JP2006221972A - Electrolyte and battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、酸化を防止する添加剤を添加した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 to which an additive for preventing oxidation 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、例えばリチウム二次電池が知られている。 In recent years, many portable electronic devices such as notebook 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 secondary battery is known.
このリチウム二次電池では、正極における強力な酸化作用により、電解液が分解してしまう。そこで、電解液の分解反応を抑制してサイクル特性などの電池特性を向上させるために、電解液に酸化防止剤を添加することが提案されている(例えば、特許文献1〜4参照)。
しかしながら、電池電圧を高くすることにより放電容量の向上を図る場合、正極における酸化作用はより強力になるので、上述した酸化防止剤を添加した電解液では十分なサイクル特性を得ることができなかった。 However, when the discharge capacity is improved by increasing the battery voltage, the oxidation action at the positive electrode becomes stronger, so that sufficient cycle characteristics could not be obtained with the electrolyte added with the above-described antioxidant. .
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、耐酸化性を向上させることにより、電池電圧を高くしても、優れたサイクル特性を得ることができる電解液およびそれを用いた電池を提供することにある。 The present invention has been made in view of such a problem, and an object thereof is to improve the oxidation resistance, and to use an electrolytic solution capable of obtaining excellent cycle characteristics even when the battery voltage is increased. It is to provide a battery that has been.
本発明による電解液は、化1に示したリン酸エステルを含むものである。 The electrolytic solution according to the present invention contains the phosphate ester shown in Chemical formula 1.
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、化2に示したリン酸エステルを含むものである。 The battery according to the present invention includes an electrolyte solution together with a positive electrode and a negative electrode, and the electrolyte solution contains a phosphate ester shown in Chemical Formula 2.
本発明の電解液および電池によれば、化1あるいは化2に示したリン酸エステルを含むようにしたので、例えば、電池電圧を4.25V以上の高電圧としても、正極における電解液の分解反応を抑制することができ、優れたサイクル特性を得ることができる。 According to the electrolytic solution and the battery of the present invention, since the phosphate ester shown in Chemical Formula 1 or Chemical Formula 2 is included, for example, even when the battery voltage is set to a high voltage of 4.25 V or higher, the electrolytic solution is decomposed at the positive electrode. The reaction can be suppressed, and excellent cycle characteristics can be obtained.
特に、電解液におけるリン酸エステルの含有量を20質量%以下にするようにすれば、より高い効果を得ることができる。 In particular, if the content of the phosphate ester in the electrolytic solution is 20% by mass or less, a higher effect can be obtained.
更に、電解液に炭酸ビニレンを含むようにすれば、サイクル特性をより向上させることができ、特に、電解液における炭酸ビニレンの含有量を10質量%以下にするようにすれば、更に高い効果を得ることができる。 Furthermore, if the electrolytic solution contains vinylene carbonate, the cycle characteristics can be further improved. In particular, if the content of vinylene carbonate in the electrolytic solution is 10% by mass or less, a higher effect can be obtained. Obtainable.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は、本実施の形態に係る二次電池の断面構成を表すものである。この二次電池は、いわゆる円筒型といわれるものであり、ほぼ中空円柱状の電池缶11の内部に、帯状の正極21と負極22とがセパレータ23を介して積層し巻回された巻回電極体20を有している。電池缶11は、例えばニッケル(Ni)のめっきがされた鉄(Fe)により構成されており、一端部が閉鎖され他端部が開放されている。電池缶11の内部には、巻回電極体20を挟むように巻回周面に対して垂直に一対の絶縁板12, 13がそれぞれ配置されている。
FIG. 1 illustrates a cross-sectional configuration of the secondary battery according to the present embodiment. This secondary battery is a so-called cylindrical type, and is a wound electrode in which a strip-like
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と巻回電極体20との電気的接続を切断するようになっている。熱感抵抗素子16は、温度が上昇すると抵抗値の増大により電流を制限し、大電流による異常な発熱を防止するものである。ガスケット17は、例えば、絶縁材料により構成されており、表面にはアスファルトが塗布されている。
At the open end of the battery can 11, a
巻回電極体20の中心には例えばセンターピン24が挿入されている。巻回電極体20の正極21にはアルミニウム(Al)などよりなる正極リード25が接続されており、負極22にはニッケルなどよりなる負極リード26が接続されている。正極リード25は安全弁機構15に溶接されることにより電池蓋14と電気的に接続されており、負極リード26は電池缶11に溶接され電気的に接続されている。
For example, a center pin 24 is inserted in the center of the
図2は図1に示した巻回電極体20の一部を拡大して表すものである。正極21は、例えば、対向する一対の面を有する正極集電体21Aの両面または片面に正極活物質層21Bが設けられた構造を有している。正極集電体21Aは、例えば、アルミニウム箔などの金属材料により構成されている。
FIG. 2 shows an enlarged part of the spirally
正極活物質層21Bは、例えば、正極活物質として、電極反応物質であるリチウムを吸蔵および放出可能な正極材料のいずれか1種または2種以上を含んでおり、必要に応じてグラファイトなどの導電材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。リチウムを吸蔵および放出することが可能な正極材料としては、例えば、リチウム酸化物,リチウム硫化物あるいはリチウムを含む層間化合物などのリチウム含有化合物が適当であり、これらの2種以上を混合して用いてもよい。エネルギー密度を高くするには、リチウムと遷移金属元素と酸素(O)とを含むリチウム含有化合物が好ましく、中でも、遷移金属元素として、コバルト(Co),ニッケル,マンガン(Mn)および鉄からなる群のうちの少なくとも1種を含むものであればより好ましい。具体的には、Lif CoO2 (f≒1)、Lig NiO2 (g≒1)、Lih Nij Co1-j O2 (h≒1,0<j<1)、スピネル構造を有するLik Mn2 O4 (k≒1)、あるいはオリビン構造を有するLim FePO4 (m≒1)などがある。
The positive electrode
負極22は、例えば、対向する一対の面を有する負極集電体22Aの両面または片面に負極活物質層22Bが設けられた構造を有している。負極集電体22Bは、例えば、銅箔などの金属材料により構成されている。
