JP2014116077A - Lithium ion secondary battery, secondary battery system including the same, nonaqueous electrolytic solution for lithium ion secondary battery - Google Patents

Lithium ion secondary battery, secondary battery system including the same, nonaqueous electrolytic solution for lithium ion secondary battery Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a lithium ion secondary battery having battery performance (for example, initial capacity) equivalent to the conventional ones, and having high safety capable of complying with such requirements as increased capacity/output, and a secondary battery system including the lithium ion secondary battery.SOLUTION: A lithium ion secondary battery according to the present invention includes a nonaqueous electrolytic solution containing an electrolyte comprising a lithium compound, a nonaqueous solvent, and a flame retarder. A lithium concentration in the nonaqueous electrolytic solution is 0.5 mol/L or more and 2.5 mol/L or less, the flame retarder includes trimethyl phosphite and dimethyl phosphite, and the total content of the trimethyl phosphite and the dimethyl phosphite is 1 mass% or more and 60 mass% or less relative to the amount of the nonaqueous electrolytic solution.

Description

本発明は、リチウムイオンニ次電池、それを用いた二次電池システム、およびリチウムイオン二次電池用非水電解液に関するものである。   The present invention relates to a lithium ion secondary battery, a secondary battery system using the same, and a non-aqueous electrolyte for a lithium ion secondary battery.

非水系電解液二次電池の一種であるリチウムイオン二次電池は、水系電解液二次電池(例えば、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池、鉛電池)の起電力(約1.5 V)に比して非常に高い起電力(3 V以上)を有する。そのため、リチウムイオン二次電池は、電池の小型・軽量化や大容量・高出力化に有利であり、携帯用パソコンや携帯電話機等の小型電子機器に広く用いられてきた。近年では、リチウムイオン二次電池の用途は、大型電気機器(例えば、HEV(ハイブリッド自動車)やEV(電気自動車)などの自動車用動力電源や、電力貯蔵用電源)にも拡大してきている。   Lithium ion secondary batteries, which are a type of non-aqueous electrolyte secondary battery, are compared to the electromotive force (about 1.5 V) of aqueous electrolyte secondary batteries (eg, nickel metal hydride batteries, nickel cadmium batteries, lead batteries). It has a very high electromotive force (3 V or more). Therefore, the lithium ion secondary battery is advantageous for reducing the size and weight of the battery and increasing the capacity and output, and has been widely used in small electronic devices such as portable personal computers and mobile phones. In recent years, the use of lithium ion secondary batteries has been expanded to large-scale electric devices (for example, power sources for automobiles such as HEV (hybrid vehicles) and EVs (electric vehicles), and power sources for power storage)).

リチウムイオン二次電池の非水電解液としては、六フッ化リン酸リチウム等の電解質(支持塩)をエチレンカーボネート(EC)やプロピレンカーボネート(PC)等の非水溶媒に溶解させたものが広く知られている。しかしながら、これらの非水溶媒は、引火性を有するため(例えば、ECおよびPCの引火点は130〜140℃)、原理的には火種があれば引火する。   Non-aqueous electrolytes for lithium ion secondary batteries are widely prepared by dissolving an electrolyte (supporting salt) such as lithium hexafluorophosphate in a non-aqueous solvent such as ethylene carbonate (EC) or propylene carbonate (PC). Are known. However, since these non-aqueous solvents have flammability (for example, the flash point of EC and PC is 130 to 140 ° C.), in principle, they ignite if there is a fire type.

一方、リチウムイオン二次電池を大型電気機器へ適用するには、小型電子機器の場合よりも、はるかに高い出力と容量とが求められている。これは、二次電池の絶対的な容積が大きくなることにつながる。そして、それに伴う発熱の問題が大きくなるので、より高い安全性を確保することが重要となり、引火の可能性が少ない非水電解液の使用が強く望まれている。そのような要求に対し、非水電解液に難燃剤や過充電防止剤を添加することで、非水電解液の引火を回避する研究開発が精力的に進められている。   On the other hand, in order to apply a lithium ion secondary battery to a large electric device, a much higher output and capacity are required than in the case of a small electronic device. This leads to an increase in the absolute volume of the secondary battery. And since the problem of the heat_generation | fever accompanying it becomes large, it is important to ensure higher safety, and use of the non-aqueous electrolyte with little possibility of ignition is strongly desired. In response to such demands, research and development for avoiding non-aqueous electrolyte ignition by adding a flame retardant or an overcharge inhibitor to the non-aqueous electrolyte has been energetically advanced.

非水電解液に難燃剤を添加する技術として、例えば、特許文献1(特開2011-165606号公報)には、オリビン型リン酸鉄リチウムを含有する正極と、リチウムイオンを吸蔵及び放出することが可能な材料からなる負極と、非水溶媒と、その非水溶媒に溶解したリチウム塩と、特定の式で表される亜リン酸エステル5〜50質量%とを含有する電解液とを備えるリチウムイオン二次電池が開示されている。特許文献1によると、安全性とサイクル特性との両方が良好になるリチウムイオン二次電池用非水電解液及びリチウムイオン二次電池を提供することができるとしている。   As a technique for adding a flame retardant to a non-aqueous electrolyte, for example, Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 2011-165606) includes a positive electrode containing olivine type lithium iron phosphate and occlusion and release of lithium ions. A non-aqueous solvent, a lithium salt dissolved in the non-aqueous solvent, and an electrolyte containing 5 to 50% by mass of a phosphite represented by a specific formula A lithium ion secondary battery is disclosed. According to Patent Document 1, it is possible to provide a non-aqueous electrolyte for a lithium ion secondary battery and a lithium ion secondary battery in which both safety and cycle characteristics are improved.

また、特許文献2(特開2006-004746号公報)には、主として溶質及びこれを溶解する非水系有機溶媒からなり、特定の構造を有するリン系化合物を10〜1000 ppm含有する二次電池用非水電解液が開示されている。特許文献2によると、高温保存時、高温連続充電時の電池性能劣化が抑制され、初期容量の低下を大幅に低減した非水電解液および二次電池を提供することができるとしている。   Patent Document 2 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-004746) discloses a secondary battery that mainly comprises a solute and a non-aqueous organic solvent that dissolves the solute, and contains 10 to 1000 ppm of a phosphorus compound having a specific structure. Non-aqueous electrolytes are disclosed. According to Patent Document 2, it is possible to provide a non-aqueous electrolyte and a secondary battery in which deterioration of battery performance during high-temperature storage and high-temperature continuous charging is suppressed, and a decrease in initial capacity is greatly reduced.

また、特許文献3(特開2007-299542号公報)には、リチウムイオンを吸蔵及び放出し得る負極及び正極と非水系電解液とを備え、該負極がSi原子、Sn原子及びPb原子よりなる群から選ばれる少なくとも一種の原子を有する負極活物質を含む非水系電解液二次電池に用いられる非水系電解液であって、不飽和結合及びハロゲン原子のうち少なくとも一方を有するカーボネートと、特定の構造を有する有機燐化合物とを少なくとも含有することを特徴とする非水系電解液が開示されている。特許文献3によると、高い充電容量を有すると共に、長期に亘り優れた特性を有し、特に放電容量維持率に優れた非水系電解液二次電池を作製できるとしている。   Patent Document 3 (Japanese Patent Laid-Open No. 2007-299542) includes a negative electrode that can occlude and release lithium ions, a positive electrode, and a non-aqueous electrolyte, and the negative electrode includes Si atoms, Sn atoms, and Pb atoms. A non-aqueous electrolyte used in a non-aqueous electrolyte secondary battery containing a negative electrode active material having at least one atom selected from the group, comprising a carbonate having at least one of an unsaturated bond and a halogen atom, and a specific A non-aqueous electrolytic solution characterized by containing at least an organic phosphorus compound having a structure is disclosed. According to Patent Document 3, a non-aqueous electrolyte secondary battery having a high charge capacity, excellent characteristics for a long period of time, and particularly excellent discharge capacity retention rate can be produced.

また、特許文献4(特開昭58-206078号公報)には、主鎖に共役二重結合を有する高分子化合物または該高分子化合物にドーパントをドープして得られる導電性高分子化合物を少なくとも一つの電極に用いた電池において、電解液の有機溶媒として特定の構造を有するリン酸エステル系化合物を用いたことを特徴とする電池が開示されている。特許文献4によると、エネルギー密度が大きく、電圧の平坦性が良好であり、自己放電が少なく、また繰り返しの寿命が長い二次電池を提供することができるとしている。   Patent Document 4 (Japanese Patent Laid-Open No. 58-206078) discloses at least a polymer compound having a conjugated double bond in the main chain or a conductive polymer compound obtained by doping a dopant in the polymer compound. In a battery used for one electrode, a battery characterized by using a phosphate ester compound having a specific structure as an organic solvent of an electrolytic solution is disclosed. According to Patent Document 4, it is possible to provide a secondary battery having a large energy density, good voltage flatness, little self-discharge, and a long repeated life.

また、特許文献5(特開2011-096462号公報)には、電解質と非水溶媒とを含む非水系電解液において、特定の式で表されるハロゲン含有リン酸エステル化合物を含有することを特徴とする非水系電解液が開示されている。特許文献5によると、上記電解液を電池の電解液として用いることで、電池の充電状態での高温保存時におけるガス発生を抑制し、充放電特性、特に、高温保存の電圧及び容量に優れた電池を得ることができるとしている。   Patent Document 5 (Japanese Patent Laid-Open No. 2011-096462) is characterized in that a non-aqueous electrolyte solution containing an electrolyte and a non-aqueous solvent contains a halogen-containing phosphate ester compound represented by a specific formula. A non-aqueous electrolyte solution is disclosed. According to Patent Document 5, by using the above electrolyte as a battery electrolyte, gas generation during high-temperature storage in a charged state of the battery is suppressed, and charge / discharge characteristics, in particular, high-temperature storage voltage and capacity are excellent. A battery can be obtained.

また、特許文献6(特許第3512114号公報)には、アルカリ金属またはアルカリ金属を含む化合物からなる負極を用いる有機電解液電池用の有機電解液であって、フッ素原子を含み3員環構造または4員環構造の環状エーテルを溶媒として用いたことを特徴とする有機電解液電池用の有機電解液が開示されている。特許文献6によると、特定の有機電解液電池用の有機電解液の溶媒として、水素原子の一部または全部をフッ素原子で置換したフッ素原子を含み3員環構造または4員環構造の環状エーテルを用いることによって、電極との反応性を低下させ、安定性の高い有機電解液電池用の有機電解液を得ることができ、その有機電解液を用いることにより、貯蔵性が優れた有機電解液電池を得ることができるとしている。また、炭素原子を2個以上含む有機含フッ素リチウム塩を電解質として用い、かつフッ素原子を含む環状エーテルを溶媒として用いることにより、安定性が高く、かつイオン伝導度が高い有機電解液電池用の有機電解液を得ることができ、その有機電解液を用いることにより、貯蔵性が優れ、かつ内部抵抗が小さい有機電解液電池を得ることができるとしている。   Patent Document 6 (Patent No. 3512114) discloses an organic electrolyte solution for an organic electrolyte battery using a negative electrode made of an alkali metal or a compound containing an alkali metal, which contains a fluorine atom and has a three-membered ring structure or An organic electrolyte for an organic electrolyte battery characterized by using a cyclic ether having a 4-membered ring structure as a solvent is disclosed. According to Patent Document 6, as a solvent for an organic electrolyte solution for a specific organic electrolyte battery, a cyclic ether having a 3-membered ring structure or a 4-membered ring structure containing fluorine atoms in which some or all of hydrogen atoms are substituted with fluorine atoms Can reduce the reactivity with the electrode and obtain a highly stable organic electrolyte solution for an organic electrolyte battery. By using the organic electrolyte solution, an organic electrolyte solution having excellent storage properties can be obtained. A battery can be obtained. Further, by using an organic fluorine-containing lithium salt containing two or more carbon atoms as an electrolyte and using a cyclic ether containing a fluorine atom as a solvent, the organic electrolyte battery has high stability and high ionic conductivity. An organic electrolyte solution can be obtained, and by using the organic electrolyte solution, an organic electrolyte battery having excellent storability and low internal resistance can be obtained.

特開2011−165606号公報JP 2011-165606 A 特開2006−004746号公報JP 2006-004746 A 特開2007−299542号公報JP 2007-299542 A 特開昭58−206078号公報JP 58-206078 A 特開2011−096462号公報JP 2011-096462 A 特許第3512114号公報Japanese Patent No. 3512114

前述したように、リチウムイオン二次電池への大容量・高出力化の要求は、近年ますます高まっている。しかしながら、難燃剤や過充電防止剤が添加された従来の非水電解液を用いたリチウムイオン二次電池は、非水電解液への難燃成分や過充電防止成分の添加によって、リチウムイオン二次電池の電池性能(例えば、初期容量)で要求特性を十分に満たせなくなる問題があった。すなわち、それらの点で更なる改善が強く望まれていた。   As described above, the demand for higher capacity and higher output for lithium ion secondary batteries has been increasing in recent years. However, a lithium ion secondary battery using a conventional non-aqueous electrolyte to which a flame retardant or an overcharge preventing agent is added has a lithium ion secondary battery by adding a flame retardant component or an overcharge preventing component to the non-aqueous electrolyte. There is a problem that the required performance cannot be sufficiently satisfied with the battery performance (for example, initial capacity) of the secondary battery. That is, further improvements have been strongly desired in these respects.

したがって、本発明の目的は、電池性能(例えば、初期容量)を低下させず、かつ大容量・高出力化の要求に対応できる高い安全性を有するリチウムイオン二次電池およびそれを用いた二次電池システムを提供することにある。また、本発明の他の目的は、そのような安全性の高いリチウムイオン二次電池を実現するためのリチウムイオン二次電池用の非水電解液を提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a lithium ion secondary battery having high safety that does not deteriorate battery performance (for example, initial capacity) and can meet the demand for large capacity and high output, and a secondary battery using the lithium ion secondary battery. It is to provide a battery system. Another object of the present invention is to provide a non-aqueous electrolyte for a lithium ion secondary battery for realizing such a highly safe lithium ion secondary battery.

