JP2013232417A - リチウム二次電池用電解液およびリチウム二次電池 - Google Patents

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Abstract

【課題】リチウム二次電池用電解液およびこれを含むリチウム二次電池を提供する。
【解決手段】リチウム塩と、非水性有機溶媒と、第1添加剤と、第2添加剤と、を含むリチウム二次電池用電解液であって、前記第1添加剤は、オキサラトボレート系化合物およびオキサラトホスフェート系化合物であり、前記第2添加剤は、トリス(トリアルキルシリル)ボレート系化合物である。
【選択図】図3

Description

本発明は、リチウム二次電池用電解液およびリチウム二次電池に関する。
近年、電池などのエネルギーを貯蔵する技術への関心がますます高まっている。例えば、携帯電話、ビデオカメラおよびノートパソコンなどの携帯機器の電源として、さらには電気自動車の電源として、増々、電池の適用分野が広がっている。係る電源として使用される電池は、より高いエネルギー密度を有することが強く求められている。
例えば、リチウム二次電池は、上記の高エネルギー密度化の要求を最もよく充足することができる電池として、現在、研究が活発に進められている。リチウム二次電池は、リチウムをインターカレーション(intercalation)およびデインターカレーション(deintercalation)することができる正極活物質を含む正極と、リチウムをインターカレーションおよびデインターカレーションすることができる負極活物質を含む負極と、を含む電池組立体に電解液を注入して使用される。
リチウム二次電池の初期充電時に、リチウム遷移金属酸化物などの正極活物質から放出されたリチウムイオンは、負極活物質に移動して負極活物質の層間に挿入される。この時、リチウムは反応性が高いため、リチウム塩が負極活物質の表面で電解液と反応して、いわゆるSEI(solid electrolyte interface)膜を形成する。
SEI膜は、イオントンネルの役割を果たす膜であり、リチウムイオンのみを通過させる。SEI膜は、係るイオントンネルによる効果として、電解液中でリチウムイオンと共に移動する分子量が大きい有機溶媒分子が負極活物質の層間に挿入されて負極構造が破壊されることを防止する。したがって、SEI膜により電解液と負極活物質との接触が防止されることによって、電解液の分解が防止され、電解液中のリチウムイオンの量を可逆的に維持することができる。したがって、リチウム二次電池は、SEI膜により安定した充放電特性を有することができるようになる。
安定したSEI膜の形成と、リチウム二次電池の充放電率(C−rate)および寿命とは密接に関連する。特に自動車のISG(Idle Stop and Go)システム(いわゆるアイドリングストップシステム)用電池、またはハイブリッド(hybrid)車用電池は、高い充放電率(C−rate)、安定した寿命特性および低温での安定性が要求されるため、安定したSEI膜の形成がより重要である。
しかし、安定した寿命特性および低温での安定性を有するリチウム二次電池を実現することは困難であるという問題があった。
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、リチウム二次電池の充放電率、寿命特性および低温での安定性を改善することが可能な、新規かつ改良されたリチウム二次電池用電解液、およびリチウム二次電池を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、リチウム塩と、非水性有機溶媒と、下記化学式1で表される第1添加剤と、下記化学式2で表される第2添加剤と、を含むリチウム二次電池用電解液が提供される。
Figure 2013232417
・・・化学式1
前記化学式1中、
Aは、ホウ素(B)またはリン(P)であり、
Xは、ハロゲン元素であり、
nは、0〜2の整数であり、
mは、1〜3の整数であり、
Aがホウ素(B)である場合、n+m=2を満たし、
Aがリン(P)である場合、n+m=3を満たす。
Figure 2013232417
・・・化学式2
前記化学式2中、
〜Rは、それぞれ独立して、水素、置換または非置換のC1〜C10アルキル基である。
前記第1添加剤は、下記化学式1a〜1eで表される化合物のうちの少なくとも一つを含んでもよい。
Figure 2013232417
・・・化学式1a
Figure 2013232417
・・・化学式1b
Figure 2013232417
・・・化学式1c
Figure 2013232417
・・・化学式1d
Figure 2013232417
・・・化学式1e
前記第1添加剤および前記第2添加剤の少なくとも一方は、前記電解液の総含量に対してそれぞれ約0.1〜5質量%含まれてもよい。
前記第1添加剤は、前記電解液の総含量に対して約0.5〜1.5質量%含まれてもよい。
前記第2添加剤は、前記電解液の総含量に対して約0.1〜1質量%含まれてもよい。
前記第1添加剤は、下記化学式1dで表される化合物を含むことができ、前記第2添加剤は、下記化学式2aで表される化合物を含んでもよい。
Figure 2013232417
・・・[化学式1d]
Figure 2013232417
・・・[化学式2a]
前記非水性有機溶媒は、エチレンカーボネート(EC)、エチルメチルカーボネート(EMC)およびジメチルカーボネート(DMC)を含み、前記エチレンカーボネート(EC)は、前記非水性有機溶媒の総含量に対して約30質量%以上含まれてもよい。