The
負極活物質層22Bは、例えば、負極活物質として、電極反応物質であるリチウムを吸蔵および放出可能な負極材料のいずれか1種または2種以上を含んでおり、必要に応じてポリフッ化ビニリデンなどの結着剤を含んでいてもよい。
The negative electrode
リチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料としては、例えば、難黒鉛化性炭素,易黒鉛化性炭素,黒鉛,熱分解炭素類,コークス類,ガラス状炭素類,有機高分子化合物焼成体,炭素繊維あるいは活性炭などの炭素材料が挙げられる。このうち、コークス類には、ピッチコークス,ニードルコークスあるいは石油コークスなどがある。有機高分子化合物焼成体というのは、フェノール樹脂やフラン樹脂等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い、一部には難黒鉛化性炭素または易黒鉛化性炭素に分類されるものもある。これら炭素材料は、充放電時に生じる結晶構造の変化が非常に少なく、高い充放電容量を得ることができると共に、良好なサイクル特性を得ることができるので好ましい。特に黒鉛は、電気化学当量が大きく、高いエネルギー密度を得ることができ好ましい。また、難黒鉛化性炭素は、優れたサイクル特性が得られるので好ましい。更にまた、充放電電位が低いもの、具体的には充放電電位がリチウム金属に近いものが、電池の高エネルギー密度化を容易に実現することができるので好ましい。 Examples of the negative electrode material capable of inserting and extracting lithium include non-graphitizable carbon, graphitizable carbon, graphite, pyrolytic carbons, cokes, glassy carbons, and fired organic polymer compounds , Carbon materials such as carbon fiber or activated carbon. Among these, examples of coke include pitch coke, needle coke, and petroleum coke. An organic polymer compound fired body is a carbonized material obtained by firing a polymer material such as a phenol resin or a furan resin at an appropriate temperature, and part of it is non-graphitizable carbon or graphitizable carbon. Some are classified as: These carbon materials are preferable because the change in crystal structure that occurs during charge and discharge is very small, a high charge and discharge capacity can be obtained, and good cycle characteristics can be obtained. In particular, graphite is preferable because it has a high electrochemical equivalent and can provide a high energy density. Further, non-graphitizable carbon is preferable because excellent cycle characteristics can be obtained. Furthermore, those having a low charge / discharge potential, specifically, those having a charge / discharge potential close to that of lithium metal are preferable because a high energy density of the battery can be easily realized.
リチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料としては、また、リチウムを吸蔵および放出することが可能であり、金属元素および半金属元素のうちの少なくとも1種を構成元素として含む材料も挙げられる。このような材料を用いれば、高いエネルギー密度を得ることができるからである。特に、炭素材料と共に用いるようにすれば、高エネルギー密度を得ることができると共に、優れたサイクル特性を得ることができるのでより好ましい。この負極材料は金属元素あるいは半金属元素の単体でも合金でも化合物でもよく、またこれらの1種または2種以上の相を少なくとも一部に有するようなものでもよい。なお、本発明において、合金には2種以上の金属元素からなるものに加えて、1種以上の金属元素と1種以上の半金属元素とを含むものも含める。また、非金属元素を含んでいてもよい。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 materials capable of inserting and extracting lithium and containing at least one of a metal element and a metalloid element as a constituent element. . This is because a high energy density can be obtained by using such a material. In particular, the use with a carbon material is more preferable because a high energy density can be obtained and excellent cycle characteristics can be obtained. The negative electrode material may be a single element, alloy or compound of a metal element or metalloid element, or may have at least a part of one or more of these phases. In the present invention, alloys include those containing one or more metal elements and one or more metalloid elements in addition to those composed of two or more metal elements. Moreover, the nonmetallic element may be included. There are structures in which a solid solution, a eutectic (eutectic mixture), an intermetallic compound, or two or more of them coexist.
この負極材料を構成する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(Mg),ホウ素(B),アルミニウム,ガリウム(Ga),インジウム(In),ケイ素(Si),ゲルマニウム(Ge),スズ(Sn),鉛(Pb),ビスマス(Bi),カドミウム(Cd),銀(Ag),亜鉛(Zn),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。これらは結晶質のものでもアモルファスのものでもよい。 Examples of metal elements or metalloid elements constituting the negative electrode material include magnesium (Mg), boron (B), aluminum, gallium (Ga), indium (In), silicon (Si), germanium (Ge), tin ( Sn), lead (Pb), bismuth (Bi), cadmium (Cd), silver (Ag), zinc (Zn), hafnium (Hf), zirconium (Zr), yttrium (Y), palladium (Pd) or platinum ( Pt). These may be crystalline or amorphous.
中でも、この負極材料としては、短周期型周期表における4B族の金属元素あるいは半金属元素を構成元素として含むものが好ましく、特に好ましいのはケイ素およびスズの少なくとも一方を構成元素として含むものである。ケイ素およびスズは、リチウムを吸蔵および放出する能力が大きく、高いエネルギー密度を得ることができるからである。 Among these, as the negative electrode material, a material containing a 4B group metal element or a semimetal element in the short-period type periodic table as a constituent element is preferable, and at least one of silicon and tin is particularly preferable as a constituent element. This is because silicon and tin have a large ability to occlude and release lithium, and a high energy density can be obtained.
