JP2005302492A - Electrolyte and battery using same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、特定の構造を有する化合物を含んだ電解液およびそれを用いた電池に関する。 The present invention relates to an electrolytic solution containing a compound having a specific structure and a battery using the same.
近年、ノート型携帯用コンピュータ,携帯電話あるいはカメラ一体型VTR(ビデオテープレコーダ)などの携帯用電子機器が多く登場し、その小型軽量化が図られている。それに伴い、これらの携帯用電子機器の電源として、軽量で高エネルギー密度を得ることができる二次電池の開発が進められている。高エネルギー密度を得ることができる二次電池としては、例えば、負極活物質として炭素材料などのリチウム(Li)を吸蔵および離脱することが可能な材料を用いたリチウムイオン二次電池が実用化されている。 In recent years, many portable electronic devices such as notebook type portable computers, cellular phones, and camera-integrated VTRs (video tape recorders) have appeared, and their size and weight have been reduced. Accordingly, as a power source for these portable electronic devices, development of a secondary battery that is lightweight and capable of obtaining a high energy density is in progress. As a secondary battery capable of obtaining a high energy density, for example, a lithium ion secondary battery using a material capable of inserting and extracting lithium (Li) such as a carbon material as a negative electrode active material has been put into practical use. ing.
これらリチウムイオン二次電池では、従来よりサイクル特性を向上させるために、電解液に種々の添加物を添加することが提案されている。例えば、特許文献1には、非共役不飽和環状炭化水素を添加することが記載されている。
しかしながら、このような添加物を添加した電解液では、その効果が十分ではないので、更なる特性の向上を可能とする電解液の開発が望まれていた。 However, the electrolytic solution to which such an additive is added is not sufficiently effective, and therefore it has been desired to develop an electrolytic solution that can further improve the characteristics.
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、サイクル特性を向上させることができる電池およびそれに用いられる電解液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 a battery capable of improving cycle characteristics and an electrolytic solution used therefor.
本発明による電解液は、エチレンオキサイドおよびその誘導体のうちの少なくとも一方を含むものである。 The electrolytic solution according to the present invention contains at least one of ethylene oxide and its derivatives.
本発明による電池は、正極および負極と共に電解液を備えたものであって、電解液は、エチレンオキサイドおよびその誘導体のうちの少なくとも一方を含むものである。 The battery according to the present invention includes an electrolyte solution together with a positive electrode and a negative electrode, and the electrolyte solution includes at least one of ethylene oxide and a derivative thereof.
本発明の電解液によれば、エチレンオキサイドおよびその誘導体のうちの少なくとも一方を含むようにしたので、例えば、本発明の電池に用いた場合、負極の表面にイオン伝導性を有する被膜を形成することができる。よって、内部抵抗の上昇を抑えつつ、負極における溶媒の分解反応を抑制することができ、サイクル特性を向上させることができる。 According to the electrolytic solution of the present invention, since at least one of ethylene oxide and its derivatives is included, for example, when used in the battery of the present invention, a film having ion conductivity is formed on the surface of the negative electrode. be able to. Therefore, the decomposition reaction of the solvent in the negative electrode can be suppressed while suppressing the increase in internal resistance, and the cycle characteristics can be improved.
特に、電解液におけるエチレンオキサイドおよびその誘導体の含有量を、0.01質量%以上10質量%以下にすれば効果的である。 In particular, it is effective if the content of ethylene oxide and its derivative in the electrolytic solution is 0.01% by mass or more and 10% by mass or less.
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.
本発明の一実施の形態に係る電解質は、例えば、溶媒と、溶媒に溶解された電解質塩とを含む液状のいわゆる電解液を含有している。溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ビニルエチレンカーボネート、ビニレンカーボネート、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキシエタン、γ−ブチロラクトン、テトラヒドロフラン、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非水溶媒が挙げられる。溶媒は、いずれか1種を単独で用いてもよいが、2種以上を混合して用いてもよい。 The electrolyte according to one embodiment of the present invention contains, for example, a liquid so-called electrolytic solution containing a solvent and an electrolyte salt dissolved in the solvent. Examples of the solvent include ethylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, vinyl ethylene carbonate, vinylene carbonate, 1,2-dimethoxyethane, 1,2-diethoxyethane, γ-butyrolactone, tetrahydrofuran, and 2-methyl. Non-aqueous solvents such as tetrahydrofuran, 1,3-dioxolane, 4-methyl-1,3-dioxolane, diethyl ether, sulfolane, methyl sulfolane, acetonitrile, propionitrile, anisole, acetate, butyrate or propionate It is done. Any one type of solvent may be used alone, or two or more types may be mixed and used.
電解質塩としては、例えば、LiClO4 ,LiAsF6 ,LiPF6 ,LiBF4 ,LiB(C6 H5 )4 ,LiCH3 SO3 ,LiCF3 SO3 ,LiClあるいはLiBrなどのリチウム塩が挙げられる。電解質塩は、いずれか1種を単独で用いてもよいが、2種以上を混合して用いてもよい。 Examples of the electrolyte salt include lithium salts such as LiClO 4 , LiAsF 6 , LiPF 6 , LiBF 4 , LiB (C 6 H 5 ) 4 , LiCH 3 SO 3 , LiCF 3 SO 3 , LiCl, or LiBr. Any one electrolyte salt may be used alone, or two or more electrolyte salts may be mixed and used.
