JP2003331921A - 非水系電解液及びそれを用いたリチウム二次電池 - Google Patents
非水系電解液及びそれを用いたリチウム二次電池Info
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Abstract
良好なリチウム二次電池を得ることのできる非水系電解
液を提供する。 【解決手段】 リチウム塩が非水系有機溶媒に溶解され
てなる非水系電解液であって、該非水系有機溶媒が下記
一般式(1)で表される多価スルホネート化合物を含有
する非水系電解液。 (式中、Lは炭素原子と水素原子から構成されたZ価の
連結基を表し、Rは炭化水素基を表し、Zは3以上の整
数である)
Description
それを用いたリチウム二次電池に関する。
く、しかも自己放電を起こしにくいという利点がある。
そこで近年、携帯電話やノートパソコン、PDA等の民
生用モバイル機器用の電源として広く利用されている。
リチウム二次電池用の電解液は支持電解質であるリチウ
ム塩と非水系の有機溶媒とから構成される。非水系の有
機溶媒は、リチウム塩を解離させるために高い誘電率を
有すること、広い温度領域で高いイオン伝導度を発現さ
せること、及び電池中で安定であることが要求される。
これらの要求を一つの溶媒で達成するのは困難であるの
で、通常はプロピレンカーボネート、エチレンカーボネ
ート等に代表される高沸点溶媒とジメチルカーボネー
ト、ジエチルカーボネート等の低沸点溶媒とを組み合わ
せて使用している。
性、高温保存特性、低温特性、トリクル充電特性、自己
放電特性、過充電防止特性等を改良するために、種々の
添加剤を電解液に添加することが数多く報告されてき
た。例えばサイクル特性を向上させる方法として、1,
4−ブタンジオールジメタンスルホネート、プロピレン
グリコールジメタンスルホネート等の2価スルホネート
化合物を添加することが報告されている(例えば、特許
文献1及び2参照)。
リチウム二次電池に対する高性能化への要求はますます
高くなっている。これらのあるものは、リチウム二次電
池の用途の拡大につれ、屋外で使用する機会が増えたこ
とに伴うものである。すなわち携帯電話、PDA、ノー
トパソコン等のモバイル機器は、真夏の車中に放置され
る等、60〜90℃の高温下にさらされることもある。
したがってリチウム二次電池に対して、特に高温下での
保存特性に対する要求が厳しくなっている。また近年、
更なる高容量化をはかるために正極活物質としてリチウ
ムコバルト複合酸化物の代わりにリチウムニッケル複合
酸化物を用いることが広く検討されているが、これを用
いると1.2倍程度の容量増加が達成される一方で、高
温保存中に大量のガスが発生するという問題点があっ
た。リチウム二次電池のベアセルは高温条件下で保存す
るとガス発生により多少膨らむので、通常は膨らんでも
外観上の変化がないように少し大きめのケースに収納し
ているのが現状である。ガスの発生量が多い場合は、よ
り大きめのケースに収納する必要が生じるので、電池パ
ック全体のエネルギー密度が低下してしまい、高容量の
活物質であるリチウムニッケル複合酸化物を用いるメリ
ットが相殺されてしまう。またガスの発生量が大量にな
れば、ケースが破裂する危険すら生じる。したがって高
温保存時のガス発生を抑制することが、リチウムニッケ
ル複合酸化物を使いこなす上での重要な課題であった。
けノートパソコンの需要拡大等に伴い、最近特に要望が
大きくなっている。オフィスでノートパソコンを使用す
る際、ほとんどの場合がACアダプターを電源としてお
り、パソコン中の二次電池は絶えず充電されている。こ
うした連続充電中においては、電解液の分解によりガス
が発生する。過充電等の異常時に内圧を検知して安全弁
を作動させる円筒型電池においては、発生ガスが多いと
連続充電時に安全弁が作動してしまうことになる。ま
た、安全弁のない角形電池においては、ガス量が多い場
合は、外観上変化がないようにベアセルを大きめのケー
スに収納する必要が生じ、電池パック全体のエネルギー
密度の低下につながる。さらに、ガスの発生が大量にな
れば、ケースが破裂する危険がある。したがって、連続
充電特性としては、特にガスの発生を抑制することが強
く求められている。正極活物質としてリチウムコバルト
複合酸化物を用いた場合は、高温保存中に発生するガス
は比較的少ないものの、長時間連続充電した際のガス発
生は多く、未だ改良が必要とされていた。
を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、非水系電解液に特
定の化合物を含有させることによって、高い容量を維持
しつつ、高温条件下で保存した際の容量回復率が改善さ
れ、かつ長時間連続充電した場合も含めてガス発生が大
幅に少なくなることを見出して、本発明を完成するに至
った。
有機溶媒に溶解されてなる非水系電解液であって、該非
水系有機溶媒が下記一般式(1)で表される多価スルホ
ネート化合物を含有することを特徴とする非水系電解
液、に存する。
されたZ価の連結基を表し、Rは炭化水素基を表し、Z
は3以上の整数である) また、本発明の他の要旨は、上記非水系電解液を用いた
ことを特徴とするリチウム二次電池、に存する。
電解液を用いると高容量を維持したまま、高温保存特性
及び連続充電特性が向上する。具体的には、高温保存時
及び連続充電時のガス発生が抑制されるとともに保存後
