JP2005243620A - Nonaqueous electrolyte battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、非水電解質を備えた二次電池に関するものである。 The present invention relates to a secondary battery provided with a nonaqueous electrolyte.
近年、携帯電話や小型パーソナルコンピュータなどの携帯型情報機器の市場は急速に拡大しつつあり、これらの機器の小型軽量化が進むにつれて、電源にも小型かつ軽量であることが求められるようになってきた。これらの携帯機器には高エネルギー密度であるリチウムイオン二次電池が多用されており、現在も研究が継続されている。近年、技術の進展に伴ってデジタルオーディオ機器やPOS端末など多様な機器の小型化が進んでいる。小型化により携帯が可能となると、従来の交流電源の代わりとして、電源コードを省くことのできる内蔵電池が必要となり、二次電池の求められる用途も拡大しつつある。また、従来から二次電池が使用されてきたパーソナルコンピュータ等の情報機器や携帯電話においても、特性の向上が常に求められている。そうした背景から、二次電池にはこれまでのような容量の向上だけでなく、多様な特性の向上が求められるようになってきている。中でも、過充電等の非定常使用時の安定性や、長期間の保存性、高温での特性維持などが重要性を増しつつある。従来より、二次電池として鉛蓄電池、ニッケルカドミウム二次電池、ニッケル水素二次電池等が用いられてきたが、これらは小型軽量という点で問題点を有している。これらに対して、非水電解質二次電池は小型軽量であり大容量を持つことから、前記のパーソナルコンピュータ、携帯電話をはじめとして、デジタルカメラ、ビデオカメラ等に用いられるようになった。 In recent years, the market for portable information devices such as mobile phones and small personal computers has been rapidly expanding, and as these devices have become smaller and lighter, power supplies have been required to be smaller and lighter. I came. For these portable devices, lithium ion secondary batteries having a high energy density are frequently used, and research is still ongoing. In recent years, with the development of technology, various devices such as digital audio devices and POS terminals have been downsized. When it becomes portable due to the miniaturization, a built-in battery capable of omitting the power cord is required instead of the conventional AC power supply, and uses for secondary batteries are being expanded. In addition, improvement in characteristics is always required for information devices such as personal computers and mobile phones that have conventionally used secondary batteries. Against this background, secondary batteries are required to improve not only the capacity as before but also various characteristics. Among them, the stability at the time of unsteady use such as overcharge, long-term storage, and maintenance of characteristics at high temperatures are increasing in importance. Conventionally, lead-acid batteries, nickel-cadmium secondary batteries, nickel-metal hydride secondary batteries, and the like have been used as secondary batteries, but these have problems in terms of small size and light weight. On the other hand, non-aqueous electrolyte secondary batteries are small and light and have a large capacity, so that they have been used for digital cameras, video cameras, and the like as well as the above personal computers and mobile phones.
この種の非水電解質二次電池として、正極材料にリチウム含有コバルト複合酸化物やリチウム含有ニッケル複合酸化物を用い、負極活物質に黒鉛系もしくはコークス系などのカーボン系材料を用い、電解液にLiPF6やLiBF4等のリチウム塩を溶解した有機溶媒を用いるものが知られている。正極および負極はシート状に成型されており、その間に前記電解液を保持するセパレータを配置することで正負極を電子的に絶縁し、これらを各種形状の容器に納めて電池としている。 As this type of non-aqueous electrolyte secondary battery, a lithium-containing cobalt composite oxide or a lithium-containing nickel composite oxide is used as the positive electrode material, and a carbon-based material such as graphite or coke is used as the negative electrode active material. One using an organic solvent in which a lithium salt such as LiPF 6 or LiBF 4 is dissolved is known. The positive electrode and the negative electrode are molded into a sheet shape, and a separator that holds the electrolytic solution is disposed between them to electrically insulate the positive and negative electrodes, and these are housed in various shaped containers to form a battery.
前記のような非水電解質二次電池は、過充電時等において本来の充放電とは異なる化学反応が生じて熱的に不安定状態になり、電解液が可燃性の有機溶媒を主成分とするため、その燃焼により電池の安全性が損なわれる可能性があった。 The non-aqueous electrolyte secondary battery as described above undergoes a chemical reaction different from the original charge / discharge during overcharge or the like, and becomes thermally unstable, and the electrolyte contains a combustible organic solvent as a main component. Therefore, the safety of the battery may be impaired by the combustion.
このような問題を解決するため、電解液の組成を変えることが検討されてきた。従来の有機溶媒系電解液では、溶媒としてエチレンカーボネートやジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、γ−ブチロラクトンなどが用いられてきた。これらの引火点は順に152℃、31℃、24℃、98℃であり、これらの中でも引火点が比較的高いエチレンカーボネートやγ−ブチロラクトンなどのみを用いて、電池の安全性を高めることが試みられてきた。しかし、夏季の乗用車内などでは100℃を越える例も報告されており、十分とはいえなかった。 In order to solve such problems, it has been studied to change the composition of the electrolytic solution. In conventional organic solvent electrolytes, ethylene carbonate, diethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, γ-butyrolactone, and the like have been used as solvents. These flash points are 152 ° C., 31 ° C., 24 ° C., and 98 ° C. in order, and among these, attempts are made to improve the safety of the battery by using only ethylene carbonate, γ-butyrolactone, etc. having a relatively high flash point. Has been. However, there have been reports of cases exceeding 100 ° C in passenger cars in the summer, and it was not sufficient.
別の試みとして、引火点を有しない常温で液体状態を呈する溶融塩を電解質として用い、安全性を高めることが研究されている。例えば、正極にリチウム金属酸化物を用い、負極にリチウム金属、あるいはリチウム合金、もしくはリチウムイオンを吸蔵・放出する炭素質物を用い、リチウム塩とハロゲン化アルミニウムとハロゲン化4級アンモニウムからなる溶融塩を電解質として用いた非水電解質二次電池が、安全性に優れた二次電池として、例えば特許文献1等に開示されている。また、正極と、リチウムイオンを吸蔵・放出する炭素質物を含む負極と、ホウ素、リンおよび硫黄から選ばれる元素のフッ化物アニオンと4級アンモニウムイオンとリチウムイオンとからなる溶融塩を用いた非水電解質二次電池が、優れた安全性を備え、かつサイクル寿命および放電容量が向上された二次電池として、例えば特許文献2に開示されている。しかしながら、これらの溶融塩は粘度が高く、イオン伝導度が低いために出力特性が極めて低いことに加えて、正負電極やセパレータへの含浸が困難であるという問題点があった。
As another trial, studies have been made to improve safety by using a molten salt that exhibits a liquid state at normal temperature without a flash point as an electrolyte. For example, a lithium metal oxide is used for the positive electrode, a lithium metal, a lithium alloy, or a carbonaceous material that absorbs and releases lithium ions is used for the negative electrode, and a molten salt composed of a lithium salt, an aluminum halide, and a quaternary ammonium halide is used. A non-aqueous electrolyte secondary battery used as an electrolyte is disclosed as, for example,
この問題点を解決すべく、溶融塩にジエチルカーボネートやエチレンカーボネートなどの従来から使用されている非水溶媒を加えることも検討されてきた。しかし、溶融塩が不燃性であっても、可燃性のエチレンカーボネートを加えることで、安全性が損なわれる恐れがある。 In order to solve this problem, addition of conventionally used non-aqueous solvents such as diethyl carbonate and ethylene carbonate has also been studied. However, even if the molten salt is nonflammable, the safety may be impaired by adding flammable ethylene carbonate.
一方、特許文献3には、充放電効率、エネルギー密度、出力密度、寿命等の電池特性を損なうことなく難燃性を有する、難燃性非水電解液が開示されている。この難燃性非水電解液は、電解質(A)、非水溶剤(B)、および含窒素共役構造を有する非対称化学構造の化合物(c)の4級塩(C)を含有するものである。電解質(A)としては、テトラフルオロホウ酸リチウム、ヘキサフルオロリン酸リチウム、特定の構造式を有する、スルホニルイミドのリチウム塩、特定の構造式を有する、スルホニルメチドのリチウム塩等が挙げられている。非水溶剤(B)としては、環状炭酸エステル、鎖状炭酸エステル、リン酸エステルなどが挙げられている。また、4級塩(C)としては、特定の構造式のイミダゾリウムカチオンを有する化合物などが使用されている。 On the other hand, Patent Document 3 discloses a flame retardant non-aqueous electrolyte having flame retardancy without impairing battery characteristics such as charge / discharge efficiency, energy density, output density, and life. This flame-retardant non-aqueous electrolyte contains an electrolyte (A), a non-aqueous solvent (B), and a quaternary salt (C) of a compound (c) having an asymmetric chemical structure having a nitrogen-containing conjugated structure. . Examples of the electrolyte (A) include lithium tetrafluoroborate, lithium hexafluorophosphate, lithium salt of sulfonylimide having a specific structural formula, lithium salt of sulfonylmethide having a specific structural formula, and the like. Yes. Examples of the non-aqueous solvent (B) include cyclic carbonate esters, chain carbonate esters, and phosphate esters. In addition, as the quaternary salt (C), a compound having an imidazolium cation having a specific structural formula is used.