スズの合金としては、例えば、スズ以外の第2の構成元素として、ケイ素,ニッケル,銅,鉄,コバルト,マンガン,亜鉛,インジウム,銀,チタン(Ti),ゲルマニウム,ビスマス,アンチモン(Sb),およびクロム(Cr)からなる群のうちの少なくとも1種を含むものが挙げられる。ケイ素の合金としては、例えば、ケイ素以外の第2の構成元素として、スズ,ニッケル,銅,鉄,コバルト,マンガン,亜鉛,インジウム,銀,チタン,ゲルマニウム,ビスマス,アンチモンおよびクロムからなる群のうちの少なくとも1種を含むものが挙げられる。 As an alloy of tin, for example, as a second constituent element other than tin, silicon, nickel, copper, iron, cobalt, manganese, zinc, indium, silver, titanium (Ti), germanium, bismuth, antimony (Sb), And those containing at least one member selected from the group consisting of chromium (Cr). As an alloy of silicon, for example, as a second constituent element other than silicon, among the group consisting of tin, nickel, copper, iron, cobalt, manganese, zinc, indium, silver, titanium, germanium, bismuth, antimony and chromium The thing containing at least 1 sort (s) of these is mentioned.
スズの化合物あるいはケイ素の化合物としては、例えば、酸素あるいは炭素(C)を含むものが挙げられ、スズまたはケイ素に加えて、上述した第2の構成元素を含んでいてもよい。 Examples of the tin compound or silicon compound include those containing oxygen or carbon (C), and may contain the second constituent element described above in addition to tin or silicon.
リチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料としては、更に、他の金属化合物あるいは高分子材料も挙げられる。他の金属化合物としては、MnO2 ,V2 O5 ,V6 O13)などの酸化物、NiS,MoSなどの硫化物、あるいはLiN3 などのリチウム窒化物が挙げられ、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。 Examples of the negative electrode material capable of inserting and extracting lithium further include other metal compounds and polymer materials. Examples of other metal compounds include oxides such as MnO 2 , V 2 O 5 , V 6 O 13 ), sulfides such as NiS and MoS, and lithium nitrides such as LiN 3. Examples include polyacetylene and polypyrrole.
セパレータ23は、正極21と負極22とを隔離し、両極の接触による電流の短絡を防止しつつ、リチウムイオンを通過させるものである。このセパレータ23は、例えば、ポリテトラフルオロエチレン、ポリプロピレンあるいはポリエチレンなどよりなる合成樹脂製の多孔質膜、またはセラミック製の多硬質膜により構成されており、これらの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
セパレータ23には、液状の電解質である電解液が含浸されている。この電解液は、溶媒と、この溶媒に溶解された電解質塩とを含んでいる。
The
溶媒としては、炭酸エチレンあるいは炭酸プロピレンなどの環状の炭酸エステルを用いることができ、炭酸エチレンおよび炭酸プロピレンのうちの一方、特に両方を混合して用いることが好ましい。サイクル特性を向上させることができるからである。環状の炭酸エステルの含有量は、溶媒全体に対して20質量%以上が好ましく、90質量%以下であればより好ましい。この範囲内でより高い効果が得られるからである。 As the solvent, cyclic carbonates such as ethylene carbonate or propylene carbonate can be used, and it is preferable to use one of ethylene carbonate and propylene carbonate, particularly a mixture of both. This is because the cycle characteristics can be improved. 20 mass% or more is preferable with respect to the whole solvent, and, as for content of cyclic carbonate, it is more preferable if it is 90 mass% or less. This is because a higher effect can be obtained within this range.
溶媒としては、また、これらの環状の炭酸エステルに加えて、炭酸ジエチル,炭酸ジメチル,炭酸エチルメチルあるいは炭酸メチルプロピルなどの鎖状の炭酸エステルを混合して用いることが好ましく、中でも炭酸ジエチル,炭酸ジメチルあるいは炭酸エチルメチルを混合して用いることがより好ましい。高いイオン伝導性を得ることができるからである。鎖状の炭酸エステルの含有量は、溶媒全体に対して10質量%以上が好ましく、50質量%以下であればより好ましい。この範囲内でより高い効果が得られるからである。 As the solvent, in addition to these cyclic carbonates, it is preferable to use a mixture of chain carbonates such as diethyl carbonate, dimethyl carbonate, ethylmethyl carbonate or methylpropyl carbonate. It is more preferable to use a mixture of dimethyl or ethyl methyl carbonate. This is because high ionic conductivity can be obtained. The content of the chain carbonate is preferably 10% by mass or more and more preferably 50% by mass or less with respect to the entire solvent. This is because a higher effect can be obtained within this range.
溶媒としては、更にまた、2,4−ジフルオロアニソールを含むこと好ましい。放電容量を改善することができるからである。 It is preferable that the solvent further contains 2,4-difluoroanisole. This is because the discharge capacity can be improved.
これらの他にも、溶媒としては、炭酸ブチレン、γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン、1,2−ジメトキシエタン、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、酢酸メチル、プロピオン酸メチル、アセトニトリル、グルタロニトリル、アジポニトリル、メトキシアセトニトリル、3−メトキシプロピロニトリル、N,N−ジメチルフォルムアミド、N−メチルピロリジノン、N−メチルオキサゾリジノン、N,N−ジメチルイミダゾリジノン、ニトロメタン、ニトロエタン、スルホランあるいはジメチルスルフォキシドなどが挙げれる。 In addition to these, examples of the solvent include butylene carbonate, γ-butyrolactone, γ-valerolactone, 1,2-dimethoxyethane, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, 1,3-dioxolane, 4-methyl-1,3- Dioxolane, methyl acetate, methyl propionate, acetonitrile, glutaronitrile, adiponitrile, methoxyacetonitrile, 3-methoxypropironitrile, N, N-dimethylformamide, N-methylpyrrolidinone, N-methyloxazolidinone, N, N-dimethyl Examples include imidazolidinone, nitromethane, nitroethane, sulfolane, and dimethyl sulfoxide.
