JP2011071083A - Lithium ion battery - Google Patents

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昌俊 長濱
Norifumi Hasegawa
規史 長谷川
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a lithium ion battery with an electrolyte hardly decomposed even when an overvoltage of a positive electrode gets high during charging, in the lithium ion battery using an oxide-based positive active material. <P>SOLUTION: This lithium ion battery uses, as a positive active material, at least one out of Li<SB>1-x</SB>CoO<SB>2</SB>, Li<SB>1-x</SB>NiO<SB>2</SB>, Li<SB>1-x</SB>Mn<SB>2</SB>O<SB>4</SB>, 2-1-3 system lithium manganate and a complex component thereof, and Li<SB>1-x</SB>FePO<SB>4</SB>, Li<SB>1-x</SB>MnPO<SB>4</SB>, Li<SB>2-y</SB>FePO<SB>4</SB>F, Li<SB>2-y</SB>MnPO<SB>4</SB>F (x is number of 0 or more and 1 or less, y is number of 0 or more and 2 or less, and some of Co, Ni, Mn and Fe may doped with other metal including Li) and a complex component thereof. An organic solvent of the electrolyte contains: at least one nitrile compound selected from the group of a chain saturated hydrocarbon dinitrile compound in which a chain saturated hydrocarbon compound bonds a nitride group to each of terminals thereof, a chain ether nitrile compound in which a chain ether compound bonds a nitrile group to at least one of terminals thereof, and ester cyanoacetate; and at least one selected from the group of a cyclic carbonate, a cyclic carboxylate ester, and a chain carbonate. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、リチウムイオン電池に関し、さらに詳しくは、過剰な電圧によって充電しても放電可能な電気量が低下し難いリチウムイオン電池に関する。   The present invention relates to a lithium ion battery, and more particularly to a lithium ion battery in which the amount of electricity that can be discharged even when charged by an excessive voltage is unlikely to decrease.

リチウムイオン電池は、正極活物質を含む正極と負極活物質を含む負極とが、有機溶媒にリチウム塩が溶解している電解液に接触している構造となっている。
このリチウムイオン電池に用いられる正極活物質としては、酸化物系の正極活物質(例えばコバルト酸リチウム(LiCoO)、ニッケル酸リチウム(LiNiO)、2-1-3系マンガン酸リチウム(すなわちLiMnOで示されるマンガン酸リチウム)、スピネル系マンガン酸リチウム(LiMn)等やこれらの固溶体)、オリビン型結晶構造を有するリン酸塩系の正極活物質(LiFePO、LiMnPO、LiCoPO、LiNiPO)、また、そのフッ化物系としての正極活物質(Li2FePOF、Li2MnPOF、Li2CoPOF、Li2NiPOF)等、様々なものが開発されている。
A lithium ion battery has a structure in which a positive electrode including a positive electrode active material and a negative electrode including a negative electrode active material are in contact with an electrolyte solution in which a lithium salt is dissolved in an organic solvent.
Examples of the positive electrode active material used in the lithium ion battery include an oxide-based positive electrode active material (for example, lithium cobaltate (LiCoO 2 ), lithium nickelate (LiNiO 2 ), 2-1-3 lithium manganate (that is, Li 2 MnO 3 lithium manganate), spinel-based lithium manganate (LiMn 2 O 2 ) and the like, and solid solutions thereof, phosphate-based positive electrode active materials having an olivine type crystal structure (LiFePO 4 , LiMnPO 4 , Various materials such as LiCoPO 4 and LiNiPO 4 ) and positive electrode active materials (Li 2 FePO 4 F, Li 2 MnPO 4 F, Li 2 CoPO 4 F, and Li 2 NiPO 4 F) as fluorides have been developed. Has been.

この中でも、オリビン型結晶構造を有するリン酸塩系やそのフッ化物の正極活物質の一部には、高い酸化還元電位を有するため、単体セルで大きな起電力を得ることができる物質が存在する。特にLiCoPOFやLiNiPOFは、リン酸ポリアニオンPOの酸素の一部を酸素より電気陰性度の大きなフッ素で置換されており、酸化還元電位がさらに高くなるため、さらに大きな起電力の電池とすることができる(特許文献1)。 Among these, there are substances that can obtain a large electromotive force in a single cell because they have a high oxidation-reduction potential in some of the positive electrode active materials of phosphates and fluorides having an olivine type crystal structure. . In particular, Li 2 CoPO 4 F and Li 2 NiPO 4 F have a larger oxidation-reduction potential because part of the oxygen in the phosphate polyanion PO 4 is substituted with fluorine having a higher electronegativity than oxygen, and the oxidation-reduction potential is further increased. An electromotive force battery can be obtained (Patent Document 1).

しかし、リチウムイオン電池においてオリビン系リン酸塩やそのフッ化物の正極活物質であるLiCoPO、LiNiPOやLiCoPOFやLiNiPOFのように酸化還元電位の高い正極活物質を用いようとした場合、高い電圧で充電されるため、電解液が分解したり変質したりするおそれがある。このため、折角高い起電力を有しており、理論的には高いエネルギー密度を有していても、充電効率や放電可能な電気量が小さく、その性能を充分に引き出すことができていなかった。 However, a positive electrode active material having high oxidation-reduction potential as the positive electrode active substances LiCoPO 4, LiNiPO 4 and Li 2 CoPO 4 F or Li 2 NiPO 4 F of olivine phosphates or fluorides in the lithium ion battery If it is intended to be used, it is charged at a high voltage, so that the electrolytic solution may be decomposed or altered. For this reason, even if it has a high electromotive force and theoretically has a high energy density, the charge efficiency and the amount of electricity that can be discharged are small, and its performance could not be fully exploited. .

このため、本発明者らは、これら酸化還元電位の高い正極活物質でも分解しない電解液を開発し、既に出願を行なっている(特願2009−046955)。この電解液は、有機溶媒として、鎖式飽和炭化水素化合物の両末端にニトリル基が結合した鎖式飽和炭化水素ジニトリル化合物、鎖式エーテル化合物の末端の少なくとも一つにニトリル基が結合した鎖式エーテルニトリル化合物及びシアノ酢酸エステルのうち少なくとも一つのニトリル化合物と、環状炭酸エステル、環状カルボン酸エステル及び鎖状炭酸エステルのうち少なくとも一つと、が含まれていることを特徴とする。   For this reason, the present inventors have developed an electrolytic solution that does not decompose even with these positive electrode active materials having a high oxidation-reduction potential, and has already filed an application (Japanese Patent Application No. 2009-046955). This electrolyte is an organic solvent, a chain saturated hydrocarbon dinitrile compound in which a nitrile group is bonded to both ends of a chain saturated hydrocarbon compound, a chain formula in which a nitrile group is bonded to at least one terminal of a chain ether compound. It contains at least one nitrile compound of an ether nitrile compound and a cyanoacetate ester, and at least one of a cyclic carbonate ester, a cyclic carboxylic acid ester and a chain carbonate ester.

特開2003−229126JP 2003-229126 A

しかし、酸化還元電位がオリビン系リン酸塩ほどは高くないLiCoO、LiNiO、LiMn4、LiMnOおよびこれらの複合物質等の酸化物系の正極活物質、オリビン型結晶構造を有するリン酸塩系の正極活物質(LiFePO、LiMnPO)、そのフッ化物系としての正極活物質(Li2FePOF、Li2MnPOF)であったとしても、急速充電を行なう場合、充電時の過電圧が高くなり、電解液の耐電圧を超えることがあり、このような場合には、やはり電解液が分解するおそれがあった。
また、いくつものリチウムイオン電池を直列に接続して充電する場合において、充電電圧の制御を両端電圧のみで行なった場合には、一部のセルにおいて正極の過電圧が高くなるおそれがあり、このような場合にも、やはり電解液が分解したり劣化したりするおそれがあった。
However, an oxide-based positive electrode active material such as LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMn 2 O 4, Li 2 MnO 3, and a composite material thereof, which has a redox potential not as high as that of an olivine-based phosphate, an olivine type crystal structure Even if it is a phosphate-based positive electrode active material (LiFePO 4 , LiMnPO 4 ) or a positive electrode active material (Li 2 FePO 4 F, Li 2 MnPO 4 F) as a fluoride system, The overvoltage at the time of charging becomes high and may exceed the withstand voltage of the electrolytic solution. In such a case, the electrolytic solution may be decomposed.
In addition, when charging by connecting a number of lithium ion batteries in series, if the charge voltage is controlled only by the voltage at both ends, the overvoltage of the positive electrode may increase in some cells. In some cases, the electrolyte solution may be decomposed or deteriorated.

本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであり、酸化物系の正極活物質を用いたリチウムイオン電池において、充電時に正極の過電圧が高くなっても電解液が分解し難いリチウムイオン電池を提供することを解決すべき課題とする。   The present invention has been made in view of the above-described conventional situation, and in a lithium ion battery using an oxide-based positive electrode active material, the lithium ion is difficult to decompose even if the overvoltage of the positive electrode increases during charging. Providing a battery is a problem to be solved.

本発明者らは、ニトリル基を有する有機溶媒が高い正電位においても分解し難く、広い電位窓を有することを見出し、これを用いたリチウムイオン電池用の電解液についての特許出願を既に行なっている(特願2009−046955)。そして、このニトリル化合物を含有する広い電位窓を有する電解液を用いれば、上記課題を解決することができることを見出し、本発明を完成するに至った。   The present inventors have found that an organic solvent having a nitrile group hardly decomposes even at a high positive potential and has a wide potential window, and has already filed a patent application for an electrolytic solution for a lithium ion battery using the same. (Japanese Patent Application No. 2009-046955). And when the electrolyte solution which has the wide electric potential window containing this nitrile compound was used, it discovered that the said subject could be solved and came to complete this invention.

すなわち、本発明のリチウムイオン電池は、正極活物質を含む正極と、負極活物質を含む負極とが、有機溶媒にリチウム塩が溶解している電解液に接触しているリチウムイオン電池において、
前記正極活物質はLi1−xCoO、Li1−xNiO、Li1−xMn4、2-1-3系マンガン酸リチウム、及びこれらの複合化物、並びにLi1-xFePO、Li1-xMnPO、Li2-yFePOF、Li2-yMnPOF(ただし前記xは0以上1以下の数であり、前記yは0以上2以下の数であり、前記Co、Ni、Mn及びFeの一部をLiを含む他の金属原子でドープしたものも含む)及びこれらの複合化物であり、
前記電解液の前記有機溶媒には、鎖式飽和炭化水素化合物の両末端にニトリル基が結合した鎖式飽和炭化水素ジニトリル化合物、鎖式エーテル化合物の末端の少なくとも一つにニトリル基が結合した鎖式エーテルニトリル化合物及びシアノ酢酸エステルのうち少なくとも一つのニトリル化合物と、環状炭酸エステル、環状カルボン酸エステル及び鎖状炭酸エステルのうち少なくとも一つと、が含まれていることを特徴とする。
That is, the lithium ion battery of the present invention is a lithium ion battery in which a positive electrode including a positive electrode active material and a negative electrode including a negative electrode active material are in contact with an electrolyte solution in which a lithium salt is dissolved in an organic solvent.
The positive electrode active material is Li 1-x CoO 2 , Li 1-x NiO 2 , Li 1-x Mn 2 O 4, 2-1-3 lithium manganate, and a composite thereof, and Li 1-x FePO. 4 , Li 1-x MnPO 4 , Li 2-y FePO 4 F, Li 2-y MnPO 4 F (wherein x is a number from 0 to 1 and y is a number from 0 to 2; Including Co, Ni, Mn and part of Fe doped with other metal atoms including Li) and their composites,
The organic solvent of the electrolytic solution has a chain saturated hydrocarbon dinitrile compound in which a nitrile group is bonded to both ends of the chain saturated hydrocarbon compound, and a chain in which a nitrile group is bonded to at least one end of the chain ether compound. It contains at least one nitrile compound of the formula ether nitrile compound and cyanoacetate ester, and at least one of cyclic carbonate ester, cyclic carboxylic acid ester and chain carbonate ester.

本発明のリチウムイオン電池では、ニトリル化合物を含む耐高電圧の電解液を用いている。すなわち、この電解液に用いている有機溶媒には、鎖式飽和炭化水素化合物の両末端にニトリル基が結合した鎖式飽和炭化水素ジニトリル化合物、鎖式エーテル化合物の末端の少なくとも一つにニトリル基が結合した鎖式エーテルニトリル化合物及びシアノ酢酸エステルのうち少なくとも一つのニトリル化合物と、環状炭酸エステル、環状カルボン酸エステル及び鎖状炭酸エステルのうち少なくとも一つとが含まれている。   In the lithium ion battery of the present invention, a high voltage electrolytic solution containing a nitrile compound is used. That is, the organic solvent used in the electrolytic solution includes a chain saturated hydrocarbon dinitrile compound in which a nitrile group is bonded to both ends of the chain saturated hydrocarbon compound, and a nitrile group at least at one end of the chain ether compound. At least one of a chain ether nitrile compound and a cyanoacetate bonded to each other, and at least one of a cyclic carbonate, a cyclic carboxylic acid ester and a chain carbonate.

本発明者らの試験結果によれば、このような電解液は、特に高い正電位において広い電位窓を有する。このため、前記正極活物質はLi1−xCoO、Li1−xNiO、Li1−xMn4、2-1-3系マンガン酸リチウム、及びこれらの複合化物、並びにLi1-xFePO、Li1-xMnPO、Li2-yFePOF、Li2-yMnPOF(ただし前記xは0以上1以下の数であり、前記yは0以上2以下の数であり、前記Co、Ni、Mn及びFeの一部をLiを含む他の金属原子でドープしたものも含む)及びこれらの複合化物を用いたリチウムイオン電池において、充電の過電圧が高くなっても電解液の耐電圧を超えることはなく、電解液が分解し難い。また、いくつものリチウムイオン電池を直列に接続して充電する場合において、一部のセルにおいて正極活物質への充電の過電圧が高くなっても、電解液が分解し難い。
なお、2-1-3系マンガン酸リチウムとは、化学式がLi2−yMnOで表される化合物をいう。
According to the test results of the present inventors, such an electrolyte has a wide potential window particularly at a high positive potential. Therefore, the positive electrode active material is Li 1-x CoO 2 , Li 1-x NiO 2 , Li 1-x Mn 2 O 4, 2-1-3 lithium manganate, and a composite thereof, and Li 1 -x FePO 4, Li 1-x MnPO 4, Li 2-y FePO 4 F, Li 2-y MnPO 4 F ( although the x is a number of 0 or more and 1 or less, the number of the y is 0 to 2 And a lithium ion battery using a composite of these, including a part of the Co, Ni, Mn, and Fe doped with other metal atoms including Li). The withstand voltage of the electrolytic solution is not exceeded, and the electrolytic solution is difficult to decompose. In addition, when a number of lithium ion batteries are connected in series for charging, even if the overvoltage for charging the positive electrode active material increases in some cells, the electrolyte is difficult to decompose.
Note that the 2-1-3-type lithium manganate, refers to a compound formula is represented by Li 2-y MnO 3.

