JP2009038018A - 二次電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】負極活物質層の厚さを厚くした場合においてもサイクル特性を向上させることが可能な二次電池を提供する。
【解決手段】正極21および負極22と共に電解質を備え、正極21と負極22との間に設けられたセパレータ23に電解質が含浸されている。負極22の負極活物質層22Bは、負極活物質として炭素材料を含んでいると共に、30μm以上の厚さを有している。電解質の溶媒は、環状ジスルホン酸無水物などのスルホン化合物を含んでいる。充電時においてリチウムイオンのインターカレーションの効率が向上すると共に、充放電時において電解質の分解反応が抑制されるため、充放電を繰り返しても放電容量が低下しにくくなる。
【選択図】図2
【解決手段】正極21および負極22と共に電解質を備え、正極21と負極22との間に設けられたセパレータ23に電解質が含浸されている。負極22の負極活物質層22Bは、負極活物質として炭素材料を含んでいると共に、30μm以上の厚さを有している。電解質の溶媒は、環状ジスルホン酸無水物などのスルホン化合物を含んでいる。充電時においてリチウムイオンのインターカレーションの効率が向上すると共に、充放電時において電解質の分解反応が抑制されるため、充放電を繰り返しても放電容量が低下しにくくなる。
【選択図】図2
Description
本発明は、正極および負極と共に電解質を備えた二次電池に関する。
近年、ビデオカメラ、携帯電話あるいはノートパソコンなどのポータブル電子機器が広く普及しており、その小型化、軽量化および長寿命化が強く求められている。これに伴い、ポータブル電子機器の電源として、電池、特に軽量で高エネルギー密度を得ることが可能な二次電池の開発が進められている。
中でも、充放電反応にリチウム(Li)の吸蔵および放出を利用する二次電池(いわゆるリチウムイオン二次電池)は、鉛電池や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、高容量が実現されるため、大いに期待されている。
このリチウムイオン二次電池の材料構成としては、負極の負極活物質として炭素材料を用い、正極の正極活物質としてリチウムと遷移金属との複合酸化物を用い、電解質の溶媒として炭酸エステルの混合物を用いたものが知られている。炭酸エステルは水や他の有機溶媒と比較して耐酸化性および耐還元性に優れているため、高電圧が得られる。
また、リチウムイオン二次電池の電池構造としては、軽量でエネルギー密度が高いことから、アルミニウムラミネートフィルムなどの外装部材を用いたラミネートフィルム型が実用化されている。特に、電解質を高分子化合物に保持させてゲル状にしたもの(いわゆるポリマー二次電池)は、外装部材の変形を抑制することができるので、広く普及している。
負極活物質として炭素材料を用いたリチウムイオン二次電池において、さらなる高容量化を図るためには、1つの方法として、負極活物質層の厚さを厚くすると共に体積密度を高くすることで、二次電池中に占める負極活物質の割合を大きくする方法が挙げられる。以下では、負極活物質層の厚さを厚くすることを「厚塗り」と呼び、体積密度を高くすることを「高体積密度化」と呼ぶ。
しかしながら、負極活物質層を厚塗りや高体積密度化すると、高容量化が図られる一方で、負極活物質層への電解質の含浸性が低下したり、充電時におけるリチウムイオンのインターカレーションの効率が低下したりする。これにより、場合によってはリチウムがデンドライトとなって析出して失活するため、内部短絡が発生し、サイクル特性が低下してしまう可能性がある。
この問題を解決する方法としては、電解質の溶媒として炭酸ジメチルや炭酸エチルメチルなどの鎖状炭酸エステル(低粘度溶媒)を用いる方法が挙げられる。ところが、ラミネートフィルム型の二次電池において鎖状炭酸エステルを用いると、リチウムイオンのインターカレーションの効率が向上する一方で、高温雰囲気下においてガスの発生に起因して二次電池が膨れやすくなり、結果としてサイクル特性の低下を招いてしまう。この場合には、鎖状炭酸エステルとして炭酸ジエチルを用いることにより、二次電池の膨れを抑えることは可能であるが、負極活物質層が厚塗りや高体積密度化されていると、劇的なサイクル特性の低下を招いてしまう。
また、他の解決方法として、高い電気伝導度を有する炭酸プロピレンやγ−ブチロラクトンを炭酸エチレンや各種鎖状炭酸エステルと併用し、リチウムイオンの吸蔵能力を向上させる方法が挙げられる。ところが、負極活物質として炭素材料を用いた場合において炭酸プロピレン等を用いると、その炭酸プロピレン等が負極と反応して分解するため、サイクル特性の低下を招いてしまう。この傾向は、負極材料として黒鉛を用いた場合に顕著である。
この他、上記した問題を解決するために、電解質に各種添加剤を加える方法が検討されている。具体的には、サイクル特性、保存特性あるいは負荷特性などを向上させるために、添加剤として、鎖状ジスルホン酸無水物(例えば、特許文献1〜3参照。)や、環状ジスルホン酸無水物(例えば、特許文献4参照。)や、鎖状スルホン酸・カルボン酸無水物(例えば、特許文献5参照。)や、環状ジスルホン酸エステル化合物(例えば、特許文献6,7参照。)などのスルホン系化合物が用いられている。この方法では、スルホン系化合物が初回の充放電時に分解され、電極表面に被膜が形成される。これにより、充電時におけるリチウムイオンのインターカレーションの効率が向上すると共に、電解質の分解が抑制されるため、サイクル特性などが向上する。
特許第3760539号明細書
特開2004−253296号公報
特開2006−344391号公報
特開2004−022336号公報
特開2002−008718号公報
特開2005−135701号公報
特開2005−228631号公報
最近のポータブル電子機器では、高性能化および多機能化が益々進行する傾向にあるため、二次電池の充放電が頻繁に繰り返されることによって放電容量が低下しやすい傾向にある。このため、二次電池の高容量化に加えて、サイクル特性のより一層の向上も望まれている。
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、負極活物質層の厚さを厚くした場合であってもサイクル特性を向上させることが可能な二次電池を提供することにある。
本発明の二次電池は、正極および負極と共に電解質を備え、負極が負極集電体上に負極活物質層を有し、負極活物質層が炭素材料を含むと共に30μm以上の厚さを有し、電解質が溶媒および電解質塩を含み、溶媒が化1および化2で表されるスルホン化合物のうちの少なくとも1種を含有するものである。
本発明の二次電池によれば、負極の負極活物質層が炭素材料を含むと共に30μm以上の厚さを有し、電解質の溶媒が化1および化2に示したスルホン化合物のうちの少なくとも1種を含有するので、充電時における電極反応物質のインターカレーションの効率が向上すると共に、充放電時における電解質の分解が抑制される。したがって、負極活物質層の厚さを厚くして高容量化を図った場合においても、サイクル特性を向上させることができる。
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。
[第1の実施の形態]
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る二次電池の断面構成を表している。この二次電池は、例えば、負極の容量が電極反応物質であるリチウムの吸蔵および放出に基づいて表されるリチウムイオン二次電池である。
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る二次電池の断面構成を表している。この二次電池は、例えば、負極の容量が電極反応物質であるリチウムの吸蔵および放出に基づいて表されるリチウムイオン二次電池である。
この二次電池は、主に、ほぼ中空円柱状の電池缶11の内部に、正極21および負極22がセパレータ23を介して積層および巻回された巻回電極体20と、一対の絶縁板12,13とが収納されたものである。電池缶11は、例えば、ニッケル鍍金された鉄によって構成されており、その一端部および他端部はそれぞれ閉鎖および開放されている。一対の絶縁板12,13は、巻回電極体20を挟み、その巻回周面に対して垂直に延在するように配置されている。この円柱状の電池缶11を用いた電池構造は、円筒型と呼ばれている。
電池缶11の開放端部には、電池蓋14と、そ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って取り付けられている。これにより、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と同様の材料によって構成されている。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いる。この安全弁機構15では、内部短絡、あるいは外部からの加熱などに起因して内圧が一定以上になると、ディスク板15Aが反転して電池蓋14と巻回電極体20との間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、温度の上昇に応じた抵抗の増大によって電流を制限し、大電流に起因す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、絶縁材料によって構成されており、その表面には、アスファルトが塗布されている。
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。この巻回電極体20では、アルミニウム(Al)などによって構成された正極リード25が正極21に接続されており、ニッケル(Ni)などによって構成された負極リード26が負極22に接続されている。正極リード25は、安全弁機構15に溶接されて電池蓋14と電気的に接続されており、負極リード26は、電池缶11に溶接されて電気的に接続されている。
図2は、図1に示した巻回電極体20の一部を拡大して表している。正極21は、例えば、一対の面を有する正極集電体21Aの両面に正極活物質層21Bが設けられたものである。ただし、正極活物質層21Bは、正極集電体21Aの片面だけに設けられていてもよい。
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って構成されている。正極活物質層21Bは、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することが可能な正極材料のいずれか1種あるいは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に代表される他の材料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、硫化鉄(FeS2 )、硫化チタン(TiS2 )、硫化モリブデン(MoS2 )、セレン化ニオブ(NbSe2 )あるいは酸化バナジウム(V2 O5 )などのリチウムを含有しないカルコゲン化物、またはリチウムを含有するリチウム含有化合物などが挙げられる。
