CN102484284A - 非水电解质电池及非水电解液 - Google Patents

非水电解质电池及非水电解液 Download PDF

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Abstract

本发明的目的在于提供一种非水电解质电池,其在初期的常温以及-30℃的输出功率高,即使在进行高效率放电时也能赋予高的放电容量,而且在高温保存试验、循环试验等耐久试验后的容量保持率高,且即便在耐久试验后,初期的输出功率性能、高速率放电容量仍优异。本发明的非水电解质电池具备正极、负极以及非水电解液,所述正极含有集电体和正极活性物质,所述正极活性物质为以LixMPO4(M为选自周期表第2族~第12族的金属中的至少一种元素、x满足0<x≤1.2)表示的含有锂的磷酸化合物,所述负极含有能吸留及放出锂离子的负极活性物质,所述非水电解液含有(1)链状醚、以及(2)具有不饱和键的环状碳酸酯。

Description

非水电解质电池及非水电解液
技术领域
本发明涉及非水电解质电池。详细地说,涉及使用磷酸铁锂作为正极时,具有高输出特性、及优异的耐久性的使用了非水电解液的非水电解质电池。
背景技术
锂二次电池等非水电解质电池已经在从移动电话、笔记本电脑等这些家用电源到汽车用等驱动用车载电源的广泛用途实现了实用化。但近年来,对非水电解质电池的高性能化的要求越来越高,要求电池特性(例如高容量、高输出功率、高温保存特性、循环特性、高安全性等)达到高的水准。
就非水电解质电池而言,通常正极采用LiCoO2、负极采用能吸留及放出锂的碳质材料。另外,作为非水电解液,可以使用在碳酸亚乙酯、碳酸甲乙酯这样的非水系有机溶剂中溶解有以LiPF6为代表的电解质盐的非水电解液。
上述作为正极活性物质的钴酸锂(LiCoO2)存在下述缺陷:在充电状态下的热稳定性低,电池安全性降低。因此,正在广为探索一种代替LiCoO2的正极活性物质。
作为替代品中之一,近年来将注意力集中在了具有橄榄石结构的含锂金属氧化物上。例如,在以LiFePO4为正极活性物质的非水电解质电池中,充分利用LiFePO4的热稳定性以及化学稳定性高这一特性,可提高循环特性、电池安全性。例如在考虑混合动力汽车等用途的情况下,这些性质对于使搭载的电池大型化从而提高重量能量密度或提高输出能量密度、实现电池的长寿命化是极为有效的。
但已知与LiCoO2或LiNiO2、LIMnO2、Li(Ni1/3Mn1/3Co1/3)O2等相比,LiFePO4正极活性物质内部的导电性低,高效率放电特性低。
另外,在以LiFePO4为正极活性物质的非水电解质电池中,在例如60℃左右的高温环境下重复进行充放电时,随着充放电的进行,活性物质中的部分Fe等元素发生溶出,溶出的Fe会对由碳质材料等构成的负极活性物质造成不良影响,其结果,会损害负极自身的充放电的可逆性等而导致反应性降低,并且存在非水电解质电池的容量、输出功率容易降低的问题。
在专利文献1中,作为在以较大的电流进行放电的高效率放电时也能够提高放电容量的非水电解质电池,公开了下述非水电解质电池:包含含有磷酸铁锂的正极活性物质、导电剂和粘合剂的正极合剂层的密度为1.7g/cc,且该非水电解质电池具备包含含有碳酸亚乙酯和链状醚的溶剂的非水电解液。
在专利文献2中,公开了下述非水电解质电池:具有大容量以及高输出功率,即使在例如60℃左右的高温环境下反复进行充放电后也能够保持初期的大容量,而且可防止常温下输出功率的降低及例如在-30℃左右的低温下输出功率的降低,显示出初期的高输出功率,其中,正极活性物质以橄榄石结构的磷酸铁锂为主成分,电解质以LiPF6为主成分,非水系溶剂以碳酸亚乙酯和碳酸二乙酯的混合溶剂为主成分、或以碳酸亚乙酯和碳酸甲乙酯的混合溶剂为主成分,还至少含有碳酸亚乙烯酯和/或乙烯基碳酸亚乙酯。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开2006-236809号公报
专利文献2:日本特开2009-4357号公报
发明内容
发明要解决的问题
根据专利文献1公开的技术,通过提高正极活性物质与导电剂、导电剂与集电体、以及正极活性物质与集电体的密合性,可以提高正极内的导电性。另外,使用在介电常数高的碳酸亚乙酯中添加粘度极低的二甲氧基乙烷而形成的溶剂,由此,不仅能使正极合剂层内含有充分的溶液,而且可提高锂离子的移动速度。认为由此可改善以较大的电流进行放电即高速率放电时的放电容量。
但将如今最广泛使用的碳质材料用于负极时,由于负极被膜的稳定性低,高温保存特性、循环特性等耐久性尚不充分。
另外,根据专利文献2公开的技术,碳酸亚乙烯酯和/或乙烯基碳酸亚乙酯的至少一部分在电极上发生分解,在正极和/或负极的活性物质表面形成稳定的被膜等包覆物。其结果,认为不仅抑制Fe元素等从上述正极活性物质溶出,而且能抑制溶出元素对上述负极活性物质产生不良影响,即使反复进行充放电,也能顺利地进行锂离子的插入及放出,可抑制容量的劣化、内部电阻的上升以及输出功率的降低。
但与使用链状醚的非水电解质电池相比,该非水电解液的粘度高但离子传导率低,因此比较初期的输出功率时,与使用链状醚的非水电解液相比,在室温或-30℃这样的低温范围内的输出功率尚不充分。
本发明提供一种非水电解质电池及用于实现该非水电解质电池的非水电解液,所述非水电解质电池在初期的常温以及-30℃下的输出功率高,即使在高速率放电时也具有高的放电容量,而且在高温保存试验、循环试验等耐久试验后的容量保持率高、且耐久试验后也具有优异的初期输出性能、及高速率放电容量。
解决问题的方法
为了解决上述问题,本发明人等经过深入研究,结果发现:使用具有橄榄石结构的含锂金属氧化物作为正极活性物质的情况下,对于电解液组成,通过以链状醚、具有负极被膜形成功能的化合物或具有正极保护功能的化合物为特定组成,能够得到在初期的常温以及-30℃下的输出功率高、高速率放电时也具有高的放电容量,在高温保存试验、循环试验等耐久试验后的容量保持率高,并且即使在耐久试验后也具有优异的初期输出性能、及高速率放电容量的非水电解质电池,从而完成了本发明。
也就是说,本发明的要点如下所述。
1.一种非水电解质电池,其具备正极、负极以及非水电解液,所述正极含有集电体和正极活性物质,所述正极活性物质为以LixMPO4(M为选自周期表第2族~第12族的金属中的至少一种元素、x满足0<x≤1.2)表示的含有锂的磷酸化合物,所述负极含有能吸留及放出锂离子的负极活性物质,其中,所述非水电解液含有:
(1)链状醚、以及
(2)具有不饱和键的环状碳酸酯。
2.一种非水电解质电池,其具备正极、负极以及非水电解液,所述正极含有集电体和正极活性物质,所述正极活性物质为以LixMPO4(M为选自周期表第2族~第12族的金属中的至少一种元素、x满足0<x≤1.2)表示的含有锂的磷酸化合物,所述负极含有能吸留及放出锂离子的负极活性物质,其中,所述该非水电解液含有:
(1)链状醚、以及
(2)选自氟磷酸锂类、磺酸锂类、酰亚胺锂盐类、磺酸酯类及亚硫酸酯类中的至少1种化合物。
3.上述1或2所述的非水电解质电池,其中,上述含有锂的磷酸化合物用LixMPO4(M为选自周期表第4周期第4族~第11族的过渡金属中的至少一种元素、x满足0<x≤1.2)表示。
4.上述1所述的非水电解质电池,其中,上述具有不饱和键的环状碳酸酯的含量为电解液总量的0.001~5质量%。
5.上述1或2所述的非水电解质电池,其中,上述非水电解液含有10体积%以上的碳酸亚乙酯。
6.上述1或2所述的非水电解质电池,其中,上述链状醚用R1OR2(R1,R2表示任选具有氟原子的碳原子数为1~8的1价有机基团,它们彼此可以相同也可以不同)表示。
7.上述1或2所述的非水电解质电池,其中,上述负极活性物质为碳质材料。
8.上述1或2所述的非水电解质电池,其中,在上述集电体表面,具有化合物组成不同于集电体的导电层。
9.上述1~8中任一项所述的非水电解质电池中所使用的非水电解液。
发明的效果
就本发明的非水电解质电池而言,在使用具有橄榄石结构的含锂金属氧化物作为正极活性物质的情况下,通过使非水电解液中含有链状醚,使非水电解液的粘度降低,离子传导率提高,由此可实现高速率放电容量的提高、以及高输出功率化。另外,通过使具有负极被膜形成功能的化合物为特定组成,能够在保持热耐久性以及化学耐久性的同时,极大地防止负极表面上的被膜的电阻增加,从而不仅可得到高的高温保存特性、循环特性,而且可实现耐久试验前后的高速率特性的提高以及高输出功率化。
另外,通过以具有正极保护功能的化合物为特定组成,不仅可以抑制金属从正极活性物质溶出,而且在保持热耐久性以及化学耐久性的同时,还可以极大地防止正极表面上的被膜的电阻增加,从而不仅可得到优异的高温保存特性、循环特性,而且可实现耐久试验前后的高速率特性的提高以及高输出功率化。
具体实施方式
以下,对本发明的实施方式进行详细说明,但本发明并不受其限制,实施时可任意变形。
[非水电解液]
第一发明中使用的非水电解液含有:
(1)链状醚、以及
(2)具有不饱和键的环状碳酸酯。
另外,第二发明中使用的非水电解液含有:
(1)链状醚、以及
(2)选自氟磷酸锂类、磺酸锂类、酰亚胺锂盐类、磺酸酯类、以及亚硫酸酯类中的至少1种化合物。
<链状醚>
作为链状醚,优选通式R1OR2表示的化合物。式中,R1,R2表示任选被氟原子取代的碳原子数为1~8的1价有机基团,它们彼此可以相同也可以不同。
进一步优选使用碳原子数为3~10的链状醚。
作为碳原子数为3~10的链状醚,具体而言,可以列举,乙醚、二(2-氟乙基)醚、二(2,2-二氟乙基)醚、二(2,2,2-三氟乙基)醚、乙基(2-氟乙基)醚、乙基(2,2,2-三氟乙基)醚、乙基(1,1,2,2-四氟乙基)醚、(2-氟乙基)(2,2,2-三氟乙基)醚、(2-氟乙基)(1,1,2,2-四氟乙基)醚、(2,2,2-三氟乙基)(1,1,2,2-四氟乙基)醚、乙基-正丙基醚、乙基(3-氟-正丙基)醚、乙基(3,3,3-三氟-正丙基)醚、乙基(2,2,3,3-四氟-正丙基)醚、乙基(2,2,3,3,3-五氟-正丙基)醚、2-氟乙基-正丙基醚、(2-氟乙基)(3-氟正丙基)醚、(2-氟乙基)(3,3,3-三氟正丙基)醚、(2-氟乙基)(2,2,3,3-四氟正丙基)醚、(2-氟乙基)(2,2,3,3,3-五氟正丙基)醚、2,2,2-三氟乙基-正丙基醚、(2,2,2-三氟乙基)(3-氟正丙基)醚、(2,2,2-三氟乙基)(3,3,3-三氟正丙基)醚、(2,2,2-三氟乙基)(2,2,3,3-四氟正丙基)醚、(2,2,2-三氟乙基)(2,2,3,3,3-五氟正丙基)醚、1,1,2,2-四氟乙基-正丙基醚、(1,1,2,2-四氟乙基)(3-氟正丙基)醚、(1,1,2,2-四氟乙基)(3,3,3-三氟正丙基)醚、(1,1,2,2-四氟乙基)(2,2,3,3-四氟正丙基)醚、(1,1,2,2-四氟乙基)(2,2,3,3,3-五氟正丙基)醚、正丙醚、(正丙基)(3-氟正丙基)醚、(正丙基)(3,3,3-三氟正丙基)醚、(正丙基)(2,2,3,3-四氟正丙基)醚、(正丙基)(2,2,3,3,3-五氟正丙基)醚、二(3-氟正丙基)醚、(3-氟正丙基)(3,3,3-三氟正丙基)醚、(3-氟正丙基)(2,2,3,3-四氟-正丙基)醚、(3-氟正丙基)(2,2,3,3,3-五氟正丙基)醚、二(3,3,3-三氟正丙基)醚、(3,3,3-三氟正丙基)(2,2,3,3-四氟正丙基)醚、(3,3,3-三氟正丙基)(2,2,3,3,3-五氟正丙基)醚、二(2,2,3,3-四氟正丙基)醚、(2,2,3,3-四氟正丙基)(2,2,3,3,3-五氟正丙基)醚、二(2,2,3,3,3-五氟正丙基)醚、正丁醚、二甲氧基甲烷、甲氧基乙氧基甲烷、甲氧基(2-氟乙氧基)甲烷、甲氧基(2,2,2-三氟乙氧基)甲烷甲氧基(1,1,2,2-四氟乙氧基)甲烷、二乙氧基甲烷、乙氧基(2-氟乙氧基)甲烷、乙氧基(2,2,2-三氟乙氧基)甲烷、乙氧基(1,1,2,2-四氟乙氧基)甲烷、二(2-氟乙氧基)甲烷、(2-氟乙氧基)(2,2,2-三氟乙氧基)甲烷、(2-氟乙氧基)(1,1,2,2-四氟乙氧基)甲烷二(2,2,2-三氟乙氧基)甲烷、(2,2,2-三氟乙氧基)(1,1,2,2-四氟乙氧基)甲烷、二(1,1,2,2-四氟乙氧基)甲烷、二甲氧基乙烷、甲氧基乙氧基乙烷、甲氧基(2-氟乙氧基)乙烷、甲氧基(2,2,2-三氟乙氧基)乙烷、甲氧基(1,1,2,2-四氟乙氧基)乙烷、二乙氧基乙烷、乙氧基(2-氟乙氧基)乙烷、乙氧基(2,2,2-三氟乙氧基)乙烷、乙氧基(1,1,2,2-四氟乙氧基)乙烷、二(2-氟乙氧基)乙烷、(2-氟乙氧基)(2,2,2-三氟乙氧基)乙烷、(2-氟乙氧基)(1,1,2,2-四氟乙氧基)乙烷、二(2,2,2-三氟乙氧基)乙烷、(2,2,2-三氟乙氧基)(1,1,2,2-四氟乙氧基)乙烷、二(1,1,2,2-四氟乙氧基)乙烷、乙二醇正丙醚、乙二醇正丁醚、二乙二醇二甲基醚等。
其中,从与锂离子的溶剂化能力高、可提高离子离解性方面考虑,优选二甲氧基甲烷、二乙氧基甲烷、乙氧基甲氧基甲烷、乙二醇正丙醚、乙二醇正丁醚、二乙二醇二甲基醚。
另外,在这些链状醚中,从耐氧化性高、在高温保存试验和循环试验等耐久试验后的容量保持率高、且在耐久试验后仍具有优异的初期输出性能、及高速率放电容量方面考虑,优选(2,2,2-三氟乙基)(2,2,3,3-四氟正丙基)醚、(1,1,2,2-四氟乙基)(3,3,3-三氟正丙基)醚、(1,1,2,2-四氟乙基)(2,2,3,3-四氟正丙基)醚、(3,3,3-三氟正丙基)(2,2,3,3-四氟正丙基)醚、(3,3,3-三氟正丙基)(2,2,3,3,3-五氟正丙基)醚、二(2,2,3,3-四氟正丙基)醚。