本発明に用いられている電解液に含まれているニトリル化合物は、電位窓を広げる役割を果たす。また、鎖状炭酸エステルは粘度を下げるため、比伝導度を大きくする役割を果たすと推測される。そして、環状炭酸エステルや環状カルボン酸エステルは、多くのリチウム塩を溶解する上、カーボン負極上にSEIといわれる保護皮膜を形成することで、耐還元性を向上させつつ、Liイオンを通過させることができる特性を付与することができる。そのため、負側および正側の電位窓拡大に効果を発揮することが可能となると考えられる。
以上より、電解液には鎖状炭酸エステルと環状炭酸エステル及び/又は環状カルボン酸エステルとを併用することが好ましい。更に好ましくは、鎖状炭酸エステルと環状炭酸エステルとの併用である。具体的には、ジメチルカーボネートとエチレンカーボネートとを併用する。両者の配合割合は特に限定されない。
The nitrile compound contained in the electrolytic solution used in the present invention serves to widen the potential window. In addition, the chain carbonate ester is presumed to play a role of increasing the specific conductivity in order to lower the viscosity. And cyclic carbonate ester and cyclic carboxylate ester dissolve Lithium salt, and pass Li ion while improving reduction resistance by forming a protective film called SEI on the carbon negative electrode. It is possible to impart characteristics that can be Therefore, it is considered that the effect can be exerted on the enlargement of the potential window on the negative side and the positive side.
From the above, it is preferable to use a chain carbonate and a cyclic carbonate and / or a cyclic carboxylic acid ester in combination in the electrolytic solution. More preferably, it is a combined use of a chain carbonate ester and a cyclic carbonate ester. Specifically, dimethyl carbonate and ethylene carbonate are used in combination. The blending ratio of both is not particularly limited.

LiCoMnO(試験例1)のCV測定結果を示すグラフである。LiCoMnO is a graph showing the results of CV measurement 4 (Test Example 1). LiNi0.5Mn1.5(試験例2)のCV測定結果を示すグラフである。LiNi is a graph showing the results of CV measurement 0.5 Mn 1.5 O 4 (Test Example 2). 実験例1及び比較例1の電位−電流曲線である。2 is a potential-current curve of Experimental Example 1 and Comparative Example 1. 実験例2〜9及び比較例1の電位−電流曲線である。It is the electric potential-current curve of Experimental Examples 2-9 and Comparative Example 1. 比較例1の電位−電流曲線である。6 is a potential-current curve of Comparative Example 1. 実験例10〜17及び比較例2の電位−電流曲線である。It is an electric potential-current curve of Experimental Examples 10-17 and Comparative Example 2. 実験例18〜25及び比較例3の電位−電流曲線である。6 is a potential-current curve of Experimental Examples 18 to 25 and Comparative Example 3. 実験例26〜31及び比較例4の電位−電流曲線である。6 is a potential-current curve of Experimental Examples 26 to 31 and Comparative Example 4. 実験例32、33及び比較例5の電位−電流曲線である。6 is a potential-current curve of Experimental Examples 32 and 33 and Comparative Example 5. 実験例34〜36及び比較例6の電位−電流曲線である。7 is a potential-current curve of Experimental Examples 34 to 36 and Comparative Example 6. 実験例37〜39及び比較例7の電位−電流曲線である。10 is a potential-current curve of Experimental Examples 37 to 39 and Comparative Example 7. 実験例40〜44及び比較例1、比較例8〜10の電位−電流曲線である。It is an electric potential-current curve of Experimental example 40-44, Comparative example 1, and Comparative example 8-10. 実験例45及び比較例8の電位−電流曲線である。10 is a potential-current curve of Experimental Example 45 and Comparative Example 8. 実験例46及び比較例8の電位−電流曲線である。10 is a potential-current curve of Experimental Example 46 and Comparative Example 8. 実験例47及び比較例9の電位−電流曲線である。10 is a potential-current curve of Experimental Example 47 and Comparative Example 9. エチレンカーボネート:ジメチルカーボネート=1:1とし、さらにセバコニトリルを所定量添加した混合溶媒における電位−電流曲線である。It is a potential-current curve in a mixed solvent in which ethylene carbonate: dimethyl carbonate = 1: 1 and a predetermined amount of sebacononitrile was added. 実験例41のリチウムイオン電池用電解液を用いたリチウム吸蔵放出の電位−電流曲線である。14 is a potential-current curve of lithium occlusion / release using the lithium ion battery electrolyte solution of Experimental Example 41. FIG. 実施例のリチウムイオン電池に用いた電池ケースの断面図である。It is sectional drawing of the battery case used for the lithium ion battery of the Example. 実施例のリチウムイオン電池の断面図である。It is sectional drawing of the lithium ion battery of an Example. 5V以上で正極活物質からLiが脱離しても分解したり変質したりしないが、活物質表面が電解液と反応して変質してしまう正極物質粒子1を耐高電位正極活物質2でマイクロカプセル化した場合の模式断面図である。Even if Li is desorbed from the positive electrode active material at 5 V or higher, the positive electrode material particles 1 that are not decomposed or altered by the reaction with the electrolytic solution but are altered by the high-potential positive electrode active material 2 It is a schematic cross section at the time of encapsulating. 5V以上で正極活物質からLiが脱離しても分解したり変質したりしないが、活物質表面が電解液と反応して変質してしまう正極物質粉末3を耐高電位正極活物質4の中に混ぜて内包させる構造とした場合の模式断面図である。Even if Li is desorbed from the positive electrode active material at 5 V or higher, the positive electrode material powder 3 that does not decompose or change in quality but reacts with the electrolyte solution in the high-potential positive electrode active material 4 It is a schematic cross section at the time of setting it as the structure which is mixed and included. 5V以上で正極活物質からLiが脱離しても分解したり変質したりしないが、活物質表面が電解液と反応して変質してしまう正極物質粒子5の周りを耐高電位正極活物質微粉末6で包んだ構造とした場合の模式断面図である。Even if Li is desorbed from the positive electrode active material at 5 V or more, the high-potential positive electrode active material fine particles are not surrounded by the positive electrode active material particles 5 around the positive electrode material particles 5 that do not decompose or change in quality but the active material surface reacts with the electrolyte and changes in quality. FIG. 6 is a schematic cross-sectional view in the case of a structure wrapped with powder 6. 充・放電容量と、電圧との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between charging / discharging capacity | capacitance and a voltage.

以下、本発明具体化した実施形態について述べる。
実施形態のリチウムイオン電池は電解液、正極、負極、セパレータ及びケースを備えてなる。
<電解液>
電解液はLi塩(電解質)と有機溶媒とを含んでいる。有機溶媒には、鎖式飽和炭化水素化合物の両末端にニトリル基が結合した鎖式飽和炭化水素ジニトリル化合物、鎖式エーテル化合物の末端の少なくとも一つにニトリル基が結合した鎖式エーテルニトリル化合物及びシアノ酢酸エステルのうち少なくとも一つのニトリル化合物と、環状炭酸エステル、環状カルボン酸エステル及び鎖状炭酸エステルのうち少なくとも一つと、が含まれている。
好ましくは、環状炭酸エステルと鎖状炭酸エステルとを併用する。具体的には、エチレンカーボネートとジメチルカーボネートとを併用する。両者の配合割合は特に限定されない。環状カルボン酸エステルとしてはγ−ブチロラクトンを用いることができる。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
The lithium ion battery of the embodiment includes an electrolytic solution, a positive electrode, a negative electrode, a separator, and a case.
<Electrolyte>
The electrolytic solution contains a Li salt (electrolyte) and an organic solvent. The organic solvent includes a chain saturated hydrocarbon dinitrile compound having a nitrile group bonded to both ends of the chain saturated hydrocarbon compound, a chain ether nitrile compound having a nitrile group bonded to at least one terminal of the chain ether compound, and At least one nitrile compound among cyanoacetic acid esters and at least one of cyclic carbonic acid ester, cyclic carboxylic acid ester and chain carbonic acid ester are included.
Preferably, a cyclic carbonate and a chain carbonate are used in combination. Specifically, ethylene carbonate and dimethyl carbonate are used in combination. The blending ratio of both is not particularly limited. As the cyclic carboxylic acid ester, γ-butyrolactone can be used.

鎖式飽和炭化水素化合物の両末端にニトリル基が結合した鎖式飽和炭化水素ジニトリル化合物としては、例えば、スクシノニトリルNC(CHCN、グルタロニトリルNC(CHCN、アジポニトリルNC(CHCN、セバコニトリルNC(CHCN、ドデカンジニトリルNC(CH10CNなどのような直鎖状のジニトリル化合物の他、2−メチルグルタロニトリルNCCH(CH)CHCHCN等のように分枝を有していても良い。これらの鎖式飽和炭化水素ジニトリル化合物は、炭素数は特に限定されないが20以下であることが好ましい。更に好ましくは7〜12である。 Examples of the chain saturated hydrocarbon dinitrile compound in which nitrile groups are bonded to both ends of the chain saturated hydrocarbon compound include succinonitrile NC (CH 2 ) 2 CN, glutaronitrile NC (CH 2 ) 3 CN, adiponitrile In addition to linear dinitrile compounds such as NC (CH 2 ) 4 CN, sebaconitrile NC (CH 2 ) 8 CN, dodecanedinitrile NC (CH 2 ) 10 CN, 2-methylglutaronitrile NCCH (CH 3 ) CH 2 CH 2 CN may have a branched as such. These chain saturated hydrocarbon dinitrile compounds are not particularly limited in carbon number, but are preferably 20 or less. More preferably, it is 7-12.

鎖式エーテル化合物の末端の少なくとも一つにニトリル基が結合した鎖式エーテルニトリル化合物としては、オキシジプロピオニトリルNCCHCH−O−CHCHCNや、3−メトキシプロピオニトリルCH−O−CHCHCN等が挙げられる。これらの鎖式エーテルニトリル化合物は、炭素数は特に限定されないが、20以下であることが好ましい。
シアノ酢酸エステルとしてはシアノ酢酸メチル、シアノ酢酸エチル、シアノ酢酸プロピル、シアノ酢酸ブチル等が挙げられる。これらのシアノ酢酸エステルは、炭素数は特に限定されないが、20以下であることが好ましい。
Examples of the chain ether nitrile compound in which a nitrile group is bonded to at least one end of the chain ether compound include oxydipropionitrile NCCH 2 CH 2 —O—CH 2 CH 2 CN and 3-methoxypropionitrile CH 3. -O-CH 2 CH 2 CN, and the like. These chain ether nitrile compounds are not particularly limited in carbon number, but are preferably 20 or less.
Examples of the cyanoacetate include methyl cyanoacetate, ethyl cyanoacetate, propyl cyanoacetate, and butyl cyanoacetate. These cyanoacetic acid esters are not particularly limited in carbon number, but are preferably 20 or less.

これらニトリル化合物は電解液において電位窓を特に正方向に広げる作用を奏する。
電位窓を広げる作用の観点からジニトリル化合物が好ましい。中でも、セバコニトリルの採用が更に好ましい。
ただし、ニトリル化合物は粘度が高いので、上述の鎖状炭酸エステル、環状炭酸エステル及び/又は環状カルボン酸エステルと併用することが好ましい。更に好ましくはニトリル化合物と鎖状炭酸エステル及び環状炭酸エステルとを併用する。鎖状炭酸エステルとしてはジメチルカーボネートを採用することができ、環状炭酸エステルとしてはエチレンカーボネートを採用することができる。
この場合、有機溶媒全体に占めるニトリル化合物の配合割合は1〜90容量%とすることが好ましい。更に好ましくは5〜70容量%であり、更に更に好ましくは、10〜50容量%である。
These nitrile compounds have the effect of expanding the potential window particularly in the positive direction in the electrolytic solution.
A dinitrile compound is preferable from the viewpoint of the action of expanding the potential window. Of these, the use of sebacononitrile is more preferable.
However, since a nitrile compound has high viscosity, it is preferable to use together with the above-mentioned chain carbonate ester, cyclic carbonate ester, and / or cyclic carboxylic acid ester. More preferably, a nitrile compound, a chain carbonate ester and a cyclic carbonate ester are used in combination. Dimethyl carbonate can be employed as the chain carbonate, and ethylene carbonate can be employed as the cyclic carbonate.
In this case, the blending ratio of the nitrile compound in the whole organic solvent is preferably 1 to 90% by volume. More preferably, it is 5-70 volume%, More preferably, it is 10-50 volume%.

一方、電解液に含まれるリチウム塩としては、LiPF6(六フッ化リン酸リチウム),LiBF(四フッ化ホウ酸リチウム)、LiTFSI(リチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド),LiTFS(トリフルオロメタンスルホン酸リチウム)及びLiBETI(リチウムビス(ペンタフルオロエタンスルホニル)イミド)等を用いることができる。これらのリチウム塩は、本発明のリチウムイオン電池用電解液に用いられるニトリル系の有機溶媒へ溶解し、高い電位でも分解しない十分な電位窓を有している。この中でもLiPF6(六フッ化リン酸リチウム),LiBF(四フッ化ホウ酸リチウム)及びLiTFSI(リチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド)の少なくとも1種が含まれていることが好ましい。LiPF6(六フッ化リン酸リチウム)やLiBF(四フッ化ホウ酸リチウム)はリチウムイオン電池の正極の集電体としてよく用いられるアルミニウムに対する腐食性が少ない。更に、これらはまたLiTFS(トリフルオロメタンスルホン酸リチウム)及びLiBETI(リチウムビス(ペンタフルオロエタンスルホニル)イミド)に比べて、電位窓を広げる効果が優れている。LiTFSI(リチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド)は特に分解温度が高く耐熱特性が向上する上、溶解度が高く、比伝導度を大きくすることができる。 On the other hand, the lithium salt contained in the electrolyte includes LiPF 6 (lithium hexafluorophosphate), LiBF 4 (lithium tetrafluoroborate), LiTFSI (lithium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide), LiTFS (trifluoromethane). Lithium sulfonate), LiBETI (lithium bis (pentafluoroethanesulfonyl) imide), and the like can be used. These lithium salts dissolve in the nitrile organic solvent used in the electrolyte for lithium ion batteries of the present invention and have a sufficient potential window that does not decompose even at high potentials. Among these, it is preferable that at least one of LiPF 6 (lithium hexafluorophosphate), LiBF 4 (lithium tetrafluoroborate) and LiTFSI (lithium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide) is contained. LiPF 6 (lithium hexafluorophosphate) and LiBF 4 (lithium tetrafluoroborate) are less corrosive to aluminum, which is often used as a current collector for positive electrodes of lithium ion batteries. Furthermore, they are also more effective in expanding the potential window than LiTFS (lithium trifluoromethanesulfonate) and LiBETI (lithium bis (pentafluoroethanesulfonyl) imide). LiTFSI (lithium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide) has a particularly high decomposition temperature, improved heat resistance, high solubility, and high specific conductivity.

Li塩の濃度は0.01mol/L以上であって、飽和状態よりも低い濃度とする。Li塩の濃度が0.01mol/L未満であると、Liイオンによるイオン伝導が小さくなり、電解液の電気抵抗が高くなるので好ましくない。他方、飽和状態を超えると、温度等の環境変化によって溶解しているLi塩が析出するので好ましくない。   The concentration of the Li salt is 0.01 mol / L or more and is lower than the saturated state. When the concentration of the Li salt is less than 0.01 mol / L, ion conduction due to Li ions is reduced, and the electric resistance of the electrolytic solution is increased, which is not preferable. On the other hand, exceeding the saturation state is not preferable because the dissolved Li salt precipitates due to environmental changes such as temperature.

