CN106415910A - 非水系电解液和使用了该非水系电解液的非水系电解液二次电池 - Google Patents

非水系电解液和使用了该非水系电解液的非水系电解液二次电池 Download PDF

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Abstract

本发明的课题在于提供一种在非水系电解液二次电池中可同时改善初期的电池特性和耐久试验后的电池特性的非水系电解液、以及使用了该非水系电解液的非水系电解液二次电池。本发明涉及一种非水系电解液,其为具备能够吸藏和释放金属离子的正极和负极的非水系电解液二次电池用的非水系电解液,其特征在于,该非水系电解液在含有电解质和非水溶剂的同时,还含有式(1)所表示的芳香族羧酸酯,或者含有(I)式(2)所表示的芳香族羧酸酯和(II)选自由含氟环状碳酸酯、含硫有机化合物、膦酸酯、具有氰基的有机化合物、具有异氰酸酯基的有机化合物、含硅化合物、式(2)以外的芳香族化合物、式(3)所表示的羧酸酯、具有2个以上醚键的环状化合物、单氟磷酸盐、二氟磷酸盐、硼酸盐、草酸盐和氟磺酸盐组成的组中的至少一种化合物;涉及一种非水系电解液二次电池,其为具备能够吸藏和释放锂离子的负极和正极、以及包含电解质和非水溶剂的非水系电解液的非水系电解液二次电池,该非水系电解液为上述的非水系电解液。

Description

非水系电解液和使用了该非水系电解液的非水系电解液二次 电池
技术领域
本发明涉及非水系电解液和使用了该非水系电解液的非水系电解液二次电池。
背景技术
在从移动电话、笔记本电脑等所谓民生用的电源到汽车用等驱动用车载电源的广泛用途中,锂二次电池等非水系电解液二次电池不断地被实用化。但是,近年来对非水系电解液二次电池的高性能化要求越来越高,特别是希望改善高容量、低温使用特性、高温保存特性、循环特性、过充电时安全性等各种电池特性。
在非水系电解液二次电池中使用的电解液通常主要由电解质和非水溶剂构成。作为非水溶剂的主要成分,使用碳酸亚乙酯、碳酸亚丙酯等环状碳酸酯;碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯等链状碳酸酯;γ-丁内酯、γ-戊内酯等环状羧酸酯等。
为了改良这样的非水系电解液二次电池的负荷特性、循环特性、保存特性等电池特性,或者提高过充电时的电池的安全性,对非水溶剂、电解质、添加剂进行了各种研究。
专利文献1~10中提出了下述方法,该方法通过在电解液中混合苯甲酸甲酯、苯甲酸乙酯、丙酸苯酯、乙酸苯酯、乙酸苄酯等芳香族酯,可以提高电池的能量密度、长期耐久性、高温保存气体抑制性、低温特性等。
专利文献11中提出了下述技术,该技术通过使用添加了特定的羧酸芳香族酯的电解液,可以提高过充电时的电池的安全性。
专利文献12中提出了下述技术,该技术通过在非水电解液中含有特定的羧酸芳香族酯化合物,可以不降低电池的容量而抑制高温保存时的电池膨胀。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本专利03463407号公报
专利文献2:日本专利03893627号公报
专利文献3:日本特开平10-255836号公报
专利文献4:日本特开2000-268831号公报
专利文献5:日本特开2005-347222号公报
专利文献6:日本专利02963898号公报
专利文献7:日本专利4051947号公报
专利文献8:日本特开2001-297790号公报
专利文献9:日本特开2002-033121号公报
专利文献10:日本特开2003-338277号公报
专利文献11:日本特开2000-058112号公报
专利文献12:日本特开2000-173650号公报
专利文献13:WO2014/003165号公报
发明内容
发明要解决的课题
对于使用了专利文献1~13中记载的含有兼具芳香族基团和酯基的化合物的电解液的非水系电解液二次电池来说,由于化合物的反应性的高度,存在难以同时提高初期容量、效率、倍率特性和初期气体量等初期的电池特性以及高温保存后的容量、效率、倍率特性和过充电时的安全性等耐久试验后的电池特性的问题。
本发明是为了解决上述问题而进行的,其课题在于提供一种在非水系电解液二次电池中可同时改善初期的电池特性和耐久试验后的电池特性的非水系电解液、以及使用了该非水系电解液的非水系电解液二次电池。
用于解决课题的方案
本发明人为了达到上述目的反复进行了各种研究,结果发现,通过使电解液中含有特定的芳香族羧酸酯,可以解决上述课题,由此完成了本发明。
另外发现,通过使电解液中含有特定的芳香族羧酸酯和特定的添加剂,可以解决上述课题,由此完成了本发明。
本发明的第一方式的要点如下所示。
(a)一种非水系电解液,其为具备能够吸藏和释放金属离子的正极和负极的非水系电解液二次电池用的非水系电解液,其特征在于,该非水系电解液在含有电解质和非水溶剂的同时,还含有式(1):
(式中,
A1为具有或不具有取代基的芳基,
n1为1以上的整数,
R2和R3独立地为氢原子、卤原子或者具有或不具有取代基的碳原子数为1以上12以下的烃基,它们可以相互键合而形成环,存在2个以上的R2时,它们可以相同也可以不同,存在2个以上的R3时,它们可以相同也可以不同,
a1为1或2的整数,
a1为1时,R1是具有或不具有取代基的碳原子数为1以上12以下的烃基,
a1为2时,R1表示具有或不具有取代基的碳原子数为1以上12以下的烃基,存在2个以上的A1可以相同也可以不同,
其中,n1为1时,R2和R3中的至少一者为具有或不具有取代基的碳原子数为1以上12以下的烃基,
n1为2、且2个以上的R2和2个以上的R3全部为氢原子时,R1为具有或不具有取代基的碳原子数为1以上12以下的脂肪族烃基)
所表示的芳香族羧酸酯。
(b)如(a)所述的非水系电解液,其中,在上述式(1)中,a1为1。
(c)如(a)或(b)所述的非水系电解液,其中,在上述式(1)中,A1为苯基。
(d)如(a)~(c)中任一项所述的非水系电解液,其中,上述非水系电解液以0.001质量%以上10质量%以下的量含有上述式(1)所表示的芳香族羧酸酯。
(e)如(a)~(d)中任一项所述的非水系电解液,其中,上述非水系电解液进一步含有选自由含氟环状碳酸酯、含硫有机化合物、膦酸酯、具有氰基的有机化合物、具有异氰酸酯基的有机化合物、含硅化合物、上述式(1)以外的芳香族化合物、具有碳-碳不饱和键的环状碳酸酯、上述式(1)以外的羧酸酯、具有2个以上醚键的环状化合物、具有异氰脲酸骨架的化合物、单氟磷酸盐、二氟磷酸盐、硼酸盐、草酸盐和氟磺酸盐组成的组中的至少一种化合物。
(f)如(a)~(e)中任一项所述的非水系电解液,其中,上述非水系电解液以0.001质量%以上20质量%以下的量含有选自由含氟环状碳酸酯、含硫有机化合物、膦酸酯、具有氰基的有机化合物、具有异氰酸酯基的有机化合物、含硅化合物、上述式(1)以外的芳香族化合物、具有碳-碳不饱和键的环状碳酸酯、上述式(1)以外的羧酸酯、具有2个以上醚键的环状化合物、具有异氰脲酸骨架的化合物、单氟磷酸盐、二氟磷酸盐、硼酸盐、草酸盐和氟磺酸盐组成的组中的至少一种化合物。
另外,本发明的第二方式的要点如下所示。
(f)一种非水系电解液,其为具备能够吸藏和释放金属离子的正极和负极的非水系电解液二次电池用的非水系电解液,其特征在于,该非水系电解液在含有电解质和非水溶剂的同时,还含有(I)式(2):
(式中,
A2为具有或不具有取代基的芳基,
n2为1或2的整数,
a2为1或2的整数,
a2为1时,R4是氢原子、具有或不具有取代基的碳原子数为1以上12以下的脂肪族烃基或者具有或不具有取代基的芳基,其中,n2为2时,R4是具有或不具有取代基的芳基,
a2为2时,R4是单键、具有或不具有取代基的碳原子数为1以上12以下的脂肪族烃基或者具有或不具有取代基的亚芳基,存在2个以上的A2可以相同也可以不同,其中,n2为2时,R4是具有或不具有取代基的亚芳基)
所表示的芳香族羧酸酯和
(II)选自由含氟环状碳酸酯、含硫有机化合物、膦酸酯、具有氰基的有机化合物、具有异氰酸酯基的有机化合物、含硅化合物、式(2)以外的芳香族化合物、式(3):
(式中,
R5是碳原子数为1以上4以下的烃基,
R6是乙基、正丙基或正丁基)
所表示的羧酸酯、具有2个以上醚键的环状化合物、单氟磷酸盐、二氟磷酸盐、硼酸盐、草酸盐和氟磺酸盐组成的组中的至少一种化合物。
(g)如(f)所述的非水系电解液,其中,在上述式(2)中,a2为1。
(h)如(f)或(g)所述的非水系电解液,其中,在上述式(2)中,A2为苯基。
(i)如(f)~(h)中任一项所述的非水系电解液,其中,上述非水系电解液以0.001质量%以上10质量%以下的量含有上述式(2)所表示的芳香族羧酸酯。
(j)如(f)~(i)中任一项所述的非水系电解液,其中,上述非水系电解液以0.001质量%以上20质量%以下的量含有选自由含氟环状碳酸酯、含硫有机化合物、膦酸酯、具有氰基的有机化合物、具有异氰酸酯基的有机化合物、含硅化合物、上述式(2)以外的芳香族化合物、上述式(3)所表示的羧酸酯、具有2个以上醚键的环状化合物、单氟磷酸盐、二氟磷酸盐、硼酸盐、草酸盐和氟磺酸盐组成的组中的至少一种化合物。
此外,本发明还涉及下述方案。
(k)一种非水系电解液二次电池,其为具备能够吸藏和释放锂离子的负极和正极、以及包含电解质和非水溶剂的非水系电解液的非水系电解液二次电池,其特征在于,该非水系电解液为(a)~(j)中任一项所述的非水系电解液。
发明的效果
根据本发明,可以提供一种非水系电解液,该非水系电解液能够形成初期的电池特性和耐久试验后的电池特性优异的非水系电解液二次电池;可以实现非水系电解液二次电池的小型化、高性能化和高安全化。
关于利用本发明的非水系电解液所制作的非水系电解液二次电池、以及本发明的非水系电解液二次电池可同时提高初期的电池特性和耐久试验后的电池特性的作用和原理,尚不明确,可以考虑如下。但是,本发明不限定于以下记载的作用和原理。
通常,对以专利文献1~13为代表的芳香族羧酸酯和羧酸芳香族酯来说,通过在正极上形成覆膜状的结构物,可以引起电池特性的提高。但是,对专利文献1~10中记载的在芳香环上直接键合有氧基羰基的芳香族羧酸酯、或在芳香环上直接键合有羰酰氧基的羧酸芳香族酯来说,通过芳香环和羰基的空轨道相互重叠,从而在负极的还原副反应显著地进行,大量地形成Li+传导性低的覆膜。其结果,高电流密度下的充放电特性及充放电效率可大幅降低。此外,由于还原副反应显著地进行,从而放电容量可大幅降低。
另外,对专利文献11和12中记载的苯乙酸酯来说,羰基和芳香环隔着亚甲基而位于较近距离,因而与上述化合物同样地,空轨道相互重叠。其结果,在负极的还原副反应进行,与专利文献1~10中记载的化合物同样地,电池特性可降低。
另外,在专利文献13中,希望通过合用耐还原性差的芳香族羧酸酯和特定的添加剂来改善上述问题,但所记载的芳香族羧酸酯的耐氧化性低,通常在使用电压下会在正极上引起副反应,可使电池特性大幅降低。
另一方面,选自由含氟环状碳酸酯、含硫有机化合物、膦酸酯、具有氰基的有机化合物、具有异氰酸酯基的有机化合物、含硅化合物、上述式(2)以外的芳香族化合物、上述式(3)所表示的羧酸酯、具有2个以上醚键的环状化合物、单氟磷酸盐、二氟磷酸盐、硼酸盐、草酸盐和氟磺酸盐组成的组中的至少一种化合物(也称为“(II)组的化合物”)在负极上形成覆膜,使性能提高。但是,同时正极上的氧化副反应导致的劣化也进行,因而仅通过添加这些物质来提高电池特性的提高并不充分。
针对这样的课题,在本发明的第一方式中,发现:通过使非水系电解液中含有式(1)所表示的芳香族羧酸酯,可以解决上述课题。
关于式(1)所表示的芳香族羧酸酯,如以下所说明的那样,通过羰基与芳香环的距离远离,从而空轨道难以重叠,其结果认为可以抑制在负极的还原副反应。即,式(1)所表示的芳香族羧酸酯包括被羰基和芳香环相夹的碳原子具有烃基作为取代基的物质,通过为这样的结构,由于烃基的空间位阻的影响,羰基和芳香环的空轨道难以重叠。其结果,在负极的还原副反应被极限地抑制。即,通过不降低电池特性而在正极上形成覆膜状的结构物,可以引起电池特性的提高。另外,式(1)所表示的芳香族羧酸酯包括具有延长了被羰基和芳香环相夹的亚烷基的链长的羧酸骨架的物质,通过为这样的结构,羰基与芳香环的距离远离,从而空轨道难以重叠。其结果,可以抑制在负极的还原副反应。但是,在亚烷基为亚乙基的情况下,虽然羰基与芳香环的距离远离,但两者间的空轨道存在略微的重叠。此外,在芳香环存在于酯部位时,由于可以采取羧酸骨架的芳香环-羰基-酯部位的芳香环三者同时相互作用的结构,因此可降低化合物的耐还原性。其结果,在负极的还原副反应可以进行。由此,在式(1)所表示的芳香族羧酸酯的羧酸骨架中,被羰基和芳香环相夹的亚烷基为亚乙基的情况下,需要酯部位为脂肪族烃基。
另外,在本发明的第二方式中,发现:通过使非水系电解液中同时含有式(2)所表示的芳香族羧酸酯和(II)组的化合物,可以解决上述课题。
对式(2)所表示的芳香族羧酸酯来说,如上所述,通过羧酸骨架的芳香环和羰基的空轨道的重叠,在其单独使用的情况下,在负极的还原副反应进行,认为会大量形成Li+传导性低的覆膜。与此相对,在同时使用式(2)所表示的芳香族羧酸酯和(II)组的化合物的情况下,(II)组的化合物在负极上形成的覆膜会抑制式(2)所表示的芳香族羧酸酯的还原副反应。此外,(II)组的化合物在负极上形成覆膜时,式(2)所表示的芳香族羧酸酯的一部分被引入,从而可形成Li+传导性高且稳定的复合覆膜。另外,在正极上,式(2)所表示的芳香族羧酸酯形成覆膜状的结构物,从而可抑制(II)组的化合物的氧化副反应。其结果,可以不降低电池特性而同时提高初期的电池特性和耐久试验后的电池特性。
具体实施方式
下面,对本发明的实施方式进行说明,但本发明不限定于这些方式,可以在不脱离本发明的要点的范围内任意地变形而实施。
1.非水系电解液
<本发明的第一方式>
1-1.式(1)所表示的芳香族羧酸酯
本发明的第一方式的特征在于,使非水系电解液中含有式(1)所表示的芳香族羧酸酯。需要说明的是,在式(1)所表示的芳香族羧酸酯中没有区别光学异构体,可以单独使用异构体或使用它们的混合物。
(式中,
A1为具有或不具有取代基的芳基,
n1为1以上的整数,
R2和R3独立地为氢原子、卤原子或者具有或不具有取代基的碳原子数为1以上12以下的烃基,它们可以相互键合而形成环,存在2个以上的R2时,它们可以相同也可以不同,存在2个以上的R3时,它们可以相同也可以不同,
a1为1或2的整数,
a1为1时,R1是具有或不具有取代基的碳原子数为1以上12以下的烃基,
a2为2时,R1表示具有或不具有取代基的碳原子数为1以上12以下的烃基,存在2个以上的A1可以相同也可以不同,
其中,n1为1时,R2和R3中的至少一者是碳原子数为1以上12以下的烃基,
n1为2、且2个以上的R2和2个以上的R3全部为氢原子时,R1是碳原子数为1以上12以下的脂肪族烃基。)
式(1)中,n1为2以上的整数时和/或a1为2时,R2和R3分别存在2个以上,2个以上的R2和2个以上的R3可以相同也可以不同。另外,a1为2时,A1存在2个以上,它们可以相同也可以不同。
式(1)中,R2和R3可以相互键合而形成环,此时,键合于同一碳原子上的R2和R3优选相互键合而形成环。但是,在式(1)中,R1和R2、R1和R3、A1和R1、A1和R2、A1和R3、R1和R2和A1、R1和R3和A1不相互键合形成环。
式(1)中,R1为具有或不具有取代基的碳原子数为1以上12以下的烃基。a1为1时,R1为1价基团,a2为2时,R1为2价基团。此处,具有或不具有取代基的碳原子数为1以上12以下的烃基中的碳原子数为1以上12以下是指烃基中的碳原子数,在R1具有取代基的情况下,不包括取代基中的碳原子数。R1中的烃基的碳原子数优选为10以下、更优选为9以下、进一步优选为5以下。
此处,烃基表示由碳原子和氢原子构成的基团,脂肪族烃基和芳香族烃基符合。脂肪族烃基是指由碳原子和氢原子构成的非环式或环式的烃基,表示不具有芳香族结构的基团。另外,芳香族烃基是指由碳原子和氢原子构成的具有芳香族结构的烃基。
此处,取代基表示由选自由碳原子、氢原子、氮原子、氧原子、硫原子、磷原子和卤原子组成的组中的1种以上原子所构成的基团(其中,不包括仅由碳原子和氢原子构成的基团)。
作为取代基,可以举出卤原子(优选氟原子);烷氧基;被卤原子(优选氟原子)取代的烷基、烯基、炔基、芳基或烷氧基;氰基;异氰酸酯基;烷氧羰基氧基;酰基;羧基;烷氧羰基;酰氧基;烷基磺酰基;烷氧基磺酰基;二烷氧基次膦基;二烷氧基磷酰基和二烷氧基磷酰氧基等,优选为卤原子或被卤原子取代的烷基,更优选为卤原子或被卤原子取代的烷基。作为上述取代基中的烷基、烷氧基(它们还包括构成取代基的一部分的基团),例如可以举出碳原子数为1以上6以下的烷基、烷氧基,作为烯基、炔基,可以举出碳原子数为2以上6以下的烯基、炔基,作为芳基,例如可以举出碳原子数为6以上12以下的芳基。
作为烃基,可以举出下述烃基。以下,将烃基以1价基团(对应于a1为1)的形式进行例示,但在a1为2的情况下,可采用所对应的2价基团。例如,关于烷基、烯基、炔基、芳基,所对应的2价基团分别为亚烷基、亚烯基、亚炔基、亚芳基。
作为烃基,可以举出烷基、烯基、炔基等脂肪族烃基、芳基、芳烷基等芳香族烃基。
这些之中,优选甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、仲丁基、异丁基、叔丁基、正戊基、异戊基、仲戊基、新戊基、1-甲基丁基、2-甲基丁基、1,1-二甲基丙基、1,2-二甲基丙基等碳原子数为1~5的烷基;乙烯基、1-丙烯基、2-丙烯基、异丙烯基、1-丁烯基、2-丁烯基、3-丁烯基、1-戊烯基、2-戊烯基、3-戊烯基、4-戊烯基等碳原子数为2~5的烯基;乙炔基、1-丙炔基、2-丙炔基、1-丁炔基、2-丁炔基、3-丁炔基、1-戊炔基、2-戊炔基、3-戊炔基、4-戊炔基等碳原子数为2~5的炔基;苯基、甲苯基、二甲苯基、乙基苯基、正丙基苯基、异丙基苯基、正丁基苯基、仲丁基苯基、异丁基苯基、叔丁基苯基等芳基;苄基、α-甲基苄基、1-甲基-1-苯基乙基、苯乙基、2-苯基丙基、2-甲基-2-苯基丙基、3-苯基丙基、3-苯基丁基、3-甲基-3-苯基丁基、4-苯基丁基、5-苯基戊基、6-苯基己基等碳原子数为7~12的芳烷基等。更优选为甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、仲丁基、异丁基、叔丁基、正戊基、异戊基、仲戊基、新戊基、1-甲基丁基、2-甲基丁基、1,1-二甲基丙基、1,2-二甲基丙基等碳原子数为1~5的烷基;和苄基、α-甲基苄基、1-甲基-1-苯基乙基、苯乙基、2-苯基丙基、2-甲基-2-苯基丙基、3-苯基丙基、3-苯基丁基、3-甲基-3-苯基丁基、4-苯基丁基、5-苯基戊基、6-苯基己基等碳原子数为7~12的芳烷基,进一步优选为甲基、乙基、正丙基、正丁基、苄基、苯乙基、3-苯基丙基、4-苯基丁基,特别优选为甲基、乙基、正丙基、正丁基。
还可以优选使用具有取代基的烃基。作为取代基,可以举出卤原子(优选氟原子)、非取代或卤原子(优选氟原子)取代的烷氧基。作为具有取代基的烃基,优选三氟甲基苯基、甲氧基苯基、乙氧基苯基、三氟甲氧基苯基、单氟苯基、二氟苯基、三氟苯基、四氟苯基、五氟苯基、六氟苯基等。
上述烃基和具有取代基的烃基的例示为1价基团,但在a1为2时,可采用所对应的2价基团。其中,优选为亚甲基、亚乙基、1,3-亚丙基、1,4-亚丁基、五亚甲基等碳原子数为1~5的亚烷基、1,2-亚乙烯基、1-亚丙烯基、2-亚丙烯基、1-亚丁烯基、2-亚丁烯基、1-亚戊烯基、2-亚戊烯基等碳原子数为2~5的亚烯基、亚乙炔基、亚丙炔基、1-亚丁炔基、2-亚丁炔基、1-亚戊炔基和2-亚戊炔基等碳原子数为2~5的亚炔基等。
式(1)中,R2和R3独立地为氢原子、卤原子(优选氟原子)或者具有或不具有取代基的碳原子数为1以上12以下的烃基,它们可以相互键合而形成环。取代基可以举出在R1中例示的基团。其中,优选为氢原子和具有或不具有取代基的碳原子数为1以上12以下的烃基,更优选为具有或不具有取代基的碳原子数为1以上12以下的烃基,进一步优选为不具有取代基的碳原子数为1以上12以上的烃基。
R2和R3为具有或不具有取代基的烃基时,烃基的碳原子数优选为8以下、更优选为4以下、进一步优选为2以下。
作为烃基,可以举出烷基、烯基、炔基等脂肪族烃基、芳基和芳烷基等芳香族烃基。
这些之中,优选为甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、仲丁基、异丁基、叔丁基等碳原子数为1~4的烷基;乙烯基、1-丙烯基、2-丙烯基、异丙烯基、1-丁烯基、2-丁烯基、3-丁烯基等碳原子数为2~4的烯基;乙炔基、1-丙炔基、2-丙炔基、1-丁炔基、2-丁炔基、3-丁炔基等碳原子数为2~4的炔基;苯基、甲苯基、二甲苯基、乙基苯基、正丙基苯基、异丙基苯基、正丁基苯基、仲丁基苯基、异丁基苯基、叔丁基苯基等芳基;苄基、α-甲基苄基、1-甲基-1-苯基乙基、苯乙基、2-苯基丙基、2-甲基-2-苯基丙基、3-苯基丙基、3-苯基丁基、3-甲基-3-苯基丁基、4-苯基丁基、5-苯基戊基、6-苯基己基等碳原子数为7~12的芳烷基,更优选为甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、仲丁基、异丁基、叔丁基等碳原子数为1~4的烷基,进一步优选为甲基或乙基。
还可以优选使用具有取代基的烃基。作为取代基,可以举出卤原子(优选氟原子)或者非取代或卤原子(优选氟原子)取代的烷氧基。具体地说,可以举出三氟甲基苯基、甲氧基苯基、乙氧基苯基、三氟甲氧基苯基等。
另外,R2和R3相互键合而形成环的情况下,其环状结构没有限定,优选为环骨架由碳原子、氮原子、氧原子和硫原子构成的结构,更优选为由碳原子构成的结构。环状结构中的环元数可以为3以上12以下,优选为4以上8以下。环骨架由碳原子构成的情况下,构成环的碳原子数的合计可以为3以上,优选为4以上,并且可以为12以下、优选为8以下、更优选为6以下、进一步优选为5以下。
作为具体的环状结构,可以举出环烷烃结构、氧杂环烷烃结构、氮杂环烷烃结构、硫杂环烷烃结构等。这些之中,优选为环丙烷结构、环丁烷结构、环戊烷结构、环己烷结构、环庚烷结构、环辛烷结构、环壬烷结构、环癸烷结构、环十一烷结构、环十二烷结构等碳原子数为3~12的环烷烃结构,更优选为环丙烷结构、环丁烷结构、环戊烷结构、环己烷结构,进一步优选为环戊烷结构和环己烷结构。
式(1)中,A1为具有或不具有取代基的芳基。取代基可以举出R1中例示的基团。芳基没有特别限定,碳原子数可以为6以上、优选为7以上、更优选为8以上,并且可以为12以下、优选为11以下、更优选为10以下。
作为芳基,可以举出苯基、甲苯基、乙基苯基、正丙基苯基、异丙基苯基、正丁基苯基、仲丁基苯基、异丁基苯基、叔丁基苯基、二甲苯基等。还优选具有卤原子(优选氟原子)或者非取代或卤原子(优选氟原子)取代的烷氧基作为取代基的芳基,例如,可以举出三氟甲基苯基、甲氧基苯基、乙氧基苯基、三氟甲氧基苯基、单氟苯基、二氟苯基、三氟苯基、四氟苯基、五氟苯基、六氟苯基等。这些之中,优选为苯基、甲苯基、叔丁基苯基、甲氧基苯基、单氟苯基,更优选为苯基、甲苯基,进一步优选为苯基。
式(1)中,n1为1以上的整数,可以为5以下、优选为4以下、更优选为3以下、进一步优选为2以下的整数、特别优选为1。
式(1)中,a1为1或2的整数,优选为1。
需要说明的是,n1为1时,R2和R3中的至少一者是碳原子数为1以上12以下的烃基,n1为2、且2个以上的R2和R3全部为氢原子时,R1是碳原子数为1以上12以下的脂肪族烃基。
作为式(1)所表示的芳香族羧酸酯,可以举出以下的化合物。
《a1=1时》
a1=1时,在作为具体例所举出的下述化合物中,R是选自甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、仲丁基、异丁基、叔丁基、正戊基、异戊基、仲戊基、新戊基、1-甲基丁基、2-甲基丁基、1,1-二甲基丙基、1,2-二甲基丙基、苄基、α-甲基苄基、1-甲基-1-苯基乙基、苯乙基、2-苯基丙基、2-甲基-2-苯基丙基、3-苯基丙基、3-苯基丁基、3-甲基-3-苯基丁基、4-苯基丁基、5-苯基戊基、6-苯基己基中的烃基,R’是选自甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、仲丁基、异丁基、叔丁基、正戊基、异戊基、仲戊基、新戊基、1-甲基丁基、2-甲基丁基、1,1-二甲基丙基、1,2-二甲基丙基中的烃基。
·n1=1、R2=卤原子或者具有或不具有卤原子取代基的烃基、R3=氢原子、A1=苯基
·n1=1、R2=卤原子或烃基、R3=氢原子、A1=甲苯基
·n1=1、R2=卤原子或烃基、R3=卤原子或烃基、A1=苯基
·n1=1、R2和R3相互键合而形成环、A1=苯基
·n1=1、R2=卤原子或烃基、R3=卤原子或烃基、A1=甲苯基
·n1=1、R2和R3相互键合而形成环、A1=甲苯基
·n1=2
·n1=3
·n1≥4
《a1=2时》
a1=2时,在作为具体例所举出的下述化合物中,R是选自亚甲基、亚乙基、1,3-亚丙基、1,4-亚丁基、五亚甲基、1,2-亚乙烯基、1-亚丙烯基、2-亚丙烯基、1-亚丁烯基、2-亚丁烯基、1-亚戊烯基、2-亚戊烯基、亚乙炔基、亚丙炔基、1-亚丁炔基、2-亚丁炔基、1-亚戊炔基和2-亚戊炔基中的烃基。
这些之中,从在负极上的还原副反应少的方面出发,优选为以下的化合物。
此外,这些之中,从在正极上的氧化副反应少的方面出发,更优选为以下的化合物。
式(1)所表示的芳香族羧酸酯可以单独使用,也可以合用两种以上。在非水系电解液总量(100质量%)中,式(1)所表示的芳香族羧酸酯的量(2种以上时为总量)可以为0.001质量%以上、优选为0.01质量%以上、更优选为0.05质量%以上、进一步优选为0.1质量%以上,并且可以为10质量%以下、优选为8质量%以下、更优选为5质量%以下、进一步优选为3质量%以下、特别优选为2.5质量%以下。通过为上述范围内,容易表现出本发明的效果,而且可以防止电池的电阻增大。
需要说明的是,对在本发明的电解液中混配上述化合物的方法没有特别限制。除了将上述化合物直接添加到电解液中的方法外,还可以举出在电池内或电解液中产生上述化合物的方法。作为产生上述化合物的方法,可以举出下述方法:添加这些化合物以外的化合物,使电解液等电池构成元件氧化或水解等,从而产生上述化合物。此外,还可以举出下述方法:制作电池,施加充放电等电负荷,由此产生上述化合物。
在本发明的第一方式中,除了上述式(1)所表示的芳香族羧酸酯外,还可以使用选自由下述式(2)所表示的芳香族羧酸酯、具有碳-碳不饱和键的环状碳酸酯和下述(II)组的化合物组成的组中的至少1种化合物。需要说明的是,在(II)组的化合物中,关于式(2)以外的芳香族化合物,可以使用为式(1)以外的芳香族化合物的物质。式(3)所表示的羧酸酯均为式(1)以外的羧酸酯。关于下述式(2)所表示的芳香族羧酸酯和下述(II)组的化合物的具体例和优选例、它们的优选量,适用与本发明的第二方式有关的记载。作为具有碳-碳不饱和键的环状碳酸酯,可以举出碳酸亚乙烯酯,也可以适用1-6.助剂中的说明。
<本发明的第二方式>
1-2.式(2)所表示的芳香族羧酸酯
本发明的第二方式的特征在于,使非水系电解液中含有式(2)所表示的芳香族羧酸酯。需要说明的是,在式(2)所表示的芳香族羧酸酯中没有区别光学异构体,可以单独使用异构体或使用它们的混合物。
(式中,
A2为具有或不具有取代基的芳基,
n2为1或2的整数,
a2为1或2的整数,
a2为1时,R4是氢原子、具有或不具有取代基的碳原子数为1以上12以下的脂肪族烃基或者具有或不具有取代基的芳基,其中,n2为2时,R4是具有或不具有取代基的芳基,
a2为2时,R4是单键、具有或不具有取代基的碳原子数为1以上12以下的脂肪族烃基或者具有或不具有取代基的亚芳基,2个以上的A2可以相同也可以不同,其中,n2为2时,R4是具有或不具有取代基的亚芳基。)
式(2)中,R4和A2不相互键合形成环。
式(2)中,a2为1时,R4是氢原子、具有或不具有取代基的碳原子数为1以上12以下的脂肪族烃基(1价基团)或者具有或不具有取代基的芳基。取代基可以举出R1中例示的基团。
脂肪族烃基(1价基团)中的碳原子数优选为10以下、更优选为9以下、进一步优选为5以下。
作为脂肪族烃基(1价基团),可以举出烷基、烯基、炔基等。
这些之中,优选为甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、仲丁基、异丁基、叔丁基、正戊基、异戊基、仲戊基、新戊基、1-甲基丁基、2-甲基丁基、1,1-二甲基丙基、1,2-二甲基丙基等碳原子数为1~5的烷基、乙烯基、1-丙烯基、2-丙烯基、异丙烯基、1-丁烯基、2-丁烯基、3-丁烯基、1-戊烯基、2-戊烯基、3-戊烯基、4-戊烯基等碳原子数为2~5的烯基、乙炔基、1-丙炔基、2-丙炔基、1-丁炔基、2-丁炔基、3-丁炔基、1-戊炔基、2-戊炔基、3-戊炔基、4-戊炔基等碳原子数为2~5的炔基等,更优选为甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、仲丁基、异丁基、叔丁基、正戊基、异戊基、仲戊基、新戊基、1-甲基丁基、2-甲基丁基、1,1-二甲基丙基、1,2-二甲基丙基等碳原子数为1~5的烷基,进一步优选为甲基、乙基、正丙基、正丁基,特别优选为甲基、乙基。
脂肪族烃基具有或不具有取代基,但优选为非取代的脂肪族烃基。
芳基没有特别限定,碳原子数可以为6以上、优选为7以上、更优选为8以上,并且可以为12以下、优选为11以下、更优选为10以下。
作为芳基,可以举出苯基、甲苯基、乙基苯基、正丙基苯基、异丙基苯基、正丁基苯基、仲丁基苯基、异丁基苯基、叔丁基苯基、二甲苯基等。还优选具有卤原子(优选氟原子)或者非取代或卤原子(优选氟原子)取代的烷氧基作为取代基的芳基,例如,可以举出三氟甲基苯基、二甲苯基、甲氧基苯基、乙氧基苯基、三氟甲氧基苯基、单氟苯基、二氟苯基、三氟苯基、四氟苯基、五氟苯基、六氟苯基等。这些之中,优选为苯基、甲苯基、叔丁基苯基、甲氧基苯基、单氟苯基,更优选为苯基、甲苯基,进一步优选为苯基。
a2为1时,R4优选是氢原子或者具有或不具有取代基的碳原子数为1以上12以下的脂肪族烃基(1价基团),更优选是氢原子或非取代的碳原子数为1以上12以下的脂肪族烃基(1价基团),进一步优选为氢原子。其中,n2为2时,R4是具有或不具有取代基的芳基,优选为非取代的芳基。
式(2)中,a2为2时,R4是单键、具有或不具有取代基的碳原子数为1以上12以下的脂肪族烃基(2价基团)或者具有或不具有取代基的亚芳基。
作为脂肪族烃基(2价基团),可以举出与上述脂肪族烃基(1价)中例示的基团对应的2价基团。其中,优选为亚甲基、亚乙基、1,3-亚丙基、1,4-亚丁基、五亚甲基等碳原子数为1~5的亚烷基、1,2-亚乙烯基、1-亚丙烯基、2-亚丙烯基、1-亚丁烯基、2-亚丁烯基、1-亚戊烯基、2-亚戊烯基等碳原子数为2~5的亚烯基、亚乙炔基、亚丙炔基、1-亚丁炔基、2-亚丁炔基、1-亚戊炔基和2-亚戊炔基等碳原子数为2~5的亚炔基等。
作为亚芳基,可以举出与上述芳基中例示的基团对应的2价基团。其中,优选为亚苯基等。
a2为2时,R4优选是单键或者具有或不具有取代基的碳原子数为1以上12以下的脂肪族烃基(2价基团),更优选是单键或非取代的碳原子数为1以上12以下的脂肪族烃基(2价基团)。其中,n2为2时,R4为具有或不具有取代基的亚芳基,优选为非取代的亚芳基。
式(2)中,A1为具有或不具有取代基的芳基。取代基可以举出R1中例示的基团。芳基没有特别限定,碳原子数可以为6以上、优选为7以上、更优选为8以上,并且可以为12以下、优选为11以下、更优选为10以下。作为芳基,可以举出苯基、甲苯基、乙基苯基、正丙基苯基、异丙基苯基、正丁基苯基、仲丁基苯基、异丁基苯基、叔丁基苯基、二甲苯基等。还优选具有卤原子(优选氟原子)或者非取代或卤原子(优选氟原子)取代的烷氧基作为取代基的芳基,例如可以举出三氟甲基苯基、二甲苯基、甲氧基苯基、乙氧基苯基、三氟甲氧基苯基、单氟苯基、二氟苯基、三氟苯基、四氟苯基、五氟苯基、六氟苯基。这些之中,优选为苯基、甲苯基、叔丁基苯基、甲氧基苯基、单氟苯基,更优选为苯基、甲苯基,进一步优选为苯基。
式(2)中,n2优选为1。式(2)中,a2优选为1。
作为式(2)所表示的芳香族羧酸酯,可以举出以下的化合物。
《a2=1时》
a2=1时,在作为具体例所举出的下述化合物中,R为选自氢原子、甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、仲丁基、异丁基、叔丁基、正戊基、异戊基、仲戊基、新戊基、1-甲基丁基、2-甲基丁基、1,1-二甲基丙基、1,2-二甲基丙基、苯基、甲苯基、叔丁基苯基、甲氧基苯基、单氟苯基中的基团,R’为选自苯基、甲苯基、叔丁基苯基、甲氧基苯基、单氟苯基中的芳基。
《a2=2时》
a2=2时,在作为具体例所举出的下述化合物中,R为选自亚甲基、亚乙基、1,3-亚丙基、1,4-亚丁基、五亚甲基、1,2-亚乙烯基、亚乙炔基中的烃基。
这些之中,从在负极上的还原副反应少的方面出发,优选为以下的化合物。
【化20】
此外,这些之中,从在正极上的氧化副反应少的方面出发,更优选为以下的化合物。
【化21】
式(2)所表示的芳香族羧酸酯可以单独使用,也可以合用两种以上。在非水系电解液总量(100质量%)中,式(2)所表示的芳香族羧酸酯的量(2种以上时为总量)可以为0.001质量%以上、优选为0.01质量%以上、更优选为0.05质量%以上、进一步优选为0.1质量%以上,并且可以为10质量%以下、优选为8质量%以下、更优选为5质量%以下、进一步优选为3质量%以下、特别优选为2.5质量%以下。通过为上述范围内,容易表现出本发明的效果,而且可以防止电池的电阻增大。
需要说明的是,对在本发明的电解液中混配上述化合物的方法没有特别限制。除了将上述化合物直接添加到电解液中的方法外,还可以举出在电池内或电解液中产生上述化合物的方法。作为产生上述化合物的方法,可以举出下述方法:添加这些化合物以外的化合物,使电解液等电池构成元件氧化或水解等,从而产生上述化合物。此外,还可以举出下述方法:制作电池,施加充放电等电负荷,由此产生上述化合物。
1-3.(II)组的化合物
本发明的第二方式的特征在于,在非水系电解液中含有上述式(2)所表示的芳香族羧酸酯的同时,还含有选自由含氟环状碳酸酯、含硫有机化合物、膦酸酯、具有氰基的有机化合物、具有异氰酸酯基的有机化合物、含硅化合物、式(2)以外的芳香族化合物、式(3)所表示的羧酸酯、具有2个以上醚键的环状化合物、单氟磷酸盐、二氟磷酸盐、硼酸盐、草酸盐和氟磺酸盐组成的组中的至少一种化合物((II)组的化合物)。这是因为,通过合用这些物质,能够有效地抑制式(2)所表示的芳香族羧酸酯可引起的副反应。
