JP2001148258A - 非水電解液とリチウム二次電池 - Google Patents
非水電解液とリチウム二次電池Info
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Abstract
電流放電時の放電特性並びに高温で長期保存したときの
容量保存特性、高温で保存したときのガス発生量が小さ
いことがバランス良く優れたリチウム二次電池の非水電
解液。 【解決手段】エチレンカーボネート、ビニレンカーボネ
ート、ジメチルカーボネートおよびエチルメチルカーボ
ネートを含む非水溶媒と電解質からなり、エチレンカー
ボネート、ビニレンカーボネート、ジメチルカーボネー
トおよびエチルメチルカーボネートの体積の和を100
体積%としたとき、エチレンカーボネートが5〜30体
積%、ビニレンカーボネートが1〜10体積%、ジメチ
ルカーボネートが5〜30体積%、エチルメチルカーボ
ネートが40〜90体積%、エチレンカーボネートとビ
ニレンカーボネートの体積の和が6〜30体積%、ジメ
チルカーボネートとエチルメチルカーボネートの体積の
和が70〜94体積%。
Description
ウム二次電池に関する。
あるため、携帯電子機器を中心として利用分野がますま
す広がっている。そして、リチウム二次電池の材料は水
分を嫌うため、電解液の溶媒として非プロトン性の有機
溶媒が用いられている。
と比較して伝導度が一桁近く小さいため、イオン伝導度
を向上させる電解液の組成の検討が続けられてきた。ま
た、電池の電解液は、耐酸化性、耐還元性に優れている
こと、電池の使用温度範囲で固体、または気体とならな
いこと、毒性が比較的低いこと等も要求される。
クル中の放電特性、低温時および大電流放電時の放電特
性が良いこと、長期保存したときの容量保存特性が良い
こと、高温で保存したときのガス発生量が小さいことが
望まれ、これらを充足する非水電解液が要求される。
化合物のみからなる非水溶媒を用いるのでは困難であ
り、2種以上の化合物を混合して非水溶媒として用いる
検討がなされている。
炭酸エステル(特開平2−10666号公報)、エチレ
ンカーボネートまたはプロピレンカーボネート+ジエチ
ルカーボネート(特開平2−12777号公報)、環状
炭酸エステル+非環状炭酸エステル(特開平2−172
162号公報、特開平22−172163号公報、特開
平4−171674号公報、特開平5−013088号
公報、特開平5−121097号公報、特開平6−15
0968号公報)、環状炭酸エステル+非対称鎖状炭酸
エステル(特開平6−290809号公報)、プロピレ
ンカーボネート、エチレンカーボネートまたはγ−ブチ
ロラクトン+ジメチルカーボネート(特開平5−217
602号公報)、エチレンカーボネート+低粘度のエス
テルまたはエーテル(特開平8−190933号公
報)、ジメチルカーボネート+メチルエチルカーボネー
ト(特開平7−14607号公報)、エチレンカーボネ
ート+ジメチルカーボネート(米国特許第519262
9号明細書)、エチレンカーボネート+ジメチルカーボ
ネート+ジエチルカーボネート(特開平5−28310
4号公報)、エチレンカーボネート+ジメチルカーボネ
ート+メチルエチルカーボネート(特開平7−4530
4号公報)、ビニレンカーボネート+ジメチルカーボネ
ート(特開平6−52887号公報)、エチレンカーボ
ネート+プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネー
トまたはビニレンカーボネート+ジメチルカーボネート
またはジエチルカーボネート(特開平6−84542号
公報)、ビ二レンカーボネート+メチルエチルカーボネ
ート(特開平11−185806号公報)などが開示さ
れている。
温時および大電流放電時の放電特性が良いこと、長期保
存したときの容量保存特性が良いこと、高温で保存した
ときのガス発生量が小さいことについての要求は必ずし
