JP2004241339A - Electrolyte liquid for secondary battery, and secondary battery of nonaqueous electrolyte liquid - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、二次電池用電解液および非水電解液二次電池に関する。
【0002】
【従来の技術】
リチウムイオン二次電池は、携帯型電子機器やパソコン等の用途に広く利用されている。また、今後は自動車用途への適応も期待されている。これらの用途においては、従来から電池の小型化、軽量化が求められているが、その一方で、電池のエネルギー密度を高めることが重要な技術的課題となっている。
【0003】
リチウムイオン二次電池のエネルギー密度を高める方法としては幾つか考えられるが、その中でも電池の動作電位を上昇させることが有効な手段である。従来のコバルト酸リチウムやマンガン酸リチウムを正極活物質として用いたリチウムイオン二次電池では、動作電位はいずれも4V級(平均動作電位=3.6〜3.8V:対リチウム電位)となる。これは、CoイオンもしくはMnイオンの酸化還元反応(Co3 +←→Co4+もしくはMn3 +←→Mn4+)によって発現電位が規定されるためである。これに対し、たとえばマンガン酸リチウムのMnをNi等により置換したスピネル化合物を活物質として用いることにより、5V級の動作電位を実現できることが知られている。具体的には、LiNi0. 5Mn1. 5O4等のスピネル化合物を用いることにより、4.5V以上の領域に電位プラトーを示すことが知られている。こうしたスピネル化合物においては、Mnは4価の状態で存在し、Mn3+←→Mn4+の酸化還元に代わってNi2+←→Ni4+の酸化還元によって動作電位が規定されることとなる。
【0004】
LiNi0. 5Mn1.5O4は容量が130mAh/g以上であり、平均動作電圧はLi金属に対して4.6V以上である。容量としてはLiCoO2より小さいが、電池のエネルギー密度は、LiCoO2よりも高い。このような理由から、LiNi0.5Mn1.5O4は、将来の正極材料として有望である。たとえば従来複数本の電池を使用していた機器について、5V級の動作電位を有する二次電池を用い、電圧を高くすることにより、使用する電池数を削減し、またエネルギー密度を向上させることができる。
【0005】
ところが、LiNi0.5Mn1.5O4等の高電圧の正極材料を活物質として用いた電池はLiCoO2などを正極活物質として用いた電池と比べて、充放電サイクルや、充電状態で放置した場合の容量低下を伴う劣化が生じやすいことがわかってきた。サイクルに伴う容量劣化の主な原因としては正極側で電解液の分解生成物などが生成し、充放電サイクルにより、分解生成物が負極側に堆積するためであると考えられる。特に、50℃程度の温度では劣化が生じやすいため、50℃程度での動作においても劣化が抑制される電池が求められていた。
【0006】
そこで、電解液中にヘキサメチレンテトラミンを添加することによって、電解液中のHF量を減少させ、LiMn2O4からのMn溶出を抑制する技術が提案されている(特許文献1)。ところが、特許文献1に記載の電解液では、正極における電解液の分解は抑制することができなかった。
【0007】
また、電解液の溶媒としてハロゲン置換鎖状エステルを用いることによって、電解液の耐酸化および充放電サイクルを向上させる技術が提案されている(特許文献2)。ところが、特許文献2の条件でハロゲン置換鎖状エステルを用いた場合、電解液の粘度が高く電解液の導電率が低下するため、大電流での充放電特性が劣化することがあった。
【0008】
また、特許文献3には、電子吸引性基を有する炭酸ビニレン誘導体を含む電解液を用いる方法が提案されており、特許文献4には環状カーボネート、非対称鎖状カーボネートおよびカルボン酸エステルを含む電解液を用いる方法が提案されている。しかし、これらの方法を用いても、5V級の動作電位を有する二次電池のサイクル特性を充分改善することはできなかった。
【0009】
【特許文献1】
特開2001−266940号公報
【特許文献2】
特開平7−6786号公報
【特許文献3】
特開2001−35530号公報
【特許文献4】
特開2002−305035号公報
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、非水電解液二次電池のサイクルに伴う容量低下や、高温での信頼性の低下を抑制する技術を提供することにある。また、本発明の別の目的は、非水電解液二次電池の動作電圧を高める技術を提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、電解質と、鎖状カルボン酸エステルと、を有することを特徴とする二次電池用電解液が提供される。
【0012】
また、本発明によれば、Li金属に対して4.5V以上の平均放電電位を有する正極活物質と、電解液とを含む二次電池であって、前記電解液が電解質と鎖状カルボン酸エステルとを含むことを特徴とする非水電解液二次電池が提供される。
【0013】
本発明においては、電解液を構成する有機溶媒中に鎖状カルボン酸エステルが含まれるため、容量劣化を減少させることができる。また大電流放電時の出力特性を向上させることができる。この理由は、鎖状カルボン酸エステルを含有すると電解液の電導度が大きくなり、分極が低減することによるものと推察される。
【0014】
また、本発明者が検討した結果、4.5V以上で充放電する正極を使用した場合に、これらの電池特性が顕著に改善されることが明らかになった。4.5V以上の放電電位を有する電池は、電解液が高電圧下に存在する時間が長く、電解液の分解反応が促進される。このため、電解液の分解に伴う容量劣化が特に顕著である。4.5V以上の放電電位を有する電池は、4.5Vで充放電する電池に比べて負極上に堆積する分解生成物の量が多く、負極側での抵抗が上昇することにより容量劣化が起こり易いが、電解液に鎖状カルボン酸エステルを含有させることにより、これを好適に緩和することができる。
【0015】
本発明の二次電池用電解液において、前記鎖状カルボン酸エステルが、前記電解液を構成する有機溶媒中の0.01体積%以上60体積%以下含まれる構成とすることができる。
【0016】
また、本発明の非水電解液二次電池において、前記鎖状カルボン酸エステルが、前記電解液を構成する有機溶媒中の0.01体積%以上60体積%以下含まれる構成とすることができる。
【0017】
こうすることにより、電解液を構成する溶媒の誘電率の低下が抑制されるため、サイクル特性を確実に向上させることができる。
【0018】
本発明によれば、電解質と、ハロゲン置換炭酸エステルを含み、該ハロゲン置換炭酸エステルの主骨格炭素が飽和していることを特徴とする二次電池用電解液が提供される。
【0019】
また、本発明によれば、Li金属に対して4.5V以上の平均放電電位を有する正極活物質と、電解液とを含む二次電池であって、前記電解液がハロゲン置換炭酸エステルを含み、該ハロゲン置換炭酸エステルの主骨格炭素が飽和していることを特徴とする非水電解液二次電池が提供される。
【0020】
本発明においては、電解液を構成する有機溶媒にハロゲン置換炭酸エステルが含まれるため、二次電池の容量劣化を抑制することができる。この理由としては、ハロゲン置換炭酸エステルが選択的に還元されるため、負極上に電気伝導性の高い被膜が形成されることにより、負極上への分解生成物の析出が抑制されるためであると推察される。
【0021】
本発明の二次電池用電解液において、前記ハロゲン置換炭酸エステルが、ジエチルカーボネート、エチレンカーボネート、またはプロピオンカーボネートのいずれかのハロゲン置換体であってもよい。
【0022】
また、本発明の非水電解液二次電池において、前記ハロゲン置換炭酸エステルが、ジエチルカーボネート、エチレンカーボネート、またはプロピオンカーボネートのいずれかのハロゲン置換体であってもよい。
【0023】
こうすることにより、二次電池のサイクル特性を確実に向上させることができる。
【0024】
本発明の二次電池用電解液において、カルボン酸エステルをさらに含んでもよい。また、本発明の非水電解液二次電池において、前記電解液がカルボン酸エステルをさらに含んでもよい。こうすることにより、ハロゲン置換炭酸エステルとカルボン酸エステルとの相乗効果が発揮され、サイクル特性を飛躍的に改善させることができる。なお、この場合、カルボン酸エステルの種類に特に制限はない。
【0025】
