JP2023147598A - 電気化学デバイス及び電気化学デバイス用電解液 - Google Patents
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Abstract
Description
[式(1)中、R1、R2、及びR3はそれぞれ独立に水素原子又はメチル基を示し、Xは2価の有機基を示す。]
[式(1)中、R1、R2、及びR3はそれぞれ独立に水素原子又はメチル基を示し、Xは2価の有機基を示す。]
(A)式(1)におけるR1及びR2は、水素原子である。
(B)式(1)におけるXは、炭素数1~6のアルキレン基である。
(C)第1のリチウム塩化合物は、ヘキサフルオロリン酸リチウムである。
(D)第2のリチウム塩化合物は、ジフルオロリン酸リチウム、テトラフルオロホウ酸リチウム、フルオロスルホン酸リチウム、ビス(フルオロスルホニル)イミドリチウム、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドリチウム、ビス(オキサラート)ホウ酸リチウム、ジフルオロオキサラートホウ酸リチウム、テトラフルオロオキサラートリン酸リチウム、及びジフルオロビス(オキサラート)リン酸リチウムからなる群より選ばれる少なくとも1種である。
(E)式(1)で表される化合物及び第2のリチウム塩化合物の合計含有量は、電解液全量を基準として、0.1~10質量%である。
-X1-O-X2- (2)
[正極の作製]
正極活物質としてのニッケルコバルトマンガン酸リチウム(92質量%)に、導電剤としてアセチレンブラック(AB)(4質量%)と、結着剤としてポリフッ化ビニリデン(PVDF)(4質量%)とを順次添加し、混合した。得られた混合物に対し、分散媒としてのNMPを添加し、混練することによりスラリー状の正極合剤を調製した。この正極合剤を正極集電体としての厚さ20μmのアルミニウム箔に均等かつ均質に所定量塗布した。その後、分散媒を揮発させてから、プレスすることにより密度2.8g/cm3まで圧密化して、正極を得た。
負極活物質として、黒鉛系活物質(人造黒鉛、平均粒径(D50);約23μm)及びシリコン系活物質(SiOx、平均粒径(D50);約10μm)を用いた。これらの活物質に、結着剤としてのスチレン-ブタジエンゴム(SBR)と、増粘剤としてのカルボキシメチルセルロースとを添加した。これらの質量比については、黒鉛活物質:シリコン系活物質:結着剤:増粘剤=92:5:1.5:1.5とした。得られた混合物に対し、分散媒としての水を添加し、混練することによりスラリー状の負極合剤を調製した。この負極合剤を負極集電体としての厚さ10μmの圧延銅箔に均等かつ均質に所定量塗布した。その後、分散媒を揮発させてから、プレスすることにより密度1.6g/cm3まで圧密化して、負極を得た。
13.5cm2の四角形に切断した正極電極を、セパレータであるポリエチレン製多孔質シート(厚さ30μm)で挟み、さらに14.3cm2の四角形に切断した負極を重ね合わせて電極群を作製した。この電極群を、アルミニウム製のラミネートフィルム(商品名:アルミラミネートフィルム、大日本印刷株式会社製)で形成された容器(電池外装体)に収容した。次いで、容器の中に電解液を0.25mL添加し、容器を熱溶着させ、評価用のリチウムイオン二次電池を作製した。電解液としては、1mol/Lの第1のリチウム塩化合物としてのLiPF6を含むエチレンカーボネート/ジメチルカーボネート/エチルメチルカーボネート=1/1/1(体積比)の混合溶液に、下記式(1X)で表される化合物A(R1、R2、及びR3が水素原子であり、Xがエチレン基である、式(1)で表される化合物)を0.5質量%と、第2のリチウム塩化合物としてのジフルオロリン酸リチウム(LiPO2F2)を0.5質量%と、ビニレンカーボネートを1質量%と、フルオロエチレンカーボネートを1質量%(いずれも電解液全量基準)とを添加したものを使用した。
化合物Aを電解液全量基準で0.2質量%添加した電解液を用いたこと以外は、実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。
ジフルオロリン酸リチウム(LiPO2F2)を電解液全量基準で0.2質量%添加した電解液を用いたこと以外は、実施例2と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。
化合物Aを電解液全量基準で1質量%添加した電解液を用いたこと以外は、実施例3と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。
化合物Aの代わりに下記式(1Y)で表される化合物B(R1及びR2が水素原子であり、R3がメチル基であり、Xがエチレン基である、式(1)で表される化合物)を、電解液全量基準で0.5質量%添加した電解液を用いたこと以外は、実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。
ジフルオロリン酸リチウム(LiPO2F2)の代わりにビス(フルオロスルホニル)イミドリチウム(LiN(SO2F)2、LiFSI)を、電解液全量基準で0.5質量%添加した電解液を用いたこと以外は、実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。
電解液に化合物A及びジフルオロリン酸リチウム(LiPO2F2)を添加しなかったこと以外は、実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。
ヘキサメチレンジイソシアネート(HDI)を、電解液全量基準で0.5質量%添加したこと以外は、比較例1と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。
