JP2005093238A - Electrolyte and battery using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、正極および負極と共に電解質を備えた電池、およびそれに用いる電解質に関する。 The present invention relates to a battery including an electrolyte together with a positive electrode and a negative electrode, and an electrolyte used therefor.
近年、携帯電話機,カメラ一体型VTR(video tape recorder )あるいはラップトップコンピュータなどのポータブル電子機器が多く登場し、それらのポータブル電子機器に対し性能の向上が求められている。それに伴い、ポータブル電子機器の電源として、充放電が可能な二次電池についてエネルギー密度の向上および小型軽量化が求められている。中でも、リチウムイオン二次電池は、鉛電池あるいはニッケルカドミウム電池などよりも高エネルギーを有し、長時間使用可能であるという点で優れている。 In recent years, many portable electronic devices such as mobile phones, camera-integrated VTRs (video tape recorders), and laptop computers have appeared, and improvements in performance are required for these portable electronic devices. Accordingly, as a power source for portable electronic devices, there is a demand for improvement in energy density and reduction in size and weight for secondary batteries that can be charged and discharged. Among them, the lithium ion secondary battery is superior in that it has higher energy than a lead battery or a nickel cadmium battery and can be used for a long time.
リチウムイオン二次電池には、従来より負極活物質に例えば難黒鉛化性炭素や黒鉛等といった炭素質材料が用いられている。良好な充放電サイクル特性を得ることができるからである。このような負極活物質については、例えば特許文献1に記載されているように、出発原料および製造条件を制御することで更なる高容量化が可能であることが報告されている。
In the lithium ion secondary battery, a carbonaceous material such as non-graphitizable carbon or graphite is conventionally used as the negative electrode active material. This is because good charge / discharge cycle characteristics can be obtained. With respect to such a negative electrode active material, as described in
しかし、この負極活物質を用いた負極の放電電位はリチウムに対して0.8V〜1.0Vと高いことから、この負極活物質をリチウムイオン二次電池に使用すると、更なる高容量化が困難となる。また、充放電曲線の形状のヒステリシスが大きく、充放電サイクル特性が劣化するという問題もあった。 However, since the discharge potential of the negative electrode using this negative electrode active material is as high as 0.8 V to 1.0 V with respect to lithium, when this negative electrode active material is used in a lithium ion secondary battery, the capacity can be further increased. It becomes difficult. There is also a problem that the charge / discharge curve shape has a large hysteresis and the charge / discharge cycle characteristics deteriorate.
このような問題を解決する負極活物質としてはリチウム合金がある。リチウム合金は、電気化学的な生成および分解の可逆反応を応用することで充放電を行うことができるものである。リチウム合金としては、例えばLi−Al合金やLi−Si合金等が知られており、例えば、特許文献2においては、負極活物質としてケイ素(Si)との合金を用いることが提案されている。
しかしながら、リチウムイオン二次電池では、Li−Al合金やLi−Si合金等を負極活物質に用いて充放電を繰り返した場合、十分な容量および良好な充放電サイクル特性を得ることが難しいという問題があった。その原因の1つとしては、負極と電解液とが過剰に反応して、電解液が分解してしまうことが挙げられる。また、その分解された電解液が負極表面に皮膜となって形成され、リチウムイオンの吸蔵および放出が阻害されることも挙げられる。 However, in a lithium ion secondary battery, it is difficult to obtain sufficient capacity and good charge / discharge cycle characteristics when charging / discharging is repeated using a Li-Al alloy or a Li-Si alloy as a negative electrode active material. was there. One of the causes is that the negative electrode and the electrolytic solution react excessively and the electrolytic solution is decomposed. Another example is that the decomposed electrolyte is formed as a film on the surface of the negative electrode, which inhibits occlusion and release of lithium ions.
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、容量および充放電サイクル特性などの電池特性を向上させることができる電解質およびそれを用いた電池を提供することにある。 The present invention has been made in view of such problems, and an object thereof is to provide an electrolyte capable of improving battery characteristics such as capacity and charge / discharge cycle characteristics, and a battery using the electrolyte.
本発明による電解質は、酸素(O)を含まない有機化合物を含む溶媒を含有するものである。 The electrolyte according to the present invention contains a solvent containing an organic compound not containing oxygen (O).
本発明による電池は、正極および負極と共に電解質を備えたものであって、電解質は、酸素を含まない有機化合物を含む溶媒を含有するものである。 The battery according to the present invention includes an electrolyte together with a positive electrode and a negative electrode, and the electrolyte contains a solvent containing an organic compound not containing oxygen.
本発明による電解質および電池では、上記有機化合物が含まれており、この有機化合物は電気化学的に安定なので、充放電に伴う負極の表面での電解質の分解およびそれに基づく被膜の形成が抑制される。よって、正極または負極に対するイオンの吸蔵および放出反応が効率的に行われる。 In the electrolyte and battery according to the present invention, the organic compound is contained, and since the organic compound is electrochemically stable, decomposition of the electrolyte on the surface of the negative electrode accompanying charge / discharge and formation of a coating based thereon are suppressed. . Therefore, the occlusion and release reaction of ions with respect to the positive electrode or the negative electrode is efficiently performed.
本発明の電解質および電池によれば、上記有機化合物を含むようにしたので、負極の表面での電解質の分解およびそれに基づく被膜の形成が抑制される。その結果、正極または負極に対するイオンの吸蔵および放出反応が効率的に行われ、電池容量および充放電サイクル特性などの電池特性を改善することができる。とりわけ、負極にリチウムと化合可能な金属元素または半金属元素の単体,合金および化合物からなる群のうちの少なくとも1種を含むようにした場合、充放電を繰り返すと電池特性が劣化しやすいので、より高い効果を発揮することができる。 According to the electrolyte and battery of the present invention, since the organic compound is included, decomposition of the electrolyte on the surface of the negative electrode and formation of a coating based thereon are suppressed. As a result, ion storage and release reactions with respect to the positive electrode or the negative electrode are performed efficiently, and battery characteristics such as battery capacity and charge / discharge cycle characteristics can be improved. In particular, when the negative electrode contains at least one member selected from the group consisting of simple elements, alloys, and compounds of metal elements or metalloid elements that can be combined with lithium, battery characteristics are likely to deteriorate when charging and discharging are repeated. A higher effect can be exhibited.
また、特に、溶媒における酸素非含有化合物の割合を1体積%以上90体積%以下の範囲内とするようにすれば、より高い効果を得ることができる。 In particular, if the ratio of the oxygen-free compound in the solvent is in the range of 1% by volume or more and 90% by volume or less, a higher effect can be obtained.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は、本発明の一実施の形態に係る二次電池の断面構造を表すものである。この二次電池は、いわゆる円筒型といわれるものであり、ほぼ中空円柱状の電池缶11の内部に、帯状の正極21と帯状の負極22とがセパレータ23を介して巻回された電極体20を有している。電池缶11は、例えばニッケル(Ni)のめっきがされた鉄(Fe)により構成されており、一端部が閉鎖され他端部が開放されている。電池缶11の内部には、液状の電解質である電解液が注入されセパレータ23に含浸されている。また、電極体20を挟むように巻回周面に対して垂直に一対の絶縁板12,13がそれぞれ配置されている。
FIG. 1 shows a cross-sectional structure of a secondary battery according to an embodiment of the present invention. This secondary battery is a so-called cylindrical type, and an
電池缶11の開放端部には、電池蓋14と、この電池蓋14の内側に設けられた安全弁機構15および熱感抵抗素子(Positive Temperature Coefficient;PTC素子)16とが、ガスケット17を介してかしめられることにより取り付けられており、電池缶11の内部は密閉されている。電池蓋14は、例えば、電池缶11と同様の材料により構成されている。安全弁機構15は、熱感抵抗素子16を介して電池蓋14と電気的に接続されており、内部短絡あるいは外部からの加熱などにより電池の内圧が一定以上となった場合にディスク板15Aが反転して電池蓋14と電極体20との電気的接続を切断するようになっている。熱感抵抗素子16は、温度が上昇すると抵抗値の増大により電流を制限し、大電流による異常な発熱を防止するものである。ガスケット17は、例えば、絶縁材料により構成されており、表面にはアスファルトが塗布されている。
At the open end of the battery can 11, a
電極体20の中心には、例えば、センターピン24が挿入されている。また、電極体20の正極21にはアルミニウム(Al)などよりなる正極リード25が接続されており、負極22にはニッケルなどよりなる負極リード26が接続されている。正極リード25は安全弁機構15に溶接されることにより電池蓋14と電気的に接続されており、負極リード26は電池缶11に溶接され電気的に接続されている。
For example, a center pin 24 is inserted in the center of the