其中,从粘性低、能得到高的离子传导率、且电池耐久性优异方面考虑,特别优选二甲氧基甲烷、二乙氧基甲烷、乙氧基甲氧基甲烷、(2,2,2-三氟乙基)(2,2,3,3-四氟正丙基)醚、(1,1,2,2-四氟乙基)(3,3,3-三氟正丙基)醚、(1,1,2,2-四氟乙基)(2,2,3,3-四氟正丙基)醚。
链状醚可单独使用1种,也可将2种以上以任意组合及比例组合使用。对于链状醚在本发明的非水电解液全体中的混合量而言,相对于全部非水系溶剂,通常为5体积%以上、优选8体积%以上、更优选10体积%以上,另外,通常期望以70体积%以下、优选以60体积%以下、更优选以50体积%以下的浓度含有链状醚。如果链状醚的浓度过小,则有可能很难得到因锂离子离解度提高和粘度降低而产生的链状醚的离子传导率的提高效果,反之,若浓度过大,则链状醚与锂离子一起共同插入碳负极中,容量有可能降低。
在本说明书中,非水系溶剂全体是指除了后述的具有不饱和键的环状碳酸酯、磺酸酯类、亚硫酸酯类、氟磷酸锂类、磺酸锂类、酰亚胺锂盐类、以及除电解质以外的非水电解液全体。
<具有不饱和键的环状碳酸酯>
就本发明的非水电解液而言,为了在非水电解质电池的负极表面形成被膜从而实现电池的长寿命化,可使用具有不饱和键的环状碳酸酯(以下,有时简称为“不饱和环状碳酸酯”)。
作为上述不饱和环状碳酸酯,只要是具有碳-碳双键的环状碳酸酯即可,没有特别限制,可使用任意不饱和碳酸酯。需要说明的是,具有芳香环的环状碳酸酯也包括在不饱和环状碳酸酯内。
作为不饱和环状碳酸酯,可以列举,碳酸亚乙烯酯类、被具有芳香环或碳-碳双键的取代基取代的碳酸亚乙酯类、苯基碳酸酯类、乙烯基碳酸酯类、烯丙基碳酸酯类、邻苯二酚碳酸酯类等。
作为碳酸亚乙烯酯类,可以列举,碳酸亚乙烯酯、甲基碳酸亚乙烯酯、4,5-二甲基碳酸亚乙烯酯、苯基碳酸亚乙烯酯、4,5-二苯基碳酸亚乙烯酯、乙烯基碳酸亚乙烯酯、4,5-乙烯基碳酸亚乙烯酯、烯丙基碳酸亚乙烯酯、4,5-二烯丙基碳酸亚乙烯酯等。
作为被具有芳香环或碳-碳双键的取代基取代的碳酸亚乙酯类的具体例,可以列举,乙烯基碳酸亚乙酯、4,5-二乙烯基碳酸亚乙酯、4-甲基-5-乙烯基碳酸亚乙酯、4-烯丙基-5-乙烯基碳酸亚乙酯、苯基碳酸亚乙酯、4,5-二苯基碳酸亚乙酯、4-苯基-5-乙烯基碳酸亚乙酯、4-烯丙基-5-苯基碳酸亚乙酯、烯丙基碳酸亚乙酯、4,5-二烯丙基碳酸亚乙酯、4-甲基-5-烯丙基碳酸亚乙酯等。
其中,作为特别优选的不饱和环状碳酸酯,碳酸亚乙烯酯、甲基碳酸亚乙烯酯、4,5-二甲基碳酸亚乙烯酯、乙烯基碳酸亚乙烯酯、4,5-乙烯基碳酸亚乙烯酯、烯丙基碳酸亚乙烯酯、4,5-二烯丙基碳酸亚乙烯酯、乙烯基碳酸亚乙酯、4,5-二乙烯基碳酸亚乙酯、4-甲基-5-乙烯基碳酸亚乙酯、烯丙基碳酸亚乙酯、4,5-二烯丙基碳酸亚乙酯、4-甲基-5-烯丙基碳酸亚乙酯、4-烯丙基-5-乙烯基碳酸亚乙酯能形成稳定的界面保护被膜,因此更优选使用。
不饱和环状碳酸酯的分子量没有特别限制,只要不明显影响本发明的效果即可,可为任意分子量。优选分子量为50以上且250以下。只要在该范围内,即可容易地确保不饱和环状碳酸酯在非水电解液中的溶解性,容易充分地体现出本发明的效果。更优选不饱和环状碳酸酯的分子量为80以上,且更优选为150以下。不饱和环状碳酸酯的制造方法没有特别限制,可任意选择公知的方法来进行制造。
不饱和环状碳酸酯可单独使用1种,也可将2种以上以任意组合及比例组合使用。另外,不饱和环状碳酸酯的混合量没有特别限制,只要不明显影响本发明的效果即可,可为任意混合量。在非水系溶剂100质量%中、即相对于非水电解液的总量,优选不饱和环状碳酸酯的混合量为0.001质量%以上、更优选为0.01质量%以上、进一步优选为0.1质量%以上,并且优选为5质量%以下、更优选为4质量%以下、进一步优选为3质量%以下。只要在该范围内,非水电解质电池就容易体现出充分的循环特性增强效果,而且容易避免高温保存特性降低、气体产生量增多、放电容量保持率降低等问题。
作为具有不饱和键的环状碳酸酯,可任选被氟原子取代。具有氟原子的不饱和环状碳酸酯(以下,有时简称为“氟代不饱和环状碳酸酯”)所具有的氟原子数只要为1以上即可,没有特别限制。其中,氟原子数通常为6以下、优选为4以下、最优选为1个或2个。
作为氟代不饱和环状碳酸酯,可以列举,氟代碳酸亚乙烯酯衍生物、被具有芳香环或碳-碳双键的取代基取代的氟代碳酸亚乙酯衍生物等。
作为氟代碳酸亚乙烯酯衍生物,可以列举,4-氟碳酸亚乙烯酯、4-氟-5-甲基碳酸亚乙烯酯、4-氟-5-苯基碳酸亚乙烯酯、4-烯丙基-5-氟碳酸亚乙烯酯、4-氟-5-乙烯基碳酸亚乙烯酯等。
作为被具有芳香环或碳-碳双键的取代基取代的氟代碳酸亚乙酯衍生物,可以列举,4-氟-4-乙烯基碳酸亚乙酯、4-氟-4-烯丙基碳酸亚乙酯、4-氟-5-乙烯基碳酸亚乙酯、4-氟-5-烯丙基碳酸亚乙酯、4,4-二氟-4-乙烯基碳酸亚乙酯、4,4-二氟-4-烯丙基碳酸亚乙酯、4,5-二氟-4-乙烯基碳酸亚乙酯、4,5-二氟-4-烯丙基碳酸亚乙酯、4-氟-4,5-二乙烯基碳酸亚乙酯、4-氟-4,5-二烯丙基碳酸亚乙酯、4,5-二氟-4,5-二乙烯基碳酸亚乙酯、4,5-二氟-4,5-二烯丙基碳酸亚乙酯、4-氟-4-苯基碳酸亚乙酯、4-氟-5-苯基碳酸亚乙酯、4,4-二氟-5-苯基碳酸亚乙酯、4,5-二氟-4-苯基碳酸亚乙酯等。
其中,作为特别优选的氟代不饱和环状碳酸酯,4-氟碳酸亚乙烯酯、4-氟-5-甲基碳酸亚乙烯酯、4-氟-5-乙烯基碳酸亚乙烯酯、4-烯丙基-5-氟碳酸亚乙烯酯、4-氟-4-乙烯基碳酸亚乙酯、4-氟-4-烯丙基碳酸亚乙酯、4-氟-5-乙烯基碳酸亚乙酯、4-氟-5-烯丙基碳酸亚乙酯、4,4-二氟-4-乙烯基碳酸亚乙酯、4,4-二氟-4-烯丙基碳酸亚乙酯、4,5-二氟-4-乙烯基碳酸亚乙酯、4,5-二氟-4-烯丙基碳酸亚乙酯、4-氟-4,5-二乙烯基碳酸亚乙酯、4-氟-4,5-二烯丙基碳酸亚乙酯、4,5-二氟-4,5-二乙烯基碳酸亚乙酯、4,5-二氟-4,5-二烯丙基碳酸亚乙酯可以形成稳定的界面保护被膜,因此更优选使用。
氟代不饱和环状碳酸酯的分子量没有特别限制,只要不明显影响本发明的效果即可,可为任意分子量。优选分子量为50以上,并且为250以下。只要在该范围内,即可容易地确保氟代环状碳酸酯在非水电解液中的溶解性,容易体现出本发明的效果。氟代不饱和环状碳酸酯的制造方法没有特别限制,可任意选择公知的方法进行制造。更优选分子量为100以上,并且更优选为200以下。
氟代不饱和环状碳酸酯可单独使用1种,也可将2种以上以任意组合和比例来组合使用。另外,氟代不饱和环状碳酸酯的混合量没有特别限制,只要不明显影响本发明的效果即可,可为任意混合量。通常,在非水电解液100质量%中,优选氟代不饱和环状碳酸酯的混合量为0.01质量%以上、更优选为0.1质量%以上、进一步优选为0.2质量%以上,并且优选为5质量%以下、更优选为4质量%以下、进一步优选为3质量%以下。只要在该范围内,非水电解质电池即可容易地体现出充分的循环特性增强效果,而且易避免高温保存特性降低、气体产生量增多、放电容量保持率降低等问题。
<磺酸酯类>
就本发明使用的非水电解液而言,为了实现电池的长寿命化,可使用磺酸酯类。作为磺酸酯类,可以列举例如,碳原子数为3~6的环状磺酸酯、以及碳原子数为1~4的链状磺酸酯等。
作为碳原子数为3~6的环状磺酸酯,可以列举,1,3-丙磺酸内酯、1-甲基-1,3-丙磺酸内酯、2-甲基-1,3-丙磺酸内酯、3-甲基-1,3-丙磺酸内酯、1-乙基-1,3-丙磺酸内酯、2-乙基-1,3-丙磺酸内酯、3-乙基-1,3-丙磺酸内酯、1-氟-1,3-丙磺酸内酯、2-氟-1,3-丙磺酸内酯、3-氟-1,3-丙磺酸内酯、1,4-丁磺酸内酯、1-甲基-1,4-丁磺酸内酯、2-甲基-1,4-丁磺酸内酯、3-甲基-1,4-丁磺酸内酯、4-甲基-1,4-丁磺酸内酯、1-乙基-1,4-丁磺酸内酯、2-乙基-1,4-丁磺酸内酯、3-乙基-1,4-丁磺酸内酯、4-乙基-1,4-丁磺酸内酯、1-丙烯-1,3-磺内酯、1-氟-1-丙烯-1,3-磺内酯、2-氟-1-丙烯-1,3-磺内酯、3-氟-1-丙烯-1,3-磺内酯、1,4-丁磺酸内酯、1-丁烯-1,4-磺内酯、3-丁烯-1,4-磺内酯等。
其中,1,3-丙磺酸内酯、1-甲基-1,3-丙磺酸内酯、2-甲基-1,3-丙磺酸内酯、3-甲基-1,3-丙磺酸内酯、1-乙基-1,3-丙磺酸内酯、1,4-丁磺酸内酯、1-甲基-1,4-丁磺酸内酯、2-甲基-1,4-丁磺酸内酯、3-甲基-1,4-丁磺酸内酯、4-甲基-1,4-丁磺酸内酯、1-丙烯-1,3-磺内酯等能够较高地保存因与电极表面的相互作用而产生的电极表面保护能、提高循环耐久性,因此更优选使用。
作为碳原子数为1~4的链状磺酸酯,可以列举,氟磺酸甲酯、氟磺酸乙酯、氟磺酸丙酯、甲磺酸甲酯、甲磺酸乙酯、甲磺酸丙酯、乙磺酸甲酯、乙磺酸乙酯、乙烯基磺酸甲酯、乙烯基磺酸乙酯等。
其中,氟磺酸甲酯、氟磺酸乙酯、甲磺酸甲酯、甲磺酸乙酯、乙磺酸甲酯、乙磺酸乙酯、乙烯基磺酸甲酯、乙烯基磺酸乙酯等能较高地保存因与电极表面的相互作用而产生的电极界面保护能力、提高循环耐久性,因此更优选使用。
磺酸酯类可单独使用1种,也可将2种以上以任意组合和比例组合使用。另外,磺酸酯的混合量没有特别限制,只要不明显影响本发明的效果即可,可为任意混合量。通常,在非水电解液100质量%中、优选磺酸酯类的混合量为0.01质量%以上、更优选为0.1质量%以上、进一步优选为0.2质量%以上,并且优选为5质量%以下、更优选为4质量%以下、进一步优选为3质量%以下。只要在该范围内,非水电解质电池即可容易地体现出充分的循环特性增强效果,并且易避免高温保存特性降低、气体产生量增多、放电容量保持率降低等问题。
<亚硫酸酯类>
就本发明中使用的非水电解液而言,为了实现电池的长寿命化,可使用环状亚硫酸酯。作为亚硫酸酯类,可以列举例如,碳原子数为3~6的环状亚硫酸酯。
作为碳原子数为3~6的环状亚硫酸酯,可以列举,亚硫酸亚乙酯、4-甲基亚硫酸亚乙酯、4,4-二甲基亚硫酸亚乙酯、4,5-二甲基亚硫酸亚乙酯、4-乙基亚硫酸亚乙酯、4,4-二乙基亚硫酸亚乙酯、4,5-二乙基亚硫酸亚乙酯。
其中,亚硫酸亚乙酯、4-甲基亚硫酸亚乙酯能较高地保存因与电极表面的相互作用而产生的电极表面保护能力,提高循环耐久性,因此更优选使用。
亚硫酸酯类可单独使用1种,也可将2种以上以任意组合及比例组合使用。另外,亚硫酸酯类的混合量没有特别限制,只要不明显影响本发明的效果即可,可为任意混合量。通常,在非水电解液100质量%中,优选环状亚硫酸酯的混合量为0.01质量%以上、更优选为0.1质量%以上、进一步优选为0.2质量%以上,并且优选为5质量%以下、更优选为4质量%以下、进一步优选为3质量%以下。只要在该范围内,非水电解质电池即容易体现出充分的循环特性增强效果,并且容易避免高温保存特性降低、气体产生量增多、放电容量保持率降低等问题。
<其它配合成分>
在本发明中,还可使用除了以碳酸亚乙酯为代表的环状碳酸酯、链状碳酸酯、碳酸酯以外的环状以及链状酯、环状醚、砜类化合物等。
<环状碳酸酯>
·碳酸亚乙酯
优选本发明使用的非水电解液含有碳酸亚乙酯,作为碳酸亚乙酯的含量,相对于非水系溶剂全体,优选其下限为10体积%以上、且优选上限为70体积%以下。
·除碳酸亚乙酯以外的环状碳酸酯
作为除碳酸亚乙酯以外的环状碳酸酯,可以列举例如,具有碳原子数为3~4的亚烷基的环状碳酸酯。
具体而言,作为具有碳原子数为3~4的亚烷基的环状碳酸酯,可以列举,碳酸亚丙酯、碳酸亚丁酯等。其中,从提高锂离子离解度而产生的电池特性提高方面考虑,特别优选碳酸亚丙酯。
在本发明中,相对于非水电解液中全部非水系溶剂,通常期望含有除碳酸亚乙酯以外的环状碳酸酯的浓度为5体积%以上、优选10体积%以上。若浓度低于该下限,则本发明非水电解液的电导率的上升量少,尤其是有时不利于非水电解质电池的大电流放电特性的提高。另外,通常期望含有的浓度为40体积%以下、优选35体积%以下。若高于该范围,则会引起因非水电解液的粘性率增高而产生的电导率降低,尤其是是有时非水电解质电池的大电流放电特性会降低。
需要说明的是,其中,涉及到的非水系溶剂全体,与碳酸亚乙酯的情况相同,是指除了上述具有不饱和键的环状碳酸酯、磺酸酯类、亚硫酸酯类、后述氟磷酸锂类、磺酸锂类、酰亚胺锂盐类、以及后述的电解质以外的非水电解液全体。
·具有氟原子的饱和环状碳酸酯
作为具有氟原子的饱和环状碳酸酯(以下,有时简称为“氟代饱和环状碳酸酯”),没有特别限制,可以列举例如,具有碳原子数为2~6的亚烷基的饱和环状碳酸酯的衍生物,具体可以列举碳酸亚乙酯衍生物。作为碳酸亚乙酯衍生物,可以列举例如,碳酸亚乙酯的氟代物或被烷基(例如,碳原子数为1~4个的烷基)取代的碳酸亚乙酯的氟代物,其中,优选氟原子数为1~8个。
具体而言,可以列举,一氟碳酸亚乙酯、4,4-二氟碳酸亚乙酯、4,5-二氟碳酸亚乙酯、4-氟-4-甲基碳酸亚乙酯、4,5-二氟-4-甲基碳酸亚乙酯、4-氟-5-甲基碳酸亚乙酯、4,4-二氟-5-甲基碳酸亚乙酯、4-(氟甲基)-碳酸亚乙酯、4-(二氟甲基)-碳酸亚乙酯、4-(三氟甲基)-碳酸亚乙酯、4-(氟甲基)-4-氟碳酸亚乙酯、4-(氟甲基)-5-氟碳酸亚乙酯、4-氟-4,5-二甲基碳酸亚乙酯、4,5-二氟-4,5-二甲基碳酸亚乙酯、4,4-二氟-5,5-二甲基碳酸亚乙酯等。