の回復容量が向上する。特にガス発生の多いリチウムニ
ッケル複合酸化物を含有する正極を用いたリチウム二次
電池においては、ガス発生量を大幅に抑制することが可
能となる。先に述べたようにサイクル特性を向上させる
ものとして報告されている1,4−ブタンジオールジメ
タンスルホネート、プロピレングリコールジメタンスル
ホネート等の2価スルホネート化合物はサイクル特性を
改善するが、高温保存特性を大幅に向上させるものでは
ない。従って上記の多価スルホネート化合物が高温時の
保存特性を大幅に向上させることは全く予想できないこ
とであった。上記の多価スルホネート化合物を含有する
電解液が保存特性の向上をもたらす理由の詳細は不明で
あるが、充電の初期に負極上に形成されるSEI(界面
保護皮膜)が熱的に安定であること、及び多価スルホネ
ート化合物が正極の塩基点を被覆することによると考え
られる。負極中のリチウムと電解液との反応を抑制して
いるSEIが熱的に不安定であると、リチウムと電解液
との反応が進行しガスが発生する。カーボネート類に代
表される非水系溶媒は充電初期時に還元されてSEIを
形成するが、上記の多価スルホネート化合物は、一部還
元されてSEI中に取り込まれ、SEIをより強固なも
のとしているものと推定される。また、充電初期時に還
元されずに残った多価スルホネートは、酸として作用
し、正極活物質の塩基点を被覆するために、カーボネー
ト溶媒の脱炭酸反応を抑制でき、二酸化炭素等のガス発
生を抑制しているものと考えられる。
て詳述する。本発明に係る非水系電解液は、非水系有機
溶媒にリチウム塩が溶解され、さらに下記一般式(I)
で表される多価スルホネート化合物が含有されているも
のである。
されたZ価の連結基を表し、Rは炭化水素基を表し、Z
は3以上の整数である) 上記一般式(1)において、Rは炭化水素基を表す。該
炭化水素基としては、メチル基、エチル基、プロピル
基、イソプロピル基、ブチル基等の炭素数1〜4のアル
キル基、ビニル基、イソプロペニル基、アリル基等の炭
素数2〜4のアルケニル基、フェニル基、トリル基、エ
チルフェニル基、ジメチルフェニル基、トリメチルフェ
ニル基等の炭素数6〜9のアリール基、ベンジル基、フ
ェネチル基等の炭素数7〜8のアラルキル基等が挙げら
れ、好ましくはメチル基及びエチル基等の炭素数1〜2
のアルキル基、フェニル基、トリル基、エチルフェニル
基、ジメチルフェニル基、トリメチルフェニル基等の炭
素数6〜9のアリール基であり、より好ましくはメチル
基及びトリル基である。
又は4である。またLは炭素原子と水素原子とから構成
されたZ価の連結基を表わす。連結基Lを構成する炭素
原子の数は3〜12が好ましく、より好ましくは3〜8
である。Zが3、すなわちLが炭素原子と水素原子から
構成された3価の連結基である場合のいくつかを以下に
例示する。
素原子から構成された4価の連結基であるものとして
は、以下のようなものが例示される。
物としては、例えば1,2,3−プロパントリオールト
リメタンスルホネート、1,2,3−プロパントリオー
ルトリエタンスルホネート、1,2,3−プロパントリ
オールトリプロパンスルホネート、1,2,3−プロパ
ントリオールトリブタンスルホネート、1,2,3−プ
ロパントリオールトリベンゼンスルホネート、1,2,
3−プロパントリオールトリ−p−トルエンスルホネー
ト、1,2,3−プロパントリオールトリ−4−エチル
ベンゼンスルホネート、1,2,3−プロパントリオー
ルトリス−3,5−ジメチルベンゼンスルホネート、
1,2,3−プロパントリオールトリ−2−メシチレン
スルホネート等の1,2,3−プロパントリオールトリ
スルホネート類、1,2,3−ブタントリオールトリメ
タンスルホネート、1,2,3−ブタントリオールトリ
エタンスルホネート、1,2,3−ブタントリオールト
リプロパンスルホネート、1,2,3−ブタントリオー
ルトリブタンンスルホネート、1,2,3−ブタントリ
オールトリベンゼンスルホネート、1,2,3−ブタン
トリオールトリ−p−トルエンスルホネート、1,2,
3−ブタントリオールトリ−4−エチルベンゼンスルホ
ネート、1,2,3−ブタントリオールトリス−3,5
−ジメチルベンゼンスルホネート、1,2,3−ブタン
トリオールトリ−2−メシチレンスルホネート等の1,
2,3−ブタントリオールトリスルホネート類、1,
2,4−ブタントリオールトリメタンスルホネート、
1,2,4−ブタントリオールトリエタンスルホネー
ト、1,2,4−ブタントリオールトリプロパンスルホ
ネート、1,2,4−ブタントリオールトリブタンスル
ホネート、1,2,4−ブタントリオールトリベンゼン
スルホネート、1,2,4−ブタントリオールトリ−p
−トルエンスルホネート、1,2,4−ブタントリオー
ルトリ−4−エチルベンゼンスルホネート、1,2,4
−ブタントリオールトリス−3,5−ジメチルベンゼン
スルホネート、1,2,4−ブタントリオールトリ−2
−メシチレンスルホネート等の1,2,4−ブタントリ
オールトリスルホネート類、1,2,5−ペンタントリ
オールトリメタンスルホネート、1,2,5−ペンタン
トリオールトリエタンスルホネート、1,2,5−ペン
タントリオールトリプロパンスルホネート、1,2,5
−ペンタントリオールトリベンゼンスルホネート、1,
2,5−ペンタントリオールトリ−p−トルエンスルホ
ネート等の1,2,5−ペンタントリオールトリスルホ
ネート類、1,2,6−ヘキサントリオールトリメタン
