JP2024029747A - 電解液添加剤、これを含むリチウム二次電池用電解液、およびリチウム二次電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】化学式1で表される電解液添加剤そしてこれを含むリチウム二次電池用電解液およびリチウム二次電池を提供する。前記化学式1に関する詳細内容は、明細書に記載したとおりである。
【選択図】図1
Description
他の一実施形態の目的は、前記添加剤を含むリチウム二次電池用電解液を提供することにある。
また他の一実施形態の目的は、前記電解液を含むリチウム二次電池を提供することにある。
L1およびL2は、それぞれ独立して、単一結合、置換もしくは非置換のC1~C5アルキレン基、置換もしくは非置換のC2~C5アルケニレン基、置換もしくは非置換のC2~C5アルキニレン基、または置換もしくは非置換のC6~C20アリーレン基であり、
AおよびBは、それぞれ独立して、置換もしくは非置換のC1~C20アルキル基、置換もしくは非置換のC6~C20アリール基、または置換もしくは非置換のC2~C20ヘテロアリール基であり、
AおよびBのうちの少なくとも一つは、下記化学式Aで表される基であり、
R1およびR2は、それぞれ独立して、水素、ハロゲン、置換もしくは非置換のC1~C10アルキル基または置換もしくは非置換のC3~C10シクロアルキル基である。
前記L1およびL2は、それぞれ独立して、置換もしくは非置換のC1~C5アルキレン基であり得る。
前記L1およびL2のうちの少なくとも一つは、置換もしくは非置換のC2~C5アルキレン基であり得る。
前記L1およびL2は、それぞれ独立して、置換もしくは非置換のC2~C5アルキレン基であり得る。
L1およびL2は、それぞれ独立して、置換もしくは非置換のC2~C5アルキレン基であり、
R1A、R1B、R2AおよびR2Bは、それぞれ独立して、水素、ハロゲン、置換もしくは非置換のC1~C10アルキル基または置換もしくは非置換のC3~C10シクロアルキル基である。
前記電解液添加剤は、リチウム二次電池用電解液の全体100重量部に対して0.05~3.0重量部で含まれ得る。
前記負極活物質は、黒鉛およびSi複合体のうちの少なくとも1種を含むことができる。
前記Si系粒子は、Si粒子、Si-C複合体、SiOx(0<x≦2)およびSi alloyのうちの1種以上を含むことができる。
前記リチウム二次電池は、4.3V以上の高電圧でも作動することができる。
本発明の一例で、「置換」は、置換基または化合物のうちの少なくとも一つの水素が重水素、ハロゲン基、C1~C30アルキル基、C1~C10アルキルシリル基、C6~C30アリールシリル基、C3~C30シクロアルキル基、C3~C30ヘテロシクロアルキル基、C6~C30アリール基、C2~C30ヘテロアリール基、C1~C10フルオロアルキル基またはシアノ基で置換されたことを意味する。また、本発明の具体的な一例で、「置換」は、置換基または化合物のうちの少なくとも一つの水素が重水素、ハロゲン基、C1~C20アルキル基、C6~C30アリール基、C1~C10フルオロアルキル基またはシアノ基で置換されたことを意味する。また、本発明の具体的な一例で、「置換」は、置換基または化合物のうちの少なくとも一つの水素が重水素、ハロゲン基、C1~C5アルキル基、C6~C18アリール基、C1~C5フルオロアルキル基またはシアノ基で置換されたことを意味する。また、本発明の具体的な一例で、「置換」は、置換基または化合物のうちの少なくとも一つの水素が重水素、シアノ基、ハロゲン基、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、フェニル基、ビフェニル基、テルフェニル基、トリフルオロメチル基またはナフチル基で置換されたことを意味する。
本発明の一実施形態による添加剤は、下記化学式1で表される。
L1およびL2は、それぞれ独立して、単一結合、置換もしくは非置換のC1~C5アルキレン基、置換もしくは非置換のC2~C5アルケニレン基、置換もしくは非置換のC2~C5アルキニレン基、または置換もしくは非置換のC6~C20アリーレン基であり、