其中,从能赋予高的离子传导性、且能形成优异的界面保护被膜方面考虑,更优选选自一氟碳酸亚乙酯、4,4-二氟碳酸亚乙酯、4,5-二氟碳酸亚乙酯及4,5-二氟-4,5-二甲基碳酸亚乙酯中的至少1种。
氟代饱和环状碳酸酯可单独使用1种,也可将2种以上以任意组合和比例组合使用。氟代饱和环状碳酸酯的混合量没有特别限制,只要不明显影响本发明的效果即可,可为任意混合量,在非水系溶剂100质量%中,优选为0.01质量%以上、更优选为0.1质量%以上、进一步优选为0.2质量%以上,并且上限值低于50质量%,优选为45质量%以下。只要在该范围内,非水电解质电池即容易体现出充分的循环特性增强效果,并且容易避免因高温保存特性的降低、气体产生量的增加而导致的放电容量保持率降低。
<链状碳酸酯>
链状碳酸酯优选碳原子数为3~7。
作为碳原子数为3~7的链状碳酸酯,具体而言,可以列举,碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸二正丙酯、碳酸二异丙酯、碳酸正丙基异丙基酯、碳酸甲乙酯、碳酸甲基正丙基酯、碳酸正丁基甲基酯、碳酸异丁基甲基酯、碳酸叔丁基甲基酯、碳酸乙基正丙基酯、碳酸正丁基乙基酯、碳酸异丁基乙基酯、碳酸叔丁基乙基酯等。
其中,优选碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸二正丙酯、碳酸二异丙酯、碳酸正丙基异丙基酯、碳酸甲乙酯、碳酸甲基正丙基酯。
其中,特别优选碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯。
另外,可优选使用具有氟原子的链状碳酸酯类(以下,有时简称为“氟代链状碳酸酯”)。只要氟代链状碳酸酯具有的氟原子数为1以上即可,没有特别限制,通常为6以下,优选4以下。氟代链状碳酸酯具有多个氟原子的情况下,它们彼此可以相同也可以不同。作为氟代链状碳酸酯的例子,可以列举,碳酸亚乙酯衍生物类、碳酸二甲酯衍生物类、碳酸甲乙酯衍生物类、碳酸二乙酯衍生物类等。
作为上述碳酸二甲酯衍生物类的具体例,可以列举,碳酸甲基氟代甲基酯、碳酸甲基二氟甲基酯、碳酸甲基三氟甲基酯、碳酸二(氟甲基)酯、碳酸二(二氟甲基)酯、碳酸二(三氟甲基)酯等。
作为上述碳酸甲乙酯衍生物类的具体例,可以列举,2-氟碳酸甲乙酯、碳酸乙基氟甲基酯、2,2-二氟碳酸甲乙酯、碳酸2-氟乙基氟甲基酯、碳酸乙基二氟甲基酯、2,2,2-三氟碳酸甲乙酯、碳酸2,2-二氟乙基氟甲基酯、碳酸2-氟乙基二氟甲基酯、碳酸乙基三氟甲基酯等。
作为上述碳酸二乙酯衍生物类的具体例,可以列举,乙基(2-氟乙基)碳酸酯、乙基-(2,2-二氟乙基)碳酸酯、二(2-氟乙基)碳酸酯、乙基-(2,2,2-三氟乙基)碳酸酯、2,2-二氟乙基-2’-氟乙基碳酸酯、二(2,2-二氟乙基)碳酸酯、2,2,2-三氟乙基-2’-氟乙基碳酸酯、2,2,2-三氟乙基-2’,2’-二氟乙基碳酸酯、二(2,2,2-三氟乙基)碳酸酯等。
关于以上说明的链状碳酸酯,本发明的非水电解液中可单独含有其中的任1种,也可将2种以上以任意组合及比例组合使用。
就本发明中使用的非水电解液而言,相对于非水电解液中全部的非水系溶剂,优选含有链状碳酸酯的浓度为15体积%以上、更优选为20体积%以上、进一步优选为25体积%以上。并且,优选含有的浓度为85体积%以下、更优选为80体积%以下、进一步优选为75体积%以下。
在上述范围内时,由于非水电解液的粘度不会增大,离子传导率也不降低,因此大电流导电特性良好。
另外,就本发明的非水电解液而言,相对于特定的链状醚类化合物,通过使碳酸亚乙酯、特定的链状碳酸酯为特定的混合量,可显著提高其性能。
例如,选择二甲氧基乙烷作为链状醚的情况下,优选碳酸甲乙酯作为上述特定的链状碳酸酯。在这样的情况下,特别优选碳酸亚乙酯的混合量为15体积%以上且40体积%以下,二甲氧基乙烷的混合量为10体积%以上且40体积%以下,碳酸甲乙酯的混合量为30体积%~60体积%。通过选择碳酸甲乙酯作为链状碳酸酯、且选择上述配合量,可扩大温度相溶区域,降低锂盐的低温析出温度。
作为其它例子,在选择二乙氧基乙烷作为链状醚的情况下,优选碳酸二甲酯作为上述特定的链状碳酸酯。在这样的情况下,特别优选碳酸亚乙酯的混合量为15体积%以上且40体积%以下,二乙氧基乙烷的混合量为20体积%以上且60体积%以下,碳酸二甲酯的混合量为15体积%~60体积%。通过选择碳酸二甲酯作为链状碳酸酯、且选择上述配合量,不仅可降低锂盐的低温析出温度,而且可降低非水电解液的粘度、提高离子传导率,即使在低温下也可得到高输出功率。
<除环状碳酸酯以外的环状酯>
作为除环状碳酸酯以外的环状酯,可以列举碳原子数为3~12的环状酯。
具体而言,可以列举,γ-丁内酯、γ-戊内酯、γ-己内酯、ε-己内酯等。其中,从因锂离子离解度提高而产生的电池特性提高方面考虑,特别优选γ-丁内酯。
在本发明中,相对于非水电解液中全部的非水系溶剂,通常期望含有上述环状酯的浓度为5体积%以上、优选10体积%以上。若浓度低于该下限,则相对于本发明的非水电解液的电导率上升少,尤其是有时不利于非水电解质电池的大电流放电特性的提高。并且,通常期望含有的浓度为40体积%以下、优选35体积%以下。若高于该范围,则会导致因非水电解液的粘性率增高而产生的电导率降低、负极电阻增大,尤其是有时非水电解质电池的大电流放电特性会降低。
<除链状碳酸酯以外的链状酯>
作为除链状碳酸酯以外的链状酯,可以列举,具有碳原子数为3~7的烯基的链状酯。
具体而言,可以列举,乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸正丙酯、乙酸异丙酯、乙酸正丁酯、乙酸异丁酯、乙酸叔丁酯、丙酸甲酯、丙酸乙酯、丙酸正丙酯、丙酸异丙酯、丙酸正丁酯、丙酸异丁酯、丙酸叔丁酯、丁酸甲酯、丁酸乙酯、丁酸正丙酯、丁酸异丙酯、异丁酸甲酯、异丁酸乙酯、异丁酸正丙酯、异丁酸异丙酯等。
其中,从因粘度降低而产生的离子传导率提高方面考虑,特别优选乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸正丙酯、乙酸正丁酯、丙酸甲酯、丙酸乙酯、丙酸正丙酯、丙酸异丙酯、丁酸甲酯、丁酸乙酯等。
在本发明中,相对于非水电解液中全部的非水系溶剂,通常期望含有上述链状酯的浓度为10体积%以上、优选15体积%以上。若浓度低于该下限,则本发明非水电解液的电导率上升少,尤其是有时不利于非水电解质电池的大电流放电特性提高。并且,通常期望含有上述链状酯的浓度为60体积%以下,优选为50体积%以下。若浓度高于该范围,则负极电阻增大,存在非水电解质电池的大电流放电特性降低、循环特性降低的倾向。
<环状醚>
作为环状醚,可以列举,具有碳原子数为3~6的亚烷基的环状醚。
具体而言,可以列举,四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃、3-甲基四氢呋喃、1,3-二
Figure BDA0000142775900000151
烷、2-甲基-1,3-二
Figure BDA0000142775900000152
烷、4-甲基-1,3-二烷、1,4-二烷等、及它们的含氟化合物。
其中,2-甲基四氢呋喃、2-甲基-1,3-二
Figure BDA0000142775900000155
烷的粘性低,且对锂离子的溶剂化能力高,可提高离子离解性,从而赋予高的离子传导率,因此特别优选。
在非水系溶剂100体积%中,通常优选环状醚的混合量为5体积%以上、更优选为10体积%以上、进一步优选为15体积%以上,并且优选为40体积%以下、更优选为35体积%以下、进一步优选为30体积%以下。如果在该范围内,即可容易地确保因环状醚的锂离子离解度提高和粘度降低产生的离子传导率的提高效果,负极活性物质为碳质材料的情况下,易于避免因环状醚与锂离子一起共同插入而导致的容量降低等问题。
<砜类化合物>
作为砜类化合物,优选碳原子数为3~6的环状砜、及碳原子数为2~6的链状砜。优选1分子中磺酰基的个数为1或2。
作为环状砜,可以列举,作为单砜化合物的三亚甲基砜类、四亚甲基砜类、六亚甲基砜类;作为二砜化合物的三亚甲基二砜类、四亚甲基二砜类、六亚甲基二砜类等。其中,从介电常数和粘性方面考虑,更优选四亚甲基砜类、四亚甲基二砜类、六亚甲基砜类、六亚甲基二砜类,特别优选四亚甲基砜类(环丁砜类)。
作为环丁砜类,优选环丁砜和/或环丁砜衍生物(以下,有时与环丁砜一起称为“环丁砜类”)。作为环丁砜衍生物,优选键合在构成环丁砜环的碳原子上的1以上氢原子被氟原子、烷基取代而成的化合物。
其中,从离子传导率高、输入输出功率高方面考虑,优选2-甲基环丁砜、3-甲基环丁砜、2-氟环丁砜、3-氟环丁砜、2,2-二氟环丁砜、2,3-二氟环丁砜、2,4-二氟环丁砜、2,5-二氟环丁砜、3,4-二氟环丁砜、2-氟-3-甲基环丁砜、2-氟-2-甲基环丁砜、3-氟-3-甲基环丁砜、3-氟-2-甲基环丁砜、4-氟-3-甲基环丁砜、4-氟-2-甲基环丁砜、5-氟-3-甲基环丁砜、5-氟-2-甲基环丁砜、2-氟甲基环丁砜、3-氟甲基环丁砜、2-二氟甲基环丁砜、3-二氟甲基环丁砜、2-三氟甲基环丁砜、3-三氟甲基环丁砜、2-氟-3-(三氟甲基)环丁砜、3-氟-3-(三氟甲基)环丁砜、4-氟-3-(三氟甲基)环丁砜、5-氟-3-(三氟甲基)环丁砜等。
另外,作为链状砜,可以列举,二甲基砜、乙基甲基砜、二乙基砜、正丙基甲基砜、正丙基乙基砜、二正丙基砜、异丙基甲基砜、异丙基乙基砜、二异丙基砜、正丁基甲基砜、正丁基乙基砜、叔丁基甲基砜、叔丁基乙基砜、单氟甲基甲基砜、二氟甲基甲基砜、三氟甲基甲基砜、单氟乙基甲基砜、二氟乙基甲基砜、三氟乙基甲基砜、五氟乙基甲基砜、乙基单氟甲基砜、乙基二氟甲基砜、乙基三氟甲基砜、全氟乙基甲基砜、乙基三氟乙基砜、乙基五氟乙基砜、二(三氟乙基)砜、全氟二乙基砜、氟甲基-正丙基砜、二氟甲基-正丙基砜、三氟甲基正丙基砜、氟甲基异丙基砜、二氟甲基异丙基砜、三氟甲基异丙基砜、三氟乙基正丙基砜、三氟乙基异丙基砜、五氟乙基正丙基砜、五氟乙基异丙基砜、三氟乙基正丁基砜、三氟乙基叔丁基砜、五氟乙基正丁基砜、五氟乙基叔丁基砜等。
其中,从离子传导率高、输入输出功率高方面考虑,优选二甲基砜、乙基甲基砜、二乙基砜、正丙基甲基砜、异丙基甲基砜、正丁基甲基砜、叔丁基甲基砜、单氟甲基甲基砜、二氟甲基甲基砜、三氟甲基甲基砜、单氟乙基甲基砜、二氟乙基甲基砜、三氟乙基甲基砜、五氟乙基甲基砜、乙基单氟甲基砜、乙基二氟甲基砜、乙基三氟甲基砜、乙基三氟乙基砜、乙基五氟乙基砜、三氟甲基正丙基砜、三氟甲基异丙基砜、三氟乙基正丁基砜、三氟乙基叔丁基砜、三氟甲基正丁基砜、三氟甲基叔丁基砜等。
在非水系溶剂100质量%中,通常优选砜类化合物的混合量为0.3质量%以上、更优选为0.5质量%以上、进一步优选为1质量%以上,并且优选为40质量%以下、更优选为35质量%以下、进一步优选为30质量%以下。只要在该范围内,即容易得到循环特性、保存特性等耐久性的提高效果,并且将非水电解液的粘度设定在适当的范围,可避免电导率降低,在以高电流密度进行非水电解质电池的充放电的情况下,容易避免充放电容量保持率降低等问题。
<电解质>
作为本发明中使用的非水电解液所含的电解质,可以使用例如,氟磷酸锂类、磺酸锂类、酰亚胺锂盐类。在这些锂盐类中,优选与正极活性物质表面的吸附或相互作用能力高的化合物,使用与电极表面的吸附或相互作用能力高的化合物的情况下,不仅可保持热耐久性以及化学耐久性,而且能够极大地防止电极表面上的被膜的电阻增加,由此不仅可得到高的高温保存特性、循环特性,而且可实现耐久试验前后的高速率特性的提高以及高输出功率化。另外,除上述锂盐类以外,还可使用任意的锂盐类。
<氟磷酸锂类>
作为氟磷酸锂类,可以列举,一氟磷酸锂、二氟磷酸锂等。这些氟磷酸锂类化合物可组合使用,特别优选二氟磷酸锂,因为其与电极活性物质表面的吸附或相互作用能力高。
<磺酸锂类>
作为磺酸锂类,可以列举,甲磺酸锂、一氟甲磺酸锂、二氟甲磺酸锂、三氟甲磺酸锂等。这些化合物可组合使用,优选尤其是三氟甲磺酸锂,因其与电极活性物质表面的吸附或相互作用能力高。
<酰亚胺锂盐类>
作为酰亚胺锂盐类,可以列举,LiN(FCO2)2、LiN(FCO)(FSO2)、LiN(FSO2)2、LiN(FSO2)(CF3SO2)、LiN(CF3SO2)2、LiN(C2F5SO2)2、环状1,2-全氟乙烷二(磺酰基)亚胺锂、环状1,3-全氟丙烷二(磺酰基)亚胺锂、LiN(CF3SO2)(C4F9SO2)等。这些化合物可组合使用,特别优选LiN(FCO)(FSO2)、LiN(FSO2)2、LiN(FSO2)(CF3SO2)、LiN(CF3SO2)2、LiN(C2F5SO2)2、环状1,2-全氟乙烷二(磺酰基)亚胺锂,因其与电极活性物质表面的吸附或相互作用能力高。
<其它锂盐类>
作为除氟磷酸锂类、磺酸锂类、酰亚胺锂盐类以外的锂盐,可以列举,甲酸锂、乙酸锂、单氟乙酸锂、二氟乙酸锂、三氟乙酸锂等羧酸锂盐类;
LiC(FSO2)3、LiC(CF3SO2)3、LiC(C2F5SO2)3等甲基锂类;
二氟草酸硼酸锂、二草酸硼酸锂等草酸硼酸锂盐类;
四氟草酸磷酸锂、二氟草酸磷酸锂、三草酸磷酸锂等草酸磷酸锂盐类;
