JP2006318760A - Electrolyte and battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ハロゲン原子を有する環式炭酸エステル誘導体を含む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 cyclic carbonate derivative having a halogen atom and a battery using the same.
近年、カメラ一体型VTR(ビデオテープレコーダ),デジタルスチルカメラ,携帯電話,携帯情報端末あるいはノート型コンピュータ等のポータブル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、電子機器のポータブル電源として、電池、特に二次電池について、エネルギー密度を向上させるための研究開発が活発に進められている。中でも、負極に炭素材料を用い、正極にリチウムと遷移金属との複合材料を用い、電解液に炭酸エステルを用いたリチウムイオン二次電池は、従来の鉛電池およびニッケルカドミウム電池と比較して大きなエネルギー密度が得られるため広く実用化されている。 In recent years, many portable electronic devices such as a camera-integrated VTR (video tape recorder), a digital still camera, a mobile phone, a portable information terminal, or a notebook computer have appeared, and their size and weight have been reduced. Accordingly, as a portable power source for electronic devices, research and development for improving the energy density of batteries, particularly secondary batteries, are being actively promoted. Among these, lithium ion secondary batteries using a carbon material for the negative electrode, a composite material of lithium and a transition metal for the positive electrode, and a carbonate ester for the electrolytic solution are larger than conventional lead batteries and nickel cadmium batteries. Since energy density can be obtained, it is widely used.
また最近では、携帯用電子機器の高性能化に伴い、更なる容量の向上が求められており、負極活物質として炭素材料に代えてスズ(Sn)あるいはケイ素(Si)などを用いることが検討されている。スズの理論容量は994mAh/g、ケイ素の理論容量は4199mAh/gと、黒鉛の理論容量の372mAh/gに比べて格段に大きく、容量の向上を期待できるからである。特に、スズあるいはケイ素の薄膜を集電体上に形成した負極は、リチウムの吸蔵および放出によっても、負極活物質が微粉化することなく、比較的大きな放電容量を保持できることが報告されている(例えば、特許文献1参照)。
しかしながら、リチウム(Li)を吸蔵したスズ合金あるいはケイ素合金は活性が高いので、電解液に従来より用いられている炭酸エステルなどを用いると、これらが分解されてしまい、しかもリチウムが不活性化されてしまうという問題があった。そこで、電解液にハロゲン原子を有する環式炭酸エステル誘導体を用いることにより、負極における溶媒の分解反応を抑制し、充放電効率を向上させることが検討されている。しかし、電解液の分解反応を抑制する効果は十分ではなく、充放電効率の更なる向上が望まれていた。 However, since tin alloys or silicon alloys that occlude lithium (Li) are highly active, the use of carbonates or the like that have been used in the electrolyte solution will cause them to be decomposed, and lithium is inactivated. There was a problem that. Therefore, it has been studied to suppress the decomposition reaction of the solvent in the negative electrode and improve the charge / discharge efficiency by using a cyclic carbonate derivative having a halogen atom in the electrolytic solution. However, the effect of suppressing the decomposition reaction of the electrolytic solution is not sufficient, and further improvement in charge / discharge efficiency has been desired.
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、充放電効率を向上させることにより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る電解液を提供することにある。 This invention is made | formed in view of this problem, The objective is to provide the battery which can improve cycling characteristics by improving charging / discharging efficiency, and the electrolyte solution used therewith.
本発明による電解液は、ハロゲン原子を有する環式炭酸エステル誘導体と、ラクトンとを含むものである。 The electrolytic solution according to the present invention contains a cyclic carbonate derivative having a halogen atom and a lactone.
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、負極は、電極反応物質を吸蔵および放出することが可能であり、構成元素として金属元素および半金属元素のうちの少なくとも1種を含む材料を含有し、電解液は、ハロゲン原子を有する環式炭酸エステル誘導体と、ラクトンとを含むものである。 A battery according to the present invention includes an electrolyte solution together with a positive electrode and a negative electrode, and the negative electrode can occlude and release an electrode reactant, and at least one of a metal element and a metalloid element as a constituent element. The electrolyte contains a material containing one kind, and the electrolytic solution contains a cyclic carbonate derivative having a halogen atom and a lactone.
本発明の電解液によれば、ハロゲン原子を有する環式炭酸エステル誘導体と、ラクトンとを含むようにしたので、電解液の安定性を向上させることができる。よって、この電解液を用いた本発明の電池によれば、充放電効率を向上させることができ、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 the cyclic carbonate derivative having a halogen atom and the lactone are included, the stability of the electrolytic solution can be improved. Therefore, according to the battery of the present invention using this electrolytic solution, the charge / discharge efficiency can be improved and the cycle characteristics can be improved.
特に、ラクトンとして、4員環のラクトン環を有する化合物,6員環のラクトン環を有する化合物,7員環のラクトン環を有する化合物あるいは二重結合をラクトン環内に有する化合物を用いるようにすれば、高い効果を得ることができる。 In particular, as a lactone, a compound having a 4-membered lactone ring, a compound having a 6-membered lactone ring, a compound having a 7-membered lactone ring, or a compound having a double bond in the lactone ring may be used. High effects can be obtained.
また、電解液におけるラクトンの含有量を0.1質量%以上2質量%以下の範囲内とするようにすれば、より高い効果を得ることができる。 Further, if the lactone content in the electrolytic solution is in the range of 0.1% by mass or more and 2% by mass or less, a higher effect can be obtained.
更にまた、負極に電極反応物質を吸蔵および放出することが可能であり、構成元素として金属元素および半金属元素のうちの少なくとも1種を含む材料を含有する場合に、あるいは構成元素としてスズおよびケイ素のうちの少なくとも一方を含む負極材料を含有する場合に、特に高い効果を得ることができる。 Furthermore, it is possible to occlude and release electrode reactants in the negative electrode, and when containing a material containing at least one of a metal element and a metalloid element as a constituent element, or tin and silicon as constituent elements A particularly high effect can be obtained when the negative electrode material containing at least one of them is contained.
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液は、例えば、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 electrolytic solution according to an embodiment of the present invention includes, for example, a solvent and an electrolyte salt dissolved in the solvent.
溶媒は、比誘電率が30以上の高誘電率溶媒を含んでいる。これによりリチウムイオンの数を増加させることができるからである。 The solvent contains a high dielectric constant solvent having a relative dielectric constant of 30 or more. This is because the number of lithium ions can be increased.