電解質塩の濃度は、例えば、溶媒に対して0.3mol/l以上3.0mol/l以下の範囲内であることが好ましい。この範囲内において高いイオン伝導率を得ることができるからである。 The concentration of the electrolyte salt is preferably in the range of 0.3 mol / l to 3.0 mol / l with respect to the solvent, for example. This is because high ionic conductivity can be obtained within this range.
この電解液は、また、添加物として、エチレンオキサイドあるいはその誘導体を含んでいる。反応によりイオン伝導性を有する被膜を形成することができるからである。 This electrolytic solution also contains ethylene oxide or a derivative thereof as an additive. This is because a film having ion conductivity can be formed by the reaction.
エチレンオキサイドの誘導体としては、例えば、化1に示した構造の化合物が挙げられる。 Examples of the ethylene oxide derivative include compounds having the structure shown in Chemical Formula 1.
化1に示した化合物を具体的に挙げれば、化2〜化6に示した化合物などがある。これらの化合物は、いずれか1種を単独で用いてもよいが、2種以上を混合して用いてもよい。 Specific examples of the compound shown in Chemical Formula 1 include the compounds shown in Chemical Formulas 2 to 6. Any one of these compounds may be used alone, or two or more thereof may be mixed and used.
これらエチレンオキサイドおよびエチレンオキサイド誘導体の含有量は、電解液に対して全体で0.01質量%以上10質量%以下の範囲内であることが好ましい。少なすぎると被膜を形成する効果が小さくなり、また、あまり多くなると負極22の表面に形成される被膜の厚みが大きくなり、電池抵抗が上昇してリチウムイオンの移動度が低下してしまうからである。
The content of these ethylene oxides and ethylene oxide derivatives is preferably in the range of 0.01% by mass or more and 10% by mass or less with respect to the electrolytic solution as a whole. If the amount is too small, the effect of forming a coating is reduced. If the amount is too large, the thickness of the coating formed on the surface of the
この電解液は、例えば、次のようにして二次電池に用いられる。 This electrolytic solution is used for a secondary battery as follows, for example.
図1はその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、電極巻回体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、電極巻回体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 the secondary battery. This secondary battery is a so-called cylindrical type, and has 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と電極巻回体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
図2は、図1に示した電極巻回体20のII−II線に沿った断面構成を表すものである。電極巻回体20は、帯状の正極21と帯状の負極22とをセパレータ23を介して積層し、巻回したものであり、中心にはセンターピン24が挿入されている。なお、図2においては、セパレータ23を省略している。電極巻回体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。
FIG. 2 shows a cross-sectional configuration along the line II-II of the
正極21は、例えば、対向する一対の面を有する集電体21Aと、集電体21Aの両面あるいは片面に設けられた活物質層21Bとを有している。集電体21Aは、例えば、アルミニウム、ニッケルあるいはステンレスなどにより構成されている。
The
活物質層21Bは、例えば、正極活物質としてリチウムを吸蔵および離脱することが可能な正極材料(以下、リチウムを吸蔵・離脱可能な正極材料という。)のいずれか1種または2種以上を含んでおり、必要に応じて炭素材料などの導電剤および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。リチウムを吸蔵・離脱可能な正極材料としては、例えば、リチウムと遷移金属とを含むリチウム複合酸化物あるいはリチウムリン酸化合物が好ましい。これらは高電圧を発生可能であると共に、高密度であるため、高容量化を図ることができるからである。
The
リチウム複合酸化物としては、遷移金属として、コバルト(Co),ニッケル,マンガン(Mn),鉄,バナジウム(V),チタン(Ti),クロム(Cr)および銅(Cu)からなる群のうちの少なくとも1種を含むものが好ましく、コバルト,ニッケル,マンガン,鉄,バナジウムおよびチタンからなる群のうちの少なくとも1種を含むものが更に好ましい。このうちマンガンを含むリチウム複合酸化物としては、例えば化学式Lix Mn2-y M1y O4 で表されるスピネル型化合物が挙げられる。式中、M1は鉄,コバルト,ニッケル,銅,亜鉛(Zn),アルミニウム,スズ(Sn),クロム,バナジウム,チタン,マグネシウム(Mg),カルシウム(Ca),ストロンチウム(Sr),ホウ素(B),ガリウム(Ga),インジウム(In),ケイ素(Si)およびゲルマニウム(Ge)からなる群のうち少なくとも1種を表し、xおよびyの値はそれぞれ0.9≦x、0.01≦y≦0.5である。ニッケルを含むリチウム複合酸化物としては、例えば化学式LiNi1-z M2z O2 で表されるものが挙げられる。