図2は、図1に示した電極体20の一部を拡大して表すものである。正極21は、例えば、対向する一対の面を有する正極集電体21Aと、正極集電体21Aの両面あるいは片面に設けられた正極合剤層21Bとを有している。正極集電体21Aは、例えば、アルミニウム箔,ニッケル箔あるいはステンレス箔などの金属箔により構成されている。正極合剤層21Bは、例えば、正極活物質として、リチウムを吸蔵および放出することが可能な正極材料のいずれか1種または2種以上を含んでおり、必要に応じてポリテトラフルオロエチレンやポリフッ化ビニリデンなどの結着剤および人工黒鉛やカーボンブラックなどの導電剤を含んでいてもよい。リチウムを吸蔵および放出することが可能な正極材料としては、例えば、硫化チタン(TiS2 ),硫化モリブデン(MoS2 ),セレン化ニオブ(NbSe2 )あるいは酸化バナジウム(V2 O5 )などのリチウムを含有しない金属硫化物あるいは金属酸化物など、またはリチウムを含有するリチウム複合酸化物が挙げられる。
FIG. 2 shows an enlarged view of a part of the
中でも、リチウム複合酸化物は、高電圧および高エネルギー密度を得ることができるものがあるので好ましい。このようなリチウム複合酸化物としては、例えば、化学式Li(1+x) MIy MII(1-x-y) O2 で表されるものが挙げられる。式中、MIは、コバルトおよびニッケルのうちの少なくとも一方を表し、MIIは、マンガン(Mn),マグネシウム(Mg),アルミニウム,チタン(Ti),バナジウム(V),クロム(Cr),鉄(Fe),銅(Cu),亜鉛(Zn),モリブデン(Mo),スズ(Sn),カルシウム(Ca),ストロンチウム(Sr)およびタングステン(W)からなる群のうちの少なくとも1種を表す。xの値は、−0.1≦x≦0.1であり、yの値は、y=0または0.005≦y≦0.5である。リチウム複合酸化物の具体例としては、六方晶構造を有するリチウムコバルト複合酸化物(LiCoO2 )やリチウムニッケル複合酸化物(LiNiO2 )、あるいはスピネル構造を有するリチウムマンガン複合酸化物(LiMn2 O4 )などが挙げられる。 Among these, lithium composite oxides are preferable because there are those that can obtain a high voltage and a high energy density. Examples of such a lithium composite oxide include those represented by the chemical formula Li (1 + x) MI y MII (1-xy) O 2 . In the formula, MI represents at least one of cobalt and nickel, and MII represents manganese (Mn), magnesium (Mg), aluminum, titanium (Ti), vanadium (V), chromium (Cr), iron (Fe ), Copper (Cu), zinc (Zn), molybdenum (Mo), tin (Sn), calcium (Ca), strontium (Sr), and tungsten (W). The value of x is −0.1 ≦ x ≦ 0.1, and the value of y is y = 0 or 0.005 ≦ y ≦ 0.5. Specific examples of the lithium composite oxide include a lithium cobalt composite oxide (LiCoO 2 ), a lithium nickel composite oxide (LiNiO 2 ) having a hexagonal structure, or a lithium manganese composite oxide (LiMn 2 O 4 ) having a spinel structure. ) And the like.
負極22は、例えば、対向する一対の面を有する負極集電体22Aと、負極集電体22Aの両面あるいは片面に設けられた負極合剤層22Bとを有している。負極集電体22Aは、例えば、銅箔,ニッケル箔あるいはステンレス箔などの金属箔により構成されている。負極合剤層22Bは、例えば、負極活物質として、リチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料のいずれか1種または2種以上を含んでおり、必要に応じてポリテトラフルオロエチレンやポリフッ化ビニリデンなどの結着剤を含んでいてもよい。
The
リチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料としては、リチウムと化合可能な金属元素または半金属元素の単体,合金および化合物が好ましい。電池の容量を高めることができるからである。なお、本明細書において、合金には2種以上の金属元素からなるものに加えて、1種以上の金属元素と1種以上の半金属元素とからなるものも含める。その組織には固溶体,共晶(共融混合物),金属間化合物あるいはそれらのうちの2種以上が共存するものがある。 As a negative electrode material capable of inserting and extracting lithium, simple elements, alloys and compounds of metal elements or metalloid elements capable of combining with lithium are preferable. This is because the capacity of the battery can be increased. Note that in this specification, alloys include those composed of one or more metal elements and one or more metalloid elements in addition to those composed of two or more metal elements. There are structures in which a solid solution, a eutectic (eutectic mixture), an intermetallic compound, or two or more of them coexist.
リチウムと化合可能な金属元素あるいは半金属元素としては、例えば、亜鉛(Zn),カドミウム(Cd),鉛(Pb),スズ(Sn),ビスマス(Bi),インジウム(In),アンチモン(Sb),ゲルマニウム(Ge),ホウ素(B),ケイ素(Si)あるいはヒ素(As)が挙げられる。これらの化合物としては、例えば化学式Mas Mbt で表されるものが挙げられる。この化学式において、Maはリチウムと化合可能な金属元素および半金属元素のうちの少なくとも1種を表し、MbはMa以外の元素のうちの少なくとも1種を表す。sおよびtの値はそれぞれs>0、t≧0である。 Examples of metal elements or metalloid elements that can be combined with lithium include zinc (Zn), cadmium (Cd), lead (Pb), tin (Sn), bismuth (Bi), indium (In), and antimony (Sb). , Germanium (Ge), boron (B), silicon (Si), or arsenic (As). These compounds include for example, those represented by the chemical formula Ma s Mb t. In this chemical formula, Ma represents at least one of a metal element and a metalloid element that can combine with lithium, and Mb represents at least one of elements other than Ma. The values of s and t are s> 0 and t ≧ 0, respectively.
中でも長周期型周期表における14族の金属元素あるいは半金属元素の単体または化合物が好ましく、特に好ましいのはケイ素あるいはスズ、またはこれらの化合物である。より高い容量を得ることができるからである。なお、これらは結晶質のものでもアモルファスのものでもよい。
Among them, a single element or compound of a
このような化合物について具体的に例を挙げれば、SiB4 .SiB6 ,Mg2 Si,Mg2 Sn,Ni2 Si,TiSi2 ,MoSi2 ,CoSi2 ,NiSi2 ,CaSi2 ,CrSi2 ,Cu5 Si,FeSi2 ,MnSi2 ,NbSi2 ,TaSi2 ,VSi2 ,WSi2 あるいはZnSi2 などのMcMdu (Mcはケイ素またはスズを表し、Mdは1種以上の金属元素を表し、u≧0である)で表される合金あるいは化合物、またはSiC,Si3 N4 ,Si2 N2 O,Ge2 N2 O,SiOv (0<v≦2),SnOw (0<w≦2),LiSiOあるいはLiSnOなどがある。 Specific examples of such compounds include SiB 4 . SiB 6, Mg 2 Si, Mg 2 Sn, Ni 2 Si, TiSi 2, MoSi 2, CoSi 2, NiSi 2, CaSi 2, CrSi 2, Cu 5 Si, FeSi 2, MnSi 2, NbSi 2, TaSi 2, VSi 2 , an alloy or compound represented by McMd u such as WSi 2 or ZnSi 2 (Mc represents silicon or tin, Md represents one or more metal elements, and u ≧ 0), or SiC, Si 3 N 4 , Si 2 N 2 O, Ge 2 N 2 O, SiO v (0 <v ≦ 2), SnO w (0 <w ≦ 2), LiSiO, or LiSnO.
なお、他の化合物としては、例えば、LiAl合金,LiAlMe合金(Meは長周期型周期表における2〜11族の元素および14族の元素からなる群のうちの少なくとも1種を表す),AlSb合金あるいはCuMgSb合金が挙げられる。
As other compounds, for example, LiAl alloy, LiAlMe alloy (Me represents at least one of the group consisting of elements of group 2-11 and
なお、このような負極活物質の作製方法は限定されないが、例えば、出発原料を混合した混合物をアルゴンなどの不活性ガス雰囲気中あるいは還元性ガス雰囲気中で加熱処理し、加熱処理した混合物を粉砕することによって作製することができる。また、出発原料に機械的な力を加えるメカニカルアロイング法によって作製することもできる。 A method for producing such a negative electrode active material is not limited. For example, a mixture in which starting materials are mixed is heat-treated in an inert gas atmosphere such as argon or a reducing gas atmosphere, and the heat-treated mixture is pulverized. It can produce by doing. It can also be produced by a mechanical alloying method in which a mechanical force is applied to the starting material.
リチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料としては、また、炭素質材料が挙げられる。この炭素質材料は、充放電サイクル特性に優れており、上記リチウムと化合可能な金属元素あるいは半金属元素の単体,合金および化合物のいずれか1種または2種以上と共に用いるようにすれば、高容量を得ることができると共に、充放電サイクル特性を向上させることができるので好ましい。また、導電剤としても機能するので好ましい。炭素質材料の具体例としては、難黒鉛化炭素,易黒鉛化性炭素,黒鉛,熱分解性炭素類,コークス類,ガラス状炭素類,有機高分子化合物,焼成体,炭素繊維あるいは活性炭などがある。このうち、コークス類には、ピッチコークス,ニードルコークスあるいは石油コークスなどがある。有機高分子化合物とは、フェノール樹脂やフラン樹脂などの高分子材料を適当な温度で焼成して炭素化したものであり、一部には難黒鉛化炭素または易黒鉛化性炭素に分類されるものもある。 Examples of the negative electrode material capable of inserting and extracting lithium include carbonaceous materials. This carbonaceous material is excellent in charge / discharge cycle characteristics, and if used together with any one or more of a single element, alloy, or compound of a metal element or a metalloid element that can be combined with the lithium, It is preferable because capacity can be obtained and charge / discharge cycle characteristics can be improved. Moreover, since it functions also as a electrically conductive agent, it is preferable. Specific examples of carbonaceous materials include non-graphitizable carbon, graphitizable carbon, graphite, pyrolytic carbons, cokes, glassy carbons, organic polymer compounds, fired bodies, carbon fibers or activated carbon. is there. Among these, examples of coke include pitch coke, needle coke, and petroleum coke. An organic polymer compound is a material obtained by firing and carbonizing a polymer material such as phenol resin or furan resin at an appropriate temperature, and is partially classified as non-graphitizable carbon or graphitizable carbon. There are also things.