高誘電率溶媒は、ハロゲン原子を有する環式炭酸エステル誘導体を含んでいる。電解液の分解反応を抑制することができ、安定性を向上させることができるからである。このような環式炭酸エステル誘導体について具体的に例を挙げれば、化1(1)に示した4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オン、4−ジフルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オン、4,5−ジフルオロ−1, 3−ジオキソラン−2−オン、4−ジフルオロ−5−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オン、4−フルオロメチル−1,3−ジオキソラン−2−オン、4−トリフルオロメチル−1,3−ジオキソラン−2−オン、化2(2)に示した4−クロロ−1,3−ジオキソラン−2−オンあるいは4,5−ジクロロ−1,3−ジオキソラン−2−オンなどが挙げられ、中でも、4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンあるいは4−クロロ−1,3−ジオキソラン−2−オンが好ましく、特に4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンが望ましい。より高い効果を得ることができるからである。環式炭酸エステル誘導体には1種を単独で用いてもよく、複数種を混合して用いてもよい。 The high dielectric constant solvent contains a cyclic carbonate derivative having a halogen atom. This is because the decomposition reaction of the electrolytic solution can be suppressed and the stability can be improved. Specific examples of such cyclic carbonate derivatives include 4-fluoro-1,3-dioxolan-2-one and 4-difluoro-1,3-dioxolane-2 shown in Chemical Formula 1 (1). -One, 4,5-difluoro-1,3-dioxolan-2-one, 4-difluoro-5-fluoro-1,3-dioxolan-2-one, 4-fluoromethyl-1,3-dioxolane-2- ON, 4-trifluoromethyl-1,3-dioxolan-2-one, 4-chloro-1,3-dioxolan-2-one shown in Chemical formula 2 (2) or 4,5-dichloro-1,3- Examples include dioxolan-2-one, among which 4-fluoro-1,3-dioxolan-2-one or 4-chloro-1,3-dioxolan-2-one is preferable, and 4-fluoro-1,3 is particularly preferable. Dioxolan-2-one is desirable. This is because a higher effect can be obtained. One kind of cyclic carbonate derivative may be used alone, or a plurality of kinds may be mixed and used.
高誘電率溶媒には、これらの環式炭酸エステル誘導体に加えて、他の高誘電率溶媒を混合して用いてもよい。他の高誘電率溶媒としては、例えば、炭酸エチレン,炭酸プロピレン、炭酸ブチレン,炭酸ビニレンあるいはビニル炭酸エチレンなどの環式炭酸エステル、N−メチル−2−ピロリドンなどのラクタム、N−メチル−2−オキサゾリジノンなどの環式カルバミン酸エステル、テトラメチレンスルホンなどのスルホン化合物が挙げられる。他の高誘電率溶媒には、1種を単独で用いてもよく、複数種を混合して用いてもよい。 In addition to these cyclic carbonate derivatives, other high dielectric constant solvents may be mixed and used as the high dielectric constant solvent. Other high dielectric constant solvents include, for example, cyclic carbonates such as ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, vinylene carbonate or vinyl ethylene carbonate, lactams such as N-methyl-2-pyrrolidone, N-methyl-2- Examples thereof include cyclic carbamates such as oxazolidinone and sulfone compounds such as tetramethylene sulfone. As other high dielectric constant solvents, one kind may be used alone, or a plurality of kinds may be mixed and used.
また、高誘電率溶媒には、粘度が1mPa・s以下の低粘度溶媒を混合して用いることが好ましい。これにより高いイオン伝導性を得ることができるからである。低粘度溶媒としては、例えば、炭酸ジメチル、炭酸ジエチルあるいは炭酸エチルメチルなどの鎖式炭酸エステル、酢酸メチル、酢酸エチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、酪酸メチル、イソ酪酸メチル、トリメチル酢酸メチルあるいはトリメチル酢酸エチルなどの鎖式カルボン酸エステル、N,N−ジメチルアセトアミドなどの鎖式アミド、N,N−ジエチルカルバミン酸メチルあるいはN,N−ジエチルカルバミン酸エチルなどの鎖式カルバミン酸エステル、1,2−ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン、テトラヒドロピランあるいは1,3−ジオキソランなどのエーテルが挙げられる。低粘度溶媒には1種を単独で用いてもよく、複数種を混合して用いてもよい。 Moreover, it is preferable to mix and use a low-viscosity solvent having a viscosity of 1 mPa · s or less as the high dielectric constant solvent. This is because high ion conductivity can be obtained. Examples of the low viscosity solvent include chain carbonate esters such as dimethyl carbonate, diethyl carbonate and ethyl methyl carbonate, methyl acetate, ethyl acetate, methyl propionate, ethyl propionate, methyl butyrate, methyl isobutyrate, methyl trimethylacetate or trimethyl. A chain carboxylic acid ester such as ethyl acetate; a chain amide such as N, N-dimethylacetamide; a chain carbamic acid ester such as methyl N, N-diethylcarbamate or ethyl N, N-diethylcarbamate; -Ethers such as dimethoxyethane, tetrahydrofuran, tetrahydropyran or 1,3-dioxolane. One low viscosity solvent may be used alone, or a plurality of low viscosity solvents may be mixed and used.
電解質塩としては、例えば、六フッ化リン酸リチウム(LiPF6 ),四フッ化ホウ酸リチウム(LiBF4 ),六フッ化ヒ酸リチウム(LiAsF6 ),六フッ化アンチモン酸リチウム(LiSbF6 ),過塩素酸リチウム(LiClO4 ),四塩化アルミニウム酸リチウム(LiAlCl4 )などの無機リチウム塩、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム(CF3 SO3 Li),リチウムビス(トリフルオロメタンスルホン)イミド((CF3 SO2 )2 NLi),リチウムビス(ペンタフルオロエタンスルホン)イミド((C2 F5 SO2 )2 NLi),リチウムトリス(トリフルオロメタンスルホン)メチド((CF3 SO2 )3 CLi)などのパーフルオロアルカンスルホン酸誘導体のリチウムリチウム塩が挙げられる。電解質塩には1種を単独で用いてもよく、複数種を混合して用いてもよい。 As the electrolyte salt, e.g., lithium hexafluorophosphate (LiPF 6), lithium tetrafluoroborate (LiBF 4), lithium hexafluoroarsenate (LiAsF 6), lithium hexafluoro antimonate (LiSbF 6) , Inorganic lithium salts such as lithium perchlorate (LiClO 4 ), lithium tetrachloroaluminate (LiAlCl 4 ), lithium trifluoromethanesulfonate (CF 3 SO 3 Li), lithium bis (trifluoromethanesulfone) imide ((CF 3 SO 2 ) 2 NLi), lithium bis (pentafluoroethanesulfone) imide ((C 2 F 5 SO 2 ) 2 NLi), lithium tris (trifluoromethanesulfone) methide ((CF 3 SO 2 ) 3 CLi), etc. Examples thereof include lithium lithium salts of fluoroalkanesulfonic acid derivatives. One electrolyte salt may be used alone, or a plurality of electrolyte salts may be mixed and used.
この電解液は、更に、添加剤として、ラクトンを含んでいる。電解液の分解反応を更に抑制することができ、安定性をより向上させることができるからである。 This electrolytic solution further contains a lactone as an additive. This is because the decomposition reaction of the electrolytic solution can be further suppressed, and the stability can be further improved.
このようなラクトンとしては、例えば、化2に示した化合物あるいは化3に示した化合物が挙げられる。 Examples of such a lactone include the compound shown in Chemical Formula 2 or the compound shown in Chemical Formula 3.
具体的に例を挙げれば、化4(1)に示したβ−プロピオラクトン,化4(2)に示したβ−ブチロラクトン,化4(3)に示したジケテン,化4(4)に示したγ−ブチロラクトン,化4(5)に示したγ−バレロラクトン,化4(6)に示したγ−クロトノラクトン,化4(7)に示した2−クマラノン,化4(8)に示したフタリド,化4(9)に示したδ−バレロラクトン,化4(10)に示したδ−カプロラクトン,化4(11)に示したα−ピロン,化4(12)に示したクマリン,化4(13)に示した3,4−ジヒドロクマリン,化4(14)に示したε−カプロラクトン、またはこれらのアルキル置換体などの誘導体がある。 For example, β-propiolactone shown in Chemical formula 4 (1), β-butyrolactone shown in Chemical formula 4 (2), diketene shown in Chemical formula 4 (3), Chemical formula 4 (4) Γ-butyrolactone shown, γ-valerolactone shown in chemical formula 4 (5), γ-crotonolactone shown in chemical formula 4 (6), 2-coumaranone shown in chemical formula 4 (7), chemical formula 4 (8) Phthalide shown in Chemical Formula 4 (9), δ-valerolactone shown in Chemical Formula 4 (9), δ-caprolactone shown in Chemical Formula 4 (10), α-pyrone shown in Chemical Formula 4 (11), chemical formula 4 (12) There are derivatives such as coumarin, 3,4-dihydrocoumarin shown in Chemical formula 4 (13), ε-caprolactone shown in Chemical formula 4 (14), or alkyl-substituted products thereof.
