具体实施方式
下面,对本发明的实施方式进行说明,但本发明并不限定于以下的实施方式,在不脱离本发明主旨的范围内,可以任意变更来实施。
另外,在本说明书中,“重量%”、“重量ppm”及“重量份”分别与“质量%”、“质量ppm”及“质量份”同义。另外,仅记载为ppm的情况下,表示的是“重量ppm”。
1.非水电解液
1-1.式(1)所示的化合物
本发明的特征在于,在非水电解液中含有下述式(1)所示的化合物。
[化学式3]
式中,R1表示含有至少一个CN基的有机基团,R1’表示氢原子、卤原子、或任选具有取代基的有机基团,R2表示任选具有取代基的有机基团,R3表示任选具有取代基的有机基团。Z为1以上的整数,在Z为2以上的情况下,多个R1、R1’及R2可以分别相同也可以不同。R1、R1’、R2及R3也可以相互键合而形成环。
需要说明的是,R1中的CN基通常为2个以下,Z通常为3以下,R1、R1’、R2及R3相互键合而形成环是指,它们中的至少两个键合而形成环。Z为2以上的情况下,可以是多个R1、R1’及R2中的两个以上与R3键合而形成环。
上述有机基团表示的是由选自碳原子、氢原子、氮原子、氧原子、硫原子、磷原子及卤原子中的1个以上原子构成的基团。作为其具体例子,可以举出:作为一价有机基团的烷基、烯基、炔基、芳基、烷氧基、腈基、异氰酸酯基等;作为二价有机基团的亚烷基、亚烯基、亚炔基、亚芳基、醚基、碳酸酯基、羰基、磺酰基等;以及作为三价有机基团的烃基、磷酰基及次膦基;作为四价有机基团的烃基(其中,可以不含氢)等。需要说明的是,一价有机基团的一部分可以被卤原子取代,二价、三价及四价的有机基的一部分可以与卤原子键合。
另外,作为上述取代基的具体例子,可以举出任选被卤原子取代的烷基、烯基、炔基、芳基、烷氧基、以及腈基、异氰酸酯基、醚基、碳酸酯基、羰基、羧基、磺酰基、次膦基及磷酰基等。
作为R1,优选CN基或含有至少一个CN基的烷基(例如,具有CN基的甲基或乙基)。作为R1’,优选氢原子、烷基或卤原子,更优选氢原子或烷基,特别优选氢原子。
另外,R2及R3优选由选自碳原子、氢原子及氧原子中的1个以上原子构成的基团。R2及R3分别更优选由碳原子及氢原子构成的基团。
此外,在上述式(1)中,优选R2与R3相互键合而形成环。其中,在Z为2以上的情况下,至少一个R2与R3相互键合而形成环。这是由于,通过形成环,非水电解液的耐氧化性提高,不易因正极上的副反应而引起分解。因此,使用本发明的非水电解液而得到的非水电解质电池在高温保存时,在正极上由副反应引起的容量劣化及气体产生较少。需要说明的是,在形成环的情况下,R2和R3相互键合而形成了例如可以具有取代基的碳原子数1~5的亚烷基或碳原子数2~5的亚烯基等。优选形成碳原子数1~5的亚烷基的情况。
在上述式(1)中,优选Z为2以上的整数。这是因为,通过使Z为2以上的整数,式(1)的化合物在一分子内具有多个CN基,可更显著地表现出在正极上的稳定化效果。
另外,上述式(1)所示的化合物更优选Z为2、且在R3上键合两个R2而形成了环的下述式(2)所示的化合物。这是因为,通过具有这样的结构,在负极形成的被膜的稳定性大幅度提高。此外,由于在分子内具有多个腈基,在正极上的稳定化效果提高,保存特性提高。
[化学式4]
式中,R1及R1’与上述式(1)规定的R1及R1’同义,R4表示任选具有取代基的有机基团。另外,存在的多个R1及R1’可以互为相同也可以不同。
在R4中,上述有机基团表示的是由选自碳原子、氢原子、氮原子、氧原子、硫原子、磷原子及卤原子中的1个以上原子构成的基团。作为其具体例子,可以举出任选具有不饱和键(双键、三键)、醚基、碳酸酯基、羰基、磺酰基及磷酰基的四价烃基等,其中,优选任选具有不饱和键(双键、三键)的由碳原子及氢原子构成的四价烃基,特别优选四价的饱和烃基。另外,在R4中,作为取代基的具体例子,可以举出任选被卤原子取代的烷基、烯基、炔基、芳基、烷氧基、以及甲苯基、异氰酸酯基、醚基、碳酸酯基、羰基、羧基、磺酰基、次膦基及磷酰基等。
式(1)所示的化合物的分子量没有特别限制,只要不明显损害本发明的效果,则可以为任意分子量。分子量优选为100以上、更优选为180以上、进一步优选为200以上,且通常为850以下、优选为500以下、更优选为350以下。如果为该范围,则容易确保非水电解液中式(1)所示的化合物的溶解性,容易表现出本发明的效果。
作为式(1)所示的化合物的具体例子,例如可举出以下的化合物。
[化学式5]
[化学式6]
[化学式7]
[化学式8]
[化学式9]
[化学式10]
[化学式11]
上述当中,如以下所示的化合物等那样具有环结构的化合物的非水电解液的耐氧化性提高,高温保存时在正极上由副反应引起的容量劣化及气体产生较少,故优选。
[化学式12]
[化学式13]
[化学式14]
[化学式15]
另外,如下述所示的化合物等那样的Z为2的化合物在一分子内具有多个CN基,可更显著地表现出高温保存时在正极上的稳定化效果,故优选。
[化学式16]
[化学式17]
此外,如下述所示的化合物等那样的具有螺环结构的化合物在负极上的被膜形成作用带来的稳定化效果高。此外,由于分子内具有多个腈基,因此在正极上保存特性提高,故更加优选。
[化学式18]
另外,如果具有3个以上缩醛结构,则在电池内部化合物的稳定性恶化。因此,特别优选下述所示的式(1)中Z为2且具有螺环结构的化合物。
[化学式19]
在本发明中,上述式(1)所示的化合物可以单独使用一种,也可以以任意的组合和比例组合2种以上使用。式(1)所示的化合物在本发明的非水电解液全体中的配合量没有限制,只要不明显损害本发明的效果则可以为任意的配合量,相对于本发明的非水电解液,其含有浓度通常为0.001质量%以上、优选为0.01质量%以上、更优选为0.1质量%以上,并且通常为10质量%以下、优选为5质量%以下、更优选为3质量%以下。在满足上述范围的情况下,可进一步提高本发明的非水电解质电池的输出特性、负载特性、低温特性、循环特性、高温保存特性等效果。
需要说明的是,式(1)所示化合物的制造方法也没有特别限制,可以任意选择公知的方法来制造。
另外,本发明的非水电解液中所使用的式(1)所示的化合物可以含有作为杂质的醇化合物、醛化合物、三烷化合物、有机氰基化合物、有机卤素化合物、无机氰基化合物、无机卤素化合物。对于这些杂质的量而言,相对于式(1)所示的化合物,通常为5质量%以下、优选为2质量%以下、更优选为1质量%以下、进一步优选为0.5质量%以下、特别优选为0.01质量%以下。在满足上述上限范围的情况下,可进一步提高本发明的非水电解质电池的输出特性、负载特性、低温特性、循环特性、高温保存特性等效果。
1-2.具有氟原子的环状碳酸酯、具有碳-碳不饱和键的环状碳酸酯、单氟磷酸盐、二氟磷酸盐、酸酐、异氰酸酯化合物、环状磺酸酯及式(1)所示化合物以外的腈化合物
本发明的非水电解液优选进一步含有选自具有氟原子的环状碳酸酯、具有碳-碳不饱和键的环状碳酸酯、单氟磷酸盐、二氟磷酸盐、酸酐、异氰酸酯化合物、环状磺酸酯及式(1)所示化合物以外的腈化合物中的至少一种化合物。这是因为,通过组合使用这些化合物,可以有效地抑制各添加剂引起的副反应。需要说明的是,这些化合物中,相当于式(1)所示化合物的物质在本说明书中是式(1)所示的化合物。
此外,具有氟原子的环状碳酸酯、具有碳-碳不饱和键的环状碳酸酯、酸酐、异氰酸酯化合物在式(1)所示化合物与负极表面形成稳定的保护被膜,抑制负极与电解液成分的副反应,从而可以提高本发明的非水电解质电池的高温保存特性及循环特性,因此更优选。
<具有氟原子的环状碳酸酯>
作为具有氟原子的环状碳酸酯(以下,有时记载为“氟代环状碳酸酯”),只要是具有氟原子、且不具有不饱和键的环状碳酸酯,则没有特别限制。
作为氟代环状碳酸酯,可以举出具有碳原子数2~6的亚烷基的环状碳酸酯的氟化物、及其衍生物,例如可列举碳酸亚乙酯的氟化物及其衍生物。作为碳酸亚乙酯的氟化物的衍生物,可列举例如被烷基(例如,碳原子数1~4个的烷基)取代的碳酸亚乙酯的氟化物。其中,优选具有1~8个氟原子的碳酸亚乙酯及其衍生物。
具体可列举:单氟碳酸亚乙酯、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,从赋予高离子传导性、并且可适宜地形成界面保护被膜方面考虑,更优选选自单氟碳酸亚乙酯、4,4-二氟碳酸亚乙酯及4,5-二氟碳酸亚乙酯中的至少一种。
氟代环状碳酸酯可以单独使用一种,也可以以任意的组合和比例组合2种以上使用。
氟代环状碳酸酯的含量如下:相对于非水电解液,优选为0.1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10质量%以下、更优选为5质量%以下、进一步优选为3质量%以下。另外,将氟代环状碳酸酯用作本发明的非水电解液中的非水系有机溶剂的情况下,其在非水系有机溶剂100体积%中的配合量优选为1体积%以上、更优选为5体积%以上、进一步优选为10体积%以上,并且优选为50体积%以下、更优选为35体积%以下、进一步优选为25体积%以下。
在上述范围内时,非水电解质电池容易显示出充分的循环特性提高效果,容易避免高温保存特性的降低、以及因气体产生量增加而引起的放电容量保持率下降。
在本发明的非水电解液中,上述式(1)所示的化合物与具有氟原子的环状碳酸酯在负极上形成复合的被膜。从良好地形成这样的被膜的观点考虑,上述式(1)所示的化合物与氟代环状碳酸酯的配合质量比优选为0.4:100~100:100、更优选为1:100~50:100、进一步优选为1.4:100~35:100。以该范围进行配合的情况下,能够有效地抑制各添加剂在正负极上的副反应,提高电池特性。
<具有碳-碳不饱和键的环状碳酸酯>
作为具有碳-碳不饱和键的环状碳酸酯(以下,有时记载为“不饱和环状碳酸酯”),只要是具有碳-碳双键或碳-碳三键的环状碳酸酯,则没有特别限制,可以使用任意的不饱和碳酸酯。需要说明的是,具有芳香环的环状碳酸酯也包含在不饱和环状碳酸酯中。
作为不饱和环状碳酸酯,可列举:碳酸亚乙烯酯类、被具有芳香环或碳-碳双键或碳-碳三键的取代基取代的碳酸亚乙酯类、碳酸苯酯类、碳酸乙烯酯类、碳酸烯丙酯类、邻苯二酚碳酸酯类等等。
作为碳酸亚乙烯酯类,可列举: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、4,5-二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、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-氟-5-乙烯基碳酸亚乙烯酯、4-烯丙基-5-氟碳酸亚乙烯酯等。
作为被具有芳香环或碳-碳双键或碳-碳三键的取代基取代的碳酸亚乙酯类的具体例,可列举: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、乙炔基碳酸亚乙酯、4,5-二乙炔基碳酸亚乙酯、4-甲基-5-乙炔基碳酸亚乙酯、4-乙烯基-5-乙炔基碳酸亚乙酯、4-烯丙基-5-乙炔基碳酸亚乙酯、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,作为特别优选用来与式(1)所示的化合物组合使用的不饱和环状碳酸酯,可列举: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、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、乙炔基碳酸亚乙酯、4,5-二乙炔基碳酸亚乙酯、4-甲基-5-乙炔基碳酸亚乙酯、4-乙烯基-5-乙炔基碳酸亚乙酯。另外,由于可形成更为稳定的界面保护被膜,特别优选碳酸亚乙烯酯、乙烯基碳酸亚乙酯、乙炔基碳酸亚乙酯。
不饱和环状碳酸酯的分子量并无特殊限制,在不明显破坏本发明效果的范围内可以为任意分子量。其分子量优选为80以上且250以下。分子量在该范围内时,容易确保不饱和环状碳酸酯在非水电解液中的溶解性,易于充分表现出本发明的效果。不饱和环状碳酸酯的分子量更优选为85以上,并且,更优选为150以下。
不饱和环状碳酸酯的制造方法并无特殊限制,可任意选择公知的方法进行制造。
不饱和环状碳酸酯可以单独使用一种,也可以以任意组合及比例组合使用两种以上。另外,对于不饱和环状碳酸酯的配合量并无特殊限制,在不明显破坏本发明效果的范围内可以为任意配合量。不饱和环状碳酸酯在非水电解液100质量%中的配合量优选为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,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。在该范围内时,非水电解质电池容易显示出充分的循环特性提高效果,并且容易避免高温保存特性降低、气体发生量增多、放电容量保持率下降的问题。
<单氟磷酸盐及二氟磷酸盐>
作为单氟磷酸盐及二氟磷酸盐的抗衡阳离子,没有特别限定,作为例子,可举出:锂、钠、钾、镁、钙、及NR11R12R13R14(式中,R11~R14分别独立地表示氢原子或碳原子数1~12的有机基团)表示的铵等。
作为上述铵的R11~R14表示的碳原子数1~12的有机基团,没有特别限定,可以举出例如:任选被卤原子取代的烷基、任选被卤原子或烷基取代的环烷基、任选被卤原子或烷基取代的芳基、任选具有取代基的含有氮原子的杂环基团等。其中,作为R11~R14,优选各自独立地为氢原子、烷基、环烷基、或含有氮原子的杂环基团。
作为单氟磷酸盐及二氟磷酸盐的具体例子,可以举出单氟磷酸锂、单氟磷酸钠、单氟磷酸钾、二氟磷酸酸锂、二氟磷酸酸钠、二氟磷酸酸钾等,优选单氟磷酸锂、二氟磷酸酸锂,更优选二氟磷酸酸锂。
