JP2011034919A - Lithium secondary battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、酸化物系電極を備えたリチウム二次電池に関する。 The present invention relates to a lithium secondary battery provided with an oxide-based electrode.
リチウム(Li)を可逆的に吸蔵および放出し得る材料(活物質)を有する正負の電極を備え、それら電極の間をリチウムイオンが行き来することによって充電および放電するリチウム二次電池が知られている。現在、負極用の活物質としてはグラファイトが広く用いられている。しかし、グラファイトでは6個の炭素原子当たり1個のLiがインターカレートするため、その充放電容量には372mAh/gの上限がある。 There is known a lithium secondary battery that includes positive and negative electrodes having a material (active material) capable of reversibly occluding and releasing lithium (Li), and charging and discharging as lithium ions move between the electrodes. Yes. Currently, graphite is widely used as an active material for negative electrodes. However, graphite intercalates 1 Li per 6 carbon atoms, so its charge / discharge capacity has an upper limit of 372 mAh / g.
そこで、グラファイト以上の充放電容量を実現し得るものと期待される活物質が種々検討されている。かかる活物質の一例として、Fe2O3等の鉄酸化物(鉄を構成元素として含む酸化物)を含む組成のものが挙げられる。 Therefore, various active materials that are expected to be capable of realizing a charge / discharge capacity higher than that of graphite have been studied. As an example of such an active material, a composition containing iron oxide (an oxide containing iron as a constituent element) such as Fe 2 O 3 can be given.
しかし、酸化物系電極(例えば鉄酸化物系電極)は、通常、充放電の可逆性が低く、二次電池への適用が困難な物質であることが知られている。そこで本発明は、酸化物系電極を備えたリチウム二次電池であって、充放電特性が向上されたリチウム二次電池を提供することを目的とする。関連する他の目的は、酸化物系電極を備えた非水系二次電池の電解液に添加されて該電池の充放電特性を向上させ得る電解液用添加剤の提供である。 However, it is known that an oxide-based electrode (for example, an iron oxide-based electrode) is a substance that usually has low reversibility of charge / discharge and is difficult to apply to a secondary battery. Accordingly, an object of the present invention is to provide a lithium secondary battery including an oxide-based electrode and having improved charge / discharge characteristics. Another related object is to provide an additive for an electrolytic solution that can be added to the electrolytic solution of a non-aqueous secondary battery including an oxide electrode to improve the charge / discharge characteristics of the battery.
本発明によると、正極と負極と非水電解質とを備えたリチウム二次電池が提供される。そのリチウム二次電池において、前記正極および前記負極のうち少なくとも一方(例えば負極)は、充放電に伴う電極反応として、遷移金属(例えば鉄)の酸化物を還元して酸化リチウムを生成する反応と、その逆反応と、を行う酸化物系電極である。また、前記非水電解液は、非水溶媒と、アニオンレセプターとしてのホウ酸エステルと、を含む。 According to the present invention, a lithium secondary battery including a positive electrode, a negative electrode, and a nonaqueous electrolyte is provided. In the lithium secondary battery, at least one of the positive electrode and the negative electrode (for example, the negative electrode) is a reaction that generates a lithium oxide by reducing an oxide of a transition metal (for example, iron) as an electrode reaction accompanying charging and discharging. This is an oxide-based electrode that performs the reverse reaction. The nonaqueous electrolytic solution contains a nonaqueous solvent and a borate ester as an anion receptor.
かかる構成のリチウム二次電池によると、非水電解液にホウ酸エステルが添加されていることにより、酸化物系電極における電極反応の可逆性を向上させ、ひいては該電極を備える電池の充放電特性を向上させる(例えば、不可逆容量を低減する)ことができる。 According to the lithium secondary battery having such a structure, the reversibility of the electrode reaction in the oxide-based electrode is improved by adding the boric acid ester to the non-aqueous electrolyte, and consequently the charge / discharge characteristics of the battery including the electrode. (For example, irreversible capacity can be reduced).
なお、本明細書において「リチウム二次電池」とは、電解質イオンとしてリチウムイオンを利用し、正負極間のリチウムイオンの移動により充放電する二次電池(典型的には、電極に金属リチウムを使用しないもの)をいう。 In this specification, the term “lithium secondary battery” refers to a secondary battery that uses lithium ions as electrolyte ions and charges and discharges by the movement of lithium ions between the positive and negative electrodes (typically, metallic lithium is applied to the electrodes). That is not used).
前記ホウ酸エステルとしては、下記式(1)で表わされる化合物を好ましく採用することができる。
B(OR1)3 (1)
ここで、式(1)中のR1は、それぞれ独立に、炭素原子数1〜6のアルキル基および炭素原子数1〜6のフルオロアルキル基から選択される。かかるホウ酸エステルによると、酸化物系電極(例えば、鉄酸化物系電極)における電極反応の可逆性をより効果的に向上させることができる。
As the borate ester, a compound represented by the following formula (1) can be preferably employed.
B (OR 1 ) 3 (1)
Here, R 1 in formula (1) is independently selected from an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms and a fluoroalkyl group having 1 to 6 carbon atoms. According to such boric acid ester, the reversibility of the electrode reaction in the oxide-based electrode (for example, iron oxide-based electrode) can be improved more effectively.
また、ここに開示される技術は、例えば、前記非水溶媒がカーボネート系溶媒を主成分とする溶媒である非水電解液を備えたリチウム二次電池に対して好ましく適用され得る。かかる組成の非水電解液によると、酸化物系電極(例えば、鉄酸化物系電極)における電極反応の可逆性をより効果的に向上させることができる。 Moreover, the technique disclosed here can be preferably applied to, for example, a lithium secondary battery including a nonaqueous electrolytic solution in which the nonaqueous solvent is a solvent having a carbonate-based solvent as a main component. According to the nonaqueous electrolytic solution having such a composition, the reversibility of the electrode reaction in an oxide electrode (for example, an iron oxide electrode) can be more effectively improved.
前記非水電解液における前記ホウ酸エステルの使用量は、該ホウ酸エステルを含有させることにより電極反応の可逆性が向上するように(例えば、不可逆容量が低減するように)設定されることが好ましい。例えば、他の(すなわち、ホウ酸エステル以外の)電解液構成成分100質量部に対して前記ホウ酸エステルを凡そ0.01〜1質量部の割合で使用することにより好適な結果が実現され得る。 The amount of the boric acid ester used in the non-aqueous electrolyte may be set so that the reversibility of the electrode reaction is improved by containing the boric acid ester (for example, the irreversible capacity is reduced). preferable. For example, a preferable result can be realized by using the borate ester at a ratio of about 0.01 to 1 part by mass with respect to 100 parts by mass of the other electrolyte components (that is, other than the borate ester). .