また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、正極活物質層を含む正極と、負極活物質層を含む負極と、前記電解液と、を含むリチウム二次電池が提供される。
前記正極活物質層は、リチウム金属酸化物および活性炭を含んでもよい。
前記活性炭は、前記リチウム金属酸化物と前記活性炭の総含量に対して約0.01〜20質量%含まれてもよい。
前記負極活物質層は、ソフトカーボンを含んでもよい。
前記第1添加剤および前記第2添加剤は、前記正極および前記負極が含湿する前記電解液のうちの少なくとも一つに約0.005〜2Mの含量で含まれてもよい。
前記リチウム二次電池は、前記負極の表面に形成されたSEI膜をさらに含んでもよい。
以上説明したように本発明によれば、充放電率(C−rate)、安定した寿命特性および低温での安定性を改善したリチウム二次電池用電解液、およびリチウム二次電池が提供される。
本発明の一実施形態によるリチウム二次電池の分解斜視図である。 実施例2によるリチウム二次電池において、10回充放電後の正極に残っている電解液の成分をNMRで分析したグラフである。 実施例2によるリチウム二次電池において10回充放電後の正極に残っている電解液の成分をNMRで分析したグラフである。 実施例2、および比較例2によるリチウム二次電池の寿命特性を示すグラフである。 実施例2、比較例1および2によるリチウム二次電池の低温特性を示すグラフである。
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。なお、以下では本発明の実施形態について、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に実施することができるように詳しく説明を行うが、本発明は、以下で説明する実施形態に限定されず、多様な異なる形態で実現することが可能である。
本明細書において「置換」という用語は、別途の定義がない限り、化合物中の水素原子がハロゲン原子(F、Br、ClまたはI)、ヒドロキシ基、アルコキシ基、ニトロ基、シアノ基、アミノ基、アジド基、アミジノ基、ヒドラジノ基、ヒドラゾノ基、カルボニル基、カルバミル基、チオール基、エステル基、カルボキシル基やその塩、スルホン酸基やその塩、リン酸やその塩、C1〜C20アルキル基、C2〜C20アルケニル基、C2〜C20アルキニル基、C6〜C30アリール基、C7〜C30アリールアルキル基、C1〜C4アルコキシ基、C1〜C20ヘテロアルキル基、C3〜C20ヘテロアリールアルキル基、C3〜C30シクロアルキル基、C3〜C15シクロアルケニル基、C6〜C15シクロアルキニル基、C2〜C20ヘテロシクロアルキル基、およびこれらの組み合わせから選択された置換基で置換されたものを意味する。
また、本明細書において「ヘテロ」という用語は、別途の定義がない限り、N、O、SおよびPから選択されたヘテロ原子を1〜3個含有したものを意味する。
本発明の一実施形態によるリチウム二次電池用電解液は、例えば、リチウム塩、非水性有機溶媒および添加剤を含む。
前記リチウム塩は、非水性有機溶媒に溶解されて電池内でリチウムイオンの供給源として作用する。前記リチウム塩は、リチウム二次電池の基本的な動作を可能にし、正極と負極との間のリチウムイオンの移動を促進させる役割を果たす物質である。
前記リチウム塩の例としては、LiPF、LiBF、LiSbF、LiAsF、LiCSO、LiClO、LiAlO、LiAlCl、LiN(C2x+1SO)(C2y+1SO)(ここで、xおよびyは、自然数である)、LiCl、LiIまたはこれらの混合物が挙げられるが、本発明は、これらに限定されるものではない。
前記リチウム塩は、0.1〜2.0Mの濃度範囲内で使用されることが好ましい。リチウム塩の濃度が前記範囲で含まれる場合、電解質は適切な伝導度および粘度を有するため、優れた電解質性能を示し、リチウムイオンを効果的に移動させることができる。
前記非水性有機溶媒は、電池の電気化学的反応に関与するイオンが移動することを可能にする媒質の役割を果たす。
前記非水性有機溶媒としては、例えば、カーボネート系、エステル系、エーテル系、ケトン系、アルコール系、または非プロトン性溶媒を使用することができる。
前記カーボネート系溶媒としては、例えば、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、ジプロピルカーボネート(DPC)、メチルプロピルカーボネート(MPC)、エチルプロピルカーボネート(EPC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ブチレンカーボネート(BC)などを使用することができる。
例えば、前記カーボネート系溶媒は、エチレンカーボネート(EC)、エチルメチルカーボネート(EMC)およびジメチルカーボネート(DMC)を組み合わせて使用することができる。係る場合、エチレンカーボネート(EC)は、前記非水性有機溶媒の総含量に対して約30質量%以上含まれてもよく、好ましくは約30〜90質量%含まれてもよい。エチレンカーボネート(EC)が前述の範囲に含まれることによって、電解液の誘電率が上昇し、イオン伝導度を改善することができる。
前記非水性有機溶媒は、前記カーボネート系溶媒と共に、例えば、エステル系、エーテル系、ケトン系、アルコール系、または非プロトン性溶媒を含むことができる。