其它可列举,LiBF4、LiPF4(CF3)2、LiPF4(C2F5)2、LiPF4(CF3SO2)2、LiPF4(C2F5SO2)2、LiBF2(CF3)2、LiBF2(C2F5)2、LiBF2(CF3SO2)2、LiBF2(C2F5SO2)2等含氟有机锂盐类;等。
其中,作为非水电解液的主要电解质,从电池性能提高方面考虑,优选LiPF6、LiBF4、三氟甲磺酸锂、LiN(FSO2)2、LiN(FSO2)(CF3SO2)、LiN(CF3SO2)2、LiN(C2F5SO2)2、环状1,2-全氟乙烷二磺酰亚胺锂、环状1,3-全氟丙烷二磺酰亚胺锂。
非水电解液中这些主要电解质的浓度没有特别限制,通常为0.5mol/L以上、优选为0.6mol/L以上、更优选为0.7mol/L以上。另外,其上限通常为3mol/L以下、优选为2mol/L以下、更优选为1.8mol/L以下、特别优选为1.5mol/L以下。添加的电解质的浓度在上述范围内的情况下,可充分发挥电池特性的提高效果,易于避免电荷移动电阻增加、充放电性能降低等问题。
非水电解液中的主要电解质可单独使用,也可将2种以上组合使用。将2种以上组合使用时的优选例为:将LiPF6与LiBF4、LiN(FSO2)2、LiN(FSO2)(CF3SO2)、LiN(CF3SO2)2、LiN(C2F5SO2)2、环状1,2-全氟乙烷二磺酰亚胺锂、环状1,3-全氟丙烷二磺酰亚胺锂等组合使用,具有提高输出特性、高效率充放电特性、高温保存特性、循环特性等的效果。
在非水电解液中含有2种以上主要电解质的情况下,对浓度没有特别限制,通常主要电解质的总量为0.5mol/L以上、优选0.6mol/L以上、更优选0.7mol/L以上。另外,其上限通常为3mol/L以下、优选2mol/L以下、更优选1.8mol/L以下、特别优选1.5mol/L以下。添加的电解质的浓度在上述范围内的情况下,可充分发挥出电池特性的提高效果,易于避免电荷移动电阻增加、充放电性能降低等问题。
除了非水电解液中的主要电解质外,还优选添加除主要电解质以外的电解质。以LiPF6为主要电解质的情况下,可以列举可添加的电解质的优选例为:LiBF4、单氟磷酸锂、二氟磷酸锂、甲酸锂、乙酸锂、单氟乙酸锂、二氟乙酸锂、三氟乙酸锂、甲磺酸锂、单氟甲磺酸锂、二氟甲磺酸锂、三氟甲磺酸锂、LiN(FSO2)2、LiN(FSO2)(CF3SO2)、二氟草酸硼酸锂、四氟草酸磷酸锂、二氟草酸磷酸锂等。通过添加上述除主要电解质以外的电解质,具有提高输出特性、高速率特性的效果。
另外,除了主要电解质以外,添加氟磷酸锂、二氟磷酸锂、三氟甲磺酸锂、LiN(FSO2)2、LiN(FSO2)(CF3SO2)、LiN(CF3SO2)2、LiN(C2F5SO2)2、环状1,2-全氟乙烷二磺酰亚胺锂、环状1,3-全氟丙烷二磺酰亚胺锂、二氟草酸硼酸锂、四氟草酸磷酸锂、二氟草酸磷酸锂等,具有提高高温保存特性、循环特性的效果,由此优选。
对于除了非水电解液中的主要电解质以外添加的电解质的浓度,没有特别限制,优选为0.01质量%以上、更优选为0.03质量%以上、进一步优选为0.05质量%以上。并且,其上限优选为8质量%以下、更优选为6质量%以下、进一步优选为5质量%以下。添加的电解质的浓度在上述范围内的情况下,可充分发挥出电池特性的提高效果,易于避免电荷移动电阻增加、充放电性能降低等问题。
需要说明的是,LiBF4、LiN(FSO2)2、LiN(FSO2)(CF3SO2)、LiN(CF3SO2)2、LiN(C2F5SO2)2、环状1,2-全氟乙烷二磺酰亚胺锂、环状1,3-全氟丙烷二磺酰亚胺锂等不论作为主要电解质,还是除主要电解质以外添加的电解质,均具有提高电池性能的效果。
<过充电防止剂>
就本发明的非水电解液而言,为了有效地抑制非水电解质电池在处于过充电等状态时发生电池破裂/起火,可以使用过充电防止剂。
作为过充电防止剂,可以列举,联苯、烷基联苯、三联苯、三联苯的部分氢化物、环己基苯、叔丁基苯、叔戊基苯、二苯醚、二苯并呋喃等芳香族化合物;2-氟联苯、邻环己基氟苯、对环己基氟苯等上述芳香族化合物的部分氟化物;2,4-二氟苯甲醚、2,5-二氟苯甲醚、2,6-二氟苯甲醚、3,5-二氟苯甲醚等含氟苯甲醚化合物等。其中,优选联苯、烷基联苯、三联苯、三联苯的部分氢化物、环己基苯、叔丁基苯、叔戊基苯、二苯基醚、二苯并呋喃等芳香族化合物。这些化合物可单独使用1种,也可将2种以上组合使用。组合使用2种以上的情况下,从过充电防止特性和高温保存特性的平衡方面考虑,特别优选环己基苯与叔丁基苯或叔戊基苯的组合;选自联苯、烷基联苯、三联苯、三联苯的部分氢化物、环己基苯、叔丁基苯、叔戊基苯等不含氧的芳香族化合物中的至少1种与选自二苯基醚、二苯并呋喃等含氧芳香族化合物中的至少1种的组合。
过充电防止剂的混合量没有特别限制,只要不明显影响本发明的效果即可,可为任意混合量。在非水系溶剂100质量%中,优选过充电防止剂的量为0.01质量%以上,并且为5质量%以下。只要在该范围内,即可容易地表现出过充电防止剂的充分效果,且易于避免高温保存特性等电池特性降低等问题。更优选过充电防止剂的量为0.01质量%以上、进一步优选为0.1质量%以上、特别优选为0.2质量%以上,并且更优选为3质量%以下、进一步优选为2质量%以下。
<其它助剂>
本发明的非水电解液中可使用公知的其它助剂。作为其它助剂,可以列举,赤藓醇碳酸酯(erythritan carbonate)、螺-双二亚甲基碳酸酯(Spiro-bis-Dimethylene-carbonate)、甲氧基乙基-甲基碳酸酯等碳酸酯化合物;琥珀酸酐、戊二酸酐、马来酸酐、柠康酸酐、戊烯二酸酐、衣康酸酐、二甘醇酸酐、环己二酸酐、环戊四羧酸二酐及苯基琥珀酸酐等羧酸酐;2,4,8,10-四氧杂螺[5.5]十一碳烷、3,9-二乙烯基-2,4,8,10-四氧杂螺[5.5]十一碳烷等螺化合物;甲磺酸丁二醇二酯(Busulfan)、环丁烯砜、二苯基砜、N,N-二甲基甲磺酰胺、N,N-二乙基甲磺酰胺等含硫化合物;1-甲基-2-吡咯烷酮、1-甲基-2-哌啶酮、3-甲基-2-
Figure BDA0000142775900000201
唑烷酮、1,3-二甲基-2-咪唑啉酮及N-甲基琥珀酰亚胺等含氮化合物;庚烷、辛烷、壬烷、癸烷、环庚烷等烃化合物、氟苯、二氟苯、六氟苯、三氟甲苯等含氟芳香族化合物等。这些化合物可单独使用1种,也可将2种以上组合使用。通过添加这些助剂,可改善高温保存后的容量保持特性、循环特性。
其它助剂的混合量没有特别限制,只要不明显影响本发明的效果即可,可为任意混合量。在非水系溶剂100质量%中,优选其它助剂的混合量为0.01质量%以上,并为5质量%以下。只要在该范围内,即可容易地充分表现出其他助剂的效果,易于避免高负荷放电特性等电池特性降低等问题。更优选其它助剂的混合量为0.1质量%以上、进一步优选为0.2质量%以上,并且更优选为3质量%以下、进一步优选为1质量%以下。
上述非水电解液还包括存在于本发明所述的非水电解质电池内部的非水电解液。具体而言,包括下述情况:另行合成锂盐、溶剂、助剂等非水电解液的构成要素,由实质上分离的构成要素来制备非水电解液,并将非水电解液注入按照下述记载的方法另行组装而成的电池内,从而获得非水电解质电池内的非水电解液的情况;预先将本发明的非水电解液的构成要素分别装入电池内,在电池内的混合,从而得到与本发明的组成相同的非水电解液的情况;以及在该非水电解质电池内产生构成本发明的非水电解液的化合物,从而得到与本发明的组成相同的非水电解液的情况。
[电池结构]
本发明的非水电解质电池的电池结构与以往公知的电池相同,通常具有下述形态:隔着浸渍有本发明的非水电解液的多孔膜(隔板),叠层有正极和负极,再将其收纳在壳体(外包装体)内。因此,本发明的非水电解质电池的形状没有特别限制,可任选为圆筒型、方形、叠层体型、硬币型、大型等。
[负极]
以下,针对用于负极的负极活性物质进行阐述。作为负极活性物质,只要是能以电化学方式吸留及放出锂离子的物质即可,没有特别限制。作为其具体例,可以列举,碳质材料、合金类材料、含锂金属复合氧化物材料等。
[负极活性物质]
作为负极活性物质,可以列举,碳质材料、合金类材料、含锂金属复合氧化物材料等。
作为负极活性物质使用的碳质材料,优选选自下述初期不可逆容量、高电流密度充放电特性的平衡良好的材料,即,
(1)天然石墨;
(2)将人造碳质物质以及人造石墨质物质在400~3200℃范围内进行1次以上热处理而得到的碳质材料;
(3)负极活性物质层由至少2种以上具有不同结晶性的碳质构成,和/或该结晶性不同的碳质具有相接的界面的碳质材料;
(4)负极活性物质层由至少2种以上具有不同取向性的碳质构成,和/或该取向性不同的碳质具有相连接的界面的碳质材料。另外,(1)~(4)的碳质材料可单独使用1种,也可将2种以上以任意组合及比例组合使用。
作为上述(2)的人造碳质物质以及人造石墨质物质,可以列举,天然石墨、煤炭类焦炭、石油类焦炭、煤炭类沥青、石油类沥青及将这些沥青进行氧化处理后得到的物质、针状焦、沥青焦炭及将部分针状焦、沥青焦炭进行石墨化后得到的碳质材料、炉黑、乙炔黑、沥青类碳纤维等有机物的热分解物、可碳化的有机物及它们的碳化物、或将可碳化的有机物溶解在苯、甲苯、二甲苯、喹啉、正己烷等低分子有机溶剂中得到的溶液及它们的碳化物等。
作为负极活性物质使用的合金类材料,只要能吸留/放出锂即可,没有特别限制,可任选为锂单质、形成锂合金的单质金属及合金、或它们的氧化物、碳化物、氮化物、硅化物、硫化物或磷化物等化合物。作为形成锂合金的单质金属及合金,优选含有13族及14族金属/半金属元素(即碳除外)的材料,更优选铝、硅及锡(以下,有时将其简称为“特定金属元素”)的单质金属及含有这些原子的合金或化合物。这些合金类材料可单独使用1种,也可将2种以上以任意组合及比例组合使用。
作为具有选自特定金属元素中的至少1种原子的负极活性物质,可以列举,任意1种特定金属元素的金属单质、由2种以上特定金属元素构成的合金、由1种或2种以上特定金属元素与其它1种或2种以上金属元素构成的合金、以及含有1种或2种以上特定金属元素的化合物、及该化合物的氧化物、碳化物、氮化物、硅化物、硫化物或磷化物等复合化合物。通过使用金属单质、合金或金属化合物作为负极活性物质,可实现电池的高容量化。
另外,还可以列举,这些复合化合物与金属单质、合金或非金属元素等多种元素复杂键合而成的化合物。具体来讲,例如,就硅、锡而言,可以使用这些元素与不作为负极发挥作用的金属的合金。例如,使用锡的情况下,可以使用以下述组合的形式包含5~6种元素的复杂化合物:除锡和硅以外作为负极发挥作用的金属、不作为负极发挥作用的金属与非金属元素的组合。
在这些负极活性物质中,从制成电池时单位质量的容量大方面考虑,优选任意1种特定金属元素的金属单质、2种以上特定金属元素的合金、特定金属元素的氧化物、碳化物、氮化物等,从单位质量的容量及环境负荷方面考虑,特别优选硅和/或锡的金属单质、合金、氧化物、碳化物、氮化物等。
作为负极活性物质使用的含锂金属复合氧化物材料,只要能吸留/放出锂即可,没有特别限制,从高电流密度充放电特性方面考虑,优选含有钛及锂的材料、更优选含有钛的含锂复合金属氧化物材料、进一步优选锂和钛的复合氧化物(以下,简称为“锂钛复合氧化物”)。也就是说,使用的非水电解质电池用负极活性物质中含有具有尖晶石结构的锂钛复合氧化物时,能大幅降低输出电阻,因此特别优选。
另外,还优选锂钛复合氧化物的锂、钛被其它金属元素(例如,选自Na、K、Co、Al、Fe、Ti、Mg、Cr、Ga、Cu、Zn及Nb中的至少1种元素)取代而成的复合氧化物。
上述金属氧化物为通式(1)表示的锂钛复合氧化物,在通式(1)中,优选0.7≤x≤1.5、1.5≤y≤2.3、0≤z≤1.6,因为在该条件下进行锂离子的掺杂/去掺杂时,该锂钛复合氧化物的结构是稳定的。
LixTiyMzO4(1)
[在通式(1)中,M表示选自Na、K、Co、Al、Fe、Ti、Mg、Cr、Ga、Cu、Zn及Nb中的至少1种元素。]
在上述通式(1)表示的组成中,特别优选下述结构,因为采用这些结构时电池性能的平衡性良好。
(a)1.2≤x≤1.4、1.5≤y≤1.7、z=0
(b)0.9≤x≤1.1、1.9≤y≤2.1、z=0
(c)0.7≤x≤0.9、2.1≤y≤2.3、z=0
上述化合物中特别优选的代表性组成为:(a)中的Li4/3Ti5/3O4、(b)中的Li1Ti2O4、(c)中的Li4/5Ti11/5O4。另外,关于Z≠0的结构,可优选列举例如Li4/3Ti4/3Al1/3O4
<碳质材料的物性>
使用碳质材料作为负极活性物质的情况下,期望具有以下物性。
(X射线参数)
优选利用学振法通过X射线衍射求出的碳质材料的晶格面(002面)的d值(层间距离)为0.335nm以上,并且通常为0.360nm以下、优选0.350nm以下、进一步优选0.345nm以下。另外,优选利用学振法通过X射线衍射求出的碳质材料的微晶尺寸(Lc)为1.0nm以上,其中,进一步优选为1.5nm以上。
(体积基准平均粒径)
碳质材料的体积基准平均粒径是通过激光衍射/散射法求得的体积基准的平均粒径(中值粒径),通常为1μm以上、优选3μm以上、进一步优选5μm以上、特别优选7μm以上,并且通常为100μm以下、优选50μm以下、更优选40μm以下、进一步优选30μm以下、特别优选25μm以下。
若体积基准平均粒径低于上述范围,则不可逆容量增大,有时会导致初期的电池容量损失。另外,若高于上述范围,则通过涂布制作电极时,会形成不均匀的涂面,从电池制作工序的角度考虑,存在不期望的情况。
