JP2024021236A - Electrolyte, electrochemical device, and electrolyte additive - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電解液、電気化学デバイス及び電解液用添加剤に関する。 The present invention relates to an electrolyte, an electrochemical device, and an additive for an electrolyte.
近年、携帯型電子機器、電気自動車等の普及により、リチウムイオン二次電池に代表される非水電解液二次電池、キャパシタ等の高性能な電気化学デバイスが必要とされている。電気化学デバイスの性能を向上させるために、電解液にリチウム塩とともに特定の添加剤が添加されることがある(特許文献1~2)。
In recent years, with the spread of portable electronic devices, electric vehicles, etc., there is a need for high-performance electrochemical devices such as non-aqueous electrolyte secondary batteries, typified by lithium ion secondary batteries, and capacitors. In order to improve the performance of electrochemical devices, certain additives are sometimes added to the electrolytic solution along with lithium salt (
電気化学デバイス性能の更なる向上のために、より多くの電解液用添加剤を電解液に添加すると、電気化学デバイスの抵抗が上昇してしまう場合があった(非特許文献1等)。
When more additives for electrolyte solution are added to the electrolyte solution in order to further improve electrochemical device performance, the resistance of the electrochemical device may increase (Non-Patent
本発明の一側面は、初期充放電後及び充放電サイクル試験後の抵抗上昇を抑制しつつ、電気化学デバイスの放電容量維持率を向上させることができる電解液及び当該電解液を得るための電解液用添加剤を提供することを目的とする。 One aspect of the present invention is an electrolytic solution that can improve the discharge capacity retention rate of an electrochemical device while suppressing an increase in resistance after initial charge/discharge and a charge/discharge cycle test, and an electrolysis method for obtaining the electrolytic solution. The purpose is to provide additives for liquids.
本発明は、いくつかの側面において、以下の[1]~[10]を提供する。
[1]
下記式(A)で表される化合物と、リチウム塩と、を含み、前記リチウム塩中のリチウム原子1モルに対する前記化合物中のフッ素原子の量が0.160モル以上である、電解液。
[式(A)中、Rはそれぞれ独立して置換若しくは無置換のC1-6アルキル基、置換若しくは無置換のフェニル基、又は、置換若しくは無置換のベンジル基を示し、Rの少なくとも一つが、前記置換若しくは無置換のフェニル基、又は、前記置換若しくは無置換のベンジル基である。]
[2]
前記化合物の含有量が、前記電解液全量を基準として、2.0質量%以上である、[1]に記載の電解液。
[3]
前記C1-6アルキル基が、ハロゲン原子で置換されたC1-6アルキル基又は無置換のC1-6アルキル基である、[1]又は[2]に記載の電解液。
[4]
Rで表される置換基がフッ素原子を含まない、[1]~[3]のいずれかに記載の電解液。
[5]
前記化合物がフェニルジメチルフルオロシランである、[1]~[4]のいずれかに記載の電解液。
[6]
正極と、負極と、[1]~[5]のいずれかに記載の電解液と、を備える電気化学デバイス。
[7]
前記電気化学デバイスは、非水電解液二次電池又はキャパシタである、[6]に記載の電気化学デバイス。
[8]
下記式(A)で表される化合物を含有する、電解液用添加剤。
[式(A)中、Rはそれぞれ独立して置換若しくは無置換のC1-6アルキル基、置換若しくは無置換のフェニル基、又は、置換若しくは無置換のベンジル基を示し、Rの少なくとも一つが、前記置換若しくは無置換のフェニル基、又は、前記置換若しくは無置換のベンジル基である。]
[9]
前記C1-6アルキル基が、ハロゲン原子で置換されたC1-6アルキル基又は無置換のC1-6アルキル基である、[8]に記載の電解液用添加剤。
[10]
前記化合物がフェニルジメチルフルオロシランである、[8]又は[9]に記載の電解液用添加剤。
In some aspects, the present invention provides the following [1] to [10].
[1]
An electrolytic solution containing a compound represented by the following formula (A) and a lithium salt, wherein the amount of fluorine atoms in the compound is 0.160 mol or more per 1 mol of lithium atoms in the lithium salt.
[In formula (A), R each independently represents a substituted or unsubstituted C 1-6 alkyl group, a substituted or unsubstituted phenyl group, or a substituted or unsubstituted benzyl group, and at least one of R is , the substituted or unsubstituted phenyl group, or the substituted or unsubstituted benzyl group. ]
[2]
The electrolyte solution according to [1], wherein the content of the compound is 2.0% by mass or more based on the total amount of the electrolyte solution.
[3]
The electrolytic solution according to [1] or [2], wherein the C 1-6 alkyl group is a halogen atom-substituted C 1-6 alkyl group or an unsubstituted C 1-6 alkyl group.
[4]
The electrolytic solution according to any one of [1] to [3], wherein the substituent represented by R does not contain a fluorine atom.
[5]
The electrolytic solution according to any one of [1] to [4], wherein the compound is phenyldimethylfluorosilane.
[6]
An electrochemical device comprising a positive electrode, a negative electrode, and the electrolyte according to any one of [1] to [5].
[7]
The electrochemical device according to [6], wherein the electrochemical device is a non-aqueous electrolyte secondary battery or a capacitor.
[8]
An additive for electrolyte solution containing a compound represented by the following formula (A).
[In formula (A), R each independently represents a substituted or unsubstituted C 1-6 alkyl group, a substituted or unsubstituted phenyl group, or a substituted or unsubstituted benzyl group, and at least one of R is , the substituted or unsubstituted phenyl group, or the substituted or unsubstituted benzyl group. ]
[9]
The additive for an electrolytic solution according to [8], wherein the C 1-6 alkyl group is a halogen atom-substituted C 1-6 alkyl group or an unsubstituted C 1-6 alkyl group.
[10]
The additive for electrolyte solution according to [8] or [9], wherein the compound is phenyldimethylfluorosilane.
本発明によれば、初期充放電後及び充放電サイクル試験後の抵抗上昇を抑制しつつ、電気化学デバイスの放電容量維持率を向上させることができる電解液及び当該電解液を得るための電解液用添加剤を提供することができる。 According to the present invention, an electrolytic solution capable of improving the discharge capacity retention rate of an electrochemical device while suppressing an increase in resistance after initial charging/discharging and a charging/discharging cycle test, and an electrolytic solution for obtaining the electrolytic solution can provide additives for
以下、本開示の実施形態について詳細に説明する。ただし、本開示は以下の実施形態に限定されるものではない。 Embodiments of the present disclosure will be described in detail below. However, the present disclosure is not limited to the following embodiments.
本明細書において、「工程」との語は、独立した工程だけではなく、他の工程と明確に区別できない場合であってもその工程の所期の作用が達成されれば、本用語に含まれる。また、「~」を用いて示された数値範囲は、「~」の前後に記載される数値をそれぞれ最小値及び最大値として含む範囲を示す。 In this specification, the term "process" is used not only to refer to an independent process, but also to include any process that achieves the intended effect even if it cannot be clearly distinguished from other processes. It will be done. Furthermore, a numerical range indicated using "~" indicates a range that includes the numerical values written before and after "~" as the minimum and maximum values, respectively.
本明細書において、組成物中の各成分の含有量は、組成物中に各成分に該当する物質が複数存在する場合、特に断らない限り、組成物中に存在する当該複数の物質の合計量を意味する。例示材料は特に断らない限り、1種を単独で用いてもよいし、2種以上を組み合わせて用いてもよい。 In the present specification, if there are multiple substances corresponding to each component in the composition, the content of each component in the composition refers to the total amount of the multiple substances present in the composition, unless otherwise specified. means. Unless otherwise specified, the illustrated materials may be used alone or in combination of two or more.
本明細書中に段階的に記載されている数値範囲において、ある段階の数値範囲の上限値又は下限値は、他の段階の数値範囲の上限値又は下限値に置き換えてもよい。本明細書中に記載されている数値範囲において、その数値範囲の上限値又は下限値は、実施例に示されている値に置き換えてもよい。「A又はB」とは、AとBとのどちらか一方を含んでいればよく、両方とも含んでいてもよい。 In the numerical ranges described stepwise in this specification, the upper limit or lower limit of the numerical range of one step may be replaced with the upper limit or lower limit of the numerical range of another step. In the numerical ranges described in this specification, the upper limit or lower limit of the numerical range may be replaced with the values shown in the examples. "A or B" may include either A or B, or may include both.
本明細書において「層」との語は、平面図として観察したときに、全面に形成されている形状の構造に加え、一部に形成されている形状の構造も包含される。 In this specification, the term "layer" includes not only a structure formed on the entire surface but also a structure formed on a part of the layer when observed in a plan view.
