JP2005228721A - リチウムイオン二次電池用非水系電解液及びリチウムイオン二次電池 - Google Patents
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Abstract
Description
(i)水素原子
(ii)ハロゲン原子
(iii)下記の連結基を介して結合している炭素数1〜20の炭化水素基(この炭化水素基は、水素の一部又は全部がハロゲン原子に置き換えられていても良く、不飽和結合を有していても良い)
エーテル基、カルボニル基、−C(=O)−O−基、−O−C(=O)−基、−O−C(=O)−O−基、−N(−R7)−基(R7は、水素の一部又は全部がハロゲン原子に置き換えられていても良く、不飽和結合を有していても良い炭素数1〜20の炭化水素基)、−N(−R8)−C(=O)−基(R8は、水素の一部又は全部がハロゲン原子に置き換えられていても良く、不飽和結合を有していても良い炭素数1〜20の炭化水素基)、−N(−R9)−C(=O)−O−基(R9は、水素の一部又は全部がハロゲン原子に置き換えられていても良く、不飽和結合を有していても良い炭素数1〜20の炭化水素基)、−C(=O)−N(−R10)−基(R10は、水素の一部又は全部がハロゲン原子に置き換えられていても良く、不飽和結合を有していても良い炭素数1〜20の炭化水素基)、−O−C(=O)−N(−R11)−基(R11は、水素の一部又は全部がハロゲン原子に置き換えられていても良く、不飽和結合を有していても良い炭素数1〜20の炭化水素基)、スルフィド基、ジスルフィド基、スルホニル基、スルフィニル基、−O−S(=O)2−O−基、−O−S(=O)−O−基、−S(=O)2−O−基、−O−S(=O)2−基、−S(=O)−O−基、−O−S(=O)−基
(iv)水素の一部又は全部が、ハロゲン原子、或いは酸素原子、窒素原子、及び硫黄原子のいずれかを含む官能基で置き換えられていても良く、不飽和結合を有していても良い炭素数1〜20の炭化水素基)
(i)水素原子
(ii)ハロゲン原子
(iii)下記の連結基を介して結合している炭素数1〜20の炭化水素基(この炭化水素基は、水素の一部又は全部がハロゲン原子に置き換えられていても良く、不飽和結合を有していても良い)
エーテル基、カルボニル基、−C(=O)−O−基、−O−C(=O)−基、−O−C(=O)−O−基、−N(−R7)−基(R7は、水素の一部又は全部がハロゲン原子に置き換えられていても良く、不飽和結合を有していても良い炭素数1〜20の炭化水素基)、−N(−R8)−C(=O)−基(R8は、水素の一部又は全部がハロゲン原子に置き換えられていても良く、不飽和結合を有していても良い炭素数1〜20の炭化水素基)、−N(−R9)−C(=O)−O−基(R9は、水素の一部又は全部がハロゲン原子に置き換えられていても良く、不飽和結合を有していても良い炭素数1〜20の炭化水素基)、−C(=O)−N(−R10)−基(R10は、水素の一部又は全部がハロゲン原子に置き換えられていても良く、不飽和結合を有していても良い炭素数1〜20の炭化水素基)、−O−C(=O)−N(−R11)−基(R11は、水素の一部又は全部がハロゲン原子に置き換えられていても良く、不飽和結合を有していても良い炭素数1〜20の炭化水素基)、スルフィド基、ジスルフィド基、スルホニル基、スルフィニル基、−O−S(=O)2−O−基、−O−S(=O)−O−基、−S(=O)2−O−基、−O−S(=O)2−基、−S(=O)−O−基、−O−S(=O)−基
(iv)水素の一部又は全部が、ハロゲン原子、或いは酸素原子、窒素原子、及び硫黄原子のいずれかを含む官能基で置き換えられていても良く、不飽和結合を有していても良い炭素数1〜20の炭化水素基)
(i)水素原子
(ii)ハロゲン原子
(iii)下記の連結基を介して結合している炭素数1〜20の炭化水素基(この炭化水素基は、水素の一部又は全部がハロゲン原子に置き換えられていても良く、不飽和結合を有していても良い)