なお、これらの溶媒の少なくとも一部の水素をフッ素で置換した化合物は、組み合わせる電極の種類によっては、電極反応の可逆性を向上させることができる場合があるので好ましい場合もある。 A compound in which at least a part of hydrogen in these solvents is substituted with fluorine may be preferable depending on the type of electrode to be combined because the reversibility of the electrode reaction may be improved.
加えて、溶媒としては、炭酸ビニレンを含むことが好ましい。サイクル特性を向上させることができるからである。炭酸ビニレンの含有量は、電解液全体に対して10質量%以下、特に0.5質量%以上5質量%以下の範囲内であることが好ましい。この範囲内でより高い効果が得られるからである。 In addition, the solvent preferably contains vinylene carbonate. This is because the cycle characteristics can be improved. The content of vinylene carbonate is preferably 10% by mass or less, particularly preferably in the range of 0.5% by mass or more and 5% by mass or less with respect to the entire electrolytic solution. This is because a higher effect can be obtained within this range.
電解質塩としては、例えばリチウム塩が挙げられ、1種を単独で用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよい。リチウム塩としては、LiPF6 ,LiBF4 ,LiAsF6 ,LiClO4 ,LiB(C6 H5 )4 ,LiCH3 SO3 ,LiCF3 SO3 ,LiN(SO2 CF3 )2 ,LiC(SO2 CF3 )3 ,LiAlCl4 ,LiSiF6 ,LiCl, ジフルオロ[オキソラト−O,O’]ホウ酸リチウム,リチウムビスオキサレートボレート,あるいはLiBrなどが挙げられる。中でも、LiPF6 は高いイオン伝導性を得ることができると共に、サイクル特性を向上させることができるので好ましい。 As electrolyte salt, lithium salt is mentioned, for example, 1 type may be used independently, and 2 or more types may be mixed and used for it. Lithium salts include LiPF 6 , LiBF 4 , LiAsF 6 , LiClO 4 , LiB (C 6 H 5 ) 4 , LiCH 3 SO 3 , LiCF 3 SO 3 , LiN (SO 2 CF 3 ) 2 , LiC (SO 2 CF 3 ) 3 , LiAlCl 4 , LiSiF 6 , LiCl, difluoro [oxolato-O, O ′] lithium borate, lithium bisoxalate borate, or LiBr. Among them, LiPF 6 is preferable because it can obtain high ion conductivity and can improve cycle characteristics.
この電解液は、また、化3に示したリン酸エステルを含んでいる。これにより、電池電圧を4.25V以上の高電圧としても、正極21における電解液の分解反応が抑制され、優れたサイクル特性を得られるようになっている。
This electrolytic solution also contains the phosphate ester shown in Chemical formula 3. As a result, even when the battery voltage is set to a high voltage of 4.25 V or higher, the decomposition reaction of the electrolytic solution in the
化3において、R1,R2およびR3は、アルキル基,アルキレン基,アルキニル基,アリール基,アルキルエーテル基、またはこれらの少なくとも一部の水素を置換基で置換した基を表す。置換基としては、フッ素,塩素,臭素あるいはヨウ素などがある。また、アルキルエーテル基とは、アルキル基の少なくとも一部の水素をエーテル基で置換した基をいう。R1,R2およびR3のうちの少なくとも1つは、炭素数が1〜15であれば好ましく、1〜10であればより好ましく、特に3〜6であれば望ましい。炭素数が多いと、電解液の粘度が増大してしまうからである。R1,R2およびR3は、同一であっても異なっていてもよい。 In Chemical Formula 3, R1, R2 and R3 represent an alkyl group, an alkylene group, an alkynyl group, an aryl group, an alkyl ether group, or a group obtained by substituting at least a part of these hydrogens with a substituent. Substituents include fluorine, chlorine, bromine or iodine. Further, the alkyl ether group refers to a group in which at least a part of hydrogen of the alkyl group is substituted with an ether group. At least one of R1, R2 and R3 preferably has 1 to 15 carbon atoms, more preferably 1 to 10 carbon atoms, and particularly preferably 3 to 6 carbon atoms. This is because when the number of carbon atoms is large, the viscosity of the electrolytic solution increases. R1, R2 and R3 may be the same or different.
このようなリン酸エステルについて具体的に例を挙げれば、リン酸トリメチル、リン酸トリエチル、リン酸メチルジエチル、リン酸エチルジメチル、リン酸プロピルジメチル、リン酸トリプロピル、リン酸トリアリル、リン酸ブチルジメチル、リン酸トリペンチル、リン酸ペンチルジメチル、リン酸トリ−n−オクチル、リン酸トリ(2−エチルヘキシル) 、リン酸トリフェニル、リン酸トリクレジル、リン酸トリ(2−n−ブトキシエチル) 、リン酸トリ(2−クロルエチル) あるいはリン酸トリ(1H,1H,5H−オクタフルオロ−n−ペンチル) などがある。中でも、リン酸トリプロピル、リン酸トリアリル、リン酸トリペンチル、リン酸トリフェニル、あるいはリン酸トリ(2−n−ブトキシエチル) が好ましい。 Specific examples of such phosphate esters include trimethyl phosphate, triethyl phosphate, methyl diethyl phosphate, ethyl dimethyl phosphate, propyl dimethyl phosphate, tripropyl phosphate, triallyl phosphate, butyl phosphate. Dimethyl, tripentyl phosphate, pentyl dimethyl phosphate, tri-n-octyl phosphate, tri (2-ethylhexyl) phosphate, triphenyl phosphate, tricresyl phosphate, tri (2-n-butoxyethyl) phosphate, phosphorus Examples include tri (2-chloroethyl) acid and tri (1H, 1H, 5H-octafluoro-n-pentyl). Among these, tripropyl phosphate, triallyl phosphate, tripentyl phosphate, triphenyl phosphate, or tri (2-n-butoxyethyl) phosphate is preferable.