スルホネート、1,2,6−ヘキサントリオールトリエ
タンスルホネート、1,2,6−ヘキサントリオールト
リプロパンスルホネート、1,2,6−ヘキサントリオ
ールトリベンゼンスルホネート、1,2,6−ヘキサン
トリオールトリ−p−トルエンスルホネート等の1,
2,6−ヘキサントリオールトリスルホネート類、1,
2,3−ヘプタントリオールトリメタンスルホネート、
1,2,3−ヘプタントリオールトリエタンスルホネー
ト、1,2,3−ヘプタントリオールトリプロパンスル
ホネート、1,2,3−ヘプタントリオールトリベンゼ
ンスルホネート、1,2,3−ヘプタントリオールトリ
−p−トルエンスルホネート等の1,2,3−ヘプタン
トリオールトリスルホネート類、1,2,7−ヘプタン
トリオールトリメタンスルホネート、1,2,7−ヘプ
タントリオールトリエタンスルホネート、1,2,7−
ヘプタントリオールトリプロパンスルホネート、1,
2,7−ヘプタントリオールトリベンゼンスルホネー
ト、1,2,7−ヘプタントリオールトリ−p−トルエ
ンスルホネート等の1,2,7−ヘプタントリオールト
リスルホネート類、1,2,8−オクタントリオールト
リメタンスルホネート、1,2,8−オクタントリオー
ルトリエタンスルホネート、1,2,8−オクタントリ
オールトリプロパンスルホネート、1,2,8−オクタ
ントリオールトリベンゼンスルホネート、1,2,8−
オクタントリオールトリ−p−トルエンスルホネート等
の1,2,8−オクタントリオールトリスルホネート
類、トリメチロールエタントリメタンスルホネート、ト
リメチロールエタントリエタンスルホネート、トリメチ
ロールエタントリプロパンスルホネート、トリメチロー
ルエタントリブタンスルホネート、トリメチロールエタ
ントリベンゼンスルホネート、トリメチロールエタント
リ−p−トルエンスルホネート、トリメチロールエタン
トリ−4−エチルベンゼンスルホネート、トリメチロー
ルエタントリス−3,5−ジメチルベンゼンスルホネー
ト、トリメチロールエタントリ−2−メシチレンスルホ
ネート等のトリメチロールエタントリスルホネート類、
トリメチロールプロパントリメタンスルホネート、トリ
メチロールプロパントリエタンスルホネート、トリメチ
ロールプロパントリプロパンスルホネート、トリメチロ
ールプロパントリブタンスルホネート、トリメチロール
プロパントリベンゼンスルホネート、トリメチロールプ
ロパントリ−p−トルエンスルホネート、トリメチロー
ルプロパントリ−4−エチルベンゼンスルホネート、ト
リメチロールプロパントリ−3,5−ジメチルベンゼン
スルホネート、トリメチロールプロパントリ−2−メシ
チレンスルホネート等のトリメチロールプロパントリス
ルホネート類、3−メチルペンタン−1,3,5−トリ
オールトリメタンスルホネート、3−メチルペンタン−
1,3,5−トリオールトリエタンスルホネート、3−
メチルペンタン−1,3,5−トリオールトリプロパン
スルホネート、3−メチルペンタン−1,3,5−トリ
オールトリブタンスルホネート、3−メチルペンタン−
1,3,5−トリオールトリベンゼンスルホネート、3
−メチルペンタン−1,3,5−トリオールトリ−p−
トルエンスルホネート、3−メチルペンタン−1,3,
5−トリオールトリ−4−エチルベンゼンスルホネー
ト、3−メチルペンタン−1,3,5−トリオールトリ
−3,5−ジメチルベンゼンスルホネート、3−メチル
ペンタン−1,3,5−トリオールトリ−2−メシチレ
ンスルホネート等の3−メチルペンタン−1,3,5−
トリオールトリスルホネート類、1,2,4−ベンゼン
トリオールトリメタンスルホネート、1,2,4−ベン
ゼントリオールトリエタンスルホネート、1,2,4−
ベンゼントリオールトリプロパンスルホネート、1,
2,4−ベンゼントリオールトリベンゼンスルホネー
ト、1,2,4−ベンゼントリオールトリ−p−トルエ
ンスルホネート等の1,2,4−ベンゼントリオールト
リスルホネート類等の3価スルホネート類;1,2,
3,4−ブタンテトロールテトラメタンスルホネート、
1,2,3,4−ブタンテトロールテトラエタンスルホ
ネート、1,2,3,4−ブタンテトロールテトラプロ
パンスルホネート、1,2,3,4−ブタンテトロール
テトラベンゼンスルホネート、1,2,3,4−ブタン
テトロールテトラ−p−トルエンスルホネート、1,
2,3,4−ブタンテトロールテトラ−4−エチルベン
ゼンスルホネート、1,2,3,4−ブタンテトロール
テトラキス−3,5−ジメチルベンゼンスルホネート等
の1,2,3,4−ブタンテトロールテトラスルホネー
ト類、ペンタエリスリトールテトラメタンスルホネー
ト、ペンタエリスリトールテトラエタンスルホネート、
ペンタエリスリトールテトラプロパンスルホネート、ペ
ンタエリスリトールテトラベンゼンスルホネート、ペン
タエリスリトールテトラ−p−トルエンスルホネート、
ペンタエリスリトールテトラ−4−エチルベンゼンスル
ホネート、ペンタエリスリトールテトラキス−3,5−
ジメチルベンゼンスルホネート等のペンタエリスリトー
ルテトラスルホネート類等の4価スルホネート類が挙げ
られる。
ルトリメタンスルホネート、1,2,3−プロパントリ
オールトリエタンスルホネート、1,2,3−プロパン
トリオールトリベンゼンスルホネート、1,2,3−プ
ロパントリオールトリ−p−トルエンスルホネート等の
1,2,3−プロパントリオールトリスルホネート類、