其中,选自由含氟环状碳酸酯、含硫有机化合物、膦酸酯、具有氰基的有机化合物、具有异氰酸酯基的有机化合物、含硅化合物、式(2)以外的芳香族化合物、式(3)所表示的羧酸酯、单氟磷酸盐、二氟磷酸盐、硼酸盐、草酸盐和氟磺酸盐组成的组中的至少一种化合物在负极上形成优质的复合覆膜,初期的电池特性和耐久试验后的电池特性均衡地提高,因而优选;更优选为选自由含氟环状碳酸酯、含硫有机化合物、膦酸酯、具有氰基的有机化合物、具有异氰酸酯基的有机化合物、含硅化合物、式(2)以外的芳香族化合物、式(3)所表示的羧酸酯、单氟磷酸盐、二氟磷酸盐、草酸盐和氟磺酸盐组成的组中的至少一种化合物,进一步优选为选自由含氟环状碳酸酯、含硫有机化合物、膦酸酯、具有氰基的有机化合物、具有异氰酸酯基的有机化合物、含硅化合物、式(2)以外的芳香族化合物、单氟磷酸盐、二氟磷酸盐、草酸盐和氟磺酸盐组成的组中的至少一种化合物,特别优选为选自由含硫有机化合物、膦酸酯、具有氰基的有机化合物、具有异氰酸酯基的有机化合物、含硅化合物、单氟磷酸盐、二氟磷酸盐、草酸盐和氟磺酸盐组成的组中的至少一种化合物。作为理由,可以举出:对于在负极上形成分子量比较低的覆膜的这些化合物来说,由于所形成的负极覆膜致密,因而能够高效地抑制式(2)所表示的芳香族羧酸酯的副反应所引起的劣化。如此可有效地抑制副反应,而且可抑制电阻上升,可以在确保由抑制初期及高温耐久时的副反应所引起的体积变化抑制和高温耐久后的安全性的同时,提高倍率特性。
对在本发明的电解液中混配上述化合物的方法没有特别限制。除了将上述化合物直接添加到电解液中的方法外,还可以举出在电池内或电解液中产生上述化合物的方法。作为产生上述化合物的方法,可以举出下述方法:添加这些化合物以外的化合物,使电解液等电池构成元件氧化或水解等,从而产生上述化合物。此外,还可以举出下述方法:制作电池,施加充放电等电负荷,由此产生上述化合物。
下面,对(II)组的化合物进行说明。但是,关于单氟磷酸盐、二氟磷酸盐、硼酸盐、草酸盐和氟磺酸盐,适用1-4.电解质中的说明。
1-3-1.含氟环状碳酸酯
作为含氟环状碳酸酯,可以举出具有碳原子数为2以上6以下的亚烷基的环状碳酸酯的氟化物及其衍生物,例如可以举出碳酸亚乙酯的氟化物(下文中有时称为“氟化碳酸亚乙酯”)及其衍生物。作为碳酸亚乙酯的氟化物的衍生物,可以举出被烷基(例如碳原子数为1以下4以下的烷基)所取代的碳酸亚乙酯的氟化物。其中优选氟数为1以下8以下的氟化碳酸亚乙酯、及其衍生物。
本发明的电解液中,通过合用式(2)所表示的芳香族羧酸酯和含氟环状碳酸酯,在使用了该电解液的电池中,可以抑制初期气体量,另一方面过充电气体量增加,由此可以进一步提高电池安全性。
作为氟数为1~8个的氟化碳酸亚乙酯及其衍生物,可以举出单氟代碳酸亚乙酯、4,4-二氟代碳酸亚乙酯、4,5-二氟代碳酸亚乙酯、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-氟代碳酸亚乙酯、4-(氟甲基)-5-氟代碳酸亚乙酯、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,从对电解液提供高离子传导性、且容易形成稳定的界面保护覆膜的方面出发,优选单氟代碳酸亚乙酯、4,4-二氟代碳酸亚乙酯、4,5-二氟代碳酸亚乙酯。
氟化环状碳酸酯可以单独使用一种,也可以以任意组合和比例合用两种以上。在电解液100质量%中,氟化环状碳酸酯的量(2种以上时为总量)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、更进一步优选为0.4质量%以上,并且优选为10质量%以下、更优选为7质量%以下、进一步优选为5质量%以下、特别优选为3质量%以下、最优选为1.5质量%以下。另外,在非水溶剂100体积%中,将氟化环状碳酸酯用作非水溶剂时的混合量优选为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。
另外,作为含氟环状碳酸酯,也可以使用具有不饱和键和氟原子的环状碳酸酯(下文中有时记为“氟化不饱和环状碳酸酯”)。氟化不饱和环状碳酸酯所具有的氟数只要为1以上即可,没有特别限制。氟数可以为6以下、优选为4以下、更优选为1或2。
作为氟化不饱和环状碳酸酯,可以举出氟化碳酸亚乙烯酯衍生物、被具有芳香环或碳-碳双键的取代基所取代的氟化碳酸亚乙酯衍生物等。
作为氟化碳酸亚乙烯酯衍生物,可以举出4-氟代碳酸亚乙烯酯、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-氟代碳酸亚乙烯酯、4-氟-5-乙烯基碳酸亚乙烯酯等。
作为被具有芳香环或碳-碳双键的取代基所取代的氟化碳酸亚乙酯衍生物,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,作为氟化不饱和环状碳酸酯,由于可形成稳定的界面保护覆膜,因而优选4-氟代碳酸亚乙烯酯、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-氟代碳酸亚乙烯酯、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。
氟化不饱和环状碳酸酯的分子量没有特别限制。分子量优选为50以上且250以下。若为该范围,则容易确保氟化环状碳酸酯在非水系电解液中的溶解性,容易表现出本发明的效果。氟化不饱和环状碳酸酯的制造方法没有特别限制,可以任意地选择公知的方法来制造。分子量更优选为100以上,并且更优选为200以下。
氟化不饱和环状碳酸酯可以单独使用一种,也可以以任意组合和比例合用两种以上。
在电解液100质量%中,氟化不饱和环状碳酸酯(2种以上时为总量)的量优选为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、特别优选为0.2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4质量%以下、特别优选为3质量%以下。若为该范围内,非水系电解液二次电池容易表现出充分的循环特性提高效果,另外,高温保存特性降低,气体产生量增多,容易避免放电容量维持率降低的情况。
关于上述式(2)所表示的芳香族羧酸酯与含氟环状碳酸酯的质量比,从负极上的复合性界面保护覆膜形成的方面考虑,优选为1:99~99:1、更优选为5:95~95:5、进一步优选为10:90~90:10、特别优选为20:80~80:20、极其优选为30:70~70:30。在该范围混配时,可以高效地抑制各添加剂在正负极的副反应,电池特性提高。特别是,对于初期气体抑制效果和过充电时的安全性提高有用。
1-3-2.含硫有机化合物
本发明的电解液可以进一步包含含硫有机化合物。含硫有机化合物只要是分子内具有至少1个硫原子的有机化合物即可,没有特别限制,优选为分子内具有S=O基的有机化合物,可以举出链状磺酸酯、环状磺酸酯、链状硫酸酯、环状硫酸酯、链状亚硫酸酯和环状亚硫酸酯。但是,与氟磺酸盐对应的不是包含于1-3-2.含硫有机化合物中,而是包含于后述的作为电解质的氟磺酸盐中。
本发明的电解液中,通过合用式(2)所表示的芳香族羧酸酯和含硫有机化合物,从而在使用了该电解液的电池中可以提高初期效率,另一方面过充电气体量增加,从而可以进一步提高电池安全性。
其中,优选为链状磺酸酯、环状磺酸酯、链状硫酸酯、环状硫酸酯、链状亚硫酸酯和环状亚硫酸酯,更优选为具有S(=O)2基的化合物。
这些酯可以带有取代基。此处,取代基是指由选自由碳原子、氢原子、氮原子、氧原子、硫原子、磷原子和卤原子组成的组中的1种以上原子所构成的基团,优选为由选自由碳原子、氢原子、氧原子和卤原子组成的组中的1种以上原子所构成的基团,更优选为由选自由碳原子、氢原子和氧原子组成的组中的1种以上原子所构成的基团。作为取代基,可以举出卤原子;非取代或卤素取代的烷基、烯基、炔基、芳基或烷氧基;氰基;异氰酸酯基;烷氧羰基氧基;酰基;羧基;烷氧羰基;酰氧基;烷基磺酰基;烷氧基磺酰基;二烷氧基次膦基;二烷氧基磷酰基和二烷氧基磷酰基氧基等。这些之中,优选为卤原子;烷氧基;非取代或卤素取代的烷基、烯基或炔基;异氰酸酯基;氰基;烷氧羰基氧基;酰基;烷氧羰基;酰氧基,更优选为卤原子、非取代烷基、烷氧羰基氧基;酰基;烷氧羰基或酰氧基,更优选为卤原子、非取代烷基和烷氧羰基。与这些取代基有关的例示和优选例适用于后述的式(3-2-1)中的A12和A13、以及式(3-2-2)中的A14的定义中的取代基。
进一步优选为链状磺酸酯和环状磺酸酯,其中,优选为式(3-2-1)所表示的链状磺酸酯和式(3-2-2)所表示的环状磺酸酯,更优选为式(3-2-2)所表示的环状磺酸酯。
1-3-2-1.式(3-2-1)所表示的链状磺酸酯
(式中,
A12是具有或不具有取代基的碳原子数为1以上12以下的n21价的烃基,
A13是具有或不具有取代基的碳原子数为1以上12以下的烃基,
n21为1以上4以下的整数,
n21为2时,A12和A13可以相同也可以不同。)
式(3-2-1)中,A12和A13不一起形成环,从而式(3-2-1)为链状磺酸酯。
n21优选为1以上3以下的整数、更优选为1以上2以下的整数、进一步优选为2。
作为A12中的碳原子数为1以上12以下的n21价的烃基,可以举出:
烷基、烯基、炔基和芳基等1价烃基;
亚烷基、亚烯基、亚炔基和亚芳基等2价烃基;
烷烃三基、烯烃三基、炔烃三基和芳烃三基等3价烃基;
烷烃四基、烯烃四基、炔烃四基和芳烃四基等4价烃基;等。
这些之中,优选为亚烷基、亚烯基、亚炔基和亚芳基等2价烃基,更优选为亚烷基。它们对应于n21为2的情况。
在碳原子数为1以上12以下的n21价的烃基中,作为1价烃基,可以举出甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、仲丁基、异丁基、叔丁基、正戊基、异戊基、仲戊基、新戊基、1-甲基丁基、2-甲基丁基、1,1-二甲基丙基、1,2-二甲基丙基等碳原子数为1~5的烷基;乙烯基、1-丙烯基、2-丙烯基、异丙烯基、1-丁烯基、2-丁烯基、3-丁烯基、1-戊烯基、2-戊烯基、3-戊烯基、4-戊烯基等碳原子数为2以上5以下的烯基;乙炔基、1-丙炔基、2-丙炔基、1-丁炔基、2-丁炔基、3-丁炔基、1-戊炔基、2-戊炔基、3-戊炔基、4-戊炔基等碳原子数为2以上5以下的炔基。
作为2价烃基,可以举出亚甲基、亚乙基、1,3-亚丙基、1,4-亚丁基、五亚甲基等碳原子数为1以上5以下的亚烷基;1,2-亚乙烯基、1-亚丙烯基、2-亚丙烯基、1-亚丁烯基、2-亚丁烯基、1-亚戊烯基、2-亚戊烯基等碳原子数为2以上5以下的亚烯基;亚乙炔基、亚丙炔基、1-亚丁炔基、2-亚丁炔基、1-亚戊炔基和2-亚戊炔基等碳原子数为2以上5以下的亚炔基等,优选为亚甲基、亚乙基、1,3-亚丙基、1,4-亚丁基、五亚甲基等碳原子数为1~5的亚烷基,更优选为亚乙基、1,3-亚丙基、1,4-亚丁基、五亚甲基等碳原子数为2以上5以下的亚烷基,进一步优选为1,3-亚丙基、1,4-亚丁基、五亚甲基等碳原子数为3以上5以下的亚烷基。
作为3价和4价烃基,可以举出与上述1价烃基对应的3价和4价烃基。
A12中的具有取代基的碳原子数为1以上12以下的n21价的烃基是指,将上述取代基和上述碳原子数为1以上12以下的n21价的烃基组合而成的基团。作为A12,优选为不具有取代基的碳原子数为1以上5以下的n21价的烃基。
作为A13中的碳原子数为1以上12以下的烃基,优选为烷基、烯基、炔基和芳基等1价烃基,更优选为烷基。
作为碳原子数为1以上12以下的烃基,可以举出甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、仲丁基、异丁基、叔丁基、正戊基、异戊基、仲戊基、新戊基、1-甲基丁基、2-甲基丁基、1,1-二甲基丙基、1,2-二甲基丙基等碳原子数为1~5的烷基等,优选为甲基、乙基、正丙基、正丁基、正戊基,更优选为甲基、乙基、正丙基,进一步优选乙基、正丙基。
A13中的具有取代基的碳原子数为1以上12以下的烃基是指,将上述取代基和上述碳原子数为1以上12以下的烃基组合而成的基团。作为A13,优选为具有或不具有取代基的碳原子数为1以上5以下的烃基,更优选为具有取代基的碳原子数为1以上5以下的烃基,进一步优选为具有烷氧羰基作为取代基的烷基。其中,优选为甲氧基羰基甲基、乙氧基羰基甲基、1-甲氧基羰基乙基、1-乙氧基羰基乙基、2-甲氧基羰基乙基、2-乙氧基羰基乙基、1-甲氧基羰基丙基、1-乙氧基羰基丙基、2-甲氧基羰基丙基、2-乙氧基羰基丙基、3-甲氧基羰基丙基、3-乙氧基羰基丙基,更优选为1-甲氧基羰基乙基、1-乙氧基羰基乙基。
在电解液100质量%中,式(3-2-1)所表示的链状磺酸酯的含量(2种以上时为总含量)可以为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、进一步优选为0.3质量%以上、特别优选为0.5质量%以上,并且可以为10质量%以下、优选为5质量%以下、更优选为3质量%以下、进一步优选为2质量%以下、特别优选为1.5质量%以下。若为该范围内,则高温保存特性良好。
1-3-2-2.式(3-2-2)所表示的环状磺酸酯
(式中,
A14是具有或不具有取代基的碳原子数为1以上12以下的2价烃基。)
作为A14中的碳原子数为1以上12以下的2价烃基,可以举出亚烷基、亚烯基、亚炔基和亚芳基等,优选为亚烷基、亚烯基。
作为碳原子数为1以上12以下的2价烃基,可以举出亚甲基、亚乙基、1,3-亚丙基、1,4-亚丁基、五亚甲基等碳原子数为1~5的亚烷基;1,2-亚乙烯基、1-亚丙烯基、2-亚丙烯基、1-亚丁烯基、2-亚丁烯基、1-亚戊烯基、2-亚戊烯基等碳原子数为2~5的亚烯基;
亚乙炔基、亚丙炔基、1-亚丁炔基、2-亚丁炔基、1-亚戊炔基和2-亚戊炔基等碳原子数为2~5的亚炔基等。
这些之中,优选为亚甲基、亚乙基、1,3-亚丙基、1,4-亚丁基、五亚甲基等碳原子数为1~5的亚烷基和1,2-亚乙烯基、1-亚丙烯基、2-亚丙烯基、1-亚丁烯基、2-亚丁烯基、1-亚戊烯基、2-亚戊烯基等碳原子数为2~5的亚烯基,更优选为1,3-亚丙基、1,4-亚丁基、五亚甲基等碳原子数为3~5的亚烷基和1-亚丙烯基、2-亚丙烯基、1-亚丁烯基、2-亚丁烯基、1-亚戊烯基、2-亚戊烯基等碳原子数为3~5的亚烯基,进一步优选为1,3-亚丙基、1-亚丙烯基、2-亚丙烯基。
需要说明的是,A14中的具有取代基的碳原子数为1以上12以下的2价的烃基是指,将上述取代基和上述碳原子数为1以上12以下的2价烃基组合而成的基团。A14优选为不具有取代基的碳原子数为1以上5以下的2价烃基。
对使用了进一步包含式(3-2-2)所表示的环状磺酸酯的本发明的电解液的电池来说,初期效率提高,且过充电气体量增加,从而可以进一步提高电池安全性。在电解液100质量%中,式(3-2-2)所表示的环状磺酸酯的含量(2种以上时为总含量)可以为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、进一步优选为0.3质量%以上、特别优选为0.4质量%以上,并且可以为10质量%以下、优选为5质量%以下、更优选为3质量%以下、进一步优选为2质量%以下、特别优选为1.5质量%以下。
作为含硫有机化合物,可以举出以下物质。
《链状磺酸酯》
氟磺酸甲酯和氟磺酸乙酯等氟磺酸酯;
甲磺酸甲酯、甲磺酸乙酯、甲磺酸2-丙炔酯、甲磺酸3-丁炔酯、二甲磺酸丁酯、2-(甲烷磺酰氧基)丙酸甲酯、2-(甲烷磺酰氧基)丙酸乙酯、2-(甲烷磺酰氧基)丙酸2-丙炔酯、2-(甲烷磺酰氧基)丙酸3-丁炔酯、甲烷磺酰氧基乙酸甲酯、甲烷磺酰氧基乙酸乙酯、甲烷磺酰氧基乙酸2-丙炔酯和甲烷磺酰氧基乙酸3-丁炔酯等甲磺酸酯;
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、烯丙基磺酸炔丙酯和1,2-双(乙烯基磺酰氧基)乙烷等烯基磺酸酯;
甲烷二磺酸甲氧基羰基甲酯、甲烷二磺酸乙氧基羰基甲酯、甲烷二磺酸1-甲氧基羰基乙酯、甲烷二磺酸1-乙氧基羰基乙酯、1,2-乙烷二磺酸甲氧基羰基甲酯、1,2-乙烷二磺酸乙氧基羰基甲酯、1,2-乙烷二磺酸1-甲氧基羰基乙酯、1,2-乙烷二磺酸1-乙氧基羰基乙酯、1,3-丙烷二磺酸甲氧基羰基甲酯、1,3-丙烷二磺酸乙氧基羰基甲酯、1,3-丙烷二磺酸1-甲氧基羰基乙酯、1,3-丙烷二磺酸1-乙氧基羰基乙酯、1,3-丁烷二磺酸甲氧基羰基甲酯、1,3-丁烷二磺酸乙氧基羰基甲酯、1,3-丁烷二磺酸1-甲氧基羰基乙酯、1,3-丁烷二磺酸1-乙氧基羰基乙酯等烷基二磺酸酯;
《环状磺酸酯》
1,3-丙烷磺内酯、1-氟-1,3-丙烷磺内酯、2-氟-1,3-丙烷磺内酯、3-氟-1,3-丙烷磺内酯、1-甲基-1,3-丙烷磺内酯、2-甲基-1,3-丙烷磺内酯、3-甲基-1,3-丙烷磺内酯、1-丙烯-1,3-磺内酯、2-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-氟-2-丙烯-1,3-磺内酯、2-氟-2-丙烯-1,3-磺内酯、3-氟-2-丙烯-1,3-磺内酯、1-甲基-1-丙烯-1,3-磺内酯、2-甲基-1-丙烯-1,3-磺内酯、3-甲基-1-丙烯-1,3-磺内酯、1-甲基-2-丙烯-1,3-磺内酯、2-甲基-2-丙烯-1,3-磺内酯、3-甲基-2-丙烯-1,3-磺内酯、1,4-丁烷磺内酯和1,5-戊烷磺内酯等磺内酯化合物;
亚甲基甲烷二磺酸酯、亚乙基甲烷二磺酸酯等二磺酸酯化合物;
1,2,3-氧杂噻唑烷-2,2-二氧化物、3-甲基-1,2,3-氧杂噻唑烷-2,2-二氧化物、3H-1,2,3-氧杂噻唑-2,2-二氧化物、5H-1,2,3-氧杂噻唑-2,2-二氧化物、1,2,4-氧杂噻唑烷-2,2-二氧化物、1,2,5-氧杂噻唑烷-2,2-二氧化物、1,2,3-氧杂噻嗪烷-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-2,2-二氧化物和1,2,4-氧杂噻嗪烷-2,2-二氧化物等含氮化合物。
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-2,2-二氧化物、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、1,2,5-氧硫磷杂戊环-2,2-二氧化物、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-2,2-二氧化物、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、1,2,5-氧硫磷杂己环-2,2-二氧化物和1,2,6-氧硫磷杂己环-2,2-二氧化物等含磷化合物。
《链状硫酸酯》
二甲基硫酸酯、乙基甲基硫酸酯和二乙基硫酸酯等二烷基硫酸酯化合物。
《环状硫酸酯》
1,2-亚乙基硫酸酯、1,2-亚丙基硫酸酯、1,3-亚丙基硫酸酯、1,2-亚丁基硫酸酯、1,3-亚丁基硫酸酯、1,4-亚丁基硫酸酯、1,2-次戊基硫酸酯、1,3-次戊基硫酸酯、1,4-次戊基硫酸酯和1,5-次戊基硫酸酯等亚烷基硫酸酯化合物。
《链状亚硫酸酯》
二甲基亚硫酸酯、乙基甲基亚硫酸酯和二乙基亚硫酸酯等二烷基亚硫酸酯化合物。
《环状亚硫酸酯》
1,2-亚乙基亚硫酸酯、1,2-亚丙基亚硫酸酯、1,3-亚丙基亚硫酸酯、1,2-亚丁基亚硫酸酯、1,3-亚丁基亚硫酸酯、1,4-亚丁基亚硫酸酯、1,2-次戊基亚硫酸酯、1,3-次戊基亚硫酸酯、1,4-次戊基亚硫酸酯和1,5-次戊基亚硫酸酯等亚烷基亚硫酸酯化合物。
这些之中,从提高初期效率的方面考虑,优选为2-(甲烷磺酰氧基)丙酸甲酯、2-(甲烷磺酰氧基)丙酸乙酯、2-(甲烷磺酰氧基)丙酸2-丙炔酯、丙烷二磺酸1-甲氧基羰基乙酯、丙烷二磺酸1-乙氧基羰基乙酯、丁烷二磺酸1-甲氧基羰基乙酯、丁烷二磺酸1-乙氧基羰基乙酯、1,3-丙烷磺内酯、1-丙烯-1,3-磺内酯、1,4-丁烷磺内酯、1,2-亚乙基硫酸酯、1,2-亚乙基亚硫酸酯、甲磺酸甲酯和甲磺酸乙酯,更优选为丙烷二磺酸1-甲氧基羰基乙酯、丙烷二磺酸1-乙氧基羰基乙酯、丁烷二磺酸1-甲氧基羰基乙酯、丁烷二磺酸1-乙氧基羰基乙酯、1,3-丙烷磺内酯、1-丙烯-1,3-磺内酯、1,2-亚乙基硫酸酯、1,2-亚乙基亚硫酸酯,进一步优选为1,3-丙烷磺内酯、1-丙烯-1,3-磺内酯。
含硫有机化合物可以单独使用1种,也可以以任意的组合和比例合用2种以上。
在电解液100质量%中,含硫有机化合物的含量(2种以上时为总量)可以为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、特别优选为0.3质量%以上,并且可以为10质量%以下、优选为5质量%以下、更优选为3质量%以下、特别优选为2质量%以下。若为该范围,则容易控制输出功率特性、负荷特性、低温特性、循环特性、高温保存特性等。
关于上述式(2)所表示的芳香族羧酸酯与含硫有机化合物的质量比,式(2)所表示的芳香族羧酸酯:含硫有机化合物优选为1:99~99:1、更优选为5:95~95:5、进一步优选为10:90~90:10、特别优选为20:80~80:20、极其优选为30:70~70:30。若为该范围,则可以显著提高电池特性、特别是初期特性。关于该原理尚未确定,但认为是因为通过以该比例混合,可以将电极上的添加剂的副反应抑制到最小限度。
1-3-3.膦酸酯
本发明的电解液可以进一步包含膦酸酯。膦酸酯只要是分子内至少具有膦酸酯结构的有机化合物即可,没有特别限制。
在本发明的电解液中,通过合用式(2)所表示的芳香族羧酸酯和膦酸酯,在使用了该电解液的电池中,可以提高初期倍率特性,另一方面可以提高保存后的电池容量。
膦酸酯可以带有取代基。在此,取代基是指由选自由碳原子、氢原子、氮原子、氧原子、硫原子、磷原子和卤原子组成的组中的1种以上原子所构成的基团,优选为由选自由碳原子、氢原子、氧原子和卤原子组成的组中的1种以上原子所构成的基团。作为取代基,可以举出卤原子;非取代或卤素取代的烷基、烯基、炔基、芳基或烷氧基;氰基;异氰酸酯基;烷氧羰基氧基;酰基;烷氧羰基;酰氧基;烷基磺酰基;烷氧基磺酰基;二烷氧基次膦基;二烷氧基磷酰基和二烷氧基磷酰基氧基等。这些之中,优选可以举出卤原子;烷氧基;烷氧羰基氧基;酰基;烷氧羰基和酰氧基等,更优选为卤原子和烷氧羰基,进一步优选为烷氧羰基。作为上述烷氧羰基,可以举出甲氧基羰基、乙氧基羰基、丙氧基羰基、烯丙氧基羰基和炔丙氧基羰基等,优选为乙氧基羰基和炔丙氧基羰基。关于这些取代基的例示和优选例适用于后述的式(3-3-1)中的A9~A11的定义中的取代基。
其中,优选为式(3-3-1)所表示的膦酸酯。
(式中,
A9、A10和A11独立地为非取代或卤素取代的碳原子数为1~5的烷基、烯基或炔基,
n32为0~6的整数。)
作为碳原子数为1~5的烷基、烯基或炔基,可以举出甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、仲丁基、异丁基、叔丁基、正戊基、异戊基、仲戊基、新戊基、1-甲基丁基、2-甲基丁基、1,1-二甲基丙基、1,2-二甲基丙基等烷基;乙烯基、1-丙烯基、2-丙烯基(烯丙基)、异丙烯基、1-丁烯基、2-丁烯基、3-丁烯基、1-戊烯基、2-戊烯基、3-戊烯基、4-戊烯基等烯基;乙炔基、1-丙炔基、2-丙炔基(炔丙基)、1-丁炔基、2-丁炔基、3-丁炔基、1-戊炔基、2-戊炔基、3-戊炔基、4-戊炔基等炔基,优选为甲基、乙基、正丙基、正丁基、正戊基、乙烯基、2-丙烯基(烯丙基)、3-丁烯基、4-戊烯基、2-丙炔基(炔丙基)、3-丁炔基和4-戊炔基,更优选为甲基、乙基、2-丙烯基(烯丙基)和2-丙炔基(炔丙基),进一步优选为甲基、乙基和2-丙炔基(炔丙基)。
作为式(3-3-1)所表示的膦酸酯,可以举出以下的化合物。
<式(3-3-1)中n32=0的化合物>
三甲基膦酰甲酸酯、甲基二乙基膦酰甲酸酯、甲基二丙基膦酰甲酸酯、甲基二丁基膦酰甲酸酯、三乙基膦酰甲酸酯、乙基二甲基膦酰甲酸酯、乙基二丙基膦酰甲酸酯、乙基二丁基膦酰甲酸酯、三丙基膦酰甲酸酯、丙基二甲基膦酰甲酸酯、丙基二乙基膦酰甲酸酯、丙基二丁基膦酰甲酸酯、三丁基膦酰甲酸酯、丁基二甲基膦酰甲酸酯、丁基二乙基膦酰甲酸酯、丁基二丙基膦酰甲酸酯、甲基双(2,2,2-三氟乙基)膦酰甲酸酯、乙基双(2,2,2-三氟乙基)膦酰甲酸酯、丙基双(2,2,2-三氟乙基)膦酰甲酸酯、丁基双(2,2,2-三氟乙基)膦酰甲酸酯等。
<式(3-3-1)中n32=1的化合物>
三甲基膦酰基乙酸酯、甲基二乙基膦酰基乙酸酯、甲基二丙基膦酰基乙酸酯、甲基二丁基膦酰基乙酸酯、三乙基膦酰基乙酸酯、乙基二甲基膦酰基乙酸酯、乙基二乙基膦酰基乙酸酯、乙基二丙基膦酰基乙酸酯、乙基二丁基膦酰基乙酸酯、三丙基膦酰基乙酸酯、丙基二甲基膦酰基乙酸酯、丙基二乙基膦酰基乙酸酯、丙基二丁基膦酰基乙酸酯、三丁基膦酰基乙酸酯、丁基二甲基膦酰基乙酸酯、丁基二乙基膦酰基乙酸酯、丁基二丙基膦酰基乙酸酯、甲基双(2,2,2-三氟乙基)膦酰基乙酸酯、乙基双(2,2,2-三氟乙基)膦酰基乙酸酯、丙基双(2,2,2-三氟乙基)膦酰基乙酸酯、丁基双(2,2,2-三氟乙基)膦酰基乙酸酯、烯丙基二甲基膦酰基乙酸酯、烯丙基二乙基膦酰基乙酸酯、2-丙炔基二甲基膦酰基乙酸酯、2-丙炔基二乙基膦酰基乙酸酯等。
<式(3-3-1)中n32=2的化合物>
三甲基3-膦酰基丙酸酯、甲基3-(二乙基膦酰基)丙酸酯、甲基3-(二丙基膦酰基)丙酸酯、甲基3-(二丁基膦酰基)丙酸酯、三乙基3-膦酰基丙酸酯、乙基3-(二甲基膦酰基)丙酸酯、乙基3-(二丙基膦酰基)丙酸酯、乙基3-(二丁基膦酰基)丙酸酯、三丙基3-膦酰基丙酸酯、丙基3-(二甲基膦酰基)丙酸酯、丙基3-(二乙基膦酰基)丙酸酯、丙基3-(二丁基膦酰基)丙酸酯、三丁基3-膦酰基丙酸酯、丁基3-(二甲基膦酰基)丙酸酯、丁基3-(二乙基膦酰基)丙酸酯、丁基3-(二丙基膦酰基)丙酸酯、甲基3-(双(2,2,2-三氟乙基)膦酰基)丙酸酯、乙基3-(双(2,2,2-三氟乙基)膦酰基)丙酸酯、丙基3-(双(2,2,2-三氟乙基)膦酰基)丙酸酯、丁基3-(双(2,2,2-三氟乙基)膦酰基)丙酸酯等。
<式(3-3-1)中n32=3的化合物>
三甲基4-膦酰基丁酸酯、甲基4-(二乙基膦酰基)丁酸酯、甲基4-(二丙基膦酰基)丁酸酯、甲基4-(二丁基膦酰基)丁酸酯、三乙基4-膦酰基丁酸酯、乙基4-(二甲基膦酰基)丁酸酯、乙基4-(二丙基膦酰基)丁酸酯、乙基4-(二丁基膦酰基)丁酸酯、三丙基4-膦酰基丁酸酯、丙基4-(二甲基膦酰基)丁酸酯、丙基4-(二乙基膦酰基)丁酸酯、丙基4-(二丁基膦酰基)丁酸酯、三丁基4-膦酰基丁酸酯、丁基4-(二甲基膦酰基)丁酸酯、丁基4-(二乙基膦酰基)丁酸酯、丁基4-(二丙基膦酰基)丁酸酯等。
从提高电池特性的方面出发,优选为n32=0、1、2的化合物,更优选为n32=0、1的化合物,进一步优选为n32=1的化合物,在n32=1的化合物中,优选为A9~A11为饱和烃基的化合物。
特别优选为三甲基膦酰基乙酸酯、三乙基膦酰基乙酸酯、2-丙炔基二甲基膦酰基乙酸酯、2-丙炔基二乙基膦酰基乙酸酯。
膦酸酯可以单独使用1种,也可以以任意的组合和比例合用2种以上。
在电解液100质量%中,膦酸酯的含量(2种以上时为总量)可以为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、进一步优选为0.4质量%以上,另外,可以为10质量%以下、优选为5质量%以下、更优选为3质量%以下、进一步优选为2质量%以下、特别优选为1质量%以下、最优选为0.7质量%以下。若为该范围,容易控制输出功率特性、负荷特性、低温特性、循环特性、高温保存特性等。
关于上述式(2)所表示的芳香族羧酸酯与膦酸酯的质量比,式(2)所表示的芳香族羧酸酯:膦酸酯优选为1:99~99:1、更优选为5:95~95:5、进一步优选为10:90~90:10、特别优选为20:80~80:20、极其优选为30:70~70:30。若为该范围,可以显著提高电池特性、特别是初期特性。关于该原理尚未确定,但认为是因为通过以该比例混合,可以将电极上的添加剂的副反应抑制到最小限度。
1-3-4.具有氰基的有机化合物
本发明的电解液可以包含具有氰基的有机化合物。作为具有氰基的有机化合物,只要是分子内具有至少1个氰基的有机化合物即可,没有特别限制,优选为式(3-4-1)、式(3-4-2)和式(3-4-3)所表示的化合物,更优选为式(3-4-1)和式(3-4-2)所表示的化合物,进一步优选为式(3-4-2)所表示的化合物。需要说明的是,在具有氰基的有机化合物也为具有2个以上醚键的环状化合物时,属于具有2个以上醚键的环状化合物。
在本发明的电解液中,通过合用式(2)所表示的芳香族羧酸酯和具有氰基的有机化合物,在使用了该电解液的电池中,初期的充放电效率提高,另一方面可以提高保存后的充放电效率。
1-3-4-1.式(3-4-1)所表示的化合物
A1-CN (3-4-1)
(式中,A1表示碳原子数为2以上20以下的烃基。)
式(3-4-1)所表示的化合物的分子量没有特别限制。分子量优选为55以上、更优选为65以上、进一步优选为80以上,并且优选为310以下、更优选为185以下、进一步优选为155以下。若为该范围,容易确保式(3-4-1)所表示的化合物在非水系电解液中的溶解性,容易表现出本发明的效果。式(3-4-1)所表示的化合物的制造方法没有特别限制,可以任意地选择公知的方法来制造。
式(3-4-1)中,作为碳原子数为2以上20以下的烃基,可以举出烷基、烯基、炔基和芳基等,优选为乙基、正丙基、异丙基、异丙基、正丁基、仲丁基、异丁基、叔丁基、正戊基、叔戊基、己基、庚基、辛基、壬基、癸基、十一烷基、十二烷基、十三烷基、十四烷基、十五烷基、十六烷基、十七烷基、十八烷基、十九烷基、二十烷基等烷基;乙烯基、1-丙烯基、异丙烯基、1-丁烯基、1-戊烯基等烯基;乙炔基、1-丙炔基、1-丁炔基、1-戊炔基等炔基;苯基、甲苯基、乙基苯基、正丙基苯基、异丙基苯基、正丁基苯基、仲丁基苯基、异丁基苯基、叔丁基苯基、三氟甲基苯基、二甲苯基、苄基、苯乙基、甲氧基苯基、乙氧基苯基、三氟甲氧基苯基等芳基等。
其中,从氰基相对于分子整体的比例多、电池特性提高效果高的方面考虑,更优选为碳原子数为2以上15以下的直链或支链状的烷基和碳原子数为2以上4以下的烯基,进一步优选为碳原子数为2以上12以下的直链或支链状的烷基,特别优选为碳原子数为4以上11以下的直链或支链状的烷基。
作为式(3-4-1)所表示的化合物,可以举出丙腈、丁腈、戊腈、己腈、庚腈、辛腈、壬腈、癸腈、十一腈、十二腈、环戊烷甲腈、环己烷甲腈、丙烯腈、甲基丙烯腈、丁烯腈、3-甲基丁烯腈、2-甲基-2-丁烯腈、2-戊烯腈、2-甲基-2-戊烯腈、3-甲基-2-戊烯腈和2-己烯腈等。
其中,从化合物的稳定性、电池特性、制造方面出发,优选为戊腈、辛腈、癸腈、十二腈和丁烯腈,更优选为戊腈、癸腈、十二腈和丁烯腈,优选为戊腈、癸腈和丁烯腈。
式(3-4-1)所表示的化合物可以单独使用1种,也可以以任意的组合和比例合用2种以上。在非水系电解液100质量%中,式(3-4-1)所表示的化合物的量(2种以上时为总量)可以为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、另外,可以为10质量%以下、优选为5质量%以下、更优选为3质量%以下、进一步优选为2质量%以下、特别优选为1质量%以下、最优选为0.5质量%以下。若为上述范围,容易控制输出功率特性、负荷特性、低温特性、循环特性、高温保存特性等。
1-3-4-2.式(3-4-2)所表示的化合物
NC-A2-CN (3-4-2)
(式中,
A2为由选自由氢原子、碳原子、氮原子、氧原子、硫原子、磷原子和卤原子组成的组中的1种以上原子所构成的碳原子数为1以下10以下的有机基团。)
由选自由氢原子、碳原子、氮原子、氧原子、硫原子、磷原子和卤原子组成的组中的1种以上原子所构成的碳原子数为1以下10以下的有机基团是指,除了由碳原子和氢原子构成的有机基团以外,还包括可以含有氮原子、氧原子、硫原子、磷原子、或卤原子的有机基团。在可以包含氮原子、氧原子、硫原子、磷原子或卤原子的有机基团中,包括由碳原子和氢原子构成的基团中的骨架的碳原子的一部分被这些原子所取代的有机基团、或者具有由这些原子所构成的取代基的有机基团。
式(3-4-2)所表示的化合物的分子量没有特别限制。分子量优选为65以上、更优选为80以上、进一步优选为90以上,并且优选为270以下、更优选为160以下、进一步优选为135以下。若为该范围,则容易确保式(3-4-2)所表示的化合物在非水系电解液中的溶解性,容易表现出本发明的效果。式(3-4-2)所表示的化合物的制造方法没有特别限制,可以任意地选择公知的方法来制造。
作为式(3-4-2)所表示的化合物中的A2,可以举出亚烷基或其衍生物、亚烯基或其衍生物、环亚烷基或其衍生物、亚炔基或其衍生物、环亚烯基或其衍生物、亚芳基或其衍生物、羰基或其衍生物、磺酰基或其衍生物、亚磺酰基或其衍生物、膦酰基或其衍生物、氧膦基或其衍生物、酰胺基或其衍生物、酰亚胺基或其衍生物、醚基或其衍生物、硫醚基或其衍生物、二烃基硼酸基或其衍生物、硼烷基或其衍生物等。
其中,从提高电池特性的方面考虑,优选为亚烷基或其衍生物、亚烯基或其衍生物、环亚烷基或其衍生物、亚炔基或其衍生物、亚芳基或其衍生物。另外,A2更优选为具有或不具有取代基的碳原子数为2以上5以下的亚烷基。
作为式(3-4-2)所表示的化合物,可以举出丙二腈、琥珀腈、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、甲基琥珀腈、2,2-二甲基琥珀腈、2,3-二甲基琥珀腈、2,3,3-三甲基琥珀腈、2,2,3,3-四甲基琥珀腈、2,3-二乙基-2,3-二甲基琥珀腈、2,2-二乙基-3,3-二甲基琥珀腈、双环己烷-1,1-二甲腈、双环己烷-2,2-二甲腈、双环己烷-3,3-二甲腈、2,5-二甲基-2,5-己烷二甲腈、2,3-二异丁基-2,3-二甲基琥珀腈、2,2-二异丁基-3,3-二甲基琥珀腈、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、马来腈、富马腈、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’-(亚乙基二氧基)二丙腈、3,3’-(亚乙基二硫代)二丙腈和3,9-双(2-氰基乙基)-2,4,8,10-四氧杂螺环[5,5]十一烷等。
这些之中,从提高保存特性的方面考虑,优选丙二腈、琥珀腈、戊二腈、己二腈、庚二腈、辛二腈、壬二腈、癸二腈、十一烷二腈、十二烷二腈和3,9-双(2-氰基乙基)-2,4,8,10-四氧杂螺环[5,5]十一烷、富马腈。此外,由于保存特性提高效果特别优异、而且电极上的副反应导致的劣化少,因而更优选为琥珀腈、戊二腈、己二腈、庚二腈、辛二腈、戊二腈和3,9-双(2-氰基乙基)-2,4,8,10-四氧杂螺环[5,5]十一烷。通常,对二腈化合物来说,分子量越小则一分子中的氰基的量比例越大,分子的粘度越上升;另一方面,分子量越大,则化合物的沸点越上升。由此,从提高作业效率的方面考虑,进一步优选为琥珀腈、戊二腈、己二腈和庚二腈。