ここに開示される技術は、前記遷移金属が鉄である酸化物系電極(すなわち、鉄酸化物系電極)を備えたリチウム二次電池に好ましく適用され得る。上述のように、鉄酸化物系電極は、グラファイト以上の充放電容量を実現し得るものと期待される一方、その電極反応の可逆性の向上が強く望まれていた。したがって、鉄酸化物系電極を備える電池では、ここに開示される技術を適用する意義が特に大きい。 The technology disclosed herein can be preferably applied to a lithium secondary battery including an oxide-based electrode (that is, an iron oxide-based electrode) in which the transition metal is iron. As described above, the iron oxide-based electrode is expected to be able to realize a charge / discharge capacity higher than that of graphite, but it has been strongly desired to improve the reversibility of the electrode reaction. Therefore, in a battery including an iron oxide-based electrode, it is particularly significant to apply the technology disclosed herein.
ここに開示される技術には、前記酸化物系電極を負極として備えるリチウム二次電池、および、該酸化物系電極を正極として備えるリチウム二次電池、の双方が含まれる。前記酸化物系電極を負極として備える形態のリチウム二次電池がより好ましい。かかる形態のリチウム二次電池は、より作動電圧の高い電池となり得る。また、対極(すなわち正極)の活物質をより広い範囲から選択し得るので好ましい。 The technology disclosed herein includes both a lithium secondary battery that includes the oxide-based electrode as a negative electrode and a lithium secondary battery that includes the oxide-based electrode as a positive electrode. A lithium secondary battery having the oxide-based electrode as a negative electrode is more preferable. Such a form of lithium secondary battery can be a battery having a higher operating voltage. Further, the active material of the counter electrode (that is, the positive electrode) can be selected from a wider range, which is preferable.
ここに開示されるリチウム二次電池は、上述のように充放電特性(例えば、充放電の可逆性)に優れたものとなり得ることから、車両に搭載されるリチウム二次電池として好適である。例えば、上記リチウム二次電池の複数個を直列に接続した組電池の形態で、自動車等の車両のモータ(電動機)用の電源として好適に利用され得る。したがって本発明によると、ここに開示されるいずれかのリチウム二次電池(ここに開示されるいずれかの方法により製造されたリチウム二次電池であり得る)を備えた車両が提供される。 Since the lithium secondary battery disclosed herein can be excellent in charge / discharge characteristics (for example, reversibility of charge / discharge) as described above, it is suitable as a lithium secondary battery mounted on a vehicle. For example, it can be suitably used as a power source for a motor (electric motor) of a vehicle such as an automobile in the form of an assembled battery in which a plurality of lithium secondary batteries are connected in series. Therefore, according to the present invention, there is provided a vehicle equipped with any lithium secondary battery disclosed herein (which may be a lithium secondary battery manufactured by any method disclosed herein).
本発明によると、また、酸化物系電極を備えた二次電池の非水電解液に添加するための電解液用添加剤が提供される。ここで、前記酸化物系電極は、充放電に伴う電極反応として、遷移金属(例えば鉄)の酸化物を還元して酸化リチウムを生成する反応と、その逆反応と、を行う電極である。上記電解液用添加剤は、下記式(2)で表わされるホウ酸エステルからなる。
B(OR1)3 (2)
ここで、式(2)式中のR1は、それぞれ独立に、炭素原子数1〜6のアルキル基および炭素原子数1〜6のフルオロアルキル基から選択される。
According to the present invention, there is also provided an electrolyte additive for addition to a non-aqueous electrolyte of a secondary battery equipped with an oxide-based electrode. Here, the oxide-based electrode is an electrode that performs a reaction of reducing an oxide of a transition metal (for example, iron) to generate lithium oxide and an opposite reaction as an electrode reaction accompanying charging and discharging. The additive for electrolytic solution comprises a borate ester represented by the following formula (2).
B (OR 1 ) 3 (2)
Here, R 1 in formula (2) is independently selected from an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms and a fluoroalkyl group having 1 to 6 carbon atoms.
かかる電解液用添加剤は、酸化物系電極を備えた非水系二次電池(すなわち、非水電解液を備えた二次電池。典型的にはリチウム二次電池)の電解液に添加されて、該酸化物系電極における電極反応の可逆性を向上させ得る。これにより、上記酸化物系電極を備えた二次電池の充放電特性を向上させる(例えば、不可逆容量を低減する)ことができる。 Such an additive for electrolytic solution is added to the electrolytic solution of a non-aqueous secondary battery having an oxide-based electrode (that is, a secondary battery having a non-aqueous electrolytic solution, typically a lithium secondary battery). The reversibility of the electrode reaction in the oxide electrode can be improved. Thereby, the charge / discharge characteristic of a secondary battery provided with the said oxide type electrode can be improved (for example, irreversible capacity | capacitance is reduced).
以下、本発明の好適な実施形態を説明する。なお、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described. Note that matters other than matters specifically mentioned in the present specification and necessary for the implementation of the present invention can be grasped as design matters of those skilled in the art based on the prior art in this field. The present invention can be carried out based on the contents disclosed in this specification and common technical knowledge in the field.
ここに開示される技術は、酸化物系電極と非水電解液とを備えた各種のリチウム二次電池に適用され得る。その酸化物系電極は、充放電(すなわちリチウムの吸蔵放出)に伴う電極反応として、遷移金属の酸化物を電気化学的に還元して酸化リチウムを生成する反応と、その逆反応とを行う。換言すれば、遷移金属とリチウムとの間で酸素をやりとりする電極反応を行う。上記遷移金属の例としては、リチウムと合金化しない金属、例えば鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)および銅(Cu)が挙げられる。かかる遷移金属の酸化物は、下記反応式(3)によりLiを吸蔵し、その逆向き(左向き)の反応によりLiを放出することで、電極活物質として機能し得る。
MxOy+2yLi++2ye-→xM+yLi2O (3)
The technology disclosed herein can be applied to various lithium secondary batteries including an oxide-based electrode and a non-aqueous electrolyte. The oxide-based electrode performs a reaction of electrochemically reducing an oxide of a transition metal to generate lithium oxide and an inverse reaction thereof as an electrode reaction accompanying charge / discharge (that is, occlusion / release of lithium). In other words, an electrode reaction is performed in which oxygen is exchanged between the transition metal and lithium. Examples of the transition metal include metals that do not alloy with lithium, such as iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), and copper (Cu). Such an oxide of a transition metal can function as an electrode active material by occluding Li by the following reaction formula (3) and releasing Li by a reaction in the opposite direction (leftward).
M x O y +2 y Li + +2 y e − → xM + yLi 2 O (3)
なかでも鉄酸化物を備える電極(鉄酸化物系電極)が好ましい。ここで「鉄酸化物系電極」とは、鉄酸化物(Fe2O3,Fe3O4,FeO等)を備える電極を指す。少なくともFe2O3(典型的にはα−Fe2O3)の結晶を含む鉄酸化物を有する鉄酸化物系電極が特に好ましい。Fe2O3結晶の存在は、一般的なX線回折測定(XRD)により確認することができる。かかる鉄酸化物によると、より良好な充放電特性(例えばクーロン効率)を示す電池が実現され得る。 Among these, an electrode including iron oxide (iron oxide-based electrode) is preferable. Here, the “iron oxide-based electrode” refers to an electrode including iron oxide (Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4 , FeO, etc.). An iron oxide-based electrode having an iron oxide containing at least a crystal of Fe 2 O 3 (typically α-Fe 2 O 3 ) is particularly preferable. The presence of the Fe 2 O 3 crystal can be confirmed by general X-ray diffraction measurement (XRD). According to such iron oxide, a battery exhibiting better charge / discharge characteristics (for example, coulomb efficiency) can be realized.