これらリチウムと化合可能な金属元素または半金属元素の単体,合金および化合物と、炭素質材料との割合は、重量比で、上記単体,合金および化合物が0.5以上5以下、炭素質材料が0.2以上2以下の範囲内であることが好ましい。また、負極合剤層22Bにおけるこれらの割合は、上記単体,合金および化合物が30重量%以上75重量%以下、炭素質材料が15重量%以上60重量%以下の範囲内であることが好ましい。導電剤としても機能する炭素質材料が少なすぎると負極22の導電率が低下し、多すぎると高容量の上記単体,合金および化合物の量が少なくなるので、電池容量が低下してしまうからである。
The ratio of the simple substance, alloy, and compound of the metal element or metalloid element that can be combined with these lithiums to the carbonaceous material is 0.5 to 5 or less for the simple substance, alloy, and compound, and the carbonaceous material is a weight ratio. It is preferably within the range of 0.2 or more and 2 or less. Further, these ratios in the negative electrode mixture layer 22B are preferably in the range of 30 wt% to 75 wt% for the simple substance, alloy and compound, and 15 wt% to 60 wt% for the carbonaceous material. If the amount of the carbonaceous material that also functions as a conductive agent is too small, the conductivity of the
セパレータ23は、正極21と負極22とを隔離して、両極の接触による内部短絡を防止すると共に、イオンを通過させるものである。セパレータ23は、例えば、平均粒径が5μm以下程度の微小な孔を多数有する微多孔性膜を単層であるいは積層して構成されている。このような微多孔成膜の構成材料としては、例えば、オレフィン系ポリマー,プロピレン系ポリマー,セルロース系ポリマー,ポリイミドあるいはナイロンがあり、その他にもガラス繊維あるいはアルミナ繊維などを用いることが可能である。中でも、ポリプロピレンやポリオレフィンは、短絡防止効果に優れ、シャットダウン効果により電池の安全性を向上させることができるので好ましい。
The
セパレータ23に含浸された電解液は、非水溶媒などの溶媒と、溶媒に溶解された電解質塩とを含んでいる。非水溶媒は、酸素を含まない有機化合物(以下、酸素非含有化合物という)のいずれか1種または2種以上を含んでいる。酸素非含有化合物は電気化学的に安定なので、充放電を繰り返し行っても分解しにくい。よって、この酸素非含有化合物を含むことにより、この二次電池では、負極22の表面での電解液の分解およびそれに基づく被膜の形成が抑制されるので、リチウムイオンの吸蔵および放出反応が効率的に行われ、電池容量および充放電サイクル特性などの電池特性を改善することができるようになっている。
The electrolytic solution impregnated in the
酸素非含有化合物としては、例えば、化1ないし化12に示した化合物が好ましく、より好ましくは化1,化2,化4,化6あるいは化7に示した化合物であり、最も好ましいのは化1に示した化合物である。これらの化合物を用いればより高い効果を得ることができるからである。
As the oxygen-free compound, for example, compounds shown in
(化1ないし化13において、X1〜X138は水素(H),フッ素(F),塩素(Cl),臭素(Br),アミノ基(−NH2 )あるいは化14に示した基を表し、Y1およびY2はそれぞれフッ素,塩素または臭素を表し、m,n,aおよびbはそれぞれ、1≦m≦12、0≦a≦2m+1、6≦n≦12、0≦b≦2n+2を満たす整数である)
(In the
(化14において、Zはフッ素,塩素または臭素を表し、pおよびcはそれぞれ1≦p≦12、0≦c≦2p+1を満たす整数である)
(In
化1に示した化合物としては、化15に示したフルオロベンゼン,化16に示したベンゼン、化17に示したヘキサフルオロベンゼン,化18に示したクロロベンゼン,化19に示したブロモベンゼン,化20に示したアニリン,化21に示した1,3,5−トリメチルベンゼン,化22に示した1,4−ビス(トリフルオロメチル)ベンゼン,化23に示したtert−ブチルベンゼン,化24に示したtert−ペンチルベンゼンあるいは化25に示したドデシルベンゼンなどが挙げられる。
As the compound shown in
また、化2に示した化合物としては化26に示したジフェニルなど、化3に示した化合物としては化27に示したジフェニルメタンあるいは化28に示した2,2−ジフェニルプロパンなど、化4に示した化合物としては化29に示した1,3−ジメチルナフタレンなど、化5に示した化合物としては化30に示したテトラヒドロナフタレンなど、化6に示した化合物としては化31に示したオルトテルフェニルなど、化7に示した化合物としては化32に示したメタテルフェニルなど、化8に示した化合物としては化33に示したシクロヘキサンなど、化9に示した化合物としては化34に示したシクロヘキセンなど、化10に示した化合物としては化35に示したデカリンなど、化11に示した化合物としては化36に示したシクロペンタンなど、化12に示した化合物としては化37に示したドデカンなど、化13に示した化合物としては化38に示したシクロヘキシルベンゼンなどがそれぞれ挙げられる。
Further, the compound shown in Chemical formula 2 is diphenyl shown in
非水溶媒には、更に、酸素非含有化合物に加えて、環状炭酸エステルあるいは鎖状炭酸エステルの1種または2種以上を混合して用いることが好ましく、環状炭酸エステルを非水溶媒において50体積%以下の範囲内となるように混合して用いればより好ましい。環状炭酸エステルの割合がこれよりも大きくなると、電解液の粘度が大きくなり、電気伝導度が低下して、容量維持率が低下してしまうからである。環状炭酸エステルとしては、プロピレンカーボネート,エチレンカーボネート,ブチレンカーボネート,ビニレンカーボネートあるいはビニルエチレンカーボネートが好ましく、鎖状炭酸エステルとしては、ジエチルカーボネート,ジメチルカーボネート,メチルエチルカーボネート,メチルプロピルカーボネート,ジプロピルカーボネート,エチルプロピルカーボネートあるいはブチルエチルカーボネートが好ましい。 In addition to the oxygen-free compound, the non-aqueous solvent is preferably used by mixing one or more of cyclic carbonates or chain carbonates, and the cyclic carbonate is used in a volume of 50 volumes in the non-aqueous solvent. It is more preferable to mix and use so that it may become in the range of% or less. This is because when the proportion of the cyclic carbonate is larger than this, the viscosity of the electrolytic solution is increased, the electric conductivity is lowered, and the capacity retention rate is lowered. As the cyclic carbonate, propylene carbonate, ethylene carbonate, butylene carbonate, vinylene carbonate or vinyl ethylene carbonate is preferable, and as the chain carbonate ester, diethyl carbonate, dimethyl carbonate, methyl ethyl carbonate, methyl propyl carbonate, dipropyl carbonate, ethyl Propyl carbonate or butyl ethyl carbonate is preferred.
また、他にも、例えば1,2−ジエトキシエタン、γ−ブチロラクトン、テトラビドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、1,3−ジオキソラン、4−メチル1,3−ジオキソラン、ジエチルエーテル、スルホラン、メチルスルホラン、アセトニトリル、プロピオニトリル、アニソール、酢酸エステル、酪酸エステルあるいはプロピオン酸エステルなどの他の物質のいずれか1種または2種以上を用いるようにしてもよい。 In addition, for example, 1,2-diethoxyethane, γ-butyrolactone, tetravidrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, 1,3-dioxolane, 4-methyl-1,3-dioxolane, diethyl ether, sulfolane, methylsulfolane Any one or more of other substances such as acetonitrile, propionitrile, anisole, acetate, butyrate or propionate may be used.