本発明の二次電池用電解液において、鎖状炭酸エステルまたは環状炭酸エステルをさらに含んでもよい。また、本発明の非水電解液二次電池において、前記電解液が、鎖状炭酸エステルまたは環状炭酸エステルをさらに含んでもよい。こうすることにより、電解液の誘電率または粘度の調節が可能となる。
【0026】
本発明の二次電池用電解液において、前記ハロゲン置換炭酸エステルが、前記電解液を構成する有機溶媒中の0.01体積%以上20体積%以下含まれる構成とすることができる。また、本発明の非水電解液二次電池において、前記ハロゲン置換炭酸エステルが、前記電解液を構成する有機溶媒中の0.01体積%以上20体積%以下含まれる構成とすることができる。こうすることにより、電解液の粘度上昇が好適に抑制されるため、サイクル特性を確実に向上させることができる。
【0027】
本発明の非水電解液二次電池において、正極活物質が、下記一般式(1)で表されるスピネル型リチウムマンガン複合酸化物を含む構成とすることができる。
Lia(NixMn2−x−y−zMyAz)(O4−wZw) (1)
(ただし、上記一般式(1)において、0.4≦x≦0.6、0≦y、0≦z、x+y+z<2、0<a<1.2、0<w<1であり、Mは、Be、Ge、B、Na、Mg、Al、KおよびCaからなる群より選ばれる少なくとも一種であり、Aは、TiまたはSiの少なくとも一種である。Zは、FまたはClの少なくとも一種である。)
【0028】
こうすることにより、サイクル特性を確実に向上させることができる。なおこの理由は、元素置換された上記一般式(1)の化合物を正極活物質として用いることにより、正極の活性な界面が減少して正極と電解液の電解液分解が抑制されたためであると推察される。
【0029】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る二次電池の好ましい実施の形態について説明する。本実施形態に係る二次電池に用いられる電解液は、有機溶媒と、有機溶媒に溶解されたリチウム塩とが含まれる。有機溶媒には、主骨格炭素が飽和しているハロゲン置換炭酸エステルと鎖状カルボン酸エステルのうち少なくとも一種が含まれる。
【0030】
鎖状カルボン酸エステルとして、たとえば、ギ酸メチル、ギ酸エチル、酢酸メチル、酢酸エチル、プロピオン酸メチル、またはプロピオン酸エチルなどが好適に用いられる。特に、プロピオン酸メチルまたはプロピオン酸エチルを用いることにより、すぐれたサイクル特性が得られるため好ましい。これらの鎖状カルボン酸エステルを、電解液を構成する有機溶媒中の0.01体積%以上60体積%以下の濃度で添加することが好ましい。0.01体積%以上添加することにより、電解液の分解が好適に抑制され、サイクル特性を向上させることができる、また60体積%以下とすることにより、電解液の誘電率を大きくすることができる。また、さらに好ましくは0.1体積%以上20体積%以下とすることができる。こうすれば、より一層確実にサイクル特性を向上させることができる。
【0031】
また、鎖状カルボン酸エステルとして、酪酸メチル、酪酸エチル、吉草酸メチル、吉草酸エチルなども好適に用いられる。このうち、特に、酪酸メチルを用いることによりすぐれたサイクル特性を得ることができ、好ましい。この場合、鎖状カルボン酸エステルを、前記電解液を構成する有機溶媒中の0.01体積%以上60体積%以下の濃度で添加することが好ましい。0.01体積%以上添加することにより、電解液の分解が好適に抑制され、サイクル特性を向上させることができる、また60体積%以下とすることにより、電解液の誘電率を大きくすることができる。また、さらに好ましくは30体積%以上50体積%以下添加することができる。
【0032】
また、主骨格炭素が飽和しているハロゲン置換炭酸エステルとしては、たとえば、ジメチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、ジメチルカーボネートなどの各種鎖状炭酸エステルのフッ素置換物、塩素置換物、臭素置換物またはヨウ素置換物や、エチレンカーボネートやプロピレンカーボネート等の各種環状炭酸エステルのフッ素置換物、塩素置換物、臭素置換物またはヨウ素置換物を用いることができる。このうち、フッ素置換物を用いることにより、サイクル特性を確実に向上させることが可能であり、好ましい。
【0033】
主骨格炭素が飽和しているフッ素置換炭酸エステルとして具体的には、モノフルオロジメチルカーボネート、モノフルオロメチルエチルカーボネート、ジフルオロジメチルカーボネートや、トリフルオロプロピオンカーボネート、ジフルオロエチレンカーボネート、モノフルオロエチレンカーボネートなどが利用可能である。また、これらのうち、たとえばジエチルカーボネートもしくはエチレンカーボネートもしくはプロピオンカーボネートのフッ素置換物またはその誘導体を用いるとすぐれたサイクル特性が得られ、また電解液の粘度の増加を好適に抑制することができるため、好ましい。
【0034】
主骨格炭素が飽和しているフッ素置換炭酸エステルの添加量は、電解液を構成する有機溶媒中の0.01体積%以上20体積%以下とすることができる。0.01体積%以上とすることにより、サイクル特性が確実に向上される。これは、フッ素置換炭酸エステルが還元され、負極表面に高導電率の被膜を形成するためであると推察される。また、20体積%以下とすることにより、電解液の粘度の増加を抑制することができる。また、さらに好ましくは電解液を構成する有機溶媒中の1体積%以上10体積%以下とすることができる。
【0035】
さらに、電解液成分として、主骨格炭素が飽和しているハロゲン置換炭酸エステルに加え、さらにカルボン酸エステルを含んでいてもよい。こうすることにより、主骨格炭素が飽和しているハロゲン置換炭酸エステルとカルボン酸エステルとの相乗効果により、二次電池のサイクル特性がより一層向上する。カルボン酸エステルの種類に特に制限はなく、各種鎖状カルボン酸エステルまたは各種環状カルボン酸エステルを用いることができるが、たとえば上述の化合物をを用いることができる。
【0036】
また、本実施形態に係る電解液には、上述の鎖状カルボン酸エステルまたは主骨格炭素が飽和しているハロゲン置換炭酸エステルに加え、さらにプロピレンカーボネート(PC)、エチレンカーボネート(EC)、などの環状炭酸エステルを含んでもよい。こうすることにより、溶媒の誘電率が高くなる。また、さらに、ジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、ジエチルカーボネート(DEC)などの鎖状炭酸エステルを含んでいてもよい。こうすると、電解液の粘度を低減させることができる。
【0037】
また、電解液には、上述の鎖状カルボン酸エステルまたは主骨格炭素が飽和しているハロゲン置換炭酸エステルとともに他の非水溶媒を使用することもできる。該他の非水溶媒としては、特に制限されるものではなく、γ−ブチロラクトン等のγ−ラクトン類、1、2−メトキシエタン(DME)1、2−エトキシエタン(DEE)、エトキシメトキシエタン(EME)等の鎖状エーテル類、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン等の環状エーテル類、ジメチルスルホキシド、1、3−ジオキソラン、ホルムアミド、アセトアミド、ジメチルホルムアミド、ジオキソラン、アセトニトリル、プロピルニトリル、ニトロメタン、エチルモノグライム、リン酸トリエステル、トリメトキシメタン、ジオキソラン誘導体、スルホラン、メチルスルホラン、1、3−ジメチル−2−イミダゾリジノン、3−メチル−2−オキサゾリジノン、プロピレンカーボネート誘導体、テトラヒドロフラン誘導体、エチルエーテル、1、3−プロパンスルトン、アニリン、アニソール、N−メチルピロリドン、アルキレンビスカーボネート類などの従来の非水電解液用溶媒として用いられているものが挙げられる。
【0038】
これらの有機溶媒に溶解させるリチウム塩としては、たとえばLiPF6、LiAsF6、LiAlCl4、LiClO4、LiBF4、LiSbF6、LiCF3SO3、LiC4F9CO3、LiC(CF3SO2)2、LiN(CF3SO2)2、LiN(C2F5SO2)2、LiB10Cl10、低級脂肪族カルボン酸リチウム、クロロボランリチウム、四フェニルホウ酸リチウム、LiCl、LiBr、LiI、LiSCN、LiCl、イミド類などがあげられる。また、ポリマー電解質を用いてもよい。電解質濃度は、たとえば0.5mol/lから1.5mol/lとする。濃度が高すぎると密度と粘度が増加し、濃度が低すぎると電気電導率が低下するためである。
