JP2002260726A - 非水電解質二次電池 - Google Patents
非水電解質二次電池Info
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Abstract
らに低温放電特性に優れた非水電解質二次電池を提供す
る。 【解決手段】 正極と、炭素材料を含む負極と、溶質お
よび溶媒とからなる有機電解液と、セパレータとを備え
た非水電解質二次電池において、前記溶媒がエチレンカ
ーボネート(EC)とプロピレンカーボネート(PC)
と鎖状カーボネートとフェニルエチレンカーボネートと
を含み、エチレンカーボネート(EC)とプロピレンカ
ーボネート(PC)と鎖状カーボネートの合計体積に対
し、鎖状カーボネートの含有量が50〜90vol%、
エチレンカーボネート(EC)の含有量が5〜45vo
l%、及びプロピレンカーボネート(PC)の含有量が
5〜45vol%であり、総電解液重量に対するフェニ
ルエチレンカーボネートの含有量が0.1〜5.0wt
%とする。
Description
に関するものである。
子機器や携帯情報端末などの急速な小形軽量化・多様化
に伴い、その電源である電池に対して、小形で軽量かつ
高エネルギー密度で、さらに長期間くり返し充放電が実
現できる二次電池の開発が強く要求されている。
非水電解質を使用した二次電池が実用化されている。こ
の電池は、従来の水溶液系電解液を使用した電池の数倍
のエネルギー密度を有している。
活物質にリチウムコバルト複合酸化物、リチウムニッケ
ル複合酸化物またはリチウムマンガン複合酸化物等のリ
チウム遷移金属複合酸化物を用い、負極にリチウム金属
やリチウムが吸蔵・放出可能なLi−Al合金などのリ
チウム合金等の活物質、又はリチウムイオンをホスト物
質(ここでホスト物質とは、リチウムイオンを吸蔵及び
放出できる物質をいう。)である炭素に吸蔵させたリチ
ウムインターカレーション化合物を用い、LiCl
O4、LiPF6等のリチウム塩を溶解した非プロトン性
の有機溶媒を電解液とする非水電解質二次電池があげら
れる。
されてきた非プロトン性の有機溶媒を電解液溶媒として
使用した場合、充放電に伴い、負極表面で有機溶媒の分
解がおこり、初回の充放電効率低下による放電容量の減
少やサイクル劣化等の問題があった。特に、負極に炭素
材料を使用し、有機溶媒にプロピレンカーボネート(P
C)を用いると、電池の初回充電時に負極上で分解がお
こり、放電容量の減少やサイクル劣化等の大きな問題が
あった。
の負極の炭素材料表面での分解を抑制するために、電解
液にフェニル基をもつエチレンカーボネートやフェニル
基をもつビニレンカーボネートを混合することが、特開
平11−354152号で提案されている。しかし、こ
れらの化合物を添加した場合、電解液の電気電導度が低
下して、放電特性が劣悪になったり、あるいは低温特性
が低下するという問題があった。
レンカーボネートを添加した場合の上記問題点を解決す
るためになされたもので、電解液溶媒の混合割合の最適
値を見い出すことにより、放電容量が大きく、サイクル
特性に優れ、さらに低温放電特性に優れた非水電解質二
次電池を提供するものである。
と、炭素材料を含む負極と、溶質および溶媒とからなる
有機電解液と、セパレータとを備えた非水電解質二次電
池において、前記溶媒がエチレンカーボネート(EC)
とプロピレンカーボネート(PC)と鎖状カーボネート
とフェニルエチレンカーボネートとを含み、エチレンカ
ーボネート(EC)とプロピレンカーボネート(PC)
と鎖状カーボネートの合計体積に対し、鎖状カーボネー
トの含有量が50〜90vol%、エチレンカーボネー
ト(EC)の含有量が5〜45vol%、及びプロピレ
ンカーボネート(PC)の含有量が5〜45vol%で
あり、総電解液重量に対するフェニルエチレンカーボネ
ートの含有量が0.1〜5.0wt%であることを特徴
とする。