中でも、リチウム含有化合物は、高電圧および高エネルギー密度を得ることができるものがあるので好ましい。このようなリチウム含有化合物としては、例えば、リチウムと遷移金属元素とを含む複合酸化物、あるいはリチウムと遷移金属元素とを含むリン酸化合物が挙げられ、特に、コバルト、ニッケル、マンガンおよび鉄からなる群のうちの少なくとも1種を含むものが好ましい。より高い電圧が得られるからである。その化学式は、例えば、Lix MIO2 あるいはLiy MIIPO4 で表される。式中、MIおよびMIIは1種類以上の遷移金属元素を表す。xおよびyの値は二次電池の充放電状態によって異なり、通常、0.05≦x≦1.10、0.05≦y≦1.10である。
リチウムと遷移金属元素とを含む複合酸化物の具体例としては、リチウムコバルト複合酸化物(Lix CoO2 )、リチウムニッケル複合酸化物(Lix NiO2 )、リチウムニッケルコバルト複合酸化物(Lix Ni1-z Coz O2 (z<1))、リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物(Lix Ni(1-v-w) Cov Mnw O2 (v+w<1))、あるいはスピネル型構造を有するリチウムマンガン複合酸化物(LiMn2 O4 )などが挙げられる。中でも、ニッケルを含む複合酸化物が好ましい。高い容量を得ることができると共に、優れたサイクル特性も得ることができるからである。リチウムと遷移金属元素とを含むリン酸化合物の具体例としては、例えば、リチウム鉄リン酸化合物(LiFePO4 )あるいはリチウム鉄マンガンリン酸化合物(LiFe1-u Mnu PO4 (u<1))などが挙げられる。
この他、上記した正極材料としては、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や、硫黄や、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。
なお、正極活物質層21Bは、正極活物質と共に、絶縁性材料(いわゆる絶縁性ナノフィラー)を含んでいてもよい。正極活物質層21Bの表面が改質され、その表面抵抗が低下するため、サイクル特性が向上するからである。絶縁性ナノフィラーとしては、例えば、酸化ケイ素あるいは酸化アルミニウムなどの酸化物が挙げられ、その体積平均粒子径は、例えば、5nm以上500nm以下である。正極活物質層21B中における絶縁性ナノフィラーの含有量は、特に限定されないが、中でも、できるだけ少ないのが好ましく、例えば、1重量%以下、より好ましくは0.5重量%以下である。絶縁性ナノフィラーの含有量が多いと、正極活物質層21Bの導電性が低下するため、サイクル特性が低下する可能性があるからである。
正極活物質層21Bの厚さおよび体積密度は特に限定されないが、高容量を得るためには、正極活物質層21Bが厚塗りおよび高体積密度化されているのが好ましい。この正極活物質層21Bの厚さおよび体積密度の詳細については、以降で負極活物質層22Bの厚さおよび体積密度を説明する際に併せて説明する。ただし、正極活物質層21Bの厚さおよび体積密度は、負極活物質層22Bの厚さおよび体積密度と一致していてもよいし、異なっていてもよい。
負極22は、例えば、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が設けられたものである。ただし、負極活物質層22Bは、負極集電体22Aの片面だけに設けられていてもよい。
負極集電体22Aは、良好な電気化学的安定性、電気伝導性および機械的強度を有する金属材料によって構成されているのが好ましい。このような金属材料としては、例えば、銅(Cu)、ニッケルあるいはステンレスなどが挙げられ、中でも、銅が好ましい。高い電気伝導性が得られるからである。
特に、負極集電体22Aを構成する金属材料としては、リチウムと金属間化合物を形成しない1種あるいは2種以上の金属元素を含むものが好ましい。リチウムと金属間化合物を形成すると、充放電時に負極集電体22Aが膨張および収縮して破損するため、集電性が低下したり、負極活物質層22Bが負極集電体22Aから剥離する可能性があるからである。このような金属元素としては、例えば、銅、ニッケル、チタン(Ti)、鉄あるいはクロム(Cr)などが挙げられる。
負極活物質層22Bは、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種あるいは2種以上を含んでおり、必要に応じて導電剤あるいは結着剤などの他の材料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負極材料は、炭素材料を含んでいる。充放電時における結晶構造の変化が非常に少なく、電気化学当量が大きく、高いエネルギー密度が得られるからである。この炭素材料としては、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が挙げられる。より具体的には、熱分解炭素類、コークス類、ガラス状炭素繊維、有機高分子化合物焼成体、低結晶性黒鉛被覆黒鉛、黒鉛化発展途上炭素、活性炭あるいはカーボンブラック類などがある。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含まれる。有機高分子化合物焼成体とは、フェノール樹脂やフラン樹脂などを適当な温度で焼成して炭素化したものである。低結晶性黒鉛被覆黒鉛とは、コアシェルとなる黒鉛とコークスや高分子化合物などとを混合したのち、適当な温度で焼成することにより、不定形形状で面間隔が大きい炭素材でコアシェルの表面を被覆したものである。黒鉛化発展途上炭素とは、おおよそ1400℃以上2200℃以下の低い温度で炭素化したものである。これらの炭素材料は、単独でもよいし、複数種が混合されてもよい。なお、炭素材料の形状は、繊維状、球状、粒状あるいは鱗片状のいずれであってもよい。
中でも、炭素材料としては、黒鉛が好ましく、X線回折法によって測定されるC軸方向の格子面間隔d002 が0.340nm以下であるものがより好ましい。より高いエネルギー密度が得られるからである。この格子面間隔d002 については、例えば、X線としてCuKα線を用い、高純度シリコンを標準物質としたX線回折法(「大谷杉郎、炭素繊維、p.733−742(1986)、近代編集」)によって測定可能である。
特に、黒鉛としては、天然黒鉛よりも人造黒鉛が好ましい。黒鉛粒子の粒子硬度が高いため、負極活物質層22Bを高体積密度化しても層状構造が保たれ、リチウムの吸蔵および放出が効率よく行われるからである。この人造黒鉛としては、例えば、粒状黒鉛粉末(MCMB(Mesocarbon Microbead):メソカーボンマイクロビーズ)などが挙げられる。
上記した黒鉛粒子の粒子硬度は、例えば、破壊強度(Pa)をSt(Sx)、試験力(N)をP、粒径(mm)をdとしたとき、St(Sx)=2.8P/(π×d×d)から求められる。この破壊強度は、例えば、小圧縮試験機MCT−W500(島津製作所製)によって測定可能である。
炭素材料の比表面積などの他の条件は、負極の要求性能などに応じて任意に設定可能である。
なお、リチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料は、例えば、上記した炭素材料に加えて、リチウムを吸蔵および放出することが可能であると共に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有する材料を含んでいてもよい。より高いエネルギー密度が得られるからである。上記した金属元素あるいは半金属元素としては、例えば、リチウムと合金を形成することが可能なものが好ましく、具体的には、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)などが挙げられる。中でも、ケイ素およびスズのうちの少なくとも1種が好ましい。リチウムを吸蔵および放出する能力が大きいため、極めて高いエネルギー密度が得られるからである。ケイ素およびスズのうちの少なくとも1種を有する材料としては、例えば、ケイ素の単体、合金あるいは化合物、スズの単体、合金あるいは化合物、またはそれらの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。これらの他、上記した金属元素としては、リチウムと複合酸化物を形成することが可能なチタン(Ti)なども挙げられる。
導電剤としては、例えば、黒鉛、カーボンブラックあるいはケッチェンブラックなどの炭素材料が挙げられる。これらは単独でもよいし、複数種が混合されてもよい。なお、導電剤は、導電性を有する材料であれば、金属材料あるいは導電性高分子などであってもよい。
結着剤としては、例えば、スチレンブタジエン系ゴム、フッ素系ゴムあるいはエチレンプロピレンジエンなどの合成ゴムや、ポリフッ化ビニリデンなどの高分子材料が挙げられる。これらは単独でもよいし、複数種が混合されてもよい。なお、正極21および負極22が巻回されている場合には、柔軟性に富むスチレンブタジエン系ゴムあるいはフッ素系ゴムなどが好ましい。
なお、負極活物質層22Bは、負極活物質と共に、絶縁性ナノフィラーを含んでいてもよい。負極活物質層22Bの表面抵抗が低下するため、サイクル特性が向上するからである。この絶縁性ナノフィラーの種類、粒径および含有量などに関する詳細は、正極活物質層21Bについて説明した場合と同様である。
この二次電池では、負極活物質層22Bを厚塗りすることにより、電池内における負極集電体22Aおよびセパレータ23の占有体積を減らし、エネルギー密度を向上させるようになっている。このため、負極活物質層22Bの厚さは、負極集電体22Aの片面側において30μm以上になっている。なお、負極活物質層22Bの厚さを厚くしすぎると、リチウムイオンのインターカレーションの効率が十分に向上しないと共に電解液の分解が十分に抑制されない可能性があるため、負極活物質層22Bの厚さは、負極集電体22Aの片面側において100μm以下であるのが好ましい。
また、負極活物質層22Bの体積密度は、1.40g/cm3 以上1.95g/cm3 以下であるのが好ましい。サイクル特性がより向上するからである。詳細には、1.40g/cm3 よりも低いと、十分なエネルギー密度が得られない可能性があり、一方、1.95g/cm3 よりも高いと、リチウムイオンのインターカレーションの効率が低下したり、負極活物質層22Bへの電解液の含浸性が低下する可能性がある。特に、負極活物質層22Bの体積密度は、1.60g/cm3 以上1.95g/cm3 以下であるのがより好ましく、1.60g/cm3 以上1.85g/cm3 以下であるのがさらに好ましい。より高い効果が得られるからである。
この二次電池では、正極活物質と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の間で量を調整することにより、正極活物質の充電容量よりも負極材料の充電容量の方が大きくなっているのが好ましい。
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からなる合成樹脂製の多孔質膜、またはセラミック製の多孔質膜によって構成されており、それらの2種以上の多孔質膜が積層されたものであってもよい。中でも、ポリオレフィン製の多孔質膜は、ショート防止効果に優れており、シャットダウン効果による二次電池の安全性向上を図ることができるので好ましい。特に、ポリエチレンは、100℃以上160℃以下でシャットダウン効果が得られると共に電気化学的安定性に優れているので好ましい。また、ポリプロピレンも好ましく、他にも化学的安定性を備えた樹脂であれば、ポリエチレンあるいはポリプロピレンと共重合させたものや、ブレンド化したものであってもよい。