AおよびBは、それぞれ独立して、置換もしくは非置換のC1~C20アルキル基、置換もしくは非置換のC6~C20アリール基、または置換もしくは非置換のC2~C20ヘテロアリール基であり、
AおよびBのうちの少なくとも一つは、下記化学式Aで表される基であり、
R1およびR2は、それぞれ独立して、水素、ハロゲン、置換もしくは非置換のC1~C10アルキル基または置換もしくは非置換のC3~C10シクロアルキル基である。
それだけでなく、前述した化学式1で表される添加剤は、高温保存時にSEI膜の劣化や正極での遷移金属溶出などを防止しながら、負極表面のSEI膜を強化させることができる。
一例として前記L1およびL2は、それぞれ独立して、置換もしくは非置換のC1~C5アルキレン基であり得る。
一例として前記L1およびL2のうちの少なくとも一つは、置換もしくは非置換のC2~C5アルキレン基であり得る。
一例として前記L1およびL2は、それぞれ独立して、置換もしくは非置換のC2~C5アルキレン基であり得る。
L1およびL2は、それぞれ独立して、置換もしくは非置換のC2~C5アルキレン基であり、
R1A、R1B、R2AおよびR2Bは、それぞれ独立して、水素、ハロゲン、置換もしくは非置換のC1~C10アルキル基または置換もしくは非置換のC3~C10シクロアルキル基である。
一例として前記添加剤は、リチウム二次電池用電解液の全体100重量部に対して0.01~4.0重量部、0.01~3.0重量部、0.03~3.0重量部または0.05~3.0重量部で含まれ得る。
前記リチウム二次電池用電解液は、ビニレンカーボネート(VC)、フルオロエチレンカーボネート(FEC)、ジフルオロエチレンカーボネート、クロロエチレンカーボネート、ジクロロエチレンカーボネート、ブロモエチレンカーボネート、ジブロモエチレンカーボネート、ニトロエチレンカーボネート、シアノエチレンカーボネート、ビニルエチレンカーボネート(VEC)、アジポニトリル(AN)、スクシノニトリル(SN)、1,3,6-ヘキサントリシアニド(HTCN)、プロペンスルトン(PST)、プロパンスルトン(PS)、リチウムテトラフロオロボレート(LiBF4)、リチウムジフルオロホスフェート(LiPO2F2)および2-フルオロビフェニル(2-FBP)のうちの少なくとも1種のその他添加剤をさらに含むことができる。
前記非水性有機溶媒は、前記カーボネート系溶媒に芳香族炭化水素系有機溶媒をさらに含むこともできる。この時、前記カーボネート系溶媒と芳香族炭化水素系溶媒は、1:1~30:1の体積比で混合され得る。
前記正極活物質としては、リチウムの可逆的な挿入および脱離が可能な化合物(リチエイテッド挿入化合物)を使用することができる。
[化学式4]
LixM1 yM2 zM3 1-y-zO2±aXa
前記化学式4で、
0.5≦x≦1.8、0≦a≦0.1、0<y≦1、0≦z≦1、0<y+z≦1、M1、M2およびM3は、それぞれ独立して、Ni、Co、Mn、Al、B、Ba、Ca、Ce、Cr、Fe、Mo、Nb、Si、Sr、Mg、Ti、V、W、ZrまたはLaおよびこれらの組み合わせから選択される1種以上の元素を含み、Xは、F、S、PまたはClより選択される1種以上の元素を含む。
前記化学式4で、0.8≦y≦1、0≦z≦0.2、M1は、Niであり得る。
例えば前記LiNibCodAleO2(b+d+e=1)の場合、ニッケルの含有量は60%以上(b≧0.6)であり得、より具体的に80%以上(b≧0.8)であり得る。
前記導電材およびバインダーの含有量は、前記正極活物質層の全体重量に対してそれぞれ1重量%~5重量%であり得る。
前記負極活物質は、リチウムイオンを可逆的に挿入/脱離することができる物質、リチウム金属、リチウム金属の合金、リチウムにドープおよび脱ドープ可能な物質または遷移金属酸化物を含む。
前記Si系粒子を含むコアは、非晶質炭素を追加的に含み、この時、前記中心部は非晶質炭素を含まず、非晶質炭素は負極活物質の表面部にのみ存在することができる。
また、Si系粒子は、Si複合体に全体的に実質的に均一に含まれるものであって、つまり、Si系粒子は、Si複合体の中心部と表面部に実質的に均一な濃度で存在することができる。
例えば前記Si-C複合体は、Si粒子そして結晶質炭素を含むことができる。