(I)本発明の一態様は、リチウム化合物からなる電解質と難燃剤と非水溶媒とを含有するリチウムイオン二次電池用の非水電解液であって、
前記非水電解液中のリチウム濃度が、0.5 mol/L以上2.5 mol/L以下であり、
前記難燃剤は、亜リン酸トリメチルと亜リン酸ジメチルとを含み、
前記亜リン酸トリメチルは、下記化学式(1)で表わされる化合物であり、
前記亜リン酸ジメチルは、下記化学式(2)で表わされる化合物および/または下記化学式(3)で表わされる化合物からなり、
前記亜リン酸トリメチルと前記亜リン酸ジメチルとの合計含有量が、前記非水電解液に対して1質量%以上60質量%以下であることを特徴とする非水電解液を提供する。
(I) One aspect of the present invention is a non-aqueous electrolyte solution for a lithium ion secondary battery containing an electrolyte comprising a lithium compound, a flame retardant, and a non-aqueous solvent,
The lithium concentration in the non-aqueous electrolyte is 0.5 mol / L or more and 2.5 mol / L or less,
The flame retardant includes trimethyl phosphite and dimethyl phosphite,
The trimethyl phosphite is a compound represented by the following chemical formula (1):
The dimethyl phosphite comprises a compound represented by the following chemical formula (2) and / or a compound represented by the following chemical formula (3),
The total content of the trimethyl phosphite and the dimethyl phosphite is 1% by mass or more and 60% by mass or less with respect to the non-aqueous electrolyte.

Figure 2014116077
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(II)本発明の他の一態様は、リチウム化合物からなる電解質と難燃剤と非水溶媒とを含有する非水電解液を有するリチウムイオン二次電池であって、
前記非水電解液が上記の非水電解液あることを特徴とするリチウムイオン二次電池を提供する。
(II) Another aspect of the present invention is a lithium ion secondary battery having a non-aqueous electrolyte containing an electrolyte comprising a lithium compound, a flame retardant, and a non-aqueous solvent,
Provided is a lithium ion secondary battery, wherein the non-aqueous electrolyte is the non-aqueous electrolyte described above.

(III)本発明の更に他の一態様は、少なくとも2個以上のリチウムイオン二次電池が直列あるいは並列に接続された二次電池システムであって、
前記リチウムイオン二次電池は、リチウム化合物からなる電解質と難燃剤と非水溶媒とを含有する非水電解液を有し、
前記非水電解液が上記の非水電解液あることを特徴とする二次電池システムを提供する。
(III) Still another aspect of the present invention is a secondary battery system in which at least two lithium ion secondary batteries are connected in series or in parallel.
The lithium ion secondary battery has a nonaqueous electrolytic solution containing an electrolyte composed of a lithium compound, a flame retardant, and a nonaqueous solvent,
The secondary battery system is characterized in that the non-aqueous electrolyte is the non-aqueous electrolyte described above.

本発明によれば、電池性能(例えば、初期容量)を低下させず、かつ安全性の高いリチウムイオン二次電池用の非水電解液を提供することができる。また、本発明によれば、当該非水電解液を利用することによって、電池性能を犠牲にすることなく大容量・高出力化が可能でかつ安全性の高いリチウムイオン二次電池を提供することができ、該リチウムイオン二次電池を用いた二次電池システムを提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the battery performance (for example, initial stage capacity | capacitance) can be provided, and the non-aqueous electrolyte for lithium ion secondary batteries with high safety | security can be provided. In addition, according to the present invention, by using the non-aqueous electrolyte, it is possible to provide a high-capacity lithium ion secondary battery capable of increasing the capacity and output without sacrificing battery performance. And a secondary battery system using the lithium ion secondary battery can be provided.

本発明に係るリチウムイオン二次電池の一例を示す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows an example of the lithium ion secondary battery which concerns on this invention. 本発明に係る二次電池システムの一例を示す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows an example of the secondary battery system which concerns on this invention.

本発明者等は、リチウムイオン二次電池において電池性能(初期容量、大容量、高出力)と安全性との両方を同時に達成させることを目指して、添加する難燃剤について鋭意検討した。その結果、亜リン酸トリメチルおよび亜リン酸ジメチルを含む難燃剤を、所定の添加量になるように非水電解液に含有させることによって、リチウムイオン二次電池の電池性能を犠牲にすることなく、安全性を確保できることを見出した。本発明は、該知見に基づいて完成されたものである。   The inventors of the present invention diligently studied the flame retardant to be added with the aim of simultaneously achieving both battery performance (initial capacity, large capacity, high output) and safety in the lithium ion secondary battery. As a result, a flame retardant containing trimethyl phosphite and dimethyl phosphite is included in the non-aqueous electrolyte so as to have a predetermined addition amount without sacrificing the battery performance of the lithium ion secondary battery. And found that safety can be ensured. The present invention has been completed based on this finding.

本発明は、前述した非水電解液とリチウムイオン二次電池と二次電池システムとにおいて、以下のような改良や変更を加えることができる。
(i)前記亜リン酸トリメチルと前記亜リン酸ジメチルとの合計含有量が、前記非水電解液に対して1質量%以上10質量%以下である。
(ii)前記亜リン酸トリメチルの含有量が、前記非水電解液に対して0.9質量%以上9.9質量%以下であり、前記亜リン酸ジメチルの合計含有量が、前記非水電解液に対して0.1質量%以上1%質量以下である。
(iii)前記リチウム化合物が、LiPF6、LiBF4、LiN(SO2F)2、LiN(SO2CF3)2、リチウムビス(ペンタフルオロエタンスルホニル)イミドの中から選ばれる少なくとも1つである。
(iv)前記リチウムイオン二次電池は、前記非水電解液が固体高分子に含浸された固体高分子ゲル電解質を有する。
The present invention can add the following improvements and changes to the above-described non-aqueous electrolyte, lithium ion secondary battery, and secondary battery system.
(I) The total content of the trimethyl phosphite and the dimethyl phosphite is 1% by mass or more and 10% by mass or less with respect to the non-aqueous electrolyte.
(Ii) The content of trimethyl phosphite is 0.9 mass% or more and 9.9 mass% or less with respect to the non-aqueous electrolyte, and the total content of dimethyl phosphite is based on the non-aqueous electrolyte. 0.1% by mass or more and 1% by mass or less.
(Iii) The lithium compound is at least one selected from LiPF 6 , LiBF 4 , LiN (SO 2 F) 2 , LiN (SO 2 CF 3 ) 2 , and lithium bis (pentafluoroethanesulfonyl) imide. .
(Iv) The lithium ion secondary battery includes a solid polymer gel electrolyte in which the nonaqueous electrolyte is impregnated in a solid polymer.

以下、本発明に係る実施形態について、より具体的に説明する。ただし、本発明は、ここで取り上げた実施形態に限定されることはなく、発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜組み合わせや改良が可能である。   Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described more specifically. However, the present invention is not limited to the embodiment taken up here, and can be appropriately combined and improved without departing from the technical idea of the present invention.

[非水電解液]
前述したように、本発明に係る非水電解液は、リチウム化合物からなる電解質と非水溶媒とを含有し、亜リン酸トリメチルと亜リン酸ジメチルとからなる難燃剤を更に含有する。亜リン酸トリメチルは、下記化学式(1)で表わされる化合物であり、亜リン酸ジメチルは、下記化学式(2)で表わされる化合物および/または下記化学式(3)で表わされる化合物である。化学式(2)の亜リン酸ジメチルと化学式(3)の亜リン酸ジメチルとは、互いに異性体の関係にあり、本発明に係る非水電解液では、時間の経過とともに両方の亜リン酸ジメチルが共存する化学平衡状態に達する。
[Non-aqueous electrolyte]
As described above, the nonaqueous electrolytic solution according to the present invention contains an electrolyte made of a lithium compound and a nonaqueous solvent, and further contains a flame retardant made of trimethyl phosphite and dimethyl phosphite. Trimethyl phosphite is a compound represented by the following chemical formula (1), and dimethyl phosphite is a compound represented by the following chemical formula (2) and / or a compound represented by the following chemical formula (3). The dimethyl phosphite represented by the chemical formula (2) and the dimethyl phosphite represented by the chemical formula (3) are in an isomer relationship with each other. In the non-aqueous electrolyte according to the present invention, both dimethyl phosphites are obtained over time. Reaches a chemical equilibrium state in which

Figure 2014116077
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亜リン酸トリメチルの添加は、主に、非水電解液自体を難燃化させる作用効果(非水電解液の引火を抑制・防止する作用効果)を奏する。一方、亜リン酸ジメチルの添加は、主に、二次電池の過充電や内部短絡によって電池が高温になったときに、電池の正極の表面で亜リン酸ジメチルが分解して該表面上に高抵抗な被膜を形成し、過充電電流や短絡電流を抑制する作用効果を奏する。   Addition of trimethyl phosphite mainly has an effect of making the non-aqueous electrolyte itself flame-retardant (an effect of suppressing / preventing non-aqueous electrolyte ignition). On the other hand, the addition of dimethyl phosphite is mainly caused by the decomposition of dimethyl phosphite on the surface of the positive electrode of the battery when the battery becomes hot due to overcharge of the secondary battery or internal short circuit. A high-resistance film is formed, and the effect of suppressing overcharge current and short-circuit current is achieved.

本発明の難燃剤は、非水電解液の難燃性の向上と、電池の使用範囲を超えた過剰電流(過充電電流や短絡電流)の抑制による異常発熱の防止との2つの作用効果を兼ね備えるため、従来よりも安全性の高いリチウムイオン二次電池を提供することができる。亜リン酸トリメチルと亜リン酸ジメチルは、ともに上記両方の作用効果(難燃性の向上および異常発熱の防止)を有するが、亜リン酸トリメチルは難燃性の向上に、亜リン酸ジメチルは異常発熱の防止に、より強い作用効果を示し、特定の混合比において相乗的な効果が得られる。すなわち、本発明は二種類の難燃剤を同時に使用することによって、単独で用いたときよりも電池の安全性のレベルをより高めることが可能になる。   The flame retardant of the present invention has the two effects of improving the flame retardancy of the non-aqueous electrolyte and preventing abnormal heat generation by suppressing excessive current (overcharge current and short circuit current) exceeding the range of use of the battery. Therefore, a lithium ion secondary battery that is safer than the prior art can be provided. Both trimethyl phosphite and dimethyl phosphite have both of the above effects (improving flame retardancy and preventing abnormal heat generation), but trimethyl phosphite improves flame retardancy, dimethyl phosphite It has a stronger effect in preventing abnormal heat generation, and a synergistic effect is obtained at a specific mixing ratio. That is, according to the present invention, by using two kinds of flame retardants at the same time, it becomes possible to further increase the level of safety of the battery than when used alone.

亜リン酸トリメチルは、従来から非水電解液の難燃剤として知られており、非水電解液の自己消火性を高めることができる。しかしながら、亜リン酸トリメチルの単独添加は、二次電池が高温になって亜リン酸トリメチルが分解すると、電解液自身の難燃化の作用効果が低下してしまう問題があった。   Trimethyl phosphite is conventionally known as a flame retardant for non-aqueous electrolytes, and can enhance the self-extinguishing properties of non-aqueous electrolytes. However, the single addition of trimethyl phosphite has a problem in that the effect of flame retardancy of the electrolyte solution itself decreases when the secondary battery becomes hot and the trimethyl phosphite decomposes.

そこで、本発明者等は、難燃剤の分解に関してリン(P)原子に結合する基に着目した。化学式(1)から解るように、亜リン酸トリメチルは、メトキシ基(CH3O-)がP原子に3個結合している。亜リン酸トリメチルの分解過程は、CH3O基が段階的に脱離し、分解する逐次反応(Stepwise reaction)と考えられる。 Therefore, the present inventors focused on the group bonded to the phosphorus (P) atom with respect to the decomposition of the flame retardant. As understood from the chemical formula (1), trimethyl phosphite has three methoxy groups (CH 3 O—) bonded to the P atom. The decomposition process of trimethyl phosphite is considered to be a stepwise reaction in which the CH 3 O group is eliminated stepwise and decomposes.

一方、亜リン酸ジメチルは、化学式(2)および化学式(3)に示したように、CH3O基がP原子に2個結合しており、P原子の1つの結合手が水素(H)または水酸基(-OH)と結合している。亜リン酸ジメチルの分解過程も、CH3O基が段階的に脱離し、分解する逐次反応(Stepwise reaction)と考えられる。 On the other hand, as shown in chemical formula (2) and chemical formula (3), dimethyl phosphite has two CH 3 O groups bonded to P atoms, and one bond of P atoms is hydrogen (H). Alternatively, it is bonded to a hydroxyl group (—OH). The decomposition process of dimethyl phosphite is also considered to be a stepwise reaction in which the CH 3 O group is desorbed stepwise and decomposes.

CH3O基の分解素過程として、酸素(O)原子をP原子側に残してメチル基(CH3)が脱離するのか、P原子にO原子を残さずCH3O基として脱離するのかは不明であるが、いずれの素過程であっても、CH3O基の数の少ない亜リン酸ジメチルの方が亜リン酸トリメチルよりも分解し易いと考えられる。 As the CH 3 O group decomposition process, the oxygen (O) atom is left on the P atom side and the methyl group (CH 3 ) is released, or the P atom is left as a CH 3 O group without leaving an O atom. It is unclear whether dimethyl phosphite with a small number of CH 3 O groups is easier to decompose than trimethyl phosphite in any elementary process.

また、亜リン酸ジメチルは、電池環境内では酸化され易いため、従来、非水電解液の難燃剤として積極的に利用したい化合物とは考えられていなかった。これに対し、本発明は、亜リン酸ジメチルと亜リン酸トリメチルとを併用することにより、亜リン酸ジメチルの分解を積極的に活用し、リチウムイオン二次電池に対して異常発熱防止の作用効果を付与するものである。   Further, since dimethyl phosphite is easily oxidized in the battery environment, conventionally, it has not been considered as a compound to be actively used as a flame retardant for non-aqueous electrolytes. In contrast, the present invention uses dimethyl phosphite and trimethyl phosphite in combination to actively utilize the decomposition of dimethyl phosphite, thereby preventing abnormal heat generation for lithium ion secondary batteries. It gives an effect.