図1は、一実施形態に係る電気化学デバイスを示す斜視図である。本実施形態において、電気化学デバイスは非水電解液二次電池である。図1に示すように、非水電解液二次電池1は、正極、負極及びセパレータから構成される電極群2と、電極群2を収容する袋状の電池外装体3とを備えている。正極及び負極には、それぞれ正極集電タブ4及び負極集電タブ5が設けられている。正極集電タブ4及び負極集電タブ5は、それぞれ正極及び負極が非水電解液二次電池1の外部と電気的に接続可能なように、電池外装体3の内部から外部へ突き出している。電池外装体3内には、電解液(図示せず)が充填されている。非水電解液二次電池1は、上述したようないわゆる「ラミネート型」以外の形状の電池(コイン型、円筒型、積層型等)であってもよい。
FIG. 1 is a perspective view showing an electrochemical device according to one embodiment. In this embodiment, the electrochemical device is a nonaqueous electrolyte secondary battery. As shown in FIG. 1, the non-aqueous electrolyte
電池外装体3は、例えばラミネートフィルムで形成された容器であってよい。ラミネートフィルムは、例えば、ポリエチレンテレフタレート(PET)フィルム等の樹脂フィルムと、アルミニウム、銅、ステンレス鋼等の金属箔と、ポリプロピレン等のシーラント層とがこの順で積層された積層フィルムであってよい。 The battery exterior body 3 may be, for example, a container formed of a laminate film. The laminate film may be, for example, a laminated film in which a resin film such as a polyethylene terephthalate (PET) film, a metal foil such as aluminum, copper, or stainless steel, and a sealant layer such as polypropylene are laminated in this order.
図2は、図1に示した非水電解液二次電池1における電極群2の一実施形態を示す分解斜視図である。図2に示すように、電極群2は、正極6と、セパレータ7と、負極8とをこの順に備えている。正極6及び負極8は、正極合剤層10側及び負極合剤層12側の面がそれぞれセパレータ7と対向するように配置されている。
FIG. 2 is an exploded perspective view showing one embodiment of the
正極6は、正極集電体9と、正極集電体9上に設けられた正極合剤層10とを備えている。正極集電体9には、正極集電タブ4が設けられている。
The
正極集電体9は、例えば、アルミニウム、チタン、ステンレス、ニッケル、焼成炭素、導電性高分子、導電性ガラス等で形成されている。正極集電体9は、接着性、導電性及び耐酸化性向上の目的で、アルミニウム、銅等の表面にカーボン、ニッケル、チタン、銀等で処理が施されたものであってもよい。正極集電体9の厚さは、電極強度及びエネルギー密度の点から、例えば1~50μmである。
The positive electrode
正極合剤層10は、一実施形態において、正極活物質と、導電剤と、結着剤とを含有する。正極合剤層10の厚さは、例えば20~200μmである。
In one embodiment, the positive
正極活物質は、例えばリチウム酸化物であってよい。リチウム酸化物としては、例えば、LixCoO2、LixNiO2、LixMnO2、LixCoyNi1-yO2、LixCoyM1-yOz、LixNi1-yMyOz、LixMn2O4及びLixMn2-yMyO4(各式中、Mは、Na、Mg、Sc、Y、Mn、Fe、Co、Cu、Zn、Al、Cr、Pb、Sb、V及びBからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を示す(ただし、Mは、各式中の他の元素と異なる元素である)。x=0~1.2、y=0~0.9、z=2.0~2.3である。)が挙げられる。LixNi1-yMyOzで表されるリチウム酸化物は、LixNi1-(y1+y2)Coy1Mny2Oz(ただし、x及びzは上述したものと同様であり、y1=0~0.9、y2=0~0.9であり、かつ、y1+y2=0~0.9である。)であってよく、例えばLiNi1/3Co1/3Mn1/3O2、LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2、LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2、LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2であってよい。LixNi1-yMyOzで表されるリチウム酸化物は、LixNi1-(y3+y4)Coy3Aly4Oz(ただし、x及びzは上述したものと同様であり、y3=0~0.9、y4=0~0.9であり、かつ、y3+y4=0~0.9である。)であってよく、例えばLiNi0.8Co0.15Al0.05O2であってもよい。 The positive electrode active material may be, for example, lithium oxide. Examples of lithium oxides include Li x CoO 2 , Li x NiO 2 , Li x MnO 2 , Li x Co y Ni 1-y O 2 , Li x Co y M 1-y O z , Li x Ni 1- y M y O z , Li x Mn 2 O 4 and Li x Mn 2-y M y O 4 (In each formula, M is Na, Mg, Sc, Y, Mn, Fe, Co, Cu, Zn, Al , Cr, Pb, Sb, V, and B (provided that M is an element different from the other elements in each formula). x = 0 to 1.2 , y=0 to 0.9, and z=2.0 to 2.3). The lithium oxide represented by Li x Ni 1-y M y O z is Li x Ni 1-(y1+y2) Co y1 Mn y2 O z (where x and z are the same as above, and y1= 0 to 0.9, y2=0 to 0.9, and y1+y2=0 to 0.9), for example, LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 , It may be LiNi 0.5 Co 0.2 Mn 0.3 O 2 , LiNi 0.6 Co 0.2 Mn 0.2 O 2 , or LiNi 0.8 Co 0.1 Mn 0.1 O 2 . The lithium oxide represented by Li x Ni 1-y M y O z is Li x Ni 1-(y3+y4) Co y3 Al y4 O z (where x and z are the same as above, and y3= 0 to 0.9, y4=0 to 0.9, and y3+y4=0 to 0.9), for example, LiNi 0.8 Co 0.15 Al 0.05 O 2 There may be.
正極活物質は、例えばリチウムのリン酸塩であってもよい。リチウムのリン酸塩としては、例えば、リン酸マンガンリチウム(LiMnPO4)、リン酸鉄リチウム(LiFePO4)、リン酸コバルトリチウム(LiCoPO4)及びリン酸バナジウムリチウム(Li3V2(PO4)3)が挙げられる。 The positive electrode active material may be, for example, lithium phosphate. Examples of lithium phosphates include lithium manganese phosphate (LiMnPO 4 ), lithium iron phosphate (LiFePO 4 ), lithium cobalt phosphate (LiCoPO 4 ), and lithium vanadium phosphate (Li 3 V 2 ( PO 4 )). 3 ).
正極活物質の含有量は、正極合剤層全量を基準として、80質量%以上、又は85質量%以上であってよく、99質量%以下であってよい。 The content of the positive electrode active material may be 80% by mass or more, or 85% by mass or more, and 99% by mass or less, based on the total amount of the positive electrode mixture layer.
導電剤は、アセチレンブラック、ケッチェンブラック等のカーボンブラック、黒鉛、グラフェン、カーボンナノチューブなどの炭素材料であってよい。導電剤の含有量は、正極合剤層全量を基準として、例えば、0.01質量%以上、0.1質量%以上、又は1質量%以上であってよく、50質量%以下、30質量%以下、又は15質量%以下であってよい。 The conductive agent may be a carbon black such as acetylene black or Ketjen black, or a carbon material such as graphite, graphene, or carbon nanotubes. The content of the conductive agent may be, for example, 0.01% by mass or more, 0.1% by mass or more, or 1% by mass or more, and 50% by mass or less, 30% by mass, based on the total amount of the positive electrode mixture layer. or 15% by mass or less.
結着剤は、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリメチルメタクリレート、ポリイミド、芳香族ポリアミド、セルロース、ニトロセルロース等の樹脂;SBR(スチレン-ブタジエンゴム)、NBR(アクリロニトリル-ブタジエンゴム)、フッ素ゴム、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、エチレン-プロピレンゴム等のゴム;スチレン・ブタジエン・スチレンブロック共重合体又はその水素添加物、EPDM(エチレン・プロピレン・ジエン三元共重合体)、スチレン・エチレン・ブタジエン・エチレン共重合体、スチレン・イソプレン・スチレンブロック共重合体又はその水素添加物等の熱可塑性エラストマー;シンジオタクチック-1、2-ポリブタジエン、ポリ酢酸ビニル、エチレン・酢酸ビニル共重合体、プロピレン・α-オレフィン共重合体等の軟質樹脂;ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン、フッ素化ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン・エチレン共重合体、ポリテトラフルオロエチレン・フッ化ビニリデン共重合体等のフッ素含有樹脂;ニトリル基含有モノマーをモノマー単位として有する樹脂;アルカリ金属イオン(例えばリチウムイオン)のイオン伝導性を有する高分子組成物などが挙げられる。 Examples of the binder include resins such as polyethylene, polypropylene, polyethylene terephthalate, polymethyl methacrylate, polyimide, aromatic polyamide, cellulose, and nitrocellulose; SBR (styrene-butadiene rubber), NBR (acrylonitrile-butadiene rubber), and fluororubber. , isoprene rubber, butadiene rubber, ethylene-propylene rubber, etc.; styrene-butadiene-styrene block copolymer or its hydrogenated product, EPDM (ethylene-propylene-diene terpolymer), styrene-ethylene-butadiene Thermoplastic elastomers such as ethylene copolymers, styrene/isoprene/styrene block copolymers or their hydrogenated products; syndiotactic-1,2-polybutadiene, polyvinyl acetate, ethylene/vinyl acetate copolymers, propylene/α - Soft resins such as olefin copolymers; polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene, fluorinated polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene/ethylene copolymer, polytetrafluoroethylene/vinylidene fluoride copolymer, etc. Examples include fluorine-containing resins; resins having a nitrile group-containing monomer as a monomer unit; and polymer compositions having ion conductivity for alkali metal ions (for example, lithium ions).