前記Si粒子は、前記Si-C複合体の全体重量に対して1~60重量%で含まれ得、例えば3~60重量%で含まれ得る。
前記結晶質炭素の平均粒径は、5μm~30μmであり得る。
より具体的には、前記黒鉛およびSi複合体は、97:3~80:20、95:5~80:20の重量比で含まれ得る。
前記導電材は、電極に導電性を付与するために使用されるものであり、構成される電池において、化学変化を招かない電子伝導性材料であれば如何なるものでも使用可能であり、その例として天然黒鉛、人造黒鉛、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、炭素繊維などの炭素系物質;銅、ニッケル、アルミニウム、銀などの金属粉末または金属繊維などの金属系物質;ポリフェニレン誘導体などの導電性ポリマー;またはこれらの混合物を含む導電性材料を使用することができる。
多孔性基材は、空隙を含む基材として、前記空隙を通じてリチウムイオンが移動することができる。前記多孔性基材は、例えばポリエチレン、ポリプロピレン、ポリフッ化ビニリデンまたはこれらの2層以上の多層膜を使用することができ、ポリエチレン/ポリプロピレンの2層セパレータ、ポリエチレン/ポリプロピレン/ポリエチレンの3層セパレータ、ポリプロピレン/ポリエチレン/ポリプロピレンの3層セパレータなどのような混合多層膜を使用することができることはもちろんである。
前記フィラーは、有機フィラーであるか、または無機フィラーであり得る。
合成例1:化学式1aの合成
1H-1,2,4-トリアゾール(1H-1,2,4-triazole)(2mmol)をアセトン(Acetone)に混合し、炭酸水素ナトリウム(Sodium hydrogen carbonate)(3mmol)と十分に攪拌した溶液にジビニルスルホン(Divinyl sulfone)(1.1mmol)を30mLのアセトン(Acetone)に混合したものを液滴(Dropwise)で30分間滴加する。以降、4時間常温(25℃)で攪拌して沈殿物をフィルタリングする。濾過された溶液を再結晶処理して化学式1aの化合物を得る。
ジビニルスルホン(Divinyl sulfone)の代わりに3-(アルキルスルホニル)プロパ-1-エン(3-(allylsulfonyl)prop-1-ene)を使用したことを除き、合成例1と同様に実施して下記化学式1bの化合物を得る。
1H-1,2,4-トリアゾール(1H-1,2,4-triazole)を、水酸化ナトリウム(Sodium Hydroxide)を溶かした水に混合して40分間8Pa、200℃条件で加熱する。次に、スルフリルフルオリド(Sulfuryl fluoride)を混合して18分間67kPaで加圧して下記化学式1cの化合物を得る。
1H-1,2,4-トリアゾール(1H-1,2,4-triazole)の代わりにピロール(Pyrrole)を使用したことを除き、合成例1と同様に実施して下記化学式C3の化合物を得る。
1H-1,2,4-トリアゾール(1H-1,2,4-triazole)の代わりに4H-1,2,4-トリアゾール(4H-1,2,4-triazole)を使用したことを除き、合成例3と同様に実施して下記化学式C4の化合物を得る。
1H-1,2,4-トリアゾール(1H-1,2,4-triazole)の代わりに1H-イミダゾール(1H-imidazole)を使用したことを除き、合成例3と同様に実施して下記化学式C5の化合物を得る。
実施例1
正極活物質としてLiNi0.88Co0.07Al0.05O2、バインダーとしてポリフッ化ビニリデンおよび導電材としてアセチレンブラックをそれぞれ96:2:2の重量比で混合して、N-メチルピロリドンに分散させて正極活物質スラリーを製造した。
前記正極活物質スラリーを14μm厚さのアルミニウム箔の上にコーティングし、110℃で乾燥した後、圧延(press)して正極を製造した。
電解液の組成は、下記のとおりである。
リチウム塩:LiPF6 1.15M
非水性有機溶媒:エチレンカーボネート:エチルメチルカーボネート:ジメチルカーボネート(EC:EMC:DMC=20:10:70の体積比)