1,2,3−ブタントリオールトリメタンスルホネー
ト、1,2,3−ブタントリオールトリエタンスルホネ
ート、1,2,3−ブタントリオールトリベンゼンスル
ホネート、1,2,3−ブタントリオールトリ−p−ト
ルエンスルホネート等の1,2,3−ブタントリオール
トリスルホネート類、1,2,4−ブタントリオールト
リメタンスルホネート、1,2,4−ブタントリオール
トリエタンスルホネート、1,2,4−ブタントリオー
ルトリベンゼンスルホネート、1,2,4−ブタントリ
オールトリ−p−トルエンスルホネート等の1,2,4
−ブタントリオールトリスルホネート類、トリメチロー
ルプロパントリメタンスルホネート、トリメチロールプ
ロパントリエタンスルホネート、トリメチロールプロパ
ントリベンゼンスルホネート、トリメチロールプロパン
トリ−p−トルエンスルホネート等のトリメチロールプ
ロパントリスルホネート類、3−メチルペンタン−1,
3,5−トリオールトリメタンスルホネート、3−メチ
ルペンタン−1,3,5−トリオールトリエタンスルホ
ネート、3−メチルペンタン−1,3,5−トリオール
トリベンゼンスルホネート、3−メチルペンタン−1,
3,5−トリオールトリ−p−トルエンスルホネート等
の3−メチルペンタン−1,3,5−トリオールトリス
ルホネート類等の3価スルホネート類、1,2,3,4
−ブタンテトロールテトラメタンスルホネート、1,
2,3,4−ブタンテトロールテトラエタンスルホネー
ト、1,2,3,4−ブタンテトロールテトラベンゼン
スルホネート、1,2,3,4−ブタンテトロールテト
ラ−p−トルエンスルホネート等の1,2,3,4−ブ
タンテトロールテトラスルホネート類、ペンタエリスリ
トールテトラメタンスルホネート、ペンタエリスリトー
ルテトラエタンスルホネート、ペンタエリスリトールテ
トラベンゼンスルホネート、ペンタエリスリトールテト
ラ−p−トルエンスルホネート等のペンタエリスリトー
ルテトラスルホネート類等の4価スルホネート類であ
る。
オールトリメタンスルホネート、1,2,3−プロパン
トリオールトリ−p−トルエンスルホネート、1,2,
3−ブタントリオールトリメタンスルホネート、1,
2,3−ブタントリオールトリベンゼンスルホネート、
1,2,3−ブタントリオールトリ−p−トルエンスル
ホネート、1,2,4−ブタントリオールトリメタンス
ルホネート、1,2,4−ブタントリオールトリ−p−
トルエンスルホネート、トリメチロールプロパントリメ
タンスルホネート、トリメチロールプロパントリ−p−
トルエンスルホネート、3−メチルペンタン−1,3,
5−トリオールトリメタンスルホネート、3−メチルペ
ンタン−1,3,5−トリオールトリ−p−トルエンス
ルホネート等の3価のメタンスルホネート類及びp−ト
ルエンスルホネート類である。
を混合して使用してもよい。リチウム塩を溶解した非水
系有機溶媒への上記多価スルホネート化合物の添加量は
特に限定されないが、通常はこのスルホネート化合物が
非水系電解液の0.01重量%以上、好ましくは0.1
重量%以上を占めるようにする。上限は通常15重量%
以下、好ましくは7重量%以下、最も好ましくは3重量
%以下である。添加量が多すぎるとイオン伝導度が低下
してレート特性などの電池特性が低下する傾向にある。
また添加量が少な過ぎる場合は、保存特性の向上が認め
られない。
ウム塩としては、特に制限はないが、例えばLiP
F6、LiAsF6、LiBF4、LiSbF6、LiAl
Cl4、LiClO4、CF3SO3Li、C4F9SO3L
i、CF3COOLi、(CF3CO)2NLi、(CF3
SO2)2NLi、(C2F5SO2)2NLiなどのリチウ
ム塩が挙げられる。特に、溶媒に溶けやすくかつ高い解
離度を示すLiPF6、LiBF4、CF3SO3Li及び
(CF3SO2)2NLiからなる群から選ばれるリチウ
ム塩は好適に用いられる。また非水系電解液中のリチウ
ム塩の濃度は、通常0.5〜2mol/Lの範囲が好ま
しい。
リチウム塩を溶解させることができる限り特に限定はさ
れないが、なかでも高いイオン導電性を発現させる溶媒
として、通常、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエ
チルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネー
ト(EMC)、メチルプロピルカーボネート、エチルプ
ロピルカーボネート等の鎖状カーボネート類、エチレン
カーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(P
C)、ブチレンカーボネート(BC)等の環状カーボネ
ート類、ビニレンカーボネート、ビニルエチレンカーボ
ネート等の不飽和カーボネート類、1,2−ジメトキシ
エタン、テトラヒドロフランなどのエーテル類、γ−ブ
チロラクトン、γ−バレロラクトン等の環状エステル
類、ギ酸メチル、酢酸メチル、プロピオン酸メチル等の
鎖状エステル類が好ましく用いられる。
な物性を発現するように混合して使用される。一般に上
記鎖状カーボネート類と上記環状カーボネート類とを併
用するのが好ましい。また上記鎖状カーボネート類の中
でも特に好ましいのはエチルメチルカーボネート、メチ
ルプロピルカーボネート、エチルプロピルカーボネート
等の非対称カーボネート類である。なかでもエチルメチ
ルカーボネートは、粘度が低いのでリチウムの移動性を