このように非水溶媒に酸素非含有化合物以外の他の物質を用いる場合、酸素非含有化合物の非水溶媒における割合は、混合する他の溶媒の種類などによっても異なるが、1体積%以上90体積%以下の範囲内であることが好ましく、20体積%以上60体積%以下の範囲内であればより好ましい。酸素非含有化合物が少なすぎると上述の効果が十分に発揮されない場合があり、一方、多すぎると電解質塩が十分に溶解しにくいことから、電気伝導度が低くなり、電池特性が低下してしまう場合があるからである。すなわち、この範囲内とすることにより、負極22の表面に被膜が形成されることが十分に防止され、十分な電気伝導度が得られることから、リチウムイオンの吸蔵および放出反応をより効率的に行い、電池特性を十分に改善することができる。
As described above, when using a substance other than the oxygen-free compound in the non-aqueous solvent, the proportion of the oxygen-free compound in the non-aqueous solvent varies depending on the type of the other solvent to be mixed and the like. It is preferably within the range of volume% or less, and more preferably within the range of 20 volume% or more and 60 volume% or less. If the amount of oxygen-free compound is too small, the above-mentioned effects may not be sufficiently exhibited. On the other hand, if the amount is too large, the electrolyte salt is difficult to dissolve sufficiently, resulting in low electrical conductivity and poor battery characteristics. Because there are cases. That is, by making it within this range, a film is sufficiently prevented from being formed on the surface of the
電解質塩としては、例えば、リチウム塩が挙げられ、1種を単独で用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよい。リチウム塩としては、LiPF6 ,LiN(CF3 SO2 )2 ,LiN(C2 F5 SO2 )2 ,LiClO4 ,LiAsF6 ,LiBF4 ,LiB(C6 H5 )4 .CH3 SO3 Li,CF3 SO3 Li,LiClあるいはLiBrなどが挙げられる。中でも、LiPF6 ,LiN(CF3 SO2 )2 あるいはLiN(C2 F5 SO2 )2 のいずれか1種または2種以上を用いることが好ましい。LiPF6 は、酸化安定性に優れており、充放電を繰り返しても分解することが少ないことから、リチウムイオンを円滑に移動させ、容量を高めることができ、LiN(CF3 SO2 )2 およびLiN(C2 F5 SO2 )2 は、LiPF6 よりアニオンの大きさが大きいため、同体積中に含まれる酸素非含有化合物以外の非水溶媒の占める体積が小さくなり、負極22の表面での電解液の分解およびそれに基づく被膜の形成が抑制されると考えられるからである。
As electrolyte salt, lithium salt is mentioned, for example, 1 type may be used independently, and 2 or more types may be mixed and used for it. The lithium salt, LiPF 6, LiN (CF 3 SO 2) 2, LiN (C 2 F 5 SO 2) 2, LiClO 4, LiAsF 6, LiBF 4, LiB (C 6 H 5) 4. CH 3 SO 3 Li, CF 3 SO 3 Li, LiCl, LiBr, or the like can be given. Among these, it is preferable to use one or more of LiPF 6 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 or LiN (C 2 F 5 SO 2 ) 2 . LiPF 6 is excellent in oxidation stability and rarely decomposes even after repeated charge and discharge. Therefore, lithium ions can be moved smoothly and the capacity can be increased, and LiN (CF 3 SO 2 ) 2 and Since LiN (C 2 F 5 SO 2 ) 2 has a larger anion size than LiPF 6 , the volume occupied by the non-aqueous solvent other than the oxygen-free compound contained in the same volume is reduced, and the surface of the
電解液における電解質塩の割合は(濃度)、0.4mol/dm3 以上2.0mol/dm3 以下の範囲内であることが好ましい。電解質塩が少ないと電気伝導度が小さくなり、逆に、電解質塩が多いと電解液の粘性が高くなり、正極21と負極22との間においてイオンが移動しにくくなるからである。つまり、この範囲内とすることにより、イオンの吸蔵・放出量が良好となり、電池特性の低下が抑制される。
The ratio of the electrolyte salt in the electrolytic solution (concentration) is preferably in the range of 0.4 mol / dm 3 to 2.0 mol / dm 3 . This is because when the amount of electrolyte salt is small, the electric conductivity is small, and conversely, when the amount of electrolyte salt is large, the viscosity of the electrolytic solution is high, and ions are difficult to move between the
なお、電解液に代えて、ゲル状電解質を用いてもよい。ゲル状電解質は、例えば、高分子化合物に電解液を保持させたものである。電解液(すなわち、溶媒および電解質塩等)については、上述のとおりである。高分子化合物としては、例えば、電解液を吸収してゲル化するものであればよく、そのような高分子化合物としては、例えば、ポリフッ化ビニリデンあるいはフッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンとの共重合体などのフッ素系高分子化合物、ポリエチレンオキサイドあるいはポリエチレンオキサイドを含む架橋体などのエーテル系高分子化合物、またはポリアクリロニトリルなどが挙げられる。特に、酸化還元安定性の点からは、フッ素系高分子化合物が望ましい。このゲル電解質における電解質塩の割合は、電解液と同様に、0.4mol/dm3 以上2.0mol/dm3 以下の範囲内であることが好ましい。 A gel electrolyte may be used in place of the electrolytic solution. The gel electrolyte is obtained, for example, by holding an electrolytic solution in a polymer compound. The electrolytic solution (that is, the solvent, the electrolyte salt, etc.) is as described above. As the polymer compound, for example, any polymer that absorbs an electrolytic solution and gelates can be used. Examples of such a polymer compound include polyvinylidene fluoride or a copolymer of vinylidene fluoride and hexafluoropropylene. And a fluorine-based polymer compound such as polyethylene oxide or an ether-based polymer compound such as a crosslinked product containing polyethylene oxide, or polyacrylonitrile. In particular, a fluorine-based polymer compound is desirable from the viewpoint of redox stability. The ratio of the electrolyte salt in the gel electrolyte is preferably in the range of 0.4 mol / dm 3 or more and 2.0 mol / dm 3 or less, as in the electrolytic solution.
この二次電池では、充電を行うと、例えば、正極合剤層21Bからリチウムイオンが放出され、電解質を介して負極合剤層22Bに吸蔵される。放電を行うと、例えば、負極合剤層22Bからリチウムイオンが放出され、電解質を介して正極合剤層21Bに吸蔵される。ここでは、電解液に含まれる酸素非含有化合物が電気化学的に安定なので、充放電に伴う負極22の表面での電解液の分解およびそれに基づく被膜の形成が抑制される。よって、リチウムイオンの吸蔵および放出反応が効率的に行われる。
In the secondary battery, when charged, for example, lithium ions are released from the positive electrode mixture layer 21B and inserted into the negative electrode mixture layer 22B through the electrolyte. When the discharge is performed, for example, lithium ions are released from the negative electrode mixture layer 22B and inserted into the positive electrode mixture layer 21B through the electrolyte. Here, since the oxygen-free compound contained in the electrolytic solution is electrochemically stable, decomposition of the electrolytic solution on the surface of the
この二次電池は、例えば、次のようにして製造することができる。 For example, the secondary battery can be manufactured as follows.
まず、例えば、正極活物質と導電剤と結着剤とを混合して正極合剤を調製し、この正極合剤をN−メチル−2−ピロリドンなどの混合溶媒に分散させて正極合剤スラリーとする。次いで、正極合剤スラリーを正極集電体21Aに塗布し乾燥させたのち圧縮成型して正極合剤層21Bを形成し、正極21を作製する。そののち、正極集電体21Aに超音波溶接あるいはスポット溶接などにより正極リード25を接合する。
First, for example, a positive electrode active material, a conductive agent, and a binder are mixed to prepare a positive electrode mixture, and the positive electrode mixture is dispersed in a mixed solvent such as N-methyl-2-pyrrolidone to form a positive electrode mixture slurry. And Next, the positive electrode mixture slurry is applied to the positive electrode
また、例えば、負極活物質と結着剤とを混合して負極合剤を調製し、この負極合剤をN−メチル−2−ピロリドンなどの混合溶媒に分散させて負極合剤スラリーとする。次いで、負極合剤スラリーを負極集電体22Aに塗布し乾燥させたのち圧縮成型して負極合剤層22Bを形成し、負極22を作製する。そののち、負極集電体22Aに超音波溶接あるいはスポット溶接などにより負極リード26を接合する。
Further, for example, a negative electrode active material and a binder are mixed to prepare a negative electrode mixture, and the negative electrode mixture is dispersed in a mixed solvent such as N-methyl-2-pyrrolidone to obtain a negative electrode mixture slurry. Next, the negative electrode mixture slurry is applied to the negative electrode
次いで、正極21と負極22とをセパレータ23を介して多数回巻回し、電極体20を作製したのち、この電極体20を一対の絶縁板12,13で挟み、電池缶11の内部に収納する。続いて、正極リード25の先端部を安全弁機構15に溶接すると共に、負極リード26の先端部を電池缶11に溶接する。
Next, the
また、溶媒に電解質塩を溶解させ、電解液を調製する。そののち、電解液を電池缶11の内部に注入し、セパレータ23に含浸させる。そののち、電池缶11の開口端部に電池蓋14,安全弁機構15および熱感抵抗素子16をガスケット17を介してかしめることにより固定する。これにより、本実施の形態の二次電池が完成する。
In addition, an electrolyte salt is dissolved in a solvent to prepare an electrolytic solution. After that, the electrolytic solution is injected into the battery can 11 and impregnated in the
このように本実施の形態では、溶媒に電解化学的に安定で分解しにくい酸素非含有化合物を含むようにしたので、負極22の表面での電解液の分解およびそれに基づく被膜の形成が抑制される。その結果、リチウムイオンの吸蔵および放出反応が効率的に行われ、電池容量および充放電サイクル特性などの電池特性を改善することができる。とりわけ、負極22にリチウムと化合可能な金属元素または半金属元素の単体,合金および化合物からなる群のうちの少なくとも1種は電解質との反応性が高く、充放電を繰り返すと劣化し、電池特性を劣化させやすいので、これらを含むようにした場合により高い効果を発揮することができる。
As described above, in this embodiment, since the solvent contains an oxygen-free compound that is electrochemically stable and difficult to decompose, decomposition of the electrolytic solution on the surface of the
また、特に、溶媒における酸素非含有化合物の割合を1体積%以上90体積%以下の範囲内とするようにすれば、より高い効果を得ることができる。 In particular, if the ratio of the oxygen-free compound in the solvent is in the range of 1% by volume or more and 90% by volume or less, a higher effect can be obtained.
