JP2002319430A - 非水電解質二次電池 - Google Patents

非水電解質二次電池

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JP2002319430A
JP2002319430A JP2001124361A JP2001124361A JP2002319430A JP 2002319430 A JP2002319430 A JP 2002319430A JP 2001124361 A JP2001124361 A JP 2001124361A JP 2001124361 A JP2001124361 A JP 2001124361A JP 2002319430 A JP2002319430 A JP 2002319430A
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aqueous electrolyte
electrolyte secondary
dioxide
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dioxathiolane
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Jo Sasaki
丈 佐々木
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Japan Storage Battery Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 非水電解質二次電池が高温放置された場合の
性能を向上させることを目的とする。 【解決手段】 正極と、負極と、非水電解質とを備える
非水電解質二次電池である。電解質に1,3,2−ジオ
キサチオラン−2,2−ジオキシド若しくはこの誘導
体、又は1,3−プロパンジオールサイクリックスルフ
ェート又はこの誘導体を含有することを特徴とする。こ
れらの添加剤は、高温下においても安定な被膜を形成す
るため非水電解質二次電池が高温に放置された場合にお
いても電解液の分解を抑制し、高温下での性能を向上さ
せる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、非水電解質二次電
池に関する。
【0002】
【従来の技術】非水電解質二次電池には、一般にエチレ
ンカーボネート(EC)やプロピレンカーボネートなど
の高誘電率の溶媒とジエチルカーボネート(DEC)な
どの低粘度溶媒との混合系溶媒にLiPFやLiBF
等の支持塩を溶解させた電解液が使用されている。特
に低粘度溶媒にメチルエチルカーボネート(MEC)や
ジメチルカーボネート(DMC)などの比較的分子量の
小さい溶媒を使用することにより、低温での放電性能が
良好になることが知られている。
【0003】しかしながら、比較的分子量の小さい溶媒
を使用した非水電解質二次電池が例えば60℃以上の高
温に放置されると、負極と電解液とが反応してリチウム
化合物の被膜を生成したり、電解液の劣化等が進行す
る。このため放電容量が低下するという問題がある。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】本発明は上記のような
事情に基づいて完成されたものであって、非水電解質二
次電池が高温下で放置された場合の性能を向上させるこ
とを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明者等は、かかる問
題点を解決し得る非水電解質二次電池を開発すべく鋭意
研究を重ねた。その結果、1,3,2−ジオキサチオラ
ン−2,2−ジオキシド若しくはこの誘導体、又は1,
3−プロパンジオールサイクリックスルフェート若しく
はこの誘導体を非水電解質に含有することにより高温下
に放置された場合の性能が向上することを見い出し、本
発明を完成するに至った。
【0006】即ち、請求項1の発明は、正極と、負極
と、非水電解質とを備える非水電解質二次電池におい
て、1,3,2−ジオキサチオラン−2,2−ジオキシ
ド又はこの誘導体を前記非水電解質に含有することを特
徴とする。
【0007】請求項2の発明は、正極と、負極と、非水