式(3-4-2)所表示的化合物可以单独使用1种,也可以以任意的组合和比例合用2种以上。在电解液100质量%中,式(3-4-2)所表示的化合物的量(2种以上时为总量)可以为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、特别优选为0.3质量%以上,并且可以为10质量%以下、优选为5质量%以下、更优选以3质量%以下的浓度含有。满足上述范围时,输出功率特性、负荷特性、低温特性、循环特性、高温保存特性等效果进一步提高。
1-3-4-3.式(3-4-3)所表示的化合物
(式中,
A3为由选自由氢原子、碳原子、氮原子、氧原子、硫原子、磷原子和卤原子组成的组中的1种以上原子所构成的碳原子数为1以上12以下的有机基团,n43为0以上5以下的整数。)
由选自由氢原子、碳原子、氮原子、氧原子、硫原子、磷原子以及卤原子组成的组中的1种以上原子所构成的碳原子数为1以上12以下的有机基团是指,除了由碳原子和氢原子构成的有机基团以外,还包括可以含有氮原子、氧原子、硫原子、磷原子或卤原子的有机基团。在可以包含氮原子、氧原子、硫原子、磷原子或卤原子的有机基团中,包括由碳原子和氢原子构成的基团中的骨架的碳原子的一部分被这些原子所取代的有机基团、或者具有由这些原子所构成的取代基的有机基团。
上述n43为0以上5以下、优选为0以上3以下、更优选为0以上1以下的整数、特别优选为0。
另外,上述A3优选为由选自由氢原子、碳原子、氮原子、氧原子和硫原子组成的组中的1种以上原子所构成的碳原子数为1以上12以下的有机基团,更优选为由选自由氢原子、碳原子和氧原子组成的组中的1种以上原子所构成的碳原子数为1以上12以下的有机基团,进一步优选为具有或不具有取代基的碳原子数为1以上12以下的脂肪族烃基。
在此,取代基表示由选自由碳原子、氢原子、氮原子、氧原子、硫原子、磷原子和卤原子组成的组中的1种以上原子所构成的基团。
作为取代基,可以举出卤原子;非取代或卤素取代的烷基、烯基、炔基、芳基、烷氧基;异氰酸酯基;烷氧羰基氧基;酰基;羧基;烷氧羰基;酰氧基;烷基磺酰基;烷氧基磺酰基;二烷氧基次膦基;二烷氧基磷酰基和二烷氧基磷酰基氧基等,优选为卤原子;烷氧基或者非取代或卤素取代的烷基,更优选为卤原子或者非取代或卤素取代的烷基,进一步优选为非取代的烷基。
上述脂肪族烃基没有特别限制,碳原子数可以为1以上、优选为2以上、更优选为3以上,并且可以为12以下、优选为8以下、更优选为6以下。
作为脂肪族烃基,根据n43而可以举出烷烃三基、烷烃四基、烷烃五基、烷烃四基、烯烃三基、烯烃四基、烯烃五基、烯烃四基、炔烃三基、炔烃四基、炔烃五基和炔烃四基等。
这些之中,更优选为烷烃三基、烷烃四基、烷烃五基和烷烃四基等饱和烃基,进一步优选为烷烃三基。
此外,上述式(3-4-3)所表示的化合物更优选为式(3-4-3’)所表示的化合物。
(式中,A4和A5为与上述A3对应的2价基团。)
另外,上述A4和A5更优选为具有或不具有取代基的碳原子数为1以上5以下的烃基。
作为烃基,可以举出亚甲基、亚乙基、1,3-亚丙基、四亚乙基、五亚甲基、1,2-亚乙烯基、1-亚丙烯基、2-亚丙烯基、1-亚丁烯基、2-亚丁烯基、1-亚戊烯基、2-亚戊烯基、亚乙炔基、亚丙炔基、1-亚丁炔基、2-亚丁炔基、1-亚戊炔基和2-亚戊炔基等。
这些之中,优选为亚甲基、亚乙基、1,3-亚丙基、四亚乙基、五亚甲基,更优选为亚甲基、亚乙基、1,3-亚丙基。
上述A4和A5优选相互不相同而是不同的。
式(3-4-3)所表示的化合物的分子量没有特别限制。分子量优选为90以上、更优选为120以上、进一步优选为150以上,并且优选为450以下、更优选为300以下、进一步优选为250以下。若为该范围,容易确保式(3-4-3)所表示的化合物在非水系电解液中的溶解性,容易表现出本发明的效果。式(3-4-3)所表示的化合物的制造方法没有特别限制,可以任意地选择公知的方法来制造。
作为式(3-4-3)所表示的化合物,可以举出以下的化合物。
这些之中,从提高保存特性的方面考虑,优选
具有氰基的有机化合物可以单独使用1种,也可以以任意的组合和比例合用2种以上。
在电解液100质量%中,式(3-4-3)所表示的化合物的量(2种以上时为总量)可以为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、特别优选为0.3质量%以上,并且可以为10质量%以下、优选为5质量%以下、更优选为3质量%以下、特别优选以2质量%以下的浓度含有。若为该范围,则容易控制输出功率特性、负荷特性、低温特性、循环特性、高温保存特性等。
关于上述式(2)所表示的芳香族羧酸酯与具有氰基的有机化合物的质量比,式(2)所表示的芳香族羧酸酯:具有氰基的有机化合物优选为1:99~99:1、更优选为5:95~95:5、进一步优选为10:90~90:10、特别优选为20:80~80:20、极其优选为30:70~70:30。若为该范围,则可以显著提高电池特性、特别是初期特性。关于该原理尚未确定,但认为是由于:通过以该比例混合,能够将电极上的添加剂的副反应抑制到最小限度。
1-3-5.具有异氰酸酯基的有机化合物
本发明的电解液可以包含具有异氰酸酯基的有机化合物。具有异氰酸酯基的有机化合物只要是分子内具有至少1个异氰酸酯基的有机化合物即可,没有特别限制,在一分子中异氰酸酯基的数量优选为1以上4以下、更优选为2以上3以下、进一步优选为2。
本发明的电解液中,通过合用式(2)所表示的芳香族羧酸酯与具有异氰酸酯基的化合物,在使用了该电解液的电池中,可以抑制初期气体的产生,另一方面可以提高保存后的电池容量。
具有异氰酸酯基的有机化合物优选为在具有直链状或支链状的亚烷基、环亚烷基、环亚烷基与亚烷基连结而成的结构、芳香族烃基、芳香族烃基与亚烷基连结而成的结构、醚结构(-O-)、醚结构(-O-)与亚烷基连结而成的结构、羰基(-C(=O)-)、羰基与亚烷基连结而成的结构、磺酰基(-S(=O)-)、磺酰基与亚烷基连结而成的结构或它们被卤化而成的结构等的化合物上键合有异氰酸酯基的化合物,更优选为在直链状或支链状的亚烷基、环亚烷基、环亚烷基与亚烷基连结而成的结构、芳香族烃基或芳香族烃基与亚烷基连结而成的结构上键合有异氰酸酯基的化合物,进一步优选为在环亚烷基与亚烷基连结而成的结构上键合有异氰酸酯基的化合物。具有异氰酸酯基的有机化合物的分子量没有特别限制。分子量优选为80以上、更优选为115以上、进一步优选为170以上,并且为300以下、更优选为230以下。若为该范围,容易确保具有异氰酸酯基的有机化合物在非水系电解液中的溶解性,容易表现出本发明的效果。具有异氰酸酯基的有机化合物的制造方法没有特别限制,可以任意地选择公知的方法来制造。另外,也可以使用市售品。
作为具有异氰酸酯基的有机化合物,可以举出异氰酸甲酯、异氰酸乙酯、异氰酸丙酯、异氰酸异丙酯、异氰酸丁酯、异氰酸叔丁酯、异氰酸戊酯、异氰酸己酯、异氰酸环己酯、异氰酸乙烯酯、异氰酸烯丙酯、异氰酸乙炔酯、异氰酸炔丙酯、异氰酸苯酯、异氰酸氟苯基酯等具有1个异氰酸酯基的有机化合物;
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、十二亚甲基二异氰酸酯、1,3-二异氰酸根合丙烷、1,4-二异氰酸根合-2-丁烯、1,4-二异氰酸根合-2-氟丁烷、1,4-二异氰酸根合-2,3-二氟丁烷、1,5-二异氰酸根合-2-戊烯、1,5-二异氰酸根合-2-甲基戊烷、1,6-二异氰酸根合-2-己烯、1,6-二异氰酸根合-3-己烯、1,6-二异氰酸根合-3-氟己烷、1,6-二异氰酸根合-3,4-二氟己烷、甲苯二异氰酸酯、二甲苯二异氰酸酯、甲苯二异氰酸酯、1,2-双(异氰酸根合甲基)环己烷、1,3-双(异氰酸根合甲基)环己烷、1,4-双(异氰酸根合甲基)环己烷、1,2-二异氰酸根合环己烷、1,3-二异氰酸根合环己烷、1,4-二异氰酸根合环己烷、二环己基甲烷-1,1’-二异氰酸酯、二环己基甲烷-2,2’-二异氰酸酯、二环己基甲烷-3,3’-二异氰酸酯、二环己基甲烷-4,4’-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)、二异氰酸异佛尔酮、羰基二异氰酸酯、1,4-二异氰酸根合丁烷-1,4-二酮、1,5-二异氰酸根合戊烷-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具有2个异氰酸酯基的有机化合物;等。
这些之中,从提高保存特性的方面考虑,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(异氰酸根合甲基)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)、二异氰酸异佛尔酮、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具有2个异氰酸酯基的有机化合物,更优选为六亚甲基二异氰酸酯、1,3-双(异氰酸根合甲基)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)、二异氰酸异佛尔酮、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,进一步优选为1,3-双(异氰酸根合甲基)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)。
具有异氰酸酯基的有机化合物也可以为由分子内具有至少2个异氰酸酯基的化合物衍生的三聚体化合物、或者对其加成多元醇而成的脂肪族多异氰酸酯。例如,可以举出式(3-5-1)~(3-5-4)的基本结构所表示的缩二脲、异氰脲酸酯、加合物和二官能的类型的改性多异氰酸酯等。
(式中,R51~R54和R54’独立地为2价烃基(例如,1,4-亚丁基、六亚甲基),R53’独立地为3价烃基。)
在分子内具有至少2个异氰酸酯基的有机化合物中,还包含用封端剂进行封闭而提高了保存稳定性的所谓封端异氰酸酯。封端剂可以举出醇类、酚类、有机胺类、肟类、内酰胺类,具体地说,可以举出正丁醇、苯酚、三丁胺、二乙基乙醇胺、甲基乙基酮肟、ε-己内酰胺等。
出于促进基于具有异氰酸酯基的有机化合物的反应、获得更高的效果的目的,还优选合用二丁基锡二月桂酸酯等之类的金属催化剂、或1,8-二氮杂双环[5.4.0]十一碳-7-烯之类的胺系催化剂等。
具有异氰酸酯基的有机化合物可以单独使用1种,也可以以任意的组合和比例合用2种以上。
在电解液100质量%中,具有异氰酸酯基的有机化合物的量(2种以上时为总量)可以为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,并且可以为10质量%以下、优选为5质量%以下、更优选为3质量%以下。若为该范围,则容易控制输出功率特性、负荷特性、低温特性、循环特性、高温保存特性等。
关于上述式(2)所表示的芳香族羧酸酯与具有异氰酸酯基的有机化合物的质量比,式(2)所表示的芳香族羧酸酯:具有异氰酸酯基的有机化合物优选为1:99~99:1、更优选为5:95~95:5、进一步优选为10:90~90:10、特别优选为20:80~80:20、极其优选为30:70~70:30。若为该范围,则可以显著提高电池特性、特别是初期特性。关于该原理尚未确定,但认为是由于:通过以该比例混合,可以将电极上的添加剂的副反应抑制到最小限度。
1-3-6.含硅化合物
本发明的电解液可以包含含硅化合物。含硅化合物只要是分子内具有至少1个硅原子的化合物即可,没有特别限制。本发明的电解液中,通过合用式(2)所表示的芳香族羧酸酯与含硅化合物,可以提高初期高倍率放电容量,另一方面可以提高保存后的容量。
作为含硅化合物,优选为式(3-6)所表示的化合物。
(式中,
R61、R62和R63独立地为氢原子、卤原子或碳原子数为10以下的烃基,
X61为含有选自由氧原子、氮原子和硅原子组成的组中的至少1个原子的有机基团。)
关于烃基,适用式(I)中的烃基的例示和优选例。R61、R62和R63优选为氢原子、氟原子、甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、仲丁基、异丁基、叔丁基、苯基,更优选为甲基。
X61为包含选自由氧原子、氮原子和硅原子组成的组中的至少1个原子的有机基团,优选为至少包含氧原子或硅原子的有机基团。此处,有机基团表示由选自由碳原子、氢原子、氮原子、氧原子、硅原子、硫原子、磷原子和卤原子组成的组中的1个以上原子所构成的基团。作为有机基团,可以举出烷基、烯基、炔基、芳基、烷氧基、CN基、异氰酸酯基、氟基、烷基磺酸基和三烷基甲硅烷基等。需要说明的是,1价有机基团的一部分可以被卤原子所取代。另外,有机基团的碳原子数可以为1以上、优选为3以上、更优选为5以上,并且可以为15以下、优选为12以下、更优选为8以下。
这些之中,优选为烷基磺酸基、三烷基甲硅烷基、硼酸基、磷酸基和亚磷酸基。
作为含硅化合物,可以举出以下的化合物。
可以举出硼酸三(三甲基甲硅烷基)酯、硼酸三(三甲氧基甲硅烷基)酯、硼酸三(三乙基甲硅烷基)酯、硼酸三(三乙氧基甲硅烷基)酯、硼酸三(二甲基乙烯基甲硅烷基)酯和硼酸三(二乙基乙烯基甲硅烷基)酯等硼酸化合物;磷酸三(三甲基甲硅烷基)酯、磷酸三(三乙基甲硅烷基)酯、磷酸三(三丙基甲硅烷基)酯、磷酸三(三苯基甲硅烷基)酯、磷酸三(三甲氧基甲硅烷基)酯、磷酸三(三乙氧基甲硅烷基)酯、磷酸三(三苯氧基甲硅烷基)酯、磷酸三(二甲基乙烯基甲硅烷基)酯和磷酸三(二乙基乙烯基甲硅烷基)酯等磷酸化合物;
亚磷酸三(三甲基甲硅烷基)酯、亚磷酸三(三乙基甲硅烷基)酯、亚磷酸三(三丙基甲硅烷基)酯、亚磷酸三(三苯基甲硅烷基)酯、亚磷酸三(三甲氧基甲硅烷基)酯、亚磷酸三(三乙氧基甲硅烷基)酯、亚磷酸三(三苯氧基甲硅烷基)酯、亚磷酸三(二甲基乙烯基甲硅烷基)酯和亚磷酸三(二乙基乙烯基甲硅烷基)酯等亚磷酸化合物;
甲磺酸三甲基甲硅烷基酯、四氟甲磺酸三甲基甲硅烷基酯等磺酸化合物;
六甲基二硅烷、六乙基二硅烷、1,1,2,2-四甲基二硅烷、1,1,2,2-四乙基二硅烷、1,2-二苯基四甲基二硅烷和1,1,2,2-四苯基二硅烷等二硅烷化合物;等。
这些之中,优选为硼酸三(三甲基甲硅烷基)酯、磷酸三(三甲基甲硅烷基)酯、亚磷酸三(三甲基甲硅烷基)酯、甲磺酸三甲基甲硅烷基酯、四氟甲磺酸三甲基甲硅烷基酯、六甲基二硅烷、六乙基二硅烷、1,2-二苯基四甲基二硅烷和1,1,2,2-四苯基二硅烷,更优选为硼酸三(三甲基甲硅烷基)酯、磷酸三(三甲基甲硅烷基)酯、亚磷酸三(三甲基甲硅烷基)酯和六甲基二硅烷。
需要说明的是,这些含硅化合物可以单独使用一种,也可以以任意组合和比例合用两种以上。
在电解液100质量%中,含硅化合物(2种以上时为总量)可以为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,并且可以为10质量%以下、优选为5质量%以下、更优选为3质量%以下。若为该范围,则容易控制输出功率特性、负荷特性、低温特性、循环特性、高温保存特性等。
关于上述式(2)所表示的芳香族羧酸酯与含硅化合物(2种以上时为总量)的质量比,式(2)所表示的芳香族羧酸酯:含硅化合物优选为1:99~99:1、更优选为5:95~95:5、进一步优选为10:90~90:10、特别优选为20:80~80:20、极其优选为30:70~70:30。若为该范围,则可以显著提高电池特性、特别是初期特性。关于该原理尚未确定,但认为是由于:通过以该比例混合,可以将电极上的添加剂的副反应抑制到最小限度。
1-3-7.式(2)以外的芳香族化合物
本发明的电解液可以包含式(2)以外的芳香族化合物。作为式(2)以外的芳香族化合物,只要是分子内具有至少1个芳香环的式(2)以外的有机化合物即可,没有特别限制,优选为式(3-7-1)和式(3-7-2)所表示的芳香族化合物。
1-3-7-1.式(3-7-1)所表示的芳香族化合物
(式中,取代基X71表示卤原子、可以具有卤原子或杂原子的有机基团。可以具有杂原子的有机基团表示,碳原子数为1以上12以下的直链或支链或环状的饱和烃基、具有羧酸酯结构的基团、具有碳酸酯结构的基团、具有磷原子的基团、具有硫原子的基团、具有硅原子的基团。另外,各个取代基可以进一步被卤原子、烃基、芳香族基团、含卤素的烃基、含卤素的芳香族基团等所取代。并且,取代基X71的数n71为1以上6以下,具有2个以上取代基的情况下,各个取代基可以相同也可以不同,并且也可以形成了环。)
其中,从电池特性的方面出发,优选碳原子数为1以上12以下的直链或支链或环状的饱和烃基、具有羧酸酯结构的基团、具有碳酸酯结构的基团。更优选为碳原子数为3以上12以下的直链或支链或环状的饱和烃基、具有羧酸酯结构的基团。
取代基X71的数n71优选为1以上5以下、更优选为1以上3以下、进一步优选为1以上2以下、特别优选为1。
X71表示卤原子、可以具有卤原子或杂原子的有机基团。
作为卤原子,可以举出氯、氟等,优选为氟。
作为不具有杂原子的有机基团,可以举出碳原子数为3以上12以下的直链状、支链状、环状的饱和烃基,直链状、支链状的饱和烃基也包括具有环结构的饱和烃基。作为碳原子数为1以上12以下的直链状、支链状、环状的饱和烃基,具体地说,可以举出甲基、乙基、丙基、异丙基、丁基、异丁基、叔丁基、戊基、叔戊基、环戊基、环己基、丁基环己基等。碳原子数优选为3以上12以下、更优选为3以上10以下、进一步优选为3以上8以下、更进一步优选为3以上6以下、最优选为3以上5以下。
作为构成具有杂原子的有机基团的杂原子,可以举出氧原子、硫原子、磷原子、硅原子等。作为具有氧原子的有机基团,可以举出具有羧酸酯结构的基团、具有碳酸酯结构的基团等。作为具有硫原子的有机基团,可以举出具有磺酸酯结构的基团等。作为具有磷原子的有机基团,可以举出具有磷酸酯结构的基团、具有膦酸酯结构的基团等。作为具有硅原子的有机基团,可以举出具有硅-碳结构的基团等。
作为式(3-7-1)所表示的芳香族化合物,例如可以举出以下物质。
作为X71为卤原子或可以具有卤原子的有机基团的物质,可以举出氯苯、氟苯、二氟苯、三氟苯、四氟苯、五氟苯、六氟苯、苯并三氟化物等,优选为氟苯、六氟苯。更优选为氟苯。
作为X71为碳原子数为1以上12以下的烃基的物质,可以举出2,2-二苯基丙烷、1,4-二苯基环己烷、环戊苯、环己苯、顺式-1-丙基-4-苯基环己烷、反式-1-丙基-4-苯基环己烷、顺式-1-丁基-4-苯基环己烷、反式-1-丁基-4-苯基环己烷、丙苯、丁苯、叔丁苯、叔戊苯等,优选为2,2-二苯基丙烷、1,4-二苯基环己烷、环戊苯、环己苯、顺式-1-丙基-4-苯基环己烷、反式-1-丙基-4-苯基环己烷、顺式-1-丁基-4-苯基环己烷、反式-1-丁基-4-苯基环己烷、甲苯、乙苯、丙苯、丁苯、叔丁苯、叔戊苯,更优选为2,2-二苯基丙烷、环戊苯、环己苯、1,1-二苯基环己烷、叔丁苯、叔戊苯,进一步优选环己苯、叔丁苯、叔戊苯。
作为X71为具有羧酸酯结构的基团的物质,可以举出乙酸苯酯、乙酸苄酯、乙酸2-苯基乙酯、乙酸3-苯基丙酯、乙酸4-苯基丁酯、丙酸苯酯、丙酸苄酯、丙酸2-苯基乙酯、丙酸3-苯基丙酯、丙酸4-苯基丁酯、丁酸苯酯、丁酸苄酯、丁酸2-苯基乙酯、丁酸3-苯基丙酯、丁酸4-苯基丁酯、苯乙酸苯乙酯、2,2-双(4-乙酰氧基苯基)丙烷等,优选为乙酸2-苯基乙酯、乙酸3-苯基丙酯、丙酸2-苯基乙酯、丙酸3-苯基丙酯、2,2-双(4-乙酰氧基苯基)丙烷,更优选为乙酸2-苯基乙酯、乙酸3-苯基丙酯。
作为X71为具有碳酸酯结构的基团的物质,可以举出2,2-双(4-甲氧基羰酰氧基苯基)丙烷、1,1-双(4-甲氧基羰酰氧基苯基)环己烷、碳酸二苯酯、甲基苯基碳酸酯、乙基苯基碳酸酯、2-叔丁基苯基甲基碳酸酯、2-叔丁基苯基乙基碳酸酯、双(2-叔丁基苯基)碳酸酯、4-叔丁基苯基甲基碳酸酯、4-叔丁基苯基乙基碳酸酯、双(4-叔丁基苯基)碳酸酯、苄基甲基碳酸酯、苄基乙基碳酸酯、二苄基碳酸酯等,优选为2,2-双(4-甲氧基羰酰氧基苯基)丙烷、1,1-双(4-甲氧基羰酰氧基苯基)环己烷体、碳酸二苯酯、甲基苯基碳酸酯,更优选为碳酸二苯酯、甲基苯基碳酸酯,进一步优选甲基苯基碳酸酯。
作为X71为具有磺酸酯结构的基团的物质,可以举出甲基苯基磺酸酯、乙基苯基磺酸酯、二苯基磺酸酯、苯基甲基磺酸酯、2-叔丁基苯基甲基磺酸酯、4-叔丁基苯基甲基磺酸酯、环己基苯基甲基磺酸酯等,优选为甲基苯基磺酸酯、二苯基磺酸酯、2-叔丁基苯基甲基磺酸酯、4-叔丁基苯基甲基磺酸酯、环己基苯基甲基磺酸酯,更优选为甲基苯基磺酸酯、2-叔丁基苯基甲基磺酸酯、4-叔丁基苯基甲基磺酸酯、环己基苯基甲基磺酸酯。
作为X71为具有硅-碳结构的基团的物质,可以举出三甲基苯基硅烷、二苯基硅烷、二苯基四甲基二硅烷等,优选为三甲基苯基硅烷。
作为X71为具有磷酸酯结构的基团的物质,可以举出磷酸三苯酯、三(2-叔丁基苯基)磷酸酯、三(3-叔丁基苯基)磷酸酯、三(4-叔丁基苯基)磷酸酯、三(2-叔戊基苯基)磷酸酯、三(3-叔戊基苯基)磷酸酯、三(4-叔戊基苯基)磷酸酯、三(2-环己基苯基)磷酸酯、三(3-环己基苯基)磷酸酯、三(4-环己基苯基)磷酸酯、二乙基(4-甲基苄基)膦酸酯等,优选为磷酸三苯酯、三(2-叔丁基苯基)磷酸酯、三(3-叔丁基苯基)磷酸酯、三(4-叔丁基苯基)磷酸酯、三(2-叔戊基苯基)磷酸酯、三(3-叔戊基苯基)磷酸酯、三(4-叔戊基苯基)磷酸酯、三(2-环己基苯基)磷酸酯、三(3-环己基苯基)磷酸酯、三(4-环己基苯基)磷酸酯,更优选为三(2-叔丁基苯基)磷酸酯、三(4-叔丁基苯基)磷酸酯、三(2-环己基苯基)磷酸酯、三(4-环己基苯基)磷酸酯。
作为X71为具有膦酸酯结构的基团的物质,可以举出二甲基苯基膦酸酯、二乙基苯基膦酸酯、甲基苯基苯基膦酸酯、乙基苯基苯基膦酸酯、二苯基苯基膦酸酯、二甲基-(4-氟苯基)-膦酸酯、二甲基苄基膦酸酯、二乙基苄基膦酸酯、甲基苯基苄基膦酸酯、乙基苯基苄基膦酸酯、二苯基苄基膦酸酯、二甲基-(4-氟苄基)膦酸酯、二乙基-(4-氟苄基)膦酸酯等,优选为二甲基苯基膦酸酯、二乙基苯基膦酸酯、二甲基-(4-氟苯基)-膦酸酯、二甲基苄基膦酸酯、二乙基苄基膦酸酯、二甲基-(4-氟苄基)膦酸酯、二乙基-(4-氟苄基)膦酸酯,更优选为二甲基苯基膦酸酯、二乙基苯基膦酸酯、二甲基苄基膦酸酯、二乙基苄基膦酸酯、二甲基-(4-氟苄基)膦酸酯、二乙基-(4-氟苄基)膦酸酯。
另外,作为式(3-7-1)所表示的芳香族化合物,还包括上述芳香族化合物的氟化体。具体地说,可以举出三氟甲苯、2-氟甲苯、3-氟甲苯、4-氟甲苯、三氟甲苯、邻环己基氟苯、对环己基氟苯等具有烃基的物质的部分氟化物;2-氟苯基乙酸酯、4-氟苯基乙酸酯等具有羧酸酯结构的物质的部分氟化物;三氟甲氧基苯、2-氟苯甲醚、3-氟苯甲醚、4-氟苯甲醚、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、4-三氟甲氧基苯甲醚等具有醚结构的物质的部分氟化物等,优选为三氟甲苯、2-氟甲苯、3-氟甲苯、4-氟甲苯、邻环己基氟苯、对环己基氟苯等具有烃基的物质的部分氟化物;2-氟苯基乙酸酯、4-氟苯基乙酸酯等具有羧酸酯结构的物质的部分氟化物;三氟甲氧基苯、2-氟苯甲醚、4-氟苯甲醚、2,4-二氟苯甲醚、4-三氟甲氧基苯甲醚等具有醚结构的物质的部分氟化物等,更优选为2-氟甲苯、3-氟甲苯、4-氟甲苯等具有烃基的物质的部分氟化物;2-氟苯基乙酸酯、4-氟苯基乙酸酯等具有羧酸酯结构的物质的部分氟化物;三氟甲氧基苯、2-氟苯甲醚、4-氟苯甲醚、2,4-二氟苯甲醚、4-三氟甲氧基苯甲醚等具有醚结构的物质的部分氟化物等。
式(3-7-1)所表示的芳香族化合物可以单独使用1种,也可以以任意的组合和比例合用2种以上。在电解液100质量%中,式(3-7-1)所表示的芳香族化合物的量(2种以上时为总量)可以为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、进一步优选为0.4质量%以上,并且可以为10质量%以下、优选为8质量%以下、更优选为5质量%以下、进一步优选为4质量%以下、特别优选为4质量%以下。通过为上述范围内,容易表现出本发明的效果,而且容易防止电池的电阻增大。
上述式(2)所表示的芳香族羧酸酯与式(3-7-1)所表示的芳香族化合物(2种以上时为总量)的质量比优选为1:99~99:1、更优选为10:90~90:10、特别优选为20:80~80:20。若为该范围,则电池特性不会降低而能够提高过充电特性。
1-3-7-2.式(3-7-2)所表示的芳香族化合物
其为
(式中,R11~R15独立地为氢、卤素或者非取代或卤素取代的碳原子数为1以上20以下的烃基,R16和R17独立地为碳原子数为1以上12以下的烃基,R11~R17中的至少2者可以一起形成环,其中,式(3-7-2)满足(A)和(B)中的至少一个条件:
(A)R11~R15中的至少一者是卤素或者非取代或卤素取代的碳原子数为1以上20以下的烃基,
(B)R11~R17的碳原子数的合计为3以上20以下)
所表示的芳香族化合物。R11~R17中的至少2者一起形成环时,优选R11~R17中的2者一起形成了环。
R16和R17独立地为碳原子数为1以上12以下的烃基(例如,烷基、芳基),R16和R17也可以一起形成环(例如,作为烃基的环式基团)。从提高初期效率和溶解性、保存特性的方面出发,R16和R17优选为碳原子数为1以上12以下的烃基,或者为R16和R17一起形成的作为烃基的环式基团,更优选为甲基、乙基、丙基、丁基、叔丁基,或者为R16和R17一起形成的作为烃基的5~8元的环式基团,进一步优选为甲基、乙基、R16和R17一起形成的环己基、环戊基,最优选为甲基、乙基、R16和R17一起形成的环己基。
R11~R15独立地为氢、卤素或者非取代或卤素取代的碳原子数为1以上20以下的烃基(例如,烷基、芳基、芳烷基),这些中的2者可以一起而形成环(例如,作为烃基的环式基团)。从提高初期效率和溶解性、保存特性的方面出发,优选为氢、氟、非取代或者卤素取代的碳原子数为1以上12以下的烃基,更优选为氢、氟、非取代或者氟取代的碳原子数为1以上10以下的烃基,进一步优选为氢、氟、叔丁基、叔戊基、叔己基、叔庚基、甲基、乙基、丙基、丁基、三氟甲基、九氟叔丁基、1-甲基-1-苯基-乙基、1-乙基-1-苯基-丙基,特别优选为氢、氟、叔丁基、1-甲基-1-苯基-乙基,最优选为氢、叔丁基、1-甲基-1-苯基-乙基。
R11~R15中的任一者与R16可以一起而形成环(例如,作为烃基的环式基团)。优选为R11和R16一起而形成环(例如,作为烃基的环式基团)。这种情况下,R17优选为烷基。作为R17为甲基、R11和R16一起形成了环的化合物,可以举出1-苯基-1,3,3-三甲基茚满、2,3-二氢1,3-二甲基-1-(2-甲基-2-苯基丙基)-3-苯基-1H-茚满等。
式(3-7-2)满足(A)和(B)中的至少一个条件。
(A)R11~R15中的至少一者是卤素或者非取代或卤素取代的碳原子数为1以上20以下的烃基;
(B)R11~R17的碳原子数的合计为3以上20以下。
从抑制通常的电池工作电压范围内的正极上的氧化的方面考虑,式(3-7-2)优选满足(A),从在电解液中的溶解性的方面考虑,优选满足(B)。式(3-7-2)也可以满足(A)和(B)的两者。
关于(A),只要R11~R15中的至少1者为卤素或者非取代或卤素取代的碳原子数为1以上20以下的烃基即可,其它可以为氢原子,也可以形成环。从在电解液中的溶解性的方面出发,非取代或者卤素取代的烃基的碳原子数优选为1以下10以下、更优选为1以下5以下、进一步优选为1以下3以下、更进一步优选为1或2、最优选为1。
关于(B),只要R11~R17的碳原子数的合计为3以上20以下即可,R11~R17中的至少2者可以一起而形成环。R11~R17中的至少2者一起而形成了环时,在计算碳原子数的合计时,在形成环的碳中,不计算不与R11~R17相当的碳(关于R11~R15,为构成它们所键合的苯环的碳,关于R16和R17,为苄基位的碳)。从在电解液中的溶解度的方面考虑,碳原子数的合计优选为3以上14以下、更优选为3以上10以下。例如,作为R17为甲基、R11和R16一起形成了环的化合物,可以举出1-苯基-1,3,3-三甲基茚满、2,3-二氢1,3-二甲基-1-(2-甲基-2-苯基丙基)-3-苯基-1H-茚满等,这满足(B)的条件。
作为式(3-7-2)所表示的芳香族化合物,可以举出以下物质。
R16和R17独立地为碳原子数为1以上20以下的烃基(其中,R16和R17的合计碳原子数为3以上20以下);R11~R15为氢的化合物(满足(B))。
2,2-二苯基丁烷、3,3-二苯基戊烷、3,3-二苯基己烷、4,4-二苯基庚烷、5,5-二苯基辛烷、6,6-二苯基壬烷、1,1-二苯基-1,1-二叔丁基-甲烷。
R16和R17一起形成环、R11~R15为氢的化合物(满足(B))。
1,1-二苯基环己烷、1,1-二苯基环戊烷、1,1-二苯基-4-甲基环己烷。
也可以为下述的化合物(有时与上述例示的化合物重复,但用结构式表示)。
R11~R15中的至少1者为卤素或者非取代或卤素取代的碳原子数为1以上20以下的烃基的化合物(满足(A))。
1,3-双(1-甲基-1-苯基乙基)-苯、1,4-双(1-甲基-1-苯基乙基)-苯。
也可以为下述的化合物(有时与上述例示的化合物重复,但用结构式表示)。
R17是碳原子数为1以上20以下的烃基(例如,碳原子数为1以上20以下的烷基,优选为甲基)、R11和R16一起形成了环的化合物(满足(B))。
1-苯基-1,3,3-三甲基茚满。
也可以为下述的化合物(有时与上述例示的化合物重复,但用结构式表示)。
其中,从初期的负极上的还原性的方面出发,优选为2,2-二苯基丁烷、3,3-二苯基戊烷、1,1-二苯基-1,1-二叔丁基-甲烷、1,1-二苯基环己烷、1,1-二苯基环戊烷、1,1-二苯基-4-甲基环己烷、1,3-双(1-甲基-1-苯基乙基)-苯、1,4-双(1-甲基-1-苯基乙基)-苯、1-苯基-1,3,3-三甲基茚满。
作为优选的物质,也可以举出下述化合物(有时与上述优选的化合物重复,但用结构式表示)。
更优选为2,2-二苯基丁烷、1,1-二苯基环己烷、1,1-二苯基-4-甲基环己烷、1,3-双(1-甲基-1-苯基乙基)-苯、1,4-双(1-甲基-1-苯基乙基)-苯、1-苯基-1,3,3-三甲基茚满。
作为更优选的物质,也可以举出下述化合物(有时与上述更优选的化合物重复,但用结构式表示)。
进一步优选为1,1-二苯基环己烷、1,1-二苯基-4-甲基环己烷、1,3-双(1-甲基-1-苯基乙基)-苯、1,4-双(1-甲基-1-苯基乙基)-苯、1-苯基-1,3,3-三甲基茚满。
作为进一步优选的物质,也可以举出下述化合物(有时与上述进一步优选的化合物重复,但用结构式表示)。
特别优选为1,1-二苯基环己烷、1,3-双(1-甲基-1-苯基乙基)-苯、1,4-双(1-甲基-1-苯基乙基)-苯、1-苯基-1,3,3-三甲基茚满,用下述结构式表示。
最优选为1-苯基-1,3,3-三甲基茚满化合物,用以下的结构式表示。
式(3-7-2)所表示的芳香族化合物可以单独使用,也可以合用两种以上。在非水系电解液总量(100质量%)中,式(3-7-2)所表示的芳香族化合物的量(2种以上时为总量)可以为0.001质量%以上、优选为0.01质量%以上、更优选为0.05质量%以上、进一步优选为0.1质量%以上,并且可以为10质量%以下、优选为8质量%以下、更优选为5质量%以下、进一步优选为3质量%以下、特别优选为2.5质量%以下。通过为上述范围内,本发明的效果容易表现,并且可以防止电池的电阻增大。
1-3-8.式(3)所表示的羧酸酯
(式(3)中,R5表示碳原子数为1以上4以下的烃基,R6为乙基、正丙基或正丁基。)
上述R5中的碳原子数为1以下4以下的烃基没有特别限定,碳原子数通常为1以上、优选为2以上、通常为4以下、优选为3以下。作为具体的烃基,可以举出烷基、烯基、炔基等。这些之中,优选为甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、仲丁基、异丁基、叔丁基等碳原子数为1~4的烷基;乙烯基、1-丙烯基、2-丙烯基、异丙烯基、1-丁烯基、2-丁烯基、3-丁烯基等碳原子数为2~3的烯基;乙炔基、1-丙炔基、2-丙炔基、1-丁炔基、2-丁炔基、3-丁炔基等碳原子数为2~4的炔基,更优选为甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、仲丁基、异丁基、叔丁基等碳原子数为1~4的烷基,进一步优选为甲基、乙基、正丙基、正丁基,特别优选为乙基、正丙基。
上述R6为乙基、正丙基或正丁基,优选为乙基、正丙基,更优选为乙基。
作为上述式(3)所表示的羧酸酯,可以举出乙酸乙酯、乙酸正丙酯、乙酸正丁酯、丙酸乙酯、丙酸正丙酯、丙酸正丁酯、丁酸乙酯、丁酸正丙酯、丁酸正丁酯、异丁酸乙酯、异丁酸正丙酯、异丁酸正丁酯、戊酸乙酯、戊酸正丙酯、戊酸正丁酯、氢化当归酸乙酯、氢化当归酸正丙酯、氢化当归酸正丁酯、异戊酸乙酯、异戊酸正丙酯、异戊酸正丁酯、特戊酸乙酯、特戊酸正丙酯、特戊酸正丁酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸正丙酯、丙烯酸正丁酯、甲基丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸正丙酯、甲基丙烯酸正丁酯、丁烯酸乙酯、丁烯酸正丙酯、丁烯酸正丁酯、3-丁烯酸乙酯、3-丁烯酸正丙酯、3-丁烯酸正丁酯、4-戊烯酸乙酯、4-戊烯酸正丙酯、4-戊烯酸正丁酯、3-戊烯酸乙酯、3-戊烯酸正丙酯、3-戊烯酸正丁酯、2-戊烯酸乙酯、2-戊烯酸正丙酯、2-戊烯酸正丁酯、2-丙炔酸乙酯、2-丙炔酸正丙酯、2-丙炔酸正丁酯、3-丁炔酸乙酯、3-丁炔酸正丙酯、3-丁炔酸正丁酯、2-丁炔酸乙酯、2-丁炔酸正丙酯、2-丁炔酸正丁酯、4-戊炔酸乙酯、4-戊炔酸正丙酯、4-戊炔酸正丁酯、3-戊炔酸乙酯、3-戊炔酸正丙酯、3-戊炔酸正丁酯、2-戊炔酸乙酯、2-戊炔酸正丙酯、2-戊炔酸正丁酯等。
这些之中,从提高初期特性的方面考虑,优选为乙酸乙酯、乙酸正丙酯、乙酸正丁酯、丙酸乙酯、丙酸正丙酯、丙酸正丁酯、丁酸乙酯、丁酸正丙酯、丁酸正丁酯、异丁酸乙酯、异丁酸正丙酯、异丁酸正丁酯、戊酸乙酯、戊酸正丙酯、戊酸正丁酯、氢化当归酸乙酯、氢化当归酸正丙酯、氢化当归酸正丁酯、异戊酸乙酯、异戊酸正丙酯、异戊酸正丁酯、特戊酸乙酯、特戊酸正丙酯、特戊酸正丁酯,优选为乙酸乙酯、乙酸正丙酯、乙酸正丁酯、丙酸乙酯、丙酸正丙酯、丙酸正丁酯、丁酸乙酯、丁酸正丙酯、丁酸正丁酯、戊酸乙酯、戊酸正丙酯、戊酸正丁酯、异戊酸乙酯、异戊酸正丙酯、异戊酸正丁酯,更优选为丙酸乙酯、丙酸正丙酯、丙酸正丁酯、丁酸乙酯、丁酸正丙酯、丁酸正丁酯、戊酸乙酯、戊酸正丙酯、戊酸正丁酯,进一步优选为丙酸乙酯、丙酸正丙酯、丙酸正丁酯、丁酸乙酯、丁酸正丙酯、丁酸正丁酯。
式(3)所表示的羧酸酯可以单独使用一种,也可以以任意组合和比例合用两种以上。
在电解液100质量%中,式(3)所表示的羧酸酯的量(2种以上时为总量)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0.4质量%以上,并且优选可以为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、更进一步优选为2质量%以下、特别优选为1质量%以下。另外,在非水溶剂100体积%中,将式(3)所表示的羧酸酯用作非水溶剂时的混合量优选为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、更进一步优选为20体积%以上,并且可以以50体积%以下含有,更优选为45体积%以下、进一步优选为40体积%以下。