このリン酸エステルの含有量は、電解液全体に対して20質量%以下であることが好ましく、2質量%以上10質量%以下の範囲内であればより好ましい。この範囲内であれば高い効果が得られるからである。 The content of the phosphate ester is preferably 20% by mass or less, more preferably 2% by mass or more and 10% by mass or less with respect to the entire electrolytic solution. This is because a high effect can be obtained within this range.
この二次電池は、例えば、次のようにして製造することができる。 For example, the secondary battery can be manufactured as follows.
まず、例えば、正極活物質と、導電剤と、結着剤とを混合して正極合剤を調製したのち、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。続いて、この正極合剤スラリーを正極集電体21Aに塗布し乾燥させ、ロールプレス機などにより圧縮成型して正極活物質層21Bを形成し、正極21を作製する。
First, for example, a positive electrode active material, a conductive agent, and a binder are mixed to prepare a positive electrode mixture, and then this positive electrode mixture is dispersed in a solvent such as N-methyl-2-pyrrolidone. A slurry is obtained. Subsequently, the positive electrode mixture slurry is applied to the positive electrode
また、例えば、負極活物質と、結着剤とを混合して負極合剤を調製したのち、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。続いて、この負極合剤スラリーを負極集電体22Aに塗布し乾燥させ、ロールプレス機などにより圧縮成型して負極活物質層22Bを形成し、負極22を作製する。
For example, after preparing a negative electrode mixture by mixing a negative electrode active material and a binder, the negative electrode mixture is dispersed in a solvent such as N-methyl-2-pyrrolidone to obtain a negative electrode mixture slurry. . Subsequently, the negative electrode mixture slurry is applied to the negative electrode
次いで、正極集電体21Aに正極リード25を溶接などにより取り付けると共に、負極集電体22Aに負極リード26を溶接などにより取り付ける。続いて、正極21と負極22とをセパレータ23を介して巻回し、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。
Next, 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放出され、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放出され、電解液を介して正極21に吸蔵される。その際、電解液には、化3に示したリン酸エステルを含んでいるので、例えば、電池電圧を4.25V以上の高電圧としても、正極21における電解液の分解反応が抑制され、サイクル特性が改善される。
In the secondary battery, when charged, for example, lithium ions are extracted from the
このように本実施の形態によれば、化3に示したリン酸エステルを含むようにしたので、例えば、電池電圧を4.25V以上の高電圧としても、正極21における電解液の分解反応を抑制することができ、優れたサイクル特性を得ることができる。
Thus, according to the present embodiment, since the phosphoric acid ester shown in Chemical Formula 3 is included, for example, even when the battery voltage is set to a high voltage of 4.25 V or higher, the decomposition reaction of the electrolytic solution in the
特に、電解液におけるリン酸エステルの含有量を20質量%以下にするようにすれば、より高い効果を得ることができる。 In particular, if the content of the phosphate ester in the electrolytic solution is 20% by mass or less, a higher effect can be obtained.
更に、電解液に炭酸ビニレンを含むようにすれば、サイクル特性をより向上させることができ、特に、電解液における炭酸ビニレンの含有量を10質量%以下にするようにすれば、更に高い効果を得ることができる。 Furthermore, if the electrolytic solution contains vinylene carbonate, the cycle characteristics can be further improved. In particular, if the content of vinylene carbonate in the electrolytic solution is 10% by mass or less, a higher effect can be obtained. Obtainable.
更に、本発明の具体的な実施例について図面を参照して詳細に説明する。 Further, specific embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(実施例1−1〜1−12,2−1〜2−12)
まず、炭酸リチウム(Li2 CO3 )と炭酸コバルト(CoCO3 )とを、Li2 CO3 :CoCO3 =0.5:1(モル比)の割合で混合し、空気中において900℃で5時間焼成して、正極活物質としてのリチウム・コバルト複合酸化物(LiCoO2 )を得た。次いで、このリチウム・コバルト複合酸化物90質量部と、導電剤であるグラファイト5質量部と、結着剤であるポリフッ化ビニリデン3質量部とを混合して正極合剤を調製したのち、溶剤であるN−メチル−2−ピロリドンに分散させて正極合剤スラリーを作製した。続いて、正極合剤スラリーを厚み20μmのアルミニウム箔よりなる正極集電体21Aに塗布し乾燥させたのち、ロールプレス機により圧縮成型して正極活物質層21Bを形成し、正極21を作製した。そののち、正極集電体21Aの一端にアルミニウム製の正極リード25を取り付けた。
(Examples 1-1 to 1-12, 2-1 to 2-12)
First, lithium carbonate (Li 2 CO 3 ) and cobalt carbonate (CoCO 3 ) are mixed at a ratio of Li 2 CO 3 : CoCO 3 = 0.5: 1 (molar ratio), and 5 ° C. at 900 ° C. in the air. After firing for a time, lithium-cobalt composite oxide (LiCoO 2 ) as a positive electrode active material was obtained. Next, 90 parts by mass of this lithium-cobalt composite oxide, 5 parts by mass of graphite as a conductive agent, and 3 parts by mass of polyvinylidene fluoride as a binder were prepared, and then a positive electrode mixture was prepared. A positive electrode mixture slurry was prepared by dispersing in some N-methyl-2-pyrrolidone. Subsequently, the positive electrode mixture slurry was applied to a positive electrode