解液の分解が抑制され、放電容量、サイクル特性および
低温放電特性を向上させることができる。
詳細に説明する。本発明は、負極にリチウムイオンを吸
蔵、放出する炭素材料を使用した非水電解質二次電池に
おいて、電解液溶媒の組成を、エチレンカーボネート
(EC)とプロピレンカーボネート(PC)と鎖状カー
ボネートとフェニルエチレンカーボネートとを含み、エ
チレンカーボネート(EC)とプロピレンカーボネート
(PC)と鎖状カーボネートの合計体積に対し、鎖状カ
ーボネートの含有量が50〜90vol%、エチレンカ
ーボネート(EC)の含有量が5〜45vol%、及び
プロピレンカーボネート(PC)の含有量が5〜45v
ol%であり、好ましくは、鎖状カーボネートの含有量
が60〜80vol%、エチレンカーボネート(EC)
の含有量が15〜35vol%、及びプロピレンカーボ
ネート(PC)の含有量が5〜25vol%であり、特
に好ましくは、鎖状カーボネートの含有量が65〜75
vol%、エチレンカーボネート(EC)の含有量が1
5〜25vol%、及びプロピレンカーボネート(P
C)の含有量が10〜20vol%である。さらに総電
解液重量に対するフェニルエチレンカーボネートの含有
量が0.1〜5.0wt%であり、好ましくは、0.2
〜5.0wt%であり、特に好ましくは、0.5〜2.
5wt%である。
チレンカーボネート(EC)とプロピレンカーボネート
(PC)と鎖状カーボネートとフェニルエチレンカーボ
ネートとを含んだ総電解液の重量をいう。
り、負極に炭素材料を使用した場合、電解液と炭素材料
の界面にきわめて安定な保護被膜が形成され、この保護
被膜によって電解液の分解が抑制され、しかもこの保護
被膜はリチウムイオン伝導性であるため、初回の充放電
効率の上昇により放電容量が大きく、サイクル特性に優
れ、さらに低温放電特性も向上した非水電解質二次電池
を得ることができる。
対するフェニルエチレンカーボネートの含有量を0.1
〜5.0wt%の範囲とするが、フェニルエチレンカー
ボネートの含有量が0.1wt%未満の場合には、初回
の充放電効率の上昇による放電容量の増加がほとんど見
られず、また、含有量が5.0wt%を越える場合に
は、電解液の電導度が低下して、高率放電特性が低下す
るためである。
極と非水電解液とセパレータとを備えており、非水電解
液としては有機溶媒に軽金属の塩を溶解したものを使用
する。
ーボネート(EC)とプロピレンカーボネート(PC)
と鎖状カーボネートとフェニルエチレンカーボネートと
を必須成分とする。このうち、鎖状カーボネートとして
は、特に限定されず、例えばジエチルカーボネート、エ
チルメチルカーボネート、ジメチルカーボネート等を使
用することができる。
固体電解質と組み合わせて使用することもできる。他の
有機溶媒としては、例えばγ−ブチロラクトン、スルホ
ラン、ジメチルスルホキシド、アセトニトリル、ジメチ
ルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、1,2−ジメ
トキシエタン、1,2−ジエトキシエタン、テトラヒド
ロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、ジオキソラ
ン、メチルアセテート等を使用することができる。ま
た、固体電解質としては、無機固体電解質やポリマー固
体電解質を使用することができる。
ては特に限定されないが、リチウム塩を使用することが
好ましい。リチウム塩としては、例えばLiPF6、L
iClO4、LiBF4、LiAsF6、LiCF3C
O2、LiCF3(CF3)3、 LiCF3(C3F5)3、
LiCF3SO3、LiN(SO3CF3)3、LiN(S
O3CF3CF3)3、LiN(COCF3)およびLiN
(COCF3CF3)3などの塩もしくはこれらの混合物
が挙げられる。これらのリチウム塩濃度は、特に限定さ