前述したように、亜リン酸ジメチルは、高温になると分解して正極上で高抵抗な被膜を形成する。分解反応の詳細については不明であるが、例えば、正極から脱離した酸素(O)成分と亜リン酸ジメチルとが、下記の反応式(a)および反応式(b)のように化学反応すると考えられる。   As described above, dimethyl phosphite decomposes at a high temperature to form a high resistance film on the positive electrode. Although details of the decomposition reaction are unknown, for example, when the oxygen (O) component desorbed from the positive electrode and dimethyl phosphite chemically react as shown in the following reaction formula (a) and reaction formula (b) Conceivable.

(CH3O)2PH(=O) + xO2 → PO2x-1 + 2CO2 + 7H + 7e- 反応式(a)
(CH3O)2P(OH) + xO2 → PO2x-1 + 2CO2 + 7H + 7e- 反応式(b)
ここで、「x」は正極から脱離した酸素分子のモル数、「2x-1」はリン原子1個に結合した酸素原子の比率を示す。「x」は「13/8≦ x ≦7/4」を満たす(すなわち、PO2x-1におけるPの酸化数は4.5以上5以下と考える)。なお、反応式(b)の左辺に示した亜リン酸ジメチルは、異性体「(CH3O)2PH(=O)」であってもよく、本発明の亜リン酸ジメチルのPの酸化数は4.5と考える。
(CH 3 O) 2 PH (= O) + xO 2 → PO 2x-1 + 2CO 2 + 7H + + 7e - Reaction formula (a)
(CH 3 O) 2 P (OH) + xO 2 → PO 2x-1 + 2CO 2 + 7H + + 7e - Reaction formula (b)
Here, “x” represents the number of moles of oxygen molecules desorbed from the positive electrode, and “2x-1” represents the ratio of oxygen atoms bonded to one phosphorus atom. “X” satisfies “13/8 ≦ x ≦ 7/4” (that is, the oxidation number of P in PO 2x-1 is 4.5 or more and 5 or less). The dimethyl phosphite shown on the left side of the reaction formula (b) may be the isomer “(CH 3 O) 2 PH (═O)”, and oxidation of P of the dimethyl phosphite of the present invention. The number is considered 4.5.

上記化学反応で生成したリン酸化物(PO2x-1)が、二次電池の正極表面に高抵抗な被膜を形成し、電池内部の電流キャリアとなるリチウムイオンの透過(移動)を阻害する。また、高抵抗な被膜が形成されることにより、電解液の非水溶媒分子が正極表面で正極の酸素と電気化学的に反応して酸化分解することも防止される。その結果、過剰電流(過充電電流や短絡電流)を抑制すると共に、非水溶媒分子の酸化分解による異常発熱を防止することができる。 The phosphorus oxide (PO 2x-1 ) generated by the above chemical reaction forms a high-resistance film on the surface of the positive electrode of the secondary battery and inhibits the transmission (migration) of lithium ions serving as current carriers inside the battery. In addition, the formation of a high-resistance film prevents the nonaqueous solvent molecules of the electrolytic solution from electrochemically reacting with the oxygen of the positive electrode on the surface of the positive electrode and oxidatively decomposing. As a result, excessive current (overcharge current and short circuit current) can be suppressed, and abnormal heat generation due to oxidative decomposition of nonaqueous solvent molecules can be prevented.

なお、上記説明では正極上の高抵抗な被膜の形成について述べたが、高温になると負極上では還元反応が起こる。具体的には、リチウム(Li)と亜リン酸ジメチルとが反応し、負極上にLi3PやLi3PO4などが形成されてリチウムイオンが不活性化される。これにより、正極と負極との間の過剰電流(過充電電流や短絡電流)が更に抑制される。 In the above description, the formation of a high-resistance film on the positive electrode has been described. However, when the temperature becomes high, a reduction reaction occurs on the negative electrode. Specifically, lithium (Li) and dimethyl phosphite react to form Li 3 P, Li 3 PO 4 or the like on the negative electrode, thereby inactivating lithium ions. Thereby, the excess current (overcharge current or short circuit current) between the positive electrode and the negative electrode is further suppressed.

難燃剤として用いる亜リン酸エステルにおいて、一般的に、分子量が大きくなるほど電解液の粘度が高くなり、導電率が低下する(リチウムイオンの移動度が低下する)。また、エステル結合したアルキル基やアリール基の分子量が大きくなるほど(基を構成する炭素数が多いほど)、分解反応熱が大きくなるため、分解時に電解液の温度が上昇しやすく難燃性の作用効果を減じさせる。さらに、難燃剤の分子量が大きくなると、その蒸気圧も減少するため、電解液の引火抑止効果(外部からの火炎に対する電解液の燃焼抑止効果)も低下する。   In a phosphite used as a flame retardant, generally, as the molecular weight increases, the viscosity of the electrolytic solution increases and the electrical conductivity decreases (the mobility of lithium ions decreases). In addition, the higher the molecular weight of the ester-bonded alkyl group or aryl group (the greater the number of carbon atoms constituting the group), the greater the heat of decomposition reaction. Reduce the effect. Furthermore, when the molecular weight of the flame retardant increases, its vapor pressure also decreases, so that the ignition suppression effect of the electrolyte (the combustion suppression effect of the electrolyte against an external flame) also decreases.

本発明で用いる亜リン酸エステル(亜リン酸トリメチルおよび亜リン酸ジメチル)は、エステル結合したアルキル基がメチル基であることから分子量が小さく、電解液の粘度の増大を抑制しながら、難燃剤の含有量を増加することができる。その結果、非水電解液の導電率の低下を抑制し、従来と同等の電池性能を維持しながら安全性を向上させることができる。また、本発明で用いる難燃剤は分子量が小さいため、従来の難燃剤に比して、分解反応熱が小さく蒸気圧が高い。このため、難燃剤の分解に伴う電解液の温度上昇を抑制すると共に、電解液の引火抑止効果が向上する。   The phosphite used in the present invention (trimethyl phosphite and dimethyl phosphite) has a low molecular weight because the ester-bonded alkyl group is a methyl group, while suppressing an increase in the viscosity of the electrolyte, The content of can be increased. As a result, it is possible to suppress the decrease in the conductivity of the non-aqueous electrolyte and improve the safety while maintaining the battery performance equivalent to the conventional one. In addition, since the flame retardant used in the present invention has a low molecular weight, the heat of decomposition reaction is small and the vapor pressure is high as compared with conventional flame retardants. For this reason, while suppressing the temperature rise of the electrolyte solution accompanying decomposition | disassembly of a flame retardant, the ignition suppression effect of electrolyte solution improves.

本発明に係るリチウムイオン二次電池用の非水電解液は、上述した亜リン酸トリメチルと亜リン酸ジメチルとの合計含有量が、非水電解液に対して1質量%以上60質量%以下の範囲であることが好ましい。合計含有量が1質量%未満では、上述の最適範囲に比べて相対的に安全性が不十分になる。また、合計含有量が60質量%より大きいと、電解液の導電率が低下して電池特性が大きく低下する。合計含有量の上限はリチウムイオン二次電池に要求される特性(例えば、電池特性と安全性とのバランス)に応じて上記範囲内で適宜設定されるが、初期容量の観点からは1質量%以上10質量%以下であることがより好ましい。   In the non-aqueous electrolyte for a lithium ion secondary battery according to the present invention, the total content of trimethyl phosphite and dimethyl phosphite described above is 1% by mass or more and 60% by mass or less based on the non-aqueous electrolyte. It is preferable that it is the range of these. When the total content is less than 1% by mass, the safety is relatively insufficient as compared with the optimum range described above. On the other hand, if the total content is larger than 60% by mass, the conductivity of the electrolytic solution is lowered and the battery characteristics are greatly lowered. The upper limit of the total content is appropriately set within the above range depending on the characteristics required for the lithium ion secondary battery (for example, the balance between battery characteristics and safety), but 1% by mass from the viewpoint of the initial capacity More preferably, it is 10 mass% or less.

さらに、亜リン酸トリメチルと亜リン酸ジメチルとの配分としては、難燃剤の総量を10質量%とした場合に、亜リン酸トリメチルの含有量が非水電解液に対して0.9質量%以上9.9質量%以下の範囲であり、亜リン酸ジメチルの含有量が非水電解液に対して0.1質量%以上1質量%以下の範囲であることが好ましい。これらにより、亜リン酸トリメチルの分解を抑制し、難燃性が高くかつ過剰電流による異常発熱を抑制する非水電解液を提供することが可能になる。   Furthermore, as a distribution of trimethyl phosphite and dimethyl phosphite, when the total amount of the flame retardant is 10% by mass, the content of trimethyl phosphite is 0.9% by mass to 9.9% with respect to the non-aqueous electrolyte. It is preferably in the range of mass% or less, and the content of dimethyl phosphite is preferably in the range of 0.1 mass% or more and 1 mass% or less with respect to the non-aqueous electrolyte. Accordingly, it is possible to provide a nonaqueous electrolytic solution that suppresses decomposition of trimethyl phosphite, has high flame retardancy, and suppresses abnormal heat generation due to excessive current.

なお、リチウムイオン二次電池においては、非水電解液に水分が混入することは避けるべきことである。非水電解液中に水分が存在すると、電解質と水とが化学反応して電解質が分解し、電池性能が劣化する要因となる。また、電解質と水との化学反応により、フッ化水素(HF)のようなハロゲン化水素が生成して二次電池の正極や負極にダメージを与え、その結果、二次電池の容量が低下する要因となる。一方、難燃剤として用いる亜リン酸トリメチルは、混入している水分量を定量分析することが困難であり、従来は、混入水分量が不明確の状態で亜リン酸トリメチルが使用されていた。これに対し、本発明では、亜リン酸トリメチルおよび亜リン酸ジメチルに対して十分な水分除去処理を施してから、それらを利用した。これは、従来よりも難燃剤の含有量を増加することができた一因と考えられる。   In addition, in a lithium ion secondary battery, it should be avoided that a water | moisture content mixes in a non-aqueous electrolyte. If moisture is present in the non-aqueous electrolyte, the electrolyte and water chemically react with each other, causing the electrolyte to decompose and causing battery performance to deteriorate. In addition, the chemical reaction between the electrolyte and water generates hydrogen halide such as hydrogen fluoride (HF) and damages the positive and negative electrodes of the secondary battery, resulting in a decrease in the capacity of the secondary battery. It becomes a factor. On the other hand, trimethyl phosphite used as a flame retardant is difficult to quantitatively analyze the amount of mixed water. Conventionally, trimethyl phosphite has been used in a state where the amount of mixed water is unclear. On the other hand, in this invention, after performing sufficient water removal process with respect to trimethyl phosphite and dimethyl phosphite, they were utilized. This is considered to be one reason why the content of the flame retardant can be increased as compared with the conventional case.

非水電解液に含有させる電解質としては、後述する本発明に係るリチウムイオン二次電池に使用される正極上あるいは負極上で分解しなければ特に限定されず、従前の電解質を利用できる。例えば、LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiCF3SO3、LiCF3CO2、LiAsF6、LiSbF6、LiB(CN)4、LiN(SO2F)2、LiN(SO2CF3)2を好適に利用できる。また、リチウムのイミド塩(例えば、リチウムトリフルオロメタンスルホンイミド、リチウムビス(ペンタフルオロエタンスルホニル)イミド)を用いてもよい。 The electrolyte to be contained in the nonaqueous electrolytic solution is not particularly limited as long as it does not decompose on the positive electrode or the negative electrode used in the lithium ion secondary battery according to the present invention described later, and a conventional electrolyte can be used. For example, the LiPF 6, LiBF 4, LiClO 4 , LiCF 3 SO 3, LiCF 3 CO 2, LiAsF 6, LiSbF 6, LiB (CN) 4, LiN (SO 2 F) 2, LiN (SO 2 CF 3) 2 It can be suitably used. Alternatively, an imide salt of lithium (for example, lithium trifluoromethanesulfonimide, lithium bis (pentafluoroethanesulfonyl) imide) may be used.

非水電解液中の電解質によるリチウム濃度は、0.5 mol/L以上2.5 mol/L以下であることが好ましい。なお、本明細書中において「リチウム濃度」とは、非水電解液中に存在する全ての「リチウム」の濃度を意味するものとし、「リチウム」には、電解質が電離して生じたリチウムイオンも含むものとする。リチウム濃度が0.5 mol/L未満となると、非水電解液の導電率が低下し、リチウムイオン二次電池の電池特性が低下する。一方、リチウム濃度の上限に関しては、添加した電解質が全て溶解する限り特段の制限はないが、リチウム濃度が2.5 mol/L超になると電解液の粘度上昇による容量低下が起こるため、好ましくない。   The lithium concentration by the electrolyte in the nonaqueous electrolytic solution is preferably 0.5 mol / L or more and 2.5 mol / L or less. In the present specification, “lithium concentration” means the concentration of all “lithium” present in the non-aqueous electrolyte, and “lithium” includes lithium ions generated by ionization of the electrolyte. Shall also be included. When the lithium concentration is less than 0.5 mol / L, the conductivity of the non-aqueous electrolyte is lowered, and the battery characteristics of the lithium ion secondary battery are lowered. On the other hand, the upper limit of the lithium concentration is not particularly limited as long as the added electrolyte is completely dissolved. However, when the lithium concentration exceeds 2.5 mol / L, the capacity decreases due to the increase in the viscosity of the electrolytic solution, which is not preferable.