結着剤の含有量は、正極合剤層全量を基準として、例えば、0.1質量%以上、1質量%以上、又は1.5質量%以上であってよく、30質量%以下、20質量%以下、又は10質量%以下であってよい。 The content of the binder may be, for example, 0.1% by mass or more, 1% by mass or more, or 1.5% by mass or more, and 30% by mass or less, 20% by mass, based on the total amount of the positive electrode mixture layer. % or less, or 10% by mass or less.
セパレータ7は、正極6及び負極8間を電子的には絶縁する一方でイオンを透過させ、かつ、正極6側における酸化性及び負極8側における還元性に対する耐性を備えるものであれば、特に制限されない。このようなセパレータ7の材料(材質)としては、樹脂、無機物等が挙げられる。
There are no particular restrictions on the
樹脂としては、オレフィン系ポリマー、フッ素系ポリマー、セルロース系ポリマー、ポリイミド、ナイロン等が挙げられる。セパレータ7は、電解液に対して安定で、保液性に優れる観点から、好ましくは、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィンで形成された多孔質シート又は不織布である。
Examples of the resin include olefin polymers, fluorine polymers, cellulose polymers, polyimides, and nylon. The
無機物としては、アルミナ、二酸化珪素等の酸化物、窒化アルミニウム、窒化珪素等の窒化物、硫酸バリウム、硫酸カルシウム等の硫酸塩が挙げられる。セパレータ7は、例えば、不織布、織布、微多孔性フィルム等の薄膜状基材に、繊維状又は粒子状の無機物を付着させたセパレータであってよい。
Examples of inorganic substances include oxides such as alumina and silicon dioxide, nitrides such as aluminum nitride and silicon nitride, and sulfates such as barium sulfate and calcium sulfate. The
負極8は、負極集電体11と、負極集電体11上に設けられた負極合剤層12とを備えている。負極集電体11には、負極集電タブ5が設けられている。
The
負極集電体11は、銅、ステンレス、ニッケル、アルミニウム、チタン、焼成炭素、導電性高分子、導電性ガラス、アルミニウム-カドミウム合金等で形成されている。負極集電体11は、接着性、導電性、耐還元性向上の目的で、銅、アルミニウム等の表面にカーボン、ニッケル、チタン、銀等で処理が施されたものであってもよい。負極集電体11の厚さは、電極強度及びエネルギー密度の点から、例えば1~50μmである。
The negative electrode
負極合剤層12は、例えば、負極活物質と、結着剤とを含有する。
The negative
負極活物質は、リチウムイオンを吸蔵及び放出可能な物質であれば特に制限されない。負極活物質としては、例えば、炭素材料、金属複合酸化物、錫、ゲルマニウム、ケイ素等の第四族元素の酸化物又は窒化物、リチウムの単体、リチウムアルミニウム合金等のリチウム合金、Sn、Si等のリチウムと合金を形成可能な金属などが挙げられる。負極活物質は、安全性の観点からは、好ましくは炭素材料及び金属複合酸化物からなる群より選択される少なくとも1種である。負極活物質はこれらの1種単独又は2種以上の混合物であってよい。負極活物質の形状は、例えば、粒子状であってよい。
The negative electrode active material is not particularly limited as long as it is a material that can insert and release lithium ions. Examples of negative electrode active materials include carbon materials, metal composite oxides, oxides or nitrides of
炭素材料としては、非晶質炭素材料、天然黒鉛、天然黒鉛に非晶質炭素材料の被膜を形成した複合炭素材料、人造黒鉛(エポキシ樹脂、フェノール樹脂等の樹脂原料、又は、石油、石炭等から得られるピッチ系原料を焼成して得られるもの)などが挙げられる。金属複合酸化物は、高電流密度充放電特性の観点からは、好ましくはチタン及びリチウムのいずれか一方又は両方を含有し、より好ましくはリチウムを含有する。 Carbon materials include amorphous carbon materials, natural graphite, composite carbon materials in which natural graphite is coated with an amorphous carbon material, and artificial graphite (resin raw materials such as epoxy resins and phenol resins, or petroleum, coal, etc.) (obtained by firing pitch-based raw materials obtained from). From the viewpoint of high current density charge/discharge characteristics, the metal composite oxide preferably contains one or both of titanium and lithium, and more preferably contains lithium.
負極活物質の中でも炭素材料は、導電性が高く、低温特性及びサイクル安定性に特に優れている。炭素材料の中でも高容量化の観点からは、黒鉛が好ましい。黒鉛においては、好ましくはX線広角回折法における炭素網面層間(d002)が0.34nm未満であり、より好ましくは0.3354nm以上0.337nm以下である。このような条件を満たす炭素材料を、擬似異方性炭素と称する場合がある。 Among negative electrode active materials, carbon materials have high electrical conductivity and are particularly excellent in low-temperature characteristics and cycle stability. Among carbon materials, graphite is preferred from the viewpoint of increasing capacity. In graphite, the carbon network interlayer (d002) measured by X-ray wide-angle diffraction is preferably less than 0.34 nm, more preferably 0.3354 nm or more and 0.337 nm or less. A carbon material that satisfies such conditions is sometimes referred to as pseudo-anisotropic carbon.
負極活物質には、ケイ素及びスズからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を含む材料が更に含まれていてもよい。ケイ素及びスズからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を含む材料は、ケイ素又はスズの単体、ケイ素及びスズからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を含む化合物であってよい。当該化合物は、ケイ素及びスズからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を含む合金であってよく、例えば、ケイ素及びスズの他に、ニッケル、銅、鉄、コバルト、マンガン、亜鉛、インジウム、銀、チタン、ゲルマニウム、ビスマス、アンチモン及びクロムからなる群より選ばれる少なくとも1種を含む合金である。ケイ素及びスズからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を含む化合物は、酸化物、窒化物、又は炭化物であってもよく、具体的には、例えば、SiO、SiO2、LiSiO等のケイ素酸化物、Si3N4、Si2N2O等のケイ素窒化物、SiC等のケイ素炭化物、SnO、SnO2、LiSnO等のスズ酸化物などであってよい。 The negative electrode active material may further contain a material containing at least one element selected from the group consisting of silicon and tin. The material containing at least one element selected from the group consisting of silicon and tin may be a simple substance of silicon or tin, or a compound containing at least one element selected from the group consisting of silicon and tin. The compound may be an alloy containing at least one element selected from the group consisting of silicon and tin, for example, in addition to silicon and tin, nickel, copper, iron, cobalt, manganese, zinc, indium, and silver. , titanium, germanium, bismuth, antimony, and chromium. The compound containing at least one element selected from the group consisting of silicon and tin may be an oxide, nitride, or carbide, and specifically, for example, silicon oxide such as SiO, SiO 2 , LiSiO, etc. silicon nitrides such as Si 3 N 4 and Si 2 N 2 O, silicon carbides such as SiC, and tin oxides such as SnO, SnO 2 and LiSnO.
負極8は、低温入力特性等の電気化学デバイスの性能を更に向上させる観点から、負極活物質として、好ましくは炭素材料を含み、より好ましくは黒鉛を含む。
From the viewpoint of further improving the performance of the electrochemical device such as low-temperature input characteristics, the
負極活物質の含有量は、負極合剤層全量を基準として、80質量%以上、又は85質量%以上であってよく、99質量%以下であってよい。 The content of the negative electrode active material may be 80% by mass or more, or 85% by mass or more, and 99% by mass or less, based on the total amount of the negative electrode mixture layer.
結着剤及びその含有量は、上述した正極合剤層における結着剤及びその含有量と同様であってよい。 The binder and its content may be the same as the binder and its content in the positive electrode mixture layer described above.
負極合剤層12は、粘度を調節するために増粘剤を含有してもよい。増粘剤は、特に制限されないが、カルボキシメチルセルロース(CMC)、メチルセルロース、ヒドロキシメチルセルロース、エチルセルロース、ポリビニルアルコール、酸化スターチ、リン酸化スターチ、カゼイン、これらの塩等であってよい。増粘剤は、これらの1種単独又は2種以上の混合物であってよい。
The negative
負極合剤層12が増粘剤を含む場合、その含有量は特に制限されない。増粘剤の含有量は、負極合剤層の塗布性の観点からは、負極合剤層全量を基準として、0.1質量%以上であってよく、好ましくは0.2質量%以上であり、より好ましくは0.5質量%以上である。増粘剤の含有量は、電池容量の低下又は負極活物質間の抵抗の上昇を抑制する観点からは、負極合剤層全量を基準として、5質量%以下であってよく、好ましくは3質量%以下であり、より好ましくは2質量%以下である。
When the negative
電解液は、一実施形態において、下記式(A)で表される化合物(以下「化合物A」ともいう。)と、リチウム塩と、非水溶媒とを含有する。一実施形態において、化合物Aを含有する電解液用添加剤が提供される。
式(A)中、Rはそれぞれ独立して置換若しくは無置換のC1-6アルキル基、置換若しくは無置換のフェニル基、又は、置換若しくは無置換のベンジル基を示し、Rの少なくとも一つは、置換若しくは無置換のフェニル基、又は、置換若しくは無置換のベンジル基である。複数存在するRは同一であっても異なっていてもよい。 In formula (A), R each independently represents a substituted or unsubstituted C 1-6 alkyl group, a substituted or unsubstituted phenyl group, or a substituted or unsubstituted benzyl group, and at least one of R is , a substituted or unsubstituted phenyl group, or a substituted or unsubstituted benzyl group. A plurality of R's may be the same or different.