单氟磷酸盐及二氟磷酸盐可以单独使用一种,也可以以任意的组合和比例组合2种以上使用。另外,单氟磷酸盐及二氟磷酸盐的配合量没有特别限制,只要不明显损害本发明的效果,则可以为任意的配合量。
在本发明的非水电解液100质量%中,单氟磷酸盐及二氟磷酸盐的配合量优选为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。
如果为该范围内,则非水电解质电池容易表现出充分的循环特性提高效果,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这样的情况。
<酸酐>
作为酸酐,只要是分子内具有酸酐结构的化合物,则其种类没有特别限定。优选羧酸酐。
作为酸酐的具体例子,可举出例如:
乙酸酐、丙酸酐、丁酸酐、2-甲基丙酸酐、2,2-二甲基丙酸酐、2-甲基丁酸酐、3-甲基丁酸酐、2,2-二甲基丁酸酐、2,3-二甲基丁酸酐、3,3-二甲基丁酸酐、2,2,3-三甲基丁酸酐、2,3,3-三甲基丁酸酐、2,2,3,3-四甲基丁酸酐、2-乙基丁酸酐、环丙烷羧酸酐、环戊烷羧酸酐、环己烷羧酸酐、丙烯酸酐、2-甲基丙烯酸酐、3-甲基丙烯酸酐、2,3-二甲基丙烯酸酐、3,3-二甲基丙烯酸酐、2,3,3-三甲基丙烯酸酐、2-苯基丙烯酸酐、3-苯基丙烯酸酐、2,3-二苯基丙烯酸酐、3,3-二苯基丙烯酸酐、3-丁烯酸酐、2-甲基-3-丁烯酸酐、2,2-二甲基-3-丁烯酸酐、3-甲基-3-丁烯酸酐、2-甲基-3-甲基-3-丁烯酸酐、2,2-二甲基-3-甲基-3-丁烯酸酐、3-戊烯酸酐、4-戊烯酸酐、2-环戊烯羧酸酐、3-环戊烯羧酸酐、4-环戊烯羧酸酐、丙炔酸酐、3-苯基丙炔酸酐、2-丁炔酸酐、2-戊炔酸酐、3-丁炔酸酐、3-戊炔酸酐、4-戊炔酸酐、苯甲酸酐、4-甲基苯甲酸酐、4-乙基苯甲酸酐、4-叔丁基苯甲酸酐、2-甲基苯甲酸酐、2,4,6-三甲基苯甲酸酐、1-萘甲酸酐、2-萘甲酸酐、氟乙酸酐、二氟乙酸酐、三氟乙酸酐、2-氟丙酸酐、2,2-二氟丙酸酐、2,3-二氟丙酸酐、2,2,3-三氟丙酸酐、2,3,3-三氟丙酸酐、2,2,3,3-四氟丙酸酐、2,3,3,3-四氟丙酸酐、3-氟丙酸酐、3,3-二氟丙酸酐、3,3,3-三氟丙酸酐、全氟丙酸酐、2-氟环戊烷羧酸酐、3-氟环戊烷羧酸酐、4-氟环戊烷羧酸酐、2-氟丙烯酸酐、3-氟丙烯酸酐、2,3-二氟丙烯酸酐、3,3-二氟丙烯酸酐、2,3,3-三氟丙烯酸酐、2-(三氟甲基)丙烯酸酐、3-(三氟甲基)丙烯酸酐、2,3-双(三氟甲基)丙烯酸酐、2,3,3-三(三氟甲基)丙烯酸酐、2-(4-氟苯基)丙烯酸酐、3-(4-氟苯基)丙烯酸酐、2,3-双(4-氟苯基)丙烯酸酐、3,3-双(4-氟苯基)丙烯酸酐、2-氟-3-丁烯酸酐、2,2-二氟-3-丁烯酸酐、3-氟-2-丁烯酸酐、4-氟-3-丁烯酸酐、3,4-二氟-3-丁烯酸酐、3,3,4-三氟-3-丁烯酸酐、3-氟-2-丙炔酸酐、3-(4-氟苯基)-2-丙炔酸酐、3-(2,3,4,5,6-五氟苯基)-2-丙炔酸酐、4-氟-2-丁炔酸酐、4,4-二氟-2-丁炔酸酐、4,4,4-三氟-2-丁炔酸酐、4-氟苯甲酸酐、2,3,4,5,6-五氟苯甲酸酐、4-三氟甲基苯甲酸酐、烷基乙二酸酐、2-氰基乙酸酐、2-氧代丙酸酐、3-氧代丁酸酐、4-乙酰基苯甲酸酐、甲氧基乙酸酐、4-甲氧基苯甲酸酐、乙酸丙酸酐、乙酸丁酸酐、丁酸丙酸酐、乙酸2-甲基丙酸酐、乙酸环戊酸酐、乙酸环己酸酐、环戊酸丙酸酐、乙酸丙烯酸酐、乙酸3-甲基丙烯酸酐、乙酸3-丁烯酸酐、丙烯酸丙酸酐、乙酸丙炔酸酐、乙酸2-丁炔酸酐、乙酸3-丁炔酸酐、乙酸3-苯基丙炔酸酐、丙酸丙炔酸酐、乙酸苯甲酸酐、乙酸4-甲基苯甲酸酐、乙酸1-萘甲酸酐、苯甲酸丙酸酐、乙酸氟乙酸酐、乙酸三氟乙酸酐、乙酸4-氟苯甲酸酐、氟乙酸丙酸酐、乙酸烷基乙二酸酐、乙酸2-氰基乙酸酐、乙酸2-氧代丙酸酐、乙酸甲氧基乙酸酐、甲氧基乙酸丙酸酐、环戊酸环己酸酐、丙烯酸环戊酸酐、3-甲基丙烯酸环戊酸酐、3-丁烯酸环戊酸酐、丙烯酸环己酸酐、丙炔酸环戊酸酐、2-丁炔酸环戊酸酐、丙炔酸环己酸酐、苯甲酸环戊酸酐、4-甲基苯甲酸环戊酸酐、苯甲酸环己酸酐、氟乙酸环戊酸酐、环戊酸三氟乙酸酐、环戊酸2-氰基乙酸酐、环戊酸甲氧基乙酸酐、环己酸氟乙酸酐、丙烯酸2-甲基丙烯酸酐、丙烯酸3-甲基丙烯酸酐、丙烯酸3-丁烯酸酐、2-甲基丙烯酸3-甲基丙烯酸酐、丙烯酸丙炔酸酐、丙烯酸2-丁炔酸酐、2-甲基丙烯酸丙炔酸酐、丙烯酸苯甲酸酐、丙烯酸4-甲基苯甲酸酐、2-甲基丙烯酸苯甲酸酐、丙烯酸氟乙酸酐、丙烯酸三氟乙酸酐、丙烯酸2-氰基乙酸酐、丙烯酸甲氧基乙酸酐、2-甲基丙烯酸氟乙酸酐、丙炔酸2-丁炔酸酐、丙炔酸3-丁炔酸酐、2-丁炔酸3-丁炔酸酐、苯甲酸丙炔酸酐、4-甲基苯甲酸丙炔酸酐、苯甲酸2-丁炔酸酐、丙炔酸氟乙酸酐、丙炔酸三氟乙酸酐、丙炔酸2-氰基乙酸酐、丙炔酸甲氧基乙酸酐、2-丁炔酸氟乙酸酐、苯甲酸4-甲基苯甲酸酐、苯甲酸1-萘甲酸酐、4-甲基苯甲酸1-萘甲酸酐、苯甲酸氟乙酸酐、苯甲酸三氟乙酸酐、苯甲酸2-氰基乙酸酐、苯甲酸甲氧基乙酸酐、4-甲基苯甲酸氟乙酸酐、氟乙酸三氟乙酸酐、氟乙酸2-氰基乙酸酐、氟乙酸甲氧基乙酸酐、三氟乙酸2-氰基乙酸酐、甲磺酸酐、乙磺酸酐、丙磺酸酐、丁磺酸酐、戊磺酸酐、乙烯基磺酸酐、烯丙基磺酸酐、苯磺酸酐、甲苯磺酸酐等链状酸酐;
琥珀酸酐、4-甲基琥珀酸酐、4,4-二甲基琥珀酸酐、4,5-二甲基琥珀酸酐、4,4,5-三甲基琥珀酸酐、4,4,5,5-四甲基琥珀酸酐、4-乙烯基琥珀酸酐、4,5-二乙烯基琥珀酸酐、4-苯基琥珀酸酐、4,5-二苯基琥珀酸酐、4,4-二苯基琥珀酸酐、柠康酸酐、戊烯二酸酐、马来酸酐、4-甲基马来酸酐、4,5-二甲基马来酸酐、4-苯基马来酸酐、4,5-二苯基马来酸酐、衣康酸酐、5-甲基衣康酸酐、5,5-二甲基衣康酸酐、邻苯二甲酸酐、3,4,5,6-四氢邻二甲酸酸酐、环己烷-1,2-二羧酸酸酐、4-环己烯-1,2-二羧酸酐、戊二酸酐、戊烯二酸酐、5-降冰片烯-2,3-二羧酸酐、环戊烷四羧酸二酐、均苯四酸二酐、二乙醇酸酐、5-(2,5-二氧代四氢呋喃基)-3-甲基-3-环己烯-1,2-二羧酸酐、4-氟琥珀酸酐、4,4-二氟琥珀酸酐、4,5-二氟琥珀酸酐、4,4,5-三氟琥珀酸酐、4,4,5,5-四氟琥珀酸酐、4-氟马来酸酐、4,5-二氟马来酸酐、5-氟衣康酸酐、5,5-二氟衣康酸酐等环状酸酐;以及
它们的类似物等。
其中,优选环状酸酐,这是由于,可认为环状酸酐可与具有氟原子的环状碳酸酯或具有碳-碳不饱和键的环状碳酸酯形成良好的被膜,从而表现出特别优异的电池性能。其中,更优选形成5元环结构的酸酐。此外,特别优选一分子内具有多个酸酐骨架的化合物。
需要说明的是,酸酐的分子量没有限制,只要不明显损害本发明的效果,则可以为任意的分子量,但通常为90以上。另外,酸酐的分子量的上限没有特别限制,但由于分子量增大时非水电解液粘性存在上升的趋势,因此为350以下、优选为320以下、更优选为300以下。
另外,酸酐的制造方法也没有特别限制,可以任意选择公知的方法来制造。
上述酸酐可以单独使用一种,也可以以任意的组合和比例组合2种以上使用。
另外,特定化合物在本发明的非水电解液中的配合量没有特别限制,在不明显损害本发明的效果的范围内可以为任意的配合量,但相对于本发明的非水电解液,其含有浓度通常为0.01重量%以上、优选为0.1重量%以上,并且通常为5重量%以下、优选为3重量%以下。如果低于该范围的下限,则在将本发明的非水电解液用于非水电解质电池的情况下,该非水电解质电池有时难以表现出充分的循环特性提高效果,另外,如果超过该上限,则非水电解液内的反应性上升,上述非水电解质电池的电池特性有时会降低。
<异氰酸酯化合物>
作为异氰酸酯化合物,只要是分子内具有异氰酸酯基的化合物即可,其种类没有特别限定。
作为异氰酸酯化合物的具体例子,可以举出例如:
甲基异氰酸酯、乙基异氰酸酯、丙基异氰酸酯、异丙基异氰酸酯、丁基异氰酸酯、叔丁基异氰酸酯、戊基异氰酸酯、己基异氰酸酯、环己基异氰酸酯、乙烯基异氰酸酯、烯丙基异氰酸酯、乙炔基异氰酸酯、丙炔基异氰酸酯、苯基异氰酸酯、氟苯基异氰酸酯等单异氰酸酯化合物;
单亚甲基二异氰酸酯、二亚甲基二异氰酸酯、三亚甲基二异氰酸酯、四亚甲基二异氰酸酯、五亚甲基二异氰酸酯、六亚甲基二异氰酸酯、七亚甲基二异氰酸酯、八亚甲基二异氰酸酯、九亚甲基二异氰酸酯、十亚甲基二异氰酸酯、1,3-亚丙基二异氰酸酯、1,4-二异氰酸酯-2-丁烯、1,4-二异氰酸酯-2-氟丁烷、1,4-二异氰酸酯-2,3-二氟丁烷、1,5-二异氰酸酯-2-戊烯、1,5-二异氰酸酯-2-甲基戊烷、1,6-二异氰酸酯-2-己烯、1,6-二异氰酸酯-3-己烯、1,6-二异氰酸酯-3-氟己烷、1,6-二异氰酸酯-3,4-二氟己烷、甲苯二异氰酸酯、二甲苯二异氰酸酯、亚苄基二异氰酸酯、1,2-双(异氰酸酯基甲基)环己烷、1,3-双(异氰酸酯基甲基)环己烷、1,4-双(异氰酸酯基甲基)环己烷、1,2-二异氰酸酯环己烷、1,3-二异氰酸酯环己烷、1,4-二异氰酸酯环己烷、二环己基甲烷-1,1’-ジ异氰酸酯、二环己基甲烷-2,2’-ジ异氰酸酯、二环己基甲烷-3,3’-二异氰酸酯、二环己基甲烷-4,4’-ジ异氰酸酯、双环[2.2.1]庚烷-2,5-二基双(甲基异氰酸酯)、双环[2.2.1]庚烷-2,6-二基双(甲基异氰酸酯)、异佛尔酮二异氰酸酯、碳酰二异氰酸酯、1,4-亚丁基二异氰酸酯-1,4-二酮、1,5-亚戊基二异氰酸酯-1,5-二酮、2,2,4-三甲基六亚甲基二异氰酸酯、2,4,4-三甲基六亚甲基二异氰酸酯等二异氰酸酯化合物;等等。
其中,从提高非水电解质电池的保存特性方面考虑,优选单亚甲基二异氰酸酯、二亚甲基二异氰酸酯、三亚甲基二异氰酸酯、四亚甲基二异氰酸酯、五亚甲基二异氰酸酯、六亚甲基二异氰酸酯、七亚甲基二异氰酸酯、八亚甲基二异氰酸酯、九亚甲基二异氰酸酯、十亚甲基二异氰酸酯、十二亚甲基二异氰酸酯、1,3-双(异氰酸酯基甲基)环己烷、二环己基甲烷-4,4’-二异氰酸酯、双环[2.2.1]庚烷-2,5-二基双(甲基异氰酸酯)、双环[2.2.1]庚烷-2,6-二基双(甲基异氰酸酯)、异佛尔酮二异氰酸酯、2,2,4-三甲基六亚甲基二异氰酸酯、2,4,4-三甲基六亚甲基二异氰酸酯。
此外,具有异氰酸酯基的化合物可以单独使用一种,也可以以任意的组合和比例组合2种以上使用。
具有异氰酸酯基的化合物在本发明的非水电解液全体中的配合量没有限制,在不明显损害本发明的效果的范围内可以为任意的配合量,但相对于本发明的非水电解液,其含有浓度通常为0.001质量%以上、优选为0.1质量%以上、更优选为0.3质量%以上、并且通常为10质量%以下、优选为5质量%以下、更优选为3质量%以下。
在满足上述范围的情况下,本发明的非水电解质电池的输出特性、负载特性、低温特性、循环特性、高温保存特性等效果进一步提高。
<环状磺酸酯>
作为环状磺酸酯,只要是具有环状结构的磺酸酯即可,对其种类并无特殊限制。
作为环状磺酸酯的具体例,可列举例如:
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-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-丙烯-1,3-磺酸内酯、2-丙烯-1,3-磺酸内酯、1-氟-1-丙烯-1,3-磺酸内酯、2-氟-1-丙烯-1,3-磺酸内酯、3-氟-1-丙烯-1,3-磺酸内酯、1-氟-2-丙烯-1,3-磺酸内酯、2-氟-2-丙烯-1,3-磺酸内酯、3-氟-2-丙烯-1,3-磺酸内酯、1-甲基-1-丙烯-1,3-磺酸内酯、2-甲基-1-丙烯-1,3-磺酸内酯、3-甲基-1-丙烯-1,3-磺酸内酯、1-甲基-2-丙烯-1,3-磺酸内酯、2-甲基-2-丙烯-1,3-磺酸内酯、3-甲基-2-丙烯-1,3-磺酸内酯、1,4-丁磺酸内酯、1-氟-1,4-丁磺酸内酯、2-氟-1,4-丁磺酸内酯、3-氟-1,4-丁磺酸内酯、4-氟-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-丁烯-1,4-磺酸内酯、2-丁烯-1,4-磺酸内酯、3-丁烯-1,4-磺酸内酯、1-氟-1-丁烯-1,4-磺酸内酯、2-氟-1-丁烯-1,4-磺酸内酯、3-氟-1-丁烯-1,4-磺酸内酯、4-氟-1-丁烯-1,4-磺酸内酯、1-氟-2-丁烯-1,4-磺酸内酯、2-氟-2-丁烯-1,4-磺酸内酯、3-氟-2-丁烯-1,4-磺酸内酯、4-氟-2-丁烯-1,4-磺酸内酯、1-氟-3-丁烯-1,4-磺酸内酯、2-氟-3-丁烯-1,4-磺酸内酯、3-氟-3-丁烯-1,4-磺酸内酯、4-氟-3-丁烯-1,4-磺酸内酯、1-甲基-1-丁烯-1,4-磺酸内酯、2-甲基-1-丁烯-1,4-磺酸内酯、3-甲基-1-丁烯-1,4-磺酸内酯、4-甲基-1-丁烯-1,4-磺酸内酯、1-甲基-2-丁烯-1,4-磺酸内酯、2-甲基-2-丁烯-1,4-磺酸内酯、3-甲基-2-丁烯-1,4-磺酸内酯、4-甲基-2-丁烯-1,4-磺酸内酯、1-甲基-3-丁烯-1,4-磺酸内酯、2-甲基-3-丁烯-1,4-磺酸内酯、3-甲基-3-丁烯-1,4-磺酸内酯、4-甲基-3-丁烯-1,4-磺酸内酯、1,5-戊磺酸内酯、1-氟-1,5-戊磺酸内酯、2-氟-1,5-戊磺酸内酯、3-氟-1,5-戊磺酸内酯、4-氟-1,5-戊磺酸内酯、5-氟-1,5-戊磺酸内酯、1-甲基-1,5-戊磺酸内酯、2-甲基-1,5-戊磺酸内酯、3-甲基-1,5-戊磺酸内酯、4-甲基-1,5-戊磺酸内酯、5-甲基-1,5-戊磺酸内酯、1-戊烯-1,5-磺酸内酯、2-戊烯-1,5-磺酸内酯、3-戊烯-1,5-磺酸内酯、4-戊烯-1,5-磺酸内酯、1-氟-1-戊烯-1,5-磺酸内酯、2-氟-1-戊烯-1,5-磺酸内酯、3-氟-1-戊烯-1,5-磺酸内酯、4-氟-1-戊烯-1,5-磺酸内酯、5-氟-1-戊烯-1,5-磺酸内酯、1-氟-2-戊烯-1,5-磺酸内酯、2-氟-2-戊烯-1,5-磺酸内酯、3-氟-2-戊烯-1,5-磺酸内酯、4-氟-2-戊烯-1,5-磺酸内酯、5-氟-2-戊烯-1,5-磺酸内酯、1-氟-3-戊烯-1,5-磺酸内酯、2-氟-3-戊烯-1,5-磺酸内酯、3-氟-3-戊烯-1,5-磺酸内酯、4-氟-3-戊烯-1,5-磺酸内酯、5-氟-3-戊烯-1,5-磺酸内酯、1-氟-4-戊烯-1,5-磺酸内酯、2-氟-4-戊烯-1,5-磺酸内酯、3-氟-4-戊烯-1,5-磺酸内酯、4-氟-4-戊烯-1,5-磺酸内酯、5-氟-4-戊烯-1,5-磺酸内酯、1-甲基-1-戊烯-1,5-磺酸内酯、2-甲基-1-戊烯-1,5-磺酸内酯、3-甲基-1-戊烯-1,5-磺酸内酯、4-甲基-1-戊烯-1,5-磺酸内酯、5-甲基-1-戊烯-1,5-磺酸内酯、1-甲基-2-戊烯-1,5-磺酸内酯、2-甲基-2-戊烯-1,5-磺酸内酯、3-甲基-2-戊烯-1,5-磺酸内酯、4-甲基-2-戊烯-1,5-磺酸内酯、5-甲基-2-戊烯-1,5-磺酸内酯、1-甲基-3-戊烯-1,5-磺酸内酯、2-甲基-3-戊烯-1,5-磺酸内酯、3-甲基-3-戊烯-1,5-磺酸内酯、4-甲基-3-戊烯-1,5-磺酸内酯、5-甲基-3-戊烯-1,5-磺酸内酯、1-甲基-4-戊烯-1,5-磺酸内酯、2-甲基-4-戊烯-1,5-磺酸内酯、3-甲基-4-戊烯-1,5-磺酸内酯、4-甲基-4-戊烯-1,5-磺酸内酯、5-甲基-4-戊烯-1,5-磺酸内酯等磺酸内酯化合物;