式中、M2は鉄,コバルト,マンガン,銅,亜鉛,アルミニウム,スズ,クロム,バナジウム,チタン,マグネシウム,カルシウム,ストロンチウム,ホウ素,ガリウム,インジウム,ケイ素およびゲルマニウムからなる群のうち少なくとも1種を表し、zの値は、0.01≦z≦0.5である。このようなリチウム複合酸化物の具体例としては、LiCoO2 ,LiNiO2 ,LiMn2 O4 ,LiNi0.5 Co0.5 O2 あるいはLiNi0.5 Co0.3 Mn0.2 O2 などが挙げられる。 As the lithium composite oxide, as a transition metal, cobalt (Co), nickel, manganese (Mn), iron, vanadium (V), titanium (Ti), chromium (Cr) and copper (Cu) What contains at least 1 type is preferable, and what contains at least 1 type in the group which consists of cobalt, nickel, manganese, iron, vanadium, and titanium is still more preferable. Among these, examples of the lithium composite oxide containing manganese include a spinel compound represented by the chemical formula Li x Mn 2 -y M1 y O 4 . In the formula, M1 is iron, cobalt, nickel, copper, zinc (Zn), aluminum, tin (Sn), chromium, vanadium, titanium, magnesium (Mg), calcium (Ca), strontium (Sr), boron (B). , Gallium (Ga), indium (In), silicon (Si), and germanium (Ge) represent at least one kind, and the values of x and y are 0.9 ≦ x and 0.01 ≦ y ≦, respectively. 0.5. Examples of the lithium composite oxide containing nickel include those represented by the chemical formula LiNi 1-z M2 z O 2 . In the formula, M2 represents at least one selected from the group consisting of iron, cobalt, manganese, copper, zinc, aluminum, tin, chromium, vanadium, titanium, magnesium, calcium, strontium, boron, gallium, indium, silicon, and germanium. , Z is 0.01 ≦ z ≦ 0.5. Specific examples of such a lithium composite oxide include LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMn 2 O 4 , LiNi 0.5 Co 0.5 O 2, LiNi 0.5 Co 0.3 Mn 0.2 O 2, and the like.
また、リチウムリン酸化合物としては、例えばLiFePO4 あるいはLiFe0.5 Mn0.5 PO4 が挙げられる。 Examples of the lithium phosphate compound include LiFePO 4 or LiFe 0.5 Mn 0.5 PO 4 .
負極22は、正極21と同様に、例えば、対向する一対の面を有する集電体22Aと、集電体22Aの両面あるいは片面に設けられた活物質層22Bとを有している。集電体22Aは、例えば、銅,ニッケルあるいはステンレスなどにより構成されている。
Similarly to the
活物質層22Bは、例えば、負極活物質としてリチウムを吸蔵および離脱することが可能な負極材料(以下、リチウムを吸蔵・離脱可能な負極材料という。)のいずれか1種または2種以上を含んでおり、必要に応じて正極21と同様の結着剤を含んでいてもよい。リチウムを吸蔵・離脱可能な負極材料としては、炭素材料,金属酸化物あるいは高分子材料などが挙げられる。炭素材料としては、人造黒鉛,天然黒鉛,易黒鉛化性炭素,コークス類,グラファイト類,ガラス状炭素類,有機高分子化合物焼結体,炭素繊維,活性炭,カーボンブラック類あるいは難黒鉛化性炭素などが挙げられる。コークス類としては、ピッチコークス,ニードルコークス,石油コークスなどが挙げられる。なお、有機高分子化合物焼結体とは、フェノール類やフラン類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をいう。また、金属酸化物としては、酸化鉄,酸化ルテニウム,酸化モリブデン,酸化スズあるいは酸化タングステンなどが挙げられ、高分子材料としては、ポリアセチレンあるいはポリピロールなどが挙げられる。
The
リチウムを吸蔵・離脱可能な負極材料としては、また、リチウムと合金を形成可能な金属元素あるいは半金属元素の単体,合金または化合物が挙げられる。この場合、炭素材料などの導電剤と共に用いることが好ましい。なお、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。 Examples of the negative electrode material capable of inserting and extracting lithium include simple elements, alloys, and compounds of metal elements or metalloid elements capable of forming an alloy with lithium. In this case, it is preferable to use it together with a conductive agent such as a carbon material. In addition to the alloy composed of two or more metal elements, the alloy includes an alloy composed of one or more metal elements and one or more metalloid elements. Some of the structures include a solid solution, a eutectic (eutectic mixture), an intermetallic compound, or two or more of them.