非水電解液に含有させる非水溶媒としては、後述する本発明に係るリチウムイオン二次電池に使用される正極上あるいは負極上で分解しなければ特に限定されず、従前の非水溶媒を利用できる。例えば、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ビニレンカーボネート、γ-ブチロラクトン、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、1,2-ジメトキシエタン、2-メチルテトラヒドロフラン、ジメチルスルフォキシド、1,3-ジオキソラン、ホルムアミド、ジメチルホルムアミド、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、トリメトキシメタン、ジオキソラン、ジエチルエーテル、スルホラン、3-メチル-2-オキサゾリジノン、テトラヒドロフラン、1,2-ジエトキシエタン、クロルエチレンカーボネート、クロルプロピレンカーボネートなどが好適である。   The non-aqueous solvent contained in the non-aqueous electrolyte is not particularly limited as long as it does not decompose on the positive electrode or the negative electrode used in the lithium ion secondary battery according to the present invention described later, and a conventional non-aqueous solvent is used. it can. For example, propylene carbonate, ethylene carbonate, butylene carbonate, vinylene carbonate, γ-butyrolactone, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, methyl ethyl carbonate, 1,2-dimethoxyethane, 2-methyltetrahydrofuran, dimethyl sulfoxide, 1,3-dioxolane , Formamide, dimethylformamide, methyl propionate, ethyl propionate, trimethoxymethane, dioxolane, diethyl ether, sulfolane, 3-methyl-2-oxazolidinone, tetrahydrofuran, 1,2-diethoxyethane, chloroethylene carbonate, chloropropylene carbonate Etc. are suitable.

なお、本発明に係る非水電解液は、亜リン酸トリメチルと亜リン酸ジメチルとが分解しないことを条件に、上述した「電解質+非水溶媒」の代わりにイオン性液体を用いることができる。該イオン性液体としては、例えば、1-エチル-3-メチルイミダゾリウムテトラフルオロボラート(EMI-BF4、C6H11N2BF4)、リチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(LiTFSI、LiN(SO2CF3)2)とトリエチレングリコールジメチルエーテル(トリグライム、C8H18O4)とテトラエチレングリコールジメチルエーテル(テトラグライム、C10H22O5)との混合錯体、環状四級アンモニウム系陽イオン(例えば、N-メチル-N-プロピルピロリジニウム(P13))とイミド系陰イオン(例えば、ビス(フルオロスルホニル)イミド(FSI))とからなるP13-FSI(C8H18N-F2NO4S2)イオン液体などを用いることができる。 The non-aqueous electrolyte according to the present invention can use an ionic liquid instead of the above-mentioned “electrolyte + non-aqueous solvent” on the condition that trimethyl phosphite and dimethyl phosphite are not decomposed. . Examples of the ionic liquid include 1-ethyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate (EMI-BF 4 , C 6 H 11 N 2 BF 4 ), lithium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide (LiTFSI, LiN (SO 2 CF 3 ) 2 ), triethylene glycol dimethyl ether (triglyme, C 8 H 18 O 4 ) and tetraethylene glycol dimethyl ether (tetraglyme, C 10 H 22 O 5 ) mixed complex, cyclic quaternary ammonium series P 13 -FSI (C 8 H 18 NF) consisting of an ion (eg, N-methyl-N-propylpyrrolidinium (P 13 )) and an imide anion (eg, bis (fluorosulfonyl) imide (FSI)) 2 NO 4 S 2 ) Ionic liquid can be used.

また、本発明は、上述した非水電解液(「電解質+非水溶媒」)の組み合わせ以外に、高分子ゲル電解質を使用することも可能である。高分子ゲル電解質とは、固体高分子に非水電解液(「電解質+非水溶媒」)を含浸し、ゲル状に形成したものである。高分子ゲル電解質は、ポリマ電解質単独よりも高いリチウムイオン導電率が得られる利点がある。本発明の難燃剤を含む非水電解液を用いることにより、高導電率かつ難燃性の高分子ゲル電解質を提供することが可能になる。   Further, in the present invention, a polymer gel electrolyte can be used in addition to the above-described combination of the nonaqueous electrolytic solution (“electrolyte + nonaqueous solvent”). The polymer gel electrolyte is formed by impregnating a solid polymer with a nonaqueous electrolytic solution (“electrolyte + nonaqueous solvent”) to form a gel. The polymer gel electrolyte has an advantage that higher lithium ion conductivity can be obtained than the polymer electrolyte alone. By using the non-aqueous electrolyte containing the flame retardant of the present invention, it becomes possible to provide a polymer gel electrolyte having high conductivity and flame retardancy.

固体高分子としては、エチレンオキシド、アクリロニトリル、ポリフッ化ビニリデン、メタクリル酸メチル、ヘキサフルオロプロピレンのポリエチレンオキサイドなどのイオン導電性ポリマを用いることができる。   As the solid polymer, an ion conductive polymer such as ethylene oxide, acrylonitrile, polyvinylidene fluoride, methyl methacrylate, or polyethylene oxide of hexafluoropropylene can be used.

[リチウムイオン二次電池]
本発明に係るリチウムイオン二次電池の構成について説明する。なお、本発明に係るリチウムイオン二次電池は、上述した本発明の難燃剤を含む非水電解液または本発明の難燃剤を含む非水電解液を固体高分子に含浸させた高分子ゲル電解質を用いることに最大の特徴がある。
[Lithium ion secondary battery]
The configuration of the lithium ion secondary battery according to the present invention will be described. The lithium ion secondary battery according to the present invention is a polymer gel electrolyte obtained by impregnating a solid polymer with the above-described non-aqueous electrolyte containing the flame retardant of the present invention or the non-aqueous electrolyte containing the flame retardant of the present invention. There is the biggest feature in using.

図1は、本発明に係るリチウムイオン二次電池101の一例を示す断面模式図である。図1に示したように、正極107および負極108は、これらが直接接触しないようにセパレータ109を挟み込んだ状態で積層されて、電極群を形成している。最も外側のセパレータ109は、電極群と電池容器102の間を絶縁している。なお、電極群の構造は限定されるものではなく、例えば、円筒状や扁平状に電極群を捲回したものであってもよい。   FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of a lithium ion secondary battery 101 according to the present invention. As shown in FIG. 1, the positive electrode 107 and the negative electrode 108 are laminated in a state where the separator 109 is sandwiched so that they do not come into direct contact with each other to form an electrode group. The outermost separator 109 insulates between the electrode group and the battery container 102. The structure of the electrode group is not limited, and for example, the electrode group may be wound in a cylindrical shape or a flat shape.

正極107には正極リード110が付設されており、負極108には負極リード111が付設されている。リード110、111は、ワイヤ状、箔状、板状などの任意の形状を採ることができる。電気的損失を小さくし、かつ化学的安定性を確保できるような構造・材質が選定される。   A positive electrode lead 110 is attached to the positive electrode 107, and a negative electrode lead 111 is attached to the negative electrode 108. The leads 110 and 111 can take any shape such as a wire shape, a foil shape, and a plate shape. A structure and material that can reduce electrical loss and ensure chemical stability are selected.

電極群は、電池容器102に収容されており、電池容器102の上部に設置された電池蓋103によって密封されている。電池蓋103には、絶縁シール112を介して、正極外部端子104と負極外部端子105が設けられている。さらに、電池容器102の内部には、前述した本発明に係る非水電解液(図示せず)が注入されている。電極群を電池容器102に収納し密閉した後に、本発明に係る非水電解液を注液口106より滴下し、所定量の充填した後に、注液口106を密封する。なお、非水電解液の注入方法・手順は、他の方法・手順でもよい。   The electrode group is housed in the battery container 102 and sealed by a battery lid 103 installed on the upper part of the battery container 102. The battery lid 103 is provided with a positive external terminal 104 and a negative external terminal 105 via an insulating seal 112. Further, the above-described non-aqueous electrolyte (not shown) according to the present invention is injected into the battery container 102. After the electrode group is housed in the battery container 102 and sealed, the non-aqueous electrolyte according to the present invention is dropped from the liquid inlet 106, and after filling a predetermined amount, the liquid inlet 106 is sealed. The non-aqueous electrolyte injection method / procedure may be another method / procedure.

電池容器102の形状は、通常、電極群の形状に合わせた形状(例えば、円筒状、扁平長円柱状、角柱など)が選択される。絶縁性シール112は、非水電解液と反応せず、かつ気密性に優れた任意の材質(例えば、熱硬化性樹脂、ガラスハーメチックシールなど)を好適に使用することができる。   As the shape of the battery container 102, a shape (for example, a cylindrical shape, a flat oblong column shape, a rectangular column, etc.) matching the shape of the electrode group is usually selected. As the insulating seal 112, any material that does not react with the non-aqueous electrolyte and has excellent airtightness (for example, a thermosetting resin, a glass hermetic seal, etc.) can be preferably used.

電池容器102の材質は、アルミニウム、ステンレス鋼、ニッケルメッキ鋼製など、非水電解液に対し耐食性のある材料から選択される。電池容器102への蓋103の取り付けは、溶接の他に、かしめ、接着などの他の方法も採ることができる。非水電解液の注液に用いる注液口106に安全機構としての機能を付与することも可能である。安全機構としては、例えば、電池容器内部の圧力が所定以上となった際に解放する圧力弁がある。   The material of the battery container 102 is selected from materials that are corrosion resistant to the non-aqueous electrolyte, such as aluminum, stainless steel, and nickel-plated steel. The lid 103 can be attached to the battery container 102 by other methods such as caulking and bonding in addition to welding. It is also possible to provide a function as a safety mechanism to the injection port 106 used for injecting the non-aqueous electrolyte. As a safety mechanism, for example, there is a pressure valve that is released when the pressure inside the battery container exceeds a predetermined level.

正極リード110または負極リード111の途中、あるいは正極リード110と正極外部端子104との接続部や、負極リード111と負極外部端子105との接続部に、正温度係数抵抗素子を利用した電流遮断機構(図示せず)を設けることは好ましい。電流遮断機構を設けると、電池内部の温度が高くなったときに、リチウムイオン二次電池101の充放電を停止させ、電池を保護することが可能となる。   Current interruption mechanism using positive temperature coefficient resistance element in the middle of the positive electrode lead 110 or the negative electrode lead 111, the connection part between the positive electrode lead 110 and the positive electrode external terminal 104, or the connection part between the negative electrode lead 111 and the negative electrode external terminal 105 (Not shown) is preferably provided. When the current interruption mechanism is provided, when the temperature inside the battery becomes high, charging / discharging of the lithium ion secondary battery 101 can be stopped and the battery can be protected.

リチウムイオン二次電池を構成する正極107は、正極集電体の片面または両面に正極活物質を含む正極合剤スラリーを塗布・乾燥させた後、ロールプレス機などを用いて圧縮成形して、所定の大きさに切断することで作製される。正極の集電体には、厚さが10〜100μmのアルミニウム箔や、厚さ10〜100μmで孔径0.1〜10 mmのアルミニウム製穿孔箔、エキスパンドメタル、発泡アルミニウム板などが用いられる。材質は、アルミニウムの他に、ステンレス、チタンなども適用可能である。   The positive electrode 107 constituting the lithium ion secondary battery is coated and dried with a positive electrode mixture slurry containing a positive electrode active material on one side or both sides of a positive electrode current collector, and then compression-molded using a roll press machine or the like, It is produced by cutting into a predetermined size. As the positive electrode current collector, an aluminum foil having a thickness of 10 to 100 μm, an aluminum perforated foil having a thickness of 10 to 100 μm and a pore diameter of 0.1 to 10 mm, an expanded metal, a foamed aluminum plate, or the like is used. In addition to aluminum, stainless steel, titanium, etc. can be used as the material.

同様に、リチウムイオン二次電池を構成する負極108は、負極集電体の片面または両面に負極活物質を含む負極合剤スラリーを塗布・乾燥させた後、ロールプレス機などを用いて圧縮成形して、所定の大きさに切断することで作製される。負極の集電体には、厚さが10〜100μmの銅箔や、厚さ10〜100μmで孔径0.1〜10mmの銅製穿孔箔、エキスパンドメタル、発泡銅板などが用いられ、材質は、銅の他に、ステンレス、チタン、ニッケルなども適用可能である。   Similarly, the negative electrode 108 constituting the lithium ion secondary battery is formed by applying and drying a negative electrode mixture slurry containing a negative electrode active material on one side or both sides of a negative electrode current collector, and then compression molding using a roll press or the like. Then, it is produced by cutting into a predetermined size. For the current collector of the negative electrode, copper foil with a thickness of 10 to 100 μm, copper perforated foil with a thickness of 10 to 100 μm and a hole diameter of 0.1 to 10 mm, expanded metal, foamed copper plate, etc. are used. In addition, stainless steel, titanium, nickel, and the like are also applicable.

正極合剤スラリーおよび負極合剤スラリーの塗布方法に特段の限定はなく、従前の方法(例えば、ドクターブレード法、ディッピング法、スプレー法など)を利用することができる。また、塗布から乾燥までを複数回行うことにより、複数の合剤層を集電体に積層することも可能である。   There is no particular limitation on the method for applying the positive electrode mixture slurry and the negative electrode mixture slurry, and conventional methods (for example, a doctor blade method, a dipping method, a spray method, etc.) can be used. Moreover, it is also possible to laminate | stack a several mixture layer on a collector by performing from application | coating to drying in multiple times.