また、負極活物質として人造黒鉛を用い、この人造黒鉛90質量部と、結着剤であるポリフッ化ビニリデン10質量部とを混合して負極合剤を調製したのち、溶剤であるN−メチル−2−ピロリドンに分散させて負極合剤スラリーを作製した。続いて、負極合剤スラリーを厚み10μmの帯状銅箔よりなる負極集電体22Aの両面に均一に塗布し乾燥させたのち、ロールプレス機により圧縮成型して負極活物質層22Bを形成し、負極22を作製した。そののち、負極集電体22Aの一端にニッケル製の負極リード26を取り付けた。
Further, artificial graphite was used as the negative electrode active material, and 90 parts by mass of the artificial graphite and 10 parts by mass of polyvinylidene fluoride as a binder were mixed to prepare a negative electrode mixture, and then N-methyl- A negative electrode mixture slurry was prepared by dispersing in 2-pyrrolidone. Subsequently, the negative electrode mixture slurry was uniformly applied to both surfaces of the negative electrode
正極21および負極22をそれぞれ作製したのち、厚み25μmの微多孔性ポリプロピレンフィルムよりなるセパレータ23を用意し、負極22,セパレータ23,正極21,セパレータ23の順に積層してこの積層体を渦巻状に多数回巻回し、巻回電極体20を作製した。
After preparing the
巻回電極体20を作製したのち、巻回電極体20を一対の絶縁板12,13で挟み、負極リード26を電池缶11に溶接すると共に、正極リード25を安全弁機構15に溶接して、巻回電極体20をニッケルめっきした鉄製の電池缶11の内部に収納した。そののち、電池缶11の内部に電解液を注入した。
After producing the
電解液には、溶媒である炭酸エチレンと炭酸ジメチルとを、炭酸エチレン:炭酸ジメチル=70:25の質量比で混合した溶媒に、化3に示したリン酸エステルを添加し、更に、電解質塩としてLiPF6 を溶解させたものを用いた。その際、化3に示したリン酸エステルを、実施例1−1〜1−12,2−1〜2−12では、リン酸トリメチル、リン酸トリエチル、リン酸エチルジメチル、リン酸トリプロピル、リン酸トリアリル、リン酸トリペンチル、リン酸トリ(2−エチルヘキシル)、リン酸トリフェニル、リン酸トリクレジル、リン酸トリ(2−n−ブトキシエチル)、リン酸トリ(2−クロロエチル)、またはリン酸トリ(1H,1H,5H−オクタフルオロ−n−ペンチル)とした。また、電解液におけるこれらのリン酸エステルの含有量をそれぞれ5質量%とした。 To the electrolytic solution, the phosphate ester shown in Chemical Formula 3 is added to a solvent obtained by mixing ethylene carbonate and dimethyl carbonate, which are solvents, in a mass ratio of ethylene carbonate: dimethyl carbonate = 70: 25. A solution in which LiPF 6 was dissolved was used. At that time, in Examples 1-1 to 1-12 and 2-1 to 2-12, the phosphoric acid ester represented by Chemical Formula 3 was trimethyl phosphate, triethyl phosphate, ethyldimethyl phosphate, tripropyl phosphate, Triallyl phosphate, tripentyl phosphate, tri (2-ethylhexyl) phosphate, triphenyl phosphate, tricresyl phosphate, tri (2-n-butoxyethyl) phosphate, tri (2-chloroethyl) phosphate, or phosphoric acid Tri (1H, 1H, 5H-octafluoro-n-pentyl) was used. Moreover, content of these phosphate ester in electrolyte solution was 5 mass%, respectively.
電池缶11の内部に電解液を注入したのち、表面にアスファルトを塗布したガスケット17を介して電池蓋14を電池缶11にかしめることにより、直径14mm、高さ65mmの円筒型二次電池を得た。
After injecting the electrolytic solution into the battery can 11, the
実施例1−1〜1−12,2−1〜2−12に対する比較例1−1,2−1として、化3に示したリン酸エステルを添加しなかったことを除き、他は実施例1−1〜1−12,2−1〜2−12と同様にして二次電池を作製した。 As Comparative Examples 1-1 and 2-1 to Examples 1-1 to 1-12 and 2-1 to 2-12, except that the phosphate ester shown in Chemical Formula 3 was not added, the other examples Secondary batteries were fabricated in the same manner as 1-1 to 1-12 and 2-1 to 2-12.
作製した実施例1−1〜1−12,2−1〜2−12および比較例1−1,2−1の二次電池について、次のようにしてサイクル特性を調べた。まず、23℃の環境下において、600mAの定電流で電池電圧が4.5Vまたは4.25Vに達するまで定電流充電を行ったのち、4.5Vまたは4.25Vの定電圧で電流が20mAに達するまで定電圧充電を行い、引き続き、300mAの定電流で電池電圧が3.0Vに達するまで定電流放電を行い放電容量を測定した。続いて、23℃の環境下において、同一条件で4.5Vまたは4.25Vまで定電流定電圧充電を行い、80℃の恒温槽に10日間放置した。そののち、23℃の環境下において、300mAの定電流で電池電圧が3.5Vに達するまで定電流放電を行い、引き続き、600mAの定電流で電池電圧が4.5Vまたは4.25Vに達するまで定電流充電を行ったのち、4.5Vまたは4.25Vの定電圧で電流が20mAに達するまで定電圧充電を行う充放電を繰返し、放置前の放電容量を100とした場合に、放電容量が50となるまでのサイクル数を測定した。結果を表1,表2に示す。
For the fabricated secondary batteries of Examples 1-1 to 1-12, 2-1 to 2-12 and Comparative Examples 1-1 and 2-1, the cycle characteristics were examined as follows. First, in a 23 ° C. environment, after constant current charging at a constant current of 600 mA until the battery voltage reaches 4.5 V or 4.25 V, the
表1,2から分かるように、電解液に、化3に示したリン酸エステルを添加した実施例1−1〜1−12,2−1〜2−12によれば、これを添加していない比較例1−1,2−1よりもそれぞれ放電容量が半減するまでのサイクル数が多かった。また、化3に示したリン酸エステルにおけるR1,R2,R3の炭素数が3〜6の実施例1−4〜1−6,1−8,1−10,1−12,2−4〜2−6,2−8,2−10,2−12において、特にサイクル数が多かった。 As can be seen from Tables 1 and 2, according to Examples 1-1 to 1-12 and 2-1 to 2-12 in which the phosphoric acid ester shown in Chemical Formula 3 was added to the electrolyte, this was not added. The number of cycles until the discharge capacity was halved was larger than those of Comparative Examples 1-1 and 2-1, respectively. Further, Examples 1-4 to 1-6, 1-8, 1-10, 1-12, 2-4 to 3 in which R1, R2, and R3 in the phosphate ester shown in Chemical Formula 3 have 3 to 6 carbon atoms. In 2-6, 2-8, 2-10, and 2-12, the number of cycles was particularly large.
