを含み、前記カルボン酸エステルの濃度は、前記非水溶媒の体積に対して0.01体積%以上10体積%未満であり、前記リチウムビスオキサラトボレートの濃度は、0.01M以上0.2M未満である。なお、ここでの体積比は25℃、1気圧での値である。
本開示に係る非水電解質二次電池は、上記非水電解質と、正極と、負極とを備える。
本開示に係る二次電池用非水電解質によれば、カルボン酸エステルを用いた非水電解質二次電池において、ガス発生量を抑えることができる。本開示に係る非水電解質を備えた非水電解質二次電池は、入出力特性に優れ、かつ初期充電時のガス発生量が少ない。
図1は、実施形態の一例である非水電解質二次電池の外観を示す斜視図である。 図2は、実施形態の一例である電極体の斜視図である。
本発明者らは、入出力特性に優れ、かつ初期充電時のガス発生量が少ない非水電解質二次電池を開発すべく鋭意検討した結果、カルボン酸エステルおよびリチウムビスオキサラトボレートを非水電解質に特定量添加することで、目的とする電池性能が得られることを見出した。上記のように、カルボン酸エステルは入出力特性の向上に寄与するものの初期充電時に還元分解し易いが、本開示に係る非水電解質によれば、ガス発生が特異的に抑えられる。
以下、図面を参照しながら、本開示に係る非水電解質二次電池の実施形態の一例について詳細に説明する。なお、以下で例示する複数の実施形態および変形例を選択的に組み合わせることは当初から想定されている。
図1は実施形態の一例である非水電解質二次電池10の外観を示す斜視図、図2は非水電解質二次電池10を構成する電極体11の斜視図である。図1に示す非水電解質二次電池10は、外装体として、有底角筒状の外装缶14を備えるが、外装体はこれに限定されない。本開示に係る非水電解質二次電池は、例えば、有底円筒形状の外装缶を備えた円筒形電池、コイン形の外装缶を備えたコイン形電池、金属層および樹脂層を含むラミネートシートで構成された外装体を備えたラミネート電池であってもよい。
図1および図2に示すように、非水電解質二次電池10は、電極体11と、非水電解質と、電極体11および非水電解質を収容する有底角筒状の外装缶14と、外装缶14の開口部を塞ぐ封口板15とを備える。非水電解質二次電池10は、いわゆる角形電池である。電極体11は、正極20と負極30がセパレータ40を介して巻回された巻回構造を有する。正極20、負極30、およびセパレータ40はいずれも帯状の長尺体であって、正極20と負極30はセパレータ40を介して巻回されている。なお、電極体は、複数の正極と複数の負極がセパレータを介して1枚ずつ交互に積層されてなる積層型であってもよい。
非水電解質二次電池10は、正極集電体25を介して正極20と電気的に接続される正極端子12と、負極集電体35を介して負極30と電気的に接続される負極端子13とを備える。本実施形態では、封口板15が細長い矩形形状を有し、封口板15の長手方向一端側に正極端子12が、封口板15の長手方向他端側に負極端子13がそれぞれ配置されている。正極端子12および負極端子13は、他の非水電解質二次電池10、各種電子機器等に対して電気的に接続される外部接続端子であって、絶縁部材を介して封口板15に取り付けられる。
以下では、説明の便宜上、外装缶14の高さ方向を非水電解質二次電池10の「上下方向」とし、封口板15側を「上」、外装缶14の底部側を「下」とする。また、封口板15の長手方向に沿う方向を非水電解質二次電池10の「横方向」とする。
外装缶14は、有底角筒状の金属製容器である。外装缶14の上端に形成された開口部は、例えば、開口縁部に封口板15が溶接されることで塞がれている。封口板15には、一般的に、非水電解液を注液するための注液部16、電池の異常発生時に開弁してガスを排出するためのガス排出弁17、および電流遮断機構が設けられる。外装缶14および封口板15は、例えば、アルミニウムを主成分とする金属材料で構成される。
電極体11は、平坦部、および一対の湾曲部を含む、扁平形状の巻回型電極体である。電極体11は、巻回軸方向が外装缶14の横方向に沿い、一対の湾曲部が並ぶ電極体11の幅方向が電池の高さ方向に沿った状態で外装缶14に収容されている。本実施形態では、電極体11の軸方向一端部に正極20の芯体露出部23が積層されてなる正極側の集電部が、軸方向他端部に負極30の芯体露出部33が積層されてなる負極側の集電部がそれぞれ形成され、各集電部が集電体を介して端子と電気的に接続されている。なお、電極体11と外装缶14の内面の間には、絶縁性の電極体ホルダ(絶縁シート)が配置されてもよい。