硫酸亚甲酯、硫酸亚乙酯、硫酸亚丙酯等硫酸酯化合物;
甲烷二磺酸亚甲酯、甲烷二磺酸亚乙酯等二磺酸酯化合物;
1,2,3-氧杂四氢噻唑(oxathiazolidine)-2,2-二氧化物、3-甲基-1,2,3-氧杂四氢噻唑-2,2-二氧化物、3H-1,2,3-氧杂噻唑(oxathiazole)-2,2-二氧化物、5H-1,2,3-氧杂噻唑-2,2-二氧化物、1,2,4-氧杂四氢噻唑-2,2-二氧化物、4-甲基-1,2,4-氧杂四氢噻唑-2,2-二氧化物、3H-1,2,4-氧杂噻唑-2,2-二氧化物、5H-1,2,4-氧杂噻唑-2,2-二氧化物、1,2,5-氧杂四氢噻唑-2,2-二氧化物、5-甲基-1,2,5-氧杂四氢噻唑-2,2-二氧化物、3H-1,2,5-氧杂噻唑-2,2-二氧化物、5H-1,2,5-氧杂噻唑-2,2-二氧化物、1,2,3-氧杂噻嗪烷(oxathiazinane)-2,2-二氧化物、3-甲基-1,2,3-氧杂噻嗪烷-2,2-二氧化物、5,6-二氢-1,2,3-氧杂噻嗪(oxathiazin)-2,2-二氧化物、1,2,4-氧杂噻嗪烷-2,2-二氧化物、4-甲基-1,2,4-氧杂噻嗪烷-2,2-二氧化物、5,6-二氢-1,2,4-氧杂噻嗪-2,2-二氧化物、3,6-二氢-1,2,4-氧杂噻嗪-2,2-二氧化物、3,4-二氢-1,2,4-氧杂噻嗪-2,2-二氧化物、1,2,5-氧杂噻嗪烷-2,2-二氧化物、5-甲基-1,2,5-氧杂噻嗪烷-2,2-二氧化物、5,6-二氢-1,2,5-氧杂噻嗪-2,2-二氧化物、3,6-二氢-1,2,5-氧杂噻嗪-2,2-二氧化物、3,4-二氢-1,2,5-氧杂噻嗪-2,2-二氧化物、1,2,6-氧杂噻嗪烷-2,2-二氧化物、6-甲基-1,2,6-氧杂噻嗪烷-2,2-二氧化物、5,6-二氢-1,2,6-氧杂噻嗪-2,2-二氧化物、3,4-二氢-1,2,6-氧杂噻嗪-2,2-二氧化物、5,6-二氢-1,2,6-氧杂噻嗪-2,2-二氧化物等含氮化合物;
1,2,3-氧硫磷杂戊环(oxathiaphosrane)-2,2-二氧化物、3-甲基-1,2,3-氧硫磷杂戊环-2,2-二氧化物、3-甲基-1,2,3-氧硫磷杂戊环-2,2,3-三氧化物、3-甲氧基-1,2,3-氧硫磷杂戊环-2,2,3-三氧化物、1,2,4-氧硫磷杂戊环-2,2-二氧化物、4-甲基-1,2,4-氧硫磷杂戊环-2,2-二氧化物、4-甲基-1,2,4-氧硫磷杂戊环-2,2,4-三氧化物、4-甲氧基-1,2,4-氧硫磷杂戊环-2,2,4-三氧化物、1,2,5-氧硫磷杂戊环-2,2-二氧化物、5-甲基-1,2,5-氧硫磷杂戊环-2,2-二氧化物、5-甲基-1,2,5-氧硫磷杂戊环-2,2,5-三氧化物、5-甲氧基-1,2,5-氧硫磷杂戊环-2,2,5-三氧化物、1,2,3-氧硫磷杂己环(oxathiaphosphinane)-2,2-二氧化物、3-甲基-1,2,3-氧硫磷杂己环-2,2-二氧化物、3-甲基-1,2,3-氧硫磷杂己环-2,2,3-三氧化物、3-甲氧基-1,2,3-氧硫磷杂己环-2,2,3-三氧化物、1,2,4-氧硫磷杂己环-2,2-二氧化物、4-甲基-1,2,4-氧硫磷杂己环-2,2-二氧化物、4-甲基-1,2,4-氧硫磷杂己环-2,2,3-三氧化物、4-甲基-1,5,2,4-二氧硫磷杂己环-2,4-二氧化物、4-甲氧基-1,5,2,4-二氧硫磷杂己环-2,4-二氧化物、3-甲氧基-1,2,4-氧硫磷杂己环-2,2,3-三氧化物、1,2,5-氧硫磷杂己环-2,2-二氧化物、5-甲基-1,2,5-氧硫磷杂己环-2,2-二氧化物、5-甲基-1,2,5-氧硫磷杂己环-2,2,3-三氧化物、5-甲氧基-1,2,5-氧硫磷杂己环-2,2,3-三氧化物、1,2,6-氧硫磷杂己环-2,2-二氧化物、6-甲基-1,2,6-氧硫磷杂己环-2,2-二氧化物、6-甲基-1,2,6-氧硫磷杂己环-2,2,3-三氧化物、6-甲氧基-1,2,6-氧硫磷杂己环-2,2,3-三氧化物等含磷化合物;等等。
其中,从提高非水电解质电池的保存特性的观点考虑,优选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-丙烯-1,3-磺酸内酯、1-氟-1-丙烯-1,3-磺酸内酯、2-氟-1-丙烯-1,3-磺酸内酯、3-氟-1-丙烯-1,3-磺酸内酯、1,4-丁磺酸内酯、甲烷二磺酸亚甲酯、甲烷二磺酸亚乙酯,更优选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-丙烯-1,3-磺酸内酯。
环状磺酸酯可以单独使用一种,也可以以任意的组合和比例组合2种以上使用。对于环状磺酸酯在本发明的全部非水电解液中的配合量并无限制,在不明显破坏本发明效果的范围内可以为任意配合量,但相对于本发明的非水电解液,环状磺酸酯的含有浓度通常为0.001质量%以上、优选为0.1质量%以上、更优选为0.3质量%以上,且通常为10质量%以下、优选为5质量%以下、更优选为3质量%以下。满足上述范围的情况下,可以进一步提高本发明的非水电解质电池的输出特性、负载特性、低温特性、循环特性、高温保存特性等效果。
<式(1)所示的化合物以外的腈化合物>
作为式(1)所示的化合物以外的腈化合物,只要是分子内具有腈基的式(1)所示的化合物以外的化合物即可,对其种类没有特别限定。
作为式(1)所示的化合物以外的腈化合物的具体例子,可以举出例如:
乙腈、丙腈、丁腈、异丁腈、戊腈、异戊腈、月桂腈、2-甲基丁腈、三甲基乙腈、己腈、环戊甲腈、环己甲腈、丙烯腈、甲基丙烯腈、巴豆腈、3-甲基巴豆腈、2-甲基-2-丁烯腈、2-戊烯腈、2-甲基-2-戊烯腈、3-甲基-2-戊烯腈、2-己烯腈、氟乙腈、二氟乙腈、三氟乙腈、2-氟丙腈、3-氟丙腈、2,2-二氟丙腈、2,3-二氟丙腈、3,3-二氟丙腈、2,2,3-三氟丙腈、3,3,3-三氟丙腈、3,3’-氧联二丙腈、3,3’-硫联二丙腈、1,2,3-丙三甲腈、1,3,5-戊三甲腈、五氟丙腈等具有一个腈基的化合物;
丙二腈、丁二腈、戊二腈、己二腈、庚二腈、辛二腈、壬二腈、癸二腈、十一烷二腈、十二烷二腈、甲基丙二腈、乙基丙二腈、异丙基丙二腈、叔丁基丙二腈、甲基丁二腈、2,2-二甲基丁二腈、2,3-二甲基丁二腈、2,3,3-三甲基丁二腈、2,2,3,3-四甲基丁二腈、2,3-二乙基-2,3-二甲基丁二腈、2,2-二乙基-3,3-二甲基丁二腈、双环己基-1,1-二腈、双环己基-2,2-二腈、双环己基-3,3-二腈、2,5-二甲基-2,5-己二腈、2,3-二异丁基-2,3-二甲基丁二腈、2,2-二异丁基-3,3-二甲基丁二腈、2-甲基戊二腈、2,3-二甲基戊二腈、2,4-二甲基戊二腈、2,2,3,3-四甲基戊二腈、2,2,4,4-四甲基戊二腈、2,2,3,4-四甲基戊二腈、2,3,3,4-四甲基戊二腈、顺丁烯二腈、反丁烯二腈、1,4-二氰基戊烷、2,6-二氰基庚烷、2,7-二氰基辛烷、2,8-二氰基壬烷、1,6-二氰基癸烷、1,2-二氰基苯、1,3-二氰基苯、1,4-二氰基苯、3,3’-(亚乙基二氧)二丙腈、3,3’-(亚乙基二硫)二丙腈等具有2个腈基的化合物;
环己烷三甲腈、三氰基乙基胺、三氰基乙氧基丙烷、三氰基乙烯、戊三甲腈、丙三甲腈、庚三甲腈等具有三个氰基的化合物;等等。
这些当中,从提高保存特性方面考虑,优选月桂腈、巴豆腈、丁二腈、戊二腈、2-甲基戊二腈、己二腈、庚二腈、辛二腈、壬二腈、癸二腈、十一烷二腈、十二烷二腈、反丁烯二腈。另外,更优选具有2个腈基的化合物。
式(1)所示的化合物以外的腈化合物可以单独使用一种,也可以以任意的组合和比例组合2种以上使用。式(1)所示的化合物以外的腈化合物在本发明的非水电解液全体中的配合量没有限制,在不明显损害本发明效果的范围内可以是任意的配合量,相对于本发明的非水电解液,式(1)所示的化合物以外的腈化合物的含有浓度通常为0.001质量%以上、优选为0.1质量%以上、更优选为0.3质量%以上,并且通常为10质量%以下、优选为5质量%以下、更优选为3质量%以下。满足上述范围的情况下,可以进一步提高非水电解质电池的输出特性、负载特性、低温特性、循环特性、高温保存特性等效果。
1-3.电解质
<锂盐>
作为本发明的非水电解液中的电解质,可使用锂盐。作为上述锂盐,只要是在该用途中使用的公知的锂盐就没有特别限制,可以任意使用,具体可举出以下的锂盐。
可以举出例如:LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAlF4、LiSbF6、LiTaF6、LiWF7等无机锂盐;LiWOF5等钨酸锂类;
HCO2Li、CH3CO2Li、CH2FCO2Li、CHF2CO2Li、CF3CO2Li、CF3CH2CO2Li、CF3CF2CO2Li、CF3CF2CF2CO2Li、CF3CF2CF2CF2CO2Li等羧酸锂盐类;
FSO3Li、CH3SO3Li、CH2FSO3Li、CHF2SO3Li、CF3SO3Li、CF3CF2SO3Li、CF3CF2CF2SO3Li、CF3CF2CF2CF2SO3Li等磺酸锂盐类;
LiN(FCO)2、LiN(FCO)(FSO2)、LiN(FSO2)2、LiN(FSO2)(CF3SO2)、LiN(CF3SO2)2、LiN(C2F5SO2)2、环状1,2-全氟乙烷二磺酰亚胺锂、环状1,3-全氟丙烷二磺酰亚胺锂、LiN(CF3SO2)(C4F9SO2)等酰亚胺锂盐类;
LiC(FSO2)3、LiC(CF3SO2)3、LiC(C2F5SO2)3等甲基化锂盐类;
二氟草酸根合硼酸锂、双(草酸根合)硼酸锂等草酸根合硼酸锂盐类;
四氟草酸根合磷酸锂、二氟双(草酸根合)磷酸锂、三(草酸根合)磷酸锂等草酸根合磷酸锂盐类;
以及LiPF4(CF3)2、LiPF4(C2F5)2、LiPF4(CF3SO2)2、LiPF4(C2F5SO2)2、LiBF3CF3、LiBF3C2F5、LiBF3C3F7、LiBF2(CF3)2、LiBF2(C2F5)2、LiBF2(CF3SO2)2、LiBF2(C2F5SO2)2等含氟有机锂盐类;等等。
其中,LiPF6、LiBF4、LiSbF6、LiTaF6、FSO3Li、CF3SO3Li、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盐、环状1,3-全氟丙烷二磺酰亚胺锂盐、LiC(FSO2)3、LiC(CF3SO2)3、LiC(C2F5SO2)3、双(草酸根合)硼酸锂、二氟草酸根合硼酸锂、四氟草酸根合磷酸锂、二氟双(草酸根合)磷酸锂、LiBF3CF3、LiBF3C2F5、LiPF3(CF3)3、LiPF3(C2F5)3等由于具有使输出特性及高速充放电特性、高温保存特性、循环特性等提高的效果,因此特别优选。
这些锂盐可以单独使用,也可以将两种以上组合使用。作为将两种以上组合使用的情况下的优选例,可以将LiPF6和LiBF4、或LiPF6和FSO3Li等组合使用,此时具有提高非水电解质电池的负载特性及循环特性的效果。
此时,相对于非水电解液总量100质量%,LiBF4或FSO3Li的浓度并无限制,在不明显破坏本发明效果的范围内可以为任意浓度,但相对于本发明的非水电解液,通常为0.01质量%以上、优选为0.1质量%以上,且通常为30质量%以下、优选为20质量%以下。