また、電解液に含まれているニトリル化合物の濃度は1容量%以上100容量%未満であることが好ましい。ニトリル化合物の濃度が1容量%未満では電位窓を広げる効果が小さくなる。より好ましくは5容量%以上90容量%未満である。ニトリル化合物の濃度が90容量%以上となると、電解質の溶解度が低くなるとともに、粘度も高くなることから、伝導度が低くなり、ひいては電池の内部抵抗が高くなる。最も好ましいのは30容量%以上70容量%未満である。   Moreover, it is preferable that the density | concentration of the nitrile compound contained in electrolyte solution is 1 volume% or more and less than 100 volume%. When the concentration of the nitrile compound is less than 1% by volume, the effect of expanding the potential window is reduced. More preferably, it is 5 volume% or more and less than 90 volume%. When the concentration of the nitrile compound is 90% by volume or more, the solubility of the electrolyte is lowered and the viscosity is also increased. Therefore, the conductivity is lowered, and the internal resistance of the battery is increased. Most preferred is 30% by volume or more and less than 70% by volume.

(正極)
正極は正極活物質と集電体とを備える。
(正極活物質)
正極活物質としては酸化物系のものを用いる。
酸化物系の正極活物質として、具体的には、
Li1−xCoO(x=0〜1:層状構造)、Li1−xNiO(x=0〜1:層状構造)、Li1−xMn(x=0〜1:スピネル構造)、Li2−yMnO(y=0〜2)及びこれらの固溶体(ここで固溶体とは、上記酸化物系の正極活物質において金属原子が自由な割合で混合された物質を指す。)を挙げることができる。また、これらのうちの金属原子を他の金属原子でドープしたものも含まれる。ドーパントとしては酸化還元反応において電気化学的な特性を変化させられるものであれば特に限定されるものではない。例えば、Li、Mg、Al、Ti、V、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Zr、Nb及びMoの1種又はそれ以上を用いることができる。
(Positive electrode)
The positive electrode includes a positive electrode active material and a current collector.
(Positive electrode active material)
An oxide-based material is used as the positive electrode active material.
Specifically, as an oxide-based positive electrode active material,
Li 1-x CoO 2 (x = 0 to 1: layered structure), Li 1-x NiO 2 (x = 0 to 1: layered structure), Li 1-x Mn 2 O 4 (x = 0 to 1: spinel) Structure), Li 2-y MnO 3 (y = 0 to 2) and solid solutions thereof (here, solid solution refers to a material in which metal atoms are mixed in a free ratio in the above-described oxide-based positive electrode active material. ). Moreover, what doped the metal atom of these with the other metal atom is also contained. The dopant is not particularly limited as long as the electrochemical characteristics can be changed in the oxidation-reduction reaction. For example, one or more of Li, Mg, Al, Ti, V, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Zr, Nb, and Mo can be used.

この正極活物質の一般的な放電電位は5V vs Li/Li未満である。しかし、急速充電を行ったり、充電電圧の制御を両端電圧のみで行なった場合には、一部のセルにおいて正極の過電圧が高くなるおそれがあるため、また、LiCoMnOは放電電圧が5.2V程度から始まる。このため、充電電圧は5Vを超えることもある。
しかし、本発明においては、ニトリル化合物を含む、耐高電圧の電解液を用いている。すなわち、この電解液に用いている有機溶媒には、鎖式飽和炭化水素化合物の両末端にニトリル基が結合した鎖式飽和炭化水素ジニトリル化合物、鎖式エーテル化合物の末端の少なくとも一つにニトリル基が結合した鎖式エーテルニトリル化合物及びシアノ酢酸エステルのうち少なくとも一つのニトリル化合物と、環状炭酸エステル、環状カルボン酸エステル及び鎖状炭酸エステルのうち少なくとも一つとが含まれている。この電解液は、特に高い正電位において広い電位窓を有する。このため、充電電圧は5Vを超えても電解液の耐電圧を超えることはなく、電解液が分解し難い。
The general discharge potential of this positive electrode active material is less than 5 V vs Li / Li + . However, when rapid charging is performed or the charging voltage is controlled only by the voltage at both ends, the overvoltage of the positive electrode may be increased in some cells, and LiCoMnO 4 has a discharge voltage of 5.2 V. Start with a degree. For this reason, the charging voltage may exceed 5V.
However, in the present invention, a high voltage electrolytic solution containing a nitrile compound is used. That is, the organic solvent used in the electrolytic solution includes a chain saturated hydrocarbon dinitrile compound in which a nitrile group is bonded to both ends of the chain saturated hydrocarbon compound, and a nitrile group at least at one end of the chain ether compound. At least one of a chain ether nitrile compound and a cyanoacetate bonded to each other, and at least one of a cyclic carbonate, a cyclic carboxylate and a chain carbonate. This electrolyte has a wide potential window, especially at a high positive potential. For this reason, even if charging voltage exceeds 5V, it does not exceed the withstand voltage of electrolyte solution, and electrolyte solution is hard to decompose | disassemble.

(正極用集電体)
正極用集電体とは正極活物質を担持する導電性の基板である。
正極の集電体の成形材料は、充電時において過電圧が大きくなっても安定であることが要求される。
例えば、電解質としてLiPF、LiBFを使用する場合、SUS304、SUS316、SUS316L、Ni、Al、Ti等を用いることができるが、充電時の正極活物質の動作電位を考慮し、適宜選択することが好ましい。
また、電解質としてLiPFを用いる場合は、Li/Li+電極に対して6Vでも使用することができるが、電解質としてLiBFを用いる場合、SUS304はLi/Li+電極に対し5.8V以下で充放電可能な場合のみ用いることができる。また、電解質としてLiTFSIを使用する場合、正極集電体表面に耐食性皮膜を形成させるべく、LiPFを共存させることが好ましい。LiBETI及びLiTFSもLiTFSIの場合と同様である。
(Current collector for positive electrode)
The positive electrode current collector is a conductive substrate carrying a positive electrode active material.
The molding material for the current collector of the positive electrode is required to be stable even when the overvoltage increases during charging.
For example, when LiPF 6 or LiBF 4 is used as the electrolyte, SUS304, SUS316, SUS316L, Ni, Al, Ti, or the like can be used, but should be appropriately selected in consideration of the operating potential of the positive electrode active material during charging. Is preferred.
When LiPF 6 is used as the electrolyte, it can be used even at 6V with respect to the Li / Li + electrode. However, when LiBF 4 is used as the electrolyte, SUS304 is 5.8V or less with respect to the Li / Li + electrode. It can be used only when charge / discharge is possible. Further, when LiTFSI is used as the electrolyte, it is preferable that LiPF 6 coexists in order to form a corrosion-resistant film on the surface of the positive electrode current collector. LiBETI and LiTFS are the same as in LiTFSI.

また、Al等の導電金属材料へ導電性DLC(ダイヤモンドライクカーボン)を周知の方法で被覆したものを集電体として用いることもできる。電解質がLiBFやLiPFなど、容易にフッ化物皮膜を形成するようなリチウム塩の場合は、アルミニウム上へ厚いフッ化皮膜が形成し、耐食性は向上するものの、電子伝導性が低下し、ひいてはオーミック過電圧増加に伴う、高出力化が阻害されることとなる。Al等の導電金属材料へ導電性DLCを被覆すれば、フッ化物皮膜は導電性DLCの欠陥部分の極わずかな面積でのみ発生するだけである。このため、高電圧化しても電子伝導性の低下は無視できる程度となり、懸念されている高電圧化による出力低下は防ぐことが可能となる。 In addition, a conductive metal material such as Al coated with conductive DLC (diamond-like carbon) by a well-known method can be used as a current collector. When the electrolyte is a lithium salt such as LiBF 4 or LiPF 6 that easily forms a fluoride film, a thick fluoride film is formed on the aluminum and the corrosion resistance is improved, but the electronic conductivity is lowered, and consequently The increase in output accompanying the increase in ohmic overvoltage is impeded. If the conductive metal material such as Al is coated with the conductive DLC, the fluoride film is generated only in a very small area of the defective portion of the conductive DLC. For this reason, even if the voltage is increased, the decrease in electron conductivity is negligible, and it is possible to prevent the decrease in output due to the increased voltage, which is a concern.

ここで、導電性ダイヤモンドライクカーボンとは、ダイヤモンド結合(炭素同士のSP混成軌道結合)とグラファイト結合(炭素同士のSP混成軌道結合)の両方の結合が混在しているアモルファス構造をとるカーボンのうち、導電性が1000Ωcm以下のものをいう。ただし、アモルファス構造以外に、部分的にグラファイト構造からなる結晶構造(すなわちSP混成軌道結合からなる六方晶系結晶構造)からなる相を有し、これにより導電性が発揮されるものも含まれる。グラファイトとダイヤモンドの中間の性質を有するダイヤモンドライクカーボンは、成膜時にダイヤモンドライクカーボンを構成する炭素原子のSP混成軌道結合とSP混成軌道結合の比率を調整することで、導電性を調節することができる。
勿論、上記耐食性導電性金属材料を導電性DLCで被覆してもよい。
集電体の形状及び構造は、正極活物質や電池の構造に応じて、任意に設計可能である。
Here, the conductive diamond-like carbon is carbon having an amorphous structure in which both diamond bonds (SP 3 hybrid orbital bonds between carbons) and graphite bonds (SP 2 hybrid orbital bonds between carbons) are mixed. Among them, the one whose conductivity is 1000 Ωcm or less. However, in addition to the amorphous structure, those having a phase composed of a crystal structure partially composed of a graphite structure (that is, a hexagonal crystal structure composed of SP 2 hybrid orbital bonds) and thereby exhibiting conductivity are also included. . Diamond-like carbon having properties intermediate between graphite and diamond adjusts the conductivity by adjusting the ratio of SP 2 hybrid orbital bonds and SP 3 hybrid orbital bonds of the carbon atoms constituting diamond-like carbon during film formation. be able to.
Of course, you may coat | cover the said corrosion-resistant electroconductive metal material with electroconductive DLC.
The shape and structure of the current collector can be arbitrarily designed according to the structure of the positive electrode active material and the battery.

(正極の前処理)
リチウムイオン電池用正極は、リチウムイオン電池に組み込む前に、ニトリル化合物を1容量%以上含む有機溶媒中にリチウム塩が溶解した前処理用電解液中に正電極を浸漬する浸漬処理工程を行い、さらに電極に正電圧を付与する正電圧処理工程を行なう。こうして前処理された電極は、ニトリル化合物を全く含まない電解液や、ニトリル化合物の添加量の少ない電解液を用いたリチウムイオン電池に用いても、電位窓が広く、高い電位においても電解液を分解し難くなる(特願2009−180007号参照)。このような広い電位窓の電極となる理由は、電極上に窒素を成分として含む耐食性の皮膜が形成されるためであると推測される。
(Pretreatment of positive electrode)
The positive electrode for a lithium ion battery performs an immersion treatment step of immersing the positive electrode in a pretreatment electrolytic solution in which a lithium salt is dissolved in an organic solvent containing 1% by volume or more of a nitrile compound before being incorporated in the lithium ion battery, Further, a positive voltage processing step for applying a positive voltage to the electrode is performed. The electrode thus pretreated has a wide potential window even when used in an electrolyte solution containing no nitrile compound or in a lithium ion battery using an electrolyte solution with a small amount of nitrile compound added. It becomes difficult to disassemble (see Japanese Patent Application No. 2009-180007). The reason why the electrode has such a wide potential window is presumed to be that a corrosion-resistant film containing nitrogen as a component is formed on the electrode.

(負極)
負極は負極活物質と集電体とを備える。
(負極活物質)
負極活物質とは「正極よりも低い電位で結晶構造内にリチウムが挿入/離脱され、それに伴って酸化/還元が行われる物質」をいう。
負極活物質としては、例えば、人造黒鉛、天然黒鉛、ハードカーボン等の種々の炭素材料やチタン酸リチウム(LiTi12)、HTi1225、HTi13、Feなどが挙げられる。また、これらを適宜混合した複合体も挙げることができる。さらには、Si微粒子やSi薄膜、これらのSiがSi−Ni、Si−Cu、Si−Nb、Si−Zn、Si−Sn等のSi系合金となった微粒子や薄膜が挙げられる。さらには、SiO酸化物、Si−SiO複合体、Si−SiO−カーボンなどの複合体等を挙げることができる。
(Negative electrode)
The negative electrode includes a negative electrode active material and a current collector.
(Negative electrode active material)
The negative electrode active material refers to “a material in which lithium is inserted / extracted in the crystal structure at a lower potential than the positive electrode, and oxidation / reduction is performed accordingly”.
Examples of the negative electrode active material include various carbon materials such as artificial graphite, natural graphite, and hard carbon, lithium titanate (Li 4 Ti 5 O 12 ), H 2 Ti 12 O 25 , H 2 Ti 6 O 13 , Fe 2 O 3 etc. are mentioned. Moreover, the composite material which mixed these suitably can also be mentioned. Further, there are Si fine particles and Si thin films, and fine particles and thin films in which these Si are Si-based alloys such as Si—Ni, Si—Cu, Si—Nb, Si—Zn, Si—Sn, and the like. Further, SiO oxide, Si-SiO 2 composite, Si-SiO 2 - can be given complex, etc., such as carbon.

(負極用集電体)
負極用の集電体は汎用的な導電性金属材料、Cu、Al、Ni、Ti、SUS304、SUS316等で形成することができる。
但し、電解液にニトリル化合物を用いたとき(他の有機溶剤との併用を含む)には、電解液中のLi塩に応じて適宜選択する必要がある。すなわち、電解質としてLiPF、LiBFを使用する場合、SUS304、316、316L、Ni、Al、Tiの使用が可能となる。ただし、使用する負極活物質の動作電位に応じて、適宜選択する必要がある。負極活物質としてカーボン系やSi系を使用する場合において、電解質としてLiBFを使用した場合は、Cu以外のAl、Ni、Ti、SUS304、SUS316等からなる集電体を使用することができる。負極活物質としてチタン酸リチウムやFe系の化合物を用いた場合は、Cuを含む上記材料の全てが適用可能である。一方、電解質としてLiPF使用時はAl、Ni及びTiが好ましく、SUS316、SUS316L及びCuは好ましくはない。また、電解質としてLiTFSIや、LiBETI、やLiTFSを使用する場合、Ni、Ti、Al、Cu、SUS304、316及び316Lの何れも使用することができる。
(Current collector for negative electrode)
The current collector for the negative electrode can be formed of a general-purpose conductive metal material such as Cu, Al, Ni, Ti, SUS304, SUS316, or the like.
However, when a nitrile compound is used for the electrolytic solution (including combined use with other organic solvents), it is necessary to select appropriately according to the Li salt in the electrolytic solution. That is, when LiPF 6 or LiBF 4 is used as the electrolyte, SUS304, 316, 316L, Ni, Al, and Ti can be used. However, it is necessary to select appropriately according to the operating potential of the negative electrode active material to be used. In the case of using carbon or Si as the negative electrode active material, when LiBF 4 is used as the electrolyte, a current collector made of Al, Ni, Ti, SUS304, SUS316, or the like other than Cu can be used. In the case where lithium titanate or a Fe 2 O 3 based compound is used as the negative electrode active material, all of the above materials containing Cu are applicable. On the other hand, when LiPF 6 is used as the electrolyte, Al, Ni and Ti are preferable, and SUS316, SUS316L and Cu are not preferable. In addition, when LiTFSI, LiBETI, or LiTFS is used as the electrolyte, any of Ni, Ti, Al, Cu, SUS304, 316, and 316L can be used.