電解質とを備える非水電解質二次電池において、1,3
−プロパンジオールサイクリックスルフェート又はこの
誘導体を前記非水電解質に含有することを特徴とする。
【0008】
【発明の実施の形態】本発明に使用される正極活物質と
しては、特に限定されず、公知のリチウム含有複合金属
酸化物、すなわち、リチウムを含むコバルト酸化物、リ
チウムを含むマンガン酸化物、リチウムを含むニッケル
酸化物あるいはこれらの複合酸化物、混合物であれば特
に限定されず、例えば、LiMO(ただし、Mは一種
以上の遷移金属)で表される基本構造を有するリチウム
遷移金属複合酸化物を主体とする化合物として、LiC
oO、LiNiOが挙げられ、また、LiMn
、LiMn、LiMMn2−y(M=
Cr,Co,Ni)等、あるいはこれらの複合酸化物、
混合物を用いることも可能である。LiMO(ただ
し、Mは一種以上の遷移金属)で表される基本構造を有
するリチウム遷移金属複合酸化物を主体とする化合物を
用いた場合には、特に放電電圧の高さから遷移金属Mと
してCo,Ni,Mnから選択して使用することが望ま
しい。
【0009】負極活物質としては、特に限定されず、例
えば公知のコークス類、ガラス状炭素類、グラファイト
類、難黒鉛化性炭素類、熱分解炭素類、炭素繊維などの
炭素質材料、あるいは金属リチウム、リチウム合金、ポ
リアセン等を単独でまたは二種以上を混合して使用する
ことができるが、特に、安全性の高さから炭素質材料を
用いるのが望ましい。
【0010】本発明の非水電解質としては、非水電解液
又は固体電解質のいずれも使用することができる。非水
電解液を用いる場合には特に限定されず、例えばエチレ
ンカーボネートとメチルエチルカーボネートとの混合溶
媒あるいはエチレンカーボネートとジメチルカーボネー
トとの混合溶媒を用いる。前記混合溶媒に、プロピレン
カーボネート、ブチレンカーボネート、ビニレンカーボ
ネート、トリフルオロプロピレンカーボネート、γ−ブ
チロラクトン、2−メチル−γ−ブチルラクトン、アセ
チル−γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン、スル
ホラン、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、3−メチル−1,3−ジオキソラン、酢酸メ
チル、酢酸エチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸
エチル、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネー
ト、メチルエチルカーボネート、ジプロピルカーボネー
ト、メチルプロピルカーボネート、エチルイソプロピル
カーボネート、ジブチルカーボネート等を単独でまたは
二種以上用いてこれを混合して使用しても良い。
【0011】非水電解液の溶質としての電解質塩は、特
に限定されず例えばLiClO、LiAsF、Li
PF、LiBF、LiCFSO、LiCF
SO、LiCFCFCFSO、LiN
(CFSO、LiN(CSO等を
単独でまたは二種以上を混合して使用することができ
る。電解質塩としては中でもLiPFを用いるのが好
ましい。
【0012】固体電解質としては、無機固体電解質、ポ
リマー固体電解質を用いることができる。
【0013】本発明において用いる1,3,2−ジオキ
サチオラン−2,2−ジオキシド又はこの誘導体は一般
式(I)で示され、1,3−プロパンジオールサイクリ
ックスルフェート又はこの誘導体は一般式(II)で示
される。
【化1】
【化2】
【0014】ここで、式(I)中、R1〜R4又は式
(II)中R1〜R6は、それぞれ同種又は異種の水
素、炭素数1〜6のアルキル基もしくはアルコキシ基、
核炭素数6〜18のアリール基、ビニル基、アミノ基、
ニトロ基、水酸基、シアノ基、ホルミル基、カルボキシ
ル基、チオール基又はハロゲン基を示す。なお、式
(I)で全てのR1〜R4が水素である場合には1,
3,2−ジオキサチオラン−2,2−ジオキシドとな
り、また式(II)で全てのR1〜R6が水素である場
合には1,3−プロパンジオールサイクリックスルフェ
ートとなる。炭素数1〜6のアルキル基としては、例え
ば、メチル基、エチル基、n−プロピル基、イソプロピ