リチウムと合金を形成可能な金属元素あるいは半金属元素としては、例えば、マグネシウム,ホウ素,ヒ素(As),アルミニウム,ガリウム,インジウム,ケイ素,ゲルマニウム,スズ,鉛(Pb),アンチモン(Sb),ビスマス(Bi),カドミウム(Cd),銀(Ag),亜鉛,ハフニウム(Hf),ジルコニウム(Zr),イットリウム(Y),パラジウム(Pd)あるいは白金(Pt)が挙げられる。これらの合金あるいは化合物としては、例えば化学式Ds Et Liu で表されるものが挙げられる。この化学式において、Dはリチウムと合金を形成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、EはリチウムおよびD以外の元素のうちの少なくとも1種を表す。s、tおよびuの値はそれぞれs>0、t≧0、u≧0である。 Examples of metal elements or metalloid elements capable of forming an alloy with lithium include magnesium, boron, arsenic (As), aluminum, gallium, indium, silicon, germanium, tin, lead (Pb), antimony (Sb), and bismuth. (Bi), cadmium (Cd), silver (Ag), zinc, hafnium (Hf), zirconium (Zr), yttrium (Y), palladium (Pd), or platinum (Pt). Examples of these alloys or compounds include those represented by the chemical formula D s E t Li u . In this chemical formula, D represents at least one of a metal element and a metalloid element capable of forming an alloy with lithium, and E represents at least one of elements other than lithium and D. The values of s, t, and u are s> 0, t ≧ 0, and u ≧ 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、合金または化合物が好ましく、より好ましいのはケイ素あるいはスズ、またはこれらの合金あるいは化合物、特に好ましいのはケイ素またはこれらの合金あるいは化合物である。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 simple substance, alloy or compound of a
このような合金あるいは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 ,ZnSi2 ,SiC,Si3 N4 ,Si2 N2 O,SiOv (0<v≦2),SnOw (0<w≦2),SnSiO3 ,LiSiOあるいはLiSnOなどがある。 Specific examples of such alloys or 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 , WSi 2 , ZnSi 2 , SiC, Si 3 N 4 , Si 2 N 2 O, SiO v (0 <v ≦ 2), SnO w (0 <w ≦ 2), SnSiO 3 , LiSiO, or LiSnO.
この二次電池では、また、正極21は、活物質層21Bが設けられていない露出領域21Cと、活物質層21Bが集電体21Aの外面側のみに設けられた外面活物質領域21Dと、活物質層21Bが集電体21Aの両面に設けられた両面活物質領域21Eとを有しており、負極22は、活物質層22Bが設けられていない露出領域22Cと、活物質層22Bが集電体22Aの外面側のみに設けられた外面活物質領域22Dと、活物質層22Bが集電体22Aの両面に設けられた両面活物質領域22Eとを有している。正極21の露出領域21Cは、巻回中心側に2周以上、巻回外周側に1周以上設けられており、負極22の露出領域22Cは、巻回中心側および巻回外周側のそれぞれに1周以上設けられている。放熱性を向上させると共に、電池の外部から圧力が加わった場合に、電池の巻回中心側と巻回外周側とで選択的に短絡を生じさせて熱拡散を促進し、安全性を向上させるためである。特に、巻回中心側に露出領域21Cを露出領域22Cよりも1周以上設けるのは、正極21の内側に負極22があると正極リード25の溶接痕がセパレータ23を突き破り短絡してしまう可能性があるからである。また、外面活物質領域21Dは巻回中心側に1周近く設けられ、外面活物質領域22Dは巻回中心側に設けられている。
In this secondary battery, the
なお、図3に示したように、正極21は、露出領域21Cを巻回中心側に1周以上有していれば2周以下でもよく、負極22は、露出領域22Cを巻回中心側に1周以上有している必要はない。また、正極21は、集電体21Aの内面側のみに活物質層21Bが設けられた内面活物質領域21Fを巻回外周側に有し、負極22の巻回外周側に設けられた露出領域22Cと対向するように配置されていてもよい。この場合も、放熱性が十分に向上し安全性を確保することができるからである。なお、図3においてはセパレータ23を省略している。
As shown in FIG. 3, the
セパレータ23は、例えばポリプロピレンあるいはポリエチレンなどのポリオレフィン系の材料よりなる多孔質膜、またはセラミック製の不織布などの無機材料よりなる多孔質膜により構成されており、これら2種以上の多孔質膜を積層した構造とされていてもよい。 The separator 23 is made of, for example, a porous film made of a polyolefin-based material such as polypropylene or polyethylene, or a porous film made of an inorganic material such as a ceramic nonwoven fabric, and these two or more kinds of porous films are laminated. It may be made the structure.
セパレータ23には本実施の形態に係る電解液が含浸されている。 The separator 23 is impregnated with the electrolytic solution according to the present embodiment.
