JP2014192146A - Nonaqueous secondary battery, and electrolytic solution for nonaqueous secondary battery use - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、非水二次電池および非水二次電池用電解液に関する。 The present invention relates to a non-aqueous secondary battery and an electrolyte for a non-aqueous secondary battery.
リチウム二次電池は、携帯電話やノート型パソコンなどのポータブル電子機器の電源として広く普及している。こうした携帯用途を中心とするプリケーションの拡充に伴い、軽量・小型でより高エネルギー密度、高容量の製品が開発されてきた。他方、安全性の面では、固有の課題として過充電の現象があった。これは、二次電池が満充電の状態に達しているにもかかわらず、さらに充電を続けた場合、電極が短絡し不具合を生じさせるものである。特に、有機系の電解液を用いるリチウム二次電池では、使用上の安全確保の観点からも十分な対応が望まれてきた。 Lithium secondary batteries are widely used as power sources for portable electronic devices such as mobile phones and notebook computers. With the expansion of applications centering on portable applications, products with lighter and smaller size, higher energy density and higher capacity have been developed. On the other hand, in terms of safety, there is an overcharge phenomenon as an inherent problem. In this case, even if the secondary battery has reached a fully charged state, if the charging is further continued, the electrodes are short-circuited to cause a problem. In particular, a lithium secondary battery using an organic electrolyte solution has been desired to be sufficiently handled from the viewpoint of ensuring safety in use.
これに対し、通常は電池が装着される電気機器側で対策がとられている。具体的には、充電制御回路が組み込まれるなどして、満充電に達すると電気の供給が遮断されるようになっている。しかしながら、極めてまれではあっても、上記の回路では対応できず、過充電状態に至ることが想定される。このようなときにも、非水電解液に改良が加えられ、過充電を抑制することができれば、より一層の信頼性の向上につなげることができる。 On the other hand, countermeasures are usually taken on the side of the electric device to which the battery is attached. Specifically, a charge control circuit is incorporated, and the supply of electricity is cut off when full charge is reached. However, even though it is extremely rare, the above circuit cannot cope with it, and it is assumed that an overcharged state is reached. Even in such a case, if the non-aqueous electrolyte is improved and overcharge can be suppressed, the reliability can be further improved.
このような過充電による不具合を抑制ないし防止する目的で、非水電解液に添加する添加剤がいくつか提案されている。なかでも代表的なものとして、下記特許文献1に開示されたビフェニルを挙げることができる。これにより、過充電時に電極に作用して、系内の電気抵抗を上昇させ不具合の進行を抑えるものである。これとは別に、過充電時に発生するガスを感圧弁で検知し、内部のガスを放出するあるいは電流を遮断することで不具合の過度の進行を止めるものがある。この感圧機構を有する電池の電解液に適用されるガス放出剤として、シクロヘキシルベンゼンが提案されている(下記特許文献2参照)。
Several additives to be added to the non-aqueous electrolyte have been proposed for the purpose of suppressing or preventing such problems due to overcharging. Among them, a representative example is biphenyl disclosed in
本発明者は、感圧機構を有する非水二次電池において、その過充電をより効果的に防止するために、上記シクロヘキルベンゼンに代わる添加剤を探索した。このとき、特に近時利用が広がっているチタン酸リチウム(LTO)等を用いた高電位電池で安定に作動する負極に対しても適合し、充電寿命の長期化をも可能とすることを開発の目標とした。 In order to more effectively prevent overcharge in a non-aqueous secondary battery having a pressure-sensitive mechanism, the present inventor has searched for an additive that replaces the above-described cyclohexylbenzene. At this time, it has been developed to be compatible with negative electrodes that operate stably in high-potential batteries using lithium titanate (LTO), etc., which have recently been widely used, and to extend the charge life. Was the goal.
本発明は、非水電解液からのガス発生に基づく高い過充電防止性と充電寿命の長期化とを両立することができる非水二次電池およびこれに用いられる非水二次電池用電解液の提供を目的とする。 The present invention relates to a non-aqueous secondary battery capable of achieving both high overcharge prevention properties based on gas generation from a non-aqueous electrolyte and a long charge life, and an electrolyte for a non-aqueous secondary battery used therefor The purpose is to provide.
上記の課題は以下の手段によって解決された。
〔1〕下記の負極と下記の正極と非水二次電池用電解液とを具備する非水二次電池であって、
非水二次電池用電解液が、下記式(1)または(2)で表される特定芳香族化合物と有機溶媒と下記の電解質とを含有する非水二次電池。
(負極:第一族又は第二族に属する金属のイオンを挿入放出可能であり、炭素原子(C)、ケイ素原子(Si)、もしくはチタン原子(Ti)を含む材料を活物質とする)
(正極:第一族又は第二族に属する金属のイオンを挿入放出可能な材料を活物質とする)
(電解質:周期律第一族又は第二族に属する金属のイオンを含む金属塩)
〔2〕特定芳香族化合物を電解液中に1質量%〜40質量%で含む〔1〕に記載の非水二次電池。
〔3〕負極の活物質がチタン酸リチウムである〔1〕または〔2〕に記載の非水二次電池。
〔4〕Raの少なくとも一つが電子求引性の置換基である〔1〕〜〔3〕のいずれか1項に記載の非水二次電池。
〔5〕正極の活物質がマンガン又は/及びニッケル元素を含む〔1〕〜〔4〕のいずれか1項に記載の非水二次電池。
〔6〕式(1)または(2)におけるmが1である〔1〕〜〔5〕のいずれか1項に記載の非水二次電池。
〔7〕式(1)または(2)におけるR14の少なくとも一つ及びR22の少なくとも一つが水素原子である〔1〕〜〔6〕のいずれか1項に記載の非水二次電池。
〔8〕所定圧力以上になると電流を遮断する機構を有する〔1〕〜〔7〕のいずれか1項に記載の非水二次電池。
〔9〕正極の活物質が下記式(MA)〜(MC)のいずれかで表される遷移金属酸化物を含む〔1〕〜〔8〕のいずれか1項に記載の非水二次電池。
LiaM1Ob ・・・ (MA)
LicM2 2Od ・・・ (MB)
LieM3(PO4)f ・・・ (MC)
(式中、M1およびM2は、それぞれ独立に、Co、Ni、Fe、Mn、Cu、およびVから選択される1種以上の元素を表す。M3は、それぞれ独立に、V、Ti、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、およびCuから選択される1種以上の元素を表す。ただし、M1〜M3は、その一部が、リチウム以外の周期律表の第1(Ia)族の元素、第2(IIa)族の元素、Al、Ga、In、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Si、P、およびBから選ばれる少なくとも1つにより置換されていてもよい。aは0〜1.2を表す。bは1〜3を表す。cは0〜2を表す。dは3〜5を表す。eは0〜2を表し、fは1〜5を表す。)
〔10〕正極の活物質が、コバルト酸リチウム、マンガン酸リチウム、ニッケル酸リチウム、ニッケルマンガンコバルト酸リチウム、マンガンニッケル酸リチウム、ニッケルコバルトアルミニウム酸リチウム、またはリン酸鉄リチウムである〔1〕〜〔9〕のいずれか1項に記載の非水二次電池。
〔11〕電解液が直鎖のカーボネート化合物を含有する〔1〕〜〔10〕のいずれか1項に記載の非水二次電池。
〔12〕電解液が通常充電時にガスを発生せず、過充電時に有効量のガスを発生する〔1〕〜〔11〕のいずれか1項に記載の非水二次電池。
〔13〕下記式(1)または(2)で表される特定芳香族化合物と有機溶媒と下記電解質とを含有する非水二次電池用電解液。
(電解質:周期律第一族又は第二族に属する金属のイオンを含む金属塩)
〔14〕特定芳香族化合物が、正極電位で4.5V(Li/Li+基準)以上の充電時に気体を放出する〔13〕に記載の非水二次電池用電解液。
〔15〕Raの少なくとも一つが電子求引性の置換基である〔13〕または〔14〕に記載の非水二次電池用電解液。
〔16〕さらに直鎖のカーボネート化合物を含有する〔13〕〜〔15〕のいずれか1項に記載の非水二次電池用電解液。
〔17〕通常充電時にガスを発生せず、過充電時に有効量のガスを発生する〔13〕〜〔16〕のいずれか1項に記載の非水二次電池用電解液。
〔18〕下記式(1)または(2)で表される特定芳香族化合物からなる非水二次電池電解液用添加剤。
〔19〕過充電試験において、1Cにおける充電時の電気量−正極電圧充電カーブの極大値と極小値の差が0.08V以上となる特定芳香族化合物を含む〔1〕〜〔12〕のいずれか1項に記載の非水二次電池。
The above problem has been solved by the following means.
[1] A non-aqueous secondary battery comprising the following negative electrode, the following positive electrode, and an electrolyte for a non-aqueous secondary battery,
A non-aqueous secondary battery in which the electrolyte for a non-aqueous secondary battery contains a specific aromatic compound represented by the following formula (1) or (2), an organic solvent, and the following electrolyte.
(Negative electrode: Metal ions belonging to
(Positive electrode: A material capable of inserting and releasing metal ions belonging to
(Electrolyte: Metal salt containing ions of metals belonging to
[2] The nonaqueous secondary battery according to [1], wherein the electrolyte contains 1% by mass to 40% by mass of the specific aromatic compound.
[3] The nonaqueous secondary battery according to [1] or [2], wherein the negative electrode active material is lithium titanate.
[4] The nonaqueous secondary battery according to any one of [1] to [3], wherein at least one of Ra is an electron withdrawing substituent.
[5] The nonaqueous secondary battery according to any one of [1] to [4], wherein the active material of the positive electrode contains manganese and / or nickel element.
[6] The nonaqueous secondary battery according to any one of [1] to [5], wherein m in Formula (1) or (2) is 1.
[7] The nonaqueous secondary battery according to any one of [1] to [6], wherein at least one of R 14 and at least one of R 22 in the formula (1) or (2) is a hydrogen atom.
[8] The nonaqueous secondary battery according to any one of [1] to [7], which has a mechanism for interrupting current when a predetermined pressure is exceeded.
[9] The nonaqueous secondary battery according to any one of [1] to [8], wherein the active material of the positive electrode includes a transition metal oxide represented by any of the following formulas (MA) to (MC) .
Li a M 1 O b (MA)
Li c M 2 2 O d (MB)
Li e M 3 (PO 4 ) f ... (MC)
(In the formula, M 1 and M 2 each independently represent one or more elements selected from Co, Ni, Fe, Mn, Cu, and V. M 3 independently represents V, Ti. , Cr, Mn, Fe, Co, Ni, and Cu represent one or more elements selected from the group consisting of M 1 to M 3 , part of which is the first (Ia) of the periodic table other than lithium ) Group element, Group 2 (IIa) element, Al, Ga, In, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Si, P, and B may be substituted. a represents 0 to 1.2, b represents 1 to 3, c represents 0 to 2, d represents 3 to 5, e represents 0 to 2, and f represents 1 to 5. )
[10] The active material of the positive electrode is lithium cobalt oxide, lithium manganate, lithium nickelate, lithium nickel manganese cobaltate, lithium manganese nickelate, lithium nickel cobaltaluminate, or lithium iron phosphate [1] to [1] 9] The nonaqueous secondary battery according to any one of the above.
[11] The nonaqueous secondary battery according to any one of [1] to [10], wherein the electrolytic solution contains a linear carbonate compound.
[12] The nonaqueous secondary battery according to any one of [1] to [11], wherein the electrolyte does not generate gas during normal charging but generates an effective amount of gas during overcharging.
[13] An electrolyte solution for a non-aqueous secondary battery containing the specific aromatic compound represented by the following formula (1) or (2), an organic solvent, and the following electrolyte.
(Electrolyte: Metal salt containing ions of metals belonging to
[14] The electrolyte for a non-aqueous secondary battery according to [13], wherein the specific aromatic compound releases a gas when charged at a positive electrode potential of 4.5 V (Li / Li + reference) or more.
[15] The electrolyte solution for a non-aqueous secondary battery according to [13] or [14], wherein at least one Ra is an electron-attracting substituent.
[16] The electrolyte solution for a non-aqueous secondary battery according to any one of [13] to [15], further containing a linear carbonate compound.
[17] The electrolyte for a non-aqueous secondary battery according to any one of [13] to [16], which does not generate gas during normal charging but generates an effective amount of gas during overcharging.
[18] An additive for a non-aqueous secondary battery electrolyte comprising a specific aromatic compound represented by the following formula (1) or (2).
[19] In any one of [1] to [12], the overcharge test includes a specific aromatic compound in which the difference between the maximum value and the minimum value of the electric charge-positive voltage charging curve during charging at 1C is 0.08 V or more. The non-aqueous secondary battery according to
本発明の非水二次電池用電解液および非水二次電池によれば、非水電解液からのガス発生に基づく高い過充電防止性とその寿命の長期化とを両立することができる。また、必要により高電位の負極を用いる条件であっても、これに好適に適合し、その高い性能を発揮することができる。 According to the non-aqueous secondary battery electrolyte and non-aqueous secondary battery of the present invention, it is possible to achieve both a high overcharge prevention property based on gas generation from the non-aqueous electrolyte and a longer life. Moreover, even if it is the conditions using a high potential negative electrode as needed, it adapts suitably and can exhibit the high performance.
本発明の非水二次電池用電解液は、有機溶媒中に、電解質と、下記特定の環状不飽和化合物又は芳香族化合物とを含有する。以下、この特定環状不飽和化合物又は芳香族化合物を中心に、本発明について詳細に説明する。 The electrolyte solution for nonaqueous secondary batteries of the present invention contains an electrolyte and the following specific cyclic unsaturated compound or aromatic compound in an organic solvent. Hereinafter, the present invention will be described in detail focusing on this specific cyclic unsaturated compound or aromatic compound.
<特定芳香族化合物>
本発明に用いられる特定芳香族化合物は分子内に連結基を介したビニル基含有基もしくはエチニル基含有基を有する。当該特定芳香族化合物は、下記式(1)または(2)で表されるものであることが好ましい。なお、本明細書において、特定芳香族化合物とは環状不飽和化合物(8員環等の非ベンゼノイド芳香族化合物)を含む意味である。
<Specific aromatic compounds>
The specific aromatic compound used in the present invention has a vinyl group-containing group or an ethynyl group-containing group via a linking group in the molecule. The specific aromatic compound is preferably one represented by the following formula (1) or (2). In the present specification, the specific aromatic compound means a cyclic unsaturated compound (non-benzenoid aromatic compound such as an 8-membered ring).
・R11〜R14
前記式中、R11〜R14は、それぞれ独立に水素原子及び1価の置換基を表す。1価の置換基として好ましくは、後記置換基Tが挙げられる。中でも、水素原子、アルキル基(炭素数1〜15が好ましく、炭素数1〜12がより好ましく、1〜6がさらに好ましく、1〜3が特に好ましい)、アルケニル基(炭素数2〜12が好ましく、2〜6がより好ましい)、アルコキシ基(炭素数1〜12が好ましく、1〜6がより好ましく、1〜3が特に好ましい)、ハロゲン原子(ヨウ素原子、臭素原子、塩素原子、フッ素原子が好ましく、塩素原子、フッ素原子がより好ましい)、アシルオキシ基(炭素数1〜12が好ましく、1〜6がより好ましく、1〜3が特に好ましい)、アルコキシカルボニル基(炭素数2〜12が好ましく、2〜6がより好ましい)、シアノ基、アミノ基(炭素数0〜6が好ましく、0〜3がより好ましい)、シリル基(炭素数1〜12が好ましく、1〜6がより好ましく、1〜3が特に好ましい)、アリール基(炭素数6〜22が好ましく、6〜14がより好ましい)、またはヘテロアリール基(炭素数1〜12が好ましく、2〜5がより好ましい)であることが好ましい。それぞれ隣接するものが互いに結合もしくは縮合して環構造を形成してもよい。
前記置換基は、連結基Lを介して置換していてもよく、当該連結基としては、カルボニル基、カルボニルオキシ基、オキシ基、スルホニル基、スルホニルオキシ基、イミノ基、アルキレン基、アルケニレン基、スルフィド基、それらを組み合わせた基等が挙げられる。
· R 11 ~R 14
In said formula, R < 11 > -R < 14 > represents a hydrogen atom and a monovalent substituent each independently. The monovalent substituent is preferably a substituent T described later. Among them, a hydrogen atom, an alkyl group (C1-15 are preferable, C1-12 are more preferable, 1-6 are more preferable, and 1-3 are particularly preferable), and an alkenyl group (C2-12 is preferable). 2-6 are more preferable), an alkoxy group (preferably having 1 to 12 carbon atoms, more preferably 1 to 6 and particularly preferably 1 to 3), a halogen atom (iodine atom, bromine atom, chlorine atom, fluorine atom). Preferably, a chlorine atom and a fluorine atom are more preferable, an acyloxy group (preferably having 1 to 12 carbon atoms, more preferably 1 to 6 carbon atoms, and particularly preferably 1 to 3 carbon atoms), an alkoxycarbonyl group (preferably having 2 to 12 carbon atoms), 2-6 are more preferred), a cyano group, an amino group (preferably having 0 to 6 carbon atoms, more preferably 0 to 3), and a silyl group (preferably having 1 to 12 carbon atoms, preferably 1 to 6). 1 to 3 are particularly preferable), an aryl group (preferably having 6 to 22 carbon atoms, more preferably 6 to 14), or a heteroaryl group (preferably having 1 to 12 carbon atoms and more preferably 2 to 5 carbon atoms). Preferably there is. Those adjacent to each other may be bonded to each other or condensed to form a ring structure.
The substituent may be substituted through a linking group L. Examples of the linking group include a carbonyl group, a carbonyloxy group, an oxy group, a sulfonyl group, a sulfonyloxy group, an imino group, an alkylene group, an alkenylene group, Examples thereof include a sulfide group and a group obtained by combining them.