ル基、n−ブチル基、sec−ブチル基、tert−ブ
チル基、n−ペンチル基、n−ヘキシル基等が好適であ
り、炭素数1〜6のアルコキシ基としては、例えば、メ
トキシ基、エトキシ基、n−プロポキシ基、イソプロポ
キシ基、n−ブトキシ基、sec−ブトキシ基、ter
t−ブトキシ基、n−ペントキシ基、n−ヘキソキシ基
等が好適である。
【0015】核炭素数6〜18のアリール基としては、
例えば、フェニル基、ナフチル基、アントラニル基、フ
ェナンスリル基、ビフェニル基等が挙げられ、これらは
炭素数1〜6のアルキル基又はアルコキシ基で置換され
ていてもよい。また、アミノ基は、−NR7R8で表さ
れるが、R7,R8がそれぞれ水素,炭素数1〜6のア
ルキル基又はフェニル基であることが好適である。カル
ボキシル基は、−COR9で表されるが、R9が炭素数
1〜6のアルキル基もしくはアルコキシ基,又はフェニ
ル基であることが好適である。チオール基は、−SR1
0で表されるが、R10が水素、炭素数1〜6のアルキ
ル基又はフェニル基であることが好適である。ハロゲン
基は、フッ素,塩素,臭素又はヨウ素であることが好適
である。
【0016】本発明の1,3,2−ジオキサチオラン−
2,2−ジオキシド誘導体、1,3−プロパンジオール
サイクリックスルフェート誘導体としては、具体的に
は、例えば、ジメチル−1,3,2−ジオキサチオラン
−4,5−ジカルボキシラート2,2−ジオキシド、ジ
イソプロピル−1,3,2−ジオキサチオラン−4,5
−ジカルボキシラート2,2−ジオキシド等が挙げられ
る。なお、非水電解質中に含まれる1,3,2−ジオキ
サチオラン−2,2−ジオキシド若しくはこの誘導体、
1,3−プロパンジオールサイクリックスルフェート若
しくはこの誘導体は一種でも二種以上を組み合わせても
よい。
【0017】これらの化合物の添加量は、特に限定され
ないが非水電解質に対して好ましくは10wt%以下で
あり、より好ましくは5wt%以下が良い。10wt%
よりも多く添加すると非水電解質二次電池の厚み増加が
大きくなるおそれがあるからである。またこれらの化合
物は、高価であることから、添加量は10wt%以下、
より好ましくは5wt%以下が良い。但し、添加量の制
御を行うためには、0.01wt%以上、好ましくは、
0.1wt%以上が良い。
【0018】また、本発明に係る非水電解質電池のセパ
レータとしては、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及びポリプロピレ
ン製微多孔膜、又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。
【0019】さらに高分子固体電解質等の固体電解質を
用いることで、セパレータを兼ねさせることもできる。
この場合、高分子固体電解質として多孔性高分子固体電
解質膜を使用する等して高分子固体電解質にさらに電解
液を含有させても良い。
【0020】なお、本発明の非水電解質二次電池は、円
筒型、角型、シート状、積層型、コイン型、ピン型等、
いずれのものにも使用可能であり、形状には特に制約は
ない。
【0021】
【実施例】以下、本発明の実施例を示すが、本発明はこ
れに限定されるものではない。
【0022】図1は、本例に用いた角形非水電解質二次
電池の概略断面図である。この角形非水電解質二次電池
1は、アルミ集電体にリチウムイオンを吸蔵・放出する
物質を構成要素とする正極合剤を塗布してなる正極3
と、銅集電体にリチウムイオンを吸蔵・放出する物質を
構成要素とする負極合剤を塗布してなる負極4とがセパ
レータ5を介して巻回された扁平巻状電極群2と、電解
質塩を含有した非水電解液とを電池ケース6に収納して
なるものである。
【0023】電池ケース6には、安全弁8を設けた電池
蓋がレーザー溶接によって取り付けられ、正極端子10
は正極リード11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電気的に接続されてい
る。
【0024】正極合剤は、活物質のLiCoO90重
量部と、導電材のアセチレンブラック5重量部と、結着
剤のポリフッ化ビニリデン5重量部とを混合し、N−メ
チル−2−ピロリドンを適宜加えて分散させ、スラリー
を調製した。このスラリーを厚さ20ミクロンのアルミ