【0039】
本実施形態に係る電解液は、Li金属に対して4.5V以上の平均放電電位を有する正極活物質として備える二次電池に好適に用いることができる。4.5V以上の放電電位を有する電池は、電解液が高電圧下におかれる時間が長く、電解液の分解反応が促進されるため、電解液の分解に伴う容量劣化が特に顕著であるが、本実施形態に係る電解液を用いることにより、電解液の分解が好適に抑制され、サイクル特性が向上される。
【0040】
Li金属に対して4.5V以上の平均放電電位を有する正極活物質としては、たとえばLiNi0.5Mn1.5O4、LiCoMnO4、LiCrMnO4、LiCu0.5Mn0.5O4,LiFe0.5Mn1.5O4、LiNiVO4、LiCoPO4、LiMxMn2−xO4(ただし、MはNi、Co、C、Liのうち少なくとも1種である。)などを使用することができる。
【0041】
このうち、LiNixMn2−xO4(0.4<x<0.6)を用いると、130mAh/g以上の高容量が得られるため好ましい。Niの組成、すなわちxの値を0.4以上とすることにより、5V放電領域が好適に確保され、エネルギー密度を増加させることができる。また、xの値を0.6以下とすることにより、容量低下が抑制される。また、好ましくは、Niの組成、すなわちxの値は0.5付近であることが望ましい。LiNixMn2−xO4(x=0.5)は、Liに対して4.5V〜4.8Vの間にLiの吸蔵放出を行う充放電領域があり、また、4.5V以上の放電領域は110mAh/g以上と非常に高容量である。
【0042】
またさらに検討した結果、正極活物質として下記一般式(1)に示されるスピネル型リチウムマンガン複合酸化物使用することによってサイクル特性改善が可能となることがわかった。この理由は、元素置換により正極の活性な界面が減少して正極と電解液の電解液分解が抑制されたためと考えられる。
Lia(NixMn2−x−y−zMyAz)(O4−wZw) (1)
(ただし、上記一般式(1)において、0.4≦x≦0.6、0≦y、0≦z、x+y+z<2、0<a<1.2、0<w<1であり、Mは、Be、Ge、B、Na、Mg、Al、KおよびCaからなる群より選ばれる少なくとも一種であり、Aは、TiまたはSiの少なくとも一種である。Zは、FまたはClの少なくとも一種である。)
【0043】
本実施形態に係る二次電池は、リチウム含有金属複合酸化物を正極活物質とした正極と、リチウムを吸蔵放出可能な負極活物質を持つ負極を主要成分とし、正極と負極の間に電気的接続を起こさないようなセパレータが挟まれ、正極と負極はリチウムイオン伝導性の電解液に浸った状態であり、これらが電池ケースの中に密閉された状態となっている。正極と負極に電圧を印加することにより正極活物質からリチウムイオンを放出し、負極活物質にリチウムイオンが吸蔵され、充電状態となる。また、正極と負極の電気的接触を電池外部で起こすことにより、充電時と逆に、負極活物質からリチウムイオンが放出され、正極活物質にリチウムイオンが吸蔵されることにより、放電が起こる。
【0044】
本実施形態に係る二次電池は、たとえば図1のような構造を有する。正極集電体3上に正極活物質層1が形成され、正極を構成している。また、負極集電体4上に負極活物質層2が形成され、負極を構成している。これらの正極と負極は、電解液に浸漬した状態の多孔質セパレータ5を介して対向配置されている。正極を収容する正極外装缶6と、負極を収容する負極外装缶7とが、絶縁パッキング部8を介して接合した構成となっている。
【0045】
次に、図1の二次電池の作製方法について説明する。
【0046】
まず、正極活物質の作製方法は以下の通りである。正極活物質の作製原料として、Li原料には、Li2CO3、LiOH、Li2O、Li2SO4などを用いることができるが、Li2CO3、LiOHなどが適している。Mn原料としては、電解二酸化マンガン(EMD)、Mn2O3、Mn3O4、CMD等の種々のMn酸化物、MnCO3、MnSO4などを用いることができる。Ni原料としては、NiO、Ni(OH)2、NiSO4、Ni(NO3)2などが使用可能である。置換元素の原料として置換元素の酸化物、炭酸塩、水酸化物、硫化物、硝酸塩などが用いられる。Ni原料や、Mn原料、置換元素原料は、焼成時に元素拡散が起こり難くい場合があり、原料焼成後、Ni酸化物、Mn酸化物、置換元素酸化物が異相として残留してしまうことがある。このため、Ni原料とMn原料、置換元素原料を水溶液中に溶解混合させた後、水酸化物、硫酸塩、炭酸塩、硝酸塩などの形で析出させたNi、Mn混合物や置換元素を含むNi、Mn混合物を原料として用いることが可能である。また、このような混合物を焼成させたNi、Mn酸化物やNi、Mn、置換元素混合酸化物を用いることも可能である。このような混合物を原料として用いた場合、Mn、Ni、置換元素が原子レベルで良く拡散しており、スピネル構造の16dサイトへのNiや置換元素の導入が容易となる。
【0047】
また、正極活物質のハロゲン原料としては、LiF、LiClなどのハロゲン化物などが用いられる。
【0048】
これらの原料を目的の金属組成比となるように秤量して混合する。混合は、ボールミルなどにより粉砕混合する。混合粉を600℃から1000℃の温度で、空気中または酸素中で焼成することによって正極活物質を得る。焼成温度は、それぞれの元素を拡散させるためには高温である方が望ましいが、焼成温度が高すぎると酸素欠損を生じ、電池特性に悪影響がある。このことから、最終焼成過程では500℃から800℃程度であることが望ましい。
【0049】
得られたリチウム金属複合酸化物の比表面積は3m2/g以下であることが望ましく、好ましくは1m2/g以下である。比表面積が大きいほど、結着剤が多く必要であり、正極の容量密度の点で不利になるからである。
【0050】
得られた正極活物質を、導電性付与剤と混合し、結着剤によって集電体上に形成する。導電付与剤の例としては、炭素材料の他、Alなどの金属物質、導電性酸化物の粉末などを使用することができる。結着剤としてはポリフッ化ビニリデンなどが用いられる。集電体としてはAlなどを主体とする金属薄膜を用いる。
【0051】
好ましくは導電付与剤の添加量は1〜10重量%程度であり、結着剤の添加量も1〜10重量%程度である。これは、活物質重量の割合が大きい方が重量毎の容量が大きくなるためである。導電付与剤と結着剤の割合が小さすぎると、導電性が保てなくなったり、電極剥離の問題が生じたりすることがある。
【0052】
負極活物質については、リチウムイオンを充電時に吸蔵、放電時に放出することができれば、特に制限はなく、公知の材料構成のものを用いることができる。リチウムイオンを電気化学的に吸蔵および放出することが可能な物質の具体例としては、黒鉛、コークス等の炭素材料;
リチウム金属、リチウム−アルミニウム合金、リチウム−鉛合金、リチウム−錫合金等のリチウム金属またはその合金;
SnO2、SnO、TiO2、Nb2O3等の電位が正極活物質に比べて卑な金属酸化物;
等が挙げられる。
【0053】
負極活物質は、導電材および接着剤とともに集電体表面に設けられていることが好ましい。この構成は、たとえば負極活物質と導電材と接着剤とを混合して得られた合剤を集電体上に塗布することにより得ることができる。導電付与剤としては、たとえば炭素材料や、導電性酸化物の粉末などを使用することができる。結着剤としてはポリフッ化ビニリデンなどが用いられる。集電体としてはCuなどを主体とする金属薄膜を用いる。
【0054】
本実施形態に係る二次電池は、乾燥空気または不活性ガス雰囲気において、負極および正極を、セパレータを介して積層、あるいは積層したものを捲回した後に、電池缶に収容したり、合成樹脂と金属箔との積層体からなる可とう性フィルム等によって封口することによって製造することができる。
【0055】
以上、本発明を実施形態に基づいて説明した。これらの実施形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
【0056】
たとえば、図1に示した二次電池はコインタイプのセルの形態であるが、電池形状には制限がない。セパレータを挟んで対向した正極、負極を巻回型、積層型などの形態を取ることが可能であり、セルにも、コイン型、ラミネートパック、角型セル、円筒型セルを用いることができる。
【0057】
【実施例】
(実施例1)
まず、次のようにして正極活物質を作製した。原料MnO2、NiO、およびLi2CO3を目的の金属組成比になるように秤量し、粉砕混合した。原料混合後の粉末を750℃で8時間焼成して、LiNi0.5Mn1.5O4、を得た。ほぼ単相のスピネル構造であることを確認した。