另外,作为其它例,可以将无机锂盐和有机锂盐组合使用,将这两者组合使用时,具有抑制由高温保存引起的劣化的效果。作为有机锂盐,优选为CF3SO3Li、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、LiC(FSO2)3、LiC(CF3SO2)3、LiC(C2F5SO2)3、双(草酸根合)硼酸锂、二氟草酸根合硼酸锂、四氟草酸根合磷酸锂、二氟双(草酸根合)磷酸锂、LiBF3CF3、LiBF3C2F5、LiPF3(CF3)3、LiPF3(C2F5)3等。此时,相对于非水电解液总量100质量%,有机锂盐的比例优选为0.1质量%以上、特别优选为0.5质量%以上,且优选为30质量%以下、特别优选为20质量%以下。
在不损害本发明效果的范围内,上述锂盐在非水电解液中的浓度并无特殊限制,但从使电解液的电导率达到良好的范围、确保良好的电池性能方面考虑,非水电解液中锂的总摩尔浓度优选为0.3mol/L以上、更优选为0.4mol/L以上、进一步优选为0.5mol/L以上,且优选为3mol/L以下、更优选为2.5mol/L以下、进一步优选为2.0mol/L以下。
如果锂的总摩尔浓度过低,则可能导致电解液的电导率不充分,另一方面,如果其浓度过高,则可能会因粘度上升而导致电导率下降,进而引起电池性能降低。
1-4.非水系有机溶剂
对于本发明中的非水系有机溶剂没有特别限制,可以使用公知的有机溶剂。作为这样的有机溶剂的例子,可以举出不具有氟原子的环状碳酸酯、链状碳酸酯、环状及链状羧酸酯、醚化合物、环状磺酸酯以外的砜类化合物等。需要说明的是,这些当中,相当于式(1)的化合物在本说明书中作为式(1)所示的化合物。
<不具有氟原子的环状碳酸酯>
作为不具有氟原子的环状碳酸酯,可以举出具有碳原子数2~4的亚烷基的环状碳酸酯。
作为具有碳原子数2~4的亚烷基且不含氟原子的环状碳酸酯的具体例,可列举碳酸亚乙酯、碳酸亚丙酯、碳酸亚丁酯。其中,从由锂离子离解度的提高引起的电池特性提高方面考虑,特别优选碳酸亚乙酯和碳酸亚丙酯。
不含氟原子的环状碳酸酯可以单独使用一种,也可以以任意组合及比例将两种以上组合使用。
不含氟原子的环状碳酸酯的配合量并无特殊限制,在不明显破坏本发明效果的范围内可以为任意配合量,在水系有机溶剂100体积%中,其配合量为5体积%以上,更优选为10体积%以上。通过使其配合量在该范围内,可以避免由非水电解液的介电常数降低而引起的电导率下降,容易使非水电解质电池的大电流放电特性、相对于负极的稳定性、循环特性达到良好的范围。另外,其配合量通常为95体积%以下、优选为90体积%以下、更优选为85体积%以下。通过使其配合量在该范围内,容易使非水电解液的粘度达到适当范围,抑制离子传导度的降低,进而使非水电解质电池的负载特性达到良好的范围。
<链状碳酸酯>
作为链状碳酸酯,优选碳原子数3~7的链状碳酸酯、更优选碳原子数3~7的碳酸二烷基酯。
作为链状碳酸酯的具体例,可列举: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、碳酸甲基正丁基酯、碳酸甲基异丁基酯、碳酸甲基叔丁基酯、碳酸乙基正丙基酯、碳酸乙基正丁基酯、碳酸乙基异丁基酯、碳酸乙基叔丁基酯等。
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,特别优选碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯。
另外,还可优选使用具有氟原子的链状碳酸酯类(以下,有时记作“氟代链状碳酸酯”)。
氟代链状碳酸酯所具有的氟原子的个数为1个以上即可,并无特殊限制,但通常为6个以下、优选为4个以下。氟代链状碳酸酯具有多个氟原子的情况下,它们可以彼此键合在同一个碳上,也可以键合在不同的碳上。
作为氟代链状碳酸酯,可列举氟代碳酸二甲酯及其衍生物、氟代碳酸甲乙酯及其衍生物、氟代碳酸二乙酯及其衍生物等。
作为氟代碳酸二甲酯及其衍生物,可列举:氟甲基甲基碳酸酯、二氟甲基甲基碳酸酯、三氟甲基甲基碳酸酯、双(氟甲基)碳酸酯、双(二氟甲基)碳酸酯、双(三氟甲基)碳酸酯等。
作为氟代碳酸甲乙酯及其衍生物,可列举:2-氟乙基甲基碳酸酯、乙基氟甲基碳酸酯、2,2-二氟乙基甲基碳酸酯、2-氟乙基氟甲基碳酸酯、乙基二氟甲基碳酸酯、2,2,2-三氟乙基甲基碳酸酯、2,2-二氟乙基氟甲基碳酸酯、2-氟乙基二氟甲基碳酸酯、乙基三氟甲基碳酸酯等。
作为氟代碳酸二乙酯及其衍生物,可列举:乙基(2-氟乙基)碳酸酯、乙基(2,2-二氟乙基)碳酸酯、双(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、双(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、双(2,2,2-三氟乙基)碳酸酯等。
链状碳酸酯可以单独使用一种,也可以以任意组合及比例将两种以上组合使用。
在非水系有机溶剂100体积%中,链状碳酸酯的配合量优选为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。通过设定上述下限,容易使本发明的非水电解液的粘度达到适当范围,抑制离子传导度的降低,进而易于使非水电解质电池的大电流放电特性达到良好的范围。另外,在非水溶剂100体积%中,链状碳酸酯优选为90体积%以下、更优选为85体积%以下。通过设定上述上限,可以避免由非水电解液的介电常数降低而引起的电导率下降,容易使非水电解质电池的大电流放电特性达到良好的范围。
<环状羧酸酯>
作为环状羧酸酯,优选碳原子数为3~12的环状羧酸酯。
具体可列举:γ-丁内酯、γ-戊内酯、γ-己内酯、ε-己内酯等。其中,从锂离子离解度的提高带来的电池特性提高方面考虑,特别优选γ-丁内酯。
环状羧酸酯可以单独使用一种,也可以以任意组合及比例将两种以上组合使用。
通常,在非水系有机溶剂100体积%中,环状羧酸酯的配合量优选为5体积%以上、更优选为10体积%以上。通过使其配合量在该范围内,易于改善本发明的非水电解液的电导率、提高非水电解质电池的大电流放电特性。另外,环状羧酸酯的配合量优选为50体积%以下、更优选为40体积%以下。通过设定上述上限,可以使非水电解液的粘度达到适当的范围,避免电导率的降低、抑制负极电阻的增大、容易使非水电解质二次电池的大电流放电特性达到良好的范围。
<链状羧酸酯>
作为链状羧酸酯,优选碳原子数为3~7的链状羧酸酯。具体可列举: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,从粘度降低而引起的离子传导度的提高方面考虑,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。
链状羧酸酯可以单独使用一种,也可以以任意组合及比例将两种以上组合使用。
通常,在非水系有机溶剂100体积%中,链状羧酸酯的配合量优选为10体积%以上、更优选为15体积%以上。通过设定上述下限,易于改善本发明的非水电解液的电导率、提高非水电解质电池的大电流放电特性。另外,在非水系有机溶剂100体积%中,链状羧酸酯的配合量优选为60体积%以下、更优选为50体积%以下。通过设定上述上限,容易抑制负极电阻的增大、使非水电解质电池的大电流放电特性、循环特性达到良好的范围。
<醚类化合物>
作为醚类化合物,优选部分氢任选被氟取代的碳原子数3~10的链状醚、及碳原子数3~6的环状醚。
作为碳原子数3~10的链状醚,可以举出: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、二正丙基醚、(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、二正丁基醚、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、乙二醇二正丙基醚、乙二醇二正丁基醚、二乙二醇二甲醚等。
作为碳原子数3~6的环状醚,可列举:四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃、3-甲基四氢呋喃、1,3-二氧杂戊环、2-甲基-1,3-二氧杂戊环、4-甲基-1,3-二氧杂戊环、1,4-二氧杂戊环等、以及它们的氟代化合物。
其中,从对锂离子的溶剂化能力高、使离子离解性提高方面考虑,优选二甲氧基甲烷、二乙氧基甲烷、乙氧基甲氧基甲烷、乙二醇二正丙基醚、乙二醇二正丁基醚、二乙二醇二甲基醚,从粘性低、且可赋予高的离子传导度方面考虑,特别优选二甲氧基甲烷、二乙氧基甲烷、乙氧基甲氧基甲烷。
醚类化合物可以单独使用一种,也可以以任意组合及比例将两种以上组合使用。
通常,在非水系有机溶剂100体积%中,醚类化合物的配合量优选为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,且优选为70体积%以下、更优选为60体积%以下、进一步优选为50体积%以下。
如果醚类化合物的配合量在该范围内,容易确保醚类化合物的锂离子离解度的提高和降低粘度所带来的离子传导度的提高效果,在负极活性物质为碳质材料的情况下,易于避免醚类化合物与锂离子一起发生共嵌入而导致容量下降的问题。
<砜类化合物>
作为砜类化合物,优选碳原子数3~6的环状砜及碳原子数2~6的链状砜。优选1分子砜类化合物中的磺酰基的数目为1或2。
作为碳原子数3~6的环状砜,可列举:
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,有时将包含环丁砜在内记为“环丁砜类”)。作为环丁砜衍生物,优选构成环丁砜环的碳原子上键合的1个以上氢原子被氟原子、烷基取代而得到的环丁砜衍生物。
其中,从离子传导度高、输入输出特性高方面考虑,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,作为碳原子数2~6的链状砜,可列举: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,从离子传导度高、输入输出特性高方面考虑,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。
砜类化合物可以单独使用一种,也可以以任意组合及比例将两种以上组合使用。
通常,在非水系有机溶剂100体积%中,砜类化合物的配合量优选为0.3体积%以上、更优选为1体积%以上、进一步优选为5体积%以上,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。
如果其配合量在该范围内,则容易获得非水电解质电池的循环特性及保存特性等耐久性的提高效果,另外,能够使非水电解液的粘度达到适当范围、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的问题。
<使用具有氟原子的环状碳酸酯作为非水系有机溶剂的情况>
本发明中,在使用上述说明的具有氟原子的环状碳酸酯作为非水系有机溶剂的情况下,作为具有氟原子的环状碳酸酯以外的非水系有机溶剂,可以将上述列举的非水系有机溶剂中的一种与具有氟原子的环状碳酸酯组合使用,也可以将上述列举的非水系有机溶剂中的2种以上与具有氟原子的环状碳酸酯组合使用。
例如,作为非水系有机溶剂的优选组合之一,可以举出具有氟原子的环状碳酸酯与链状碳酸酯为主体的组合。其中,具有氟原子的环状碳酸酯与链状碳酸酯的总计在非水系有机溶剂中所占的比例优选为60体积%以上、更优选为80体积%以上、进一步优选为90体积%以上,并且,具有氟原子的环状碳酸酯在具有氟原子的环状碳酸酯与链状碳酸酯的总计中所占的比例为3体积%以上、优选为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60体积%以下、更优选为50体积%以下、进一步优选为40体积%以下、特别优选为35体积%以下。
如果使用这些非水系有机溶剂的组合,则使用其制作的非水电解质电池的循环特性和高温保存特性(特别是高温保存后的残存容量及高负载放电容量)的平衡有时变得良好。
例如,作为具有氟原子的环状碳酸酯与链状碳酸酯的优选组合的具体例子,可以举出:单氟碳酸亚乙酯和碳酸二甲酯、单氟碳酸亚乙酯和碳酸二乙酯、单氟碳酸亚乙酯和碳酸甲乙酯、单氟碳酸亚乙酯和碳酸二甲酯和碳酸二乙酯、单氟碳酸亚乙酯和碳酸二甲酯和碳酸甲乙酯、单氟碳酸亚乙酯和碳酸二乙酯和碳酸甲乙酯、单氟碳酸亚乙酯和碳酸二甲酯和碳酸二乙酯和碳酸甲乙酯等。
在具有氟原子的环状碳酸酯与链状碳酸酯的组合中,更优选包含对称链状烷基碳酸酯类作为链状碳酸酯的组合,特别是单氟碳酸亚乙酯和碳酸二甲酯和碳酸甲乙酯、单氟碳酸亚乙酯和碳酸二乙酯和碳酸甲乙酯、单氟碳酸亚乙酯和碳酸二甲酯和碳酸二乙酯和碳酸甲乙酯这样的含有单氟碳酸亚乙酯和对称链状碳酸酯类和非对称链状碳酸酯类的组合,由于循环特性和大电流放电特性的平衡良好,故优选。其中,优选对称链状碳酸酯类为碳酸二甲酯,另外,链状碳酸酯的烷基优选碳原子数为1~2。
这些具有氟原子的环状碳酸酯和链状碳酸酯类的组合中,作为优选的组合,还可以列举在上述具有氟原子的环状碳酸酯和链状碳酸酯类的组合中进一步加入不具有氟原子的环状碳酸酯的组合。其中,具有氟原子的环状碳酸酯和不具有氟原子的环状碳酸酯的总量在非水系有机溶剂中所占的比例优选为10体积%以上、更优选为15体积%以上、进一步优选为20体积%以上,并且,具有氟原子的环状碳酸酯在具有氟原子的环状碳酸酯和不具有氟原子的环状碳酸酯的总量中所占的比例为5体积%以上、优选为10体积%以上、更优选为15体积%以上、进一步优选为25体积%以上,且优选为95体积%以下、更优选为85体积%以下、进一步优选为75体积%以下、特别优选为60体积%以下。
在该浓度范围内含有不具有氟原子的环状碳酸酯时,能够在负极形成稳定的保护被膜,同时可以保持电解液的电导率。