中でも、β−プロピオラクトン,β−ブチロラクトンあるいはジケテンなどの4員環のラクトン環を有する化合物(β−ラクトン)、またはδ−バレロラクトン,δ−カプロラクトン,α−ピロン,クマリンあるいは3,4−ジヒドロクマリンなどの6員環のラクトン環を有する化合物(δ−ラクトン)、またはε−カプロラクトンなどの7員環のラクトン環を有する化合物(ε−ラクトン)、またはγ−クロトノラクトンなどの二重結合をラクトン環内に有する化合物が好ましい。電解液の安定性を更に向上させることができるからである。なお、ラクトン環は、−CO−O−を有する環をいう。 Among them, compounds having a 4-membered lactone ring such as β-propiolactone, β-butyrolactone or diketene (β-lactone), δ-valerolactone, δ-caprolactone, α-pyrone, coumarin or 3,4- A compound having a 6-membered lactone ring such as dihydrocoumarin (δ-lactone), a compound having a 7-membered lactone ring such as ε-caprolactone (ε-lactone), or a double such as γ-crotonolactone A compound having a bond in the lactone ring is preferred. This is because the stability of the electrolytic solution can be further improved. Note that the lactone ring refers to a ring having —CO—O—.
これらのラクトンの含有量は、0.1質量%以上2質量%以下の範囲内であることが好ましい。この範囲内で特に電解液の安定性が向上するからである。 The content of these lactones is preferably in the range of 0.1% by mass to 2% by mass. This is because the stability of the electrolytic solution is particularly improved within this range.
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.
(第1の二次電池)
図1は、本実施の形態に係る電解液を用いた第1の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。
(First secondary battery)
FIG. 1 shows a cross-sectional configuration of a first secondary battery using the electrolytic solution according to the present embodiment. This secondary battery is a so-called cylindrical type, and a
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 battery lid 14, 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と、正極集電体21Aの両面に設けられた正極活物質層21Bとを有している。正極集電体21Aは、例えば、アルミニウム,ニッケルあるいはステンレスなどの金属材料により構成されている。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。
FIG. 2 shows an enlarged part of the spirally
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、コバルト酸リチウム、ニッケル酸リチウム、あるいはこれらを含む固溶体(Li(Nif Cog Mnh )O2 ))(f,gおよびhの値は0<f<1,0<g<1,0<h<1,f+g+h=1である。)、またはマンガンスピネル(LiMn2 O4 )あるいはその固溶体(Li(Mn2-z Niz )O4 )(zの値はz<2である。)などのリチウム複合酸化物、またはリン酸鉄リチウム(LiFePO4 )などのオリビン構造を有するリン酸化合物が好ましい。高いエネルギー密度を得ることができるからである。また、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、酸化チタン,酸化バナジウムあるいは二酸化マンガンなどの酸化物、二硫化鉄,二硫化チタンあるいは硫化モリブデンなどの二硫化物、硫黄、ポリアニリンあるいはポリチオフェンなどの導電性高分子も挙げられる。 As a cathode material capable of inserting and extracting lithium, for example, lithium cobalt oxide, a solid solution containing lithium nickelate, or these (Li (Ni f Co g Mn h) O 2)) (f, g and h Is 0 <f <1, 0 <g <1, 0 <h <1, f + g + h = 1), or manganese spinel (LiMn 2 O 4 ) or its solid solution (Li (Mn 2−z Ni z). Lithium composite oxides such as) O 4 ) (the value of z is z <2) or phosphate compounds having an olivine structure such as lithium iron phosphate (LiFePO 4 ) are preferred. This is because a high energy density can be obtained. Examples of positive electrode materials capable of occluding and releasing lithium include oxides such as titanium oxide, vanadium oxide and manganese dioxide, disulfides such as iron disulfide, titanium disulfide and molybdenum sulfide, sulfur, Examples thereof include conductive polymers such as polyaniline and polythiophene.
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22Aは、例えば、銅(Cu),ニッケルあるいはステンレス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することが可能な負極材料のいずれか1種または2種以上を含んでいる。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、スズまたはケイ素を構成元素として含む材料が挙げられる。スズおよびケイ素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。
The negative electrode
このような負極材料としては、具体的には、スズの単体,合金,あるいは化合物、またはケイ素の単体,合金,あるいは化合物、またはこれらの1種あるいは2種以上の相を少なくとも一部に有する材料が挙げられる。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。 As such a negative electrode material, specifically, a simple substance, an alloy, or a compound of tin, a simple substance, an alloy, or a compound of silicon, or a material having one or more phases thereof at least in part. Is mentioned. 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.
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(Co),マンガン(Mn),亜鉛(Zn),インジウム(In),銀(Ag),チタン(Ti),ゲルマニウム(Ge),ビスマス(Bi),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 the second constituent element other than tin, silicon, nickel, copper, iron, cobalt (Co), manganese (Mn), zinc (Zn), indium (In), silver (Ag) , Titanium (Ti), germanium (Ge), bismuth (Bi), antimony (Sb), and 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(O)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 (O) or carbon (C), and may contain the second constituent element described above in addition to tin or silicon.
中でも、この負極材料としては、スズと、コバルトと、炭素とを構成元素として含み、炭素の含有量が9.9質量%以上29.7質量%以下であり、かつスズとコバルトとの合計に対するコバルトの割合Co/(Sn+Co)が30質量%以上70質量%以下であるCoSnC含有材料が好ましい。このような組成範囲において高い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からである。 Among these, as this negative electrode material, tin, cobalt, and carbon are included as constituent elements, the carbon content is 9.9 mass% or more and 29.7 mass% or less, and the total of tin and cobalt is A CoSnC-containing material having a cobalt ratio Co / (Sn + Co) of 30% by mass to 70% by mass is preferable. This is because a high energy density can be obtained in such a composition range, and excellent cycle characteristics can be obtained.
このCoSnC含有材料は、必要に応じて更に他の構成元素を含んでいてもよい。他の構成元素としては、例えば、ケイ素,鉄,ニッケル,クロム,インジウム,ニオブ(Nb),ゲルマニウム,チタン,モリブデン(Mo),アルミニウム,リン(P),ガリウム(Ga)またはビスマスが好ましく、2種以上を含んでいてもよい。容量またはサイクル特性を更に向上させることができるからである。 This CoSnC-containing material may further contain other constituent elements as necessary. As other constituent elements, for example, silicon, iron, nickel, chromium, indium, niobium (Nb), germanium, titanium, molybdenum (Mo), aluminum, phosphorus (P), gallium (Ga) or bismuth is preferable. It may contain more than seeds. This is because the capacity or cycle characteristics can be further improved.