【0058】
そして、作製した正極活物質と導電性付与剤である炭素を混合し、N−メチルピロリドンにポリフッ化ビニリデン(PVDF)を溶かしたものに分散させスラリー状とした。正極活物質、導電性付与剤、結着剤の重量比は88/6/6とした。Al集電体上にスラリーを塗布した。その後、真空中で12時間乾燥させて、電極材料とした。電極材料は直径12mmの円に切り出した。その後、3t/cm2で加圧成形した。
【0059】
負極活物質に天然黒鉛を用い、導電性付与剤である炭素を混合し、N−メチルピロリドンにポリフッ化ビニリデン(PVDF)を溶かしたものに分散させスラリー状とした。負極活物質、導電性付与剤、結着剤の重量比は91/1/8とした。Cu集電体上にスラリーを塗布した。その後、真空中で12時間乾燥させて、電極材料とした。電極材料は直径13mmの円に切り出した。その後、1t/cm2で加圧成形した。
【0060】
セパレータにはPPのフィルムを使用した。正極と負極がセパレータを挟んで電気的接触がない状態に対向配置させ、コインセル内に配置し、電解液を満たして密閉した。
【0061】
電解液は溶媒としてエチレンカーボネート(EC)とプロピオン酸メチル(MP)とジメチルカーボネート(DMC)を30:10:60(vol.%)で混合した溶媒を用い、この混合溶媒にLiPF6を1M溶解し用いた。
【0062】
(実施例2)
電解液の溶媒としてエチレンカーボネート(EC)とプロピオン酸エチル(EP)とジエチルカーボネート(DEC)を40:5:55(vol.%)で混合した溶媒を用いた以外は実施例1と同様の方法にて実施例2の二次電池を得た。
【0063】
(実施例3)
電解液の溶媒としてエチレンカーボネート(EC)と酢酸メチル(MA)とジエチルカーボネート(DEC)を50:1:49(vol.%)で混合した溶媒を用いた以外は実施例1と同様の方法にて実施例3の二次電池を得た。
【0064】
(実施例4)
電解液の溶媒としてエチレンカーボネート(EC)と酢酸エチル(EA)とジエメルカーボネート(DMC)を40:20:40(vol.%)で混合した溶媒を用いた以外は実施例1と同様の方法にて実施例4の二次電池を得た。
【0065】
(実施例5)
電解液の溶媒としてエチレンカーボネート(EC)と酪酸メチル(MB)とジエチルカーボネート(DEC)を50:45:5(vol.%)で混合した溶媒を用いた以外は実施例1と同様の方法にて実施例5の二次電池を得た。
【0066】
(実施例6)
電解液の溶媒としてエチレンカーボネート(EC)と酪酸メチル(MB)ジエチルカーボネート(DMC)を40:40:20(vol.%)で混合した溶媒を用いた以外は実施例1と同様の方法にて実施例6の二次電池を得た。
【0067】
(実施例7)
電解液の溶媒としてエチレンカーボネート(EC)とモノフルオロジメチルカーボネート(FDMC)とジメチルカーボネート(DMC)を50:1:49(vol.%)で混合した溶媒を用いた以外は実施例1と同様の方法にて実施例7の二次電池を得た。
【0068】
(実施例8)
電解液の溶媒としてエチレンカーボネート(EC)とモノフルオロエチレンカーボネート(FEC)とジメチルカーボネート(DMC)を45:5:50(vol.%)で混合した溶媒を用いた以外は実施例1と同様の方法にて実施例8の二次電池を得た。
【0069】
(実施例9)
電解液の溶媒としてエチレンカーボネート(EC)とジエチルカーボネート(DEC)とプロピオン酸メチル(MP)とモノフルオロエチレンカーボネート(FEC)を29:50:10:1(vol.%)で混合した溶媒を用いた以外は実施例1と同様の方法にて実施例9の二次電池を得た。
【0070】
(実施例10)
電解液の溶媒としてエチレンカーボネート(EC)とジメチルカーボネート(DMC)とプロピオン酸エチル(EP)とモノフルオロジメチルカーボネート(FDMC)を50:39:10:1(vol.%)で混合した溶媒を用いた以外は実施例1と同様の方法にて実施例10の二次電池を得た。
【0071】
(比較例1)
電解液の溶媒としてエチレンカーボネート(EC)とジエチルカーボネート(DEC)を50:50(vol.%)で混合した溶媒を用いた以外は実施例1と同様の方法にて比較例1の二次電池を得た。
【0072】
(比較例2)
電解液の溶媒としてエチレンカーボネート(EC)とジメチルカーボネート(DMC)を40:60(vol.%)で混合した溶媒を用いた以外は実施例1と同様の方法にて比較例2の二次電池を得た。
【0073】
(比較例3)
原料MnO2、Li2CO3を目的の金属組成比になるように秤量し、粉砕混合した。原料混合後の粉末を700℃で8時間焼成して、LiMn2O4を得た。ほぼ単相のスピネル構造であることを確認した。
【0074】
得られたLiMn2O4を正極活物質として用い、電解液の溶媒としてエチレンカーボネート(EC)とジメチルカーボネート(DMC)とを30:70(vol.%)で混合した溶媒を用いた以外は実施例1と同様の方法にて比較例3の二次電池を得た。
【0075】
(比較例4)
電解液の溶媒としてエチレンカーボネート(EC)とプロピオン酸メチル(MP)とジメチルカーボネート(DMC)30:30:40(vol.%)で混合した溶媒を用いた以外は比較例3と同様の方法にて比較例4の二次電池を得た。
【0076】
(比較例5)
電解液の溶媒としてエチレンカーボネート(EC)とジメチルカーボネート(DMC)とモノフルオロエチレンカーボネート(FEC)とプロピオン酸メチル(MP)を54:40:1:5(vol.%)で混合した溶媒を用いた以外は比較例3と同様の方法にて比較例5の二次電池を得た。
【0077】
(比較評価例1)
以上のようにして作製した電池について充放電サイクル特性を評価した。評価の際、実施例1〜10および比較例1〜2は1Cの充電レートで4.8Vまで充電を行い、1Cのレートで3Vまで放電を行った。比較例3〜5は1Cレートの充電レートで4.2Vまで充電を行い1Cのレートで3Vまで放電を行った。結果を表1に示す。
【0078】
【表1】
【0079】
表1から明らかなように、4.5V以上でLiを吸蔵放出する正極活物質を使用し、電解液の溶媒として主骨格炭素が飽和しているフッ素置換炭酸エステルまたは鎖状カルボン酸エステルを含むことにより、サイクル特性が改善することが確認された。
【0080】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、4.5V以上でLiを吸蔵放出する正極活物質を使用し、電解液中に主骨格炭素が飽和しているハロゲン置換炭酸エステルまたは鎖状カルボン酸エステルを含むことにより、非水電解液二次電池のサイクルに伴う容量低下や、高温での信頼性の低下が抑制される。また、本発明のによれば、非水電解液二次電池の動作電圧が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本実施形態に係る二次電池の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
1 正極活物質層
2 負極活物質層
3 正極集電体
4 負極集電体
5 多孔質セパレータ
6 正極外装缶
7 負極外装缶
8 絶縁パッキング部[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an electrolyte for a secondary battery and a non-aqueous electrolyte secondary battery.
[0002]
[Prior art]
Lithium ion secondary batteries are widely used for applications such as portable electronic devices and personal computers. It is also expected to be applied to automotive applications in the future. In these applications, miniaturization and weight reduction of the battery have been conventionally required, but on the other hand, increasing the energy density of the battery is an important technical problem.