ここに開示される酸化物系電極(好ましくは鉄酸化物系電極)は、上述のような遷移金属の酸化物を粒子状の形態で有するものであり得る。例えば、遷移金属酸化物の粉末(例えば鉄酸化物粉末)とバインダと必要に応じて用いられる導電材とを含む電極合材層(好ましくは、上記遷移金属酸化物を主成分、すなわち50質量%以上を占める成分として含む合材層)が導電性基体に保持された構成の酸化物系電極であり得る。上記合材層は、例えば、合材層形成成分を適当な溶媒に分散または溶解させた液状組成物を導電性基体の表面に付与して乾燥させることにより形成され得る。あるいは、合材層形成成分を所望の形状(板状、ペレット状等)に成形してなる酸化物系電極であってもよい。 An oxide-based electrode (preferably an iron oxide-based electrode) disclosed herein may have a transition metal oxide as described above in the form of particles. For example, an electrode mixture layer containing a transition metal oxide powder (for example, iron oxide powder), a binder, and a conductive material used as necessary (preferably, the transition metal oxide is the main component, that is, 50% by mass. An oxide electrode having a configuration in which a composite layer containing the above components is held on a conductive substrate can be used. The composite material layer can be formed, for example, by applying a liquid composition in which a composite material layer forming component is dispersed or dissolved in an appropriate solvent and drying the composition. Alternatively, it may be an oxide-based electrode formed by molding the composite layer forming component into a desired shape (plate shape, pellet shape, etc.).
上記遷移金属酸化物粉末(例えばFe2O3粉末)としては、平均粒径が凡そ10nm〜50μm(より好ましくは凡そ30nm〜10μm)の範囲にあるものを好ましく用いることができる。かかる平均粒径の遷移金属酸化物粉末によると、より良好な充放電特性を示す電池が実現され得る。また、上記遷移金属酸化物粉末は、粒径が50μmを超える粒子を含まないことが好ましく、粒径が10μmを超える粒子を含まないことがさらに好ましい。このように粒径の過大な粒子を実質的に含まない遷移金属酸化物粉末によると、より良好な充放電特性を示す電池が実現され得る。 As the transition metal oxide powder (for example, Fe 2 O 3 powder), one having an average particle diameter in the range of about 10 nm to 50 μm (more preferably about 30 nm to 10 μm) can be preferably used. According to the transition metal oxide powder having such an average particle size, a battery exhibiting better charge / discharge characteristics can be realized. Moreover, it is preferable that the said transition metal oxide powder does not contain the particle | grains with a particle size exceeding 50 micrometers, and it is still more preferable not to contain the particle | grains with a particle size exceeding 10 micrometers. Thus, according to the transition metal oxide powder which does not substantially contain excessively large particles, a battery exhibiting better charge / discharge characteristics can be realized.
また、ここに開示される酸化物系電極は、上記遷移金属酸化物を膜の形態で有するものであってもよい。例えば、上記遷移金属酸化物を主成分とする膜(該遷移金属酸化物から実質的に構成される膜であり得る。)が導電性基体の表面に設けられた構成の酸化物系電極であり得る。上記遷移金属酸化物膜(例えば鉄酸化物膜)を形成する方法としては、めっき法や蒸着法等の従来公知の各種成膜手法を、単独で、あるいは適宜組み合わせて使用することができる。これらのうち蒸着法を好ましく用いることができる。ここでいう蒸着法の概念には、物理蒸着法(PVD法、例えばスパッタリング法)、化学蒸着法(CVD法、例えばプラズマCVD法)、反応性蒸着法等の各種蒸着法が包含される。かかる蒸着法による鉄酸化物膜の形成は、典型的には減圧条件下(例えば、圧力10−3Pa〜10−5Pa程度)で行われる(すなわち真空蒸着法)。上記遷移金属酸化物膜の厚みは、例えば凡そ0.1μm〜30μm程度とすることができ、凡そ0.2μm〜10μm(例えば凡そ0.5μm〜5μm)程度の範囲にあることが好ましい。かかる厚みの遷移金属酸化物膜を備えた電極によると、より良好な充放電特性を示す電池が実現され得る。 The oxide-based electrode disclosed herein may have the transition metal oxide in the form of a film. For example, an oxide-based electrode having a configuration in which a film containing the transition metal oxide as a main component (which may be a film substantially composed of the transition metal oxide) is provided on the surface of a conductive substrate. obtain. As a method for forming the transition metal oxide film (for example, an iron oxide film), various conventionally known film forming methods such as a plating method and a vapor deposition method can be used alone or in appropriate combination. Of these, the vapor deposition method can be preferably used. The concept of the vapor deposition method here includes various vapor deposition methods such as physical vapor deposition (PVD method, for example, sputtering method), chemical vapor deposition method (CVD method, for example, plasma CVD method), and reactive vapor deposition method. Formation of the iron oxide film by such a vapor deposition method is typically performed under reduced pressure conditions (for example, a pressure of about 10 −3 Pa to 10 −5 Pa) (that is, a vacuum vapor deposition method). The thickness of the transition metal oxide film can be, for example, about 0.1 μm to 30 μm, and is preferably in the range of about 0.2 μm to 10 μm (for example, about 0.5 μm to 5 μm). According to the electrode provided with the transition metal oxide film having such a thickness, a battery exhibiting better charge / discharge characteristics can be realized.
上記導電性基体としては、一般的なリチウム二次電池用電極の集電体と同様の材質および形状を有する導電性部材を用いることができる。例えば、銅(Cu)、チタン(Ti)、ステンレス鋼等の導電性材料(典型的には金属材料)を主体とする棒状体、板状体、シート状(箔状)体、網状体等を用いることができる。上記電極合材層または遷移金属酸化物膜を形成しやすいこと、高容量の電池に適用しやすいこと等から、シート状の導電性基体(典型的には金属箔)を好ましく採用することができる。かかるシート状基体の厚みは特に限定されないが、電池の容量密度と基体の強度との兼ね合いから好ましい厚みとして、1μm〜100μm(より好ましくは5μm〜50μm)程度の範囲が例示される。 As the conductive substrate, a conductive member having the same material and shape as a current collector of a general lithium secondary battery electrode can be used. For example, a rod-like body, a plate-like body, a sheet-like (foil-like) body, a net-like body, etc. mainly composed of a conductive material (typically a metal material) such as copper (Cu), titanium (Ti), and stainless steel. Can be used. A sheet-like conductive substrate (typically a metal foil) can be preferably used because it is easy to form the electrode mixture layer or the transition metal oxide film, and to be easily applied to a high-capacity battery. . The thickness of the sheet-like substrate is not particularly limited, but a preferable thickness is 1 μm to 100 μm (more preferably 5 μm to 50 μm) in view of balance between the capacity density of the battery and the strength of the substrate.