从负极上的复合性界面保护覆膜形成的方面考虑,上述式(2)所表示的芳香族羧酸酯与式(3)所表示的羧酸酯的质量比优选为1:99~99:1、更优选为5:95~95:5、进一步优选为10:90~90:10、特别优选为20:80~80:20、极其优选为30:70~70:30。以该范围混配时,可以高效地抑制各添加剂在正负极的副反应,电池特性提高。特别是,对于初期抑制和过充电时的安全性提高有用。
1-3-9.具有2个以上醚键的环状化合物
作为具有2个以上醚键的环状化合物,只要是分子内具有2个以上醚键的环状化合物即可,没有特别限定,优选为式(3-9)所表示的化合物。具有2个以上醚键的环状化合物有助于电池的高温保存特性的提高,在本发明的电解液中,通过与式(2)所表示的芳香族羧酸酯合用,可以保持良好的初期特性。
(式中,
A15~A20独立地表示氢原子、氟原子或者具有或不具有取代基的碳原子数为1以上5以下的烃基。n101为1以上4以下的整数、n101为2以上的整数时,2个以上的A17和A18可以相同也可以不同。)
需要说明的是,选自A15~A20中的两者可以相互键合而形成环。这种情况下,优选由A17和A18形成环结构。另外,A15~A20的碳原子数的总和优选为0以上8以下、更优选为0以上4以下、进一步优选为0以上2以下、特别优选为0以上1以下。
作为取代基,可以举出卤原子;可以被卤原子取代的、烷基、烯基、炔基、芳基、烷氧基、以及氰基、异氰酸酯基、醚基、碳酸酯基、羰基、羧基、烷氧羰基、酰氧基、磺酰基、次膦基和磷酰基等。这些之中,优选为卤原子、烷氧基、可以被卤原子取代的、烷基、烯基、炔基、以及异氰酸酯基、氰基、醚基、羰基、烷氧羰基、酰氧基,更优选为未被卤原子取代的烷基、氰基和醚基。
式(3-9)中,n101优选为1以上3以下的整数,更优选为1以上2以下的整数,n101进一步优选为2。
作为A15~A20中的碳原子数为1以下5以下的烃基,可以举出烷基、烯基、炔基和芳基等1价烃基;
亚烷基、亚烯基、亚炔基和亚芳基等2价烃基;等。这些之中,优选为烷基、亚烷基,更优选为烷基。作为具体例,可以举出甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、仲丁基、异丁基、叔丁基、正戊基、异戊基、仲戊基、新戊基、1-甲基丁基、2-甲基丁基、1,1-二甲基丙基、1,2-二甲基丙基等碳原子数为1以上5以下的烷基;
乙烯基、1-丙烯基、2-丙烯基、异丙烯基、1-丁烯基、2-丁烯基、3-丁烯基、1-戊烯基、2-戊烯基、3-戊烯基、4-戊烯基等碳原子数为2以上5以下的烯基;
乙炔基、1-丙炔基、2-丙炔基、1-丁炔基、2-丁炔基、3-丁炔基、1-戊炔基、2-戊炔基、3-戊炔基、4-戊炔基等碳原子数为2以上5以下的炔基;
亚甲基、亚乙基、1,3-亚丙基、1,4-亚丁基、五亚甲基等碳原子数为1以上5以下的亚烷基;
1,2-亚乙烯基、1-亚丙烯基、2-亚丙烯基、1-亚丁烯基、2-亚丁烯基、1-亚戊烯基、2-亚戊烯基等碳原子数为2以上5以下的亚烯基;
亚乙炔基、亚丙炔基、1-亚丁炔基、2-亚丁炔基、1-亚戊炔基和2-亚戊炔基等碳原子数为2以上5以下的亚炔基等。这些之中,优选为亚甲基、亚乙基、1,3-亚丙基、1,4-亚丁基、五亚甲基等碳原子数为1以上5以下的亚烷基,更优选为亚乙基、1,3-亚丙基、1,4-亚丁基、五亚甲基等碳原子数为2以上5以下的亚烷基,进一步优选为1,3-亚丙基、1,4-亚丁基、五亚甲基等碳原子数为3以上5以下的亚烷基。
A15~A20中的氢原子、氟原子或碳原子数为1以下5以下的烃基表示氢原子、氟原子或将上述取代基与上述碳原子数为1以下5以下的烃基组合而成的基团,优选为氢原子、不具有取代基的碳原子数为1以下5以下的烃基和具有亚烷基的碳链的一部分被醚基所取代的醚结构的亚烷基,更优选为氢原子。
作为具有2个以上醚键的环状化合物,例如可以举出以下的化合物。
其中,优选为
等化合物。
更优选为
具有2个以上醚键的环状化合物可以单独使用1种,也可以以任意的组合和比例合用2种以上。在电解液100质量%中,具有2个以上醚键的环状化合物的量(2种以上时为总量)可以为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、特别优选为0.3质量%以上,并且可以为10质量%以下、优选为5质量%以下、更优选为3质量%以下、进一步优选为2质量%以下。满足上述范围时,容易控制输出功率特性、负荷特性、低温特性、循环特性、高温保存特性等。
1-4.电解质
电解质没有特别限制,可以任意地使用作为电解质公知的物质。在锂二次电池的情况下,通常使用锂盐。具体地说,可以举出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-全氟乙烷双磺酰亚胺锂、环状1,3-全氟丙烷双磺酰亚胺锂、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;双(丙二酸根合)硼酸锂盐、二氟(丙二酸根合)硼酸锂盐等(丙二酸根合)硼酸锂盐类;三(丙二酸根合)磷酸锂、二氟双(丙二酸根合)磷酸锂、四氟(丙二酸根合)磷酸锂等(丙二酸根合)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;二氟草酸硼酸锂、双(草酸)硼酸锂等草酸硼酸锂盐类;
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;等。
其中,从具有提高输出功率特性及高倍率充放电特性、高温保存特性、循环特性等的效果的方面考虑,特别优选LiPF6、LiSbF6、LiTaF6、FSO3Li、CF3SO3Li、LiN(FSO2)2、LiN(FSO2)(CF3SO2)、LiN(CF3SO2)2、LiN(C2F5SO2)2、环状1,2-全氟乙烷双磺酰亚胺锂、环状1,3-全氟丙烷双磺酰亚胺锂、LiC(FSO2)3、LiC(CF3SO2)3、LiC(C2F5SO2)3、LiBF3CF3、LiBF3C2F5、LiPF3(CF3)3、LiPF3(C2F5)3、二氟草酸硼酸锂、双(草酸)硼酸锂、二氟双(草酸根合)磷酸锂等。
对于非水系电解液中的这些电解质的浓度,只要不损害本发明的效果,且其含量没有特别限制,从使电解液的电导率为良好的范围、确保良好的电池性能的方面考虑,非水系电解液中的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,并且优选为3mol/L以下、更优选为2.5mol/L以下、进一步优选为2.0mol/L以下。若为该范围,则作为带电粒子的锂不会过少,并且可以使粘度为适当的范围,因而容易确保良好的电导率。
在合用2种以上的电解质的情况下,还优选至少一种为选自由单氟磷酸盐、二氟磷酸盐、硼酸盐、草酸盐和氟磺酸盐组成的组中的盐,更优选为选自由单氟磷酸盐、二氟磷酸盐、草酸盐和氟磺酸盐组成的组中的盐。这些之中优选为锂盐。选自由单氟磷酸盐、二氟磷酸盐、硼酸盐、草酸盐和氟磺酸盐组成的组中的盐可以为0.01质量%以上、优选为0.1质量%以上,并且可以为20质量%以下、优选为10质量%以下。
作为电解质,优选包含选自由单氟磷酸盐、二氟磷酸盐、硼酸盐、草酸盐和氟磺酸盐组成的组中的1种以上物质和除此以外的1种以上的盐。作为除此以外的盐,可以举出在上文中例示的锂盐,特别优选为LiPF6、LiN(FSO2)(CF3SO2)、LiN(CF3SO2)2、LiN(C2F5SO2)2、环状1,2-全氟乙烷双磺酰亚胺锂、环状1,3-全氟丙烷双磺酰亚胺锂、LiC(FSO2)3、LiC(CF3SO2)3、LiC(C2F5SO2)3、LiBF3CF3、LiBF3C2F5、LiPF3(CF3)3、LiPF3(C2F5)3,进一步优选为LiPF6。从确保电解液的电导率和粘度的适当平衡的方面考虑,除此以外的盐可以为0.01质量%以上、优选为0.1质量%以上,并且可以为20质量%以下、优选为15质量%以下、更优选为10质量%以下。
从确保良好的电池性能的方面考虑,在非水系电解液中,电解质的总量优选为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,并且优选为3mol/L以下、更优选为2.5mol/L以下、进一步优选为2.0mol/L以下、特别优选为1.5mol/L以下。
1-4-1.单氟磷酸盐、二氟磷酸盐
单氟磷酸盐和二氟磷酸盐分别只要是分子内具有至少1个单氟磷酸或二氟磷酸结构的盐即可,没有特别限制。在本发明的电解液中,通过将上述式(2)所表示的芳香族羧酸酯与选自单氟磷酸盐和二氟磷酸盐中的1种以上合用,可以显著抑制电池的初期充放电后的体积变化,可以实现过充电时安全性的进一步提高。另外,通过合用,还可以减小电池的初期不可逆容量,可以提高放电保存特性。与此同时,电池可以具有优异的高温循环特性。
单氟磷酸盐和二氟磷酸盐中的抗衡阳离子没有特别限制,可以举出锂、钠、钾、镁、钙、NR121R122R123R124(式中,R121~R124独立地为氢原子或碳原子数为1以上12以下的有机基团)所表示的铵等。上述铵的R121~R124所表示的碳原子数为1以上12以下的有机基团没有特别限制,例如,可以举出可以被卤原子取代的烷基、可以被卤原子或烷基取代的环烷基、可以被卤原子或烷基取代的芳基、具有或不具有取代基的含氮原子杂环基等。其中,R121~R124优选独立地为氢原子、烷基、环烷基或含氮原子杂环基等。作为抗衡阳离子,优选为锂、钠、钾,其中优选为锂。
作为单氟磷酸盐和二氟磷酸盐,可以举出单氟磷酸锂、单氟磷酸钠、单氟磷酸钾、二氟磷酸锂、二氟磷酸钠、二氟磷酸钾等,优选为单氟磷酸锂、二氟磷酸锂,更优选为二氟磷酸锂。
单氟磷酸盐和二氟磷酸盐可以单独使用一种,也可以以任意组合和比例合用两种以上。
选自单氟磷酸盐和二氟磷酸盐中的1种以上的量(2种以上时为总量)可以为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、进一步优选为0.2质量%以上、特别优选为0.3质量%以上,并且可以为5质量%以下、优选为3质量%以下、更优选为2质量%以下、进一步优选为1.5质量%以下、特别优选为1质量%以下。若为该范围内,则提高初期不可逆容量的效果可显著地表现。
上述式(2)所表示的芳香族羧酸酯与选自单氟磷酸盐和盐中的1种以上物质(2种以上时为总量)的质量比优选为1:99~99:1、更优选为10:90~90:10、特别优选为20:80~80:20。若为该范围,则可以不降低其它电池特性而提高目标特性。
1-4-2.硼酸盐
硼酸盐只要是分子内具有至少1个硼原子的盐即可,没有特别限制。但是,符合草酸盐的物质不是包含于1-4-2.硼酸盐中,而是包含于后述的1-4-3.草酸盐中。本发明的电解液中,通过合用式(2)所表示的芳香族羧酸酯和硼酸盐,可得到初期特性和保存特性也得到改善、进而过充电时安全性优异的电池。
作为硼酸盐中的抗衡阳离子,可以举出锂、钠、钾、镁、钙、铷、铯、钡等,其中优选为锂。
作为硼酸盐,优选为锂盐,还可以适当使用含硼酸锂盐。例如可以举出LiBF4、LiBF3CF3、LiBF3C2F5、LiBF3C3F7、LiBF2(CF3)2、LiBF2(C2F5)2、LiBF2(CF3SO2)2、LiBF2(C2F5SO2)2等。其中,从具有提高初期充放电效率和高温循环特性等的效果的方面考虑,更优选为LiBF4
硼酸盐可以单独使用一种,也可以以任意组合和比例合用两种以上。
硼酸盐的量(2种以上时为总量)可以为0.05质量%以上、优选为0.1质量%以上、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0.4质量%以上,并且可以为10.0质量%以下、优选为5.0质量%以下、更优选为3.0质量%以下、进一步优选为2.0质量%以下、特别优选为1.0质量%以下。若为该范围内,则可抑制电池负极的副反应,难以使电阻上升。
上述式(2)所表示的芳香族羧酸酯与硼酸盐的质量比优选为1:99~99:1、更优选为10:90~90:10、特别优选为20:80~80:20。若为该范围,则可抑制电池中的正负极上的副反应,难以使电池的电阻上升。
另外,作为电解质而使用硼酸盐和LiPF6的情况下,非水电解液中的硼酸盐的摩尔含量相对于LiPF6的摩尔含量之比优选为0.001以上12以下、更优选为0.01~1.1、进一步优选为0.01~1.0、更优选为0.01~0.7。若为该范围,则可抑制电池中的正负极上的副反应,电池的充放电效率提高。
1-4-3.草酸盐
草酸盐只要是分子内具有至少1个草酸结构的化合物即可,没有特别限制。本发明的电解液中,通过合用式(2)所表示的芳香族羧酸酯和草酸盐,可得到初期特性和保存特性也得到改善的电池。
作为草酸盐,优选为式(9)所表示的金属盐。该盐是将草酸根络合物作为阴离子的盐。
(式中,
M1是选自由元素周期表中的1族、2族和铝(Al)组成的组中的元素,
M2是选自由过渡金属、元素周期表的13族、14族和15族组成的组中的元素,
R91是选自由卤素、碳原子数为1以上11以下的烷基和碳原子数为1以上11以下的卤素取代烷基组成的组中的基团,
a和b为正整数,
c为0或正整数,
d为1~3的整数。)
从将本发明的电解液用于锂二次电池时的电池特性的方面考虑,M1优选为锂、钠、钾、镁、钙,特别优选为锂。
从用于锂二次电池时的电化学稳定性的方面考虑,M2特别优选为硼和磷。
作为R91,可以举出氟、氯、甲基、三氟甲基、乙基、五氟乙基、丙基、异丙基、丁基、仲丁基、叔丁基等,优选为氟、三氟甲基。
作为式(9)所表示的金属盐,可以举出以下物质。
二氟草酸硼酸锂和双(草酸)硼酸锂等草酸硼酸锂盐类;
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;
这些之中,优选为双(草酸)硼酸锂和二氟双(草酸根合)磷酸锂,更优选为双(草酸)硼酸锂。
草酸盐可以单独使用一种,也可以以任意组合和比例合用两种以上。
草酸盐的量(2种以上时为总量)可以为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、特别优选为0.3质量%以上,并且可以为10质量%以下、优选为5质量%以下、更优选为3质量%以下、进一步优选为2质量%以下、特别优选为1质量%以下。若为该范围,则容易控制输出功率特性、负荷特性、低温特性、循环特性、高温保存特性等。
上述式(2)所表示的芳香族羧酸酯与草酸盐的质量比优选为1:99~99:1、更优选为10:90~90:10、特别优选为20:80~80:20。若为该范围,则可均衡地抑制电池的正负极上的副反应,容易提高电池特性。
1-4-4.氟磺酸盐
作为氟磺酸盐,只要是分子内具有至少1个氟磺酸结构的盐即可,没有特别限制。本发明的电解液中,通过合用上述式(2)所表示的芳香族羧酸酯和氟磺酸盐,可得到初期特性和保存特性也得到改善的电池。
氟磺酸盐中的抗衡阳离子没有特别限制,可以举出锂、钠、钾、铷、铯、镁、钙、钡和NR131R132R133R134(式中,R131~R134各自独立地为氢原子或碳原子数为1以上12以下的有机基团)所表示的铵等。对于关于R131~R134的例示和优选例,适用上述1-2-2中的R131~R134。作为抗衡阳离子,优选为锂、钠、钾,其中优选为锂。
作为氟磺酸盐,可以举出氟磺酸锂、氟磺酸钠、氟磺酸钾、氟磺酸铷、氟磺酸铯等,优选为氟磺酸锂。双(氟磺酰基)酰亚胺锂等具有氟磺酸结构的酰亚胺盐也可以作为氟磺酸盐使用。
氟磺酸盐可以单独使用一种,也可以以任意组合和比例合用两种以上。
氟磺酸盐的含量(2种以上时为总量)可以为0.05质量%以上、优选为0.1质量%以上、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0.4质量%以上,并且可以为10质量%以下、优选为8质量%以下、更优选为5质量%以下、进一步优选为2质量%以下、特别优选为1质量%以下。若为该范围内,则电池中的副反应少,难以使电阻上升。
上述式(2)所表示的芳香族羧酸酯与氟磺酸盐的质量比优选为1:99~99:1、更优选为10:90~90:10、特别优选为20:80~80:20。若为该范围,则可以适当地抑制电池中的副反应,难以使高温耐久特性降低。
1-5.非水溶剂
对于本发明中的非水溶剂没有特别限制,可以使用公知的有机溶剂。具体地说,可以举出不具有氟原子的环状碳酸酯、链状碳酸酯、环状和链状羧酸酯、醚系化合物、砜系化合物等。
另外,本说明书中,非水溶剂的体积为25℃下的测定值,但对于如碳酸亚乙酯这样在25℃为固体的物质来说,使用熔点下的测定值。
1-5-1.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为2~4的亚烷基的环状碳酸酯。
作为具有碳原子数为2~4的亚烷基的、不具有氟原子的环状碳酸酯的具体例,可以举出碳酸亚乙酯、碳酸亚丙酯、碳酸亚丁酯。其中,从锂离子解离度的提高所引起的电池特性提高的方面考虑,特别优选碳酸亚乙酯和碳酸亚丙酯。
不具有氟原子的环状碳酸酯可以单独使用一种,也可以以任意组合和比例合用两种以上。
不具有氟原子的环状碳酸酯的混合量没有特别限制,只要不显著损害本发明的效果就是任意的,关于单独使用1种时的混合量,在非水溶剂100体积%中,为5体积%以上、更优选为10体积%以上。通过为该范围,可以避免非水系电解液的介电常数降低引起的电导率的降低,容易使非水系电解液二次电池的大电流放电特性、对于负极的稳定性、循环特性在良好的范围。另外,为95体积%以下、更优选为90体积%以下、进一步优选为85体积%以下。通过为该范围,可以使非水系电解液的粘度为适当的范围,可以抑制离子电导率的降低,进而容易使非水系电解液二次电池的负荷特性在良好的范围。
1-5-2.链状碳酸酯
作为链状碳酸酯,优选为碳原子数为3~7的链状碳酸酯,更优选为碳原子数为3~7的碳酸二烷基酯。
作为链状碳酸酯,可以举出碳酸二甲酯、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,优选为碳酸二甲酯、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,特别优选为碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯。
另外,也可以适当地使用具有氟原子的链状碳酸酯类(下文中有时记为“氟化链状碳酸酯”)。
氟化链状碳酸酯所具有的氟原子的数量为1以上即可,没有特别限制,通常为6以下、优选为4以下。氟化链状碳酸酯具有2个以上氟原子的情况下,它们可以相互键合于同一碳上,也可以键合于不同的碳上。
作为氟化链状碳酸酯,可以举出氟化碳酸二甲酯及其衍生物、氟化碳酸甲乙酯及其衍生物、氟化碳酸二乙酯及其衍生物等。
作为氟化碳酸二甲酯及其衍生物,可以举出碳酸氟甲基甲酯、碳酸二氟甲基甲酯、碳酸三氟甲基甲酯、碳酸双(氟甲基)酯、碳酸双(二氟甲基)酯、碳酸双(三氟甲基)酯等。
作为氟化碳酸甲乙酯及其衍生物,可以举出碳酸2-氟乙基甲基酯、碳酸乙基氟甲基酯、碳酸2,2-二氟乙基甲基酯、碳酸2-氟乙基氟甲基酯、碳酸乙基二氟甲基酯、碳酸2,2,2-三氟乙基甲基酯、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。
作为氟化碳酸二乙酯及其衍生物,可以举出碳酸乙基-(2-氟乙基)酯、碳酸乙基-(2,2-二氟乙基)酯、碳酸双(2-氟乙基)酯、碳酸乙基-(2,2,2-三氟乙基)酯、碳酸2,2-二氟乙基-2’-氟乙基酯、碳酸双(2,2-二氟乙基)酯、碳酸2,2,2-三氟乙基-2’-氟乙基酯、碳酸2,2,2-三氟乙基-2’,2’-二氟乙基酯、碳酸双(2,2,2-三氟乙基)酯等。
链状碳酸酯可以单独使用一种,也可以以任意组合和比例合用两种以上。在非水溶剂100体积%中,链状碳酸酯的混合量优选为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。通过如此设定下限,可以使非水系电解液的粘度为适当的范围,可以抑制离子电导率的降低,进而容易使非水系电解液二次电池的大电流放电特性为良好的范围。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。通过如此设定上限,可以避免非水系电解液的介电常数降低所引起的电导率降低,容易使非水系电解液二次电池的大电流放电特性为良好的范围。
1-5-3.环状羧酸酯
作为环状羧酸酯,优选碳原子数为3~12的物质。
具体地说,可以举出γ-丁内酯、γ-戊内酯、γ-己内酯、ε-己内酯等。其中,从锂离子解离度提高所引起的电池特性提高的方面考虑,特别优选γ-丁内酯。
环状羧酸酯可以单独使用一种,也可以以任意组合和比例合用两种以上。
通常,在非水溶剂100体积%中,环状羧酸酯的混合量优选为5体积%以上、更优选为10体积%以上。若为该范围,则可以改善非水系电解液的电导率,容易提高非水系电解液二次电池的大电流放电特性。另外,环状羧酸酯的混合量优选为50体积%以下、更优选为40体积%以下。通过如此设定上限,可以使非水系电解液的粘度为适当的范围,避免电导率的降低,抑制负极电阻的增大,容易使非水系电解液二次电池的大电流放电特性为良好的范围。
1-5-4.醚系化合物
作为醚系化合物,优选一部分氢可以被氟所取代的碳原子数为3~10的链状醚、以及碳原子数为3~6的环状醚。
作为碳原子数为3~10的链状醚,可以举出二乙醚、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、乙二醇二正丙醚、乙二醇二正丁醚、二乙二醇二甲醚等。
作为碳原子数为3~6的环状醚,可以举出四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃、3-甲基四氢呋喃、1,4-二氧六环等以及它们的氟化化合物。
其中,从向锂离子的溶剂化能力高、提高离子解离性的方面出发,优选二甲氧基甲烷、二乙氧基甲烷、乙氧基甲氧基甲烷、乙二醇二正丙醚、乙二醇二正丁醚、二乙二醇二甲醚,由于粘性低、可提供高的离子电导率,因而特别优选为二甲氧基甲烷、二乙氧基甲烷、乙氧基甲氧基甲烷。
醚系化合物可以单独使用一种,也可以以任意组合和比例合用两种以上。
通常,在非水溶剂100体积%中,醚系化合物的混合量优选为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,另外优选为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。若为该范围,容易确保链状醚的锂离子解离度的提高和粘度降低所引起的离子电导率的提高效果,在负极活性物质为碳质材料的情况下,容易避免链状醚与锂离子一同被插入而使容量降低的情况。
1-5-5.砜系化合物
作为砜系化合物,优选为碳原子数为3~6的环状砜、以及碳原子数为2~6的链状砜。1分子中的磺酰基的数量优选为1或2。
作为碳原子数为3~6的环状砜,可以举出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,从介电常数和粘性的方面出发,更优选为四亚甲基砜类、四亚甲基二砜类、六亚甲基砜类、六亚甲基二砜类,特别优选为四亚甲基砜类(环丁砜类)。
作为环丁砜类,优选为环丁砜和/或环丁砜衍生物(以下,包括环丁砜在内,有时记为“环丁砜类”)。作为环丁砜衍生物,优选在构成环丁砜环的碳原子上键合的氢原子的1个以上被氟原子或烷基所取代的物质。
其中,从离子电导率高、输入输出特性高的方面出发,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,作为碳原子数为2~6的链状砜,可以举出二甲基砜、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,从离子电导率高、输入输出特性高的方面出发,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。
砜系化合物可以单独使用一种,也可以以任意组合和比例合用两种以上。
通常,在非水溶剂100体积%中,砜系化合物的混合量优选为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,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。若为该范围,容易得到循环特性及保存特性等耐久性的提高效果,另外,可以使非水系电解液的粘度为适当的范围,可以避免电导率的降低,在以高电流密度进行非水系电解液二次电池的充放电的情况下,容易避免充放电容量维持率降低的情况。
1-5-6.非水溶剂的组成
作为本发明的非水溶剂,可以单独使用一种上述例示的非水溶剂,也可以以任意组合和比例合用两种以上。
例如,作为非水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,在非水溶剂中所占的不具有氟原子的环状碳酸酯与链状碳酸酯的合计优选为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,并且不具有氟原子的环状碳酸酯相对于环状碳酸酯与链状碳酸酯的合计的比例优选为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,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30体积%以下、特别优选为25体积%以下。
若使用这些非水溶剂的组合,则利用其所制作的电池的循环特性与高温保存特性(特别是高温保存后的残存容量和高负荷放电容量)的平衡有时会得到改善。
例如,作为不具有氟原子的环状碳酸酯与链状碳酸酯的优选组合,可以举出碳酸亚乙酯与碳酸二甲酯、碳酸亚乙酯与碳酸二乙酯、碳酸亚乙酯与碳酸甲乙酯、碳酸亚乙酯与碳酸二甲酯和碳酸二乙酯、碳酸亚乙酯与碳酸二甲酯和碳酸甲乙酯、碳酸亚乙酯与碳酸二乙酯和碳酸甲乙酯、碳酸亚乙酯与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与链状碳酸酯的组合中,进一步优选含有非对称链状烷基碳酸酯类作为链状碳酸酯,特别是,由于循环特性与大电流放电特性的平衡好,因而优选含有碳酸亚乙酯与碳酸二甲酯和碳酸甲乙酯、碳酸亚乙酯与碳酸二乙酯和碳酸甲乙酯、碳酸亚乙酯与碳酸二甲酯和碳酸二乙酯和碳酸甲乙酯之类的碳酸亚乙酯与对称链状碳酸酯类和非对称链状碳酸酯类。
其中,优选非对称链状碳酸酯类为碳酸甲乙酯,或者链状碳酸酯的烷基优选碳原子数为1~2。
作为优选的组合,还可以举出对这些碳酸亚乙酯与链状碳酸酯类的组合进一步加上碳酸亚丙酯而成的组合。
含有碳酸亚丙酯的情况下,碳酸亚乙酯与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,在非水溶剂整体中所占的碳酸亚丙酯的比例优选为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,另外优选为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。
若以该浓度范围含有碳酸亚丙酯,则在维持碳酸亚乙酯与链状碳酸酯的组合的特性的同时,进而有时低温特性优异,因而优选。
在非水溶剂中含有碳酸二甲酯的情况下,在全部非水溶剂中所占的碳酸二甲酯的比例优选为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,并且优选为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,特别优选若以70体积%以下的范围含有,则电池的负荷特性提高。
其中,通过含有碳酸二甲酯和碳酸甲乙酯,并且使碳酸二甲酯的含有比例多于碳酸甲乙酯的含有比例,则在维持电解液的电导率的情况下高温保存后的电池特性提高,因而优选。
从提高电解液的电导率和提高保存后的电池特性的方面出发,在全部非水溶剂中所占的碳酸二甲酯相对于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的方面考虑,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,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。
1-6.助剂
在本发明的电解液电池中,除了上述化合物以外,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碳-碳不饱和键的环状碳酸酯和其它助剂等。
1-6-1.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(下文中有时记为“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即可,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于不饱和环状碳酸酯中。
作为不饱和环状碳酸酯,可以举出碳酸亚乙烯酯类、被具有芳香环或碳-碳双键或碳-碳三键的取代基所取代的碳酸亚乙酯类、碳酸苯基酯类、碳酸乙烯基酯类、碳酸烯丙基酯类、邻苯二酚碳酸酯类等。
作为碳酸亚乙烯酯类,可以举出碳酸亚乙烯酯、碳酸甲基亚乙烯酯、碳酸4,5-二甲基亚乙烯酯、碳酸苯基亚乙烯酯、碳酸4,5-二苯基亚乙烯酯、碳酸乙烯基亚乙烯酯、碳酸4,5-二乙烯基亚乙烯酯、碳酸烯丙基亚乙烯酯、碳酸4,5-二烯丙基亚乙烯酯、碳酸4-氟代亚乙烯酯、碳酸4-氟-5-甲基亚乙烯酯、碳酸4-氟-5-苯基亚乙烯酯、碳酸4-氟-5-乙烯基亚乙烯酯、碳酸4-烯丙基-5-氟亚乙烯酯等。
作为被具有芳香环或碳-碳双键或碳-碳三键的取代基所取代的碳酸亚乙酯类的具体例,可以举出碳酸乙烯基亚乙酯、碳酸4,5-二乙烯基亚乙酯、碳酸4-甲基-5-乙烯基亚乙酯、碳酸4-烯丙基-5-乙烯基亚乙酯、碳酸乙炔基亚乙酯、碳酸4,5-二乙炔基亚乙酯、碳酸4-甲基-5-乙炔基亚乙酯、碳酸4-乙烯基-5-乙炔基亚乙酯、碳酸4-烯丙基-5-乙炔基亚乙酯、碳酸苯基亚乙酯、碳酸4,5-二苯基亚乙酯、碳酸4-苯基-5-乙烯基亚乙酯、碳酸4-烯丙基-5-苯基亚乙酯、碳酸烯丙基亚乙酯、碳酸4,5-二烯丙基亚乙酯、碳酸4-甲基-5-烯丙基亚乙酯等。
其中,作为对合用来说特别优选的不饱和环状碳酸酯,可以举出碳酸亚乙烯酯、碳酸甲基亚乙烯酯、碳酸4,5-二甲基亚乙烯酯、碳酸乙烯基亚乙烯酯、碳酸4,5-乙烯基亚乙烯酯、碳酸烯丙基亚乙烯酯、碳酸4,5-二烯丙基亚乙烯酯、碳酸乙烯基亚乙酯、碳酸4,5-二乙烯基亚乙酯、碳酸4-甲基-5-乙烯基亚乙酯、碳酸烯丙基亚乙酯、碳酸4,5-二烯丙基亚乙酯、碳酸4-甲基-5-烯丙基亚乙酯、碳酸4-烯丙基-5-乙烯基亚乙酯、碳酸乙炔基亚乙酯、碳酸4,5-二乙炔基亚乙酯、碳酸4-甲基-5-乙炔基亚乙酯、碳酸4-乙烯基-5-乙炔基亚乙酯。另外,由于可形成更稳定的界面保护覆膜,因而优选碳酸亚乙烯酯、碳酸乙烯基亚乙酯、碳酸乙炔基亚乙酯,更优选碳酸亚乙烯酯、碳酸乙烯基亚乙酯。
不饱和环状碳酸酯的分子量没有特别限制,只要不显著损害本发明的效果就是任意的。分子量优选为80以上、更优选为85以上,并且优选为250以下、更优选为150以下。若为该范围,则容易确保不饱和环状碳酸酯在非水系电解液中的溶解性,容易充分表现出本发明的效果。
不饱和环状碳酸酯的制造方法没有特别限制,可以任意地选择公知的方法来制造。
不饱和环状碳酸酯可以单独使用一种,也可以以任意组合和比例合用两种以上。另外,不饱和环状碳酸酯的混合量没有特别限制,只要不显著损害本发明的效果就是任意的。在非水系电解液100质量%中,不饱和环状碳酸酯的混合量优选为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10质量%以下、更优选为5质量%以下、进一步优选为4质量%以下、特别优选为3质量%以下。若为该范围内,则非水系电解液二次电池容易表现出充分的循环特性提高效果,而且容易避免高温保存特性降低、气体产生量增多、放电容量维持率降低的情况。
1-6-2.其它助剂
本发明的电解液中可以使用公知的其它助剂。作为其它助剂,可以举出四氢呋喃二醇碳酸酯、螺双-二亚甲基碳酸酯、甲氧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、环己烷二羧酸酐、环戊烷四羧酸二酐和苯基琥珀酸酐等羧酸酐;3,9-二乙烯基-2,4,8,10-四氧杂螺环[5.5]十一烷等螺环化合物;N,N-二甲基甲磺酰胺、N,N-二乙基甲磺酰胺等含硫化合物;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、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;1-甲基-2-吡咯烷酮、1-甲基-2-哌啶酮、3-甲基-2-噁唑烷酮、1,3-二甲基-2-咪唑啉酮和N-甲基琥珀酰亚胺等含氮化合物;庚烷、辛烷、壬烷、癸烷、环庚烷等烃化合物等。它们可以单独使用一种,也可以两种以上合用。通过添加这些助剂,可以提高高温保存后的容量维持特性和循环特性。
其它助剂的混合量没有特别限制,只要不显著损害本发明的效果就是任意的。在非水系电解液100质量%中,其它助剂优选为0.01质量%以上并且5质量%以下。若为该范围,则其它助剂的效果容易充分表现,还容易避免高负荷放电特性等电池特性降低。其它助剂的混合量更优选为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。
2.电池构成
在非水系电解液二次电池中,本发明的电解液电池适合于作为二次电池用、例如锂二次电池用的电解液使用。以下,对使用了本发明的电解液的非水系电解液二次电池进行说明。
本发明的电解液电池可以采用公知的结构,典型地说,具备可吸藏和释放金属离子(例如,锂离子)的负极和正极、以及上述本发明的电解液。
2-1.负极
以下,对用于负极的负极活性物质进行说明。作为负极活性物质,只要能够以电化学方式吸藏和释放金属离子(例如,锂离子)即可,没有特别限制。作为具体例,可以举出碳质材料、合金系材料、含锂金属复合氧化物材料等。它们可以单独使用一种,或者也可以任何组合使用两种以上。
<负极活性物质>
作为负极活性物质,可以举出碳质材料、合金系材料、含锂金属复合氧化物材料等。
作为用作负极活性物质的碳质材料,选自下述物质中的材料由于初期不可逆容量、高电流密度充放电特性的平衡好而优选。
(1)天然石墨;
(2)在400℃~3200℃的范围对人造碳质物质和人造石墨质物质进行了1次以上热处理的碳质材料;
(3)负极活性物质层由至少2种以上的具有不同结晶性的碳质构成、且/或具有该不同结晶性的碳质接触的界面的碳质材料;
(4)负极活性物质层由至少2种以上的具有不同取向性的碳质构成、且/或具有该不同取向性的碳质接触的界面的碳质材料。