[0003]
There are several methods for increasing the energy density of the lithium ion secondary battery. Among them, raising the operating potential of the battery is an effective means. In a conventional lithium ion secondary battery using lithium cobaltate or lithium manganate as a positive electrode active material, the operating potential is 4 V class (average operating potential = 3.6 to 3.8 V: potential relative to lithium). This is due to the redox reaction of Co ions or Mn ions (Co3 +← → Co4+Or Mn3 +← → Mn4+) Defines the expression potential. On the other hand, it is known that a 5-V class operating potential can be realized by using, as an active material, a spinel compound in which Mn of lithium manganate is substituted by Ni or the like. Specifically, LiNi0. 5Mn1. 5O4It is known that a potential plateau is exhibited in a region of 4.5 V or more by using a spinel compound such as In such a spinel compound, Mn exists in a tetravalent state,3+← → Mn4+Ni instead of redox2+← → Ni4+The operating potential is defined by the oxidation-reduction of.
[0004]
LiNi0. 5Mn1.5O4Has a capacity of 130 mAh / g or more and an average operating voltage of 4.6 V or more with respect to Li metal. The capacity is LiCoO2Although smaller, the energy density of the battery is LiCoO2Higher than. For this reason, LiNi0.5Mn1.5O4Is promising as a future cathode material. For example, for a device that conventionally used a plurality of batteries, by using a secondary battery having an operating potential of 5V class and increasing the voltage, the number of batteries used can be reduced and the energy density can be improved. it can.
[0005]
However, LiNi0.5Mn1.5O4Battery using a high-voltage positive electrode material such as LiCoO2It has been found that, as compared with a battery using such as a positive electrode active material, deterioration accompanied by a decrease in charge / discharge cycles or capacity when left in a charged state is more likely to occur. It is considered that the main cause of the capacity deterioration accompanying the cycle is that decomposition products of the electrolytic solution are generated on the positive electrode side, and the decomposition products are deposited on the negative electrode side by the charge / discharge cycle. In particular, since the battery is liable to be deteriorated at a temperature of about 50 ° C., there is a demand for a battery that can suppress the deterioration even at an operation of about 50 ° C.
[0006]
Therefore, by adding hexamethylenetetramine to the electrolyte, the amount of HF in the electrolyte is reduced, and LiMn is added.2O4A technique for suppressing the elution of Mn from methane has been proposed (Patent Document 1). However, in the electrolyte described in
[0007]
In addition, a technique has been proposed in which a halogen-substituted chain ester is used as a solvent for an electrolytic solution to improve the oxidation resistance and the charge / discharge cycle of the electrolytic solution (Patent Document 2). However, when a halogen-substituted chain ester is used under the conditions of
[0008]
[0009]
[Patent Document 1]
JP 2001-266940 A
[Patent Document 2]
JP-A-7-6786
[Patent Document 3]
JP 2001-35530 A
[Patent Document 4]
JP-A-2002-305035
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a technique for suppressing a decrease in capacity due to a cycle of a nonaqueous electrolyte secondary battery and a decrease in reliability at a high temperature. Another object of the present invention is to provide a technique for increasing the operating voltage of a non-aqueous electrolyte secondary battery.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
According to the present invention, there is provided an electrolyte solution for a secondary battery, comprising an electrolyte and a chain carboxylic acid ester.
[0012]
Further, according to the present invention, there is provided a secondary battery including a cathode active material having an average discharge potential of 4.5 V or more with respect to Li metal, and an electrolyte, wherein the electrolyte is composed of an electrolyte and a chain carboxylic acid. A non-aqueous electrolyte secondary battery comprising an ester is provided.
[0013]
In the present invention, since the chain carboxylic acid ester is contained in the organic solvent constituting the electrolytic solution, capacity deterioration can be reduced. Further, output characteristics at the time of large current discharge can be improved. It is presumed that the reason for this is that when a chain carboxylic acid ester is contained, the conductivity of the electrolytic solution increases and polarization decreases.
[0014]
Further, as a result of the study by the present inventors, it has been found that when a positive electrode which is charged and discharged at 4.5 V or more is used, these battery characteristics are significantly improved. A battery having a discharge potential of 4.5 V or more has a long period of time during which the electrolyte is present at a high voltage, and the decomposition reaction of the electrolyte is promoted. For this reason, the capacity deterioration accompanying the decomposition of the electrolytic solution is particularly remarkable. A battery having a discharge potential of 4.5 V or more has a larger amount of decomposition products deposited on the negative electrode than a battery charged and discharged at 4.5 V, and capacity degradation occurs due to an increase in resistance on the negative electrode side. Although this is easy, by containing a chain carboxylic acid ester in the electrolytic solution, this can be suitably mitigated.
[0015]
In the electrolyte solution for a secondary battery of the present invention, the chain carboxylate may be contained in an amount of 0.01% by volume or more and 60% by volume or less in an organic solvent constituting the electrolytic solution.
[0016]
In the non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention, the chain carboxylate may be contained in an amount of 0.01% by volume or more and 60% by volume or less in an organic solvent constituting the electrolytic solution. .
[0017]
By doing so, a decrease in the dielectric constant of the solvent constituting the electrolytic solution is suppressed, so that the cycle characteristics can be reliably improved.
[0018]
According to the present invention, there is provided an electrolyte solution for a secondary battery comprising an electrolyte and a halogen-substituted carbonate, wherein the main skeleton carbon of the halogen-substituted carbonate is saturated.
[0019]
Further, according to the present invention, there is provided a secondary battery including a cathode active material having an average discharge potential of 4.5 V or more with respect to Li metal, and an electrolyte, wherein the electrolyte includes a halogen-substituted carbonate. And a non-aqueous electrolyte secondary battery characterized in that the main skeleton carbon of the halogen-substituted carbonate is saturated.
[0020]
In the present invention, since the halogen-substituted carbonate is contained in the organic solvent constituting the electrolytic solution, the capacity deterioration of the secondary battery can be suppressed. The reason for this is that since the halogen-substituted carbonate is selectively reduced, a coating having high electric conductivity is formed on the negative electrode, so that deposition of decomposition products on the negative electrode is suppressed. It is inferred.
[0021]
In the electrolytic solution for a secondary battery according to the present invention, the halogen-substituted carbonate may be any of halogen-substituted diethyl carbonate, ethylene carbonate, or propion carbonate.
[0022]
In the non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention, the halogen-substituted carbonate may be any one of diethyl carbonate, ethylene carbonate, and propion carbonate.
[0023]
By doing so, the cycle characteristics of the secondary battery can be reliably improved.
[0024]
The electrolyte solution for a secondary battery of the present invention may further include a carboxylic acid ester. In the non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention, the electrolyte may further include a carboxylic acid ester. By doing so, a synergistic effect between the halogen-substituted carbonate and the carboxylate is exhibited, and the cycle characteristics can be dramatically improved. In this case, the type of the carboxylic acid ester is not particularly limited.
[0025]
The electrolyte solution for a secondary battery of the present invention may further include a chain carbonate or a cyclic carbonate. Further, in the nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention, the electrolyte may further include a chain carbonate or a cyclic carbonate. This makes it possible to adjust the dielectric constant or viscosity of the electrolytic solution.
[0026]
In the electrolytic solution for a secondary battery of the present invention, the halogen-substituted carbonate may be contained in an amount of 0.01% by volume or more and 20% by volume or less in an organic solvent constituting the electrolytic solution. Further, in the nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention, the halogen-substituted carbonate may be contained in an amount of 0.01% by volume or more and 20% by volume or less in the organic solvent constituting the electrolytic solution. By doing so, the increase in the viscosity of the electrolytic solution is suitably suppressed, so that the cycle characteristics can be reliably improved.
[0027]
In the nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention, the positive electrode active material may be configured to include a spinel-type lithium manganese composite oxide represented by the following general formula (1).
Lia(NixMn2-x-y-zMyAz) (O4-wZw(1)
(However, in the general formula (1), 0.4 ≦ x ≦ 0.6, 0 ≦ y, 0 ≦ z, x + y + z <2, 0 <a <1.2, 0 <w <1, and M Is at least one selected from the group consisting of Be, Ge, B, Na, Mg, Al, K, and Ca, A is at least one of Ti or Si, and Z is at least one of F or Cl. is there.)