在作为表面活性剂的聚氧乙烯(20聚体)山梨糖醇酐单月桂酸酯的0.2质量%水溶液(约10mL)中分散碳粉末,用激光衍射/散射式粒度分布计(堀场制作所公司制造的LA-700)进行体积基准平均粒径的测定。将通过该测定求得的中值粒径定义为本发明的碳质材料的体积基准平均粒径。
(拉曼R值、拉曼半值宽度)
碳质材料的拉曼R值为用氩气离子激光拉曼光谱法测定的值,通常为0.01以上、优选0.03以上、进一步优选0.1以上,并且通常为1.5以下、优选1.2以下、进一步优选1以下、特别优选0.5以下。
拉曼R值在上述范围内的情况下,粒子表面的结晶性过高,随着充放电的进行,Li进入层间的位点变少,容易避免充电接受性降低等问题。而且,在涂布在集电体上后,通过压制使负极高密度化的情况下,结晶易在与电极板平行的方向发生取向,可防止负荷特性的降低。另外,粒子表面的结晶性降低,与非水电解液的反应性增加,易于避免导致效率降低、气体产生增加等情况的发生。
另外,碳质材料在1580cm-1附近的拉曼半值宽度没有特别限制,通常为10cm-1以上、优选15cm-1以上,并且通常为100cm-1以下、优选80cm-1以下、进一步优选60cm-1以下、特别优选40cm-1以下。
拉曼半值宽度在上述范围内的情况下,粒子表面的结晶性过高,随着充放电的进行Li进入层间的位点变少,容易避免充电接受性降低等问题。而且,在涂布在集电体上后,通过压制使负极高密度化的情况下,结晶易在与电板极平行的方向发生取向,可防止负荷特性的降低。另外,粒子表面的结晶性降低,与非水电解液的反应性增加,易于避免导致效率降低、气体产生增加等情况的发生。
拉曼光谱的测定采用拉曼分光器(日本分光公司制造的拉曼分光器)通过下述方法进行:使试样自然落入并填充在测定室内,边对测定室内的样品表面进行氩气离子激光照射,边使测定室沿与激光垂直的面内旋转。对于所得拉曼光谱,测定1580cm-1附近的峰PA的强度IA、1360cm-1附近的峰PB的强度IB,算出其强度比R(R=IB/IA)。将通过该测定算出的拉曼R值定义为本发明的碳质材料的拉曼R值。另外,测定所得拉曼光谱在1580cm-1附近的峰PA的半值宽度,将其定义为本发明的碳质材料的拉曼半值宽度。
另外,上述拉曼测定条件如下所述。
·氩气离子激光波长:514.5nm
·试样上的激光能量:15~25mW
·分辨率:10~20cm-1
·测定范围:1100cm-1~1730cm-1
·拉曼R值、拉曼半值宽度解析:后台处理、
·平滑处理:单纯平均、卷积5点
(4)BET比表面积
碳质材料的BET比表面积是采用BET法测定的比表面积值,通常为0.1m2·g-1以上、优选0.7m2·g-1以上、进一步优选1.0m2·g-1以上、特别优选1.5m2·g-1以上,并且通常为100m2·g-1以下、优选25m2·g-1以下、进一步优选15m2·g-1以下、特别优选10m2·g-1以下。
BET比表面积的值在上述范围内时,作为负极材料使用的情况下,充电时锂的接受性变得容易,锂不易在电极表面析出。而且,作为负极材料使用时,由于与非水电解液的反应性不那么高,气体产生的少,易获得优选的电池。
利用BET法的比表面积测定采用表面积计(大仓理研制全自动表面积测定装置)通过下述方法进行:在氮流通下于350℃对试样进行15分钟予干燥后,用正确调节过(氮相对于大气压的相对压力值为0.3)的氮氦气混合气体,通过利用气体流动法的氮吸附BET 1点法来进行。将该测定中求得的比表面积定义为本发明的碳质材料的BET比表面积。
(圆形度)
对作为碳质材料的球形程度的圆形度进行测定的情况下,优选在以下范围内。需要说明的是,将圆形度定义为“圆形度=(与粒子投影形状具有相同面积的等效圆的周长)/(粒子投影形状的实际周长)”,圆形度为1时,为理论上的真球。
期望碳质材料中粒径在3~40μm范围内的粒子的圆形度尽量接近于1,并且优选为0.1以上,其中,优选0.5以上、更优选0.8以上、进一步优选0.85以上、特别优选0.9以上。圆形度越大,高电流密度充放电特性越高。因此,圆形度在上述范围内时,负极活性物质的填充性提高,粒子间的电阻不增大,短时间高电流密度充放电特性不易降低。
圆形度的测定用流式粒子图像分析装置(Sysmex公司制造的FPIA)进行。将试样约0.2g分散在作为表面活性剂的聚氧乙烯(20)山梨糖醇酐单月桂酸酯的0.2质量%水溶液(约50mL)中,以输出功率60W照射28kHz的超声波1分钟后,将检测范围设定为0.6~400μm,对粒径3~40μm范围的粒子进行测定。将该测定中求得的圆形度定义为本发明的碳质材料的圆形度。
提高圆形度的方法没有特别限制,采用通过进行球形化处理制成球形的方法时,制成电极体时粒子间空隙的形状一致,因此优选。作为球形化处理的例子,可以列举,通过施加剪切力、压缩力,机械地使其接近球形的方法;将多个微粒通过粘合剂或通过粒子自身具有的粘着力进行制粒的机械/物理处理方法等。
(振实密度)
碳质材料的振实密度通常为0.1g·cm-3以上、优选0.5g·cm-3以上、进一步优选0.7g·cm-3以上、特别优选1g·cm-3以上,并且优选为2.2g·cm-3以下、进一步优选2.1g·cm-3以下、特别优选2.0g·cm-3以下。振实密度在上述范围内的情况下,作为负极使用时,可提高填充密度,易获得高容量的电池。而且,由于电极中粒子间的空隙不会过度减少,可确保粒子间的导电性,易获得优选的电池特性。
振实密度的测定如下进行:使试样通过网眼300μm的筛,并落入20cm3的振荡室内,在振荡室内充满试样直至达到上端面后,用粉体密度测定器(例如,Seishin企业公司制TAPDENSER),进行冲程长度(ストロ一ク長)10mm的振荡1000次,由此时的体积与试样的质量算出振实密度。将该测定中算出的振实密度定义为本发明的碳质材料的振实密度。
(取向比)
碳质材料的取向比通常为0.005以上、优选0.01以上、进一步优选0.015以上,并且通常为0.67以下。取向比在上述范围内的情况下,容易避免高密度充放电特性降低等问题。需要说明的是,上述范围的上限为碳质材料取向比的理论上限值。
取向比通过将试样加压成型后通过X射线衍射进行测定。将0.47g试样填充在直径17mm的成型机内,以58.8MN·m-2的压强进行压缩而得到成型体,用粘土对该成型体进行组装,使其位于与测定用试样保持架同一面内,进行X射线衍射测定。由得到的碳的(110)衍射和(004)衍射的峰强度算出以(110)衍射峰强度/(004)衍射峰强度表示的比。将该测定中算出的取向比定义为本发明的碳质材料的取向比。
X射线衍射测定条件如上所述。需要说明的是,“2θ”表示衍射角。
·靶:Cu(Kα线)石墨单色仪
·缝隙:
发散缝隙=0.5度
受光缝隙=0.15mm
散射缝隙=0.5度
·测定范围及阶梯角度/测量时间:
(110)面:75度≤2θ≤80度1度/60秒
(004)面:52度≤2θ≤57度1度/60秒
(长径比(粉末))
碳质材料的长径比通常为1以上,并且通常为10以下、优选8以下、进一步优选5以下。长径比在上述范围内的情况下,易于避免制成极板时产生条纹、无法得到均匀的涂布面、高电流密度充放电特性降低等问题。需要说明的是,上述范围的下限为碳质材料的长径比的理论下限值。
长径比的测定用扫描型电子显微镜对碳质材料的粒子进行放大观察。选择固定在厚50μm以下的金属端面上的任意50个石墨粒子,分别使固定有试样的载物台旋转,使之倾斜,测定进行3维观察时碳质材料粒子的最长径A和与其垂直相交的最短径B,求出A/B的平均值。将该测定中求得的长径比(A/B)定义为本发明的碳质材料的长径比。
<负极的结构和制作方法>
电极的制造只要不明显影响本发明的效果即可,可采用任意公知方法。例如,向负极活性物质中加入粘合剂、溶剂、根据需要的增粘剂、导电材料、填充材等制成浆料,将其涂布在集电体上,干燥后进行压制,由此形成负极。
另外,使用合金类材料的情况下,也可采用通过蒸镀法、溅射法、镀覆法等方法形成含有上述负极活性物质的薄膜层(负极活性物质层)的方法。
(集电体)
作为承载负极活性物质的集电体,可使用任意公知的集电体。作为负极的集电体,可以列举例如,铜、镍、不锈钢、镀镍钢等金属材料,从易于加工和成本方面考虑,特别优选铜。
另外,就集电体的形状而言,在集电体为金属材料的情况下,可以列举例如,金属箔、金属圆柱、金属线圈、金属板、金属薄膜、膨胀合金、穿孔金属板、发泡金属等。其中,优选金属薄膜、更优选铜箔、进一步优选通过压延法制造的压延铜箔和通过电解法制造的电解铜箔,均可作为集电体使用。
集电体的厚度通常为1μm以上、优选5μm以上,且通常为100μm以下、优选50μm以下。负极集电体的厚度在上述范围内时,电池整体的容量不会过度降低,而且易于操作。
(集电体与负极活性物质层的厚度比)
集电体与负极活性物质层的厚度比没有特别限制,优选“(注入非水电解液之前一面的负极活性物质层的厚度)/(集电体的厚度)”的值为150以下、进一步优选为20以下、特别优选为10以下,并且优选为0.1以上、进一步优选为0.4以上、特别优选为1以上。集电体与负极活性物质层的厚度比在上述范围内的情况下,高电流密度充放电时集电体不易因焦耳热而发生放热。另外,易于避免集电体相对于负极活性物质的体积比增加、电池的容量减少等问题。
(粘结剂)
作为粘结负极活性物质的粘结剂,只要是相对于非水电解液和在电极制造时使用的溶剂稳定的材料即可,没有特别限制。
作为具体例,可以列举,聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯、芳香族聚酰胺、纤维素、硝基纤维素等树脂类高分子;SBR(苯乙烯-丁二烯橡胶)、异丙烯橡胶、丁二烯橡胶、氟橡胶、NBR(丙烯腈-丁二烯橡胶)、乙烯-丙烯橡胶等橡胶状高分子;苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物或其氢化物;EPDM(乙烯-丙烯-二烯三元共聚物)、苯乙烯-乙烯-丁二烯-苯乙烯共聚物、苯乙烯-异丙烯-苯乙烯嵌段共聚物或其氢化物等热塑性弹性体状高分子;间规立构-1,2-聚丁二烯、聚乙酸乙烯酯、乙烯-乙酸乙烯酯共聚物、丙烯-α-烯烃共聚物等软质树脂状高分子;聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、氟代聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯-乙烯共聚物等氟类高分子;具有碱金属离子(尤其是锂离子)的离子导电性的高分子组合物等。这些材料可单独使用1种,也可将2种以上以任意组合及比例组合使用。
优选粘结剂相对于负极活性物质的比例为0.1质量%以上、进一步优选0.5质量%以上、特别优选0.6质量%以上,并且优选为20质量%以下、更优选为15质量%以下、进一步优选为10质量%以下、特别优选为8质量%以下。粘结剂相对于负极活性物质的比例在上述范围内时,粘结剂量与电池容量无关的粘合剂比例增加,易于避免导致电池容量降低等的情况。另外,也不会导致负极电极的强度降低。
尤其是含有以SBR为代表的橡胶状高分子作为主要成分的情况下,粘结剂相对于负极活性物质的比例通常为0.1质量%以上、优选0.5质量%以上、进一步优选0.6质量%以上,并且通常为5质量%以下、优选3质量%以下、进一步优选2质量%以下。另外,含有以聚偏氟乙烯为代表的氟类高分子作为主要成分的情况下,相对于负极活性物质的比例通常为1质量%以上、优选2质量%以上、进一步优选3质量%以上,并且通常为15质量%以下、优选10质量%以下、进一步优选8质量%以下。
(形成浆料的溶剂)
作为用于形成浆料的溶剂,只要是能够溶解或分散负极活性物质、粘合剂、以及根据需要使用的增粘剂及导电材料的溶剂即可,对其种类没有特别限制,可任选使用水系溶剂和有机溶剂。
作为水系溶剂,可以列举,水、醇等,作为有机溶剂,可以列举,N-甲基吡咯烷酮(NMP)、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、甲乙酮、环己酮、乙酸甲酯、丙烯酸甲酯、二乙基三胺、N,N-二甲基氨基丙胺、四氢呋喃(THF)、甲苯、丙酮、乙醚、二甲基乙酰胺、六甲基磷酰胺、二甲基亚砜、苯、二甲苯、喹啉、吡啶、甲基萘、己烷等。
尤其是使用水系溶剂的情况下,优选与增粘剂一起含有分散剂等,用SBR等胶乳进行浆料化。需要说明的是,这些溶剂可单独使用1种,也可将2种以上以任意组合和比例组合使用。
(增粘剂)
增粘剂通常用于调节浆料的粘度。作为增粘剂,没有特别限制,具体而言,可以列举,羧甲基纤维素、甲基纤维素、羟甲基纤维素、乙基纤维素、聚乙烯醇、氧化淀粉、磷酸化淀粉、酪蛋白及它们的盐等。这些增粘剂可单独使用1种,也可将2种以上以任意组合和比例组合使用。
另外,使用增粘剂的情况下,增粘剂相对于负极活性物质的比例通常为0.1质量%以上、优选为0.5质量%以上、进一步优选为0.6质量%以上,并且通常为5质量%以下、优选为3质量%以下、进一步优选为2质量%以下。
若增粘剂相对于负极活性物质的比例低于上述范围,则有时涂布性会显著降低。另外,在上述范围内时,负极活性物质层中负极活性物质的比例适度,易于避免电池容量降低的问题、负极活性物质间的电阻增大等问题。
(电极密度)