另外,(1)~(4)的碳质材料可以单独使用一种,也可以以任意组合和比例合用两种以上。
作为上述(2)的人造碳质物质和人造石墨质物质,可以举出天然石墨、煤炭系焦炭、石油系焦炭、煤炭系沥青、石油系沥青和对这些沥青进行了氧化处理的物质、针状焦、沥青焦和将它们部分石墨化的碳材料、炉黑、乙炔黑、沥青系碳纤维等有机物的热分解物、可碳化的有机物和它们的碳化物、或者将可碳化的有机物溶解于苯、甲苯、二甲苯、喹啉、正己烷等低分子有机溶剂中而成的溶液和它们的碳化物等。
作为用作负极活性物质的合金系材料,只要能够吸藏和释放锂即可,可以为锂单质、形成锂合金的单质金属和合金、或者它们的氧化物、碳化物、氮化物、硅化物、硫化物或者磷化物等化合物中的任一种,没有特别限制。作为形成锂合金的单质金属和合金,优选为包含13族和14族的金属/半金属元素(即不包括碳)的材料,更优选为铝、硅和锡(下文中也称为“特定金属元素”)的单质金属和包含这些原子的合金或化合物。它们可以单独使用一种,也可以以任意组合和比例合用两种以上。
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,可以举出任意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的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、硫化物或者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。
另外,还可以举出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地结合而成的化合物。具体地说,例如在硅或锡的情况下,可以使用这些元素与作为负极不工作的金属的合金。例如,在锡的情况下,还可以使用以除了锡和硅以外作为负极发挥作用的金属、进而作为负极不工作的金属、与非金属元素的组合而包含5~6种元素的复杂的化合物。
在这些负极活性物质中,由于制成电池时每单位质量的容量大,因而优选为任意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,特别是,从每单位质量的容量和环境负荷的方面出发,优选硅和/或锡的金属单质、合金、氧化物或碳化物、氮化物等。
作为用作负极活性物质的含锂金属复合氧化物材料,只要能够吸藏和释放锂即可,没有特别限制,从高电流密度充放电特性的方面考虑,优选为含有钛和锂的材料,更优选为含有钛的含锂复合金属氧化物材料,进一步优选为锂与钛的复合氧化物(下文中也称为“锂钛复合氧化物”)。即,在使具有尖晶石结构的锂钛复合氧化物包含在非水系电解液二次电池用负极活性物质中进行使用时,输出电阻大幅降低,因而特别优选。
另外,还优选锂钛复合氧化物的锂或钛被其它金属元素(例如选自由Na、K、Co、Al、Fe、Ti、Mg、Cr、Ga、Cu、Zn和Nb组成的组中的至少一种元素)所取代的物质。
上述金属氧化物为式(A)所表示的锂钛复合氧化物,在式(A)中,0.7≤x≤1.5、1.5≤y≤2.3、0≤z≤1.6时,锂离子的掺杂和去掺杂时的结构稳定,因而优选。
LixTiyMzO4 (A)
[式(A)中,M表示选自由Na、K、Co、Al、Fe、Ti、Mg、Cr、Ga、Cu、Zn和Nb组成的组中的至少一种元素。]
在上述的式(A)所表示的组成中,
(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
的结构由于电池性能的平衡良好而特别优选。
关于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,关于Z≠0的结构,例如可以举出Li4/3Ti4/3Al1/3O4作为优选的结构。
<碳质材料的物性>
在使用碳质材料作为负极活性物质时,优选具有以下的物性。
(X射线参数)
碳质材料的由基于学振法的X射线衍射求出的晶格面(002面)的d值(层间距离)优选为0.335nm以上,另外通常为0.360nm以下、优选为0.350nm以下、进一步优选为0.345nm以下。另外,由基于学振法的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、其中进一步优选为1.5nm以上。
(体积基准平均粒径)
碳质材料的质量基准平均粒径是通过激光衍射/散射法求出的体积基准的平均粒径(中值粒径),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,另外通常为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。
若体积基准平均粒径低于上述范围,则不可逆容量增大,有时会引起初期的电池容量的损失。另外,若超过上述范围,则通过涂布制作电极时,容易形成不均匀的涂布面,从电池制作工序上来看有时不优选。
体积基准平均粒径的测定如下进行:将碳粉末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10mL)中,利用激光衍射/散射式粒度分布计(堀场制作所社制造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,通常为0.01以上、优选为0.03以上、进一步优选为0.1以上,另外通常为1.5以下、优选为1.2以下、进一步优选为1以下、特别优选为0.5以下。
另外,碳质材料的1580cm-1附近的拉曼半峰宽没有特别限制,通常为10cm-1以上、优选为15cm-1以上,另外通常为100cm-1以下、优选为80cm-1以下、进一步优选为60cm-1以下、特别优选为40cm-1以下。
拉曼R值和拉曼半峰宽是表示碳质材料表面的结晶性的指标,从化学稳定性的方面出发,碳质材料具有适度的结晶性,并且通过充放电而使Li进入的层间的位点不会消失,即优选为充电接受性不降低的程度的结晶性。需要说明的是,通过涂布至集电体后进行压制而使负极高密度化的情况下,结晶容易在与电极板平行的方向发生取向,因而优选考虑该情况。若拉曼R值或拉曼半峰宽在上述范围,则在负极表面形成适当的覆膜,可以提高保存特性、循环特性、负荷特性,同时可以抑制伴随与非水系电解液的反应的效率降低及气体产生。
拉曼光谱的测定如下进行:使用拉曼分光器(日本分光社制造的拉曼分光器),使试样自然落下并填充于测定池内,对池内的样品表面照射氩离子激光,同时使池在与激光垂直的面内旋转,由此进行测定。对于所得到的拉曼光谱,测定1580cm-1附近的峰PA的强度IA和1360cm-1附近的峰PB的强度IB,计算出其强度比R(R=IB/IA)。
另外,上述拉曼测定条件如下。
·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:背景处理
·平滑处理:简单平均、卷积5点
(BET比表面积)
碳质材料的BET比表面积是使用BET法所测定的比表面积的值,通常为0.1m2·g-1以上、优选为0.7m2·g-1以上、进一步优选为1.0m2·g-1以上、特别优选为1.5m2·g-1以上,另外通常为100m2·g-1以下、优选为25m2·g-1以下、进一步优选为15m2·g-1以下、特别优选为10m2·g-1以下。
若BET比表面积的值在上述范围,则可以抑制锂在电极表面的析出,另一方面,可以抑制与非水系电解液的反应所导致的气体产生。
基于BET法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),在氮气流通下于350℃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BET单点法进行测定。
(圆度)
在测定作为碳质材料的球形程度的圆度时,优选圆度在下述范围内。需要说明的是,圆度定义为“圆度=(具有与颗粒投影形状相同面积的等效圆的周长)/(颗粒投影形状的实际周长)”,当圆度为1时,成为理论上的正球。碳质材料的粒径为3μm~40μm范围的颗粒的圆度越接近1越优选,另外,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。对于高电流密度充放电特性来说,圆度越大则填充性越高,越能够抑制颗粒间的电阻,因而高电流密度充放电特性越高。因此,圆度如上述范围那样越高越优选。
圆度的测定使用流式颗粒图像分析装置(Sysmex社制造FPIA)来进行。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,以输出功率60W照射1分钟28kHz的超声波后,指定检测范围为0.6μm~400μm,对粒径为3μm~40μm范围的颗粒进行测定。
提高圆度的方法没有特别限制,通过实施球形化处理而为球形时,在制成电极体时颗粒间空隙的形状统一,因而优选。作为球形化处理的例子,可以举出通过施加剪切力、压缩力来机械地接近球形的方法;利用粘结剂或者颗粒自身所具有的附着力将多个微粒造粒的机械/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、进一步优选为0.7g·cm-3以上、特别优选为1g·cm-3以上,另外优选为2g·cm-3以下、进一步优选为1.8g·cm-3以下、特别优选为1.6g·cm-3以下。若振实密度在上述范围,可以确保电池容量,同时可以抑制颗粒间的电阻增大。
振实密度的测定如下进行:使试样通过网孔为300μm的筛后落入20cm3的振实槽(tapping cell)中,直到试样充满至槽的上端面后,利用粉体密度测定器(例如,Seishin企业社制造的Tap densor)进行1000次冲程长度为10mm的振动,由此时的质量和试样的质量计算出振实密度。
(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、进一步优选为0.015以上,另外通常为0.67以下。取向比为上述范围时,可以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填充至直径为17mm的成型机中,在58.8MN·m-2下压缩得到成型体,用粘土固定该成型体,使该成型体与测定用试样架的面为同一面,从而进行X射线衍射测定。由所得到的碳的(110)衍射和(004)衍射的峰强度计算出(110)衍射峰强度/(004)衍射峰强度所表示的比。
X射线衍射测定条件如下。需要说明的是,“2θ”表示衍射角。
·靶材:Cu(Kα射线)石墨单色器
·狭缝:
发散狭缝=0.5度
受光狭缝=0.15mm
散射狭缝=0.5度
·测定范围和步进角/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
(长厚比(粉))
碳质材料的长厚比通常为1以上,另外通常为10以下、优选为8以下、进一步优选为5以下。若为上述范围,可抑制极板化时的条纹产生,可进行更均匀的涂布,因而可以确保优异的高电流密度充放电特性。需要说明的是,上述范围的下限是碳质材料的长厚比的理论下限值。
长厚比的测定利用扫描型电子显微镜对碳质材料的颗粒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个石墨颗粒,对于这些石墨颗粒,分别使固定有试样的载物台旋转、倾斜,并测定进行三维观察时的碳质材料颗粒的最长径A和与其正交的最短径B,求出A/B的平均值。
<负极的构成和制作法>
只要不显著损害本发明的效果,则电极的制造可以使用公知的任意方法。例如,在负极活性物质中加入粘结剂、溶剂、根据需要的增稠剂、导电材料、填充材料等而制成浆料,将该浆料涂布到集电体上并进行干燥,之后进行压制,由此可以形成负极。
另外,在使用合金系材料的情况下,还使用如下方法:通过蒸镀法、溅射法、镀覆法等手法,形成含有上述负极活性物质的薄膜层(负极活性物质层)。
(集电体)
作为保持负极活性物质的集电体,可以任意使用公知的集电体。作为负极的集电体,可以举出铝、铜、镍、不锈钢、镀镍钢等金属材料,从加工容易性和成本的方面考虑,特别优选为铜。
另外,关于集电体的形状,在集电体为金属材料的情况下,例如可以举出金属箔、金属圆柱、金属带卷、金属板、金属薄膜、金属板网、冲压金属、发泡金属等。其中,优选为金属薄膜,更优选为铜箔,进一步优选包括基于压延法的压延铜箔、和基于电解法的电解铜箔,哪种均可作为集电体使用。
从电池容量的确保、操作性的方面出发,集电体的厚度通常为1μm以上、优选为5μm以上、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没有特别限制,“(即将注入非水系电解液前的单面的负极活性物质层厚度)/(集电体的厚度)”的值优选为150以下、进一步优选为20以下、特别优选为10以下,另外优选为0.1以上、进一步优选为0.4以上、特别优选为1以上。若集电体与负极活性物质层的厚度比在上述范围,可以确保电池容量,同时可以抑制高电流密度充放电时的集电体的放热。
(粘合剂)
作为粘合负极活性物质的粘结剂,只要是对于非水系电解液或电极制造时使用的溶剂稳定的材料就没有特别限制。
作为具体例,可以举出聚乙烯、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、硝酸纤维素等树脂系高分子;SBR(丁苯橡胶)、异戊二烯橡胶、聚丁橡胶、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·异戊二烯·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-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;聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯、氟化聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯·乙烯共聚物等氟系高分子;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。它们可以单独使用一种,也可以以任意组合和比例合用两种以上。
粘结剂相对于负极活性物质的比例优选为0.1质量%以上、进一步优选为0.5质量%以上、特别优选为0.6质量%以上,另外优选为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时,可以充分确保电池容量和负极电极的强度。
特别是,在主要成分中含有以SBR为代表的橡胶状高分子的情况下,粘结剂相对于负极活性物质的比例通常为0.1质量%以上、优选为0.5质量%以上、进一步优选为0.6质量%以上,另外通常为5质量%以下、优选为3质量%以下、进一步优选为2质量%以下。另外,在主要成分中含有以聚偏二氟乙烯为代表的氟系高分子时,相对于负极活性物质的比例通常为1质量%以上、优选为2质量%以上、进一步优选为3质量%以上,另外通常为15质量%以下、优选为10质量%以下、进一步优选为8质量%以下。
(浆料形成溶剂)
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、粘结剂、以及根据需要使用的增稠剂和导电材料的溶剂即可,对其种类没有特别限制,可以使用水系溶剂和有机系溶剂中的任一种。
作为水系溶剂,可以举出水、醇等,作为有机系溶剂,可以举出N-甲基吡咯烷酮(NMP)、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、甲基乙基酮、环己酮、乙酸甲酯、丙烯酸甲酯、二乙基三胺、N,N-二甲氨基丙胺、四氢呋喃(THF)、甲苯、丙酮、二乙醚、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。
特别是在使用水系溶剂的情况下,优选含有增稠剂和分散剂等,使用SBR等乳液使其浆料化。需要说明的是,这些溶剂可以单独使用一种,也可以以任意组合和比例合用两种以上。
(增稠剂)
增稠剂通常是为了调节浆料的粘度而使用的。作为增稠剂,没有特别限制,具体地说,可以举出羧甲基纤维素、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、酪蛋白和它们的盐等。它们可以单独使用一种,也可以以任意组合和比例合用两种以上。
进一步使用增稠剂的情况下,增稠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,另外通常为5质量%以下、优选为3质量%以下、进一步优选为2质量%以下。增稠剂相对于负极活性物质的比例在上述范围时,可以抑制电池容量的降低及电阻的增大,同时可以确保良好的涂布性。
(电极密度)
将负极活性物质电极化时的电极结构没有特别限制,存在于集电体上的负极活性物质的密度优选为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、另外优选为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为上述范围时,可防止负极活性物质颗粒的破坏,可以抑制初期不可逆容量的增加、或非水系电解液在集电体/负极活性物质界面附近的渗透性降低所导致的高电流密度充放电特性恶化,另一方面可以抑制电池容量的降低及电阻的增大。
(负极板的厚度)
负极板的厚度根据所使用的正极板来设计,没有特别限制,减去芯材的金属箔厚度后的合剂层的厚度通常为15μm以上、优选为20μm以上、更优选为30μm以上、另外通常为300μm以下、优选为280μm以下、更优选为250μm以下。
(负极板的表面被覆)
另外,也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负极板。作为表面附着物质,可以举出氧化铝、二氧化硅、二氧化钛、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>
下面,对正极中使用的正极活性物质进行说明。
(组成)
作为正极活性物质,只要是能够以电化学方式吸藏和释放金属离子(例如,锂离子)即可,没有特别限制,例如优选为含有锂和至少一种过渡金属的物质。作为具体例,可以举出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,优选为V、Ti、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu等,作为具体例,可以举出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、LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2、LiNi0.5Mn0.3Co0.2O2等锂·镍·锰·钴复合氧化物、作为这些锂过渡金属复合氧化物的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等其它元素所取代后的物质等。作为被取代后的物质,可以举出LiNi0.5Mn0.5O2、LiNi0.85Co0.10Al0.05O2、LiNi0.33Co0.33Mn0.33O2、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,优选为V、Ti、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu等,作为具体例,可以举出LiFePO4、Li3Fe2(PO4)3、LiFeP2O7等磷酸铁类、LiCoPO4等磷酸钴类、作为这些锂过渡金属磷酸化合物的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等其它元素所取代后的物质等。
另外,若正极活性物质中包含磷酸锂,则连续充电特性提高,因而优选。磷酸锂的使用没有限制,优选将上述正极活性物质和磷酸锂混合使用。关于所使用的磷酸锂的量,相对于上述正极活性物质与磷酸锂的合计,下限优选为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,上限优选为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。
(表面被覆)
另外,也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正极活性物质。作为表面附着物质,可以举出氧化铝、二氧化硅、二氧化钛、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。
这些表面附着物质例如可以通过下述方法附着于该正极活性物质表面,该方法为:溶解或悬浮于溶剂中而渗入添加到该正极活性物质中并进行干燥的方法;使表面附着物质前体溶解或悬浮于溶剂中,在渗入添加到该正极活性物质中后,利用加热等使其反应的方法;添加到正极活性物质前体中同时进行烧制的方法;等等。需要说明的是,在附着碳的情况下,也可以使用将碳质例如以活性炭等的形式之后进行机械附着的方法。
作为表面附着物质的量,相对于该正极活性物质,以质量计下限优选以0.1ppm以上、更优选以1ppm以上、进一步优选以10ppm以上使用,上限优选以20%以下、更优选以10%以下、进一步优选以5%以下使用。通过表面附着物质,可以抑制正极活性物质表面的电解液的氧化反应,可以提高电池寿命,但其附着量过少时其效果无法充分表现,过多时会阻碍锂离子的出入,因而电阻有时会增加。
本发明中,将在正极活性物质的表面附着有与其组成不同的物质的正极活性物质也称为“正极活性物质”。
(形状)
正极活性物质的颗粒的形状可以举出以往使用的块状、多面体状、球状、椭圆球状、板状、针状、柱状等。另外,一次颗粒也可以凝集而形成了二次颗粒。
(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。若该正极活性物质的振实密度为上述范围,可以抑制正极活性物质层形成时所需要的分散介质量及导电材料和粘合剂的所需量,结果可以确保正极活性物质的填充率和电池容量。通过使用振实密度高的复合氧化物粉体,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,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。若为上述范围,则可以抑制负荷特性的降低。
需要说明的是,本发明中,振实密度如下求出:将5g~10g正极活性物质粉体放入10ml的玻璃制量筒中,作为以冲程约20mm振动200次时的粉体填充密度(振实密度)g/cc而求出。
(中值粒径d50)
正极活性物质的颗粒的中值粒径d50(一次颗粒凝集而形成了二次颗粒时为二次粒径)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,上限优选为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。若为上述范围,可得到高振实密度品,可以抑制电池性能的降低;另一方面,在电池的正极制作、即将活性物质和导电材料、粘结剂等用溶剂浆料化而以薄膜状涂布时,可以防止条纹产生等问题。此处,通过将具有不同中值粒径d50的2种以上的该正极活性物质进行混合,可以进一步提高正极制作时的填充性。
需要说明的是,本发明中,中值粒径d50是利用公知的激光衍射/散射式粒度分布测定装置测定的。使用HORIBA社制造的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5分钟的超声波分散后将测定折射率设定为1.24而进行测定。
(平均一次粒径)
在一次颗粒凝集而形成了二次颗粒的情况下,作为该正极活性物质的平均一次粒径,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,上限优选为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。若为上述范围,则可以确保粉体填充性和比表面积,可以抑制电池性能的降低,另一方面通过得到适度的结晶性,可以确保充放电的可逆性。
需要说明的是,本发明中,一次粒径通过使用了扫描电子显微镜(SEM)的观察进行测定。具体地说,在倍率为10000倍的照片中,对于任意50个一次颗粒,求出由相对于水平方向直线的一次颗粒的左右边界线所得到的切片的最长值,求出其平均值,由此可求出该一次粒径。
(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,上限为50m2/g以下、优选为40m2/g以下、进一步优选为30m2/g以下。若BET比表面积为上述范围,可以确保电池性能,同时可以良好地保持正极活性物质的涂布性。
需要说明的是,本发明中,BET比表面积由如下测定的值来定义,即,使用表面积计(例如,大仓理研制造的全自动表面积测定装置),在氮气流通下于150℃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BET单点法进行测定。
(正极活性物质的制造法)
作为正极活性物质的制造法,使用作为无机化合物的制造法常用的方法。特别是,为了制作球状或椭圆球状的活性物质,可考虑各种方法,例如可以举出下述方法等:将过渡金属的原料物质溶解或粉碎分散于水等溶剂中,一边搅拌一边调节pH,制作球状的前体并回收,根据需要对其进行干燥后,加入LiOH、Li2CO3、LiNO3等Li源,在高温下进行烧制,得到活性物质。
为了制造正极,可以单独使用上述的正极活性物质,也可以以任意的组合或比例与组成不同的1种以上物质进行合用。作为此时的优选组合,可以举出LiCoO2与LiNi0.33Co0.33Mn0.33O2等LiMn2O4或该Mn的一部分被其它过渡金属等所取代后的物质的组合、或者LiCoO2或该Co的一部分被其它过渡金属等所取代后的物质的组合。
<正极的构成和制作法>
下面,对正极的构成进行说明。本发明中,正极可以通过在集电体上形成含有正极活性物质和粘合剂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以通过常规方法来进行。即,将正极活性物质和粘合剂、以及根据需要的导电材料和增稠剂等进行干式混合,制成片状,将所得到的片状物压接至正极集电体上;或者将这些材料溶解或分散于液体介质中而制成浆料,将该浆料涂布到正极集电体上并进行干燥,从而在集电体上形成正极活性物质层,由此可以得到正极。
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。并且上限优选为99质量%以下、更优选为98质量%以下。若为上述范围,则可以确保正极活性物质层中的正极活性物质的电容量,同时可以保持正极的强度。对于通过涂布、干燥而得到的正极活性物质层,为了提高正极活性物质的填充密度,优选通过手动压机、辊压机等压紧。关于正极活性物质层的密度,下限优选为1.5g/cm3以上、更优选为2g/cm3、进一步优选为2.2g/cm3以上,上限优选为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。若为上述范围,可得到良好的充放电特性,同时可以抑制电阻的增大。
(导电材料)
作为导电材料,可以任意地使用公知的导电材料。作为具体例,可以举出铜、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,它们可以单独使用一种,也可以以任意组合和比例合用两种以上。在正极活性物质层中,导电材料通常为0.01质量%以上、优选为0.1质量%以上、更优选为1质量%以上,并且上限通常以含有50质量%以下、优选为30质量%以下、更优选为15质量%以下而使用。若为上述范围,可以确保充分的导电性和电池容量。
(粘合剂)
作为正极活性物质层的制造中使用的粘合剂,没有特别限定,在涂布法的情况下,只要是在电极制造时使用的液体介质中可溶解或分散的材料即可,作为具体例,可以举出聚乙烯、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、硝酸纤维素等树脂系高分子;SBR(丁苯橡胶)、NBR(丁腈橡胶)、氟橡胶、异戊二烯橡胶、聚丁橡胶、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·异戊二烯·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-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;聚偏二氟乙烯(PVdF)、聚四氟乙烯、氟化聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯·乙烯共聚物等氟系高分子;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。需要说明的是,这些物质可以单独使用一种,也可以以任意组合和比例合用两种以上。
正极活性物质层中的粘合剂的比例通常为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,上限通常为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。若粘合剂的比例过低,则无法充分保持正极活性物质,正极的机械强度不足,有时会使循环特性等电池性能变差。另一方面,若粘合剂的比例过高,有时会引起电池容量或导电性的降低。
(浆料形成溶剂)
作为用于形成浆料的溶剂,只要是能够溶解或分散正极活性物质、导电材料、粘合剂和根据需要使用的增稠剂的溶剂即可,对其种类没有特别限制,可以使用水系溶剂和有机系溶剂中的任一种。作为水系介质,可以举出水、醇与水的混合介质等。作为有机系介质,可以举出己烷等脂肪族烃类;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、甲基乙基酮、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-二甲氨基丙胺等胺类;二乙醚、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。
特别是在使用水系介质的情况下,优选使用增稠剂和丁苯橡胶(SBR)等的乳液进行浆料化。增稠剂通常是为了调节浆料的粘度而使用的。作为增稠剂,没有特别限制,具体地说,可以举出羧甲基纤维素、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、酪蛋白和它们的盐等。它们可以单独使用一种,也可以以任意组合和比例合用两种以上。进一步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,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。若为上述范围,可得到良好的涂布性,同时可以抑制电池容量的降低及电阻的增大。
(集电体)
做正极集电体的材质,没有特别限制,可以任意使用公知的材质。作为具体例,可以举出铝、不锈钢、镍镀层、钛、钽等金属材料;碳布、碳纸等碳材料。其中优选金属材料,特别优选铝。
作为集电体的形状,在金属材料的情况下,可以举出金属箔、金属圆柱、金属带卷、金属板、金属薄膜、金属板网、冲压金属、发泡金属等,在碳材料的情况下,可以举出碳板、碳薄膜、碳圆柱等。这些之中,优选为金属薄膜。需要说明的是,薄膜可以适宜形成为网状。薄膜的厚度是任意的,从作为集电体的强度和操作性的方面出发,通常为1μm以上、优选为3μm以上、更优选为5μm以上,另外上限通常为1mm以下、优选为100μm以下、更优选为50μm以下。
另外,从降低集电体和正极活性物质层的电子接触电阻的方面出发,还优选在集电体的表面涂布有导电助剂。作为导电助剂,可以举出碳、或金、铂、银等贵金属类。
集电体与正极活性物质层的厚度比没有特别限定,(即将注入电解液前的单面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,下限优选为0.5以上、更优选为0.8以上、最优选为1以上的范围。若超过该范围,则在高电流密度充放电时集电体有时会产生焦耳热导致的放热。若为上述范围,则可以抑制高电流密度充放电时的集电体的放热,可以确保电池容量。
(电极面积)
在使用本发明的电解液的情况下,从提高高输出功率且高温时的稳定性的方面考虑,正极活性物质层的面积优选相对于电池外装壳体的外表面积较大。具体地说,正极的电极面积的总和相对于二次电池的外装的表面积以面积比计优选为15倍以上,进而更优选为40倍以上。关于外装壳体的外表面积,在有底方形的情况下,是指通过计算由除端子的突起部分外的填充有发电元件的壳部分的纵、横和厚度的尺寸所求出的总面积。在有底圆筒形的情况下,是指将除端子的突起部分外的填充有发电元件的壳部分近似为圆筒的几何表面积。正极的电极面积的总和是指与包含负极活性物质的合剂层对置的正极合剂层的几何表面积,在藉由集电体箔在两面形成正极合剂层而成的结构中,是指分别计算出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定,从高容量且高输出功率的方面出发,关于减去芯材的金属箔厚度后的合剂层的厚度,对于集电体的单面,下限优选为10μm以上、更优选为20μm以上,上限优选为500μm以下、更优选为450μm以下。
(正极板的表面被覆)
另外,也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正极板。作为表面附着物质,可以举出氧化铝、二氧化硅、二氧化钛、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,在正极与负极之间通常夹有隔板。这种情况下,本发明的电解液通常渗入该隔板而使用。
对隔板的材料及形状没有特别限制,只要不显著损害本发明的效果,就可任意采用公知的材料及形状。其中,使用由对本发明的电解液稳定的材料所形成的树脂、玻璃纤维、无机物等,优选使用保液性优异的多孔性片或无纺布状形态的物质等。
作为树脂、玻璃纤维隔板的材料,可以使用聚乙烯、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,优选为玻璃过滤器、聚烯烃,进一步优选为聚烯烃,特别优选为聚丙烯。这些材料可以单独使用一种,也可以以任意的组合和比例合用两种以上,或者也可以使用层积而成的材料。作为将2种以上以任意的组合层积而成的隔板的具体例,可以举出按照聚丙烯、聚乙烯、聚丙烯的顺序层积而成的三层隔板等。
隔板的厚度是任意的,通常为1μm以上、优选为5μm以上、进一步优选为8μm以上,另外通常为50μm以下、优选为40μm以下、进一步优选为30μm以下。若为上述范围,则可以确保绝缘性和机械强度,另一方面,可以确保倍率特性等电池性能和能量密度。