(正極用電子伝導部材)
正極活物質には導電性の小さいものがある。従って、正極活物質と集電体との間に導電性の電子伝導部材を介在させて、両者の間に十分な電子伝導パスを確保することが好ましい。
ここで電子伝導部材は正極活物質と集電体との間に電子伝導パスを形成できればその形態は特に限定されるものではなく、例えばアセチレンブラック等のカーボンブラック、グラファイト粉、ダイヤモンドライクカーボン、グラッシーカーボン等の導電性粉体(導電助剤)を用いることができる。ダイヤモンドライクカーボン及びグラッシーカーボンは、カーボンブラックやグラファイトよりもはるかに広い電位窓を有しており、高電位を付与した場合の耐食性に優れているため、好適に用いることができる。また、これらの導電助剤に金属微粒子が担持されていることも好ましい。金属微粒子としては、例えばPt、Au、Ni等が挙げられる。これらは、単独で用いても良いし、これらの合金であっても良い。
電子伝導材料として、正極活物質を被覆する導電性皮膜(DLC膜等)、正極活物質を埋入させた導電性薄膜(金の薄膜等)を用いることができる。正極活物質を埋入させた導電性薄膜は、例えば金等の導電薄膜へハンマー等で物理的に打ち込むことによって、製造することができる。
(Electroconductive member for positive electrode)
Some positive electrode active materials have low electrical conductivity. Therefore, it is preferable to provide a sufficient electron conduction path between the positive electrode active material and the current collector by interposing a conductive electron conduction member.
Here, the form of the electron conducting member is not particularly limited as long as an electron conducting path can be formed between the positive electrode active material and the current collector. For example, carbon black such as acetylene black, graphite powder, diamond-like carbon, glassy Conductive powder (conductive aid) such as carbon can be used. Diamond-like carbon and glassy carbon have a much wider potential window than carbon black and graphite, and are excellent in corrosion resistance when a high potential is applied, and therefore can be suitably used. Moreover, it is also preferable that metal fine particles are supported on these conductive assistants. Examples of the metal fine particles include Pt, Au, Ni and the like. These may be used alone or an alloy thereof.
As the electron conductive material, a conductive film (such as a DLC film) covering the positive electrode active material or a conductive thin film (such as a gold thin film) in which the positive electrode active material is embedded can be used. The conductive thin film in which the positive electrode active material is embedded can be manufactured by physically driving the conductive thin film such as gold with a hammer or the like.

(負極用電子伝導部材)
正極用電子伝導部材と同様な物を用いることができる。
(Electroconductive member for negative electrode)
The thing similar to the electron conductive member for positive electrodes can be used.

(セパレータ)
セパレータは電解液中へ浸漬され、正極と負極とを分離し両者の短絡を防ぐとともに、Liイオンの通過を許容する。
係るセパレータには、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン系樹脂から成る多孔質フィルムが挙げられる。
(Separator)
The separator is immersed in the electrolytic solution, separates the positive electrode and the negative electrode, prevents a short circuit therebetween, and allows the passage of Li ions.
Examples of such separators include porous films made of polyolefin resins such as polyethylene and polypropylene.

(ケース)
ケースは電解液に対する耐食性を有する材質で形成される。その形状は、電池の目的用途に応じて任意に設計できる。
電解質としてLiPF、LiBFを使用する場合には、SUS304、316、316L、Ni、Al、Tiからなるケースを用いることができる。但し使用する正極、負極活物質の動作電位により適宜選択しなければならない場合もある。
ケースが集電体を兼ねる場合や集電体に電気的に結合される場合は、各電極の集電体形成材料と同一若しくは同種の材料で形成される。
(Case)
The case is formed of a material having corrosion resistance against the electrolytic solution. The shape can be arbitrarily designed according to the intended use of the battery.
When LiPF 6 or LiBF 4 is used as the electrolyte, a case made of SUS304, 316, 316L, Ni, Al, Ti can be used. However, there are cases where it is necessary to select appropriately depending on the operating potential of the positive electrode and negative electrode active material to be used.
When the case also serves as a current collector or is electrically coupled to the current collector, the case is formed of the same or the same material as the current collector forming material of each electrode.

<各種酸化物系正極活物質のサイクリックボルタモグラム(CV)>
酸化物系正極活物質として、試験例1ではLiCoMnOを、試験例2ではLiNi0.5Mn1.5を、それぞれCVの測定対象とした。また、測定液には、本発明のリチウムイオン電池に用いられる電解液として、エチレンカーボネート:ジメチルカーボネート:セバコニトリル=25:25:50(容量比)の混合溶媒にLiPFを1mol/Lとなるように溶解した溶液を用いた。
正極の作製方法として、試験例1ではLiCoMnOと、導電助剤としてのグラッシーカーボン粉と、結着材としてのポリテトラフルオロエチレン(PTFE)とを、70:25:5(重量比)の割合で混合し、ホットプレスにて板状に成形したものを用いた。
また、試験例2では、LiNi0.5Mn1.5の粉末を金板上に薄く敷き、ハンマーで上から打ちつけることにより、LiNi0.5Mn1.5を金薄膜に埋め込ませ、これをCV測定用の電極として用いた。
<Cyclic voltammograms (CV) of various oxide-based positive electrode active materials>
As oxide-based positive electrode active materials, LiCoMnO 4 was used as a CV measurement object in Test Example 1, and LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 was used as a CV measurement object in Test Example 2. In addition, as the measurement solution, the electrolyte solution used in the lithium ion battery of the present invention is LiPF 6 in a mixed solvent of ethylene carbonate: dimethyl carbonate: sebaconitrile = 25: 25: 50 (volume ratio) at 1 mol / L. The solution dissolved in was used.
As a method for producing the positive electrode, in Test Example 1, LiCoMnO 4 , glassy carbon powder as a conductive additive, and polytetrafluoroethylene (PTFE) as a binder were in a ratio of 70: 25: 5 (weight ratio). Were used and mixed into a plate using a hot press.
In Test Example 2, LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 powder was thinly laid on a gold plate and hammered from above with a hammer to embed LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 in a gold thin film, which was used for CV measurement. Used as an electrode.

その結果、LiCoMnO(試験例1)では、図1に示すように、4.6V vs Li/Li付近に酸化還元ピークが認められた。また、LiNi0.5Mn1.5(試験例2)においても、図2に示すように、4.7V vs Li/Li付近に酸化還元ピークが認められた。したがって、これらの酸化物系を正極活物質として用いて急速充電を行なう場合、充電時の過電圧が高くなり、5Vを超えることがあり得る。しかし、本発明のリチウムイオン電池では、ニトリル化合物を含む耐高電圧の電解液を用いるため、特に高い正電位において広い電位窓を有する。このため、急速充電を行なう場合であっても、電解液が分解したり、変質したりすることが生じ難い。
本発明のリチウムイオン電池に用いている電解液が、高い正電位において広い電位窓を有することについては、既に本出願人が出願した特願2009−046955において立証している。その内容を実験例1〜47及び比較例1〜10に示す。
As a result, in LiCoMnO 4 (Test Example 1), as shown in FIG. 1, a redox peak was observed in the vicinity of 4.6 V vs Li / Li + . Also in LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 (Test Example 2), as shown in FIG. 2, a redox peak was observed in the vicinity of 4.7 V vs Li / Li + . Therefore, when rapid charging is performed using these oxides as the positive electrode active material, the overvoltage during charging increases and may exceed 5V. However, since the lithium ion battery of the present invention uses a high-voltage electrolytic solution containing a nitrile compound, it has a wide potential window particularly at a high positive potential. For this reason, even when rapid charging is performed, the electrolytic solution is unlikely to be decomposed or altered.
The fact that the electrolyte used in the lithium ion battery of the present invention has a wide potential window at a high positive potential has already been proved in Japanese Patent Application No. 2009-046955 filed by the present applicant. The contents are shown in Experimental Examples 1 to 47 and Comparative Examples 1 to 10.

(実験例1)
実験例1では、有機溶媒としてアジポニトリルと、エチレンカーボネート(EC)と、ジメチルカーボネート(DMC)とを容量比で50:25:25の割合で混合した溶媒を用い、これにリチウム塩としてLiPF6(六フッ化リン酸リチウム)を0.05mol/Lとなるように溶解させてリチウムイオン電池用電解液とした。
(Experimental example 1)
In Experimental Example 1, a solvent in which adiponitrile, ethylene carbonate (EC), and dimethyl carbonate (DMC) were mixed at a volume ratio of 50:25:25 was used as the organic solvent, and LiPF 6 ( Lithium hexafluorophosphate) was dissolved at 0.05 mol / L to obtain an electrolyte for a lithium ion battery.

(比較例1)
比較例1では、有機溶媒としてエチレンカーボネート50体積%、ジメチルカーボネート50体積%の混合溶媒を用い、これにリチウム塩としてLiPF6を1mol/Lとなるように溶解させてリチウムイオン電池用電解液とした。
(Comparative Example 1)
In Comparative Example 1, a mixed solvent of 50% by volume of ethylene carbonate and 50% by volume of dimethyl carbonate was used as the organic solvent, and LiPF 6 was dissolved as a lithium salt at a concentration of 1 mol / L. did.

(実験例2〜9)
実験例2〜9では溶媒を、各種ニトリル:エチレンカーボネート:ジメチルカーボネート=50:25:25(容量比)とし、この混合溶媒に電解質をLiPF6(六フッ化リン酸リチウム)を1mol/Lとなるように溶解させたものをリチウムイオン電池用電解液とした(ただし、ニトリル化合物をオキシジプロピオニトリルにした実験例6は、LiPF6を0.5mol/Lとした)。
各実験例に用いたニトリルの種類は以下のとおりである。
実験例1 アジポニトリルNC(CHCN
実験例2 スクシノニトリルNC(CHCN
実験例3 セバコニトリルNC(CHCN
実験例4 ドデカンジニトリルNC(CH10CN
実験例5 2−メチルグルタロニトリルNCCH(CH)CHCHCN
実験例6 オキシジプロピオニトリルNCCHCH-O-CHCHCN
実験例7 3−メトキシプロピオニトリルCH-O-CHCHCN
実験例8 シアノ酢酸メチルNCCHCOOCH
実験例9 シアノ酢酸ブチルNCCHCOO(CHCH
(Experimental Examples 2-9)
In Experimental Examples 2 to 9, the solvent was various nitrile: ethylene carbonate: dimethyl carbonate = 50: 25: 25 (volume ratio), and the electrolyte was LiPF 6 (lithium hexafluorophosphate) at 1 mol / L in this mixed solvent. The electrolyte solution for the lithium ion battery was dissolved as described above (however, in Example 6 in which the nitrile compound was oxydipropionitrile, LiPF 6 was 0.5 mol / L).
The types of nitrile used in each experimental example are as follows.
Experimental Example 1 Adiponitrile NC (CH 2 ) 4 CN
Experimental Example 2 Succinonitrile NC (CH 2 ) 2 CN
Experimental Example 3 Sevacononitrile NC (CH 2 ) 8 CN
Experimental Example 4 Dodecanedinitrile NC (CH 2 ) 10 CN
Experimental Example 5 2-Methylglutaronitrile NCCH (CH 3 ) CH 2 CH 2 CN
Experimental Example 6 Oxydipropionitrile NCCH 2 CH 2 —O—CH 2 CH 2 CN
Experimental Example 7 3-Methoxypropionitrile CH 3 —O—CH 2 CH 2 CN
Experimental Example 8 Methyl cyanoacetate NCCH 2 COOCH 3
Experimental Example 9 Butyl cyanoacetate NCCH 2 COO (CH 2 ) 3 CH 3

−評価−
(電位−電流曲線の測定)
以上のようにして調製した実験例1〜9及び比較例1のリチウムイオン電池用電解液について、電位−電流曲線を測定した。測定にはポテンシオガルバノスタットを用い、作用極にはグラッシーカーボンを用い、対極には白金線を用いた。また、参照電極は(Ag/Ag+)または(Li/Li+)を用いた。測定にあたっては、正側及び負側に数回スキャンさせた後、自然電位から正方向、あるいは負方向に5mV/秒の速度で電位の掃引を行い、電位−電流曲線を測定した。結果を図3〜5に示す。
-Evaluation-
(Measurement of potential-current curve)
With respect to the electrolyte solutions for lithium ion batteries of Experimental Examples 1 to 9 and Comparative Example 1 prepared as described above, potential-current curves were measured. A potentiogalvanostat was used for measurement, glassy carbon was used for the working electrode, and a platinum wire was used for the counter electrode. As the reference electrode, (Ag / Ag +) or (Li / Li +) was used. In the measurement, after scanning several times on the positive side and the negative side, the potential was swept from the natural potential in the positive direction or in the negative direction at a speed of 5 mV / sec, and the potential-current curve was measured. The results are shown in FIGS.

その結果、図3に示すように、実験例1の電解液の電位窓は、Li電位(Li/Li+)に対し6.9V(電位窓の判断基準は50μA/cmとした。以下同様)となった。これに対して、エチレンカーボネートとジメチルカーボネートの混合溶媒を用いた比較例1の電位窓は、図5に示すように5.2Vであり、実験例1の電解液の電位窓は、比較例1の電解液に比べて、正側に大きく広がっていることが分かった。この結果から、実験例1の電解液を用いれば、充電のための電位が5.2Vを超えた領域に存在するような高電位酸化還元正極活物質をリチウムイオン電池の正極活物質として利用できることとなり、起電力及びエネルギー密度が高く、容量の大きなリチウムイオン電池とすることができる。例えば、比較例1の電解液では、LiCoPOFやLiNiPOFの酸化還元電位でも有機溶媒が電気分解を起こし、これらの正極酸化物質を利用することができないのに対し、実験例1の電解液を用いれば、LiCoPOFやLiNiPOFを正極活物質として利用できるだけでなく、例えば、LiCoPO,LiNiPO等も利用することができる。 As a result, as shown in FIG. 3, the potential window of the electrolytic solution of Experimental Example 1 was 6.9 V with respect to the Li potential (Li / Li + ) (the judgment criterion of the potential window was 50 μA / cm 2, and so on). It became. On the other hand, the potential window of Comparative Example 1 using a mixed solvent of ethylene carbonate and dimethyl carbonate is 5.2 V as shown in FIG. 5, and the potential window of the electrolyte solution of Experimental Example 1 is Comparative Example 1. Compared to the electrolyte solution of, it was found that it spreads greatly on the positive side. From this result, when the electrolytic solution of Experimental Example 1 is used, a high potential redox positive electrode active material that exists in the region where the potential for charging exceeds 5.2 V can be used as the positive electrode active material of the lithium ion battery. Thus, a lithium ion battery having high electromotive force and energy density and large capacity can be obtained. For example, in the electrolytic solution of Comparative Example 1, the organic solvent undergoes electrolysis even at the oxidation-reduction potential of Li 2 CoPO 4 F or Li 2 NiPO 4 F, and these positive electrode oxidizing substances cannot be used. If the electrolytic solution of Example 1 is used, not only Li 2 CoPO 4 F or Li 2 NiPO 4 F can be used as the positive electrode active material, but also LiCoPO 4 , LiNiPO 4, etc. can be used.

