JP2020071944A - 非水電解液リチウムイオン二次電池 - Google Patents

非水電解液リチウムイオン二次電池 Download PDF

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Abstract

【課題】リチウムビス(オキサレート)ボレートを含有する非水電解液を備えるリチウムイオン二次電池であって、抵抗が小さくLi析出耐性に優れるリチウムイオン二次電池を提供する。【解決手段】ここに開示されるリチウムイオン二次電池は、正極と、負極と、非水電解液とを備える。前記負極は、負極集電体と、前記負極集電体上に設けられた負極活物質層とを備える。前記負極活物質層は、負極活物質と、ポリアクリル酸リチウムとを含有する。前記非水電解液は、非水溶媒と、リチウムビス(オキサレート)ボレートと、リチウムビス(フルオロスルホニル)イミドとを含有する。リチウムビス(オキサレート)ボレートに対するリチウムビス(フルオロスルホニル)イミドの量は、13モル倍以上33モル倍以下である。リチウムビス(オキサレート)ボレートに対するポリアクリル酸リチウムの量は、3.6モル倍以上8.8モル倍以下である。【選択図】図1

Description

本発明は、非水電解液を備えるリチウムイオン二次電池に関する。
近年、リチウムイオン二次電池は、パソコン、携帯端末等のポータブル電源や、電気自動車(EV)、ハイブリッド自動車(HV)、プラグインハイブリッド自動車(PHV)等の車両駆動用電源などに好適に用いられている。
リチウムイオン二次電池において、非水電解液の一部が分解して、負極活物質表面に被膜が形成されることが知られている。当該被膜は、リチウムイオンを負極中に挿入・脱離をさせる役割を果たしつつ、さらなる非水電解液の分解を抑制するなどの機能を有する。負極活物質の表面に安定な被膜を形成するために、非水電解液にリチウムビス(オキサレート)ボレート(LiBOB)を含有させる技術が知られている(例えば、特許文献1参照)。
特開2015−011969号公報
しかしながら、負極内には、通常、不可避の不純物としてナトリウム成分(例えば、ナトリウム塩)が残留している。負極内にナトリウム成分が残留していると、ナトリウムビス(オキサレート)ボレート(NaBOB)が負極中央部付近に生成し、これにより、LiBOB由来の被膜の生成量にバラツキが生じ得る。LiBOB由来の被膜の生成量のバラツキは、Li析出耐性の低下をもたらす。
負極内のナトリウム成分量を低減するために洗浄工程を設けるか、ナトリウム成分を含まない材料を使用することによって、Li析出耐性を改善することはできる。しかしながら、近年、リチウムイオン二次電池にはさらなる高入出力化が求められており、上記のような対策を施しても低抵抗化のさらなる要求には十分に応えることができない。
そこで本発明は、リチウムビス(オキサレート)ボレートを含有する非水電解液を備えるリチウムイオン二次電池であって、抵抗が小さくLi析出耐性に優れるリチウムイオン二次電池を提供することを目的とする。
ここに開示されるリチウムイオン二次電池は、正極と、負極と、非水電解液とを備える。前記負極は、負極集電体と、前記負極集電体上に設けられた負極活物質層とを備える。前記負極活物質層は、負極活物質と、ポリアクリル酸リチウムとを含有する。前記非水電解液は、非水溶媒と、リチウムビス(オキサレート)ボレートと、リチウムビス(フルオロスルホニル)イミドとを含有する。リチウムビス(オキサレート)ボレートに対するリチウムビス(フルオロスルホニル)イミドの量は、13モル倍以上33モル倍以下である。リチウムビス(オキサレート)ボレートに対するポリアクリル酸リチウムの量は、3.6モル倍以上8.8モル倍以下である。
このような構成によれば、リチウムビス(オキサレート)ボレートを含有する非水電解液を備えるリチウムイオン二次電池であって、抵抗が小さくLi析出耐性に優れるリチウムイオン二次電池を提供することができる。
本発明の一実施形態に係るリチウムイオン二次電池の内部構造を模式的に示す断面図である。 本発明の一実施形態に係るリチウムイオン二次電池の捲回電極体の構成を示す模式図である。