この特許文献3の実施例には、リチウムビストリフルオロメタンスルホニルイミド(TFSILi)を19重量%とリン酸トリメチル(TMP)を10重量%と1−メチル−3−エチルイミダゾリウム/ビストリフルオロメタンスルホニルイミド塩(MEITFSI)を71重量%とからなる非水電解液と、グラファイトからなる負極とを備えたリチウム二次電池が記載されている。特許文献3では、このリチウム二次電池が優れた充放電特性を示すと記載されている。
本発明の目的は、難燃性が高い電解質を備えた非水電解質電池の出力特性とサイクル特性を両立させることにある。 An object of the present invention is to achieve both output characteristics and cycle characteristics of a nonaqueous electrolyte battery including an electrolyte having high flame retardancy.
本発明に係る非水電解質電池は、正極と、
負極作動電位が金属リチウム電位に対して0.5Vよりも貴となる活物質を含有する負極と、
アルカリ金属塩及びアルカリ土類金属塩のうち少なくとも一方からなる金属塩、溶融塩及びリン酸エステルを含有し、下記(1)式を満足する電解質と
を具備することを特徴とするものである。
A nonaqueous electrolyte battery according to the present invention comprises a positive electrode,
A negative electrode containing an active material having a negative electrode operating potential nobler than 0.5 V with respect to a metallic lithium potential;
It comprises a metal salt comprising at least one of an alkali metal salt and an alkaline earth metal salt, a molten salt and a phosphate ester, and an electrolyte satisfying the following formula (1).
0.5≦(M2/M1)≦1 (1)
但し、M1は前記金属塩のモル数で、M2は前記リン酸エステルのモル数である。
0.5 ≦ (M 2 / M 1 ) ≦ 1 (1)
However, M 1 is at the number of moles of the metal salt, M 2 is the number of moles of the phosphoric acid ester.
本発明によれば、難燃性が高い電解質を備えた非水電解質電池の出力特性とサイクル特性を両立させることができる。 According to the present invention, it is possible to achieve both output characteristics and cycle characteristics of a nonaqueous electrolyte battery including an electrolyte with high flame retardancy.
本発明に係る非水電解質電池では、アルカリ金属塩及びアルカリ土類金属塩のうち少なくとも一方からなる金属塩と溶融塩とリン酸エステルとを含有する電解質を用いるため、電解質の不燃性・難燃性を高くすることができ、電池の熱的安全性を飛躍的に高めることが可能となる。さらに、リン酸エステルは、電解質の難燃性を損なうことなく、電解質の粘度を低くすることができると共に、界面活性効果によって電解質の含浸性を向上することができる。これらの結果、出力特性と容量特性に優れ、かつ安全性の高い非水電解質電池を実現することができる。また、二次電池の場合には、充放電サイクル特性も改善することができる。 In the nonaqueous electrolyte battery according to the present invention, an electrolyte containing a metal salt composed of at least one of an alkali metal salt and an alkaline earth metal salt, a molten salt, and a phosphate ester is used. And the thermal safety of the battery can be dramatically improved. Furthermore, the phosphate ester can reduce the viscosity of the electrolyte without impairing the flame retardancy of the electrolyte, and can improve the impregnation property of the electrolyte due to the surface active effect. As a result, a non-aqueous electrolyte battery having excellent output characteristics and capacity characteristics and high safety can be realized. In the case of a secondary battery, the charge / discharge cycle characteristics can also be improved.
非水電解質二次電池は、正極と、負極と、アルカリ金属塩及びアルカリ土類金属塩のうち少なくとも一方からなる金属塩と溶融塩とリン酸エステルとを含有する電解質とを具備するものである。 A nonaqueous electrolyte secondary battery includes a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte containing a metal salt composed of at least one of an alkali metal salt and an alkaline earth metal salt, a molten salt, and a phosphate ester. .
以下、正極、負極及び電解質について説明する。 Hereinafter, the positive electrode, the negative electrode, and the electrolyte will be described.
1)正極
正極は、正極活物質を含有し、他に炭素等の電子導電性を有する物質や、シート状あるいはペレット状の形状とするための結着剤を含むことができ、電子導電性を有する金属等の基材を集電体として、その集電体に接して用いることもできる。
1) Positive electrode The positive electrode contains a positive electrode active material, and can further contain a material having electronic conductivity such as carbon, and a binder for forming a sheet-like or pellet-like shape. It is also possible to use a base material such as a metal as a current collector in contact with the current collector.
前記正極活物質としては、例えば、リチウム、ナトリウム等のアルカリ金属イオン、カルシウム等のアルカリ土類金属イオンを吸蔵放出できるものを挙げることができる。大きな電池容量が得られることから、1電荷当りの重量が小さいリチウムイオンを吸蔵放出することのできる金属酸化物が望ましく、種々の酸化物、例えばリチウム含有コバルト複合酸化物、リチウム含有ニッケルコバルト複合酸化物、リチウム含有ニッケル複合酸化物、リチウムマンガン複合酸化物、リチウムを含むバナジウム酸化物、二硫化チタンや二硫化モリブデンなどのカルコゲン化合物を挙げることができる。中でも、コバルト、マンガン及びニッケルよりなる群から選択される少なくとも1種類の金属元素を含有するリチウム複合酸化物が望ましく、特に、充放電電位がリチウム金属電位に対して3.8V以上を有するリチウム含有コバルト複合酸化物、リチウム含有ニッケルコバルト複合酸化物、リチウム含有マンガン複合酸化物などが高い電池容量を実現できるためにさらに望ましい。また、室温以上における正極表面での溶融塩の分解反応を抑制できるため、LiCoxNiyMnzO2(x+y+z=1、0<x≦0.5、0≦y<1、0≦z<1)で表わされる正極活物質が望ましい。 Examples of the positive electrode active material include materials capable of occluding and releasing alkali metal ions such as lithium and sodium and alkaline earth metal ions such as calcium. Since a large battery capacity can be obtained, metal oxides capable of inserting and extracting lithium ions having a small weight per charge are desirable, and various oxides such as lithium-containing cobalt composite oxides, lithium-containing nickel-cobalt composite oxides are desirable. Products, lithium-containing nickel composite oxides, lithium-manganese composite oxides, vanadium oxides containing lithium, and chalcogen compounds such as titanium disulfide and molybdenum disulfide. Among them, a lithium composite oxide containing at least one metal element selected from the group consisting of cobalt, manganese, and nickel is desirable, and in particular, a lithium-containing material having a charge / discharge potential of 3.8 V or more with respect to the lithium metal potential. Cobalt composite oxide, lithium-containing nickel-cobalt composite oxide, lithium-containing manganese composite oxide, and the like are more desirable because high battery capacity can be realized. Further, since it suppress the decomposition reaction of the molten salt in the cathode surface at room temperature or higher, LiCo x Ni y Mn z O 2 (x + y + z = 1,0 <x ≦ 0.5,0 ≦ y <1,0 ≦ z < The positive electrode active material represented by 1) is desirable.
前記結着剤には、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、エチレン−プロピレン−ジエン共重合体、スチレン−ブタジエンゴム等を用いることができる。 As the binder, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF), ethylene-propylene-diene copolymer, styrene-butadiene rubber, or the like can be used.
前記集電体としては、アルミニウム、ステンレス、チタンなどの金属箔、薄板もしくはメッシュ、金網等を用いることができる。 As the current collector, a metal foil such as aluminum, stainless steel, or titanium, a thin plate or mesh, a wire mesh, or the like can be used.
前記正極活物質と前記導電材は、前記結着剤を加えて混練・圧延によりペレット化もしくはシート化することができる。あるいは、トルエン、N−メチルピロリドン(NMP)等の溶媒に溶解、懸濁してスラリーとした後、前記集電体上に塗布、乾燥してシート化することも可能である。 The positive electrode active material and the conductive material can be pelletized or formed into a sheet by adding the binder and kneading and rolling. Alternatively, after dissolving and suspending in a solvent such as toluene and N-methylpyrrolidone (NMP) to form a slurry, it can be applied onto the current collector and dried to form a sheet.
2)負極
前記負極は、負極活物質を含有し、導電剤や結着剤等を用いて、ペレット状、薄板状もしくはシート状に成形したものである。
2) Negative electrode The negative electrode contains a negative electrode active material and is formed into a pellet shape, a thin plate shape, or a sheet shape using a conductive agent, a binder, or the like.