集電体に均一に塗布、乾燥させた後、ロールプレスで圧
縮成型することにより正極3を作製した。
【0025】負極合剤は、鱗片状黒鉛90重量部と、ポ
リフッ化ビニリデン10重量部とを混合し、N−メチル
−2−ピロリドンを適宜加えて分散させ、スラリーを調
製した。このスラリーを厚さ10クロンの銅集電体に均
一に塗布、乾燥させた後、ロールプレスで圧縮成型する
ことにより負極4を作製した。
【0026】セパレータ5には、厚さ25ミクロンの微
多孔性ポリエチレンフィルムを用いた。
【0027】上述の構成要素を用いて、定格容量600
mAhで幅30mm、高さ48mm、厚み4.15mm
の角形非水電解質二次電池を作製した。
【0028】非水電解質としては非水電解液を用い、下
記実施例および比較例のとおり調製した。
【0029】<実施例1>エチレンカーボネート(E
C)とジエチルカーボネート(DEC)とを容積比3
0:70で混合し、この溶液にLiPFを1.2モル
/リットル溶解した。この溶液にさらに添加剤として式
(III)で示す1,3,2−ジオキサチオラン−2,2
−ジオキシド(シグマ アルドリッチ株式会社製)を
0.5wt%添加溶解し電解液とした。
【化3】
【0030】<実施例2>1,3,2−ジオキサチオラ
ン−2,2−ジオキシドを1.0wt%添加溶解した以
外は実施例1と同様にして電解液を調製した。
【0031】<実施例3>1,3,2−ジオキサチオラ
ン−2,2−ジオキシドを2.5wt%添加溶解した以
外は実施例1と同様にして電解液を調製した。
【0032】<実施例4>エチレンカーボネート(E
C)とジエチルカーボネート(DEC)とを容積比3
0:70で混合し、この溶液にLiPFを1.2モル
/リットル溶解した。この溶液にさらに添加剤として式
(IV)で示す1,3−プロパンジオールサイクリック
スルフェート(シグマ アルドリッチ株式会社製)を
0.5wt%添加溶解し電解液とした。
【化4】
【0033】<実施例5>1,3−プロパンジオールサ
イクリックスルフェートを1.0wt%添加溶解した以
外は実施例4と同様にして電解液を調製した。
【0034】<実施例6>1,3−プロパンジオールサ
イクリックスルフェートを2.5wt%添加溶解した以
外は実施例4と同様にして電解液を調製した。
【0035】<比較例1>エチレンカーボネート(E
C)とジエチルカーボネート(DEC)とを容積比3
0:70で混合し、この溶液にLiPFを1.2モル
/リットル溶解したものを電解液とした。
【0036】<比較例2>エチレンカーボネート(E
C)とジエチルカーボネート(DEC)とを容積比3
0:70で混合し、この溶液にLiPFを1.2モル
/リットル溶解した。この溶液にさらに添加剤として式
(V)で示す1,3,2−ジオキサチオラン−2−オキ
シド(シグマアルドリッチ株式会社製)を0.5wt%
添加溶解し電解液とした。
【化5】
【0037】<比較例3>1,3,2−ジオキサチオラ
ン−2−オキシドを1.0wt%添加溶解した以外は比
較例2と同様にして電解液を調製した。
【0038】<比較例4>1,3,2−ジオキサチオラ
ン−2−オキシドを2.5wt%添加溶解した以外は比
較例2と同様にして電解液を調製した。
【0039】<比較例5>エチレンカーボネート(E
C)とジエチルカーボネート(DEC)とを容積比3
0:70で混合し、この溶液にLiPFを1.2モル
/リットル溶解した。この溶液にさらに添加剤として式
(VI)で示すテトラヒドロチオフェン1,1‐ジオキ
シド(関東化学株式会社製)を0.5wt%添加溶解し
電解液とした。
【化6】
【0040】<比較例6>テトラヒドロチオフェン1,
1‐ジオキシドを1.0wt%添加溶解した以外は比較
例5と同様にして電解液を調製した。
【0041】<比較例7>テトラヒドロチオフェン1,
1‐ジオキシドを2.5wt%添加溶解した以外は比較
例5と同様にして電解液を調製した。
【0042】<比較例8>エチレンカーボネート(E
C)とジエチルカーボネート(DEC)とを容積比3
0:70で混合し、この溶液にLiPFを1.2モル
/リットル溶解した。この溶液にさらに添加剤として式
(VII)で示す1,3−プロパンスルトン(関東化学株
式会社製)を0.5wt%添加溶解し電解液とした。
【化7】
【0043】<比較例9>1,3−プロパンスルトンを