R11〜R14として、なかでも好ましくは、水素原子、前記炭素数のアルキル基、前記炭素数のアルケニル基、前記炭素数のアリール基、前記炭素数のアシルオキシ基、シアノ基またはハロゲン原子(特にフッ素原子)である。特に好ましくは、水素原子、前記炭素数のアルキル基、前記炭素数のアルケニル基、前記炭素数のアリール基、フッ素原子である。 R 11 to R 14 are preferably a hydrogen atom, an alkyl group having the carbon number, an alkenyl group having the carbon number, an aryl group having the carbon number, an acyloxy group having the carbon number, a cyano group, or a halogen atom (particularly, Fluorine atom). Particularly preferred are a hydrogen atom, an alkyl group having the carbon number, an alkenyl group having the carbon number, an aryl group having the carbon number, and a fluorine atom.
・R21、R22
R21、R22はそれぞれ独立に水素原子及び1価の置換基を表す。R21、R22が置換基であるとき連結基を介していてもよく、当該置換基もR11〜R14で規定したものあるいは連結基Lとの組合せが好ましい。なかでも、R22はR11〜R14の好ましい基と同じ基が好ましい。R21は前記炭素数のアルキル基、前記炭素数のアルケニル基、前記炭素数のアリール基が好ましい。アルキル基がアラルキル基であるとき、炭素数7〜15が好ましく、7〜11がより好ましい。
· R 21, R 22
R 21 and R 22 each independently represent a hydrogen atom and a monovalent substituent. When R 21 and R 22 are substituents, they may be connected via a linking group, and the substituents are preferably those defined by R 11 to R 14 or a combination with the linking group L. Among these, R 22 is preferably the same group as the preferred groups of R 11 to R 14 . R 21 is preferably the alkyl group having the carbon number, the alkenyl group having the carbon number, or the aryl group having the carbon number. When the alkyl group is an aralkyl group, 7 to 15 carbon atoms are preferable, and 7 to 11 are more preferable.
・Ra
Raは水素原子または置換基を表す。Raが置換基であるとき連結基Lを介していてもよく、当該置換基の例もR11〜R14で規定したものあるいはこれと置換基Lとの組合せが好ましい。なかでも、前記炭素数のアルキル基、前記炭素数のアルケニル基、前記炭素数のアルコキシ基、アルキルスルホニル基(炭素数1〜12が好ましく、1〜6がより好ましく、1〜3が特に好ましい)、アルキルスルホニルオキシ基(炭素数1〜12が好ましく、1〜6がより好ましく、1〜3が特に好ましい)、ハロゲン原子、ハロゲン化アルキル基(炭素数1〜12が好ましく、1〜6がより好ましく、1〜3が特に好ましい)、アルコキシカルボニル基(炭素数2〜6が好ましく、2〜4がより好ましい)、アルコキシカルボニルオキシ基(炭素数2〜6が好ましく、2〜4がより好ましい)、アミノ基(炭素数1〜12が好ましく、1〜6がより好ましく、1〜3が特に好ましい)、カルバモイル基(炭素数1〜12が好ましく、1〜6がより好ましく、1〜3が特に好ましい)が好ましい。これらの置換基はさらに置換基Tを有していてもよい。複数のRaは互いに同じであっても異なっていても良い意味である。
・ R a
R a represents a hydrogen atom or a substituent. When R a is a substituent, it may be connected via a linking group L, and examples of the substituent are preferably those defined by R 11 to R 14 or a combination of this and the substituent L. Of these, the alkyl group having the carbon number, the alkenyl group having the carbon number, the alkoxy group having the carbon number, and the alkylsulfonyl group (preferably having 1 to 12 carbon atoms, more preferably 1 to 6 carbon atoms, and particularly preferably 1 to 3 carbon atoms). , Alkylsulfonyloxy groups (preferably having 1 to 12 carbon atoms, more preferably 1 to 6 carbon atoms, particularly preferably 1 to 3 carbon atoms), halogen atoms, halogenated alkyl groups (preferably having 1 to 12 carbon atoms and more preferably 1 to 6 carbon atoms). 1 to 3 are particularly preferred), an alkoxycarbonyl group (preferably 2 to 6 carbon atoms, more preferably 2 to 4 carbon atoms), an alkoxycarbonyloxy group (preferably 2 to 6 carbon atoms, more preferably 2 to 4 carbon atoms) An amino group (preferably having 1 to 12 carbon atoms, more preferably 1 to 6 carbon atoms, particularly preferably 1 to 3 carbon atoms), a carbamoyl group (preferably having 1 to 12 carbon atoms, Still more preferably, from 1 to 3 being particularly preferred) it is preferred. These substituents may further have a substituent T. A plurality of Ras may mean the same or different from each other.
上記の置換基のうち更に好ましくはRaのうち少なくとも一つが電子求引性基であるものである。電子求引性基の中で好ましくはハメットのσp値が正の値のものであり、特に好ましくはσp値が0.05以上のものであり、更に好ましくは0.1以上のものである。
ここでHammett則における置換基定数σp値について説明する。Hammett則は、ベンゼン誘導体の反応または平衡に及ぼす置換基の影響を定量的に論ずるために1935年L.P.ハメットにより提唱された経験則であるが、これは今日広く妥当性が認められている。ハメット則に求められた置換基定数にはσp値とσm値があり、これらの値は多くの一般的な成書に見出すことができる。例えば、J.A.Dean編、「Lange’s Handbook of Chemistry」第12版,1979年(McGraw−Hill)や「化学の領域」増刊,122号,96〜103頁,1979年(南光堂)、Chem.Rev.,1991年,91巻,165〜195ページ、Corwin Hansch, A. LEO and R. W. TAFT“A Survey of Hammett Substituent Cosntants and Resonance and Field Parameters”Chem.Rev.1991,91,165−195などに詳しい。
More preferably among the above substituents, at least one of Ra is an electron withdrawing group. Among the electron withdrawing groups, Hammett's σp value is preferably positive, particularly preferably σp value is 0.05 or more, more preferably 0.1 or more.
Here, the substituent constant σp value in Hammett's rule will be described. Hammett's rule is described in 1935 by L.L. in order to quantitatively discuss the effect of substituents on the reaction or equilibrium of benzene derivatives. P. This is a rule of thumb advocated by Hammett, which is widely accepted today. Substituent constants determined by Hammett's rule include σp value and σm value, and these values can be found in many general books. For example, J. et al. A. Dean, “Lange's Handbook of Chemistry”, 12th edition, 1979 (McGraw-Hill), “Areas of Chemistry”, No. 122, 96-103, 1979 (Nankodo), Chem. Rev. 1991, 91, 165-195, Corwin Hansch, A .; LEO and R.M. W. TAFT “A Survey of Hammett Substitute Students and Resonance and Field Parameters” Chem. Rev. 1991, 91, 165-195.
電子求引性基の例としては、下記のものが挙げられる。
RW2は有機基であり、炭素数1〜12のアルキル基(好ましくはメチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、tブチル基、オクチル基)、炭素数6〜12のアリール基(好ましくはフェニル基、ナフチル基)、炭素数7〜12のアラルキル基アラルキル基(好ましくはベンジル基、フェネチル基)、炭素数2〜10のアシル基(好ましくはアセチル基、ピバロイル基、ベンゾイル基)、炭素数1〜12のアルキルスルホニル基(好ましくはメタンスルホニル基、エタンスルホニル基、トルフルオロメタンスルホニル基、ノナフルオロブタンスルホニル基)、炭素数6〜12のアリールスルホニル基(好ましくはベンゼンスルホニル基、トルエンスルホニル基)、炭素数2〜10のアルコキシカルボニル基(好ましくはメトキシカルボニル基、エトキシカルボニル基、フェノキシカルボニル基、ベンジルオキシカルボニル基)が好ましい。 R W2 is an organic group, an alkyl group having 1 to 12 carbon atoms (preferably a methyl group, an ethyl group, a propyl group, an isopropyl group, a butyl group, a tbutyl group, an octyl group), or an aryl group having 6 to 12 carbon atoms. (Preferably phenyl group, naphthyl group), C 7-12 aralkyl group aralkyl group (preferably benzyl group, phenethyl group), C 2-10 acyl group (preferably acetyl group, pivaloyl group, benzoyl group) , An alkylsulfonyl group having 1 to 12 carbon atoms (preferably a methanesulfonyl group, an ethanesulfonyl group, a trifluoromethanesulfonyl group, a nonafluorobutanesulfonyl group), an arylsulfonyl group having 6 to 12 carbon atoms (preferably a benzenesulfonyl group, Toluenesulfonyl group), alkoxycarbonyl groups having 2 to 10 carbon atoms (preferably Toxicarbonyl group, ethoxycarbonyl group, phenoxycarbonyl group, benzyloxycarbonyl group) are preferred.
RW2が複数存在する場合、互いに結合して環構造を形成してもよい。
RW1とRW2が結合して環構造を形成してもよい。
w1〜w12のRW1あるいはRW2が2価以上の基となり、w1〜w12の構造を2つ以上有する連結基となってもよい。その場合、w1〜w12の構造を繰り返し有していてもよい。末端基としては、前記Raの例あるいはw1〜w12の例が挙げられる。
When a plurality of R W2 are present, they may be bonded to each other to form a ring structure.
R W1 and R W2 may combine to form a ring structure.
R W1 or R W2 of w1 to w12 may be a divalent or higher valent group, and may be a linking group having two or more structures of w1 to w12. In that case, you may have repeatedly the structure of w1-w12. Examples of the terminal group include Ra examples and w1-w12 examples.
R11〜R14、Ra、R21、R22は、隣り合う置換基同士が結合もしくは縮合して環を形成していてもよい。形成される環としては、下記置換基Tのシクロアルキル基、アリール基、ヘテロ環基が挙げられる。 R 11 to R 14 , R a , R 21 , and R 22 may form a ring by bonding or condensing adjacent substituents. Examples of the ring formed include a cycloalkyl group, an aryl group, and a heterocyclic group of the following substituent T.
nは1〜8の整数を表し、1〜4が好ましく、1〜3がより好ましい。pは1〜6の整数を表す。mは1〜3の整数を表す。 n represents the integer of 1-8, 1-4 are preferable and 1-3 are more preferable. p represents an integer of 1 to 6. m represents an integer of 1 to 3.
前記式(1)又は(2)で表される化合物の芳香族核は下記のいずれかの構造であることが好ましい。
前記芳香族核は置換基Tを有していてもよい。なかでもRaの好ましい基が挙げられる。 The aromatic nucleus may have a substituent T. Among these, preferred groups for Ra are mentioned.
前記式(1)または(2)で表される化合物の芳香族核に置換する不飽和結合含有置換基は下記の鎖構造であることが好ましい。
以下に、前記特定芳香族化合物の具体例を示すが、本発明がこれにより限定して解釈されるものではない。
前記特定芳香族化合物は、電解液全量中(電解質を含む)、0.1質量%以上であることが好ましく、0.5質量%以上であることがより好ましく、1質量%以上であることが特に好ましい。一方、上限としては、40質量%以下であることが好ましく、30質量%以下であることがより好ましく、20質量%以下であることがさらに好ましく、15質量%以下であることがさらに好ましく、10質量%以下であることが特に好ましい。含有量をこの下限値以上とすることで効果的な過充電時のガス発生量を得ることができ好ましい。上記上限値以下とすることで、サイクル特性を始めとした電池性能を阻害せず好ましい。 The specific aromatic compound is preferably 0.1% by mass or more, more preferably 0.5% by mass or more, and more preferably 1% by mass or more in the total amount of the electrolyte solution (including the electrolyte). Particularly preferred. On the other hand, the upper limit is preferably 40% by mass or less, more preferably 30% by mass or less, further preferably 20% by mass or less, and further preferably 15% by mass or less. It is particularly preferable that the content is not more than mass%. By setting the content to be equal to or higher than the lower limit, an effective amount of gas generated during overcharge can be obtained, which is preferable. By setting it to the upper limit value or less, it is preferable without impairing battery performance including cycle characteristics.
前記例示化合物は任意の置換基Tを有していてもよい。
置換基Tとしては、下記のものが挙げられる。
アルキル基(好ましくは炭素原子数1〜20のアルキル基、例えばメチル、エチル、イソプロピル、t−ブチル、ペンチル、ヘプチル、1−エチルペンチル、ベンジル、2−エトキシエチル、1−カルボキシメチル等)、アルケニル基(好ましくは炭素原子数2〜20のアルケニル基、例えば、ビニル、アリル、オレイル等)、アルキニル基(好ましくは炭素原子数2〜20のアルキニル基、例えば、エチニル、ブタジイニル、フェニルエチニル等)、シクロアルキル基(好ましくは炭素原子数3〜20のシクロアルキル基、例えば、シクロプロピル、シクロペンチル、シクロヘキシル、4−メチルシクロヘキシル等)、アリール基(好ましくは炭素原子数6〜26のアリール基、例えば、フェニル、1−ナフチル、4−メトキシフェニル、2−クロロフェニル、3−メチルフェニル等)、ヘテロ環基(好ましくは炭素原子数2〜20のヘテロ環基、好ましくは、少なくとも1つの酸素原子、硫黄原子、窒素原子を有する5または6員環のヘテロ環基が好ましく、例えば、2−ピリジル、4−ピリジル、2−イミダゾリル、2−ベンゾイミダゾリル、2−チアゾリル、2−オキサゾリル等)、アルコキシ基(好ましくは炭素原子数1〜20のアルコキシ基、例えば、メトキシ、エトキシ、イソプロピルオキシ、ベンジルオキシ等)、アリールオキシ基(好ましくは炭素原子数6〜26のアリールオキシ基、例えば、フェノキシ、1−ナフチルオキシ、3−メチルフェノキシ、4−メトキシフェノキシ等)、アルコキシカルボニル基(好ましくは炭素原子数2〜20のアルコキシカルボニル基、例えば、エトキシカルボニル、2−エチルヘキシルオキシカルボニル等)、アミノ基(好ましくは炭素原子数0〜20のアミノ基、アルキルアミノ基、アリールアミノ基を含み、例えば、アミノ、N,N−ジメチルアミノ、N,N−ジエチルアミノ、N−エチルアミノ、アニリノ等)、スルファモイル基(好ましくは炭素原子数0〜20のスルホンアミド基、例えば、N,N−ジメチルスルファモイル、N−フェニルスルファモイル等)、アシル基(好ましくは炭素原子数1〜20のアシル基、例えば、アセチル、プロピオニル、ブチリル、ベンゾイル等)、アシルオキシ基(好ましくは炭素原子数1〜20のアシルオキシ基、例えば、アセチルオキシ、ベンゾイルオキシ等)、カルバモイル基(好ましくは炭素原子数1〜20のカルバモイル基、例えば、N,N−ジメチルカルバモイル、N−フェニルカルバモイル等)、アシルアミノ基(好ましくは炭素原子数1〜20のアシルアミノ基、例えば、アセチルアミノ、ベンゾイルアミノ等)、スルホンアミド基((好ましくは炭素原子数0〜20のスルファモイル基、例えば、メタンスルホンアミド、ベンゼンスルホンアミド、N−メチルメタンスルスルホンアミド、N−エチルベンゼンスルホンアミド等)、アルキルチオ基(好ましくは炭素原子数1〜20のアルキルチオ基、例えば、メチルチオ、エチルチオ、イソプロピルチオ、ベンジルチオ等)、アリールチオ基(好ましくは炭素原子数6〜26のアリールチオ基、例えば、フェニルチオ、1−ナフチルチオ、3−メチルフェニルチオ、4−メトキシフェニルチオ等)、アルキルもしくはアリールスルホニル基(好ましくは炭素原子数1〜20のアルキルもしくはアリールスルホニル基、例えば、メチルスルホニル、エチルスルホニル、ベンゼンスルホニル等)、ヒドロキシル基、シアノ基、ハロゲン原子(例えばフッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子等)であり、より好ましくはアルキル基、アルケニル基、アリール基、ヘテロ環基、アルコキシ基、アリールオキシ基、アルコキシカルボニル基、アミノ基、アシルアミノ基、ヒドロキシル基またはハロゲン原子であり、特に好ましくはアルキル基、アルケニル基、ヘテロ環基、アルコキシ基、アルコキシカルボニル基、アミノ基、アシルアミノ基またはヒドロキシル基である。
また、これらの置換基Tで挙げた各基は、上記の置換基Tがさらに置換していてもよい。
The exemplified compound may have an arbitrary substituent T.
Examples of the substituent T include the following.