上記導電材としては、一般的なリチウム二次電池の電極における導電材と同様、カーボンブラック(例えばアセチレンブラック)、グラファイト粉末等のカーボン材料を好ましく用いることができる。上記バインダ(結着剤)としては、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、カルボキシメチルセルロース(CMC)、スチレンブタジエンゴム(SBR)等を用いることができる。特に限定するものではないが、遷移金属酸化物100質量部に対する導電材の使用量は、例えば1〜20質量部(好ましくは5〜15質量部)とすることができる。また、遷移金属酸化物100質量部に対するバインダの使用量は、例えば0.5〜10質量部とすることができる。 As the conductive material, a carbon material such as carbon black (for example, acetylene black) or graphite powder can be preferably used, like the conductive material in the electrode of a general lithium secondary battery. As the binder (binder), polyvinylidene fluoride (PVDF), carboxymethyl cellulose (CMC), styrene butadiene rubber (SBR), or the like can be used. Although it does not specifically limit, the usage-amount of the electrically conductive material with respect to 100 mass parts of transition metal oxides can be 1-20 mass parts (preferably 5-15 mass parts), for example. Moreover, the usage-amount of a binder with respect to 100 mass parts of transition metal oxides can be 0.5-10 mass parts, for example.
ここに開示される技術における非水電解液は、少なくとも非水溶媒とアニオンレセプターとを構成成分として含むことによって特徴づけられる。ここで「アニオンレセプター」とは、アニオンを引き寄せ、塩の解離性を促進する機能を発揮し得る化合物をいう。アニオンレセプターの典型例として各種のルイス酸が挙げられる。なかでも好ましいアニオンレセプターとしてホウ酸エステルが例示される。例えば、下記式(1)で表わされる有機ホウ酸化合物を好ましく用いることができる。
B(OR1)3 (1)
ここで、式(1)中のR1は、それぞれ独立に、炭素原子数1〜6(典型的には2〜4)のアルキル基であり得る。また、該アルキル基を構成する水素原子(H)の少なくとも一つがフッ素原子(F)に置き換えられた構造の基(フルオルアルキル基)であってもよい。上記フルオルアルキル基の好適例として、パースルオロアルキル基、末端の炭素原子に結合した水素原子が全てフッ素原子に置き換えられた基(例えば−CH2CH2CF3)等が挙げられる。R1は、直鎖状であってもよく分岐を有してもよい。好ましい一態様では、R1が直鎖状のアルキル基(例えば、n−プロピル基)である。また、上記式(1)に含まれる3つのR1が同一の基である化合物を好ましく採用し得る。
The nonaqueous electrolytic solution in the technology disclosed herein is characterized by containing at least a nonaqueous solvent and an anion receptor as constituent components. Here, the “anion receptor” refers to a compound capable of exerting a function of attracting anions and promoting dissociation of a salt. Typical examples of anion receptors include various Lewis acids. Of these, borate esters are exemplified as preferred anion receptors. For example, an organic boric acid compound represented by the following formula (1) can be preferably used.
B (OR 1 ) 3 (1)
Here, R 1 in the formula (1) can be each independently an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms (typically 2 to 4). Further, a group (fluoroalkyl group) having a structure in which at least one of hydrogen atoms (H) constituting the alkyl group is replaced with a fluorine atom (F) may be used. Preferable examples of the fluoroalkyl group include a persulfoalkyl group, a group in which all hydrogen atoms bonded to terminal carbon atoms are replaced with fluorine atoms (for example, —CH 2 CH 2 CF 3 ) and the like. R 1 may be linear or branched. In one preferred embodiment, R 1 is a linear alkyl group (eg, n-propyl group). Moreover, the compound whose three R < 1 > contained in the said Formula (1) is the same group can be employ | adopted preferably.
上記非水溶媒としては、カーボネート類、エステル類、エーテル類、ニトリル類、スルホン類、ラクトン類等の非プロトン性溶媒を用いることができる。例えば、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ジエチルカーボネート(DEC)、ジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)等のカーボネート類のほか、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキシエタン、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、ジオキサン、1,3−ジオキソラン、ジエチレングリコールジメチルエーテル、エチレングリコールジメチルエーテル、アセトニトリル、プロピオニトリル、ニトロメタン、N,N−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、スルホラン、γ−ブチロラクトン等の、一般にリチウム二次電池の電解液に使用し得るものとして知られている非水溶媒から選択される一種または二種以上を用いることができる。ここに開示される技術は、上記非水溶媒がカーボネート系溶媒を主成分とする溶媒である非水電解液(すなわち、上記非水溶媒の50体積%以上がカーボネート類である非水電解液)および該非水電解液を備えた電池に対して特に好ましく適用され得る。 As the non-aqueous solvent, aprotic solvents such as carbonates, esters, ethers, nitriles, sulfones, and lactones can be used. For example, in addition to carbonates such as ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), diethyl carbonate (DEC), dimethyl carbonate (DMC), ethyl methyl carbonate (EMC), 1,2-dimethoxyethane, 1,2- Diethoxyethane, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, dioxane, 1,3-dioxolane, diethylene glycol dimethyl ether, ethylene glycol dimethyl ether, acetonitrile, propionitrile, nitromethane, N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, sulfolane, γ-butyrolactone, etc. One kind or two or more kinds selected from non-aqueous solvents that are generally known as those that can be used for an electrolytic solution of a lithium secondary battery can be used. The technique disclosed here is a non-aqueous electrolyte in which the non-aqueous solvent is a solvent mainly composed of a carbonate-based solvent (that is, a non-aqueous electrolyte in which 50% by volume or more of the non-aqueous solvent is a carbonate). And it can apply especially preferably with respect to the battery provided with this non-aqueous electrolyte.
上記非水電解液は、典型的には、その構成成分として、支持電解質(支持塩)としてのリチウム塩をさらに含む。例えば、LiPF6,LiBF4,LiN(SO2CF3)2,LiN(SO2C2F5)2,LiCF3SO3,LiC4F9SO3,LiC(SO2CF3)3,LiClO4等の、リチウム二次電池の電解液において支持電解質として機能し得ることが知られている各種のリチウム塩から選択される一種または二種以上を用いることができる。特にLiPF6が好ましい。支持電解質の濃度は特に制限されず、例えば従来のリチウム二次電池で使用される電解液と同様とすることができる。通常は、支持電解質を凡そ0.1mol/L〜5mol/L(例えば凡そ0.8mol/L〜1.5mol/L)程度の濃度で含む非水電解液が好ましい。 The non-aqueous electrolyte typically further includes a lithium salt as a supporting electrolyte (supporting salt) as a constituent component. For example, LiPF 6 , LiBF 4 , LiN (SO 2 CF 3 ) 2 , LiN (SO 2 C 2 F 5 ) 2 , LiCF 3 SO 3 , LiC 4 F 9 SO 3 , LiC (SO 2 CF 3 ) 3 , LiClO One or two or more selected from various lithium salts known to be capable of functioning as a supporting electrolyte in the electrolyte solution of a lithium secondary battery, such as No. 4 , can be used. LiPF 6 is particularly preferable. The concentration of the supporting electrolyte is not particularly limited, and can be the same as, for example, the electrolytic solution used in a conventional lithium secondary battery. Usually, a nonaqueous electrolytic solution containing a supporting electrolyte at a concentration of about 0.1 mol / L to 5 mol / L (for example, about 0.8 mol / L to 1.5 mol / L) is preferable.