このセパレータ23には、例えば、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、それに溶解された電解質塩とを含んでいる。
溶媒は、化3および化4で表されるスルホン化合物のうちの少なくとも1種を含有している。正極21および負極22の表面にスルホン系の被膜が形成されるため、負極活物質として炭素材料を含む負極活物質層22Bが厚塗りされている場合においても、リチウムイオンのインターカレーションの効率が向上すると共に、電解液の分解反応が抑制されるからである。化3に示した化合物は、いわゆるジスルホン酸無水物であり、化4に示した化合物は、いわゆるスルホン酸・カルボン酸無水物である。なお、化3および化4に示したX(ハロゲン)としては、例えば、フッ素(F)、塩素(Cl)あるいは臭素(Br)などが挙げられる。もちろん、Xは他の種類のハロゲンであってもよい。
溶媒中における化3および化4に示したスルホン化合物の含有量は、特に限定されないが、中でも、0.05重量%以上5重量%以下であるのが好ましい。サイクル特性がより向上するからである。詳細には、0.05重量%よりも低いと、被膜が十分に形成されない可能性があり、一方、5重量%よりも高いと、内部抵抗が高くなりすぎる可能性がある。特に、上記した含有量は、0.05重量%以上2重量%以下であるのがより好ましい。より高い効果が得られるからである。
化3に示したスルホン化合物としては、例えば、化5の(1)〜(9)で表される化合物が挙げられる。十分な効果が得られるからである。これらは単独でもよいし、複数種が混合されてもよい。中でも、化5の(1)および(2)に示した化合物が好ましい。より高い効果が得られるからである。なお、化3に示したスルホン化合物であれば、化5の(1)〜(9)に示した化合物に限定されないことは言うまでもない。すなわち、化5の(4)〜(9)では、ハロゲンの種類がフッ素であり、あるいはハロゲンが特定の位置に導入された化合物を示しているが、ハロゲンの種類や導入位置は、任意に変更可能である。
化4に示したスルホン化合物としては、例えば、化6の(1)〜(9)で表される化合物が挙げられる。十分な効果が得られるからである。これは単独でもよいし、複数種が混合されてもよい。中でも、化6の(1)に示した化合物が好ましい。より高い効果が得られるからである。なお、化4に示したスルホン化合物であれば、化6の(1)〜(9)に示した化合物に限定されないことは言うまでもない。この場合においても、化3に示したスルホン化合物と同様に、ハロゲンの種類や導入位置は、任意に変更可能である。
また、溶媒は、化3および化4に示したスルホン化合物のうちの少なくとも1種に加えて、他の有機溶媒などの非水溶媒を含有していてもよい。この非水溶媒としては、例えば、高誘電率溶媒や低粘度溶媒などが挙げられる。
高誘電率溶媒としては、炭酸エチレン、炭酸プロピレン、炭酸ブチレンあるいは1,3−ジオキソール−2−オンなどの環状炭酸エステル類や、γ−ブチロラクトンあるいはγ−バレロラクトンなどのラクトン類や、N−メチルピロリドンなどのラクタム、N−メチルオキサゾリジノンなどの環状カルバミン酸エステル類や、テトラメチレンスルホンなどのスルホン化合物類が挙げられる。
低粘度溶媒としては、炭酸ジメチル、炭酸ジエチル、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炭酸エステル類や、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状カルボン酸エステル類や、N,N−ジメチルアセトアミドなどの鎖状アミド類や、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状カルバミン酸エステル類や、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、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類が挙げられる。
上記した高誘電率溶媒および低粘度溶媒は、単独でもよいし、複数種が混合されてもよい。中でも、炭酸エチレン、炭酸プロピレン、炭酸ジメチル、炭酸ジエチルおよび炭酸エチルメチルからなる群のうちの少なくとも1種が好ましい。良好な容量、サイクル特性および保存特性がなどが得られるからである。この場合には、特に、炭酸エチレンあるいは炭酸プロピレンなどの高誘電率溶媒(例えば、比誘電率ε≧30)と、炭酸ジメチル、炭酸エチルメチルあるいは炭酸ジエチルなどの低粘度溶媒(例えば、粘度≦1mPa・s)とを混合したものが好ましい。電解質塩の解離性およびイオンの移動度が向上するからである。
さらに、溶媒は、化7で表されるハロゲンを構成元素として有する環状炭酸エステルを含有しているのが好ましい。正極21および負極22の表面に強固で安定なハロゲン系の被膜が形成され、電解液の分解反応が著しく抑制されるため、サイクル特性が向上するからである。なお、化7中のR11〜R14は、同一でもよいし、異なってもよい。
化7に示したハロゲン有する環状炭酸エステルとしては、例えば、4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オン、4−クロロ−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−オンあるいは4−トリフルオロメチル−1,3−ジオキソラン−2−オンなどが挙げられる。これらは単独でもよいし、複数種が混合されてもよい。中でも、4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンおよび4,5−ジフルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンのうちの少なくとも1種がより好ましい。容易に入手可能であると共に、十分な効果が得られるからである。特に、4,5−ジフルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンとしては、例えば、より高い効果を得るために、シス異性体よりもトランス異性体が好ましい。
このハロゲンを有する環状炭酸エステルの溶媒中における含有量は、特に限定されないが、中でも、1重量%以上10重量%以下であるのが好ましい。優れたサイクル特性が得られるからである。
また、溶媒は、化8で表される不飽和結合を有する環状炭酸エステルを含有しているのが好ましい。正極21および負極22の表面に被膜が形成され、電解液の分解反応が著しく抑制されるため、サイクル特性が向上するからである。なお、化8中のR15およびR16は、同一でもよいし、異なってもよい。
化8に示した不飽和結合を有する環状炭酸エステルとしては、例えば、炭酸ビニレンが好ましい。容易に入手可能であると共に、十分な効果が得られるからである。
この不飽和結合を有する環状炭酸エステルの溶媒中における含有量は、特に限定されないが、中でも、1重量%以上10重量%以下であるのが好ましい。優れたサイクル特性が得られるからである。
なお、溶媒は、上記以外の他の非水溶媒を含有していてもよい。この他の非水溶媒としては、例えば、炭酸フルオロメチルメチル、炭酸ビス(フルオロメチル)あるいは炭酸ジフルオロメチルメチルなどのハロゲンを構成元素として有する鎖状炭酸エステルや、炭酸ビニルエチレンあるいは炭酸メチレンエチレンなどの他の不飽和結合を有する環状炭酸エステルなどが挙げられる。
電解質塩は、例えば、リチウム塩などの軽金属塩の1種あるいは2種以上を含有している。このリチウム塩としては、例えば、六フッ化リン酸リチウム、四フッ化ホウ酸リチウム、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 )あるいは四塩化アルミニウム酸リチウム(LiAlCl4 )などの無機酸リチウム塩や、ジフルオロ[オキソラト−O,O’]ホウ酸リチウム(LiBC2 O4 F2 )あるいはビス[オキソラト−O,O’]ホウ酸リチウム(LiB(C2 O4 )2 )などのオキソラトホウ酸塩や、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム、リチウムビス(トリフルオロメタンスルホン)イミド、リチウムビス(ペンタフルオロメタンスルホン)メチドあるいはリチウムトリス(トリフルオロメタンスルホン)メチド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塩が挙げられる。これらは単独でもよいし、複数種が混合されてもよい。中でも、六フッ化リン酸リチウムが好ましい。内部抵抗が低下するため、サイクル特性が向上するからである。特に、六フッ化リン酸リチウムと四フッ化ホウ酸リチウムとの混合物がより好ましい。サイクル特性がより向上すると共に、負荷特性も向上するからである。
電解質塩の含有量は、例えば、溶媒に対して0.3mol/kg以上3.0mol/kg以下であるのが好ましい。この範囲外ではイオン伝導性が極端に低下するため、容量特性などが十分に得られないおそれがあるからである。
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、電解液を経由して負極22に吸蔵される。一方、放電を行うと、負極22からリチウムイオンが放出され、電解液を経由して正極21に吸蔵される。
この二次電池は、例えば、以下の手順によって製造可能である。
まず、正極集電体21Aの両面に正極活物質層21Bを形成して正極21を作製する。この場合には、例えば、正極活物質の粉末と、導電剤と、結着剤とを混合した正極合剤を溶剤に分散させてペースト状の正極合剤スラリーとし、それを正極集電体21Aに均一に塗布して乾燥させたのち、圧縮成型する。
また、負極集電体22Aの両面に負極活物質層22Bを形成して負極22を作製する。この場合には、例えば、負極活物質の粉末と、結着剤とを混合した負極合剤を溶媒に分散させてペースト状の負極合剤スラリーとし、それを負極集電体22Aに均一に塗布して乾燥させたのち、圧縮成型する。
なお、正極活物質層21Bおよび負極活物質層22Bを形成する際には、上記したように正極合剤スラリーおよび負極合剤スラリーを塗布する代わりに、正極合剤および負極合剤をそれぞれ正極集電体21Aおよび負極集電体22Aに貼り付けてもよい。
次に、正極集電体21Aに正極リード25を溶接すると共に、負極集電体22Aに負極リード26を溶接したのち、セパレータ23を介して正極21と負極22とを積層および巻回させて巻回電極体20を形成する。続いて、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に溶接したのち、巻回電極体20を一対の絶縁板12,13で挟みながら電池缶11の内部に収納する。続いて、電池缶11の内部に電解液を注入してセパレータ23に含浸させる。最後に、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を介してかしめて固定する。これにより、図1および図2に示した二次電池が完成する。