An alkyl group (preferably an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, such as methyl, ethyl, isopropyl, t-butyl, pentyl, heptyl, 1-ethylpentyl, benzyl, 2-ethoxyethyl, 1-carboxymethyl, etc.), alkenyl A group (preferably an alkenyl group having 2 to 20 carbon atoms, such as vinyl, allyl, oleyl, etc.), an alkynyl group (preferably an alkynyl group having 2 to 20 carbon atoms, such as ethynyl, butadiynyl, phenylethynyl, etc.), A cycloalkyl group (preferably a cycloalkyl group having 3 to 20 carbon atoms, such as cyclopropyl, cyclopentyl, cyclohexyl, 4-methylcyclohexyl, etc.), an aryl group (preferably an aryl group having 6 to 26 carbon atoms, for example, Phenyl, 1-naphthyl, 4-methoxyphenyl, -Chlorophenyl, 3-methylphenyl, etc.), a heterocyclic group (preferably a heterocyclic group having 2 to 20 carbon atoms, preferably a 5- or 6-membered heterocycle having at least one oxygen atom, sulfur atom, nitrogen atom) A cyclic group is preferable, for example, 2-pyridyl, 4-pyridyl, 2-imidazolyl, 2-benzimidazolyl, 2-thiazolyl, 2-oxazolyl, etc., an alkoxy group (preferably an alkoxy group having 1 to 20 carbon atoms, for example, Methoxy, ethoxy, isopropyloxy, benzyloxy, etc.), aryloxy groups (preferably aryloxy groups having 6 to 26 carbon atoms, such as phenoxy, 1-naphthyloxy, 3-methylphenoxy, 4-methoxyphenoxy, etc.), An alkoxycarbonyl group (preferably an alkoxycarbonyl having 2 to 20 carbon atoms) Nyl groups such as ethoxycarbonyl, 2-ethylhexyloxycarbonyl, etc., amino groups (preferably including amino groups having 0 to 20 carbon atoms, alkylamino groups, arylamino groups, such as amino, N, N-dimethyl Amino, N, N-diethylamino, N-ethylamino, anilino, etc.), sulfamoyl groups (preferably sulfonamido groups having 0 to 20 carbon atoms, such as N, N-dimethylsulfamoyl, N-phenylsulfamoyl) Etc.), an acyl group (preferably an acyl group having 1 to 20 carbon atoms, such as acetyl, propionyl, butyryl, benzoyl, etc.), an acyloxy group (preferably an acyloxy group having 1 to 20 carbon atoms, such as acetyloxy, Benzoyloxy, etc.), carbamoyl groups (preferably C 1-20 carbon atoms) Rubamoyl groups such as N, N-dimethylcarbamoyl and N-phenylcarbamoyl), acylamino groups (preferably having 1 to 20 carbon atoms, such as acetylamino and benzoylamino), sulfonamido groups (preferably Is a sulfamoyl group having 0 to 20 carbon atoms, such as methanesulfonamide, benzenesulfonamide, N-methylmethanesulfonamide, N-ethylbenzenesulfonamide, etc., an alkylthio group (preferably an alkylthio having 1 to 20 carbon atoms). Groups such as methylthio, ethylthio, isopropylthio, benzylthio, etc., arylthio groups (preferably arylthio groups having 6 to 26 carbon atoms, such as phenylthio, 1-naphthylthio, 3-methylphenylthio, 4-methoxyphenylthio ), An alkyl or arylsulfonyl group (preferably an alkyl or arylsulfonyl group having 1 to 20 carbon atoms, such as methylsulfonyl, ethylsulfonyl, benzenesulfonyl, etc.), a hydroxyl group, a cyano group, a halogen atom (for example, a fluorine atom, chlorine) Atoms, bromine atoms, iodine atoms, etc.), more preferably alkyl groups, alkenyl groups, aryl groups, heterocyclic groups, alkoxy groups, aryloxy groups, alkoxycarbonyl groups, amino groups, acylamino groups, hydroxyl groups or halogen atoms. And particularly preferably an alkyl group, an alkenyl group, a heterocyclic group, an alkoxy group, an alkoxycarbonyl group, an amino group, an acylamino group or a hydroxyl group.
In addition, each of the groups listed as the substituent T may be further substituted with the substituent T described above.
化合物ないし置換基・連結基等がアルキル基・アルキレン基、アルケニル基・アルケニレン基等を含むとき、これらは環状でも鎖状でもよく、また直鎖でも分岐していてもよく、上記のように置換されていても無置換でもよい。またアリール基、ヘテロ環基等を含むとき、それらは単環でも縮環でもよく、同様に置換されていても無置換でもよい。 When the compound or substituent / linking group contains an alkyl group / alkylene group, alkenyl group / alkenylene group, etc., these may be cyclic or chain-like, and may be linear or branched, and substituted as described above. It may be substituted or unsubstituted. Moreover, when an aryl group, a heterocyclic group, etc. are included, they may be monocyclic or condensed and may be similarly substituted or unsubstituted.
(有機溶媒)
本発明に用いられる有機溶媒としては、非プロトン性有機溶媒であることが好ましく、なかでも炭素数2〜10の非プロトン性有機溶媒であることが好ましい。当該有機溶媒は、エーテル基、カルボニル基、エステル基、またはカーボネート基を有する化合物であることが好ましい。当該化合物は置換基を有していてもよく、その例として前記置換基Tが挙げられる。特に炭素数2〜16の直鎖のカーボネート基を含有する有機溶媒であることが好ましい。
(Organic solvent)
The organic solvent used in the present invention is preferably an aprotic organic solvent, and more preferably an aprotic organic solvent having 2 to 10 carbon atoms. The organic solvent is preferably a compound having an ether group, a carbonyl group, an ester group, or a carbonate group. The said compound may have a substituent and the said substituent T is mentioned as the example. In particular, an organic solvent containing a linear carbonate group having 2 to 16 carbon atoms is preferable.
有機溶媒としては、例えば、炭酸エチレン、炭酸プロピレン、炭酸ブチレン、炭酸ジメチル、炭酸ジエチル、炭酸エチルメチル、炭酸メチルプロピル、γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン、1,2−ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、テトラヒドロピラン、1,3−ジオキソラン、4−メチル−1,3−ジオキソラン、1,3−ジオキサン、1,4−ジオキサン、酢酸メチル、酢酸エチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、酪酸メチル、イソ酪酸メチル、トリメチル酢酸メチル、トリメチル酢酸エチル、アセトニトリル、グルタロニトリル、アジポニトリル、メトキシアセトニトリル、3−メトキシプロピオニトリル、N,N−ジメチルホルムアミド、N−メチルピロリジノン、N−メチルオキサゾリジノン、N,N’−ジメチルイミダゾリジノン、ニトロメタン、ニトロエタン、スルホラン、燐酸トリメチル、ジメチルスルホキシドあるいはジメチルスルホキシド燐酸などが挙げられる。これらは、一種単独で用いても2種以上を併用してもよい。中でも、炭酸エチレン、炭酸プロピレン、炭酸ジメチル、炭酸ジエチルおよび炭酸エチルメチルからなる群のうちの少なくとも1種が好ましく、特に、炭酸エチレンあるいは炭酸プロピレンなどの高粘度(高誘電率)溶媒(例えば、比誘電率ε≧30)と炭酸ジメチル、炭酸エチルメチルあるいは炭酸ジエチルなどの低粘度溶媒(例えば、粘度≦1mPa・s)との組み合わせがより好ましい。電解質塩の解離性およびイオンの移動度が向上するからである。
好ましい様態としては炭酸プロピレンを全溶剤に対し5体積%以上、より好ましくは10体積%以上、更に好ましくは15体積%以上含有している溶媒が挙げられる。より好ましい様態としては、環状カーボネートを全溶剤に対し20〜80体積%含有し、環状カーボネートのうち25〜100体積%がプロピレンカーボネートである。更に好ましい様態としては炭酸ジメチル、炭酸ジエチルおよび炭酸エチルメチルから選ばれる鎖状カーボネートを全溶剤に対し20〜80体積%含有し、炭酸エチレンあるいは炭酸プロピレンから選ばれる環状カーボネートを全溶剤に対し20〜80体積%含有し、その環状カーボネートのうち25〜100体積%(より好ましくは40〜100体積%)がプロピレンカーボネートである。炭酸プロピレンを所定量以上含有することで低温における大電流放電においても容量劣化を小さくすることができる。
しかしながら、本発明に用いられる有機溶媒は、上記例示によって限定されるものではない。
Examples of the organic solvent include ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, methyl propyl carbonate, γ-butyrolactone, γ-valerolactone, 1,2-dimethoxyethane, tetrahydrofuran, 2- Methyltetrahydrofuran, tetrahydropyran, 1,3-dioxolane, 4-methyl-1,3-dioxolane, 1,3-dioxane, 1,4-dioxane, methyl acetate, ethyl acetate, methyl propionate, ethyl propionate, methyl butyrate , Methyl isobutyrate, methyl trimethylacetate, ethyl trimethylacetate, acetonitrile, glutaronitrile, adiponitrile, methoxyacetonitrile, 3-methoxypropionitrile, N, N-dimethylformamide, N-methylpyrrolidinone, N-methyl Examples thereof include tiloxazolidinone, N, N′-dimethylimidazolidinone, nitromethane, nitroethane, sulfolane, trimethyl phosphate, dimethyl sulfoxide, and dimethyl sulfoxide phosphoric acid. These may be used alone or in combination of two or more. Among them, at least one member selected from the group consisting of ethylene carbonate, propylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, and ethyl methyl carbonate is preferable. Particularly, a high viscosity (high dielectric constant) solvent such as ethylene carbonate or propylene carbonate (for example, ratio A combination of a dielectric constant ε ≧ 30) and a low viscosity solvent such as dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, or diethyl carbonate (for example, viscosity ≦ 1 mPa · s) is more preferable. This is because the dissociation property of the electrolyte salt and the ion mobility are improved.
A preferred embodiment includes a solvent containing propylene carbonate in an amount of 5% by volume or more, more preferably 10% by volume or more, and still more preferably 15% by volume or more based on the total solvent. As a more preferred embodiment, the cyclic carbonate is contained in an amount of 20 to 80% by volume based on the total solvent, and 25 to 100% by volume of the cyclic carbonate is propylene carbonate. As a more preferred embodiment, a chain carbonate selected from dimethyl carbonate, diethyl carbonate and ethyl methyl carbonate is contained in an amount of 20 to 80% by volume based on the total solvent, and a cyclic carbonate selected from ethylene carbonate or propylene carbonate is contained in an amount of about 20 to 80 volume% is contained, and 25-100 volume% (more preferably 40-100 volume%) of the cyclic carbonate is propylene carbonate. By containing a predetermined amount or more of propylene carbonate, capacity deterioration can be reduced even in a large current discharge at a low temperature.
However, the organic solvent used in the present invention is not limited to the above examples.
(機能性添加剤)
本発明の電解液には、各種の機能性添加剤を含有させることが好ましい。この添加剤により発現させる機能としては、例えば、難燃性の向上、サイクル特性の良化、容量特性の改善が挙げられる。以下に、本発明の電解質に適用することが好ましい機能性添加剤の例を示す。
(Functional additives)
The electrolytic solution of the present invention preferably contains various functional additives. Examples of the function manifested by this additive include improved flame retardancy, improved cycle characteristics, and improved capacity characteristics. Examples of functional additives that are preferably applied to the electrolyte of the present invention are shown below.
<芳香族性化合物(A)>
芳香族性化合物としては、ビフェニル化合物、アルキル置換ベンゼン化合物が挙げられる。ビフェニル化合物は2つのベンゼン環が単結合で結合している部分構造を有しており
ベンゼン環は置換基を有してもよく、好ましい置換基は、炭素原子数1〜4のアルキル基(例えば、メチル、エチル、プロピル、t−ブチルなど)、炭素原子数6〜10のアリール基(例えば、フェニル、ナフチルなど)である。
ビフェニル化合物としては、具体的に、ビフェニル、o−テルフェニル、m−テルフェニル、p−テルフェニル、4−メチルビフェニル、4−エチルビフェニル、及び4−tert−ブチルビフェニルを挙げることができる。
アルキル置換ベンゼン化合物は、炭素数1〜10のアルキル基で置換されたベンゼン化合物が好ましく、具体的には、シクロヘキシルベンゼン、t−アミルベンゼン、t−ブチルベンゼンを挙げることができる。
<Aromatic compound (A)>
Examples of aromatic compounds include biphenyl compounds and alkyl-substituted benzene compounds. The biphenyl compound has a partial structure in which two benzene rings are bonded by a single bond, and the benzene ring may have a substituent, and preferred substituents are alkyl groups having 1 to 4 carbon atoms (for example, , Methyl, ethyl, propyl, t-butyl and the like) and aryl groups having 6 to 10 carbon atoms (for example, phenyl, naphthyl and the like).
Specific examples of the biphenyl compound include biphenyl, o-terphenyl, m-terphenyl, p-terphenyl, 4-methylbiphenyl, 4-ethylbiphenyl, and 4-tert-butylbiphenyl.
The alkyl-substituted benzene compound is preferably a benzene compound substituted with an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, and specific examples include cyclohexylbenzene, t-amylbenzene, and t-butylbenzene.
<ハロゲン含有化合物(B)>
ハロゲン含有化合物が有するハロゲン原子としてはフッ素原子、塩素原子、または、臭素原子が好ましく、フッ素原子がより好ましい。ハロゲン原子の数としては1〜6個が好ましく、1〜3個が更に好ましい。ハロゲン含有化合物としてはフッ素原子で置換されたカーボネート化合物、フッ素原子を有するポリエーテル化合物、フッ素置換芳香族化合物が好ましい。
ハロゲン置換カーボネート化合物は鎖状、または、環状いずれでもよいが、イオン伝導性の観点から、電解質塩(例えばリチウムイオン)の配位性が高い環状カーボネート化合物が好ましく、5員環環状カーボネート化合物が特に好ましい。
ハロゲン置換カーボネート化合物の好ましい具体例を以下に示す。この中でもBex1〜Bex4の化合物が特に好ましく、Bex1が特に好ましい。
<Halogen-containing compound (B)>
The halogen atom contained in the halogen-containing compound is preferably a fluorine atom, a chlorine atom, or a bromine atom, and more preferably a fluorine atom. The number of halogen atoms is preferably 1 to 6, more preferably 1 to 3. The halogen-containing compound is preferably a carbonate compound substituted with a fluorine atom, a polyether compound having a fluorine atom, or a fluorine-substituted aromatic compound.
The halogen-substituted carbonate compound may be either linear or cyclic. From the viewpoint of ion conductivity, a cyclic carbonate compound having a high coordination property of an electrolyte salt (for example, lithium ion) is preferable, and a 5-membered cyclic carbonate compound is particularly preferable. preferable.
Preferred specific examples of the halogen-substituted carbonate compound are shown below. Among these, compounds of Bex1 to Bex4 are particularly preferable, and Bex1 is particularly preferable.
<重合性化合物(C)>・・・前記特定芳香族化合物を除く
重合性化合物としては炭素−炭素二重結合を有する化合物が好ましく、ビニレンカーボネート、ビニルエチレンカーボネートなどの二重結合を有するカーボネート化合物、アクリレート基、メタクリレート基、シアノアクリレート基、αCF3アクリレート基から選ばれる基を有する化合物、スチリル基を有する化合物が好ましく、二重結合を有するカーボネート化合物、あるいは重合性基を分子内に2つ以上有する化合物が更に好ましい。
<Polymerizable compound (C)> ... excluding the specific aromatic compound As the polymerizable compound, a compound having a carbon-carbon double bond is preferable, and a carbonate compound having a double bond such as vinylene carbonate or vinylethylene carbonate. , An acrylate group, a methacrylate group, a cyanoacrylate group, a compound having a group selected from an αCF 3 acrylate group, and a compound having a styryl group are preferred, and a carbonate compound having a double bond, or two or more polymerizable groups in the molecule. The compound having is more preferable.
<リン含有化合物(D)>
リン含有化合物としては、リン酸エステル化合物、ホスファゼン化合物が好ましい。リン酸エステル化合物の好ましい例としては、リン酸トリメチル、リン酸トリエチル、リン酸トリフェニル、リン酸トリベンジル、リン酸トリストリフルオロエチルなどが挙げられる。ホスファゼン化合物としては、下記式(D2)または(D3)で表される化合物が好ましい。
<Phosphorus-containing compound (D)>
As a phosphorus containing compound, a phosphate ester compound and a phosphazene compound are preferable. Preferable examples of the phosphate ester compound include trimethyl phosphate, triethyl phosphate, triphenyl phosphate, tribenzyl phosphate, and tristrifluoroethyl phosphate. As the phosphazene compound, a compound represented by the following formula (D2) or (D3) is preferable.
式中、RD4〜RD11は1価の置換基を表す。1価の置換基の中で好ましくは、アルキル基、アリール基、アルコキシ基、アリールオキシ基、アミノ基、フッ素、塩素、臭素等のハロゲン原子である。RD4〜RD11の置換基の少なくとも1つはフッ素原子であることが好ましく、アルコキシ基、アミノ基、フッ素原子からなる置換基がより好ましい。 In formula, R <D4 > -R <D11> represents a monovalent substituent. Among the monovalent substituents, an alkyl group, an aryl group, an alkoxy group, an aryloxy group, an amino group, a halogen atom such as fluorine, chlorine or bromine is preferable. At least one of the substituents of R D4 to R D11 is preferably a fluorine atom, and more preferably a substituent composed of an alkoxy group, an amino group, or a fluorine atom.
<硫黄含有化合物(E)>
含硫黄化合物としては−SO2−、−SO3−、−OS(=O)O−結合を有する化合物が好ましく、プロパンサルトン、プロペンサルトン、エチレンサルファイトなどの環状含硫黄化合物、スルホン酸エステル類が好ましい。
<Sulfur-containing compound (E)>
As the sulfur-containing compound, compounds having —SO 2 —, —SO 3 —, and —OS (═O) O— bonds are preferable, and cyclic sulfur-containing compounds such as propane sultone, propene sultone, and ethylene sulfite, and sulfonic acid Esters are preferred.
含硫黄環状化合物としては、下記式(E1)、(E2)で表される化合物が好ましい。 As the sulfur-containing cyclic compound, compounds represented by the following formulas (E1) and (E2) are preferable.
式中、X1、X2はそれぞれ独立に、−O−、−C(Ra)(Rb)−を表す。ここで、Ra、Rbは、それぞれ独立に、水素原子、または置換基を表す。置換基として、好ましくは炭素原子数1〜8のアルキル基、フッ素原子、炭素原子数の6〜12のアリール基である。αは5〜6員環を形成するのに必要な原子群を表す。αの骨格は炭素原子のほか、硫黄原子、酸素原子などを含んでもよい。αは置換されていてもよく、置換基としては置換基Tがあげられ、好ましくはアルキル基、フッ素原子、アリール基である。 In the formula, X 1 and X 2 each independently represent —O— or —C (Ra) (Rb) —. Here, Ra and Rb each independently represent a hydrogen atom or a substituent. The substituent is preferably an alkyl group having 1 to 8 carbon atoms, a fluorine atom, or an aryl group having 6 to 12 carbon atoms. α represents an atomic group necessary for forming a 5- to 6-membered ring. The skeleton of α may contain a sulfur atom, an oxygen atom, etc. in addition to a carbon atom. α may be substituted, and examples of the substituent include a substituent T, preferably an alkyl group, a fluorine atom, and an aryl group.