前記負極活物質は、前記正極同様にリチウム、ナトリウム等のアルカリ金属イオン、カルシウム等のアルカリ土類金属イオンを吸蔵放出でき、組み合わせた正極よりも卑な電位で正極と同種の金属イオンを吸蔵放出しうる。高い電池容量が得られることからリチウムイオンを吸蔵放出するものが望ましい。こうした特性を有するものとしては、リチウム金属、例えば人造黒鉛、天然黒鉛、難黒鉛化カーボンや易黒鉛化低温焼成カーボン等の炭素質物、チタン酸リチウム、硫化鉄、酸化コバルト、リチウムアルミニウム合金、スズ酸化物などが挙げられる。さらに、負極作動電位が金属リチウムの電位に対して0.5Vよりも貴となる活物質が望ましい。こうした活物質を選択することにより、溶融塩およびリン酸エステルの負極活物質表面における副反応による劣化を抑制することができるため、二次電池のサイクル特性と貯蔵特性を向上することができる。この点から、負極活物質としては、チタン酸リチウム、硫化鉄が最も望ましい。なお、2種以上の負極活物質を混合して用いることもできる。形状としては鱗片状、繊維状、球状など各種形状のものが可能である。 Like the positive electrode, the negative electrode active material can occlude and release alkali metal ions such as lithium and sodium, and alkaline earth metal ions such as calcium, and occlude and release the same kind of metal ions as the positive electrode at a base potential lower than the combined positive electrode. Yes. It is desirable to store and release lithium ions because a high battery capacity can be obtained. Those having such characteristics include lithium metals such as artificial graphite, natural graphite, carbonaceous materials such as non-graphitizable carbon and graphitizable low-temperature calcined carbon, lithium titanate, iron sulfide, cobalt oxide, lithium aluminum alloy, tin oxide Such as things. Furthermore, an active material whose negative electrode operating potential is nobler than 0.5 V with respect to the potential of metallic lithium is desirable. By selecting such an active material, deterioration due to side reactions of the molten salt and phosphate ester on the surface of the negative electrode active material can be suppressed, so that the cycle characteristics and storage characteristics of the secondary battery can be improved. From this point, lithium titanate and iron sulfide are most desirable as the negative electrode active material. Two or more negative electrode active materials can be mixed and used. Various shapes such as scales, fibers, and spheres are possible.
チタン酸リチウムとしては、例えば、Li4+xTi5O12(xは0≦x≦3)、Li2Ti3O7などを挙げることができる。 Examples of lithium titanate include Li 4 + x Ti 5 O 12 (x is 0 ≦ x ≦ 3), Li 2 Ti 3 O 7, and the like.
前述したように、リン酸エステルの分解反応を抑制するため、金属リチウムの電位に対して負極作動電位は、0.5V以上高いことが望ましい。この電位差を0.5V以上、3V以下にすることによって、リン酸エステルの分解反応を抑制することができると共に、高い電池電圧を得ることが可能である。さらに好ましい範囲は、0.5V以上、2V以下である。 As described above, in order to suppress the decomposition reaction of the phosphate ester, it is desirable that the negative electrode operating potential be higher by 0.5 V or more than the potential of metallic lithium. By making this potential difference 0.5V or more and 3V or less, it is possible to suppress the decomposition reaction of the phosphate ester and obtain a high battery voltage. A more preferable range is 0.5 V or more and 2 V or less.
リチウム金属との電位差が0.5Vに満たない負極作動電位をもつ活物質として、例えば、黒鉛系の炭素質物が挙げられる。黒鉛系の炭素質物は、リチウム金属電位に対して0V付近でリチウムの吸蔵放出反応を生じるため、充放電反応つまりリチウムの吸蔵放出反応と並行して、リン酸エステルの分解反応が進行する。このため、後述する実施例に示すように、出力特性も充放電サイクル寿命も低くなる。 Examples of the active material having a negative electrode working potential whose potential difference from lithium metal is less than 0.5 V include graphite-based carbonaceous materials. Since the graphite-based carbonaceous material causes a lithium occlusion / release reaction near 0 V with respect to the lithium metal potential, the decomposition reaction of the phosphate ester proceeds in parallel with the charge / discharge reaction, that is, the lithium occlusion / release reaction. For this reason, as shown in the Example mentioned later, an output characteristic and charging / discharging cycle life become low.
前記導電材は、炭素、金属等の電子導電性を有する物質を用いることができる。粉末、繊維状粉末等の形状が望ましい。 As the conductive material, a material having electronic conductivity such as carbon or metal can be used. Shapes such as powder and fibrous powder are desirable.
前記結着剤としては、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、スチレン−ブタジエンゴム、カルボキシメチルセルロース(CMC)等を用いることができる。前記集電体としては、銅、ステンレス、ニッケル等などの金属箔、薄板もしくはメッシュ、金網等を用いることができる。 As the binder, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF), styrene-butadiene rubber, carboxymethyl cellulose (CMC), or the like can be used. As the current collector, a metal foil such as copper, stainless steel, nickel or the like, a thin plate or mesh, a wire net, or the like can be used.
前記負極活物質と前記導電材は、前記結着剤を加えて混練・圧延によりペレット化もしくはシート化することができる。あるいは、水、N−メチルピロリドン(NMP)等の溶媒に溶解、懸濁してスラリー化した後、前記集電体上に塗布、乾燥してシート化することもできる。 The negative electrode active material and the conductive material can be pelletized or formed into a sheet by adding the binder and kneading and rolling. Alternatively, after dissolving and suspending in water, a solvent such as N-methylpyrrolidone (NMP) to form a slurry, it can be applied onto the current collector and dried to form a sheet.
3)電解質
前記電解質は、アルカリ金属塩及びアルカリ土類金属塩のうち少なくとも一方からなる金属塩と、溶融塩と、リン酸エステルとを含む。
3) Electrolyte The electrolyte includes a metal salt composed of at least one of an alkali metal salt and an alkaline earth metal salt, a molten salt, and a phosphate ester.
前記溶融塩は、電池を通常温度で動作させるために室温付近で溶融状態を呈するものが望ましい。前記溶融塩を形成するカチオンとしては特に限定されるものではないが、芳香族4級アンモニム系イオン、脂肪族4級アンモニム系イオンを挙げることができる。溶融塩中のカチオンの種類は、1種もしくは2種類以上にすることができる。 The molten salt is preferably one that exhibits a molten state near room temperature in order to operate the battery at a normal temperature. The cation forming the molten salt is not particularly limited, and examples thereof include aromatic quaternary ammonium ions and aliphatic quaternary ammonium ions. The kind of cation in molten salt can be made into 1 type, or 2 or more types.
芳香族4級アンモニム系イオンとしては、例えば、1−エチル−3−メチルイミダゾリウム、1−メチル−3−プロピルイミダゾリウム、1−メチル−3−イソプロピルイミダゾリウム、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウム、1−エチル−2,3−ジメチルイミダゾリウム、1−エチル−3,4−ジメチルイミダゾリウム、N−プロピルピリジニウム、N−ブチルピリジニウム、N−tert−ブチルピリジニウム、N−tert−ペンチルピリジニウムなどを挙げることができる。 Examples of aromatic quaternary ammonium ions include 1-ethyl-3-methylimidazolium, 1-methyl-3-propylimidazolium, 1-methyl-3-isopropylimidazolium, and 1-butyl-3-methylimidazole. 1-ethyl-2,3-dimethylimidazolium, 1-ethyl-3,4-dimethylimidazolium, N-propylpyridinium, N-butylpyridinium, N-tert-butylpyridinium, N-tert-pentylpyridinium, etc. Can be mentioned.
脂肪族4級アンモニム系イオンとしては、例えば、N−ブチル−N,N,N−トリメチルアンモニウム、N−エチル−N,N−ジメチル−N−プロピルアンモニウム、N−ブチル−N−エチル−N,N−ジメチルアンモニウム、N−ブチル−N,N−ジメチル−N−プロピルアンモニウム、N−メチル−N−プロピルピロリジニウムイオン、N−ブチル−N−メチルピロリジニウムイオン、N−メチル−N−ペンチルピロリジニウム、N−プロポキシエチル−N−メチルピロリジニウム、N−メチル−N−プロピルピペリジニウム、N−メチル−N−イソプロピルピペリジニウム、N−ブチル−N−メチルピペリジニウム、N−イソブチル−N−メチルピペリジニウム、N−sec−ブチル−N−メチルピペリジニウム、N−メトキシエチル−N−メチルピペリジニウム、N−エトキシエチル−N−メチルピペリジニウムなどを挙げることができる。 Examples of aliphatic quaternary ammonium ions include N-butyl-N, N, N-trimethylammonium, N-ethyl-N, N-dimethyl-N-propylammonium, N-butyl-N-ethyl-N, N-dimethylammonium, N-butyl-N, N-dimethyl-N-propylammonium, N-methyl-N-propylpyrrolidinium ion, N-butyl-N-methylpyrrolidinium ion, N-methyl-N-pentylpyrrole Dinium, N-propoxyethyl-N-methylpyrrolidinium, N-methyl-N-propylpiperidinium, N-methyl-N-isopropylpiperidinium, N-butyl-N-methylpiperidinium, N- Isobutyl-N-methylpiperidinium, N-sec-butyl-N-methylpiperidinium, N-methoxyethyl N- methyl-piperidinium, etc. N- ethoxyethyl -N- methylpiperidinium and the like.
前記の脂肪族4級アンモニウム系イオンの中では、含窒素5員環のピロリジニウム系イオン、含窒素6員環のピペリジニウム系イオンそれぞれが、耐還元性が高く副反応の抑制により貯蔵性やサイクル性の向上が得られ、望ましい。 Among the above-mentioned aliphatic quaternary ammonium ions, the nitrogen-containing 5-membered pyrrolidinium ion and the nitrogen-containing 6-membered piperidinium ion have high resistance to reduction, and by suppressing side reactions, they can be stored and cycled. Improvement is desirable.