添加剤:化学式1aで表される化合物0.5重量部、フルオロエチレンカーボネート(FEC:fluoroethylene carbonate)10重量部およびスクシノニトリル(SN:succinonitrile)0.5重量部
(ただし、前記電解液の組成で「重量部」は、添加剤を除いた電解液の全体(リチウム塩+非水性有機溶媒)100重量に対する添加剤の相対的な重量を意味する。)
前記化学式1aで表される化合物を含まない添加剤を使用したことを除き、前記実施例1と同様な方法でリチウム二次電池を作製した。
前記化学式1aで表される化合物の代わりに前記化学式1bで表される化合物(実施例2)、前記化学式1cで表される化合物(実施例3)、下記化学式C1で表される化合物(Wako社)(比較例2)、下記化学式C2で表される化合物(シグマアルドリッチ社)(比較例3)および前記化学式C3~化学式C5で表される化合物(比較例4~6)にそれぞれ変更したことを除き、前記実施例1と同様な方法でリチウム二次電池を作製した。
前記化学式1aで表される化合物の含有量を0.1重量部、2.0重量部、5.0重量部にそれぞれ変更したことを除き、前記実施例1と同様な方法でリチウム二次電池を作製した。
前記実施例1~6および比較例1~6による電解液添加剤の組成を下記表1に示した。
実施例1~6、および比較例1~6によるリチウム二次電池を次のような条件で充放電後、サイクル特性を評価し、その結果を表2に示した。
25℃、0.33C充電(CC/CV、4.3V、0.025C Cut-off)/1.0C放電(CC、2.5V Cut-off)条件で200サイクル充放電の進行後、容量維持率、および直流内部抵抗(DC-IR:Direct current internal resistance)の変化率を測定した。
[式1]
容量維持率=(200サイクル(cycle)後の容量/1サイクル(cycle)後の容量)*100
[式2]
200cy後DC-IR(直流内部抵抗)の変化率={(200サイクル(cycle)後のDC-IR)/(初期DC-IR)}*100
実施例1~6および比較例1~6で作製されたリチウム二次電池を45℃、0.33C充電(CC/CV、4.3V、0.025C Cut-off)/1.0C放電(CC、2.5V Cut-off)条件で200サイクル充放電の進行後、容量維持率、および直流内部抵抗(DC-IR:Direct current internal resistance)の変化率を測定した。
実施例1~6、および比較例1~6によるリチウム二次電池に対して25℃、0.33C充電(CC/CV、4.3V、0.025C Cut-off)/1.0C放電(CC、2.5V Cut-off)条件で200サイクル充放電の進行後、下記のような方法でNiおよびMn溶出量を測定した。
実施例1~6、および比較例1~6により作製されたリチウム二次電池に対して0.2Cで1回充放電を実施して充放電容量を測定した(高温保存前)。
また、実施例1~6、および比較例1~6により作製されたリチウム二次電池をSOC100%(電池全体充電容量を100%にした時、100%充電容量になるように充電した状態)で充電を実施した後、60℃で30日間保存した後、0.2Cで3.0Vまで定電流条件で放電して初期放電容量を測定した。
[式3]
DC-IR変化率=(30日後のDC-IR/初期のDC-IR)*100
実施例1~6、および比較例1~6によるリチウム二次電池を定電流条件で25℃にて電圧が4.3V(vs.Li)に到達する時まで0.1C充電し、次に、定電圧モードで4.3Vを維持しながら0.05Cカットオフ(cut-off)充電した。その後、リチウム二次電池を解体して正極板をパウチに電解液と共に入れた後、これを60℃オーブンに30日間保管した。パウチの質量変化による体積変化をアルキメデス法で換算してその結果を下記表6に示した。一方、前記電解液は1.5M LiPF6がEC(エチレンカーボネート)、DEC(ジエチルカーボネート)およびEMC(エチルメチルカーボネート)の混合溶媒(2:1:7体積比)に溶けている溶液である。
アルキメデス法は、前記パウチを特定の周期(例えば、4day)毎に水で満たされた水槽で重量を測定し、重量変化を体積に換算してガス発生量を測定する方法である。