また、図4に示すように、実験例2〜9の電解液においても、実験例1と同様、いずれも比較例1の電解液と比較して、電位窓が正方向に広がることが分かった。これらの結果から、エチレンカーボネート及びジメチルカーボネートに、さらに鎖式飽和炭化水素化合物の両末端にニトリル基が結合した鎖式飽和炭化水素ジニトリル化合物(実験例1〜5)、鎖式エーテル化合物の末端の少なくとも一つにニトリル基が結合した鎖式エーテルニトリル化合物(実験例6,7)及びシアノ酢酸エステルのうち少なくとも一つのニトリル化合物(実験例8,9)を加えることによって、溶媒が高い電位まで分解することなく安定に存在できることが分かった。特に電位窓が大きく広がったのは、ニトリル化合物として鎖式飽和炭化水素化合物の両末端にニトリル基が結合した鎖式飽和炭化水素ジニトリル化合物を用いた実験例1〜5であり、分枝を有する実験例5においても大きく電位窓が正方向に広がることが分かった。また、オキシジプロピオニトリルNCCHCH-O-CHCHCNを用いた実験例6においても、大きく電位窓が正方向に広がることが分かった。 Further, as shown in FIG. 4, in the electrolytic solutions of Experimental Examples 2 to 9, as in Experimental Example 1, all of the potential windows spread in the positive direction as compared with the electrolytic solution of Comparative Example 1. . From these results, a chain saturated hydrocarbon dinitrile compound (Experimental Examples 1 to 5) in which a nitrile group is bonded to both ends of a chain saturated hydrocarbon compound to ethylene carbonate and dimethyl carbonate, the end of a chain ether compound is obtained. By adding at least one nitrile compound (Experimental Examples 8 and 9) of chain ether nitrile compounds (Experimental Examples 6 and 7) having a nitrile group bonded to at least one of them, the solvent is decomposed to a high potential. It was found that it can exist stably without doing. In particular, the potential window greatly expanded in Experimental Examples 1 to 5 using a branched saturated hydrocarbon dinitrile compound in which a nitrile group was bonded to both ends of a chain saturated hydrocarbon compound as a nitrile compound, and has a branch. Also in Experimental Example 5, it was found that the potential window greatly spreads in the positive direction. In addition, in Experimental Example 6 using oxydipropionitrile NCCH 2 CH 2 —O—CH 2 CH 2 CN, it was found that the potential window greatly expanded in the positive direction.

(実験例10〜17)
実験例10〜17では溶媒を、各種ニトリル:エチレンカーボネート:ジエチルカーボネート=50:25:25(容量比)とし、この混合溶媒に電解質をLiPF6(六フッ化リン酸リチウム)を1mol/Lとなるように溶解させたものをリチウムイオン電池用電解液とした(ただし、ニトリル化合物をグルタロニトリルにした実験例10では、LiPF6(六フッ化リン酸リチウム)を0.5mol/Lとした)。
各実験例に用いたニトリルの種類は以下のとおりである。
実験例10 グルタロニトリルNC(CHCN
実験例11 セバコニトリルNC(CHCN
実験例12 ドデカンジニトリルNC(CH10CN
実験例13 2−メチルグルタロニトリルNCCH(CH)CHCHCN
実験例14 オキシジプロピオニトリルNCCHCH-O-CHCHCN
実験例15 3−メトキシプロピオニトリルCH-O-CHCHCN
実験例16 シアノ酢酸メチルNCCHCOOCH
実験例17 シアノ酢酸ブチルNCCHCOO(CHCH
(Experimental Examples 10 to 17)
In Experimental Examples 10 to 17, the solvent was various nitrile: ethylene carbonate: diethyl carbonate = 50: 25: 25 (volume ratio), and the electrolyte was LiPF 6 (lithium hexafluorophosphate) at 1 mol / L in this mixed solvent. What was dissolved in this way was used as the electrolyte solution for lithium ion batteries (however, in Experimental Example 10 in which the nitrile compound was glutaronitrile, LiPF 6 (lithium hexafluorophosphate) was 0.5 mol / L. ).
The types of nitrile used in each experimental example are as follows.
Experimental Example 10 Glutaronitrile NC (CH 2 ) 3 CN
Experimental Example 11 Sevacononitrile NC (CH 2 ) 8 CN
Experimental Example 12 Dodecanedinitrile NC (CH 2 ) 10 CN
Experimental Example 13 2-Methylglutaronitrile NCCH (CH 3 ) CH 2 CH 2 CN
Experimental Example 14 Oxydipropionitrile NCCH 2 CH 2 —O—CH 2 CH 2 CN
Experimental Example 15 3-Methoxypropionitrile CH 3 —O—CH 2 CH 2 CN
Experimental Example 16 Methyl cyanoacetate NCCH 2 COOCH 3
Experimental Example 17 Butyl cyanoacetate NCCH 2 COO (CH 2 ) 3 CH 3

(比較例2)
比較例2では、有機溶媒としてエチレンカーボネート:ジエチルカーボネート=50:50(容量比)の混合溶媒を用い、これにリチウム塩としてLiPF6を1mol/Lとなるように溶解させてリチウムイオン電池用電解液とした。
(Comparative Example 2)
In Comparative Example 2, a mixed solvent of ethylene carbonate: diethyl carbonate = 50: 50 (volume ratio) was used as the organic solvent, and LiPF 6 was dissolved as a lithium salt in an amount of 1 mol / L to perform electrolysis for a lithium ion battery. A liquid was used.

−評価−
(電位−電流曲線の測定)
実験例10〜17及び比較例2の電解液について、前述の方法と同様にして電位−電流曲線を測定した。結果を図6に示す。
この図から、実験例10〜17の電解液では、比較例2の電解液と比較して、電位窓が正方向に広がることが分かった。この結果から、エチレンカーボネート及びジエチルカーボネートを溶媒として用いた場合においても、エチレンカーボネート及びジメチルカーボネートを溶媒として用いた場合(すなわち実験例1〜9の場合)と同様、鎖式飽和炭化水素化合物の両末端にニトリル基が結合した鎖式飽和炭化水素ジニトリル化合物、鎖式エーテル化合物の末端の少なくとも一つにニトリル基が結合した鎖式エーテルニトリル化合物及びシアノ酢酸エステルのうち少なくとも一つのニトリル化合物を加えることによって、溶媒が高い電位まで安定に存在することが分かった。特に電位窓が大きく広がったのは、ニトリル化合物として鎖式飽和炭化水素化合物の両末端にニトリル基が結合した鎖式飽和炭化水素ジニトリル化合物を用いた実験例10〜13であり、分枝を有する実験例13においても大きく電位窓が正方向に広がることが分かった。また、鎖式エーテル化合物の末端の少なくとも一つにニトリル基が結合した鎖式エーテルニトリル化合物を用いた実験例14及び実験例15においても、大きく電位窓が正方向に広がることが分かった。
-Evaluation-
(Measurement of potential-current curve)
For the electrolytic solutions of Experimental Examples 10 to 17 and Comparative Example 2, potential-current curves were measured in the same manner as described above. The results are shown in FIG.
From this figure, it was found that in the electrolytic solutions of Experimental Examples 10 to 17, the potential window spreads in the positive direction as compared with the electrolytic solution of Comparative Example 2. From this result, even when ethylene carbonate and diethyl carbonate are used as solvents, both of the chain saturated hydrocarbon compounds are the same as when ethylene carbonate and dimethyl carbonate are used as solvents (that is, in the case of Experimental Examples 1 to 9). Add at least one nitrile compound among a chain saturated hydrocarbon dinitrile compound having a nitrile group bonded to the terminal, a chain ether nitrile compound having a nitrile group bonded to at least one terminal of the chain ether compound, and a cyanoacetate ester. It was found that the solvent exists stably up to a high potential. In particular, the potential window greatly widened in Examples 10 to 13 using a chain saturated hydrocarbon dinitrile compound in which a nitrile group was bonded to both ends of a chain saturated hydrocarbon compound as a nitrile compound, which has branches. Also in Experimental Example 13, it was found that the potential window greatly spreads in the positive direction. Also, in Experimental Examples 14 and 15 using the chain ether nitrile compound in which the nitrile group was bonded to at least one end of the chain ether compound, it was found that the potential window greatly expanded in the positive direction.

(実験例18〜25)
実験例18〜25では溶媒を、各種ニトリル:γ−ブチロラクトン:ジメチルカーボネート=50:25:25(容量比)とし、この混合溶媒に電解質をLiPF6(六フッ化リン酸リチウム)を1mol/Lとなるように溶解させたものをリチウムイオン電池用電解液とした。また、ニトリルとしてアジポニトリルを用いた実験例では、LiPFを0.5mol/Lとした。
各実験例に用いたニトリルの種類は以下のとおりである。
実験例18 グルタロニトリルNC(CHCN
実験例19 アジポニトリルNC(CHCN
実験例20 セバコニトリルNC(CHCN
実験例21 ドデカンジニトリルNC(CH10CN
実験例22 2−メチルグルタロニトリルNCCH(CH)CHCHCN
実験例23 オキシジプロピオニトリルNCCHCH-O-CHCHCN
実験例24 シアノ酢酸メチルNCCHCOOCH
実験例25 シアノ酢酸ブチルNCCHCOO(CHCH
(Experimental Examples 18-25)
In Experimental Examples 18 to 25, the solvent was various nitrile: γ-butyrolactone: dimethyl carbonate = 50: 25: 25 (volume ratio), and the electrolyte was LiPF 6 (lithium hexafluorophosphate) at 1 mol / L in this mixed solvent. What was melt | dissolved so that it might become was used as the electrolyte solution for lithium ion batteries. Also, in the experimental examples using the adiponitrile as nitrile, the LiPF 6 was 0.5 mol / L.
The types of nitrile used in each experimental example are as follows.
Experimental Example 18 Glutaronitrile NC (CH 2 ) 3 CN
Experimental Example 19 Adiponitrile NC (CH 2 ) 4 CN
Experimental Example 20 Sevacononitrile NC (CH 2 ) 8 CN
Experimental Example 21 Dodecanedinitrile NC (CH 2 ) 10 CN
Experimental Example 22 2-Methylglutaronitrile NCCH (CH 3 ) CH 2 CH 2 CN
Experimental Example 23 Oxydipropionitrile NCCH 2 CH 2 —O—CH 2 CH 2 CN
Experimental Example 24 Methyl cyanoacetate NCCH 2 COOCH 3
Experimental Example 25 Butyl cyanoacetate NCCH 2 COO (CH 2 ) 3 CH 3

(比較例3)
比較例3では、有機溶媒としてγ−ブチロラクトン:ジメチルカーボネート=50:50(容量比)の混合溶媒を用い、これにリチウム塩としてLiPF6を1mol/Lとなるように溶解させてリチウムイオン電池用電解液とした。
(Comparative Example 3)
In Comparative Example 3, a mixed solvent of γ-butyrolactone: dimethyl carbonate = 50: 50 (volume ratio) was used as the organic solvent, and LiPF 6 was dissolved as a lithium salt at 1 mol / L so as to be used for a lithium ion battery. An electrolyte was used.

−評価−
(電位−電流曲線の測定)
実験例18〜25及び比較例3の電解液について、前述の方法と同様にして電位−電流曲線を測定した。結果を図7に示す。
この図から、実験例18〜25の電解液においても、比較例3の電解液と比較して、電位窓が正方向に大きく広がることが分かった。この結果から、環状炭酸エステルであるエチレンカーボネートに替えて、ジメチルカーボネート及び環状カルボン酸エステルであるγ−ブチロラクトンを溶媒として用いた場合においても、鎖式飽和炭化水素化合物の両末端にニトリル基が結合した鎖式飽和炭化水素ジニトリル化合物を加えることによって、溶媒が高い電位まで安定に存在することが分かった。また、鎖式飽和炭化水素ジニトリル化合物のうち、直鎖分子である実験例18〜21のみならず、分枝を有する実験例22においても大きく電位窓が正方向に広がることが分かった。さらに、鎖式エーテル化合物の両末端にニトリル基が結合した鎖式エーテルニトリル化合物を用いた実験例23や、シアノ酢酸エステルを用いた実験例24,25においても、大きく電位窓が正方向に広がることが分かった。
-Evaluation-
(Measurement of potential-current curve)
For the electrolytic solutions of Experimental Examples 18 to 25 and Comparative Example 3, potential-current curves were measured in the same manner as described above. The results are shown in FIG.
From this figure, it was found that also in the electrolyte solutions of Experimental Examples 18 to 25, the potential window greatly expanded in the positive direction as compared with the electrolyte solution of Comparative Example 3. From this result, even when dimethyl carbonate and γ-butyrolactone, which is a cyclic carboxylic acid ester, are used as solvents instead of ethylene carbonate, which is a cyclic carbonate, nitrile groups are bonded to both ends of the chain saturated hydrocarbon compound. It was found that by adding the chain saturated hydrocarbon dinitrile compound, the solvent exists stably to a high potential. Moreover, it was found that, among the chain-type saturated hydrocarbon dinitrile compounds, not only in Experimental Examples 18 to 21 which are linear molecules, but also in Experimental Example 22 having a branch, the potential window greatly expands in the positive direction. Further, in Experimental Example 23 using a chain ether nitrile compound in which a nitrile group is bonded to both ends of the chain ether compound, and in Experimental Examples 24 and 25 using cyanoacetate, the potential window is greatly widened in the positive direction. I understood that.

(実験例26〜31)
実験例26〜31では溶媒を、各種ニトリル:ジメチルカーボネート=50:50(容量比)とし、この混合溶媒に電解質をLiPF6(六フッ化リン酸リチウム)を1mol/L(実験例30、31では0.1mol/L)となるように溶解させたものをリチウムイオン電池用電解液とした。各実験例に用いたニトリルの種類は以下のとおりである。
実験例26 グルタロニトリルNC(CHCN
実験例27 セバコニトリルNC(CHCN
実験例28 ドデカンジニトリルNC(CH10CN
実験例29 2−メチルグルタロニトリルNCCH(CH)CHCHCN
実験例30 オキシジプロピオニトリルNCCHCH-O-CHCHCN
実験例31 シアノ酢酸メチルNCCHCOOCH
(Experimental examples 26 to 31)
In Experimental Examples 26 to 31, the solvent was various nitriles: dimethyl carbonate = 50: 50 (volume ratio), and the electrolyte was LiPF 6 (lithium hexafluorophosphate) 1 mol / L in this mixed solvent (Experimental Examples 30, 31). In this case, an electrolyte solution for a lithium ion battery was dissolved so as to be 0.1 mol / L). The types of nitrile used in each experimental example are as follows.
Experimental Example 26 Glutaronitrile NC (CH 2 ) 3 CN
Experimental Example 27 Sebacononitrile NC (CH 2 ) 8 CN
Experimental Example 28 Dodecanedinitrile NC (CH 2 ) 10 CN
Experimental Example 29 2-Methylglutaronitrile NCCH (CH 3 ) CH 2 CH 2 CN
Experimental Example 30 Oxydipropionitrile NCCH 2 CH 2 —O—CH 2 CH 2 CN
Experimental Example 31 Methyl cyanoacetate NCCH 2 COOCH 3

(比較例4)
比較例4では、有機溶媒としてジメチルカーボネートにリチウム塩としてLiPF6を1mol/Lとなるように溶解させてリチウムイオン電池用電解液とした。
(Comparative Example 4)
In Comparative Example 4, LiPF 6 as a lithium salt was dissolved in dimethyl carbonate as an organic solvent so as to be 1 mol / L to obtain an electrolytic solution for a lithium ion battery.