本明細書において「C1-6アルキル基」は炭素数が1~6であるアルキル基を意味する。Rは、それぞれ独立して、炭素数が1~4、1~3又は1~2であるアルキル基であってよい。Rで表されるC1-6アルキル基は、直鎖状でも分岐状でもよい。Rは、メチル基、エチル基、プロピル基(n-プロピル基、若しくはイソプロピル基)、又はブチル基(n-ブチル基、sec-ブチル基、イソブチル基、若しくはtert-ブチル基)であってよい。 As used herein, "C 1-6 alkyl group" means an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms. Each R may independently be an alkyl group having 1 to 4, 1 to 3, or 1 to 2 carbon atoms. The C 1-6 alkyl group represented by R may be linear or branched. R may be a methyl group, an ethyl group, a propyl group (n-propyl group or isopropyl group), or a butyl group (n-butyl group, sec-butyl group, isobutyl group, or tert-butyl group).
Rで表されるC1-6アルキル基の置換基としては、ハロゲン原子が挙げられる。ハロゲン原子としては、例えば、フッ素原子、塩素原子、臭素原子及びヨウ素原子が挙げられる。置換のC1-6アルキル基は、上述したC1-6アルキル基の水素原子の一部又は全部がハロゲン原子で置換された基であってよい。置換のC1-6アルキル基としては、例えば、トリフルオロメチル基が挙げられる。 Examples of the substituent for the C 1-6 alkyl group represented by R include a halogen atom. Examples of the halogen atom include a fluorine atom, a chlorine atom, a bromine atom, and an iodine atom. The substituted C 1-6 alkyl group may be a group in which some or all of the hydrogen atoms of the above-mentioned C 1-6 alkyl group are substituted with halogen atoms. Examples of the substituted C 1-6 alkyl group include trifluoromethyl group.
Rで表される置換又は無置換のC1-6アルキル基は、ハロゲン原子で置換されたC1-6アルキル基又は無置換のC1-6アルキル基であることが好ましく、フッ素原子で置換されたC1-6アルキル基又は無置換のC1-6アルキル基であることがより好ましい。 The substituted or unsubstituted C 1-6 alkyl group represented by R is preferably a C 1-6 alkyl group substituted with a halogen atom or an unsubstituted C 1-6 alkyl group, and is preferably a C 1-6 alkyl group substituted with a fluorine atom. More preferably, it is a substituted C 1-6 alkyl group or an unsubstituted C 1-6 alkyl group.
Rで表されるフェニル基及びベンジル基の置換基としては、例えば、アルキル基、ハロゲン原子、スルホ基、ケトン基、カルボキシ基、ヒドロキシ基、ニトロ基、アミノ基、アルデヒド基が挙げられる。 Examples of substituents for the phenyl group and benzyl group represented by R include an alkyl group, a halogen atom, a sulfo group, a ketone group, a carboxy group, a hydroxy group, a nitro group, an amino group, and an aldehyde group.
Rの少なくとも一つが、置換若しくは無置換のフェニル基、又は、置換若しくは無置換のベンジル基であり、かつ、Rの少なくとも一つが置換若しくは無置換のC1-6アルキル基であってよい。Rのうち一つ又は二つが置換若しくは無置換のフェニル基、又は、置換若しくは無置換のベンジル基であり、かつ、残りのRが置換若しくは無置換のC1-6アルキル基であってよい。Rのうち一つが置換若しくは無置換のフェニル基であり、かつ、残りのRが置換若しくは無置換のC1-6アルキル基であることが好ましい。Rは、フッ素原子を含んでいなくてよい。 At least one of R may be a substituted or unsubstituted phenyl group or a substituted or unsubstituted benzyl group, and at least one of R may be a substituted or unsubstituted C 1-6 alkyl group. One or two of R may be a substituted or unsubstituted phenyl group or a substituted or unsubstituted benzyl group, and the remaining R may be a substituted or unsubstituted C 1-6 alkyl group. It is preferable that one of R is a substituted or unsubstituted phenyl group, and the remaining R is a substituted or unsubstituted C 1-6 alkyl group. R does not need to contain a fluorine atom.
化合物Aは下記式(A1)で表される化合物を含んでいてよい。
式(A1)中、R1はそれぞれ独立して置換又は無置換のC1-6アルキル基を示し、R2は置換若しくは無置換のフェニル基、又は置換若しくは無置換のベンジル基を示す。複数存在するR1はそれぞれ同種の基であっても異種の基であってもよい。 In formula (A1), R 1 each independently represents a substituted or unsubstituted C 1-6 alkyl group, and R 2 represents a substituted or unsubstituted phenyl group or a substituted or unsubstituted benzyl group. A plurality of R 1s may be the same group or different groups.
R1で表される置換又は無置換のC1-6アルキル基は、Rで表される置換又は無置換のC1-6アルキル基と同様の置換基であってよい。R2で表される置換又は無置換のフェニル基は、Rで表される置換又は無置換のフェニル基と同様の置換基であってよい。R2で表される置換又は無置換のベンジル基は、Rで表される置換又は無置換のベンジル基と同様の置換基であってよい。 The substituted or unsubstituted C 1-6 alkyl group represented by R 1 may be the same substituent as the substituted or unsubstituted C 1-6 alkyl group represented by R. The substituted or unsubstituted phenyl group represented by R 2 may be the same substituent as the substituted or unsubstituted phenyl group represented by R. The substituted or unsubstituted benzyl group represented by R 2 may be the same substituent as the substituted or unsubstituted benzyl group represented by R.
化合物Aは、例えば、フェニルジメチルフルオロシラン、フェニルジエチルフルオロシラン、フェニルジプロピルフルオロシラン、ジフェニルメチルフルオロシラン、トリフェニルフルオロシラン、フルオロフェニルジメチルフルオロシラン、ジフルオロフェニルジメチルフルオロシラン、トリフルオロフェニルジメチルフルオロシラン、ペンタフルオロフェニルジメチルフルオロシラン、フェニルジトリフルオロメチルフルオロシラン、ペンタフルオロフェニルジトリフルオロメチルフルオロシラン、ベンジルジメチルフルオロシラン、及びペンタフルオロベンジルジトリフルオロメチルフルオロシランからなる群より選択される少なくとも1種を含んでいてよい。化合物Aは、好ましくはフェニルジメチルフルオロシランである。 Compound A is, for example, phenyldimethylfluorosilane, phenyldiethylfluorosilane, phenyldipropylfluorosilane, diphenylmethylfluorosilane, triphenylfluorosilane, fluorophenyldimethylfluorosilane, difluorophenyldimethylfluorosilane, trifluorophenyldimethylfluorosilane. , pentafluorophenyldimethylfluorosilane, phenylditrifluoromethylfluorosilane, pentafluorophenylditrifluoromethylfluorosilane, benzyldimethylfluorosilane, and pentafluorobenzylditrifluoromethylfluorosilane. It's okay to be there. Compound A is preferably phenyldimethylfluorosilane.
化合物Aは、含有量を高くした場合でも初期充放電後及び充放電サイクル試験後の抵抗上昇が抑制されている。そのため、電解液用添加剤として化合物Aを用いることによって、含有量を高めることによる初期充放電後及び充放電サイクル試験後の抵抗上昇を抑制しながら、電気化学デバイスの放電容量維持率を向上させることができる。 Even when the content of Compound A is increased, the increase in resistance after initial charging and discharging and after the charging and discharging cycle test is suppressed. Therefore, by using Compound A as an additive for electrolytic solution, the discharge capacity retention rate of electrochemical devices can be improved while suppressing the resistance increase after initial charge/discharge and after charge/discharge cycle test due to increasing the content. be able to.
化合物Aは、置換若しくは無置換のフェニル基、又は、置換若しくは無置換のベンジル基を含むため、過充電防止効果に優れている。このような効果が得られる理由としては、特に限定されないが、化合物Aにおいて、置換若しくは無置換のフェニル基、又は、置換若しくは無置換のベンジル基が所定の電圧で分解及び重合して正極表面を被覆、又はセパレータ孔を目詰めすること、分解及び重合の際に水素ガスを発生してCID(電流遮断装置)を作動させること等によって奏されると推察される。 Compound A has an excellent overcharge prevention effect because it contains a substituted or unsubstituted phenyl group or a substituted or unsubstituted benzyl group. The reason why such an effect is obtained is not particularly limited, but in Compound A, the substituted or unsubstituted phenyl group or the substituted or unsubstituted benzyl group decomposes and polymerizes at a predetermined voltage and forms the surface of the positive electrode. It is presumed that this is achieved by coating, clogging separator holes, generating hydrogen gas during decomposition and polymerization, and activating a CID (current interrupt device).