[0028]
By doing so, the cycle characteristics can be reliably improved. The reason for this is that the use of the element-substituted compound of the above general formula (1) as the positive electrode active material reduced the active interface of the positive electrode and suppressed the decomposition of the electrolyte between the positive electrode and the electrolyte. Inferred.
[0029]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of the secondary battery according to the present invention will be described. The electrolyte used for the secondary battery according to the present embodiment includes an organic solvent and a lithium salt dissolved in the organic solvent. The organic solvent contains at least one of a halogen-substituted carbonate ester and a chain carboxylate ester whose main skeleton carbon is saturated.
[0030]
As the chain carboxylic acid ester, for example, methyl formate, ethyl formate, methyl acetate, ethyl acetate, methyl propionate, ethyl propionate and the like are suitably used. Particularly, use of methyl propionate or ethyl propionate is preferable because excellent cycle characteristics can be obtained. It is preferable to add these chain carboxylic acid esters at a concentration of 0.01% by volume or more and 60% by volume or less in the organic solvent constituting the electrolytic solution. By adding 0.01% by volume or more, decomposition of the electrolytic solution can be suitably suppressed, and the cycle characteristics can be improved. Further, by adding 60% by volume or less, the dielectric constant of the electrolytic solution can be increased. it can. Further, more preferably, the content can be 0.1% by volume or more and 20% by volume or less. This makes it possible to more reliably improve the cycle characteristics.
[0031]
As the chain carboxylic acid ester, methyl butyrate, ethyl butyrate, methyl valerate, ethyl valerate and the like are also preferably used. Among them, it is particularly preferable to use methyl butyrate because excellent cycle characteristics can be obtained. In this case, the chain carboxylic acid ester is preferably added at a concentration of 0.01% by volume or more and 60% by volume or less in the organic solvent constituting the electrolytic solution. By adding 0.01% by volume or more, decomposition of the electrolytic solution can be suitably suppressed, and the cycle characteristics can be improved. Further, by adding 60% by volume or less, the dielectric constant of the electrolytic solution can be increased. it can. More preferably, it can be added in an amount of 30% by volume or more and 50% by volume or less.
[0032]
Further, examples of the halogen-substituted carbonate having a saturated main skeleton carbon include, for example, fluorine-substituted, chlorine-substituted, bromine-substituted or iodine-substituted various chain carbonates such as dimethyl carbonate, methyl ethyl carbonate, and dimethyl carbonate. Products, fluorine-substituted, chlorine-substituted, bromine-substituted or iodine-substituted products of various cyclic carbonates such as ethylene carbonate and propylene carbonate. Among them, the use of a fluorine-substituted product is preferable because the cycle characteristics can be surely improved.
[0033]
Specific examples of the fluorine-substituted carbonic acid ester in which the main skeleton carbon is saturated include monofluorodimethyl carbonate, monofluoromethylethyl carbonate, difluorodimethyl carbonate, trifluoropropion carbonate, difluoroethylene carbonate, and monofluoroethylene carbonate. It is possible. Further, among them, for example, excellent cycle characteristics can be obtained by using a fluorine-substituted product of diethyl carbonate or ethylene carbonate or propion carbonate or a derivative thereof, and an increase in the viscosity of the electrolyte can be suitably suppressed. preferable.
[0034]
The amount of the fluorine-substituted carbonic acid ester in which the main skeleton carbon is saturated can be set to 0.01% by volume or more and 20% by volume or less in the organic solvent constituting the electrolytic solution. When the content is 0.01% by volume or more, the cycle characteristics are surely improved. This is presumed to be due to the reduction of the fluorine-substituted carbonate to form a highly conductive film on the negative electrode surface. Further, by setting the content to 20% by volume or less, an increase in the viscosity of the electrolytic solution can be suppressed. More preferably, the content can be set to 1% by volume or more and 10% by volume or less in the organic solvent constituting the electrolytic solution.
[0035]
Further, in addition to the halogen-substituted carbonate in which the main skeleton carbon is saturated, a carboxylate may be further contained as an electrolyte solution component. By doing so, the synergistic effect between the halogen-substituted carbonate ester having a saturated main skeleton carbon and the carboxylic acid ester further improves the cycle characteristics of the secondary battery. The type of the carboxylic acid ester is not particularly limited, and various chain carboxylic esters or various cyclic carboxylic esters can be used. For example, the above-mentioned compounds can be used.
[0036]
In addition, in addition to the above-mentioned chain carboxylic acid ester or the halogen-substituted carbonate ester whose main skeleton carbon is saturated, the electrolyte solution according to the present embodiment further includes propylene carbonate (PC), ethylene carbonate (EC), and the like. A cyclic carbonate may be included. This increases the dielectric constant of the solvent. Further, a chain carbonate such as dimethyl carbonate (DMC), ethyl methyl carbonate (EMC), and diethyl carbonate (DEC) may be contained. In this case, the viscosity of the electrolytic solution can be reduced.
[0037]
In addition, other non-aqueous solvents can be used in the electrolytic solution together with the above-mentioned chain carboxylic acid ester or the halogen-substituted carbonate ester in which the main skeleton carbon is saturated. The other non-aqueous solvent is not particularly limited, and may be γ-lactones such as γ-butyrolactone, 1,2-methoxyethane (DME) 1, 2-ethoxyethane (DEE), ethoxymethoxyethane ( Chain ethers such as EME), cyclic ethers such as tetrahydrofuran and 2-methyltetrahydrofuran, dimethyl sulfoxide, 1,3-dioxolan, formamide, acetamide, dimethylformamide, dioxolan, acetonitrile, propyl nitrile, nitromethane, ethyl monoglyme, Triester phosphate, trimethoxymethane, dioxolane derivative, sulfolane, methylsulfolane, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, 3-methyl-2-oxazolidinone, propylene carbonate derivative, tetrahydrofuran derivative And those used as conventional solvents for nonaqueous electrolytes such as ethyl ether, 1,3-propane sultone, aniline, anisole, N-methylpyrrolidone, and alkylenebiscarbonates.
[0038]
Lithium salts dissolved in these organic solvents include, for example, LiPF6, LiAsF6, LiAlCl4, LiClO4, LiBF4, LiSbF6, LiCF3SO3, LiC4F9CO3, LiC (CF3SO2)2, LiN (CF3SO2)2, LiN (C2F5SO2)2, LiB10Cl10, Lithium lower aliphatic carboxylate, lithium chloroborane, lithium tetraphenylborate, LiCl, LiBr, LiI, LiSCN, LiCl, imides and the like. Further, a polymer electrolyte may be used. The electrolyte concentration is, for example, 0.5 mol / l to 1.5 mol / l. If the concentration is too high, the density and the viscosity increase, and if the concentration is too low, the electric conductivity decreases.
[0039]
The electrolytic solution according to the present embodiment can be suitably used for a secondary battery provided as a positive electrode active material having an average discharge potential of 4.5 V or more with respect to Li metal. In a battery having a discharge potential of 4.5 V or higher, the electrolyte is kept under a high voltage for a long time, and the decomposition reaction of the electrolyte is accelerated. Therefore, the capacity deterioration accompanying the decomposition of the electrolyte is particularly remarkable. By using the electrolytic solution according to the present embodiment, decomposition of the electrolytic solution is suitably suppressed, and cycle characteristics are improved.
[0040]
Examples of the positive electrode active material having an average discharge potential of 4.5 V or more with respect to Li metal include LiNi.0.5Mn1.5O4, LiCoMnO4, LiCrMnO4, LiCu0.5Mn0.5O4, LiFe0.5Mn1.5O4, LiNiVO4, LiCoPO4, LiMxMn2-xO4(However, M is at least one of Ni, Co, C, and Li).
[0041]
Of these, LiNixMn2-xO4It is preferable to use (0.4 <x <0.6) because a high capacity of 130 mAh / g or more can be obtained. By setting the composition of Ni, that is, the value of x to 0.4 or more, a 5 V discharge region is suitably secured, and the energy density can be increased. Further, by setting the value of x to 0.6 or less, a decrease in capacity is suppressed. Preferably, the composition of Ni, that is, the value of x is around 0.5. LiNixMn2-xO4(X = 0.5) indicates that there is a charge / discharge region for inserting and extracting Li between 4.5 V and 4.8 V with respect to Li, and a discharge region of 4.5 V or more has a charge / discharge region of 110 mAh / g or more. Very high capacity.
