JP2013229307A - 非水電解質溶液およびリチウムイオン二次電池 - Google Patents

非水電解質溶液およびリチウムイオン二次電池 Download PDF

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Abstract


【課題】 優れた初回の放電容量を有し、かつ、低温温度領域で実効的に充放電可能なリチウムイオン二次電池を提供する。
【解決手段】 本発明にかかるリチウムイオン二次電池は、負極と、正極と、非水電解質溶液を有し、その非水電解質溶液は、環状カーボネート及び鎖状カーボネートを含み、更にグリコールサルフェート誘導体と、フルオロエチレンカーボネートとを含有する。
【選択図】 図1

Description

本発明は、非水電解質溶液、及びそれを用いたリチウムイオン二次電池に関する。
リチウムイオン二次電池はニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池と比べ、軽量、高容量であるため、携帯電子機器用電源として広く応用されている。またハイブリッド自動車や、電気自動車用に搭載される電源として有力な候補ともなっている。しかしながら、近年の携帯電子機器の小型化、高機能化に伴い、これらの電源となるリチウムイオン二次電池への更なる高容量化が期待されている。リチウムイオン二次電池は、主として、正極、負極、セパレータ、非水電解質溶液から構成されており、各電池特性の更なる向上のための様々な検討がなされている。
例えば、非水電解質溶液の非水溶媒としては、融点が比較的低く、導電率が比較的高く、電位窓(電気化学窓)が比較的広く、かつ、電解質を溶解したときに低温においても高いイオン伝導性を得ることが可能なものが好ましく、この観点からプロピレンカーボネートが好ましく使用されている。しかし、高結晶化した黒鉛などの炭素材料を構成材料として使用した負極を備える場合には、特に充電時において陰極(放電時において負極として機能する電極をいう。)でのプロピレンカーボネートの分解が進行する問題があった。
プロピレンカーボネートの分解が進行するとガスが発生し、これに伴って負極の炭素材料の剥がれや分解等が起こり、使用中に容量や充放電サイクル特性等の電池特性が徐々に低下する問題が起こる。また、プロピレンカーボネートの分解が進行すると分解生成物が負極に堆積し、この堆積物の影響により上述の電池特性の低下がさらに進行すると考えられる。
そこで、非水溶媒としてプロピレンカーボネートを含有する非水電解質溶液へ1,3−プロパンスルトン、又は、1,4−ブタンスルトンを添加することにより、上記のプロピレンカーボネートの分解反応の進行を抑制することを意図した電池が提案されている(例えば、特許文献1及び特許文献2参照)。
特開2000−3724号公報 特開2000−3725号公報
しかしながら、上述した特許文献1及び2に記載された従来のリチウムイオン二次電池においては、特に黒鉛化度の高い炭素材料を負極として使用した場合、プロピレンカーボネートの分解を抑制することで、リチウムイオン二次電池として十分な初回の放電容量が得られる反面、温度特性、特に低温における放電時に十分な容量を得ることができず、二次電池として必要な様々な諸特性を同時に満たすことはできなかった。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、優れた初回の放電容量を有するとともに、低温でも十分な放電容量が得られるバランスの良い電池特性を有するリチウムイオン二次電池を提供することを目的とする。
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、非水電解質溶液の非水溶媒として特定の化合物を含有させると共に、この溶液に特定の環状カーボネート及びグリコールサルフェート誘導体を含有させることが上記目的を達成するために極めて有効であることを見出し、本発明に到達した。
本発明にかかる非水電解質溶液は、環状カーボネート及び鎖状カーボネートを含み、下記一般式(I)で表されるグリコールサルフェート誘導体と、フルオロエチレンカーボネートと、を含有することを特徴とする非水電解質溶液である。これにより、優れた初回の放電容量とともに、低温においても十分な放電容量が得られるリチウムイオン二次電池を得ることができる。
Figure 2013229307
〔式(I)中、R及びRは、それぞれ独立に水素原子及び炭素数1〜5の炭化水素基からなる群より選ばれる少なくとも一種を表す。〕
また、本発明にかかる非水電解質溶液におけるグリコールサルフェート誘導体は、1,3,2−ジオキサチオラン−2,2−ジオキシド、4−メチル−1,3,2−ジオキサチオラン−2,2−ジオキシド、4−エチル−1,3,2−ジオキサチオラン−2,2−ジオキシドのうちのいずれかであることが望ましい。これにより、優れた初回の放電容量とともに低温においてもより十分な放電容量が得られる傾向にある。