<ケイ素含有化合物(F)>
ケイ素含有化合物としては、下記式(F1)または(F2)で表される化合物が好ましい。
<Silicon-containing compound (F)>
As the silicon-containing compound, a compound represented by the following formula (F1) or (F2) is preferable.
RF1はアルキル基、アルケニル基、アシル基、アシルオキシ基、または、アルコキシカルボニル基を表す。
RF2はアルキル基、アルケニル基、アルキニル基、又はアルコキシ基を表す。
なお、1つの式に複数あるRF1及びRF2はそれぞれ異なっていても同じであってもよい。
R F1 represents an alkyl group, an alkenyl group, an acyl group, an acyloxy group, or an alkoxycarbonyl group.
R F2 represents an alkyl group, an alkenyl group, an alkynyl group, or an alkoxy group.
A plurality of R F1 and R F2 in one formula may be different or the same.
<ニトリル化合物(G)>
ニトリル化合物としては、下記式(G)で表される化合物が好ましい。
<Nitrile compound (G)>
As the nitrile compound, a compound represented by the following formula (G) is preferable.
式中、RG1〜RG3はそれぞれ独立に水素原子、アルキル基、アルコキシカルボニル基、アリールオキシカルボニル基、シアノ基、カルバモイル基、スルホニル基、またはホスホニル基を表す。各置換基の好ましいものは、置換基Tの例を参照することができるが、なかでも、RG1〜RG3のいずれか一つ以上がシアノ基を含むニトリル基を複数有する化合物が好ましい。 In the formula, R G1 to R G3 each independently represent a hydrogen atom, an alkyl group, an alkoxycarbonyl group, an aryloxycarbonyl group, a cyano group, a carbamoyl group, a sulfonyl group, or a phosphonyl group. The preferable examples of each substituent can refer to the example of the substituent T, and among them, a compound in which any one of R G1 to R G3 has a plurality of nitrile groups containing a cyano group is preferable.
・ngは1〜8の整数を表す。 * Ng represents the integer of 1-8.
式(G)で表される化合物の具体例としては、アセトニトリル、プロピオニトリル、イソブチロニトリル、スクシノニトリル、マロノニトリル、グルタロニトリル、アジポニトリル、2メチルグルタノニトリル、ヘキサントリカルボニトリル、プロパンテトラカルボニトリル等が好ましい。特に好ましくは、スクシノニトリル、マロノニトリル、グルタロニトリル、アジポニトリル、2メチルグルタノニトリル、ヘキサントリカルボニトリル、プロパンテトラカルボニトリルである。 Specific examples of the compound represented by the formula (G) include acetonitrile, propionitrile, isobutyronitrile, succinonitrile, malononitrile, glutaronitrile, adiponitrile, 2-methylglutanonitrile, hexanetricarbonitrile, propane. Tetracarbonitrile and the like are preferable. Particularly preferred are succinonitrile, malononitrile, glutaronitrile, adiponitrile, 2-methylglutanonitrile, hexanetricarbonitrile, and propanetetracarbonitrile.
<金属錯体化合物(H)>
金属錯体化合物としては、遷移金属錯体もしくは希土類錯体が好ましい。なかでも、下記式(H−1)〜(H−3)のいずれかで表される錯体が好ましい。
<Metal complex compound (H)>
As the metal complex compound, a transition metal complex or a rare earth complex is preferable. Especially, the complex represented by either of following formula (H-1)-(H-3) is preferable.
式中、XHおよびYHは、それぞれ、メチル基、n−ブチル基、ビス(トリメチルシリル)アミノ基、チオイソシアン酸基であり、XH,YHが縮環して環状アルケニル基(ブタジエン配位型メタラサイクル)を形成してもよい。式中、MHは遷移元素または希土類元素を表す。具体的にMHは、Fe、Ru、Cr、V、Ta、Mo、Ti、Zr、Hf、Y、La、Ce、Sw、Nd、Lu、Er、Yb、Gdであることが好ましい。mH,nHは0≦mH+nH≦3を満たす整数である。nH+mHは1以上であることが好ましい。nH、mHが2以上であるとき、そこで規定される2以上の基はそれぞれ異なっていてもよい。 In the formula, X H and Y H are a methyl group, an n-butyl group, a bis (trimethylsilyl) amino group, and a thioisocyanate group, respectively, and X H and Y H are condensed to form a cyclic alkenyl group (butadiene group). (Positional metallacycle) may be formed. In the formula, MH represents a transition element or a rare earth element. Specifically, MH is preferably Fe, Ru, Cr, V, Ta, Mo, Ti, Zr, Hf, Y, La, Ce, Sw, Nd, Lu, Er, Yb, and Gd. m H and n H are integers satisfying 0 ≦ m H + n H ≦ 3. n H + m H is preferably 1 or more. When n H and m H are 2 or more, the 2 or more groups defined therein may be different from each other.
前記金属錯体化合物は下記式(H−4)で表される部分構造を有する化合物も好ましい。
MH−(NR1HR2H)qH ・・・ 式(H−4)
The metal complex compound is also preferably a compound having a partial structure represented by the following formula (H-4).
MH- (NR <1 > R < 2H> ) qH ... Formula (H-4)
式中、MHは遷移元素または希土類元素を表し、式(H−1)〜(H−3)と同義である。 In the formula, MH represents a transition element or a rare earth element and is synonymous with formulas (H-1) to (H-3).
R1H,R2Hは水素、アルキル基(好ましい炭素数は1〜6)、アルケニル基(好ましい炭素数は2〜6)、アルキニル基(好ましい炭素数は2〜6)、アリール基(好ましい炭素数は6〜14)、ヘテロアリール基(好ましい炭素数は3〜6)、アルキルシリル基(好ましい炭素数は1〜6)、またはハロゲンを表す。R1H,R2Hは互いに連結されていてもよい。R1H,R2Hはそれぞれあるいは連結して環を形成していてもよい。R1H,R2Hの好ましいものとしては、後記置換基Tの例が挙げられる。なかでも、メチル基、エチル基、トリメチルシリル基が好ましい。
qHは1〜4の整数を表し、2〜4の整数が好ましい。更に好ましくは2または4である。qHが2以上のとき、そこで規定される複数の基は互いに同じでも異なっていてもよい。
R 1H and R 2H are hydrogen, an alkyl group (preferably having 1 to 6 carbon atoms), an alkenyl group (preferably having 2 to 6 carbon atoms), an alkynyl group (preferably having 2 to 6 carbon atoms), an aryl group (preferably having carbon numbers). Represents a heteroaryl group (preferably having a carbon number of 3 to 6), an alkylsilyl group (preferably having a carbon number of 1 to 6), or a halogen. R 1H and R 2H may be linked to each other. R 1H and R 2H may each be connected to form a ring. Preferable examples of R 1H and R 2H include examples of the substituent T described later. Of these, a methyl group, an ethyl group, and a trimethylsilyl group are preferable.
q H represents an integer of 1 to 4, and an integer of 2 to 4 is preferable. More preferably, it is 2 or 4. When q H is 2 or more, where a plurality of groups as defined may be the same or different from each other.
金属錯体化合物は、下記式のいずれかで表される化合物も好ましい。
・Mh
中心金属Mhは、Ti、Zr、ZrO、Hf、V、Cr、Fe、Ceが特に好ましく、Ti、Zr、Hf、V、Crが最も好ましい。
・ M h
The central metal M h is, Ti, Zr, ZrO, Hf , V, Cr, Fe, Ce is particularly preferred, Ti, Zr, Hf, V , Cr is the most preferred.
・R3h、R5h、R7h〜R10h
これらは置換基を表す。なかでも、アルキル基、アルコキシ基、アリール基、アルケニル基、ハロゲン原子が好ましく、炭素数1〜6のアルキル基、炭素数1〜6のアルコキシ基、炭素数6〜12のアリール基、炭素数2〜6のアルケニル基がより好ましく、メチル、エチル、プロピル、イソプロピル、イソブチル、t−ブチル、パーフルオロメチル、メトキシ、フェニル、エテニルであることが好ましい。
・ R 3h , R 5h , R 7h to R 10h
These represent substituents. Among these, an alkyl group, an alkoxy group, an aryl group, an alkenyl group, and a halogen atom are preferable, an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, an alkoxy group having 1 to 6 carbon atoms, an aryl group having 6 to 12 carbon atoms, and 2 carbon atoms. -6 alkenyl groups are more preferred, preferably methyl, ethyl, propyl, isopropyl, isobutyl, t-butyl, perfluoromethyl, methoxy, phenyl, ethenyl.
・R33h、R55h
R33h、R55hは水素原子またはR3hの置換基を表す。
・ R 33h , R 55h
R 33h and R 55h represent a hydrogen atom or a substituent of R 3h .
・Yh
Yhは、炭素数1〜6のアルキル基またはビス(トリアルキルシリル)アミノ基が好ましく、メチル基またはビス(トリメチルシリル)アミノ基がより好ましい。
・ Y h
Y h is preferably an alkyl group or a bis (trialkylsilyl) amino group having 1 to 6 carbon atoms, more preferably a methyl group or a bis (trimethylsilyl) amino group.
・lh、mh、oh
lh、mh、ohは0〜3の整数を表し、0〜2の整数が好ましい。lh、mh、ohが2以上のとき、そこで規定される複数の構造部は互いに同じであっても、異なっていてもよい。
· L h, m h, o h
l h, m h, o h represents an integer of 0 to 3, preferably an integer of 0 to 2. When l h , m h , and o h are 2 or more, the plurality of structural portions defined therein may be the same as or different from each other.
・Lh
Lhはアルキレン基、アリーレン基が好ましく、炭素数3〜6のシクロアルキレン基、炭素数6〜14のアリーレン基がより好ましく、シクロヘキシレン、フェニレンがさらに好ましい。
・ L h
L h is preferably an alkylene group or an arylene group, more preferably a cycloalkylene group having 3 to 6 carbon atoms or an arylene group having 6 to 14 carbon atoms, and further preferably cyclohexylene or phenylene.
<イミド化合物(I)>
イミド化合物としては、耐酸化性の観点よりパーフルオロ基を有するスルホンイミド化合物が好ましく、具体的にはパーフルオロスルホイミドリチウム化合物が挙げられる。
イミド化合物として、具体的には下記の構造が挙げられ、より好ましくはCex1、Cex2である。
<Imide compound (I)>
As the imide compound, a sulfonimide compound having a perfluoro group is preferable from the viewpoint of oxidation resistance, and specifically, a perfluorosulfoimide lithium compound may be mentioned.
Specific examples of the imide compound include the following structures, and Cex1 and Cex2 are more preferable.
本発明の電解液には、上記のものを始め、負極被膜形成剤、難燃剤、過充電防止剤等から選ばれる少なくとも1種を含有していてもよい。非水電解液中におけるこれら機能性添加剤の含有割合は特に限定はないが、非水電解液全体(電解質を含む)に対し、それぞれ、0.001質量%〜10質量%が好ましい。これらの化合物を添加することにより、過充電による異常時に電池の破裂・発火を抑制したり、高温保存後の容量維持特性やサイクル特性を向上させたりすることができる。 In addition to the above, the electrolytic solution of the present invention may contain at least one selected from a negative electrode film forming agent, a flame retardant, an overcharge preventing agent and the like. The content ratio of these functional additives in the nonaqueous electrolytic solution is not particularly limited, but is preferably 0.001% by mass to 10% by mass with respect to the entire nonaqueous electrolytic solution (including the electrolyte). By adding these compounds, it is possible to suppress rupture / ignition of the battery at the time of abnormality due to overcharge, and to improve the capacity maintenance characteristic and cycle characteristic after high-temperature storage.
(電解質)
本発明の電解液に用いる電解質は周期律表第一族又は第二族に属する金属イオンの塩である。その材料は電解液の使用目的により適宜選択される。例えば、リチウム塩、カリウム塩、ナトリウム塩、カルシウム塩、マグネシウム塩などが挙げられ、二次電池などに使用される場合には、出力の観点からリチウム塩が好ましい。本発明の電解液をリチウム二次電池用非水系電解液の電解質として用いる場合には、金属イオンの塩としてリチウム塩を選択すればよい。リチウム塩としては、リチウム二次電池用非水系電解液の電解質に通常用いられるリチウム塩であれば特に制限はないが、例えば、以下に述べるものが好ましい。
(Electrolytes)
The electrolyte used in the electrolytic solution of the present invention is a salt of a metal ion belonging to
(L−1)無機リチウム塩:LiPF6、LiBF4、LiAsF6、LiSbF6等の無機フッ化物塩;LiClO4、LiBrO4、LiIO4等の過ハロゲン酸塩;LiAlCl4等の無機塩化物塩等。 (L-1) Inorganic lithium salts: inorganic fluoride salts such as LiPF 6 , LiBF 4 , LiAsF 6 , LiSbF 6 ; perhalogenates such as LiClO 4 , LiBrO 4 , LiIO 4 ; inorganic chloride salts such as LiAlCl 4 etc.
(L−2)含フッ素有機リチウム塩:LiCF3SO3等のパーフルオロアルカンスルホン酸塩;LiN(CF3SO2)2、LiN(CF3CF2SO2)2、LiN(FSO2)2、LiN(CF3SO2)(C4F9SO2)等のパーフルオロアルカンスルホニルイミド塩;LiC(CF3SO2)3等のパーフルオロアルカンスルホニルメチド塩;Li[PF5(CF2CF2CF3)]、Li[PF4(CF2CF2CF3)2]、Li[PF3(CF2CF2CF3)3]、Li[PF5(CF2CF2CF2CF3)]、Li[PF4(CF2CF2CF2CF3)2]、Li[PF3(CF2CF2CF2CF3)3]等のフルオロアルキルフッ化リン酸塩等。
(L-2) Fluorine-containing organic lithium salt: Perfluoroalkane sulfonate such as LiCF 3 SO 3 ; LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , LiN (CF 3 CF 2 SO 2 ) 2 , LiN (FSO 2 ) 2 , Perfluoroalkanesulfonylimide salts such as LiN (CF 3 SO 2 ) (C 4 F 9 SO 2 ); perfluoroalkanesulfonylmethide salts such as LiC (CF 3 SO 2 ) 3 ; Li [PF 5 (CF 2 CF 2 CF 3 )], Li [PF 4 (CF 2 CF 2 CF 3 ) 2 ], Li [PF 3 (CF 2 CF 2 CF 3 ) 3 ], Li [PF 5 (CF 2 CF 2 CF 2 CF 3 )], Li [PF 4 ( CF 2
(L−3)オキサラトボレート塩:リチウムビス(オキサラト)ボレート、リチウムジフルオロオキサラトボレート等。
これらのなかで、LiPF6、LiBF4、LiAsF6、LiSbF6、LiClO4、Li(Rf1SO3)、LiN(Rf1SO2)2、LiN(FSO2)2、及びLiN(Rf1SO2)(Rf2SO2)が好ましく、LiPF6、LiBF4、LiN(Rf1SO2)2、LiN(FSO2)2、及びLiN(Rf1SO2)(Rf2SO2)などのリチウムイミド塩がさらに好ましい。ここで、Rf1、Rf2はそれぞれパーフルオロアルキル基を示す。
なお、電解液に用いる電解質は、1種を単独で使用しても、2種以上を任意に組み合わせてもよい。
電解液における電解質(周期律表第一族又は第二族に属する金属のイオンもしくはその金属塩)の含有量は、以下に電解液の調製法で述べる好ましい塩濃度となるよう量で添加される。塩濃度は電解液の使用目的により適宜選択されるが、一般的には電解液全質量中10質量%〜50質量%であり、さらに好ましくは15質量%〜30質量%である。なお、イオンの濃度として評価するときには、その好適に適用される金属との塩換算で算定されればよい。
(L-3) Oxalatoborate salt: lithium bis (oxalato) borate, lithium difluorooxalatoborate and the like.
Among these, LiPF 6 , LiBF 4 , LiAsF 6 , LiSbF 6 , LiClO 4 , Li (Rf 1 SO 3 ), LiN (Rf 1 SO 2 ) 2 , LiN (FSO 2 ) 2 , and LiN (Rf 1 SO 2 ) (Rf 2 SO 2 ), preferably LiPF 6 , LiBF 4 , LiN (Rf 1 SO 2 ) 2 , LiN (FSO 2 ) 2 , and LiN (Rf 1 SO 2 ) (Rf 2 SO 2 ) More preferred are imide salts. Here, Rf 1 and Rf 2 each represent a perfluoroalkyl group.
In addition, the electrolyte used for electrolyte solution may be used individually by 1 type, or may combine 2 or more types arbitrarily.
The content of the electrolyte (metal ions belonging to
[電解液の調製方法等]
本発明の非水二次電池用電解液は、金属イオンの塩としてリチウム塩を用いた例を含め、前記各成分を前記非水電解液溶媒に溶解して、常法により調製される。
[Method for preparing electrolytic solution]
The electrolyte solution for a non-aqueous secondary battery of the present invention is prepared by a conventional method by dissolving each of the above components in the non-aqueous electrolyte solvent, including an example in which a lithium salt is used as a metal ion salt.
本発明において、「非水」とは水を実質的に含まないことをいい、発明の効果を妨げない範囲で微量の水を含んでいてもよい。良好な特性を得ることを考慮して言うと、水の含有量が200ppm以下であることが好ましく、100ppm以下であることがより好ましく20ppm以下であることが更に好ましい。下限値は特にないが、不可避的な混入を考慮すると、1ppm以上であることが実際的である。本発明の電解液の粘度は特に限定されないが、25℃において、10〜0.1mPa・sであることが好ましく、5〜0.5mPa・sであることがより好ましい。
本発明において電解液の粘度は特に断らない限り、以下の測定方法で測定した値によるものとする。
In the present invention, “non-water” means that water is not substantially contained, and a trace amount of water may be contained as long as the effects of the invention are not hindered. In view of obtaining good characteristics, the water content is preferably 200 ppm or less, more preferably 100 ppm or less, and even more preferably 20 ppm or less. Although there is no lower limit in particular, it is practical that it is 1 ppm or more considering inevitable mixing. The viscosity of the electrolytic solution of the present invention is not particularly limited, but is preferably 10 to 0.1 mPa · s, more preferably 5 to 0.5 mPa · s at 25 ° C.