此外,在使用多孔性片或无纺布等多孔质的物质作为隔板时,隔板的空隙率是任意的,通常为20%以上、优选为35%以上、进一步优选为45%以上,另外通常为90%以下、优选为85%以下、进一步优选为75%以下。若空隙率为上述范围,则可以确保绝缘性和机械强度,另一方面可以抑制膜电阻,得到良好的倍率特性。
另外,隔板的平均孔径也是任意的,通常为0.5μm以下、优选为0.2μm以下,另外,通常为0.05μm以上。若平均孔径超过上述范围,则容易发生短路。若平均孔径为上述范围,则在防止短路的同时,抑制了膜电阻,可以得到良好的倍率特性。另一方面,作为无机物的材料,使用氧化铝、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,使用颗粒状或纤维状的物质。
作为形态,使用无纺布、织布、微多孔性膜等薄膜形状的形态。在薄膜形状中,优选使用孔径为0.01μm~1μm、厚度为5μm~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:使用树脂制的粘合剂,在正极和/或负极的表层形成含有上述无机物的颗粒的复合多孔层而成的隔板。例如,可以举出:将氟树脂作为粘合剂,使90%粒径小于1μm的氧化铝颗粒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层积而成的层积结构、以及上述正极板和负极板隔着上述隔板以漩涡状卷绕而成的结构中的任一种。电极组的质量在电池内容积中所占的比例(下文中称为电极组占有率)通常为40%以上、优选为50%以上,另外通常为90%以下、优选为80%以下。若电极组占有率为上述范围,可以确保电池容量,同时可以抑制与内部压力上升相伴的反复充放电性能及高温保存等特性的降低,进而可以防止气体释放阀的工作。
<集电结构>
集电结构没有特别限制,优选为降低配线部分及接合部分的电阻的结构。电极组为上述层积结构时,适合使用将各电极层的金属芯部分捆成束而焊接至端子上所形成的结构。一片的电极面积增大时,内部电阻增大,因而在电极内设置2个以上的端子而降低电阻也是适合使用的。电极组为上述卷绕结构时,通过在正极和负极分别设置2个以上的引线结构,并在端子上捆成束,从而可以降低内部电阻。
<外装壳体>
外装壳体的材质只要是对于所使用的非水系电解液稳定的物质即可,没有特别限制。具体地说,使用镀镍钢板、不锈钢、铝或铝合金、镁合金等金属类、或者树脂与铝箔的层积膜(层叠膜)。从轻量化的方面出发,适合使用铝或铝合金的金属、层积膜。
对于使用金属类的外装壳体来说,可以举出下述结构的外装壳体:通过激光焊接、电阻焊接、超声波焊接将金属彼此熔敷而形成的封装密闭结构;或者隔着树脂制垫片使用上述金属类形成的铆接结构。对于使用上述层积膜的外装壳体来说,可以举出通过将树脂层彼此热粘而形成的封装密闭结构等。为了提高密封性,还可以在上述树脂层之间夹入与层积膜中所用的树脂不同的树脂。特别是,在通过集电端子将树脂层热粘而形成密闭结构时,由于金属与树脂的接合,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的树脂。另外,外装体的形状也是任意的,例如可以为圆筒形、方形、层积型、纽扣型、大型等中的任一种。
<保护元件>
作为保护元件,可以使用在异常放热或过大电流流过时电阻增大的PTC(PositiveTemperature Coefficient,正温度系数)、温度熔断器、热敏电阻、在异常放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放热或热失控的形式。
实施例
下面,举出实施例和比较例来更具体地说明本发明,但本发明并不被这些实施例所限定。
本实施例中使用的式(1)所表示的芳香族羧酸酯的结构如下所示。
2,2-二甲基-苯基乙酸甲酯
3-苯基丙酸甲酯
5-苯基戊酸甲酯
1-苯基环戊烷羧酸甲酯
本实施例中使用的式(2)所表示的芳香族羧酸酯的结构如下所示。
苯基乙酸苄酯
苯基乙酸甲酯
另外,其它使用的化合物的结构如下所示。
乙酸3-苯基丙酯
乙酸2-苯基乙酯
苯基乙酸乙酯
苯甲酸甲酯
<实施例1-1和比较例1-1~1-2>
[实施例1-1]
[非水系电解液的制备]
在干燥氩气气氛下,在由碳酸亚乙酯(也称为“EC”)、碳酸甲乙酯(也称为“EMC”)和碳酸二甲酯(也称为“DMC”)构成的混合溶剂(混合体积比3:4:3)中,以1.0mol/L的比例溶解作为电解质的LiPF6,制成基本电解液。此外,对于该基本电解液,添加1.0质量%的化合物(1-1)作为添加剂,制备实施例1-1的非水系电解液。
[正极的制作]
利用分散器将作为正极活性物质的锂钴镍锰氧化物(LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2)90质量%、作为导电材料的乙炔黑7质量%、和作为粘合剂的聚偏二氟乙烯(PVdF)3质量%在N-甲基吡咯烷酮溶剂中进行混合,使其浆料化。将其均匀涂布到厚度为15μm的铝箔的单面并进行干燥,之后进行压制,制成正极。
[负极的制作]
加入作为负极活性物质的非晶质被覆石墨粉末、作为增稠剂的羧甲基纤维素钠的水性分散体(羧甲基纤维素钠的浓度1质量%)、作为粘结材料的丁苯橡胶的水性分散体(丁苯橡胶的浓度50质量%),用分散器进行混合,使其浆料化。将该浆料均匀涂布到厚度为10μm的铜箔的单面并进行干燥,之后进行压制,制成负极。需要说明的是,按照在干燥后的负极中非晶质被覆石墨:羧甲基纤维素钠:丁苯橡胶=97.5:1.5:1的质量比的方式进行了制作。
[二次电池的制作]
将上述的正极、负极以及聚丙烯制的隔板按照负极、隔板、正极的顺序进行层积,制作了电池元件。将该电池元件插入由铝(厚度40μm)的两面被覆有树脂层的层积膜构成的袋内,并使正极和负极的端子突出设置,然后,将非水系电解液注入袋内,进行真空封装,制作了片状的非水系电解液二次电池。
[初期的电池特性评价]
将非水系电解液二次电池浸渍到乙醇浴中,由此时的浮力求出初期电池体积(阿基米德的原理)。其后,用玻璃板夹持而进行加压,在该状态下于25℃以相当于0.2C的电流进行恒流-恒压充电(也称为“CC-CV充电”)(0.05C截止)至4.1V后,以1/3C进行恒流放电至3.0V。其后,以相当于1/3C的电流进行CC-CV充电(0.05C截止)至4.1V后,在60℃、12小时的条件下进行放置。使电池充分冷却后,以1/3C的恒流放电至3.0V。接下来,以1/3C进行CC-CV充电(0.05C截止)至4.2V后,以1/3C再次放电至3.0V,使初期的电池特性稳定。其后,以0.2C进行CC-CV充电(0.05C截止)至4.2V后,以1/3C放电至3.0V,将其作为初期1/3C容量。其后,将电池浸渍到乙醇浴中并测定体积,将由初期电池体积的变化量作为初期气体量。
此处,1C表示将电池的基准容量用1小时放电的电流值,例如,0.2C表示其1/5的电流值。
[过充电特性评价]
对于初期的电池特性评价后的非水系电解液二次电池,在25℃以1/3C的恒流进行CC-CV充电(0.05C截止)至4.2V。其后,在45℃以1C进行48分钟基于恒流的过充电。其后,测定充分冷却的电池的开路电压(OCV),将其作为过充电后OCV。
需要说明的是,过充电试验后的电池的OCV主要反映了正极的电位。即,若过充电时后的OCV低,则表示为正极的充电深度低的状态。通常,若正极的充电深度变深,则会发生从正极的金属溶出及氧释放,成为电池的热失控的起点。由此,通过降低过充电后的OCV,可以确保过充电时的电池安全性。
使用上述制作的非水系电解液二次电池,实施了初期的电池特性评价和过充电特性评价。将评价结果以将比较例1-1设为100.0%时的相对值的形式列于表1。需要说明的是,过充电后OCV用与比较例1-1的差来表示。以下也相同。
[比较例1-1]
在实施例1-1的电解液中,使用不含化合物(1-1)的电解液,除此以外与实施例1-1同样地制作非水系电解液二次电池,实施了上述评价。
[比较例1-2]
在实施例1-1的电解液中,代替化合物(1-1)而使用了1.0质量%的化合物(3-2),除此以外与实施例1-1同样地制作非水系电解液二次电池,实施了上述评价。
【表1】
由表1可知,若使用本发明的实施例1-1的非水系电解液,则与未添加式(1)的酯的情况(比较例1-1)相比,初期1/3C容量优异,且初期气体量少。另外,过充电后OCV与比较例1-1相比低,因而安全性更优异。即,可以提供初期的电池特性和过充电耐久试验后的安全性优异的电池。
需要说明的是,在使用了不包含于式(1)的酯的范围内的芳香族化合物的情况下(比较例1-2),初期倍率1/3容量与比较例1-1相比提高,但其改善效果小,与实施例1-1相比差。另外,初期气体量与比较例1-1相比也增加。此外,过充电后OCV与比较例1-1相比也降低,但比实施例1-1差。由此可知,使用本发明的电解液的电池的特性优异。
<实施例2-1~2-3和比较例2-1~2-3>
[实施例2-1]
[非水系电解液的制备]
在干燥氩气气氛下,在由碳酸亚乙酯(EC)、碳酸甲乙酯(EMC)和碳酸二甲酯(DMC)构成的混合溶剂(混合体积比3:4:3)中,以1.0mol/L的比例溶解作为电解质的LiPF6,制成基本电解液。此外,对于该基本电解液,添加4.5质量%的化合物(1-1)作为添加剂,制备实施例2-1的非水系电解液。
[正极的制作]
利用分散器将作为正极活性物质的锂钴镍锰氧化物(LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2)90质量%、作为导电材料的乙炔黑7质量%、和作为粘合剂的聚偏二氟乙烯(PVdF)3质量%在N-甲基吡咯烷酮溶剂中进行混合,使其浆料化。将其均匀涂布到厚度为15μm的铝箔的单面并进行干燥,之后进行压制,制成正极。
[负极的制作]
加入作为负极活性物质的非晶质被覆石墨粉末、作为增稠剂的羧甲基纤维素钠的水性分散体(羧甲基纤维素钠的浓度1质量%)、作为粘结材料的丁苯橡胶的水性分散体(丁苯橡胶的浓度50质量%),用分散器进行混合,使其浆料化。将该浆料均匀涂布到厚度为10μm的铜箔的单面并进行干燥,之后进行压制,制成负极。需要说明的是,按照在干燥后的负极中非晶质被覆石墨:羧甲基纤维素钠:丁苯橡胶=97.5:1.5:1的质量比的方式进行了制作。
[二次电池的制作]
将上述的正极、负极以及聚丙烯制的隔板按照负极、隔板、正极的顺序进行层积,制作了电池元件。将该电池元件插入由铝(厚度40μm)的两面被覆有树脂层的层积膜构成的袋内,并使正极和负极的端子突出设置,然后,将非水系电解液注入袋内,进行真空封装,制作了片状的非水系电解液二次电池。
[初期的电池特性评价]
用玻璃板夹持非水系电解液二次电池并进行加压,在该状态下于25℃以相当于0.2C的电流进行恒流-恒压充电(也称为“CC-CV充电”)(0.05C截止)至4.1V后,以1/3C进行恒流放电至3.0V,求出此时的放电容量相对于充电容量的比例,将其作为初次效率(%)。其后,以相当于1/3C的电流进行CC-CV充电(0.05C截止)至4.1V后,在60℃、12小时的条件下进行放置。使电池充分冷却后,以1/3C的恒流放电至3.0V。接下来,以1/3C进行CC-CV充电(0.05C截止)至4.2V后,以1/3C再次放电至3.0V,使初期的电池特性稳定。
此处,1C表示将电池的基准容量用1小时放电的电流值,例如,0.2C表示其1/5的电流值。
[过充电特性评价]
对于初期的电池特性评价后的非水系电解液二次电池,在25℃以1/3C的恒流进行CC-CV充电(0.05C截止)至4.2V后,浸渍于乙醇浴中,由此时的浮力求出过充电前电池体积(阿基米德的原理)。其后,在45℃以1C进行48分钟基于恒流的过充电。将充分冷却的电池浸渍到乙醇浴中并测定体积,将与过充电前电池体积的变化量作为过充电气体量。
需要说明的是,过充电气体量越多,在因过充电等异常而使内压异常上升时感知该情况并使安全阀工作的电池中,可以越早地使安全阀工作。其结果,可以确保过充电时的电池安全性。
使用上述制作的非水系电解液二次电池,实施了初期的电池特性评价和过充电特性评价。将评价结果以将比较例2-1设为100.0%时的相对值的形式列于表2。以下也相同。
[实施例2-2]
在实施例2-1的电解液中,代替化合物(1-1)而使用4.1质量%的化合物(1-2),除此以外与实施例2-1同样地制作非水系电解液二次电池,实施了上述评价。需要说明的是,实施例2-1中添加的化合物(1-1)与实施例2-2中添加的化合物(1-2)为等物质量。
[实施例2-3]
在实施例2-1的电解液中,代替化合物(1-1)而使用4.8质量%的化合物(1-3),除此以外与实施例2-1同样地制作非水系电解液二次电池,实施了上述评价。需要说明的是,实施例2-1中添加的化合物(1-1)与实施例2-2中添加的化合物(1-2)为等物质量。
[比较例2-1]
在实施例2-1的电解液中,使用不含化合物(1-1)的电解液,除此以外与实施例2-1同样地制作非水系电解液二次电池,实施了上述评价。
[比较例2-2]
在实施例2-1的电解液中,代替化合物(1-1)而使用4.1质量%的(3-3),除此以外与实施例2-1同样地制作非水系电解液二次电池,实施了上述评价。需要说明的是,实施例2-1中添加的化合物(1-1)与比较例2-2中添加的化合物(3-3)为等物质量。
[比较例2-3]
在实施例2-1的电解液中,代替化合物(1-1)而使用3.4质量%的化合物(3-4),除此以外与实施例2-1同样地制作非水系电解液二次电池,实施了上述评价。需要说明的是,实施例2-1中添加的化合物(1-1)与比较例2-3中添加的化合物(3-4)为等物质量。
【表2】
由表2可知,若使用本发明的实施例2-1~2-3的非水系电解液,则与未添加式(1)的酯的情况(比较例2-1)相比,初次效率优异。另外,过充电气体量与比较例2-1相比多,因而安全性更优异。即,可以提供初期的电池特性和过充电耐久试验后的安全性优异的电池。
需要说明的是,在单独使用式(1)以外的芳香族化合物的情况下(比较例2-2~2-3),过充电气体量与比较例2-1相比也增加,但初期效率与比较例2-1相比大幅变差。由此可知,使用本发明的电解液的电池的特性优异。
<实施例3-1~3-2和比较例3-1>
[实施例3-1]
[非水系电解液的制备]
在干燥氩气气氛下,在由碳酸亚乙酯(EC)、碳酸甲乙酯(EMC)和碳酸二甲酯(DMC)构成的混合溶剂(混合体积比15:5:80)中,以1.4mol/L的比例溶解作为电解质的LiPF6,制成基本电解液。此外,对于该基本电解液,添加1.5质量%的化合物(1-4)作为添加剂,制备了实施例3-1的非水系电解液。
[正极的制作]
利用分散器将作为正极活性物质的含镍过渡金属氧化物97质量%、作为导电材料的乙炔黑1.5质量%、和作为粘结材料的聚偏二氟乙烯(PVdF)1.5质量%在N-甲基吡咯烷酮溶剂中进行混合,使其浆料化。将其均匀涂布到厚度为15μm的铝箔的两面并进行干燥,之后进行压制,制成正极。
[负极的制作]
加入作为负极活性物质的天然石墨粉末、作为增稠剂的羧甲基纤维素钠的水性分散体(羧甲基纤维素钠的浓度1质量%)、作为粘结材料的丁苯橡胶的水性分散体(丁苯橡胶的浓度50质量%),用分散器进行混合,使其浆料化。将该浆料均匀涂布到厚度为10μm的铜箔的单面并进行干燥,之后进行压制,制成负极。需要说明的是,按照在干燥后的负极中天然石墨:羧甲基纤维素钠:丁苯橡胶=98:1:1的质量比的方式进行了制作。
[二次电池的制作]
将上述的正极、负极以及聚乙烯制的隔板按照负极、隔板、正极、隔板、负极的顺序进行层积,制作了电池元件。将该电池元件插入由铝(厚度40μm)的两面被覆有树脂层的层积膜构成的袋内,并使正极和负极的端子突出设置,然后,将非水系电解液注入袋内,进行真空封装,制作了片状的非水系电解液二次电池。
[初期的电池特性评价]
用玻璃板夹持非水系电解液二次电池并进行加压,在该状态下于25℃以相当于0.05C的电流进行恒流充电4小时后,以0.2C进行恒流放电至2.5V。此外,以相当于0.1C的电流进行恒流充电至4.1V后,以0.2C的恒流放电至2.5V。接下来,以0.2C进行CC-CV充电(0.05C截止)至4.1V后,以0.2C的恒流放电至2.5V。接下来,以0.2C进行CC-CV充电(0.05C截止)至4.1V后,在45℃、72小时的条件下进行放置。其后,在25℃以0.2C再次放电至2.5V,使初期的电池特性稳定。将至此的充放电中的总计4次的充电容量的总和与总计4次的放电容量的总和之差作为初期容量损失。
此处,1C表示将电池的基准容量用1小时放电的电流值,例如,0.2C表示其1/5的电流值。
[过充电特性评价]
对于初期的电池特性评价后的非水系电解液二次电池,在25℃以0.2C进行CC-CV充电(0.05C截止)至4.2V后,浸渍于乙醇浴中,由此时的浮力求出过充电前电池体积(阿基米德的原理)。其后,在45℃以1C的恒流充电15分钟。使电池充分冷却后,浸渍到乙醇浴中并测定体积,将与过充电前电池体积的变化量作为过充电气体量。
需要说明的是,过充电气体量越多,在因过充电等异常而使内压异常上升时感知该情况并使安全阀工作的电池中,可以越早地使安全阀工作。其结果,可以确保过充电时的电池安全性。
使用上述制作的非水系电解液二次电池,实施了初期的电池特性评价和过充电特性评价。将评价结果以将比较例3-1设为100.0%时的相对值的形式列于表3。以下也相同。
[实施例3-2]
在实施例3-1的电解液中,代替1.5质量%的化合物(1-4)而使用2.5质量%的化合物(1-4),除此以外与实施例3-1同样地制作非水系电解液二次电池,实施了初期的电池特性评价和过充电特性评价。将评价结果以将比较例3-1设为100.0%时的相对值的形式列于表3。以下也相同。
[比较例3-1]
在实施例3-1的电解液中,使用不含化合物(1-4)的电解液,除此以外与实施例3-1同样地制作非水系电解液二次电池,实施了上述评价。
【表3】
由表3可知,若使用本发明的实施例3-1~3-2的非水系电解液,与未添加式(1)的酯的情况(比较例3-1)相比,初期容量损失少。另外,过充电气体量与比较例3-1相比多,因而安全性更优异。即,可以提供初期的电池特性和过充电耐久试验后的安全性优异的电池。
<实施例4-1~4-3和比较例4-1~4-3>
[实施例4-1]
[非水系电解液的制备]
在干燥氩气气氛下,在由碳酸亚乙酯(EC)、碳酸甲乙酯(EMC)和碳酸二乙酯(也称为“DEC”)构成的混合溶剂(混合体积比3:4:3)中,以1.2mol/L的比例溶解作为电解质的LiPF6。并且,溶解作为添加剂的单氟代碳酸亚乙酯(也称为“MP2”)2.0质量%和碳酸亚乙烯酯(也称为“VC”)2.0质量%,制成基本电解液。此外,添加化合物(1-1)0.5质量%,制备了实施例4-1的非水系电解液。
[正极的制作]
利用分散器将作为正极活性物质的钴酸锂(LiCoO2)97质量%、作为导电材料的乙炔黑1.5质量%、和作为粘结材料的聚偏二氟乙烯(PVdF)1.5质量%在N-甲基吡咯烷酮溶剂中进行混合,使其浆料化。将其均匀涂布到厚度为15μm的铝箔的两面并进行干燥,之后进行压制,制成正极。
[负极的制作]
加入作为负极活性物质的天然石墨粉末、作为增稠剂的羧甲基纤维素钠的水性分散体(羧甲基纤维素钠的浓度1质量%)、作为粘结材料的丁苯橡胶的水性分散体(丁苯橡胶的浓度50质量%),用分散器进行混合,使其浆料化。将该浆料均匀涂布到厚度为10μm的铜箔的单面并进行干燥,之后进行压制,制成负极。需要说明的是,按照在干燥后的负极中天然石墨:羧甲基纤维素钠:丁苯橡胶=98:1:1的质量比的方式进行了制作。
[二次电池的制作]
将上述的正极、负极以及聚丙烯制的隔板按照负极、隔板、正极、隔板、负极的顺序进行层积,制作了电池元件。将该电池元件插入由铝(厚度40μm)的两面被覆有树脂层的层积膜构成的袋内,并使正极和负极的端子突出设置,然后,将非水系电解液注入袋内,进行真空封装,制作了片状的非水系电解液二次电池。
[初期的电池特性评价]
用玻璃板夹持非水系电解液二次电池并进行加压,在该状态下于25℃以相当于0.05C的电流进行恒流充电6小时后,以0.2C进行恒流放电至3.0V。此外,以相当于0.2C的电流进行恒流-恒压充电(也称为“CC-CV充电”)(0.05C截止)至4.1V后,在45℃、72小时的条件下进行放置。其后,以0.2C的恒流放电至3.0V。接下来,以0.2C进行CC-CV充电(0.05C截止)至4.4V后,以0.2C再次放电至3.0V,使初期的电池特性稳定。其后,以0.2C进行CC-CV充电(0.05C截止)至4.4V后,以0.2C放电至3.0V,将其作为初期1C容量。此处,1C表示将电池的基准容量用1小时放电的电流值,例如,0.2C表示其1/5的电流值。
[高温保存耐久试验]
对于初期的电池特性评价后的非水系电解液二次电池,在25℃以0.2C进行CC-CV充电(0.05C截止)至4.4V后,浸渍于乙醇浴中,由此时的浮力求出高温保存耐久试验前电池体积(阿基米德的原理)。其后,在60℃、7天的条件下进行高温保存。使电池充分冷却后,浸渍到乙醇浴中并测定体积,由高温保存耐久试验前后的体积变化求出保存气体量。
使用上述制作的非水系电解液二次电池,实施初期的电池特性评价和高温保存耐久试验评价。将评价结果以将比较例4-1设为100.0%时的相对值的形式列于表4。以下也相同。
[实施例4-2]
在实施例4-1的电解液中,代替0.5质量%的化合物(1-1)而使用1.0质量%的化合物(1-1),除此以外与实施例4-1同样地制作非水系电解液二次电池,实施了上述评价。
[实施例4-3]
在实施例4-1的电解液中,代替0.5质量%的化合物(1-1)而使用1.0质量%的化合物(1-1)和3.0质量%的1-苯基-1,3,3-三甲基茚满(也称为“MP12”),除此以外与实施例4-1同样地制作非水系电解液二次电池,实施了上述评价。
[比较例4-1]
在实施例4-1的电解液中,使用不含化合物(1-1)的电解液,除此以外与实施例4-1同样地制作非水系电解液二次电池,实施了上述评价。
[比较例4-2]
在实施例4-3的电解液中,使用不含化合物(1-1)的电解液,除此以外与实施例4-3同样地制作非水系电解液二次电池,实施了上述评价。
[比较例4-3]
在实施例4-1的电解液中,代替0.5质量%的化合物(1-1)而使用1.0质量%的化合物(3-2),除此以外与实施例4-1同样地制作非水系电解液二次电池,实施了上述评价。
【表4】
由表4可知,若使用本发明的实施例4-1、实施例4-2和实施例4-3的非水系电解液,与未添加式(1)的酯的情况(比较例4-1)相比,初期0.2C容量优异,且高温保存耐久试验后的保存气体量少。即,可以提供初期的电池特性和高温保存耐久试验后的电池特性优异的电池。
另外,单独使用式(1)以外的芳香族化合物和不包含在式(2)的酯的范围内的芳香族化合物的情况下(比较例4-2和比较例4-3),初期0.2C容量与比较例4-1相比提高,保存气体量与比较例4-1相比也增加。由此可知,使用本发明的电解液的电池的特性优异。
<实施例5-1~5-4和比较例5-1~5-3>
[实施例5-1]
[非水系电解液的制备]
在干燥氩气气氛下,在由碳酸亚乙酯(EC)、碳酸甲乙酯(EMC)和碳酸二乙酯(DEC)构成的混合溶剂(混合体积比3:4:3)中,以1.2mol/L的比例溶解作为电解质的LiPF6,制成基本电解液。此外,添加1.0质量%的化合物(1-1),制备了实施例5-1的非水系电解液。
[正极的制作]
利用分散器将作为正极活性物质的钴酸锂(LiCoO2)97质量%、作为导电材料的乙炔黑1.5质量%、和作为粘结材料的聚偏二氟乙烯(PVdF)1.5质量%在N-甲基吡咯烷酮溶剂中进行混合,使其浆料化。将其均匀涂布至厚度为21μm的铝箔的两面并进行干燥,之后进行压制,制成正极。
[负极的制作]
加入作为负极活性物质的天然石墨粉末、作为增稠剂的羧甲基纤维素钠的水性分散体(羧甲基纤维素钠的浓度1质量%)、作为粘结材料的丁苯橡胶的水性分散体(丁苯橡胶的浓度50质量%),用分散器进行混合,使其浆料化。将该浆料均匀涂布至厚度为12μm的铜箔的单面并进行干燥,之后进行压制,制成负极。需要说明的是,按照在干燥后的负极中天然石墨:羧甲基纤维素钠:丁苯橡胶=98:1:1的质量比的方式进行了制作。
[二次电池的制作]
将上述的正极、负极以及聚丙烯制的隔板按照负极、隔板、正极、隔板、负极的顺序进行层积,制作了电池元件。将该电池元件插入由铝(厚度40μm)的两面被覆有树脂层的层积膜构成的袋内,并使正极和负极的端子突出设置,然后,将非水系电解液注入袋内,进行真空封装,制作了片状的非水系电解液二次电池。
[初期的电池特性评价]
用玻璃板夹持非水系电解液二次电池并进行加压,在该状态下于25℃以相当于0.05C的电流进行恒流充电6小时后,以0.2C进行恒流放电至3.0V。此外,以相当于0.2C的电流进行恒流-恒压充电(也称为“CC-CV充电”)(0.05C截止)至4.1V后,在45℃、72小时的条件下进行放置。其后,以0.2C的恒流放电至3V。接下来,以0.2C进行CC-CV充电(0.05C截止)至4.4V后,以0.2C再次放电至3.0V,使初期的电池特性稳定。其后,以0.2C进行CCCV充电(0.05C截止)至4.4V后,以0.2C放电至3.0V,将其作为初期0.2C容量。此外,以0.2C进行CC-CV充电(0.05C截止)至4.4V后,以0.5C放电至3.0V,将其作为初期0.5C容量。并且,求出初期0.5C容量相对于初期0.2C容量的比例,将其作为初期倍率特性(%)。
此处,1C表示将电池的基准容量用1小时放电的电流值,例如,0.2C表示其1/5的电流值。
[高温保存耐久试验]
对于初期的电池特性评价后的非水系电解液二次电池,在25℃以0.2C进行CC-CV充电(0.05C截止)至4.4V后,在85℃、1天的条件下进行高温保存。使电池充分冷却后,在25℃以0.2C放电至3.0V。
[高温保存耐久试验后的过充电特性评价]
对于高温保存耐久试验后的电池特性评价后的非水系电解液二次电池,在25℃以0.2C的恒流进行CC-CV充电(0.05C截止)至4.4V。其后,在45℃以0.2C进行基于恒流的过充电至5.0V。其后,测定充分冷却的电池的开路电压(OCV),将其作为过充电后OCV。
需要说明的是,过充电试验后的电池的OCV主要反映了正极的电位。即,若过充电时后的OCV低,则表示为正极的充电深度低的状态。通常,若正极的充电深度变深,则会发生从正极的金属溶出及氧释放,成为电池的热失控的起点。由此,通过降低过充电后的OCV,可以确保过充电时的电池安全性。
使用上述制作的非水系电解液二次电池,实施初期的电池特性评价、高温保存耐久试验和高温保存耐久试验后的过充电特性评价。将评价结果以将比较例5-1设为100.0%时的相对值的形式列于表5。需要说明的是,过充电后OCV用与比较例5-1的差来表示。以下也相同。
[实施例5-2]
在实施例5-1的电解液中,使用除了化合物(1-1)外进一步添加了2.0质量%的单氟代碳酸亚乙酯(也称为“MP2”)的电解液,除此以外与实施例5-1同样地制作非水系电解液二次电池,实施了上述评价。
[实施例5-3]
在实施例5-1的电解液中,使用除了化合物(1-1)和MP2外添加了2.0质量%的碳酸亚乙烯酯(也称为“VC”)的电解液,除此以外与实施例5-1同样地制作非水系电解液二次电池,实施了上述评价。
[实施例5-4]
在实施例5-3的电解液中,使用代替化合物(1-1)而添加了1.0质量%的化合物(1-4)的电解液,除此以外与实施例5-3同样地制作非水系电解液二次电池,实施了上述评价。
[比较例5-1]
在实施例5-1的电解液中,使用不含化合物(1-1)的电解液,除此以外与实施例5-1同样地制作非水系电解液二次电池,实施了上述评价。
[比较例5-2]
在实施例5-2的电解液中,使用不含化合物(1-1)的电解液,除此以外与实施例5-2同样地制作非水系电解液二次电池,实施了上述评价。
[比较例5-3]
在实施例5-4的电解液中,使用不含化合物(1-1)的电解液,除此以外与实施例5-4同样地制作非水系电解液二次电池,实施了上述评价。
【表5】
由表5可知,若使用本发明的实施例5-1的非水系电解液,与未添加式(1)的酯的情况(比较例5-1)相比,初期0.2C容量和初期倍率特性优异。另外,高温保存耐久试验后的过充电后OCV与比较例5-1相比低,因而安全性更优异。即,可以提供初期的电池特性和高温保存耐久试验后的电池特性及安全性优异的电池。
另外,在同时使用了式(1)的酯和含氟环状碳酸酯或具有碳-碳不饱和键的环状碳酸酯的情况(实施例5-2~5-4)下,与未添加式(1)的酯的情况(比较例5-2~5-3)相比,初期0.2C容量和初期倍率特性优异。另外,高温保存耐久试验后的过充电后OCV与比较例5-2~5-3相比低,因而安全性更优异。即,可以提供初期的电池特性和高温保存耐久试验后的电池特性及安全性优异的电池。
由此可以确认,通过同时使用式(1)的酯和含氟环状碳酸酯或具有碳-碳不饱和键的环状碳酸酯,利用其协同效应可特异性地改善电池特性。
<实施例6-1和比较例6-1~6-3>
[实施例6-1]
[非水系电解液的制备]
在干燥氩气气氛下,在由碳酸亚乙酯(EC)、碳酸甲乙酯(EMC)和碳酸二乙酯(DEC)构成的混合溶剂(混合体积比3:4:3)中,以1.2mol/L的比例溶解作为电解质的LiPF6,制成基本电解液。此外,对于该基本电解液,添加0.5质量%的化合物(2-1)和0.5质量%的三乙基膦酰基乙酸酯(也称为“MP1”)作为添加剂,制备了实施例6-1的非水系电解液。
[正极的制作]
利用分散器将作为正极活性物质的钴酸锂(LiCoO2)97质量%、作为导电材料的乙炔黑1.5质量%、和作为粘结材料的聚偏二氟乙烯(PVdF)1.5质量%在N-甲基吡咯烷酮溶剂中进行混合,使其浆料化。将其均匀涂布到厚度为15μm的铝箔的两面并进行干燥,之后进行压制,制成正极。
[负极的制作]
加入作为负极活性物质的天然石墨粉末、作为增稠剂的羧甲基纤维素钠的水性分散体(羧甲基纤维素钠的浓度1质量%)、作为粘结材料的丁苯橡胶的水性分散体(丁苯橡胶的浓度50质量%),用分散器进行混合,使其浆料化。将该浆料均匀涂布到厚度为10μm的铜箔的单面并进行干燥,之后进行压制,制成负极。需要说明的是,按照在干燥后的负极中天然石墨:羧甲基纤维素钠:丁苯橡胶=98:1:1的质量比的方式进行了制作。
[二次电池的制作]
将上述的正极、负极以及聚丙烯制的隔板按照负极、隔板、正极、隔板、负极的顺序进行层积,制作了电池元件。将该电池元件插入由铝(厚度40μm)的两面被覆有树脂层的层积膜构成的袋内,并使正极和负极的端子突出设置,然后,将非水系电解液注入袋内,进行真空封装,制作了片状的非水系电解液二次电池。
[初期的电池特性评价]
将非水系电解液二次电池浸渍到乙醇浴中,由此时的浮力求出初期电池体积(阿基米德的原理)。其后,用玻璃板夹持并进行加压,在该状态下于25℃以相当于0.05C的电流进行恒流充电6小时后,以0.2C进行恒流放电至3.0V。此外,以相当于0.2C的电流进行恒流-恒压充电(也称为“CC-CV充电”)(0.05C截止)至4.1V后,以0.2C的恒流放电至3V。接下来,以0.2C进行CC-CV充电(0.05C截止)至4.40V后,以0.2C再次放电至3V,使初期的电池特性稳定。其后,将电池浸渍到乙醇浴中并测定体积,将与初期电池体积的变化量作为初期气体量。其后,以0.2C进行CC-CV充电(0.05C截止)至4.40V后,以0.2C放电至3V,将其作为初期0.2C容量。此外,以0.2C进行CC-CV充电(0.05C截止)至4.40V后,以0.5C放电至3V,将其作为初期0.5C容量。并且,求出初期0.5C容量相对于初期0.2C容量的比例,将其作为初期倍率特性(%)。
此处,1C表示将电池的基准容量用1小时放电的电流值,例如,0.2C表示其1/5的电流值。
[高温保存耐久试验]
对于初期的电池特性评价后的非水系电解液二次电池,在25℃以0.2C进行CC-CV充电(0.05C截止)至4.40V后,在85℃、1天的条件下进行高温保存。使电池充分冷却后,在25℃以0.2C放电至3V。
[高温保存耐久试验后的电池特性评价]
对于高温保存耐久试验后的非水系电解液二次电池,在25℃以0.2C的恒流进行CC-CV充电(0.05C截止)至4.4V后,以0.2C再次放电至3V,将其作为恢复0.2C容量。
使用上述制作的非水系电解液二次电池,实施初期的电池特性评价、高温保存耐久试验和高温保存耐久试验后的电池特性评价。将评价结果以将比较例6-1设为100.0%时的相对值的形式列于表6。以下也相同。
[比较例6-1]
在实施例6-1的电解液中,使用不含化合物(2-1)和MP1的电解液,除此以外与实施例6-1同样地制作非水系电解液二次电池,实施了上述评价。
[比较例6-2]
在实施例6-1的电解液中,使用不含MP1的电解液,除此以外与实施例6-1同样地制作非水系电解液二次电池,实施了上述评价。
[比较例6-3]
在实施例6-1的电解液中,使用不含化合物(2-1)的电解液,除此以外与实施例6-1同样地制作非水系电解液二次电池,实施了上述评价。
【表6】
由表6可知,若使用本发明的实施例6-1的非水系电解液,与未同时添加式(2)的酯和膦酸酯的情况(比较例6-1)相比,初期倍率特性优异,且高温保存耐久试验后的恢复0.2C容量也优异。即,可以提供初期的电池特性和高温保存耐久试验后的电池特性优异的电池。
需要说明的是,在单独使用式(2)的酯的情况下(比较例6-2),初期倍率特性与比较例6-1相比提高,初期气体量与实施例6-1相比也增加。此外,恢复0.2C容量与比较例6-1相比也提高,但其改善效果小,比实施例6-1差。由此可知,使用本发明的电解液的电池的特性优异。
另外,在单独使用膦酸酯的情况下(比较例6-3),初期倍率特性与比较例6-1相比提高,初期气体量与实施例6-1相比也增加。此外,恢复0.2C容量与比较例6-1相比也提高,但其改善效果小,比实施例6-1差。由此可知,使用本发明的电解液的电池的特性优异。
由此可以确认,通过同时使用式(2)的酯和膦酸酯,利用其协同效应可特异性地改善电池特性。
<实施例7-1和比较例7-1~7-3>
[实施例7-1]
[非水系电解液的制备]
在干燥氩气气氛下,在由碳酸亚乙酯(EC)、碳酸甲乙酯(EMC)和碳酸二乙酯(DEC)构成的混合溶剂(混合体积比3:4:3)中,以1.2mol/L的比例溶解作为电解质的LiPF6,制成基本电解液。此外,对于该基本电解液,添加0.5质量%的化合物(2-1)和0.5质量%的单氟代碳酸亚乙酯(也称为“MP2”)作为添加剂,制备了实施例7-1的非水系电解液。
[正极的制作]
利用分散器将作为正极活性物质的钴酸锂(LiCoO2)97质量%、作为导电材料的乙炔黑1.5质量%、和作为粘结材料的聚偏二氟乙烯(PVdF)1.5质量%在N-甲基吡咯烷酮溶剂中进行混合,使其浆料化。将其均匀涂布到厚度为15μm的铝箔的两面并进行干燥,之后进行压制,制成正极。
[负极的制作]
加入作为负极活性物质的天然石墨粉末、作为增稠剂的羧甲基纤维素钠的水性分散体(羧甲基纤维素钠的浓度1质量%)、作为粘结材料的丁苯橡胶的水性分散体(丁苯橡胶的浓度50质量%),用分散器进行混合,使其浆料化。将该浆料均匀涂布到厚度为10μm的铜箔的单面并进行干燥,之后进行压制,制成负极。需要说明的是,按照在干燥后的负极中天然石墨:羧甲基纤维素钠:丁苯橡胶=98:1:1的质量比的方式进行了制作。