[0042]
As a result of further study, it was found that cycle characteristics could be improved by using a spinel-type lithium manganese composite oxide represented by the following general formula (1) as a positive electrode active material. It is considered that the reason for this is that the active interface of the positive electrode was reduced by the element replacement, and the decomposition of the electrolytic solution between the positive electrode and the electrolytic solution was suppressed.
Lia(NixMn2-x-y-zMyAz) (O4-wZw(1)
(However, in the general formula (1), 0.4 ≦ x ≦ 0.6, 0 ≦ y, 0 ≦ z, x + y + z <2, 0 <a <1.2, 0 <w <1, and M Is at least one selected from the group consisting of Be, Ge, B, Na, Mg, Al, K, and Ca, A is at least one of Ti or Si, and Z is at least one of F or Cl. is there.)
[0043]
The secondary battery according to the present embodiment has a positive electrode using a lithium-containing metal composite oxide as a positive electrode active material, and a negative electrode having a negative electrode active material capable of inserting and extracting lithium as a main component. A separator that does not cause a connection is sandwiched, and the positive electrode and the negative electrode are in a state of being immersed in a lithium ion conductive electrolyte, which is sealed in a battery case. When a voltage is applied to the positive electrode and the negative electrode, lithium ions are released from the positive electrode active material, and the lithium ions are occluded in the negative electrode active material, so that the battery is charged. In addition, by causing electrical contact between the positive electrode and the negative electrode outside the battery, lithium ions are released from the negative electrode active material, and the lithium ions are occluded in the positive electrode active material, thereby causing discharge, as opposed to charging.
[0044]
The secondary battery according to the present embodiment has, for example, a structure as shown in FIG. The positive electrode
[0045]
Next, a method for manufacturing the secondary battery in FIG. 1 will be described.
[0046]
First, a method for producing a positive electrode active material is as follows. As a raw material for producing a positive electrode active material, Li raw material is Li2CO3, LiOH, Li2O, Li2SO4Can be used, but Li2CO3, LiOH and the like are suitable. Mn raw materials include electrolytic manganese dioxide (EMD), Mn2O3, Mn3O4Mn oxides such as, CMD, etc., MnCO3, MnSO4Etc. can be used. Ni raw materials include NiO, Ni (OH)2, NiSO4, Ni (NO3)2Etc. can be used. Oxides, carbonates, hydroxides, sulfides, nitrates and the like of the substitution element are used as the raw material of the substitution element. In the case of the Ni raw material, the Mn raw material, and the substitution element raw material, element diffusion may not easily occur during firing, and after the raw material firing, the Ni oxide, the Mn oxide, and the substitution element oxide may remain as a different phase. . For this reason, a Ni raw material, a Mn raw material, and a substitution element raw material are dissolved and mixed in an aqueous solution, and then a Ni, Mn mixture or Ni containing a substitution element precipitated in the form of a hydroxide, a sulfate, a carbonate, a nitrate, or the like. , Mn mixture can be used as a raw material. Further, it is also possible to use Ni, Mn oxide, Ni, Mn, or a substitution element mixed oxide obtained by firing such a mixture. When such a mixture is used as a raw material, Mn, Ni, and the substituting element are well diffused at the atomic level, and it becomes easy to introduce Ni and the substituting element into the 16d site of the spinel structure.
[0047]
Further, as a halogen raw material of the positive electrode active material, a halide such as LiF or LiCl is used.
[0048]
These raw materials are weighed and mixed so as to have a target metal composition ratio. The mixing is pulverized and mixed by a ball mill or the like. The mixed powder is fired at a temperature of 600 ° C. to 1000 ° C. in air or oxygen to obtain a positive electrode active material. It is desirable that the firing temperature be high in order to diffuse each element. However, if the firing temperature is too high, oxygen deficiency occurs, which adversely affects battery characteristics. For this reason, it is desirable that the temperature is about 500 ° C. to 800 ° C. in the final firing step.
[0049]
The specific surface area of the obtained lithium metal composite oxide is 3 m2/ G or less, preferably 1 m2/ G or less. This is because the larger the specific surface area, the more binder is required, which is disadvantageous in terms of the capacity density of the positive electrode.
[0050]
The obtained positive electrode active material is mixed with a conductivity-imparting agent, and formed on a current collector with a binder. Examples of the conductivity-imparting agent include a carbon material, a metal substance such as Al, and a powder of a conductive oxide. Polyvinylidene fluoride or the like is used as the binder. As the current collector, a metal thin film mainly composed of Al or the like is used.
[0051]
Preferably, the added amount of the conductivity-imparting agent is about 1 to 10% by weight, and the added amount of the binder is also about 1 to 10% by weight. This is because the larger the proportion of the active material weight, the larger the capacity per weight. If the ratio between the conductivity-imparting agent and the binder is too small, the conductivity may not be maintained or a problem of electrode peeling may occur.
[0052]
The negative electrode active material is not particularly limited as long as it can occlude lithium ions during charging and release lithium ions during discharging, and can use a material having a known material configuration. Specific examples of the substance capable of electrochemically occluding and releasing lithium ions include carbon materials such as graphite and coke;
Lithium metal or an alloy thereof, such as lithium metal, lithium-aluminum alloy, lithium-lead alloy, lithium-tin alloy;
SnO2, SnO, TiO2, Nb2O3A metal oxide whose potential is lower than that of the positive electrode active material;
And the like.
[0053]
The negative electrode active material is preferably provided on the current collector surface together with the conductive material and the adhesive. This configuration can be obtained, for example, by applying a mixture obtained by mixing a negative electrode active material, a conductive material, and an adhesive on a current collector. As the conductivity-imparting agent, for example, a carbon material or a powder of a conductive oxide can be used. Polyvinylidene fluoride or the like is used as the binder. As the current collector, a metal thin film mainly composed of Cu or the like is used.
[0054]
The secondary battery according to the present embodiment, in a dry air or an inert gas atmosphere, the negative electrode and the positive electrode are laminated via a separator, or after the laminated product is wound, or housed in a battery can, or a synthetic resin. It can be manufactured by sealing with a flexible film or the like made of a laminate with a metal foil.
[0055]
The present invention has been described based on the embodiments. These embodiments are exemplifications, and it is understood by those skilled in the art that various modifications can be made to the combination of each component and each processing process, and that such modifications are also within the scope of the present invention. is there.
[0056]
For example, the secondary battery shown in FIG. 1 is in the form of a coin-type cell, but the shape of the battery is not limited. A positive electrode and a negative electrode opposed to each other with a separator interposed therebetween can be in a wound type, a laminated type, or the like, and a coin type, a laminate pack, a square type cell, or a cylindrical type cell can be used as the cell.
[0057]
【Example】
(Example 1)
First, a positive electrode active material was produced as follows. Raw material MnO2, NiO, and Li2CO3Was weighed so as to have a target metal composition ratio, and pulverized and mixed. The powder after mixing the raw materials is fired at 750 ° C. for 8 hours to obtain LiNi.0.5Mn1.5O4, Got. It was confirmed that the spinel structure had almost a single phase.
[0058]
Then, the prepared positive electrode active material and carbon as a conductivity-imparting agent were mixed, and dispersed in a solution of polyvinylidene fluoride (PVDF) in N-methylpyrrolidone to form a slurry. The weight ratio of the positive electrode active material, the conductivity-imparting agent, and the binder was 88/6/6. The slurry was applied on the Al current collector. Then, it was dried in vacuum for 12 hours to obtain an electrode material. The electrode material was cut into a circle having a diameter of 12 mm. After that, 3t / cm2And press molded.
[0059]
Using natural graphite as the negative electrode active material, carbon as a conductivity-imparting agent was mixed, and the mixture was dispersed in a solution of polyvinylidene fluoride (PVDF) in N-methylpyrrolidone to form a slurry. The weight ratio of the negative electrode active material, the conductivity-imparting agent, and the binder was 91/1/8. The slurry was applied on the Cu current collector. Then, it was dried in vacuum for 12 hours to obtain an electrode material. The electrode material was cut into a circle having a diameter of 13 mm. Then 1t / cm2And press molded.