−評価−
(電位−電流曲線の測定)
実験例26〜31及び比較例4の電解液について、前述の方法と同様にして電位−電流曲線を測定した。結果を図8に示す。
この図から、溶媒としてニトリル化合物以外にジメチルカーボネートを単独で加えた実験例26〜31の電解液では、ジメチルカーボネートを単独溶媒とした比較例4の電解液と比較して、電位窓が正方向に広がることが分かった。また、鎖式飽和炭化水素化合物の両末端にニトリル基が結合した鎖式飽和炭化水素ジニトリル化合物を加えることによって(実験例26〜29)、溶媒が高い電位まで安定に存在することが分かった。さらには、鎖式飽和炭化水素ジニトリル化合物のうち、直鎖分子である実験例26〜28のみならず、分枝を有する実験例29においても大きく電位窓が正方向に広がることが分かった。さらに、鎖式エーテル化合物の両末端にニトリル基が結合した鎖式エーテルニトリル化合物を用いた実験例30でも電位窓が大きく広がり、シアノ酢酸エステルを用いた実験例31では、電位窓が広がった。
-Evaluation-
(Measurement of potential-current curve)
For the electrolytic solutions of Experimental Examples 26 to 31 and Comparative Example 4, potential-current curves were measured in the same manner as described above. The results are shown in FIG.
From this figure, in the electrolytic solutions of Experimental Examples 26 to 31 in which dimethyl carbonate alone was added in addition to the nitrile compound as the solvent, the potential window was positive in comparison with the electrolytic solution of Comparative Example 4 in which dimethyl carbonate was the sole solvent. I understood that it spreads. It was also found that the solvent was stably present up to a high potential by adding a chain saturated hydrocarbon dinitrile compound having a nitrile group bonded to both ends of the chain saturated hydrocarbon compound (Experimental Examples 26 to 29). Furthermore, it was found that, among the chain-type saturated hydrocarbon dinitrile compounds, not only in Experimental Examples 26 to 28 which are linear molecules, but also in Experimental Example 29 having a branch, the potential window greatly expands in the positive direction. Furthermore, in Example 30 using a chain ether nitrile compound in which a nitrile group was bonded to both ends of the chain ether compound, the potential window was greatly expanded, and in Example 31 using cyanoacetate, the potential window was expanded.

(実験例32,33)
実験例32,33では溶媒を、各種ニトリル:プロピレンカーボネート=50:50(容量比)とし、この混合溶媒に電解質をLiPF6(六フッ化リン酸リチウム)を1mol/Lとなるように溶解させたものをリチウムイオン電池用電解液とした。各実験例に用いたニトリルの種類は以下のとおりである。
実験例32 セバコニトリルNC(CHCN
実験例33 ドデカンジニトリルNC(CH10CN
(Experimental examples 32, 33)
In Experimental Examples 32 and 33, the solvent was various nitrile: propylene carbonate = 50: 50 (volume ratio), and the electrolyte was dissolved in LiPF 6 (lithium hexafluorophosphate) at 1 mol / L in this mixed solvent. This was used as an electrolyte for lithium ion batteries. The types of nitrile used in each experimental example are as follows.
Experimental Example 32 Sevacononitrile NC (CH 2 ) 8 CN
Experimental Example 33 Dodecanedinitrile NC (CH 2 ) 10 CN

(比較例5)
比較例5では、有機溶媒としてプロピレンカーボネートにリチウム塩としてLiPF6を1mol/Lとなるように溶解させてリチウムイオン電池用電解液とした。
(Comparative Example 5)
In Comparative Example 5, an electrolyte solution for a lithium ion battery was prepared by dissolving LiPF 6 as a lithium salt in propylene carbonate as an organic solvent so as to be 1 mol / L.

−評価−
(電位−電流曲線の測定)
実験例32,33及び比較例5の電解液について、前述の方法と同様にして電位−電流曲線を測定した。結果を図9に示す。
この図から、溶媒としてニトリル化合物以外にプロピレンカーボネートを単独で加えた実験例32,33の電解液では、プロピレンカーボネートを単独溶媒とした比較例5の電解液と比較して、電位窓が正方向に大きく広がることが分かった。また、鎖式飽和炭化水素化合物の両末端にニトリル基が結合した鎖式飽和炭化水素ジニトリル化合物を加えることによって、溶媒が高い電位まで安定に存在することが分かった。
-Evaluation-
(Measurement of potential-current curve)
For the electrolytic solutions of Experimental Examples 32 and 33 and Comparative Example 5, potential-current curves were measured in the same manner as described above. The results are shown in FIG.
From this figure, in the electrolytic solutions of Experimental Examples 32 and 33 in which propylene carbonate alone was added in addition to the nitrile compound as a solvent, the potential window was positive in comparison with the electrolytic solution of Comparative Example 5 in which propylene carbonate was the sole solvent. It was found that it spreads greatly. It was also found that the solvent was stably present up to a high potential by adding a chain saturated hydrocarbon dinitrile compound having nitrile groups bonded to both ends of the chain saturated hydrocarbon compound.

(実験例34〜36)
実験例34〜36では溶媒を、各種ニトリル:γ−ブチロラクトン=50:50(容量比)とし、この混合溶媒に電解質をLiPF6(六フッ化リン酸リチウム)を1mol/Lとなるように溶解させたものをリチウムイオン電池用電解液とした。各実験例に用いたニトリルの種類は以下のとおりである。
実験例34 グルタロニトリルNC(CHCN
実験例35 セバコニトリルNC(CHCN
実験例36 ドデカンジニトリルNC(CH10CN
(Experimental examples 34 to 36)
In Experimental Examples 34 to 36, the solvent was various nitriles: γ-butyrolactone = 50: 50 (volume ratio), and the electrolyte was dissolved in this mixed solvent so that LiPF 6 (lithium hexafluorophosphate) was 1 mol / L. This was used as an electrolyte for a lithium ion battery. The types of nitrile used in each experimental example are as follows.
Experimental Example 34 Glutaronitrile NC (CH 2 ) 3 CN
Experimental Example 35 Sevacononitrile NC (CH 2 ) 8 CN
Experimental Example 36 Dodecanedinitrile NC (CH 2 ) 10 CN

(比較例6)
比較例6では、有機溶媒としてγ−ブチロラクトンにリチウム塩としてLiPF6を0.1mol/Lとなるように溶解させてリチウムイオン電池用電解液とした。
(Comparative Example 6)
In Comparative Example 6, an electrolyte solution for a lithium ion battery was prepared by dissolving LiPF 6 as a lithium salt in γ-butyrolactone as an organic solvent so as to be 0.1 mol / L.

−評価−
(電位−電流曲線の測定)
実験例34〜36及び比較例6の電解液について、前述の方法と同様にして電位−電流曲線を測定した。結果を図10に示す。
この図から、溶媒としてニトリル化合物以外にγ−ブチロラクトンを単独で加えた実験例34〜36の電解液では、γ−ブチロラクトンを単独溶媒とした比較例6の電解液と比較して、電位窓が正方向に大きく広がることが分かった。また、鎖式飽和炭化水素化合物の両末端にニトリル基が結合した鎖式飽和炭化水素ジニトリル化合物を加えることによって、溶媒が高い電位まで安定に存在することが分かった。
-Evaluation-
(Measurement of potential-current curve)
For the electrolytic solutions of Experimental Examples 34 to 36 and Comparative Example 6, potential-current curves were measured in the same manner as described above. The results are shown in FIG.
From this figure, in the electrolytic solutions of Experimental Examples 34 to 36 in which γ-butyrolactone alone was added in addition to the nitrile compound as a solvent, the potential window was larger than that of the electrolytic solution of Comparative Example 6 in which γ-butyrolactone was the sole solvent. It turns out that it spreads greatly in the positive direction. It was also found that the solvent was stably present up to a high potential by adding a chain saturated hydrocarbon dinitrile compound having nitrile groups bonded to both ends of the chain saturated hydrocarbon compound.

(実験例37〜39)
実験例37〜39では溶媒を、各種ニトリル:エチレンカーボネート:γ−ブチロラクトン=50:25:25(容量比)とし、この混合溶媒に電解質をLiPF6(六フッ化リン酸リチウム)を1mol/Lとなるように溶解させたものをリチウムイオン電池用電解液とした。各実験例に用いたニトリルの種類は以下のとおりである。
実験例37 セバコニトリルNC(CHCN
実験例38 2−メチルグルタロニトリルNCCH(CH)CHCHCN
実験例39 オキシジプロピオニトリルNCCHCH-O-CHCHCN
(Experimental Examples 37 to 39)
In Experimental Examples 37 to 39, the solvent was various nitrile: ethylene carbonate: γ-butyrolactone = 50: 25: 25 (volume ratio), and the electrolyte was LiPF 6 (lithium hexafluorophosphate) at 1 mol / L in this mixed solvent. What was melt | dissolved so that it might become was used as the electrolyte solution for lithium ion batteries. The types of nitrile used in each experimental example are as follows.
Experimental Example 37 Sevacononitrile NC (CH 2 ) 8 CN
Experimental Example 38 2-Methylglutaronitrile NCCH (CH 3 ) CH 2 CH 2 CN
Experimental Example 39 Oxydipropionitrile NCCH 2 CH 2 —O—CH 2 CH 2 CN

(比較例7)
比較例7では、有機溶媒としてエチレンカーボネート:γ−ブチロラクトン=50:50(容量比)にリチウム塩としてLiPF6を1mol/Lとなるように溶解させてリチウムイオン電池用電解液とした。
(Comparative Example 7)
In Comparative Example 7, an electrolyte solution for a lithium ion battery was prepared by dissolving LiPF 6 as a lithium salt in ethylene carbonate: γ-butyrolactone = 50: 50 (volume ratio) as an organic solvent so as to be 1 mol / L.

−評価−
(電位−電流曲線の測定)
実験例37〜39及び比較例7の電解液について、前述の方法と同様にして電位−電流曲線を測定した。結果を図11に示す。
この図から、溶媒としてニトリル化合物以外に環状炭酸エステルであるエチレンカーボネートと、環状カルボン酸エステルであるγ−ブチロラクトンとを溶媒として加えた実験例37〜39の電解液では、ニトリル化合物を入れない比較例7の電解液と比較して、電位窓が正方向及び負方向に大きく広がることが分かった。また、鎖式飽和炭化水素化合物の両末端にニトリル基が結合した鎖式飽和炭化水素ジニトリル化合物を加えることによって、溶媒が高い電位まで安定に存在することが分かった。さらには、鎖式飽和炭化水素ジニトリル化合物のうち、直鎖分子である実験例37のみならず、分枝を有する実験例38においても大きく電位窓が正方向及び負方向に広がることが分かった。さらに、鎖式エーテル化合物の両末端にニトリル基が結合した鎖式エーテルニトリル化合物を用いた実験例39でも電位窓が大きく正負方向に広がった。
-Evaluation-
(Measurement of potential-current curve)
For the electrolytic solutions of Experimental Examples 37 to 39 and Comparative Example 7, potential-current curves were measured in the same manner as described above. The results are shown in FIG.
From this figure, in the electrolytic solutions of Experimental Examples 37 to 39 in which ethylene carbonate, which is a cyclic carbonate, and γ-butyrolactone, which is a cyclic carboxylic acid ester, are added as solvents in addition to the nitrile compound, the nitrile compound is not added. Compared with the electrolyte solution of Example 7, it was found that the potential window greatly expanded in the positive direction and the negative direction. It was also found that the solvent was stably present up to a high potential by adding a chain saturated hydrocarbon dinitrile compound having nitrile groups bonded to both ends of the chain saturated hydrocarbon compound. Furthermore, it was found that, among the chain saturated hydrocarbon dinitrile compounds, not only in Experimental Example 37, which is a linear molecule, but also in Experimental Example 38 having branches, the potential window greatly spreads in the positive and negative directions. Furthermore, also in Experimental Example 39 using a chain ether nitrile compound in which a nitrile group was bonded to both ends of the chain ether compound, the potential window greatly increased in the positive and negative directions.

(実験例40〜44)
実験例40〜44では溶媒を、セバコニトリル(実験例42ではアジポニトリル):エチレンカーボネート:ジメチルカーボネート=50:25:25(容量比)とし、この混合溶媒に各種電解質を1mol/Lとなるように溶解させたものをリチウムイオン電池用電解液とした。各実験例に用いた電解質の種類は以下のとおりである。
実験例40 LiPF6
実験例41 LiTFSI
実験例42 LiTFSI
実験例43 LiBF
実験例44 LiBETI
(Experimental Examples 40 to 44)
In Experimental Examples 40 to 44, the solvent was sebacononitrile (adiponitrile in Experimental Example 42): ethylene carbonate: dimethyl carbonate = 50: 25: 25 (volume ratio), and various electrolytes were dissolved in this mixed solvent to 1 mol / L. This was used as an electrolyte for a lithium ion battery. The types of electrolyte used in each experimental example are as follows.
Experimental Example 40 LiPF 6
Experimental Example 41 LiTFSI
Experimental Example 42 LiTFSI
Experimental Example 43 LiBF 4
Experimental Example 44 LiBETI

(実験例45)
実験例45では、有機溶媒としてセバコニトリルと、エチレンカーボネート(EC)と、ジメチルカーボネート(DMC)とを容量比で50:25:25の割合で混合した溶媒を用い、これにリチウム塩としてLiPF6(六フッ化リン酸リチウム)を0.05mol/L、LiTFSI(リチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド)を1.0mol/Lとなるように溶解させてリチウムイオン電池用電解液とした。
(Experimental example 45)
In Experimental Example 45, a solvent in which sebacononitrile, ethylene carbonate (EC), and dimethyl carbonate (DMC) were mixed at a volume ratio of 50:25:25 was used as the organic solvent, and LiPF 6 ( Lithium hexafluorophosphate) was dissolved at 0.05 mol / L and LiTFSI (lithium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide) was dissolved at 1.0 mol / L to obtain an electrolyte for a lithium ion battery.