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、リチウムを吸蔵・離脱可能な正極材料と、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−ピロリドンなどの溶剤に分散させて正極合剤スラリーとする。次いで、この正極合剤スラリーを集電体21Aに塗布し溶剤を乾燥させたのち、圧縮成型して活物質層21Bを形成し、正極21を作製する。
First, for example, a positive electrode material capable of inserting and extracting lithium, a conductive agent, and a binder are mixed to prepare a positive electrode mixture, and this positive electrode mixture is mixed with a solvent such as N-methyl-2-pyrrolidone. Disperse to obtain a positive electrode mixture slurry. Next, the positive electrode mixture slurry is applied to the
また、例えば、リチウムを吸蔵・離脱可能な負極材料と、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−ピロリドンなどの溶剤に分散させて負極合剤スラリーとする。次いで、この負極合剤スラリーを集電体22Aに塗布し溶剤を乾燥させたのち、圧縮成型して活物質層22Bを形成し、負極22を作製する。
Further, for example, a negative electrode material capable of inserting and extracting lithium and a binder are mixed to prepare a negative electrode mixture, and the negative electrode mixture is dispersed in a solvent such as N-methyl-2-pyrrolidone to form a negative electrode A mixture slurry is obtained. Next, this negative electrode mixture slurry is applied to the
続いて、集電体21Aに正極リード25を溶接などにより取り付けると共に、集電体22Aに負極リード26を溶接などにより取り付ける。そののち、正極21と負極22とをセパレータ23を介して積層して巻回し、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に溶接して、巻回した正極21および負極22を一対の絶縁板12,13で挟み電池缶11の内部に収納する。正極21および負極22を電池缶11の内部に収納したのち、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、図1に示した二次電池が完成する。
Subsequently, the
この二次電池では、充電を行うと、例えば、正極21からリチウムイオンが離脱し、電解液を介して負極22に吸蔵される。一方、放電を行うと、例えば、負極22からリチウムイオンが離脱し、電解液を介して正極21に吸蔵される。ここでは、電解液がエチレンオキサイドあるいはその誘導体を含んでいるので、負極22の表面にはイオン伝導性を有する被膜が形成され、内部抵抗の上昇が抑えられると共に、溶媒の分解反応が抑制される。
In this secondary battery, when charged, for example, lithium ions are released from the
このように本実施の形態では、電解液にエチレンオキサイドおよびその誘導体のうちの少なくとも一方を含むようにしたので、負極22の表面にイオン伝導性を有する被膜を形成することができる。よって、内部抵抗の上昇を抑えつつ、負極22における溶媒の分解反応を抑制することができ、サイクル特性を向上させることができる。
As described above, in the present embodiment, since the electrolytic solution contains at least one of ethylene oxide and its derivative, a film having ion conductivity can be formed on the surface of the
特に、電解液におけるエチレンオキサイドおよびその誘導体の含有量を、0.01質量%以上10質量%以下にすれば効果的である。 In particular, it is effective if the content of ethylene oxide and its derivative in the electrolytic solution is 0.01% by mass or more and 10% by mass or less.
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1−1〜1−4,2−1〜2−4,3−1〜3−4,4−1〜4−4,5−1〜5−4)
実施の形態において説明した二次電池を作製した。その際、電極巻回体20の構造は図3に示したものとし、電解液には、エチレンカーボネートとジメチルカーボネートとの体積比が2:8の混合溶媒と、添加物である化2〜化6に示した化合物のいずれかと、電解質塩であるLiPF6 とを混合したものを用いた。添加物の添加量は表1に示したように0.01質量%〜15質量%の範囲で変化させ、電解質塩の添加量は1mol/lとした。これらは電解液に対する濃度である。また、正極材料としては、活物質としてのLiCoO2 と、導電剤としてのケッチェンブラックと、結着剤としてのポリフッ化ビニリデンとを質量比が93:3:4になるようにして用いた。更に、負極材料としては、活物質としての平均粒子径が15μmのグラファイトと、結着剤としてのポリフッ化ビニリデンとを質量比が94:6になるようにして用いた。加えて、セパレータ23として、厚み30μmの微孔性ポリプロピレンフィルムを用いた。
(Examples 1-1 to 1-4, 2-1 to 2-4, 3-1 to 3-4, 4-1 to 4-4, 5-1 to 5-4)
The secondary battery described in the embodiment was manufactured. At that time, the structure of the
また、本実施例に対する比較例1として、添加物を用いなかったことを除き、他は実施例1−1〜1−4,2−1〜2−4,3−1〜3−4,4−1〜4−4,5−1〜5−4と同様にして二次電池を作製した。 Moreover, as Comparative Example 1 with respect to the present example, except that no additive was used, other examples 1-1 to 1-4, 2-1 to 2-4, 3-1 to 3-4, 4 were used. Secondary batteries were fabricated in the same manner as in -1 to 4-4 and 5-1 to 5-4.
作製した実施例1−1〜1−4,2−1〜2−4,3−1〜3−4,4−1〜4−4,5−1〜5−4および比較例1の二次電池について、サイクル特性を調べた。 Secondary of the produced Examples 1-1 to 1-4, 2-1 to 2-4, 3-1 to 3-4, 4-1 to 4-4, 5-1 to 5-4 and Comparative Example 1 The cycle characteristics of the battery were examined.
なお、サイクル特性は、最初の充放電において得られた放電容量(以下、初回容量という)に対する300サイクル目の放電容量の比率として容量保持率を求めることにより行った。充放電は、23℃において電池電圧を4.2Vに設定して1Cの定電流で4時間充電を行ったのち、1Cの定電流で電池電圧が2.5Vに達するまで放電を行った。なお、1Cとは初回容量を1時間で放電しきる電流値をいう。得られた結果を表1に示す。 The cycle characteristics were determined by determining the capacity retention rate as the ratio of the discharge capacity at the 300th cycle to the discharge capacity obtained in the first charge / discharge (hereinafter referred to as initial capacity). Charging / discharging was performed at 23 ° C. with a battery voltage set to 4.2 V and charged at a constant current of 1 C for 4 hours, and then discharged at a constant current of 1 C until the battery voltage reached 2.5 V. In addition, 1C means a current value at which the initial capacity can be discharged in one hour. The obtained results are shown in Table 1.