エーテル基、カルボニル基、−C(=O)−O−基、−O−C(=O)−基、−O−C(=O)−O−基、−N(−R7)−基(R7は、水素の一部又は全部がハロゲン原子に置き換えられていても良く、不飽和結合を有していても良い炭素数1〜20の炭化水素基)、−N(−R8)−C(=O)−基(R8は、水素の一部又は全部がハロゲン原子に置き換えられていても良く、不飽和結合を有していても良い炭素数1〜20の炭化水素基)、−N(−R9)−C(=O)−O−基(R9は、水素の一部又は全部がハロゲン原子に置き換えられていても良く、不飽和結合を有していても良い炭素数1〜20の炭化水素基)、−C(=O)−N(−R10)−基(R10は、水素の一部又は全部がハロゲン原子に置き換えられていても良く、不飽和結合を有していても良い炭素数1〜20の炭化水素基)、−O−C(=O)−N(−R11)−基(R11は、水素の一部又は全部がハロゲン原子に置き換えられていても良く、不飽和結合を有していても良い炭素数1〜20の炭化水素基)、スルフィド基、ジスルフィド基、スルホニル基、スルフィニル基、−O−S(=O)2−O−基、−O−S(=O)−O−基、−S(=O)2−O−基、−O−S(=O)2−基、−S(=O)−O−基、−O−S(=O)−基
(iv)水素の一部又は全部が、ハロゲン原子、或いは酸素原子、窒素原子、及び硫黄原子のいずれかを含む官能基で置き換えられていても良く、不飽和結合を有していても良い炭素数1〜20の炭化水素基)
(i)R1、R2、R3、R4、R5、R6は、水素原子であっても良い。
(ii)R1、R2、R3、R4、R5、R6がハロゲン原子の場合、ハロゲン原子としてはフッ素原子、塩素原子等が挙げられるが、特にフッ素原子が電気化学的な安定性の面から好ましい。
(iii)R1、R2、R3、R4、R5、R6が、下記の連結基を介して結合している炭素数1〜20の炭化水素基(この炭化水素基は、水素の一部又は全部がハロゲン原子に置き換えられていても良く、不飽和結合を有していても良い)
エーテル基、カルボニル基、−C(=O)−O−基、−O−C(=O)−基、−O−C(=O)−O−基、−N(−R7)−基(R7は、水素の一部又は全部がハロゲン原子に置き換えられていても良く、不飽和結合を有していても良い炭素数1〜20の炭化水素基)、−N(−R8)−C(=O)−基(R8は、水素の一部又は全部がハロゲン原子に置き換えられていても良く、不飽和結合を有していても良い炭素数1〜20の炭化水素基)、−N(−R9)−C(=O)−O−基(R9は、水素の一部又は全部がハロゲン原子に置き換えられていても良く、不飽和結合を有していても良い炭素数1〜20の炭化水素基)、−C(=O)−N(−R10)−基(R10は、水素の一部又は全部がハロゲン原子に置き換えられていても良く、不飽和結合を有していても良い炭素数1〜20の炭化水素基)、−O−C(=O)−N(−R11)−基(R11は、水素の一部又は全部がハロゲン原子に置き換えられていても良く、不飽和結合を有していても良い炭素数1〜20の炭化水素基)、スルフィド基、ジスルフィド基、スルホニル基、スルフィニル基、−O−S(=O)2−O−基、−O−S(=O)−O−基、−S(=O)2−O−基、−O−S(=O)2−基、−S(=O)−O−基、−O−S(=O)−基
の場合、上記連結基を介して結合するR1〜R6の炭素数1〜20の炭化水素基、及び、上記連結基中のR7〜R11の炭素数1〜20の炭化水素基としては、例えばメチル基、エチル基、n−プロピル基、イソプロピル基、n−ブチル基、イソブチル基、sec−ブチル基、tert−ブチル基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基、シクロヘプチル基、ビニル基、1−プロペニル基、2−メチル−1−ブテニル基、アリル基、2−ブテニル基、3−ブテニル基、2−メチル−2−ブテニル基、1−シクロペンテニル基、1−シクロヘキセニル基、2−シクロペンテニル基、2−シクロヘキセニル基、3−シクロヘキセニル基、エチニル基、1−プロピニル基、プロパルギル基、1−ブチニル基、2−ブチニル基、3−ブチニル基、ベンジル基、フェニル基、トリル基、キシリル基、1−ナフチル基、2−ナフチル基などが挙げられるが、特に、メチル基、エチル基、n−プロピル基、イソプロピル基、n−ブチル基、イソブチル基、sec−ブチル基、tert−ブチル基、シクロヘキシル基、ビニル基、アリル基、フェニル基が好ましい。
また、連結基としては、製造する際の原料の入手のしやすさ、コストの観点からエーテル基が好ましい。
(a) エーテル基を介した基の具体的な例としては、メトキシ基、エトキシ基、n−プロピルオキシ基、イソプロピルオキシ基、シクロヘキシルオキシ基、ビニルオキシ基、アリルオキシ基、エチニルオキシ基、ベンジルオキシ基、フェノキシ基等の炭素数が通常1以上、20以下、好ましくは10以下のものが挙げられる。
このような官能基の中でも酸素含有官能基が好ましく、さらにエーテル基を有するものが製造する際の原料の入手しやすさ、コストの観点から特に好ましい。