なお、このCoSnC含有材料は、スズと、コバルトと、炭素とを含む相を有しており、この相は結晶性の低いまたは非晶質な構造を有していることが好ましい。また、このCoSnC含有材料では、構成元素である炭素の少なくとも一部が、他の構成元素である金属元素または半金属元素と結合していることが好ましい。サイクル特性の低下はスズなどが凝集あるいは結晶化することによるものであると考えられるが、炭素が他の元素と結合することにより、そのような凝集あるいは結晶化を抑制することができるからである。 This CoSnC-containing material has a phase containing tin, cobalt, and carbon, and this phase preferably has a low crystallinity or an amorphous structure. In this CoSnC-containing material, it is preferable that at least a part of carbon as a constituent element is bonded to a metal element or a semimetal element as another constituent element. The decrease in cycle characteristics is thought to be due to the aggregation or crystallization of tin or the like, but this is because such aggregation or crystallization can be suppressed by combining carbon with other elements. .
元素の結合状態を調べる測定方法としては、例えばX線光電子分光法(X-ray Photoelectron Spectroscopy;XPS)が挙げられる。XPSでは、炭素の1s軌道(C1s)のピークは、グラファイトであれば、金原子の4f軌道(Au4f)のピークが84.0eVに得られるようにエネルギー較正された装置において、284.5eVに現れる。また、表面汚染炭素であれば、284.8eVに現れる。これに対して、炭素元素の電荷密度が高くなる場合、例えば炭素が金属元素または半金属元素と結合している場合には、C1sのピークは、284.5eVよりも低い領域に現れる。すなわち、CoSnC含有材料について得られるC1sの合成波のピークが284.5eVよりも低い領域に現れる場合には、CoSnC含有材料に含まれる炭素の少なくとも一部が他の構成元素である金属元素または半金属元素と結合している。 As a measuring method for examining the bonding state of elements, for example, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) can be cited. In XPS, the peak of the carbon 1s orbital (C1s) appears at 284.5 eV in an energy calibrated apparatus so that the peak of the gold atom 4f orbital (Au4f) is obtained at 84.0 eV if it is graphite. . Moreover, if it is surface contamination carbon, it will appear at 284.8 eV. On the other hand, when the charge density of the carbon element increases, for example, when carbon is bonded to a metal element or a metalloid element, the C1s peak appears in a region lower than 284.5 eV. That is, when the peak of the synthetic wave of C1s obtained for the CoSnC-containing material appears in a region lower than 284.5 eV, at least a part of the carbon contained in the CoSnC-containing material is a metal element or a half of other constituent elements. Combined with metal elements.
なお、XPS測定では、スペクトルのエネルギー軸の補正に、例えばC1sのピークを用いる。通常、表面には表面汚染炭素が存在しているので、表面汚染炭素のC1sのピークを284.8eVとし、これをエネルギー基準とする。XPS測定では、C1sのピークの波形は、表面汚染炭素のピークとCoSnC含有材料中の炭素のピークとを含んだ形として得られるので、例えば市販のソフトウエアを用いて解析することにより、表面汚染炭素のピークと、CoSnC含有材料中の炭素のピークとを分離する。波形の解析では、最低束縛エネルギー側に存在する主ピークの位置をエネルギー基準(284.8eV)とする。 In XPS measurement, for example, the C1s peak is used to correct the energy axis of the spectrum. Usually, since surface-contaminated carbon exists on the surface, the C1s peak of the surface-contaminated carbon is set to 284.8 eV, which is used as an energy standard. In the XPS measurement, the waveform of the C1s peak is obtained as a shape including the surface contamination carbon peak and the carbon peak in the CoSnC-containing material. For example, by analyzing using a commercially available software, the surface contamination The carbon peak and the carbon peak in the CoSnC-containing material are separated. In the waveform analysis, the position of the main peak existing on the lowest bound energy side is used as the energy reference (284.8 eV).
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、また例えば、リチウムと合金を形成可能な他の金属元素または他の半金属元素を構成元素として含む材料を用いることもできる。このような金属元素あるいは半金属元素としては、マグネシウム(Mg),ホウ素(B),アルミニウム,ガリウム,インジウム,ゲルマニウム,鉛(Pb),ビスマス,カドミウム(Cd),銀,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。 As a negative electrode material capable of inserting and extracting lithium, for example, a material containing another metal element or other metalloid element capable of forming an alloy with lithium as a constituent element can also be used. Such metal elements or metalloid elements include magnesium (Mg), boron (B), aluminum, gallium, indium, germanium, lead (Pb), bismuth, cadmium (Cd), silver, zinc, hafnium (Hf). , Zirconium (Zr), yttrium (Y), palladium (Pd), or platinum (Pt).
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、また例えば、黒鉛,難黒鉛化性炭素あるいは易黒鉛化性炭素などの炭素材料を用いてもよく、また、これらの炭素材料と、上述した負極材料とを共に用いるようにしてもよい。炭素材料は、リチウムの吸蔵および放出に伴う結晶構造の変化が非常に少なく、例えば上述した負極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、更に導電剤としても機能するので好ましい。 As a negative electrode material capable of inserting and extracting lithium, for example, a carbon material such as graphite, non-graphitizable carbon, or graphitizable carbon may be used. The negative electrode material may be used together. The carbon material has very little change in crystal structure due to insertion and extraction of lithium. For example, when used together with the negative electrode material described above, a high energy density and excellent cycle characteristics can be obtained. It is also preferable because it functions as a conductive agent.
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、本実施の形態に係る電解液が含浸されている。これにより、電極の表面に良好な被膜が形成され、電解液の分解が抑制されるようになっている。特に、4員環のラクトン環を有する化合物、6員環のラクトン環を有する化合物、7員環のラクトン環を有する化合物あるいは二重結合をラクトン環内に有する化合物は、反応性が高いので、更に良好な被膜を形成することができるので好ましい。
The
この二次電池は、例えば、次のようにして製造することができる。 For example, the secondary battery can be manufactured as follows.
まず、例えば、正極集電体21Aに正極活物質層21Bを形成し正極21を作製する。正極活物質層21Bは、例えば、正極活物質の粉末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ペースト状の正極合剤スラリーとし、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、圧縮成型することにより形成する。また、例えば、正極21と同様にして、負極集電体22Aに負極活物質層22Bを形成し負極22を作製する。
First, for example, the positive electrode active material layer 21B is formed on the positive 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1,2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、電解液にはハロゲン原子を有する環式炭酸エステル誘導体と、ラクトンとが含まれているので、電極の表面に良好な被膜が形成され、電解液の分解反応が抑制される。
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、電解液にハロゲン原子を有する環式炭酸エステル誘導体と、ラクトンとを含むようにしたので、充放電効率を向上させることができ、サイクル特性を向上させることができる。 As described above, according to the present embodiment, since the electrolytic solution includes the cyclic carbonate derivative having a halogen atom and the lactone, the charge / discharge efficiency can be improved and the cycle characteristics can be improved. Can do.
特に、ラクトンとして、4員環のラクトン環を有する化合物,6員環のラクトン環を有する化合物,7員環のラクトン環を有する化合物あるいは二重結合をラクトン環内に有する化合物を用いるようにすれば、高い効果を得ることができる。 In particular, as a lactone, a compound having a 4-membered lactone ring, a compound having a 6-membered lactone ring, a compound having a 7-membered lactone ring, or a compound having a double bond in the lactone ring may be used. High effects can be obtained.