表1から分かるように、エチレンオキサイドおよびその誘導体のうちの一方を添加物として添加した実施例1−1〜1−4,2−1〜2−4,3−1〜3−4,4−1〜4−4,5−1〜5−4によれば、添加していない比較例1よりもサイクル特性が向上した。更に、添加物の添加量が0.01質量%〜10質量%である実施例1−1〜1−3,2−1〜2−3,3−1〜3−3,4−1〜4−3,5−1〜5−3によれば、15質量%である実施例1−4,2−4,3−4,4−4,5−4よりもサイクル特性が向上した。 As can be seen from Table 1, Examples 1-1 to 1-4, 2-1 to 2-4, 3-1 to 3-4, 4- in which one of ethylene oxide and its derivatives was added as an additive. According to 1-4-4, 5-1 to 5-4, the cycle characteristics were improved as compared with Comparative Example 1 in which no addition was made. Furthermore, Examples 1-1 to 1-3, 2-1 to 2-3, 3-1 to 3-3, 4-1 to 4 in which the additive amount is 0.01% by mass to 10% by mass. According to −3, 5-1 to 5-3, the cycle characteristics were improved as compared with Examples 1-4, 2-4, 3-4, 4-4 and 5-4, which were 15% by mass.
すなわち、添加物としてエチレンオキサイドおよびその誘導体のうちの少なくとも一方を添加すれば、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。特に、添加物の添加量を電解液に対して0.01質量%以上10質量%以下にすれば効果的であることが分かった。 That is, it was found that the cycle characteristics can be improved by adding at least one of ethylene oxide and its derivatives as an additive. In particular, it has been found that it is effective if the additive amount is 0.01% by mass or more and 10% by mass or less with respect to the electrolytic solution.
(実施例6−1〜6−4)
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体積比が2:8の混合溶媒を用いたことを除き、他は実施例1−1〜1−4と同様にして実施例6−1〜6−4の二次電池を作製した。作製した二次電池についても、実施例1−1〜1−4と同様にして充放電を行い、300サイクル目の容量保持率を求めた。得られた結果を表2に示す。
(Examples 6-1 to 6-4)
Except that a mixed solvent having a volume ratio of ethylene carbonate to ethyl methyl carbonate of 2: 8 was used, the other procedures of Examples 6-1 to 6-4 were carried out in the same manner as in Examples 1-1 to 1-4. A secondary battery was produced. The produced secondary battery was also charged and discharged in the same manner as in Examples 1-1 to 1-4, and the capacity retention rate at the 300th cycle was obtained. The obtained results are shown in Table 2.
本実施例に対する比較例2として、添加物を用いなかったことを除き、他は実施例6−1〜6−4と同様にして二次電池を作製した。この二次電池についても実施例1−1〜1−4と同様にしてサイクル特性を調べた。結果を実施例1−1〜1−4の結果と共に表2に示す。 As Comparative Example 2 for this example, a secondary battery was fabricated in the same manner as in Examples 6-1 to 6-4, except that no additive was used. The cycle characteristics of this secondary battery were examined in the same manner as in Examples 1-1 to 1-4. The results are shown in Table 2 together with the results of Examples 1-1 to 1-4.
表2から分かるように、実施例1−1〜1−4と同様に、エチレンオキサイドおよびその誘導体のうちの一方を添加物として添加した実施例6−1〜6−4によれば、添加していない比較例2よりもサイクル特性が向上した。また、添加物の添加量が0.01質量%以上10質量%以下である実施例6−1〜6−3によれば、15質量%である実施例6−4よりもサイクル特性が向上した。すなわち、エチレンオキサイドおよびその誘導体のうちの少なくとも一方を含むようにすれば、溶媒の種類に関係なく、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。特に、添加物の添加量を電解液に対して0.01質量%以上10質量%以下にすれば効果的であることが分かった。 As can be seen from Table 2, as in Examples 1-1 to 1-4, according to Examples 6-1 to 6-4 in which one of ethylene oxide and its derivatives was added as an additive, The cycle characteristics were improved as compared with Comparative Example 2 which was not. In addition, according to Examples 6-1 to 6-3 in which the additive was added in an amount of 0.01% by mass or more and 10% by mass or less, the cycle characteristics were improved as compared with Example 6-4 being 15% by mass. . That is, it was found that if at least one of ethylene oxide and its derivative was included, cycle characteristics could be improved regardless of the type of solvent. In particular, it has been found that it is effective if the additive amount is 0.01% by mass or more and 10% by mass or less with respect to the electrolytic solution.