作为具有氟原子的环状碳酸酯和不具有氟原子的环状碳酸酯和链状碳酸酯的优选组合的具体例子,可以举出:单氟碳酸亚乙酯和碳酸亚乙酯和碳酸二甲酯、单氟碳酸亚乙酯和碳酸亚乙酯和碳酸二乙酯、单氟碳酸亚乙酯和碳酸亚乙酯和碳酸甲乙酯、单氟碳酸亚乙酯和碳酸亚乙酯和碳酸二甲酯和碳酸二乙酯、单氟碳酸亚乙酯和碳酸亚乙酯和碳酸二甲酯和碳酸甲乙酯、单氟碳酸亚乙酯和碳酸亚乙酯和碳酸二乙酯和碳酸甲乙酯、单氟碳酸亚乙酯和碳酸亚乙酯和碳酸二甲酯和碳酸二乙酯和碳酸甲乙酯、单氟碳酸亚乙酯和碳酸亚丙酯和碳酸二甲酯、单氟碳酸亚乙酯和碳酸亚丙酯和碳酸二乙酯、单氟碳酸亚乙酯和碳酸亚丙酯和碳酸甲乙酯、单氟碳酸亚乙酯和碳酸亚丙酯和碳酸二甲酯和碳酸二乙酯、单氟碳酸亚乙酯和碳酸亚丙酯和碳酸二甲酯和碳酸甲乙酯、单氟碳酸亚乙酯和碳酸亚丙酯和碳酸二乙酯和碳酸甲乙酯、单氟碳酸亚乙酯和碳酸亚丙酯和碳酸二甲酯和碳酸二乙酯和碳酸甲乙酯、单氟碳酸亚乙酯和碳酸亚乙酯和碳酸亚丙酯和碳酸二甲酯、单氟碳酸亚乙酯和碳酸亚乙酯和碳酸亚丙酯和碳酸二乙酯、单氟碳酸亚乙酯和碳酸亚乙酯和碳酸亚丙酯和碳酸甲乙酯、单氟碳酸亚乙酯和碳酸亚乙酯和碳酸亚丙酯和碳酸二甲酯和碳酸二乙酯、单氟碳酸亚乙酯和碳酸亚乙酯和碳酸亚丙酯和碳酸二甲酯和碳酸甲乙酯、单氟碳酸亚乙酯和碳酸亚乙酯和碳酸亚丙酯和碳酸二乙酯和碳酸甲乙酯、单氟碳酸亚乙酯和碳酸亚乙酯和碳酸亚丙酯和碳酸二甲酯和碳酸二乙酯和碳酸甲乙酯等。
具有氟原子的环状碳酸酯和不具有氟原子的环状碳酸酯和链状碳酸酯的组合中,更优选含有对称链状烷基碳酸酯类作为链状碳酸酯的组合,特别是单氟碳酸亚乙酯和碳酸亚乙酯和碳酸二甲酯和碳酸甲乙酯、单氟碳酸亚乙酯和碳酸亚丙酯和碳酸二甲酯和碳酸甲乙酯、单氟碳酸亚乙酯和碳酸亚乙酯和碳酸亚丙酯和碳酸二甲酯和碳酸甲乙酯、单氟碳酸亚乙酯和碳酸亚乙酯和碳酸二乙酯和碳酸甲乙酯、单氟碳酸亚乙酯和碳酸亚丙酯和碳酸二乙酯和碳酸甲乙酯、单氟碳酸亚乙酯和碳酸亚乙酯和碳酸亚丙酯和碳酸二乙酯和碳酸甲乙酯、单氟碳酸亚乙酯和碳酸亚乙酯和碳酸二甲酯和碳酸二乙酯和碳酸甲乙酯、单氟碳酸亚乙酯和碳酸亚丙酯和碳酸二甲酯和碳酸二乙酯和碳酸甲乙酯、单氟碳酸亚乙酯和碳酸亚乙酯和碳酸亚丙酯和碳酸二甲酯和碳酸二乙酯和碳酸甲乙酯这样的含有单氟碳酸亚乙酯和对称链状碳酸酯类和非对称链状碳酸酯类的组合,其循环特性和大电流放电特性的平衡良好,因此优选。其中,对称链状碳酸酯类优选为碳酸二甲酯,另外,链状碳酸酯的烷基优选碳原子数为1~2。
非水系有机溶剂中含有碳酸二甲酯的情况下,碳酸二甲酯在全部非水系有机溶剂中所占的比例优选为10体积%以上、更优选为20体积%以上、进一步优选为25体积%以上、特别优选为30体积%以上,且优选为90体积%以下、更优选为80体积%以下、进一步优选为75体积%以下、特别优选为70体积%以下,如果以上述范围含有碳酸二甲酯,则有时会提高非水电解质电池的负载特性。
其中,通过含有碳酸二甲酯和碳酸甲乙酯、且使碳酸二甲酯的含有比例比碳酸甲乙酯的含有比例多,可以保持非水电解液的电导率,同时可能会使高温保存后的电池特性提高,故优选。
从提高非水电解液的电导率及提高保存后的电池特性方面考虑,全部非水系有机溶剂中碳酸二甲酯与碳酸甲乙酯的体积比(碳酸二甲酯/碳酸甲乙酯)优选为1.1以上、更优选为1.5以上、进一步优选为2.5以上。
从提高低温下的电池特性方面考虑,上述体积比(碳酸二甲酯/碳酸甲乙酯)优选为40以下、更优选为20以下、进一步优选为10以下、特别优选为8以下。
在上述以具有氟原子的环状碳酸酯和链状碳酸酯为主体的组合中,除了上述不具有氟原子的环状碳酸酯以外,还可以混合环状羧酸酯类、链状羧酸酯类、环状醚类、链状醚类、含硫有机溶剂、含磷有机溶剂、含氟芳香族溶剂等其它溶剂。
<使用具有氟原子的环状碳酸酯作为助剂的情况>
本发明中,在使用具有氟原子的环状碳酸酯作为助剂的情况下,作为具有氟原子的环状碳酸酯以外的非水系有机溶剂,可以单独使用一种上述列举的非水系有机溶剂,也可以以任意的组合和比例组合2种以上使用。
例如,作为非水系有机溶剂的优选组合之一,可以举出以不具有氟原子的环状碳酸酯和链状碳酸酯为主体的组合。
其中,不具有氟原子的环状碳酸酯和链状碳酸酯的总量在非水系有机溶剂中所占的比例优选为70体积%以上、更优选为80体积%以上、进一步优选为90体积%以上,另外,不具有氟原子的环状碳酸酯在环状碳酸酯和链状碳酸酯的总量中所占的比例优选为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,且优选为50体积%以下、更优选为35体积%以下、进一步优选为30体积%以下、特别优选为25体积%以下。
如果使用这些非水系有机溶剂的组合,则使用其制作的非水电解质电池的循环特性和高温保存特性(特别是高温保存后的残存容量及高负载放电容量)的平衡有时变得良好。
例如,作为不具有氟原子的环状碳酸酯和链状碳酸酯的优选组合的具体例子,可以举出:碳酸亚乙酯和碳酸二甲酯、碳酸亚乙酯和碳酸二乙酯、碳酸亚乙酯和碳酸甲乙酯、碳酸亚乙酯和碳酸二甲酯和碳酸二乙酯、碳酸亚乙酯和碳酸二甲酯和碳酸甲乙酯、碳酸亚乙酯和碳酸二乙酯和碳酸甲乙酯、碳酸亚乙酯和碳酸二甲酯和碳酸二乙酯和碳酸甲乙酯等。
在不具有氟原子的环状碳酸酯和链状碳酸酯的组合中,更优选含有非对称链状烷基碳酸酯类作为链状碳酸酯的组合,特别是碳酸亚乙酯和碳酸二甲酯和碳酸甲乙酯、碳酸亚乙酯和碳酸二乙酯和碳酸甲乙酯、碳酸亚乙酯和碳酸二甲酯和碳酸二乙酯和碳酸甲乙酯这样的含有碳酸亚乙酯和对称链状碳酸酯类和非对称链状碳酸酯类的组合,其循环特性和大电流放电特性的平衡良好,因此优选。
其中,优选非对称链状碳酸酯类为碳酸甲乙酯,另外,作为链状碳酸酯的烷基,优选碳原子数为1~2。
作为优选的组合,还可以列举在这些碳酸亚乙酯和链状碳酸酯类的组合中进一步加入碳酸亚丙酯的组合。
在含有碳酸亚丙酯的情况下,碳酸亚乙酯和碳酸亚丙酯的体积比优选为99:1~40:60,特别优选为95:5~50:50。此外,碳酸亚丙酯在全部非水系有机溶剂中所占的比例优选为0.1体积%以上、更优选为1体积%以上、进一步优选为2体积%以上,并且优选为20体积%以下、更优选为8体积%以下、进一步优选为5体积%以下。
以上述浓度范围含有碳酸亚丙酯时,有时能够在保持碳酸亚乙酯和链状碳酸酯的组合的特性的情况下进一步获得优异的低温特性,因此优选。
非水系有机溶剂中含有碳酸二甲酯的情况下,碳酸二甲酯在全部非水系有机溶剂中所占的比例优选为10体积%以上、更优选为20体积%以上、进一步优选为25体积%以上、特别优选为30体积%以上,且优选为90体积%以下、更优选为80体积%以下、进一步优选为75体积%以下、特别优选为70体积%以下,如果以这样的范围含有碳酸二甲酯,则有时会使电池的负载特性提高。
其中,通过含有碳酸二甲酯和碳酸甲乙酯、且使碳酸二甲酯的含有比例比碳酸甲乙酯的含有比例多,可以保持非水电解液的电导率,同时可能会使高温保存后的电池特性提高,故优选。
从提高非水电解液的电导率和提高保存后的非水电解质电池的电池特性方面考虑,全部非水系有机溶剂中碳酸二甲酯与碳酸甲乙酯的体积比(碳酸二甲酯/碳酸甲乙酯)优选为1.1以上,更优选为1.5以上,进一步优选为2.5以上。从提高在低温下的电池特性方面考虑,上述体积比(碳酸二甲酯/碳酸甲乙酯)优选为40以下,更优选为20以下,进一步优选为10以下,特别优选为8以下。
在上述以不具有氟原子的环状碳酸酯和链状碳酸酯为主体的组合中,还可以混合环状羧酸酯类、链状羧酸酯类、环状醚类、链状醚类、含硫有机溶剂、含磷有机溶剂、芳香族含氟溶剂等其它溶剂。
需要说明的是,在本说明书,非水系有机溶剂的体积是在25℃下的测定值,对于如碳酸亚乙酯这样的在25℃下为固体的材料,使用的是在熔点下的测定值。
1-5.助剂
在本发明的非水电解质电池中,除了式(1)所示的化合物以外,还可以根据目的适当使用助剂。作为助剂,可以举出以下所示的具有氟原子的不饱和环状碳酸酯、过充电防止剂、其它助剂等。
<氟代不饱和环状碳酸酯>
作为助剂,还优选使用具有不饱和键和氟原子的环状碳酸酯(以下,有时记载为“氟代不饱和环状碳酸酯”)。氟代不饱和环状碳酸酯所具有的氟原子的个数只要为1以上即可,没有特别限制。其中,氟原子通常为6以下、优选为4以下,最优选为1或2的氟代不饱和环状碳酸酯。
作为氟代不饱和环状碳酸酯,可以举出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,可以举出: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,可以举出: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,作为特别优选用来与式(1)的化合物组合使用的氟代不饱和环状碳酸酯,可以举出: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。由于这些氟代不饱和环状碳酸酯可形成稳定的界面保护被膜,因此更适宜使用。
氟代不饱和环状碳酸酯的分子量并无特殊限制,在不明显破坏本发明效果的范围内可以为任意分子量。其分子量优选为50以上且250以下。如果分子量在上述范围内,则容易确保氟代环状碳酸酯在非水电解液中的溶解性,易于充分表现出本发明的效果。
氟代不饱和环状碳酸酯的制造方法并无特殊限制,可任意选择公知的方法来制造。其分子量更优选为100以上、且更优选为200以下。
氟代不饱和环状碳酸酯可以单独使用一种,也可以以任意的组合和比例组合2种以上使用。另外,氟代不饱和环状碳酸酯的配合量没有特别限制,只要不明显损害本发明的效果,则可以为任意的配合量。
在非水电解液100质量%中,氟代不饱和环状碳酸酯的配合量通常优选为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。
如果为该范围内,则非水电解质电池容易表现出充分的循环特性提高效果,另外,容易避免高温保存特性下降、气体产生量增多、放电容量保持率下降这样的问题。
<过充电防止剂>
为了有效地抑制非水电解质电池达到过充电等状态时电池发生的破裂、起火,可以在本发明的非水电解液中使用过充电防止剂。
作为过充电防止剂,可列举:联苯、烷基联苯、联三苯、联三苯的部分氢化物、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;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、联三苯、联三苯的部分氢化物、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。
这些化合物可以单独使用一种,也可以将两种以上组合使用。将两种以上组合使用的情况下,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;或将选自联苯、烷基联苯、联三苯、联三苯的部分氢化物、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一种与选自二苯基醚、二苯并呋喃等含氧芳香族化合物中的至少一种组合使用。
过充电防止剂的配合量并无特殊限制,在不明显破坏本发明果的范围内可以为任意配合量。在非水电解液100质量%中,过充电防止剂优选为0.1质量%以上、且优选为5质量%以下。在该范围内时,容易充分显示出过充电防止剂的效果,另外,还容易避免高温保存特性等电池特性降低的问题。
过充电防止剂的配合量更优选为0.2质量%以上、进一步优选为0.3质量%以上、特别优选为0.5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;
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]十一碳烷等螺环化合物;
亚硫酸乙二醇酯、氟磺酸甲酯、氟磺酸乙酯、甲磺酸甲酯、甲磺酸乙酯、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、乙烯基磺酸甲酯、乙烯基磺酸乙酯、乙烯基磺酸烯丙酯、乙烯基磺酸炔丙酯、烯丙基磺酸甲酯、烯丙基磺酸乙酯、烯丙基磺酸烯丙酯、烯丙基磺酸炔丙酯、1,2-双(乙烯基磺酰氧基)乙烷等含硫化合物;
1-甲基-2-吡咯烷酮、1-甲基-2-哌啶酮、3-甲基-2-唑啉酮、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;
亚磷酸三甲酯、亚磷酸三乙酯、亚磷酸三苯酯、磷酸三甲酯、磷酸三乙酯、磷酸三苯酯、甲基膦酸二甲酯、乙基膦酸二乙酯、乙烯基膦酸二甲酯、乙烯基膦酸二乙酯、二乙基膦酰基乙酸乙酯、二甲基次膦酸甲酯、二乙基次膦酸乙酯、三甲基氧化膦、三乙基氧化膦等含磷化合物;
庚烷、辛烷、壬烷、癸烷、环庚烷等烃化合物;
一氟苯、二氟苯、六氟苯、三氟甲苯等含氟芳香族化合物;等等。
这些助剂可以单独使用一种,也可以将两种以上组合使用。通过添加这些助剂,可以提高本发明的非水电解质电池在高温保存后的容量保持特性及循环特性。
其它助剂的配合量并无特殊限制,在不明显破坏本发明效果的范围内可以为任意配合量。在非水电解液100质量%中,其它助剂优选为0.01质量%以上且5质量%以下。在该范围内时,容易充分显示出其它助剂的效果,还容易避免高负载放电特性等电池特性降低的问题。其它助剂的配合量更优选为0.1质量%以上、进一步优选为0.2质量%以上,且更优选为3质量%以下、进一步优选为1质量%以下。
上述记载的非水电解液也包括存在于本发明的非水电解质电池内部的电解液。