In the present invention, the viscosity of the electrolytic solution is based on the value measured by the following measuring method unless otherwise specified.
<粘度の測定方法>
粘度は以下の方法で測定した値を言うこととする。サンプル1mLをレオメーター(CLS 500)に入れ、直径4cm/2°のSteel Cone(共に、TA Instrumennts社製)を用いて測定する。サンプルは予め測定開始温度にて温度が一定となるまで保温しておき、測定はその後に開始する。測定温度は25℃とする。
<Measurement method of viscosity>
The viscosity is a value measured by the following method. 1 mL of a sample is put into a rheometer (CLS 500) and measured using a Steel Cone (both manufactured by TA Instruments) having a diameter of 4 cm / 2 °. The sample is kept warm in advance until the temperature becomes constant at the measurement start temperature, and the measurement starts thereafter. The measurement temperature is 25 ° C.
[二次電池]
本発明においては前記非水電解液を含有する非水二次電池とすることが好ましい。好ましい実施形態として、リチウムイオン二次電池についてその機構を模式化して示した図1を参照して説明する。本実施形態のリチウムイオン二次電池10は、上記本発明の非水二次電池用電解液5と、リチウムイオンの挿入放出が可能な正極C(正極集電体1,正極活物質層2)と、リチウムイオンの挿入放出又は溶解析出が可能な負極A(負極集電体3,負極活物質層4)とを備える。これら必須の部材に加え、電池が使用される目的、電位の形状などを考慮し、正極と負極の間に配設されるセパレータ9、集電端子(図示せず)、及び外装ケース等(図示せず)を含んで構成されてもよい。必要に応じて、電池の内部及び電池の外部の少なくともいずれかに保護素子を装着してもよい。このような構造とすることにより、電解液5内でリチウムイオンの授受a,bが生じ、充電α、放電βを行うことができ、回路配線7を介して動作機構6を介して運転あるいは蓄電を行うことができる。以下、本発明の好ましい実施形態であるリチウム二次電池の構成について、さらに詳細に説明する。
[Secondary battery]
In this invention, it is preferable to set it as the non-aqueous secondary battery containing the said non-aqueous electrolyte. As a preferred embodiment, a lithium ion secondary battery will be described with reference to FIG. 1 schematically showing the mechanism. The lithium ion
(電池形状)
本実施形態のリチウム二次電池が適用される電池形状には、特に制限はなく、例えば、有底筒型形状、有底角型形状、薄型形状、シート形状、及び、ペーパー形状などが挙げられ、これらのいずれであってもよい。また、組み込まれるシステムや機器の形を考慮した馬蹄形や櫛型形状等の異型のものであってもよい。なかもで、電池内部の熱を効率よく外部に放出する観点から、比較的平らで大面積の面を少なくとも一つを有する有底角型形状や薄型形状などの角型形状が好ましい。
(Battery shape)
The battery shape to which the lithium secondary battery of the present embodiment is applied is not particularly limited, and examples thereof include a bottomed cylindrical shape, a bottomed square shape, a thin shape, a sheet shape, and a paper shape. Any of these may be used. Further, it may be of a different shape such as a horseshoe shape or a comb shape considering the shape of the system or device to be incorporated. Among them, from the viewpoint of efficiently releasing the heat inside the battery to the outside, a square shape such as a bottomed square shape or a thin shape having at least one surface that is relatively flat and has a large area is preferable.
有底筒型形状の電池では、充填される発電素子に対する外表面積が小さくなるので、充電や放電時に内部抵抗による発生するジュール発熱を効率よく外部に逃げる設計にすることが好ましい。また、熱伝導性の高い物質の充填比率を高め、内部での温度分布が小さくなるように設計することが好ましい。図2は、有底筒型形状リチウム二次電池100の例である。この電池は、セパレータ12を介して重ね合わせた正極シート14、負極シート16を巻回して外装缶18内に収納した有底筒型リチウム二次電池100となっている。
In a battery having a bottomed cylindrical shape, since the outer surface area with respect to the power generating element to be filled becomes small, it is preferable to design so that Joule heat generated by the internal resistance at the time of charging and discharging efficiently escapes to the outside. Moreover, it is preferable to design so that the filling ratio of the substance having high thermal conductivity is increased and the temperature distribution inside is reduced. FIG. 2 is an example of a bottomed cylindrical lithium
有底角型形状では、一番大きい面の面積S(端子部を除く外形寸法の幅と高さとの積、単位cm2)の2倍と電池外形の厚さT(単位cm)との比率2S/Tの値が100以上であることが好ましく、200以上であることが更に好適である。最大面を大きくすることにより高出力かつ大容量の電池であってもサイクル性や高温保存等の特性を向上させるとともに、異常発熱時の放熱効率を上げることができ、後述する「弁作動」や「破裂」という危険な状態になることを抑制することができる。 In the bottomed square shape, the ratio of the area S of the largest surface (the product of the width and height of the outer dimensions excluding the terminal portion, unit cm 2 ) to the thickness T (unit cm) of the battery outer shape The 2S / T value is preferably 100 or more, and more preferably 200 or more. By increasing the maximum surface, it is possible to improve characteristics such as cycle performance and high-temperature storage even for high-power and large-capacity batteries, and increase the heat dissipation efficiency during abnormal heat generation. It is possible to suppress a dangerous state of “rupture”.
(電池を構成する部材)
本実施形態のリチウム二次電池は、図1に基づいて言うと、電解液5、正極及び負極の電極合剤C,A、セパレータの基本部材9を具備して構成される。以下、これらの各部材について述べる。
(Members constituting the battery)
The lithium secondary battery according to the present embodiment is configured to include the
(電極合材)
電極合材は、集電体(電極基材)上に活物質と導電剤、結着剤、フィラーなどの分散物を塗布したものであり、リチウム電池においては、活物質が正極活物質である正極合材と活物質が負極活物質である負極合材が使用されることが好ましい。次に、電極合材を構成する分散物(電極用組成物)中の各成分等について説明する。
(Electrode mixture)
The electrode mixture is obtained by applying a dispersion of an active material and a conductive agent, a binder, a filler, etc. on a current collector (electrode substrate). In a lithium battery, the active material is a positive electrode active material. It is preferable to use a negative electrode mixture in which the positive electrode mixture and the active material are a negative electrode active material. Next, each component in the dispersion (electrode composition) constituting the electrode mixture will be described.
・正極活物質
正極活物質には遷移金属酸化物を用いることが好ましく、中でも、遷移元素Ma(Co、Ni、Fe、Mn、Cu、Vから選択される1種以上の元素)を有することが好ましい。また、混合元素Mb(リチウム以外の金属周期律表の第1(Ia)族の元素、第2(IIa)族の元素、Al、Ga、In、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Si、P、Bなど)を混合してもよい。この、遷移金属酸化物として例えば、下記式(MA)〜(MC)のいずれかで表されるものを含む特定遷移金属酸化物、あるいはその他の遷移金属酸化物としてV2O5、MnO2等が挙げられる。正極活物質には、粒子状の正極活性物質を用いてもよい。具体的に、可逆的にリチウムイオンを挿入・放出できる遷移金属酸化物を用いることができるが、前記特定遷移金属酸化物を用いるのが好ましい。
-Positive electrode active material It is preferable to use a transition metal oxide for the positive electrode active material, and in particular, it has a transition element M a (one or more elements selected from Co, Ni, Fe, Mn, Cu, V). Is preferred. Further, mixed element M b (elements of the first (Ia) group of the metal periodic table other than lithium, elements of the second (IIa) group, Al, Ga, In, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Si , P, B, etc.) may be mixed. This, for example, as a transition metal oxide, the following formula (MA) ~ certain transition metal oxides including those represented by any one of (MC), or V 2 O 5 as other transition metal oxides, MnO 2, etc. Is mentioned. As the positive electrode active material, a particulate positive electrode active material may be used. Specifically, a transition metal oxide capable of reversibly inserting and releasing lithium ions can be used, but the specific transition metal oxide is preferably used.
遷移金属酸化物としては、前記遷移元素Maを含む酸化物等が好適に挙げられる。このとき混合元素Mb(好ましくはAl)などを混合してもよい。混合量としては、遷移金属の量に対して0〜30mol%が好ましい。Li/Maのモル比が0.3〜2.2になるように混合して合成されたものが、より好ましい。 The transition metal oxides, oxides containing the transition element M a is preferably exemplified. At this time, a mixed element M b (preferably Al) or the like may be mixed. The mixing amount is preferably 0 to 30 mol% with respect to the amount of the transition metal. That the molar ratio of li / M a is synthesized by mixing so that 0.3 to 2.2 is more preferable.
〔式(MA)で表される遷移金属酸化物(層状岩塩型構造)〕
リチウム含有遷移金属酸化物としては中でも下式で表されるものが好ましい。
LiaM1Ob ・・・ (MA)
[Transition metal oxide represented by formula (MA) (layered rock salt structure)]
As the lithium-containing transition metal oxide, those represented by the following formula are preferable.
Li a M 1 O b (MA)
式中、M1は前記Maと同義である。aは0〜1.2(0.2〜1.2が好ましい)表し、0.6〜1.1であることが好ましい。bは1〜3を表し、2であることが好ましい。M1の一部は前記混合元素Mbで置換されていてもよい。当該式(MA)で表される遷移金属酸化物は典型的には層状岩塩型構造を有する。 Wherein, M 1 is the same meaning as defined above Ma. a represents 0 to 1.2 (preferably 0.2 to 1.2), and preferably 0.6 to 1.1. b represents 1-3 and is preferably 2. A part of M 1 may be substituted with the mixed element M b . The transition metal oxide represented by the formula (MA) typically has a layered rock salt structure.
本遷移金属酸化物は下記の各式で表されるものであることがより好ましい。
(MA−1) LigCoOk
(MA−2) LigNiOk
(MA−3) LigMnOk
(MA−4) LigCojNi1−jOk
(MA−5) LigNijMn1−jOk
(MA−6) LigCojNiiAl1−j−iOk
(MA−7) LigCojNiiMn1−j−iOk
The transition metal oxide is more preferably one represented by the following formulas.
(MA-1) Li g CoO k
(MA-2) Li g NiO k
(MA-3) Li g MnO k
(MA-4) Li g Co j Ni 1-j O k
(MA-5) Li g Ni j Mn 1-j O k
(MA-6) Li g Co j Ni i Al 1-j-i O k
(MA-7) Li g Co j Ni i Mn 1-j-i O k
ここでgは前記aと同義である。jは0.1〜0.9を表す。iは0〜1を表す。ただし、1−j−iは0以上になる。kは前記bと同義である。当該遷移金属化合物の具体例を示すと、LiCoO2(コバルト酸リチウム[LCO])、LiNi2O2(ニッケル酸リチウム)LiNi0.85Co0.01Al0.05O2(ニッケルコバルトアルミニウム酸リチウム[NCA])、LiNi0.33Co0.33Mn0.33O2(ニッケルマンガンコバルト酸リチウム[NMC])、LiNi0.5Mn0.5O2(マンガンニッケル酸リチウム)である。 Here, g has the same meaning as a. j represents 0.1 to 0.9. i represents 0 to 1; However, 1-j-i is 0 or more. k has the same meaning as b. Specific examples of the transition metal compound include LiCoO 2 (lithium cobaltate [LCO]), LiNi 2 O 2 (lithium nickelate) LiNi 0.85 Co 0.01 Al 0.05 O 2 (nickel cobalt aluminum acid Lithium [NCA]), LiNi 0.33 Co 0.33 Mn 0.33 O 2 (lithium nickel manganese cobaltate [NMC]), LiNi 0.5 Mn 0.5 O 2 (lithium manganese nickelate).
式(MA)で表される遷移金属酸化物は、一部重複するが、表記を変えて示すと、下記で表されるものも好ましい例として挙げられる。
(i)LigNixMnyCozO2(x>0.2,y>0.2,z≧0,x+y+z=1)
代表的なもの:
LigNi1/3Mn1/3Co1/3O2
LigNi1/2Mn1/2O2
(ii)LigNixCoyAlzO2(x>0.7,y>0.1,0.1>z>0.05,x+y+z=1)
代表的なもの:
LigNi0.8Co0.15Al0.05O2
The transition metal oxide represented by the formula (MA) partially overlaps, but when represented by changing the notation, those represented by the following are also preferable examples.
(I) Li g Ni x Mn y Co z O 2 (x> 0.2, y> 0.2, z ≧ 0, x + y + z = 1)
Representative:
Li g Ni 1/3 Mn 1/3 Co 1/3
Li g Ni 1/2 Mn 1/2 O 2
(Ii) Li g Ni x Co y Al z O 2 (x> 0.7, y>0.1,0.1>z> 0.05, x + y + z = 1)
Representative:
Li g Ni 0.8 Co 0.15 Al 0.05
〔式(MB)で表される遷移金属酸化物(スピネル型構造)〕
リチウム含有遷移金属酸化物としては中でも下記式(MB)で表されるものも好ましい。
LicM2 2Od ・・・ (MB)
[Transition metal oxide represented by formula (MB) (spinel structure)]
Among the lithium-containing transition metal oxides, those represented by the following formula (MB) are also preferable.
Li c M 2 2 O d (MB)
式中、M2は前記Maと同義である。cは0〜2(0.2〜2が好ましい)を表し、0.6〜1.5であることが好ましい。dは3〜5を表し、4であることが好ましい。 Wherein, M 2 are as defined above Ma. c represents 0 to 2 (preferably 0.2 to 2), and preferably 0.6 to 1.5. d represents 3 to 5 and is preferably 4.
式(MB)で表される遷移金属酸化物は下記の各式で表されるものであることがより好ましい。
(MB−1) LimMn2On
(MB−2) LimMnpAl2−pOn
(MB−3) LimMnpNi2−pOn
The transition metal oxide represented by the formula (MB) is more preferably one represented by the following formulas.
(MB-1) Li m Mn 2 O n
(MB-2) Li m Mn p Al 2-p O n
(MB-3) Li m Mn p Ni 2-p O n
mはcと同義である。nはdと同義である。pは0〜2を表す。当該遷移金属化合物の具体例を示すと、LiMn2O4、LiMn1.5Ni0.5O4である。 m is synonymous with c. n is synonymous with d. p represents 0-2. Specific examples of the transition metal compound are LiMn 2 O 4 and LiMn 1.5 Ni 0.5 O 4 .
式(MB)で表される遷移金属酸化物はさらに下記で表されるものも好ましい例として挙げられる。
(a) LiCoMnO4
(b) Li2FeMn3O8
(c) Li2CuMn3O8
(d) Li2CrMn3O8
(e) Li2NiMn3O8
高容量、高出力の観点で上記のうちNiを含む電極が更に好ましい。
Preferred examples of the transition metal oxide represented by the formula (MB) include those represented by the following.
(A) LiCoMnO 4
(B) Li 2 FeMn 3 O 8
(C) Li 2 CuMn 3 O 8
(D) Li 2 CrMn 3 O 8
(E) Li 2 NiMn 3 O 8
Of these, an electrode containing Ni is more preferable from the viewpoint of high capacity and high output.
〔式(MC)で表される遷移金属酸化物〕
リチウム含有遷移金属酸化物としてはリチウム含有遷移金属リン酸化物を用いることも好ましく、中でも下記式(MC)で表されるものも好ましい。
LieM3(PO4)f ・・・ (MC)
[Transition metal oxide represented by formula (MC)]
As the lithium-containing transition metal oxide, it is also preferable to use a lithium-containing transition metal phosphor oxide, and among them, one represented by the following formula (MC) is also preferable.
Li e M 3 (PO 4 ) f ... (MC)
式中、eは0〜2(0.2〜2が好ましい)を表し、0.5〜1.5であることが好ましい。fは1〜5を表し、0.5〜2であることが好ましい。 In formula, e represents 0-2 (0.2-2 are preferable), and it is preferable that it is 0.5-1.5. f represents 1 to 5 and is preferably 0.5 to 2.
前記M3はV、Ti、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cuから選択される一種以上の元素を表す。前記M3は、上記の混合元素Mbのほか、Ti、Cr、Zn、Zr、Nb等の他の金属で置換していてもよい。具体例としては、例えば、LiFePO4、Li3Fe2(PO4)3等のオリビン型リン酸鉄塩、LiFeP2O7等のピロリン酸鉄類、LiCoPO4等のリン酸コバルト類、Li3V2(PO4)3(リン酸バナジウムリチウム)等の単斜晶ナシコン型リン酸バナジウム塩が挙げられる。
なお、Liの組成を表す前記a,c,g,m,e値は、充放電により変化する値であり、典型的には、Liを含有したときの安定な状態の値で評価される。前記式(a)〜(e)では特定値としてLiの組成を示しているが、これも同様に電池の動作により変化するものである。
The M 3 represents one or more elements selected from V, Ti, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, and Cu. Wherein M 3 represents, in addition to the mixing element M b above, Ti, Cr, Zn, Zr, may be substituted by other metals such as Nb. Specific examples include, for example, olivine-type iron phosphates such as LiFePO 4 and Li 3 Fe 2 (PO 4 ) 3 , iron pyrophosphates such as LiFeP 2 O 7 , cobalt phosphates such as LiCoPO 4 , and Li 3. Monoclinic Nasicon type vanadium phosphate salts such as V 2 (PO 4 ) 3 (lithium vanadium phosphate) can be mentioned.
The a, c, g, m, and e values representing the composition of Li are values that change due to charge and discharge, and are typically evaluated as values in a stable state when Li is contained. In the above formulas (a) to (e), the composition of Li is shown as a specific value, but this also varies depending on the operation of the battery.