も実現できておらず、さらにバランス良くこれらの要求
を満たす電解液が求められていた。
電サイクル中の放電特性、低温時および大電流放電時の
放電特性並びに高温で長期保存したときの容量保存特
性、高温で保存したときのガス発生量が小さいこと、が
バランス良く優れた非水電解液およびこれを用いたリチ
ウム二次電池を提供することである。
行った結果、非水電解液の非水溶媒として、エチレンカ
ーボネート、ビニレンカーボネート、ジメチルカーボネ
ート、およびエチルメチルカーボネートをある特定の組
成範囲内に含む非水溶媒を用いることによって、上記課
題を解決できることを見出し、本発明を完成するに至っ
た。
ボネート、ビニレンカーボネート、ジメチルカーボネー
トおよびエチルメチルカーボネートを含む非水溶媒と電
解質からなり、エチレンカーボネート、ビニレンカーボ
ネート、ジメチルカーボネートおよびエチルメチルカー
ボネートの体積の和を100体積%としたとき、エチレ
ンカーボネートが5〜30体積%、ビニレンカーボネー
トが1〜10体積%、ジメチルカーボネートが5〜30
体積%、エチルメチルカーボネートが40〜90体積
%、エチレンカーボネートとビニレンカーボネートの体
積の和が6〜30体積%、ジメチルカーボネートとエチ
ルメチルカーボネートの体積の和が70〜94体積%で
ある非水電解液に関する。また、本発明は、[2]負極に
リチウムのドープ・脱ドープ可能な炭素材料を用い、正
極にリチウムと遷移金属との複合酸化物を用い、電解液
として非水溶媒と電解質からなる非水電解液を用いてな
り、該非水電解液が[1]の非水電解液であるリチウム二
次電池に関する。さらに本発明は、[3]負極にリチウム
のドープ・脱ドープ可能な炭素材料を用い、正極にリチ
ウムと遷移金属との複合酸化物を用い、電解液として非
水溶媒と電解質からなる非水電解液を用い、これら発電
要素を密閉型の電池缶に収納してなり、電池缶に収納す
る前の該非水電解液が、[1]の非水電解液であるリチウ
ム二次電池に関する。
本発明の非水電解液に用いる非水溶媒は、エチレンカー
ボネート、ビニレンカーボネート、ジメチルカーボネー
トおよびエチルメチルカーボネートの体積の和を100
体積%としたとき、エチレンカーボネートが5〜30体
積%、ビニレンカーボネートが1〜10体積%、ジメチ
ルカーボネートが5〜30体積%、エチルメチルカーボ
ネートが40〜90体積%、エチレンカーボネートとビ
ニレンカーボネートの体積の和が6〜30体積%、ジメ
チルカーボネートとエチルメチルカーボネートの体積の
和が70〜94体積%である。好ましくは、エチレンカ
ーボネートが5〜20体積%、ビニレンカーボネートが
1〜7体積%、ジメチルカーボネートが5〜25体積
%、エチルメチルカーボネートが55〜90体積%、エ
チレンカーボネートとビニレンカーボネートの体積の和
が6〜25体積%、ジメチルカーボネートとエチルメチ
ルカーボネートの体積の和が75〜94体積%である。
より好ましくは、エチレンカーボネートが10〜20体
積%、ビニレンカーボネートが2〜7体積%、ジメチル
カーボネートが5〜25体積%、エチルメチルカーボネ
ートが60〜80体積%、エチレンカーボネートとビニ
レンカーボネートの体積の和が12〜25体積%、ジメ
チルカーボネートとエチルメチルカーボネートの体積の
和が75〜88体積%である。
きは、充放電サイクル中の放電特性が良好でなく、30
体積%を超えるときは低温時の放電特性が良好でない。
また、ビニレンカーボネートが1体積%未満のときは、
充放電サイクル中および長期保存したときの容量保存特
性が良好でなく、10体積%を超えるときは、低温時お
よび大電流放電時の放電特性が良好でない。さらに、ジ
メチルカーボネートが5体積%未満のときは大電流放電
時の放電特性が良好でなく、30体積%を超えるときは
高温で保存したときのガス発生量が大きくなる。次い
で、エチルメチルカーボネートが40体積%未満のとき
は、低温時の放電特性が良好でなく、90体積%を超え