[二次电池的制作]
将上述的正极、负极以及聚丙烯制的隔板按照负极、隔板、正极、隔板、负极的顺序进行层积,制作了电池元件。将该电池元件插入由铝(厚度40μm)的两面被覆有树脂层的层积膜构成的袋内,并使正极和负极的端子突出设置,然后,将非水系电解液注入袋内,进行真空封装,制作了片状的非水系电解液二次电池。
[初期的电池特性评价]
将非水系电解液二次电池浸渍到乙醇浴中,由此时的浮力求出初期电池体积(阿基米德的原理)。其后,用玻璃板夹持并进行加压,在该状态下于25℃以相当于0.05C的电流进行恒流充电6小时后,以0.2C进行恒流放电至3.0V。此外,以相当于0.2C的电流进行恒流-恒压充电(也称为“CC-CV充电”)(0.05C截止)至4.1V后,以0.2C的恒流放电至3.0V。接下来,以0.2C进行CC-CV充电(0.05C截止)至4.4V后,以0.2C再次放电至3.0V,使初期的电池特性稳定。其后,以0.2C进行CC-CV充电(0.05C截止)至4.4V后,将非水系电解液二次电池浸渍到乙醇浴中并测定体积,将与初期电池体积的变化量作为初期气体量。
此处,1C表示将电池的基准容量用1小时放电的电流值,例如,0.2C表示其1/5的电流值。
[高温保存耐久试验]
对于初期的电池特性评价后的非水系电解液二次电池,在25℃以0.2C进行CC-CV充电(0.05C截止)至4.4V后,在85℃、1天的条件下进行高温保存。使电池充分冷却后,在25℃以0.2C放电至3.0V。
[高温保存耐久试验后的过充电特性评价]
对于高温保存耐久试验后的非水系电解液二次电池,在25℃以0.2C的恒流进行CC-CV充电(0.05C截止)至4.4V后,浸渍于乙醇浴中,由此时的浮力求出过充电前电池体积。其后,在45℃以0.2C进行基于恒流的过充电至5.0V。将充分冷却的电池浸渍到乙醇浴中并测定体积,将与过充电前电池体积的变化量作为过充电气体量。
需要说明的是,过充电气体量越多,在因过充电等异常而使内压异常上升时感知该情况并使安全阀工作的电池中,可以越早地使安全阀工作。其结果,可以确保过充电时的电池安全性。
使用上述制作的非水系电解液二次电池,实施初期的电池特性评价、高温保存耐久试验和高温保存耐久试验后的过充电特性评价。将评价结果以将比较例7-1设为100.0%时的相对值的形式列于表7。以下也相同。
[比较例7-1]
在实施例7-1的电解液中,使用不含化合物(2-1)和MP2的电解液,除此以外与实施例7-1同样地制作非水系电解液二次电池,实施了上述评价。
[比较例7-2]
在实施例7-1的电解液中,使用不含MP2的电解液,除此以外与实施例7-1同样地制作非水系电解液二次电池,实施了上述评价。
[比较例7-3]
在实施例7-1的电解液中,使用不含化合物(2-1)的电解液,除此以外与实施例7-1同样地制作非水系电解液二次电池,实施了上述评价。
【表7】
由表7可知,若使用本发明的实施例7-1的非水系电解液,与未同时添加式(2)的酯和含氟环状碳酸酯的情况(比较例7-1)相比,初期气体量少,且高温保存耐久试验后的过充电气体量多。即,可以提供初期的电池特性和高温保存耐久试验后的过充电特性评价优异的电池。
需要说明的是,在单独使用式(2)的酯的情况下(比较例7-2),初期气体量与比较例7-1相比也增加。此外,过充电气体量与比较例7-1相比也增加,但其改善效果小,比实施例7-1差。由此可知,使用本发明的电解液的电池的特性优异。
另外,在单独使用含氟环状碳酸酯的情况下(比较例7-3),初期气体量与比较例7-1相比也减少,但其改善效果小,比实施例7-1差。此外,过充电气体量与比较例7-1相比也减少。由此可知,使用本发明的电解液的电池的特性优异。
由此可以确认,通过同时使用式(2)的酯和含氟环状碳酸酯,利用其协同效应可特异性地改善电池特性。
<实施例8-1和比较例8-1~8-3>
[实施例8-1]
[非水系电解液的制备]
在干燥氩气气氛下,在由碳酸亚乙酯(EC)、碳酸甲乙酯(EMC)和碳酸二乙酯(DEC)构成的混合溶剂(混合体积比3:4:3)中,以1.2mol/L的比例溶解作为电解质的LiPF6,制成基本电解液。此外,对于该基本电解液,添加0.5质量%的化合物(2-1)和0.5质量%的氟磺酸锂(也称为“MP3”)作为添加剂,制备了实施例8-1的非水系电解液。
[正极的制作]
利用分散器将作为正极活性物质的钴酸锂(LiCoO2)97质量%、作为导电材料的乙炔黑1.5质量%、和作为粘结材料的聚偏二氟乙烯(PVdF)1.5质量%在N-甲基吡咯烷酮溶剂中进行混合,使其浆料化。将其均匀涂布到厚度为15μm的铝箔的两面并进行干燥,之后进行压制,制成正极。
[负极的制作]
加入作为负极活性物质的天然石墨粉末、作为增稠剂的羧甲基纤维素钠的水性分散体(羧甲基纤维素钠的浓度1质量%)、作为粘结材料的丁苯橡胶的水性分散体(丁苯橡胶的浓度50质量%),用分散器进行混合,使其浆料化。将该浆料均匀涂布到厚度为10μm的铜箔的单面并进行干燥,之后进行压制,制成负极。需要说明的是,按照在干燥后的负极中天然石墨:羧甲基纤维素钠:丁苯橡胶=98:1:1的质量比的方式进行了制作。
[二次电池的制作]
将上述的正极、负极以及聚丙烯制的隔板按照负极、隔板、正极、隔板、负极的顺序进行层积,制作了电池元件。将该电池元件插入由铝(厚度40μm)的两面被覆有树脂层的层积膜构成的袋内,并使正极和负极的端子突出设置,然后,将非水系电解液注入袋内,进行真空封装,制作了片状的非水系电解液二次电池。
[初期的电池特性评价]
用玻璃板夹持非水系电解液二次电池并进行加压,在该状态下于25℃以相当于0.05C的电流进行恒流充电6小时后,以0.2C进行恒流放电至3.0V。此外,以相当于0.2C的电流进行恒流-恒压充电(也称为“CC-CV充电”)(0.05C截止)至4.1V后,以0.2C的恒流放电至3.0V。接下来,以0.2C进行CC-CV充电(0.05C截止)至4.4V后,以0.2C再次放电至3.0V,使初期的电池特性稳定。其后,以0.2C进行CC-CV充电(0.05C截止)至4.4V后,以1C放电至3.0V,将其作为初期1C容量。
此处,1C表示将电池的基准容量用1小时放电的电流值,例如,0.2C表示其1/5的电流值。
[高温保存耐久试验]
对于初期的电池特性评价后的非水系电解液二次电池,在25℃以0.2C进行CC-CV充电(0.05C截止)至4.4V后,在85℃、1天的条件下进行高温保存。使电池充分冷却后,在25℃以0.2C放电至3.0V。
[高温保存耐久试验后的电池特性评价]
对于高温保存耐久试验后的非水系电解液二次电池,在25℃以0.2C的恒流进行CC-CV充电(0.05C截止)至4.4V后,以0.2C再次放电至3.0V,将其作为恢复0.2C容量。
使用上述制作的非水系电解液二次电池,实施初期的电池特性评价、高温保存耐久试验和高温保存耐久试验后的电池特性评价。将评价结果以将比较例8-1设为100.0%时的相对值的形式列于表8。以下也相同。
[比较例8-1]
在实施例8-1的电解液中,使用不含化合物(2-1)和MP3的电解液,除此以外与实施例8-1同样地制作非水系电解液二次电池,实施了上述评价。
[比较例8-2]
在实施例8-1的电解液中,使用不含MP3的电解液,除此以外与实施例8-1同样地制作非水系电解液二次电池,实施了上述评价。
[比较例8-3]
在实施例8-1的电解液中,使用不含化合物(2-1)的电解液,除此以外与实施例8-1同样地制作非水系电解液二次电池,实施了上述评价。
【表8】
由表8可知,若使用本发明的实施例8-1的非水系电解液,与未同时添加式(2)的酯和氟磺酸盐的情况(比较例8-1)相比,初期1C容量优异,且高温保存耐久试验后的恢复0.2C容量也优异。即,可以提供初期的电池特性和高温保存耐久试验后的电池特性优异的电池。
需要说明的是,在单独使用式(2)的酯的情况下(比较例8-2),初期1C容量与比较例8-1相比也提高,但其改善效果小,比实施例8-1差。此外,恢复0.2C容量与比较例8-1相比也提高,但其改善效果小,比实施例8-1差。由此可知,使用本发明的电解液的电池的特性优异。
另外,在单独使用氟磺酸盐的情况下(比较例8-3),初期1C容量与比较例8-1相比也提高,但其改善效果小,比实施例8-1差。此外,恢复0.2C容量与比较例8-1相比也提高,但其改善效果小,比实施例8-1差。由此可知,使用本发明的电解液的电池的特性优异。
由此可以确认,通过同时使用式(2)的酯和氟磺酸盐,利用其协同效应可特异性地改善电池特性。
<实施例9-1和比较例9-1~9-3>
[实施例9-1]
[非水系电解液的制备]
在干燥氩气气氛下,在由碳酸亚乙酯(EC)、碳酸甲乙酯(EMC)和碳酸二乙酯(DEC)构成的混合溶剂(混合体积比3:4:3)中,以1.2mol/L的比例溶解作为电解质的LiPF6,制成基本电解液。此外,对于该基本电解液,添加0.5质量%的化合物(2-1)和0.5质量%的1,3-双(异氰酸根合甲基)环己烷(也称为“MP4”)作为添加剂,制备了实施例9-1的非水系电解液。
[正极的制作]
利用分散器将作为正极活性物质的钴酸锂(LiCoO2)97质量%、作为导电材料的乙炔黑1.5质量%、和作为粘结材料的聚偏二氟乙烯(PVdF)1.5质量%在N-甲基吡咯烷酮溶剂中进行混合,使其浆料化。将其均匀涂布到厚度为15μm的铝箔的两面并进行干燥,之后进行压制,制成正极。
[负极的制作]
加入作为负极活性物质的天然石墨粉末、作为增稠剂的羧甲基纤维素钠的水性分散体(羧甲基纤维素钠的浓度1质量%)、作为粘结材料的丁苯橡胶的水性分散体(丁苯橡胶的浓度50质量%),用分散器进行混合,使其浆料化。将该浆料均匀涂布到厚度为10μm的铜箔的单面并进行干燥,之后进行压制,制成负极。需要说明的是,按照在干燥后的负极中天然石墨:羧甲基纤维素钠:丁苯橡胶=98:1:1的质量比的方式进行了制作。
[二次电池的制作]
将上述的正极、负极以及聚丙烯制的隔板按照负极、隔板、正极、隔板、负极的顺序进行层积,制作了电池元件。将该电池元件插入由铝(厚度40μm)的两面被覆有树脂层的层积膜构成的袋内,并使正极和负极的端子突出设置,然后,将非水系电解液注入袋内,进行真空封装,制作了片状的非水系电解液二次电池。
[初期的电池特性评价]
将非水系电解液二次电池浸渍到乙醇浴中,由此时的浮力求出初期电池体积(阿基米德的原理)。其后,用玻璃板夹持并进行加压,在该状态下于25℃以相当于0.05C的电流进行恒流充电6小时后,以0.2C进行恒流放电至3.0V。此外,以相当于0.2C的电流进行恒流-恒压充电(也称为“CC-CV充电”)(0.05C截止)至4.1V后,以0.2C的恒流放电至3.0V。接下来,以0.2C进行CC-CV充电(0.05C截止)至4.4V后,以0.2C再次放电至3.0V,使初期的电池特性稳定。其后,以0.2C进行CC-CV充电(0.05C截止)至4.4V后,将电池浸渍到乙醇浴中并测定体积,将与初期电池体积的变化量作为初期气体量。
此处,1C表示将电池的基准容量用1小时放电的电流值,例如,0.2C表示其1/5的电流值。
[高温保存耐久试验]
对于初期的电池特性评价后的非水系电解液二次电池,在25℃以0.2C进行CC-CV充电(0.05C截止)至4.4V后,在85℃、1天的条件下进行高温保存。使电池充分冷却后,在25℃以0.2C放电至3.0V。
[高温保存耐久试验后的电池特性评价]
对于高温保存耐久试验后的非水系电解液二次电池,在25℃以0.2C的恒流进行CC-CV充电(0.05C截止)至4.4V后,以0.2C再次放电至3.0V,将其作为恢复0.2C容量。
使用上述制作的非水系电解液二次电池,实施初期的电池特性评价、高温保存耐久试验和高温保存耐久试验后的电池特性评价。将评价结果以将比较例9-1设为100.0%时的相对值的形式列于表9。以下也相同。
[比较例9-1]
在实施例9-1的电解液中,使用不含化合物(2-1)和MP4的电解液,除此以外与实施例9-1同样地制作非水系电解液二次电池,实施了上述评价。
[比较例9-2]
在实施例9-1的电解液中,使用不含MP4的电解液,除此以外与实施例9-1同样地制作非水系电解液二次电池,实施了上述评价。
[比较例9-3]
在实施例9-1的电解液中,使用不含化合物(2-1)的电解液,除此以外与实施例9-1同样地制作非水系电解液二次电池,实施了上述评价。
【表9】
由表9可知,若使用本发明的实施例9-1的非水系电解液,与未同时添加式(2)的酯和具有异氰酸酯基的有机化合物的情况(比较例9-1)相比,初期气体量少,且高温保存耐久试验后的恢复0.2C容量也优异。即,可以提供初期的电池特性和高温保存耐久试验后的电池特性优异的电池。
需要说明的是,在单独使用式(2)的酯的情况下(比较例9-2),初期气体量与比较例9-1相比也增加。此外,恢复0.2C容量与比较例9-1相比也增加,但其改善效果小,比实施例9-1差。由此可知,使用本发明的电解液的电池的特性优异。
另外,在单独使用具有异氰酸酯基的有机化合物的情况下(比较例9-3),初期气体量与比较例9-1相比也减少,但比实施例9-1差。此外,恢复0.2C容量与比较例9-1相比也提高,但其改善效果小,比实施例9-1差。由此可知,使用本发明的电解液的电池的特性优异。
由此可以确认,通过同时使用式(2)的酯和具有异氰酸酯基的有机化合物,利用其协同效应可特异性地改善电池特性。
<实施例10-1和比较例10-1~10-3>
[实施例10-1]
[非水系电解液的制备]
在干燥氩气气氛下,在由碳酸亚乙酯(EC)、碳酸甲乙酯(EMC)和碳酸二乙酯(DEC)构成的混合溶剂(混合体积比3:4:3)中,以1.2mol/L的比例溶解作为电解质的LiPF6,制成基本电解液。此外,对于该基本电解液,添加0.5质量%的化合物(2-1)和0.5质量%的己二腈(也称为“MP5”)作为添加剂,制备了实施例10-1的非水系电解液。
[正极的制作]
利用分散器将作为正极活性物质的钴酸锂(LiCoO2)97质量%、作为导电材料的乙炔黑1.5质量%、和作为粘结材料的聚偏二氟乙烯(PVdF)1.5质量%在N-甲基吡咯烷酮溶剂中进行混合,使其浆料化。将其均匀涂布到厚度为15μm的铝箔的两面并进行干燥,之后进行压制,制成正极。
[负极的制作]
加入作为负极活性物质的天然石墨粉末、作为增稠剂的羧甲基纤维素钠的水性分散体(羧甲基纤维素钠的浓度1质量%)、作为粘结材料的丁苯橡胶的水性分散体(丁苯橡胶的浓度50质量%),用分散器进行混合,使其浆料化。将该浆料均匀涂布到厚度为10μm的铜箔的单面并进行干燥,之后进行压制,制成负极。需要说明的是,按照在干燥后的负极中天然石墨:羧甲基纤维素钠:丁苯橡胶=98:1:1的质量比的方式进行了制作。
[二次电池的制作]
将上述的正极、负极以及聚丙烯制的隔板按照负极、隔板、正极、隔板、负极的顺序进行层积,制作了电池元件。将该电池元件插入由铝(厚度40μm)的两面被覆有树脂层的层积膜构成的袋内,并使正极和负极的端子突出设置,然后,将非水系电解液注入袋内,进行真空封装,制作了片状的非水系电解液二次电池。
[初期的电池特性评价]
用玻璃板夹持非水系电解液二次电池并进行加压,在该状态下于25℃以相当于0.05C的电流进行恒流充电6小时后,以0.2C进行恒流放电至3.0V。此外,以相当于0.2C的电流进行恒流-恒压充电(也称为“CC-CV充电”)(0.05C截止)至4.1V后,以0.2C的恒流放电至3.0V。接下来,以0.2C进行CC-CV充电(0.05C截止)至4.4V后,以0.2C再次放电至3.0V,使初期的电池特性稳定。其后,以0.2C进行CC-CV充电(0.05C截止)至4.4V后,以0.5C放电至3.0V,求出此时的放电容量相对于充电容量的比例,将其作为初期0.5C效率(%)。
此处,1C表示将电池的基准容量用1小时放电的电流值,例如,0.2C表示其1/5的电流值。
[高温保存耐久试验]
对于初期的电池特性评价后的非水系电解液二次电池,在25℃以0.2C进行CC-CV充电(0.05C截止)至4.4V后,在85℃、1天的条件下进行高温保存。使电池充分冷却后,在25℃以0.2C放电至3.0V。
[高温保存耐久试验后的电池特性评价]
对于高温保存耐久试验后的非水系电解液二次电池,在25℃以0.2C的恒流进行CC-CV充电(0.05C截止)至4.4V后,以0.05C再次放电至3.0V,求出此时的放电容量相对于充电容量的比例,将其作为恢复0.05C效率(%)。
使用上述制作的非水系电解液二次电池,实施初期的电池特性评价、高温保存耐久试验和高温保存耐久试验后的电池特性评价。将评价结果以将比较例10-1设为100.0%时的相对值的形式列于表10。以下也相同。
[比较例10-1]
在实施例10-1的电解液中,使用不含化合物(2-1)和MP5的电解液,除此以外与实施例10-1同样地制作非水系电解液二次电池,实施了上述评价。
[比较例10-2]
在实施例10-1的电解液中,使用不含MP5的电解液,除此以外与实施例10-1同样地制作非水系电解液二次电池,实施了上述评价。
[比较例10-3]
在实施例10-1的电解液中,使用不含化合物(2-1)的电解液,除此以外与实施例10-1同样地制作非水系电解液二次电池,实施了上述评价。
【表10】
由表10可知,若使用本发明的实施例10-1的非水系电解液,与未同时添加式(2)的酯和具有氰基的有机化合物的情况(比较例10-1)相比,初期0.5C效率无降低,且高温保存耐久试验后的恢复0.05C效率也优异。即,可以提供初期的电池特性和高温保存耐久试验后的电池特性优异的电池。
需要说明的是,在单独使用式(2)的酯的情况下(比较例10-2)、初期0.5C效率与比较例10-1相比也降低。此外,恢复0.05C效率与比较例10-1相比也降低。由此可知,使用本发明的电解液的电池的特性优异。
另外,在单独使用具有氰基的有机化合物的情况下(比较例10-3),初期0.5C效率与比较例10-1相比也降低。此外,恢复0.05C效率与比较例10-1相比也提高,但其改善效果小,比实施例10-1差。由此可知,使用本发明的电解液的电池的特性优异。
由此可以确认,通过同时使用式(2)的酯和具有氰基的有机化合物,利用其协同效应可特异性地改善电池特性。
<实施例11-1和比较例11-1~11-3>
[实施例11-1]
[非水系电解液的制备]
在干燥氩气气氛下,在由碳酸亚乙酯(EC)、碳酸甲乙酯(EMC)和碳酸二乙酯(DEC)构成的混合溶剂(混合体积比3:4:3)中,以1.2mol/L的比例溶解作为电解质的LiPF6,制成基本电解液。此外,对于该基本电解液,添加0.5质量%的化合物(2-1)和0.5质量%的六甲基二硅烷(也称为“MP6”)作为添加剂,制备了实施例11-1的非水系电解液。
[正极的制作]
利用分散器将作为正极活性物质的钴酸锂(LiCoO2)97质量%、作为导电材料的乙炔黑1.5质量%、和作为粘结材料的聚偏二氟乙烯(PVdF)1.5质量%在N-甲基吡咯烷酮溶剂中进行混合,使其浆料化。将其均匀涂布到厚度为15μm的铝箔的两面并进行干燥,之后进行压制,制成正极。
[负极的制作]
加入作为负极活性物质的天然石墨粉末、作为增稠剂的羧甲基纤维素钠的水性分散体(羧甲基纤维素钠的浓度1质量%)、作为粘结材料的丁苯橡胶的水性分散体(丁苯橡胶的浓度50质量%),用分散器进行混合,使其浆料化。将该浆料均匀涂布到厚度为10μm的铜箔的单面并进行干燥,之后进行压制,制成负极。需要说明的是,按照在干燥后的负极中天然石墨:羧甲基纤维素钠:丁苯橡胶=98:1:1的质量比的方式进行了制作。
[二次电池的制作]
将上述的正极、负极以及聚丙烯制的隔板按照负极、隔板、正极、隔板、负极的顺序进行层积,制作了电池元件。将该电池元件插入由铝(厚度40μm)的两面被覆有树脂层的层积膜构成的袋内,并使正极和负极的端子突出设置,然后,将非水系电解液注入袋内,进行真空封装,制作了片状的非水系电解液二次电池。
[初期的电池特性评价]
用玻璃板夹持非水系电解液二次电池并进行加压,在该状态下于25℃以相当于0.05C的电流进行恒流充电6小时后,以0.2C进行恒流放电至3.0V。此外,以相当于0.2C的电流进行恒流-恒压充电(也称为“CC-CV充电”)(0.05C截止)至4.1V后,以0.2C的恒流放电至3.0V。接下来,以0.2C进行CC-CV充电(0.05C截止)至4.4V后,以0.2C再次放电至3.0V,使初期的电池特性稳定。其后,以0.2C进行CC-CV充电(0.05C截止)至4.4V后,以1C放电至3.0V,将其作为初期1C容量。
此处,1C表示将电池的基准容量用1小时放电的电流值,例如,0.2C表示其1/5的电流值。
[高温保存耐久试验]
对于初期的电池特性评价后的非水系电解液二次电池,在25℃以0.2C进行CC-CV充电(0.05C截止)至4.4V后,在85℃、1天的条件下进行高温保存。使电池充分冷却后,在25℃以0.2C放电至3.0V。
[高温保存耐久试验后的电池特性评价]
对于高温保存耐久试验后的非水系电解液二次电池,在25℃以0.2C的恒流进行CC-CV充电(0.05C截止)至4.4V后,以0.05C再次放电至3.0V,将其作为恢复0.05C容量。另外,求出此时的放电容量相对于充电容量的比例,将其作为恢复0.05C效率(%)。
使用上述制作的非水系电解液二次电池,实施初期的电池特性评价、高温保存耐久试验和高温保存耐久试验后的电池特性评价。将评价结果以将比较例11-1设为100.0%时的相对值的形式列于表11。以下也相同。
[比较例11-1]
在实施例11-1的电解液中,使用不含化合物(2-1)和MP6的电解液,除此以外与实施例11-1同样地制作非水系电解液二次电池,实施了上述评价。
[比较例11-2]
在实施例11-1的电解液中,使用不含MP6的电解液,除此以外与实施例11-1同样地制作非水系电解液二次电池,实施了上述评价。
[比较例11-3]
在实施例11-1的电解液中,使用不含化合物(2-1)的电解液,除此以外与实施例11-1同样地制作非水系电解液二次电池,实施了上述评价。
【表11】
由表11可知,若使用本发明的实施例11-1的非水系电解液,与未同时添加式(2)的酯和含硅化合物的情况(比较例11-1)相比,初期1C容量优异,且高温保存耐久试验后的恢复0.05容量和恢复0.05C效率也优异。即,可以提供初期的电池特性和高温保存耐久试验后的电池特性优异的电池。
需要说明的是,在单独使用式(2)的酯的情况下(比较例11-2),初期1C容量与比较例11-1相比也提高,但其改善效果小,比实施例11-1差。此外,恢复0.05C容量与比较例11-1相比也提高,但比实施例11-1差。另外,恢复0.05C效率与比较例11-1相比也降低。由此可知,使用本发明的电解液的电池的特性优异。
另外,在单独使用含硅化合物的情况下(比较例11-3),初期1C容量与比较例11-1相比也提高,但其改善效果小,比实施例11-1差。此外,恢复0.05C容量与比较例11-1相比也降低。另外,恢复0.05C效率与比较例11-1相比也提高,但其改善效果小,比实施例11-1差。由此可知,使用本发明的电解液的电池的特性优异。
由此可以确认,通过同时使用式(2)的酯和含硅化合物,利用其协同效应可特异性地改善电池特性。
<实施例12-1和比较例12-1~12-3>
[实施例12-1]
[非水系电解液的制备]
在干燥氩气气氛下,在由碳酸亚乙酯(EC)、碳酸甲乙酯(EMC)和碳酸二乙酯(DEC)构成的混合溶剂(混合体积比3:4:3)中,以1.2mol/L的比例溶解作为电解质的LiPF6,制成基本电解液。此外,对于该基本电解液,添加0.5质量%的化合物(2-1)和0.5质量%的四氟硼酸锂(也称为“MP7”)作为添加剂,制备了实施例12-1的非水系电解液。
[正极的制作]
利用分散器将作为正极活性物质的钴酸锂(LiCoO2)97质量%、作为导电材料的乙炔黑1.5质量%、和作为粘结材料的聚偏二氟乙烯(PVdF)1.5质量%在N-甲基吡咯烷酮溶剂中进行混合,使其浆料化。将其均匀涂布到厚度为15μm的铝箔的两面并进行干燥,之后进行压制,制成正极。
[负极的制作]
加入作为负极活性物质的天然石墨粉末、作为增稠剂的羧甲基纤维素钠的水性分散体(羧甲基纤维素钠的浓度1质量%)、作为粘结材料的丁苯橡胶的水性分散体(丁苯橡胶的浓度50质量%),用分散器进行混合,使其浆料化。将该浆料均匀涂布到厚度为10μm的铜箔的单面并进行干燥,之后进行压制,制成负极。需要说明的是,按照在干燥后的负极中天然石墨:羧甲基纤维素钠:丁苯橡胶=98:1:1的质量比的方式进行了制作。
[二次电池的制作]
将上述的正极、负极以及聚丙烯制的隔板按照负极、隔板、正极、隔板、负极的顺序进行层积,制作了电池元件。将该电池元件插入由铝(厚度40μm)的两面被覆有树脂层的层积膜构成的袋内,并使正极和负极的端子突出设置,然后,将非水系电解液注入袋内,进行真空封装,制作了片状的非水系电解液二次电池。
[初期的电池特性评价]
用玻璃板夹持非水系电解液二次电池并进行加压,在该状态下于25℃以相当于0.05C的电流进行恒流充电6小时后,以0.2C进行恒流放电至3.0V。此外,以相当于0.2C的电流进行恒流-恒压充电(也称为“CC-CV充电”)(0.05C截止)至4.1V后,以0.2C的恒流放电至3.0V。接下来,以0.2C进行CC-CV充电(0.05C截止)至4.4V后,以0.2C再次放电至3.0V,使初期的电池特性稳定。其后,以0.2C进行CC-CV充电(0.05C截止)至4.40V后,以1C放电至3.0V,将其作为初期1C容量。
此处,1C表示将电池的基准容量用1小时放电的电流值,例如,0.2C表示其1/5的电流值。
[高温保存耐久试验]
对于初期的电池特性评价后的非水系电解液二次电池,在25℃以0.2C进行CC-CV充电(0.05C截止)至4.4V后,在85℃、1天的条件下进行高温保存。使电池充分冷却后,在25℃以0.2C放电至3.0V。
[高温保存耐久试验后的电池特性评价]
对于高温保存耐久试验后的非水系电解液二次电池,在25℃以0.2C的恒流进行CC-CV充电(0.05C截止)至4.4V后,以0.2C再次放电至3.0V,求出此时的放电容量相对于充电容量的比例,将其作为恢复0.2C效率(%)。
[高温保存耐久试验后的过充电特性评价]
对于高温保存耐久试验后的电池特性评价后的非水系电解液二次电池,在25℃以0.2C的恒流进行CC-CV充电(0.05C截止)至4.4V。其后,在45℃以0.2C进行基于恒流的过充电至5.0V。其后,测定充分冷却的电池的开路电压(OCV),将其作为过充电后OCV。
需要说明的是,过充电试验后的电池的OCV主要反映了正极的电位。即,若过充电时后的OCV低,则表示为正极的充电深度低的状态。通常,若正极的充电深度变深,则会发生从正极的金属溶出及氧释放,成为电池的热失控的起点。由此,通过降低过充电后的OCV,可以确保过充电时的电池安全性。
使用上述制作的非水系电解液二次电池,实施初期的电池特性评价、高温保存耐久试验、高温保存耐久试验后的电池特性评价和高温保存耐久试验后的过充电特性评价。将评价结果以将比较例12-1设为100.0%时的相对值的形式列于表12。需要说明的是,过充电后OCV用与比较例12-1的差来表示。以下也相同。
[比较例12-1]
在实施例12-1的电解液中,使用不含化合物(2-1)和MP7的电解液,除此以外与实施例12-1同样地制作非水系电解液二次电池,实施了上述评价。
[比较例12-2]
在实施例12-1的电解液中,使用不含MP7的电解液,除此以外与实施例12-1同样地制作非水系电解液二次电池,实施了上述评价。
[比较例12-3]
在实施例12-1的电解液中,使用不含化合物(2-1)的电解液,除此以外与实施例12-1同样地制作非水系电解液二次电池,实施了上述评价。
【表12】
由表12可知,若使用本发明的实施例12-1的非水系电解液,与未同时添加式(2)的酯和硼酸盐的情况(比较例12-1)相比,初期1C容量优异,且高温保存耐久试验后的恢复0.2C效率优异。另外,高温保存耐久试验后的过充电后OCV与比较例12-1相比低,因而安全性更优异。即,可以提供初期的电池特性和高温保存耐久试验后的电池特性和安全性优异的电池。
需要说明的是,在单独使用式(2)的酯的情况下(比较例12-2),初期1C容量与比较例12-1相比也提高,但其改善效果小,比实施例12-1差。此外,过充电后OCV与比较例12-1相比也降低,但比实施例12-1差。由此可知,使用本发明的电解液的电池的特性优异。
另外,在单独使用硼酸盐的情况下(比较例12-3),初期1C容量与比较例12-1相比也提高,但其改善效果小,比实施例12-1差。此外,恢复0.2C效率与比较例12-1相比也降低。另外,过充电后OCV与比较例12-1相比也降低,但比实施例12-1差。由此可知,使用本发明的电解液的电池的特性优异。
由此可以确认,通过同时使用式(2)的酯和硼酸盐,利用其协同效应可特异性地改善电池特性。
<实施例13-1和比较例13-1~13-3>
[实施例13-1]
[非水系电解液的制备]
在干燥氩气气氛下,在由碳酸亚乙酯(EC)、碳酸甲乙酯(EMC)和碳酸二甲酯(DMC)构成的混合溶剂(混合体积比3:4:3)中,以1.0mol/L的比例溶解作为电解质的LiPF6,制成基本电解液。此外,对于该基本电解液,添加0.5质量%的化合物(2-1)和0.5质量%的1,3-丙烷磺内酯(也称为“MP8”)作为添加剂,制备了实施例13-1的非水系电解液。
[正极的制作]
利用分散器将作为正极活性物质的钴酸锂(LiCoO2)97质量%、作为导电材料的乙炔黑1.5质量%、和作为粘结材料的聚偏二氟乙烯(PVdF)1.5质量%在N-甲基吡咯烷酮溶剂中进行混合,使其浆料化。将其均匀涂布到厚度为15μm的铝箔的两面并进行干燥,之后进行压制,制成正极。
[负极的制作]
加入作为负极活性物质的天然石墨粉末、作为增稠剂的羧甲基纤维素钠的水性分散体(羧甲基纤维素钠的浓度1质量%)、作为粘结材料的丁苯橡胶的水性分散体(丁苯橡胶的浓度50质量%),用分散器进行混合,使其浆料化。将该浆料均匀涂布到厚度为10μm的铜箔的单面并进行干燥,之后进行压制,制成负极。需要说明的是,按照在干燥后的负极中天然石墨:羧甲基纤维素钠:丁苯橡胶=98:1:1的质量比的方式进行了制作。
[二次电池的制作]
将上述的正极、负极以及聚丙烯制的隔板按照负极、隔板、正极、隔板、负极的顺序进行层积,制作了电池元件。将该电池元件插入由铝(厚度40μm)的两面被覆有树脂层的层积膜构成的袋内,并使正极和负极的端子突出设置,然后,将非水系电解液注入袋内,进行真空封装,制作了片状的非水系电解液二次电池。
[初期的电池特性评价]
用玻璃板夹持非水系电解液二次电池并进行加压,在该状态下于25℃以相当于0.05C的电流进行恒流充电6小时后,以0.2C进行恒流放电至3.0V。此外,以相当于0.2C的电流进行恒流-恒压充电(也称为“CC-CV充电”)(0.05C截止)至4.1V后,以0.2C的恒流放电至3.0V。接下来,以0.2C进行CC-CV充电(0.05C截止)至4.2V后,以0.2C再次放电至3.0V,使初期的电池特性稳定。其后,以0.2C进行CC-CV充电(0.05C截止)至4.2V后,以0.2C放电至3.0V,求出此时的放电容量相对于充电容量的比例,将其作为初期0.2C效率(%)。
此处,1C表示将电池的基准容量用1小时放电的电流值,例如,0.2C表示其1/5的电流值。
[高温保存耐久试验]
对于初期的电池特性评价后的非水系电解液二次电池,在25℃以0.2C进行CC-CV充电(0.05C截止)至4.2V后,在85℃、1天的条件下进行高温保存。使电池充分冷却后,在25℃以0.2C放电至3.0V。
[高温保存耐久试验后的过充电特性评价]
对于高温保存耐久试验后的非水系电解液二次电池,在25℃以0.2C的恒流进行CC-CV充电(0.05C截止)至4.2V后,浸渍于乙醇浴中,由此时的浮力求出过充电前电池体积(阿基米德的原理)。其后,在45℃以0.5C进行基于恒流的过充电至5.0V。将充分冷却的电池浸渍到乙醇浴中并测定体积,将与过充电前电池体积的变化量作为过充电气体量。
需要说明的是,过充电气体量越多,在因过充电等异常而使内压异常上升时感知该情况并使安全阀工作的电池中,可以越早地使安全阀工作。其结果,可以确保过充电时的电池安全性。
使用上述制作的非水系电解液二次电池,实施初期的电池特性评价、高温保存耐久试验和高温保存耐久试验后的过充电特性评价。将评价结果以将比较例13-1设为100.0%时的相对值的形式列于表13。以下也相同。
[比较例13-1]
在实施例13-1的电解液中,使用不含化合物(2-1)和MP8的电解液,除此以外与实施例13-1同样地制作非水系电解液二次电池,实施了上述评价。
[比较例13-2]
在实施例13-1的电解液中,使用不含MP8的电解液,除此以外与实施例13-1同样地制作非水系电解液二次电池,实施了上述评价。
[比较例13-3]
在实施例13-1的电解液中,使用不含化合物(2-1)的电解液,除此以外与实施例13-1同样地制作非水系电解液二次电池,实施了上述评价。
【表13】
由表13可知,若使用本发明的实施例13-1的非水系电解液,与未同时添加式(2)的酯和含硫有机化合物的情况(比较例13-1)相比,初期0.2C效率优异,且高温保存耐久试验后的过充电气体量多。即,可以提供初期的电池特性和高温保存耐久试验后的过充电特性评价优异的电池。
需要说明的是,在单独使用式(2)的酯的情况下(比较例13-2),初期0.2C效率与比较例13-1相比无变化。此外,过充电气体量与比较例13-1相比也增加,但其改善效果小,比实施例13-1差。由此可知,使用本发明的电解液的电池的特性优异。
另外,含硫有机化合物在单独使用的情况下(比较例13-3),初期0.2C效率与比较例13-1相比也增加,但其改善效果小,比实施例13-1差。此外,过充电气体量与比较例13-1相比也增加,但其改善效果小,比实施例13-1差。由此可知,使用本发明的电解液的电池的特性优异。
由此可以确认,通过同时使用式(2)的酯和含硫有机化合物,利用其协同效应可特异性地改善电池特性。
<实施例14-1和比较例14-1~14-6>
[实施例14-1]
[非水系电解液的制备]
在干燥氩气气氛下,在由碳酸亚乙酯(EC)、碳酸甲乙酯(EMC)和碳酸二甲酯(DMC)构成的混合溶剂(混合体积比3:4:3)中,以1.0mol/L的比例溶解作为电解质的LiPF6,制成基本电解液。此外,对于该基本电解液,添加0.5质量%的化合物(2-1)和0.5质量%的丙酸乙酯(也称为“MP9”)作为添加剂,制备了实施例14-1的非水系电解液。
[正极的制作]
利用分散器将作为正极活性物质的钴酸锂(LiCoO2)97质量%、作为导电材料的乙炔黑1.5质量%、和作为粘结材料的聚偏二氟乙烯(PVdF)1.5质量%在N-甲基吡咯烷酮溶剂中进行混合,使其浆料化。将其均匀涂布到厚度为15μm的铝箔的两面并进行干燥,之后进行压制,制成正极。
[负极的制作]
加入作为负极活性物质的天然石墨粉末、作为增稠剂的羧甲基纤维素钠的水性分散体(羧甲基纤维素钠的浓度1质量%)、作为粘结材料的丁苯橡胶的水性分散体(丁苯橡胶的浓度50质量%),用分散器进行混合,使其浆料化。将该浆料均匀涂布到厚度为10μm的铜箔的单面并进行干燥,之后进行压制,制成负极。需要说明的是,按照在干燥后的负极中天然石墨:羧甲基纤维素钠:丁苯橡胶=98:1:1的质量比的方式进行了制作。
