JP2001202992A - リチウム二次電池用電解液 - Google Patents
リチウム二次電池用電解液Info
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Abstract
殆どなく、高温の容量保存特性も改善されたリチウム二
次電池用電解液を提供する。 【解決手段】 非水性有機溶媒、及び、下記一般式
(I)に示す1−アルキルホスホン酸環状無水物(1−
alkylphosphonic acid cycl
ic anhydride)を含むリチウム二次電池用
電解液。 【化6】 (前記一般式中、R、R'、及びR"は炭素原子数が1〜
4のアルキル基である)
Description
用電解液及びこれを含むリチウム二次電池に関し、より
詳しくは充電後の高温保存時に電池の厚さの変化が殆ど
ないリチウム二次電池用電解液及びこれを含むリチウム
二次電池に関する。
少量化及び軽量化が可能になり、携帯用電子機器の使用
が増加している。このような携帯用電子機器の電源とし
て高いエネルギー密度を有する電池の必要性が増加し、
リチウム二次電池の研究が活発に進められている。リチ
ウム二次電池の正極活物質としてはリチウム−遷移金属
酸化物が用いられており、負極活物質としてはリチウム
金属、リチウム合金、炭素(結晶質または非晶質)また
は炭素複合体が用いられている。
均放電電圧は3.6〜3.7V程度で、他のアルカリ電
池、Ni−MH電池、Ni−Cd電池等に比べて高い電
力を得ることができる。しかし、このような高い駆動電
圧を実現するためには充放電電圧領域である0〜4.2
Vで電気化学的に安定した電解液組成物が要求される。
このような理由で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などの非水性カーボネ
ート系溶媒の混合物を電解液として使用している。しか
し、このような組成を有する電解液はニッケル水素電池
(Ni−MH電池)またはNi−Cd電池に用いられる
水系(aqueous)電解液に比べてイオンの伝導度
が顕著に低いため高率充放電時に電池特性が低下する問
題点がある。
あるリチウム−遷移金属酸化物から出たリチウムイオン
が炭素負極に移動して炭素にインターカレーションされ
る。この時、リチウムは反応性が強いので炭素電極と反
応してLi2CO3、LiO、LiOHなどを生成して負
極の表面に被膜を形成する。
Electrolyte Interface;SE
I)フィルムという。充電初期に形成されたSEIフィ
ルムは充放電中にリチウムイオンと炭素負極または他の
物質との反応を防止する。また、イオントンネル(Io
n Tunnel)の役割を遂行してリチウムイオンだ
けを通過させる。
溶媒和(solvation)することで共に移動する
分子量の大きい電解液の有機溶媒が炭素負極に共にコイ
ンタカレーションされて炭素負極の構造を崩壊するのを
防止する役割を果たす。一度SEIフィルムが形成され
るとリチウムイオンは再び炭素負極や他の物質と副反応
しなくなり、リチウムイオンの量が可逆的に維持され
る。
応して負極の表面にSEIフィルムのようなパッシベー
ション層(passivation layer)を形
成して電解液がそれ以上分解されずに安定した充放電を
維持することができるようにする(J.Power S
ources、51(1994)、79−104)。こ
のような理由で、リチウム二次電池は、初期充電反応の
後にそれ以上の非可逆的なパッシベーション層の形成反
応を示さずに安定したサイクルライフを維持することが
できる。
ムの形成反応中にカーボネート系有機溶媒の分解によっ
て電池内部にガスが発生する問題点がある(J.Pow
erSources、72(1998)、66−7
0)。このようなガスとしては非水性有機溶媒と負極活
物質との種類によってH2、CO、CO2、CH4、C
H2、C2H6、C3H8、C3H6などがある。
池の厚さが膨脹し、充電後の高温保存時に時間の経過に
伴って増加した電気化学的エネルギーと熱エネルギーと
によってパッシベーション層が徐々に崩壊し、露出した
負極表面と周囲の電解液とが反応する副反応が持続的に
起こる。
部の圧力が上昇するようになる。このような内圧増加
は、角形電池とリチウムポリマー電池(PLI)とが特
定の方向に膨らむ等、電池の特定面の中心部が変形する
現象を誘発する。これによって電池の電極群内の極板間
の密着性において局部的な差異点が発生し、電池の性能
と安全性が低下してリチウム二次電池のセット装着自体