上記非水電解液におけるアニオンレセプター(典型的にはホウ酸エステル)の含有量は、電池の構成(例えば、上記非水溶媒の組成)に応じて適宜設定することができる。上記アニオンレセプターの添加効果(典型的には、電極反応の可逆性を向上させる効果)が適切に発揮され得る量を含有させることが好ましい。例えば、アニオンレセプターを含まない非水電解液を用いた電池のクーロン効率α%に比べて、アニオンレセプターを含有させた電池のクーロン効率β%がより大きくなるように(α<β)、上記アニオンレセプターを含有させるとよい。好ましい一態様では、アニオンレセプターの使用によりクーロン効率が3%以上向上するように(すなわちβ−α≧3%、例えばβ−α≧3〜20%)、より好ましくは5%以上向上するように(すなわちβ−α≧5%、例えばβ−α≧5〜15%)、上記アニオンレセプターの含有量を設定する。ここで、上記クーロン効率としては、電池構築後の初回の充放電におけるクーロン効率の値を採用することができる。かかるクーロン効率の測定は、例えば、後述する実験例に記載のように、酸化物系電極を作用極とし、金属リチウムを対極とするハーフセルを用いて行うことができる。このハーフセルに対し、0.1Cの定電流にて極間電圧が0.01V(下限電圧)となるまで作用極にLiを吸蔵させる操作を行い、次いで0.1Cの定電流にて極間電圧が3.0V(上限電圧)となるまでLiを放出させる操作を行って、このときのLi吸蔵容量とLi放出容量との比からクーロン効率を算出することができる。 The content of the anion receptor (typically boric acid ester) in the non-aqueous electrolyte can be appropriately set according to the configuration of the battery (for example, the composition of the non-aqueous solvent). It is preferable to contain an amount capable of appropriately exerting the effect of adding the anion receptor (typically, the effect of improving the reversibility of the electrode reaction). For example, the anion receptor is used such that the Coulomb efficiency β% of the battery containing the anion receptor is larger than the Coulomb efficiency α% of the battery using the non-aqueous electrolyte containing no anion receptor (α <β). It is advisable to contain a receptor. In a preferred embodiment, the use of an anion receptor increases the Coulomb efficiency by 3% or more (ie, β-α ≧ 3%, such as β-α ≧ 3 to 20%), more preferably 5% or more. (That is, β-α ≧ 5%, for example, β-α ≧ 5-15%), the content of the anion receptor is set. Here, as the coulomb efficiency, a value of coulomb efficiency in the first charge / discharge after battery construction can be adopted. Such Coulomb efficiency can be measured using, for example, a half cell having an oxide electrode as a working electrode and metallic lithium as a counter electrode, as described in an experimental example described later. The half cell was subjected to an operation of inserting Li into the working electrode until the interelectrode voltage reached 0.01 V (lower limit voltage) at a constant current of 0.1 C, and then the interelectrode voltage at a constant current of 0.1 C. By performing an operation of releasing Li until the voltage reaches 3.0 V (upper limit voltage), the Coulomb efficiency can be calculated from the ratio of the Li storage capacity and the Li release capacity at this time.
例えば、上記アニオンレセプターとしてホウ酸エステルを用いる場合、その含有量は、該ホウ酸エステル以外の電解液構成成分100質量部に対して凡そ5質量部以下とすることができる。ここに開示される技術の好ましい一態様では、上記ホウ酸エステルの含有量が、該ホウ酸エステル以外の電解液構成成分100質量部に対して凡そ2質量部以下(典型的には1質量部以下、例えば0.5質量部以下)である。ホウ酸エステルの量が多すぎると、却ってクーロン効率が低下傾向となる場合があり得る。ホウ酸エステル含有量の下限は特に限定されない。通常は、ホウ酸エステル以外の電解液構成成分100質量部に対して凡そ0.001質量部以上とすることが適当であり、凡そ0.01質量部以上(好ましくは凡そ0.05質量部以上、例えば凡そ0.1質量部以上)とすることが好ましい。例えば、上記非水溶媒がカーボネート系溶媒を主成分とする溶媒である非水電解液において、アニオンレセプターとしてのホウ酸エステルを、ホウ酸エステル以外の電解液構成成分100質量部に対して0.05〜2質量部(好ましくは0.05〜1質量部、より好ましくは0.05〜0.7質量部、例えば0.1〜0.5質量部)程度含有させることが好ましい。 For example, when a boric acid ester is used as the anion receptor, the content thereof can be about 5 parts by mass or less with respect to 100 parts by mass of the electrolyte component other than the boric acid ester. In a preferred embodiment of the technology disclosed herein, the content of the boric acid ester is about 2 parts by mass or less (typically 1 part by mass) with respect to 100 parts by mass of the electrolyte component other than the boric acid ester. Hereinafter, for example, 0.5 parts by mass or less). If the amount of boric acid ester is too large, the Coulomb efficiency may tend to decrease. The lower limit of the boric acid ester content is not particularly limited. Usually, it is appropriate that the amount is about 0.001 part by mass or more, preferably about 0.01 part by mass or more (preferably about 0.05 part by mass or more) with respect to 100 parts by mass of the electrolyte components other than boric acid ester. For example, approximately 0.1 parts by mass or more). For example, in a non-aqueous electrolyte in which the non-aqueous solvent is a solvent mainly composed of a carbonate-based solvent, borate ester as an anion receptor is added in an amount of 0.000 parts by mass with respect to 100 parts by mass of electrolyte components other than borate ester. It is preferable to contain about 05-2 mass parts (preferably 0.05-1 mass parts, more preferably 0.05-0.7 mass parts, for example, 0.1-0.5 mass parts).
ここに開示される技術を実施するにあたり、非水電解液にホウ酸エステルを含有させることによって充放電特性(電極反応の可逆性、例えばクーロン効率)が向上する理由を明らかにする必要はないが、例えば以下のことが考えられる。すなわち、ここに開示される技術における典型的な鉄酸化物であるFe2O3は、下記反応式(4)によりLiを吸蔵し、その逆向き(左向き)の反応によりLiを放出することで、電極活物質として機能し得る(理論容量;1008mAh/g)。
Fe2O3+6Li++6e-→3Li2O+2Fe (4)
In carrying out the technology disclosed herein, it is not necessary to clarify the reason why charging / discharging characteristics (reversibility of electrode reaction, for example, Coulomb efficiency) are improved by adding a boric acid ester to the nonaqueous electrolytic solution. For example, the following can be considered. That is, Fe 2 O 3 which is a typical iron oxide in the technology disclosed herein occludes Li by the following reaction formula (4) and releases Li by a reaction in the opposite direction (leftward). , Can function as an electrode active material (theoretical capacity; 1008 mAh / g).