[二次电池的制作]
将上述的正极、负极以及聚丙烯制的隔板按照负极、隔板、正极、隔板、负极的顺序进行层积,制作了电池元件。将该电池元件插入由铝(厚度40μm)的两面被覆有树脂层的层积膜构成的袋内,并使正极和负极的端子突出设置,然后,将非水系电解液注入袋内,进行真空封装,制作了片状的非水系电解液二次电池。
[初期的电池特性评价]
用玻璃板夹持非水系电解液二次电池并进行加压,在该状态下于25℃以相当于0.05C的电流进行恒流充电6小时后,以0.2C进行恒流放电至3.0V。此外,以相当于0.2C的电流进行恒流-恒压充电(也称为“CC-CV充电”)(0.05C截止)至4.1V后,以0.2C的恒流放电至3.0V,使初期的电池特性稳定。其后,以0.2C进行CC-CV充电(0.05C截止)至4.4V后,以0.2C放电至3.0V,将其作为初期0.2C容量。
此处,1C表示将电池的基准容量用1小时放电的电流值,例如,0.2C表示其1/5的电流值。
[高温保存耐久试验]
对于初期的电池特性评价后的非水系电解液二次电池,在25℃以0.2C进行CC-CV充电(0.05C截止)至4.4V后,在85℃、1天的条件下进行高温保存。使电池充分冷却后,在25℃以0.2C放电至3.0V。
[高温保存耐久试验后的过充电特性评价]
对于高温保存耐久试验后的非水系电解液二次电池,在25℃以0.2C的恒流进行CC-CV充电(0.05C截止)至4.2V后,浸渍于乙醇浴中,由此时的浮力求出过充电前电池体积(阿基米德的原理)。其后,在45℃以0.5C进行基于恒流的过充电至5.0V。将充分冷却的电池浸渍到乙醇浴中并测定体积,将与过充电前电池体积的变化量作为过充电气体量。
需要说明的是,过充电气体量越多,在因过充电等异常而使内压异常上升时感知该情况并使安全阀工作的电池中,可以越早地使安全阀工作。其结果,可以确保过充电时的电池安全性。
使用上述制作的非水系电解液二次电池,实施初期的电池特性评价、高温保存耐久试验和高温保存耐久试验后的过充电特性评价。将评价结果以将比较例9-1设为100.0%时的相对值的形式列于表9。以下也相同。
[实施例14-2]
在实施例14-1的电解液中,使用代替MP9而添加了0.5质量%的丙酸正丙酯(也称为“MP9’”)的电解液,除此以外与实施例14-1同样地制作非水系电解液二次电池,实施了上述评价。
[比较例14-1]
在实施例14-1的电解液中,使用不含化合物(2-1)和MP9的电解液,除此以外与实施例14-1同样地制作非水系电解液二次电池,实施了上述评价。
[比较例14-2]
在实施例14-1的电解液中,使用不含MP9的电解液,除此以外与实施例14-1同样地制作非水系电解液二次电池,实施了上述评价。
[比较例14-3]
在实施例14-1的电解液中,使用不含化合物(2-1)的电解液,除此以外与实施例14-1同样地制作非水系电解液二次电池,实施了上述评价。
[比较例14-4]
在实施例14-2的电解液中,使用不含化合物(2-1)的电解液,除此以外与实施例14-2同样地制作非水系电解液二次电池,实施了上述评价。
[比较例14-5]
在实施例14-1的电解液中,使用代替MP9而添加了0.5质量%的丙酸甲酯(也称为“MP”)的电解液,除此以外与实施例9-1同样地制作非水系电解液二次电池,实施了上述评价。
[比较例14-6]
在比较例14-5的电解液中,使用不含化合物(2-1)的电解液,除此以外与比较例14-5同样地制作非水系电解液二次电池,实施了上述评价。
【表14】
由表14可知,若使用本发明的实施例14-1~14-2的非水系电解液,与未同时添加式(2)所表示的芳香族羧酸酯和式(3)所表示的羧酸酯的情况(比较例14-1)相比,初期0.2C容量优异,且高温保存耐久试验后的过充电气体量多。即,可以提供初期的电池特性和高温保存耐久试验后的过充电特性评价优异的电池。
需要说明的是,在单独使用式(1)所表示的芳香族羧酸酯的情况下(比较例14-2),初期0.2C容量与比较例14-1相比也降低。此外,过充电气体量与比较例14-1相比也增加,但其改善效果小,比实施例14-1~14-2差。由此可知,使用本发明的电解液的电池的特性优异。
另外,在单独使用式(3)所表示的羧酸酯的情况下(比较例14-3~14-4),过充电气体量与比较例14-1相比也减少,与实施例14-1相比明显差。由此可知,使用本发明的电解液的电池的特性优异。
需要说明的是,在未同时添加包含于式(3)所表示的羧酸酯的范围内的芳香族化合物和式(1)所表示的芳香族羧酸酯的情况下(比较例14-5),初期0.2C容量与比较例14-1相比也减少,与实施例14-1~14-2相比明显差。由此可知,使用本发明的电解液的电池的特性优异。
由此可以确认,通过同时使用式(1)所表示的芳香族羧酸酯和式(3)所表示的羧酸酯,利用其协同效应可特异性地改善电池特性。
<实施例15-1和比较例15-1~15-3>
[实施例15-1]
[非水系电解液的制备]
在干燥氩气气氛下,在由碳酸亚乙酯(EC)、碳酸甲乙酯(EMC)和碳酸二甲酯(DMC)构成的混合溶剂(混合体积比3:4:3)中,以1.0mol/L的比例溶解作为电解质的LiPF6,制成基本电解液。此外,对于该基本电解液,添加0.5质量%的化合物(2-1)和0.5质量%的二氟磷酸锂(也称为“MP10”)作为添加剂,制备了实施例15-1的非水系电解液。
[正极的制作]
利用分散器将作为正极活性物质的钴酸锂(LiCoO2)97质量%、作为导电材料的乙炔黑1.5质量%、和作为粘结材料的聚偏二氟乙烯(PVdF)1.5质量%在N-甲基吡咯烷酮溶剂中进行混合,使其浆料化。将其均匀涂布到厚度为15μm的铝箔的两面并进行干燥,之后进行压制,制成正极。
[负极的制作]
加入作为负极活性物质的天然石墨粉末、作为增稠剂的羧甲基纤维素钠的水性分散体(羧甲基纤维素钠的浓度1质量%)、作为粘结材料的丁苯橡胶的水性分散体(丁苯橡胶的浓度50质量%),用分散器进行混合,使其浆料化。将该浆料均匀涂布到厚度为10μm的铜箔的单面并进行干燥,之后进行压制,制成负极。需要说明的是,按照在干燥后的负极中天然石墨:羧甲基纤维素钠:丁苯橡胶=98:1:1的质量比的方式进行了制作。
[二次电池的制作]
将上述的正极、负极以及聚丙烯制的隔板按照负极、隔板、正极、隔板、负极的顺序进行层积,制作了电池元件。将该电池元件插入由铝(厚度40μm)的两面被覆有树脂层的层积膜构成的袋内,并使正极和负极的端子突出设置,然后,将非水系电解液注入袋内,进行真空封装,制作了片状的非水系电解液二次电池。
[初期的电池特性评价]
将非水系电解液二次电池浸渍到乙醇浴中,由此时的浮力求出初期电池体积(阿基米德的原理)。其后,用玻璃板夹持并进行加压,在该状态下于25℃以相当于0.05C的电流进行恒流充电6小时后,以0.2C进行恒流放电至3.0V。此外,以相当于0.2C的电流进行恒流-恒压充电(也称为“CC-CV充电”)(0.05C截止)至4.1V后,以0.2C的恒流放电至3.0V。接下来,以0.2C进行CC-CV充电(0.05C截止)至4.2V后,以0.2C再次放电至3.0V,使初期的电池特性稳定。其后,以0.2C进行CC-CV充电(0.05C截止)至4.2V后,将非水系电解液二次电池浸渍到乙醇浴中并测定体积,将与初期电池体积的变化量作为初期气体量。
此处,1C表示将电池的基准容量用1小时放电的电流值,例如,0.2C表示其1/5的电流值。
[高温保存耐久试验]
对于初期的电池特性评价后的非水系电解液二次电池,在25℃以0.2C进行CC-CV充电(0.05C截止)至4.2V后,在85℃、1天的条件下进行高温保存。使电池充分冷却后,在25℃以0.2C放电至3.0V。
[高温保存耐久试验后的过充电特性评价]
对于高温保存耐久试验后的非水系电解液二次电池,在25℃以0.2C的恒流进行CC-CV充电(0.05C截止)至4.2V后,浸渍于乙醇浴中,由此时的浮力求出过充电前电池体积(阿基米德的原理)。其后,在45℃以0.5C进行基于恒流的过充电至5.0V。将充分冷却的电池浸渍到乙醇浴中并测定体积,将与过充电前电池体积的变化量作为过充电气体量。
需要说明的是,过充电气体量越多,在因过充电等异常而使内压异常上升时感知该情况并使安全阀工作的电池中,可以越早地使安全阀工作。其结果,可以确保过充电时的电池安全性。
使用上述制作的非水系电解液二次电池,实施初期的电池特性评价、高温保存耐久试验和高温保存耐久试验后的过充电特性评价。将评价结果以将比较例15-1设为100.0%时的相对值的形式列于表15。以下也相同。
[比较例15-1]
在实施例15-1的电解液中,使用不含化合物(2-1)和MP10的电解液,除此以外与实施例15-1同样地制作非水系电解液二次电池,实施了上述评价。
[比较例15-2]
在实施例15-1的电解液中,使用不含MP10的电解液,除此以外与实施例15-1同样地制作非水系电解液二次电池,实施了上述评价。
[比较例15-3]
在实施例15-1的电解液中,使用不含化合物(2-1)的电解液,除此以外与实施例15-1同样地制作非水系电解液二次电池,实施了上述评价
【表15】
由表15可知,若使用本发明的实施例15-1的非水系电解液,与未同时添加式(2)的酯和二氟磷酸锂的情况(比较例15-1)相比,初期气体量少,且高温保存耐久试验后的过充电气体量多。即,可以提供初期的电池特性和高温保存耐久试验后的过充电特性评价优异的电池。
需要说明的是,在单独使用式(2)的酯的情况下(比较例15-2),初期气体量与比较例15-1相比也增加。此外,过充电气体量与比较例15-1相比也增加,但其改善效果小,比实施例15-1差。由此可知,使用本发明的电解液的电池的特性优异。
另外,在单独使用二氟磷酸锂的情况下(比较例15-3),初期气体量与比较例15-1相比也减少,但其改善效果小,比实施例15-1差。此外,过充电气体量与比较例15-1相比也减少。由此可知,使用本发明的电解液的电池的特性优异。
由此可以确认,通过同时使用式(2)的酯和二氟磷酸锂,利用其协同效应可特异性地改善电池特性。
<实施例16-1和比较例16-1~16-3>
[实施例16-1]
[非水系电解液的制备]
在干燥氩气气氛下,在由碳酸亚乙酯(EC)、碳酸甲乙酯(EMC)和碳酸二甲酯(DMC)构成的混合溶剂(混合体积比3:4:3)中,以1.0mol/L的比例溶解作为电解质的LiPF6,制成基本电解液。此外,对于该基本电解液,添加0.5质量%的化合物(2-1)和0.5质量%的双(草酸)硼酸锂(也称为“MP11”)作为添加剂,制备了实施例16-1的非水系电解液。
[正极的制作]
利用分散器将作为正极活性物质的钴酸锂(LiCoO2)97质量%、作为导电材料的乙炔黑1.5质量%、和作为粘结材料的聚偏二氟乙烯(PVdF)1.5质量%在N-甲基吡咯烷酮溶剂中进行混合,使其浆料化。将其均匀涂布到厚度为15μm的铝箔的两面并进行干燥,之后进行压制,制成正极。
[负极的制作]
加入作为负极活性物质的天然石墨粉末、作为增稠剂的羧甲基纤维素钠的水性分散体(羧甲基纤维素钠的浓度1质量%)、作为粘结材料的丁苯橡胶的水性分散体(丁苯橡胶的浓度50质量%),用分散器进行混合,使其浆料化。将该浆料均匀涂布到厚度为10μm的铜箔的单面并进行干燥,之后进行压制,制成负极。需要说明的是,按照在干燥后的负极中天然石墨:羧甲基纤维素钠:丁苯橡胶=98:1:1的质量比的方式进行了制作。
[二次电池的制作]
将上述的正极、负极以及聚丙烯制的隔板按照负极、隔板、正极、隔板、负极的顺序进行层积,制作了电池元件。将该电池元件插入由铝(厚度40μm)的两面被覆有树脂层的层积膜构成的袋内,并使正极和负极的端子突出设置,然后,将非水系电解液注入袋内,进行真空封装,制作了片状的非水系电解液二次电池。
[初期的电池特性评价]
将非水系电解液二次电池浸渍到乙醇浴中,由此时的浮力求出初期电池体积(阿基米德的原理)。其后,用玻璃板夹持并进行加压,在该状态下于25℃以相当于0.05C的电流进行恒流充电6小时后,以0.2C进行恒流放电至3.0V。此外,以相当于0.2C的电流进行恒流-恒压充电(也称为“CC-CV充电”)(0.05C截止)至4.1V后,以0.2C的恒流放电至3.0V。接下来,以0.2C进行CC-CV充电(0.05C截止)至4.2V后,以0.2C再次放电至3.0V,使初期的电池特性稳定。其后,以0.2C进行CC-CV充电(0.05C截止)至4.2V后,以0.2C放电至3.0V,求出此时的放电容量相对于充电容量的比例,将其作为初期0.2C效率(%)。其后,以0.2C进行CC-CV充电(0.05C截止)至4.4V后,将非水系电解液二次电池浸渍到乙醇浴中并测定体积,将与初期电池体积的变化量作为初期气体量。
此处,1C表示将电池的基准容量用1小时放电的电流值,例如,0.2C表示其1/5的电流值。
[高温保存耐久试验]
对于初期的电池特性评价后的非水系电解液二次电池,在25℃以0.2C进行CC-CV充电(0.05C截止)至4.20V后,在85℃、1天的条件下进行高温保存。使电池充分冷却后,在25℃以0.2C放电至3.0V。
[高温保存耐久试验后的电池特性评价]
对于高温保存耐久试验后的非水系电解液二次电池,在25℃以0.2C的恒流进行CC-CV充电(0.05C截止)至4.2V后,以0.2C再次放电至3.0V,求出此时的放电容量相对于充电容量的比例,将其作为恢复0.2C效率(%)。
使用上述制作的非水系电解液二次电池,实施初期的电池特性评价、高温保存耐久试验和高温保存耐久试验后的电池特性评价。将评价结果以将比较例16-1设为100.0%时的相对值的形式列于表16。以下也相同。
[比较例16-1]
在实施例16-1的电解液中,使用不含化合物(2-1)和MP11的电解液,除此以外与实施例16-1同样地制作非水系电解液二次电池,实施了上述评价。
[比较例16-2]
在实施例16-1的电解液中,使用不含MP11的电解液,除此以外与实施例16-1同样地制作非水系电解液二次电池,实施了上述评价。
[比较例16-3]
在实施例16-1的电解液中,使用不含化合物(2-1)的电解液,除此以外与实施例16-1同样地制作非水系电解液二次电池,实施了上述评价。
【表16】
由表16可知,若使用本发明的实施例16-1的非水系电解液,与未同时添加式(2)的酯和草酸盐的情况(比较例16-1)相比,初期0.2C效率优异,且高温保存耐久试验后的恢复0.2C效率优异。即,可以提供初期的电池特性和高温保存耐久试验后的电池特性评价优异的电池。
需要说明的是,在单独使用式(2)的酯的情况下(比较例16-2),初期0.2C效率与比较例16-1相比无变化。此外,恢复0.2C效率与比较例16-1相比无变化。由此可知,使用本发明的电解液的电池的特性优异。
另外,在单独使用草酸盐的情况下(比较例16-3),初期0.2C效率与比较例16-1相比无变化。此外,恢复0.2C效率与比较例16-1相比无变化。由此可知,使用本发明的电解液的电池的特性优异。
由此可以确认,通过同时使用式(2)的酯和草酸盐,利用其协同效应可特异性地改善电池特性。
<实施例17-1~17-2和比较例17-1~17-4>
[实施例17-1]
[非水系电解液的制备]
在干燥氩气气氛下,在由碳酸亚乙酯(EC)、碳酸甲乙酯(EMC)和碳酸二乙酯(DEC)构成的混合溶剂(混合体积比3:4:3)中,以1.2mol/L的比例溶解作为电解质的LiPF6。并且,溶解作为添加剂的5.0质量%的单氟代碳酸亚乙酯(MP2),制成基本电解液。此外,添加1.0质量%的化合物(2-1),制备了实施例17-1的非水系电解液。
[正极的制作]
利用分散器将作为正极活性物质的钴酸锂(LiCoO2)97质量%、作为导电材料的乙炔黑1.5质量%、和作为粘结材料的聚偏二氟乙烯(PVdF)1.5质量%在N-甲基吡咯烷酮溶剂中进行混合,使其浆料化。将其均匀涂布到厚度为15μm的铝箔的两面并进行干燥,之后进行压制,制成正极。
[负极的制作]
加入作为负极活性物质的天然石墨粉末、作为增稠剂的羧甲基纤维素钠的水性分散体(羧甲基纤维素钠的浓度1质量%)、作为粘结材料的丁苯橡胶的水性分散体(丁苯橡胶的浓度50质量%),用分散器进行混合,使其浆料化。将该浆料均匀涂布到厚度为10μm的铜箔的单面并进行干燥,之后进行压制,制成负极。需要说明的是,按照在干燥后的负极中天然石墨:羧甲基纤维素钠:丁苯橡胶=98:1:1的质量比的方式进行了制作。
[二次电池的制作]
将上述的正极、负极以及聚丙烯制的隔板按照负极、隔板、正极、隔板、负极的顺序进行层积,制作了电池元件。将该电池元件插入由铝(厚度40μm)的两面被覆有树脂层的层积膜构成的袋内,并使正极和负极的端子突出设置,然后,将非水系电解液注入袋内,进行真空封装,制作了片状的非水系电解液二次电池。
[初期的电池特性评价]
用玻璃板夹持非水系电解液二次电池并进行加压,在该状态下于25℃以相当于0.05C的电流进行恒流充电6小时后,以0.2C进行恒流放电至3.0V。此外,以相当于0.2C的电流进行恒流-恒压充电(也称为“CC-CV充电”)(0.05C截止)至4.1V后,在45℃、72小时的条件下进行放置。其后,以0.2C的恒流放电至3.0V。接下来,以0.2C进行CC-CV充电(0.05C截止)至4.35V后,以0.2C再次放电至3.0V,使初期的电池特性稳定。其后,以0.2C进行CC-CV充电(0.05C截止)至4.35V后,以0.2C放电至3.0V,将其作为初期0.2C容量。此外,以0.2C进行CC-CV充电(0.05C截止)至4.35V后,以0.5C放电至3.0V,将其作为初期0.5C容量。并且,求出初期0.5C容量相对于初期0.2C容量的比例,将其作为初期倍率特性(%)。
此处,1C表示将电池的基准容量用1小时放电的电流值,例如,0.2C表示其1/5的电流值。
[高温保存耐久试验]
对于初期的电池特性评价后的非水系电解液二次电池,在25℃以0.2C进行CC-CV充电(0.05C截止)至4.35V后,在60℃、7天的条件下进行高温保存。使电池充分冷却后,在25℃以0.2C放电至3.0V。
[高温保存耐久试验后的电池特性评价]
对于高温保存耐久试验后的非水系电解液二次电池,在25℃以0.2C的恒流进行CC-CV充电(0.05C截止)至4.35V后,以0.2C再次放电至3.0V,将其作为恢复0.2C容量。此外,以0.2C进行CC-CV充电(0.05C截止)至4.35V后,以0.5C放电至3.0V,将其作为恢复0.5C容量。并且,求出恢复0.5C容量相对于恢复0.2C容量的比例,将其作为保存后倍率特性(%)。
使用上述制作的非水系电解液二次电池,实施初期的电池特性评价、高温保存耐久试验和高温保存耐久试验后的电池特性评价。将评价结果以将比较例17-1设为100.0%时的相对值的形式列于表17。以下也相同。
[实施例17-2]
在实施例17-1的电解液中,使用进一步加入了3.0质量%的1-苯基-1,3,3-三甲基茚满(也称为“MP12”)的电解液,除此以外与实施例17-1同样地制作非水系电解液二次电池,实施了上述评价。
[比较例17-1]
在实施例17-1的电解液中,使用不含化合物(2-1)的电解液,除此以外与实施例17-1同样地制作非水系电解液二次电池,实施了上述评价。
[比较例17-2]
在实施例17-2的电解液中,使用不含化合物(2-1)的电解液,除此以外与实施例17-2同样地制作非水系电解液二次电池,实施了上述评价。
[比较例17-3]
在实施例17-1的电解液中,代替化合物(2-1)而使用了1.0质量%的化合物(3-1),除此以外与实施例17-1同样地制作非水系电解液二次电池,实施了上述评价。
[比较例17-4]
在实施例17-2的电解液中,代替化合物(2-1)而使用了1.0质量%的化合物(3-1),除此以外与实施例17-2同样地制作非水系电解液二次电池,实施了上述评价。
【表17】
由表17可知,若使用本发明的实施例17-1的非水系电解液,与单独使用含氟环状碳酸酯的情况(比较例17-1)相比,初期倍率特性优异,且高温保存耐久试验后的保存后倍率特性也优异。即,可以提供初期的电池特性和高温保存耐久试验后的电池特性优异的电池。
此外,若使用本发明的实施例17-2的非水系电解液,与未同时添加式(2)的酯和式(2)以外的芳香族化合物的情况(比较例17-1)相比,初期倍率特性优异,且高温保存耐久试验后的保存后倍率特性也优异。另外,其改善效果也比实施例17-1优异。即,可以提供初期的电池特性和高温保存耐久试验后的电池特性更优异的电池。
需要说明的是,在单独使用式(2)以外的芳香族化合物的情况下(比较例17-2),初期倍率特性与比较例17-1相比也降低。此外,保存后倍率特性与比较例17-1相比也提高,但其改善效果小,比实施例17-2差。由此可知,使用本发明的电解液的电池的特性优异。
另外,在单独使用不包含在式(2)的酯的范围内的芳香族化合物以及与式(2)以外的芳香族化合物同时使用不包含在式(2)的酯的范围内的芳香族化合物的情况下(比较例17-3),初期倍率特性与比较例17-1相比也提高,但保存后的倍率特性降低。由此可知,使用本发明的电解液的电池的特性优异。
由此可以确认,通过同时使用式(2)的酯和式(2)以外的芳香族化合物,利用其协同效应可特异性地改善电池特性。
<实施例18-1和比较例18-1>
[实施例18-1]
[非水系电解液的制备]
在干燥氩气气氛下,在由碳酸亚乙酯(EC)、碳酸甲乙酯(EMC)和碳酸二乙酯(DEC)构成的混合溶剂(混合体积比3:4:3)中,以1.2mol/L的比例溶解作为电解质的LiPF6。并且,溶解作为添加剂的5.0质量%的单氟代碳酸亚乙酯(MP2),制成基本电解液。此外,添加3.0质量%的化合物(2-2),制备了实施例18-1的非水系电解液。
[正极的制作]
利用分散器将作为正极活性物质的钴酸锂(LiCoO2)97质量%、作为导电材料的乙炔黑1.5质量%、和作为粘结材料的聚偏二氟乙烯(PVdF)1.5质量%在N-甲基吡咯烷酮溶剂中进行混合,使其浆料化。将其均匀涂布至厚度为21μm的铝箔的两面并进行干燥,之后进行压制,制成正极。
[负极的制作]
加入作为负极活性物质的天然石墨粉末、作为增稠剂的羧甲基纤维素钠的水性分散体(羧甲基纤维素钠的浓度1质量%)、作为粘结材料的丁苯橡胶的水性分散体(丁苯橡胶的浓度50质量%),用分散器进行混合,使其浆料化。将该浆料均匀涂布至厚度为12μm的铜箔的单面并进行干燥,之后进行压制,制成负极。需要说明的是,按照在干燥后的负极中天然石墨:羧甲基纤维素钠:丁苯橡胶=98:1:1的质量比的方式进行了制作。
[二次电池的制作]
将上述的正极、负极以及聚乙烯制的隔板按照负极、隔板、正极、隔板、负极的顺序进行层积,制作了电池元件。将该电池元件插入由铝(厚度40μm)的两面被覆有树脂层的层积膜构成的袋内,并使正极和负极的端子突出设置,然后,将非水系电解液注入袋内,进行真空封装,制作了片状的非水系电解液二次电池。
[初期的电池特性评价]
用玻璃板夹持非水系电解液二次电池并进行加压,在该状态下于25℃以相当于0.05C的电流进行恒流充电6小时后,以0.2C进行恒流放电至3.0V。此外,以相当于0.2C的电流进行恒流-恒压充电(也称为“CC-CV充电”)(0.05C截止)至4.1V后,在45℃、72小时的条件下进行放置。其后,以0.2C的恒流放电至3.0V。接下来,以0.2C进行CC-CV充电(0.05C截止)至4.35V后,以0.2C再次放电至3.0V,使初期的电池特性稳定。其后,以0.2C进行CC-CV充电(0.05C截止)至4.35V后,以0.2C放电至3.0V,将其作为初期0.2C容量。
此处,1C表示将电池的基准容量用1小时放电的电流值,例如,0.2C表示其1/5的电流值。
[高温保存耐久试验]
对于初期的电池特性评价后的非水系电解液二次电池,在25℃以0.2C进行CC-CV充电(0.05C截止)至4.35V后,浸渍于乙醇浴中,由此时的浮力求出高温保存耐久试验前电池体积(阿基米德的原理)。其后,在60℃、7天的条件下进行高温保存。使电池充分冷却后,浸渍到乙醇浴中并测定体积,由高温保存耐久试验前后的体积变化求出保存气体量。接着,在25℃以0.2C放电至3.0V,测定高温保存耐久试验后残存的容量,求出相对于初期0.2C容量的比例,将其作为残存率(%)。
[高温保存耐久试验后的电池特性评价]
对于高温保存耐久试验后的非水系电解液二次电池,在25℃以0.2C的恒流进行CC-CV充电(0.05C截止)至4.35V后,以0.2C再次放电至3.0V,求出此时的放电容量相对于充电容量的比例,将其作为恢复0.2C效率(%)。
使用上述制作的非水系电解液二次电池,实施初期的电池特性评价、高温保存耐久试验和高温保存耐久试验后的电池特性评价。将评价结果以将比较例18-1设为100.0%时的相对值的形式列于表18。以下也相同。
[比较例18-1]
在实施例18-1的电解液中,使用不含化合物(2-2)的电解液,除此以外与实施例18-1同样地制作非水系电解液二次电池,实施了上述评价。
【表18】
由表18可知,若使用本发明的实施例18-1的非水系电解液,与单独使用含氟环状碳酸酯在的情况(比较例18-1)相比,初期0.2C容量优异,且保存气体量、残存率和高温保存耐久试验后的恢复0.2C效率优异。即,可以提供初期的电池特性和高温保存耐久试验后的电池特性优异的电池。
由此可以确认,通过同时使用式(2)的酯和含氟环状碳酸酯,利用其协同效应可特异性地改善电池特性。
<实施例19-1和比较例19-1>
[实施例19-1]
[非水系电解液的制备]
在干燥氩气气氛下,在由碳酸亚乙酯(EC)、碳酸甲乙酯(EMC)和碳酸二乙酯(DEC)构成的混合溶剂(混合体积比3:4:3)中,以1.2mol/L的比例溶解作为电解质的LiPF6。并且,溶解作为添加剂的5.0质量%的单氟代碳酸亚乙酯(MP2)、2.0质量%的1,3-丙烷磺内酯(MP8)和3.0质量%的己二腈(MP5),制成基本电解液。此外,添加2.0质量%的化合物(2-2),制备了实施例19-1的非水系电解液。
[正极的制作]
利用分散器将作为正极活性物质的钴酸锂(LiCoO2)97质量%、作为导电材料的乙炔黑1.5质量%、和作为粘结材料的聚偏二氟乙烯(PVdF)1.5质量%在N-甲基吡咯烷酮溶剂中进行混合,使其浆料化。将其均匀涂布至厚度为21μm的铝箔的两面并进行干燥,之后进行压制,制成正极。
[负极的制作]
加入作为负极活性物质的天然石墨粉末、作为增稠剂的羧甲基纤维素钠的水性分散体(羧甲基纤维素钠的浓度1质量%)、作为粘结材料的丁苯橡胶的水性分散体(丁苯橡胶的浓度50质量%),用分散器进行混合,使其浆料化。将该浆料均匀涂布至厚度为12μm的铜箔的单面并进行干燥,之后进行压制,制成负极。需要说明的是,按照在干燥后的负极中天然石墨:羧甲基纤维素钠:丁苯橡胶=98:1:1的质量比的方式进行了制作。
[二次电池的制作]
将上述的正极、负极以及聚乙烯制的隔板按照负极、隔板、正极、隔板、负极的顺序进行层积,制作了电池元件。将该电池元件插入由铝(厚度40μm)的两面被覆有树脂层的层积膜构成的袋内,并使正极和负极的端子突出设置,然后,将非水系电解液注入袋内,进行真空封装,制作了片状的非水系电解液二次电池。
[初期的电池特性评价]
用玻璃板夹持非水系电解液二次电池并进行加压,在该状态下于25℃以相当于0.05C的电流进行恒流充电6小时后,以0.2C进行恒流放电至3.0V。此外,以相当于0.2C的电流进行恒流-恒压充电(也称为“CC-CV充电”)(0.05C截止)至4.1V后,在45℃、72小时的条件下进行放置。其后,以0.2C的恒流放电至3V。接下来,以0.2C进行CC-CV充电(0.05C截止)至4.35V后,以0.2C再次放电至3V,使初期的电池特性稳定。其后,以0.2C进行CCCV充电(0.05C截止)至4.35V后,以0.2C放电至3V,将其作为初期0.2C容量。
此处,1C表示将电池的基准容量用1小时放电的电流值,例如,0.2C表示其1/5的电流值。
[高温保存耐久试验]
对于初期的电池特性评价后的非水系电解液二次电池,在25℃以0.2C进行CC-CV充电(0.05C截止)至4.35V后,在60℃、7天的条件下进行高温保存。使电池充分冷却后,在25℃以0.2C放电至3V,测定高温保存耐久试验后残存的容量,求出相对于初期0.2C容量的比例,将其作为残存率(%)。
[高温保存耐久试验后的电池特性评价]
对于高温保存耐久试验后的非水系电解液二次电池,在25℃以0.2C的恒流进行CCCV充电(0.05C截止)至4.35V后,以0.2C再次放电至3V,测定高温保存耐久试验后的电池容量,求出相对于初期0.2C容量的比例,将其作为恢复率(%)。
使用上述制作的非水系电解液二次电池,实施初期的电池特性评价、高温保存耐久试验和高温保存耐久试验后的电池特性评价。将评价结果以将比较例19-1设为100.0%时的相对值的形式列于表19。以下也相同。
[比较例19-1]
在实施例19-1的电解液中,代替化合物(2-2)而使用2.4质量%的化合物(3-1),除此以外与实施例19-1同样地制作非水系电解液二次电池,实施了上述评价。需要说明的是,实施例19-1中添加的化合物(2-2)与比较例19-1中添加的化合物(3-1)为等物质量。
【表19】
由表19可知,若使用本发明的实施例19-1的非水系电解液,与同时使用了不包含在式(2)的酯的范围内的芳香族化合物、含氟环状碳酸酯、含硫有机化合物和具有氰基的有机化合物的情况(比较例19-1)相比,初期0.2C容量优异,且残存率和高温保存耐久试验后的恢复率优异。即,可以提供初期的电池特性和高温保存耐久试验后的电池特性优异的电池。
由此可以确认,通过同时使用式(2)的酯和含氟环状碳酸酯、含硫有机化合物或具有氰基的有机化合物,利用其协同效应可特异性地改善电池特性。
工业实用性
根据本发明,可以提供一种可形成初期的电池特性和耐久试验后的电池特性优异的非水系电解液二次电池的非水系电解液,可以实现非水系电解液二次电池的小型化、高性能化和高安全化。本发明的非水系电解液和非水系电解液二次电池可以用于公知的各种用途。作为具体例,可以举出笔记本电脑、笔输入个人电脑、便携式个人电脑、电子书播放器、移动电话、移动传真机、便携式复印机、便携式打印机、耳机式立体声放音机、摄像机、液晶电视机、手持清洁器、便携式CD、迷你光盘、收发器、电子记事本、计算器、存储卡、便携式录音机、收音机、备用电源、马达、汽车、摩托车、机动脚踏两用车、自行车、照明器具、玩具、游戏装备、钟表、电动工具、闪光灯、照相机、负载均衡化用电源、自然能量储藏电源、锂离子电容器等。

Claims (12)

1.一种非水系电解液,其为具备能够吸藏和释放金属离子的正极和负极的非水系电解液二次电池用的非水系电解液,其特征在于,该非水系电解液在含有电解质和非水溶剂的同时,还含有式(1)所表示的芳香族羧酸酯,
式中,
A1为具有或不具有取代基的芳基,
n1为1以上的整数,
R2和R3独立地是氢原子、卤原子或者具有或不具有取代基的碳原子数为1以上12以下的烃基,它们可以相互键合而形成环,存在2个以上的R2时,它们可以相同也可以不同,存在2个以上的R3时,它们可以相同也可以不同,
a1为1或2的整数,
a1为1时,R1是具有或不具有取代基的碳原子数为1以上12以下的烃基,
a1为2时,R1表示具有或不具有取代基的碳原子数为1以上12以下的烃基,存在2个以上的A1可以相同也可以不同,
其中,n1为1时,R2和R3中的至少一者是具有或不具有取代基的碳原子数为1以上12以下的烃基,
n1为2、且2个以上的R2和2个以上的R3全部为氢原子时,R1是具有或不具有取代基的碳原子数为1以上12以下的脂肪族烃基。
2.如权利要求1所述的非水系电解液,其中,在所述式(1)中,a1为1。
3.如权利要求1或2所述的非水系电解液,其中,在所述式(1)中,A1为苯基。
4.如权利要求1~3中任一项所述的非水系电解液,其中,所述非水系电解液以0.001质量%以上10质量%以下的量含有所述式(1)所表示的芳香族羧酸酯。
5.如权利要求1~4中任一项所述的非水系电解液,其中,所述非水系电解液进一步含有选自由含氟环状碳酸酯、含硫有机化合物、膦酸酯、具有氰基的有机化合物、具有异氰酸酯基的有机化合物、含硅化合物、所述式(1)以外的芳香族化合物、具有碳-碳不饱和键的环状碳酸酯、所述式(1)以外的羧酸酯、具有2个以上醚键的环状化合物、单氟磷酸盐、二氟磷酸盐、硼酸盐、草酸盐和氟磺酸盐组成的组中的至少一种化合物。
6.如权利要求1~5中任一项所述的非水系电解液,其中,所述非水系电解液以0.001质量%以上20质量%以下的量含有选自由含氟环状碳酸酯、含硫有机化合物、膦酸酯、具有氰基的有机化合物、具有异氰酸酯基的有机化合物、含硅化合物、所述式(1)以外的芳香族化合物、具有碳-碳不饱和键的环状碳酸酯、所述式(1)以外的羧酸酯、具有2个以上醚键的环状化合物、单氟磷酸盐、二氟磷酸盐、硼酸盐、草酸盐和氟磺酸盐组成的组中的至少一种化合物。
7.一种非水系电解液,其为具备能够吸藏和释放金属离子的正极和负极的非水系电解液二次电池用的非水系电解液,其特征在于,该非水系电解液在含有电解质和非水溶剂的同时,还含有(I)式(2)所表示的芳香族羧酸酯和(II)选自由含氟环状碳酸酯、含硫有机化合物、膦酸酯、具有氰基的有机化合物、具有异氰酸酯基的有机化合物、含硅化合物、式(2)以外的芳香族化合物、式(3)所表示的羧酸酯、具有2个以上醚键的环状化合物、单氟磷酸盐、二氟磷酸盐、硼酸盐、草酸盐和氟磺酸盐组成的组中的至少一种化合物,
式中,
A2为具有或不具有取代基的芳基,
n2为1或2的整数,
a2为1或2的整数,
a2为1时,R4是氢原子、具有或不具有取代基的碳原子数为1以上12以下的脂肪族烃基或者具有或不具有取代基的芳基,其中,n2为2时,R4是具有或不具有取代基的芳基,
a2为2时,R4是单键、具有或不具有取代基的碳原子数为1以上12以下的脂肪族烃基或者具有或不具有取代基的亚芳基,存在2个以上的A2可以相同也可以不同,其中,n2为2时,R4是具有或不具有取代基的亚芳基,
式中,
R5是碳原子数为1以上4以下的烃基,
R6是乙基、正丙基或正丁基。
8.如权利要求7所述的非水系电解液,其中,在所述式(2)中,a2为1。
9.如权利要求7或8所述的非水系电解液,其中,在所述式(2)中,A2为苯基。
10.如权利要求7~9中任一项所述的非水系电解液,其中,所述非水系电解液以0.001质量%以上10质量%以下的量含有所述式(2)所表示的芳香族羧酸酯。
11.如权利要求7~10中任一项所述的非水系电解液,其中,所述非水系电解液以0.001质量%以上20质量%以下的量含有选自由含氟环状碳酸酯、含硫有机化合物、膦酸酯、具有氰基的有机化合物、具有异氰酸酯基的有机化合物、含硅化合物、所述式(2)以外的芳香族化合物、所述式(3)所表示的羧酸酯、具有2个以上醚键的环状化合物、单氟磷酸盐、二氟磷酸盐、硼酸盐、草酸盐和氟磺酸盐组成的组中的至少一种化合物。
12.一种非水系电解液二次电池,其为具备负极和正极以及非水系电解液的非水系电解液二次电池,所述负极和正极能够吸藏和释放锂离子,所述非水系电解液含有电解质和非水溶剂,其特征在于,该非水系电解液为权利要求1~11中任一项所述的非水系电解液。
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