[正極]
正極20は、正極芯体21と、正極芯体21の表面に設けられた正極合材層とを含む。正極芯体21には、アルミニウム、アルミニウム合金など正極20の電位範囲で安定な金属の箔、当該金属を表層に配置したフィルム等を用いることができる。正極合材層は、正極活物質、導電材、および結着材を含み、正極芯体21の両面に設けられることが好ましい。正極20は、例えば正極芯体21上に正極活物質、導電材、および結着材等を含む正極合材スラリーを塗布し、塗膜を乾燥させた後、圧縮して正極合材層を正極芯体21の両面に形成することにより作製できる。
正極活物質には、リチウム遷移金属複合酸化物が用いられる。リチウム遷移金属複合酸化物に含有される金属元素としては、Ni、Co、Mn、Al、B、Mg、Ti、V、Cr、Fe、Cu、Zn、Ga、Sr、Zr、Nb、In、Sn、Ta、W等が挙げられる。中でも、Ni、Co、Mnの少なくとも1種を含有することが好ましい。好適な複合酸化物の一例としては、Ni、Co、Mnを含有するリチウム遷移金属複合酸化物、Ni、Co、Alを含有するリチウム遷移金属複合酸化物が挙げられる。
正極合材層に含まれる導電材としては、カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、黒鉛等の炭素材料が例示できる。正極合材層に含まれる結着材としては、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)等のフッ素樹脂、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリイミド樹脂、アクリル樹脂、ポリオレフィン樹脂などが例示できる。これらの樹脂と、カルボキシメチルセルロース(CMC)またはその塩等のセルロース誘導体、ポリエチレンオキシド(PEO)などが併用されてもよい。
[負極]
負極30は、負極芯体31と、負極芯体31の表面に設けられた負極合材層とを有する。負極芯体31には、銅などの負極30の電位範囲で安定な金属の箔、当該金属を表層に配置したフィルム等を用いることができる。負極合材層は、負極活物質および結着材を含み、負極芯体31の両面に設けられることが好ましい。負極30は、例えば負極芯体31の表面に負極活物質、導電材、および結着材等を含む負極合材スラリーを塗布し、塗膜を乾燥させた後、圧縮して負極合材層を負極芯体31の両面に形成することにより作製できる。
負極合材層には、負極活物質として、例えばリチウムイオンを可逆的に吸蔵、放出する炭素系活物質が含まれる。好適な炭素系活物質は、鱗片状黒鉛、塊状黒鉛、土状黒鉛等の天然黒鉛、塊状人造黒鉛(MAG)、黒鉛化メソフェーズカーボンマイクロビーズ(MCMB)等の人造黒鉛などの黒鉛である。また、負極活物質には、SiおよびSi含有化合物の少なくとも一方で構成されるSi系活物質が用いられてもよく、炭素系活物質とSi系活物質が併用されてもよい。
負極合材層に含まれる導電材としては、正極20の場合と同様に、カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、黒鉛等の炭素材料を用いることができる。負極合材層に含まれる結着材には、正極20の場合と同様に、フッ素樹脂、PAN、ポリイミド、アクリル樹脂、ポリオレフィン等を用いることもできるが、スチレン-ブタジエンゴム(SBR)を用いることが好ましい。また、負極合材層は、さらに、CMCまたはその塩、ポリアクリル酸(PAA)またはその塩、ポリビニルアルコール(PVA)などを含むことが好ましい。中でも、SBRと、CMCまたはその塩、PAAまたはその塩を併用することが好適である。
[セパレータ]
セパレータ40には、イオン透過性および絶縁性を有する多孔性シートが用いられる。多孔性シートの具体例としては、微多孔薄膜、織布、不織布等が挙げられる。セパレータ40の材質としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレンとαオレフィンの共重合体等のポリオレフィン、セルロースなどが好適である。セパレータ40は、単層構造、積層構造のいずれであってもよい。セパレータ40の表面には、無機粒子を含む耐熱層、アラミド樹脂、ポリイミド、ポリアミドイミド等の耐熱性の高い樹脂で構成される耐熱層などが形成されていてもよい。