すなわち、電解液に化3に示したリン酸エステルを含むようにすれば、電池電圧を4.25V以上の高電圧としても、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。また、化3に示したリン酸エステルにおけるR1,R2およびR3のうちの少なくとも1つの炭素数は3〜6が好ましいことが分かった。 That is, it has been found that if the phosphate ester shown in Chemical Formula 3 is included in the electrolytic solution, the cycle characteristics can be improved even when the battery voltage is set to 4.25 V or higher. Moreover, it turned out that the number of carbons of at least one of R1, R2 and R3 in the phosphoric acid ester shown in Chemical formula 3 is preferably 3-6.
(実施例3−1〜3−5, 4−1〜4−3)
電解液におけるリン酸トリプロピルの含有量を、表3,4に示したように2質量%〜25質量%の範囲内で変化させたことを除き、他は実施例1−4,2−4と同様にして二次電池を作製した。
(Examples 3-1 to 3-5, 4-1 to 4-3)
Except that the content of tripropyl phosphate in the electrolytic solution was changed within the range of 2% by mass to 25% by mass as shown in Tables 3 and 4, Examples 1-4 and 2-4 were otherwise used. A secondary battery was fabricated in the same manner as described above.
作製した実施例3−1〜3−5, 4−1〜4−3の二次電池について、実施例1−1〜1−12,2−1〜2−12と同様にしてサイクル特性を測定した。結果を実施例1−4,2−4および比較例1−1,2−1の結果と共に表3,4に示す。 For the fabricated secondary batteries of Examples 3-1 to 3-5 and 4-1 to 4-3, cycle characteristics were measured in the same manner as in Examples 1-1 to 1-12 and 2-1 to 2-12. did. The results are shown in Tables 3 and 4 together with the results of Examples 1-4 and 2-4 and Comparative Examples 1-1 and 2-1.
表3,4から分かるように、放電容量が半減するまでのサイクル数は、リン酸トリプロピルの含有量が高くなるに伴い多くなり、そののち減少した。 As can be seen from Tables 3 and 4, the number of cycles until the discharge capacity was reduced by half increased as the tripropyl phosphate content increased and then decreased.
すなわち、電解液におけるリン酸エステルの含有量は、20質量%以下が好ましく、2質量%以上10質量%以下の範囲内がより好ましいことが分かった。 That is, it was found that the content of the phosphate ester in the electrolytic solution is preferably 20% by mass or less, and more preferably in the range of 2% by mass to 10% by mass.
(実施例5−1〜5−5,6−1〜6−5)
溶媒として炭酸エチレンおよび炭酸ジメチルに加えて、炭酸ビニレンを混合し、電解液における炭酸ビニレンの含有量を表5,6に示したように変化させたことを除き、他は実施例1−5,1−8,2−5,2−8と同様にして二次電池を作製した。
(Examples 5-1 to 5-5, 6-1 to 6-5)
In addition to ethylene carbonate and dimethyl carbonate as a solvent, vinylene carbonate was mixed, and the contents of vinylene carbonate in the electrolyte were changed as shown in Tables 5 and 6. Secondary batteries were fabricated in the same manner as in 1-8, 2-5, and 2-8.
作製した実施例5−1〜5−5,6−1〜6−5の二次電池について、実施例1−1〜1−12,2−1〜2−12と同様にしてサイクル特性を測定した。結果を実施例1−5,1−8,2−5,2−8の結果と共に表5,表6に示す。 For the fabricated secondary batteries of Examples 5-1 to 5-5, 6-1 to 6-5, cycle characteristics were measured in the same manner as in Examples 1-1 to 1-12 and 2-1 to 2-12. did. The results are shown in Tables 5 and 6 together with the results of Examples 1-5, 1-8, 2-5, and 2-8.
表5,6から分かるように、炭酸ビニレンを混合した実施例5−1〜5−5,6−1〜6−5によれば、炭酸ビニレンを混合していない実施例1−5,1−8,2−5,2−8よりも、それぞれ放電容量が半減するまでのサイクル数が多かった。また、放電容量が半減するまでのサイクル数は、炭酸ビニレンの含有量が高くなるに伴い多くなり、そののち減少した。 As can be seen from Tables 5 and 6, according to Examples 5-1 to 5-5, 6-1 to 6-5 mixed with vinylene carbonate, Examples 1-5, 1- not mixed with vinylene carbonate The number of cycles until the discharge capacity was halved was larger than that of 8, 2-5 and 2-8. Moreover, the number of cycles until the discharge capacity was reduced by half increased as the vinylene carbonate content increased, and then decreased.