るときは、大電流放電時の放電特性が良好でない。
ーボネートの体積の和が6体積%未満のときは、充放電
サイクル中および高温で長期保存したときの容量保存特
性が良好でなく、30体積%を超えるときは、低温時お
よび大電流放電時の放電特性が良好でない。
チルカーボネートの体積の和が70体積%未満のときに
は、低温時および大電流放電時の放電特性が良好でな
く、94体積%を超えるときには、充放電サイクル中お
よび高温で長期保存したときの容量保存特性が良好でな
い。
エチルメチルカーボネート、ビニレンカーボネート、エ
チレンカーボネート、ジメチルカーボネート以外の非水
溶媒を含んでいてもよい。該非水溶媒としては、例え
ば、プロピレンカーボネート等の環状炭酸エステル、ま
たメチルプロピルカーボネート、メチルイソプロピルカ
ーボネート等の非環状炭酸エステル、テトラヒドロフラ
ン等の環状エーテル、メチルブチルエーテル等の非環状
エーテル、γ−ブチロラクトン等の環状エステル、酢酸
メチル、プロピオン酸メチル等の非環状エステル等が挙
げられる。
は、従来より公知のものが使用でき、例えば、LiAs
F6、 LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiCF3
SO 3、LiN(SO2CnF2n+1)2、LiC(SO2Cn
F2n+1)3(但しnは1〜10の整数を表す)等が挙げ
られ、 LiPF6、LiBF4、LiN(SO2CnF2
n+1)2、LiC(SO2CnF2n+1)3 が電池の容量が大
きくなるので好ましく、LiPF6が大電流特性が良好
である点でさらに好ましい。これら電解質は、一種単独
を使用してもよく、必要に応じて二種以上併用してもよ
い。
は0.5モル/リットル〜2モル/リットルであること
が好ましく、さらにイオン伝導度が大きいという理由
で、0.7モル/リットル〜1.5モル/リットルであ
ることがより好ましく、サイクル特性および低温放電特
性が良好であるという理由で1.0モル/リットル〜
1.4モル/リットルであることがさらに好ましい。
説明する。本発明[2] のリチウム二次電池は、負極に
リチウムのドープ・脱ドープ可能な炭素材料を用い、正
極にリチウムと遷移金属との複合酸化物を用い、電解液
として非水溶媒と電解質からなる非水電解液を用いてな
り、該非水電解液が本発明[1]の非水電解液であること
を特徴とする。また、本発明[3] のリチウム二次電池
は、負極にリチウムのドープ・脱ドープ可能な炭素材料
を用い、正極にリチウムと遷移金属との複合酸化物を用
い、電解液として非水溶媒と電解質からなる非水電解液
を用い、これら発電要素を密閉型の電池缶に収納してな
り、電池缶に収納する前の該非水電解液が、本発明[1]
の非水電解液であることを特徴とする。
複合酸化物としては、リチウムと遷移金属との複合酸化
物であればよく、層状構造を有するLiMO2またはス
ピネル構造を有するLiM2O4(但しMは少なくとも1
種の遷移金属である)が好ましい。ここでMとしては、
コバルト、マンガン、ニッケル、鉄、バナジウム、チタ
ンなどが挙げられる。これらのなかで、LiNiO2、
LiCoO2、LiCoXNi1-XO2(ただし0<X<
1)で表される複合酸化物が放電容量およびサイクル特
性の点でより好ましい。
末、補助導電剤粉末、これら粉末同士を結着するための
バインダーなどとを均一に混合した後加圧成形するか、
または溶媒等を用いてペースト化し、集電体上に塗布乾
燥後プレスするなどして、集電体シートに固着した構成
のものが挙げられる。
導電効果があり、使用する非水電解液に対する耐性や、
正極での電気化学反応に対する耐性を有するものであれ
ばよく、たとえば人造黒鉛、天然黒鉛等の黒鉛系導電
剤、アセチレンブラックやケッチェンブラック等のカー
ボンブラック系導電剤、コークス系粉末、導電性高分
子、またはこれらの混合物などが挙げられる。該補助導
電剤の量は、使用する活物質粉末100重量部に対して