具体而言,还包括下述情况:另外合成锂盐及溶剂、助剂等非水电解液的构成要素,实质上由分离的构成要素来制备非水电解液,并利用下述记载的方法注入到另外组装得到的电池内而获得非水电解质电池内的非水电解液的情况;将本发明的非水电解液的构成要素分别放入到电池内并在电池内混合,由此获得与本发明的非水电解液相同的组成的情况;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,从而获得与本发明的非水电解液同样的组成的情况。
2.电池构成
在非水电解质电池中,本发明的非水电解液适合用于二次电池用途、例如适合作为锂二次电池的电解液使用。以下,针对使用了本发明的非水电解液的非水电解质电池进行说明。
本发明的非水电解质电池可采用公知的结构,典型结构是具备能够吸留和放出离子(例如锂离子)的负极和正极、以及上述本发明的非水电解液的结构。
2-1.负极
作为负极活性物质,只要是能够电化学地吸留和放出锂离子的物质即可,并无特殊限制。作为其具体例,可列举碳质材料、合金类材料、含锂金属复合氧化物材料等。这些物质可以单独使用一种,也可以任意将两种以上组合使用。
<负极活性物质>
上述碳质材料中,作为可被用作负极活性物质的碳质材料,选自下述(1)~(4)中的碳质材料可获得初期不可逆容量、高电流密度充放电特性的良好平衡,因此优选。
(1)天然石墨;
(2)在400~3200℃的范围内对人造碳质物质及人造石墨质物质进行一次以上热处理而得到的碳质材料;
(3)负极活性物质层由具有不同结晶性的至少两种碳质构成、或者进一步具有其不同结晶性的碳质相接的界面的碳质材料;
(4)负极活性物质层由具有不同取向性的至少两种碳质构成、或者进一步具有其不同取向性的碳质相接的界面的碳质材料。
另外,上述(1)~(4)的碳质材料可以单独使用一种,也可以以任意组合及比例将两种以上组合使用。
作为上述(2)的人造碳质物质以及人造石墨质物质的具体例,可列举:天然石墨、煤类焦炭、石油类焦炭、煤类沥青、石油类沥青或对这些沥青进行氧化处理而得到的物质、针状焦、沥青焦炭或将它们部分石墨化而得到的碳材料、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、或它们的碳化物、或者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而得到的溶液或它们的碳化物等。
作为可用作负极活性物质的合金类材料,只要能够吸留和放出锂即可,可以是锂单质、用以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、硫化物及磷化物等化合物中的任意化合物,没有特别限制。
作为用以形成锂合金的单质金属及合金,优选为包含第13族及第14族的金属/半金属元素(即,除碳以外)的材料,更优选为铝、硅及锡(以下,有时记作“特定金属元素”)的单质金属及包含这些原子的合金或化合物。
这些材料可以单独使用一种,也可以以任意组合及比例将两种以上组合使用。
作为具有选自特定金属元素中的至少一种原子的负极活性物质,可列举:任意一种特定金属元素的金属单质、由两种以上特定金属元素形成的合金、由一种或两种以上特定金属元素与其它一种或两种以上金属元素形成的合金、以及含有一种或两种以上特定金属元素的化合物、或者该化合物的氧化物、碳化物、氮化物、硅化物、硫化物或磷化物等复合化合物。
作为负极活性物质,通过使用这些金属单质、合金或金属化合物,可以实现电池的高容量化。
作为上述复合化合物,可列举与金属单质、合金或非金属元素等多种元素复杂结合而形成的化合物。具体而言,对于例如硅、锡而言,可以使用由这些元素与不会作为负极工作的金属形成的合金。对于锡的情况,还可以使用由锡和除硅以外的作为负极发挥作用的金属、以及不会作为负极工作的金属、及非金属元素组合而得到的包含5~6种元素这样的复杂化合物。
在上述负极活性物质中,从制成电池时每单位质量的容量大方面考虑,优选任意一种特定金属元素的金属单质、两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,特别是,从每单位质量的容量及对环境造成的负担的观点考虑,优选硅和/或锡的金属单质、合金、氧化物、碳化物、氮化物等。
作为可用作负极活性物质的含锂金属复合氧化物材料,只要能够吸留和放出锂即可,并无特殊限制,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,更优选包含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,有时记作“锂钛复合氧化物”)。即,在使非水电解质电池用负极活性物质中含有并使用具有尖晶石结构的锂钛复合氧化物时,输出电阻将大幅降低,因此特别优选。
另外,还优选锂钛复合氧化物中的锂、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中的至少一种元素置换而得到的金属氧化物。
上述金属氧化物是以下述式(A)表示的锂钛复合氧化物,式(A)中,0.7≤x≤1.5、1.5≤y≤2.3、0≤z≤1.6时,锂离子在掺杂/脱掺杂时的结构稳定,因此优选。
LixTiyMzO4···(A)
(式中,M代表选自Na、K、Co、Al、Fe、Ti、Mg、Cr、Ga、Cu、Zn及Nb中的至少一种元素。)
在上述式(A)表示的组成中,下述(a)、(b)、(c)的结构的电池性能的平衡良好,因此特别优选。
(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
作为上述化合物的特别优选的代表性组成,(a)为Li4/3Ti5/3O4、(b)为Li1Ti2O4、(c)为Li4/5Ti11/5O4。另外,作为Z≠0的结构的优选例,可列举例如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,优选具有下述物性的材料。
(X射线参数)
通过采用学振法对碳质材料进行X射线衍射而求出的晶格面(002)的d值(层间距离)优选为0.335nm以上,且通常为0.360nm以下、优选为0.350nm以下、进一步优选为0.345nm以下。另外,通过采用学振法的X射线衍射求出的碳质材料的微晶尺寸(Lc)优选为1.0nm以上,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利用激光衍射/散射法求出的体积基准的平均粒径(中值粒径),其通常为1μm以上、优选为3μm以上、进一步优选为5μm以上、特别优选为7μm以上,且通常为100μm以下、优选为50μm以下、更优选为40μm以下、进一步优选为30μm以下、特别优选为25μm以下。
体积基准平均粒径低于上述范围时,可能会导致不可逆容量增大而引起初期电池容量的损失。此外,超过上述范围时,在通过涂布来制作电极时,容易形成不均匀的涂布面,在电池制作工序中可能是不理想的。
体积基准平均粒径的测定如下进行:使碳粉末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10mL)中,并利用激光衍射/散射式粒度分布计(株式会社堀场制作所制造的LA-700)进行测定。
(拉曼R值、拉曼半峰宽)
碳质材料的拉曼R值是利用氩离子激光拉曼光谱法测定的值,其通常为0.01以上、优选为0.03以上、更优选为0.1以上,且通常为1.5以下、优选为1.2以下、更优选为1以下、特别优选为0.5以下。
此外,碳质材料在1580cm-1附近的拉曼半峰宽没有特殊限制,但通常为10cm-1以上、优选为15cm-1以上,且通常为100cm-1以下、优选为80cm-1以下、更优选为60cm-1以下、特别优选为40cm-1以下。
拉曼R值及拉曼半峰宽是表征碳质材料表面的结晶性的指标,从化学稳定性的观点考虑,优选碳质材料具有适当的结晶性,且该结晶性为不会因充放电而导致Li进入层间的位点消失、即不会导致充电接受性降低的程度。需要说明的是,在将负极活性物质涂布于集电体之后,通过进行压制来对负极进行高密度化的情况下,容易使结晶沿着与电极板平行的方向取向,因此,优选考虑不使充电接受性降低程度的结晶性。拉曼R值或拉曼半峰宽在上述范围内时,可在负极表面形成理想的被膜而使保存特性及循环特性、负载特性提高,并且,能够抑制由与非水电解液反应而导致的效率降低及产生气体。
拉曼光谱的测定如下进行:使用拉曼分光器(日本分光株式会社制造的拉曼分光器),使试样自然落下并填充于测定池(cell)内,对池内样品的表面照射氩离子激光,同时使测定池在与激光垂直的面内旋转。针对得到的拉曼光谱,测定在1580cm-1附近的峰PA的强度Ia、和在1360cm-1附近的峰PB的强度Ib,并计算出其强度比R(R=Ib/Ia)。
上述拉曼分光分析测定条件如下所述。
·氩离子激光波长:514.5nm
·试样上的激光功率:15~25mW
·分辨率:10~20cm-1
·测定范围:1100cm-1~1730cm-1
·拉曼R值、拉曼半峰宽分析:本底(background)处理
·光滑(smoothing)处理:单纯平均、卷积5点(コンボリュション5ポイント,convolution5point)
(BET比表面积)
碳质材料的BET比表面积是采用BET法测定的比表面积的值,其通常为0.1m2·g-1以上、优选为0.7m2·g-1以上、更优选为1.0m2·g-1以上、特别优选为1.5m2·g-1以上,且通常为100m2·g-1以下、优选为25m2·g-1以下、更优选为15m2·g-1以下、特别优选为10m2·g-1以下。
BET比表面积的值在上述范围内时,能够抑制锂在电极表面的析出,同时能够抑制因与非水电解液反应而引起的气体发生。
采用BET法进行的比表面积的测定如下进行:使用表面积计(大仓理研制造的全自动表面积测定装置),在氮气流中、350℃下对试样进行15分钟预干燥,然后使用氮气相对于大气压的相对压力值准确调节为0.3的氮氦混合气体,通过采用气体流动法的氮吸附BET1点法进行测定。
(圆形度)
在测定作为碳质材料的球形程度的圆形度的情况下,优选圆形度在下述范围内。需要说明的是,圆形度定义为:“圆形度=(具有与粒子投影形状相同面积的等效圆的周长)/(粒子投影形状的实际周长)”,当圆形度为1时,成为理论上的真球。
碳质材料的粒径为3~40μm范围内的粒子的圆形度越接近于1越理想,且优选为0.1以上、其中优选为0.5以上、更优选为0.8以上、进一步优选为0.85以上、特别优选为0.9以上。
由于圆形度越大则填充性越高、越能够抑制粒子间的阻抗,因此高电流密度充放电特性越高。因此,圆形度在上述范围内越高越优选。
圆形度的测定使用流动式粒子图像分析装置(Sysmex Industrial公司制造的FPIA)进行。将约0.2g试样分散于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60W的输出功率照射1分钟28kHz的超声波后,指定0.6~400μm为检测范围,对粒径3~40μm范围的粒子进行测定。
对于提高圆形度的方法并无特殊限制,但通过实施球形化处理而使粒子成为球形时,在应用于电极体时可实现粒子间空隙的形状的统一,因此优选。作为球形化处理的实例,可列举通过施加剪切力、压缩力来机械地接近球形的方法、利用粘合剂或粒子本身所具有的附着力进行多个微粒的造粒的机械/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、优选为0.5g·cm-3以上、更优选为0.7g·cm-3以上、特别优选为1g·cm-3以上,且优选为2g·cm-3以下、更优选为1.8g·cm-3以下、特别优选为1.6g·cm-3以下。振实密度在上述范围内时,可以确保电池容量,同时能够抑制粒子间的阻抗增大。
振实密度的测定如下进行:使试样在通过网眼为300μm的筛子后落入20cm3的振实容器中,直到试样充满至容器的上端面之后,利用粉体密度测定器(例如,Seishin企业公司制造的Tap densor)进行1000次冲程长度为10mm的振动,由此时的体积和试样的质量求出振实密度。
(取向比)
碳质材料的取向比通常为0.005以上、优选为0.01以上、更优选为0.015以上,且通常为0.67以下。取向比在上述范围内时,可确保优异的高密度充放电特性。需要说明的是,上述范围的上限是碳质材料的取向比的理论上限值。
取向比是在对试样进行加压成型后利用X射线衍射测定的。将试样0.47g填充在直径17mm的成型机中,在58.8MN·m-2下压缩得到成型体,再用粘土固定测定用试样,使该试样与测定用试样架的面为同一面,从而进行X射线衍射测定。由得到的碳的(110)衍射与(004)衍射的峰强度计算出以(110)衍射峰强度/(004)衍射峰强度表示的比值。
X射线衍射测定条件如下所示。需要说明的是,“2θ”代表衍射角。
·靶:Cu(Kα射线)石墨单色光度仪
·狭缝:
发散狭缝=0.5度
受光狭缝=0.15mm
散射狭缝=0.5度
·测定范围及步进角/计测时间:
(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,且通常为10以下、优选为8以下、更优选为5以下。在上述范围内时,可以抑制在极板化时产生条纹,进而能够实现均匀的涂布,因此可确保优异的高电流密度充放电特性。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。
长径比的测定利用扫描电子显微镜(SEM)对碳质材料的粒子进行放大观察来进行。选择固定在厚度为50μm以下的金属端面上的任意50个石墨粒子,对于这些石墨粒子,分别旋转、倾斜固定有试样的载物台,并测定进行三维观察时观察到的碳质材料粒子的最长粒径A和与其垂直的最短粒径B,求出A/B的平均值。