前記エステル系溶媒としては、例えば、メチルアセテート、エチルアセテート、n−プロピルアセテート、ジメチルアセテート、メチルプロピオネート、エチルプロピオネート、γ−ブチロラクトン、デカノライド(decanolide)、γ−バレロラクトン、メバロノラクトン(mevalonolactone)、カプロラクトン(caprolactone)などを使用することができる。
前記エーテル系溶媒としては、例えば、ジブチルエーテル、テトラグライム、ジグライム、ジメトキシエタン、2−メチルテトラヒドロフラン、テトラヒドロフランなどを使用することができる。また、前記ケトン系溶媒としては、例えば、シクロヘキサノンなどを使用することができる。
また、前記アルコール系溶媒としては、例えば、エチルアルコール、イソプロピルアルコールなどを使用することができる。また、前記非プロトン性溶媒としては、例えば、R−CN(ここで、Rは、C2〜C20直鎖状、分枝状、または環状構造の炭化水素基であり、二重結合芳香環またはエーテル結合を含むことができる)などのニトリル類、ジメチルホルムアミドまたはジメチルアセトアミドなどのアミド類、1,3−ジオキソランなどのジオキソラン類、スルホラン(sulfolane)類などを使用することができる。
前記非水性有機溶媒は、単独で、または一つ以上の溶媒を混合して使用することができる。一つ以上の溶媒を混合して使用する場合の混合比率は、目的とする電池性能に応じて適切に調節することができる。係る調節については、当該分野に務める者に広く理解された事項である。
また、前記カーボネート系溶媒の場合、環状(cyclic)カーボネートと鎖状(chain)カーボネートを混合して使用することが好ましい。係る場合、環状カーボネートと鎖状カーボネートは、約1:1〜約1:9の体積比で混合して使用することにより、電解液の性能を向上させることができる。
本発明の非水性有機溶媒は、前記カーボネート系溶媒に加えて、芳香族炭化水素系有機溶媒をさらに含むことも可能である。係る場合、前記カーボネート系溶媒と芳香族炭化水素系有機溶媒は、約1:1〜約30:1の体積比に混合されてもよい。
前記芳香族炭化水素系有機溶媒の具体的な例としては、例えば、ベンゼン、フルオロベンゼン、1,2−ジフルオロベンゼン、1,3−ジフルオロベンゼン、1,4−ジフルオロベンゼン、1,2,3−トリフルオロベンゼン、1,2,4−トリフルオロベンゼン、クロロベンゼン、1,2−ジクロロベンゼン、1,3−ジクロロベンゼン、1,4−ジクロロベンゼン、1,2,3−トリクロロベンゼン、1,2,4−トリクロロベンゼン、ヨードベンゼン、1,2−ジヨードベンゼン、1,3−ジヨードベンゼン、1,4−ジヨードベンゼン、1,2,3−トリヨードベンゼン、1,2,4−トリヨードベンゼン、トルエン、フルオロトルエン、2,3−ジフルオロトルエン、2,4−ジフルオロトルエン、2,5−ジフルオロトルエン、2,3,4−トリフルオロトルエン、2,3,5−トリフルオロトルエン、クロロトルエン、2,3−ジクロロトルエン、2,4−ジクロロトルエン、2,5−ジクロロトルエン、2,3,4−トリクロロトルエン、2,3,5−トリクロロトルエン、ヨードトルエン、2,3−ジヨードトルエン、2,4−ジヨードトルエン、2,5−ジヨードトルエン、2,3,4−トリヨードトルエン、2,3,5−トリヨードトルエン、キシレンおよびこれらの組み合わせからなる群より選択されるものが挙げられる。
前記添加剤は、下記化学式1で表される第1添加剤を含む。
Figure 2013232417
・・・[化学式1]
前記化学式1中、
Aは、ホウ素(B)またはリン(P)であり、
Xは、ハロゲン元素であり、
nは、0〜2の整数であり、
mは、1〜3の整数であり、
Aがホウ素(B)である場合、n+m=2を満たし、
Aがリン(P)である場合、n+m=3を満たす。
前記第1添加剤は、オキサラトボレート系化合物およびオキサラトホスフェート系化合物で、例えば、下記化学式1aで表されるリチウムビスオキサラトボレート(lithium bis(oxalato) borate)、下記化学式1bで表されるリチウムジフルオロ(オキサラト)ボレート(lithium difluoro(oxalato) borate)、下記化学式1cで表されるリチウムトリス(オキサラト)ホスフェート(lithium tris(oxalato) phosphate)、下記化学式1dで表されるリチウムジフルオロビス(オキサラト)ホスフェート(lithium difluoro bis(oxalato) phosphate)および下記化学式1eで表されるリチウムテトラフルオロオキサラトホスフェート(lithium tetrafluoro(oxalato) phosphate)のうちの少なくとも一つを含んでもよい。
Figure 2013232417
・・・化学式1a
Figure 2013232417
・・・化学式1b
Figure 2013232417
・・・化学式1c
Figure 2013232417
・・・化学式1d
Figure 2013232417
・・・化学式1e
前記第1添加剤は、リチウム二次電池において、SEI膜形成剤として作用することができる化合物である。前記第1添加剤は、多孔性を有する無機被膜形態の薄いSEI膜を形成することができるため、前記第1添加剤により形成されたSEI膜を含むリチウム二次電池は、高い出力特性と低温特性を同時に充足することができる。