以下、図面を参照しながら、本発明による実施の形態を説明する。なお、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄(例えば、本発明を特徴付けない非水電解液リチウムイオン二次電池の一般的な構成および製造プロセス)は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。また、以下の図面においては、同じ作用を奏する部材・部位には同じ符号を付して説明している。また、各図における寸法関係(長さ、幅、厚さ等)は実際の寸法関係を反映するものではない。
なお、本明細書において「二次電池」とは、繰り返し充放電可能な蓄電デバイス一般をいい、いわゆる蓄電池ならびに電気二重層キャパシタ等の蓄電素子を包含する用語である。
また、「非水電解液リチウムイオン二次電池」とは、非水電解液(典型的には、非水溶媒中に支持塩を含む非水電解液)を備え、電荷担体としてリチウムイオンを利用し、正負極間におけるリチウムイオンに伴う電荷の移動により充放電が実現される二次電池をいう。
図1に示す非水電解液リチウムイオン二次電池100(以下、単に「リチウムイオン二次電池100」と記す)は、扁平形状の捲回電極体20と電解液80とが扁平な角形の電池ケース(即ち外装容器)30に収容されることにより構築される密閉型電池である。
なお、図1は、電池ケース30内に注入される電解液80の量を厳密に示すものではない。
電池ケース30には外部接続用の正極端子42および負極端子44と、電池ケース30の内圧が所定レベル以上に上昇した場合に該内圧を開放するように設定された薄肉の安全弁36が設けられている。また、電池ケース30には、電解液80を注入するための注入口(図示せず)が設けられている。正極端子42は、正極集電板42aと電気的に接続されている。負極端子44は、負極集電板44aと電気的に接続されている。電池ケース30の材質としては、例えば、アルミニウム等の軽量で熱伝導性の良い金属材料が用いられる。
捲回電極体20は、図1および図2に示すように、長尺状の正極集電体52の片面または両面(ここでは両面)に長手方向に沿って正極活物質層54が形成された正極シート50と、長尺状の負極集電体62の片面または両面(ここでは両面)に長手方向に沿って負極活物質層64が形成された負極シート60とが、2枚の長尺状のセパレータシート70を介して重ね合わされて長手方向に捲回された形態を有する。なお、捲回電極体20の捲回軸方向(即ち、上記長手方向に直交するシート幅方向)の両端から外方にはみ出すように形成された正極活物質層非形成部分52a(即ち、正極活物質層54が形成されずに正極集電体52が露出した部分)と負極活物質層非形成部分62a(即ち、負極活物質層64が形成されずに負極集電体62が露出した部分)には、それぞれ正極集電板42aおよび負極集電板44aが接合されている。
正極シート50には、従来のリチウムイオン二次電池に用いられているものと同様のものを特に制限なく使用することができる。典型的な一態様を以下に示す。
正極シート50を構成する正極集電体52としては、例えばアルミニウム箔等が挙げられる。
正極活物質層54は、正極活物質を含有する。正極活物質の例としては、リチウム遷移金属酸化物(例、LiNi1/3Co1/3Mn1/3、LiNiO、LiCoO、LiFeO、LiMn、LiNi0.5Mn1.5等)、リチウム遷移金属リン酸化合物(例、LiFePO等)等が挙げられる。
正極活物質層54は、活物質以外の成分、例えば導電材やバインダ等を含み得る。導電材としては、例えばアセチレンブラック(AB)等のカーボンブラックやその他(例、グラファイト等)の炭素材料を好適に使用し得る。バインダとしては、例えばポリフッ化ビニリデン(PVDF)等を使用し得る。
負極シート60を構成する負極集電体62としては、例えば銅箔等が挙げられる。
負極活物質層64は、負極活物質を含有する。負極活物質の例としては、黒鉛、ハードカーボン、ソフトカーボン等の炭素材料が挙げられる。
本実施形態においては、負極活物質層64は、ポリアクリル酸リチウム(PAALi)を含有する。ポリアクリル酸リチウムは、ナトリウム成分をほとんどまたは全く含まない成分であり、ポリアクリル酸リチウムはバインダとして機能する。よって、従来用いられているカルボキシメチルセルロース(CMC)等のナトリウム成分を含有するバインダを使用する必要がない。負極活物質層64は、ポリアクリル酸リチウム以外のバインダ成分を本発明の効果が阻害されない範囲内で含有していてもよいが、負極活物質層64のバインダ成分は、ポリアクリル酸リチウムのみからなることが好ましい。