112:負極
113:セパレータ
114:正極
120:電池容器
140:密封部材
Claims (16)
- 下記化学式1で表される電解液添加剤:
前記化学式1で、
L1およびL2は、それぞれ独立して、単一結合、置換もしくは非置換のC1~C5アルキレン基、置換もしくは非置換のC2~C5アルケニレン基、置換もしくは非置換のC2~C5アルキニレン基、または置換もしくは非置換のC6~C20アリーレン基であり、
AおよびBは、それぞれ独立して、置換もしくは非置換のC1~C20アルキル基、置換もしくは非置換のC6~C20アリール基、または置換もしくは非置換のC2~C20ヘテロアリール基であり、
AおよびBのうちの少なくとも一つは、下記化学式Aで表される基であり、
前記化学式Aで、
R1およびR2は、それぞれ独立して、水素、ハロゲン、置換もしくは非置換のC1~C10アルキル基または置換もしくは非置換のC3~C10シクロアルキル基である。 - 前記L1およびL2のうちの少なくとも一つは、置換もしくは非置換のC1~C5アルキレン基である、請求項1に記載の電解液添加剤。
- 前記L1およびL2は、それぞれ独立して、置換もしくは非置換のC1~C5アルキレン基である、請求項1に記載の電解液添加剤。
- 前記L1およびL2のうちの少なくとも一つは、置換もしくは非置換のC2~C5アルキレン基である、請求項1に記載の電解液添加剤。
- 前記L1およびL2は、それぞれ独立して、置換もしくは非置換のC2~C5アルキレン基である、請求項1に記載の電解液添加剤。
- 前記化学式1は、下記化学式1-1で表されるものである、請求項1に記載の電解液添加剤:
前記化学式1-1で、
L1およびL2は、それぞれ独立して、置換もしくは非置換のC2~C5アルキレン基であり、
R1A、R1B、R2AおよびR2Bは、それぞれ独立して、水素、ハロゲン、置換もしくは非置換のC1~C10アルキル基または置換もしくは非置換のC3~C10シクロアルキル基である。 - 下記グループ1に含まれる化合物の中で選択される一つである、請求項1に記載の電解液添加剤。
- 非水性有機溶媒、リチウム塩、および請求項1に記載の電解液添加剤を含むリチウム二次電池用電解液。
- 前記電解液添加剤は、リチウム二次電池用電解液の全体100重量部に対して0.01~5.0重量部で含まれるものである、請求項8に記載のリチウム二次電池用電解液。
- 前記電解液添加剤は、リチウム二次電池用電解液の全体100重量部に対して0.05~3.0重量部で含まれるものである、請求項8に記載のリチウム二次電池用電解液。
- ビニレンカーボネート(VC)、フルオロエチレンカーボネート(FEC)、ジフルオロエチレンカーボネート、クロロエチレンカーボネート、ジクロロエチレンカーボネート、ブロモエチレンカーボネート、ジブロモエチレンカーボネート、ニトロエチレンカーボネート、シアノエチレンカーボネート、ビニルエチレンカーボネート(VEC)、アジポニトリル(AN)、スクシノニトリル(SN)、1,3,6-ヘキサントリシアニド(HTCN)、プロペンスルトン(PST)、プロパンスルトン(PS)、リチウムテトラフロオロボレート(LiBF4)、リチウムジフルオロホスフェート(LiPO2F2)および2-フルオロビフェニル(2-FBP)のうちの少なくとも1種のその他添加剤をさらに含む、請求項8に記載のリチウム二次電池用電解液。
- 正極活物質を含む正極;
負極活物質を含む負極;および
請求項8~11のいずれか一項に記載のリチウム二次電池用電解液を含むリチウム二次電池。 - 前記負極活物質は、黒鉛およびSi複合体のうちの少なくとも1種を含む、請求項12に記載のリチウム二次電池。
- 前記Si複合体は、Si系粒子を含むコアおよび非晶質炭素コーティング層を含む、請求項13に記載のリチウム二次電池。
- 前記Si系粒子は、Si粒子、Si-C複合体、SiOx(0<x≦2)およびSi alloyのうちの1種以上を含む、請求項14に記載のリチウム二次電池。
- 前記リチウム二次電池は、4.3V以上の高電圧でも作動するものである、請求項12に記載のリチウム二次電池。
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