<负极的构成和制作方法>
在不明显破坏本发明效果的范围内,可以采用任意公知的方法来制造电极。例如,可以通过向负极活性物质中添加粘合剂、溶剂、根据需要而加入的增稠剂、导电材料、填充材料等,制成浆料,并将该浆料涂布在集电体上、使其干燥之后进行压制来形成电极。
另外,使用合金类材料的情况下,还可以采用通过蒸镀法、溅射法、镀敷法等方法来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)
作为用以保持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,可列举例如铝、铜、镍、不锈钢、镀镍钢等金属材料,从加工简易性、成本及离子化倾向小从而不易以金属离子的形式溶出方面考虑,特别优选铜。
此外,作为集电体的形状,当集电体为金属材料的情况下,可列举例如: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、发泡金属等。其中,优选为金属薄膜、更优选为铜箔、进一步优选利用压延法得到的压延铜箔和利用电解法得到的电解铜箔,上述任一种均可以用作集电体。
从确保电池容量、操作性的观点考虑,集电体的厚度通常为1μm以上、优选为5μm以上,且通常为100μm以下、优选为50μm以下。
(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并无特殊限制,“(在即将进行非水电解液注液之前单面上的负极活性物质层厚度)/(集电体的厚度)”的值优选为150以下、更优选为20以下、特别优选为10以下,且优选为0.1以上、更优选为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时,可以保持电池容量、同时还能够抑制在高电流密度充放电时集电体的发热。
(粘结材料(粘合剂))
作为粘结负极活性物质的粘合剂,只要是相对于非水电解液及电极制造时使用的溶剂稳定的材料即可,并无特殊限制。
作为具体例,可列举:
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、聚酰亚胺、纤维素、硝基纤维素等树脂类高分子;
SBR(丁苯橡胶)、异戊二烯橡胶、丁二烯橡胶、氟橡胶、NBR(丁腈橡胶)、乙丙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加氢产物;
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-异戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物或其加氢产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、氟化聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯-乙烯共聚物等氟类高分子;
具有碱金属离子(特别是锂离子)的离子传导性的高分子组合物等。
这些粘合剂可以单独使用一种,也可以以任意组合及比例组合使用两种以上。
粘合剂相对于负极活性物质100质量份的比例优选为0.1质量份以上、更优选为0.5质量份以上、特别优选为0.6质量份以上,且优选为20质量份以下、更优选为15质量份以下、进一步优选为10质量份以下、特别优选为8质量份以下。
粘合剂相对于负极活性物质的比例在上述范围内时,可充分确保电池容量和负电极的强度。
特别是,主要成分中含有以SBR为代表的橡胶状高分子的情况下,相对于负极活性物质100质量份,粘合剂的比例通常为0.1质量份以上、优选为0.5质量份以上、更优选为0.6质量份以上,且通常为5质量份以下、优选为3质量份以下、更优选为2质量份以下。
另外,主要成分中含有以聚偏氟乙烯为代表的氟类高分子的情况下,相对于负极活性物质100质量份,粘合剂的比例通常为1质量份以上、优选为2质量份以上、更优选为3质量份以上,且通常为15质量份以下、、优选为10质量份以下、更优选为8质量份以下。
(浆料形成溶剂)
作为用于形成浆料的溶剂,只要是可以溶解或分散负极活性物质、粘合剂、以及根据需要而使用的增稠剂及导电材料的溶剂即可,对其种类没有特殊限制,可以使用水性溶剂和非水系有机溶剂中的任意溶剂。
作为水性溶剂,可列举水、醇等;作为非水系有机溶剂,可列举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、六甲基磷酰胺、二甲亚砜、苯、二甲苯、喹啉、吡啶、甲基萘、己烷等。
特别是,使用水性溶剂的情况下,优选在使用增稠剂的同时使其中含有分散剂等,并利用SBR等胶乳进行浆料化。需要说明的是,这些溶剂可以单独使用一种,也可以以任意组合及比例组合使用两种以上。
(增稠剂)
增稠剂通常用于调节浆料的粘度。作为增稠剂,并无特殊限制,具体可列举: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。这些增稠剂可以单独使用一种,也可以以任意组合及比例组合使用两种以上。
此外,使用增稠剂的情况下,相对于负极活性物质100质量份,增稠剂的比例通常为0.1质量份以上、优选为0.5质量份以上、更优选为0.6质量份以上,且通常为5质量份以下、优选为3质量份以下、更优选为2质量份以下。增稠剂相对于负极活性物质的比例在上述范围内时,可抑制电池容量的降低及阻抗的增大,并且能够确保良好的涂布性。
(电极密度)
对于将负极活性物质电极化时的电极结构并无特殊限制,但存在于集电体上的活性物质的密度优选为1g·cm-3以上、更优选为1.2g·cm-3以上、特别优选为1.3g·cm-3以上,且优选为2.2g·cm-3以下、更优选为2.1g·cm-3以下、进一步优选为2.0g·cm-3以下、特别优选为1.9g·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,可以防止负极活性物质粒子的破坏,能够抑制初期不可逆容量的增加、非水电解液向集电体/负极活性物质界面附近的浸透性降低引起的高电流密度充放电特性劣化,同时可以抑制电池容量的降低及阻抗的增大。
(负极板的厚度)
负极板的厚度根据所使用的正极板进行设计,并无特殊限制,但减去芯材的金属箔厚度后的复层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,且通常为300μm以下、优选为280μm以下、更优选为250μm以下。
(负极板的表面包覆)
还可以使用在上述负极板的表面附着有与其组成不同的物质的材料。作为表面附着物质,可列举: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、碳酸镁等碳酸盐等。
2-2.正极
<正极活性物质>
以下,针对用于正极的正极活性物质进行说明。
(组成)
作为正极活性物质,只要是能够电化学地吸留和放出锂离子的物质则没有特殊限制,优选例如含有锂和至少一种过渡金属的物质。作为具体例,可列举锂过渡金属复合氧化物、含锂过渡金属磷酸化合物。
作为锂过渡金属复合氧化物的过渡金属,优选V、Ti、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu等,作为具体例,可列举LiCoO2等锂-钴复合氧化物、LiNiO2等锂-镍复合氧化物、LiMnO2、LiMn2O4、Li2MnO4等锂-锰复合氧化物、这些锂过渡金属复合氧化物中作为主体的过渡金属原子的一部分被Na、K、B、F、Al、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Li、Ni、Cu、Zn、Mg、Ga、Zr、Si、Nb、Mo、Sn、W等其它元素置换而得到的氧化物等。
作为经置换而得到的氧化物的具体例,可列举例如:LiNi0.5Mn0.5O2、LiNi0.85Co0.10Al0.05O2、LiNi0.33Co0.33Mn0.33O2、LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2、LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2、LiNi0.45Co0.10Al0.45O2、LiMn1.8Al0.2O4、LiMn1.5Ni0.5O4等。
作为含锂过渡金属磷酸化合物的过渡金属,可列举V、Ti、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu等,作为具体例,可列举例如:LiFePO4、Li3Fe2(PO4)3、LiFeP2O7等磷酸铁类、LiCoPO4等磷酸钴类、这些锂过渡金属磷酸化合物中作为主体的过渡金属原子的一部分被Al、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Li、Ni、Cu、Zn、Mg、Ga、Zr、Nb、Si等其它元素置换而得到的化合物等。
正极活性物质中含有磷酸锂时,可提高连续充电特性,故优选。磷酸锂的使用并无限制,但优选将上述正极活性物质和磷酸锂混合使用。对于所使用的磷酸锂的量而言,相对于上述正极活性物质和磷酸锂的总量,优选为0.1质量%以上、更优选为0.3质量%以上、进一步优选为0.5质量%以上,且优选为10质量%以下、更优选为8质量%以下、进一步优选为5质量%以下。
(表面包覆)
还可以使用在上述正极活性物质的表面附着有与其组成不同的物质的材料。作为表面附着物质,可列举氧化铝、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。
可以通过下述方法使这些表面附着物质附着于该正极活性物质表面:例如,使表面附着物质溶解或悬浮于溶剂中,以使其浸渗添加在正极活性物质中,然后进行干燥的方法;使表面附着物质前体溶解或悬浮于溶剂中,以使其浸渗添加在正极活性物质中,然后通过进行加热等使其反应的方法;将表面附着物质添加到正极活性物质前体中并同时进行烧制的方法;等等。需要说明的是,使碳附着于正极活性物质表面的情况下,还可以采用使碳质以例如活性炭等的形式在之后进行机械附着的方法。
作为表面附着物质的量,相对于正极活性物质,所使用的表面附着物质的质量优选为0.1ppm以上、更优选为1ppm以上、进一步优选为10ppm以上,且优选为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,可以获得抑制电解液在正极活性物质表面发生氧化反应的效果,从而提高电池寿命,但如果附着量过少,则其效果无法充分表现出来,另一方面,如果附着量过多,则会对锂离子的进出造成阻碍,可能会导致界面阻抗增加。
本发明中,在正极活性物质的表面附着有与其组成不同的物质的材料也包括在“正极活性物质”中。
(形状)
正极活性物质的粒子形状可列举以往所使用那样的块状、多面体状、球状、椭球状、板状、针状、柱状等。另外,也可以由初级粒子凝聚而形成次级粒子。
(振实密度)
正极活性物质的振实密度优选为0.5g/cm3以上、更优选为0.8g/cm3以上、进一步优选为1.0g/cm3以上。该正极活性物质的振实密度在上述范围内时,形成正极活性物质层时所需要的分散介质量及导电材料、粘结材料的必要量可得到抑制,其结果,能够确保正极活性物质的填充率及电池容量。
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。振实密度通常越大越优选,其没有特别的上限,但优选为4.0g/cm3以下、更优选为3.7g/cm3以下、进一步优选为3.5g/cm3以下。在上述范围内时,可抑制负载特性的降低。
在本发明中,振实密度通过下述方法求出:将正极活性物质粉末5~10g加入到10ml的玻璃制量筒中,并以约20mm的冲程振实200次,求出此时的粉末填充密度(振实密度)g/cm3。
(中值粒径d50)
正极活性物质粒子的中值粒径d50(初级粒子凝聚形成次级粒子的情况下,为次级粒径)优选为0.3μm以上、更优选为0.5μm以上、进一步优选为0.8μm以上、最优选为1.0μm以上,且优选为30μm以下、更优选为27μm以下、进一步优选为25μm以下、最优选为22μm以下。在上述范围内时,可获得高振实密度品,能够抑制电池性能的降低,并且在进行电池的正极制作、即利用溶剂将活性物质和导电材料、粘合剂等制成浆料并涂布成薄膜状时,能够防止产生条纹等问题。这里,还可以通过将2种以上具有不同中值粒径d50的该正极活性物质混合来进一步提高制成正极时的填充性。
本发明中,中值粒径d50可利用公知的激光衍射/散射式粒度分布测定装置进行测定。使用HORIBA公司制造的LA-920作为粒度分布仪的情况下,使用0.1质量%六偏磷酸钠水溶液作为测定时使用的分散介质,在进行5分钟的超声波分散后,设定测定折射率为1.24来进行测定。
(平均初级粒径)
初级粒子凝聚而形成次级粒子的情况下,作为该正极活性物质的平均初级粒径,优选为0.05μm以上、更优选为0.1μm以上、进一步优选为0.2μm以上,且优选为5μm以下、更优选为4μm以下、进一步优选为3μm以下、最优选为2μm以下。在上述范围内时,可确保粉末填充性及比表面积,能够抑制电池性能的降低,同时还能够通过获得适度的结晶性来确保充放电的可逆性。
本发明中,初级粒径通过使用扫描电子显微镜(SEM)进行观察来测定。具体如下:在倍率10000倍的照片中,针对任意50个初级粒子,求出初级粒子左右的边界线相对于水平方向直线的截距的最长值,再取其平均值而求出初级粒径。
(BET比表面积)