前記第1添加剤は、前記電解液の総含量に対して約0.1〜5質量%含まれてもよい。前記第1添加剤が前記範囲で含まれる場合、リチウム二次電池は、適切な空隙を有するSEI膜が形成され、かつ優れたイオン伝導度を有することができる。前記第1添加剤は、前記範囲内で、より好ましくは、約0.5〜1.5質量%含まれてもよい。
また、前記添加剤は、下記化学式2で表される第2添加剤を含む。
Figure 2013232417
・・・化学式2
前記化学式2中、R〜Rは、それぞれ独立して、水素、置換または非置換のC1〜C10アルキル基である。また、前記化学式2中、R〜Rは、それぞれ独立して、置換または非置換のC1〜C4アルキル基であってもよく、より好ましくは前記化学式2中、R〜Rは、それぞれ独立して、非置換のC1〜C2アルキル基であってもよい。例えば、前記第2添加剤は、下記化学式2aで表される化合物を含んでもよい。
Figure 2013232417
・・・化学式2a
前記第2添加剤は、前記第1添加剤によりSEI膜が形成される際に、副反応によりLiFが形成されることを抑制する役割を果たす。したがって、前記第2添加剤により、リチウム二次電池の出力特性を向上させることができる。
前記第2添加剤は、前記電解液の総含量に対して約0.1〜5質量%含まれてもよい。前記第2添加剤が前記範囲で含まれる場合、リチウム二次電池は、SEI膜の形成時に副反応を効果的に抑制し、かつ優れたイオン伝導度を有することができる。前記第2添加剤は、前記範囲内で、より好ましくは、約0.1〜1質量%含まれてもよい。
前記第1添加剤と前記第2添加剤は、前記含量条件を満たす範囲内で、約1:0.1〜1:4の質量比で含まれてもよい。
以上説明したように、前記電解液は、前記第1添加剤と前記第2添加剤を共に含むことによって安定したSEI膜を形成することができる。したがって、前記第1添加剤と前記第2添加剤を共に含む電解液を有するリチウム二次電池は、充放電率(C−rate)、寿命特性および低温特性を改善することが可能である。
本発明の実施形態によると、前記電解液を含むリチウム二次電池が提供される。
リチウム二次電池は、使用するセパレータと電解液の種類によってリチウムイオン電池、リチウムイオンポリマー電池およびリチウムポリマー電池に分類される。また、リチウム二次電池の形態によって、円筒型、角型、コイン型、パウチ型などに分類され、さらに、サイズによってバルク型と薄膜型に分類される。前述したそれぞれの電池の構造および製造方法は、当該分野に広く知られた事項であるため、ここでの詳細な説明は省略する。
図1は、本発明の一実施形態によるリチウム二次電池の分解斜視図である。
図1を参照すると、前記リチウム二次電池100は、例えば、円筒型であって、負極112と、正極114と、前記負極112と正極114との間に配置されたセパレータ113と、前記負極112、正極114およびセパレータ113に含湿された電解質(図示せず)と、電池容器120と、前記電池容器120を封入する封入部材140と、を備える。係るリチウム二次電池100は、負極112、正極114およびセパレータ113を順次積層し、スパイラル状に巻き取った状態で電池容器120に収納することで構成される。
前記負極112は、集電体および前記集電体の上に形成された負極活物質層を含む。
前記集電体としては、例えば、銅箔、ニッケル箔、ステレンス鋼箔、チタニウム箔、ニッケル発泡体(foam)、銅発泡体、伝導性金属がコーティングされたポリマー基材、またはこれらの組み合わせを使用することができる。
また、前記負極活物質層は、負極活物質、バインダー、および選択的に導電剤を含んでもよい。
前記負極活物質は、リチウムイオンを可逆的にインターカレーション/デインターカレーションすることができる物質である。前記負極活物質は、例えば、リチウム金属、リチウム金属の合金、リチウムをドープおよび脱ドープすることができる物質、または遷移金属酸化物を含んでもよい。
前記リチウムイオンを可逆的にインターカレーション/デインターカレーションすることができる物質は、例えば、炭素物質が挙げられる。本発明において、炭素物質のうちリチウムイオン二次電池で一般に使用される炭素系負極活物質であれば、如何なるものでも使用することができる。炭素物質の代表的な例としては、結晶質炭素、非晶質炭素またはこれらの組み合わせを使用することができる。また、前記結晶質炭素の例としては、無定形、板状、鱗片状(flake)、球状または繊維状の天然黒鉛または人造黒鉛のような黒鉛を挙げることができる。さらに、前記非晶質炭素の例としては、ソフトカーボン(soft carbon)またはハードカーボン(hard carbon)、メソフェーズピッチ炭化物、焼成されたコークスなどを挙げることができる。
ソフトカーボンは、黒鉛またはハードカーボンよりも出力特性が良好で、充電時間が短く、価格および安定性が高いため、特に、自動車のISG(Idle Stop and Go)システム用電池のような大容量電池に好適である。
前記リチウム金属の合金としては、リチウムと、Na、K、Rb、Cs、Fr、Be、Mg、Ca、Sr、Si、Sb、Pb、In、Zn、Ba、Ra、Ge、AlまたはSnとの合金を使用することができる。