更に、本発明の具体的な実施例について詳細に説明する。 Further, specific embodiments of the present invention will be described in detail.
(実施例1−1〜1−24)
まず、炭酸リチウム(Li2 CO3 )と炭酸コバルト(CoCO3 )とを0.5mol:1molの比率でミキサーを用いて十分に混合したのち、電気炉にて900℃の空気中において5時間焼成し、焼成後に粉砕することにより粉末状のリチウムコバルト複合酸化物を合成した。このリチウムコバルト複合酸化物についてX線回析測定を行ったところ、LiCoO2 であることが確認された。
(Examples 1-1 to 1-24)
First, lithium carbonate (Li 2 CO 3 ) and cobalt carbonate (CoCO 3 ) are thoroughly mixed at a ratio of 0.5 mol: 1 mol using a mixer, and then fired in air at 900 ° C. for 5 hours in an electric furnace. The powdered lithium cobalt composite oxide was synthesized by grinding after firing. When this lithium cobalt composite oxide was subjected to X-ray diffraction measurement, it was confirmed to be LiCoO 2 .
次いで、合成したリチウムコバルト複合酸化物を正極活物質として用い、リチウムコバルト複合酸化物91重量部と、導電剤であるグラファイト6重量部と、結着剤であるポリフッ化ビニリデン3重量部とを、混合溶媒であるN−メチル−2−ピロリドンを用いてプラネタリーミキサーにより混練および分散し、正極合剤塗液を作製した。続いて、塗工装置としてダイコータを用いて、厚み20μmのアルミニウム箔よりなる正極集電体21Aの両面に正極合剤塗液を均一に塗布し乾燥させたのち、ロールプレス機で圧縮成形して正極合剤層21Bを形成した。そののち、長さ54mm間隔で裁断し、正極21を作製した。次いで、正極集電体21Aに幅方向の一端部から突出するようにアルミニウム片よりなる正極リード25を接合した。
Next, using the synthesized lithium cobalt composite oxide as a positive electrode active material, 91 parts by weight of lithium cobalt composite oxide, 6 parts by weight of graphite as a conductive agent, and 3 parts by weight of polyvinylidene fluoride as a binder, Using a mixed solvent, N-methyl-2-pyrrolidone, the mixture was kneaded and dispersed by a planetary mixer to prepare a positive electrode mixture coating solution. Subsequently, using a die coater as a coating apparatus, the positive electrode mixture coating liquid was uniformly applied to both surfaces of the positive electrode current collector 21A made of an aluminum foil having a thickness of 20 μm, dried, and then compression molded by a roll press. A positive electrode mixture layer 21B was formed. After that, the
また、原料としてコバルト粉末とスズ粉末とを用意し、コバルト粉末28g とスズ粉末72g とを混合して、この混合物を石英ボードに入れ、アルゴンガス雰囲気中において1500℃で加熱し、室温まで冷却した。これにより得られた混合物をアルゴンガス雰囲気中においてボールミルにて粉砕したのち分級し、コバルト−スズ(Co−Sn)合金粉末を合成した。このコバルト−スズ合金粉末について、走査型電子顕微鏡により観察したところ、平均粒径が10μmであることが確認された。 Also, cobalt powder and tin powder were prepared as raw materials, 28 g of cobalt powder and 72 g of tin powder were mixed, this mixture was put into a quartz board, heated at 1500 ° C. in an argon gas atmosphere, and cooled to room temperature. . The resulting mixture was pulverized by a ball mill in an argon gas atmosphere and classified to synthesize cobalt-tin (Co-Sn) alloy powder. When this cobalt-tin alloy powder was observed with a scanning electron microscope, it was confirmed that the average particle diameter was 10 μm.
次いで、合成したコバルト−スズ合金粉末を負極活物質として用い、コバルト−スズ合金粉末45重量部と、負極活物質および導電剤である鱗片状黒鉛(ティミカル製KS−44)45重量部と、結着剤であるポリフッ化ビニリデン10重量部とを、混合溶媒であるN−メチル−2−ピロリドンを用いて、プラネタリーミキサーにより混練および分散し、負極合剤塗液を作製した。続いて、塗工装置としてダイコータを用いて、厚み10μmの銅箔よりなる負極集電体22Aの両面に負極合剤塗液を均一に塗布し乾燥させたのち、ロールプレス機で圧縮成形して負極合剤層22Bを形成した。そののち、長さ56mm間隔で裁断し、負極22を作製した。次いで、負極集電体22Aに幅方向の一端部から突出するようにニッケル片よりなる負極リード26を接合した。
Next, using the synthesized cobalt-tin alloy powder as a negative electrode active material, 45 parts by weight of the cobalt-tin alloy powder and 45 parts by weight of flaky graphite (KS-44 manufactured by Timical) as a negative electrode active material and a conductive agent were combined. A negative electrode mixture coating solution was prepared by kneading and dispersing 10 parts by weight of polyvinylidene fluoride as an adhesive with a planetary mixer using N-methyl-2-pyrrolidone as a mixed solvent. Subsequently, using a die coater as a coating device, the negative electrode mixture coating liquid was uniformly applied to both surfaces of the negative electrode current collector 22A made of a copper foil having a thickness of 10 μm and dried, followed by compression molding with a roll press. A negative electrode mixture layer 22B was formed. Then, it cut | judged by the length 56mm space | interval and the
そののち、正極21と負極22との間に厚み25μmの微多孔性ポリプロピレンフィルムよりなるセパレータ23を介在させて、これらを複数積層させた積層体を多数巻回して電極体20を作製した。このとき、電極体20の一方端面から正極リード25が、他方端面から負極リード26が導出するようにした。次いで、正極リード26を電池蓋14に、負極リード26を鉄にニッケルめっきを施した電池缶11にそれぞれ溶接すると共に、電極体20を電池缶11の内部に収納した。
After that, a
また、酸素非含有化合物と、環状炭酸エステルであるエチレンカーボネートと、鎖状炭酸エステルであるジエチルカーボネートとを混合した溶媒に、LiPF6 を溶解させ電解液を調製した。酸素非含有化合物の種類、および、酸素非含有化合物,エチレンカーボネート,ジエチルカーボネートの溶媒における各含有量は、実施例1−1〜1−24で表1に示したように変化させた。なお、表1において、ECはエチレンカーボネートを表し、DECはジエチルカーボネートをそれぞれ表している。電解液におけるLiPF6 の濃度は実施例1−1〜1−24のいずれについても1mol/dm3 とした。 Further, LiPF 6 was dissolved in a solvent obtained by mixing an oxygen-free compound, ethylene carbonate as a cyclic carbonate, and diethyl carbonate as a chain carbonate to prepare an electrolytic solution. The types of the oxygen-free compound and the contents of the oxygen-free compound, ethylene carbonate, and diethyl carbonate in the solvent were changed as shown in Table 1 in Examples 1-1 to 1-24. In Table 1, EC represents ethylene carbonate, and DEC represents diethyl carbonate. The concentration of LiPF 6 in the electrolytic solution was 1 mol / dm 3 in any of Examples 1-1 to 1-24.
次いで、電解液を電池缶11の内部に注入し、アスファルトを塗布した絶縁性のガスケット17を介して、電池缶11の開口部に電池蓋14を圧入して電池缶11の開口部をかしめることにより電池蓋14を強固に固定した。以上のようにして、実施例1−1〜1−24の二次電池(直径18mm、高さ65mm、内径17.38mm、缶肉厚0.31mm)を作製した。
Next, an electrolytic solution is injected into the battery can 11, and the
また、実施例1−1〜1−24に対する比較例1−1として、酸素非含有化合物を用いないと共に、エチレンカーボネートおよびジエチルカーボネートの溶媒における割合を表1に示したように変えたことを除き、他は実施例1−1〜1−24と同様にして二次電池を作製した。作製した実施例1−1〜1−24および比較例1−1の二次電池について、次のようにして初期容量および充放電サイクル特性としての容量維持率を評価した。まず、23℃の温度環境下において最大電圧4. 2V、充電電流1A、充電時間5時間の充電条件で定電圧電流充電を行った後、放電電流1A、終止電圧2. 5Vの放電条件で定電流放電を行い、初期容量を求めた。次いで、同一の充放電条件で充放電を繰り返し、100サイクル目の放電容量を求め、初期容量と100サイクル目の放電容量とから(100サイクル目の放電容量/初期容量)×100として、容量維持率を求めた。得られた結果を表1に示す。 Moreover, as Comparative Example 1-1 with respect to Examples 1-1 to 1-24, except that no oxygen-free compound was used and the ratio of ethylene carbonate and diethyl carbonate in the solvent was changed as shown in Table 1. Other than that, secondary batteries were fabricated in the same manner as in Examples 1-1 to 1-24. About the produced secondary battery of Examples 1-1 to 1-24 and Comparative Example 1-1, the capacity | capacitance maintenance factor as an initial stage capacity | capacitance and charging / discharging cycling characteristics was evaluated as follows. First, in a temperature environment of 23 ° C., a constant voltage current charge is performed under a charging condition of a maximum voltage of 4.2 V, a charging current of 1 A, and a charging time of 5 hours, and then a discharging current of 1 A and a final voltage of 2.5 V is set. Current discharge was performed and the initial capacity was determined. Next, charging / discharging is repeated under the same charging / discharging conditions, the discharge capacity at the 100th cycle is obtained, and the capacity is maintained as the initial capacity and the discharge capacity at the 100th cycle (discharge capacity at the 100th cycle / initial capacity) × 100. The rate was determined. The obtained results are shown in Table 1.