れないが、1.0〜2.0Mとするのが好ましい。
のセパレータとしては、特に限定されず、例えば織布、
不織布、合成樹脂微多孔膜等を用いることができ、特
に、合成樹脂微多孔膜が好適に用いることができる。中
でもポリエチレンおよびポリプロピレン製微多孔膜、ま
たはこれらを複合した微多孔膜等のポリオレフィン系微
多孔膜が、厚さ、膜強度、膜抵抗等の面で好適に用いら
れる。
いることで、セパレータを兼ねさせることもできる。こ
の場合には、固体電解質がセパレータとして機能する。
固体電解質は、特に限定されず公知の固体電解質が使用
され、例えば高分子電解質として、膨潤または湿潤によ
り高分子中に電解液を含ませ、さらに孔中にも電解液を
保持した有孔性高分子電解質膜を使用することができ
る。また、ゲル状の高分子固体電解質を用いる場合に
は、ゲルを構成する電解液と、細孔中等に含有されてい
る電解液とは異なっていてもよい。また、合成樹脂微多
孔膜と高分子固体電解質等を組み合わせて使用してもよ
い。
極活物質としては、特に限定されず、例えば二酸化マン
ガン、五酸化バナジウムのような遷移金属化合物や、硫
化鉄、硫化チタンのような遷移金属カルコゲン化合物、
さらにはこれらの遷移金属とリチウムの複合酸化物Li
xMO2(ただし、Mは、Co、NiまたはMnを表
し、0.5≦x≦1であるで表される複合酸化物)、あ
るいはリチウムとニッケルの複合酸化物、すなわちLi
NipM1qM2rO2で表される正極活物質(ただ
し、M1、M2はAl、Mn、Fe、Ni、Co、C
r、Ti、Znから選ばれる少なくとも一種の元素、ま
たは、P、Bなどの非金属元素でも良い。さらにp+q
+r=1である)などを用いることができる。特に、高
電圧、高エネルギー密度が得られ、サイクル特性にも優
れることから、リチウム・コバルトの複合酸化物や、リ
チウム・コバルト・ニッケル複合酸化物が好ましい。
例えばリチウム、ナトリウムなどのアルカリ金属や、充
放電反応に伴いリチウム等のアルカリ金属をドープ、脱
ドープする材料を用いることができる。後者の例として
は、ポリアセチレン、ポリピロールなどの導電性ポリマ
ー、あるいはコークス、ポリマー炭、カーボンファイバ
ーなどの炭素材料を用いることができるが、単位体積あ
たりのエネルギー密度が大きいことから、炭素材料を使
用することが望ましい。
隔d(002)が0.3354〜0.34nmである、
リチウムイオンを吸蔵、放出する炭素材料を負極に用い
ることが望ましく、このことにより、電池の高容量化お
よび高エネルギー密度化が可能になる。炭素材料として
は、特に限定されず、例えば、天然黒鉛、熱分解炭素
類、コークス類(石油コークス、ピッチコークス、石炭
コークスなど)、カーボンブラック(アセチレンブラッ
クなど)、ガラス状炭素、有機高分子材料焼結体(有機
高分子材料を500℃以上の適当な温度で不活性ガス気
流中、あるいは真空中で焼成したもの)、炭素繊維など
があげられる。
はなく、本発明は、角形、楕円形、コイン形、ボタン
形、シート形電池等の様々な形状の非水電解質二次電池
に適用可能である。
るが、本発明の要旨を超えない限り、以下の実施例に限
定されるものではないことはいうまでもない。
ム、負極活物質に炭素材料を使用した、角型の非水電解
質二次電池を作製した。図1は角型の非水電解質二次電
池の断面構造を示した図である。図1において、1は角
型の非水電解質二次電池、2は巻回型電極群、3は正
極、4は負極、5はセパレータ、6は電池ケース、7は
電池蓋、8は安全弁、9は正極端子、10は正極リード
線である。
あり、電池ケース6には安全弁8を設け、電池蓋7と電
池ケース6はレーザー溶接で密閉されている。正極端子
9は正極リード10を介して正極3と接続され、負極4
は電池ケース6の内壁と接触により接続されている。
t%と、導電剤としてのアセチレンブラック5wt%
と、結着剤としてのポリフッ化ビニリデン5wt%とを