前記リチウムをドープおよび脱ドープすることができる物質としては、例えば、Si、SiO(0<x<2)、Si−C複合体、Si−Q合金(前記Qは、アルカリ金属元素、アルカリ土類金属元素、13族〜16族元素、遷移金属元素、希土類元素またはこれらの組み合わせであり、Siではない)、Sn、SnO、Sn−C複合体、Sn−R(前記Rは、アルカリ金属元素、アルカリ土類金属元素、13族〜16族元素、遷移金属元素、希土類元素またはこれらの組み合わせであり、Snではない)などが挙げられる。前記QおよびRの具体的な元素としては、Mg、Ca、Sr、Ba、Ra、Sc、Y、Ti、Zr、Hf、Rf、V、Nb、Ta、Db、Cr、Mo、W、Sg、Tc、Re、Bh、Fe、Pb、Ru、Os、Hs、Rh、Ir、Pd、Pt、Cu、Ag、Au、Zn、Cd、B、Al、Ga、Sn、In、Tl、Ge、P、As、Sb、Bi、S、Se、Te、Poまたはこれらの組み合わせが挙げられる。
前記遷移金属酸化物としては、例えば、バナジウム酸化物、リチウムバナジウム酸化物などが挙げられる。
前記バインダーは、負極活物質粒子を互いに良好に付着させ、また負極活物質を電流集電体に良好に付着させる役割を果たす。前記バインダーの代表的な例としては、ポリビニルアルコール、カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、ポリ塩化ビニル、カルボキシル化ポリ塩化ビニル、ポリビニルフルオライド、エチレンオキシドを含むポリマー、ポリビニルピロリドン、ポリウレタン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリエチレン、ポリプロピレン、スチレン−ブタジエンゴム、アクリル化スチレン−ブタジエンラゴム、エポキシ樹脂、ナイロンなどを使用することができるが、本発明はこれらに限定されない。
前記導電剤は、電極に導電性を付与するために使用される。前記導電材は、構成される電池において、化学変化を引き起こさない電子伝導性材料であれば、如何なるものでも使用することができる。前記導電剤の例としては、例えば、天然黒鉛、人造黒鉛、カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、および炭素繊維などの炭素系物質、銅、ニッケル、アルミニウム、銀などの金属粉末または金属繊維などの金属系物質、ポリフェニレン誘導体などの導電性ポリマー、またはこれらの混合物を含む導電性材料を使用することができる。
正極114は、集電体および前記集電体の上に形成される正極活物質層を含む。
前記集電体としては、アルミニウム(Al)を使用することができる。しかし、本発明は、係る構成に限定されるものではない。
前記正極活物質層は、正極活物質、バインダー、および選択的に導電剤を含む。
前記正極活物質としては、例えば、リチウムの可逆的なインターカレーションおよびデインターカレーションが可能な化合物(リチウム化インターカレーション化合物)を使用することができる。具体的には、コバルト、マンガン、ニッケルまたはこれらの組み合わせの金属とリチウムとの複合酸化物、つまり、リチウム金属酸化物のうちの1種以上を使用することができる。前記正極活物質の具体的な例としては、下記化学式のうちのいずれか一つで表される化合物を使用することができる。Li1−b(0.90≦a≦1.8、0≦b≦0.5)、Li1−b2−c(0.90≦a≦1.8、0≦b≦0.5、0≦c≦0.05)、LiE2−b4−c(0≦b≦0.5、0≦c≦0.05)、LiNi1−b−cCoα(0.90≦a≦1.8、0≦b≦0.5、0≦c≦0.05、0<α≦2)、LiNi1−b−cCo2−αα(0.90≦a≦1.8、0≦b≦0.5、0≦c≦0.05、0<α<2)、LiNi1−b−cCo2−α(0.90≦a≦1.8、0≦b≦0.5、0≦c≦0.05、0<α<2)、LiNi1−b−cMnα(0.90≦a≦1.8、≦b≦0.5、0≦c≦0.05、0<α≦2)、LiNi1−b−cMn2−αα(0.90≦a≦1.8、0≦b≦0.5、0≦c≦0.05、0<α<2)、LiNi1−b−cMn2−α(0.90≦a≦1.8、0≦b≦0.5、0≦c≦0.05、0<α<2)、LiNi(0.90≦a≦1.8、0≦b≦0.9、0≦c≦0.5、0.001≦d≦0.1)、LiNiCoMn(0.90≦a≦1.8、0≦b≦0.9、0≦c≦0.5、0≦d≦0.5、0.001≦e≦0.1)、LiNiG(0.90≦a≦1.8、0.001≦b≦0.1)、LiCoG(0.90≦a≦1.8、0.001≦b≦0.1)、Li(0.90≦a≦1.8、0.001≦b≦0.1)、LiMn(0.90≦a≦1.8、0.001≦b≦0.1)、QO、QS、LiQS、V、LiV、LiTO、LiNiVO、Li(3−f)(PO(0≦f≦2)、Li(3−f)Fe(PO(0≦f≦2)、およびLiFePO
前記化学式中、Aは、Ni、Co、Mnまたはこれらの組み合わせであり、Rは、Al、Ni、Co、Mn、Cr、Fe、Mg、Sr、V、希土類元素またはこれらの組み合わせであり、Dは、O、F、S、Pまたはこれらの組み合わせであり、Eは、Co、Mnまたはこれらの組み合わせであり、Zは、F、S、Pまたはこれらの組み合わせであり、Gは、Al、Cr、Mn、Fe、Mg、La、Ce、Sr、Vまたはこれらの組み合わせであり、Qは、Ti、Mo、Mnまたはこれらの組み合わせであり、Tは、Cr、V、Fe、Sc、Yまたはこれらの組み合わせであり、Jは、V、Cr、Mn、Co、Ni、Cuまたはこれらの組み合わせである。
また、前記正極活物質は、リチウム遷移金属酸化物であってもよく、さらに、活性炭をさらに含んでもよい。活性炭は、例えば、炭素粉末または炭素繊維の形態で前記正極活物質に含まれることができる。活性炭は、高い有効比表面積を有し、電解液の吸着量が高いため、高出力特性が要求される電池、例えば自動車のISGシステム用電池に好適である。