さらに、本発明にかかる非水電解質溶液は、上記のグリコールサルフェート誘導体を、0.5重量%以上10重量%以下含み、フルオロエチレンカーボネートを、0.1重量%以上10重量%以下含むことが望ましい。これにより、さらに優れた初回の放電容量とともに低温においてもより十分な放電容量が得られる傾向にある。
本発明にかかるリチウムイオン二次電池は、正極と、負極と、セパレータと、非水電解質溶液と、を少なくとも有し、非水電解質溶液は、環状カーボネート及び鎖状カーボネートを含み、更に下記一般式(I)で表されるグリコールサルフェート誘導体と、フルオロエチレンカーボネートと、を含有することを特徴とするリチウムイオン二次電池である。これにより、優れた初回の放電容量とともに、低温においてもより十分な放電容量を備えたリチウムイオン二次電池を得ることができる。
Figure 2013229307
〔式(I)中、R及びRは、それぞれ独立に水素原子及び炭素数1〜5の炭化水素基からなる群より選ばれる少なくとも一種を表す。〕
また、本発明にかかるリチウムイオン二次電池は、非水電解質溶液中のグリコールサルフェート誘導体として、1,3,2−ジオキサチオラン−2,2−ジオキシド、4−メチル−1,3,2−ジオキサチオラン−2,2−ジオキシド、4−エチル−1,3,2−ジオキサチオラン−2,2−ジオキシドのうちのいずれかを含むことが望ましい。これにより、優れた初回の放電容量とともに低温においてもより十分な放電容量が得られる傾向にある。
さらに、本発明にかかるリチウムイオン二次電池は、非水電解質溶液としてグリコールサルフェート誘導体を0.5重量%以上10重量%以下含み、フルオロエチレンカーボネートを、0.1重量%以上10重量%以下含むことが望ましい。これにより、さらに優れた初回の放電容量とともに低温においてもより十分な放電容量を得ることができる。
本発明の非水電解質溶液とそれを用いたリチウムイオン二次電池は、特定の環状カーボネート及びグリコールサルフェート誘導体を含有することによって、優れた初回の放電容量とともに低温においてもより十分な放電容量が得られる利点がある。
本実施形態のリチウムイオン二次電池を示す断面模式図である。
以下に添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。ただし、本発明にかかる非水電解質溶液及びそれを用いたリチウムイオン二次電池は、以下の実施形態に限定されるものではない。なお、図面の寸法比率は図示の比率に限られるものではない。
(リチウムイオン二次電池)
図1に、本実施形態のリチウムイオン二次電池10を模式的に示す。図1のリチウムイオン二次電池10は、リチウムイオンを吸蔵・放出する材料(正極活物質,負極活物質)を含む正極20及び負極30と、正極と負極との間にあって本発明に係る非水電解質溶液が保持されたセパレータ40から構成されている。その正極20は、正極集電体22の両面に正極活物質層21を備えて構成されており、負極30は、負極集電体32の両面に負極活物質層31を備えて構成されている。
(負極)
負極30は、負極集電体32の両面に負極活物質層31を備えて構成されている。さらに負極活物質層31は、負極活物質材料と、導電助剤と、結着剤とを含む塗料を負極集電体32に塗布することによって形成されている。
負極活物質材料は、天然黒鉛、人造黒鉛(難黒鉛化炭素、易黒鉛化炭素、低温度焼成炭素等)等の炭素材料の中から選れる少なくとも1種を含んでいる。炭素材料の層間距離d002が0.335〜0.338nmであり、かつ、炭素材料の結晶子の大きさLc002が30〜120nmであるものがより好ましい。このような条件を満たす炭素材料としては、人造黒鉛、MCF(メソカーボンファイバ)等が挙げられる。なお、前記層間距離d002及び結晶子の大きさLc002は、X線回折法により求めることができる。その他、例えば、Al、Si、Sn等のリチウムと化合物を形成することのできる金属、SiO、SnO等の酸化物を主体とする非晶質の化合物、チタン酸リチウム(LiTi12)など公知の負極活物質を用いても良く、上述した材料同士を互いに混合させて使用してもよい。
導電助剤は特に限定されず、公知の導電助剤を使用できる。例えば、カーボンブラック類、炭素材料、銅、ニッケル、ステンレス、鉄等の金属微粉、炭素材料及び金属微粉の混合物、ITOのような導電性酸化物が挙げられる。
導電助剤は特に限定されず、公知の導電助剤を使用できる。例えば、カーボンブラックのような熱分解炭素、コークス類、ガラス状炭素類、有機高分子化合物焼成材料、炭素繊維、あるいは活性炭などの炭素材が挙げられる。また、難黒鉛化性炭素、易黒鉛化性炭素、黒鉛などの負極活物質材料を、形状を変えて添加してもよい。