高めるだけでなく、沸点が比較的高くて揮散し難いので
取り扱いやすく、またLiとの反応性も小さいので好適
に用いられる。またビニレンカーボネート、ビニルエチ
レンカーボネート等の不飽和カーボネート類は初期充電
時に還元されやすく、安定な界面保護皮膜(SEI)を
形成するのに寄与するので好ましい。これらの不飽和カ
ーボネート類は、非水系有機溶媒中に通常0.01重量
%以上、好ましくは0.05重量%以上となるように含
有させる。その上限は通常10重量%以下、好ましくは
8重量%以下である。
し、非水系電解液の各原料は、予め脱水しておくのが好
ましい。水分量は通常、50ppm以下、好ましくは3
0ppm以下とするのがよい。水が多量に存在すると、
水の電気分解及びリチウム金属との反応、リチウム塩の
加水分解などが起こる可能性がある。脱水の手段として
は特に制限はないが、溶媒などの液体の場合はモレキュ
ラーシーブ等を用いればよい。またリチウム塩などの固
体の場合は分解が起きる温度以下で乾燥すればよい。
電池用の電解液として有用である。以下、この非水系電
解液を用いる本発明に係るリチウム二次電池について説
明する。このリチウム二次電池の基本的構成は、従来公
知のリチウム二次電池と同様であり、正極と負極とが多
孔膜及び本発明に係る非水系電解液を介してケースに収
納されている。リチウム二次電池の外観形状は特に限定
されるものではなく、従来公知のコイン型電池、円筒型
電池、角形電池などいずれであってもよい。正極及び負
極の活物質は、電池の種類に応じて適宜選択すればよ
い。
o、Ni、Mn等の遷移金属を有する酸化物、これらと
リチウムとの複合酸化物、硫化物等の無機化合物が挙げ
られる。具体的には、MnO、V2O5、V6O13、Ti
O2等の遷移金属酸化物、リチウムニッケル複合酸化
物、リチウムコバルト複合酸化物、リチウムマンガン複
合酸化物などのリチウムと遷移金属との複合酸化物、T
iS2、FeSなどの遷移金属硫化物が挙げられる。上
記の活物質の複数種を混合して用いてもよい。中でも、
リチウムニッケル複合酸化物、リチウムコバルト複合酸
化物、リチウムマンガン複合酸化物などのリチウムと遷
移金属との複合酸化物は高容量と高サイクル特性とを両
立させるので好適に用いられる。
の種類によらずリチウム二次電池の保存特性を向上させ
るが、特にリチウムニッケル複合酸化物を含有する正極
を使用した場合にその効果は大きく、高温保存時のガス
発生を抑制する等の大幅なる特性改善をもたらす。上記
のリチウムニッケル複合酸化物とは、少なくともリチウ
ム、ニッケル及び酸素を含有する酸化物であり、例え
ば、LiNiO2、Li2NiO2、LiNi2O4等を挙
げることができるが、中でもLiNiO2が好ましい。
また、リチウムニッケル複合酸化物は、Niが占めるサ
イトの一部をNi以外の元素で置換したものであっても
よい。Niサイトの一部を他の元素で置換することによ
って、結晶構造の安定性を向上させることができ、繰り
返し充放電する際のNi元素の一部がLiサイトに移動
して発生する容量低下が抑制されるため、サイクル特性
も向上する。さらに、Niサイトの一部をNi以外の元
素で置換することによって、電池の温度が上昇した場合
のリチウムニッケル複合酸化物の暴走反応も抑制され、
結果として安全性の向上につながる。
素で置換する際の、当該元素(以下、置換元素と表記す
る)としては、例えば、Al、Ti、V、Cr、Mn、
Fe、Co、Li、Cu、Zn、Mg、Ga、Zr等が
挙げられる。好ましくはAl、Cr、Fe、Co、L
i、Mg、Ga、Mnが挙げられ、更に好ましくはA
l、Coが挙げられる。Niサイトは2種以上の他元素
で置換されていてもよい。
合、その割合は通常、Ni元素の2.5モル%以上、好
ましくは5モル%以上であり、通常Ni元素の50モル
%以下、好ましくは20モル%以下である。置換割合が
少なすぎるとサイクル特性等の改善効果が充分ではない
場合があり、多すぎると電池にした場合の容量が低下し
てしまう場合がある。
/g以上、好ましくは0.2m2/g以上であり、また
通常10m2/g以下、好ましくは5.0m2/g以下で
ある。比表面積が小さすぎるとレート特性の低下、容量
の低下を招き、大きすぎると電解液等と好ましくない反
応を引き起こし、サイクル特性を低下させることがあ
る。特にリチウムニッケル複合酸化物は電解液との反応
性が高いので、通常5.0m2/g以下、好ましくは
2.0m2/g以下である。
μm以上、好ましくは0.5μm以上、通常30μm以
下、好ましくは20μm以下である。平均2次粒径が小
さすぎると電池のサイクル劣化が大きくなったり、安全
性に問題が生じたりする場合があり、大きすぎると電池
の内部抵抗が大きくなり、出力が出にくくなる場合があ
る。
ウム合金を使用することもできるが、サイクル特性及び
安全性が良好な点で、リチウムイオンを吸蔵放出可能な
コークス,アセチレンブラック、メゾフェーズマイクロ
ビーズ、グラファイト等の炭素質物質を使用するのが特
に好ましい。粒状の負極活物質の粒径は、初期効率、レ
−ト特性、サイクル特性等の電池特性が優れる点で、通
常1〜50μm、好ましくは15〜30μm程度であ
る。
焼成した材料、あるいはCVD法等を用いて、表面の少
なくとも一部に上記炭素質物に比べて非晶質の炭素を形
成した材料もまた、炭素質物質として好適に使用するこ
とができる。上記有機物としては、軟ピッチから硬ピッ