負極活物質層64中のポリアクリル酸リチウムの含有量は、特に制限はないが、1.2質量%〜3.0質量%が好ましく、1.2質量%〜2.0質量%がより好ましい。
セパレータ70としては、例えばポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリエステル、セルロース、ポリアミド等の樹脂から成る多孔性シート(フィルム)が挙げられる。かかる多孔性シートは、単層構造であってもよく、二層以上の積層構造(例えば、PE層の両面にPP層が積層された三層構造)であってもよい。セパレータ70の表面には、耐熱層(HRL)が設けられていてもよい。
本実施形態において、非水電解液80は、非水溶媒と支持塩とを含有する。非水溶媒と、リチウムビス(オキサレート)ボレート(LiBOB)と、リチウムビス(フルオロスルホニル)イミド(LiFSI)とを含有する。
非水溶媒としては、一般的なリチウムイオン二次電池の電解液に用いられる各種のカーボネート類、エーテル類、エステル類、ニトリル類、スルホン類、ラクトン類等の有機溶媒を、特に限定なく用いることができる。具体例として、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ジエチルカーボネート(DEC)、ジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、モノフルオロエチレンカーボネート(MFEC)、ジフルオロエチレンカーボネート(DFEC)、モノフルオロメチルジフルオロメチルカーボネート(F−DMC)、トリフルオロジメチルカーボネート(TFDMC)等が例示される。このような非水溶媒は、1種を単独で、あるいは2種以上を適宜組み合わせて用いることができる。
本実施形態においては、LiFSIは支持塩としての役割を有する。非水電解液80は、LiFSIと、LiFSI以外の支持塩とを組み合わせて用いることが好ましい。LiFSI以外の支持塩の例としては、LiPF、LiBF、LiClO等のリチウム塩が挙げられ、なかでも、LiPFが好ましい。このとき、支持塩中のLiFSIの割合は、特に制限はないが、30モル%〜85モル%が好ましく、40モル%〜85モル%がより好ましい。
支持塩の濃度は、特に制限はないが、0.7mol/L以上2mol/L以下が好ましい。
本実施形態においては、リチウムビス(オキサレート)ボレートに対するリチウムビス(フルオロスルホニル)イミドの量が、13モル倍以上33モル倍以下である。また、リチウムビス(オキサレート)ボレートに対するポリアクリル酸リチウムの量が、3.6モル倍以上8.8モル倍以下である。
また、非水電解液80は、本発明の効果を著しく損なわない限りにおいて、上述した成分以外の成分、例えば、ビフェニル(BP)、シクロヘキシルベンゼン(CHB)等のガス発生剤;増粘剤;等の各種添加剤を含んでいてもよい。
以上のようにして構成されるリチウムイオン二次電池100は、抵抗が小さいため、入出力特性に優れる。また、リチウムイオン二次電池100は、Li析出耐性に優れる。
このよう効果が得られる理由は、CMC等のナトリウム成分を含有するバインダに代えてPAALiをバインダとして用いることにより、ナトリウム成分量が低減されてLi析出耐性を向上させることができることと、LiFSIは負極活物質表面で反応して被膜の一部となるが、負極活物質表面にPAALiが存在し、かつLiFSI、PAALiおよびLiBOBがそれぞれ適切な量である場合に、負極活物質表面に低抵抗な被膜が形成されることによるものと考えられる。
以上のようにして構成されるリチウムイオン二次電池100は、各種用途に利用可能である。好適な用途としては、電気自動車(EV)、ハイブリッド自動車(HV)、プラグインハイブリッド自動車(PHV)等の車両に搭載される駆動用電源が挙げられる。リチウムイオン二次電池100は、典型的には複数個を直列および/または並列に接続してなる組電池の形態でも使用され得る。
なお、一例として扁平形状の捲回電極体20を備える角形のリチウムイオン二次電池100について説明した。しかしながら、リチウムイオン二次電池は、積層型電極体を備えるリチウムイオン二次電池として構成することもできる。また、リチウムイオン二次電池は、円筒形リチウムイオン二次電池、ラミネート型リチウムイオン二次電池等として構成することもできる。
以下、本発明に関する実施例を説明するが、本発明をかかる実施例に示すものに限定することを意図したものではない。