正極107に用いられる正極活物質としては、リチウムイオンの吸蔵および放出をすることができるリチウム化合物であれば、特に限定されない。例えば、リチウムマンガン酸化物、リチウムコバルト酸化物、リチウムニッケル酸化物などのリチウム遷移金属複合酸化物が挙げられる。より具体的には、LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4が代表例である。他に、LiMnO3、LiMn2O3、LiMnO2、Li4Mn5O12、LiMn2-xMxO2(ただし、M=Co, Ni, Fe, Cr, Zn, Taであって、x=0.01〜0.2)、Li2Mn3MO8(ただし、M=Fe, Co, Ni, Cu, Zn)、Li1-xAxMn2O4(ただし、A=Mg, Ba, B, Al, Fe, Co, Ni, Cr, Zn, Caであって、x=0.01〜0.1)、LiNi1-xMxO2(ただし、M=Co, Fe, Gaであって、x=0.01〜0.2)、LiFeO2、Fe2(SO4)3、LiCo1-xMxO2(ただし、M=Ni, Fe, Mnであって、x=0.01〜0.2)、LiNi1-xMxO2(ただし、M=Mn、Fe、Co、Al、Ga、Ca、Mgであって、x=0.01〜0.2)、Fe(MoO4)3、FeF3、LiFePO4、LiMnPO4などを列挙することができる。これらいずれかの単独または2種以上の混合物を用いることができる。正極活物質に対して、バインダ、増粘剤、導電材、溶媒等を必要に応じて混合して正極合剤スラリーが作製される。 The positive electrode active material used for the positive electrode 107 is not particularly limited as long as it is a lithium compound that can occlude and release lithium ions. Examples thereof include lithium transition metal composite oxides such as lithium manganese oxide, lithium cobalt oxide, and lithium nickel oxide. More specifically, LiCoO 2 , LiNiO 2 , and LiMn 2 O 4 are representative examples. In addition, LiMnO 3 , LiMn 2 O 3 , LiMnO 2 , Li 4 Mn 5 O 12 , LiMn 2-x M x O 2 (where M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn, Ta, x = 0.01 to 0.2), Li 2 Mn 3 MO 8 (M = Fe, Co, Ni, Cu, Zn), Li 1-x A x Mn 2 O 4 (However, A = Mg, Ba, B, Al , Fe, Co, Ni, Cr, Zn, Ca, x = 0.01 to 0.1), LiNi 1-x M x O 2 (where M = Co, Fe, Ga and x = 0.01 to 0.2 ), LiFeO 2 , Fe 2 (SO 4 ) 3 , LiCo 1-x M x O 2 (where M = Ni, Fe, Mn, x = 0.01 to 0.2), LiNi 1-x M x O 2 (However, M = Mn, Fe, Co, Al, Ga, Ca, Mg and x = 0.01 to 0.2), Fe (MoO 4 ) 3 , FeF 3 , LiFePO 4 , LiMnPO 4 and the like can be listed. it can. Any one of these or a mixture of two or more of them can be used. A positive electrode mixture slurry is produced by mixing a positive electrode active material with a binder, a thickener, a conductive material, a solvent, and the like as necessary.

正極活物質の粒径は、合剤層の厚さ以下になるように規定される。正極活物質粉末中に合剤層厚さ以上の粒径を有する粗粒がある場合、ふるい分級、風流分級などにより粗粒を予め除去し、合剤層厚さ以下の粒子を用意する。   The particle size of the positive electrode active material is defined to be equal to or less than the thickness of the mixture layer. When there are coarse particles having a particle size equal to or larger than the thickness of the mixture layer in the positive electrode active material powder, the coarse particles are previously removed by sieving classification, wind classification or the like, and particles having a thickness of the mixture layer thickness or less are prepared.

正極活物質とバインダとの混合比率は、質量比で85 : 15〜95 : 5の範囲になるようにすることが好ましい。正極活物質の質量比率が85/100未満では、二次電池のエネルギー密度が低下する。一方、正極活物質の質量比率が95/100超では、充放電できる最大電流値が低下する。   The mixing ratio of the positive electrode active material and the binder is preferably in the range of 85:15 to 95: 5 by mass ratio. When the mass ratio of the positive electrode active material is less than 85/100, the energy density of the secondary battery decreases. On the other hand, when the mass ratio of the positive electrode active material exceeds 95/100, the maximum current value that can be charged and discharged decreases.

正極の導電剤としては、導電性繊維(例えば、気相成長炭素、カーボンナノチューブ、ピッチ(石油、石炭、コールタールなどの副生成物)を原料に高温で炭化して製造した繊維、アクリル繊維から製造した炭素繊維など)が好適に用いられる。また、導電剤は、正極活物質よりも電気抵抗の低い材料であって、正極の充放電電位(通常は2.5〜4.2Vである)にて酸化溶解しない材料を使用してもよい。例えば、耐食性金属(チタンや金など)、炭化物(SiCやWCなど)、窒化物(Si3N4やBNなど)が挙げられる。高比表面積の炭素材料(例えば、カーボンブラックや活性炭など)も使用できる。 As the conductive agent for the positive electrode, conductive fibers (for example, vapor-grown carbon, carbon nanotubes, fibers produced by carbonizing pitch (by-products such as petroleum, coal, coal tar, etc.) at high temperature as raw materials, acrylic fibers A manufactured carbon fiber or the like is preferably used. Further, the conductive agent may be a material having a lower electrical resistance than the positive electrode active material, and a material that does not oxidize and dissolve at the charge / discharge potential (usually 2.5 to 4.2 V) of the positive electrode. Examples include corrosion resistant metals (such as titanium and gold), carbides (such as SiC and WC), and nitrides (such as Si 3 N 4 and BN). A carbon material having a high specific surface area (for example, carbon black or activated carbon) can also be used.

負極108に用いられる負極活物質は、リチウムイオンの吸蔵および放出をすることができる材料であれば特に限定されない。例えば、アルミニウム、シリコン、錫、炭素材料(例えば、黒鉛、易黒鉛化炭素、難黒鉛化炭素天然黒鉛、人造黒鉛、メソフェ−ズ炭素、膨張黒鉛、炭素繊維、気相成長法炭素繊維、ピッチ系炭素質材料、ニードルコークス、石油コークス、ポリアクリロニトリル系炭素繊維、カーボンブラック、非晶質炭素)、酸化物(例えば、チタン酸リチウム、酸化チタン、酸化鉄、酸化バナジウム、酸化アンチモン)が利用可能である。非晶質炭素は、例えば、5員環または6員環の環式炭化水素や環式含酸素有機化合物を熱分解して作製される。これらいずれかの単独または2種以上の混合物を用いることができる。これらの中でも、非晶質炭素はリチウムイオンの吸蔵および放出の際の体積変化率が少ない材料であるため、充放電のサイクル特性が高いことから、負極活物質として非晶質炭素を含むことは好ましい。また、上述した炭素材料に加えて、導電性高分子材料(ポリアセン、ポリパラフェニレン、ポリアニリン、ポリアセチレンなど)を添加してもよい。負極活物質に対して、バインダ、増粘剤、導電剤、溶媒等を必要に応じて混合して負極合剤スラリーが作製される。   The negative electrode active material used for the negative electrode 108 is not particularly limited as long as it is a material that can occlude and release lithium ions. For example, aluminum, silicon, tin, carbon material (eg, graphite, graphitizable carbon, non-graphitizable carbon natural graphite, artificial graphite, mesophase carbon, expanded graphite, carbon fiber, vapor grown carbon fiber, pitch system Carbonaceous materials, needle coke, petroleum coke, polyacrylonitrile-based carbon fiber, carbon black, amorphous carbon) and oxides (eg lithium titanate, titanium oxide, iron oxide, vanadium oxide, antimony oxide) are available is there. Amorphous carbon is produced, for example, by thermally decomposing a 5-membered or 6-membered cyclic hydrocarbon or a cyclic oxygen-containing organic compound. Any one of these or a mixture of two or more of them can be used. Among these, since amorphous carbon is a material with a small volume change rate during insertion and extraction of lithium ions, it has high charge / discharge cycle characteristics, so that it contains amorphous carbon as a negative electrode active material. preferable. Further, in addition to the carbon material described above, a conductive polymer material (such as polyacene, polyparaphenylene, polyaniline, or polyacetylene) may be added. A negative electrode mixture slurry is prepared by mixing a negative electrode active material with a binder, a thickener, a conductive agent, a solvent, and the like as necessary.

負極活物質とバインダの混合比率は、質量比で90 : 10〜99 : 1の範囲になるようにすることが好ましい。負極活物質の質量比率が90/100未満では、二次電池のエネルギー密度が低下する。一方、負極活物質の質量比率が99/100超では、充放電できる最大電流値が低下する。負極の導電剤としては、正極導電剤と同様の材料を用いることが可能である。   The mixing ratio of the negative electrode active material and the binder is preferably in the range of 90:10 to 99: 1 by mass ratio. When the mass ratio of the negative electrode active material is less than 90/100, the energy density of the secondary battery decreases. On the other hand, when the mass ratio of the negative electrode active material exceeds 99/100, the maximum current value that can be charged and discharged decreases. As the negative electrode conductive agent, the same material as the positive electrode conductive agent can be used.

正極合剤スラリーおよび負極合剤スラリーに用いられるバインダ、増粘剤および溶媒に特段の限定はなく、従前と同様のものを用いることができる。   There are no particular limitations on the binder, thickener, and solvent used in the positive electrode mixture slurry and the negative electrode mixture slurry, and the same ones as before can be used.

セパレータ109は、二次電池の充放電時にリチウムイオンを透過させる必要があるため、多孔体(例えば、細孔径が0.01〜10μm、気孔率が20〜90%)であることが好ましい。セパレータ109の素材としては、ポリオレフィン系高分子シート(例えば、ポリエチレンやポリプロピレンなど)や、ポリオレフィン系高分子シートとフッ素系高分子シート(例えば、四フッ化ポリエチレン)とを溶着させた多層構造シートを好適に使用できる。また、セパレータ109の表面にセラミックスとバインダの混合物を薄層状に形成しても良い。なお、前述した非水電解液の「電解質+非水溶媒」として、固体高分子電解質を用いた場合には、前記セパレータ109を省略することができる。   The separator 109 is preferably a porous body (for example, a pore diameter of 0.01 to 10 μm and a porosity of 20 to 90%) because it is necessary to permeate lithium ions during charging and discharging of the secondary battery. As a material for the separator 109, a polyolefin polymer sheet (for example, polyethylene or polypropylene) or a multilayer structure sheet in which a polyolefin polymer sheet and a fluorine polymer sheet (for example, tetrafluoropolyethylene) are welded is used. It can be used suitably. Further, a mixture of ceramics and a binder may be formed in a thin layer on the surface of the separator 109. The separator 109 can be omitted when a solid polymer electrolyte is used as the “electrolyte + nonaqueous solvent” of the nonaqueous electrolytic solution described above.

本発明に係るリチウムイオン二次電池は、前述した非水電解液を用いていることから、電池性能(例えば、初期容量)を犠牲にすることなく大容量・高出力化が可能でかつ安全性の高いリチウムイオン二次電池を提供することができる。電池性能の具体的な事例については、後述する。   Since the lithium ion secondary battery according to the present invention uses the non-aqueous electrolyte described above, it is possible to increase the capacity and output without sacrificing battery performance (for example, initial capacity) and safety. High lithium ion secondary battery can be provided. Specific examples of battery performance will be described later.

[二次電池システム]
二次電池システムの構成について説明する。本発明に係る二次電池システムとは、少なくとも2個以上の非水電解液二次電池を直列あるいは並列に接続し、かつ充放電制御機構を有するシステムと定義する。図2は、本発明に係る二次電池システムの一例を示す断面模式図である。図2に示したように、本構成では2個のリチウムイオン二次電池101a,101bが直列に接続されている。図2の紙面右側に配置したリチウムイオン二次電池101aの負極外部端子105は、電力ケーブル213により充放電制御機構216の負極入力ターミナルに接続されている。リチウムイオン二次電池101aの正極外部端子104は、電力ケーブル214によりリチウムイオン二次電池101bの負極端子105に接続されている。さらに、リチウムイオン二次電池101bの正極外部端子104は、電力ケーブル215により充放電制御機構216の正極入力ターミナルに接続されている。このような配線構成によって、2個のリチウムイオン二次電池101a,101bを充放電制御機構216で制御しながら充電または放電させることができる。なお、図1,図2において、同じ構成物には同じ符号を付している。
[Secondary battery system]
The configuration of the secondary battery system will be described. The secondary battery system according to the present invention is defined as a system having at least two or more nonaqueous electrolyte secondary batteries connected in series or in parallel and having a charge / discharge control mechanism. FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing an example of the secondary battery system according to the present invention. As shown in FIG. 2, in this configuration, two lithium ion secondary batteries 101a and 101b are connected in series. The negative external terminal 105 of the lithium ion secondary battery 101a arranged on the right side of the paper in FIG. 2 is connected to the negative input terminal of the charge / discharge control mechanism 216 by the power cable 213. The positive external terminal 104 of the lithium ion secondary battery 101a is connected to the negative terminal 105 of the lithium ion secondary battery 101b by the power cable 214. Further, the positive external terminal 104 of the lithium ion secondary battery 101b is connected to the positive input terminal of the charge / discharge control mechanism 216 by the power cable 215. With such a wiring configuration, the two lithium ion secondary batteries 101a and 101b can be charged or discharged while being controlled by the charge / discharge control mechanism 216. In FIG. 1 and FIG. 2, the same components are denoted by the same reference numerals.

充放電制御機構216は、電力ケーブル217,218を介して、外部機器219との間で電力の授受を行う。外部機器219は、外部負荷の他、充放電制御機構216に給電するための外部電源や回生モータ等の各種電気機器を含む。また、外部機器が対応する交流、直流の種類に応じて、インバータやコンバータを設けることができる。   The charge / discharge control mechanism 216 exchanges power with the external device 219 via the power cables 217 and 218. The external device 219 includes various electric devices such as an external power source and a regenerative motor for supplying power to the charge / discharge control mechanism 216 in addition to an external load. Moreover, an inverter and a converter can be provided according to the kind of alternating current and direct current which an external apparatus corresponds.

発電装置222が、電力ケーブル220,221を介して充放電制御機構216に接続される。発電装置222が発電しているときには、充放電制御機構216が充電モードに移行し、外部機器219に給電するとともに、余剰電力をリチウムイオン二次電池101a,101bに充電する。発電装置222の発電量が外部機器219の要求電力よりも少ないときには、リチウムイオン二次電池101a,101bから電力供給させるように充放電制御機構216が放電モードに移行する。充放電制御機構216は、そのようなモード移行が自動的に行われるようにプログラムが記憶されていることが好ましい。   The power generation device 222 is connected to the charge / discharge control mechanism 216 via the power cables 220 and 221. When the power generation device 222 is generating power, the charge / discharge control mechanism 216 shifts to the charge mode, supplies power to the external device 219, and charges surplus power to the lithium ion secondary batteries 101a and 101b. When the power generation amount of the power generator 222 is less than the required power of the external device 219, the charge / discharge control mechanism 216 shifts to the discharge mode so that power is supplied from the lithium ion secondary batteries 101a and 101b. The charge / discharge control mechanism 216 preferably stores a program so that such mode transition is automatically performed.