化合物Aの代わりにヘキサメチレンジイソシアネート(HDI)を、電解液全量基準で0.5質量%添加した電解液を用いたこと以外は、実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。
(初回充放電)
作製した各リチウムイオン二次電池について、以下に示す方法で初回充放電を実施した。まず、25℃の環境下において0.1Cの電流値で定電流充電を上限電圧4.2Vまで行い、続いて4.2Vで定電圧充電を行った。充電終止条件は、電流値0.01Cとした。その後、0.1Cの電流値で終止電圧2.7Vの定電流放電を行った。この充放電サイクルを3回繰り返した(電流値の単位として用いた「C」とは、「電流値(A)/電池容量(Ah)」を意味する。)。
初回充放電後に、各リチウムイオン電池について高温サイクル試験を行い、充放電サイクル特性を評価した。充電パターンとしては、45℃の環境下で、0.5Cの電流値で定電流充電を上限電圧4.2Vまで行い、続いて4.2Vで定電圧充電を行った。充電終止条件は、電流値0.05Cとした。放電については、1.0Cで定電流放電を2.7Vまで行い、放電容量を求めた。この一連の充放電を500サイクル繰り返し、充放電の度に放電容量を測定した。1サイクル目の充放電の放電容量(Q1)に対する、各サイクルでの放電容量(Q2)の相対値(放電容量維持率(%)=Q2/Q1×100)を求め、放電容量維持率が90%未満になるサイクル数(回)を求めた。図3及び表1に、リチウムイオン二次電池のサイクル試験において、放電容量維持率が90%未満になるサイクル数を示す。
(放電DCRの測定)
作製した各リチウムイオン二次電池について、放電時の直流抵抗(放電DCR)を、以下のように測定した。まず、0.2Cの定電流充電を上限電圧4.2Vまで行い、続いて4.2Vで定電圧充電を行った。充電終止条件は、電流値0.02Cとした。その後、0.2Cの電流値で終止電圧2.7Vの定電流放電を行い、このときの電流値をI0.2C、放電開始10秒後の電圧変化をΔV0.2Cとした。次に、0.2Cの定電流充電を上限電圧4.2Vまで行い、続いて4.2Vで定電圧充電を行った(充電終止条件は、電流値0.02Cとした)。その後、0.5Cの電流値で終止電圧2.7Vの定電流放電を行い、このときの電流値をI0.5C、放電開始10秒後の電圧変化をΔV0.5Cとした。同様の充放電から1Cの電流値をI1C、放電開始10秒後の電圧変化ΔV1Cを評価した。その電流値―電圧変化の3点のプロット(I0.2C、ΔV0.2C)、(I0.5C、ΔV0.5C)、(I1C、ΔV1C)に最小二乗法を用いて一次近似直線を引き、その傾きを放電DCRの値とした。
上記のサイクル試験前の各リチウムイオン電池の放電DCR(R1)、及び、上記のサイクル試験後(45℃、500サイクル)に25℃の環境下に30分間静置した後測定した放電DCR(R2)を測定した。測定されたR1及びR2を用いて、以下の式から抵抗増加率を算出した。図4及び表1に、リチウムイオン二次電池のサイクル試験後の抵抗増加率の測定結果を示す。
抵抗増加率(%)=R2/R1×100
Claims (13)
- 前記式(1)におけるR1及びR2が水素原子である、
請求項1に記載の電気化学デバイス。 - 前記式(1)におけるXが炭素数1~6のアルキレン基である、
請求項1又は2に記載の電気化学デバイス。 - 前記第1のリチウム塩化合物がヘキサフルオロリン酸リチウムである、
請求項1~3のいずれか一項に記載の電気化学デバイス。 - 前記第2のリチウム塩化合物が、ジフルオロリン酸リチウム、テトラフルオロホウ酸リチウム、フルオロスルホン酸リチウム、ビス(フルオロスルホニル)イミドリチウム、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドリチウム、ビス(オキサラート)ホウ酸リチウム、ジフルオロオキサラートホウ酸リチウム、テトラフルオロオキサラートリン酸リチウム、及びジフルオロビス(オキサラート)リン酸リチウムからなる群より選ばれる少なくとも1種である、
請求項1~4のいずれか一項に記載の電気化学デバイス。 - 前記式(1)で表される化合物及び前記第2のリチウム塩化合物の合計含有量が、電解液全量を基準として、0.1~10質量%である、
請求項1~5のいずれか一項に記載の電気化学デバイス。 - 前記電気化学デバイスが非水電解液二次電池又はキャパシタである、
請求項1~6のいずれか一項に記載の電気化学デバイス。 - 前記式(1)におけるR1及びR2が水素原子である、
請求項8に記載の電気化学デバイス用電解液。 - 前記式(1)におけるXが炭素数1~6のアルキレン基である、
請求項8又は9に記載の電気化学デバイス用電解液。 - 前記第1のリチウム塩化合物がヘキサフルオロリン酸リチウムである、
請求項8~10のいずれか一項に記載の電気化学デバイス用電解液。 - 前記第2のリチウム塩化合物が、ジフルオロリン酸リチウム、テトラフルオロホウ酸リチウム、フルオロスルホン酸リチウム、ビス(フルオロスルホニル)イミドリチウム、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドリチウム、ビス(オキサラート)ホウ酸リチウム、ジフルオロオキサラートホウ酸リチウム、テトラフルオロオキサラートリン酸リチウム、及びジフルオロビス(オキサラート)リン酸リチウムからなる群より選ばれる少なくとも1種である、
請求項8~11のいずれか一項に記載の電気化学デバイス用電解液。 - 前記式(1)で表される化合物及び前記第2のリチウム塩化合物の合計含有量が、電解液全量を基準として、0.1~10質量%である、
請求項8~12のいずれか一項に記載の電気化学デバイス用電解液。
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