[非水電解質]
非水電解質は、非水溶媒と、電解質塩とを含む。非水溶媒には、例えばエーテル類、エステル類、アセトニトリル等のニトリル類、ジメチルホルムアミド等のアミド類、およびこれらの2種以上の混合溶媒等を用いることができる。非水溶媒は、これら溶媒の水素の少なくとも一部をフッ素等のハロゲン原子で置換したハロゲン置換体を含有していてもよい。ハロゲン置換体としては、フルオロエチレンカーボネート(FEC)等のフッ素化環状炭酸エステル、フッ素化鎖状炭酸エステル、フルオロプロピオン酸メチル(FMP)等のフッ素化鎖状カルボン酸エステルなどが挙げられる。
上記エーテル類の例としては、1,3-ジオキソラン、4-メチル-1,3-ジオキソラン、テトラヒドロフラン、2-メチルテトラヒドロフラン、プロピレンオキシド、1,2-ブチレンオキシド、1,3-ジオキサン、1,4-ジオキサン、1,3,5-トリオキサン、フラン、2-メチルフラン、1,8-シネオール、クラウンエーテル等の環状エーテル類、1,2-ジメトキシエタン、ジエチルエーテル、ジプロピルエーテル、ジイソプロピルエーテル、ジブチルエーテル、ジヘキシルエーテル、エチルビニルエーテル、ブチルビニルエーテル、メチルフェニルエーテル、エチルフェニルエーテル、ブチルフェニルエーテル、ペンチルフェニルエーテル、メトキシトルエン、ベンジルエチルエーテル、ジフェニルエーテル、ジベンジルエーテル、o-ジメトキシベンゼン、1,2-ジエトキシエタン、1,2-ジブトキシエタン、ジエチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールジエチルエーテル、ジエチレングリコールジブチルエーテル、1,1-ジメトキシメタン、1,1-ジエトキシエタン、トリエチレングリコールジメチルエーテル、テトラエチレングリコールジメチルエーテル等の鎖状エーテル類が挙げられる。
上記エステル類の例としては、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ブチレンカーボネート等の環状炭酸エステル、ジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、ジエチルカーボネート(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、メチルイソプロピルカーボネート等の鎖状炭酸エステルなどが挙げられる。中でも、EC、EMC、およびDMCから選択される少なくとも1種を用いることが好ましく、EC、EMC、およびDMCの混合溶媒を用いることが特に好ましい。ECの含有量の一例は、非水媒体の体積に対して20体積%以上30体積%以下である。EMCおよびDMCの含有量の一例は、非水媒体の体積に対して30体積%以上40体積%以下である。
また、非水溶媒には、必須成分として、カルボン酸エステルが含まれる。カルボン酸エステルは、γ-ブチロラクトン(GBL)、γ-バレロラクトン(GVL)等の環状カルボン酸エステルであってもよいが、好ましくは鎖状カルボン酸エステルである。カルボン酸エステルは、非水溶媒の体積に対して0.01体積%以上10体積%未満の量で含まれる。0.01体積%以上のカルボン酸エステル、特に鎖状カルボン酸エステルが非水電解質に添加されることで、電池の入出力特性が向上する。
カルボン酸エステルの含有量は、非水溶媒の体積に対して0.1体積%以上が好ましく、0.5体積%以上がより好ましく、1体積%以上が特に好ましい。カルボン酸エステルの含有量の上限は、非水溶媒の体積に対して8体積%が好ましく、6体積%がより好ましく、5体積%が特に好ましい。なお、カルボン酸エステルの添加量が10体積%以上になると、ガス発生量を抑えることが難しくなる。