また、電解液におけるラクトンの含有量を0.1質量%以上2質量%以下の範囲内とするようにすれば、より高い効果を得ることができる。 Further, if the lactone content in the electrolytic solution is in the range of 0.1% by mass or more and 2% by mass or less, a higher effect can be obtained.
更にまた、負極22に電極反応物質を吸蔵および放出することが可能であり、構成元素として金属元素および半金属元素のうちの少なくとも1種を含む材料を含有する場合に、あるいは構成元素としてスズおよびケイ素のうちの少なくとも一方を含む負極材料を含有する場合に、特に高い効果を得ることができる。
Furthermore, it is possible to occlude and release the electrode reactant in the
(第2の二次電池)
第2の二次電池は、負極の構成が異なることを除き、他は第1の二次電池と同様の構成および作用を有しており、同様にして製造することができる。よって、図1および図2を参照し、対応する構成要素には同一の符号を付して同一の部分の説明は省略する。
(Secondary secondary battery)
The second secondary battery has the same configuration and operation as the first secondary battery except that the configuration of the negative electrode is different, and can be manufactured in the same manner. Therefore, with reference to FIG. 1 and FIG. 2, the same code | symbol is attached | subjected to a corresponding component and description of the same part is abbreviate | omitted.
負極22は、第1の二次電池と同様に、負極集電体22Aの両面に負極活物質層22Bが設けられた構造を有している。負極活物質層22Bは、例えば、スズまたはケイ素を構成元素として含む負極活物質を含有している。具体的には、例えば、スズの単体,合金,あるいは化合物、またはケイ素の単体,合金,あるいは化合物を含有しており、それらの2種以上を含有していてもよい。
Similar to the first secondary battery, the
また、負極活物質層22Bは、例えば、気相法,液相法,溶射法あるいは焼成法、またはそれらの2以上の方法を用いて形成されたものであり、負極活物質層22Bと負極集電体22Aとが界面の少なくとも一部において合金化していることが好ましい。具体的には、界面において負極集電体22Aの構成元素が負極活物質層22Bに、または負極活物質の構成元素が負極集電体22Aに、またはそれらが互いに拡散していることが好ましい。充放電に伴う負極活物質層22Bの膨張・収縮による破壊を抑制することができると共に、負極活物質層22Bと負極集電体22Aとの間の電子伝導性を向上させることができるからである。なお、焼成法というのは、例えば、粒子状の負極活物質を結着剤などと混合して溶剤に分散させ、塗布したのち、結着剤などの融点よりも高い温度で熱処理する方法である。
The negative electrode
(第3の二次電池)
図3は、第3の二次電池の構成を表すものである。この二次電池は、いわゆるラミネートフィルム型といわれるものであり、正極リード31および負極リード32が取り付けられた巻回電極体30をフィルム状の外装部材40の内部に収容したものである。
(Third secondary battery)
FIG. 3 shows the configuration of the third secondary battery. This secondary battery is a so-called laminate film type, and has a
正極リード31および負極リード32は、それぞれ、外装部材40の内部から外部に向かい例えば同一方向に導出されている。正極リード31および負極リード32は、例えば、アルミニウム,銅,ニッケルあるいはステンレスなどの金属材料によりそれぞれ構成されており、それぞれ薄板状または網目状とされている。
The
外装部材40は、例えば、ナイロンフィルム,アルミニウム箔およびポリエチレンフィルムをこの順に貼り合わせた矩形状のアルミラミネートフィルムにより構成されている。外装部材40は、例えば、ポリエチレンフィルム側と巻回電極体30とが対向するように配設されており、各外縁部が融着あるいは接着剤により互いに密着されている。外装部材40と正極リード31および負極リード32との間には、外気の侵入を防止するための密着フィルム41が挿入されている。密着フィルム41は、正極リード31および負極リード32に対して密着性を有する材料、例えば、ポリエチレン,ポリプロピレン,変性ポリエチレンあるいは変性ポリプロピレンなどのポリオレフィン樹脂により構成されている。
The
なお、外装部材40は、上述したアルミラミネートフィルムに代えて、他の構造を有するラミネートフィルム,ポリプロピレンなどの高分子フィルムあるいは金属フィルムにより構成するようにしてもよい。
The
図4は、図3に示した巻回電極体30のI−I線に沿った断面構造を表すものである。電極巻回体30は、正極33と負極34とをセパレータ35および電解質層36を介して積層し、巻回したものであり、最外周部は保護テープ37により保護されている。
FIG. 4 shows a cross-sectional structure taken along line II of the spirally
正極33は、正極集電体33Aの両面に正極活物質層33Bが設けられた構造を有している。負極34は、負極集電体34Aの両面に負極活物質層34Bが設けられた構造を有しており、負極活物質層34Bと正極活物質層33Bとが対向するように配置されている。正極集電体33A,正極活物質層33B,負極集電体34A,負極活物質層34Bおよびセパレータ35の構成は、上述した第1あるいは第2の二次電池における正極集電体21A,正極活物質層21B,負極集電体22A,負極活物質層22Bおよびセパレータ23と同様である。
The
電解質層36は、本実施の形態に係る電解液と、この電解液を保持する保持体となる高分子化合物とを含み、いわゆるゲル状となっている。ゲル状の電解質は高いイオン伝導率を得ることができると共に、電池の漏液を防止することができるので好ましい。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あるいはアクリレート系高分子化合物、またはポリフッ化ビニリデンあるいはフッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンとの共重合体などのフッ化ビニリデンの重合体が挙げられ、これらのうちのいずれか1種または2種以上が混合して用いられる。特に、酸化還元安定性の観点からは、フッ化ビニリデンの重合体などのフッ素系高分子化合物を用いることが望ましい。
The
この二次電池は、例えば、次のようにして製造することができる。 For example, the secondary battery can be manufactured as follows.
まず、正極33および負極34のそれぞれに、電解液と、高分子化合物と、混合溶剤とを含む前駆溶液を塗布し、混合溶剤を揮発させて電解質層36を形成する。次いで、正極集電体33Aに正極リード31を取り付けると共に、負極集電体34Aに負極リード32を取り付ける。続いて、電解質層36が形成された正極33と負極34とをセパレータ35を介して積層し積層体としたのち、この積層体をその長手方向に巻回して、最外周部に保護テープ37を接着して巻回電極体30を形成する。そののち、例えば、外装部材40の間に巻回電極体30を挟み込み、外装部材40の外縁部同士を熱融着などにより密着させて封入する。その際、正極リード31および負極リード32と外装部材40との間には密着フィルム41を挿入する。これにより、図3,4に示した二次電池が完成する。
First, a precursor solution containing an electrolytic solution, a polymer compound, and a mixed solvent is applied to each of the
また、この二次電池は、次のようにして作製してもよい。まず、上述したようにして正極33および負極34を作製し、正極33および負極34に正極リード31および負極リード32を取り付けたのち、正極33と負極34とをセパレータ35を介して積層して巻回し、最外周部に保護テープ37を接着して、巻回電極体30の前駆体である巻回体を形成する。次いで、この巻回体を外装部材40に挟み、一辺を除く外周縁部を熱融着して袋状とし、外装部材40の内部に収納する。続いて、電解液と、高分子化合物の原料であるモノマーと、重合開始剤と、必要に応じて重合禁止剤などの他の材料とを含む電解質用組成物を用意し、外装部材40の内部に注入したのち、外装部材40の開口部を熱融着して密封する。そののち、熱を加えてモノマーを重合させて高分子化合物とすることによりゲル状の電解質層36を形成し、図3,4に示した二次電池を組み立てる。
Further, this secondary battery may be manufactured as follows. First, the
この二次電池の作用および効果は、上述した第1あるいは第2の二次電池と同様である。 The operation and effect of this secondary battery are the same as those of the first or second secondary battery described above.