Fe 2 O 3 + 6Li + + 6e − → 3Li 2 O + 2Fe (4)
上記右向きの反応で生じたLi2Oが上記左向きの反応において分解されないと、その分のLiは不可逆容量となって電池の充放電特性(クーロン効率、容量維持率等)を低下させることとなる。ここに開示される技術によると、アニオンレセプターとしてのホウ酸エステルがLi2Oに作用する(より具体的には、ホウ酸エステルのホウ素原子(B)がLi2Oの酸素イオン(O2−)を引きつける)ことでLiとOとの結合が弱められ、これによりLi2OからLiが放出されやすくなるものと考えられる。これにより左向きの反応が進行しやすくなるので、不可逆容量が減少する(すなわち、電極反応の可逆性が向上する)ものと考えられる。
If Li 2 O generated in the rightward reaction is not decomposed in the leftward reaction, the amount of Li becomes irreversible capacity, and the charge / discharge characteristics (coulomb efficiency, capacity retention rate, etc.) of the battery are reduced. . According to the art disclosed herein, boric acid esters as an anion receptor acts on Li 2 O (more specifically, the boron atom of boric acid ester (B) is
ここに開示されるリチウム二次電池は、酸化物系電極を備え、且つその非水電解液が所定の成分を含むことによって特徴づけられる。したがって、本発明の目的を実現し得る限り、他の電池構成材料や部材等の内容、材質あるいは組成は特に制限されず、従来のリチウム二次電池と同様のもの等を用いることができる。 The lithium secondary battery disclosed herein includes an oxide-based electrode, and the nonaqueous electrolytic solution includes a predetermined component. Therefore, as long as the object of the present invention can be realized, the contents, materials, or compositions of other battery constituent materials and members are not particularly limited, and those similar to conventional lithium secondary batteries can be used.
例えば、上記酸化物系電極を負極として用いる場合、対極(すなわち正極)としては、Liを可逆的に吸蔵および放出可能な活物質を、結着剤(バインダ)および必要に応じて使用される導電材等とともに正極合材として集電体に付着させた形態のものを好ましく使用し得る。正極集電体としては、アルミニウム、ニッケル、チタン、ステンレス鋼等を主体とする棒状体、板状体、箔状体、網状体等を用いることができる。 For example, when the oxide-based electrode is used as a negative electrode, an active material capable of reversibly occluding and releasing Li is used as a counter electrode (that is, a positive electrode), a binder (binder), and a conductive material used as necessary. The thing of the form made to adhere to the electrical power collector as a positive electrode compound material with a material etc. can be used preferably. As the positive electrode current collector, a rod-like body, a plate-like body, a foil-like body, a net-like body or the like mainly composed of aluminum, nickel, titanium, stainless steel, or the like can be used.
上記正極活物質としては、一般的なリチウム二次電池(典型的にはリチウムイオン二次電池)の正極に用いられる層状構造の酸化物系活物質、スピネル構造の酸化物系活物質等を好ましく用いることができる。かかる活物質の代表例として、リチウムニッケル系酸化物、リチウムコバルト系酸化物、リチウムマンガン系酸化物等のリチウム遷移金属酸化物が挙げられる。ここで、リチウムニッケル系酸化物とは、リチウム(Li)とニッケル(Ni)とを構成金属元素とする酸化物のほか、LiおよびNi以外に他の少なくとも一種の金属元素(すなわち、LiとNi以外の遷移金属元素および/または典型金属元素)を、原子数換算でNiと同程度またはNiよりも少ない割合(典型的にはNiよりも少ない割合)で構成金属元素として含む酸化物をも包含する意味である。上記LiおよびNi以外の金属元素は、例えば、コバルト(Co),アルミニウム(Al),マンガン(Mn),クロム(Cr),鉄(Fe),バナジウム(V),マグネシウム(Mg),チタン(Ti),ジルコニウム(Zr),ニオブ(Nb),モリブデン(Mo),タングステン(W),銅(Cu),亜鉛(Zn),ガリウム(Ga),インジウム(In),スズ(Sn),ランタン(La)およびセリウム(Ce)からなる群から選択される一種または二種以上の金属元素であり得る。リチウムコバルト系酸化物、リチウムマンガン系酸化物についても同様の意味である。 As the positive electrode active material, an oxide-based active material having a layered structure, an oxide-based active material having a spinel structure, or the like used for a positive electrode of a general lithium secondary battery (typically a lithium ion secondary battery) is preferable. Can be used. Typical examples of such active materials include lithium transition metal oxides such as lithium nickel oxides, lithium cobalt oxides, and lithium manganese oxides. Here, the lithium nickel-based oxide is an oxide having lithium (Li) and nickel (Ni) as constituent metal elements, and at least one other metal element in addition to Li and Ni (that is, Li and Ni). Also included are oxides containing transition metal elements and / or typical metal elements other than those as constituent metal elements at a rate equivalent to Ni or less than Ni (typically less than Ni) in terms of the number of atoms. That means Examples of the metal element other than Li and Ni include, for example, cobalt (Co), aluminum (Al), manganese (Mn), chromium (Cr), iron (Fe), vanadium (V), magnesium (Mg), and titanium (Ti ), Zirconium (Zr), niobium (Nb), molybdenum (Mo), tungsten (W), copper (Cu), zinc (Zn), gallium (Ga), indium (In), tin (Sn), lanthanum (La) And one or more metal elements selected from the group consisting of cerium (Ce). This also applies to lithium cobalt oxides and lithium manganese oxides.
導電材としては、カーボンブラック(例えばアセチレンブラック)、グラファイト粉末等のカーボン材料、ニッケル粉末等の導電性金属粉末が例示される。バインダとしては、PVDF、PTFE、CMC、SBR等が例示される。特に限定するものではないが、正極活物質100質量部に対する導電材の使用量は、例えば1〜20質量部(好ましくは5〜15質量部)とすることができる。また、正極活物質100質量部に対するバインダの使用量は、例えば0.5〜10質量部とすることができる。 Examples of the conductive material include carbon materials such as carbon black (for example, acetylene black) and graphite powder, and conductive metal powder such as nickel powder. Examples of the binder include PVDF, PTFE, CMC, SBR and the like. Although it does not specifically limit, the usage-amount of the electrically conductive material with respect to 100 mass parts of positive electrode active materials can be 1-20 mass parts (preferably 5-15 mass parts), for example. Moreover, the usage-amount of a binder with respect to 100 mass parts of positive electrode active materials can be 0.5-10 mass parts, for example.