前記活性炭は、前記リチウム金属酸化物と前記活性炭の総含量に対して約0.01〜20質量%含まれてもよく、さらに前記範囲で好ましくは、約1〜10質量%含まれてもよい。
さらに、上記の化合物表面にコーティング層を有するものも、同様に使用することができ、前記化合物とコーティング層を有する化合物を混合して使用することも可能である。前記コーティング層は、例えば、コーティング元素のオキシド、コーティング元素のヒドロキシド、コーティング元素のオキシヒドロキシド、コーティング元素のオキシカーボネートまたはコーティング元素のヒドロキシカーボネートを含んでもよい。なお、上記のコーティング層をなす化合物は、非晶質または結晶質のいずれであってもよい。前記コーティング層に含まれるコーティング元素としては、Mg、Al、Co、K、Na、Ca、Si、Ti、V、Sn、Ge、Ga、B、As、Zrまたはこれらの混合物を使用することができる。ここで、コーティング層形成工程は、上記元素を使用した前記化合物を正極活物質の物性に悪影響を与えない方法(例えば、スプレーコーティング、浸漬法など)でコーティングする。コーティング層を形成する方法については、如何なるコーティング方法を用いてもよく、公知の多様なコーティング方法については当該分野に務める者によく理解された内容であるため、ここでの詳しい説明は省略する。
前記バインダーは、正極活物質粒子を互いに良好に接着させ、また正極活物質を電流集電体に良好に接着させる役割を果たす。前記バインダーの代表的な例としては、ポリビニルアルコール、カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、ジアセチルセルロース、ポリ塩化ビニル、カルボキシル化ポリ塩化ビニル、ポリビニルフルオライド、エチレンオキシドを含むポリマー、ポリビニルピロリドン、ポリウレタン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリエチレン、ポリプロピレン、スチレン−ブタジエンゴム、アクリル化スチレン−ブタジエンゴム、エポキシ樹脂、ナイロンなどを使用することができる。しかしながら、本発明、上記に限定されるものではない。
前記導電剤は、電極に導電性を付与するために使用される。前記導電剤は、構成される電池において、化学変化を引き起こさない電子伝導性材料であれば如何なるものでも使用可能である。前記導電剤の例としては、天然黒鉛、人造黒鉛、カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、炭素繊維、銅、ニッケル、アルミニウム、銀などの金属粉末、金属繊維、ポリフェニレン誘導体などの導電性材料などを1種または1種以上混合して使用することができる。
前記負極112と前記正極114は、それぞれ、活物質、導電剤およびバインダーを溶媒中で混合して活物質組成物を製造し、この組成物を電流集電体に塗布することで製造される。係る電極製造方法は、当該分野に広く知られた内容であるため、本明細書での詳細な説明は省略する。前記溶媒としては、例えば、N−メチルピロリドン、水などを使用することができるが、本発明は、係る例示に限定されない。
前記電解質は、前述したとおりの構成を有する。
前記電解液中の前記第1添加剤および前記第2添加剤は、それぞれ、前記負極112および前記正極114が含湿する電解液のうちの少なくとも一方に残存してもよい。係る場合、電解液中に残存する前記第1添加剤および前記第2添加剤の量は、それぞれ、約0.005〜2Mであってもよい。より具体的には、充放電を少なくとも10回実施した後の電解液中に残存する第1添加剤および第2添加剤の量が、それぞれ、約0.005〜2Mであってもよい。
セパレータ113は、負極112と正極114を分離し、リチウムイオンの移動通路を提供する。前記セパレータ113は、リチウム電池で通常使用されるものであれば全て使用することが可能であり、特に、電解質のイオン移動に対して低抵抗であり、電解液含湿能力に優れたセパレータを好適に用いることができる。例えば、前記セパレータ113は、ガラス繊維、ポリエステル、テフロン(登録商標)、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)またはこれらの組み合わせの中から選択されたものであってもよい。また、前記セパレータ113の形態は、不織布形態または織布形態のいずれであってもよい。さらに具体的には、リチウムイオン電池においては、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィン系高分子セパレータが主に使用される。なお、前記セパレータ113は、耐熱性または機械的強度の向上のためにセラミック成分または高分子物質が含まれたセパレータを用いてもよく、またコーティングされたセパレータを用いてもよい。さらに、前記セパレータ113は、選択的に単層または多層の構造であってもよい。
以下、実施例を通じて上述した本発明の実施形態をより詳細に説明する。ただし、下記実施例は、本発明の説明を目的としており本発明の範囲を限定するものではない。
[リチウム二次電池の製造]
(実施例1)
エチレンカーボネート(EC):エチルメチルカーボネート(EMC):ジメチルカーボネート(DMC)=3:4:3の質量比に混合した溶媒に、LiPFを添加して1.15MのLiPF溶液を製造した。次に、前記1.15MのLiPF溶液に、下記化学式1dで表されるリチウムジフルオロビス(オキサラト)ホスフェート(Li DFBOP)0.5質量%および下記化学式2aで表されるトリス(トリメチルシリル)ボレート(TMSB)0.5質量%を添加して電解液を製造した。