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1−1〜1−15)
図5に示したコイン型の二次電池を作製した。この二次電池は、正極51と、負極52とを電解液を含浸させたセパレータ53を介して積層し、外装缶54と外装カップ55との間に挟み、ガスケット56を介してかしめたものである。まず、正極活物質としてリチウムコバルト複合酸化物(LiCoO2 )94質量部と、導電剤としてグラファイト3質量部と、結着剤としてポリフッ化ビニリデン3質量部とを混合したのち、溶剤としてN−メチル−2−ピロリドンを添加し正極合剤スラリーを得た。次いで、得られた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51Aに均一に塗布し乾燥させて厚み70μmの正極活物質層51Bを形成した。そののち、正極活物質層51Bが形成された正極集電体51Aを直径15mmの円形に打ち抜き、正極51を作製した。
(Examples 1-1 to 1-15)
The coin-type secondary battery shown in FIG. 5 was produced. This secondary battery is formed by laminating a
また、厚み15μmの銅箔よりなる負極集電体52Aの上にスパッタ法により厚み5μmのケイ素よりなる負極活物質層52Bを形成した。そののち、負極活物質層52Bが形成された負極集電体52Aを直径16mmの円形に打ち抜き、負極52を作製した。
A negative electrode
次いで、正極51と負極52とを厚み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53を介して積層したのち、セパレータ53に電解液0.1gを注液して、これらをステンレスよりなる外装カップ55と外装缶54との中に入れ、それらをかしめることにより、図5に示した二次電池を得た。電解液は、高誘電率溶媒としてハロゲン原子を有する環式炭酸エステル誘導体と、低粘度溶媒として炭酸ジメチルと、電解質塩として六フッ化リン酸リチウムとを、環式炭酸エステル誘導体:炭酸ジメチル:六フッ化リン酸リチウム=42:42:16の質量比で混合し、更に、添加剤としてラクトンを添加した。その際、電解液におけるラクトンの含有量は1質量%となるようにした。また、環式炭酸エステル誘導体は、実施例1−1では、4−クロロ−1,3−ジオキソラン−2−オンとし、実施例1−2〜1−15では、4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンとした。更にラクトンは、実施例1−1,1−2では化4(14)に示したε−カプロラクトンとし、実施例1−3では化4(9)に示したδ−バレロラクトンとし、実施例1−4では化4(10)に示したδ−カプロラクトンとし、実施例1−5では化4(1)に示したβ−プロピオラクトンとし、実施例1−6では化4(2)に示したβ−ブチロラクトンとし、実施例1−7では化4(3)に示したジケテンとし、実施例1−8では化4(6)に示したγ−クロトノラクトンとし、実施例1−9では化4(7)に示した2−クマラノンとし、実施例1−10では化4(8)に示したフタリドとし、実施例1−11では化4(11)に示したα−ピロンとし、実施例1−12では化4(12)に示したクマリンとし、実施例1−13では化4(13)に示した3,4−ジヒドロクマリンとし、実施例1−14では化4(4)に示したγ−ブチロラクトンとし、実施例1−15では化4(5)に示したγ−バレロラクトンとした。
Next, the
実施例1−1〜1−15に対する比較例1−1として、高誘電率溶媒を炭酸エチレンとし、添加剤をε−カプロラクトンとしたことを除き、他は実施例1−1〜1−15と同様にして二次電池を作製した。また、比較例1−2として、高誘電率溶媒を炭酸エチレンとし、添加剤を添加しなかったことを除き、他は実施例1−1〜1−15と同様にして二次電池を作製した。更に、比較例1−3,1−4として、高誘電率溶媒を4−クロロ−1,3−ジオキソラン−2−オンまたは4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンとし、添加剤を添加しなかったことを除き、他は実施例1−1〜1−15と同様にして二次電池を作製した。 As Comparative Example 1-1 with respect to Examples 1-1 to 1-15, except that the high dielectric constant solvent was ethylene carbonate and the additive was ε-caprolactone, the others were the same as those of Examples 1-1 to 1-15. Similarly, a secondary battery was produced. Further, as Comparative Example 1-2, a secondary battery was fabricated in the same manner as in Examples 1-1 to 1-15 except that the high dielectric constant solvent was ethylene carbonate and the additive was not added. . Furthermore, as Comparative Examples 1-3 and 1-4, the high dielectric constant solvent was 4-chloro-1,3-dioxolan-2-one or 4-fluoro-1,3-dioxolan-2-one, and the additive was A secondary battery was fabricated in the same manner as in Examples 1-1 to 1-15, except that the addition was not performed.
得られた実施例1−1〜1−15および比較例1−1〜1−4の二次電池について、1.77mAで4.2Vを上限として12時間充電し、その後10分間休止して1.77mAで2.5Vに達するまで放電するという充放電を繰り返し、50サイクル目の放電容量維持率を求めた。50サイクル目の放電容量維持率は、(50サイクル目の放電容量/初回放電容量)×100(%)として計算した。結果を表1に示す。 For the obtained secondary batteries of Examples 1-1 to 1-15 and Comparative examples 1-1 to 1-4, the battery was charged at 1.77 mA with 4.2 V as the upper limit for 12 hours, and then rested for 10 minutes. Charging / discharging of discharging until it reached 2.5 V at .77 mA was repeated, and the discharge capacity maintenance rate at the 50th cycle was determined. The discharge capacity retention ratio at the 50th cycle was calculated as (discharge capacity at the 50th cycle / initial discharge capacity) × 100 (%). The results are shown in Table 1.
表1から分かるように、4−クロロ−1,3−ジオキソラン−2−オンまたは4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンと、ε−カプロラクトンとを用いた実施例1−1,1−2によれば、4−クロロ−1,3−ジオキソラン−2−オンまたは4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンを用いなかった比較例1−1よりも放電容量維持率が向上した。また、ε−カプロラクトンを用いなかった比較例1−3,1−4よりもそれぞれ放電容量維持率が向上した。更にまた、これらの双方を用いていない比較例1−2よりも放電容量維持率が飛躍的に向上した。加えて、他のラクトンを用いた実施例1−3〜1−15においても、実施例1−2と同様に放電容量維持率が向上し、特に、ε−カプロラクトン,δ−バレロラクトン,δ−カプロラクトン,β−プロピオラクトン,β−ブチロラクトン,ジケテン,γ−クロトノラクトン,α−ピロン,クマリンあるいは3,4−ジヒドロクマリンを用いた場合に高い値が得られた。 As can be seen from Table 1, Examples 1-1 and 1 using 4-chloro-1,3-dioxolan-2-one or 4-fluoro-1,3-dioxolan-2-one and ε-caprolactone were used. -2 improves the discharge capacity retention rate over Comparative Example 1-1 in which 4-chloro-1,3-dioxolan-2-one or 4-fluoro-1,3-dioxolan-2-one was not used. did. In addition, the discharge capacity retention ratio was improved as compared with Comparative Examples 1-3 and 1-4 in which ε-caprolactone was not used. Furthermore, the discharge capacity retention rate was dramatically improved over Comparative Example 1-2 in which neither of these was used. In addition, in Examples 1-3 to 1-15 using other lactones, the discharge capacity retention rate was improved similarly to Example 1-2, and in particular, ε-caprolactone, δ-valerolactone, δ- High values were obtained when caprolactone, β-propiolactone, β-butyrolactone, diketene, γ-crotonolactone, α-pyrone, coumarin or 3,4-dihydrocoumarin were used.