また、芳香族4級アンモニウム系イオンの中でもイミダゾリウム構造を有するカチオンを用いると粘度の低い溶融塩を得ることができ、電解質として用いたときに高い電池出力特性を得ることができるのでより望ましい。さらに、負極活物質として作動電位が金属リチウム電位に対して0.5Vよりも貴となる活物質を用いると、前記イミダゾリウム構造を有するカチオンを含む溶融塩でも負極上の副反応が抑制され、貯蔵性、サイクル性に優れた非水電解質二次電池を得ることができる。 In addition, it is more preferable to use a cation having an imidazolium structure among aromatic quaternary ammonium ions, because a molten salt having a low viscosity can be obtained and a high battery output characteristic can be obtained when used as an electrolyte. Furthermore, when an active material having an operating potential nobler than 0.5 V with respect to the metal lithium potential is used as the negative electrode active material, side reactions on the negative electrode are suppressed even with a molten salt containing a cation having the imidazolium structure, A nonaqueous electrolyte secondary battery excellent in storage and cycle characteristics can be obtained.
前記溶融塩を形成するアニオンとしては特に限定されるものではないが、テトラフルオロホウ酸アニオン(BF4 -)、ヘキサフルオロリン酸アニオン(PF6 -)、ヘキサフルオロメタンスルホン酸アニオン、ビストリフルオロメタンスルホニルアミドアニオン(TFSI)、ジシアナミドアニオン(DCA)などから1種以上を用いることができる。 The anion forming the molten salt is not particularly limited, but includes tetrafluoroborate anion (BF 4 − ), hexafluorophosphate anion (PF 6 − ), hexafluoromethanesulfonate anion, bistrifluoromethane. One or more of sulfonylamide anion (TFSI), dicyanamide anion (DCA) and the like can be used.
前記アルカリ金属塩としてはリチウム塩、ナトリウム塩など、前記アルカリ土類金属塩としてはカルシウム塩などを用いることができる。大きな電池容量を得ることができることからリチウム塩が望ましい。リチウム塩としては、テトラフルオロホウ酸リチウム(LiBF4)、ヘキサフルオロリン酸リチウム(LiPF6)、ヘキサフルオロメタンスルホン酸リチウム、ビストリフルオロメタンスルホニルアミドリチウム(LiTFSI)、ビスペンタフルオロエタンスルホニルアミドリチウム(LiBETI)、ジシアナミドリチウム(LiDCA)などから1種以上を用いることができる。 As the alkali metal salt, lithium salt, sodium salt and the like, and as the alkaline earth metal salt, calcium salt and the like can be used. Lithium salts are desirable because large battery capacities can be obtained. Examples of the lithium salt include lithium tetrafluoroborate (LiBF 4 ), lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), lithium hexafluoromethanesulfonate, lithium bistrifluoromethanesulfonylamide (LiTFSI), lithium bispentafluoroethanesulfonylamide ( One or more of LiBETI) and dicyanamide lithium (LiDCA) can be used.
アルカリ金属塩及びアルカリ土類金属塩のうち少なくとも一方からなる金属塩濃度は、0.1〜2.5モル/Lとすることが望ましい。金属塩濃度を0.1モル/L未満にすると、十分なイオン伝導性が得られないために放電容量が低下する恐れがある。また、金属塩濃度が2.5モル/Lを超えると、溶融塩の粘度が大きく上昇するため、正負極活物質などへの含浸性が低下して放電容量の低下に至る可能性がある。0℃以下においても、塩の析出が起こらず、十分なイオン導電性を保つために、0.5〜1.8モル/Lがより望ましい。 The metal salt concentration comprising at least one of the alkali metal salt and the alkaline earth metal salt is preferably 0.1 to 2.5 mol / L. If the metal salt concentration is less than 0.1 mol / L, sufficient ionic conductivity cannot be obtained, and the discharge capacity may be reduced. On the other hand, when the metal salt concentration exceeds 2.5 mol / L, the viscosity of the molten salt is greatly increased, so that the impregnation property with respect to the positive and negative electrode active materials may be reduced and the discharge capacity may be reduced. Even at 0 ° C. or lower, salt precipitation does not occur, and 0.5 to 1.8 mol / L is more desirable in order to maintain sufficient ionic conductivity.
前記リン酸エステルは特に限定されるものではないが、トリメチルホスフェート、トリエチルフォスフェート、トリブチルフォスフェート、トリフェニルフォスフェートなどを用いることができる。使用するリン酸エステルの種類は1種類でも2種類以上でも良い。粘度が低く、難燃効果が高いことから分子量の小さいものが望ましく、最も低分子量で難燃性効果の高いトリメチルホスフェートが最も望ましい。 The phosphate ester is not particularly limited, and trimethyl phosphate, triethyl phosphate, tributyl phosphate, triphenyl phosphate, and the like can be used. The type of phosphate ester used may be one type or two or more types. A low molecular weight is desirable because of its low viscosity and high flame retardant effect, and trimethyl phosphate having the lowest molecular weight and high flame retardant effect is most desirable.
本発明者らは、アルカリ金属塩及びアルカリ土類金属塩のうち少なくとも一方からなる金属塩のモル数をM1とし、リン酸エステルのモル数をM2とした際にモル比(M2/M1)を0.5以上、1以下、すなわち、M1:M2が1:0.5〜1:1にすると共に、金属リチウム電位よりも貴な電位で、かつ金属リチウム電位との電位差が0.5V以上となる負極作動電位をもたらす活物質を含有する負極を備えることにより、出力特性と室温および高温のサイクル特性の両立が可能であることを見出した。これは、上記特定範囲のモル比(M2/M1)において前記負極を使用すると、負極上でのリン酸エステルの分解による内部抵抗の増大、容量低下を長期間及び長サイクルにわたって抑止することができるためである。この理由の詳細は明らかではないが、モル比(M2/M1)が1を超える、つまり金属塩のモル数よりリン酸エステルのモル数が大きくなると、より反応しやすいリン酸エステルが非水電解質中に生じるためにリン酸エステルの分解が進むのではないかと推測される。より望ましいモル比(M2/M1)は、0.8以上1以下である。このような組成とすることにより、粘度低下と反応性抑制のバランスがとれ、高い電池出力特性と長期安定性を両立させることができる。 When the number of moles of a metal salt composed of at least one of an alkali metal salt and an alkaline earth metal salt is M 1 and the number of moles of a phosphate ester is M 2 , the present inventors have a molar ratio (M 2 / M 1 ) is 0.5 or more and 1 or less, that is, M 1 : M 2 is 1: 0.5 to 1: 1, and is a potential more noble than the metal lithium potential and the potential difference from the metal lithium potential It has been found that by providing a negative electrode containing an active material that provides a negative electrode operating potential of 0.5 V or more, both output characteristics and room temperature and high temperature cycle characteristics can be achieved. This means that, when the negative electrode is used at a molar ratio (M 2 / M 1 ) in the above specific range, an increase in internal resistance and a decrease in capacity due to the decomposition of phosphate ester on the negative electrode are suppressed over a long period and a long cycle. It is because it can do. Although the details of this reason are not clear, when the molar ratio (M 2 / M 1 ) exceeds 1, that is, when the number of moles of the phosphate ester is larger than the number of moles of the metal salt, the phosphate ester that is more reactive is not It is speculated that the decomposition of the phosphate ester proceeds because it occurs in the water electrolyte. A more desirable molar ratio (M 2 / M 1 ) is 0.8 or more and 1 or less. By setting it as such a composition, the balance of a viscosity fall and reactivity suppression can be balanced, and a high battery output characteristic and long-term stability can be reconciled.
また、上記負極作動電位となる活物質を含有する負極と、モル比(M2/M1)が0.5以上、1以下の非水電解質とを備えた二次電池においては、イミダゾリウム構造を有するカチオン成分を含む溶融塩を用いることが望ましい。これにより、高いイオン伝導性と優れた電気化学的安定性を兼ね備えた非水電解質を得ることができるからである。 Further, in a secondary battery comprising a negative electrode containing an active material having the negative electrode operating potential and a non-aqueous electrolyte having a molar ratio (M 2 / M 1 ) of 0.5 or more and 1 or less, an imidazolium structure It is desirable to use a molten salt containing a cationic component having This is because a non-aqueous electrolyte having both high ionic conductivity and excellent electrochemical stability can be obtained.
さらに、上記負極作動電位となる活物質を含有する負極と、モル比(M2/M1)が0.5以上、1以下の非水電解質とを備えた二次電池においては、テトラフルオロホウ酸イオンを提供する溶融塩を用いることが望ましい。これにより、非水電解質のイオン伝導性を向上することができる。 Furthermore, in a secondary battery comprising a negative electrode containing an active material having the negative electrode operating potential and a non-aqueous electrolyte having a molar ratio (M 2 / M 1 ) of 0.5 or more and 1 or less, It is desirable to use a molten salt that provides acid ions. Thereby, the ionic conductivity of a nonaqueous electrolyte can be improved.