発電装置222としては、再生可能エネルギーを生み出す発電装置(例えば、風力発電装置、地熱発電装置、太陽電池)や、通常の発電装置(例えば、燃料電池、ガスタービン発電機など)を用いることができる。   As the power generation device 222, a power generation device that generates renewable energy (for example, a wind power generation device, a geothermal power generation device, or a solar cell) or a normal power generation device (for example, a fuel cell, a gas turbine generator, or the like) can be used. .

本発明に係る二次電池システムは、例えば、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、プラグインハイブリッド電気自動車、電動式建設機械、運搬機器、建設機械、介護機器、軽車両、電動工具、ロボット、離島の電力貯蔵システム、宇宙ステーションなどの電源として利用することができる。   The secondary battery system according to the present invention includes, for example, an electric vehicle, a hybrid electric vehicle, a plug-in hybrid electric vehicle, an electric construction machine, a transport device, a construction machine, a care device, a light vehicle, an electric tool, a robot, and power of a remote island. It can be used as a power source for storage systems and space stations.

本発明は、リチウムイオン電池に限らず、非水電解液を用い、電極へのイオンの吸蔵・放出により、電気エネルギーを貯蔵・利用可能とする電気化学デバイスに適用することが可能である。本発明は安全性に優れるため、特に大型の移動体または定置型の電池システムに好適である。   The present invention is not limited to lithium ion batteries, and can be applied to electrochemical devices that use a non-aqueous electrolyte and store and use electrical energy by occluding and releasing ions to and from electrodes. Since this invention is excellent in safety | security, it is suitable for a large sized mobile body or a stationary battery system especially.

以下、実施例および比較例により本発明をさらに具体的に説明する。なお、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples and comparative examples. The present invention is not limited to these examples.

[実施例1]
(B1〜B18のリチウムイオン二次電池の作製)
(1)正極の作製
まず、正極活物質(85質量%、LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2)、バインダ(8質量%、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、株式会社クレハ製)、導電剤(7質量%、カーボンブラック)および溶媒(1-メチル-2-ピロリドン)を調合して正極合剤スラリーを作製した。
[Example 1]
(Preparation of B1-B18 lithium ion secondary batteries)
(1) Production of positive electrode First, a positive electrode active material (85 mass%, LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 ), binder (8 mass%, polyvinylidene fluoride (PVDF), manufactured by Kureha Corporation) Then, a conductive agent (7% by mass, carbon black) and a solvent (1-methyl-2-pyrrolidone) were prepared to prepare a positive electrode mixture slurry.

次に、この正極合剤スラリーを、厚さ20μmの正極集電体(アルミニウム箔)の片面にドクターブレード法を用いて塗布し、乾燥させて、正極合剤層を形成した。その後、ロールプレス機により圧縮成形し、所定の大きさに切断してリチウムイオン二次電池用正極を作製した。   Next, this positive electrode mixture slurry was applied to one side of a positive electrode current collector (aluminum foil) having a thickness of 20 μm by using a doctor blade method and dried to form a positive electrode mixture layer. Then, it compression-molded with the roll press machine, cut | disconnected to the predetermined magnitude | size, and produced the positive electrode for lithium ion secondary batteries.

(2)負極の作製
負極活物質(98質量%、黒鉛(XRD測定により求めた(002)の面間隔d002 = 0.35〜0.36 nm)、平均粒径15〜16μm)、バインダ(2質量%、スチレンブタジエンゴム(1質量%)+カルボキシルメチルセルロース(1質量%))、導電剤(7質量%、カーボンブラック)および溶媒(1-メチル-2-ピロリドン)を調合して負極合剤スラリーを作製した。
(2) Production of negative electrode Negative electrode active material (98% by mass, graphite ((002) interplanar spacing d 002 = 0.35 to 0.36 nm determined by XRD measurement, average particle size 15 to 16 μm)), binder (2% by mass, Styrene butadiene rubber (1% by mass) + carboxymethyl cellulose (1% by mass)), conductive agent (7% by mass, carbon black) and solvent (1-methyl-2-pyrrolidone) were prepared to prepare a negative electrode mixture slurry. .

次に、この負極合剤スラリーを、厚さ20μmの負極集電体(銅箔)の片面にドクターブレード法を用いて塗布し、乾燥させて、負極合剤層を形成した。その後、ロールプレス機により圧縮成形し、所定の大きさに切断してリチウムイオン二次電池用負極を作製した。   Next, this negative electrode mixture slurry was applied to one side of a negative electrode current collector (copper foil) having a thickness of 20 μm using a doctor blade method and dried to form a negative electrode mixture layer. Then, it was compression-molded with a roll press and cut into a predetermined size to produce a negative electrode for a lithium ion secondary battery.

(3)非水電解液の作製
非水電解液の非水溶媒として、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)の混合溶媒(体積比=1 : 1 : 1)を調合した。次に、該混合溶媒に対して、電解質として六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)を1 mol/Lとなるように溶解させた。最後に、該混合溶液に対して、後述する表1に示す難燃剤を、所定濃度で添加・混合し、非水電解液を作製した。表中、難燃剤の含有量は、非水電解液全体に対する質量濃度(質量%)である。また、電解質の濃度は、非水溶媒に対するに対する体積モル濃度である(以下、同様)。
(3) Preparation of non-aqueous electrolyte As a non-aqueous solvent for the non-aqueous electrolyte, a mixed solvent of ethylene carbonate (EC), ethyl methyl carbonate (EMC), and dimethyl carbonate (DMC) (volume ratio = 1: 1: 1) Was formulated. Next, lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) as an electrolyte was dissolved in the mixed solvent so as to be 1 mol / L. Finally, a flame retardant shown in Table 1 described later was added to and mixed with the mixed solution at a predetermined concentration to prepare a non-aqueous electrolyte. In the table, the content of the flame retardant is a mass concentration (% by mass) with respect to the entire non-aqueous electrolyte. The concentration of the electrolyte is a volume molar concentration with respect to the non-aqueous solvent (hereinafter the same).

なお、難燃剤として用いる亜リン酸トリメチル((CH3O)3P)および亜リン酸ジメチル((CH3O)2POH)に対して、あらかじめ以下の要領で脱水処理を行った。アルゴンガスを充填したグローブボックス内で、室温にて、亜リン酸トリメチルまたは亜リン酸ジメチルにモレキュラーシーブを投入し、一週間放置した。それぞれの浸漬液を濾過して、無水の亜リン酸トリメチルと無水の亜リン酸ジメチルとを得た。 The trimethyl phosphite ((CH 3 O) 3 P) and dimethyl phosphite ((CH 3 O) 2 POH) used as flame retardants were dehydrated in advance as follows. In a glove box filled with argon gas, molecular sieves were charged into trimethyl phosphite or dimethyl phosphite at room temperature and left for one week. Each immersion liquid was filtered to obtain anhydrous trimethyl phosphite and anhydrous dimethyl phosphite.

(4)リチウムイオン二次電池の作製
上記で作製した正極、負極および非水電解液を使用して、図1に示したリチウムイオン二次電池(定格容量:10 Ah)を作製した。電池容器102および蓋103にはステンレス鋼を用い、セパレータ109には厚さ30μmの多孔性のポリエチレンフィルムを用い、絶縁性シール112にはフッ素樹脂を用いた。また、図1に示したように、セパレータ109は、正極107と電池容器102との間、負極108と電池容器102との間にも配置し、電池容器102を通じて正極107と負極108とが短絡しない構成とした。
(4) Production of Lithium Ion Secondary Battery The lithium ion secondary battery (rated capacity: 10 Ah) shown in FIG. Stainless steel was used for the battery container 102 and the lid 103, a porous polyethylene film having a thickness of 30 μm was used for the separator 109, and a fluororesin was used for the insulating seal 112. In addition, as shown in FIG. 1, the separator 109 is also disposed between the positive electrode 107 and the battery container 102 and between the negative electrode 108 and the battery container 102, and the positive electrode 107 and the negative electrode 108 are short-circuited through the battery container 102. Not configured.

(試験評価)
(a)充放電試験(初期容量評価)
上記で用意したリチウムイオン二次電池について、以下の充放電試験を実施し、初期容量を評価した。まず、作製した電池を開回路の状態から電池電圧が4.2 Vになるまで、5 Aの充電電流にて充電した。電池電圧が4.2 Vに達した後は、電流値が0.1 Aに減少するまで、4.2 Vを保持した。その後、充電を停止し、30分間の休止時間を設けた。次いで、5 Aの放電電流の放電を開始し、電池電圧が3.0 Vに達するまで放電させた。その後、放電を停止し、30分間の休止時間を設けた。ここまでの工程を初期エージングと称す。この初期エージングを3回繰り返した後に得られた放電容量を当該二次電池の初期容量とした。同じ条件の二次電池を5個作製し、上述した試験を同様に実施して、初期容量の平均値を算出した。なお、測定値のバラツキは、平均値に対してほぼ±0.1 Ahの範囲内であった。定格容量に対して、90%以上の初期容量を「合格」と評価し、90%未満の初期容量を「不合格」と評価した。結果を後述する表1に示す。
(Test evaluation)
(A) Charge / discharge test (initial capacity evaluation)
About the lithium ion secondary battery prepared above, the following charging / discharging tests were implemented and initial capacity was evaluated. First, the fabricated battery was charged with a charging current of 5 A from the open circuit state until the battery voltage reached 4.2 V. After the battery voltage reached 4.2 V, 4.2 V was maintained until the current value decreased to 0.1 A. Thereafter, charging was stopped and a 30-minute rest period was provided. Next, discharging with a discharge current of 5 A was started and discharged until the battery voltage reached 3.0 V. Thereafter, the discharge was stopped and a 30-minute rest period was provided. The process so far is referred to as initial aging. The discharge capacity obtained after repeating this initial aging three times was used as the initial capacity of the secondary battery. Five secondary batteries under the same conditions were manufactured, and the above test was performed in the same manner to calculate the average value of the initial capacity. Note that the variation in the measured values was approximately within ± 0.1 Ah with respect to the average value. With respect to the rated capacity, an initial capacity of 90% or more was evaluated as “pass”, and an initial capacity of less than 90% was evaluated as “fail”. The results are shown in Table 1 described later.

(b)過充電試験(安全性評価)
初期容量を評価した二次電池に対し過充電試験を実施した。過充電試験の手順を以下に示す。B1〜B18の電池を初期エージングの充電条件に従って再充電し、充電深度100%にした。その状態から、上限電圧4.2 Vを10 Vに変更し、10 Vに達するまで過充電を継続した。この間、二次電池の破裂または発火がないものを「合格」と評価し、二次電池の破裂または発火があったものを「不合格」と評価した。結果を表1に併記する。
(B) Overcharge test (safety evaluation)
An overcharge test was performed on the secondary battery whose initial capacity was evaluated. The procedure of the overcharge test is shown below. B1-B18 batteries were recharged according to the initial aging charge conditions to a charge depth of 100%. From that state, the upper limit voltage 4.2 V was changed to 10 V, and overcharging was continued until 10 V was reached. During this time, the secondary battery that did not rupture or ignite was evaluated as “pass”, and the secondary battery that ruptured or ignited was evaluated as “fail”. The results are also shown in Table 1.

Figure 2014116077
Figure 2014116077

表1に示したように、本発明に係るリチウムイオン二次電池(B2〜B10,B13〜B16)は、初期容量、過充電試験の両方の項目において、要求されるレベルを全てクリアしていることが判る。特に、難燃剤における亜リン酸トリメチル((CH3O)3P)と亜リン酸ジメチル((CH3O)2POH)との合計含有量が1質量%以上10質量%以下であり、(CH3O)3Pが0.9質量%以上9.9質量%以下であり、(CH3O)2POHが0.1質量%以上1質量%以下であるリチウムイオン二次電池(B2〜B7)は、初期容量(平均)が9.9 Ahとなり、最も高い値を示した。 As shown in Table 1, the lithium ion secondary batteries (B2 to B10, B13 to B16) according to the present invention have cleared all the required levels in both the initial capacity and overcharge test items. I understand that. In particular, the total content of trimethyl phosphite ((CH 3 O) 3 P) and dimethyl phosphite ((CH 3 O) 2 POH) in the flame retardant is 1% by mass to 10% by mass, The lithium ion secondary batteries (B2 to B7) in which CH 3 O) 3 P is 0.9 mass% to 9.9 mass% and (CH 3 O) 2 POH is 0.1 mass% to 1 mass% have initial capacity The (average) was 9.9 Ah, the highest value.

一方、CH3O)3Pの添加量が1質量%未満の試料(B1)は、過充電試験において二次電池が破裂し、安全性が不合格であった。また、(CH3O)3Pと(CH3O)2POHとの合計添加量が60質量%より大きい試料(B11,B12,B17,B18)では、二次電池の初期容量が不合格であった。 On the other hand, in the sample (B1) in which the amount of CH 3 O) 3 P added was less than 1% by mass, the secondary battery ruptured in the overcharge test, and the safety was rejected. In addition, in the samples (B11, B12, B17, B18) in which the total amount of (CH 3 O) 3 P and (CH 3 O) 2 POH is greater than 60% by mass, the initial capacity of the secondary battery is not acceptable. there were.