すなわち、電解液にハロゲン原子を有する環式炭酸エステル誘導体と、ラクトンと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、特に、ラクトンとして4員環のラクトン環を有する化合物,6員環のラクトン環を有する化合物,7員環のラクトン環を有する化合物あるいは二重結合をラクトン環内に有する化合物を用いるようにすれば、好ましいことが分かった。 That is, if the electrolytic solution contains a cyclic carbonate derivative having a halogen atom and a lactone, the cycle characteristics can be improved. Particularly, a compound having a 4-membered lactone ring as the lactone, 6-membered It has been found that it is preferable to use a compound having a ring lactone ring, a compound having a 7-membered lactone ring, or a compound having a double bond in the lactone ring.
(実施例2−1〜2−15,3−1〜3−15)
実施例2−1〜2−15として、負極活物質にスズを用い、厚み15μmの銅箔よりなる負極集電体52Aの上に蒸着法により厚み5μmのスズよりなる負極活物質層52Bを形成したことを除き、他は実施例1−1〜1−15と同様にしてコイン型の二次電池を作製した。
(Examples 2-1 to 2-15, 3-1 to 3-15)
As Examples 2-1 to 2-15, tin is used as the negative electrode active material, and the negative electrode
実施例3−1〜3−15として、負極活物質にインジウムとチタンとを含むCoSnC含有材料粉末を用い、このCoSnC含有材料粉末94質量部と、導電剤として黒鉛3質量部と、結着剤としてポリフッ化ビニリデン3質量部とを、溶剤としてN−メチル−2−ピロリドンに分散させたのち、厚み15μmの銅箔よりなる負極集電体52Aに均一に塗布し乾燥させて厚み70μmの負極活物質層52Bを形成したことを除き、他は実施例1−1〜1−15と同様にしてコイン型の二次電池を作製した。
As Examples 3-1 to 3-15, using a CoSnC-containing material powder containing indium and titanium as a negative electrode active material, 94 parts by mass of this CoSnC-containing material powder, 3 parts by mass of graphite as a conductive agent, and a binder 3 parts by weight of polyvinylidene fluoride as a solvent is dispersed in N-methyl-2-pyrrolidone as a solvent, and then uniformly applied to a negative electrode current collector 52A made of a copper foil having a thickness of 15 μm and dried to obtain a negative electrode active having a thickness of 70 μm. A coin-type secondary battery was fabricated in the same manner as in Examples 1-1 to 1-15 except that the
その際、CoSnC含有材料粉末は、スズ−コバルト−インジウム−チタン合金粉末と、炭素粉末とを混合し、メカノケミカル反応を利用して合成した。得られたCoSnC含有材料について組成の分析を行ったところ、スズの含有量は48.0質量%、コバルトの含有量は23.0質量%、インジウムの含有量は5.0質量%、チタンの含有量は2.0質量%、炭素の含有量は20.0質量%、スズとコバルトとの合計に対するコバルトの割合Co/(Sn+Co)は32質量%であった。なお、炭素の含有量は、炭素・硫黄分析装置により測定し、スズ,コバルト,インジウムおよびチタンの含有量は、ICP(Inductively Coupled Plasma:誘導結合プラズマ)発光分析により測定した。また、得られたCoSnC含有材料についてX線回折を行ったところ、回折角2θ=20°〜50°の間に、回折角2θが1.0°以上の広い半値幅を有する回折ピークが観察された。更に、このCoSnC含有材料についてXPSを行ったところ、図6に示したようにピークP1が得られた。ピークP1を解析すると、表面汚染炭素のピークP2と、ピークP2よりも低エネルギー側にCoSnC含有材料中におけるC1sのピークP3とが得られた。このピークP3は、284.5eVよりも低い領域に得られた。すなわち、CoSnC含有材料中の炭素が他の元素と結合していることが確認された。 At that time, the CoSnC-containing material powder was synthesized by mixing a tin-cobalt-indium-titanium alloy powder and a carbon powder and utilizing a mechanochemical reaction. When the composition of the obtained CoSnC-containing material was analyzed, the tin content was 48.0% by mass, the cobalt content was 23.0% by mass, the indium content was 5.0% by mass, The content was 2.0% by mass, the carbon content was 20.0% by mass, and the ratio Co / (Sn + Co) of cobalt to the total of tin and cobalt was 32% by mass. The carbon content was measured by a carbon / sulfur analyzer, and the contents of tin, cobalt, indium and titanium were measured by ICP (Inductively Coupled Plasma) emission analysis. Further, when X-ray diffraction was performed on the obtained CoSnC-containing material, a diffraction peak having a wide half-width with a diffraction angle 2θ of 1.0 ° or more was observed between diffraction angles 2θ = 20 ° to 50 °. It was. Further, when XPS was performed on the CoSnC-containing material, a peak P1 was obtained as shown in FIG. When the peak P1 was analyzed, a peak P2 of surface contamination carbon and a peak P3 of C1s in the CoSnC-containing material on the lower energy side than the peak P2 were obtained. This peak P3 was obtained in a region lower than 284.5 eV. That is, it was confirmed that carbon in the CoSnC-containing material was bonded to other elements.
これらの実施例に対する比較例2−1〜2−4,3−1〜3−4として、比較例1−1〜1−4と同様の電解液を用いたことを除き、他は実施例2−1〜2−15,3−1〜3−15と同様にして二次電池を作製した。 As Comparative Examples 2-1 to 2-4 and 3-1 to 3-4 with respect to these Examples, Example 2 was otherwise used except that the same electrolytic solution as Comparative Examples 1-1 to 1-4 was used. Secondary batteries were fabricated in the same manner as -1 to 2-15 and 3-1 to 3-15.
得られた実施例2−1〜2−15,3−1〜3−15および比較例2−1〜2−4,3−1〜3−4の二次電池についても、実施例1−1〜1−15と同様にして50サイクル目の放電容量維持率を求めた。結果を表2,3に示す。 Regarding the obtained secondary batteries of Examples 2-1 to 2-15, 3-1 to 3-15 and Comparative Examples 2-1 to 2-4 and 3-1 to 3-4, Example 1-1 was also performed. The discharge capacity retention ratio at the 50th cycle was determined in the same manner as ˜1-15. The results are shown in Tables 2 and 3.