1〜20重量部程度とすることが好ましい。
炭素材料は、リチウムのドープ・脱ドープ可能な炭素材
料であればよく、天然黒鉛の他に、ある種の有機系高分
子化合物またはその複合物を種々の方法によって炭素化
或いは黒鉛化した熱分解炭素、炭素繊維、コークス、ガ
ラス状炭素、人造黒鉛などが挙げられる。これらのなか
でも、黒鉛は結晶化がある程度以上に発達しており、リ
チウムの吸蔵・放出量が大きく、なおかつ作動電位が全
領域にわたって卑で平坦であるため好ましい。
と必要に応じて溶媒を混ぜ合わせて混練、造粒して構成
される。結着剤としては、ポリテトラフルオロエチレン
(PTFE),ポリフッ化ビニリデン(PVdF)等の
フッ素化樹脂、セルロース系樹脂、ポリオレフィン、ラ
テックス、ポリイミドなどが挙げられる。
は、使用する非水電解液に対する耐性や、正極や負極で
の電気化学反応に対する耐性を有するものであればよ
く、例えば、ニッケル、チタン、ステンレス鋼、アルミ
ニウム、銅などが挙げられる。該集電体の厚みは、電池
としての体積エネルギー密度が上がるという点で、強度
が保たれる限り薄いほど好ましく、5〜100μm程度
が好ましい。該正極の集電体として、薄膜に加工しやす
く、安価であるという点でアルミニウム箔が好ましい。
該負極の集電体として、リチウムと合金を作り難く、か
つ薄膜に加工しやすいという点で銅箔が好ましい。
レーターとしては、両極の接触を防止し絶縁性を持ち、
かつ非水電解液を保持し、リチウムイオンが透過できる
機能を有し、使用する非水電解液に対する耐性や、正極
や負極での電気化学反応に対する耐性を有するものであ
ればよく、例えばフッ素系樹脂、ポリエチレン、ポリプ
ロピレンなどのオレフィン系樹脂、ナイロン、芳香族ポ
リアミド、ポリイミドなどの不織布、織布が例示でき
る。該セパレーターの厚みは電池としての体積エネルギ
ー密度が上がり、内部抵抗が小さくなるという点で機械
的な強度が保たれる限り薄い程良く、10〜200μm
程度が好ましい。
説明するが、本発明は、該実施例によりなんら限定され
るものではない。
の人造黒鉛及びバインダーとしてのPVdFをN−メチ
ルピロリドンに溶解させたものを混合し、スラリー状に
して正極用スラリーとした。なお、LiCoO2 :人
造黒鉛:PVdFは重量比で88:5:7とした。スラ
リーを厚さ20μmのアルミニウム箔からなる集電体に
塗布し、乾燥後圧延処理し、真空乾燥したシート状電極
を直径2cmの円形に切り出したものを正極シート電極
とした。
ゴムラテックスと、カルボキシメチルセルロースのナト
リウム塩(CMC)を水を用いて正極と同様にスラリー
状とし、厚さ10μmの銅箔(負極集電体)に塗布し、
正極の場合と同様に処理し、負極シート電極とした。こ
こで、天然黒鉛:スチレン−ブタジエンゴムラテック
ス:カルボキシメチルセルロースのナトリウム塩は重量
比で97:1:2とした。
負極シート状電極を多孔質ポリプロピレン製のセパレー
ターを介して対向させ、ステンレス製の容器に収納し、
電解液を注入し、平板電池を作製した。
ーボネート(EC)、ビニレンカーボネート(VC)、
ジメチルカーボネート(DMC)とエチルメチルカーボ
ネート(EMC)とを組み合わせた溶媒に、LiPF6
を電解質として溶解したものを用いた。これらの組成を
表1に示す。LiPF6の濃度は1モル/リットルであ
る。
こなった。 標準放電容量:室温において電池を4mA、上限電圧
4.2Vの定電流・定電圧充電を4時間行った後、室温
において4mAの定電流、終止電圧3Vで放電試験を行
なったときの放電容量。 サイクル特性:室温において電池を4mA、上限電圧
4.2Vの定電流・定電圧充電を4時間行った後、室温
において8mAの定電流、終止電圧3Vで放電試験を3
0回行なったときの1回目の放電容量に対する30回目
の放電容量の比(%)。この比が大きいほど充放電サイ
クル中の放電特性が良好であることを示す。 高負荷特性:室温において電池を4mA、上限電圧4.