1.0wt%添加溶解した以外は比較例8と同様にして
電解液を調製した。
【0044】<比較例10>1,3−プロパンスルトン
を2.5wt%添加溶解した以外は比較例8と同様にし
て電解液を調製した。
【0045】<比較例11>エチレンカーボネート(E
C)とジエチルカーボネート(DEC)とを容積比3
0:70で混合し、この溶液にLiPFを1.2モル
/リットル溶解した。この溶液にさらに添加剤として式
(VIII)で示す1,4−ブタンスルトン(関東化学株
式会社製)を0.5wt%添加溶解し電解液とした。
【化8】
【0046】<比較例12>1,4−ブタンスルトンを
1.0wt%添加溶解した以外は比較例11と同様にし
て電解液を調製した。
【0047】<比較例13>1,4−ブタンスルトンを
2.5wt%添加溶解した以外は比較例11と同様にし
て電解液を調製した。
【0048】(高温放置試験)上述の電解液を使用した
実施例1〜6と比較例1〜13の非水電解質二次電池を
25℃、1C電流で4.2Vの定電流定電圧充電(初期
充電)を3時間行った後に、1Cの電流密度で2.5V
まで定電流放電を行い放置前容量を測定した。
【0049】放電後、再び非水電解質二次電池に25
℃、1C電流で4.2Vの定電流定電圧充電を3時間行
った。そして、非水電解質二次電池を60℃で28日間
放置した。そして、25℃まで電池を冷却させた後に1
C電流密度で2.5Vまで放電した。次に、再び25
℃、1C電流で4.2Vの定電流定電圧充電を3時間行
い、その後1Cの電流密度で2.5Vまで定電流放電し
て放置後容量を測定した。そして、容量保持率は以下の
式により算出した。 容量保持率(%)=(放置後容量)/(放置前容量)×
100
【0050】
【表1】
【0051】結果を表1に示す。実施例1〜6は、放置
前容量がいずれも604mAh以上であり、かつ、容量
保持率が91%以上と非常に高いことが確認された。特
に添加剤として1,3,2−ジオキサチオラン−2,2
−ジオキシドを使用した実施例1〜3では、放置前容量
が非常に高いことが確認された。
【0052】これに対して、添加剤を添加していない比
較例1は、放電前容量は高いが、容量保持率が低いこと
が確認された。また、添加剤として1,3,2−ジオキ
サチオラン−2−オキシドを用いた比較例2〜4と、添
加剤としてテトラヒドロチオフェン1,1‐ジオキシド
を用いた比較例5〜7と、添加剤として1,4−ブタン
スルトンを用いた比較例11〜13とは、いずれも容量
保持率が実施例1〜6に比べ低くなっていた。
【0053】添加剤として1,3−プロパンスルトンを
用いた比較例8〜10では、容量保持率は高いことが確
認された。しかし、放電前容量が実施例1〜6と比較し
て低かった。
【0054】この結果から、添加剤として1,3,2−
ジオキサチオラン−2,2−ジオキシド又は1,3−プ
ロパンジオールサイクリックスルフェートを添加するこ
とにより高温下で放置された場合の性能を向上させるこ
とができることが確認された。
【0055】次に上述の試験で特に優れた性能を発揮し
た1,3,2−ジオキサチオラン−2,2−ジオキシド
について更に以下の試験を行った。
【0056】エチレンカーボネート(EC)とメチルエ
チルカーボネート(MEC)とを容積比30:70で混
合し、この溶液にLiPFを1.2モル/リットル溶
解した。この溶液にさらに添加剤として式(III)で示
す1,3,2−ジオキサチオラン−2,2−ジオキシド
を0.01〜10.0wt%添加溶解し電解液とした。
【0057】その他の構成は実施例1と同様にして、実
施例7〜11の非水電解質二次電池を作製した。また、
添加剤を添加していないものを比較例14とした。
【0058】これらの非水電解質二次電池を25℃、1
C電流で4.2Vの定電流定電圧充電(初期充電)を3
時間行った後に、1Cの電流密度で2.5Vまで定電流
放電を行い放置前容量を測定した。
【0059】放電後、再び非水電解質二次電池に25
℃、1C電流で4.2Vの定電流定電圧充電を3時間行
った。そして、非水電解質二次電池を80℃で48時間
放置した。そして、25℃まで電池を冷却させた後に1
C電流密度で2.5Vまで放電した。次に、再び25
℃、1C電流で4.2Vの定電流定電圧充電を3時間行
い、その後1Cの電流密度で2.5Vまで定電流放電し