本実施の形態の二次電池によれば、負極22の負極活物質層22Bが負極活物質として炭素材料を含むと共に30μm以上の厚さを有し、電解液の溶媒が化3および化4に示したスルホン化合物のうちの少なくとも1種を含有しているので、負極活物質層22Bの厚さを30μm以上に厚くした場合においても、充電時におけるリチウムイオンのインターカレーションの効率が向上すると共に、充放電時における電解液の分解反応が抑制される。したがって、充放電を繰り返しても放電容量が低下しにくくなるため、負極活物質層22Bを厚塗りして高容量化を図った場合においてもサイクル特性を向上させることができる。
特に、負極活物質層22Bが負極活物質として人造黒鉛を含んでいれば、容量などをより増加させることができる。
また、溶媒中における化3および化4に示したスルホン化合物のうちの少なくとも1種の含有量が0.05重量%以上2重量%以下であり、負極活物質層22Bの体積密度が1.60g/cm3 以上1.95g/cm3 以下であり、あるいは溶媒が化7に示したハロゲンを有する環状炭酸エステルや化8に示した不飽和結合を有する環状炭酸エステルを含有していれば、サイクル特性をより向上させることができる。
さらに、電解質塩が六フッ化リン酸リチウムおよび四フッ化ホウ酸リチウムを含有していれば、サイクル特性をより向上させることができると共に、負荷特性も向上させることができる。
[第2の実施の形態]
次に、本発明の第2の実施の形態について説明する。
次に、本発明の第2の実施の形態について説明する。
図3は、本実施の形態の二次電池の分解斜視構成を表している。この二次電池は、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の内部に収納したものであり、いわゆるラミネートフィルム型の二次電池である。
正極リード31および負極リード32は、例えば、外装部材40の内部から外部に向かって同一方向に導出されている。正極リード31は、例えば、アルミニウムなどの金属材料によって構成されており、負極リード32は、例えば、銅、ニッケルあるいはステンレスなどの金属材料によって構成されている。これらの金属材料は、例えば、薄板状または網目状になっている。
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って構成されている。この外装部材40では、例えば、2枚の矩形型のアルミラミネートフィルムの外縁同士が融着あるいは接着剤によって互いに密着されていると共に、ポリエチレンフィルムが巻回電極体30に対向している。
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。この密着フィルム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によって構成されている。このような材料としては、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が挙げられる。
なお、外装部材40は、上記した3層構造の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によって構成されていてもよいし、または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って構成されていてもよい。
図4は、図3に示した巻回電極体30のIV−IV線に沿った断面構成を表している。この巻回電極体30は、正極33および負極34がセパレータ35および電解質層36を介して積層および巻回されたものであり、その最外周部は、保護テープ37によって保護されている。
正極33は、例えば、正極集電体33Aの両面に正極活物質層34Bが設けられたものである。負極34は、例えば、負極集電体34Aの両面に負極活物質層34Bが設けられたものである。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、それぞれ第1の実施の形態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の構成と同様である。
電解質層36は、例えば、電解液と、それを保持する高分子化合物とを含んでおり、いわゆるゲル状の電解質である。ゲル状の電解質は、高いイオン伝導率(例えば、室温で1mS/cm以上)が得られると共に電池の漏液が防止されるので好ましい。この電解質層36は、例えば、正極33とセパレータ35との間および負極34とセパレータ35との間に設けられている。
電解液の組成は、例えば、第1の実施の形態における電解液の組成と同様である。ただし、本実施の形態における溶媒とは、液状の溶媒だけでなく、電解質塩を解離させることが可能なイオン伝導性を有するものまで含む広い概念である。したがって、イオン伝導性を有する高分子化合物を用いる場合には、その高分子化合物も溶媒に含まれる。
高分子化合物としては、例えば、化9で表される構成単位を有するポリフッ化ビニリデンや、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などが挙げられる。中でも、ポリフッ化ビニリデンが好ましい。酸化還元安定性が高いからである。
また、高分子化合物としては、重合性化合物が重合されることによって形成されたものも挙げられる。重合性化合物としては、例えば、ビニル基あるいはその一部の水素をメチル基などの置換基で置換した基を有するものが挙げられる。具体的には、アクリル酸エステルなどの単官能アクリレート、メタクリル酸エステルなどの単官能メタクリレート、ジアクリル酸エステルあるいはトリアクリル酸エステルなどの多官能アクリレートや、ジメタクリル酸エステルあるいはトリメタクリル酸エステルなどの多官能メタクリレートや、アクリロニトリルや、メタクリロニトリルなどがあり、中でも、アクリレート基あるいはメタクリレート基を有するエステルが好ましい。重合が進行しやすく、重合性化合物の反応率が高いからである。また、重合性化合物としては、エーテル基を含まないものが好ましい。エーテル基が存在すると、エーテル基にリチウムイオンが配位することによってイオン伝導率が低下してしまうからである。このような高分子化合物としては、例えば、化10で表される構成単位を有するポリアクリル酸エステルが挙げられる。
重合性化合物は、いずれか1種を単独で用いてもよいが、単官能体と多官能体とを混合するか、または、多官能体を単独あるいは2種類以上を混合して用いることが望ましい。このように構成することにより、重合して形成された高分子化合物の機械的強度と、電解液保持性とを両立させやすくなるからである。
さらに、高分子化合物としては、化11で表される構成単位を有するポリビニルホルマールを有するものも好ましい。ポリビニルホルマールは、アセタール基を構成単位として有する高分子化合物である。
ポリビニルホルマールにおけるアセタール基の割合は、60mol%以上80mol%以下であるのが好ましい。この範囲内において、溶媒との溶解性が向上すると共に、電解質の安定性がより高くなるからである。また、ポリビニルホルマールの重量平均分子量は、10000以上500000以下であるのが好ましい。分子量が低すぎると重合反応が進行しにくくなる可能性があり、一方、高すぎると電解液の粘度が上昇しすぎる可能性があるからである。
上記した高分子化合物は、単独でもよいし、複数種が混合された共重合体でもよい。また、高分子化合物は、架橋剤によって重合したものでもよい。
この二次電池では、充電を行うと、例えば、正極33からリチウムイオンが放出され、電解質層36を経由して負極34に吸蔵される。一方、放電を行うと、負極34からリチウムイオンが放出され、電解質層36を経由して正極33に吸蔵される。
ゲル状の電解質層36を備えた二次電池は、例えば、以下の3種類の製造方法によって製造可能である。
第1の製造方法では、最初に、第1の実施の形態の製造方法と同様の手順により、正極集電体33Aの両面に正極活物質層33Bを形成して正極33を作製すると共に、負極集電体34Aの両面に負極活物質層34Bを形成して負極34を作製する。続いて、電解液と、高分子化合物と、溶剤とを含む前駆溶液を調製し、正極33および負極34に塗布したのち、溶剤を揮発させてゲル状の電解質層36を形成する。続いて、正極集電体33Aおよび負極集電体34Aにそれぞれ正極リード31および負極リード32を取り付ける。続いて、電解質層36が形成された正極33および負極34をセパレータ35を介して積層させたのちに長手方向に巻回し、その最外周部に保護テープ37を接着させて巻回電極体20を形成する。最後に、例えば、2枚のフィルム状の外装部材40の間に巻回電極体30を挟み込んだのち、その外装部材40の外縁部同士を熱融着などで接着させて巻回電極体30を封入する。この際、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、密着フィルム41を挿入する。これにより、図3および図4に示した二次電池が完成する。
第2の製造方法では、最初に、正極33および負極34にそれぞれ正極リード31および負極リード32を取り付けたのち、正極33および負極34をセパレータ35を介して積層して巻回させると共に最外周部に保護テープ37を接着させることにより、巻回電極体30の前駆体である巻回体を形成する。続いて、2枚のフィルム状の外装部材40の間に巻回体を挟み込んだのち、一辺の外周縁部を除いた残りの外周縁部を熱融着などで接着させて袋状の外装部材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調製し、袋状の外装部材40の内部に注入したのち、外装部材40の開口部を熱融着などで密封する。最後に、モノマーを熱重合させて高分子化合物とし、ゲル状の電解質層36を形成する。これにより、二次電池が完成する。
第3の製造方法では、最初に、高分子化合物が両面に塗布されたセパレータ35を用いることを除き、上記した第1の製造方法と同様に、巻回体を形成して袋状の外装部材40の内部に収納する。このセパレータ35に塗布する高分子化合物としては、例えば、フッ化ビニリデンを成分とする重合体、すなわち単独重合体、共重合体あるいは多元共重合体などが挙げられる。具体的には、ポリフッ化ビニリデン、フッ化ビニリデンおよびヘキサフルオロプロピレンを成分とする二元系共重合体、あるいはフッ化ビニリデン、ヘキサフルオロプロピレンおよびクロロトリフルオロエチレンを成分とする三元系共重合体などである。なお、高分子化合物は、上記したフッ化ビニリデンを成分とする重合体と共に、他の1種あるいは2種以上の高分子化合物を含んでいてもよい。続いて、電解液を調製して外装部材40の内部に注入したのち、その外装部材40の開口部を熱融着などで密封する。最後に、外装部材40に加重をかけながら加熱し、高分子化合物を介してセパレータ35を正極33および負極34に密着させる。これにより、電解液が高分子化合物に含浸し、その高分子化合物がゲル化して電解質層36が形成されるため、二次電池が完成する。この第3の製造方法では、第1の製造方法と比較して、膨れ特性が改善される。また、第3の製造方法では、第2の製造方法と比較して、高分子化合物の原料であるモノマーや溶媒などが電解質層36中にほとんど残らず、しかも高分子化合物の形成工程が良好に制御されるため、正極33、負極34およびセパレータ35と電解質層36との間において十分な密着性が得られる。
本実施の形態の二次電池によれば、負極34の負極活物質層34Bが負極活物質として炭素材料を含むと共に30μm以上の厚さを有し、電解液の溶媒が化3および化4に示したスルホン化合物のうちの少なくとも1種を含有しているので、第1の実施の形態と同様の作用により、負極活物質層34Bを厚塗りして高容量化を図った場合においてもサイクル特性を向上させることができる。