2Vの定電流・定電圧充電を4時間行った後、室温にお
いて8mAおよび2mAの定電流、終止電圧3Vで放電
試験を行なったときの2mA放電容量に対する8mA放
電容量の比(%)。この比が大きいほど大電流放電時の
放電特性が良好であることを示す。 低温特性:室温において電池を4mA、上限電圧4.2
Vの定電流・定電圧充電を4時間行った後、室温および
−10℃において4mAの定電流、終止電圧3Vで放電
試験を行なったときの室温の放電容量に対する、−10
℃の放電容量の比(%)。この比が大きいほど低温時の
放電特性が良好であることを示す。 保存特性:室温において電池を4mA、上限電圧4.2
Vの定電流・定電圧充電を4時間行った後、60℃の雰
囲気中で10日間保存した後、室温に戻して4mAの定
電流、終止電圧3Vで放電試験を行なったときの放電容
量に対する、標準放電容量の比(%)。この比が大きい
ほど長期保存したときの容量保存特性が良好であること
を示す。 これらの結果をまとめて表1に示す。
と同様にして平板電池R1〜R6を作製した。これらの
電池(R1〜R6)について、実施例1と同様の試験を
行った。結果を表1にまとめて示す。
ルカーボネート、エチルメチルカーボネートの体積比1
7:3:30:50とした組成をもつ電解液を用いて、
実施例1と同様にしてガス捕集治具を取り付けたステン
レス製の容器を用い、平板電池A7を作製した。作製し
た電池を用い、室温において電池を4mA、上限電圧
4.2Vの定電流・定電圧充電を4時間行った後、60
℃の雰囲気中で10日間保存した後のガス発生量を測定
したところ、0.8cm3であった。
ルカーボネート、エチルメチルカーボネートの体積比1
7:3:60:20とした以外は、実施例2と同様にし
て平板電池R7を作製した。この電池について、実施例
2と同様の試験を行ったところ、ガス発生量は1.2c
m3であった。
次電池は、充放電サイクル中の放電特性、低温時および
大電流放電時の放電特性並びに高温で長期保存したとき
の容量保存特性、高温で保存したときのガス発生量が小
さいこと、がバランス良く優れている。
Claims (7)
- 【請求項1】エチレンカーボネート、ビニレンカーボネ
ート、ジメチルカーボネートおよびエチルメチルカーボ
ネートを含む非水溶媒と電解質からなり、エチレンカー
ボネート、ビニレンカーボネート、ジメチルカーボネー
トおよびエチルメチルカーボネートの体積の和を100
体積%としたとき、エチレンカーボネートが5〜30体
積%、ビニレンカーボネートが1〜10体積%、ジメチ
ルカーボネートが5〜30体積%、エチルメチルカーボ
ネートが40〜90体積%、エチレンカーボネートとビ
ニレンカーボネートの体積の和が6〜30体積%、ジメ
チルカーボネートとエチルメチルカーボネートの体積の
和が70〜94体積%であることを特徴とする非水電解
液。 - 【請求項2】負極にリチウムのドープ・脱ドープ可能な
炭素材料を用い、正極にリチウムと遷移金属との複合酸
化物を用い、電解液として非水溶媒と電解質からなる非
水電解液を用いてなり、該非水電解液が請求項1記載の
非水電解液であることを特徴とするリチウム二次電池。 - 【請求項3】負極にリチウムのドープ・脱ドープ可能な
炭素材料を用い、正極にリチウムと遷移金属との複合酸
化物を用い、電解液として非水溶媒と電解質からなる非
水電解液を用い、これら発電要素を密閉型の電池缶に収
納してなり、電池缶に収納する前の該非水電解液が、請
求項1記載の非水電解液であることを特徴とするリチウ
ム二次電池。 - 【請求項4】炭素材料が黒鉛であることを特徴とする請
求項2または3記載のリチウム二次電池。 - 【請求項5】複合酸化物が層状構造を有するLiMO2
またはスピネル構造を有するLiM2O4(但しMは、少
なくとも1種の遷移金属である)であることを特徴とす
る請求項2〜4のいずれかに記載のリチウム二次電池。 - 【請求項6】電解質がLiPF6、LiBF4、LiN
(SO2CnF2n+1)2、およびLiC(SO2C
nF2n+1)3(但しnは1〜10の整数を表す)からなる
群から選ばれる少なくとも1種であることを特徴とする
請求項2〜5のいずれかに記載のリチウム二次電池。 - 【請求項7】電解質濃度が0.5モル/リットル〜2.
0モル/リットルであることを特徴とする請求項2〜6
のいずれかに記載のリチウム二次電池。
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JP32993099A JP4915025B2 (ja) | 1999-11-19 | 1999-11-19 | 非水電解液とリチウム二次電池 |
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JP32993099A Expired - Fee Related JP4915025B2 (ja) | 1999-11-19 | 1999-11-19 | 非水電解液とリチウム二次電池 |
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