(実験例46)
実験例46では、有機溶媒としてシアノ酢酸ブチルと、エチレンカーボネート(EC)と、ジメチルカーボネート(DMC)とを容量比で50:25:25の割合で混合した溶媒を用い、これにリチウム塩としてLiTFSI(リチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド)を1.0mol/Lとなるように溶解させてリチウムイオン電池用電解液とした。
(Experimental example 46)
In Experimental Example 46, a solvent in which butyl cyanoacetate, ethylene carbonate (EC), and dimethyl carbonate (DMC) were mixed at a volume ratio of 50:25:25 as an organic solvent, and LiTFSI as a lithium salt was used. (Lithium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide) was dissolved at 1.0 mol / L to obtain an electrolytic solution for a lithium ion battery.

(実験例47)
実験例47では、有機溶媒としてシアノ酢酸ブチルと、エチレンカーボネート(EC)と、ジメチルカーボネート(DMC)とを容量比で50:25:25の割合で混合した溶媒を用い、これにリチウム塩としてLiBF(四フッ化ホウ酸リチウム)を1.0mol/Lとなるように溶解させてリチウムイオン電池用電解液とした。
(Experimental example 47)
In Experimental Example 47, a solvent in which butyl cyanoacetate, ethylene carbonate (EC), and dimethyl carbonate (DMC) were mixed at a volume ratio of 50:25:25 as an organic solvent, and LiBF as a lithium salt was used. 4 (lithium tetrafluoroborate) was dissolved at 1.0 mol / L to obtain an electrolyte for a lithium ion battery.

(比較例8〜10)
比較例8〜10では、比較例1におけるリチウム塩であるLiPF6の替わりに、各種リチウム塩を添加した。すなわち、有機溶媒としてエチレンカーボネート:ジメチルカーボネート=50:50(容量比)に各種リチウム塩(比較例8ではLiTFSI、比較例9ではLiBF、比較例10ではLiBETI)を1mol/Lとなるように溶解させてリチウムイオン電池用電解液とした。
(Comparative Examples 8 to 10)
In Comparative Examples 8 to 10, various lithium salts were added instead of LiPF 6 which is the lithium salt in Comparative Example 1. That is, various lithium salts (LiTFSI in Comparative Example 8, LiBF 4 in Comparative Example 9, LiBETI in Comparative Example 10) at 1 mol / L as an organic solvent, ethylene carbonate: dimethyl carbonate = 50: 50 (volume ratio). It was made to melt | dissolve and it was set as the electrolyte solution for lithium ion batteries.

−評価−
(電位−電流曲線の測定)
実験例40〜44、比較例1及び比較例8〜10の電解液について、前述の方法と同様にして電位−電流曲線を測定した。結果を図12に示す。またこの図から求めた、電流密度が50μA/cmとなるときの電位の値を表1に示す。
この図12及び表1から、溶媒としてニトリル化合物以外に環状炭酸エステルであるエチレンカーボネートと鎖状炭酸エステルであるジメチルカーボネートとを溶媒として加えた実験例40〜44の電解液では、電解質の種類によらず、ニトリル化合物を入れない比較例1及び比較例8〜10の電解液と比較して、電位窓が正方向に大きく広がることが分かった。
また、実験例45の電解液の電位窓は6.6V(図13参照)、実験例46の電解液の電位窓は5.4V(図14参照)、実験例47の電解液の電位窓は6.1V(図15参照)となり、いずれも正側に広がっていることが分かった。
-Evaluation-
(Measurement of potential-current curve)
For the electrolytic solutions of Experimental Examples 40 to 44, Comparative Example 1 and Comparative Examples 8 to 10, potential-current curves were measured in the same manner as described above. The results are shown in FIG. In addition, Table 1 shows the value of the potential obtained from this figure when the current density is 50 μA / cm 2 .
From FIG. 12 and Table 1, in addition to the nitrile compound as a solvent, in the electrolytic solutions of Experimental Examples 40 to 44 in which ethylene carbonate, which is a cyclic carbonate, and dimethyl carbonate, which is a chain carbonate, are added as solvents, Regardless, it was found that the potential window greatly expanded in the positive direction as compared with the electrolytic solutions of Comparative Example 1 and Comparative Examples 8 to 10 in which no nitrile compound was added.
Further, the potential window of the electrolytic solution of Experimental Example 45 is 6.6 V (see FIG. 13), the potential window of the electrolytic solution of Experimental Example 46 is 5.4 V (see FIG. 14), and the potential window of the electrolytic solution of Experimental Example 47 is It became 6.1V (refer FIG. 15), and it turned out that all have spread to the positive side.

Figure 2011071083
Figure 2011071083

同様に、リチウム塩をLiPFとした、他の実験例及び比較例の電解液について、電位−電流曲線から求めた、所定の電流密度となるときの電極電位を表2に示す。この表から、鎖式飽和炭化水素化合物の両末端にニトリル基が結合した鎖式飽和炭化水素ジニトリル化合物、鎖式エーテル化合物の末端の少なくとも一つにニトリル基が結合した鎖式エーテルニトリル化合物及びシアノ酢酸エステルのうち少なくとも一つのニトリル化合物と、環状炭酸エステル、環状カルボン酸エステル及び鎖状炭酸エステルのうち少なくとも一つとが含まれている場合に、正方向に電位窓が広がることが分かる。 Similarly, Table 2 shows the electrode potentials at the predetermined current density obtained from the potential-current curves for the electrolytes of other experimental examples and comparative examples in which the lithium salt is LiPF 6 . From this table, a chain saturated hydrocarbon dinitrile compound having a nitrile group bonded to both ends of the chain saturated hydrocarbon compound, a chain ether nitrile compound having a nitrile group bonded to at least one of the ends of the chain ether compound, and cyano It can be seen that the potential window widens in the positive direction when at least one nitrile compound of acetic acid ester and at least one of cyclic carbonic acid ester, cyclic carboxylic acid ester and chain carbonic acid ester are contained.

Figure 2011071083
Figure 2011071083

<ニトリル添加量の影響>
本発明の電解液におけるニトリルの添加量の影響を調べるため、エチレンカーボネート:ジメチルカーボネート=1:1(容量比)の混合溶媒に、所定量のセバコニトリルを添加し、電位電流曲線を測定した。なお、電解質はLiPFを1Mとなるように加えた(ただし、セバコニトリル100容量%の場合には、1Mの溶解は困難であったため0.1Mとした)。結果を図16に示す。この図から、セバコニトリルの添加量は、1容量%でも電位窓を広げる効果があり、添加量が増すほど電位窓は高電位方向に広がることが分かった。ただし、セバコニトリル100容量%では、電解質であるLiPFの溶解度が低くなるとともに、粘度も高くなることから、伝導度が低くなり、ひいては電池の内部抵抗が高くなるという問題が生ずる。このため、リチウム電池用の電解液としては好ましいセバコニトリルの添加量は、1容量%以上100容量%未満であり、より好ましくは5容量%以上90容量%未満、最も好ましくは30容量%以上70容量%未満である。
<Influence of nitrile addition amount>
In order to examine the influence of the addition amount of nitrile in the electrolytic solution of the present invention, a predetermined amount of sebacononitrile was added to a mixed solvent of ethylene carbonate: dimethyl carbonate = 1: 1 (volume ratio), and a potential-current curve was measured. Incidentally, the electrolyte was added LiPF 6 as a 1M (However, in the case of sebaconitrile 100% by volume, it was 0.1M for dissolution of 1M was difficult). The results are shown in FIG. From this figure, it was found that the amount of sebacononitrile added had the effect of expanding the potential window even at 1% by volume, and the potential window expanded in the higher potential direction as the amount added increased. However, when 100% by volume of sebacononitrile is used, the solubility of LiPF 6 that is an electrolyte is lowered and the viscosity is also increased. Therefore, there is a problem that the conductivity is lowered and the internal resistance of the battery is increased. For this reason, the preferable amount of sebacononitrile added as an electrolyte for a lithium battery is 1% by volume or more and less than 100% by volume, more preferably 5% by volume or more and less than 90% by volume, and most preferably 30% by volume or more and 70% by volume. %.

以上のように、実験例の電解液についての電位−電流曲線では、有機溶媒にニトリル化合物を加えることにより、電位窓が正の方向に大きく広がることが分かった。   As described above, in the potential-current curve for the electrolytic solution of the experimental example, it was found that the potential window greatly expanded in the positive direction by adding the nitrile compound to the organic solvent.

<電池特性の測定>
上記実験例の電解液を用い、正極活物質としてLi1−xCoO、Li1−xNiO、Li1−xMn4、2-1-3系マンガン酸リチウム、及びこれらの複合化物、並びにLi1-xFePO、Li1-xMnPO、Li2-yFePOF、Li2-yMnPOF(ただし前記xは0以上1以下の数であり、前記yは0以上2以下の数であり、前記Co、Ni、Mn及びFeの一部をLiを含む他の金属原子でドープしたものも含む)及びこれらの複合化物を用いることにより、本発明のリチウムイオン電池が構成される。ドープする金属原子としては、例えば、Mg、Al、Ti、V、Cu、Zn、Zr、Nb及びMoの1種又はそれ以上が挙げられる。
具体的な例として、正極活物質としてLiCoOを担持させた正極について、上記実験例41のリチウムイオン電池用電解液(すなわち、容量比でEC:DMC:セバコニトリル=25:25:50,リチウム塩としてLiTFSI(リチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド)を1.0mol/L)を用い、電位−電流曲線を測定した。また、LiTi12を担持させたリチウムイオン電池用陰極及びオリビンリン酸塩系の正極活物質であるLiCoPOを担持させたリチウムイオン電池用正極についても、電位−電流曲線を測定した。測定にはポテンシオガルバノスタットを用いた。また、参照電極は(Ag/Ag+)を用いた。測定にあたっては、正側及び負側に数回スキャンさせた後、自然電位から正方向、あるいは負方向に0.5mV/秒の速度で電位の掃引を行い、電位−電流曲線を測定した。
<Measurement of battery characteristics>
Using the electrolytic solution of the above experimental example, Li 1-x CoO 2 , Li 1-x NiO 2 , Li 1-x Mn 2 O 4, 2-1-3 lithium manganate, and composites thereof as the positive electrode active material And Li 1−x FePO 4 , Li 1−x MnPO 4 , Li 2−y FePO 4 F, Li 2−y MnPO 4 F (wherein x is a number from 0 to 1 and y is 0) A lithium ion battery according to the present invention by using the above-mentioned number of 2 or less, including those in which a part of Co, Ni, Mn and Fe is doped with other metal atoms including Li) Is configured. Examples of the metal atom to be doped include one or more of Mg, Al, Ti, V, Cu, Zn, Zr, Nb, and Mo.
As a specific example, for the positive electrode on which LiCoO 2 is supported as the positive electrode active material, the electrolyte solution for lithium ion batteries of Experimental Example 41 (that is, EC: DMC: sebacononitrile = 25: 25: 50, lithium salt in capacity ratio) LiTFSI (1.0 mol / L of lithium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide) was used to measure the potential-current curve. The potential-current curve was also measured for the cathode for a lithium ion battery supporting Li 4 Ti 5 O 12 and the cathode for a lithium ion battery supporting LiCoPO 4 which is an olivine phosphate-based positive electrode active material. A potentiogalvanostat was used for the measurement. Further, (Ag / Ag + ) was used as the reference electrode. In the measurement, after scanning several times on the positive side and the negative side, the potential was swept from the natural potential in the positive direction or in the negative direction at a speed of 0.5 mV / sec, and the potential-current curve was measured.

その結果、図17に示すように、リチウム電池用負極としてのLiTi12、リチウム電池用正極としてのLiCoO及びLiCoPOのいずれの電極においても、リチウム(0)とリチウムイオンとの間での酸化還元に伴うほぼ可逆的な電流が観測された。この結果から、実験例41のリチウムイオン電池用電解液を用いることにより、リチウム(0)−リチウムイオン間の円滑な充放電が可能であることが分かった。 As a result, as shown in FIG. 17, Li 4 Ti 5 O 12 as a negative electrode for a lithium battery, and LiCoO 2 and LiCoPO 4 as positive electrodes for a lithium battery, both lithium (0) and lithium ions A nearly reversible current associated with redox was observed. From this result, it was found that by using the lithium ion battery electrolyte of Experimental Example 41, smooth charge / discharge between lithium (0) and lithium ions was possible.

<リチウムイオン電池の作製>
本発明の電池容器を用いたリチウムイオン電池の作製例を以下に示す。すなわち、まず、図18に示すように、有底円筒状のチタン製又はニッケル製の正極缶11と、有底円筒状で扁平状のチタン製又はニッケル製の負極キャップ12とを用意する。正極缶11と負極キャップ12とで電池容器が構成される。
<Production of lithium ion battery>
An example of producing a lithium ion battery using the battery container of the present invention is shown below. That is, first, as shown in FIG. 18, a bottomed cylindrical titanium or nickel positive electrode can 11 and a bottomed cylindrical and flat titanium or nickel negative electrode cap 12 are prepared. The positive electrode can 11 and the negative electrode cap 12 constitute a battery container.

ついで、図19に示すように、正極缶11内に、チタン製又はニッケル製のスペーサー13、酸化物系正極活物質を含む正極活物質ペレット14及びセパレータ15を充填する。正極活物質ペレット14は、例えば、LiCoO70重量部と、導電助剤としてのグラシーカーボン粉25重量部とを乳鉢で混合し、さらにポリテトラフルオロエチレン(PTFE)粉末を5重量部加えて混合し、プレス成形により円盤状のペレットとすることにより得られる。一方、負極キャップ12内に、チタン製又はニッケル製の波座金16、チタン製又はニッケル製のスペーサー17及びリチウム負極活物質18を充填する。そして、正極缶11内にニトリル含有電解液を入れた後、絶縁ガスケット19を介して負極キャップ12を載置してかしめて密封してリチウムイオン電池とする。ここで、ニトリル含有電解液は、例えば、セバコニトリル:エチレンカーボネート:ジメチルカーボネート=50:25:25(容量%)の混合溶媒にLiBFを1mol/Lとなるように溶解した溶液を用いることができる。 Next, as shown in FIG. 19, the positive electrode can 11 is filled with a titanium or nickel spacer 13, a positive electrode active material pellet 14 containing an oxide-based positive electrode active material, and a separator 15. The positive electrode active material pellet 14 is, for example, a LiCoO 2 70 by weight part, the glassy carbon powder 25 parts by weight as a conductive additive were mixed in a mortar, further polytetrafluoroethylene (PTFE) powder was added 5 parts by weight To obtain a disk-shaped pellet by press molding. On the other hand, the negative electrode cap 12 is filled with a wave washer 16 made of titanium or nickel, a spacer 17 made of titanium or nickel, and a lithium negative electrode active material 18. Then, after putting the nitrile-containing electrolyte in the positive electrode can 11, the negative electrode cap 12 is placed via an insulating gasket 19 and sealed to form a lithium ion battery. Here, as the nitrile-containing electrolytic solution, for example, a solution obtained by dissolving LiBF 4 in a mixed solvent of sebacononitrile: ethylene carbonate: dimethyl carbonate = 50: 25: 25 (volume%) so as to be 1 mol / L can be used. .