この二次電池に関する上記以外の作用および効果は、第1の実施の形態と同様である。
本発明の実施例について詳細に説明する。
(実験例1−1)
上記した一連の二次電池を代表して、第2の実施の形態における第3の製造方法により、図3および図4に示したラミネートフィルム型の二次電池を作製した。この際、負極34の容量がリチウムの吸蔵および放出に基づいて表されるリチウムイオン二次電池となるようにした。
上記した一連の二次電池を代表して、第2の実施の形態における第3の製造方法により、図3および図4に示したラミネートフィルム型の二次電池を作製した。この際、負極34の容量がリチウムの吸蔵および放出に基づいて表されるリチウムイオン二次電池となるようにした。
まず、正極33を作製した。最初に、正極活物質としてリチウムコバルト複合酸化物(LiCoO2 )94重量部と、導電剤としてグラファイト3重量部と、結着剤としてポリフッ化ビニリデン3重量部とを混合して正極合剤としたのち、N−メチル−2−ピロリドンに分散させてペースト状の正極合剤スラリーとした。続いて、アルミニウム箔(10μm厚)からなる正極集電体33Aの両面に正極合剤スラリーを均一に塗布して乾燥させたのち、ロールプレス機で圧縮成型して正極活物質層33Bを形成した。この際、正極集電体33Aの片面側における正極活物質層33Bの厚さを30μmとした。最後に、正極活物質層33Bが形成された正極集電体33Aを50mm(幅)×300mm(長さ)の短冊状に切断した。
次に、負極34を作製した。最初に、負極活物質としてMCMB粉末97重量部と、結着剤としてポリフッ化ビニリデン3重量部とを混合して負極合剤としたのち、N−メチル−2−ピロリドンに分散させてペースト状の負極合剤スラリーとした。この際、MCMB粉末としては、体積平均粒子径が30μmである粉末と15μmである粉末とを50:50の重量比で混合したものを用いた。このMCMBの物性を調べたところ、粒子硬度が80MPaであり、X線回折法によって測定されるC軸方向の格子面間隔d002 が0.336nmであった。続いて、電解銅箔(10μm厚)からなる負極集電体34Aの両面に負極合剤スラリーを均一に塗布して乾燥させたのち、ロールプレス機で圧縮成型して負極活物質層34Bを形成した。この際、負極集電体34Aの片面側における負極活物質層34Bの厚さを30μmとし、負極活物質層34Bの体積密度および比表面積をそれぞれ1.85mg/cm3 および0.57m2 /gとした。最後に、負極活物質層34Bが形成された負極集電体34Aを50mm(幅)×300mm(長さ)の短冊状に切断した。
次に、電解液を調製した。最初に、溶媒として、炭酸エチレン(EC)と、炭酸ジエチル(DEC)と、化7に示したハロゲンを有する環状炭酸エステルである4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オン(FEC)と、化3に示したスルホン化合物である化5(1)に示した化合物とを混合した。この際、ECとDECとを40:60の重量比で混合したのち、溶媒中における含有量がそれぞれ1重量%および0.05重量%となるようにFECおよび化5(1)の化合物を加えた。この「重量%」とは、溶媒全体を100重量%とする場合の値であり、以降においても同様である。こののち、溶媒に対する含有量が1mol/kgとなるように、電解質塩として六フッ化リン酸リチウム(LiPF6 )を溶解させた。
次に、正極33および負極34を用いて二次電池を組み立てた。最初に、正極集電体33Aの一端にアルミニウム製の正極リード31を溶接すると共に、負極集電体34Aの一端にニッケル製の負極リード32を溶接した。続いて、正極33と、高分子化合物としてポリフッ化ビニリデンが両面に塗布された微多孔性のポリエチレンフィルム(7μm厚)からなるセパレータ35と、負極34とをこの順に積層して長手方向に多数回巻回させたのち、粘着テープからなる保護テープ37で巻き終わり部分を固定することにより、巻回電極体30の前駆体である巻回体を形成した。この際、セパレータ35の片面側における高分子化合物の厚さを2μmとした。続いて、アルミラミネートフィルムからなる外装部材40の間に巻回体を挟み込んだのち、一辺を除く外縁部同士を熱融着して、袋状の外装部材40の内部に巻回体を収納した。続いて、外装部材40の開口部を通じて内部に電解液を2g注入したのち、真空雰囲気中で外装部材40の開口部を熱融着して封止した。最後に、外装部材40を鉄板で挟んで加重をかけながら70℃で3分間加熱し、セパレータ35に塗布された高分子化合物をゲル化して電解質層36を形成することにより、ラミネートフィルム型の二次電池が完成した。この二次電池の容量は、800mAhである。
(実験例1−2〜1−4)
溶媒中における化5(1)の化合物の含有量を0.5重量%(実験例1−2)、2重量%(実験例1−3)、あるいは5重量%(実験例1−4)としたことを除き、実験例1−1と同様の手順を経た。
溶媒中における化5(1)の化合物の含有量を0.5重量%(実験例1−2)、2重量%(実験例1−3)、あるいは5重量%(実験例1−4)としたことを除き、実験例1−1と同様の手順を経た。
(実験例1−5〜1−7)
負極活物質層34Bの厚さを40μm(実験例1−5)、60μm(実験例1−6)、あるいは100μm(実験例1−7)としたことを除き、実験例1−2と同様の手順を経た。
負極活物質層34Bの厚さを40μm(実験例1−5)、60μm(実験例1−6)、あるいは100μm(実験例1−7)としたことを除き、実験例1−2と同様の手順を経た。
(実験例1−8)
負極活物質層34Bの厚さを20μmとしたことを除き、実験例1−2と同様の手順を経た。
負極活物質層34Bの厚さを20μmとしたことを除き、実験例1−2と同様の手順を経た。
(実験例1−9〜1−13)
溶媒に化5(1)の化合物を加えず、負極活物質層34Bの厚さを20μm(実験例1−9)、30μm(実験例1−10)、40μm(実験例1−11)、60μm(実験例1−12)、あるいは100μm(実験例1−13)としたことを除き、実験例1−1と同様の手順を経た。
溶媒に化5(1)の化合物を加えず、負極活物質層34Bの厚さを20μm(実験例1−9)、30μm(実験例1−10)、40μm(実験例1−11)、60μm(実験例1−12)、あるいは100μm(実験例1−13)としたことを除き、実験例1−1と同様の手順を経た。
これらの実験例1−1〜1−13の二次電池についてサイクル特性を調べたところ、表1に示した結果が得られた。なお、表1に示した「維持率増加分」とは、化5(1)の化合物の有無に基づく放電容量維持率の増加量であり、以降においても同様である。
サイクル特性を調べる際には、23℃の雰囲気中で充放電させて放電容量を測定し、引き続き充放電の合計回数が300回となるまで充放電を繰り返して放電容量を測定したのち、放電容量維持率(%)=(300サイクル目の放電容量/1サイクル目の放電容量)×100を算出した。この際、充放電条件として、1Cの定電流で上限電圧4.2Vまで充電し、さらに4.2Vの定電圧で充電開始からの総時間が3時間となるまで充電したのち、1Cの定電流で終止電圧3.0Vまで放電した。この「1C」とは、理論容量を1時間で放電しきる電流値であり、ここでは二次電池の容量が800mAhであるため、800mAに相当する。
上記したサイクル特性を調べる際の手順および条件は、以降の一連の実験例についても同様である。
表1に示したように、化5(1)の化合物の有無に基づいて放電容量維持率を比較すると、溶媒が化5(1)の化合物を含有する実験例1−1〜1−8では、それを含有しない実験例1−9〜1−13よりも放電容量維持率が高くなった。この結果は、溶媒が化5(1)の化合物を含有すると、正極33および負極34の表面にスルホン系の被膜が形成され、充電時においてリチウムイオンのインターカレーションの効率が向上すると共に充放電時において電解液の分解が抑制されるため、充放電を繰り返しても放電容量が低下しにくくなることを表している。
この場合には、負極活物質層34Bの厚さごとに維持率増加分を比較すると、厚さが30μm以上である実験例1−2,1−5〜1−7では、20μm以下である実験例1−8よりも維持率増加分が大幅に大きくなった。この結果は、負極活物質層34Bが厚塗りされている場合において溶媒が化5(1)の化合物を含有すると、厚塗りされていない場合と比較して、化5(1)の化合物によるリチウムイオンのインターカレーションの効率を向上させると共に電解液の分解を抑制する機能が際だって発揮されるため、放電容量維持率が著しく低下しにくくなることを表している。
ここで、化5(1)の化合物の含有量に着目すると、実験例1−1〜1−4では、含有量の値に関係なく実験例1−10よりも放電容量維持率が高くなり、その放電容量維持率は、含有量が多くなるにしたがって増加したのちに減少する傾向を示した。この場合には、含有量が0.05重量%以上5重量%以下であると放電容量維持率が十分に高くなり、さらに0.05重量%以上2重量%以下であると放電容量維持率が70%以上になった。
また、負極活物質層34Bの厚さに着目すると、実験例1−2,1−5〜1−7では、厚さの値に関係なく実験例1−10〜1−13よりも放電容量維持率が高くなった。この場合には、厚さが100μm以下であると、放電容量維持率が十分に高くなった。
これらのことから、本発明の二次電池では、負極の負極活物質層がMCMBを含む場合に、その厚さが30μm以上であり、電解液の溶媒が化5(1)のスルホン化合物を含有することにより、負極活物質層を厚塗りした場合においてもサイクル特性が向上することが確認された。特に、溶媒中における化5(1)の化合物の含有量が0.05重量%以上5重量%以下、あるいは負極活物質層の厚さが30μm以上100μm以下であれば良好なサイクル特性が得られ、上記した含有量が0.05重量%以上2重量%以下であればサイクル特性がより向上することも確認された。
(実験例2−1〜2−3)
溶媒にFECを加えなかったことを除き、実験例1−2,1−5,1−6と同様の手順を経た。
溶媒にFECを加えなかったことを除き、実験例1−2,1−5,1−6と同様の手順を経た。
(実験例2−4〜2−8)
溶媒にFECを加えなかったことを除き、実験例1−8〜1−12と同様の手順を経た。
溶媒にFECを加えなかったことを除き、実験例1−8〜1−12と同様の手順を経た。
これらの実験例2−1〜2−8の二次電池についてサイクル特性を調べたところ、表2に示した結果が得られた。
表2に示したように、溶媒がFECを含有しない場合においても、表1の結果と同様の結果が得られた。すなわち、溶媒が化5(1)の化合物を含有する実験例2−1〜2−4では、それを含有しない実験例2−5〜2−8よりも放電容量維持率が高くなったが、負極活物質層34Bの厚さが30μm以上である実験例2−1〜2−3では、20μm以下である実験例2−4よりも維持率増加分が大幅に大きくなった。
ここで、溶媒中におけるFECの有無に基づいて放電容量維持率を比較すると、溶媒がFECを含有する実験例1−2,1−5,1−6では、それを含有しない実験例2−1〜2−3よりも放電容量維持率が高くなった。この結果は、溶媒がFECを含有すると、正極33および負極34の表面にハロゲン系の被膜が形成され、電解液の分解が抑制されるため、充放電を繰り返しても放電容量が低下しにくくなることを表している。