を難しくする問題点がある。
一定水準以上の内圧上昇時に内部の電解液を噴出させる
ためのベントまたは電流遮断機(current br
eaker)を装着することで非水性電解液を含む二次
電池の安全性を改善する方法がある。しかし、この方法
は内圧上昇によって誤作動の危険まで招く問題点があ
る。また、内圧上昇を抑制するために電解液に添加剤を
注入してSEIの形成反応を変化させる方法が知られて
いる。
918号には1%以下のジフェニルピクリルヒドラジル
(diphenylpicrylhydrazyl)化
合物を添加することによって電池の高温保存性を向上さ
せる方法が開示されており、日本特許公開第96−32
1312号には1〜20%のN−ブチルアミン類の化合
物を電解液に使用することによって寿命性能及び長期保
存性を向上させる方法が開示されており、日本特許公開
第96−64238号には3×10-4〜3×10-3モル
のカルシウム塩を添加して電池の保存性を向上させる方
法が開示されている。また、日本特許公開第94−33
3596号にはアゾ化合物を添加して電解液と負極との
反応を抑制することによって電池の保存性を向上させる
方法が開示されている。
るために、少量の有機物または無機物を添加することに
よって負極表面にSEIフィルムのような適切な被膜の
形成を誘導する方法を使用している。しかし、添加され
る化合物は固有の電気化学的特性によって初期充放電時
に負極であるカーボンと相互作用して分解されたり不安
定な被膜を形成し、その結果として電子内のイオンの移
動性が低下し、電池内部に気体を発生させて、内圧を上
昇させることによってむしろ電池の保存性と安定性、寿
命性能及び容量を悪化させる問題点があった。
ーボネート系有機溶媒の分解による電池内部のガス発生
を抑制することができるリチウム二次電池用電解液を提
供することにある。
に電池の厚さ変化が殆どなく、高温の容量保存特性も改
善されたリチウム二次電池を提供することにある。
の本発明のリチウム二次電池用電解液の特徴構成は、請
求項1に記載してあるように、非水性有機溶媒、及び、
一般式(I)に示す1−アルキルホスホン酸環状無水物
(1−alkylphosphonic acid c
yclicanhydride)を含む点にある。
キル基である)
てあるように、前記1−アルキルホスホン酸環状無水物
が0.1〜10重量%添加されることが好ましい。
チウム二次電池の特徴構成は、請求項3に記載してある
ように、非水性有機溶媒及び一般式(I)に示す1−ア
ルキルホスホン酸環状無水物(1−alkylphos
phonic acid cyclic anhydr
ide)を含む電解液と、正極活物質としてリチウム−
遷移金属酸化物を含む正極と、負極活物質として炭素、
炭素複合体、リチウム金属、またはリチウム合金を含む
負極とを含む点にある。
キル基である)
する。
機溶媒に下記一般式(I)に示す1−アルキルホスホン
酸環状無水物を添加して製造される。
キル基である)
性有機溶媒に対して0.1〜10重量%添加される。前
記1−アルキルホスホン酸環状無水物の使用量が0.1
重量%未満である場合には電池内部でのガス発生抑制効
果を期待し難く、10重量%を超過する場合には電池の
初期充放電効率と寿命性能が使用量の増加に伴って減少
する問題点が発生する。
は、充電後の高温保存時に有機溶媒の分解を抑制して電
池の厚さが膨脹するのを防止する。
媒としては、環状(cyclic)または鎖型(cha
in)カーボネートのような有機溶媒があり、二つ以上
を混合して使用することもできる。これらの具体的な例
としては、エチレンカーボネート(EC)、ジメチルカ
ーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DE
C)、メチルエチルカーボネート(MEC)などがあ
る。
スファート(LiPF6)、リチウムテトラフルオロボ
レート(LiBF4)、過塩素酸リチウム(LiCl
O4)、リチウムトリフルオロメタンスルホネート(C
F3SO3Li)、及びリチウムヘキサフルオロアセネー
ト(LiAsF6)のうちの一つまたは二つ以上の混合
物が支持(supporting)電解塩として添加さ
れる。これらは電池内でリチウムイオンの供給源として
作用して基本的なリチウム二次電池の作動を可能にす
る。
−20〜60℃の温度範囲で安定し、4Vの電圧でも安
定した特性を維持する。従って、本発明の電解液は、リ
チウムイオン電池、リチウムポリマー電池など全てのリ
チウム二次電池に使用するのに好適である。