[実施例2]
(B21〜B26のリチウムイオン二次電池の作製と試験評価)
非水電解液中の六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)の濃度を、0.2 mol/L(試料B21)、0.5 mol/L(試料B22)、1.5 mol/L(試料B23)、2.0 mol/L(試料B24)、2.5 mol/L(試料B25)、3 mol/L(試料B26)としたこと以外は、実施例1と同様にして、B21〜B26のリチウムイオン二次電池を作製し、充放電試験および過充電試験を実施した。二次電池の仕様と電池特性結果とを表2に示す。
[Example 2]
(Production and test evaluation of lithium ion secondary batteries B21-B26)
The concentration of lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) in the non-aqueous electrolyte is 0.2 mol / L (Sample B21), 0.5 mol / L (Sample B22), 1.5 mol / L (Sample B23), 2.0 mol / Except that L (sample B24), 2.5 mol / L (sample B25), and 3 mol / L (sample B26) were used, a lithium ion secondary battery of B21 to B26 was prepared in the same manner as in Example 1, A charge / discharge test and an overcharge test were performed. Table 2 shows the specifications of the secondary battery and the battery characteristic results.

Figure 2014116077
Figure 2014116077

表2に示したように、本発明に係るリチウムイオン二次電池(B22〜B25)は、初期容量、過充電試験の両方の項目において、要求されるレベルを全てクリアしていることが判る。一方、電解質(LiPF6)の濃度が0.2 mol/Lである試料(B21)は、二次電池の初期容量が不合格であった。これは非水電解液の導電率が低下したためと考えられた。また、電解質の濃度が3 mol/Lである試料(B26)は、初期容量、過充電試験の両方の項目において不合格であった。初期容量が低下したのは、電解液の粘度上昇が起きたためと考えられた。また、過充電試験が不合格となったのは、電解質の分解に起因する発熱量が増大した可能性があると考えられた。 As shown in Table 2, it can be seen that the lithium ion secondary batteries (B22 to B25) according to the present invention have cleared all the required levels in both the initial capacity and overcharge test items. On the other hand, the sample (B21) in which the concentration of the electrolyte (LiPF 6 ) was 0.2 mol / L failed in the initial capacity of the secondary battery. This was considered due to a decrease in the conductivity of the non-aqueous electrolyte. In addition, the sample (B26) having an electrolyte concentration of 3 mol / L failed in both the initial capacity and overcharge test items. The initial capacity decreased because the viscosity of the electrolyte increased. In addition, the overcharge test was considered to have failed because the amount of heat generated due to the decomposition of the electrolyte may have increased.

上記の結果から、本発明に係るリチウムイオン二次電池において、非水電解液中の電解質濃度は、0.5 mol/L以上が好ましく、2.5 mol/L以下であれば少なくとも合格レベルであることが実証された。   From the above results, in the lithium ion secondary battery according to the present invention, the electrolyte concentration in the nonaqueous electrolytic solution is preferably 0.5 mol / L or more, and if it is 2.5 mol / L or less, it is verified that it is at least a pass level. It was done.

[実施例3]
(B31〜B33のリチウムイオン二次電池の作製と試験評価)
複数種のリチウム化合物を混合した混合電解質を用いたこと以外は、実施例1と同様にして、B31〜B33のリチウムイオン二次電池を作製し、充放電試験および過充電試験を実施した。リチウム化合物としてはLiPF6、LiN(SO2F)2、LiN(SO2CF3)2、リチウムビス(ペンタフルオロエタンスルホニル)イミド(LiBETI)を用い、その中から2種類を混合した。2種類のリチウム化合物A,Bおよびその混合割合(それぞれのモル濃度の比、[A]/[B])は、[LiPF6]/[LiN(SO2F)2]=[0.8 mol/L]/[0.2 mol/L](試料B31)、[LiPF6]/[LiN(SO2CF3)2]=[0.8 mol/L]/[0.2 mol/L](試料B32)、[LiPF6]/[ LiBETI]=[0.8 mol/L]/[0.2 mol/L](試料B33)とした。二次電池の仕様と電池特性結果とを表3に示す。
[Example 3]
(Production and test evaluation of B31-B33 lithium ion secondary batteries)
Except having used the mixed electrolyte which mixed multiple types of lithium compound, it carried out similarly to Example 1, produced the lithium ion secondary battery of B31-B33, and implemented the charging / discharging test and the overcharge test. LiPF 6 , LiN (SO 2 F) 2 , LiN (SO 2 CF 3 ) 2 and lithium bis (pentafluoroethanesulfonyl) imide (LiBETI) were used as the lithium compound, and two of them were mixed. The two lithium compounds A and B and their mixing ratio (ratio of their respective molar concentrations, [A] / [B]) are [LiPF 6 ] / [LiN (SO 2 F) 2 ] = [0.8 mol / L ] / [0.2 mol / L] (Sample B31), [LiPF 6 ] / [LiN (SO 2 CF 3 ) 2 ] = [0.8 mol / L] / [0.2 mol / L] (Sample B32), [LiPF 6 ] / [LiBETI] = [0.8 mol / L] / [0.2 mol / L] (Sample B33). Table 3 shows the specifications of the secondary battery and the battery characteristic results.

Figure 2014116077
Figure 2014116077

表3に示したように、B31〜B33の全てのリチウムイオン二次電池は、初期容量、過充電試験の両方の項目において、要求されるレベルを全てクリアしていることが判る。この結果から、本発明に係るリチウムイオン二次電池において、非水電解液中の電解質として複数種のリチウム化合物を混合可能であることが実証された。   As shown in Table 3, it can be seen that all the lithium ion secondary batteries B31 to B33 have cleared all the required levels in both the initial capacity and overcharge test items. From this result, it was demonstrated that in the lithium ion secondary battery according to the present invention, a plurality of types of lithium compounds can be mixed as the electrolyte in the nonaqueous electrolytic solution.

[実施例4]
(B41〜B45のリチウムイオン二次電池の作製と試験評価)
電解質としてLiPF6とLiBF4との混合物を用いたこと以外は、実施例1と同様にして、B41〜B45のリチウムイオン二次電池を作製し、充放電試験および過充電試験を実施した。添加したLiPF6とLiBF4との混合割合(それぞれのモル濃度の比、[LiPF6]/[LiBF4])は、[0.9 mol/L]/[0.1 mol/L](試料B31)、[0.7 mol/L]/[0.3 mol/L](試料B32)、[0.5 mol/L]/[0.5 mol/L](試料B33)、[0.3 mol/L]/[0.7 mol/L](試料B34)、[0.1 mol/L]/[0.9 mol/L](試料B35)とした。二次電池の仕様と電池特性結果とを表4に示す。
[Example 4]
(Production and test evaluation of B41-B45 lithium ion secondary batteries)
Except that a mixture of LiPF 6 and LiBF 4 was used as the electrolyte, B41 to B45 lithium ion secondary batteries were produced in the same manner as in Example 1, and a charge / discharge test and an overcharge test were performed. The mixing ratio of the added LiPF 6 and LiBF 4 (ratio of molar concentration of each, [LiPF 6 ] / [LiBF 4 ]) is [0.9 mol / L] / [0.1 mol / L] (Sample B31), [ 0.7 mol / L] / [0.3 mol / L] (Sample B32), [0.5 mol / L] / [0.5 mol / L] (Sample B33), [0.3 mol / L] / [0.7 mol / L] (Sample B34) and [0.1 mol / L] / [0.9 mol / L] (sample B35). Table 4 shows the specifications of the secondary battery and the battery characteristic results.

Figure 2014116077
Figure 2014116077

表4に示したように、B41〜B45の全てのリチウムイオン二次電池は、初期容量、過充電試験の両方の項目において、要求されるレベルを全てクリアしていることが判る。この結果から、本発明に係るリチウムイオン二次電池において、非水電解液中の電解質として複数種のリチウム化合物を混合して用いた場合でも、任意の割合で混合可能であることが確認された。なお、LiBF4の濃度が高くなるにつれて初期容量がわずかに低下する傾向が見られたが、これはLiBF4の導電率がLiPF6の導電率よりも低いためと考えられる。 As shown in Table 4, it can be seen that all the lithium ion secondary batteries B41 to B45 cleared all the required levels in both the initial capacity and overcharge test items. From this result, it was confirmed that in the lithium ion secondary battery according to the present invention, even when a plurality of types of lithium compounds are mixed and used as the electrolyte in the non-aqueous electrolyte, they can be mixed at an arbitrary ratio. . In addition, the tendency that the initial capacity slightly decreases as the concentration of LiBF 4 is increased is considered to be because the conductivity of LiBF 4 is lower than that of LiPF 6 .

[実施例5]
(B51〜B55のリチウムイオン二次電池の作製と試験評価)
本実施例では、高分子ゲル電解質を用いてリチウムイオン二次電池を作製した。具体的には、ポリエチレンオキシドの高分子シート(平均分子量7000〜8000、厚さ3μm)を用い、該高分子シートに、本発明の難燃剤を含む非水電解液を含浸させて、高分子ゲル電解質を用意した。高分子シートの質量に対して130〜150質量%の非水電解液(難燃剤を含む)を含浸させた。それ以外は実施例1と同様にして、B51〜B55のリチウムイオン二次電池を作製し、充放電試験および過充電試験を実施した。二次電池の仕様と電池特性結果とを表5に示す。
[Example 5]
(Production and test evaluation of B51-B55 lithium ion secondary batteries)
In this example, a lithium ion secondary battery was produced using a polymer gel electrolyte. Specifically, a polymer sheet of polyethylene oxide (average molecular weight 7000 to 8000, thickness 3 μm) is used, and the polymer sheet is impregnated with the non-aqueous electrolyte containing the flame retardant of the present invention. An electrolyte was prepared. A non-aqueous electrolyte (including a flame retardant) of 130 to 150% by mass with respect to the mass of the polymer sheet was impregnated. Other than that was carried out similarly to Example 1, the lithium ion secondary battery of B51-B55 was produced, and the charging / discharging test and the overcharge test were implemented. Table 5 shows the specifications of the secondary battery and the battery characteristic results.

Figure 2014116077
Figure 2014116077

表5に示したように、本発明に係るリチウムイオン二次電池(B51〜B55)は、初期容量、過充電試験の両方の項目において、要求されるレベルを全てクリアしていることが判る。このことから、本発明の難燃剤を添加していれば、固体高分子ゲル電解質であっても本発明の効果が得られることが実証された。   As shown in Table 5, it can be seen that the lithium ion secondary batteries (B51 to B55) according to the present invention have cleared all required levels in both items of the initial capacity and the overcharge test. From this, it was proved that the effects of the present invention can be obtained even with a solid polymer gel electrolyte if the flame retardant of the present invention is added.

[実施例6]
実施例1で用意したリチウムイオン二次電池B5を用いて、図2に示す二次電池システムを作製し、充放電試験、サイクル試験、および過充電試験を行った。
[Example 6]
The secondary battery system shown in FIG. 2 was produced using the lithium ion secondary battery B5 prepared in Example 1, and a charge / discharge test, a cycle test, and an overcharge test were performed.

発電装置222における発電状況に合わせて、リチウムイオン二次電池101a,101bの充放電を行いながら、外部機器219に電力を供給する実験を行った。2時間率の充電を行った後に1時間率の放電を行い、初期の放電容量を求めた。その結果、各二次電池101a、101bの設計容量10 Ahの99.5〜100%の容量が得られることが確認された。   An experiment was conducted in which power was supplied to the external device 219 while charging and discharging the lithium ion secondary batteries 101a and 101b in accordance with the power generation status of the power generation device 222. After charging at a rate of 2 hours, a discharge at a rate of 1 hour was performed to determine the initial discharge capacity. As a result, it was confirmed that a capacity of 99.5 to 100% of the design capacity 10 Ah of each of the secondary batteries 101a and 101b was obtained.

その後、環境温度20〜30℃の条件で、充放電サイクル試験を行った。まず、2時間率の電流(5 A)にて充電を行い、充電深度50%(5 Ah充電した状態)になった時点で、充電方向に5秒のパルスを、放電方向に5秒のパルスを二次電池101a、101bに与え、発電装置222からの電力の受け入れと外部機器219への電力供給を模擬するパルス試験を行った。電流パルスの大きさは、ともに20 Aとした。   Thereafter, a charge / discharge cycle test was performed under conditions of an environmental temperature of 20 to 30 ° C. First, when charging is performed at a current of 2 hours (5 A) and the depth of charge reaches 50% (5 Ah charged), a pulse of 5 seconds in the charging direction and a pulse of 5 seconds in the discharging direction Was applied to the secondary batteries 101a and 101b, and a pulse test was performed to simulate the acceptance of power from the power generator 222 and the supply of power to the external device 219. The magnitudes of the current pulses were both 20 A.

続けて、残りの容量5 Ahを2時間率の電流(5 A)で各二次電池の電圧が4.2 Vに達するまで充電し、その電圧で1時間の定電圧充電を行って充電を終了させた。その後、1時間率の電流(10 A)にて各二次電池の電圧が3.0 Vまで放電した。   Subsequently, the remaining capacity of 5 Ah is charged with a current of 2 hours (5 A) until the voltage of each secondary battery reaches 4.2 V, and charging is terminated by performing constant voltage charging for 1 hour at that voltage. It was. Thereafter, the voltage of each secondary battery was discharged to 3.0 V at a current of 1 hour rate (10 A).

上記一連の充放電サイクル試験を500回繰り返したところ、初期の放電容量に対し、98〜99%の容量を得た。電力受け入れと電力供給の電流パルスを二次電池に与えても、本二次電池システムの性能はほとんど低下しないことが確認された。   When the above series of charge / discharge cycle tests were repeated 500 times, a capacity of 98 to 99% was obtained with respect to the initial discharge capacity. It was confirmed that the performance of the secondary battery system hardly deteriorates even when a current pulse of power reception and power supply is applied to the secondary battery.