前記電解質は、できるだけ高い難燃性を得るため、リン酸エステル以外の有機溶媒を含まないことが望ましい。ただし、電池内の副反応抑制効果やセパレータ等への親和性向上のために、他の有機溶媒を含んでいても良い。ただし、難燃性を保持するため、その添加量は10重量%以下とするのが望ましい。電池内部から電解質が漏れ出した際の燃焼の可能性を回避するため、他の有機溶媒の添加量はできるだけ少なくすることが望ましく、他の有機溶媒混合後の電解質の引火点が、混合前の引火点より10℃以上低下しない添加量がより望ましい。また、副反応抑制などの電池内の化学反応制御のために他の有機溶媒を加える場合は、電池構成後もしくは初期充放電終了後に添加量の半分以上が消費される量であることが望ましく、その添加量を3重量%以下とすると良い。 In order to obtain as high a flame retardance as possible, the electrolyte preferably contains no organic solvent other than phosphate ester. However, other organic solvents may be included in order to suppress side reactions in the battery and improve the affinity for separators and the like. However, the amount added is preferably 10% by weight or less in order to maintain flame retardancy. In order to avoid the possibility of combustion when electrolyte leaks from the inside of the battery, it is desirable to add as little other organic solvent as possible, and the flash point of the electrolyte after mixing the other organic solvent is An addition amount that does not decrease by 10 ° C. or more from the flash point is more desirable. In addition, when adding other organic solvent for chemical reaction control in the battery, such as suppression of side reactions, it is desirable that more than half of the added amount is consumed after the battery configuration or after the completion of the initial charge / discharge, The addition amount is preferably 3% by weight or less.
前記電解質には、二酸化炭素を含有させても良い。二酸化炭素は、不燃性ガスであることから難燃性を損なうことなく、負極表面上の副反応を抑制し、内部インピーダンスの上昇抑制効果やサイクル特性の向上効果を得ることができる。 Carbon dioxide may be contained in the electrolyte. Since carbon dioxide is a non-flammable gas, side reactions on the negative electrode surface can be suppressed without impairing flame retardancy, and an increase in internal impedance and an improvement in cycle characteristics can be obtained.
本発明に係る非水電解質電池は、円筒形、角形、薄型、コイン型などの様々な形態にすることが可能である。そのうちのコイン型非水電解質電池の一例を図1に示す。 The nonaqueous electrolyte battery according to the present invention can have various forms such as a cylindrical shape, a square shape, a thin shape, and a coin shape. An example of the coin-type non-aqueous electrolyte battery is shown in FIG.
正極端子を兼ねている金属製正極容器1内には、ペレット状の正極2が収納されている。セパレータ3は、正極2に積層されている。ペレット状の負極4は、セパレータ3上に積層されている。非水電解質は、正極2、セパレータ3及び負極4に含浸されている。負極端子を兼ねている金属製負極容器5は、内面が負極4と接した状態で正極容器1に絶縁ガスケット6を介してカシメ固定されている。
A pellet-shaped
前記セパレータ3としては、例えば合成樹脂不織布、ポリエチレン多孔質フィルム、ポリプロピレン多孔質フィルム、セルロース多孔質シート等を用いることができる。 As said separator 3, a synthetic resin nonwoven fabric, a polyethylene porous film, a polypropylene porous film, a cellulose porous sheet etc. can be used, for example.
前記正極容器1と負極容器5は、例えば、ステンレス、鉄などからそれぞれ形成される。
The
前記絶縁ガスケット6は、例えば、ポリプロピレン、ポリエチレン、塩化ビニル、ポリカーボネート、テフロン(登録商標)等から形成することができる。 The insulating gasket 6 can be made of, for example, polypropylene, polyethylene, vinyl chloride, polycarbonate, Teflon (registered trademark), or the like.
なお、前述した図1では、コイン型容器を用いる例を説明したが、円筒型、角型などの各種形状の容器、ラミネートフィルム製袋を用いることも可能である。 In addition, although FIG. 1 mentioned above demonstrated the example using a coin-type container, it is also possible to use containers of various shapes, such as a cylindrical shape and a square shape, and a laminated film bag.
[実施例]
以下、本発明の実施例を、図表を用いて詳細に説明する。以下の実施例は図1に示した電池構造を採用している。
[Example]
Hereinafter, examples of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The following examples employ the battery structure shown in FIG.
(実施例1)
リチウムコバルト酸化物(LiCoO2)粉末90重量%、アセチレンブラック2重量%、グラファイト3重量%、バインダーとしてポリフッ化ビニリデン5重量%をN−メチルピロリドンを溶媒としてスラリー化し、厚さ20μmのアルミニウム箔上に塗布、乾燥後、圧延した。得られた正極シートを直径15mmの円形に切出し、正極を作製した。正極重量は17.8mgであった。得られた正極の充放電電位は、リチウム金属電位に対して約4.0〜4.3Vであった。
(Example 1)
On an aluminum foil having a thickness of 20 μm, 90% by weight of lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ) powder, 2% by weight of acetylene black, 3% by weight of graphite and 5% by weight of polyvinylidene fluoride as a binder were slurried using N-methylpyrrolidone as a solvent After applying, drying, and rolling. The obtained positive electrode sheet was cut into a circle having a diameter of 15 mm to produce a positive electrode. The positive electrode weight was 17.8 mg. The charge / discharge potential of the obtained positive electrode was about 4.0 to 4.3 V with respect to the lithium metal potential.
負極活物質としてLi4/3Ti5/3O4粉末90重量%、導電材として人造黒鉛5重量%、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)5重量%を、N−メチルピロリドン(NMP)溶液に加えて混合し、得られたスラリーを厚さが20μmのアルミニウム箔に塗布、乾燥後、圧延した。得られた負極シートを直径16mmの円形に切出し、負極とした。負極重量は15.5mgであった。この負極の作動電位は、金属リチウム電位に対して約1.4〜1.6V貴となるものであった。 90% by weight of Li 4/3 Ti 5/3 O 4 powder as a negative electrode active material, 5% by weight of artificial graphite and 5% by weight of polyvinylidene fluoride (PVdF) as a conductive material were added to an N-methylpyrrolidone (NMP) solution. The obtained slurry was applied to an aluminum foil having a thickness of 20 μm, dried, and then rolled. The obtained negative electrode sheet was cut into a circle having a diameter of 16 mm to obtain a negative electrode. The negative electrode weight was 15.5 mg. The operating potential of this negative electrode was about 1.4 to 1.6 V noble with respect to the metal lithium potential.
セパレータにはポリプロピレン製不織布を用いた。 A polypropylene nonwoven fabric was used for the separator.
テトラフルオロホウ酸1−エチル−3−メチルイミダゾリウム(EMI・BF4)に0.5モル/Lのテトラフルオロホウ酸リチウム(LiBF4)を溶かした電解質に、トリメチルホスフェート(TMP)をモル比(M2/M1)が1.0になるように加えて、非水電解質を調製した。なお、M1はLiBF4のモル数で、M2はTMPのモル数である。 An electrolyte in which 0.5 mol / L of lithium tetrafluoroborate (LiBF 4 ) is dissolved in 1-ethyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate (EMI · BF 4 ) is mixed with trimethyl phosphate (TMP) in a molar ratio. A nonaqueous electrolyte was prepared by adding (M 2 / M 1 ) to 1.0. M 1 is the number of moles of LiBF 4 and M 2 is the number of moles of TMP.
コイン型の正極容器内に正極を収納し、この正極上にセパレータを介して負極を配置した後、非水電解質を加えて、真空含浸を行った。その後、コイン型負極容器を絶縁性ガスケットを介してカシメ固定することにより、コイン型非水電解質二次電池を作製した。電極中に含まれる活物質量から計算した基準容量は1.25mAhであった。 A positive electrode was housed in a coin-type positive electrode container, and a negative electrode was placed on the positive electrode via a separator, and then a nonaqueous electrolyte was added to perform vacuum impregnation. Thereafter, a coin-type nonaqueous electrolyte secondary battery was produced by caulking and fixing the coin-type negative electrode container via an insulating gasket. The reference capacity calculated from the amount of active material contained in the electrode was 1.25 mAh.
(実施例2〜3及び参照例6〜9)
溶融塩、リチウム塩及びリン酸エステルの種類と、モル比(M2/M1)を下記表1に示すように変更すること以外は、前述した実施例1で説明したのと同様な構成のコイン型非水電解質二次電池を作製した。
(Examples 2-3 and Reference Examples 6-9)
Except for changing the types of molten salt, lithium salt and phosphate ester and the molar ratio (M 2 / M 1 ) as shown in Table 1 below, the structure is the same as that described in Example 1 above. A coin-type non-aqueous electrolyte secondary battery was produced.
なお、下記表1において、EMI・TFSIは1−エチル−3−メチルイミダゾリウムビストリフルオロメタンスルホニルアミドで、14P5・TFSIはN−ブチル−N−メチルピロリジニウムビストリフルオロメタンスルホニルアミドで、13P6・TFSIはN−メチル−N−プロピルピペリジニウムビストリフルオロメタンスルホニルアミドで、LiTFSIはリチウムビストリフルオロメタンスルホニルアミドで、TEPはトリエチルホスフェートを示す。 In Table 1, EMI · TFSI is 1-ethyl-3-methylimidazolium bistrifluoromethanesulfonylamide, 14P5 · TFSI is N-butyl-N-methylpyrrolidinium bistrifluoromethanesulfonylamide, 13P6 · TFSI is N-methyl-N-propylpiperidinium bistrifluoromethanesulfonylamide, LiTFSI is lithium bistrifluoromethanesulfonylamide, and TEP is triethyl phosphate.