(i) トリメチレングリコールサルファイト
(ii)5−フルオロ−1,3,2−ジオキサチアン−2−オキシド
(iii)4−アセチル−1,3,2−ジオキサチアン−2−オキシド、5−メトキシ−1,3,2−ジオキサチアン−2−オキシド
(iv)1,3−ブタンジオールサルファイト、1,3−ペンタンジオールサルファイト、2,4−ペンタンジオールサルファイト、ネオペンチルグリコールサルファイト、4,4−ジメチル−1,3,2−ジオキサチアン−2−オキシド、4−ビニル−1,3,2−ジオキサチアン−2−オキシド、4−アリル−1,3,2−ジオキサチアン−2−オキシド、4−フェニル−1,3,2−ジオキサチアン−2−オキシド、4−メトキシメチル−1,3,2−ジオキサチアン−2−オキシド
等が挙げられるが、トリメチレングリコールサルファイト、1,3−ブタンジオールサルファイト、1,3−ペンタンジオールサルファイト、2,4−ペンタンジオールサルファイト、ネオペンチルグリコールサルファイトが好ましい。なかでも、トリメチレングリコールサルファイト、ネオペンチルグリコールサルファイトが、これらの化合物を製造時する際の原料の入手のしやすさ、コストの観点から特に好ましい。
(1) 環状カーボネートと鎖状カーボネートの組合せ
(2) 環状カーボネートと環状エステルの組合せ
(3) 環状エステルと鎖状エステルの組合せ
(4) 環状カーボネートと環状カーボネートの組合せ
などが、電解質であるリチウム塩の解離、電気伝導度の観点から好ましく、好ましくはこれらの組み合せで、非水溶媒全体の70体積%以上となるように混合した非水溶媒が、充放電特性、電池寿命などの電池性能全般を高める観点から好ましい。
環状カーボネートの具体例としては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート等が挙げられる。中でも、エチレンカーボネート及びプロピレンカーボネートが好ましい。これらは、1種のみを単独で使用しても良く、複数種を任意の組み合わせ及び比率で併用しても良い。
鎖状カーボネートの具体例としては、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、ジ−n−プロピルカーボネート、エチルメチルカーボネート、メチル−n−プロピルカーボネート、エチル−n−プロピルカーボネートなどが挙げられる。中でも、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート及びエチルメチルカーボネートが好ましい。これらは、1種のみを単独で使用しても良く、複数種を任意の組み合わせ及び比率で併用しても良い。
環状エステルの具体例としては、γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン、δ−バレロラクトン、γ−カプロラクトン、ε−カプロラクトン、α−メチル−γ−ブチロラクトン、α−アセチル−γ−ブチロラクトンなどが挙げられる。中でも、γ−ブチロラクトン及びγ−バレロラクトンが好ましい。これらは、1種のみを単独で使用しても良く、複数種を任意の組み合わせ及び比率で併用しても良い。
鎖状エステルの具体例としては、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸n−プロピル、酢酸イソプロピル、酢酸n−ブチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、プロピオン酸n−プロピル、プロピオン酸イソプロピル、プロピオン酸n−ブチル、酪酸メチル、酪酸エチル、酪酸n−プロピル、酪酸イソプロピル、酪酸n−ブチルなどが挙げられる。中でも、酢酸エチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチルが好ましい。これらは、1種のみを単独で使用しても良く、複数種を任意の組み合わせ及び比率で併用しても良い。
本発明のリチウムイオン二次電池を構成する負極の活物質は、金属リチウム、リチウム合金又はリチウムを吸蔵及び放出し得る材料を含むものであれば特に限定されないが、その具体例としては、例えば様々な熱分解条件での有機物の熱分解物や、人造黒鉛、天然黒鉛等の炭素材料、金属酸化物材料、更には種々のリチウム合金が挙げられる。好適には種々の原料から得た易黒鉛性ピッチの高温熱処理によって製造された人造黒鉛及び精製天然黒鉛或いはこれらの黒鉛にピッチを含む種々の表面処理を施した黒鉛材料が主として使用される。