本発明において、正極活物質には3.5V以上の正極電位(Li/Li+基準)で通常使用を維持できる材料を用いることが好ましく、3.8V以上であることがより好ましく、4V以上であることがさらに好ましく、4.25V以上であることがさらに好ましく、4.3V以上であることがさらに好ましい。上限は特にないが、5V以下であることが実際的である。上記範囲とすることで、サイクル特性および高レート放電特性を向上することができる。
ここで通常使用を維持できるとは、その電圧で充電を行ったときでも電極材料が劣化して使用不能になることがないことを意味し、この電位を通常使用可能電位ともいう。
充電時の正極電位は
(正極電位)=(負極電位)+(電池電圧)である。負極としてチタン酸リチウムを用いた場合、負極電位は1.55Vとする。負極として黒鉛、黒鉛/ケイ素、スズを用いた場合は負極電位は0.1Vとする。充電時に電池電圧を観測し、正極電位を算出する。
In the present invention, the positive electrode active material is preferably a material that can maintain normal use at a positive electrode potential (Li / Li + standard) of 3.5 V or higher, more preferably 3.8 V or higher, and more preferably 4 V or higher. More preferably, it is more preferably 4.25V or more, and further preferably 4.3V or more. Although there is no upper limit in particular, it is practical that it is 5V or less. By setting it as the above range, cycle characteristics and high rate discharge characteristics can be improved.
Here, being able to maintain normal use means that even when charging is performed at that voltage, the electrode material does not deteriorate and cannot be used, and this potential is also referred to as a normal usable potential.
The positive electrode potential during charging is (positive electrode potential) = (negative electrode potential) + (battery voltage). When lithium titanate is used as the negative electrode, the negative electrode potential is 1.55V. When graphite, graphite / silicon, or tin is used as the negative electrode, the negative electrode potential is set to 0.1V. The battery voltage is observed during charging and the positive electrode potential is calculated.
本発明の非水二次電池において、用いられる正極活物質の平均粒子サイズは特に限定されないが、0.1μm〜50μmが好ましい。比表面積としては特に限定されないが、BET法で0.01m2/g〜50m2/gであるのが好ましい。また、正極活物質5gを蒸留水100mlに溶かした時の上澄み液のpHとしては、7以上12以下が好ましい。 In the non-aqueous secondary battery of the present invention, the average particle size of the positive electrode active material used is not particularly limited, but is preferably 0.1 μm to 50 μm. No particular limitation is imposed on the specific surface area, preferably from 0.01m 2 / g~50m 2 / g by the BET method. Further, the pH of the supernatant when 5 g of the positive electrode active material is dissolved in 100 ml of distilled water is preferably 7 or more and 12 or less.
正極活性物質を所定の粒子サイズにするには、良く知られた粉砕機や分級機が用いられる。例えば、乳鉢、ボールミル、振動ボールミル、振動ミル、衛星ボールミル、遊星ボールミル、旋回気流型ジェットミルや篩などが用いられる。前記焼成法によって得られた正極活物質は、水、酸性水溶液、アルカリ性水溶液、有機溶剤にて洗浄した後使用してもよい。 In order to make the positive electrode active substance have a predetermined particle size, a well-known pulverizer or classifier is used. For example, a mortar, a ball mill, a vibration ball mill, a vibration mill, a satellite ball mill, a planetary ball mill, a swirling air flow type jet mill, a sieve, or the like is used. The positive electrode active material obtained by the firing method may be used after being washed with water, an acidic aqueous solution, an alkaline aqueous solution, or an organic solvent.
正極活物質の配合量は特に限定されないが、活物質層を構成するための分散物(合剤)中、固形成分100質量%において、60〜98質量%であることが好ましく。70〜95質量%であることがより好ましい。 Although the compounding quantity of a positive electrode active material is not specifically limited, It is preferable that it is 60-98 mass% in 100 mass% of solid components in the dispersion (mixture) for comprising an active material layer. More preferably, it is 70-95 mass%.
・負極活物質
負極活物質としては、第一族又は第二族に属する金属のイオンを挿入放出可能であり、炭素原子(C)、ケイ素原子(Si)、もしくはチタン原子(Ti)を含む材料を用いる。具体的には、炭素質材料、酸化ケイ素等の金属酸化物、金属複合酸化物、リチウム単体やリチウムアルミニウム合金等のリチウム合金、及び、Si等のリチウムと合金形成可能な金属等が挙げられる。これらは、1種を単独で用いても、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。なかでも炭素質材料又はリチウム複合酸化物が安全性の点から好ましく用いられる。また、金属複合酸化物としては、リチウムを吸蔵、放出可能であれば特には制限されないが、構成成分としてチタン及び/又はリチウムを含有していることが、高電流密度充放電特性の観点で好ましい。
・ Negative electrode active material As the negative electrode active material, a material that can insert and release ions of metals belonging to the first group or the second group and contains carbon atoms (C), silicon atoms (Si), or titanium atoms (Ti). Is used. Specific examples include carbonaceous materials, metal oxides such as silicon oxide, metal composite oxides, lithium alloys such as lithium alone and lithium aluminum alloys, and metals such as Si that can form alloys with lithium. These may be used individually by 1 type, or may use 2 or more types together by arbitrary combinations and ratios. Of these, carbonaceous materials or lithium composite oxides are preferably used from the viewpoint of safety. Further, the metal composite oxide is not particularly limited as long as it can occlude and release lithium, but it preferably contains titanium and / or lithium as a constituent component from the viewpoint of high current density charge / discharge characteristics. .
負極活物質として用いられる炭素質材料とは、実質的に炭素からなる材料である。例えば、石油ピッチ、天然黒鉛、気相成長黒鉛等の人造黒鉛、及びPAN系の樹脂やフルフリルアルコール樹脂等の各種の合成樹脂を焼成した炭素質材料を挙げることができる。さらに、PAN系炭素繊維、セルロース系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、気相成長炭素繊維、脱水PVA系炭素繊維、リグニン炭素繊維、ガラス状炭素繊維、活性炭素繊維等の各種炭素繊維類、メソフェーズ微小球体、グラファイトウィスカー、平板状の黒鉛等を挙げることもできる。 The carbonaceous material used as the negative electrode active material is a material substantially made of carbon. Examples thereof include carbonaceous materials obtained by baking various synthetic resins such as artificial pitches such as petroleum pitch, natural graphite, and vapor-grown graphite, and PAN-based resins and furfuryl alcohol resins. Furthermore, various carbon fibers such as PAN-based carbon fiber, cellulose-based carbon fiber, pitch-based carbon fiber, vapor-grown carbon fiber, dehydrated PVA-based carbon fiber, lignin carbon fiber, glassy carbon fiber, activated carbon fiber, mesophase micro Examples thereof include spheres, graphite whiskers, and flat graphite.
これらの炭素質材料は、黒鉛化の程度により難黒鉛化炭素材料と黒鉛系炭素材料に分けることもできる。また炭素質材料は、特開昭62−22066号公報、特開平2−6856号公報、同3−45473号公報に記載される面間隔や密度、結晶子の大きさを有することが好ましい。炭素質材料は、単一の材料である必要はなく、特開平5−90844号公報記載の天然黒鉛と人造黒鉛の混合物、特開平6−4516号公報記載の被覆層を有する黒鉛等を用いることもできる。 These carbonaceous materials can be divided into non-graphitizable carbon materials and graphite-based carbon materials depending on the degree of graphitization. Further, the carbonaceous material preferably has the surface spacing, density, and crystallite size described in JP-A-62-222066, JP-A-2-6856, and 3-45473. The carbonaceous material does not need to be a single material, and a mixture of natural graphite and artificial graphite described in JP-A-5-90844, graphite having a coating layer described in JP-A-6-4516, or the like is used. You can also.
本発明の非水二次電池において、用いられる前記負極活物質の平均粒子サイズは、0.1μm〜60μmが好ましい。所定の粒子サイズにするには、よく知られた粉砕機や分級機が用いられる。例えば、乳鉢、ボールミル、サンドミル、振動ボールミル、衛星ボールミル、遊星ボールミル、旋回気流型ジェットミルや篩などが好適に用いられる。粉砕時には水、あるいはメタノール等の有機溶媒を共存させた湿式粉砕も必要に応じて行うことができる。所望の粒径とするためには分級を行うことが好ましい。分級方法としては特に限定はなく、篩、風力分級機などを必要に応じて用いることができる。分級は乾式、湿式ともに用いることができる。 In the nonaqueous secondary battery of the present invention, the average particle size of the negative electrode active material used is preferably 0.1 μm to 60 μm. To obtain a predetermined particle size, a well-known pulverizer or classifier is used. For example, a mortar, a ball mill, a sand mill, a vibrating ball mill, a satellite ball mill, a planetary ball mill, a swirling air flow type jet mill or a sieve is preferably used. When pulverizing, wet pulverization in the presence of water or an organic solvent such as methanol can be performed as necessary. In order to obtain a desired particle size, classification is preferably performed. The classification method is not particularly limited, and a sieve, an air classifier, or the like can be used as necessary. Classification can be used both dry and wet.
前記焼成法により得られた化合物の化学式は、測定方法として誘導結合プラズマ(ICP)発光分光分析法、簡便法として、焼成前後の粉体の質量差から算出できる。 The chemical formula of the compound obtained by the firing method can be calculated from an inductively coupled plasma (ICP) emission spectroscopic analysis method as a measurement method and a mass difference between powders before and after firing as a simple method.
本発明において、Si、Geを中心とする非晶質酸化物負極活物質に併せて用いることができる負極活物質としては、リチウムイオン又はリチウム金属を吸蔵・放出できる炭素材料や、リチウム、リチウム合金、リチウムと合金可能な金属が好適に挙げられる。本発明において電池の負極にLTO等の特定の負極活物質を用いることによる作用は以下のように推定される。すなわち、従来の特定の電極(スズ)を用いた電池では還元反応で生成するLiや金属相互作用のために充放電効率が悪化していたが、この点が改善されると考えられる。一方、特定芳香族化合物からのガス発生のメカニズムとして、分子内環化反応による水素脱離反応が考えられる。本発明の化合物は分子内に連結基を介して不飽和結合を有しておりこの分子内環化を促進していると解される。この点で、前記スズを用いた負極はリチウムデンドライトの発生により、活性な不飽和部位を有する添加剤が反応し、消失することからその効果が低減しているものと考えられる。 In the present invention, the negative electrode active material that can be used in combination with the amorphous oxide negative electrode active material centered on Si and Ge includes a carbon material capable of inserting and extracting lithium ions or lithium metal, lithium, and a lithium alloy. Preferred examples include metals that can be alloyed with lithium. In this invention, the effect | action by using specific negative electrode active materials, such as LTO, for the negative electrode of a battery is estimated as follows. That is, in the conventional battery using a specific electrode (tin), the charge / discharge efficiency deteriorates due to Li generated by the reduction reaction or metal interaction, but this point is considered to be improved. On the other hand, as a mechanism of gas generation from the specific aromatic compound, a hydrogen elimination reaction by an intramolecular cyclization reaction can be considered. It is understood that the compound of the present invention has an unsaturated bond via a linking group in the molecule and promotes this intramolecular cyclization. In this respect, the negative electrode using tin is considered to be less effective because an additive having an active unsaturated site reacts and disappears due to generation of lithium dendrite.
本発明の電解液は好ましい様態として高電位負極(好ましくはリチウム・チタン酸化物、電位1.55V対Li金属)との組合せ、及び低電位負極(好ましくは炭素材料、電位約0.1V対Li金属)との組合せのいずれにおいても優れた特性を発現する。更に高容量化に向けて開発が進んでいるリチウムと合金形成可能な金属または金属酸化物負極(好ましくはSi、酸化Si、Si/酸化Si、及びこれらの金属または金属酸化物と炭素材料の複合体を負極とする電池においても好ましく用いることができる。
なかでも、負極活物質としては、通常作動電位が対金属リチウムで0〜2V(好ましくは0.1〜1.6V)となるものを用いることが好ましい。この動作電位は、前記正極活物質ついて説明した測定方法、つまり前記3極式セルを用いた電気化学測定(サイクリックボルタンメトリー)により測定した値とする。
The electrolyte solution of the present invention is preferably combined with a high potential negative electrode (preferably lithium-titanium oxide, a potential of 1.55 V vs. Li metal) and a low potential negative electrode (preferably a carbon material, potential of about 0.1 V vs. Li). Excellent properties are exhibited in any combination with (metal). Metal or metal oxide negative electrode capable of forming an alloy with lithium, which is being developed for higher capacity (preferably Si, Si oxide, Si / Si oxide, and composite of these metal or metal oxide and carbon material) It can be preferably used also in a battery having a negative electrode as a body.
Especially, as a negative electrode active material, it is preferable to use what a normal operating potential becomes 0-2V (preferably 0.1-1.6V) with a counter metal lithium. The operating potential is a value measured by the measurement method described for the positive electrode active material, that is, electrochemical measurement (cyclic voltammetry) using the triode cell.
本発明の非水二次電池で用いられる負極活物質はチタン原子を含有することが好ましい。より具体的にはチタン酸リチウム(好ましくはLi4Ti5O12)、H2Ti12O25、酸化チタン(好ましくはTiO2)、特に好ましくはLi4Ti5O12がリチウムイオンの吸蔵放出時の体積変動が小さいことから電極の劣化が抑制されリチウムイオン二次電池の寿命向上が可能となる点で好ましい。 The negative electrode active material used in the nonaqueous secondary battery of the present invention preferably contains a titanium atom. More specifically, lithium titanate (preferably Li 4 Ti 5 O 12 ), H 2 Ti 12 O 25 , titanium oxide (preferably TiO 2 ), particularly preferably Li 4 Ti 5 O 12 is occluded and released of lithium ions. Since the volume fluctuation at the time is small, it is preferable in that the deterioration of the electrode is suppressed and the life of the lithium ion secondary battery can be improved.
・導電材
導電材は、構成された二次電池において、化学変化を起こさない電子伝導性材料であれば何を用いてもよく、公知の導電材を任意に用いることができる。通常、天然黒鉛(鱗状黒鉛、鱗片状黒鉛、土状黒鉛など)、人工黒鉛、カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、炭素繊維や金属粉(銅、ニッケル、アルミニウム、銀(特開昭63−10148,554号に記載)等)、金属繊維あるいはポリフェニレン誘導体(特開昭59−20,971号に記載)などの導電性材料を1種又はこれらの混合物として含ませることができる。その中でも、黒鉛とアセチレンブラックの併用がとくに好ましい。前記導電剤の添加量としては、1〜50質量%が好ましく、2〜30質量%がより好ましい。カーボンや黒鉛の場合は、2〜15質量%が特に好ましい。
-Conductive material As the conductive material, any electronic conductive material that does not cause a chemical change in the configured secondary battery may be used, and any known conductive material may be used. Usually, natural graphite (scale-like graphite, scale-like graphite, earth-like graphite, etc.), artificial graphite, carbon black, acetylene black, ketjen black, carbon fiber and metal powder (copper, nickel, aluminum, silver (Japanese Patent Laid-Open No. Sho 63- 10148,554)), metal fibers or polyphenylene derivatives (described in JP-A-59-20971) can be contained as a single type or a mixture thereof. Among these, the combined use of graphite and acetylene black is particularly preferable. As addition amount of the said electrically conductive agent, 1-50 mass% is preferable and 2-30 mass% is more preferable. In the case of carbon or graphite, 2 to 15% by mass is particularly preferable.
・結着剤
結着剤としては、多糖類、熱可塑性樹脂及びゴム弾性を有するポリマーなどが挙げられ、その中でも、例えば、でんぷん、カルボキシメチルセルロース、セルロース、ジアセチルセルロース、メチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、アルギン酸ナトリウム、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸ナトリウム、ポリビニルフェノール、ポリビニルメチルエーテル、ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン、ポリアクリロニトリル、ポリアクリルアミド、ポリヒドロキシ(メタ)アクリレート、スチレン−マレイン酸共重合体等の水溶性ポリマー、ポリビニルクロリド、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、テトラフロロエチレン−ヘキサフロロプロピレン共重合体、ビニリデンフロライド−テトラフロロエチレン−ヘキサフロロプロピレン共重合体、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−プロピレン−ジエンターポリマー(EPDM)、スルホン化EPDM、ポリビニルアセタール樹脂、メチルメタアクリレート、2−エチルヘキシルアクリレート等の(メタ)アクリル酸エステルを含有する(メタ)アクリル酸エステル共重合体、(メタ)アクリル酸エステル−アクリロニトリル共重合体、ビニルアセテート等のビニルエステルを含有するポリビニルエステル共重合体、スチレン−ブタジエン共重合体、アクリロニトリル−ブタジエン共重合体、ポリブタジエン、ネオプレンゴム、フッ素ゴム、ポリエチレンオキシド、ポリエステルポリウレタン樹脂、ポリエーテルポリウレタン樹脂、ポリカーボネートポリウレタン樹脂、ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂等のエマルジョン(ラテックス)あるいはサスペンジョンが好ましく、ポリアクリル酸エステル系のラテックス、カルボキシメチルセルロース、ポリテトラフロロエチレン、ポリフッ化ビニリデンが、より好ましい。
-Binders Examples of binders include polysaccharides, thermoplastic resins, and polymers having rubber elasticity. Among them, for example, starch, carboxymethyl cellulose, cellulose, diacetyl cellulose, methyl cellulose, hydroxyethyl cellulose, hydroxypropyl cellulose. , Sodium alginate, polyacrylic acid, sodium polyacrylate, polyvinyl phenol, polyvinyl methyl ether, polyvinyl alcohol, polyvinyl pyrrolidone, polyacrylonitrile, polyacrylamide, polyhydroxy (meth) acrylate, styrene-maleic acid copolymer, etc. Polymer, polyvinyl chloride, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, vinyl Redene fluoride-tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, polyethylene, polypropylene, ethylene-propylene-diene terpolymer (EPDM), sulfonated EPDM, polyvinyl acetal resin, methyl methacrylate, 2-ethylhexyl acrylate, etc. ) (Meth) acrylic ester copolymer containing acrylic ester, (meth) acrylic ester-acrylonitrile copolymer, polyvinyl ester copolymer containing vinyl ester such as vinyl acetate, styrene-butadiene copolymer , Acrylonitrile-butadiene copolymer, polybutadiene, neoprene rubber, fluororubber, polyethylene oxide, polyester polyurethane resin, polyether polyurethane resin, polycarbonate Polyurethane resins, polyester resins, phenolic resins, emulsion (latex) or a suspension such as an epoxy resin is preferable, a latex of polyacrylate, carboxymethyl cellulose, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride is more preferable.