チまでのコールタールピッチ;乾留液化油等の石炭系重
質油;常圧残油、減圧残油等の直留系重質油;原油、ナ
フサ等の熱分解時に副生する分解系重質油(例えばエチ
レンヘビーエンド)等の石油系重質油が挙げられる。ま
た、これらの重質油を200〜400℃で蒸留して得ら
れた固体状残渣物を、1〜100μmに粉砕したものも
使用することができる。さらに塩化ビニル樹脂や、焼成
によりフェノール樹脂やイミド樹脂となるこれらの樹脂
前駆体も使用することができる。
ては、耐候性、耐薬品性、耐熱性、難燃性等の観点から
各種の材料が挙げられる。具体的には、シリケート、ガ
ラスのような無機化合物や、ポリエチレン、ポリプロピ
レン、ポリ−1,1−ジメチルエチレンなどのアルカン
系ポリマー;ポリブタジエン、ポリイソプレンなどの不
飽和系ポリマー;ポリスチレン、ポリメチルスチレン、
ポリビニルピリジン、ポリ−N−ビニルピロリドンなど
の環を有するポリマー;ポリメタクリル酸メチル、ポリ
メタクリル酸エチル、ポリメタクリル酸ブチル、ポリア
クリル酸メチル、ポリアクリル酸エチル、ポリアクリル
酸、ポリメタクリル酸、ポリアクリルアミドなどのアク
リル誘導体系ポリマー;ポリフッ化ビニル、ポリフッ化
ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系
樹脂;ポリアクリロニトリル、ポリビニリデンシアニド
などのCN基含有ポリマー;ポリ酢酸ビニル、ポリビニ
ルアルコールなどのポリビニルアルコール系ポリマー;
ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデンなどのハロゲン含
有ポリマー;ポリアニリンなどの導電性ポリマーなどが
使用できる。また上記のポリマーなどの混合物、変成
体、誘導体、ランダム共重合体、交互共重合体、グラフ
ト共重合体、ブロック共重合体などであっても使用でき
る。これらの樹脂の重量平均分子量は、通常1万〜30
0万、好ましくは10万〜100万程度である。分子量
が低すぎると電極の強度が低下する傾向にある。一方、
分子量が高すぎると粘度が高くなり、電極の形成が困難
になることがある。好ましいバインダー樹脂は、フッ素
系樹脂、CN基含有ポリマーである。
部に対して通常0.1重量部以上、好ましくは1重量部
以上であり、また通常30重量部以下、好ましくは20
重量部以下である。バインダーの量が少なすぎると電極
の強度が低下する傾向にあり、バインダーの量が多すぎ
るとイオン伝導度が低下する傾向にある。さらに電極中
には、電極の導電性や機械的強度を向上させるため、導
電性材料、補強材など各種の機能を発現する添加剤、粉
体、充填材などを含有させてもよい。導電性材料として
は、上記活物質に適量混合して導電性を付与できるもの
であれば特に制限はないが、通常、アセチレンブラッ
ク、カーボンブラック、黒鉛などの炭素粉末や、各種の
金属のファイバー、箔などが挙げられる。補強材として
は各種の無機、有機の球状、繊維状フィラーなどが使用
できる。
と溶剤とを含む塗料を塗布・乾燥することによって形成
することができる。電極の厚さは、通常1μm以上、好
ましくは10μm以上、さらに好ましくは20μm以
上、最も好ましくは40μm以上であり、また通常20
0μm以下、好ましくは150μm以下、さらに好まし
くは100μm以下である。薄すぎると塗布が困難にな
り均一性が確保しにくくなるだけでなく、電池の容量が
小さくなりすぎることがある。一方、あまりに厚すぎる
とレート特性が低下しすぎることがある。
通常、集電体上に形成される。集電体としては、各種の
ものを使用することができるが、通常は金属や合金が用
いられる。具体的には、正極の集電体としては、アルミ
ニウムやニッケル、SUS等が挙げられ、負極の集電体
としては、銅やニッケル、SUS等が挙げられる。好ま
しくは、正極の集電体としてアルミニウムを使用し、負
極の集電体として銅を使用する。正負極層との結着効果
を向上させるため、これら集電体の表面を予め粗面化処
理しておくのが好ましい。表面の粗面化方法としては、
ブラスト処理や粗面ロールにより圧延するなどの方法、
研磨剤粒子を固着した研磨布紙、砥石、エメリバフ、鋼
線などを備えたワイヤ−ブラシなどで集電体表面を研磨
する機械的研磨法、電解研磨法、化学研磨法などが挙げ
られる。
エネルギー密度を向上させるために、エキスパンドメタ
ルやパンチングメタルのような穴あきタイプの集電体を
使用することもできる。この場合、その開口率を変更す
ることで重量も自在に変更可能となる。また、このよう
な穴あけタイプの集電体の両面に活物質を存在させた場
合、この穴を通しての塗膜のリベット効果により塗膜の
剥離がさらに起こりにくくなる傾向にあるが、開口率が
あまりに高くなった場合には、塗膜と集電体との接触面
積が小さくなるため、かえって接着強度は低くなること
がある。
くは5μm以上であり、通常100μm以下、好ましく
は50μm以下である。あまりに厚すぎると、電池全体
の容量が低下しすぎることになり、逆に薄すぎると取り
扱いが困難になることがある。本発明の非水系電解液
は、これを高分子によってゲル化して半固体状にしても
よい。半固体状電解質における上記非水系電解液の使用
量は、半固体状電解質の総量に対して、通常30重量%
以上、好ましくは50重量%以上、さらに好ましくは7
5重量%以上であり、また通常99.95重量%以下、
好ましくは99重量%以下、さらに好ましくは98重量