上記酸化物系電極と対極とを上記非水電解液とともに適当な容器(金属または樹脂製の筐体、ラミネートフィルムからなる袋体等)に収容してリチウム二次電池が構築される。ここに開示されるリチウム二次電池の代表的な構成では、正極と負極との間にセパレータが介在される。セパレータとしては、一般的なリチウム二次電池に用いられるセパレータと同様のものを用いることができ、特に限定されない。例えば、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリエステル、セルロース、ポリアミド等の樹脂からなる多孔質シート、不織布等を用いることができる。リチウム二次電池の形状(容器の外形)は特に限定されず、例えば、円筒型、角型、コイン型等の形状であり得る。 A lithium secondary battery is constructed by housing the oxide-based electrode and the counter electrode together with the non-aqueous electrolyte in a suitable container (a metal or resin casing, a bag made of a laminate film, or the like). In a typical configuration of the lithium secondary battery disclosed herein, a separator is interposed between the positive electrode and the negative electrode. As a separator, the thing similar to the separator used for a general lithium secondary battery can be used, and it does not specifically limit. For example, a porous sheet made of a resin such as polyethylene (PE), polypropylene (PP), polyester, cellulose, or polyamide, a nonwoven fabric, or the like can be used. The shape (outer shape of the container) of the lithium secondary battery is not particularly limited, and may be, for example, a cylindrical shape, a square shape, a coin shape, or the like.
本発明により提供されるリチウム二次電池の一構成例を図2に示す。このリチウム二次電池10は、正極12および負極14を具備する電極体11が、図示しない非水電解液とともに、該電極体を収容し得る形状の電池ケース15に収容された構成を有する。
One structural example of the lithium secondary battery provided by the present invention is shown in FIG. The lithium
電極体11は、長尺シート状の正極集電体122上に正極合材層124を有する正極12と、長尺シート状の負極集電体(例えば銅箔)142上に鉄酸化物を含む負極合材層144が設けられた構成の負極14とを、二枚の長尺シート状セパレータ13とともに捲回することにより形成される。電池ケース15は、有底円筒状のケース本体152と、上記開口部を塞ぐ蓋体154とを備える。蓋体154およびケース本体152はいずれも金属製であって相互に絶縁されており、それぞれ正負極の集電体122,142と電気的に接続されている。すなわち、このリチウム二次電池10では、蓋体154が正極端子、ケース本体152が負極端子を兼ねている。
The
なお、ここに開示される酸化物系電極をリチウム二次電池の正極として用いる場合には、負極活物質として、例えば、グラファイト、Sn合金、Si合金等を用いることができる。 In addition, when using the oxide type electrode disclosed here as a positive electrode of a lithium secondary battery, a graphite, Sn alloy, Si alloy etc. can be used as a negative electrode active material, for example.
また、ここに開示される技術におけるホウ酸エステルは、酸化物系電極(典型的には、鉄酸化物系電極)を備えた非水系二次電池(例えばリチウム二次電池)の非水電解液に添加されて該二次電池の充放電特性を向上させる電解液用添加剤としても把握され得る。その電解液用添加剤は、下記式(2)で表わされるホウ酸エステルからなる。
B(OR1)3 (2)
ここで、式(2)中のR1は、それぞれ独立に、炭素原子数1〜6(典型的には2〜4)のアルキル基であり得る。また、該アルキル基を構成する水素原子(H)の少なくとも一つがフッ素原子(F)に置き換えられた構造の基(フルオルアルキル基)であってもよい。上記フルオルアルキル基の好適例として、パースルオロアルキル基、末端の炭素原子に結合した水素原子が全てフッ素原子に置き換えられた基(例えば−CH2CH2CF3)等が挙げられる。R1は、直鎖状であってもよく分岐を有してもよい。好ましい一態様では、R1が直鎖状のアルキル基(例えば、n−プロピル基)である。また、上記式(2)に含まれる3つのR1が同一の基である化合物を好ましく採用し得る。
Further, the borate ester in the technology disclosed herein is a non-aqueous electrolyte of a non-aqueous secondary battery (for example, a lithium secondary battery) provided with an oxide-based electrode (typically, an iron oxide-based electrode). It can also be grasped as an additive for an electrolytic solution that is added to the battery to improve the charge / discharge characteristics of the secondary battery. The additive for electrolyte solution consists of a boric acid ester represented by the following formula (2).
B (OR 1 ) 3 (2)
Here, R 1 in the formula (2) may be independently an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms (typically 2 to 4). Further, a group (fluoroalkyl group) having a structure in which at least one of hydrogen atoms (H) constituting the alkyl group is replaced with a fluorine atom (F) may be used. Preferable examples of the fluoroalkyl group include a persulfoalkyl group, a group in which all hydrogen atoms bonded to terminal carbon atoms are replaced with fluorine atoms (for example, —CH 2 CH 2 CF 3 ) and the like. R 1 may be linear or branched. In one preferred embodiment, R 1 is a linear alkyl group (eg, n-propyl group). Moreover, the compound whose three R < 1 > contained in the said Formula (2) is the same group can be employ | adopted preferably.
以下、本発明に関する実験例を説明するが、本発明をかかる具体例に示すものに限定することを意図したものではない。 Hereinafter, although the experiment example regarding this invention is demonstrated, it is not intending to limit this invention to what is shown to this specific example.
<鉄酸化物系電極の作製>
市販のFe2O3粉末材料(高純度化学社製、平均粒径1μm)を分級して、粒径25μm以下の画分を使用した。この分級後のFe2O3粉末材料と、導電材としてのアセチレンブラックと、バインダとしてのPVdFとを、これらの質量比が85:10:5となるようにNMPと混合して電極合材組成物を調製した。上記組成物を、厚さ10μmの銅箔の片面に、固形分換算の塗布量が2mg/cm2となるようにドクターブレードにて塗工し、80℃で30分間乾燥させた後にプレスした。このようにして、銅箔(集電体)の片面に厚さ10μmの合材層を有する鉄酸化物系電極を得た。
<Fabrication of iron oxide electrode>
Commercially available Fe 2 O 3 powder material (manufactured by Kosei Chemical Co., Ltd.,
<電解液の調製>
エチレンカーボネート(EC)とジメチルカーボネート(DMC)とエチルメチルカーボネート(EMC)との体積比3:3:4の混合溶媒に支持塩としてのLiPF6を約1モル/Lの濃度で溶解させた溶液を調製した。
上記LiPF6溶液100質量部に対し、アニオンレセプターとしてのトリプロピルボレート((CH3CH2CH2O)3B。以下「TPB」と表記する。)を、それぞれ0.1質量部、0.5質量部、1.0質量部、3.0質量部および5.0質量部添加して、電解液サンプル1〜5を調製した。
<Preparation of electrolyte>
A solution in which LiPF 6 as a supporting salt is dissolved in a mixed solvent of ethylene carbonate (EC), dimethyl carbonate (DMC) and ethyl methyl carbonate (EMC) in a volume ratio of 3: 3: 4 at a concentration of about 1 mol / L. Was prepared.