表1に示したように、酸素非含有化合物を用いた実施例1−1〜1−24によれば、用いなかった比較例1−1に比べて、初期容量および容量維持率の両方について高い値が得られた。すなわち、溶媒に酸素非含有化合物を含むようにすれば、電池容量および充放電サイクル特性を向上させることができることが分かった。 As shown in Table 1, according to Examples 1-1 to 1-24 using an oxygen-free compound, both the initial capacity and the capacity retention rate were higher than those of Comparative Example 1-1 that was not used. A value was obtained. That is, it was found that the battery capacity and charge / discharge cycle characteristics can be improved by including an oxygen-free compound in the solvent.
(実施例2−1〜2−14)
実施例2−1〜2−8として、フルオロベンゼン,エチレンカーボネートおよびジエチルカーボネートの溶媒における割合を表2に示したように変えたことを除き、他は実施例1−1と同様にして二次電池を作製した。また、実施例2−9〜2−14として、環状炭酸エステルおよび鎖状炭酸エステルの種類およびその溶媒における割合を表2に示したように変えたことを除き、他は実施例1−1と同様にして二次電池を作製した。なお、表2において、PCはプロピレンカーボネート、BCはブチレンカーボネート、VCはビニレンカーボネート、VECはビニルエチレンカーボネート、ECはエチレンカーボネート、DMCはジメチルカーボネート、MECはメチルエチルカーボネート、MPCはメチルプロピルカーボネート、DPCはジプロピルカーボネート、EPCはエチルプロピルカーボネート、BECはブチルエチルカーボネートをそれぞれ表している。実施例2−1〜2−14の二次電池についても、実施例1−1と同様にして、初期容量および容量維持率を評価した。その結果を実施例1−1および比較例1−1の結果と共に表2に示す。
(Examples 2-1 to 2-14)
As Examples 2-1 to 2-8, except that the proportions of fluorobenzene, ethylene carbonate and diethyl carbonate in the solvent were changed as shown in Table 2, other than that in Example 1-1, the secondary A battery was produced. In addition, as Examples 2-9 to 2-14, except that the types of cyclic carbonates and chain carbonates and the ratios thereof in the solvent were changed as shown in Table 2, the others were the same as Example 1-1. Similarly, a secondary battery was produced. In Table 2, PC is propylene carbonate, BC is butylene carbonate, VC is vinylene carbonate, VEC is vinyl ethylene carbonate, EC is ethylene carbonate, DMC is dimethyl carbonate, MEC is methyl ethyl carbonate, MPC is methyl propyl carbonate, DPC Represents dipropyl carbonate, EPC represents ethyl propyl carbonate, and BEC represents butyl ethyl carbonate. For the secondary batteries of Examples 2-1 to 2-14, the initial capacity and the capacity retention rate were evaluated in the same manner as in Example 1-1. The results are shown in Table 2 together with the results of Example 1-1 and Comparative example 1-1.
表2に示したように、初期容量および容量維持率は、フルオロベンゼンが多いと高く、フルオロベンゼンが少ないと小さい傾向が見られた。すなわち、溶媒におけるフルオロベンゼンの割合は、1体積%以上90体積%以下の範囲内とすれば好ましく、20体積%以上60体積%以下の範囲内とすればより好ましいことが分かった。 As shown in Table 2, the initial capacity and the capacity retention ratio were high when the amount of fluorobenzene was large, and small when the amount of fluorobenzene was small. That is, it has been found that the proportion of fluorobenzene in the solvent is preferably in the range of 1% by volume to 90% by volume, and more preferably in the range of 20% by volume to 60% by volume.
また、表2に示したように、実施例2−9〜2ー14によれば、実施例1−1と同様に、比較例1−1に比べて初期容量および容量維持率の両方について高い値が得られた。すなわち、環状炭酸エステルとして、エチレンカーボネート以外の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あるいはビニルエチレンカーボネートを用いるようにしても、また、鎖状炭酸エステルとして、ジエチルカーボネート以外のジメチルカーボネート,メチルエチルカーボネート,メチルプロピルカーボネート,ジプロピルカーボネート,エチルプロピルカーボネートあるいはブチルエチルカーボネートを用いるようにしても、電池容量および充放電サイクル特性を向上させることができることが分かった。 Moreover, as shown in Table 2, according to Examples 2-9 to 2-14, both the initial capacity and the capacity retention rate are higher than those of Comparative Example 1-1, as in Example 1-1. A value was obtained. That is, propylene carbonate other than ethylene carbonate, butylene carbonate, vinylene carbonate or vinyl ethylene carbonate may be used as the cyclic carbonate, and dimethyl carbonate other than diethyl carbonate, methyl ethyl carbonate, methyl may be used as the chain carbonate. It has been found that even when propyl carbonate, dipropyl carbonate, ethyl propyl carbonate or butyl ethyl carbonate is used, the battery capacity and charge / discharge cycle characteristics can be improved.
(実施例3−1〜3−13)
実施例3−1〜3−5として、コバルト−スズ合金粉末に代えて銅−スズ(Cu−Sn)合金粉末を用いると共に、フルオロベンゼン,エチレンカーボネート,ジエチルカーボネートの溶媒における割合を表3に示したように変えたことを除き、他は実施例1−1と同様にして二次電池を作製した。なお、銅−スズ合金粉末は、原料に銅粉末20重量%とスズ粉末80重量%とを用いたことを除き、他は実施例1−1のコバルト−スズ合金粉末と同様にして作製した。また、実施例3−6〜3−10として、コバルト−スズ合金粉末に代えて鉄−スズ(Fe−Sn)合金粉末を用いると共に、フルオロベンゼン,エチレンカーボネート,ジエチルカーボネートの溶媒における割合を表4に示したように変えたことを除き、他は実施例1−1と同様にして二次電池を作製した。なお、鉄−スズ合金粉末は、原料に鉄粉末40重量%とスズ粉末60重量%とを用いたことを除き、他は実施例1−1のコバルト−スズ合金粉末と同様にして作製した。更に、実施例3−11〜3−13として、コバルト−スズ合金粉末に代えてグラファイトを用いると共に、ジエチルカーボネートに代えてジメチルカーボネートを用い、フルオロベンゼン,エチレンカーボネート,ジメチルカーボネートの溶媒における割合を表5に示したように変えたことを除き、他は実施例1−1と同様にして二次電池を作製した。
(Examples 3-1 to 3-13)
As Examples 3-1 to 3-5, copper-tin (Cu-Sn) alloy powder was used instead of cobalt-tin alloy powder, and the ratios of fluorobenzene, ethylene carbonate, and diethyl carbonate in the solvent are shown in Table 3. A secondary battery was fabricated in the same manner as in Example 1-1 except that the above was changed. The copper-tin alloy powder was prepared in the same manner as the cobalt-tin alloy powder of Example 1-1 except that 20 wt% copper powder and 80 wt% tin powder were used as raw materials. Further, as Examples 3-6 to 3-10, iron-tin (Fe-Sn) alloy powder was used instead of cobalt-tin alloy powder, and the ratios of fluorobenzene, ethylene carbonate, and diethyl carbonate in the solvent were shown in Table 4. A secondary battery was fabricated in the same manner as in Example 1-1 except that the changes were made as shown in FIG. The iron-tin alloy powder was produced in the same manner as the cobalt-tin alloy powder of Example 1-1 except that 40 wt% iron powder and 60 wt% tin powder were used as raw materials. Further, as Examples 3-11 to 13-13, graphite was used instead of cobalt-tin alloy powder, dimethyl carbonate was used instead of diethyl carbonate, and the ratios of fluorobenzene, ethylene carbonate, and dimethyl carbonate in the solvent were shown. A secondary battery was fabricated in the same manner as in Example 1-1 except for the change as shown in FIG.