混合して正極合剤とし、 N−メチル−2−ピロリドン
に分散させることによりペーストを製造し、この正極ペ
ーストを厚さ20μmのアルミニウム集電体に均一に塗
布して、乾燥させた後、ロールプレスで圧縮成型するこ
とにより作製した。
してのポリフッ化ビニリデン10wt%とを混合して負
極合剤とし、 N−メチル−2−ピロリドンに分散させ
ることによりペーストを製造し、この負極ペーストを厚
さ15μmの銅箔に均一に塗布して100℃で5時間乾
燥させた後、ロールプレスで圧縮成型することにより作
製した。
微多孔性ポリエチレンフィルムを用いた。
ト(EC)とプロピレンカーボネート(PC)と鎖状カ
ーボネートとフェニルエチレンカーボネート(PhE
C)とを含み、鎖状カーボネートとしてはメチルエチル
カーボネート(MEC)、ジエチルカーボネート(DE
C)、ジメチルカーボネート(DMC)またはこれらの
混合物とし、表1に示すように電解液溶媒の組成を変え
た、本発明の実施例1〜35の非水電解質二次電池を作
製した。なお、フェニルエチレンカーボネート(PhE
C)の含有量は総電解液重量に対する比率とし、また、
電解質としては、LiPF6を使用し、その濃度は、表
1に示すように実施例1〜18、実施例21〜22、実
施例27、及び実施例29〜35では1Mとし、実施例
19、実施例23、及び実施例25〜26では1.2M
とし、実施例20、実施例24,及び実施例28では
1.5Mとした。
さ48mm、厚み4.15mmの角形の非水電解質二次
電池を作製した。
じものを使用し、電解液溶媒としては、表2に示すよう
にプロピレンカーボネート(PC)を含まず、エチレン
カーボネート(EC)と鎖状カーボネートとフェニルエ
チレンカーボネート(PhEC)を含み、電解液溶媒の
組成を変えた、比較例1〜6の非水電解質二次電池を作
製した。また、表2に示すようにエチレンカーボネート
(EC)を含まず、プロピレンカーボネート(PC)と
鎖状カーボネートとフェニルエチレンカーボネートを含
み、電解液溶媒の組成を変えた、比較例7〜12の非水
電解質二次電池を作製した。さらに、表2に示すように
電解液溶媒として、エチレンカーボネート(EC)とプ
ロピレンカーボネート(PC)と鎖状カーボネートとフ
ェニルエチレンカーボネート(PhEC)を含み、フェ
ニルエチレンカーボネート(PhEC)の総電解液重量
に対する含有量を10.0wt%とした比較例13およ
び0wt%とした比較例14の非水電解質二次電池を作
製した。なお、比較例1〜14においては、電解質とし
てはLiPF6を使用し、その濃度はすべて1Mとし
た。
非水電解質二次電池を、25℃において600mAの電
流で4.2Vまで定電流定電圧充電を3時間おこなって
満充電状態とし、続いて600mAの電流で2.75V
まで放電させた。これを1サイクルとし、合計300サ
イクルおこない、1サイクル目の放電容量、およびサイ
クルにともなう放電容量の推移を調査した。
5℃において600mAの電流で4.2Vまで定電流定
電圧充電を3時間おこなって満充電状態とし、その後、
−10℃の温度環境に5時間放置後、600mAの電流
で2.75Vまで放電させ、低温放電容量を調査した。
解液の組成を表1に、また、測定結果を表3にまとめ
た。さらに、比較例1〜14の非水電解質二次電池の電
解液の組成を表2に、また、測定結果を表4にまとめ
た。なお、表3および表4において、初期放電容量とは
1サイクル目の放電容量を示し、またサイクル保持率
は、1サイクル目の放電容量に対する300サイクル目
の放電容量の比(%)を示す。また、表3および表4の
値は、いずれも10セルの電池についての平均値を示し
た。
mmの角形の非水電解質二次電池においては、初期放電
容量が580mAh以上、−10℃での放電容量が42
0mAh以上(低温放電特性)およびサイクル保持率が
80%以上(寿命特性)であれば、優れた特性であると
判断される。