%以下とする。使用量が多すぎると、電解液の保持が困
難となり液漏れが生じやすくなり、逆に少なすぎると充
放電効率や容量の点で不十分となることがある。
で、多孔性のスペーサが設けられているのが好ましい。
即ち、この場合、電解液は、多孔性のスペーサに含浸さ
れて使用される。スペーサの材料としては、ポリエチレ
ンやポリプロピレン等のポリオレフィンや、ポリテトラ
フルオロエチレン、ポリエーテルスルホン等を用いるこ
とができるが、好ましくはポリオレフィンである。スペ
ーサの厚さは、通常1μm以上、好ましくは5μm以
上、さらに好ましくは10μm以上であり、また通常5
0μm以下、好ましくは40μm以下、さらに好ましく
は30μm以下である。多孔膜が薄すぎると、絶縁性や
機械的強度が悪化することがあり、厚すぎるとレート特
性等の電池性能が悪化するばかりでなく、電池全体とし
てのエネルギー密度が低下することがある。スペーサの
空孔率としては、通常20%以上、好ましくは35%以
上、さらに好ましくは45%以上であり、また通常90
%以下、好ましくは85%以下、さらに好ましくは75
%以下である。空孔率が小さすぎると膜抵抗が大きくな
りレート特性が悪化する傾向にある。また大きすぎると
膜の機械的強度が低下し絶縁性が低下する傾向にある。
スペーサの平均孔径は、通常0.5μm以下、好ましく
は0.2μm以下であり、また通常0.05μm以上で
ある。あまりに大きいと短絡が生じやすくなり、小さす
ぎると膜抵抗が大きくなりレート特性が悪化することが
ある。
更に説明するが、本発明はその要旨を越えない限りこれ
らの実施例により限定されるものではない。 実施例1 [正極の製造]リチウムニッケル複合酸化物(LiNi
0.82Co0.15Al0.03O2)90重量%とポリフッ化ビ
ニリデン(PVdF)5重量%とアセチレンブラック5
重量%とを混合し、N−メチルピロリドンを加えスラリ
ー状にしたものをアルミニウムからなる集電体の両面に
塗布・乾燥して正極を得た。
%とPVdF10重量%とを混合し、N−メチルピロリ
ドンを加えスラリー状にしたものを銅からなる集電体の
片面に塗布・乾燥して負極を得た。 [電解液の調合]LiPF6を1.25mol/Lの割
合で含有するエチレンカーボネートとエチルメチルカー
ボネートとの混合溶媒(混合体積比1:3)100重量
部にビニレンカーボネート2重量部を加えたものをベー
ス電解液とし、これに1,2,4−ブタントリオールト
リメタンスルホネート1重量部を加えて電解液とした。
極、及び膜厚16μm、空孔率45%、平均孔径0.0
5μmのポリエチレン製2軸延伸多孔膜フィルムに、そ
れぞれ前記電解液を塗布・含浸させた後、負極、セパレ
ータ、正極、セパレータ、負極の順に積層した。こうし
て得られた電池要素を、まずPETフィルムで挟んだ
後、アルミニウム層の両面を樹脂層で被覆したラミネー
トフィルムに正極負極の端子を突設させつつ、真空封止
してシート状のリチウム二次電池を作製した。さらに電
極間の密着性を高めるためにシリコンゴム及びガラス板
でシート状電池を挟んだ上で0.35kg/cm2で加
圧した。図1に二次電池の概略断面図を示す。
の1時間当たりの放電量を180mAh/gとし、これ
とリチウム二次電池の正極の活物質量とから放電速度1
Cを求めてレート設定をした上で、0.2Cで4.2V
まで充電した後、0.2Cで3Vまで放電し、初期のフ
ォーメーションを行った。ついで0.5Cで4.2Vま
で充電した後、0.2Cで3Vまで再度放電し、0.2
C放電容量を求めた。なお充電時のカット電流は0.0
5Cとした。
電池を0.5Cで4.2Vまで充電した後、85℃の恒
温槽に1日間保存した後、ガスの発生量をエタノール浴
に電池を漬けて浮力を測定(アルキメデスの原理)して
求めた。また保存後の容量劣化具合を評価するため、
0.5Cで4.2Vまで充電した後に0.2Cで放電し
て保存後の0.2C放電容量を測定し、下記の計算式に
従い容量回復率を求めた。結果を表1に示す。
(mAh/g)/0.2C放電容量(mAh/g)
の添加量を3重量部とした電解液を使用したこと以外は
実施例1と同様にしてリチウム二次電池を作製し、実施
例1と同様の電池特性試験を実施した。結果を表1に示
す。
の添加量を5重量部とした電解液を使用したこと以外は
実施例1と同様にしてリチウム二次電池を作製し、実施
例1と同様の電池特性試験を実施した。結果を表1に示
す。 実施例4 LiPF6を1.0mol/Lの割合で含有するエチレ
ンカーボネートとジエチルカーボネートとの混合溶媒
(混合体積比1:1)100重量部に1,2,4−ブタ
ントリオールトリメタンスルホネート1重量部を加えた
ものを電解液として使用したこと以外は実施例1と同様
にしてリチウム二次電池を作製し、実施例1と同様の電
池特性試験を実施した。結果を表1に示す。電解液組成
によらずガス発生量が減少しており、保存特性向上の効
果が見られる。
を添加しない電解液を使用したこと以外は実施例1と同
様にしてリチウム二次電池を作製し、実施例1と同様の
電池特性試験を実施した。結果を表1に示す。容量回復
率が低く、しかもガスが大量に発生しており、保存特性
が大幅に劣っていることがわかる。
スルホネートの代わりに1,4−ブタンジオールジメタ
ンスルホネートを添加した電解液を使用したこと以外は
実施例1と同様にしてリチウム二次電池を作製し、実施
例1と同様の電池特性試験を実施した。結果を表1に示