化合物Aは、置換若しくは無置換のフェニル基、又は、置換若しくは無置換のベンジル基を含むため、電極、特に黒鉛負極への浸透性にも優れている。 Since Compound A contains a substituted or unsubstituted phenyl group or a substituted or unsubstituted benzyl group, it also has excellent permeability into electrodes, especially graphite negative electrodes.
化合物Aの含有量は、電解液全量を基準として、放電容量保持率が更に向上することから、1.5質量%以上、2.0質量%以上、2.5質量%以上、3.0質量%以上、3.5質量%以上、4.0質量%以上、4.5質量%以上、5.0質量%以上、6.0質量%以上、7.0質量%以上、8.0質量%以上、9.0質量%以上、10.0質量%以上、12.0質量%以上、14.0質量%以上、16.0質量%以上、18.0質量%以上、20.0質量%以上、22.0質量%以上、24.0質量%以上、26.0質量%以上、又は28.0質量%以上であってよい。化合物Aの含有量は、電解液全量を基準として、30.0質量%以下、28.0質量%以下、26.0質量%以下、24.0質量%以下、22.0質量%以下、20.0質量%以下、18.0質量%以下、16.0質量%以下、14.0質量%以下、12.0質量%以下、10.0質量%以下、9.0質量%以下、8.0質量%以下、7.0質量%以下、6.0質量%以下、5.0質量%以下、4.0質量%以下又は3.0質量%以下であってよい。 The content of compound A is 1.5% by mass or more, 2.0% by mass or more, 2.5% by mass or more, 3.0% by mass, based on the total amount of electrolyte solution, since the discharge capacity retention rate is further improved. % or more, 3.5 mass% or more, 4.0 mass% or more, 4.5 mass% or more, 5.0 mass% or more, 6.0 mass% or more, 7.0 mass% or more, 8.0 mass% 9.0% by mass or more, 10.0% by mass or more, 12.0% by mass or more, 14.0% by mass or more, 16.0% by mass or more, 18.0% by mass or more, 20.0% by mass or more , 22.0% by mass or more, 24.0% by mass or more, 26.0% by mass or more, or 28.0% by mass or more. The content of compound A is 30.0% by mass or less, 28.0% by mass or less, 26.0% by mass or less, 24.0% by mass or less, 22.0% by mass or less, 20% by mass or less, based on the total amount of electrolyte solution. .0 mass% or less, 18.0 mass% or less, 16.0 mass% or less, 14.0 mass% or less, 12.0 mass% or less, 10.0 mass% or less, 9.0 mass% or less, 8. It may be 0% by mass or less, 7.0% by mass or less, 6.0% by mass or less, 5.0% by mass or less, 4.0% by mass or less, or 3.0% by mass or less.
リチウム塩は、例えば、LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiB(C6H5)4、LiCH3SO3、CF3SO2OLi、LiN(SO2F)2(Li[FSI]、リチウムビスフルオロスルホニルイミド)、LiN(SO2CF3)2(Li[TFSI]、リチウムビストリフルオロメタンスルホニルイミド)、及びLiN(SO2CF2CF3)2からなる群より選ばれる少なくとも1種であってよい。リチウム塩は、リチウム原子及びフッ素原子を含む化合物であってよく、溶媒に対する溶解性、二次電池の充放電特性、出力特性、サイクル特性等に更に優れる観点から、好ましくはLiPF6を含む。 Lithium salts include, for example, LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiB(C 6 H 5 ) 4 , LiCH 3 SO 3 , CF 3 SO 2 OLi, LiN(SO 2 F) 2 (Li[FSI], lithium bis at least one member selected from the group consisting of LiN(SO 2 CF 3 ) 2 (Li[TFSI], lithium bistrifluoromethanesulfonylimide), and LiN(SO 2 CF 2 CF 3 ) good. The lithium salt may be a compound containing a lithium atom and a fluorine atom, and preferably contains LiPF 6 from the viewpoint of further excellent solubility in a solvent, charge/discharge characteristics of a secondary battery, output characteristics, cycle characteristics, etc.
リチウム塩の濃度は、充放電特性に優れる観点から、非水溶媒全量を基準として、好ましくは0.5mol/L以上、より好ましくは0.7mol/L以上、更に好ましくは0.8mol/L以上であり、また、好ましくは1.5mol/L以下、より好ましくは1.3mol/L以下、更に好ましくは1.2mol/L以下である。 From the viewpoint of excellent charge/discharge characteristics, the concentration of the lithium salt is preferably 0.5 mol/L or more, more preferably 0.7 mol/L or more, and still more preferably 0.8 mol/L or more, based on the total amount of the nonaqueous solvent. It is also preferably 1.5 mol/L or less, more preferably 1.3 mol/L or less, even more preferably 1.2 mol/L or less.
電解液において、リチウム塩のリチウム原子1モルに対する化合物A中のフッ素原子の量は、0.160モル以上である。化合物A中のフッ素原子の量は、化合物A中の、シリコン原子と直接結合したフッ素原子(Si-F結合におけるフッ素原子)の量であってよい。リチウム塩のリチウム原子1モルに対する化合物A中のフッ素原子の量を大きくすることによって、電気化学デバイスの放電容量維持率は向上する傾向がある。一方、従来の電解液は、リチウム塩のリチウム原子1モルに対する添加剤の添加量を多くすると、、初期充放電後及び充放電サイクル試験後の抵抗が上昇する傾向がある。本実施形態に係る電解液は、化合物Aを含むことにより、初期充放電後及び充放電サイクル試験後の抵抗上昇を抑制しながら、電気化学デバイスの放電容量維持率を向上させることができる。 In the electrolytic solution, the amount of fluorine atoms in compound A per mole of lithium atoms in the lithium salt is 0.160 mole or more. The amount of fluorine atoms in compound A may be the amount of fluorine atoms in compound A that are directly bonded to silicon atoms (fluorine atoms in Si—F bonds). By increasing the amount of fluorine atoms in compound A per mole of lithium atoms in the lithium salt, the discharge capacity retention rate of the electrochemical device tends to improve. On the other hand, in conventional electrolytic solutions, when the amount of additives added per mole of lithium atoms of the lithium salt is increased, the resistance after initial charging/discharging and after a charging/discharging cycle test tends to increase. By containing Compound A, the electrolytic solution according to the present embodiment can improve the discharge capacity retention rate of the electrochemical device while suppressing an increase in resistance after initial charge/discharge and after a charge/discharge cycle test.
リチウム塩のリチウム原子1モルに対する化合物A中のフッ素原子の量は、放電容量保持率が更に向上することから、0.165モル以上、0.170モル以上、0.180モル以上、0.190モル以上、0.200モル以上、0.240モル以上、0.280モル以上、0.320モル以上、0.360モル以上、0.400モル以上、0.500モル以上、0.600モル以上、0.700モル以上、0.800モル以上、0.900モル以上、1.000モル以上、1.200モル以上、1.400モル以上、1.600モル以上、1.800モル以上、2.000モル以上又は2.400モル以上であってよい。リチウム塩のリチウム原子1モルに対する化合物A中のフッ素原子の量は、電解液の費用対効果が更に向上する観点から、3.000モル以下、2.600モル以下、2.200モル以下、1.800モル以下、1.400モル以下、1.000モル以下、0.600モル以下、0.500モル以下、0.400モル以下、0.300モル以下、0.200モル以下、又は0.180モル以下であってよい。 The amount of fluorine atoms in compound A per mole of lithium atom of the lithium salt is 0.165 mol or more, 0.170 mol or more, 0.180 mol or more, 0.190 mol or more, since the discharge capacity retention rate is further improved. mol or more, 0.200 mol or more, 0.240 mol or more, 0.280 mol or more, 0.320 mol or more, 0.360 mol or more, 0.400 mol or more, 0.500 mol or more, 0.600 mol or more , 0.700 mol or more, 0.800 mol or more, 0.900 mol or more, 1.000 mol or more, 1.200 mol or more, 1.400 mol or more, 1.600 mol or more, 1.800 mol or more, 2 It may be .000 mol or more or 2.400 mol or more. From the viewpoint of further improving the cost-effectiveness of the electrolyte, the amount of fluorine atoms in compound A per mole of lithium atom of the lithium salt is 3.000 mol or less, 2.600 mol or less, 2.200 mol or less, 1 .800 mol or less, 1.400 mol or less, 1.000 mol or less, 0.600 mol or less, 0.500 mol or less, 0.400 mol or less, 0.300 mol or less, 0.200 mol or less, or 0. It may be 180 moles or less.