以上のように構成されたリチウムイオン電池は、電解液が広い電位窓を有し、Li/Li+電極に対して5Vにおいても安定に存在する。このため、充電時に過電圧がLi/Li+電極に対して5Vと高い値になっても、電解液が分解したり変質したりし難い。 In the lithium ion battery configured as described above, the electrolytic solution has a wide potential window and exists stably even at 5 V with respect to the Li / Li + electrode. For this reason, even when the overvoltage becomes as high as 5 V with respect to the Li / Li + electrode during charging, the electrolytic solution is difficult to be decomposed or altered.

本発明のリチウムイオン電池では、Li1−xCoO、Li1−xNiO、Li1−xMn4、2-1-3系マンガン酸リチウム、及びこれらの複合化物、並びにLi1-xFePO、Li1-xMnPO、Li2-yFePOF、Li2-yMnPOF(ただし前記xは0以上1以下の数であり、前記yは0以上2以下の数であり、前記Co、Ni、Mn及びFeの一部をLiを含む他の金属原子でドープしたものも含む)及びこれらの複合化物を用いるものであり、正極の電位がLi/Li+電極に対して5V程度の高い値になって、正極からLiがほとんど脱離しても分解したり変質したりしない物質(たとえば、LiMnPO系やLiNi0.5Mn1.5系など)を用いることができる。ドープする金属原子としては、例えば、Mg、Al、Ti、V、Cu、Zn、Zr、Nb及びMoの1種又はそれ以上が挙げられる。
一般には、層状酸化物系正極活物質は5Vをはるかに超える高い電位で、Liがほとんど脱離した場合は、発熱し、酸素を発生して分解するものが多い(例えば、LiCoOやLiNiOで、金属元素を他の元素で全く置換していない純物質)。その一方、Liが脱離しても活物質自体が分解するようなことはないが、活物質の表面が電解液と反応して変質してしまい、Liイオン伝導を阻害してしまうような正極活物質(例えば、LiMnPOやLiNi0.5Mn1.5などで、金属元素を他の元素で置換していない物質)などの場合は、改善の余地がある。図20に示すように、5V以上で正極活物質からLiが脱離しても分解したり変質したりしないが、活物質表面が電解液と反応して変質してしまい、Liイオン伝導を阻害してしまう正極物質粒子1を耐高電位正極活物質2でマイクロカプセル化としたり、図21に示すように、5V以上でLiが脱離しても分解したり変質したりしないが、活物質表面が電解液と反応して変質してしまういLiイオン伝導を阻害してしまう正極物質粉末3を耐高電位正極活物質4の中に混ぜて内包させる構造としたり、図22に示すように、5V以上でLiが脱離しても分解したり変質したりしないが、活物質表面が電解液と反応して変質してしまい、Liイオン伝導を阻害してしまう正極物質粒子5の周りを耐高電位正極活物質微粉末6で包んだりすることにより、より高い電位まで正極活物質が安定に存在し、高い電位に耐え得るリチウムイオン電池とすることができる。
In the lithium ion battery of the present invention, Li 1-x CoO 2 , Li 1-x NiO 2 , Li 1-x Mn 2 O 4, 2-1-3 lithium manganate, a composite thereof, and Li 1 -x FePO 4, Li 1-x MnPO 4, Li 2-y FePO 4 F, Li 2-y MnPO 4 F ( although the x is a number of 0 or more and 1 or less, the number of the y is 0 to 2 In which a part of the Co, Ni, Mn, and Fe is doped with other metal atoms including Li) and a composite thereof, and the potential of the positive electrode is applied to the Li / Li + electrode. On the other hand, a substance (for example, LiMnPO 4 system or LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 system) that has a high value of about 5 V and does not decompose or change even when Li is almost desorbed from the positive electrode is used. be able to. Examples of the metal atom to be doped include one or more of Mg, Al, Ti, V, Cu, Zn, Zr, Nb, and Mo.
In general, a layered oxide-based positive electrode active material has a high potential far exceeding 5 V, and when Li is almost eliminated, it often generates heat and decomposes by generating oxygen (for example, LiCoO 2 or LiNiO 2). And a pure substance in which the metal element is not substituted at all by other elements). On the other hand, even if Li is desorbed, the active material itself is not decomposed, but the surface of the active material reacts with the electrolyte and changes in quality, and the positive electrode active material that inhibits Li ion conduction is inhibited. In the case of a substance (for example, a substance in which a metal element is not substituted with another element such as LiMnPO 4 or LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 ), there is room for improvement. As shown in FIG. 20, even when Li is desorbed from the positive electrode active material at 5 V or more, it does not decompose or change quality, but the active material surface reacts with the electrolyte and changes quality, thereby inhibiting Li ion conduction. The positive electrode material particles 1 that are generated are microencapsulated with a high potential positive electrode active material 2 and, as shown in FIG. 21, they are not decomposed or deteriorated even if Li is desorbed at 5 V or more. The positive electrode material powder 3 that reacts with the electrolyte and changes its quality and inhibits Li ion conduction is mixed in the high-potential positive electrode active material 4 and included, or as shown in FIG. As described above, even if Li is desorbed, it does not decompose or change in quality, but the active material surface reacts with the electrolytic solution and changes in quality, and around the positive electrode material particles 5 that inhibit Li ion conduction, has a high potential resistance. By wrapping with positive electrode active material fine powder 6, The positive electrode active material to a high potential to exist stably, may be a lithium ion battery that can withstand high voltage.

このような耐高電位正極活物質としては、オリビン型結晶構造を有するリン酸塩系の正極活物質やオリビンフッ化物系の正極活物質が挙げられる。リン酸塩系の正極活物質として、具体的にはLi1−xFePO(x=0〜1)を挙げることができる。また、これらのうちの金属原子を他の金属原子でドープしたものも含まれる。ドーパントとしては酸化還元反応において電気化学的な特性を変化させられるものであれば特に限定されるものではない。例えば、Mg、Al、Ti、V、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Zr、Nb及びMoの1種又は2種以上を用いることができる(特開2008−130525号参照)。
オリビン型結晶構造を有するリン酸塩系の正極活物質の酸化還元電位は、上記酸化物系とは異なり300℃未満では発熱反応が小さい上、酸素は発生せず、安全性が高い。
Examples of such a high potential positive electrode active material include a phosphate positive electrode active material having an olivine crystal structure and an olivine fluoride positive electrode active material. Specific examples of the phosphate-based positive electrode active material include Li 1-x FePO 4 (x = 0 to 1). Moreover, what doped the metal atom of these with the other metal atom is also contained. The dopant is not particularly limited as long as the electrochemical characteristics can be changed in the oxidation-reduction reaction. For example, one or more of Mg, Al, Ti, V, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Zr, Nb, and Mo can be used (see JP 2008-130525 A).
The oxidation-reduction potential of a phosphate-based positive electrode active material having an olivine-type crystal structure, unlike the above-mentioned oxide-based materials, is less exothermic when it is less than 300 ° C., and oxygen is not generated, and safety is high.

また、オリビンフッ化物系の正極活物質としては、Li2−xNiPOF(x=0〜2)、Li2−xCoPOF(x=0〜2)が知られており、その他Li2−xMnPOF(x=0〜2)、Li2−xFePOF(x=0〜2)、または、リン酸マンガンリチウムフッ化物とリン酸マンガンナトリウムフッ化物との混合物(Na2−xLiMnPOF:x=0〜2)が考えられる。
また、これらの固溶体(ここで固溶体とは、上記オリビンフッ化物系の正極活物質において金属原子が自由な割合で混合された物質を指す。)も挙げることができる。さらに、これらのうちの金属原子を他の金属原子でドープしたものも含まれる。ドーパントとしては酸化還元反応において電気化学的な特性を変化させられるものであれば特に限定されるものではない。例えば、Mg、Al、Ti、V、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Zr、Nb及びMoの1種又はそれ以上を用いることができる。
As olivine fluoride-based positive electrode active materials, Li 2−x NiPO 4 F (x = 0 to 2) and Li 2−x CoPO 4 F (x = 0 to 2) are known, and other Li 2 -x MnPO 4 F (x = 0~2 ), Li 2-x FePO 4 F (x = 0~2), or a mixture of lithium manganese phosphate fluoride and manganese phosphate sodium fluoride (Na 2- x Li x MnPO 4 F: x = 0 to 2).
Further, these solid solutions (herein, the solid solution refers to a material in which metal atoms are mixed in a free ratio in the olivine fluoride-based positive electrode active material) can also be mentioned. Furthermore, the thing which doped the metal atom of these with another metal atom is also contained. The dopant is not particularly limited as long as the electrochemical characteristics can be changed in the oxidation-reduction reaction. For example, one or more of Mg, Al, Ti, V, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Zr, Nb, and Mo can be used.

オリビンフッ化物系の正極活物質の酸化還元電位はオリビン系と同様に、上記酸化物系とは異なり、300℃未満の分解では、発熱反応が小さい上、酸素発生がないため、正極活物質由来の電池発火の影響は小さいと考えられ安全性の面で注目されている。また、電池の電気容量密度(mAh/g)を上記リン酸塩系よりも高くできる(特開2003−229126号公報参照)。   Similar to the olivine system, the oxidation-reduction potential of the olivine fluoride-based positive electrode active material is different from that of the above oxide system. The impact of battery ignition is considered to be small, and is attracting attention in terms of safety. Moreover, the electric capacity density (mAh / g) of a battery can be made higher than the said phosphate system (refer Unexamined-Japanese-Patent No. 2003-229126).

また、図20における耐高電位正極活物質2の代わりに、高電位に対して耐えうるリチウムイオン導電体を用いた構造とすることにより、より高い電位まで正極活物質が安定に存在し、高い電位に耐え得るリチウムイオン電池とすることができる。また、同様に図21に置ける耐高電位正極活物質4の代わりに、高電位に対して耐えうるリチウムイオン導電体を用いることにより、より高い電位まで正極活物質が安定に存在し、高い電位に耐え得るリチウムイオン電池とすることができる。さらには、図22に置ける耐高電位正極活物質微粉末6の代わりに、高電位に対して耐えうるリチウムイオン導電体を用いることにより、より高い電位まで正極活物質が安定に存在し、高い電位に耐え得るリチウムイオン電池とすることができる。
このような耐高電圧リチウムイオン伝導体としては、例えばチタン酸リチウム(LiTi12)、LiS・P系の固体電解質、例えば(100―x)LiS・xP(x=10〜40)などの複合体等を挙げることができる。
Further, by using a structure using a lithium ion conductor that can withstand a high potential instead of the high-potential positive electrode active material 2 in FIG. 20, the positive electrode active material stably exists up to a higher potential, and is high. It can be set as the lithium ion battery which can endure an electric potential. Similarly, by using a lithium ion conductor that can withstand a high potential in place of the high-potential-resistant positive electrode active material 4 shown in FIG. 21, the positive electrode active material stably exists up to a higher potential, and a high potential. It can be set as the lithium ion battery which can endure. Furthermore, by using a lithium ion conductor that can withstand a high potential instead of the high-potential-resistant positive electrode active material fine powder 6 shown in FIG. 22, the positive electrode active material is stably present up to a higher potential. It can be set as the lithium ion battery which can endure an electric potential.
Examples of such a high withstand voltage lithium ion conductor include lithium titanate (Li 4 Ti 5 O 12 ) and Li 2 S · P 2 S 5 based solid electrolytes such as (100-x) Li 2 S · xP. 2 S 5 (x = 10~40) can be given complex, etc., such as.

(参考例)
参考例として、次に示すリチウムイオンの充放電特性を、0.01Cの通常充電及び充電開始時10Cとし、6V(vs Li/Li+)に達してから定電位充電として測定した結果を図22に示す。
・作用極 LiFePO /導電助剤グラッシーカーボン粉 /結着材PTFE
・対極 Li金属
・電解液 1.0M LiBF/セバコニトリル:EC:DMC=50:25:25(容量比)
・セル コインセル Ni製 2032型
・電位掃印範囲 2.5-6.0V (vs Li/Li+)
(Reference example)
As a reference example, the charging / discharging characteristics of lithium ions shown below are set to 10 C at normal charging and starting at 0.01 C, and the results measured as constant potential charging after reaching 6 V (vs Li / Li +) are shown in FIG. Show.
-Working electrode LiFePO 4 / Conductive aid glassy carbon powder / Binder PTFE
・ Counter electrode Li metal ・ Electrolyte 1.0M LiBF 4 / Sebacononitrile: EC: DMC = 50: 25: 25 (capacity ratio)
・ Cell Coin Cell Ni 2032 type ・ Potential sweep range 2.5-6.0V (vs Li / Li +)

その結果、図23に示すように、どちらの充電方法においても放電容量はほぼ一緒であり、6Vにおける充電でも、充分実用に耐ええることが分かった。   As a result, as shown in FIG. 23, it was found that the discharge capacities are almost the same in both charging methods, and even charging at 6V can sufficiently withstand practical use.

この発明は、上記発明の実施形態の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。   The present invention is not limited to the description of the embodiment of the invention. Various modifications may be included in the present invention as long as those skilled in the art can easily conceive without departing from the description of the scope of claims.

Claims (1)

正極活物質を含む正極と、負極活物質を含む負極とが、有機溶媒にリチウム塩が溶解している電解液に接触しているリチウムイオン電池において、
前記正極活物質はLi1−xCoO、Li1−xNiO、Li1−xMn4、2-1-3系マンガン酸リチウム、及びこれらの複合化物、並びにLi1-xFePO、Li1-xMnPO、Li2-yFePOF、Li2-yMnPOF)(ただし前記xは0以上1以下の数であり、前記yは0以上2以下の数であり、前記Co、Ni、Mn及びFeの一部をLiを含む他の金属原子でドープしたものも含む)及びこれらの複合化物のいずれかであり、
前記電解液の前記有機溶媒には、鎖式飽和炭化水素化合物の両末端にニトリル基が結合した鎖式飽和炭化水素ジニトリル化合物、鎖式エーテル化合物の末端の少なくとも一つにニトリル基が結合した鎖式エーテルニトリル化合物及びシアノ酢酸エステルのうち少なくとも一つのニトリル化合物と、環状炭酸エステル、環状カルボン酸エステル及び鎖状炭酸エステルのうち少なくとも一つと、が含まれていることを特徴とするリチウムイオン電池。
In a lithium ion battery in which a positive electrode including a positive electrode active material and a negative electrode including a negative electrode active material are in contact with an electrolyte solution in which a lithium salt is dissolved in an organic solvent,
The positive electrode active material is Li 1-x CoO 2 , Li 1-x NiO 2 , Li 1-x Mn 2 O 4, 2-1-3 lithium manganate, and a composite thereof, and Li 1-x FePO. 4 , Li 1-x MnPO 4 , Li 2-y FePO 4 F, Li 2-y MnPO 4 F) (wherein x is a number from 0 to 1 and y is a number from 0 to 2) , Including a part of the Co, Ni, Mn and Fe doped with other metal atoms including Li) and a composite thereof.
The organic solvent of the electrolytic solution has a chain saturated hydrocarbon dinitrile compound in which a nitrile group is bonded to both ends of the chain saturated hydrocarbon compound, and a chain in which a nitrile group is bonded to at least one end of the chain ether compound. A lithium ion battery comprising at least one nitrile compound of the formula ether nitrile compound and cyanoacetate and at least one of cyclic carbonate, cyclic carboxylic acid ester and chain carbonate.
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