[負極の作製]
X線回折における格子面(002)面のd値が0.336nm、結晶子サイズ(Lc)が652nm、灰分が0.07重量%、レーザー回折・散乱法によるメジアン径が12μm、BET法比表面積が7.5m2/g、アルゴンイオンレーザー光を用いたラマンスペクトル分析において1570〜1620cm-1の範囲のピークPA(ピーク強度IA)及び1300〜1400cm-1の範囲のピークPB(ピーク強度IB)の強度比R=IB/IAが0.12、1570〜1620cm-1の範囲のピークの半値幅が19.9cm-1である天然黒鉛粉末を負極活物質として用いた。この黒鉛粉末94重量部にポリフッ化ビニリデン6重量部を混合し、N−メチル−2−ピロリドンで分散させてスラリー状とした。これを負極集電体である厚さ18μmの銅箔の片面に均一に塗布し、乾燥後、プレス機により負極層の密度が1.5g/cm3になるようにプレスして負極とした。
正極活物質としてLiCoO2を用い、この活物質85重量部にカーボンブラック6重量部及びポリフッ化ビニリデンKF−1000(呉羽化学社製、商品名)9重量部を加えて混合し、N−メチル−2−ピロリドンで分散させてスラリー状としたものを、正極集電体である厚さ20μmのアルミニウム箔の両面に均一に塗布し、乾燥後、プレス機により正極層の密度が3.0g/cm3になるようにプレスして正極とした。
乾燥アルゴン雰囲気下、エチレンカーボネートとエチルメチルカーボネートとの混合物(容量比3:7)に充分に乾燥したLiPF6を1.0モル/リットルになるように溶解し、ブランク電解液とした。次いで、このブランク電解液99重量部にトリメチレングリコールサルファイト1重量部を添加し、所望の電解液を調製した。
上記の正極、負極、及びポリエチレン製のセパレータを、負極、セパレータ、正極、セパレータ、負極の順に積層して電池要素を作製し、この電池要素を袋状のアルミニウムの両面を樹脂層で被覆したラミネートフィルム内に、正極負極の端子を取り出しながら設置後、電解液を注液して真空封止を行って、シート状電池を作製した。
上記シート状の電池を、電極間の密着性を高めるためにガラス板で挟んだ状態で、25℃において0.2Cに相当する定電流で充電終止電圧4.2V、放電終止電圧3Vで充放電を3サイクル行って安定させ、4サイクル目を0.5Cに相当する電流で充電終止電圧4.2Vまで充電し、充電電流値が0.05Cに相当する電流値になるまで充電を行う4.2V−定電流定電圧充電(CCCV充電)(0.05Cカット)後、0.2Cに相当する定電流値で3V放電を行い高温保存前の放電容量を測定した。再度、4.2V−CCCV(0.05Cカット)充電を行った後、85℃、72時間の条件で高温保存を行った。保存後の電池を25℃において0.2Cの定電流で放電終始電圧3Vまで放電させ、残存容量を測定した。更に、4.2V−CCCV(0.05Cカット)充電を行い、再度、0.2Cの定電流で放電終始電圧3Vまで放電させて高温保存後の回復容量(0.2C容量)を、次いで、同様のCCCV条件で充電し、1Cに相当する電流値で3Vまで放電させ1C容量をそれぞれ測定した。ここで、1Cとは1時間で満充電できる電流値を表す。
ブランク電解液99重量部に、ネオペンチルグリコールサルファイト1重量部を添加したこと以外は実施例1と同様にして電解液を調製した。この電解液を用いた以外は、実施例1と同様にしてシート状電池を作製し、同様に評価を行って、結果を表1に示した。
ブランク電解液97重量部に、ビニレンカーボネート2重量部とトリメチレングリコールサルファイト1重量部とを添加したこと以外は実施例1と同様にして電解液を調製した。この電解液を用いた以外は、実施例1と同様にしてシート状電池を作製し、同様に評価を行って、結果を表1に示した。
ブランク電解液97重量部に、ビニレンカーボネート2重量部とネオペンチルグリコールサルファイト1重量部とを添加したこと以外は実施例1と同様にして電解液を調製した。この電解液を用いた以外は、実施例1と同様にしてシート状電池を作製し、同様に評価を行って、結果を表1に示した。
ブランク電解液93重量部に、トリメチレングリコールサルファイト7重量部を添加したこと以外は実施例1と同様にして電解液を調製した。この電解液を用いた以外は、実施例1と同様にしてシート状電池を作製し、同様に評価を行って、結果を表1に示した。