鎖状カルボン酸エステルは、炭素数3以上10以下の化合物が好ましい。具体例としては、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸n-プロピル、酢酸イソプロピル、酢酸n-ブチル、酢酸イソブチル、酢酸t-ブチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、プロピオン酸n-プロピル、プロピオン酸イソプロピル、プロピオン酸n-ブチル、プロピオン酸イソブチル、プロピオン酸t-ブチル、酪酸メチル、酪酸エチル、酪酸n-プロピル、酪酸イソプロピル、イソ酪酸メチル、イソ酪酸エチル、イソ酪酸n-プロピル、イソ酪酸イソプロピル等が挙げられる。中でも、酢酸メチル、酢酸エチル、プロピオン酸メチル、およびプロピオン酸エチルから選択される少なくとも1種が好ましく、酢酸メチル、プロピオン酸メチルが特に好ましい。
また、非水電解質には、必須成分として、リチウムビスオキサラトボレート(LiBOB)が含まれる。非水電解質中のLiBOBの濃度は、0.01M(mol/L)以上0.2M未満である。0.01M以上のLiBOBが非水電解質に添加されることで、カルボン酸エステルの分解が特異的に抑制され、初期充電時のガス発生量が大幅に低減される。カルボン酸エステルとLiBOBの併用は、電池の入出力特性の向上とガス発生量の低減の両立を可能とする。
非水電解質中のLiBOBの濃度は、0.015M以上が好ましく、0.018M以上がより好ましく、0.020M以上が特に好ましい。LiBOBの濃度の上限は、0.15Mが好ましく、0.10Mがより好ましく、0.08Mが特に好ましい。なお、LiBOBを0.2M以上の濃度で添加してもガス発生量の低減効果は小さく、過剰量のLiBOBは入出力特性を低下させる。
非水電解質は、LiBOBに加えて、電解質塩として他のリチウム塩を含むことが好ましい。他のリチウム塩の具体例としては、LiBF、LiClO、LiPF、LiAsF、LiSbF、LiAlCl、LiSCN、LiFSO、LiCFSO、LiCFCO、Li(P(C)F)、Li(P(C)、Li(P(C)、LiPF6-x(C2n+1(1<x<6,nは1または2)、LiB10Cl10、LiCl、LiBr、LiI、クロロボランリチウム、低級脂肪族カルボン酸リチウム、Li、Li(B(C)F)等のホウ酸塩類などが挙げられる。中でも、LiPFが好ましい。また、LiPFの濃度は、LiBOBの濃度よりも高いことが好ましい。
好適な非水電解質の一例は、下記の成分を含む。
<非水溶媒>
1体積%以上5体積%以下の酢酸メチルおよびプロピオン酸メチルの少なくとも一方
20体積%以上30体積%以下のEC
30体積%以上40体積%以下のEMC
30体積%以上40体積%以下のDMC
<リチウム塩>
0.02M以上0.08M以下のLiBOB
0.5M以上1.5M以下のLiPF
<実施例>
以下、実施例により本開示をさらに説明するが、本開示はこれらの実施例に限定されるものではない。
<実施例1>
[正極の作製]
正極活物質として、一般式LiNi1/3Co1/3Mn1/3で表されるリチウム遷移金属複合酸化物を用いた。正極活物質と、アセチレンブラックと、ポリフッ化ビニリデンとを、90:7:3の固形分質量比で混合し、分散媒としてN-メチル-2-ピロリドン(NMP)を用いて、正極合材スラリーを調製した。次に、アルミニウム箔からなる正極芯体の両面に正極合材スラリーを塗布し、塗膜を乾燥、圧縮した後、所定の電極サイズ(50×234mm)に切断し、さらにアルミニウムリードを取り付ける部分の塗膜を剥離して、正極芯体の両面に正極合材層が形成された正極を得た。
[負極の作製]
負極活物質として、黒鉛を用いた。負極活物質と、カルボキシメチルセルロース(CMC)と、スチレンブタジエンゴム(SBR)とを、98:1:1の固形分質量比で混合し、分散媒として水を用いて、負極合材スラリーを調製した。次に、銅箔からなる負極芯体の両面に負極合材スラリーを塗布し、塗膜を乾燥、所定の力で圧縮した後、所定の電極サイズ(52×330mm)に切断し、さらにニッケルリードを取り付ける部分の塗膜を剥離して、負極芯体の両面に負極合材層が形成された負極を得た。
[非水電解液の調製]
エチレンカーボネート(EC)と、エチルメチルカーボネート(EMC)と、ジメチルカーボネート(DMC)と、プロピオン酸メチル(MP)とを、25:37:35:3の体積比(25℃、1気圧)で混合した。当該混合溶媒に、1.15Mの濃度となるようにLiPFを、0.025Mの濃度となるようにリチウムビスオキサラトボレート(LiBOB)をそれぞれ添加して非水電解液を得た。
[試験セルの作製]