結着剤は、一種単独又は二種以上を混合して用いることができる。結着剤の添加量が少ないと、電極合剤の保持力・凝集力が弱くなる。多すぎると電極体積が増加し電極単位体積あるいは単位質量あたりの容量が減少する。このような理由で結着剤の添加量は1〜30質量%が好ましく、2〜10質量%がより好ましい。 A binder can be used individually by 1 type or in mixture of 2 or more types. When the amount of the binder added is small, the holding power and cohesive force of the electrode mixture are weakened. If the amount is too large, the electrode volume increases and the capacity per electrode unit volume or unit mass decreases. For this reason, the addition amount of the binder is preferably 1 to 30% by mass, and more preferably 2 to 10% by mass.
・フィラー
電極合材は、フィラーを含んでいてもよい。フィラーを形成する材料は、本発明の二次電池において、化学変化を起こさない繊維状材料であれば何でも用いることができる。通常、ポリプロピレン、ポリエチレンなどのオレフィン系ポリマー、ガラス、炭素などの材料からなる繊維状のフィラーが用いられる。フィラーの添加量は特に限定されないが、分散物中、0〜30質量%が好ましい。
-Filler The electrode compound material may contain the filler. As the material for forming the filler, any fibrous material that does not cause a chemical change in the secondary battery of the present invention can be used. Usually, fibrous fillers made of materials such as olefin polymers such as polypropylene and polyethylene, glass, and carbon are used. Although the addition amount of a filler is not specifically limited, 0-30 mass% is preferable in a dispersion.
・集電体
正・負極の集電体としては、本発明の非水電解質二次電池において化学変化を起こさない電子伝導体が用いられる。正極の集電体としては、アルミニウム、ステンレス鋼、ニッケル、チタンなどの他にアルミニウムやステンレス鋼の表面にカーボン、ニッケル、チタンあるいは銀を処理させたものが好ましく、その中でも、アルミニウム、アルミニウム合金がより好ましい。
-Current collector As the positive / negative electrode current collector, an electron conductor that does not cause a chemical change in the nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention is used. As the current collector of the positive electrode, in addition to aluminum, stainless steel, nickel, titanium, etc., the surface of aluminum or stainless steel is preferably treated with carbon, nickel, titanium, or silver. Among them, aluminum and aluminum alloys are preferable. More preferred.
負極の集電体としては、アルミニウム、銅、ステンレス鋼、ニッケル、チタンが好ましく、アルミニウム、銅、銅合金がより好ましい。 As the negative electrode current collector, aluminum, copper, stainless steel, nickel, and titanium are preferable, and aluminum, copper, and a copper alloy are more preferable.
前記集電体の形状としては、通常フィルムシート状のものが使用されるが、ネット、パンチされたもの、ラス体、多孔質体、発泡体、繊維群の成形体なども用いることができる。前記集電体の厚みとしては、特に限定されないが、1μm〜500μmが好ましい。また、集電体表面は、表面処理により凹凸を付けることも好ましい。
これらの材料から適宜選択した部材によりリチウム二次電池の電極合材が形成される。
As the shape of the current collector, a film sheet shape is usually used, but a net, a punched material, a lath body, a porous body, a foamed body, a molded body of a fiber group, and the like can also be used. The thickness of the current collector is not particularly limited, but is preferably 1 μm to 500 μm. Moreover, it is also preferable that the current collector surface is roughened by surface treatment.
An electrode mixture of the lithium secondary battery is formed by a member appropriately selected from these materials.
(セパレータ)
本発明の非水二次電池に用いられるセパレータは、正極と負極を電子的に絶縁する機械的強度、イオン透過性、及び正極と負極の接触面で酸化・還元耐性のある材料であれば特に限定されることはない。このような材料として多孔質のポリマー材料や無機材料、有機無機ハイブリッド材料、あるいはガラス繊維などが用いられる。これらセパレータは安全性確保のためのシャットダウン機能、すなわち、80℃以上で隙間を閉塞して抵抗を上げ、電流を遮断する機能、を持つことが好ましく、閉塞温度は90℃以上、180℃以下であることが好ましい。
(Separator)
The separator used in the non-aqueous secondary battery of the present invention is particularly a material that has mechanical strength for electrically insulating the positive electrode and the negative electrode, ion permeability, and oxidation / reduction resistance at the contact surface between the positive electrode and the negative electrode. There is no limit. As such a material, a porous polymer material, an inorganic material, an organic-inorganic hybrid material, glass fiber, or the like is used. These separators preferably have a shutdown function for ensuring safety, that is, a function of closing the gap at 80 ° C. or higher to increase resistance and interrupting current, and the closing temperature is 90 ° C. or higher and 180 ° C. or lower. Preferably there is.
前記セパレータの孔の形状は、通常は円形や楕円形で、大きさは0.05μm〜30μmであり、0.1μm〜20μmが好ましい。さらに延伸法、相分離法で作った場合のように、棒状や不定形の孔であってもよい。これらの隙間の占める比率すなわち気孔率は、20%〜90%であり、35%〜80%が好ましい。 The shape of the hole of the separator is usually circular or elliptical, and the size is 0.05 μm to 30 μm, preferably 0.1 μm to 20 μm. Furthermore, it may be a rod-like or irregular-shaped hole as in the case of making by a stretching method or a phase separation method. The ratio of these gaps, that is, the porosity, is 20% to 90%, preferably 35% to 80%.
前記ポリマー材料としては、セルロース不織布、ポリエチレン、ポリプロピレンなどの単一の材料を用いたものでも、2種以上の複合化材料を用いたものであってもよい。孔径、気孔率や孔の閉塞温度などを変えた2種以上の微多孔フィルムを積層したものが、好ましい。 The polymer material may be a single material such as cellulose nonwoven fabric, polyethylene, or polypropylene, or may be a composite material of two or more types. What laminated | stacked the 2 or more types of microporous film which changed the hole diameter, the porosity, the obstruction | occlusion temperature of a hole, etc. is preferable.
前記無機物としては、アルミナや二酸化珪素等の酸化物類、窒化アルミや窒化珪素等の窒化物類、硫酸バリウムや硫酸カルシウム等の硫酸塩類が用いられ、粒子形状もしくは繊維形状のものが用いられる。形態としては、不織布、織布、微多孔性フィルム等の薄膜形状のものが用いられる。薄膜形状では、孔径が0.01μm〜1μm、厚さが5μm〜50μmのものが好適に用いられる。前記の独立した薄膜形状以外に、前記無機物の粒子を含有する複合多孔層を樹脂製の結着剤を用いて正極及び/又は負極の表層に形成させてなるセパレータを用いることができる。例えば、正極の両面に90%粒径が1μm未満のアルミナ粒子をフッ素樹脂の結着剤を用いて多孔層として形成させることが挙げられる。 As the inorganic substance, oxides such as alumina and silicon dioxide, nitrides such as aluminum nitride and silicon nitride, and sulfates such as barium sulfate and calcium sulfate are used, and those having a particle shape or fiber shape are used. As the form, a thin film shape such as a non-woven fabric, a woven fabric, or a microporous film is used. In the thin film shape, those having a pore diameter of 0.01 μm to 1 μm and a thickness of 5 μm to 50 μm are preferably used. In addition to the independent thin film shape, a separator formed by forming a composite porous layer containing the inorganic particles on the surface layer of the positive electrode and / or the negative electrode using a resin binder can be used. For example, alumina particles having a 90% particle diameter of less than 1 μm are formed on both surfaces of the positive electrode as a porous layer using a fluororesin binder.
(非水二次電池の作製)
本発明の非水二次電池の形状としては、既述のように、シート状、角型、シリンダー状などいずれの形にも適用できる。正極活物質や負極活物質の合剤は、集電体の上に、塗布(コート)、乾燥、圧縮されて、主に用いられる。
(Production of non-aqueous secondary battery)
As described above, the shape of the nonaqueous secondary battery of the present invention can be applied to any shape such as a sheet shape, a square shape, and a cylinder shape. A positive electrode active material or a mixture of negative electrode active materials is mainly used after being applied (coated), dried and compressed on a current collector.
以下、図2により、有底筒型形状リチウム二次電池100を例に挙げて、その構成及び作製方法について説明する。有底筒型形状の電池では、充填される発電素子に対する外表面積が小さくなるので、充電や放電時に内部抵抗による発生するジュール発熱を効率よく外部に逃げる設計にすることが好ましい。また、熱伝導性の高い物質の充填比率を高め、内部での温度分布が小さくなるように設計することが好ましい。図2は、有底筒型形状リチウム二次電池100を例である。この電池は、セパレータ12を介して重ね合わせた正極シート14、負極シート16を巻回して外装缶18内に収納した有底筒型リチウム二次電池100となっている。その他、図中の20が絶縁板、22が封口板、24が正極集電体、26がガスケット、28が圧力感応弁体、30が電流遮断素子である。なお、拡大した円内の図示は視認性を考慮しハッチングを変えているが、各部材は符号により全体図と対応している。
Hereinafter, with reference to FIG. 2, a configuration and a manufacturing method thereof will be described using the bottomed cylindrical lithium
まず、負極活物質と、所望により用いられる結着剤やフィラーなどを有機溶剤に溶解したものを混合して、スラリー状あるいはペースト状の負極合剤を調製する。得られた負極合剤を集電体としての金属芯体の両面の全面にわたって均一に塗布し、その後、有機溶剤を除去して負極合材層を形成する。さらに、集電体と負極合材層との積層体をロールプレス機等により圧延して、所定の厚みに調製して負極シート(電極シート)を得る。このとき、各剤の塗布方法や塗布物の乾燥、正・負極の電極の形成方法は定法によればよい。 First, a negative electrode active material is mixed with a binder or filler used as desired in an organic solvent to prepare a slurry-like or paste-like negative electrode mixture. The obtained negative electrode mixture is uniformly applied over the entire surface of both surfaces of the metal core as a current collector, and then the organic solvent is removed to form a negative electrode mixture layer. Further, the laminate of the current collector and the negative electrode composite material layer is rolled with a roll press or the like to prepare a predetermined thickness to obtain a negative electrode sheet (electrode sheet). At this time, the coating method of each agent, the drying of the coated material, and the method of forming the positive and negative electrodes may be in accordance with conventional methods.
本実施形態では、円筒形の電池を例に挙げたが、本発明はこれに制限されず、例えば、前記方法で作製された正・負の電極シートを、セパレータを介して重ね合わせた後、そのままシート状電池に加工するか、或いは、折りまげた後角形缶に挿入して、缶とシートを電気的に接続した後、電解質を注入し、封口板を用いて開口部を封止して角形電池を形成してもよい。 In the present embodiment, a cylindrical battery is taken as an example, but the present invention is not limited to this, for example, after the positive and negative electrode sheets produced by the above method are overlapped via a separator, After processing into a sheet battery as it is, or inserting it into a rectangular can after being folded and electrically connecting the can and the sheet, injecting an electrolyte and sealing the opening using a sealing plate A square battery may be formed.
いずれの実施形態においても、安全弁を開口部を封止するための封口板として用いることができる。また、封口部材には、安全弁の他、従来知られている種々の安全素子を備えつけてもよい。例えば、過電流防止素子として、ヒューズ、バイメタル、PTC素子などが好適に用いられる。 In any embodiment, the safety valve can be used as a sealing plate for sealing the opening. In addition to the safety valve, the sealing member may be provided with various conventionally known safety elements. For example, a fuse, bimetal, PTC element, or the like is preferably used as the overcurrent prevention element.
また、前記安全弁のほかに電池缶の内圧上昇の対策として、電池缶に切込を入れる方法、ガスケット亀裂方法あるいは封口板亀裂方法あるいはリード板との切断方法を利用することができる。また、充電器に過充電や過放電対策を組み込んだ保護回路を具備させるか、あるいは独立に接続させてもよい。 In addition to the safety valve, as a countermeasure against the increase in the internal pressure of the battery can, a method of cutting the battery can, a method of cracking the gasket, a method of cracking the sealing plate, or a method of cutting the lead plate can be used. Further, the charger may be provided with a protection circuit incorporating measures against overcharge and overdischarge, or may be connected independently.
缶やリード板は、電気伝導性をもつ金属や合金を用いることができる。例えば、鉄、ニッケル、チタン、クロム、モリブデン、銅、アルミニウムなどの金属あるいはそれらの合金が好適に用いられる。 For the can and lead plate, a metal or alloy having electrical conductivity can be used. For example, metals such as iron, nickel, titanium, chromium, molybdenum, copper, and aluminum, or alloys thereof are preferably used.
キャップ、缶、シート、リード板の溶接法は、公知の方法(例、直流又は交流の電気溶接、レーザー溶接、超音波溶接)を用いることができる。封口用シール剤は、アスファルトなどの従来知られている化合物や混合物を用いることができる。 As a method for welding the cap, the can, the sheet, and the lead plate, a known method (eg, direct current or alternating current electric welding, laser welding, ultrasonic welding) can be used. As the sealing agent for sealing, a conventionally known compound or mixture such as asphalt can be used.
(感圧機構)
本発明に係る非水二次電池は感圧機構(所定圧力以上になると電流を遮断する機構)を有することが好ましい。感圧機構は前述のような感圧弁を利用するも、感圧センサにより圧力変化を検知して通電を遮断するものなど、様々なものを採用することができる。図3は、感圧弁の別の例を示した一部断面側面図である。
なお、電流遮断封口体50は、図3に示すように、逆皿状(キャップ状)に形成されたステンレス製の正極キャップ51と、皿状に形成されたステンレス製の底板54とから構成される。正極キャップ51は、電池外部に向けて膨出する凸部52と、この凸部52の底辺部を構成する平板状のフランジ部53とからなり、凸部52の角部には複数のガス抜き孔52aを設けている。一方、底板54は、電池内部に向けて膨出する凹部55と、この凹部55の底辺部を構成する平板状のフランジ部56とからなる。凹部55の角部にはガス抜き孔55aが設けられている。
これらの正極キャップ51と底板54との内部には、電池内部のガス圧が上昇して所定の圧力以上になると変形する電力導出板57が収容されている。この電力導出板57は凹部57aとフランジ部57bとからなり、例えば、厚みが0.2mmで表面の凹凸が0.005mmのアルミニウム箔から構成される。凹部57aの最低部は底板54の凹部55の上表面に接触して配設されており、フランジ部57bは正極キャップ51のフランジ部53と底板54のフランジ部56との間に狭持される。なお、正極キャップ51と底板54とはポリプロピレン(PP)製の封口体用絶縁ガスケット59により液密に封口されている。
フランジ部57bの上部の一部には、PTC(Positive Temperature Coefficient)サーミスタ素子58が配設され、電池内に過電流が流れて異常な発熱現象を生じると、このPTCサーミスタ素子58の抵抗値が増大して過電流を減少させる。そして、電池内部のガス圧が上昇して所定の圧力以上になると電力導出板57の凹部57aは変形するため、電力導出板57と底板54の凹部55との接触が遮断されて過電流あるいは短絡電流が遮断されるようになる。
本発明に係る非水二次電池用電解液を用いることにより、上記感圧機構を有する二次電池において、その過充電時に瞬時により多くのガスを発生し、的確かつ迅速な電流の遮断が可能とする。
(Pressure sensitive mechanism)
The non-aqueous secondary battery according to the present invention preferably has a pressure-sensitive mechanism (a mechanism that cuts off current when a predetermined pressure or higher is reached). Although the pressure-sensitive mechanism uses a pressure-sensitive valve as described above, various devices such as a device that detects a pressure change by a pressure-sensitive sensor and interrupts energization can be employed. FIG. 3 is a partial cross-sectional side view showing another example of the pressure sensitive valve.
As shown in FIG. 3, the current interrupting sealing
Housed in the
A PTC (Positive Temperature Coefficient)
By using the electrolyte for a non-aqueous secondary battery according to the present invention, in the secondary battery having the pressure-sensitive mechanism, more gas is instantly generated at the time of overcharging, and accurate and quick interruption of current is possible. And
本発明の前記特定芳香族化合物は、通常充電時にガスを発生せず、過充電時に有効量のガスを発生することが好ましい。ここで、「過充電時に有効量のガスを発生する」とは後記実施例の過充電時ガス発生量試験及び充電寿命試験で「Good」の結果になることを意味する。 It is preferable that the specific aromatic compound of the present invention does not generate gas during normal charging but generates an effective amount of gas during overcharging. Here, “to generate an effective amount of gas at the time of overcharging” means that the result of “Good” is obtained in the overcharged gas generation amount test and the charge life test in the examples described later.
ここで用語の意味について確認しておくと、通常充電時とは、電池の設計電圧内で充電が行われている状態をいう。例えば一般的に用いられる定電流−定電圧充電法では、設定電圧になるまで定電流充電した後、設定電圧を維持した状態で満充電まで充電する方法が用いられている。本願でいう通常充電時の正極電位とは前記設定電圧における正極電位を表す。一方、過充電時とは、何らかの要因により電池の設計電圧を超えた電圧で充電されている状態をいう。 Here, when the meaning of terms is confirmed, normal charging means a state where charging is performed within the design voltage of the battery. For example, in a generally used constant current-constant voltage charging method, a method is used in which a constant current charge is performed until a set voltage is reached, and then a full charge is performed while the set voltage is maintained. The positive electrode potential during normal charging in the present application represents the positive electrode potential at the set voltage. On the other hand, overcharge refers to a state in which the battery is charged at a voltage exceeding the design voltage of the battery due to some factor.