Figure 2013232417
・・・化学式1d
Figure 2013232417
・・・化学式2a
次に、正極活物質としてリチウムニッケルコバルトマンガンオキシド(LiNi1/3Co1/3Mn1/3)95質量%と活性炭5質量%を混合した。さらに、前記混合物と、バインダーであるポリフッ化ビニリデン(polyvinylidene fluoride:PVDF)と、導電剤であるカーボンとを92:4:4の質量比に混合した後、N−メチル−2−ピロリドンを添加して正極スラリーを製造した。製造された正極スラリーを厚さ20μmのアルミニウム箔の集電体に塗布した後、120℃の真空オーブンで乾燥させて圧延し、正極を製造した。
負極活物質としてソフトカーボンと、バインダーであるスチレン−ブタジエンゴム(styrene−butadiene rubber:SBR)およびカルボキシメチルセルロースバインダーを97:1.5:1.5の質量比で混合した後、水を添加して分散させ、負極スラリーを製造した。製造した負極スラリーを厚さ15μmの銅箔の集電体に塗布し、120℃の真空オーブンで乾燥させて圧延し、負極を製造した。
セパレータとして、厚さ25μmのポリエチレン製の多孔性分離膜を上記で製造された正極および負極の間に使用し、電極組立体を製造した。さらに、前記電極組立体を巻き取り、圧縮して円筒型の缶に挿入し、上記で製造した電解液を注入した後、密封してリチウム二次電池を製造した。
(実施例2)
リチウムジフルオロビス(オキサラト)ホスフェート(Li DFBOP)0.5質量の%代わりに1質量%を使用したことを除いては、実施例1と同様な方法でリチウム二次電池を製造した。
(実施例3)
リチウムジフルオロビス(オキサラト)ホスフェート(Li DFBOP)0.5質量の%代わりに1.5質量%を使用したことを除いては、実施例1と同様な方法でリチウム二次電池を製造した。
(実施例4)
リチウムジフルオロビス(オキサラト)ホスフェート(Li DFBOP)0.5質量の%代わりに1質量%を使用し、トリス(トリメチルシリル)ボレート(TMSB)0.5質量の%代わりに1質量%を使用したことを除いては、実施例1と同様な方法でリチウム二次電池を製造した。
(比較例1)
電解液添加剤であるリチウムジフルオロビス(オキサラト)ホスフェート(Li DFBOP)とトリス(トリメチルシリル)ボレート(TMSB)を使用しなかったことを除いては、実施例1と同様な方法でリチウム二次電池を製造した。
(比較例2)
電解液添加剤であるトリス(トリメチルシリル)ボレート(TMSB)を使用しなかったことを除いては、実施例1と同様な方法でリチウム二次電池を製造した。
[分析:極板での電解液成分の分析]
実施例2によるリチウム二次電池を1Cで10回充放電した後、正極に残っている電解液成分を分析した。
電解液成分は、H−NMRおよび19F−NMRで分析し、その結果を図2A、図2Bおよび表1に示す。
図2Aおよび図2Bは、実施例2によるリチウム二次電池を10回充放電後、正極に残っている電解液の成分をNMRで分析したグラフである。
Figure 2013232417
図2A、図2Bおよび表1に示すように、H−NMRおよび19F−NMRを用いて電池製造後の正極に残っている電解液の成分の分析を行った。ここで、電解液添加剤であるリチウムジフルオロビス(オキサラト)ホスフェート(Li DFBOP)およびトリス(トリメチルシリル)ボレート(TMSB)は、それぞれ、約0.04Mおよび約0.06Mの残存量が確認された。
[評価2:充放電率]
次に、実施例1〜4および比較例1、2によるリチウム二次電池の充放電率を評価した。
充放電率に関して、初期容量と、1Cで50回充放電した後の容量とを比較し、3回測定後の平均値を記載した。その結果を表2に示す。
Figure 2013232417
表2を参照すると、実施例1〜4によるリチウム二次電池は、比較例1によるリチウム二次電池と比較して、充電率および放電率が共に改善されたことが分かる。また、実施例1〜4によるリチウム二次電池は、比較例2によるリチウム二次電池と比較して、放電率においては類似するものの、充電率においては改善したことが分かる。
[評価3:寿命特性]
実施例2および比較例2によるリチウム二次電池の寿命特性を評価した。
寿命特性は、30Cで充放電を繰り返しながら評価した。その結果を図3に示す。図3は、実施例2および比較例2によるリチウム二次電池の寿命特性を示すグラフである。
図3を参照すると、実施例2によるリチウム二次電池は、比較例2によるリチウム二次電池と比較して、サイクル数増加による電圧上昇が小さいことが分かる。リチウム二次電池において、サイクル数の増加による電圧上昇は、該リチウム二次電池の劣化を表す。したがって、図3の結果より、実施例2によるリチウム二次電池は、比較例2によるリチウム二次電池と比較して、寿命特性が改善されたことが分かる。
[評価4:低温特性]
続いて、実施例2および比較例1、2によるリチウム二次電池を用いて3S6P(モジュール1)、3S5P(モジュール2)および3S4P(モジュール3)の三つの異なる形態の電池パックを製造した。また、これらの3つの形態の電池パックに対して、低温特性を評価した。