上記正極の芯体露出部にアルミニウムリードを、上記負極の芯体露出部にニッケルリードをそれぞれ取り付け、セパレータを介して正極と負極を渦巻き状に巻回した後、径方向にプレス成形して扁平状の巻回型電極体を作製した。この電極体をアルミラミネートシートで構成される外装体内に収容し、上記非水電解質を注入した後、外装体の開口部を封止して試験セル(非水電解質二次電池)を得た。
[ガス発生量の評価]
アルキメデス法により体積を測定した試験セルを25℃の温度環境下で初期充電(電池電圧3.7VまでCCCV充電)し、この充電状態で75℃の温度環境下に11時間静置するエージング処理を行った。エージング処理後の試験セルの体積をアルキメデス法により測定し、初期充電前の体積との差分からガス発生量を算出した。ガス発生量は、後述する参考例2の試験セルのガス発生量を100とした相対値として表1に示す(以下の実施例等についても同様)。
<実施例2>
非水電解液の調製において、LiPFの濃度を0.9Mに変更したこと以外は、実施例1と同様にして試験セルを作製し、ガス発生量の評価を行った。
<実施例3>
非水電解液の調製において、非水電解液の質量に対して0.3質量%の濃度となるようにビニレンカーボネート(VC)を添加したこと以外は、実施例2と同様にして試験セルを作製し、ガス発生量の評価を行った。
<実施例4>
非水電解液の調製において、LiBOBの濃度を0.04Mに変更したこと以外は、実施例2と同様にして試験セルを作製し、ガス発生量の評価を行った。
<比較例1>
非水電解液の調製において、LiBOBを添加しなかったこと以外は、実施例2と同様にして試験セルを作製し、ガス発生量の評価を行った。
<比較例2>
非水電解液の調製において、非水電解液の質量に対して0.3質量%の濃度となるようにVCを添加し、MPを添加せず、EC、EMC、およびDMCの体積比を26:38:36としたこと以外は、比較例1と同様にして試験セルを作製し、ガス発生量の評価を行った。
<比較例3>
非水電解液の調製において、LiBOBおよびMPを添加せず、EC、EMC、およびDMCの体積比を30:30:40としたこと以外は、実施例1と同様にして試験セルを作製し、ガス発生量の評価を行った。
<参考例1>
非水電解液の調製において、LiBOBの濃度を0.07Mに変更し、MPを添加せず、EC、EMC、およびDMCの体積比を30:30:40としたこと以外は、実施例1と同様にして試験セルを作製し、ガス発生量の評価を行った。
<参考例2>
非水電解液の調製において、LiBOBの濃度を0.05Mに変更し、非水電解液の質量に対して0.3質量%の濃度となるようにVCを添加したこと以外は、参考例1と同様にして試験セルを作製し、ガス発生量の評価を行った。
表1に示すように、実施例の試験セルはいずれも、比較例の試験セルと比べて初期充電時のガス発生量が大幅に抑えられている。カルボン酸エステルであるMPは、入出力特性の向上に寄与するものの初期充電時に還元分解し易いが、実施例の試験セルによれば、MPを含まない参考例の試験セルと同等またはそれ以上に、ガスの発生が抑制される。なお、参考例の試験セルはMPを含まないため、実施例の試験セルと比べて入出力特性に劣る。
10 非水電解質二次電池
11 電極体
12 正極端子
13 負極端子
14 外装缶
15 封口板
16 注液部
17 ガス排出弁
20 正極
21 正極芯体
23,33 芯体露出部
25 正極集電体
30 負極
31 負極芯体
35 負極集電体
40 セパレータ

Claims (3)

  1. 非水溶媒を含む非水電解質であって、
    カルボン酸エステルと、
    リチウムビスオキサラトボレートと、
    を含み、
    前記カルボン酸エステルの濃度は、前記非水溶媒の体積に対して1体積%以上10体積%未満であり、
    前記リチウムビスオキサラトボレートの濃度は、0.01M以上0.2M未満であ
    前記カルボン酸エステルは、酢酸メチル、酢酸エチル、プロピオン酸メチル、およびプロピオン酸エチルから選択される少なくとも1種である、二次電池用非水電解質。
  2. 前記カルボン酸エステルは、プロピオン酸メチルである、請求項に記載の二次電池用非水電解質。
  3. 請求項1又は2に記載の二次電池用非水電解質と、
    正極と、
    負極と、
    を備える、非水電解質二次電池。
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