(実施例7−1〜7−4)
負極活物質としてのスズおよび銅の合金粉末と、導電剤としてのグラファイト(ロンザ製KS−15)と、アセチレンブラックと、結着剤としてのポリフッ化ビニリデンとの質量比が80:11:1:8である負極材料を用い、正極活物質としてのLiCoO2 と、導電剤としてのグラファイト(ロンザ製KS−15)と、結着剤としてのポリフッ化ビニリデンとの質量比が91:6:3である正極材料を用い、更に、集電体21Aとしてアルミニウム箔を、集電体22Aとして銅箔を用いたことを除き、他は実施例1−1〜1−4と同様にして実施例7−1〜7−4の二次電池を作製した。作製した二次電池についても、実施例1〜1〜1−4と同様にして充放電を行い、300サイクル目の容量保持率を求めた。得られた結果を表3に示す。なお、合金粉末はスズ粉末90gと銅粉末10gとを混合し、石英ボート上に配置したのち、アルゴン雰囲気中において1000℃で加熱し、更に室温まで冷却して得られた塊を、アルゴン雰囲気中でボールミルにより粉砕したものを用いた。
(Examples 7-1 to 7-4)
The mass ratio of an alloy powder of tin and copper as the negative electrode active material, graphite (LS-15 manufactured by Lonza), acetylene black, and polyvinylidene fluoride as the binder is 80: 11: 1: 8 using a negative electrode material having a mass ratio of 91: 6: 3 between LiCoO 2 as a positive electrode active material, graphite (KS-15 manufactured by Lonza) as a conductive agent, and polyvinylidene fluoride as a binder. Example 7- is the same as Example 1-1 to 1-4 except that a certain positive electrode material was used, an aluminum foil was used as the
本実施例に対する比較例3として、添加物を用いなかったことを除き、他は実施例7−1〜7−4と同様にして二次電池を作製した。この二次電池についても実施例1ー1〜1−4と同様にしてサイクル特性を調べた。結果を表3に示す。 As Comparative Example 3 for this example, a secondary battery was fabricated in the same manner as in Examples 7-1 to 7-4 except that no additive was used. The cycle characteristics of this secondary battery were examined in the same manner as in Examples 1-1 to 1-4. The results are shown in Table 3.
表3から分かるように、実施例1−1〜1−4と同様に、エチレンオキサイドおよびその誘導体のうちの一方を添加物として添加した実施例7−1〜7−4によれば、添加していない比較例3よりもサイクル特性が向上した。また、添加物の添加量が0.01質量%以上10質量%以下である実施例7−1〜7−3によれば、15質量%である実施例7−4よりもサイクル特性が向上した。 As can be seen from Table 3, according to Examples 7-1 to 7-4 in which one of ethylene oxide and its derivatives was added as an additive, similar to Examples 1-1 to 1-4, The cycle characteristics were improved as compared with Comparative Example 3 which was not. In addition, according to Examples 7-1 to 7-3 in which the additive amount is 0.01% by mass or more and 10% by mass or less, the cycle characteristics are improved as compared with Example 7-4 which is 15% by mass. .
すなわち、負極活物質としてリチウムと合金を形成可能な金属元素あるいは半金属元素の単体,合金または化合物を用いた場合においても、エチレンオキサイドおよびエチレンオキサイド誘導体のうち少なくともいずれか一方を含むようにすれば、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。特に、添加物の添加量を電解液に対して0.01質量%以上10質量%にすれば効果的であることが分かった。 That is, even when a single element, alloy, or compound of a metal element or a metalloid element capable of forming an alloy with lithium is used as the negative electrode active material, it is preferable to include at least one of ethylene oxide and an ethylene oxide derivative. It was found that the cycle characteristics can be improved. In particular, it has been found that it is effective if the additive amount is 0.01% by mass or more and 10% by mass with respect to the electrolytic solution.
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、本発明は上記実施の形態および実施例に限定されるものではなく、種々変形可能である。例えば、上記実施の形態および実施例では、液状の電解質である電解液を用いる場合について説明したが、電解液を含む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、電解液を高分子化合物に保持させたゲル状の電解質、イオン伝導性を有する固体電解質と電解液とを混合したもの、あるいは固体電解質とゲル状の電解質とを混合したものが挙げられる。 Although the present invention has been described with reference to the embodiments and examples, the present invention is not limited to the above embodiments and examples, and various modifications can be made. For example, in the above-described embodiments and examples, the case where an electrolytic solution that is a liquid electrolyte is used has been described, but other electrolytes including an electrolytic solution may be used. Other electrolytes include, for example, a gel electrolyte in which an electrolyte is held in a polymer compound, a mixture of a solid electrolyte having ionic conductivity and an electrolyte, or a mixture of a solid electrolyte and a gel electrolyte The thing which was done is mentioned.