料としては、例えば、LiCoO2、LiNiO2、Li
MnO2、LiMn2O4、またはLiNi1-x-yCoxMy
O2(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1、MはA
l、Sr、Mg、Laなどの金属)のようなリチウム−
遷移金属酸化物を使用し、負極材料としては、結晶質ま
たは非晶質の炭素、炭素複合体、リチウム金属、または
リチウム合金を使用することが好ましい。
電体に塗布したり、活物質そのものをフィルム形状に塗
布して絶縁体であるセパレータと共に巻いたり積層した
りして電極群を作った後、缶またはこれと類似した容器
に入れて前記1−アルキルホスホン酸環状無水物が添加
された非水性系電解液を注入してリチウム二次電池を製
造する。前記セパレータとしてはポリエチレン、ポリプ
ロピレンなどの樹脂を用いることができる。
例を提示する。しかし、下記の実施例は本発明をより容
易に理解するために提供されるものであり、本発明が下
記の実施例に限られるわけではない。
DMC)が1/1で混合された非水性有機溶媒に1Mの
LiPF6を添加し、下記の表1に記載されたように1
−プロパンホスホン酸環状無水物を添加して実施例1〜
4の電解液を製造した。
DMC)が1/1で混合された非水性有機溶媒に1Mの
LiPF6を添加し、1−プロパンホスホン酸環状無水
物を添加しなかった。
フッ化ビニリデン樹脂(PVDF)及び導電剤としてア
セチレンブラックを92:4:4の重量比で混合した
後、N−メチル−2−ピロリドンに分散させて正極スラ
リーを製造した。このスラリーを厚さ20μmのアルミ
ニウムホイルにコーティングした後、乾燥、圧延して正
極を製造した。負極活物質として結晶性人造黒鉛とバイ
ンダーとして前記PVDFを92:8の重量比で混合し
た後、N−メチル−2−ピロリドンに分散させて負極ス
ラリーを製造した。このスラリーを厚さ15μmの銅ホ
イルにコーティングした後、乾燥、圧延して負極を製造
した。前記製造された電極を厚さ25μmのポリエチレ
ン材質のセパレータを使用して巻取り、圧縮して30m
m×48mm×6mmの角形缶に入れた後、前記実施例
1〜4と比較例1の電解液を注入して電池を製造した。
したリチウム二次電池をCC−CV(定電流−定電圧)
の条件下で160mAの電流、4.2Vの充電電圧で充
電して1時間放置した後、160mAの電流で2.5V
まで放電して1時間放置した。この過程を3回反復した
後、600mAの電流、4.2Vの充電電圧で2時間3
0分の間充電した。この時の厚さについて、この電池を
85℃の高温チャンバで4日間放置する場合の厚さの増
加率を24時間ごとに測定して下記の表2に記載した。
ム二次電池が比較例1に比べて厚さの膨脹がはるかに減
少したことを確認することができる。充電後に85℃で
4日間放置した後、放電実験をして容量維持率を下記の
表3に記載した。
ム二次電池が比較例1に比べて高温で容量維持特性に優
れたものであった。
水物が添加された電解液は、充電後の高温保存時にカー
ボネート系有機溶媒の分解を抑制するため角形電池やリ
チウムポリマー電池に適用する場合に厚さの膨脹抑制効
果がある。また、本発明の電解液が用いられたリチウム
二次電池は高温での容量維持特性も優れている。
常の知識を有する者によって容易に実施でき、このよう
な変形や変更は全て本発明の領域に含まれると見ること
ができる。
Claims (3)
- 【請求項1】 非水性有機溶媒、及び、一般式(I)に
示す1−アルキルホスホン酸環状無水物(1−alky
lphosphonic acid cyclic a
nhydride)を含むリチウム二次電池用電解液。 【化1】 (式中、R、R'、及びR"は炭素原子数が1〜4のアル
キル基である) - 【請求項2】 前記1−アルキルホスホン酸環状無水物
が0.1〜10重量%添加される請求項1に記載のリチ
ウム二次電池用電解液。 - 【請求項3】 非水性有機溶媒及び一般式(I)に示す
1−アルキルホスホン酸環状無水物(1−alkylp
hosphonic acid cyclic anh
ydride)を含む電解液と、 正極活物質としてリチウム−遷移金属酸化物を含む正極
と、 負極活物質として炭素、炭素複合体、リチウム金属、ま
たはリチウム合金を含む負極とを含むリチウム二次電
池。 【化2】 (式中、R、R'、及びR"は炭素原子数が1〜4のアル
キル基である)
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