(比較例1)
テトラフルオロホウ酸1−エチル−3−メチルイミダゾリウム(EMI・BF4)に0.5モル/Lのテトラフルオロホウ酸リチウム(LiBF4)を溶かして、非水電解質を調製した以外は実施例1と同様にして非水電解質二次電池を作製した。
(Comparative Example 1)
By dissolving tetrafluoroboric acid 1-ethyl-3-methylimidazolium lithium tetrafluoroborate 0.5 mol / L to (EMI · BF 4) (LiBF 4), except that to prepare a non-aqueous electrolyte Example In the same manner as in Example 1, a nonaqueous electrolyte secondary battery was produced.
(比較例2)
テトラフルオロホウ酸1−エチル−3−メチルイミダゾリウム(EMI・BF4)に0.5モル/Lのテトラフルオロホウ酸リチウム(LiBF4)を溶かした電解質に、5重量%のノナフルオロメトキシブチレンを加えて、非水電解質を調製した以外は実施例1と同様にして非水電解質二次電池を作製した。
(Comparative Example 2)
5% by weight of nonafluoromethoxybutylene was dissolved in an electrolyte prepared by dissolving 0.5 mol / L of lithium tetrafluoroborate (LiBF 4 ) in 1-ethyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate (EMI · BF 4 ). And a nonaqueous electrolyte secondary battery was produced in the same manner as in Example 1 except that a nonaqueous electrolyte was prepared.
(比較例3)
N−ブチル−N−メチルピロリジニウムビストリフルオロメタンスルホニルアミド(14P5・TFSI)に0.5モル/Lのリチウムビストリフルオロメタンスルホニルアミド(LiTFSI)を溶かして、非水電解質を調製した以外は実施例1と同様にして非水電解質二次電池を作製した。
(Comparative Example 3)
Except for preparing non-aqueous electrolyte by dissolving 0.5 mol / L lithium bistrifluoromethanesulfonylamide (LiTFSI) in N-butyl-N-methylpyrrolidinium bistrifluoromethanesulfonylamide (14P5.TFSI) A nonaqueous electrolyte secondary battery was produced in the same manner as in Example 1.
(比較例4)
N−メチル−N−プロピルピペリジニウムビストリフルオロメタンスルホニルアミド(13P6・TFSI)に0.5モル/Lのリチウムビストリフルオロメタンスルホニルアミド(LiTFSI)を溶かした電解質に、5重量%のノナフルオロメトキシブチレンを加えて、非水電解質を調製した以外は実施例1と同様にして非水電解質二次電池を作製した。
(Comparative Example 4)
An electrolyte prepared by dissolving 0.5 mol / L lithium bistrifluoromethanesulfonylamide (LiTFSI) in N-methyl-N-propylpiperidinium bistrifluoromethanesulfonylamide (13P6.TFSI) was mixed with 5% by weight of nonafluoromethoxy. A nonaqueous electrolyte secondary battery was produced in the same manner as in Example 1 except that butylene was added to prepare a nonaqueous electrolyte.
(比較例5)
1−エチル−3−メチルイミダゾリウムビストリフルオロメタンスルホニルアミド(EMI・TFSI)に0.5モル/Lのリチウムビストリフルオロメタンスルホニルアミド(LiTFSI)を溶かして、非水電解質を調製した以外は実施例1と同様にして非水電解質二次電池を作製した。
Example except that 0.5 mol / L lithium bistrifluoromethanesulfonylamide (LiTFSI) was dissolved in 1-ethyl-3-methylimidazolium bistrifluoromethanesulfonylamide (EMI.TFSI) to prepare a nonaqueous electrolyte. In the same manner as in Example 1, a nonaqueous electrolyte secondary battery was produced.
<出力特性の評価>
得られた実施例1〜3、比較例1〜5および参照例6〜9の非水電解質二次電池について、0.2CmAで、2.8Vまで定電流で充電し、2.8V到達後は2.8Vを保持して合計時間で10時間となるまで定電圧で充電を行った。その後、0.1CmAの定電流放電を行った。再び前記条件で充電し、0.2CmAの定電流放電を行った。以後、同一条件で充電後、0.4CmA、0.8CmAの定電流放電を行った。以上の評価により得られた放電容量を図2に示した。
<Evaluation of output characteristics>
About the obtained non-aqueous electrolyte secondary batteries of Examples 1 to 3, Comparative Examples 1 to 5 and Reference Examples 6 to 9, with a constant current of up to 2.8 V at 0.2 CmA, after reaching 2.8 V The battery was charged at a constant voltage until 2.8 V was maintained and the total time was 10 hours. Thereafter, a constant current discharge of 0.1 CmA was performed. The battery was charged again under the above conditions, and a constant current discharge of 0.2 CmA was performed. Thereafter, after charging under the same conditions, constant current discharge of 0.4 CmA and 0.8 CmA was performed. The discharge capacity obtained by the above evaluation is shown in FIG.
<サイクル特性の評価>
前記の実施例1〜3、比較例1〜5および参照例6〜9の非水電解質二次電池について、前記評価後に、サイクル評価を行った。充電は前記と同様に0.2CmAで、2.8Vまで定電流で充電し、2.8V到達後は2.8Vを保持して合計時間で10時間となるまで定電圧で行った。放電は0.2CmAで1.5Vになるまで定電流で行った。充電および放電間の開路時間は30分とした。以上のサイクル評価により得られた放電容量の推移を図3に示した。図3ではサイクル評価開始時の各電池の放電容量を100%とした維持率で表してある。
<Evaluation of cycle characteristics>
About the nonaqueous electrolyte secondary battery of the said Examples 1-3, the comparative examples 1-5, and the reference examples 6-9, cycle evaluation was performed after the said evaluation. The charging was performed at a constant current of 0.2 CmA as described above, with a constant current of up to 2.8 V, and after reaching 2.8 V, the battery was maintained at 2.8 V and kept at a constant voltage until the total time reached 10 hours. Discharging was performed at a constant current until it reached 1.5 V at 0.2 CmA. The open circuit time between charging and discharging was 30 minutes. The transition of the discharge capacity obtained by the above cycle evaluation is shown in FIG. In FIG. 3, it represents with the maintenance rate which made the discharge capacity of each battery at the time of a cycle evaluation start 100%.
(実施例4)
LiBF4のモル数M1とTMPのモル数M2とのモル比(M2/M1)を0.8にすること以外は、前述した実施例1で説明したのと同様にして非水電解質二次電池を作製した。
Example 4
Except for setting the molar ratio (M 2 / M 1 ) between the molar number M 1 of LiBF 4 and the molar number M 2 of TMP to 0.8, non-water is the same as described in Example 1 above. An electrolyte secondary battery was produced.
(実施例5)
LiBF4のモル数M1とTMPのモル数M2とのモル比(M2/M1)を0.5にすること以外は、前述した実施例1で説明したのと同様にして非水電解質二次電池を作製した。
(Example 5)
Except for setting the molar ratio (M 2 / M 1 ) between the molar number M 1 of LiBF 4 and the molar number M 2 of TMP to 0.5, non-water is the same as described in Example 1 above. An electrolyte secondary battery was produced.
(比較例10)
グラファイト粉末87重量%と、平均粒径5μmの人造グラファイト10重量%と、カルボキシメチルセルロース1重量%と、スチレン・ブタジエンゴム2重量%とを、水を溶媒としてスラリー化した。得られたスラリーを銅箔上に塗布した後、乾燥することにより負極シートを作製した。
(Comparative Example 10)
A slurry of 87% by weight of graphite powder, 10% by weight of artificial graphite having an average particle diameter of 5 μm, 1% by weight of carboxymethylcellulose, and 2% by weight of styrene-butadiene rubber was slurried using water as a solvent. After apply | coating the obtained slurry on copper foil, the negative electrode sheet was produced by drying.
得られた負極シートを直径16mmの円形に切出し、負極とした。負極重量は26.3mgであった。この負極の作動電位は、金属リチウム電位に対して0〜0.2V(0〜0.2V vs. Li/Li+)であった。 The obtained negative electrode sheet was cut into a circle having a diameter of 16 mm to obtain a negative electrode. The negative electrode weight was 26.3 mg. The operating potential of this negative electrode was 0 to 0.2 V (0 to 0.2 V vs. Li / Li + ) with respect to the metal lithium potential.
1−エチル−3−メチルイミダゾリウムビストリフルオロメタンスルホニルアミド(EMI・TFSI)に1.2モル/Lのリチウムビストリフルオロメタンスルホニルアミド(LiTFSI)を溶解させた後、トリメチルホスフェート(TMP)をモル比(M2/M1)が1.1になるように加えて、非水電解質を調製した。前記非水電解質と前記負極以外は実施例1と同様にして非水電解質二次電池を作製した。 After 1.2 mol / L lithium bistrifluoromethanesulfonylamide (LiTFSI) was dissolved in 1-ethyl-3-methylimidazolium bistrifluoromethanesulfonylamide (EMI • TFSI), trimethyl phosphate (TMP) was added at a molar ratio. A nonaqueous electrolyte was prepared by adding (M 2 / M 1 ) to 1.1. A nonaqueous electrolyte secondary battery was produced in the same manner as in Example 1 except for the nonaqueous electrolyte and the negative electrode.
得られた実施例4,5及び比較例10の二次電池について、出力特性の評価及びサイクル特性の評価を、前述したのと同様な条件で行った。 For the obtained secondary batteries of Examples 4 and 5 and Comparative Example 10, output characteristics and cycle characteristics were evaluated under the same conditions as described above.