カーボンブラックとしては、特に、アセチレンブラック、ケッチェンブラック等が好ましく、ケッチェンブラックが特に好ましい。電子伝導性の多孔体を含有させることにより負極活物質材料の粒子と結着剤の界面に空孔を形成でき、その空孔により負極活物質層への非水電解質溶液の染み込みを容易にするので好ましい。
結着剤は、上記の負極活物質の粒子と導電助剤の粒子とを結着可能なものであれば特に限定されない。例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)、ポリクロロトリフルオロエチレン(PCTFE)、エチレン−クロロトリフルオロエチレン共重合体(ECTFE)、ポリフッ化ビニル(PVF)等のフッ素樹脂が挙げられる。また、この結着剤は、上記の負極活物質材料の粒子と導電助剤の粒子との結着のみならず、負極集電体への結着に対しても寄与している。
負極集電体は、リチウムイオン二次電池用の集電体に使用されている各種公知の金属箔を用いることができる。具体的には、負極集電体32としては銅箔が好ましく用いることができる。
(正極)
正極20は、正極集電体22の両面に正極活物質層21を備えて構成されている。さらに正極活物質層32は、正極活物質材料と、導電助剤と、結着剤とを含む塗料を正極集電体に塗布することによって形成されている。
正極活物質材料は、リチウムイオンの吸蔵及び放出、リチウムイオンの脱離及び挿入(インターカレーション)、又は、リチウムイオンと該リチウムイオンのカウンターアニオン(例えば、ClO4−)とのドープ及び脱ドープを可逆的に進行させることが可能であれば特に限定されず、公知の電極活物質を使用できる。例えば、コバルト酸リチウム(LiCoO)、ニッケル酸リチウム(LiNiO)、リチウムマンガンスピネル(LiMn)、及び、一般式:LiNiCoMn(x+y+z=1)で表される複合金属酸化物、リチウムバナジウム化合物(LiV5、LiVPO、LiV(PO、LiVOPO)、オリビン型LiMPO(ただし、Mは、Co、Ni、Mn、FeまたはVを示す)、チタン酸リチウム(LiTi12)等の複合金属酸化物が挙げられる。
更に、正極活物質材料以外の各構成要素(導電助剤、結着剤)は、負極で使用されるものと同様の物質を使用することができる。したがって、正極に含まれる結着剤も、上記の正極活物質材料の粒子と導電助剤の粒子との結着のみならず、正極集電体への結着に対しても寄与している。
正極集電体は、リチウムイオン二次電池用の集電体に使用されている各種公知の金属箔を用いることができる。具体的には、正極集電体22としてはアルミニウム箔が好ましく用いることができる。
(セパレータ)
セパレータは絶縁性の多孔体から形成されていれば、材料、製法等は特に限定されず、公知のリチウムイオン二次電池に用いられているセパレータを使用することができる。例えば、絶縁性の多孔体としては、公知のポリオレフィン樹脂、具体的にはポリエチレン、ポリプロピレン、1−ブテン、4−メチル−1−ペンテン、1−ヘキセンなどを重合した結晶性の単独重合体または共重合体が挙げられる。これらの単独重合体または共重合体は、1種を単独で使用することができるが、2種以上のものを混合して用いてもよい。また、単層であっても複層であってもよい。
(非水電解質溶液)
非水電解質溶液は、非水溶媒として、環状カーボネート及び鎖状カーボネートを含んでいる。環状カーボネートは、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネートなどを用いることができ、2種以上を混合して使用しても良い。
また、鎖状カーボネートとしては、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジメチルカーボネートなどを用いることができ、2種以上を混合して使用しても良い。その他、酢酸メチル、酢酸エチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、γ−ブチロラクトン、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキシエタンなどを混合して使用してもよい。
非水溶媒中の環状カーボネートと鎖状カーボネートの割合は体積にして3:7〜1:1にすることが好ましい。
非水溶媒には電解質として、種々の溶質を用いることができる。LiClO、LiBF、LiAsF、LiCFSO、LiCFCFSO、LiC(CFSO、LiN(CFSO、LiN(CFCFSO、LiN(CFSO)(CSO)、LiN(CFCFCO)、LiPFなどが挙げられ、これらの溶質を混合して用いてもよい。