将负极活性物质制成电极时,电极的结构没有特别限制,优选存在于集电体上的负极活性物质的密度为1g·cm-3以上、进一步优选为1.2g·cm-3以上、特别优选为1.3g·cm-3以上,并且优选为2g·cm-3以下、更优选为1.9g·cm-3以下、进一步优选为1.8g·cm-3以下、特别优选为1.7g·cm-3以下。存在于集电体上的负极活性物质的密度在上述范围内时,易于避免导致负极活性物质粒子被破坏、初期不可逆容量增加、因非水电解液在集电体/负极活性物质界面附近的浸透性降低而产生的高电流密度充放电特性恶化等的情况。另外,还可避免负极活性物质间的导电性降低、电池电阻增大、单位容积的容量降低等问题。
(负极板的厚度)
负极板的厚度可根据使用的正极板来进行设计,没有特别限制,减去金属箔厚度后得到的层合材料层的厚度通常为15μm以上、优选为20μm以上、更优选为30μm以上,并且通常为150μm以下、优选为120μm以下、更优选为100μm以下。
[正极]
以下,针对本发明的锂二次电池中使用的正极进行说明。
[正极活性物质]
以下,针对正极中使用的正极活性物质进行叙述。
(组成)
本发明的非水电解质电池具备以LixMPO4(M为选自周期表第2族~第12族的金属中的至少一种元素、x满足0<x≤1.2)表示的含有锂的磷酸化合物为基本组成的正极活性物质。
作为上述含有锂的磷酸化合物,优选LixMPO4(M为选自周期表第4周期的第4族~第11族的过渡金属中的至少一种元素、x满足0<x≤1.2)表示的化合物。
另外,作为上述LixMPO4中的M,优选选自Mg、Zn、Ca、Cd、Sr、Ba、Co、Ni、Fe、Mn以及Cu中的至少一种元素,更优选选自Co、Ni、Fe及Mn中的至少一种元素。其中,特别优选使用以LiFePO4为基本组成的橄榄石结构的磷酸铁锂,因其在高温/充电状态下不易发生金属溶出,且廉价。
需要说明的是,上述“以LixMPO4为基本组成”并不仅指以该组成式表示的组成,还包括结晶结构中的部分Fe等位点被其它元素取代而成的组成。另外,不仅仅指化学理论的组成,还包括缺少部分元素等的非化学理论的组成。优选取代的其它元素为Al、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Li、Ni、Cu、Zn、Mg、Ga、Zr、Si等元素。上述其它元素进行取代的情况下,优选为0.1mol%以上且为5mol%以下、进一步优选为0.2mol%以上且为2.5mol%以下。
另外,上述正极活性物质以上述LixMPO4为主成分,还可组合使用其它成分,例如锂锰复合氧化物、锂钴复合氧化物、锂镍复合氧化物、锂镍钴复合氧化物、锂镍锰复合氧化物、锂镍锰钴复合氧化物等锂过渡金属复合氧化物。优选上述正极活性物质含有20wt%以上的上述LixMPO4。在这样的情况下,可进一步提高上述非水电解质电池的充放电循环特性。更优选上述LixMPO4的含量为40wt%以上。
另外,也可组合使用二种以上的LixMPO4。作为组合使用时的优选组合,可以列举,LixFePO4和LixMnPO4、LixFePO4和LixCoPO4、LixFePO4和LixNiPO4,由此可进一步确保安全性并且提高电池工作电压。其中,特别优选的组合为LixFePO4和LixMnPO4,因其不仅可实现上述安全性、电池工作电压的提高,而且高温保存特性、循环特性等耐久性优异,由此优选。
(表面被覆)
另外,作为正极活性物质,还可使用在LixMPO4的表面上附着与其组成不同的物质而形成的物质。作为表面附着的物质,可以列举,氧化铝、氧化硅、氧化钛、氧化锆、氧化镁、氧化钙、氧化硼、氧化锑、氧化铋等氧化物、硫酸锂、硫酸钠、硫酸钾、硫酸镁、硫酸钙、硫酸铝等硫酸盐、碳酸锂、碳酸钙、碳酸镁等碳酸盐、碳等。
这些表面附着物质可通过下述方法附着在所述正极活性物质表面:例如,使其溶解或悬浮在溶剂中并通过浸渍添加在所述正极活性物质中,再进行干燥的方法;将表面附着物质前体溶解或悬浮在溶剂中并通过浸渍添加在所述正极活性物质中后,通过加热等使之反应的方法;在加入正极活性物质前体中的同时进行煅烧的方法等。需要说明的是,附着碳的情况下,可以采用将碳制成例如活性炭等形式后通过机械手段使之附着的方法。
作为表面附着物质的量,以相对于所述正极活性物质的质量计,优选使用的下限为0.1ppm以上、更优选为1ppm以上、进一步优选为10ppm以上,作为上限,优选为20%以下、更优选为10%以下、进一步优选为5%以下。通过表面附着物质的作用,可抑制在正极活性物质表面发生的电解液的氧化反应,提高电池寿命,在其附着量适度的情况下,可更好地发挥其效果。
在本发明中,将在LixMPO4的正极活性物质表面附着与其组成不同的物质而得到的物质也称为“正极活性物质”。
(形状)
本发明中上述正极活性物质的粒子形状可以采用以往使用的块状、多面体状、球状、椭圆球状、板状、针状、柱状等,其中,一次粒子发生凝聚而形成二次粒子,优选该二次粒子的形状为球状或椭圆球状。通常,随着电化学元件的充放电,电极中的活性物质发生膨胀收缩,因此由于其应力的作用,易发生活性物质的破坏、导电通路切断等劣化。因此,与单独为一次粒子的单一粒子活性物质相比,一次粒子凝聚而形成二次粒子的情况能够缓和膨胀收缩的应力,防止劣化,因此优选。另外,与板状等轴取向性的粒子相比,球状或椭圆球状的粒子在电极成形时的取向少,因此充放电时电极的膨胀收缩也少,并且制作电极时易与导电材料均匀混合,因此优选。
(振实密度)
优选上述正极活性物质的振实密度为0.1g/cm3以上、更优选为0.2g/cm3以上、进一步优选为0.3g/cm3以上、最优选为0.4g/cm3以上。若该正极活性物质的振实密度低于上述下限,则形成正极活性物质层时,必要的分散介质量增加,而且导电材料、粘合剂的需求量增加,有时正极活性物质对正极活性物质层的填充率受到限制,电池容量受到制约。通过使用振实密度高的复合氧化物粉末,可以形成高密度的正极活性物质层。通常优选振实密度大越好,上限没有特别限制,但如果过大,则有时在正极活性物质层内以电解液为溶剂的锂离子的扩散速度受到限制,负荷特性易降低,优选上限为2.0g/cm3以下,更优选为1.8g/cm3以下。
需要说明的是,在本发明中,振实密度是:将正极活性物质粉体5~10g装入10ml的玻璃制量筒内,以约20mm为冲程振荡200次时,求得的粉体填充密度(振实密度)g/cc。
(中值粒径d50)
优选上述正极活性物质粒子的中值粒径d50(一次粒子凝聚而形成二次粒子时为二次粒子粒径)为0.1μm以上、更优选为0.2μm以上、进一步优选为0.3μm以上、最优选为2μm以上,优选上限为20μm以下、更优选为18μm以下、进一步优选为16μm以下、最优选为15μm以下。若低于上述下限,则有时无法得到高振实密度品,若高于上限,则由于粒子内锂的扩散耗费时间,会导致电池性能降低,以及在制作电池的正极、即将活性物质与导电材料、粘合剂等通过溶剂进行浆料化并涂布成薄膜状时,会产生条纹等问题。其中,通过将具有不同中值粒径d50的2种以上所述正极活性物质混合,可进一步提高正极制作时的填充性。
本发明的中值粒径d50可通过公知的激光衍射/散射式粒度分布测定装置来进行测定。使用HORIBA公司制LA-920作为粒度分布计的情况下,作为测定时使用的分散介质,使用0.1质量%六偏磷酸钠水溶液,在进行5分钟的超声波分散后,将测定折射率设为1.24,进行测定。
(平均一次粒径)
一次粒子凝聚而形成二次粒子的情况下,作为所述正极活性物质的平均一次粒径,优选为0.02μm以上、更优选为0.03μm以上、进一步优选为0.05μm以上,优选上限为2μm以下、更优选为1.6μm以下、进一步优选为1.3μm以下、最优选为1μm以下。在上述范围内时,易形成球状的二次粒子,易于避免导致对粉体填充性产生不良影响、由于比表面积大幅降低引起的输出特性等电池性能降低的可能性变高。另外,由于结晶不发达(未発连),不易产生充放电的可逆性劣化等问题。
一次粒径可用扫描电子显微镜(SEM)进行观察测定。具体而言,在倍率为10000倍的照片中,对于任意50个一次粒子,求出相对于水平方向的直线,一次粒子以左右边界线为界的切片的最长值,取其平均值作为一次粒径。
(BET比表面积)
供给本发明的二次电池的所述正极活性物质的BET比表面积优选为0.4m2/g以上、更优选为0.5m2/g以上、进一步优选为0.6m2/g以上,上限为50m2/g以下、优选为40m2/g以下、更优选为30m2/g以下。BET比表面积在上述范围内时,可抑制电池性能的降低,进而形成正极活性物质层时的涂布性也良好。
BET比表面积采用表面积计(例如,大仓理研制全自动表面积测定装置)通过下述方法进行:在氮流通下于150℃对试样进行15分钟预干燥后,用正确调节过(氮相对于大气压的相对压力值为0.3)的氮氦气混合气体,通过利用气体流动法的氮吸附BET 1点法来进行。
(制造方法)
作为该正极活性物质的制造方法,可采用通常使用的无机化合物的制造方法。尤其是制作球状或椭圆球状的活性物质时,可以考虑各种方法,可以列举,例如,将磷酸等磷原料物质与LixMPO4中M的原料物质溶解或粉碎分散在水等溶剂中,边搅拌边进行pH调节,制作并回收球状的前体,再根据需要对其进行干燥,然后加入LiOH、Li2CO3、LiNO3等Li源,于高温下进行煅烧,从而得到活性物质的方法等。
为了制造本发明的正极,可单独使用LixMPO4的正极活性物质和/或被上述表面附着物质包覆的LixMPO4的正极活性物质,也可将1种以上的不同组成以任意组合或比例组合使用。其中,优选LixMPO4的正极活性物质和/或被上述表面附着物质包覆的LixMPO4的正极活性物质占正极活性物质整体的30质量%以上、更优选50质量%以上。LixMPO4的正极活性物质和/或被上述表面附着物质包覆的LixMPO4的正极活性物质的使用比例在上述范围内时,可以提供优选的电池容量。
需要说明的是,将“LixMPO4的正极活性物质和/或被上述表面附着物质包覆的LixMPO4的正极活性物质”与“除LixMPO4的正极活性物质和/或被上述表面附着物质包覆的LixMPO4的正极活性物质以外的正极活性物质”统称为“正极活性物质”。
[正极的结构]
以下,针对本发明中使用的正极的结构进行叙述。
(电极结构和制作方法)
本发明的锂二次电池用正极通过在集电体上形成包含正极活性物质和粘结剂的正极活性物质层来制作。即,本发明的锂二次电池用正极的制作是在集电体上形成包含上述正极活性物质和粘结剂的正极活性物质层。使用正极活性物质的正极的制造可通过常规方法进行。即,将正极活性物质与粘结剂、以及视需要添加的导电材料及增粘剂等进行干式混合,将制成的片状物压合在正极集电体上;或将这些材料溶解或分散在液体介质中制成浆料,再将其涂布在正极集电体上,进行干燥,由此可在集电体上形成正极活性物质层,从而得到正极。
优选本发明的锂二次电池的正极中使用的正极活性物质在正极活性物质层中的含量为80质量%以上、更优选为82质量%以上、特别优选为84质量%以上。并且,优选上限为97质量%以下、更优选为95质量%以下。正极活性物质层中正极活性物质的含量在上述范围内时,电气容量与正极的强度的平衡性优异。
为了提高正极活性物质的填充密度,优选通过涂布、干燥得到的正极活性物质层再利用手动压力机、辊压机等进行压密化。优选正极活性物质层的填充密度的下限为1.3g/cm3以上、更优选为1.4g/cm3以上、进一步优选为1.5g/cm3以上,优选上限为3.0g/cm3以下、更优选为2.5g/cm3以下、进一步优选为2.3g/cm3以下的范围。
在上述范围内时,易于避免下述情况:电解液在集电体/活性物质界面附近的浸透性降低,尤其是高电流密度下的充放电特性降低,无法得到高输出功率等情况;活性物质间的导电性降低,电池电阻增大,无法得到高输出功率等情况。
(导电材料)
作为导电材料,可使用任意公知的导电材料。作为具体例,可以列举,铜、镍等金属材料;天然石墨、人造石墨等石墨(石墨);乙炔黑等炭黑;针状焦等无定形碳等碳质材料等。需要说明的是,这些材料可单独使用1种,也可将2种以上以任意组合和比例组合使用。导电材料的含量通常为正极活性物质层中的0.01质量%以上、优选为0.1质量%以上、更优选为1质量%以上,并且上限通常为50质量%以下、优选为30质量%以下、更优选为15质量%以下。导电材料的含量在上述范围内时,可充分确保导电性,可提供适宜的电池容量。
(粘结剂)
作为制造正极活性物质层时使用的粘结剂,没有特别限制,采用涂布法的情况下,只要是能溶解或分散在电极制造时使用的液体溶剂中的材料即可,作为具体例,可以列举,聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰亚胺、芳香族聚酰胺、纤维素、硝基纤维素等树脂类高分子;SBR(苯乙烯-丁二烯橡胶)、NBR(丙烯基-丁二烯橡胶)、氟橡胶、异丙烯橡胶、丁二烯橡胶、乙烯-丙烯橡胶等橡胶状高分子;苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物或其氢化物、EPDM(乙烯-丙烯-二烯三元共聚物)、苯乙烯-乙烯-丁二烯-乙烯共聚物、苯乙烯-异丙烯-苯乙烯嵌段共聚物或其氢化物等热塑性弹性体状高分子;间规立构-1,2-聚丁二烯、聚乙酸乙烯酯、乙烯-乙酸乙烯酯共聚物、丙烯-α-烯烃共聚物等软质树脂状高分子;聚偏氟乙烯(PVdF)、聚四氟乙烯、氟代聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯-乙烯共聚物等氟类高分子;具有碱金属离子(尤其是锂离子)的离子导电性的高分子组合物等。需要说明的是,这些物质可单独使用1种,也可将2种以上以任意组合和比例组合使用。