リチウム塩のリチウム原子1モルに対する化合物A中のフッ素原子の量は、19F NMRを用いて測定することができる。電解液が、化合物Aと、リチウム塩として、リチウム原子及びフッ素原子を含む化合物(例えばLiPF6)とを含む電解液である場合、リチウム塩のリチウム原子1モルに対する化合物A中のフッ素原子の量は例えば次の方法によって測定することができる。まず、化合物A及びリチウム塩を含有する電解液を使用して検量線を作成する。化合物Aの含有量が電解液全量を基準として特定量である検量線作成用の複数の電解液を用意する。例えば、検量線作成用の電解液中の化合物Aの含有量はそれぞれ、電解液全量を基準として、1質量%、3質量%又は5質量%である。検量線作成用の各電解液において、リチウム塩の含有量は一定である。検量線作成用の電解液10μLを1体積%のテトラメチルシラン(TMS)を含有する重アセトニトリル700μLで希釈し、NMRチューブに入れ、検量線のためのNMR測定用試料を準備する。検量線のためのNMR測定用試料を用いて、19F NMRにて化合物A中のフッ素原子に由来するピークの面積及びリチウム塩のフッ素原子に由来するピークの面積を算出する。リチウム塩が複数のフッ素原子を含有する場合、リチウム塩のフッ素原子に由来するピークの面積は、リチウム塩の複数のフッ素に由来するピークの合計面積である。横軸に「リチウム塩のフッ素原子1モルに対する、化合物Aのフッ素原子の物質量」(仕込み量)、縦軸に「リチウム塩のフッ素原子に由来するピークの面積に対する、化合物Aのフッ素原子に由来するピークの面積の比」をプロットした検量線を作成する。次いで、測定対象の電解液を用いたこと以外は、検量線を作成する場合と同様にして、19F NMR測定を行う。測定対象の電解液における「リチウム塩のフッ素原子に由来するピークの面積に対する、化合物A中のフッ素原子に由来するピーク面積の比」を算出し、検量線から電解液におけるリチウム塩のリチウム原子1モルに対する化合物A中のフッ素原子の量を算出することができる。
The amount of fluorine atoms in Compound A per mole of lithium atoms of the lithium salt can be measured using 19 F NMR. When the electrolytic solution is an electrolytic solution containing Compound A and a compound containing a lithium atom and a fluorine atom (for example, LiPF 6 ) as a lithium salt, the amount of fluorine atoms in Compound A with respect to 1 mole of lithium atoms of the lithium salt. can be measured, for example, by the following method. First, a calibration curve is created using an electrolytic solution containing Compound A and a lithium salt. A plurality of electrolytic solutions for preparing a calibration curve are prepared in which the content of compound A is a specific amount based on the total amount of the electrolytic solution. For example, the content of compound A in the electrolytic solution for creating a calibration curve is 1% by mass, 3% by mass, or 5% by mass, respectively, based on the total amount of the electrolytic solution. The content of lithium salt is constant in each electrolytic solution for creating a calibration curve. 10 μL of an electrolytic solution for creating a calibration curve is diluted with 700 μL of deuterated acetonitrile containing 1% by volume of tetramethylsilane (TMS) and placed in an NMR tube to prepare a sample for NMR measurement for the calibration curve. Using a sample for NMR measurement for a calibration curve, the area of the peak derived from the fluorine atom in compound A and the area of the peak derived from the fluorine atom of the lithium salt are calculated in 19 F NMR. When the lithium salt contains multiple fluorine atoms, the area of the peak derived from the fluorine atoms of the lithium salt is the total area of the peaks derived from the multiple fluorine atoms of the lithium salt. The horizontal axis shows the amount of fluorine atoms in compound A relative to 1 mole of fluorine atoms in the lithium salt (amount charged), and the vertical axis shows the amount of fluorine atoms in compound A relative to the area of the peak derived from the fluorine atoms in the lithium salt. Create a calibration curve that plots the ratio of the areas of the derived peaks. Next, 19 F NMR measurement is performed in the same manner as when creating a calibration curve, except that the electrolyte to be measured is used. Calculate the "ratio of the peak area derived from the fluorine atom in Compound A to the area of the peak derived from the fluorine atom in the lithium salt" in the electrolytic solution to be measured, and calculate the
非水溶媒は、例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、プロピオン酸プロピル、γ-ブチルラクトン、アセトニトリル、1,2-ジメトキシエタン、ジメトキシメタン、テトラヒドロフラン、ジオキソラン、塩化メチレン、酢酸メチル等であってよい。非水溶媒は、これらの1種単独又は2種以上の混合物であってよく、好ましくは2種以上の混合物である。 Non-aqueous solvents include, for example, ethylene carbonate, propylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, methyl ethyl carbonate, methyl propionate, ethyl propionate, propyl propionate, γ-butyllactone, acetonitrile, 1,2-dimethoxyethane, dimethoxy It may be methane, tetrahydrofuran, dioxolane, methylene chloride, methyl acetate, and the like. The non-aqueous solvent may be a single type of these or a mixture of two or more types, preferably a mixture of two or more types.
非水溶媒の含有量は、電解液全量を基準として、40質量%以上、45質量%以上、50質量%以上、55質量%以上、60質量%以上、65質量%以上、70質量%以上、75質量%以上、80質量%以上、又は85質量%以上であってよく、95質量%以下、90質量%以下、85質量%以下、80質量%以下、又は75質量%以下であってよい。 The content of the non-aqueous solvent is 40% by mass or more, 45% by mass or more, 50% by mass or more, 55% by mass or more, 60% by mass or more, 65% by mass or more, 70% by mass or more, based on the total amount of the electrolyte. It may be 75% by weight or more, 80% by weight or more, or 85% by weight or more, and may be 95% by weight or less, 90% by weight or less, 85% by weight or less, 80% by weight or less, or 75% by weight or less.
電解液は、化合物A、リチウム塩及び非水溶媒以外のその他の材料を更に含有してもよい。その他の材料は、例えば、環状カーボネート、環状スルホン化合物、又はニトリル化合物であってよい。 The electrolytic solution may further contain materials other than Compound A, lithium salt, and nonaqueous solvent. Other materials may be, for example, cyclic carbonates, cyclic sulfone compounds, or nitrile compounds.
環状カーボネートとしては、例えば、ビニレンカーボネート、フルオロエチレンカーボネート、メチルビニレンカーボネート、ジメチルビニレンカーボネート(4,5-ジメチルビニレンカーボネート)、エチルビニレンカーボネート(4,5-ジエチルビニレンカーボネート)、及びジエチルビニレンカーボネート、1,2-ジフルオロエチレンカーボネート、1,1-ジフルオロエチレンカーボネート、1,1,2-トリフルオロエチレンカーボネート、及び1,1,2,2-テトラフルオロエチレンカーボネートが挙げられる。 Examples of the cyclic carbonate include vinylene carbonate, fluoroethylene carbonate, methylvinylene carbonate, dimethylvinylene carbonate (4,5-dimethylvinylene carbonate), ethylvinylene carbonate (4,5-diethylvinylene carbonate), and diethylvinylene carbonate. , 2-difluoroethylene carbonate, 1,1-difluoroethylene carbonate, 1,1,2-trifluoroethylene carbonate, and 1,1,2,2-tetrafluoroethylene carbonate.
環状スルホン化合物としては、例えば、1,3-プロパンスルトン、1,4-ブタンスルトン、2,4-ブタンスルトン、1,3-プロペンスルトン、1,4-ブテンスルトン、1-メチル-1,3-プロパンスルトン、3-メチル-1,3-プロパンスルトン、1-フルオロ-1,3-プロパンスルトン、3-フルオロ-1,3-プロパンスルトン、メチレンメタンジスルホン酸エステル、エチレンメタンジスルホン酸エステル、スルホラン、2-メチルスルホラン、3-メチルスルホラン、2-エチルスルホラン、3-エチルスルホラン、2,4-ジメチルスルホラン、2-フェニルスルホラン、3-フェニルスルホラン、スルホレン、及び3-メチルスルホレン、エチレンサルファイト、プロピレンサルファイト、ブチレンサルファイト、ビニレンサルファイト、及びフェニルエチレンサルファイトが挙げられる。 Examples of the cyclic sulfone compound include 1,3-propanesultone, 1,4-butanesultone, 2,4-butanesultone, 1,3-propenesultone, 1,4-butenesultone, 1-methyl-1,3-propanesultone , 3-methyl-1,3-propane sultone, 1-fluoro-1,3-propane sultone, 3-fluoro-1,3-propane sultone, methylenemethane disulfonic acid ester, ethylenemethane disulfonic acid ester, sulfolane, 2- Methylsulfolane, 3-methylsulfolane, 2-ethylsulfolane, 3-ethylsulfolane, 2,4-dimethylsulfolane, 2-phenylsulfolane, 3-phenylsulfolane, sulfolene, and 3-methylsulfolane, ethylene sulfite, propylene sulfolane phyto, butylene sulfite, vinylene sulfite, and phenylethylene sulfite.