また、実施例3−11〜3−13に対する比較例3−1として、フルオロベンゼン,エチレンカーボネート,ジメチルカーボネートの溶媒における割合を表5に示したように変えたことを除き、他は実施例3−11〜3−13と同様にして二次電池を作製した。実施例3−1〜3−13および比較例3−1の二次電池についても、実施例1−1と同様にして、初期容量および充放電サイクル特性を評価した。その結果を表3ないし表5に示す。 Further, as Comparative Example 3-1 with respect to Examples 3-11 to 3-13, Example 3 was the same as Example 3 except that the ratio of fluorobenzene, ethylene carbonate, and dimethyl carbonate in the solvent was changed as shown in Table 5. Secondary batteries were fabricated in the same manner as in -11 to 3-13. For the secondary batteries of Examples 3-1 to 3-13 and Comparative example 3-1, the initial capacity and charge / discharge cycle characteristics were evaluated in the same manner as in Example 1-1. The results are shown in Tables 3 to 5.
表3および表4に示したように、負極活物質として銅−スズ合金あるいは鉄−スズ合金を用いた実施例3−1〜3−10についても、コバルト−スズ合金を用いた実施例2−1〜2−8と同様に、良好な結果が得られた。また、表5に示したように、負極活物質として炭素質材料を用いた実施例3−11〜3−13についても、フルオロベンゼンを添加していない比較例3−1に比べて、初期容量および容量維持率の両方について高い値が得られた。すなわち、コバルト−スズ合金以外の他の負極活物質を用いても、溶媒に酸素非含有化合物を含むようにすれば、電池容量および充放電サイクル特性を向上させることができることが分かった。 As shown in Table 3 and Table 4, also in Examples 3-1 to 3-10 using a copper-tin alloy or an iron-tin alloy as the negative electrode active material, Example 2- using a cobalt-tin alloy Similar to 1-2-8, good results were obtained. Moreover, as shown in Table 5, also in Examples 3-11 to 13-13 using the carbonaceous material as the negative electrode active material, the initial capacity was compared with Comparative Example 3-1 in which no fluorobenzene was added. High values were obtained for both the capacity retention rate. That is, it has been found that even when other negative electrode active materials other than the cobalt-tin alloy are used, the battery capacity and charge / discharge cycle characteristics can be improved if the solvent contains an oxygen-free compound.
また、表2と表5とを比較すれば分かるように、負極活物質に合金を用いた実施例21〜2−14の方が、負極活物質に炭素質材料のみを用いた実施例3−11〜3−13に比べて、対応する比較例1−1,3−1よりも容量維持率を飛躍的に向上させることができた。すなわち、負極22に合金を用いた場合に、溶媒に酸素非含有化合物を含むようにすれば、より高い効果を発揮できることが分かった。
Further, as can be seen from a comparison between Table 2 and Table 5, Examples 21 to 2-14 using an alloy as the negative electrode active material are examples of using only a carbonaceous material as the negative electrode active material. Compared with 11 to 13-13, the capacity retention rate could be dramatically improved over the corresponding Comparative Examples 1-1 and 3-1. That is, it has been found that when an alloy is used for the
(実施例4−1〜4−10)
実施例4−1〜4−5として、負極合剤層22Bにおけるコバルト−スズ合金と鱗片状黒鉛との割合を表6に示したように変化させたことを除き、他は実施例1−1と同様にして二次電池を作製した。また、実施例4−6〜4−10として、負極合剤層22Bにおける銅−スズ合金と鱗片状黒鉛との割合を表7に示したように変化させたことを除き、他は実施例3−3と同様にして二次電池を作製した。実施例4−1〜4−10の二次電池についても、実施例1−1,3−3と同様にして、初期容量および容量維持率を評価した。その結果を実施例1−1,3−3の結果と共に表6または表7に示すと。また、図3に負極合剤層22Bにおけるコバルト−スズ合金の割合と初期容量おより容量維持率との関係を示し、図4に負極合剤層22Bにおける銅−スズ合金の割合と初期容量おより容量維持率との関係を示す。
(Examples 4-1 to 4-10)
As Examples 4-1 to 4-5, Example 1-1 except that the ratio of the cobalt-tin alloy and the flaky graphite in the negative electrode mixture layer 22B was changed as shown in Table 6. A secondary battery was fabricated in the same manner as described above. In addition, as Examples 4-6 to 4-10, except that the ratio of the copper-tin alloy and the flaky graphite in the negative electrode mixture layer 22B was changed as shown in Table 7, Example 3 was otherwise performed. A secondary battery was fabricated in the same manner as in -3. For the secondary batteries of Examples 4-1 to 4-10, the initial capacity and the capacity retention rate were evaluated in the same manner as in Examples 1-1 and 3-3. The results are shown in Table 6 or Table 7 together with the results of Examples 1-1 and 3-3. 3 shows the relationship between the ratio of the cobalt-tin alloy in the negative electrode mixture layer 22B and the initial capacity and the capacity retention rate, and FIG. 4 shows the ratio of the copper-tin alloy in the negative electrode mixture layer 22B and the initial capacity. The relationship with the capacity maintenance rate is shown.
表6,7および図3,4から分かるように、負極活物質にコバルト−スズ合金を用いた場合においても、銅−スズ合金を用いた場合においても、合金の割合が多くなると初期容量率は増加し、容量維持率は低下する傾向が見られ、合金と鱗片状黒鉛との割合が、重量比で、合金が0.5以上5以下、鱗片状黒鉛が0.2以上2以下において、または、負極合剤層22Bにおける合金の割合が30重量%以上75重量%以下、鱗片状黒鉛の割合が15重量%以上60重量%以下において、より高い初期容量および容量維持率が得られた。 As can be seen from Tables 6 and 7 and FIGS. 3 and 4, both when the cobalt-tin alloy is used as the negative electrode active material and when the copper-tin alloy is used, the initial capacity ratio is increased when the proportion of the alloy is increased. The capacity retention rate tends to decrease and the ratio of the alloy to the flaky graphite is 0.5 to 5 or less and the flaky graphite is 0.2 to 2 in weight ratio, or When the proportion of the alloy in the negative electrode mixture layer 22B was 30% by weight or more and 75% by weight or less, and the proportion of the flake graphite was 15% by weight or more and 60% by weight or less, higher initial capacity and capacity retention ratio were obtained.
すなわち、負極合剤層22Bが、合金と炭素質材料とを、重量比で、合金を0.5以上5以下、炭素質材料を0.2以上2以下の割合でそれぞれ含むようにすれば、または、合金を30重量%以上75重量%以下、炭素質材料を15重量%以上60重量%以下の範囲内でそれぞれ含むようにすれば、電池容量およびサイクル特性を十分に向上させることができることが分かった。 That is, if the negative electrode mixture layer 22B contains the alloy and the carbonaceous material in a weight ratio of 0.5 to 5 and the carbonaceous material in a proportion of 0.2 to 2 respectively. Alternatively, if the alloy is included in the range of 30 wt% to 75 wt% and the carbonaceous material is included in the range of 15 wt% to 60 wt%, the battery capacity and cycle characteristics can be sufficiently improved. I understood.
(実施例5−1〜5−12)
電解質塩の種類およびその電解液における割合を表8に示したように変えたことを除き、他は実施例1−1と同様にして二次電池を作製した。実施例5−1〜5−12の二次電池についても、実施例1−1と同様にして、初期容量および充放電サイクル特性を評価した。その結果を比較例1−1の結果と共に表8に示す。
(Examples 5-1 to 5-12)
A secondary battery was fabricated in the same manner as in Example 1-1, except that the type of electrolyte salt and the ratio of the electrolyte salt in the electrolytic solution were changed as shown in Table 8. For the secondary batteries of Examples 5-1 to 5-12, the initial capacity and charge / discharge cycle characteristics were evaluated in the same manner as in Example 1-1. The results are shown in Table 8 together with the results of Comparative Example 1-1.
表8に示したように、実施例5−1〜5−12によれば、実施例1−1と同様に、比較例1−1に比べて高い容量維持率が得られた。すなわち、電解質塩として、LiN(CF3 SO2 )2 またはLiN(C2 F5 SO2 )2 を用いても、LiPF6 のみを用いた場合と同様に電解液に酸素非含有化合物を含むようにすれば、充放電サイクル特性を向上させることができることが分かった。 As shown in Table 8, according to Examples 5-1 to 5-12, similarly to Example 1-1, a higher capacity retention rate was obtained as compared with Comparative Example 1-1. That is, even if LiN (CF 3 SO 2 ) 2 or LiN (C 2 F 5 SO 2 ) 2 is used as the electrolyte salt, the electrolyte solution contains an oxygen-free compound as in the case of using only LiPF 6. It was found that the charge / discharge cycle characteristics can be improved.
また、実施例1−1,5−1〜5−4から分かるように、初期容量および容量維持率は、電解質塩の割合が多くなると向上し、極大値を示したのち小さくなる傾向が見られた。すなわち、電解液における電解質塩の割合は0.4mol/dm3 以上2.0mol/dm3 以下の範囲内とすれば好ましいことが分かった。 Further, as can be seen from Examples 1-1, 5-1 to 5-4, the initial capacity and the capacity retention ratio are improved when the ratio of the electrolyte salt is increased, and tend to decrease after showing the maximum value. It was. That is, it has been found that the ratio of the electrolyte salt in the electrolytic solution is preferably in the range of 0.4 mol / dm 3 or more and 2.0 mol / dm 3 or less.