また、実施例4,5及び比較例10の二次電池と、前述した実施例1〜3、比較例1〜5および参照例6〜9の二次電池について、以下に説明する条件で高温サイクル特性試験を実施した。まず、60℃の恒温槽中で、0.2CmAで、2.8Vまで定電流で充電し、2.8V到達後は2.8Vを保持して合計時間で10時間となるまで定電圧で充電を行った。その後、0.2CmAの定電流放電を行った。この充放電を20サイクル繰り返し、20サイクル目の放電容量を下記表2〜表4に示す。
上記の二次電池を、溶融塩の種類の違いによる影響を少なくするため、溶融塩がEMI・BF4である第1グループ、溶融塩がEMI・TFSIである二次電池を主とする第2グループ、上記2種類以外の溶融塩を備えた二次電池を主体とする第3グループに分けた。第1グループの実施例1,2,5と比較例1,2と参照例6,7の二次電池については、出力特性を図4に、サイクル特性を図5に、高温サイクル特性を表2に示した。第2グループの実施例4と比較例2、5,10と参照例8の二次電池については、出力特性を図6に、サイクル特性を図7に、高温サイクル特性を表3に示した。第3グループの実施例1,3,4と比較例3,4と参照例9の二次電池については、出力特性を図8に、サイクル特性を図9に、高温サイクル特性を表4に示した。 In order to reduce the influence of the above-mentioned secondary battery due to the difference in the type of the molten salt, the second group mainly includes the first group in which the molten salt is EMI · BF 4 and the secondary battery in which the molten salt is EMI · TFSI. The group was divided into a third group mainly composed of secondary batteries having molten salts other than the above two types. For the secondary batteries of Examples 1, 2, 5 and Comparative Examples 1, 2 and Reference Examples 6 and 7 of the first group, the output characteristics are shown in FIG. 4, the cycle characteristics are shown in FIG. 5, and the high temperature cycle characteristics are shown in Table 2. It was shown to. Regarding the secondary batteries of Example 4, Comparative Examples 2, 5, 10 and Reference Example 8 of the second group, the output characteristics are shown in FIG. 6, the cycle characteristics are shown in FIG. 7, and the high temperature cycle characteristics are shown in Table 3. For the secondary batteries of Examples 1, 3, 4 and Comparative Examples 3, 4 and Reference Example 9 of the third group, the output characteristics are shown in FIG. 8, the cycle characteristics are shown in FIG. 9, and the high temperature cycle characteristics are shown in Table 4. It was.
まず、第1グループについて説明する。図4から、リン酸エステルを使用した実施例1,2,5及び参照例6,7の二次電池は、0.1C、0.2C、0.4C及び0.8Cのいずれの放電レートにおいても、リン酸エステルを含有しない比較例1の二次電池よりも大きな放電容量を得ることができ、出力特性に優れている。また、代替えフロン溶媒の一種である不燃のノナフルオロメトキシブチレンを含む比較例2の二次電池と較べても、高い容量を得ることができる。 First, the first group will be described. From FIG. 4, the secondary batteries of Examples 1, 2, and 5 and Reference Examples 6 and 7 using phosphate esters are at any discharge rate of 0.1 C, 0.2 C, 0.4 C, and 0.8 C. However, it is possible to obtain a larger discharge capacity than the secondary battery of Comparative Example 1 that does not contain a phosphate ester, and the output characteristics are excellent. Moreover, a high capacity can be obtained as compared with the secondary battery of Comparative Example 2 containing nonflammable nonafluoromethoxybutylene which is a kind of an alternative chlorofluorocarbon solvent.
有機溶媒の種類がTMPである実施例1,5及び参照例6,7を比較すると、モル比(M2/M1)が0.8〜1の実施例1の二次電池は、放電レートを0.1C、0.2C、0.4C、0.8Cと高くしていった際の放電容量の低下が、モル比(M2/M1)が0.5の実施例5、モル比(M2/M1)が0.5未満の参照例6及びモル比(M2/M1)が1を超える参照例7の二次電池と比して小さく、特に優れた出力特性を示すことが理解できる。また、TMPより高分子量であるために蒸発し難いTEPを有機溶媒として使用した実施例2の二次電池においても、参照例6,7の二次電池と比べて、0.1C及び0.2Cにおける放電容量に顕著な増大が認められた。 Comparing Examples 1 and 5 and Reference Examples 6 and 7 in which the type of the organic solvent is TMP, the secondary battery of Example 1 having a molar ratio (M 2 / M 1 ) of 0.8 to 1 has a discharge rate. Of the discharge capacity when increasing the value to 0.1 C, 0.2 C, 0.4 C, and 0.8 C, the molar ratio (M 2 / M 1 ) is 0.5. Compared to the secondary battery of Reference Example 6 in which (M 2 / M 1 ) is less than 0.5 and Reference Example 7 in which the molar ratio (M 2 / M 1 ) is more than 1, the output characteristics are particularly excellent. I understand that. Also, in the secondary battery of Example 2 using TEP, which has a higher molecular weight than TMP and is difficult to evaporate, as an organic solvent, 0.1 C and 0.2 C compared to the secondary batteries of Reference Examples 6 and 7. A significant increase in the discharge capacity was observed.
図5から、リン酸エステルを使用した実施例1,2,5及び参照例6,7の二次電池は、比較例1〜2の二次電池と比較して、30サイクル目の放電容量維持率が高いことがわかる。有機溶媒の種類がTMPである実施例1,5及び参照例6,7を比較すると、モル比(M2/M1)が0.8〜1の実施例1の二次電池は、30サイクル目の放電容量維持率が約95.4%と、実施例5及び参照例6,7の二次電池と比して大きく、サイクル特性が特に優れていることが理解できる。 From FIG. 5, the secondary batteries of Examples 1, 2 and 5 and Reference Examples 6 and 7 using phosphoric acid esters maintained the discharge capacity at the 30th cycle as compared with the secondary batteries of Comparative Examples 1 and 2. It can be seen that the rate is high. Comparing Examples 1 and 5 and Reference Examples 6 and 7 in which the type of organic solvent is TMP, the secondary battery of Example 1 having a molar ratio (M 2 / M 1 ) of 0.8 to 1 is 30 cycles. It can be understood that the discharge capacity retention rate of the eye is about 95.4%, which is larger than the secondary batteries of Example 5 and Reference Examples 6 and 7, and the cycle characteristics are particularly excellent.
さらに、表2に示すように、モル比(M2/M1)が0.5〜1の実施例2,5の二次電池は、60℃でのサイクル特性が、比較例1,2の二次電池だけでなく、モル比(M2/M1)が前記範囲を外れている参照例6,7の二次電池と比べても優れている。 Furthermore, as shown in Table 2, the secondary batteries of Examples 2 and 5 having a molar ratio (M 2 / M 1 ) of 0.5 to 1 have cycle characteristics at 60 ° C. of those of Comparative Examples 1 and 2. Not only the secondary battery but also the secondary batteries of Reference Examples 6 and 7 whose molar ratio (M 2 / M 1 ) is out of the above range are excellent.
したがって、図4、図5及び表2から、モル比(M2/M1)を0.5〜1の範囲にすることによって、出力特性をリン酸エステル無添加の場合に比べて向上させつつ、室温と高温の双方で優れたサイクル特性を実現できることがわかった。 Therefore, from FIG. 4, FIG. 5, and Table 2, by making the molar ratio (M 2 / M 1 ) in the range of 0.5 to 1, the output characteristics are improved as compared with the case where no phosphate ester is added. It was found that excellent cycle characteristics can be realized at both room temperature and high temperature.
第2グループについて説明する。図6から、リン酸エステルを使用した実施例4及び参照例8の二次電池は、0.1C、0.2C、0.4C及び0.8Cのいずれの放電レートにおいても、リン酸エステルを含有しない比較例5の二次電池よりも大きな放電容量を得ることができ、出力特性に優れている。また、ノナフルオロメトキシブチレンを含む比較例2の二次電池と較べても、高い容量を得ることができる。比較例10の二次電池は、前述した特許文献3(特開平11−329495号公報)に記載のリチウム二次電池のように、グラファイトを含む負極と、モル比(M2/M1)が1を超える非水電解質とを備えるものである。この比較例10の二次電池によると、評価中に劣化が進行し、0.1Cでの放電容量が0.20mAhと低く、0.4C及び0.8Cではほとんど放電ができなかった。 The second group will be described. From FIG. 6, the secondary batteries of Example 4 and Reference Example 8 using the phosphoric acid ester showed the phosphoric acid ester at any discharge rate of 0.1 C, 0.2 C, 0.4 C, and 0.8 C. A larger discharge capacity can be obtained than the secondary battery of Comparative Example 5 which does not contain, and the output characteristics are excellent. Moreover, a high capacity can be obtained as compared with the secondary battery of Comparative Example 2 containing nonafluoromethoxybutylene. The secondary battery of Comparative Example 10 has a negative electrode containing graphite and a molar ratio (M 2 / M 1 ) as in the lithium secondary battery described in Patent Document 3 (Japanese Patent Laid-Open No. 11-329495) described above. And more than one non-aqueous electrolyte. According to the secondary battery of Comparative Example 10, deterioration progressed during the evaluation, the discharge capacity at 0.1 C was as low as 0.20 mAh, and almost no discharge was possible at 0.4 C and 0.8 C.