[0060]
A PP film was used as the separator. The positive electrode and the negative electrode were opposed to each other with no electrical contact with a separator interposed therebetween, placed in a coin cell, filled with an electrolyte, and sealed.
[0061]
As the electrolytic solution, a solvent obtained by mixing ethylene carbonate (EC), methyl propionate (MP), and dimethyl carbonate (DMC) at a ratio of 30:10:60 (vol.%) Was used as a solvent.6Was dissolved in 1M and used.
[0062]
(Example 2)
A method similar to that of Example 1 except that a solvent obtained by mixing ethylene carbonate (EC), ethyl propionate (EP), and diethyl carbonate (DEC) at a ratio of 40: 5: 55 (vol.%) Was used as a solvent for the electrolytic solution. Thus, a secondary battery of Example 2 was obtained.
[0063]
(Example 3)
A method similar to that of Example 1 was used except that a solvent in which ethylene carbonate (EC), methyl acetate (MA), and diethyl carbonate (DEC) were mixed at a ratio of 50: 1: 49 (vol.%) Was used as a solvent for the electrolytic solution. Thus, a secondary battery of Example 3 was obtained.
[0064]
(Example 4)
A method similar to that of Example 1 except that a solvent obtained by mixing ethylene carbonate (EC), ethyl acetate (EA), and dimer carbonate (DMC) at a ratio of 40:20:40 (vol.%) Was used as a solvent for the electrolytic solution. Thus, a secondary battery of Example 4 was obtained.
[0065]
(Example 5)
The same method as in Example 1 was used except that a solvent in which ethylene carbonate (EC), methyl butyrate (MB), and diethyl carbonate (DEC) were mixed at a ratio of 50: 45: 5 (vol.%) Was used as a solvent for the electrolytic solution. Thus, a secondary battery of Example 5 was obtained.
[0066]
(Example 6)
A method similar to that of Example 1 was used except that a solvent in which ethylene carbonate (EC) and methyl butyrate (MB) diethyl carbonate (DMC) were mixed at a ratio of 40:40:20 (vol.%) Was used as a solvent for the electrolytic solution. A secondary battery of Example 6 was obtained.
[0067]
(Example 7)
Same as Example 1 except that a solvent obtained by mixing ethylene carbonate (EC), monofluorodimethyl carbonate (FDMC), and dimethyl carbonate (DMC) at a ratio of 50: 1: 49 (vol.%) Was used as a solvent for the electrolytic solution. The secondary battery of Example 7 was obtained by the method.
[0068]
(Example 8)
The same as Example 1 except that a solvent obtained by mixing ethylene carbonate (EC), monofluoroethylene carbonate (FEC), and dimethyl carbonate (DMC) at 45: 5: 50 (vol.%) Was used as a solvent for the electrolytic solution. The secondary battery of Example 8 was obtained by the method.
[0069]
(Example 9)
As a solvent for the electrolytic solution, a solvent obtained by mixing ethylene carbonate (EC), diethyl carbonate (DEC), methyl propionate (MP), and monofluoroethylene carbonate (FEC) at 29: 50: 10: 1 (vol.%) Is used. A secondary battery of Example 9 was obtained in the same manner as in Example 1 except for the difference.
[0070]
(Example 10)
As a solvent for the electrolytic solution, a solvent obtained by mixing ethylene carbonate (EC), dimethyl carbonate (DMC), ethyl propionate (EP), and monofluorodimethyl carbonate (FDMC) in a ratio of 50: 39: 10: 1 (vol.%) Is used. A secondary battery of Example 10 was obtained in the same manner as in Example 1 except for the difference.
[0071]
(Comparative Example 1)
The secondary battery of Comparative Example 1 was manufactured in the same manner as in Example 1, except that a solvent in which ethylene carbonate (EC) and diethyl carbonate (DEC) were mixed at a ratio of 50:50 (vol.%) Was used as a solvent for the electrolytic solution. Got.
[0072]
(Comparative Example 2)
The secondary battery of Comparative Example 2 was manufactured in the same manner as in Example 1 except that a solvent in which ethylene carbonate (EC) and dimethyl carbonate (DMC) were mixed at a ratio of 40:60 (vol.%) Was used as a solvent for the electrolytic solution. Got.
[0073]
(Comparative Example 3)
Raw material MnO2, Li2CO3Was weighed so as to have a target metal composition ratio, and pulverized and mixed. The powder after mixing the raw materials is fired at 700 ° C. for 8 hours to obtain LiMn.2O4Got. It was confirmed that the spinel structure had almost a single phase.
[0074]
LiMn obtained2O4Was used as a positive electrode active material, and a solvent obtained by mixing ethylene carbonate (EC) and dimethyl carbonate (DMC) at a ratio of 30:70 (vol.%) Was used as a solvent for the electrolytic solution. Thus, a secondary battery of Comparative Example 3 was obtained.
[0075]
(Comparative Example 4)
The same method as in Comparative Example 3 was used except that a solvent mixed with ethylene carbonate (EC), methyl propionate (MP), and dimethyl carbonate (DMC) 30:30:40 (vol.%) Was used as a solvent for the electrolytic solution. Thus, a secondary battery of Comparative Example 4 was obtained.
[0076]
(Comparative Example 5)
As a solvent for the electrolytic solution, a solvent obtained by mixing ethylene carbonate (EC), dimethyl carbonate (DMC), monofluoroethylene carbonate (FEC), and methyl propionate (MP) at 54: 40: 1: 5 (vol.%) Is used. A secondary battery of Comparative Example 5 was obtained in the same manner as in Comparative Example 3 except for the above.
[0077]
(Comparative Evaluation Example 1)
The charge / discharge cycle characteristics of the battery manufactured as described above were evaluated. At the time of evaluation, Examples 1 to 10 and Comparative Examples 1 and 2 were charged up to 4.8 V at a charge rate of 1 C, and discharged to 3 V at a rate of 1 C. In Comparative Examples 3 to 5, charging was performed up to 4.2 V at a charging rate of 1 C, and discharging was performed up to 3 V at a rate of 1 C. Table 1 shows the results.
[0078]
[Table 1]
[0079]
As is clear from Table 1, a positive electrode active material that absorbs and releases Li at 4.5 V or more is used, and a fluorinated carbonic acid ester or a chain carboxylic acid ester whose main skeleton carbon is saturated is used as a solvent for the electrolytic solution. As a result, it was confirmed that the cycle characteristics were improved.
[0080]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a halogen-substituted carbonate or a chain carboxylate in which a main skeleton carbon is saturated in an electrolytic solution, using a positive electrode active material that absorbs and releases Li at 4.5 V or more. By containing, the reduction in capacity due to the cycle of the nonaqueous electrolyte secondary battery and the reduction in reliability at high temperatures are suppressed. Further, according to the present invention, the operating voltage of the non-aqueous electrolyte secondary battery is improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a secondary battery according to an embodiment.
[Explanation of symbols]
1 positive electrode active material layer
2 Negative electrode active material layer
3 positive electrode current collector
4 Negative electrode current collector
5 Porous separator
6 Positive outer can
7 Negative exterior can
8 Insulation packing part
Claims (15)
Lia(NixMn2−x−y−zMyAz)(O4−wZw) (1)
(ただし、上記一般式(1)において、0.4≦x≦0.6、0≦y、0≦z、x+y+z<2、0<a<1.2、0<w<1であり、Mは、Be、Ge、B、Na、Mg、Al、KおよびCaからなる群より選ばれる少なくとも一種であり、Aは、TiまたはSiの少なくとも一種である。Zは、FまたはClの少なくとも一種である。)The non-aqueous electrolyte secondary battery according to any one of claims 8 to 14, wherein the positive electrode active material includes a spinel-type lithium manganese composite oxide represented by the following general formula (1). Electrolyte secondary battery.
Li a (Ni x Mn 2- x-y-z M y A z) (O 4-w Z w) (1)
(However, in the general formula (1), 0.4 ≦ x ≦ 0.6, 0 ≦ y, 0 ≦ z, x + y + z <2, 0 <a <1.2, 0 <w <1, and M Is at least one selected from the group consisting of Be, Ge, B, Na, Mg, Al, K, and Ca, A is at least one of Ti or Si, and Z is at least one of F or Cl. is there.)
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