ブランク電解液99.995重量部に、トリメチレングリコールサルファイト0.005重量部を添加したこと以外は実施例1と同様にして電解液を調製した。この電解液を用いた以外は、実施例1と同様にしてシート状電池を作製し、同様に評価を行って、結果を表1に示した。
サルファイト化合物を添加せず、ブランク電解液を電解液としたこと以外は実施例1と同様にして電解液を調製した。この電解液を用いた以外は、実施例1と同様にしてシート状電池を作製し、同様に評価を行って、結果を表1に示した。
ブランク電解液98重量部に、ビニレンカーボネート2重量部を添加し、サルファイト化合物を添加しなかったこと以外は実施例1と同様にして電解液を調製した。この電解液を用いた以外は、実施例1と同様にしてシート状電池を作製し、同様に評価を行って、結果を表1に示した。
Claims (7)
- 電解質と非水溶媒とを含むリチウムイオン二次電池用非水系電解液において、下記一般式(I)で示される少なくとも1種のサルファイト化合物(ただし、4−イソプロピル−5,5−ジメチル−1,3,2−ジオキサチアン−2−オキシド及び5−メトキシメチル−5−メチル−1,3,2−ジオキサチアン−2−オキシドを除く)を含有することを特徴とするリチウムイオン二次電池用非水系電解液。
(i)水素原子
(ii)ハロゲン原子
(iii)下記の連結基を介して結合している炭素数1〜20の炭化水素基(この炭化水素基は、水素の一部又は全部がハロゲン原子に置き換えられていても良く、不飽和結合を有していても良い)
エーテル基、カルボニル基、−C(=O)−O−基、−O−C(=O)−基、−O−C(=O)−O−基、−N(−R7)−基(R7は、水素の一部又は全部がハロゲン原子に置き換えられていても良く、不飽和結合を有していても良い炭素数1〜20の炭化水素基)、−N(−R8)−C(=O)−基(R8は、水素の一部又は全部がハロゲン原子に置き換えられていても良く、不飽和結合を有していても良い炭素数1〜20の炭化水素基)、−N(−R9)−C(=O)−O−基(R9は、水素の一部又は全部がハロゲン原子に置き換えられていても良く、不飽和結合を有していても良い炭素数1〜20の炭化水素基)、−C(=O)−N(−R10)−基(R10は、水素の一部又は全部がハロゲン原子に置き換えられていても良く、不飽和結合を有していても良い炭素数1〜20の炭化水素基)、−O−C(=O)−N(−R11)−基(R11は、水素の一部又は全部がハロゲン原子に置き換えられていても良く、不飽和結合を有していても良い炭素数1〜20の炭化水素基)、スルフィド基、ジスルフィド基、スルホニル基、スルフィニル基、−O−S(=O)2−O−基、−O−S(=O)−O−基、−S(=O)2−O−基、−O−S(=O)2−基、−S(=O)−O−基、−O−S(=O)−基
(iv)水素の一部又は全部が、ハロゲン原子、或いは酸素原子、窒素原子、及び硫黄原子のいずれかを含む官能基で置き換えられていても良く、不飽和結合を有していても良い炭素数1〜20の炭化水素基) - 請求項1において、前記サルファイト化合物の含有量が、前記非水系電解液の総重量に対して0.005〜5重量%であることを特徴とするリチウムイオン二次電池用非水系電解液。
- 請求項1又は2において、前記サルファイト化合物が、トリメチレングリコールサルファイト及びネオペンチルグリコールサルファイトからなる群のうちの少なくとも1種であることを特徴とするリチウムイオン二次電池用非水系電解液。
- 金属リチウム、リチウム合金又はリチウムを吸蔵及び放出することが可能な材料を含む負極と、リチウムを吸蔵及び放出することが可能な材料を含む正極と、リチウム塩が非水溶媒に溶解されてなる非水系電解液とを備えた非水系二次電池において、該非水系電解液が請求項1ないし3のいずれか1項に記載の非水系電解液であることを特徴とするリチウムイオン二次電池。
- 請求項4において、前記負極が、X線回折における格子面(002)面のd値が0.335〜0.34nmの炭素材料を含有するものであることを特徴とするリチウムイオン二次電池。
- 請求項4又は5において、前記負極が、Si、Sn、Ge及びAlからなる群から選ばれる元素を含有することを特徴とするリチウムイオン二次電池。
- 請求項4ないし6のいずれか1項において、前記負極が、Si,Sn及びAlからなる群から選ばれる金属の酸化物並びにリチウム合金からなる群から選ばれるものを含むことを特徴とするリチウムイオン二次電池。
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