て放置後容量を測定した。そして、容量保持率は以下の
式により算出した。 容量保持率(%)=(放置後容量)/(放置前容量)×
100 また、非水電解質二次電池の試験前の厚み(4.15m
m)と80℃で48時間放置した後の厚みを測定し、電
池の膨れによる増加分を測定した。
【0060】結果を表2に示す。
【0061】
【表2】
【0062】実施例7〜11の非水電解質二次電池は、
いずれも比較例14と比較して放置前容量及び容量保持
率が高いことが確認された。電池の厚み増加分も実施例
7〜11の方が比較例14よりも小さいことが確認され
た。
【0063】表1〜2に示された結果より、非水電解質
に添加剤として1,3,2−ジオキサチオラン−2,2
−ジオキシド又は1,3−プロパンジオールサイクリッ
クスルフェートを添加することにより高温下で放置され
た場合の性能を向上させることができることが確認され
た。
【0064】これらの化合物を添加することによる作用
機構は明らかでないが、以下のように考えられる。これ
らの化合物は電解液の成分と比較して還元されやすく、
優先的に炭素負極上へ経時的に安定な被膜を形成する。
そして、この被膜は高温下においても安定であるため、
非水電解質二次電池が高温に放置された場合においても
炭素負極を被覆している。よって、この被膜により電解
液と炭素負極との反応が抑制されるから、電解液の分解
が防止され、高温下での性能が向上すると考えられる。
【0065】ここで、1,3,2−ジオキサチオラン−
2,2−ジオキシドと1,3−プロパンジオールサイク
リックスルフェートは、他の添加剤である1,3,2−
ジオキサチオラン−2−オキシド、テトラヒドロチオフ
ェン1,1‐ジオキシド、1,3−プロパンスルトン、
1,4−ブタンスルトンよりも優れているのは、硫黄原
子に結合している酸素原子数が多く、より優先的に還元
されやすいからであると考えられる。
【0066】また、表1〜2に示すように添加剤として
1,3,2−ジオキサチオラン−2,2−ジオキシドを
用いた場合に、放置前容量が無添加のもの(比較例1、
比較例14)よりも増加するが、これは、以下のように
考えられる。すなわち、電解液よりも還元電位の高い
1,3,2−ジオキサチオラン−2,2−ジオキシド
が、負極上に消費電流の少ない安定な被膜を形成し、後
の電解液の還元分解を抑制しているからと考えられる。
【0067】なお、本発明は上記記述及び図面によって
説明した実施形態に限定されるものではなく、要旨を逸
脱しない範囲内で種々変更して実施することができる。
【0068】
【発明の効果】本発明による非水電解質二次電池によれ
ば、高温下で放置された場合でも容量が低下せず、かつ
電池の膨れを小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態の角形非水電解質二次電池
の縦断面図
【符号の説明】
1…非水電解質二次電池 2…電極群 3…正極 4…負極 5…セパレータ 6…電池ケース 7…蓋 8…安全弁 10…正極端子 11…正極リード
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 5H029 AJ04 AK03 AL06 AL07 AL12 AL15 AL18 AM03 AM04 AM05 AM09 AM16 BJ02 BJ14 BJ27 CJ08 DJ02 DJ04 DJ05 DJ06 DJ07 DJ08 DJ09 DJ14 EJ01 EJ04 EJ12

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 正極と、負極と、非水電解質とを備える
    非水電解質二次電池において、1,3,2−ジオキサチ
    オラン−2,2−ジオキシド又はこの誘導体を前記非水
    電解質に含有することを特徴とする非水電解質二次電
    池。
  2. 【請求項2】 正極と、負極と、非水電解質とを備える
    非水電解質二次電池において、1,3−プロパンジオー
    ルサイクリックスルフェート又はこの誘導体を前記非水
    電解質に含有することを特徴とする非水電解質二次電
    池。
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