す。容量回復率において向上が見られるが、ガス発生を
抑制する効果が不十分である。
O2)90重量%とPVdF5重量%とアセチレンブラ
ック5重量%とを混合し、N−メチルピロリドンを加え
スラリー状にしたものをアルミニウムからなる集電体の
両面に塗布・乾燥して正極を得た。
重量%とPVdF9.7重量%とアセチレンブラック
2.9重量%とを混合し、N−メチルピロリドンを加え
スラリー状にしたものを銅からなる集電体の片面に塗布
・乾燥して負極を得た。 [電解液の調合]LiPF6を1.25mol/Lの割
合で含有するエチレンカーボネートとエチルメチルカー
ボネートとの混合溶媒(混合体積比1:3)100重量
部にビニレンカーボネート2重量部を加えたものをベー
ス電解液とし、これに1,2,4−ブタントリオールト
リメタンスルホネート1重量部を加えて電解液とした。
極、及び膜厚16μm、空孔率45%、平均孔径0.0
5μmのポリエチレン製2軸延伸多孔膜フィルムに、そ
れぞれ前記電解液を塗布・含浸させた後、負極、セパレ
ータ、正極、セパレータ、負極の順に積層した。こうし
て得られた電池要素を、まずPETフィルムで挟んだ
後、アルミニウム層の両面を樹脂層で被覆したラミネー
トフィルムに正極負極の端子を突設させつつ、真空封止
してシート状のリチウム二次電池を作製した。さらに電
極間の密着性を高めるためにシリコンゴム及びガラス板
でシート状電池を挟んだ上で0.35kg/cm2で加
圧した。
の1時間当たりの放電量を138mAh/gとし、これ
とリチウム二次電池の正極の活物質量とから放電速度1
Cを求めてレート設定をした上で、0.2Cで4.2V
まで充電した後、0.2Cで3Vまで放電し、初期のフ
ォーメーションを行った。ついで0.5Cで4.2Vま
で充電した後、0.2Cで3Vまで再度放電し、0.2
C放電容量を求めた。なお充電時のカット電流は0.0
5Cとした。
電池を0.5Cで4.2Vまで充電した後、85℃の恒
温槽に1日間保存した後、ガスの発生量をエタノール浴
に電池を漬けて浮力を測定して求めた。また保存後の容
量劣化具合を評価するため、0.5Cで4.2Vまで充
電した後に0.2Cで放電して保存後の0.2C放電容
量を測定し、前記計算式に従い容量回復率を求めた。結
果を表1に示す。
を添加しない電解液を使用したこと以外は実施例5と同
様にしてリチウム二次電池を作製し、実施例5と同様の
電池特性試験を実施した。結果を表1に示す。リチウム
コバルト複合酸化物を正極活物質としているために、保
存後のガス発生量は低いレベルにあるが、容量回復が不
十分である。
る非水系電解液を用いれば高容量を維持したまま、高温
保存特性が改善される。特に保存時に発生するガス量を
抑制するのに有効であり、中でもリチウムニッケル複合
酸化物を含有する正極を用いたリチウム二次電池におい
てガス発生抑制の効果が大きい。
有するエチレンカーボネートとエチルメチルカーボネー
トとの混合溶媒(混合体積比1:3)100重量部にビ
ニレンカーボネート2重量部を加えたものに1,2,4
-ブタントリオールトリメタンスルホネート1重量部を
加えて調合した電解液を使用した以外は実施例5と同様
にしてリチウム二次電池を作製し、実施例5と同様の容
量評価試験を実施した。ついでこの電池を60℃の恒温
槽に入れ、0.7Cで定電流充電し、4.25Vに到達
したところで定電圧充電に切り替えた。7日間充電を行
った後、電池をエタノール浴に漬けて浮力を測定し、浮
力よりガスの発生量を算出した。結果を表2に示す。
スルホネートの代わりに1,3−プロパンサルトンを添
加した電解液を使用したこと以外は実施例6と同様にし
てリチウム二次電池を作製し、実施例6と同様の電池特
性試験を実施した。結果を表2に示す。
を添加しない電解液を使用したこと以外は実施例6と同
様にしてリチウム二次電池を作製し、実施例6と同様の
電池特性試験を実施した。結果を表2に示す。
る非水系電解液を用いれば、連続充電時に発生するガス
量を抑制できる。
性及び連続充電特性の良好なリチウム二次電池を得るこ
とができる。
す概略断面図である。
シリコンゴム6 ガラス板7 ラミネートフィルム8
封止材付きリード
Claims (6)
- 【請求項1】 リチウム塩が非水系有機溶媒に溶解され
てなる非水系電解液であって、該非水系有機溶媒が下記
一般式(1)で表される多価スルホネート化合物を含有
することを特徴とする非水系電解液。 【化1】 (式中、Lは炭素原子と水素原子から構成されたZ価の
連結基を表し、Rは炭化水素基を表し、Zは3以上の整
数である) - 【請求項2】 上記多価スルホネート化合物の含有量が
非水系電解液の0.01〜15重量%を占めることを特
徴とする、請求項1に記載の非水系電解液。 - 【請求項3】 非水系有機溶媒が、不飽和カーボネート
を含有することを特徴とする、請求項1又は2のいずれ
かに記載の非水系電解液。 - 【請求項4】 非水系有機溶媒が、非対称カーボネート
を含有することを特徴とする、請求項1〜3のいずれか
1項に記載の非水系電解液。 - 【請求項5】 請求項1〜4のいずれか1項に記載の非
水系電解液を用いたことを特徴とするリチウム二次電
池。 - 【請求項6】 活物質としてリチウムニッケル複合酸化
物を含有する正極を用いることを特徴とする、請求項5
に記載のリチウム二次電池。
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