以上、実施の形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は実施の形態および実施例に限定されず、種々の変形が可能である。例えば、上記実施の形態および実施例では、酸素非含有化合物について具体的に例を挙げて説明したが、上記効果は、酸素非含有化合物の構造に起因するものと考えられる。従って、他の酸素非含有化合物を用いても、同様の効果を得ることができる。 Although the present invention has been described with reference to the embodiments and examples, the present invention is not limited to the embodiments and examples, and various modifications can be made. For example, in the above-described embodiments and examples, the oxygen-free compound has been described with a specific example, but the above effect is considered to be due to the structure of the oxygen-free compound. Therefore, the same effect can be obtained even when other oxygen-free compounds are used.
また、上記実施の形態および実施例では、電解液または固体状の電解質の1種であるゲル状電解質を用いる場合について説明したが、他の電解質を用いるようにしてもよい。他の電解質としては、例えば、イオン伝導性を有する高分子化合物に電解質塩を分散させた高分子固体電解質、イオン伝導性セラミックス,イオン伝導性ガラスあるいはイオン性結晶などよりなるイオン伝導性無機化合物、またはこれらのイオン伝導性無機化合物と電解液とを混合したもの、またはこれらのイオン伝導性無機化合物とゲル状電解質あるいは高分子固体電解質とを混合したものが挙げられる。高分子固体電解質の高分子化合物としては、例えば、ポリエチレンオキサイドあるいはポリエチレンオキサイドを含む架橋体などのエーテル系高分子化合物、ポリメタクリレートなどのエステル系高分子化合物、アクリレート系高分子化合物を単独あるいは混合してまたは共重合させて用いることができる。また、無機固体電解質としては、窒化リチウムあるいはヨウ化リチウムなどを用いることができる。 Moreover, although the said embodiment and Example demonstrated the case where the gel electrolyte which is 1 type of electrolyte solution or solid electrolyte was used, you may make it use another electrolyte. Other electrolytes include, for example, a polymer solid electrolyte in which an electrolyte salt is dispersed in a polymer compound having ion conductivity, an ion conductive inorganic compound made of ion conductive ceramics, ion conductive glass or ionic crystals, Or what mixed these ion conductive inorganic compounds and electrolyte solution, or what mixed these ion conductive inorganic compounds, gel-like electrolyte, or polymer solid electrolyte is mentioned. Examples of the polymer compound of the solid polymer electrolyte include, for example, an ether polymer compound such as polyethylene oxide or a crosslinked product containing polyethylene oxide, an ester polymer compound such as polymethacrylate, and an acrylate polymer compound. Or may be copolymerized. As the inorganic solid electrolyte, lithium nitride, lithium iodide, or the like can be used.
更に、上記実施の形態および実施例では、円筒型の二次電池について説明したが、形状は特に限定されることなく、例えば、いわゆる角型,コイン型,ボタン型あるいは薄型などの種々の形状にするようにしてもよい。 Furthermore, in the above-described embodiments and examples, the cylindrical secondary battery has been described. However, the shape is not particularly limited, and various shapes such as a so-called square shape, coin shape, button shape, or thin shape can be used. You may make it do.
加えて、上記実施の形態および実施例では、電極反応種としてリチウムを用いる場合を説明したが、ナトリウム(Na)あるいはカリウム(K)などの長周期型周期表における他の1族の元素,またはマグネシウムあるいはカルシウム(Ca)などの長周期型周期表における2族の元素、またはアルミニウムなどの他の軽金属、またはリチウムあるいはこれらの合金を用いる場合についても、本発明を適用することができ、同様の効果を得ることができる。その場合、正極活物質および電解質塩などは、その軽金属に応じて適宜選択される。他は上記実施の形態と同様に構成することができる。
In addition, in the above embodiments and examples, the case where lithium is used as the electrode reactive species has been described. However,
更にまた、上記実施の形態および実施例では、本発明の電解質を二次電池に用いる場合について説明したが、一次電池などの他の電池についても適用することができる。また、コンデンサ,キャパシタあるいはエレクトロクロミック素子などの他の電気化学素子に用いることもできる。 Furthermore, in the above embodiments and examples, the case where the electrolyte of the present invention is used for a secondary battery has been described, but the present invention can also be applied to other batteries such as a primary battery. It can also be used for other electrochemical elements such as capacitors, capacitors or electrochromic elements.
11…電池缶、12,13…絶縁板、14…電池蓋、15…安全弁機構、15A…ディスク板、16…熱感抵抗素子、17…ガスケット、20…電極体、21…正極、21A…正極集電体、21B…正極合剤層、22…負極、22A…負極集電体、22B…負極合剤層、23…セパレータ、24…センターピン、25…正極リード、26…負極リード。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Battery can, 12, 13 ... Insulating plate, 14 ... Battery cover, 15 ... Safety valve mechanism, 15A ... Disc board, 16 ... Heat sensitive resistance element, 17 ... Gasket, 20 ... Electrode body, 21 ... Positive electrode, 21A ... Positive electrode Current collector, 21B ... Positive electrode mixture layer, 22 ... Negative electrode, 22A ... Negative electrode current collector, 22B ... Negative electrode mixture layer, 23 ... Separator, 24 ... Center pin, 25 ... Positive electrode lead, 26 ... Negative electrode lead.
Claims (17)
ことを特徴とする請求項1記載の電解質。
ことを特徴とする請求項1記載の電解質。 The ratio of the said organic compound in the said solvent exists in the range of 1 volume% or more and 90 volume% or less. The electrolyte of Claim 1 characterized by the above-mentioned.
ことを特徴とする請求項1記載の電解質。 The electrolyte according to claim 1, wherein the solvent further includes at least one member selected from the group consisting of cyclic carbonates and chain carbonates.
ことを特徴とする請求項1記載の電解質。 The solvent includes at least one cyclic carbonate selected from the group consisting of propylene carbonate, ethylene carbonate, butylene carbonate, vinylene carbonate, and vinyl ethylene carbonate, diethyl carbonate, dimethyl carbonate, methyl ethyl carbonate, methyl propyl carbonate, dipropyl. And at least one chain carbonate selected from the group consisting of carbonate, ethylpropyl carbonate, and butylethyl carbonate, and the ratio of the cyclic carbonate is within a range of 50% by volume or less in total. The electrolyte according to claim 1.
ことを特徴とする請求項1記載の電解質。 2. The electrolyte according to claim 1, wherein the electrolyte further contains at least one of LiPF 6 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 and LiN (C 2 F 5 SO 2 ) 2 .
ことを特徴とする請求項1記載の電解質。 The electrolyte according to claim 1, further comprising an electrolyte salt at a rate of 0.4 mol / dm 3 or more and 2.0 mol / dm 3 or less.
前記電解質は、酸素(O)を含まない有機化合物を含む溶媒を含有する
ことを特徴とする電池。 A battery comprising an electrolyte together with a positive electrode and a negative electrode,
The battery includes a solvent containing an organic compound not containing oxygen (O).
ことを特徴とする請求項8記載の電池。
ことを特徴とする請求項8記載の電池。 The battery according to claim 8, wherein a ratio of the organic compound in the solvent is in a range of 1% by volume to 90% by volume.
ことを特徴とする請求項8記載の電池。 The battery according to claim 8, wherein the solvent further includes at least one selected from the group consisting of a cyclic carbonate and a chain carbonate.
ことを特徴とする請求項8記載の電池。 The solvent includes at least one cyclic carbonate selected from the group consisting of propylene carbonate, ethylene carbonate, butylene carbonate, vinylene carbonate, and vinyl ethylene carbonate, diethyl carbonate, dimethyl carbonate, methyl ethyl carbonate, methyl propyl carbonate, dipropyl. And at least one chain carbonate selected from the group consisting of carbonate, ethylpropyl carbonate, and butylethyl carbonate, and the ratio of the cyclic carbonate is within a range of 50% by volume or less in total. The battery according to claim 8.
ことを特徴とする請求項8記載の電池。 The battery according to claim 8, wherein the electrolyte further contains at least one of LiPF 6 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 and LiN (C 2 F 5 SO 2 ) 2 .
ことを特徴とする請求項8記載の電池。 The battery according to claim 8, wherein the electrolyte further contains an electrolyte salt at a rate of 0.4 mol / dm 3 or more and 2.0 mol / dm 3 or less.
ことを特徴とする請求項8記載の電池。 The battery according to claim 8, wherein the negative electrode includes at least one selected from the group consisting of simple elements, alloys, and compounds of metal elements or metalloid elements that can be combined with lithium (Li).
ことを特徴とする請求項15記載の電池。
The negative electrode includes at least one carbonaceous material in addition to at least one selected from the group consisting of the simple substance, an alloy, and a compound, the simple substance, the alloy, and the compound at 30 wt% to 75 wt%, and the carbonaceous material. The battery according to claim 15, further comprising a negative electrode mixture layer containing 15% by weight or more and 60% by weight or less.
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