これらの中でも導電性の観点から、特にLiPFを含むことが好ましい。LiPFを非水溶媒に溶解する際は、非水電解質溶液中の溶質の濃度を、0.5〜2.0M(モル/リットル)に調整することが好ましい。溶質の濃度が0.5M未満の場合、非水電解質溶液の導電性を充分に確保することが困難になる可能性があり、充放電時に十分な容量が得られない可能性がある。一方で溶質の濃度が2.0Mを超える場合は、非水電解質溶液の粘度が上昇し、リチウムイオンの移動度が低下する傾向にあるため、前述と同様に充放電時に十分な容量が得られない可能性がある。
非水電解質溶液は、更に下記一般式(I)で表されるグリコールサルフェート誘導体とフルオロエチレンカーボネートとが添加されている。
Figure 2013229307
〔式(I)中、R及びRは、それぞれ独立に水素原子及び炭素数1〜5の炭化水素基からなる群より選ばれる少なくとも一種を表す。〕
グリコールサルフェート誘導体としては、例えば、1,3,2−ジオキサチオラン−2,2−ジオキシド、4−メチル−1,3,2−ジオキサチオラン−2,2−ジオキシド、4−エチル−1,3,2−ジオキサチオラン−2,2−ジオキシドを用いることが好ましい。
また、これらの非水電解質溶液中での含有量は、非水電解質溶液全体を100重量%として0.5〜10重量%含まれていることが好ましい。さらに好ましくは、1〜7重量%であり、特に好ましくは1〜4重量%含まれていることである。
また、フルオロエチレンカーボネートの含有量は、同じく非水電解質溶液全体を100重量%として0.1〜10重量%含まれていることが好ましい。さらに好ましくは、0.5〜5重量%であり、特に好ましくは1〜3重量%含まれていることである。
このように、上述した構成にて作製した正極と負極は、セパレータを介して積層又は巻回され、リチウムイオン二次電池10の電池要素として、図1上図示しない外装体の中に挿入される。
正極、負極、セパレータを積層した上記電池要素を封入する外装体は、特に制限はなく、アルミニウムやステンレス製の缶、アルミニウムラミネート製の外装袋を適宜選択することができる。
なお、通常はこの外装体の中に電池要素を挿入した後、本発明にかかる特徴的な非水電解質溶液を注液し、該非水電解質溶液はセパレータ内に保持される。この後、外装体を真空密封しリチウムイオン二次電池10を得る。
以下、実施例及び比較例を挙げて本実施形態について更に詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されない。
(実施例1)
以下に示す手順により図1に示したリチウムイオン二次電池1と同様の構成を有する実施例1〜43、比較例1〜4のリチウムイオン二次電池を5個ずつ作製した。
先ず、負極を作製した。負極の作製においては、先ず、負極活物質として人造黒鉛(90質量部)、導電助剤としてカーボンブラック(2質量部)、結着剤としてポリフッ化ビニリデン(以下、PVDFという。)(8質量部)を混合し、溶剤のN−メチル−2−ピロリドン(以下、NMPという。)中に分散させ、スラリーを得た。得られたスラリーをドクターブレード法により集電体である電解銅箔に塗布し、110℃で乾燥させた。乾燥後に圧延を行い、負極を得た。
次に、正極を作製した。正極の作製においても、先ず、正極活物質としてLiNi(x=1/3)Co(y=1/3)Mn(z=1/3)(90質量部)、導電助剤としてカーボンブラック(6質量部)、結着剤としてPVDF(4質量部)を混合し、NMP中に分散させ、スラリーを得た。得られたスラリーを集電体であるアルミニウム箔に塗布して乾燥させ、圧延を行い、正極を得た。
次に、非水電解質溶液を調製した。エチレンカーボネート、ジエチルカーボネートを体積比3:7で混合した溶液中に、LiPFを1.0mol dm−3の割合で添加し作製した。更に、この溶液に対し、化合物Aとして1,3,2−ジオキサチオラン−2,2−ジオキサイド(以下、場合によりDTDという。)を0.2重量%、化合物Bとしてフルオロエチレンカーボネート(以下、場合によりFECという)を1重量%添加して非水電解質溶液を得た。
得られた負極及び正極の間にポリエチレンからなるセパレータを挟んで積層し積層体(電池要素)を得た。得られた積層体をアルミラミネートパックに入れ、このアルミラミネートパックに非水電解質溶液を注入した後に真空シールし、リチウムイオン二次電池(縦:60mm、横:85mm、厚さ:3mm)を作製した。
なお、アルミラミネートパックは、非水電解質溶液に接触する側の面から合成樹脂製の層(変性ポリプロピレンからなる層)、アルミニウム箔からなる金属層、ポリアミドからなる層がこの順で順次積層された積層体フィルムを使用した。そして、この積層体フィルムを2枚重ね合せてその縁部を熱圧着することでアルミラミネートパックを作製した。
(実施例2〜43及び比較例1〜4)