図7から、モル比(M2/M1)が0.5〜1の実施例4の二次電池は、比較例2,5の二次電池だけでなく、モル比(M2/M1)が1を超える参照例8の二次電池と比較しても、30サイクル目の放電容量維持率が高いことがわかる。また、比較例10の二次電池では、サイクル初期に急激な劣化がおこった。 From FIG. 7, the secondary battery of Example 4 having a molar ratio (M 2 / M 1 ) of 0.5 to 1 is not limited to the secondary batteries of Comparative Examples 2 and 5, but the molar ratio (M 2 / M 1). ) Is higher than 1, the secondary battery of Reference Example 8 shows that the discharge capacity retention rate at the 30th cycle is high. Further, in the secondary battery of Comparative Example 10, rapid deterioration occurred at the beginning of the cycle.
さらに、表3に示すように、モル比(M2/M1)が0.5〜1の実施例4の二次電池は、60℃でのサイクル特性が、比較例2,5の二次電池及び参照例8の二次電池に比べて優れている。なお、比較例10の二次電池によると、室温の場合と同様に、1サイクル目からほとんど放電ができなかった。 Furthermore, as shown in Table 3, the secondary battery of Example 4 having a molar ratio (M 2 / M 1 ) of 0.5 to 1 has a cycle characteristic at 60 ° C. that is the secondary battery of Comparative Examples 2 and 5. It is superior to the battery and the secondary battery of Reference Example 8. Note that according to the secondary battery of Comparative Example 10, almost no discharge was possible from the first cycle, as in the case of room temperature.
したがって、図6、図7及び表3から、溶融塩の種類をEMI・BF4からEMI・TFSIに変更した場合においても、モル比(M2/M1)を0.5〜1の範囲にすることによって、出力特性をリン酸エステル無添加の場合に比べて向上させつつ、室温と高温の双方で優れたサイクル特性を実現できることがわかった。 Therefore, from FIG. 6, FIG. 7 and Table 3, even when the type of the molten salt is changed from EMI · BF 4 to EMI · TFSI, the molar ratio (M 2 / M 1 ) is in the range of 0.5 to 1. Thus, it was found that excellent cycle characteristics can be realized at both room temperature and high temperature while improving the output characteristics as compared with the case where no phosphate ester is added.
最後に、第3グループについて説明する。図8から、リン酸エステルを使用した実施例1、3、4及び参照例9の二次電池は、0.1C、0.2C、0.4C及び0.8Cのいずれの放電レートにおいても、リン酸エステルを含有しない比較例3の二次電池よりも大きな放電容量を得ることができ、出力特性に優れている。また、ノナフルオロメトキシブチレンを含む比較例4の二次電池と較べても、高い容量を得ることができる。 Finally, the third group will be described. From FIG. 8, the secondary batteries of Examples 1, 3, 4 and Reference Example 9 using phosphoric acid esters were obtained at any discharge rate of 0.1 C, 0.2 C, 0.4 C and 0.8 C. A discharge capacity larger than that of the secondary battery of Comparative Example 3 that does not contain a phosphate ester can be obtained, and the output characteristics are excellent. Moreover, a high capacity can be obtained as compared with the secondary battery of Comparative Example 4 containing nonafluoromethoxybutylene.
モル比(M2/M1)が1の実施例1,3を比較すると、アニオン成分がBF4である溶融塩を備えた実施例1の二次電池は、アニオン成分がTFSIである溶融塩を備えた実施例3の二次電池に比較して、0.2C、0.4C及び0.8Cのいずれの放電レートにおいても放電容量が大きく、出力特性の向上には、溶融塩のアニオン成分がBF4であることが望ましいことがわかる。 Comparing Examples 1 and 3 having a molar ratio (M 2 / M 1 ) of 1, the secondary battery of Example 1 having a molten salt whose anion component is BF 4 is a molten salt whose anion component is TFSI. Compared to the secondary battery of Example 3 provided with a large discharge capacity at any discharge rate of 0.2C, 0.4C and 0.8C, the improvement of the output characteristics, the anion component of the molten salt It can be seen that is preferably BF 4 .
図9から、リン酸エステルを使用した実施例1、3、4及び参照例9の二次電池は、比較例3〜4の二次電池と比較して、30サイクル目の放電容量維持率が高いことがわかる。 From FIG. 9, the secondary batteries of Examples 1, 3, 4 and Reference Example 9 using phosphoric acid esters have a discharge capacity maintenance rate at the 30th cycle as compared with the secondary batteries of Comparative Examples 3-4. I understand that it is expensive.
モル比(M2/M1)が1の実施例1,3を比較すると、アニオン成分がBF4である溶融塩を備えた実施例1の二次電池は、アニオン成分がTFSIである溶融塩を備えた実施例3の二次電池に比較して、30サイクル目の放電容量維持率が高く、サイクル特性の向上にも、溶融塩のアニオン成分がBF4であることが望ましいことがわかる。 Comparing Examples 1 and 3 having a molar ratio (M 2 / M 1 ) of 1, the secondary battery of Example 1 having a molten salt whose anion component is BF 4 is a molten salt whose anion component is TFSI. Compared with the secondary battery of Example 3 provided with the above, it can be seen that the discharge capacity retention rate at the 30th cycle is high, and it is desirable that the anion component of the molten salt is BF 4 in order to improve cycle characteristics.
さらに、表4に示すように、モル比(M2/M1)が0.5〜1の実施例1,3,4の二次電池は、60℃でのサイクル特性が、比較例3,4の二次電池に比べて高いだけでなく、モル比(M2/M1)が1を超える参照例9の二次電池と比較しても優れていた。 Further, as shown in Table 4, the secondary batteries of Examples 1, 3, and 4 having a molar ratio (M 2 / M 1 ) of 0.5 to 1 have cycle characteristics at 60 ° C. of Comparative Example 3, In addition to being higher than the secondary battery of No. 4, the molar ratio (M 2 / M 1 ) was superior to the secondary battery of Reference Example 9 having a molar ratio (M 2 / M 1 ) exceeding 1.
モル比(M2/M1)が1の実施例1,3を比較すると、アニオン成分がBF4である溶融塩を備えた実施例1の二次電池は、アニオン成分がTFSIである溶融塩を備えた実施例3の二次電池に比較して、60℃でのサイクル特性に優れており、高温サイクル特性の向上にも、溶融塩のアニオン成分がBF4であることが望ましいことがわかる。 Comparing Examples 1 and 3 having a molar ratio (M 2 / M 1 ) of 1, the secondary battery of Example 1 having a molten salt whose anion component is BF 4 is a molten salt whose anion component is TFSI. As compared with the secondary battery of Example 3 having the above, it is excellent in cycle characteristics at 60 ° C., and it is found that the anion component of the molten salt is preferably BF 4 in order to improve high temperature cycle characteristics. .
したがって、図8、図9及び表4から、EMI・BF4及びEMI・TFSI以外の溶融塩を使用した場合においても、モル比(M2/M1)を0.5〜1の範囲にすることによって、出力特性をリン酸エステル無添加の場合に比べて向上させつつ、室温と高温の双方で優れたサイクル特性を実現できることがわかった。 Therefore, from FIG. 8, FIG. 9, and Table 4, even when molten salts other than EMI.BF 4 and EMI.TFSI are used, the molar ratio (M 2 / M 1 ) is in the range of 0.5 to 1. Thus, it was found that excellent cycle characteristics can be realized at both room temperature and high temperature while improving the output characteristics as compared with the case where no phosphate ester is added.
以上説明したように本発明によれば、難燃性の高い電解質を備えた非水電解質電池の出力特性とサイクル特性を両立させることが可能である。 As described above, according to the present invention, it is possible to achieve both output characteristics and cycle characteristics of a nonaqueous electrolyte battery including an electrolyte with high flame retardancy.
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。 Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment as it is, and can be embodied by modifying the constituent elements without departing from the scope of the invention in the implementation stage. In addition, various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of components disclosed in the embodiment. For example, some components may be deleted from all the components shown in the embodiment. Furthermore, constituent elements over different embodiments may be appropriately combined.
1…正極容器、2…正極、3…セパレータ、4…負極、5…負極容器、6…絶縁ガスケット。
DESCRIPTION OF
Claims (8)
負極作動電位が金属リチウム電位に対して0.5Vよりも貴となる活物質を含有する負極と、
アルカリ金属塩及びアルカリ土類金属塩のうち少なくとも一方からなる金属塩、溶融塩及びリン酸エステルを含有し、下記(1)式を満足する電解質と
を具備することを特徴とする非水電解質電池。
0.5≦(M2/M1)≦1 (1)
但し、M1は前記金属塩のモル数で、M2は前記リン酸エステルのモル数である。 A positive electrode;
A negative electrode containing an active material having a negative electrode operating potential nobler than 0.5 V with respect to a metallic lithium potential;
A non-aqueous electrolyte battery comprising a metal salt comprising at least one of an alkali metal salt and an alkaline earth metal salt, a molten salt, and a phosphate ester, and satisfying the following formula (1): .
0.5 ≦ (M 2 / M 1 ) ≦ 1 (1)
However, M 1 is at the number of moles of the metal salt, M 2 is the number of moles of the phosphoric acid ester.
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