With respect to 100 parts by mass of the LiPF 6 solution, tripropyl borate ((CH 3 CH 2 CH 2 O) 3 B, hereinafter referred to as “TPB”) as an anion receptor is respectively 0.1 parts by mass and 0.0. 5 parts by mass, 1.0 part by mass, 3.0 parts by mass and 5.0 parts by mass were added to prepare
<性能評価>
上記鉄酸化物系電極を直径約16mmの円形に打ち抜いて、上記Fe2O3粉末材料約4mgを含む試験用電極を作製した。この試験用電極(作用極)と、対極としての金属リチウム(直径19mm、厚さ0.15mmの金属Li箔を使用した。)と、セパレータ(直径22mm、厚さ0.02mmの多孔質ポリオレフィンシートを使用した。)と、上記の各電解液サンプルとを、ステンレス製容器に組み込んで、直径20mm、厚さ3.2mm(2032型)の図3に示すコインセル50(充放電性能評価用のハーフセル)を構築した。図3中、符号51は作用極(試験用電極)を、符号52は対極を、符号53は電解液の含浸したセパレータを、符号54はガスケットを、符号55は容器(対極端子)を、符号56は蓋(作用極端子)をそれぞれ示す。以下、上記で作製したコインセルを、使用した電解液のサンプル番号に対応させて、セル1〜5という。比較のため、TPBを添加していない上記LiPF6溶液を電解液に用いて同様にコインセル(セル6)を作製した。
<Performance evaluation>
The iron oxide electrode was punched into a circle having a diameter of about 16 mm to produce a test electrode containing about 4 mg of the Fe 2 O 3 powder material. This test electrode (working electrode), metallic lithium as a counter electrode (a metal Li foil having a diameter of 19 mm and a thickness of 0.15 mm), and a separator (a porous polyolefin sheet having a diameter of 22 mm and a thickness of 0.02 mm) And each of the above electrolyte samples in a stainless steel container, and a coin cell 50 (half cell for charge / discharge performance evaluation) shown in FIG. 3 having a diameter of 20 mm and a thickness of 3.2 mm (2032 type). ) Was built. In FIG. 3,
上記セル1〜6に対し、0.1Cの定電流にて極間電圧が0.01V(下限電圧)となるまで試験用電極にLiを吸蔵させる操作(放電)を行い、次いで0.1Cの定電流にて極間電圧が3.0V(上限電圧)となるまでLiを放出させる操作(充電)を行った。この初回充放電におけるLi吸蔵容量とLi放出容量との比からクーロン効率を算出した。その結果を表1および図1に示す。
The
これらの図表に示されるように、TPBを含まない非水電解液を用いたセル6に対して、適当量のTPBを添加したセル1〜3ではクーロン効率が3%以上向上した。また、これらセル1〜3のLi放出容量は、いずれも600mAh/g程度またはそれ以上であり、グラファイトに勝る高容量が得られることが確認された。TPBを0.05〜0.7質量部(より具体的には0.1〜0.5質量部)含有させたセル1,2では、セル6に対するクーロン効率の向上が5%以上という、特に大きな効果が実現された。
As shown in these charts, the Coulomb efficiency was improved by 3% or more in the
以上、本発明を詳細に説明したが、上記実施形態は例示にすぎず、ここで開示される発明には上述の具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。 As mentioned above, although this invention was demonstrated in detail, the said embodiment is only an illustration and what changed and modified the above-mentioned specific example is included in the invention disclosed here.
ここに開示される技術により提供されるリチウム二次電池は、上記のように優れた性能を示すことから、各種用途向けのリチウム二次電池として利用可能である。例えば、自動車等の車両に搭載されるモータ(電動機)用電源として好適に使用され得る。かかるリチウム二次電池は、それらの複数個を直列および/または並列に接続してなる組電池の形態で使用されてもよい。したがって、ここに開示される技術によると、図4に模式的に示すように、かかるリチウム二次電池(組電池の形態であり得る。)10を電源として備える車両(典型的には自動車、特にハイブリッド自動車、電気自動車、燃料電池自動車のような電動機を備える自動車)1が提供され得る。 Since the lithium secondary battery provided by the technology disclosed herein exhibits excellent performance as described above, it can be used as a lithium secondary battery for various applications. For example, it can be suitably used as a power source for a motor (electric motor) mounted on a vehicle such as an automobile. Such lithium secondary batteries may be used in the form of an assembled battery formed by connecting a plurality of them in series and / or in parallel. Therefore, according to the technique disclosed herein, as schematically shown in FIG. 4, a vehicle (typically an automobile, in particular, a vehicle including such a lithium secondary battery (which may be in the form of an assembled battery) 10 as a power source. A vehicle including an electric motor such as a hybrid vehicle, an electric vehicle, and a fuel cell vehicle) 1 may be provided.
1 自動車(車両)
10 リチウム二次電池
11 電極体
12 正極
14 負極
15 電池ケース
50 コインセル
1 Automobile (vehicle)
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記正極および前記負極のうち少なくとも一方は、充放電に伴う電極反応として、遷移金属の酸化物を還元して酸化リチウムを生成する反応と、その逆反応と、を行う酸化物系電極であり、
前記非水電解液は、非水溶媒と、アニオンレセプターとしてのホウ酸エステルとを含む、リチウム二次電池。 A lithium secondary battery comprising a positive electrode, a negative electrode, and a non-aqueous electrolyte,
At least one of the positive electrode and the negative electrode is an oxide-based electrode that performs a reaction of reducing an oxide of a transition metal to generate lithium oxide as an electrode reaction accompanying charging and discharging, and a reverse reaction thereof.
The non-aqueous electrolyte includes a non-aqueous solvent and a boric acid ester as an anion receptor.
B(OR1)3 (1)
(ただし、式中のR1は、それぞれ独立に、炭素原子数1〜6のアルキル基および炭素原子数1〜6のフルオロアルキル基から選択される。);
で表わされる化合物である、請求項1に記載の電池。 The boric acid ester has the following formula (1):
B (OR 1 ) 3 (1)
(However, each R 1 in the formula is independently selected from an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms and a fluoroalkyl group having 1 to 6 carbon atoms.);
The battery according to claim 1, which is a compound represented by:
前記酸化物系電極は、充放電に伴う電極反応として、遷移金属の酸化物を還元して酸化リチウムを生成する反応と、その逆反応と、を行う電極であり、
下記式(2):
B(OR1)3 (2)
(ただし、式中のR1は、それぞれ独立に、炭素原子数1〜6のアルキル基および炭素原子数1〜6のフルオロアルキル基から選択される。);
で表わされるホウ酸エステルからなる、電解液用添加剤。 An additive for an electrolytic solution for adding to an electrolytic solution of a non-aqueous secondary battery provided with an oxide-based electrode,
The oxide-based electrode is an electrode that performs a reaction of reducing a transition metal oxide to produce lithium oxide and an inverse reaction thereof as an electrode reaction accompanying charging and discharging,
Following formula (2):
B (OR 1 ) 3 (2)
(However, each R 1 in the formula is independently selected from an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms and a fluoroalkyl group having 1 to 6 carbon atoms.);
The additive for electrolyte solutions which consists of borate ester represented by these.
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