<評価用リチウムイオン二次電池の作製>
正極活物質粉末としてのLiNi1/3Co1/3Mn1/3(LNCM)と、導電材としてのアセチレンブラック(AB)と、バインダとしてのポリフッ化ビニリデン(PVDF)とを、LNCM:AB:PVdF=87:10:3の質量比でN−メチルピロリドン(NMP)と混合し、正極活物質層形成用スラリーを調製した。このスラリーを、長尺状のアルミニウム箔の両面に帯状に塗布して乾燥した後、正極活物質層の密度が2.3g/cmになるまでロールプレスすることにより、正極シートを作製した。
負極活物質として、平均粒子径(D50)10μm、比表面積4.8m/g、C=0.67nm、L=27nmの天然黒鉛系炭素材料を準備した。
比較例1および比較例2では、この天然黒鉛系炭素材料(C)と、スチレンブタジエンゴム(SBR)と、カルボキシメチルセルロース(CMC)とを、C:SBR:CMC=98:1:1の質量比でイオン交換水と混合して、負極活物質層形成用スラリーを調製した。このスラリーを、長尺状の銅箔の両面に帯状に塗布して乾燥した後、ロールプレスすることにより、負極シートを作製した。
比較例3〜6および実施例1〜9では、この天然黒鉛系炭素材料(C)と、ポリアクリル酸リチウム(PAALi)とを、C:PAALi=100−x:xの質量比(xは表1に示す値である)でイオン交換水と混合して、負極活物質層形成用スラリーを調製した。このスラリーを、長尺状の銅箔の両面に帯状に塗布して乾燥した後、ロールプレスすることにより、負極シートを作製した。
また、2枚のセパレータシート(多孔性ポリオレフィンシート)を用意した。
作製した正極シートと負極シートとを、セパレータシートを介して対向させて積層し、捲回して電極体を作製した。
作製した電極体に端子類を溶接により取り付け、非水電解液と共にラミネートケースに収容し、封止した。非水電解液としては、エチレンカーボネート(EC)とエチルメチルカーボネート(EMC)とを30:70の体積比で混合した非水溶媒に、表1に示す支持塩(LiPF、リチウムビス(フルオロスルホニル)イミド(LiFSI))を表1に示す濃度で含有し、さらにリチウムビス(オキサレート)ボレート(LiBOB)を表1示す濃度で含有するものを用いた。
このようにして、比較例1〜6および実施例1〜9のリチウムイオン二次電池を作製した。
<コンディショニング>
上記作製した各リチウムイオン二次電池を25℃の環境下に置いた。各リチウムイオン二次電池に対し、1/3Cの電流値で4.1Vまで定電流充電した後、10分間休止し、次いで1/3Cの電流値で3.0Vまで定電流放電した後、10分間休止することにより、コンディショニング処理を施した。
<抵抗測定>
コンディショニングした各リチウムイオン二次電池を、SOC60%に調整した。これを−10℃の環境下に置き、10秒間放電した。放電電流レートは1C、3C、5C、10Cとし、各電流レートで放電した後の電圧を測定した。電流レートおよび電圧よりIV抵抗を算出し、その平均値を電池抵抗とした。比較例1のリチウムイオン二次電池の抵抗を「1.00」とした場合のその他の電池の抵抗の比を算出した。結果を表1に示す。
<初期限界電流値評価>
コンディショニングした各リチウムイオン二次電池を、−10℃の環境下に置き、所定の電流値で、5秒間充電、10分間休止、5秒間放電、10分間休止を1サイクルとする充放電サイクルを1000サイクル実施した。その後、各リチウムイオン二次電池を解体し、負極上での金属リチウムの析出の有無を確認した。負極上での金属リチウムの析出が確認されなかった電流値のうち、最大の電流値を限界電流値とした。比較例1のリチウムイオン二次電池の限界電流値を「1.00」としたときの、その他のリチウムイオン二次電池の限界電流値の比を求めた。結果を表1に示す。
Figure 2020071944
比較例1に対して、非水電解液の支持塩の一部をLiFSIとした比較例2では、抵抗低減効果はほとんどなく、Li析出耐性の向上も見られなかった。比較例1に対して、負極バインダをPAALiとした比較例3では、Li析出耐性は12%向上したものの、抵抗低減効果が見られなかった。Li析出耐性の向上は、Naが低減した効果によるものと考えられる。