[非水二次電池の用途] [Applications of non-aqueous secondary batteries]
リチウム電池と呼ばれる二次電池は、充放電反応にリチウムの吸蔵および放出を利用する二次電池(リチウムイオン二次電池)と、リチウムの析出および溶解を利用する二次電池(リチウム金属二次電池)とに大別される。本発明においてはリチウムイオン二次電池としての適用が好ましい。
本発明の非水二次電池はサイクル性良好な二次電池を作製することができるため、種々の用途に適用される。適用態様には特に限定はないが、例えば、電子機器に搭載する場合、ノートパソコン、ペン入力パソコン、モバイルパソコン、電子ブックプレーヤー、携帯電話、コードレスフォン子機、ページャー、ハンディーターミナル、携帯ファックス、携帯コピー、携帯プリンター、ヘッドフォンステレオ、ビデオムービー、液晶テレビ、ハンディークリーナー、ポータブルCD、ミニディスク、電気シェーバー、トランシーバー、電子手帳、電卓、メモリーカード、携帯テープレコーダー、ラジオ、バックアップ電源、メモリーカードなどが挙げられる。その他民生用として、自動車、電動車両、モーター、照明器具、玩具、ゲーム機器、ロードコンディショナー、時計、ストロボ、カメラ、医療機器(ペースメーカー、補聴器、肩もみ機など)などが挙げられる。更に、各種軍需用、宇宙用として用いることができる。また、太陽電池と組み合わせることもできる。
Secondary batteries called lithium batteries are secondary batteries that use the insertion and extraction of lithium for charge / discharge reactions (lithium ion secondary batteries), and secondary batteries that use precipitation and dissolution of lithium (lithium metal secondary batteries). ). In the present invention, application as a lithium ion secondary battery is preferable.
Since the nonaqueous secondary battery of the present invention can produce a secondary battery with good cycle performance, it is applied to various applications. Although there is no particular limitation on the application mode, for example, when installed in an electronic device, a notebook computer, a pen input personal computer, a mobile personal computer, an electronic book player, a mobile phone, a cordless phone, a pager, a handy terminal, a mobile fax machine, a mobile phone Copy, portable printer, headphone stereo, video movie, LCD TV, handy cleaner, portable CD, minidisc, electric shaver, walkie-talkie, electronic notebook, calculator, memory card, portable tape recorder, radio, backup power supply, memory card, etc. It is done. Other consumer products include automobiles, electric vehicles, motors, lighting equipment, toys, game equipment, road conditioners, watches, strobes, cameras, medical equipment (such as pacemakers, hearing aids, and shoulder grinders). Furthermore, it can be used for various military use and space use. Moreover, it can also combine with a solar cell.
なかでも、特にその過充電時の安全性と高レート放電特性の利点を発揮する観点から、高容量且つ高レート放電特性が要求されるアプリケーションに適用されることが好ましい。例えば、今後大容量化が予想される蓄電設備等においては高い安全性が必須となりさらに電池性能の両立が要求される。また、電気自動車などは高容量の二次電池を搭載し、家庭で日々充電が行われる用途が想定され、過充電時に対して一層の安全性が求められる(NEDO技術開発機構,燃料電池・水素技術開発部,蓄電技術開発室「NEDO次世代自動車用蓄電池技術開発 ロードマップ2008」(平成21年6月))。また、発進、加速時には高レートでの放電が必要であり、繰返し充放電しても高レート放電容量が劣化しないことが重要になる。本発明によれば、このような使用形態に好適に対応してその優れた効果を発揮することができる。 Especially, it is preferable to apply to the application for which a high capacity | capacitance and a high rate discharge characteristic are requested | required from a viewpoint which exhibits the advantage of the safety | security at the time of an overcharge, and a high rate discharge characteristic. For example, in power storage facilities and the like that are expected to increase in capacity in the future, high safety is essential, and further compatibility of battery performance is required. In addition, electric vehicles are equipped with high-capacity secondary batteries and are expected to be charged every day at home, and even greater safety is required against overcharging (NEDO Technology Development Organization, Fuel Cell / Hydrogen Technology Development Department, Energy Storage Technology Development Office “NEDO Next-Generation Automotive Storage Battery Technology Development Roadmap 2008” (June 2009)). In addition, when starting and accelerating, it is necessary to discharge at a high rate, and it is important that the high-rate discharge capacity does not deteriorate even after repeated charging and discharging. According to the present invention, it is possible to exhibit the excellent effect correspondingly to such a usage pattern.
以下に、本発明についてさらに詳細に説明するが、これにより本発明が限定して解釈されるものではない。 The present invention will be described in more detail below, but the present invention is not construed as being limited thereto.
(実施例1)
(電解液の調製)
エチレンカーボネート(EC)、エチルメチルカーボネート(EMC)を体積比1:2で混合した溶液に対し、1mol/L(12.7質量%)となるようにLiPF6を添加し、基準となる電解液を作製した。これに対し、下表1に記載の添加剤及び添加量で混合し、非水電解液を調製した。
Example 1
(Preparation of electrolyte)
LiPF 6 was added so that it might become 1 mol / L (12.7 mass%) with respect to the solution which mixed ethylene carbonate (EC) and ethyl methyl carbonate (EMC) by the volume ratio 1: 2, and becomes electrolyte solution used as a reference | standard Was made. On the other hand, it mixed with the additive and addition amount of the following table 1, and prepared the non-aqueous electrolyte.
(2032形コイン電池の作製)
正極は、表中の活物質85質量%、導電助剤:カーボンブラック7.5質量%、バインダー:PVDF 7.5質量%で作製し、負極は、LTO94質量%、導電助剤:カーボンブラック3質量%、バインダー:PVDF 3質量%で作製した。セパレータはガラスろ紙(ADVANTEC社製:GA−55、厚さ:0.21mm)である。上記の正負極、セパレータを使用し、各試験用電解液について、2032形コイン電池を作製し、下記電池特性項目の評価を行った。
(Production of 2032 type coin battery)
The positive electrode is prepared with 85% by mass of the active material in the table, the conductive auxiliary agent: 7.5% by mass of carbon black, the binder: 7.5% by mass of PVDF, and the negative electrode is 94% by mass of LTO, and the conductive auxiliary agent:
<過充電時ガス発生量>
上記の手順で作製した2032形電池を用いて45℃の恒温槽中、0.9mAで電池電圧が3.55V(正極電位5.1V)になるまで1C定電流充電した後、0.18mAで電池電圧が1.2V(正極電位2.75V)になるまで0.2C放電を行い、電池の体積を測定した。測定は島津(株)社製、精密比重計セット(精密天秤:AUW120D、比重測定キット:SMK−401)を用いて行った。この過充電試験後の電池体積増加分の電池作製時体積に対する比率を過充電時ガス発生量とした。
<Gas generation during overcharge>
Using a 2032 battery manufactured in the above procedure, in a 45 ° C. thermostat, after charging at a constant current of 1 C until the battery voltage reaches 3.55 V (positive electrode potential 5.1 V) at 0.9 mA, then at 0.18 mA. The battery was discharged at 0.2 C until the battery voltage reached 1.2 V (positive electrode potential 2.75 V), and the volume of the battery was measured. The measurement was carried out using a precision hydrometer set (precision balance: AUW120D, specific gravity measurement kit: SMK-401) manufactured by Shimadzu Corporation. The ratio of the increase in battery volume after this overcharge test to the volume during battery production was defined as the amount of gas generated during overcharge.
参考までに電池の断面模式図を図4に載せた。本実施例では、同図に示した上蓋および底蓋をSUS製(板厚250μm)のものとし、2032電池の直径を20mm、厚みを3.2mmとした。 For reference, a schematic cross-sectional view of the battery is shown in FIG. In this example, the top and bottom lids shown in the figure were made of SUS (plate thickness 250 μm), the diameter of the 2032 battery was 20 mm, and the thickness was 3.2 mm.
過充電時ガス発生量
=(過充電試験後の電池体積―作成時電池体積)/作成時電池体積×100
Gas generation during overcharge
= (Battery volume after overcharge test-Battery volume at creation) / Battery volume at creation x 100
このガス発生量が
1未満 Bad
1以上3未満 Fair
3以上 Good
として評価した。
This gas generation amount is less than 1 Bad
1 to less than 3 Fair
3 or more Good
As evaluated.
<充電寿命試験>
セパレータをポリプロピレン製微多孔膜24μm厚に変更した以外は同様にして作製した2032形電池を用いて30℃の恒温槽中、2mAで電池電圧が2.65V(正極電位4.2V)になるまで1C定電流充電した。その後、2.65V(正極電位4.2V)定電圧において1ヶ月間充電を行った。次に0.4mAで電池電圧が1.2V(正極電位2.75V)になるまで0.2C定電流放電を行い、その放電容量(mAh)及び電池の体積を測定した。この1ヵ月後の放電容量の初期放電容量に対する比率を容量維持率とし、試験後電池体積増加分の電池作製時体積に対する比率を充電寿命試験時のガス発生量とした。
<Charge life test>
Using a 2032 battery manufactured in the same manner except that the separator was changed to a
このガス発生量が
0以上1未満 Good
1以上3未満 Fair
3以上 Bad
として評価した。
This gas generation amount is 0 or more and less than 1 Good
1 to less than 3 Fair
3 or more Bad
As evaluated.
結果を下表1に示す。 The results are shown in Table 1 below.
化合物添加量:電解液全量(電解質を含む)に対する含有率(質量%)
LTO:チタン酸リチウム
LCO:LiCoO2
NMC:LiNi0.33Co0.33Mn0.33O2
LTO: lithium titanate LCO: LiCoO 2
NMC: LiNi 0.33 Co 0.33 Mn 0.33 O 2
上記の結果より、本発明に係る特定芳香族化合物を用いることにより、非水電解液からのガス発生に基づく高い過充電防止性と電池性能の劣化抑制性(サイクル特性)とを両立できることが分かる。 From the above results, it can be seen that by using the specific aromatic compound according to the present invention, it is possible to achieve both high overcharge prevention based on gas generation from the non-aqueous electrolyte and deterioration suppression (cycle characteristics) of battery performance. .
(実施例2)
表2に記載の負極活物質に変更し、過充電時ガス発生量の充電電圧を5.0V(正極電位5.1V)、放電電圧を2.65V(正極電圧2.75V)、充電寿命試験の充電電圧を4.1V(正極電圧4.2V)、定電圧条件を4.1V(正極電位4.2V)、放電電圧を2.65V(2.75V)に変更した以外は、実施例1と同様にして、過充電時ガス発生量試験及び充電寿命試験を行った。その結果を表2に示す。
(Example 2)
Changed to the negative electrode active material shown in Table 2, the charge voltage of the amount of gas generated during overcharge is 5.0 V (positive electrode potential 5.1 V), the discharge voltage is 2.65 V (positive electrode voltage 2.75 V), and the charge life test Example 1 except that the charging voltage was changed to 4.1 V (positive electrode voltage 4.2 V), the constant voltage condition was changed to 4.1 V (positive electrode potential 4.2 V), and the discharge voltage was changed to 2.65 V (2.75 V). In the same manner as above, a gas generation amount test and a charge life test were performed during overcharge. The results are shown in Table 2.
黒鉛/Si:特開2012−43547等を参考に作製
Sn:特開平10−74537を参考に作製
上記の結果より、本発明の非水二次電池用電解液および非水二次電池によれば、非水電解液からのガス発生に基づく高い過充電防止性とその充電寿命の長期化とを両立することができることが分かる。また、高電位の負極および正極との相性がよく、これらを用いることで、一層その性能が良化することが分かる。 From the above results, according to the electrolyte for a non-aqueous secondary battery and the non-aqueous secondary battery of the present invention, high overcharge prevention based on gas generation from the non-aqueous electrolyte and prolonging its charge life are achieved. It can be seen that both can be achieved. Moreover, it is understood that the compatibility with the high potential negative electrode and the positive electrode is good, and the performance is further improved by using these.
図5には、過充電試験時の充電カーブのグラフを示した。この測定は以下のようにして行った。実施例1の過充電試験時の電気量を横軸に、正極電位(電池電圧+1.55V)を縦軸にグラフ化した。この結果から、反応開始電位(曲線の極大値)とガス発生電位(曲線の極小値)の差が十分にあると、通常時にガスを発生せず安定な電池挙動を示し、過充電時に短時間で多量のガスを放出することができる、即ち反応ディスクリをつけることができることが分かる。前記反応開始電位とガス発生電位の差は、0.08V以上が好ましく、0.1V以上がより好ましく、0.15V以上がさらに好ましく、0.2V以上であることが特に好ましい。上限は特にないが、2V以下であることが実際的である。 FIG. 5 shows a graph of the charging curve during the overcharge test. This measurement was performed as follows. The amount of electricity during the overcharge test of Example 1 is plotted on the horizontal axis, and the positive electrode potential (battery voltage +1.55 V) is plotted on the vertical axis. From this result, if there is a sufficient difference between the reaction start potential (maximum value of the curve) and the gas generation potential (minimum value of the curve), it shows stable battery behavior without generating gas during normal operation, and a short time during overcharge. It can be seen that a large amount of gas can be released, that is, a reaction disc can be added. The difference between the reaction initiation potential and the gas generation potential is preferably 0.08 V or more, more preferably 0.1 V or more, further preferably 0.15 V or more, and particularly preferably 0.2 V or more. Although there is no upper limit in particular, it is practical that it is 2V or less.
C 正極(正極合材)
1 正極導電材(集電体)
2 正極活物質層
A 正極(正極合材)
3 負極導電材(集電体)
4 負極活物質層
5 非水電解液
6 動作手段
7 配線
9 セパレータ
10 リチウムイオン二次電池
12 セパレータ
14 正極シート
16 負極シート
18 負極を兼ねる外装缶
20 絶縁板
22 封口板
24 正極集電
26 ガスケット
28 圧力感応弁体
30 電流遮断素子
100 有底筒型形状リチウム二次電池
50 電流遮断封口体
51 正極キャップ
52 凸部
52a ガス抜き孔
53 フランジ部
54 底板
55 凹部
56 フランジ部
57 電力導出板
57a 凹部57
57b フランジ部
58 PTCサーミスタ素子
59 封口体用絶縁ガスケット
61 負極端子(上蓋)
62 負極
63 セパレータ(電解液を含む)
64 ガスケット(シール材)
65 正極
66 正極管(底蓋)
C positive electrode (positive electrode composite)
1 Positive electrode conductive material (current collector)
2 Positive electrode active material layer A Positive electrode (positive electrode mixture)
3 Negative electrode conductive material (current collector)
4 Negative electrode
62 Negative electrode 63 Separator (including electrolyte)
64 Gasket (sealing material)
65 Positive electrode 66 Positive electrode tube (bottom cover)
Claims (19)
前記非水二次電池用電解液が、下記式(1)または(2)で表される特定芳香族化合物と有機溶媒と下記の電解質とを含有する非水二次電池。
(負極:第一族又は第二族に属する金属のイオンを挿入放出可能であり、炭素原子(C)、ケイ素原子(Si)、もしくはチタン原子(Ti)を含む材料を活物質とする)
(正極:第一族又は第二族に属する金属のイオンを挿入放出可能な材料を活物質とする)
(電解質:周期律第一族又は第二族に属する金属のイオンを含む金属塩) A nonaqueous secondary battery comprising the following negative electrode, the following positive electrode, and an electrolyte for a nonaqueous secondary battery,
The non-aqueous secondary battery in which the electrolyte solution for a non-aqueous secondary battery contains a specific aromatic compound represented by the following formula (1) or (2), an organic solvent, and the following electrolyte.
(Negative electrode: Metal ions belonging to Group 1 or Group 2 can be inserted and released, and a material containing carbon atom (C), silicon atom (Si), or titanium atom (Ti) is used as an active material)
(Positive electrode: A material capable of inserting and releasing metal ions belonging to Group 1 or Group 2 is used as an active material)
(Electrolyte: Metal salt containing ions of metals belonging to Group 1 or Group 2 of the periodic rule)
LiaM1Ob ・・・ (MA)
LicM2 2Od ・・・ (MB)
LieM3(PO4)f ・・・ (MC)
(式中、M1およびM2は、それぞれ独立に、Co、Ni、Fe、Mn、Cu、およびVから選択される1種以上の元素を表す。M3は、それぞれ独立に、V、Ti、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、およびCuから選択される1種以上の元素を表す。ただし、M1〜M3は、その一部が、リチウム以外の周期律表の第1(Ia)族の元素、第2(IIa)族の元素、Al、Ga、In、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Si、P、およびBから選ばれる少なくとも1つにより置換されていてもよい。aは0〜1.2を表す。bは1〜3を表す。cは0〜2を表す。dは3〜5を表す。eは0〜2を表し、fは1〜5を表す。) The nonaqueous secondary battery according to claim 1, wherein the active material of the positive electrode includes a transition metal oxide represented by any of the following formulas (MA) to (MC).
Li a M 1 O b (MA)
Li c M 2 2 O d (MB)
Li e M 3 (PO 4 ) f ... (MC)
(In the formula, M 1 and M 2 each independently represent one or more elements selected from Co, Ni, Fe, Mn, Cu, and V. M 3 independently represents V, Ti. , Cr, Mn, Fe, Co, Ni, and Cu represent one or more elements selected from the group consisting of M 1 to M 3 , part of which is the first (Ia) of the periodic table other than lithium ) Group element, Group 2 (IIa) element, Al, Ga, In, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Si, P, and B may be substituted. a represents 0 to 1.2, b represents 1 to 3, c represents 0 to 2, d represents 3 to 5, e represents 0 to 2, and f represents 1 to 5. )
(電解質:周期律第一族又は第二族に属する金属のイオンを含む金属塩) The electrolyte solution for non-aqueous secondary batteries containing the specific aromatic compound represented by following formula (1) or (2), an organic solvent, and the following electrolyte.
(Electrolyte: Metal salt containing ions of metals belonging to Group 1 or Group 2 of the periodic rule)
に記載の非水二次電池。 The overcharge test includes a specific aromatic compound that includes a difference between a maximum value and a minimum value of an electric charge-positive voltage charging curve at the time of charging at 1C of 0.08 V or more. Non-aqueous secondary battery.
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