非水電解質溶液に添加する化合物Aの種類及び添加量、化合物B(FEC)の添加量を表1に示すように変えた以外は、実施例1と同様にして実施例2〜43及び比較例1〜4のリチウムイオン二次電池を5個ずつ作製した。なお、表1中、MDTDは、4−メチル−1,3,2−ジオキサチオラン−2,2−ジオキサイドを、EDTDは、4−エチル−1,3,2−ジオキサチオラン−2,2−ジオキサイドを示す。
得られた実施例1〜43及び比較例1〜4のリチウムイオン二次電池を用いて、各電池特性を評価した。表1に示す電池特性の値は、リチウムイオン二次電池5個の平均値とした。
(放電容量評価試験)
リチウムイオン二次電池作製後、恒温槽にて25℃に設定された環境下で初回の充電を行い、10分間休止後に放電を行った。その際の初回放電容量を評価した。なお、充電は30mAで4.2Vまで定電流定電圧充電を行い、放電は30mAで2.5Vまで定電流放電を行った。上記初回放電時における初回放電容量(mAh)は表1中、電池容量として示すが、表から明らかな通り、実施例はいずれも電池容量が実用的に十分なものであることが確認できた。
(低温充放電評価特性)
低温温度域における放電特性を評価するため、初回放電容量の評価と同様に、リチウムイオン二次電池作製後、該電池を入れた恒温槽の設定温度を−10℃に変更し、2時間経過後、30mAで4.2Vまで定電流定電圧充電を行い、10分間休止後に30mAで2.5Vまで定電流放電を行った。その−10℃における放電容量(mAh)は、表1中、−10℃容量として示す。
Figure 2013229307
以上の表1に示すとおり、化合物AとしてDTD、またはその他のグリコールサルフェート誘導体と、化合物BとしてFECを含むことにより、優れた電池容量と、−10℃という低温においても十分な容量を得ることができる。また、化合物Aを0.5重量%以上10重量%以下含み、化合物Bを0.1重量%以上10重量%以下含む非水電解質溶液のとき、更に優れた電池特性が得られることがわかった。
以上説明したように、本発明によれば、優れた初回の放電容量を有し、かつ、低温温度領域においても十分動作するリチウムイオン二次電池を提供することができる。
10 リチウムイオン二次電池
20 正極
21 正極活物質層
22 正極集電体
30 負極
31 負極集電体
32 負極活物質層
40 セパレータ

Claims (6)

  1. 環状カーボネート及び鎖状カーボネートを含み、
    下記一般式(I)で表されるグリコールサルフェート誘導体と、フルオロエチレンカーボネートと、を含有することを特徴とする非水電解質溶液。
    Figure 2013229307
    〔式(I)中、R及びRは、それぞれ独立に水素原子及び炭素数1〜5の炭化水素基からなる群より選ばれる少なくとも一種を表す。〕
  2. 前記グリコールサルフェート誘導体は、1,3,2−ジオキサチオラン−2,2−ジオキシド、4−メチル−1,3,2−ジオキサチオラン−2,2−ジオキシド、4−エチル−1,3,2−ジオキサチオラン−2,2−ジオキシド、のうちのいずれかであることを特徴とする請求項1に記載の非水電解質溶液。
  3. 前記グリコールサルフェート誘導体を、0.5重量%以上10重量%以下含み、フルオロエチレンカーボネートを、0.1重量%以上10重量%以下含むことを特徴とする請求項1または2のいずれか一項に記載の非水電解質溶液。
  4. 正極と、負極と、セパレータと、非水電解質溶液と、を少なくとも有し、
    前記非水電解質溶液は、溶媒に環状カーボネート及び鎖状カーボネートを含み、
    前記非水電解質溶液は、更に下記一般式(I)で表されるグリコールサルフェート誘導体と、フルオロエチレンカーボネートと、を含有することを特徴とするリチウムイオン二次電池。
    Figure 2013229307
    〔式(I)中、R及びRは、それぞれ独立に水素原子及び炭素数1〜5の炭化水素基からなる群より選ばれる少なくとも一種を表す。〕
  5. 前記グリコールサルフェート誘導体は、1,3,2−ジオキサチオラン−2,2−ジオキシド、4−メチル−1,3,2−ジオキサチオラン−2,2−ジオキシド、4−エチル−1,3,2−ジオキサチオラン−2,2−ジオキシド、のうちのいずれかであることを特徴とする請求項4に記載のリチウムイオン二次電池。
  6. 前記非水電解質溶液は、前記グリコールサルフェート誘導体を、0.5重量%以上10重量%以下含み、フルオロエチレンカーボネートを、0.1重量%以上10重量%以下含むことを特徴とする請求項4または5のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池。




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