なお、ゲル状の電解質には電解液を吸収してゲル化するものであれば種々の高分子化合物を用いることができる。そのような高分子化合物としては、例えば、ポリビニリデンフルオロライドあるいはビニリデンフルオライド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。 Note that various polymer compounds can be used for the gel electrolyte as long as it absorbs the electrolyte and gels. Examples of such a polymer compound include a fluorine-based polymer compound such as polyvinylidene fluoride or a copolymer of vinylidene fluoride and hexafluoropropylene, an ether-based polymer such as polyethylene oxide or a crosslinked product containing polyethylene oxide. A molecular compound, polyacrylonitrile, etc. are mentioned. In particular, a fluorine-based polymer compound is desirable from the viewpoint of redox stability.
固体電解質には、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、または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無機固体電解質を用いることができる。このとき、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 As the solid electrolyte, for example, a polymer solid electrolyte in which an electrolyte salt is dispersed in a polymer compound having ion conductivity, or an inorganic solid electrolyte made of ion conductive glass or ionic crystals can be used. At this time, as the polymer compound, for example, an ether polymer compound such as polyethylene oxide or a crosslinked product containing polyethylene oxide, an ester polymer compound such as polymethacrylate, an acrylate polymer compound alone or mixed, Alternatively, it can be used after copolymerization. Further, as the inorganic solid electrolyte, lithium nitride or lithium iodide can be used.
また、上記実施の形態および実施例では、電極巻回体20の構造を具体的に例を挙げて説明したが、本発明は他の巻回構造とした場合にも適用することができる。また、本発明は、巻回構造を有する楕円型あるいは多角形型の二次電池、または正極および負極を折り畳んだりあるいは積み重ねた構造を有する二次電池についても同様に適用することができる。更に、いわゆるコイン型,ボタン型あるいはカード型などの二次電池についても適用することができる。加えて、二次電池に限らず、一次電池についても適用することができる。
Moreover, in the said embodiment and Example, although the structure of the
更に、本実施の形態および実施例では、正極活物質としてリチウム複合酸化物を用いる場合について説明したが、リチウム以外のアルカリ金属と遷移金属とを含むカルコゲン化合物、特に、リチウム以外のアルカリ金属と遷移金属とを含む酸化物を用いてもよい。これらの化合物の結晶構造としては、例えば層状化合物あるいはスピネル型化合物が挙げられる。層状化合物としては、例えば化学式Aq M31-r M4r O2 で表される化合物が挙げられる。式中、Aはナトリウムまたはカリウムを表し、M3は、鉄、コバルト、ニッケル、マンガン、銅、亜鉛、クロム、バナジウムおよびチタンからなる群のうち少なくとも1種を表し、M4は、鉄、コバルト、マンガン、銅、亜鉛、アルミニウム、スズ、ホウ素、ガリウム、クロム、バナジウム、チタン、マグネシウム、カルシウムおよびストロンチウムからなる群のうち少なくとも1種を表し、qおよびrの値はそれぞれ0.5≦q≦1.1、0<r<1である。 Further, in the present embodiment and examples, the case where a lithium composite oxide is used as a positive electrode active material has been described. An oxide containing a metal may be used. Examples of the crystal structure of these compounds include layered compounds and spinel compounds. Examples of the layered compound include a compound represented by the chemical formula A q M3 1-r M4 r O 2 . In the formula, A represents sodium or potassium, M3 represents at least one selected from the group consisting of iron, cobalt, nickel, manganese, copper, zinc, chromium, vanadium, and titanium, and M4 represents iron, cobalt, manganese. , Copper, zinc, aluminum, tin, boron, gallium, chromium, vanadium, titanium, magnesium, calcium and strontium, and q and r have values of 0.5 ≦ q ≦ 1. 1, 0 <r <1.
11…電池缶、12,13…絶縁板、14…電池蓋、15…安全弁機構、16…熱感抵抗素子、17…ガスケット、20…電極巻回体、21…正極、21A,22A…集電体、21B,22B…活物質層、21C,22C…露出領域、21D,22D…外面活物質領域、21E,22E…両面活物質領域、21F…内面活物質領域、22…負極、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, 16 ... Heat sensitive resistance element, 17 ... Gasket, 20 ... Electrode winding body, 21 ... Positive electrode, 21A, 22A ... Current collection Body, 21B, 22B ... active material layer, 21C, 22C ... exposed region, 21D, 22D ... outer surface active material region, 21E, 22E ... double-sided active material region, 21F ... inner surface active material region, 22 ... negative electrode, 23 ... separator, 24 ... Center pin, 25 ... Positive electrode lead, 26 ... Negative electrode lead.
Claims (6)
前記電解液は、エチレンオキサイドおよびその誘導体のうちの少なくとも一方を含むことを特徴とする電池。 A battery comprising an electrolyte solution together with a positive electrode and a negative electrode,
The battery, wherein the electrolytic solution contains at least one of ethylene oxide and a derivative thereof.
5. The battery according to claim 4, wherein the content of ethylene oxide and its derivative in the electrolytic solution is 0.01% by mass or more and 10% by mass or less.
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US9912367B2 (en) | 2014-10-17 | 2018-03-06 | Xiaomi Inc. | Electronic device and method for using the same |
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- 2004-04-09 JP JP2004115896A patent/JP2005302492A/en active Pending
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