ニトリル化合物としては、例えば、ブチロニトリル、バレロニトリル、n-ヘプタンニトリル、スクシノニトリル、グルタルニトリル、アジポニトリル、ピメロニトリル、スベロニトリル、1,2,3-プロパントリカルボニトリル、及び1,3,5-ペンタントリカルボニトリルが挙げられる。 Examples of the nitrile compound include butyronitrile, valeronitrile, n-heptanenitrile, succinonitrile, glutaronitrile, adiponitrile, pimelonitrile, suberonitrile, 1,2,3-propanetricarbonitrile, and 1,3,5-pentanetrile. Carbonitrile is mentioned.
その他の材料の含有量は、電解液全量を基準として、0.1質量%以上、0.3質量%以上、0.5質量%以上、0.7質量%以上、0.9質量%以上、1.1質量%以上、1.3質量%以上、1.5質量%以上、又は1.7質量%以上であってよく、20.0質量%以下、15.0質量%以下、10.0質量%以下、5.0質量%以下、又は2.0質量%以下であってよい。環状カーボネートの含有量が、上記その他の材料の含有量で述べた範囲であってよい。 The content of other materials is based on the total amount of the electrolyte, 0.1% by mass or more, 0.3% by mass or more, 0.5% by mass or more, 0.7% by mass or more, 0.9% by mass or more, It may be 1.1% by mass or more, 1.3% by mass or more, 1.5% by mass or more, or 1.7% by mass or more, and 20.0% by mass or less, 15.0% by mass or less, 10.0 It may be less than or equal to 5.0% by mass, or less than or equal to 2.0% by mass. The content of the cyclic carbonate may be within the range described above for the content of other materials.
続いて、非水電解液二次電池1の製造方法を説明する。非水電解液二次電池1の製造方法は、正極6を得る第1の工程と、負極8を得る第2の工程と、電極群2を電池外装体3に収容する第3の工程と、電解液を電池外装体3に注液する第4の工程と、を備える。第1~第4の工程の順序は任意である。
Next, a method for manufacturing the non-aqueous electrolyte
第1の工程では、正極合剤層10に用いる材料を混練機、分散機等を用いて分散媒に分散させてスラリー状の正極合剤を得た後、この正極合剤をドクターブレード法、ディッピング法、スプレー法等により正極集電体9上に塗布し、その後分散媒を揮発させることにより正極6を得る。分散媒を揮発させた後、必要に応じて、ロールプレスによる圧縮成型工程が設けられてもよい。正極合剤層10は、上述した正極合剤の塗布から分散媒の揮発までの工程を複数回行うことにより、多層構造の正極合剤層として形成されてもよい。分散媒は、水、1-メチル-2-ピロリドン(以下、NMPともいう。)等であってよい。
In the first step, the material used for the positive
第2の工程は、上述した第1の工程と同様であってよく、負極集電体11に負極合剤層12を形成する方法は、上述した第1の工程と同様の方法であってよい。
The second step may be the same as the first step described above, and the method for forming the negative
第3の工程では、作製した正極6及び負極8の間にセパレータ7を挟み、電極群2を形成する。次いで、この電極群2を電池外装体3に収容する。
In the third step, a
第4の工程では、電解液を電池外装体3に注入する。電解液は、例えば、電解質塩をはじめに溶媒に溶解させてから、その他の材料を溶解させることにより調製することができる。 In the fourth step, the electrolytic solution is injected into the battery exterior body 3. The electrolytic solution can be prepared, for example, by first dissolving the electrolyte salt in a solvent and then dissolving the other materials.
他の実施形態として、電気化学デバイスはキャパシタであってもよい。キャパシタは、上述した非水電解液二次電池1と同様に、正極、負極及びセパレータから構成される電極群と、電極群を収容する袋状の電池外装体とを備えていてよい。キャパシタにおける各構成要素の詳細は、非水電解液二次電池1と同様であってよい。
In other embodiments, the electrochemical device may be a capacitor. Like the non-aqueous electrolyte
以下、実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be specifically explained with reference to Examples, but the present invention is not limited to these Examples.
フェニルジメチルフルオロシラン(PDFS)を次の方法で合成し、添加剤X1とした。内部を窒素ガスで置換したPFA(パーフルオロアルコキシアルカンポリマー)フラスコに、撹拌子、フェニルジメチルクロロシラン(東京化成工業株式会社製)25.7gを配置し、そこへふっ化水素アンモニウム(富士フイルム和光純薬株式会社製)の粉末を9.5g投入した。窒素雰囲気下、スターラーで1時間攪拌後、2.5gのふっ化水素アンモニウムを追加投入し、更に1時間攪拌した。反応後の溶液をろ過し、ふっ化水素アンモニウムを除去した。得られた溶液に乾燥済みのモレキュラーシーブを2.5g投入し、オイルバス190℃にて常圧で蒸留することで添加剤X1を得た。GC-FIDにより算出した純度は99.3%であった。 Phenyldimethylfluorosilane (PDFS) was synthesized by the following method and used as additive X1. A stirring bar and 25.7 g of phenyldimethylchlorosilane (manufactured by Tokyo Kasei Kogyo Co., Ltd.) were placed in a PFA (perfluoroalkoxyalkane polymer) flask whose interior was purged with nitrogen gas, and ammonium hydrogen fluoride (Fujifilm Wako Pure) was placed there. 9.5 g of powder (manufactured by Yakuhin Co., Ltd.) was added. After stirring for 1 hour with a stirrer under a nitrogen atmosphere, 2.5 g of ammonium hydrogen fluoride was added, and the mixture was further stirred for 1 hour. The solution after the reaction was filtered to remove ammonium hydrogen fluoride. Additive X1 was obtained by adding 2.5 g of dried molecular sieve to the obtained solution and distilling it at normal pressure in an oil bath at 190°C. The purity calculated by GC-FID was 99.3%.
アリルジメチルフルオロシラン(ADFS)を次の方法で合成し、添加剤X2とした。内部を窒素ガスで置換したPFAフラスコに、撹拌子、アリルジメチルクロロシラン(東京化成工業株式会社)20gを配置し、そこへふっ化水素アンモニウム(富士フイルム和光純薬株式会社製)の粉末を9.3g投入した。窒素雰囲気下、スターラーで1時間攪拌後、2.5gのふっ化水素アンモニウムを追加投入し、更に1時間攪拌した。反応後の溶液をろ過し、ふっ化水素アンモニウムを除去した。得られた溶液に乾燥済みのモレキュラーシーブを2.5g投入し、オイルバス70℃にて常圧で蒸留することで添加剤X2を得た。GC-FIDにより算出した純度は99.0%であった。 Allyldimethylfluorosilane (ADFS) was synthesized by the following method and used as additive X2. A stirring bar and 20 g of allyldimethylchlorosilane (Tokyo Kasei Kogyo Co., Ltd.) were placed in a PFA flask whose interior was purged with nitrogen gas, and 9. 3g was added. After stirring for 1 hour with a stirrer under a nitrogen atmosphere, 2.5 g of ammonium hydrogen fluoride was added, and the mixture was further stirred for 1 hour. The solution after the reaction was filtered to remove ammonium hydrogen fluoride. Additive X2 was obtained by adding 2.5 g of dried molecular sieve to the obtained solution and distilling it at normal pressure in an oil bath at 70°C. The purity calculated by GC-FID was 99.0%.
<評価用二次電池1の作製>
[正極合剤層(正極活物質層)の作製]
Li(Co0.2Ni0.6Mn0.2)O2(正極活物質)92質量部、カーボンブラック(導電剤、商品名:Li400、平均粒径48nm(製造元カタログ値)、デンカ株式会社)4質量部、ポリフッ化ビニリデン溶液(結着剤(バインダ)、商品名:クレハKFポリマ#1120、固形分:12質量%、株式会社クレハ)33.3質量部(うち固形分4質量部)、及びN-メチル-2-ピロリドン(分散媒、NMP)15質量部を混合してスラリを調製した。このスラリを正極集電体(厚さ15μmのアルミニウム箔)上に塗布し、120℃で乾燥後、圧延して、片面塗布量200g/m2、合剤密度2.8g/cm3の正極合剤層を形成した。これにより、正極集電体の一面上に正極合剤層が形成された矩形の正極積層体を得た。
<Production of
[Preparation of positive electrode mixture layer (positive electrode active material layer)]
Li (Co 0.2 Ni 0.6 Mn 0.2 ) O 2 (positive electrode active material) 92 parts by mass, carbon black (conductive agent, trade name: Li400, average particle size 48 nm (manufacturer catalog value), Denka Corporation ) 4 parts by mass, polyvinylidene fluoride solution (binder, trade name: Kureha KF Polymer #1120, solid content: 12% by mass, Kureha Co., Ltd.) 33.3 parts by mass (including 4 parts by mass solid content) , and 15 parts by mass of N-methyl-2-pyrrolidone (dispersion medium, NMP) were mixed to prepare a slurry. This slurry was applied onto a positive electrode current collector (aluminum foil with a thickness of 15 μm), dried at 120°C, and then rolled to form a positive electrode with a coating amount of 200 g/m 2 on one side and a mixture density of 2.8 g/cm 3 . A coating layer was formed. Thereby, a rectangular positive electrode laminate in which a positive electrode mixture layer was formed on one surface of the positive electrode current collector was obtained.