を本発明の範囲とした実施例1〜35の非水電解質二次
電池においては、初期放電容量、低温放電特性および寿
命特性が良好となることがわかった。
次電池においては、電解液溶媒としては、表1に示した
ように、エチレンカーボネート(EC)とプロピレンカ
ーボネート(PC)と鎖状カーボネートとフェニルエチ
レンカーボネートとの4種を必ず含むものを使用し、そ
の中でもエチレンカーボネート(EC)とプロピレンカ
ーボネート(PC)と鎖状カーボネートの合計体積に対
し、鎖状カーボネートの含有量が50〜90vol%、
エチレンカーボネート(EC)の含有量が5〜45vo
l%、及びプロピレンカーボネート(PC)の含有量が
5〜45vol%であり、さらに、総電解液重量に対す
るフェニルエチレンカーボネートの含有量を0.1〜
5.0wt%の範囲とすることにより、表3に示したよ
うに、初期放電容量は580mAh以上、−10℃の放
電容量は420mAh以上となり、さらに、サイクル保
持率は80%以上となり、初期放電容量、低温放電特性
および寿命特性すべてについて優れた特性を示した。
らはずれた比較例1〜14の非水電解質二次電池におい
ては、初期放電容量、低温放電特性および寿命特性の少
なくともひとつが劣っていることがわかった。
い比較例1〜6の非水電解質二次電池においては、エチ
レンカーボネート(EC)を10vol%含む比較例1
〜3では、初期放電容量が540mAh以下となり、エ
チレンカーボネート(EC)を50vol%含む比較例
4〜6では、−10℃の放電容量は360mAh以下、
またサイクル保持率は66%以下となった。
比較例7〜12の非水電解質二次電池においては、プロ
ピレンカーボネート(PC)を10vol%含む比較例
7〜9では、初期放電容量が530mAh以下、またサ
イクル保持率は79%以下となり、プロピレンカーボネ
ート(PC)を50vol%含む比較例10〜12で
は、初期放電容量が450mAh以下、−10℃の放電
容量は300mAh以下、またサイクル保持率は61%
以下となった。
(PhEC)を総電解液重量に対し10.0wt%含ん
だ比較例13の非水電解質二次電池においては、初期放
電容量は589mAhと優れていたが、−10℃の放電
容量は262mAh、またサイクル保持率は46.0%
と劣り、また、フェニルエチレンカーボネート(PhE
C)を含まない比較例14の非水電解質二次電池におい
ては、初期放電容量は587mAh、−10℃の放電容
量は459mAhと優れていたが、サイクル保持率は6
9.7%と劣り、初期放電容量と0℃の放電容量とサイ
クル保持率のすべてを満足する結果は得られなかった。
次電池において、本発明の電解液溶媒の組成とすること
により、電解液と炭素材料の界面に、きわめて安定で、
リチウムイオン伝導性の保護被膜が形成され、この保護
被膜によって電解液の分解が抑制されるため、初期放電
容量、低温放電特性および寿命特性に優れた非水電解液
二次電池を得ることができる。よって、本発明の工業的
価値はきわめて高い。
面図
Claims (1)
- 【請求項1】 正極と、炭素材料を含む負極と、溶質お
よび溶媒とからなる有機電解液と、セパレータとを備え
た非水電解質二次電池において、前記溶媒がエチレンカ
ーボネート(EC)とプロピレンカーボネート(PC)
と鎖状カーボネートとフェニルエチレンカーボネートと
を含み、エチレンカーボネート(EC)とプロピレンカ
ーボネート(PC)と鎖状カーボネートの合計体積に対
し、鎖状カーボネートの含有量が50〜90vol%、
エチレンカーボネート(EC)の含有量が5〜45vo
l%、及びプロピレンカーボネート(PC)の含有量が
5〜45vol%であり、総電解液重量に対するフェニ
ルエチレンカーボネートの含有量が0.1〜5.0wt
%であることを特徴とする非水電解質二次電池。
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