正极活性物质层中粘合剂的比例通常为0.1质量%以上、优选为1质量%以上、更优选为3质量%以上,上限通常为80质量%以下、优选为60质量%以下、更优选为40质量%以下、最优选为10质量%以下。粘结剂的比例在上述范围内时,可充分保持正极活性物质,可提供适宜的正极机械强度,可提供循环特性等优异的电池性能,而不降低电池容量、导电性。
(液体溶剂)
作为用于形成浆料的液体溶剂,只要是能溶解或分散正极活性物质、导电材料、粘结剂、以及根据需要使用的增粘剂的溶剂即可,其种类没有特别限制,可任选使用水系溶剂和有机类溶剂。作为水系溶剂,可以列举例如,水、醇和水的混合溶剂等。作为有机类溶剂,可以列举例如,己烷等脂肪族烃类;苯、甲苯、二甲苯、甲基萘等芳香族烃类;喹啉、吡啶等杂环化合物;丙酮、甲乙酮、环己酮等酮类;乙酸甲酯、丙烯酸甲酯等酯类;二亚乙基三胺、N,N-二甲基氨基丙胺等胺类;乙醚、环氧丙烷、四氢呋喃(THF)等醚类;N-甲基吡咯烷酮(NMP)、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺等酰胺类;六甲基磷酰胺、二甲基亚砜等非质子性极性溶剂等。
尤其是使用水系溶剂的情况下,优选用增粘剂、苯乙烯-丁二烯橡胶(SBR)等胶乳进行浆料化。增粘剂通常用于调节浆料的粘度。作为增粘剂,没有特别限制,具体而言,可以列举,羧甲基纤维素、甲基纤维素、羟甲基纤维素、乙基纤维素、聚乙烯醇、酸化淀粉、磷酸化淀粉、酪蛋白及它们的盐等。这些增粘剂可单独使用1种,也可将2种以上以任意组合和比例组合使用。另外,添加增粘剂的情况下,增粘剂相对于活性物质的比例为0.1质量%以上、优选为0.5质量%以上、更优选为0.6质量%以上,并且上限为5质量%以下、优选为3质量%以下、更优选为2质量%以下的范围。在上述范围内时,涂布性良好,活性物质占正极活性物质层的比例不会过低,易于避免产生电池容量降低的问题、正极活性物质间的电阻增大的问题等的情况。
(集电体)
作为正极集电体的材质,没有特别限制,可使用任意公知的材料。作为具体例,可以列举,铝、不锈钢、镍镀钢、钛、钽等金属材料;碳布(CarbonCross)、碳纸等碳质材料。其中,优选金属材料、特别优选铝。
作为集电体的形状,在使用金属材料的情况下,可以列举,金属箔、金属圆柱、金属线圈、金属板、金属薄膜、膨胀合金、穿孔金属板、发泡金属等,使用碳质材料的情况下,可以列举,碳板、碳薄膜、碳圆柱等。其中,优选金属薄膜。需要说明的是,薄膜可形成为适宜的网眼状。薄膜的厚度任意,通常为1μm以上、优选为3μm以上、更优选为5μm以上,并且上限通常为1mm以下、优选为100μm以下、更优选为50μm以下。薄膜的厚度在上述范围内时,具备作为集电体所必须的强度,而且易于操作。
另外,从降低集电体与正极活性物质层的电子接触电阻方面考虑,还优选使用在集电体的表面形成有化合物组成与集电体不同的导电层的制品。作为形成的化合物组成与集电体不同的导电层,可以列举,由碳质材料、导电性高分子、金、铂、银等贵金属类形成的导电层。
集电体和正极活性物质层的厚度比没有特别限制,优选(刚刚注入电解液之前单面的正极活性物质层的厚度)/(集电体的厚度)的值为20以下、更优选为15以下、最优选为10以下,并且优选下限为0.5以上、更优选为0.8以上、最优选为1以上的范围。在上述范围内的情况下,易于避免高电流密度充放电时集电体因焦耳热而发生放热、以及集电体相当于正极活性物质的体积比增加,电池容量减少等问题。
(电极面积)
使用本发明的非水电解液的情况下,从确保高输出功率以及提高高温时的稳定性方面考虑,优选正极活性物质层的面积大于电池外包装壳体的外表面积。具体而言,以面积比计,优选上述正极的电极面积总和为二次电池外包装的表面积的15倍以上、更优选为40倍以上。在外包装是有底四边形形状的情况下,所谓的外包装壳体的外表面积是,是指由填充有发电要素的壳体部分(端子突起部分除外)的长、宽、厚的大小计算求得的总面积。在采用有底圆筒形状的情况下,是指将填充有发电要素的壳体部分(端子突起部分除外)近似为圆筒而算出的几何表面积。正极电极面积的总和是指与含有负极活性物质的层合材料层相对而设的正极层合材料层的几何表面积,在隔着集电体箔在两面形成有正极复层材料层的结构中,正极电极面积的总和是指分别算出的各个面的面积的总和。
(正极板的厚度)
正极板的厚度没有特别限制,从确保高容量和高输出功率方面考虑,对于集电体的一面而言,优选减去芯材金属箔厚度后层合材料层的厚度的下限为10μm以上、更优选为20μm以上,且优选上限为500μm以下、更优选为400μm以下。
[隔板]
为了防止短路,在正极和负极之间通常隔着隔板。在这样的情况下,通常用本发明的非水电解液浸渍该隔板后使用。
隔板的材料、形状没有特别限制,只要不明显影响本发明的效果即可,可采用任意公知的隔板。其中,优选使用对本发明的非水电解液稳定的材料形成(用树脂、玻璃纤维、无机物等)、且保液性优异的多孔片或无纺布状的隔板等。
作为树脂、玻璃纤维隔板的材料,可以使用例如,聚乙烯、聚丙烯等聚烯烃、聚四氟乙烯、聚醚砜、玻璃过滤器等。其中,优选玻璃过滤器、聚烯烃、进一步优选聚烯烃。这些材料可单独使用1种,也可将2种以上以任意组合和比例组合使用。
上述隔板的厚度可以是任意的,通常为1μm以上、优选为5μm以上、进一步优选为10μm以上,并且通常为50μm以下、优选为40μm以下、进一步优选为30μm以下。隔板的厚度在上述范围内时,不会降低绝缘性、机械强度,且不易导致速率特性等电池性能降低、不易导致非水电解质电池整体的能量密度降低。
另外,使用多孔片、无纺布等多孔质作为隔板的情况下,隔板的空隙率可以是任意的,通常为20%以上、优选35%以上、进一步优选45%以上,并且通常为90%以下、优选85%以下、进一步优选75%以下。空隙率在上述范围内时,膜电阻不会过大,可提供适宜的速率特性。而且,能提供适宜的绝缘性,而不降低隔板的机械强度。
另外,隔板的平均孔径可以是任意的,通常为0.5μm以下、优选为0.2μm以下,并且通常为0.05μm以上。平均孔径在上述范围内时,不易发生短路,膜电阻不会过大,可以提供适宜的速率特性。
另一方面,作为无机物的材料,可以使用例如,氧化铝、二氧化硅等氧化物、氮化铝、氮化硅等氮化物、硫酸钡、硫酸钙等硫酸盐,可以使用粒子形状或纤维形状的材料。
作为形态,可以使用无纺布、纺织布、微多孔性膜等薄膜形状。就薄膜形状而言,优选使用孔径0.01~1μm、厚度5~50μm的薄膜。除了上述独立的薄膜形状以外,还可使用通过树脂制造的粘合剂在正极和/或负极的表层形成有含有上述无机物粒子的复合多孔层的隔板。可以列举例如,以氟树脂为粘合剂在正极的两面形成90%粒径小于1μm的氧化铝粒子作为多孔层。
[电池设计]
<电极组>
电极组可以是将上述正极板和负极板隔着上述隔板形成的叠层结构,也可以是将上述正极板和负极板隔着上述隔板卷成的螺旋状结构。电极组的体积占电池内容积的比例(以下,称为电极组占有率)通常为40%以上、优选为50%以上,并且通常为90%以下、优选为80%以下。
电极组占有率在上述范围内时,可提供适宜的电池容量,可确保适度的空隙间距,即使因电池处于高温下导致部件膨胀、或电解质的液体成分的蒸气压增高,内部压力也不会过度上升,因此易于避免下述问题:电池的反复充放电性能、高温保存等各特性降低、以及将内部压力向外释放的气体放出阀启动等问题。
<集电结构>
集电结构没有特别限制,为了更有效地实现因本发明的非水电解液产生的高电流密度充放电特性的提高,优选降低配线部分、接合部分的电阻的结构。由此,在内部电阻降低的情况下,使用本发明的非水电解液的效果尤其能够得到良好的发挥。
电极组为上述叠层结构的情况下,优选使用将各电极层的金属芯部分捆扎后与端子焊接形成的结构。一片电极面积增大的情况下,内部电阻增大,因此优选在电极内设置多个端子以降低电阻。电极组为上述卷曲结构的情况下,分别在正极及负极设置多个引线结构,通过捆扎端子,可降低内部电阻。
<保护元件>
作为上述保护元件,可以列举,在异常放热、过大电流流过时电阻增大的PTC(Positive Temperature Coefficient)、温度保险丝、电热调节器、在异常放热时电池内部压力和内部温度急剧上升从而切断电路内流通的电流的阀(电流切断阀)等。上述保护元件优选在高电流的通常使用条件下不启动,更优选即使不使用保护元件也不至于发生异常放热、热失控的设计。
<外包装体>
本发明的非水电解质电池通常具有将上述非水电解液、负极、正极、隔板等收纳在外包装体内的结构。该外包装体没有特别限制,只要不明显影响本发明的效果即可,可采用任意公知的外包装体。具体而言,外包装体的材质可以是任意的,通常使用例如进行了镍镀覆的铁、不锈钢、铝或其合金、镍、钛、镁合金等金属类、或树脂和铝箔的叠层膜(层压膜)。从轻质化方面考虑,优选使用铝或铝合金的金属、层压膜。从轻质化方面考虑,优选使用铝或铝合金的金属、层压膜。
就使用上述金属类的外包装体而言,可以列举,通过激光焊接、电阻焊接、超声波焊接使金属间熔敷进行密封的密闭结构;或隔着树脂制垫圈用上述金属类进行铆接的结构。就使用上述层压膜的外包装体而言,可以列举,树脂层间通过热熔粘进行密封的密闭结构等。为了提高密封性,上述树脂层间夹入与用于层压膜的树脂不同的树脂。尤其是在隔着集电端子使树脂层热熔粘形成密闭结构的情况下,由于金属与树脂进行接合,因此作为夹入的树脂,优选使用具有极性基团的树脂、导入了极性基团的改性树脂。
另外,外包装体的形状可以是任意的,可任选为例如圆筒型、四边形、层压型、硬币型、大型等。
实施例
以下,列举实施例及比较例进一步对本发明进行具体说明,但本发明并不受这些实施例的限定,只要不超出本发明的宗旨即可。
实施例1
[负极的制作]
在人造石墨粉末KS-44(Timcal公司制造,商品名)98重量份中,分别加入作为增粘剂、粘合剂的羧甲基纤维素钠的水分散体(羧甲基纤维素钠的浓度为1质量%)100重量份、及苯乙烯-丁二烯橡胶的水分散体(苯乙烯-丁二烯橡胶的浓度为50质量%)2重量份,用分散机进行混合,使之浆料化。将得到的浆料涂布在厚10μm的铜箔的一面,进行干燥,用压机压延至厚75μm,将压延后得到的产品切成作为活性物质层大小的宽30mm、长40mm的形状,该形状还具有宽度5mm、长度9mm的未涂布部,将其作为负极。
[正极的制作]
将作为正极活性物质的磷酸铁锂(LiFePO4、STL Energy Technology公司制造)90质量%、作为导电材料的乙炔黑5质量%、作为粘合剂的聚偏氟乙烯(PVdF)5质量%混合在N-甲基吡咯烷酮溶剂中,进行浆料化。将得到的浆料涂布在预先涂布有碳质材料的厚15μm的铝箔的一面,进行干燥,用压机压延至厚80μm,将压延后得到的产品切成作为活性物质层大小的宽30mm、长40mm的形状,该形状中具有宽度5mm、长度9mm的未涂布部,将其作为正极。
[电解液的制造]
在干燥的氩气氛围下,将碳酸亚乙酯(EC)、二甲氧基乙烷(DME)以及碳酸甲乙酯(EMC)的混合物(体积比2∶3∶5)98.5质量%、二氟磷酸锂(LiPO2F2)0.5质量%、碳酸亚乙烯酯(VC)0.5质量%、一氟碳酸亚乙酯(MFEC)0.5质量%混合,接着,溶解经过充分干燥的LiPF6使其比例为1.1mol/L,制成电解液。
[锂二次电池的制造]
将上述正极、负极、及聚乙烯制的隔板按照负极、隔板、正极的顺序依次进行叠层,制作了电池要素。将该电池要素插入由在铝(厚40μm)的两面覆盖有树脂层的叠层膜制成的袋内,并使正极和负极的端子突出出来,然后向袋内注入上述电解液,进行真空密封,制作片状电池,并进行了评价。电解液的成分如表1所示。
[初期放电容量的评价]
为了提高电极间的密合性,将锂二次电池以被玻璃板夹持的状态于25℃,以相当于0.2C的恒定电流进行充电直至4.0V,然后以0.1C的恒定电流放电至2.5V。将该操作循环进行2次,使电池稳定,第3个循环~第6个循环按照下述方法进行:以0.2C的恒定电流进行充电直至4.0V,然后以4.0V的恒定电压进行充电直至电流值为0.05C,以0.2C的恒定电流进行放电直至2.5V。其后,第7个循环以0.2C的恒定电流进行充电直至4.0V,然后以4.0V的恒定电压进行充电直至电流值为0.05C,以0.2C的恒定电流进行放电直至2.5V,求出了初期放电容量。其中,1C表示用1小时对电池的基准容量进行放电的电流值,5C表示其5倍的电流值,0.1C表示其1/10的电流值,而0.2C表示其1/5的电流值。
[25℃输出功率的评价]
将初期放电容量评价结束后的电池于25℃以0.2C的恒定电流进行充电直至达到初期放电容量的一半容量。使其于25℃分别以1C、2C、4C、7C、10C、15C放电10秒钟,对第10秒的电压进行了测定。将由电流-电压直线与下限电压(2.5V)围成的三角形的面积作为输出功率(W),算出了以25℃下的输出功率值为100时的比较例1的相对值(%)。
[-30℃输出功率的评价]
将初期放电容量评价结束后的电池于25℃以0.2C的恒定电流进行充电直至达到初期放电容量的一半容量。使其于-30℃分别以0.2C、0.4C、0.8C、1C、2C放电10秒钟,对第10秒的电压进行了测定。将由电流-电压直线与下限电压(2.5V)围成的三角形的面积作为输出功率(W),算出了以比较例1在-30℃下的输出功率值为100时的相对值(%)。
[高温循环特性的评价]