正极活性物质的BET比表面积优选为0.1m2/g以上、更优选为0.2m2/g以上、进一步优选为0.3m2/g以上,且为50m2/g以下、优选为40m2/g以下、进一步优选为30m2/g以下。BET比表面积在上述范围内时,可确保电池性能,同时能够良好地保持正极活性物质的涂布性。
本发明中,将利用下述方法测定的值定义为BET比表面积:利用表面积计(例如,大仓理研制全自动表面积测定装置),在氮气流中、150℃下对试样进行30分钟预干燥,然后使用氮气相对于大气压的相对压力值准确调节为0.3的氮氦混合气体,通过采用气体流动法的氮吸附BET1点法进行测定。
(正极活性物质的制造法)
作为正极活性物质的制造方法,可采用作为无机化合物的制造方法的通常的方法。特别是,可考虑各种方法来制作球状或椭球状的活性物质,例如,将过渡金属的原料物质溶解或粉碎分散于水等溶剂中,边搅拌边调节pH,制成球状的前体并进行回收,根据需要对其进行干燥,然后加入LiOH、Li2CO3、LiNO3等Li源,并在高温下进行烧制,从而获得活性物质。
为了制造正极,可以单独使用上述正极活性物质,也可以以任意组合及比例将具有不同组成的一种以上上述正极活性物质组合使用。此时,作为优选的组合,可列举:LiCoO2与LiMn2O4或该Mn的一部分被其它过渡金属等置换而得到的化合物(例如LiNi0.33Co0.33Mn0.33O2等)的组合、或LiCoO2或该Co的一部分被其它过渡金属等置换而得到的化合物的组合。
<正极的构成和制作方法>
以下,针对正极的构成进行说明。本发明中,正极可通过在集电体上形成含有正极活性物质和粘结材料的正极活性物质层来制作。使用正极活性物质的正极的制造可利用常规方法进行。即,可以将正极活性物质和粘结材料、以及根据需要而使用的导电材料及增稠剂等进行干式混合并制成片状,再将该片状材料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,将该浆料涂布于正极集电体上并进行干燥,由此在集电体上形成正极活性物质层,从而获得正极。
正极活性物质在正极活性物质层中的含量优选为80质量%以上、更优选为82质量%以上、特别优选为84质量%以上。且优选为99质量%以下、更优选为98质量%以下。在上述范围内时,可以确保正极活性物质层中的正极活性物质的电容,同时可以保持正极的强度。
为了提高经过涂布、干燥而得到的正极活性物质层中正极活性物质的填充密度,优选通过手动压机、辊压机等进行压实化。正极活性物质层的密度优选为1.5g/cm3以上、更优选为2g/cm3、进一步优选为2.2g/cm3以上,且优选为5g/cm3以下、更优选为4.5g/cm3以下、进一步优选为4g/cm3以下的范围。在上述范围内时,可以获得良好的充放电特性,同时能够抑制电阻的增大。
(导电材料)
作为导电材料,可任意使用公知的导电材料。作为其具体例,可列举铜、镍等金属材料;天然石墨、人造石墨等石墨(graphite);乙炔黑等炭黑;针状焦等无定形碳等碳材料等。需要说明的是,上述导电材料可单独使用1种,也可以以任意组合及比例将2种以上组合使用。所使用的导电材料在正极活性物质层中的含量通常为0.01质量%以上、优选为0.1质量%以上、更优选为1质量%以上,且通常50质量%以下、优选为30质量%以下、更优选为15质量%以下。在上述范围内时,可确保充分的导电性和电池容量。
(粘结材料)
作为用于制造正极活性物质层的粘结材料,并无特殊限制,采用涂布法的情况下,只要是可溶解或分散于制造电极时所使用的液体介质中的材料即可,作为其具体例,可列举:
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(丁腈橡胶)、氟橡胶、异戊二烯橡胶、丁二烯橡胶、乙丙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加氢产物、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-异戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物或其加氢产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、氟化聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯-乙烯共聚物等氟类高分子;
具有碱金属离子(特别是锂离子)的离子传导性的高分子组合物;等等。
需要说明的是,这些物质可以单独使用一种,也可以以任意组合及比例将两种以上组合使用。
正极活性物质层中粘结材料的比例通常为0.1质量%以上、优选为1质量%以上、进一步优选为1.5质量%以上,且通常80质量%以下、优选为60质量%以下、进一步优选为40质量%以下、最优选为10质量%以下。如果粘结材料的比例过低,则可能无法充分保持正极活性物质,会导致正极的机械强度不足、循环特性等电池性能劣化。另一方面,如果粘结材料的比例过高,则可能导致电池容量或导电性降低。
(浆料形成溶剂)
作为用于形成浆料的溶剂,只要是可以溶解或分散正极活性物质、导电材料、粘结材料、以及根据需要而使用的增稠剂的溶剂即可,对其种类没有特殊限制,可以使用水性溶剂和非水系有机溶剂中的任意溶剂。作为水性溶剂,可列举例如水、醇与水的混合介质等。作为有机类溶剂,可列举例如:
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、二甲亚砜等极性非质子溶剂等。
特别是,使用水性溶剂的情况下,优选使用增稠剂和苯乙烯-丁二烯橡胶(SBR)等胶乳进行浆料化。增稠剂通常可用于调节浆料的粘度。作为增稠剂,并无特殊限制,具体可列举: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。这些增稠剂可以单独使用一种,也可以以任意组合及比例组合使用两种以上。此外,添加增稠剂的情况下,增稠剂相对于活性物质的比例为0.1质量%以上、优选为0.2质量%以上、更优选为0.3质量%以上,且为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,可获得良好的涂布性,同时能够抑制电池容量的降低及阻抗的增大。
(集电体)
作为正极集电体的材质,并无特殊限制,可使用任意公知的材质。作为其具体例,可列举铝、不锈钢、镀镍、钛、钽等金属材料;碳布、碳纸等碳材料。其中,优选金属材料,尤其优选铝。
作为集电体的形状,对于材质为金属材料的情况而言,可列举金属箔、金属圆柱、金属线圈、金属板、金属薄膜、膨胀合金、穿孔金属、发泡金属等;对于材质为碳材料的情况而言,可列举碳板、碳薄膜、碳圆柱等。其中,优选金属薄膜。需要说明的是,薄膜也可适当形成为网状。薄膜可以为任意厚度,但从作为集电体的强度及操作性的观点考虑,通常为1μm以上、优选为3μm以上、更优选为5μm以上,且通常为1mm以下、优选为100μm以下、更优选为50μm以下。
另外,从降低集电体与正极活性物质层的接触电阻的观点考虑,还优选在集电体的表面涂布导电助剂。作为导电助剂,可列举碳、或金、铂、银等贵金属类。
集电体与正极活性物质层的厚度比并无特殊限制,(在即将进行电解液注液之前单面上的正极活性物质层的厚度)/(集电体的厚度)的值优选为20以下、更优选为15以下、最优选为10以下,且优选为0.5以上、更优选为0.8以上、最优选为1以上的范围。超过该范围时,在进行高电流密度充放电时,集电体可能会因焦耳热而产生发热。集电体与正极活性物质层的厚度比在上述范围内时,可抑制在高电流密度充放电时集电体的发热,能够确保电池容量。
(电极面积)
使用本发明的非水电解液的情况下,从高输出且提高高温时的稳定性的观点考虑,相对于电池外装壳体的外表面积,正极活性物质层的面积越大越优选。具体而言,正极的电极面积的总和相对于二次电池的外装表面积以面积比计优选为15倍以上、进一步优选为40倍以上。
所述外装壳体的外表面积是指:对于有底方形形状的情况而言,由除了端子的突起部分之外填充有发电元件的壳体部分的纵、横及厚度的尺寸计算求出的总面积;对于有底圆筒形状的情况而言,将除了端子的突起部分之外填充有发电元件的壳体部分视为圆筒而近似求出的几何表面积。
所述正极的电极面积的总和是指:与包含负极活性物质的复层材料层方向相对的正极复层材料层的几何表面积,对于隔着集电体箔在两面形成有正极复层材料层的结构而言,是指由各个面分别计算出的面积的总和。
(正极板的厚度)
正极板的厚度并无特殊限制,但从高容量且高输出的观点考虑,减去芯材的金属箔厚度后的复层材料层的厚度相对于集电体的单面优选为10μm以上、更优选为20μm以上,且优选为500μm以下、更优选为450μm以下。
(正极板的表面包覆)
还可以使用在上述正极板的表面附着有与其组成不同的物质的材料。作为表面附着物质,可列举氧化铝、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。
2-3.隔板
为了防止短路,通常在正极和负极之间夹入隔板。此时,通常使该隔板中浸渗有本发明的非水电解液后使用。
隔板的材料及形状没有特殊限制,在不明显破坏本发明效果的范围内,可任意采用公知的隔板。其中,可使用由对本发明的非水电解液稳定的材料形成的树脂、玻璃纤维、无机物等,优选使用保液性优异的多孔片或无纺布状形态的材料等。
作为树脂、玻璃纤维隔板的材料,可使用例如聚乙烯、聚丙烯等聚烯烃、芳香族聚酰胺、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。上述材料可单独使用一种,也可以以任意组合及比例将2种以上组合使用。
隔板可以为任意厚度,但通常为1μm以上、优选为5μm以上、更优选为8μm以上,且通常为50μm以下、优选为40μm以下、更优选为30μm以下。在上述范围内时,可确保绝缘性及机械强度,同时能够确保良好的倍率特性等电池性能及能量密度。
使用多孔片、无纺布等多孔材料作为隔板的情况下,隔板的空隙率是任意的,但通常为20%以上、优选为35%以上、更优选为45%以上,且通常为90%以下、优选为85%以下、更优选为75%以下。空隙率在上述范围内时,可确保绝缘性及机械强度,同时能够抑制膜电阻,获得良好的倍率特性。
隔板的平均孔径也是任意的,但通常为0.5μm以下、优选为0.2μm以下,且通常为0.05μm以上。平均孔径超过上述范围时,容易发生短路。平均孔径在上述范围内时,可以防止短路,并且能够抑制膜电阻,获得良好的倍率特性。另一方面,作为无机物的材料,可使用例如氧化铝、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,可使用粒子形状或纤维形状的无机物材料。
作为隔板的形态,可采用无纺布、织布、微多孔膜等薄膜形状。在薄膜形状中,优选使用孔径为0.01~1μm、厚度为5~50μm的薄膜。
除了上述独立的薄膜形状以外,还可以使用下述隔板:使用树脂制粘结材料在正极和/或负极的表层形成含有上述无机物粒子的复合多孔层而得到的隔板。例如,可列举如下:使用氟树脂作为粘结材料,使90%粒径小于1μm的氧化铝粒子在正极的两面形成多孔层。
2-4.电池设计
<电极组>
电极组可以是由上述正极板和负极板隔着上述隔板叠层而成的结构、以及由上述正极板和负极板隔着上述隔板卷绕成螺旋状而得到的结构中的任意结构。电极组的体积在电池内容积中所占的比例(以下称为电极组占有率)通常为40%以上、优选为50%以上,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,可以确保电池容量,同时能够抑制伴随内部压力上升而导致的反复充放电性能及高温保存等特性的降低,进而能够防止气体释放阀工作。
<集电结构>
集电结构没有特殊限制,但优选制成降低配线部分及接合部分电阻的结构。
电极组为上述叠层结构时,优选采用将各电极层的金属芯部分捆在一起并焊接在端子上而形成的结构。由于当有1片电极面积增大时,内部电阻随之增加,因此也优选采用在电极内设置多个端子来降低电阻的方法。电极组为上述卷绕结构时,可以通过在正极和负极上分别设置多个引线结构并捆在端子上来降低内部电阻。
<外装壳体>
作为外装壳体的材质,只要是对使用的非水电解液稳定的物质即可,并无特殊限制。具体而言,可采用:镀镍钢板、不锈钢、铝或铝合金、镁合金等金属类、或树脂与铝箔的叠层膜(层压膜)。从轻质化的观点考虑,优选使用铝或铝合金的金属、层压膜。
在使用金属类的外装壳体中,可列举具有下述结构的壳体:通过激光焊接、电阻焊接、超声波焊接将金属之间相互熔粘而形成的封装密闭结构;或隔着树脂制垫圈使用上述金属类而形成的铆接结构。
在使用上述层压膜的外装外壳中,可列举通过将树脂层之间热熔合而制成的封装密闭结构。为了提高密封性,还可以在上述树脂层之间夹入与层压膜中所使用的树脂不同的树脂。特别是,在通过集电端子将树脂层热熔合来形成密闭结构时,由于金属和树脂之间的接合,优选使用具有极性基团的树脂或导入了极性基团的改性树脂作为夹入到树脂层之间的树脂。此外,外装体的形状也是任意的,可以是例如圆筒形、方形、层压型、硬币形、大型等中的任意形状。
<保护元件>
作为保护元件,可使用在异常发热或过大电流流过时电阻增加的PTC(PositiveTemperature Coefficient,正温度系数)、热敏电阻、温度熔断器、在异常发热时通过使电池内部压力或内部温度急剧上升而切断在电路中流过的电流的阀(电流切断阀)等。
上述保护元件优选选择在高电流的常规使用中不工作的条件的元件,更优选设计成即使不存在保护元件也不至于发生异常发热或热逃逸的形式。