これらのことから、本発明の二次電池では、溶媒中における化7に示したハロゲンを有する環状炭酸エステルの有無に関係なくサイクル特性が向上すると共に、それを加えればサイクル特性がより向上することが確認された。
(実験例3−1〜3−6)
化3に示したスルホン化合物として化5(2)に示した化合物を用いたことを除き、実験例1−1〜1−6と同様の手順を経た。
化3に示したスルホン化合物として化5(2)に示した化合物を用いたことを除き、実験例1−1〜1−6と同様の手順を経た。
(実験例3−7〜3−12)
化3に示したスルホン化合物に代えて、化4に示したスルホン化合物である化6(1)に示した化合物を用いたことを除き、実験例1−1〜1−6と同様の手順を経た。
化3に示したスルホン化合物に代えて、化4に示したスルホン化合物である化6(1)に示した化合物を用いたことを除き、実験例1−1〜1−6と同様の手順を経た。
(実験例3−13)
実験例3−1〜3−6と同様に化5(2)に示した化合物を用いたことを除き、実験例1−8と同様の手順を経た。
実験例3−1〜3−6と同様に化5(2)に示した化合物を用いたことを除き、実験例1−8と同様の手順を経た。
(実験例3−14)
実験例3−7〜3−12と同様に化6(1)に示した化合物を用いたことを除き、実験例1−8と同様の手順を経た。
実験例3−7〜3−12と同様に化6(1)に示した化合物を用いたことを除き、実験例1−8と同様の手順を経た。
これらの実験例3−1〜3−14の二次電池についてサイクル特性を調べたところ、表3に示した結果が得られた。
表3に示したように、溶媒が化5(2)あるいは化6(1)の化合物を含有する場合においても、表1の結果と同様の結果が得られた。すなわち、溶媒が化5(2)の化合物を含有する実験例3−1〜3−6,3−13では、それを含有しない実験例1−9〜1−12よりも放電容量維持率が高くなったが、負極活物質層34Bの厚さが30μm以上である実験例3−1〜3−6では、20μm以下である実験例3−13よりも維持率増加分が大幅に大きくなった。また、溶媒が化6(1)の化合物を含有する実験例3−7〜3−12,3−14では、それを含有しない実験例1−9〜1−12よりも放電容量維持率が高くなったが、負極活物質層34Bの厚さが30μm以上である実験例3−7〜3−12では、20μm以下である実験例3−14よりも維持率増加分が大幅に大きくなった。
この場合には、溶媒がFECを含有する実験例3−2,3−5,3−6,3−8,3−11,3−12において、それを含有しない実験例2−1〜2−3よりも放電容量維持率が高くなった。また、実験例3−1〜3−12では、化5(2)あるいは化6(1)の化合物の含有量が0.05重量%以上5重量%以下であると放電容量維持率が十分に高くなり、さらに0.05重量%以上2重量%以下であると放電容量維持率が70%以上になった。
これらのことから、本発明の二次電池では、溶媒が化5(2)あるいは化6(1)のスルホン化合物を含有する場合においても、サイクル特性が向上することが確認された。特に、溶媒中における化5(2)あるいは化6(1)のスルホン化合物の含有量が0.05重量%以上5重量%以下であれば良好なサイクル特性が得られ、0.05重量%以上2重量%以下であればサイクル特性がより向上することも確認された。
(実験例4−1〜4−3)
溶媒に炭酸エチルメチル(EMC)を加えたことを除き、実験例1−2,1−5,1−6と同様の手順を経た。この際、溶媒の組成(EC:DEC:EMC)を重量比で40:30:30とした。
溶媒に炭酸エチルメチル(EMC)を加えたことを除き、実験例1−2,1−5,1−6と同様の手順を経た。この際、溶媒の組成(EC:DEC:EMC)を重量比で40:30:30とした。
(実験例4−4〜4−6)
溶媒としてDECに代えてEMCを用いたことを除き、実験例1−2,1−5,1−6と同様の手順を経た。
溶媒としてDECに代えてEMCを用いたことを除き、実験例1−2,1−5,1−6と同様の手順を経た。
(実験例4−7〜4−9)
溶媒としてDECに代えて炭酸ジメチル(DMC)を用いたことを除き、実験例1−2,1−5,1−6と同様の手順を経た。
溶媒としてDECに代えて炭酸ジメチル(DMC)を用いたことを除き、実験例1−2,1−5,1−6と同様の手順を経た。
(実験例4−10〜4−14)
実験例4−1〜4−3と同様に溶媒にEMCを加えたことを除き、実験例1−8〜1−12と同様の手順を経た。
実験例4−1〜4−3と同様に溶媒にEMCを加えたことを除き、実験例1−8〜1−12と同様の手順を経た。
(実験例4−15〜4−19)
実験例4−4〜4−6と同様に溶媒としてEMCを用いたことを除き、実験例1−8〜1−12と同様の手順を経た。
実験例4−4〜4−6と同様に溶媒としてEMCを用いたことを除き、実験例1−8〜1−12と同様の手順を経た。
(実験例4−20〜4−24)
実験例4−7〜4−9と同様に溶媒としてDMCを用いたことを除き、実験例1−8〜1−12と同様の手順を経た。
実験例4−7〜4−9と同様に溶媒としてDMCを用いたことを除き、実験例1−8〜1−12と同様の手順を経た。
これらの実験例4−1〜4−24の二次電池についてサイクル特性を調べたところ、表4に示した結果が得られた。
表4に示したように、溶媒にEMCを加え、あるいは溶媒のうちのDECをEMCやDMCに置き換えた場合においても、表1の結果と同様の結果が得られた。
すなわち、溶媒にEMCを加えた場合には、溶媒が化5(1)の化合物を含有する実験例4−1〜4−3,4−10において、それを含有しない実験例4−11〜4−14と比較して放電容量維持率が同等以上になったが、負極活物質層34Bの厚さが30μm以上である実験例4−1〜4−3では、20μm以下である実験例4−10よりも維持率増加分が大幅に大きくなった。
また、溶媒のうちのDECをEMCに置き換えた場合には、溶媒が化5(1)の化合物を含有する実験例4−4〜4−6,4−15において、それを含有しない実験例4−16〜4−19と比較して放電容量維持率が同等以上になったが、負極活物質層34Bの厚さが30μm以上である実験例4−4〜4−6では、20μm以下である実験例4−15よりも維持率増加分が大幅に大きくなった。
さらに、溶媒のうちのDECをDMCに置き換えた場合には、溶媒が化5(1)の化合物を含有する実験例4−7〜4−9,4−20において、それを含有しない実験例4−21〜4−24よりも放電容量維持率が高くなったが、負極活物質層34Bの厚さが30μm以上である実験例4−7〜4−9では、20μm以下である実験例4−20よりも維持率増加分が大幅に大きくなった。
これらのことから、本発明の二次電池では、溶媒の組成を変更した場合においてもサイクル特性が向上することが確認された。
(実験例5−1〜5−3)
負極活物質層34Bの体積密度および容量をそれぞれ1.40g/cm3 および650mAh(実験例5−1)、1.60g/cm3 および720mAh(実験例5−2)、あるいは1.95g/cm3 および830mAh(実験例5−3)としたことを除き、実験例1−2と同様の手順を経た。
負極活物質層34Bの体積密度および容量をそれぞれ1.40g/cm3 および650mAh(実験例5−1)、1.60g/cm3 および720mAh(実験例5−2)、あるいは1.95g/cm3 および830mAh(実験例5−3)としたことを除き、実験例1−2と同様の手順を経た。
(実験例5−4〜5−6)
溶媒に化5(1)の化合物を加えなかったことを除き、実験例5−1〜5−3と同様の手順を経た。
溶媒に化5(1)の化合物を加えなかったことを除き、実験例5−1〜5−3と同様の手順を経た。
これらの実験例5−1〜5−6の二次電池についてサイクル特性を調べたところ、表5に示した結果が得られた。
表5に示したように、負極活物質層34Bの体積密度を変更した場合においても、表1の結果と同様の結果が得られた。すなわち、溶媒が化5(1)の化合物を含有する実験例5−1〜5−3では、それを含有しない実験例5−4〜5−6よりも放電容量維持率が高くなった。
ここで、負極活物質層34Bの体積密度に着目すると、実験例1−2,5−1〜5−3では、体積密度が高くなるにしたがって放電容量維持率が低くなる傾向を示したが、その体積密度が1.40g/cm3 以上1.95g/cm3 以下であると、放電容量維持率が70%以上になった。この場合には、体積密度が1.60g/cm3 以上1.95g/cm3 以下であると維持率増加分が大幅に大きくなり、1.60g/cm3 以上1.85g/cm3 以下であると放電容量維持率および維持率増加分がいずれも十分に大きくなった。
これらのことから、本発明の二次電池では、負極活物質層の体積密度を変更した場合においてもサイクル特性が向上することが確認された。特に、体積密度が1.40g/cm3 以上1,95g/cm3 以下であれば良好なサイクル特性が得られ、1.60g/cm3 以上1.95g/cm3 以下、さらに1.60g/cm3 以上1.85g/cm3 以下であればサイクル特性がより向上することも確認された。
(実験例6−1)
電解質塩として四フッ化ホウ酸リチウム(LiBF4 )を加え、溶媒に対するLiPF6 およびLiBF4 の含有量をそれぞれ0.9mol/kgおよび0.1mol/kgとしたことを除き、実験例1−5と同様の手順を経た。
電解質塩として四フッ化ホウ酸リチウム(LiBF4 )を加え、溶媒に対するLiPF6 およびLiBF4 の含有量をそれぞれ0.9mol/kgおよび0.1mol/kgとしたことを除き、実験例1−5と同様の手順を経た。
(実験例6−2)
実験例6−1と同様に電解質塩としてLiBF4 を加えたことを除き、実験例1−11と同様の手順を経た。
実験例6−1と同様に電解質塩としてLiBF4 を加えたことを除き、実験例1−11と同様の手順を経た。
これらの実験例6−1,6−2の二次電池について、サイクル特性および負荷特性を調べたところ、表6に示した結果が得られた。
負荷特性を調べる際には、サイクル特性を調べた場合と同様の条件で充電したのち、3Cの定電流で終止電圧3.0Vまで放電させて放電容量(3C放電容量)を測定した。この「3C」とは、理論容量を20分間で放電しきる電流値であり、ここでは二次電池の容量が800mAhであるため、2400mAに相当する。
表6に示したように、電解質塩がLiBF4 を含有する場合においても、表1の結果と同様の結果が得られた。すなわち、溶媒が化5(1)の化合物を含有する実験例6−1では、それを含有しない実験例6−2よりも放電容量維持率が高くなった。しかも、電解質塩がLiBF4 を含有する実験例6−1では、それを含有しない実験例1−5よりも放電容量維持率が高くなり、その放電容量維持率は当然ながら実験例1−11よりも高くなった。
この場合には、実験例6−1において、実験例1−11,6−2よりも3C放電容量が高くなり、同様に実験例1−5よりも3C放電容量が高くなった。
これらのことから、本発明の二次電池では、電解質塩がLiPF6 およびLiBF4 を含有することにより、サイクル特性がより向上すると共に、負荷特性も向上することが確認された。
(実験例7−1〜7−3)
溶媒にFECを加えず(実験例7−1)、溶媒中におけるFECの含有量をそれぞれ5重量%(実験例7−2)あるいは10重量%(実験例7−3)としたことを除き、実験例3−5と同様の手順を経た。
溶媒にFECを加えず(実験例7−1)、溶媒中におけるFECの含有量をそれぞれ5重量%(実験例7−2)あるいは10重量%(実験例7−3)としたことを除き、実験例3−5と同様の手順を経た。
(実験例7−4〜7−7)