[負極合剤層(負極活物質層)の作製]
黒鉛(負極活物質)98質量部、CMC(カルボキシメチルセルロース)-SBR(スチレン-ブタジエンゴム)2質量部が均一に分散するよう純水を混合してスラリを調製した。このスラリを負極集電体(厚さ10μmの銅箔)上に塗布し、80℃で乾燥後圧延して、片面塗布量102g/m2、合剤密度1.6g/cm3の負極合剤層を形成した。これにより、負極集電体の一面上に負極合剤層が形成された矩形の負極積層体を得た。
[Preparation of negative electrode mixture layer (negative electrode active material layer)]
A slurry was prepared by mixing 98 parts by mass of graphite (negative electrode active material) and 2 parts by mass of CMC (carboxymethylcellulose)-SBR (styrene-butadiene rubber) with pure water so that they were uniformly dispersed. This slurry was applied onto a negative electrode current collector (copper foil with a thickness of 10 μm), dried at 80°C, and then rolled to form a negative electrode mixture with a coating amount of 102 g/m 2 on one side and a mixture density of 1.6 g/cm 3 . formed a layer. Thereby, a rectangular negative electrode laminate in which a negative electrode mixture layer was formed on one surface of the negative electrode current collector was obtained.
[電解液の調製]
1mol/LのLiPF6を含む、エチレンカーボネート(EC)、ジメチルカーボネート(DMC)及びエチルメチルカーボネート(EMC)の混合溶液(EC/DMC/EMC=1:1:1(体積比))に、電解液全量基準で、1質量%のビニレンカーボネート(VC)、及び3.8質量%の添加剤X1を添加して、電解液を調製した。リチウム塩のリチウム原子1モルに対する添加剤X1のシリコン原子と直接結合したフッ素原子の量は0.317モルであった。
[Preparation of electrolyte]
A mixed solution of ethylene carbonate (EC), dimethyl carbonate (DMC) and ethyl methyl carbonate (EMC) (EC/DMC/EMC=1:1:1 (volume ratio)) containing 1 mol/L of LiPF 6 was electrolyzed. An electrolytic solution was prepared by adding 1% by mass of vinylene carbonate (VC) and 3.8% by mass of additive X1 based on the total amount of the solution. The amount of fluorine atoms directly bonded to the silicon atoms of additive X1 per mole of lithium atoms in the lithium salt was 0.317 moles.
[電池の組立て]
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(商品名:ハイポア(登録商標)、旭化成株式会社製、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1mL添加し、容器を熱溶着させ、評価用二次電池1を作製した。
[Battery assembly]
A positive electrode cut into a 13.5 cm 2 square was sandwiched between polyethylene porous sheets (product name: Hipore (registered trademark), manufactured by Asahi Kasei Corporation, thickness 30 μm) as separators, and then cut into a 14.3 cm 2 square. An electrode group was fabricated by overlapping the negative electrodes cut into two. This electrode group was housed in a container (battery exterior body) formed of an aluminum laminate film (trade name: aluminum laminate film, manufactured by Dainippon Printing Co., Ltd.). Next, 1 mL of electrolyte solution was added into the container, and the container was thermally welded to produce a
<評価用二次電池2の作製>
電解液の調製において、3.8質量%の上記添加剤X1に代えて、0.38質量%の上記添加剤X1を添加した以外は、評価用二次電池1と同様にして評価用二次電池2を作製した。リチウム塩のリチウム原子1モルに対する添加剤X1のシリコン原子と直接結合したフッ素原子の量は0.032モルであった。
<Production of
A secondary battery for evaluation was prepared in the same manner as the secondary battery for
<評価用二次電池3の作製>
電解液の調製において、3.8質量%の上記添加剤X1に代えて、0.29質量%の上記添加剤X2を添加した以外は、評価用二次電池1と同様にして評価用二次電池3を作製した。リチウム塩のリチウム原子1モルに対する添加剤X2のシリコン原子と直接結合したフッ素原子の量は0.032モルであった。
<Production of secondary battery 3 for evaluation>
A secondary battery for evaluation was prepared in the same manner as secondary battery for
<評価用二次電池4の作製>
電解液の調製において、3.8質量%の上記添加剤X1に代えて、2.9質量%の上記添加剤X2を添加した以外は、評価用二次電池1と同様にして評価用二次電池4を作製した。リチウム塩のリチウム原子1モルに対する添加剤X2のシリコン原子と直接結合したフッ素原子の量は0.316モルであった。
<Production of
A secondary battery for evaluation was prepared in the same manner as the secondary battery for
<基準用二次電池の作製>
電解液の調製において、3.8質量%の上記添加剤X1を添加しなかった以外は、評価用二次電池1と同様にして基準用二次電池を作製した。
<Preparation of reference secondary battery>
A reference secondary battery was produced in the same manner as evaluation
<交流インピーダンスの測定>
評価用二次電池1~4及び基準用二次電池の交流インピーダンスを次の方法によって測定した。交流インピーダンス測定は、ポテンショガルバノスタット1287型と周波数応答アナライザ1260型(各Solartron社製)を接続し、恒温槽中にて25℃、印加電圧10mV、0.05Hz~200kHzの範囲で測定した。全てのセルはSOC100(満充電状態)にて測定を実施した。図3は交流インピーダンスの測定結果を示す。図3中、「Ref」は基準用二次電池、「PDFS3.8」は評価用二次電池1、「PDFS0.38」は評価用二次電池2、「ADFS0.29」は評価用二次電池3、「PDFS3.8」は評価用二次電池4を用いた場合の測定結果を示す。
<Measurement of AC impedance>
AC impedance of evaluation
図3に示すとおり、添加剤X2(ADFS)は添加量を増加させることによって抵抗が大きく上昇した。一方で、添加剤X1(PDFS)は添加量を増加させた場合でも初期充放電後及び充放電サイクル試験後の抵抗上昇は確認されなかった。 As shown in FIG. 3, the resistance of additive X2 (ADFS) increased significantly as the amount added was increased. On the other hand, even when the additive amount of Additive X1 (PDFS) was increased, no increase in resistance was observed after the initial charge/discharge and after the charge/discharge cycle test.
<放電容量維持率の評価>
評価用二次電池1~2及び基準用二次電池について、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。)。続いて、50℃の環境下において同様の充放電サイクルを1回行った。
<Evaluation of discharge capacity maintenance rate>
For the evaluation
初回充放電後に、充放電を繰り返すサイクル試験によって、各二次電池の放電容量維持率を評価した。充電パターンとしては、45℃の環境下で、評価用二次電池1~2及び基準用二次電池について、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、1C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。なお、100サイクル目、300サイクル目には、容量確認のための充放電を実施した。すなわち、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。放電については、0.2Cで定電流放電を2.7Vまで行った。1サイクル目の充放電後の放電容量に対する、各サイクルでの放電容量の相対値(放電容量維持率(%))を求めた。結果を図4に示す。図4中、「F0_2」は基準用二次電池、「PDFS3.8_1」は評価用二次電池1、「PDFS0.38_2」は評価用二次電池2を用いた場合の測定結果を示す。表1は500サイクル後での放電容量維持率を示す。
1…非水電解液二次電池(電気化学デバイス)、6…正極、7…セパレータ、8…負極。
DESCRIPTION OF
Claims (11)
前記リチウム塩のリチウム原子1モルに対する前記化合物中のフッ素原子の量が0.160モル以上である、電解液。
[式(A)中、Rはそれぞれ独立して置換若しくは無置換のC1-6アルキル基、置換若しくは無置換のフェニル基、又は、置換若しくは無置換のベンジル基を示し、
Rの少なくとも一つが、前記置換若しくは無置換のフェニル基、又は、前記置換若しくは無置換のベンジル基である。] Comprising a compound represented by the following formula (A) and a lithium salt,
An electrolytic solution wherein the amount of fluorine atoms in the compound is 0.160 mol or more per 1 mol of lithium atoms of the lithium salt.
[In formula (A), R each independently represents a substituted or unsubstituted C 1-6 alkyl group, a substituted or unsubstituted phenyl group, or a substituted or unsubstituted benzyl group,
At least one of R is the substituted or unsubstituted phenyl group or the substituted or unsubstituted benzyl group. ]
[式(A)中、Rはそれぞれ独立して置換若しくは無置換のC1-6アルキル基、置換若しくは無置換のフェニル基、又は、置換若しくは無置換のベンジル基を示し、
Rの少なくとも一つが、前記置換若しくは無置換のフェニル基、又は、前記置換若しくは無置換のベンジル基である。] An additive for electrolyte solution containing a compound represented by the following formula (A).
[In formula (A), R each independently represents a substituted or unsubstituted C 1-6 alkyl group, a substituted or unsubstituted phenyl group, or a substituted or unsubstituted benzyl group,
At least one of R is the substituted or unsubstituted phenyl group or the substituted or unsubstituted benzyl group. ]
The additive for an electrolytic solution according to claim 8 or 9, wherein the compound is phenyldimethylfluorosilane.
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