低温特性は、低温始動能力(cold cracking ampere:CCA)の方法で評価した。具体的には、実施例2および比較例1、2によるリチウム二次電池を含む電池パックを充電(full charge)状態で−25℃チャンバーに入れ、1000Aの電流を与えて放電させ、1秒放置して電圧変化を確認した。
その結果を図4に示す。図4は、実施例2および比較例1、2によるリチウム二次電池の低温特性を示すグラフである。
図4を参照すると、実施例2によるリチウム二次電池は、比較例1および2によるリチウム二次電池と比較して、モジュール1〜3のそれぞれにおいて、得られる電圧が高いことが分かる。したがって、実施例2によるリチウム二次電池は、比較例1および2によるリチウム二次電池と比較して、優れた低温特性を有することが分かる。
上記の結果から、本発明の実施例によるリチウム二次電池は、前記第1添加剤と前記第2添加剤を共に含むことによって安定したSEI膜を形成することができるため、高い充放電率を有し、さらに寿命特性および低温での安定性が向上したことを確認することができる。
以上説明したように、本発明によれば、自動車のISGシステム用電池、またはハイブリッド車用電池等で要求される高い充放電率(C−rate)、安定した寿命特性および低温での安定性を同時に満たす電解液およびリチウム二次電池が提供される。したがって、本発明によれば、より高出力特性を有するために、さらにサイズが小さくコンパクトなリチウム二次電池の製造が可能であり、また、比較例に対して、5〜10倍の長寿命を有するリチウム二次電池を製作することが可能である。
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
100 リチウム二次電池
112 負極
113 セパレータ
114 正極
120 電池容器
140 封入部材

Claims (13)

  1. リチウム塩と、
    非水性有機溶媒と、
    下記化学式1で表される第1添加剤と、
    下記化学式2で表される第2添加剤と、
    を含むリチウム二次電池用電解液。
    Figure 2013232417
    ・・・化学式1
    前記化学式1中、
    Aは、ホウ素(B)またはリン(P)であり、
    Xは、ハロゲン元素であり、
    nは、0〜2の整数であり、
    mは、1〜3の整数であり、
    Aがホウ素(B)である場合、n+m=2を満たし、
    Aがリン(P)である場合、n+m=3を満たす。
    Figure 2013232417
    ・・・化学式2
    前記化学式2中、
    〜Rは、それぞれ独立して、水素、置換または非置換のC1〜C10アルキル基である。
  2. 前記第1添加剤は、下記化学式1a〜1eで表される化合物のうちの少なくとも一つを含む、請求項1に記載のリチウム二次電池用電解液。
    Figure 2013232417
    ・・・化学式1a
    Figure 2013232417
    ・・・化学式1b
    Figure 2013232417
    ・・・化学式1c
    Figure 2013232417
    ・・・化学式1d
    Figure 2013232417
    ・・・化学式1e
  3. 前記第1添加剤および前記第2添加剤の少なくとも一方は、前記電解液の総含量に対して0.1〜5質量%含まれる、請求項1または2に記載のリチウム二次電池用電解液。
  4. 前記第1添加剤は、前記電解液の総含量に対して0.5〜1.5質量%含まれる、請求項1〜3のいずれか一項に記載のリチウム二次電池用電解液。
  5. 前記第2添加剤は、前記電解液の総含量に対して0.1〜1質量%含まれる、請求項1〜4のいずれか一項に記載のリチウム二次電池用電解液。
  6. 前記第1添加剤は、下記化学式1dで表される化合物を含み、
    前記第2添加剤は、下記化学式2aで表される化合物を含む、請求項1に記載のリチウム二次電池用電解液。
    Figure 2013232417
    ・・・化学式1d
    Figure 2013232417
    ・・・化学式2a
  7. 前記非水性有機溶媒は、エチレンカーボネート、エチルメチルカーボネートおよびジメチルカーボネートを含み、
    前記エチレンカーボネートは、前記非水性有機溶媒の総含量に対して30質量%以上含まれる、請求項1〜6のいずれか一項に記載のリチウム二次電池用電解液。
  8. 正極活物質層を含む正極と、
    負極活物質層を含む負極と、
    請求項1〜7のいずれか一項に記載の電解液と、
    を含む、リチウム二次電池。
  9. 前記正極活物質層は、リチウム金属酸化物および活性炭を含む、請求項8に記載のリチウム二次電池。
  10. 前記活性炭は、前記リチウム金属酸化物と前記活性炭の総含量に対して0.01〜20質量%含まれる、請求項9に記載のリチウム二次電池。
  11. 前記負極活物質層は、ソフトカーボンを含む、請求項8〜10のいずれか一項に記載のリチウム二次電池。
  12. 前記第1添加剤および前記第2添加剤は、前記正極および前記負極が含湿する前記電解液のうちの少なくとも一方に0.005〜2Mの含量で含まれる、請求項8〜11のいずれか一項に記載のリチウム二次電池。
  13. 前記リチウム二次電池は、前記負極の表面に形成されたSEI膜をさらに含む、請求項8〜12のいずれか一項に記載のリチウム二次電池。

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