次に、二次電池101aのみを予め充電深度100%まで充電し、二次電池101bは放電した状態で、二次電池システムを組み立てた。この状態から二次電池101bを充電深度100%に向けて充電した。充電過程において、二次電池101aは過充電環境になったが、本発明の難燃剤成分である亜リン酸ジメチルの分解・高抵抗被膜形成による過充電防止作用によって、二次電池101aへの充電は停止された。その結果、二次電池101aにおいて過充電に起因する破裂・発火は発生せず、高い安全性を示すことが確認された。   Next, the secondary battery system was assembled with only the secondary battery 101a charged in advance to a charging depth of 100% and the secondary battery 101b discharged. From this state, the secondary battery 101b was charged toward a charging depth of 100%. During the charging process, the secondary battery 101a is in an overcharge environment, but the secondary battery 101a is charged by the overcharge prevention action by decomposition of dimethyl phosphite, which is a flame retardant component of the present invention, and formation of a high resistance film. Has been stopped. As a result, it was confirmed that the secondary battery 101a did not rupture or ignite due to overcharging and exhibited high safety.

以上説明したように、本発明によれば、従来と同等の電池性能(例えば、初期容量)を有しかつ大容量・高出力化の要求に対応可能な安全性の高いリチウムイオン二次電池を実現するための非水電解液を提供できることが確認された。また、当該非水電解液を利用することによって、電池性能を犠牲にすることなく大容量・高出力化が可能でかつ安全性の高いリチウムイオン二次電池を提供すことができ、さらに、該リチウムイオン二次電池を用いた二次電池システムを提供できることが確認された。   As described above, according to the present invention, a highly safe lithium ion secondary battery having battery performance (for example, initial capacity) equivalent to that of the prior art and capable of meeting demands for large capacity and high output is provided. It was confirmed that a non-aqueous electrolyte for realization could be provided. Further, by using the non-aqueous electrolyte, it is possible to provide a high-capacity lithium-ion secondary battery capable of increasing the capacity and output without sacrificing battery performance, and further, It was confirmed that a secondary battery system using a lithium ion secondary battery can be provided.

なお、本発明は、上述した実施形態および実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は、本発明の理解を助けるために具体的に説明したものであり、説明した全ての構成を備えることに限定されるものではない。また、実施例の構成の一部について、削除・他の構成に置換・他の構成の追加をすることが可能である。   The present invention is not limited to the above-described embodiments and examples, and includes various modifications. For example, the above-described embodiments have been specifically described in order to help understanding of the present invention, and are not limited to having all the configurations described. Further, a part of the configuration of the embodiment can be deleted, replaced with another configuration, or added with another configuration.

101,101a,101b…リチウムイオン二次電池、102…電池容器、103…蓋、
104…正極外部端子、105…負極外部端子、106…注液口、
107…正極、108…負極、109…セパレータ、110…正極リード線、
111…負極リード線、112…絶縁性シール、
213,214,215,217,218,220,221…電力ケーブル、216…充放電制御機構、
219…外部機器、222…発電装置。
101, 101a, 101b ... lithium ion secondary battery, 102 ... battery container, 103 ... lid,
104 ... Positive electrode external terminal, 105 ... Negative electrode external terminal, 106 ... Injection port,
107 ... positive electrode, 108 ... negative electrode, 109 ... separator, 110 ... positive electrode lead wire,
111 ... Negative lead wire, 112 ... Insulating seal,
213, 214, 215, 217, 218, 220, 221 ... power cable, 216 ... charge / discharge control mechanism,
219 ... External equipment, 222 ... Power generator.

Claims (14)

リチウム化合物からなる電解質と非水溶媒と難燃剤とを含有する非水電解液を有するリチウムイオン二次電池であって、
前記非水電解液中のリチウム濃度が、0.5 mol/L以上2.5 mol/L以下であり、
前記難燃剤は、亜リン酸トリメチルと亜リン酸ジメチルとを含み、
前記亜リン酸トリメチルと前記亜リン酸ジメチルとの合計含有量が、前記非水電解液に対して1質量%以上60質量%以下であることを特徴とするリチウムイオン二次電池。
A lithium ion secondary battery having a non-aqueous electrolyte containing an electrolyte comprising a lithium compound, a non-aqueous solvent and a flame retardant,
The lithium concentration in the non-aqueous electrolyte is 0.5 mol / L or more and 2.5 mol / L or less,
The flame retardant includes trimethyl phosphite and dimethyl phosphite,
The lithium ion secondary battery, wherein a total content of the trimethyl phosphite and the dimethyl phosphite is 1% by mass to 60% by mass with respect to the non-aqueous electrolyte.
請求項1に記載のリチウムイオン二次電池において、
前記亜リン酸トリメチルと前記亜リン酸ジメチルとの合計含有量が、前記非水電解液に対して10質量%以下であることを特徴とするリチウムイオン二次電池。
The lithium ion secondary battery according to claim 1,
The lithium ion secondary battery, wherein a total content of the trimethyl phosphite and the dimethyl phosphite is 10% by mass or less based on the non-aqueous electrolyte.
請求項2に記載のリチウムイオン二次電池において、
前記亜リン酸トリメチルの含有量が、前記非水電解液に対して0.9質量%以上9.9質量%以下であり、
前記亜リン酸ジメチルの含有量が、前記非水電解液に対して0.1質量%以上1質量%以下であることを特徴とするリチウムイオン二次電池。
The lithium ion secondary battery according to claim 2,
The content of trimethyl phosphite is 0.9 mass% or more and 9.9 mass% or less with respect to the non-aqueous electrolyte,
Content of the said dimethyl phosphite is 0.1 to 1 mass% with respect to the said non-aqueous electrolyte, The lithium ion secondary battery characterized by the above-mentioned.
請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池において、
前記リチウム化合物が、LiPF6、LiBF4、LiN(SO2F)2、LiN(SO2CF3)2、リチウムビス(ペンタフルオロエタンスルホニル)イミドの中から選ばれる少なくとも1つであることを特徴とするリチウムイオン二次電池。
The lithium ion secondary battery according to any one of claims 1 to 3,
The lithium compound is at least one selected from LiPF 6 , LiBF 4 , LiN (SO 2 F) 2 , LiN (SO 2 CF 3 ) 2 , and lithium bis (pentafluoroethanesulfonyl) imide. Lithium ion secondary battery.
請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池において、
前記非水電解液が固体高分子に含浸された固体高分子ゲル電解質を有することを特徴とするリチウムイオン二次電池。
The lithium ion secondary battery according to any one of claims 1 to 4,
A lithium ion secondary battery comprising a solid polymer gel electrolyte in which the nonaqueous electrolyte is impregnated in a solid polymer.
少なくとも2個以上のリチウムイオン二次電池が直列あるいは並列に接続された二次電池システムであって、
前記リチウムイオン二次電池は、リチウム化合物からなる電解質と非水溶媒と難燃剤とを含有する非水電解液を有し、
前記電解液中のリチウム濃度が、0.5 mol/L以上2.5 mol/L以下であり、
前記難燃剤は、亜リン酸トリメチルと亜リン酸ジメチルとを含み、
前記亜リン酸トリメチルと前記亜リン酸ジメチルとの合計含有量が、前記非水電解液に対して1質量%以上60質量%以下であることを特徴とする二次電池システム。
A secondary battery system in which at least two lithium ion secondary batteries are connected in series or in parallel,
The lithium ion secondary battery has a nonaqueous electrolytic solution containing an electrolyte composed of a lithium compound, a nonaqueous solvent, and a flame retardant,
The lithium concentration in the electrolyte is 0.5 mol / L or more and 2.5 mol / L or less,
The flame retardant includes trimethyl phosphite and dimethyl phosphite,
A secondary battery system, wherein a total content of the trimethyl phosphite and the dimethyl phosphite is 1% by mass to 60% by mass with respect to the non-aqueous electrolyte.
請求項6に記載の二次電池システムにおいて、
前記亜リン酸トリメチルと前記亜リン酸ジメチルの合計含有量が、前記非水電解液に対して10質量%以下の範囲であることを特徴とする二次電池システム。
The secondary battery system according to claim 6,
The secondary battery system, wherein a total content of the trimethyl phosphite and the dimethyl phosphite is in a range of 10% by mass or less with respect to the non-aqueous electrolyte.
請求項7に記載の二次電池システムにおいて、
前記亜リン酸トリメチルの含有量が、前記非水電解液に対して0.9質量%以上9.9質量%以下であり、
前記亜リン酸ジメチルの含有量が、前記非水電解液に対して0.1質量%以上1質量%以下であることを特徴とする二次電池システム。
The secondary battery system according to claim 7,
The content of trimethyl phosphite is 0.9 mass% or more and 9.9 mass% or less with respect to the non-aqueous electrolyte,
A secondary battery system, wherein a content of the dimethyl phosphite is 0.1% by mass or more and 1% by mass or less with respect to the non-aqueous electrolyte.
請求項6乃至請求項8のいずれか1項に記載の二次電池システムにおいて、
前記リチウム化合物が、LiPF6、LiBF4、LiN(SO2F)2、LiN(SO2CF3)2、リチウムビス(ペンタフルオロエタンスルホニル)イミドの中から選ばれる少なくとも1つであることを特徴とする二次電池システム。
The secondary battery system according to any one of claims 6 to 8,
The lithium compound is at least one selected from LiPF 6 , LiBF 4 , LiN (SO 2 F) 2 , LiN (SO 2 CF 3 ) 2 , and lithium bis (pentafluoroethanesulfonyl) imide. Rechargeable battery system.
請求項6乃至請求項9のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池システムにおいて、
前記リチウムイオン二次電池は、前記非水電解液が固体高分子に含浸された固体高分子ゲル電解質を有することを特徴とするリチウムイオン二次電池システム。
The lithium ion secondary battery system according to any one of claims 6 to 9,
The lithium ion secondary battery includes a solid polymer gel electrolyte in which the non-aqueous electrolyte is impregnated in a solid polymer.
リチウム化合物からなる電解質と難燃剤と非水溶媒とを含有するリチウムイオン二次電池用の非水電解液であって、
前記非水電解液中のリチウム濃度が、0.5 mol/L以上2.5 mol/L以下であり、
前記難燃剤は、亜リン酸トリメチルと亜リン酸ジメチルとを含み、
前記亜リン酸トリメチルと前記亜リン酸ジメチルとの合計含有量が、前記非水電解液に対して1質量%以上60質量%以下であることを特徴とする非水電解液。
A non-aqueous electrolyte for a lithium ion secondary battery containing an electrolyte comprising a lithium compound, a flame retardant, and a non-aqueous solvent,
The lithium concentration in the non-aqueous electrolyte is 0.5 mol / L or more and 2.5 mol / L or less,
The flame retardant includes trimethyl phosphite and dimethyl phosphite,
A nonaqueous electrolytic solution, wherein a total content of the trimethyl phosphite and the dimethyl phosphite is 1% by mass to 60% by mass with respect to the nonaqueous electrolytic solution.
請求項11に記載の非水電解液において、
前記亜リン酸トリメチルと前記亜リン酸ジメチルとの合計含有量が、前記非水電解液に対して10質量%以下であることを特徴とする非水電解液。
The non-aqueous electrolyte according to claim 11,
The nonaqueous electrolyte solution, wherein a total content of the trimethyl phosphite and the dimethyl phosphite is 10% by mass or less with respect to the nonaqueous electrolyte solution.
請求項12に記載の非水電解液おいて、
前記亜リン酸トリメチルの含有量が、前記非水電解液に対して0.9質量%以上9.9質量%以下であり、
前記亜リン酸ジメチルの含有量が、前記非水電解液に対して0.1質量%以上1質量%以下であることを特徴とする非水電解液。
In the non-aqueous electrolyte according to claim 12,
The content of trimethyl phosphite is 0.9 mass% or more and 9.9 mass% or less with respect to the non-aqueous electrolyte,
A nonaqueous electrolytic solution, wherein a content of the dimethyl phosphite is 0.1% by mass or more and 1% by mass or less with respect to the nonaqueous electrolytic solution.
請求項11乃至請求項13のいずれか1項に記載の非水電解液において、
前記リチウム化合物が、LiPF6、LiBF4、LiN(SO2F)2、LiN(SO2CF3)2、リチウムビス(ペンタフルオロエタンスルホニル)イミドの中から選ばれる少なくとも1つであることを特徴とする非水電解液。
The nonaqueous electrolytic solution according to any one of claims 11 to 13,
The lithium compound is at least one selected from LiPF 6 , LiBF 4 , LiN (SO 2 F) 2 , LiN (SO 2 CF 3 ) 2 , and lithium bis (pentafluoroethanesulfonyl) imide. Non-aqueous electrolyte.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2016039031A (en) * 2014-08-07 2016-03-22 トヨタ自動車株式会社 All-solid battery system
JP2016134283A (en) * 2015-01-19 2016-07-25 株式会社日本触媒 Nonaqueous electrolyte and power storage device including the same
JP2018152291A (en) * 2017-03-14 2018-09-27 株式会社豊田中央研究所 Electrolyte

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002231309A (en) * 2001-02-07 2002-08-16 Sanyo Electric Co Ltd Lithium secondary battery
JP2004014351A (en) * 2002-06-07 2004-01-15 Matsushita Electric Ind Co Ltd Nonaqueous electrolyte secondary battery
JP2010282906A (en) * 2009-06-08 2010-12-16 Asahi Kasei E-Materials Corp Nonaqueous electrolyte for lithium ion secondary battery and lithium ion secondary battery
WO2012029420A1 (en) * 2010-09-02 2012-03-08 日本電気株式会社 Secondary battery

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002231309A (en) * 2001-02-07 2002-08-16 Sanyo Electric Co Ltd Lithium secondary battery
JP2004014351A (en) * 2002-06-07 2004-01-15 Matsushita Electric Ind Co Ltd Nonaqueous electrolyte secondary battery
JP2010282906A (en) * 2009-06-08 2010-12-16 Asahi Kasei E-Materials Corp Nonaqueous electrolyte for lithium ion secondary battery and lithium ion secondary battery
WO2012029420A1 (en) * 2010-09-02 2012-03-08 日本電気株式会社 Secondary battery

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2016039031A (en) * 2014-08-07 2016-03-22 トヨタ自動車株式会社 All-solid battery system
JP2016134283A (en) * 2015-01-19 2016-07-25 株式会社日本触媒 Nonaqueous electrolyte and power storage device including the same
JP2018152291A (en) * 2017-03-14 2018-09-27 株式会社豊田中央研究所 Electrolyte

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