表2,3から分かるように、実施例1−1〜1−15と同様に、4−クロロ−1,3−ジオキソラン−2−オンまたは4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンと、ε−カプロラクトンとを用いた実施例2−1,2−2,3−1,3−2によれば、4−クロロ−1,3−ジオキソラン−2−オンまたは4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンを用いなかった比較例2−1,3−1よりも放電容量維持率が向上した。また、ε−カプロラクトンを用いなかった比較例2−3,2−4,3−3,3−4よりもそれぞれ放電容量維持率が向上した。更にまた、これらの双方を用いていない比較例2−2,3−2よりも放電容量維持率が飛躍的に向上した。加えて、他のラクトンを用いた実施例2−3〜2−15,3−3〜3−15においても、実施例2−2,3−2と同様に放電容量維持率が向上し、特に、ε−カプロラクトン,δ−バレロラクトン,δ−カプロラクトン,β−プロピオラクトン,β−ブチロラクトン,ジケテン,γ−クロトノラクトン,α−ピロン,クマリンあるいは3,4−ジヒドロクマリンを用いた場合に高い値が得られた。 As can be seen from Tables 2 and 3, as in Examples 1-1 to 1-15, 4-chloro-1,3-dioxolan-2-one or 4-fluoro-1,3-dioxolan-2-one and According to Examples 2-1, 2-2, 3-1, 3-2 using ε-caprolactone, 4-chloro-1,3-dioxolan-2-one or 4-fluoro-1,3 -The discharge capacity retention ratio was improved as compared with Comparative Examples 2-1 and 3-1, which did not use dioxolan-2-one. In addition, the discharge capacity retention rate was improved as compared with Comparative Examples 2-3, 2-4, 3-3, 3-4 in which ε-caprolactone was not used. Furthermore, the discharge capacity retention rate was dramatically improved over Comparative Examples 2-2 and 3-2 which did not use both of them. In addition, in Examples 2-3 to 2-15 and 3-3 to 3-15 using other lactones, the discharge capacity retention rate was improved similarly to Examples 2-2 and 3-2. , Ε-caprolactone, δ-valerolactone, δ-caprolactone, β-propiolactone, β-butyrolactone, diketene, γ-crotonolactone, α-pyrone, coumarin or 3,4-dihydrocoumarin. A value was obtained.
すなわち、他の負極活物質を用いても、電解液にハロゲン原子を有する環式炭酸エステル誘導体と、ラクトンと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、特に、ラクトンとして4員環のラクトン環を有する化合物,6員環のラクトン環を有する化合物,7員環のラクトン環を有する化合物あるいは二重結合をラクトン環内に有する化合物を用いるようにすれば、好ましいことが分かった。 That is, even when other negative electrode active materials are used, if the electrolytic solution contains a cyclic carbonate derivative having a halogen atom and a lactone, the cycle characteristics can be improved. It has been found that it is preferable to use a compound having a ring lactone ring, a compound having a 6-membered lactone ring, a compound having a 7-membered lactone ring, or a compound having a double bond in the lactone ring. .
(実施例4−1,4−2,5−1,5−2,6−1,6−2)
電解液におけるε−カプロラクトンの含有量を2質量%または0.1質量としたことを除き、他は実施例1−2,2−2,3−2と同様にして二次電池を作製した。
(Examples 4-1, 4-2, 5-1, 5-2, 6-1, 6-2)
A secondary battery was fabricated in the same manner as in Examples 1-2, 2-2, and 3-2 except that the content of ε-caprolactone in the electrolytic solution was 2% by mass or 0.1% by mass.
これら実施例の二次電池についても、実施例1−1〜1−15と同様にして50サイクル目の放電容量維持率を求めた。結果を比較例1−4,2−4,3−4の結果と共に表4〜6に示す。 For the secondary batteries of these examples, the discharge capacity retention ratio at the 50th cycle was determined in the same manner as in Examples 1-1 to 1-15. The results are shown in Tables 4 to 6 together with the results of Comparative Examples 1-4, 2-4, and 3-4.
表4〜6から分かるように、電解液におけるε−カプロラクトンの含有量が0.1質量%以上2質量%以下の範囲内において、いずれも高い放電容量維持率が得られた。 As can be seen from Tables 4 to 6, a high discharge capacity retention rate was obtained in the range where the content of ε-caprolactone in the electrolytic solution was 0.1% by mass or more and 2% by mass or less.
すなわち、電解液におけるラクトンの含有量は、0.1質量%以上2質量%以下の範囲内であることが好ましいことが分かった。 That is, it was found that the lactone content in the electrolytic solution is preferably in the range of 0.1% by mass to 2% by mass.
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、電解質として電解液を用いる場合について説明し、更に上記実施の形態では、電解液を高分子化合物に保持させたゲル状電解質を用いる場合についても説明したが、他の電解質を用いるようにしてもよい。他の電解質としては、例えば、イオン伝導性セラミックス,イオン伝導性ガラスあるいはイオン性結晶などのイオン伝導性無機化合物と電解液とを混合したもの、または他の無機化合物と電解液とを混合したもの、またはこれらの無機化合物とゲル状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 embodiments and examples, and various modifications can be made. For example, in the above-described embodiments and examples, the case where an electrolytic solution is used as the electrolyte is described. In the above-described embodiment, the case where a gel electrolyte in which the electrolytic solution is held in a polymer compound is used is also described. Other electrolytes may be used. Other electrolytes include, for example, a mixture of an ion conductive inorganic compound such as ion conductive ceramics, ion conductive glass or ionic crystal and an electrolytic solution, or a mixture of another inorganic compound and an electrolytic solution. Or a mixture of these inorganic compounds and a gel electrolyte.
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、負極には、上記実施の形態で説明した負極活物質、例えばスズまたはケイ素を構成元素として含む材料などを同様にして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. At that time, the negative electrode active material described in the above embodiment, for example, a material containing tin or silicon as a constituent element can be used in the same manner for the negative electrode.
更に、上記実施の形態または実施例では、円筒型,ラミネートフィルム型あるいはコイン型の二次電池を具体的に挙げて説明したが、本発明はボタン型、あるいは角型などの他の形状を有する二次電池、または積層構造などの他の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。また、本発明は、二次電池に限らず、一次電池などの他の電池についても同様に適用することができる。 Further, in the above-described embodiment or example, a cylindrical type, laminated film type, or coin type secondary battery has been specifically described, but the present invention has other shapes such as a button type or a square type. The present invention can be similarly applied to a secondary battery or a secondary battery having another structure such as a laminated structure. Further, the present invention is not limited to the secondary battery, and can be similarly applied to other batteries such as a primary battery.
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、17,56…ガスケット、20,30…巻回電極体、21,33,51…正極、21A,33A,51A…正極集電体、21B,33B,51B…正極活物質層、22,34,52…負極、22A,34A,52A…負極集電体、22B,34B,52B…負極活物質層、23,35,53…セパレータ、24…センターピン、25,31…正極リード、26,32…負極リード、36…電解質層、37…保護テープ、40…外装部材、41…密着フィルム、54…外装缶、55…外装カップ。
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, 56 ... Gasket, 20, 30 ... Winding electrode body, 21 , 33, 51 ... positive electrode, 21A, 33A, 51A ... positive electrode current collector, 21B, 33B, 51B ... positive electrode active material layer, 22, 34, 52 ... negative electrode, 22A, 34A, 52A ... negative electrode current collector, 22B, 34B, 52B ... negative electrode active material layer, 23, 35, 53 ... separator, 24 ... center pin, 25, 31 ... positive electrode lead, 26, 32 ... negative electrode lead, 36 ... electrolyte layer, 37 ... protective tape, 40 ...
Claims (10)
ことを特徴とする電解液。 An electrolytic solution comprising a cyclic carbonate derivative having a halogen atom and a lactone.
前記電解液は、ハロゲン原子を有する環式炭酸エステル誘導体と、ラクトンとを含む
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 includes a cyclic carbonate derivative having a halogen atom and a lactone.
The battery according to claim 5, wherein the negative electrode contains a negative electrode material containing at least one of tin (Sn) and silicon (Si) as a constituent element.
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