溶媒に化5(2)の化合物を加えなかったことを除き、実験例7−1,3−5,7−2,7−3と同様の手順を経た。
溶媒に化5(2)の化合物を加えなかったことを除き、実験例7−1,3−5,7−2,7−3と同様の手順を経た。
これらの実験例7−1〜7−7の二次電池についてサイクル特性を調べたところ、表7に示した結果が得られた。
表7に示したように、FECの含有量を変更した場合においても、表3の結果と同様の結果が得られた。すなわち、溶媒が化5(2)の化合物を含有する実験例3−5,7−1〜7−3では、それを含有しない実験例7−4〜7−7よりも放電容量維持率が高くなった。しかも、溶媒がFECを含有する実験例3−5,7−2,7−3では、それを含有しない実験例7−1よりも放電容量維持率が高くなった。
これらのことから、本発明の二次電池では、FECの含有量を変更した場合においても、サイクル特性が向上することが確認された。
(実験例8−1〜8−3)
溶媒として、FECに代えて、化8に示した不飽和結合を有する環状炭酸エステルである炭酸ビニレン(VC)を加えたことを除き、実験例3−5,7−2,7−3と同様の手順を経た。
溶媒として、FECに代えて、化8に示した不飽和結合を有する環状炭酸エステルである炭酸ビニレン(VC)を加えたことを除き、実験例3−5,7−2,7−3と同様の手順を経た。
(実験例8−4〜8−6)
溶媒に化5(2)の化合物を加えなかったことを除き、実験例8−1〜8−3と同様の手順を経た。
溶媒に化5(2)の化合物を加えなかったことを除き、実験例8−1〜8−3と同様の手順を経た。
これらの実験例8−1〜8−6の二次電池についてサイクル特性を調べたところ、表8に示した結果が得られた。
表8に示したように、溶媒がVCを含有する場合においても、表3の結果と同様の結果が得られた。すなわち、溶媒が化5(2)の化合物を含有する実験例8−1〜8−3では、それを含有しない実験例8−4〜8−6よりも放電容量維持率が高くなった。
ここで、溶媒中におけるVCの有無に基づいて放電容量維持率を比較すると、溶媒がVCを含有する実験例8−1〜8−3では、それを含有しない実験例7−1よりも放電容量維持率が高くなり、そのことは、VCの含有量を変更した場合においても同様であった。この結果は、溶媒がVCを含有すると、充放電を繰り返しても放電容量が低下しにくくなることを表している。
これらのことから、本発明の二次電池では、溶媒中における化8に示した不飽和結合を有する環状炭酸エステルの有無に関係なくサイクル特性が向上すると共に、それを加えればサイクル特性がより向上することが確認された。
(実験例9−1〜9−3)
FECに代えて、それと同様に化7に示したハロゲンを有する環状炭酸エステルである4,5−ジフルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オン(DFEC)を加えたことを除き、実験例3−5,7−2,7−3と同様の手順を経た。
FECに代えて、それと同様に化7に示したハロゲンを有する環状炭酸エステルである4,5−ジフルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オン(DFEC)を加えたことを除き、実験例3−5,7−2,7−3と同様の手順を経た。
(実験例9−4〜9−6)
溶媒に化5(2)の化合物を加えなかったことを除き、実験例9−1〜9−3と同様の手順を経た。
溶媒に化5(2)の化合物を加えなかったことを除き、実験例9−1〜9−3と同様の手順を経た。
これらの実験例9−1〜9−6の二次電池についてサイクル特性を調べたところ、表9に示した結果が得られた。
表9に示したように、溶媒がDFECを含有する場合においても、表3および表7の結果と同様の結果が得られた。すなわち、溶媒が化5(2)の化合物を含有する実験例9−1〜9−3では、それを含有しない実験例9−4〜9−6よりも放電容量維持率が高くなった。
ここで、溶媒中におけるDFECの有無に基づいて放電容量維持率を比較すると、溶媒がDFECを含有する実験例9−1〜9−3では、それを含有しない実験例7−1よりも放電容量維持率が高くなり、そのことは、DFECの含有量を変更した場合においても同様であった。この結果は、DFECがFECと同様の機能を果たすことを表している。
これらのことから、本発明の二次電池では、溶媒中における化7に示したハロゲンを有する環状炭酸エステルの有無に関係なくサイクル特性が向上すると共に、それを加えればサイクル特性がより向上することが確認された。
(実験例10−1〜10−3)
電解質塩として、ビス[オキソラト−O,O’]ホウ酸リチウム(LiBOB:実験例10−1)、ジフルオロ[オキソラト−O,O’]ホウ酸リチウム(LiFOB:実験例10−2)、あるいはトリフルオロメタンスルホン酸リチウム(LiTFSi:実験例10−3)を加え、溶媒に対するLiPF6 およびLiBOB等の含有量をそれぞれ0.9mol/kgおよび0.1mol/kgとしたことを除き、実験例3−5と同様の手順を経た。
電解質塩として、ビス[オキソラト−O,O’]ホウ酸リチウム(LiBOB:実験例10−1)、ジフルオロ[オキソラト−O,O’]ホウ酸リチウム(LiFOB:実験例10−2)、あるいはトリフルオロメタンスルホン酸リチウム(LiTFSi:実験例10−3)を加え、溶媒に対するLiPF6 およびLiBOB等の含有量をそれぞれ0.9mol/kgおよび0.1mol/kgとしたことを除き、実験例3−5と同様の手順を経た。
(実験例10−4〜10−6)
溶媒に化5(2)の化合物を加えなかったことを除き、実験例10−1〜10−3と同様の手順を経た。
溶媒に化5(2)の化合物を加えなかったことを除き、実験例10−1〜10−3と同様の手順を経た。
これらの実験例10−1〜10−6の二次電池についてサイクル特性および負荷特性を調べたところ、表10に示した結果が得られた。
表10に示したように、電解質塩がLiBOB等を含有する場合においても、表6の結果と同様の結果が得られた。すなわち、溶媒が化5(2)の化合物を含有する実験例10−1〜10−3では、それを含有しない実験例10−4〜10−6よりも放電容量維持率が高くなった。しかも、電解質塩がLiBOB等を含有する実験例10−1〜10−3では、それを含有しない実験例3−5よりも放電容量維持率および3C放電容量が高くなった。
これらのことから、本発明の二次電池では、電解質塩がLiBOB等を含有することにより、サイクル特性がより向上すると共に、負荷特性も向上することが確認された。
(実験例11−1〜11−3)
負極活物質として、MCMBに代えて、体積平均粒子径が20μmである天然黒鉛を用いたことを除き、実験例3−2,3−5,3−6と同様の手順を経た。
負極活物質として、MCMBに代えて、体積平均粒子径が20μmである天然黒鉛を用いたことを除き、実験例3−2,3−5,3−6と同様の手順を経た。
(実験例11−4〜11−6)
負極活物質として、MCMBに代えて、体積平均粒子径が20μmである鱗片状黒鉛を用いたことを除き、実験例3−2,3−5,3−6と同様の手順を経た。
負極活物質として、MCMBに代えて、体積平均粒子径が20μmである鱗片状黒鉛を用いたことを除き、実験例3−2,3−5,3−6と同様の手順を経た。
(実験例11−7〜11−11)
実験例11−1〜11−3と同様に負極活物質として天然黒鉛を用いると共に、溶媒に化5(2)の化合物を加えなかったことを除き、実験例3−13,1−9〜1−12と同様の手順を経た。
実験例11−1〜11−3と同様に負極活物質として天然黒鉛を用いると共に、溶媒に化5(2)の化合物を加えなかったことを除き、実験例3−13,1−9〜1−12と同様の手順を経た。
(実験例11−12〜11−16)
実験例11−4〜11−6と同様に負極活物質として鱗片状黒鉛を用いると共に、溶媒に化5(2)の化合物を加えなかったことを除き、実験例3−13,1−9〜1−12と同様の手順を経た。
実験例11−4〜11−6と同様に負極活物質として鱗片状黒鉛を用いると共に、溶媒に化5(2)の化合物を加えなかったことを除き、実験例3−13,1−9〜1−12と同様の手順を経た。
(実験例12−1〜12−3)
負極活物質として、MCMBに代えて、体積平均粒子径が30μmである黒鉛化発展途上炭素を用いたことを除き、実験例3−2,3−5,3−6と同様の手順を経た。
負極活物質として、MCMBに代えて、体積平均粒子径が30μmである黒鉛化発展途上炭素を用いたことを除き、実験例3−2,3−5,3−6と同様の手順を経た。
(実験例12−4〜12−6)
負極活物質として、MCMBに代えて、体積平均粒子径が25μmである低結晶性黒鉛被覆黒鉛を用いたことを除き、実験例3−2,3−5,3−6と同様の手順を経た。
負極活物質として、MCMBに代えて、体積平均粒子径が25μmである低結晶性黒鉛被覆黒鉛を用いたことを除き、実験例3−2,3−5,3−6と同様の手順を経た。
(実験例12−7〜11−11)
実験例12−1〜12−3と同様に負極活物質として黒鉛化発展途上炭素を用いると共に、溶媒に化5(2)の化合物を加えなかったことを除き、実験例3−13,1−9〜1−12と同様の手順を経た。
実験例12−1〜12−3と同様に負極活物質として黒鉛化発展途上炭素を用いると共に、溶媒に化5(2)の化合物を加えなかったことを除き、実験例3−13,1−9〜1−12と同様の手順を経た。
(実験例12−12〜12−16)
実験例12−4〜12−6と同様に負極活物質として低結晶性黒鉛被覆黒鉛を用いると共に、溶媒に化5(2)の化合物を加えなかったことを除き、実験例3−13,1−9〜1−12と同様の手順を経た。
実験例12−4〜12−6と同様に負極活物質として低結晶性黒鉛被覆黒鉛を用いると共に、溶媒に化5(2)の化合物を加えなかったことを除き、実験例3−13,1−9〜1−12と同様の手順を経た。
これらの実験例11−1〜11−16,12−1〜12−16の二次電池についてサイクル特性を調べたところ、表11および表12に示した結果が得られた。
表11および表12に示したように、負極活物質である炭素材料の種類を変更した場合においても、表3の結果と同様の結果が得られた。すなわち、化5(2)の化合物の有無に基づいて放電容量維持率を比較すると、溶媒が化5(2)の化合物を含有する実験例11−1〜11−7,11−12,12−1〜12−7,12−12では、それを含有しない実験例11−8〜11−11,11−13〜11−16,12−8〜12−11,12−13〜12−16よりも放電容量維持率が高くなった。
この場合には、負極活物質層34Bの厚さごとに維持率増加分を比較すると、厚さが30μm以上である実験例11−1〜11−6,12−1〜12−6では、20μm以下である実験例11−7,11−12,12−7,12−12よりも維持率増加分が大幅に大きくなった。
これらのことから、本発明の二次電池では、負極の負極活物質層が天然黒鉛等を含む場合においても、その厚さが30μm以上であり、電解液の溶媒が化5(2)のスルホン化合物を含有することにより、負極活物質層を厚塗りした場合においてもサイクル特性が向上することが確認された。
(実験例13−1〜13−3)
負極活物質であるMCMB97重量部のうち、0.5重量部を絶縁性ナノフィラーである酸化ケイ素(SiO2 )に置き換えたことを除き、実験例3−2,3−5,3−6と同様の手順を経た。この絶縁性ナノフィラーの体積平均粒子径は7nmであり、以降においても同様である。