非水電解液の支持塩の一部をLiFSIとし、負極バインダをPAALiとした実施例1では、抵抗が約29%減少するとともに、Li析出耐性が32%向上した。比較例2および比較例3のように、LiFSI単独およびPAALi単独では得られないような効果が得られたことから、これは、PAALiとLiFSIとの組み合わせによる効果であると考えられる。このような効果が得られる理由は定かではないが、LiFSIは負極表面で反応して被膜の一部となるが、負極表面にPAALiが存在することによって、LiBOB単独やLiBOBとLiFSIの混成被膜よりも低抵抗な被膜が形成されたものと考えられる。
実施例1に対して、LiFSI濃度を増やした実施例2および実施例3、ならびにLiFSI濃度を0.5mol/Lに減らした実施例4では、実施例1と同様の効果を示した。LiFSI濃度を0.4mol/Lに減らした実施例5では、抵抗低減効果とLi析出耐性向上効果は見られたものの、実施例1と比較して効果は小さかった。
実施例1に対して、PAALi量を減らした実施例6、およびPAALi量を2.5質量%に増やした実施例7では、抗低減効果とLi析出耐性向上効果は見られたものの、PAALi量を3.0質量%に増やした比較例5では、抵抗低減効果はあまりみられなかった。この理由としては、バインダ量が増加したことによる負極反応面積の低下や被膜の質の変化による可能性が考えられる。
実施例1に対して、LiBOB量を増やした比較例4では、抵抗低減がほとんどみられなかった。これはLiBOBの被膜量が多いためと考えられた。他方、LiBOBとともにLiFSI量を増やした実施例8では、抵抗低減効果が見られた。このことから、LiBOB量に対して、一定割合以上LiFSI量が必要であると考えられる。
LiFSI濃度を0.6mol/Lとし、LiBOB濃度を0.03mol/Lとし、PAALi量を変化させた比較例5、実施例1および実施例6では、PAALi量が3質量%と最も多い比較例5のみ抵抗低減効果が見られなかったのに対して、LiFSI濃度を0.8mol/Lとし、LiBOB濃度を0.06mol/Lとした比較例6、実施例8および実施例9では、PAALi量が3.0質量%である実施例9では効果が見られたものの、PAALi量が最も少ない1.2質量%である比較例6では、抵抗低減効果はほとんど見られなかった。このことから、抵抗低減にはLiFSI、LiBOB、PAALiの比率が作用していると考えられ、一定比率の範囲で低抵抗な被膜が形成されるものと考えられる。
実施例1〜9のリチウムイオン二次電池は、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池である。よって、以上のことから、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池によれば、抵抗が小さくLi析出耐性に優れるリチウムイオン二次電池を提供することができることがわかる。
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、請求の範囲を限定するものではない。請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
20 捲回電極体
30 電池ケース
36 安全弁
42 正極端子
42a 正極集電板
44 負極端子
44a 負極集電板
50 正極シート(正極)
52 正極集電体
52a 正極活物質層非形成部分
54 正極活物質層
60 負極シート(負極)
62 負極集電体
62a 負極活物質層非形成部分
64 負極活物質層
70 セパレータシート(セパレータ)
80 電解液
100 リチウムイオン二次電池

Claims (1)

  1. 正極と、負極と、非水電解液とを備えるリチウムイオン二次電池であって、
    前記負極は、負極集電体と、前記負極集電体上に設けられた負極活物質層とを備え、
    前記負極活物質層は、負極活物質と、ポリアクリル酸リチウムとを含有し、
    前記非水電解液は、非水溶媒と、リチウムビス(オキサレート)ボレートと、リチウムビス(フルオロスルホニル)イミドとを含有し、
    リチウムビス(オキサレート)ボレートに対するリチウムビス(フルオロスルホニル)イミドの量が、13モル倍以上33モル倍以下であり、
    リチウムビス(オキサレート)ボレートに対するポリアクリル酸リチウムの量が、3.6モル倍以上8.8モル倍以下である、
    ことを特徴とするリチウムイオン二次電池。
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