将初期放电容量评价试验结束后的电池在60℃下以2C的恒定电流进行充电直至达到3.6V,然后以2C的恒定电流进行放电直至达到2.5V的过程作为1个循环,进行了500个循环。求出以第1个循环的放电容量为100时的第500个循环的放电容量(%),作为放电容量保持率。
[高速率放电特性的评价]
将高温循环试验结束后的电池于25℃以0.2C的恒定电流进行充电直至达到3.6V,然后以3.6V的恒定电压进行充电直至电流值达到0.05C。将其进行下述试验:以2C以及5C的恒定电流进行放电直至达到2.5V。以初期放电容量试验的放电容量为100时,求出相对于初期放电容量的高温循环试验后的2C以及5C的放电容量(%)。
以上的评价结果如表2~3所示。
实施例2
在干燥的氩气氛围下,将碳酸亚乙酯(EC)、二甲氧基乙烷(DME)、碳酸甲乙酯(EMC)的混合物(体积比2∶3∶5)99.5质量%、碳酸亚乙烯酯(VC)0.5质量%进行混合,接着,溶解经过充分干燥的LiPF6使其比例为1.1mol/L,除此之外,像实施例1那样,制作片状锂二次电池,并进行了评价。电解液的成分及评价结果如表1~表3所示。
实施例3
在干燥的氩气氛围下,将碳酸亚乙酯(EC)、二甲氧基乙烷(DME)、碳酸甲乙酯(EMC)的混合物(体积比2∶3∶5)99.5质量%、二氟磷酸锂(LiPO2F2)0.5质量%进行混合,接着,溶解经过充分干燥的LiPF6使其比例为1.1mol/L,除此之外,像实施例1那样,制作片状锂二次电池,并进行了评价。电解液的成分及评价结果如表1~表3所示。
实施例4
在干燥的氩气氛围下,将碳酸亚乙酯(EC)、二甲氧基乙烷(DME)、碳酸甲乙酯(EMC)的混合物(体积比3∶2∶5)98.5质量%、二氟磷酸锂(LiPO2F2)0.5量%、碳酸亚乙烯酯(VC)0.5质量%、单氟碳酸亚乙酯(MFEC)0.5质量%进行混合,接着,溶解经过充分干燥的LiPF6使其比例为1.1mol/L,除此之外,像实施例1那样,制作片状锂二次电池,并进行了评价。电解液的成分及评价结果如表1~表3所示。
实施例5
在干燥的氩气氛围下,将碳酸亚乙酯(EC)、二甲氧基乙烷(DME)、碳酸甲乙酯(EMC)的混合物(体积比3∶2∶5)99.5质量%、碳酸亚乙烯酯(VC)0.5质量%进行混合,接着,溶解经过充分干燥的LiPF6使其比例为1.1mol/L,除此之外,像实施例1那样,制作片状锂二次电池,并进行了评价。电解液的成分及评价结果如表1~表3所示。
实施例6
在干燥的氩气氛围下,将碳酸亚乙酯(EC)、二乙氧基乙烷(DEE)和碳酸甲乙酯(EMC)的混合物(体积比3∶1∶6)99.0质量%、碳酸亚乙烯酯(VC)0.5质量%、二氟磷酸锂(LiPO2F2)0.5质量%进行混合,接着,溶解经过充分干燥的LiPF6使其比例为1.1mol/L,除此之外,像实施例1那样,制作片状锂二次电池,并进行了评价。电解液的成分及评价结果如表1~表3所示。
实施例7
在干燥的氩气氛围下,将碳酸亚乙酯(EC)、乙氧基(2,2,2-三氟乙氧基)乙烷(ETFEE)和碳酸甲乙酯(EMC)的混合物(体积比3∶1∶6)99.0质量%、碳酸亚乙烯酯(VC)0.5质量%、二氟磷酸锂(LiPO2F2)0.5质量%进行混合,接着,溶解经过充分干燥的LiPF6使其比例为1.1mol/L,除此之外,像实施例1那样,制作片状锂二次电池,并进行了评价。电解液的成分及评价结果如表1~表3所示。
实施例8
在干燥的氩气氛围下,将碳酸亚乙酯(EC)、(1,1,2,2-四氟乙基)(2,2,3,3-四氟正丙基)醚(TFETFPE)、碳酸甲乙酯(EMC)的混合物(体积比3∶1∶6)99.0质量%、碳酸亚乙烯酯(VC)0.5质量%、二氟磷酸锂(LiPO2F2)0.5质量%进行混合,接着,溶解经过充分干燥的LiPF6使其比例为1.1mol/L,除此之外,像实施例1那样,制作片状锂二次电池,并进行了评价。电解液的成分及评价结果如表1~表3所示。
实施例9
在干燥的氩气氛围下,将碳酸亚乙酯(EC)、二甲氧基乙烷(DME)和碳酸甲乙酯(EMC)的混合物(体积比3∶2∶5)98.5质量%、碳酸亚乙烯酯(VC)0.5质量%、三氟甲磺酸锂(CF3SO3Li)1质量%进行混合,接着,溶解经过充分干燥的LiPF6使其比例为1.1mol/L,除此之外,像实施例1那样,制作片状锂二次电池,并进行了评价。电解液的成分及评价结果如表1~表3所示。
实施例10
在干燥的氩气氛围下,将碳酸亚乙酯(EC)、二甲氧基乙烷(DME)和碳酸甲乙酯(EMC)的混合物(体积比3∶2∶5)98.5质量%、碳酸亚乙烯酯(VC)0.5质量%、二(氟磺酰基)酰亚胺锂(LiFSI)1质量%进行混合,接着,溶解经过充分干燥的LiPF6使其比例为1.1mol/L,除此之外,像实施例1那样,制作片状锂二次电池,并进行了评价。电解液的成分及评价结果如表1~表3所示。
实施例11
在干燥的氩气氛围下,将碳酸亚乙酯(EC)、二甲氧基乙烷(DME)和碳酸甲乙酯(EMC)的混合物(体积比3∶2∶5)99.0质量%、碳酸亚乙烯酯(VC)0.3质量%、1,3-丙磺酸内酯(PS)0.2质量%、二氟磷酸锂(LiPO2F2)0.5质量%进行混合,接着,溶解经过充分干燥的LiPF6使其比例为1.1mol/L,除此之外,像实施例1那样,制作片状锂二次电池,并进行了评价。电解液的成分及评价结果如表1~表3所示。
实施例12
在干燥的氩气氛围下,将碳酸亚乙酯(EC)、二甲氧基乙烷(DME)和碳酸甲乙酯(EMC)的混合物(体积比3∶2∶5)99.0质量%、碳酸亚乙烯酯(VC)0.3质量%、亚硫酸亚乙酯(ES)0.2质量%、二氟磷酸锂(LiPO2F2)0.5质量%进行混合,接着,溶解经过充分干燥的LiPF6使其比例为1.1mol/L,除此之外,像实施例1那样,制作片状锂二次电池,并进行了评价。电解液的成分及评价结果如表1~表3所示。
比较例1
在干燥的氩气氛围下,将碳酸亚乙酯(EC)、碳酸二甲酯(DMC)和碳酸甲乙酯(EMC)的混合物(体积比3∶3∶4)99.5质量%、碳酸亚乙烯酯(VC)0.5质量%进行混合,接着,溶解经过充分干燥的LiPF6使其比例为1mol/L,除此之外,像实施例1那样,制作片状锂二次电池,并进行了评价。电解液的成分及评价结果如表1~表3所示。
比较例2
在干燥的氩气氛围下,将碳酸亚乙酯(EC)、碳酸二甲酯(DMC)和碳酸甲乙酯(EMC)的混合物(体积比3∶3∶4)99质量%、碳酸亚乙烯酯(VC)1质量%进行混合,接着,溶解经过充分干燥的LiPF6使其比例为1mol/L,除此之外,像实施例1那样,制作片状锂二次电池,并进行了评价。电解液的成分及评价结果如表1~表3所示。
比较例3
在干燥的氩气氛围下,将碳酸亚乙酯(EC)、碳酸二甲酯(DMC)和碳酸甲乙酯(EMC)的混合物(体积比3∶3∶4)99.5质量%、乙烯基碳酸亚乙酯(VEC)0.5质量%进行混合,接着,溶解经过充分干燥的LiPF6使其比例为1mol/L,除此之外,像实施例1那样,制作片状锂二次电池,并进行了评价。电解液的成分及评价结果如表1~表3所示。
比较例4
在干燥的氩气氛围下,将碳酸亚乙酯(EC)、碳酸二甲酯(DMC)和碳酸甲乙酯(EMC)的混合物(体积比3∶3∶4)99.5质量%、1,3-丙磺酸内酯(PS)0.5质量%进行混合,接着,溶解经过充分干燥的LiPF6使其比例为1mol/L,除此之外,像实施例1那样,制作片状锂二次电池,并进行了评价。电解液的成分及评价结果如表1~表3所示。
比较例5
在干燥的氩气氛围下,将碳酸亚乙酯(EC)、二甲氧基乙烷(DME)和碳酸甲乙酯(EMC)的混合物(体积比3∶2∶5)进行混合,接着,溶解经过充分干燥的LiPF6使其比例为1.1mol/L,除此之外,像实施例1那样,制作片状锂二次电池,并进行了评价。电解液的成分及评价结果如表1及表3所示。
比较例6
[正极的制作]
将作为正极活性物质的Li(Ni1/3Mn1/3Co1/3)O2(NMC)90质量%、作为导电材料的乙炔黑5质量%、作为粘结剂的聚偏氟乙烯(PVdF)5质量%混合在N-甲基吡咯烷酮溶剂中,进行浆料化。将得到的浆料涂布在预先涂布有导电助剂的厚15μm的铝箔的一面,进行干燥,用压机压延至厚80μm,将压延后得到的产品切成作为活性物质层大小的宽30mm、长40mm的形状,该形状中具有宽度5mm、长度9mm的未涂布部,将其作为正极。
[电解液的制造]
在干燥的氩气氛围下,将碳酸亚乙酯(EC)、二甲氧基乙烷(DME)和碳酸甲乙酯(EMC)的混合物(体积比2∶3∶5)99.0质量%、LiN(FSO2)2(LiFSI)1.0质量%进行混合,接着,溶解经过充分干燥的LiPF6使其比例为1.1mol/L,除此之外,像实施例1那样,制作了片状锂二次电池。电解液的成分如表1所示。
[初期放电容量的评价]
为了提高电极间密合性,上述制作的锂二次电池以被玻璃板夹持的状态下,于25℃,以相当于0.2C的恒定电流进行充电直至4..1V,然后以0.2C的恒定电流进行放电直至达到3V。将该操作循环进行2次,使电池稳定,第3个循环以0.2C的恒定电流进行充电直至达到4.2V,然后以4.2V的恒定电压进行充电直至电流值达到0.05C,以0.2C的恒定电流进行放电直至达到3V。随后,第4个循环以0.2C的恒定电流进行充电直至达到4.2V后,以4.2V的恒定电压进行充电直至电流值达到0.05C,以0.2C的恒定电流进行放电直至达到3V,求出了初期放电容量。其中,1C表示用1小时对电池的基准容量进行放电的电流值,5C表示其5倍的电流值,0.1C表示其1/10的电流值,而0.2C表示其1/5的电流值。
[高温循环特性的评价]
将初期放电容量评价试验结束后的电池在60℃下以2C的恒定电流进行充电直至达到4.2V,然后以2C的恒定电流进行放电直至达到3V,将上述过程作为1个循环,对初期放电容量评价结束后的电池进行了500个循环。求出以第1个循环的放电容量为100时的第500个循环的放电容量(%),作为放电容量保持率。
[高速率放电特性的评价]
将高温循环试验结束后的电池于25℃以0.2C的恒定电流进行充电直至达到4.2V,然后以4.2V的恒定电压下进行充电,直至电流值达到0.05C。对其进行下述试验:以2C以及5C的恒定电流进行放电直至达到3V。以初期放电容量试验的放电容量为100时,求出相对于初期放电容量的高温循环试验后的2C以及5C的放电容量(%)。
以上结果如表2~3所示。
表1
Figure BDA0000142775900000481
表2
表3
由表2可知,本发明的非水电解质电池在初期的25℃以及-30℃下的输出功率优异。另外,由表3可知,高温循环特性、高温循环试验后高电流密度下的放电特性优异,由此可知具有高的耐久性。另一方面,未使用本发明的非水电解液的电池,其在初期的25℃以及-30℃下的输出功率低于使用本发明的非水电解液的电池,且高温循环特性和高温循环试验后高电流密度下的放电特性差。
参考特定实施方式对本发明进行了详细说明,但可以在不超出本发明的精神和范围的条件下对本发明进行各种变更、修正对于本领域技术人员来说是明显的。本申请以2009年9月29日提出的日本专利申请(日本特愿2009-223809)为基础,在此援引其内容作为参考。
工业实用性
本发明的非水电解质电池在初期的常温以及-30℃的输出功率高,即使在进行高效率放电时也能赋予高的放电容量,而且在高温保存试验、循环试验等耐久试验后的容量保持率高,且即便在耐久试验后,初期的输出功率性能、高速率放电容量仍优异。

Claims (9)

1.一种非水电解质电池,其具备正极、负极以及非水电解液,
所述正极含有集电体和正极活性物质,所述正极活性物质为以LixMPO4表示的含有锂的磷酸化合物,其中,M为选自周期表第2族~第12族的金属中的至少一种元素、x满足0<x≤1.2,
所述负极含有能吸留及放出锂离子的负极活性物质,其中,
所述非水电解液含有:
(1)链状醚、以及
(2)具有不饱和键的环状碳酸酯。
2.一种非水电解质电池,其具备正极、负极以及非水电解液,
所述正极含有集电体和正极活性物质,所述正极活性物质为以LixMPO4表示的含有锂的磷酸化合物,其中,M为选自周期表第2族~第12族的金属中的至少一种元素、x满足0<x≤1.2,
所述负极含有能吸留及放出锂离子的负极活性物质,其中,
所述该非水电解液含有:
(1)链状醚、以及
(2)选自氟磷酸锂类、磺酸锂类、酰亚胺锂盐类、磺酸酯类、及亚硫酸酯类中的至少1种化合物。
3.根据权利要求1或2所述的非水电解质电池,其中,上述含有锂的磷酸化合物用LixMPO4表示,其中,M为选自周期表第4周期第4族~第11族的过渡金属中的至少一种元素、x满足0<x≤1.2。
4.根据权利要求1所述的非水电解质电池,其中,上述具有不饱和键的环状碳酸酯的含量为电解液总量的0.001~5质量%。
5.根据权利要求1或2所述的非水电解质电池,其中,上述非水电解液含有10体积%以上的碳酸亚乙酯。
6.根据权利要求1或2所述的非水电解质电池,其中,上述链状醚用R1OR2表示,式中,R1、R2表示任选具有氟原子的碳原子数为1~8的1价有机基团,它们彼此相同或不同。
7.根据权利要求1或2所述的非水电解质电池,其中,上述负极活性物质为碳质材料。
8.根据权利要求1或2所述的非水电解质电池,其中,在上述集电体表面,具有化合物组成不同于集电体的导电层。
9.权利要求1~8中任一项所述的非水电解质电池中所使用的非水电解液。
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