負極活物質であるMCMB97重量部のうち、0.5重量部を絶縁性ナノフィラーである酸化ケイ素(SiO2 )に置き換えたことを除き、実験例3−2,3−5,3−6と同様の手順を経た。この絶縁性ナノフィラーの体積平均粒子径は7nmであり、以降においても同様である。
(実験例13−4〜13−6)
負極活物質であるMCMB97重量部のうち、1.0重量部を絶縁性ナノフィラーである酸化ケイ素に置き換えたことを除き、実験例3−2,3−5,3−6と同様の手順を経た。
負極活物質であるMCMB97重量部のうち、1.0重量部を絶縁性ナノフィラーである酸化ケイ素に置き換えたことを除き、実験例3−2,3−5,3−6と同様の手順を経た。
(実験例13−7〜13−11)
実験例13−1〜13−3と同様に負極活物質であるMCMBのうちの一部を絶縁性ナノフィラー(酸化ケイ素)に置き換えると共に、溶媒に化5(2)の化合物を加えなかったことを除き、実験例3−13,1−9〜1−12と同様の手順を経た。
実験例13−1〜13−3と同様に負極活物質であるMCMBのうちの一部を絶縁性ナノフィラー(酸化ケイ素)に置き換えると共に、溶媒に化5(2)の化合物を加えなかったことを除き、実験例3−13,1−9〜1−12と同様の手順を経た。
(実験例13−12〜13−16)
実験例13−4〜13−6と同様に負極活物質であるMCMBのうちの一部を絶縁性ナノフィラー(酸化ケイ素)に置き換えると共に、溶媒に化5(2)の化合物を加えなかったことを除き、実験例3−13,1−9〜1−12と同様の手順を経た。
実験例13−4〜13−6と同様に負極活物質であるMCMBのうちの一部を絶縁性ナノフィラー(酸化ケイ素)に置き換えると共に、溶媒に化5(2)の化合物を加えなかったことを除き、実験例3−13,1−9〜1−12と同様の手順を経た。
(実験例14−1〜14−3)
負極活物質であるMCMB97重量部のうち、0.5重量部を絶縁性ナノフィラーである酸化アルミニウム(Al2 O3 )に置き換えたことを除き、実験例3−2,3−5,3−6と同様の手順を経た。この絶縁性ナノフィラーの体積平均粒子径は15nmであり、以降においても同様である。
負極活物質であるMCMB97重量部のうち、0.5重量部を絶縁性ナノフィラーである酸化アルミニウム(Al2 O3 )に置き換えたことを除き、実験例3−2,3−5,3−6と同様の手順を経た。この絶縁性ナノフィラーの体積平均粒子径は15nmであり、以降においても同様である。
(実験例14−4〜14−6)
負極活物質であるMCMB97重量部のうち、1.0重量部を絶縁性ナノフィラーである酸化アルミニウムに置き換えたことを除き、実験例3−2,3−5,3−6と同様の手順を経た。
負極活物質であるMCMB97重量部のうち、1.0重量部を絶縁性ナノフィラーである酸化アルミニウムに置き換えたことを除き、実験例3−2,3−5,3−6と同様の手順を経た。
(実験例14−7〜14−11)
実験例14−1〜14−3と同様に負極活物質であるMCMBのうちの一部を絶縁性ナノフィラー(酸化アルミニウム)に置き換えると共に、溶媒に化5(2)の化合物を加えなかったことを除き、実験例3−13,1−9〜1−12と同様の手順を経た。
実験例14−1〜14−3と同様に負極活物質であるMCMBのうちの一部を絶縁性ナノフィラー(酸化アルミニウム)に置き換えると共に、溶媒に化5(2)の化合物を加えなかったことを除き、実験例3−13,1−9〜1−12と同様の手順を経た。
(実験例14−12〜14−16)
実験例14−4〜14−6と同様に負極活物質であるMCMBのうちの一部を絶縁性ナノフィラー(酸化アルミニウム)に置き換えると共に、溶媒に化5(2)の化合物を加えなかったことを除き、実験例3−13,1−9〜1−12と同様の手順を経た。
実験例14−4〜14−6と同様に負極活物質であるMCMBのうちの一部を絶縁性ナノフィラー(酸化アルミニウム)に置き換えると共に、溶媒に化5(2)の化合物を加えなかったことを除き、実験例3−13,1−9〜1−12と同様の手順を経た。
これらの実験例13−1〜13−16,14−1〜14−16の二次電池についてサイクル特性を調べたところ、表13および表14に示した結果が得られた。
表13および表14に示したように、負極活物質層34B中に絶縁性ナノフィラーを加えた場合においても、表3の結果と同様の結果が得られた。すなわち、化5(2)の化合物の有無に基づいて放電容量維持率を比較すると、溶媒が化5(2)の化合物を含有する実験例13−1〜13−7,13−12,14−1〜14−7,14−12では、それを含有しない実験例13−8〜13−11,13−13〜13−16,14−8〜14−11,14−13〜14−16よりも放電容量維持率が高くなった。
この場合には、負極活物質層34Bの厚さごとに維持率増加分を比較すると、厚さが30μm以上である実験例13−1〜13−6,14−1〜14−6では、20μm以下である実験例13−7,13−12,14−7,14−12よりも維持率増加分が大幅に大きくなった。
ここで、負極活物質層34B中における絶縁性ナノフィラーの有無に着目すると、負極活物質層34Bが絶縁性ナノフィラーを含有する実験例13−1〜13−6,14−1〜14−6では、それを含有しない実験例3−2,3−5,3−6と比較して、負極活物質層34Bの厚さが薄ければ、放電容量維持率が高くなった。
これらのことから、本発明の二次電池では、負極の負極活物質層が絶縁性ナノフィラーを含む場合においても、その厚さが30μm以上であり、電解液の溶媒が化5(2)のスルホン化合物を含有することにより、負極活物質層を厚塗りした場合においてもサイクル特性が向上することが確認された。この場合には、負極活物質層の厚さが薄ければ、サイクル特性がより向上することも確認された。
上記した表1〜表14の結果から明らかなように、本発明の二次電池では、負極の負極活物質層が負極活物質として炭素材料を含むと共に30μm以上の厚さを有し、電解液の溶媒が化3および化4に示したスルホン化合物のうちの少なくとも1種を含有することにより、負極活物質の種類、溶媒の組成、電解質塩の種類、および絶縁性フィラーの有無などに関係なく、負極活物質層を厚塗りして高容量化を図った場合においてもサイクル特性が向上することが確認された。
なお、ここでは、溶媒が複数種のスルホン化合物を含有したり、負極活物質層が複数種の炭素材料を含む場合の結果を示していないが、スルホン化合物あるいは炭素材料を単独で用いた場合にサイクル特性が向上することは確かであり、複数種を混合して用いた場合にサイクル特性が低下する特別な理由もないことから、複数種のスルホン化合物や炭素材料を用いた場合においても同様の結果が得られることは明らかである。
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、本発明は上記した実施の形態および実施例において説明した態様に限定されず、種々の変形が可能である。例えば、上記した実施の形態および実施例では、二次電池の電解質として、電解液、あるい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説明したが、他の種類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や、他の無機化合物と電解液とを混合したものや、これらの無機化合物とゲル状電解質とを混合したものなどが挙げられる。
また、上記した実施の形態および実施例では、二次電池の種類として、負極の容量がリチウムの吸蔵および放出に基づいて表されるリチウムイオン二次電池について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。本発明の二次電池は、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充電容量を正極の充電容量よりも小さくすることにより、負極の容量がリチウムの吸蔵および放出に基づく容量とリチウムの析出および溶解に基づく容量とを含み、かつ、それらの容量の和によって表される二次電池についても同様に適用可能である。
また、上記した実施の形態または実施例では、本発明の二次電池の電池構造として円筒型およびラミネートフィルム型を例に挙げ、電池素子の構造として巻回構造を例に挙げて説明したが、本発明の二次電池は、コイン型、ボタン型あるいは角型などの他の電池構造を有する場合や、電池素子が積層構造を有する場合についても同様に適用可能である。
また、上記した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場合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1A族元素や、マグネシウムあるいはカルシウム(Ca)などの2A族元素や、アルミニウムなどの他の軽金属を用いてもよい。本発明の効果は、電極反応物質の種類に依存せずに得られるはずであるため、その電極反応物質の種類を変更しても、同様の効果を得ることができる。
また、上記した実施の形態および実施例では、負極活物質層の厚さについて、実施例の結果から導き出された数値範囲を適正範囲として説明しているが、その説明は、厚さが上記した範囲外となる可能性を完全に否定するものではない。すなわち、上記した適正範囲は、あくまで本発明の効果を得る上で特に好ましい範囲であり、本発明の効果が得られるのであれば、厚さが上記した範囲から多少外れてもよい。このことは、溶媒中におけるスルホン化合物の含有量や負極活物質層の体積密度についても同様である。
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、20,30…巻回電極体、21,33…正極、21A,33A…正極集電体、21B,33B…正極活物質層、22,34…負極、22A,34A…負極集電体、22B,34B…負極活物質層、23,35…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。
Claims (15)
- 前記溶媒中における前記化1および化2に示したスルホン化合物の含有量は、0.05重量%以上2重量%以下である請求項1記載の二次電池。
- 前記炭素材料は、黒鉛である請求項1記載の二次電池。
- 前記黒鉛は、人造黒鉛である請求項5記載の二次電池。
- 前記負極活物質層は、100μm以下の厚さを有する請求項1記載の二次電池。
- 前記負極活物質層は、1.60g/cm3 以上1.95g/cm3 以下の体積密度を有する請求項1記載の二次電池。
- 前記化6に示したハロゲンを有する環状炭酸エステルは、4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンおよび4,5−ジフルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンのうちの少なくとも1種である請求項9記載の二次電池。
- 前記化7に示した不飽和結合を有する環状炭酸エステルは、炭酸ビニレンである請求項11記載の二次電池。
- 前記電解質塩は、六フッ化リン酸リチウム(LiPF6 )および四フッ化ホウ酸リチウム(LiBF4 )を含有することを特徴とする請求項1記載の二次電池。
- 前記負極活物質層は、絶縁性材料を含む請求項1記載の二次電池。
- 前記絶縁性材料は、酸化ケイ素(SiO2 )および酸化アルミニウム(Al2 O3 )のうちの少なくとも1種である請求項14記載の二次電池。
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