すなわち、炭酸ビニレンを含むようにすれば、サイクル特性をより向上させることができ、特に、電解液における炭酸ビニレンの含有量は、10質量%以下、特に0.5質量%以上5質量%以下の範囲内が好ましいことが分かった。 That is, if vinylene carbonate is included, cycle characteristics can be further improved. In particular, the content of vinylene carbonate in the electrolytic solution is 10% by mass or less, particularly 0.5% by mass or more and 5% by mass or less. It was found that the range was preferable.
以上、実施の形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は実施の形態および実施例に限定されず、種々の変形が可能である。例えば、上記実施の形態および実施例では、巻回構造を有する円筒型の二次電池を具体的に挙げて説明したが、本発明は、コイン型,シート型,ボタン型あるいは角型などの外装部材を用いた他の形状を有する二次電池、または正極および負極を複数積層した積層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。 Although the present invention has been described with reference to the embodiments and examples, the present invention is not limited to the embodiments and examples, and various modifications can be made. For example, in the above-described embodiments and examples, a cylindrical secondary battery having a winding structure has been specifically described, but the present invention can be applied to an exterior such as a coin type, a sheet type, a button type, or a square type. The present invention can be similarly applied to secondary batteries having other shapes using members, or secondary batteries having a laminated structure in which a plurality of positive and negative electrodes are laminated.
また、上記実施の形態および実施例では、電解液を用いる場合について説明したが、電解液に代えて、ゲル状電解質を用いてもよい。ゲル状電解質は、例えば、高分子化合物に電解液を保持させたものである。電解液については、上述のとおりである。高分子化合物としては、例えば、電解液を吸収してゲル化するものであればよく、そのような高分子化合物としては、例えば、ポリアクリロニトリル,ポリフッ化ビニリデン,フッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンとの共重合体,ポリテトラフルオロエチレン,ポリヘキサフルオロプロピレン,ポリエチレンオキサイド,ポリプロピレンオキサイド,ポリフォスファゼン,ポリシロキサン,ポリ酢酸ビニル,ポリビニルアルコール,ポリメタクリル酸メチル,ポリアクリル酸,ポリメタクリル酸,スチレン−ブタジエンゴム,ニトリル−ブタジエンゴム,ポリスチレンあるいはポリカーボネートが挙げられる。特に電気化学的な安定性の点からはポリアクリロニトリル,ポリフッ化ビニリデン,ポリヘキサフルオロプロピレンあるいはポリエチレンオキサイドが好ましい。 Moreover, although the case where electrolyte solution was used was demonstrated in the said embodiment and Example, it may replace with electrolyte solution and may use gel electrolyte. The gel electrolyte is obtained, for example, by holding an electrolytic solution in a polymer compound. The electrolytic solution is as described above. As the polymer compound, for example, any polymer that absorbs an electrolytic solution and gels can be used. Examples of such a polymer compound include polyacrylonitrile, polyvinylidene fluoride, vinylidene fluoride, and hexafluoropropylene. Copolymer, Polytetrafluoroethylene, Polyhexafluoropropylene, Polyethylene oxide, Polypropylene oxide, Polyphosphazene, Polysiloxane, Polyvinyl acetate, Polyvinyl alcohol, Polymethyl methacrylate, Polyacrylic acid, Polymethacrylic acid, Styrene-butadiene Examples thereof include rubber, nitrile-butadiene rubber, polystyrene, and polycarbonate. In particular, from the viewpoint of electrochemical stability, polyacrylonitrile, polyvinylidene fluoride, polyhexafluoropropylene, or polyethylene oxide is preferable.
また、上記実施の形態および実施例では、電極反応物質としてリチウムを用いる電池について説明したが、ナトリウム(Na)あるいはカリウム(K)などの他のアルカリ金属、またはマグネシウムあるいはカルシウム(Ca)などのアルカリ土類金属、またはアルミニウムなどの他の軽金属を用いる場合についても、本発明を適用することができる。その際、負極活物質としては、例えば上記実施の形態と同様のものなどを用いることができる。 In the above embodiments and examples, a battery using lithium as an electrode reactant has been described. However, another alkali metal such as sodium (Na) or potassium (K), or an alkali such as magnesium or calcium (Ca) is used. The present invention can also be applied to the case of using an earth metal or another light metal such as aluminum. In that case, as a negative electrode active material, the thing similar to the said embodiment etc. can be used, for example.
11…電池缶、12,13…絶縁板、14…電池蓋、15…安全弁機構、15A…ディスク板、16…熱感抵抗素子、17…ガスケット、20…巻回電極体、21…正極、21A…正極集電体、21B…正極活物質層、22…負極、22A…負極集電体、22B…負極活物質層、23…セパレータ、24…センターピン、25…正極リード、26…負極リード。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Battery can, 12, 13 ... Insulation board, 14 ... Battery cover, 15 ... Safety valve mechanism, 15A ... Disc board, 16 ... Heat sensitive resistance element, 17 ... Gasket, 20 ... Winding electrode body, 21 ... Positive electrode, 21A DESCRIPTION OF SYMBOLS ... Positive electrode collector, 21B ... Positive electrode active material layer, 22 ... Negative electrode, 22A ... Negative electrode collector, 22B ... Negative electrode active material layer, 23 ... Separator, 24 ... Center pin, 25 ... Positive electrode lead, 26 ... Negative electrode lead.
Claims (8)
前記電解液は、化2に示したリン酸エステルを含む
ことを特徴とする電池。
The battery, wherein the electrolyte contains a phosphate ester shown in Chemical Formula 2.
The battery according to claim 7, wherein the content of the vinylene carbonate in the electrolytic solution is 10% by mass or less.
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