JP2024059181A - Electrochemical devices, electrolytes, and additives used in electrolytes - Google Patents
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Abstract
【課題】電気化学デバイスの放電時の直流抵抗を低減させること。【解決手段】正極と、負極と、電解液と、を備える電気化学デバイスであって、正極は、活物質としてリチウム金属リン酸塩を含有し、電解液は、下記式(1)で表される化合物を含有する、電気化学デバイス。TIFF2024059181000012.tif32149式(1)中、R1~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。【選択図】図2[Problem] To reduce the DC resistance during discharge of an electrochemical device. [Solution] An electrochemical device comprising a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte, the positive electrode containing lithium metal phosphate as an active material, and the electrolyte containing a compound represented by the following formula (1): TIFF2024059181000012.tif32149 In formula (1), R1 to R3 each independently represent a hydrogen atom or a methyl group, and X represents a divalent organic group. [Selected Figure] Figure 2
Description
本発明は、電気化学デバイス、電解液、及び電解液に用いられる添加剤に関する。 The present invention relates to an electrochemical device, an electrolyte, and an additive for use in the 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手段としては、例えば、電解液に所定の添加剤を添加する方法が検討されている。例えば特許文献1には、特定のアクリレート化合物を添加剤として含有させた非水電解液が開示されている。
In recent years, the widespread use of portable electronic devices and electric vehicles has created a need for high-performance electrochemical devices, such as nonaqueous electrolyte secondary batteries, such as lithium-ion secondary batteries, and capacitors. As a means for improving the performance of electrochemical devices, for example, a method of adding a specific additive to the electrolyte has been considered. For example,
本発明者らの検討によれば、同じ添加剤であっても、正極(正極活物質等)の種類が変わると、当該添加剤による効果も異なることが判明した。より具体的には、上記特許文献1に記載されているようなアクリレート化合物の中でも、正極活物質の種類によって、電気化学デバイスの放電時の直流抵抗(放電DCR)に与えるアクリレート化合物の添加効果が大きく異なる。
According to the study by the present inventors, it was found that even if the additive is the same, the effect of the additive varies depending on the type of positive electrode (positive electrode active material, etc.). More specifically, even among the acrylate compounds described in the
本発明の一側面は、電気化学デバイスの放電時の直流抵抗を低減させることを目的とする。 One aspect of the present invention aims to reduce the DC resistance during discharge of an electrochemical device.
本発明者らは、活物質としてリチウム金属リン酸塩を含む正極を備える電気化学デバイスにおいて、特定のアクリレート化合物を含む電解液を用いると、電気化学デバイスの放電時の直流抵抗が低減することを見出した。 The inventors have discovered that the use of an electrolyte containing a specific acrylate compound in an electrochemical device having a positive electrode containing lithium metal phosphate as an active material reduces the direct current resistance of the electrochemical device during discharge.
本発明は、以下の側面を含む。
[1] 正極と、負極と、電解液と、を備える電気化学デバイスであって、正極は、活物質としてリチウム金属リン酸塩を含有し、電解液は、下記式(1)で表される化合物を含有する、電気化学デバイス。
式(1)中、R1~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。
[2] 式(1)におけるR1及びR2が水素原子である、[1]に記載の電気化学デバイス。
[3] 式(1)におけるXが炭素数1~6のアルキレン基である、[1]又は[2]に記載の電気化学デバイス。
[4] 式(1)におけるXがエチレン基である、[1]~[3]のいずれかに記載の電気化学デバイス。
[5] 式(1)で表される化合物の含有量が、電解液全量を基準として0.001質量%以上10質量%以下である、[1]~[4]のいずれかに記載の電気化学デバイス。
[6] 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、[1]~[5]のいずれかに記載の電気化学デバイス。
The present invention includes the following aspects.
[1] An electrochemical device comprising a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte, the positive electrode containing lithium metal phosphate as an active material, and the electrolyte containing a compound represented by the following formula (1):
In formula (1), R 1 to R 3 each independently represent a hydrogen atom or a methyl group, and X represents a divalent organic group.
[2] The electrochemical device according to [1], wherein R 1 and R 2 in formula (1) are hydrogen atoms.
[3] The electrochemical device according to [1] or [2], wherein X in formula (1) is an alkylene group having 1 to 6 carbon atoms.
[4] The electrochemical device according to any one of [1] to [3], wherein X in formula (1) is an ethylene group.
[5] The electrochemical device according to any one of [1] to [4], wherein the content of the compound represented by formula (1) is 0.001 mass % or more and 10 mass % or less based on the total amount of the electrolyte.
[6] The electrochemical device according to any one of [1] to [5], which is a non-aqueous electrolyte secondary battery or a capacitor.
[7] 活物質としてリチウム金属リン酸塩を含有する正極を備える電気化学デバイスに用いられる電解液であって、下記式(1)で表される化合物を含有する、電解液。
式(1)中、R1~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。
[8] 式(1)におけるR1及びR2が水素原子である、[7]に記載の電解液。
[9] 式(1)におけるXが炭素数1~6のアルキレン基である、[7]又は[8]に記載の電解液。
[10] 式(1)におけるXがエチレン基である、[7]~[9]のいずれかに記載の電解液。
[11] 式(1)で表される化合物の含有量が、電解液全量を基準として0.001質量%以上10質量%以下である、[7]~[10]のいずれかに記載の電解液。
[7] An electrolyte solution for use in an electrochemical device having a positive electrode containing lithium metal phosphate as an active material, the electrolyte solution containing a compound represented by the following formula (1):
In formula (1), R 1 to R 3 each independently represent a hydrogen atom or a methyl group, and X represents a divalent organic group.
[8] The electrolyte solution according to [7], wherein R 1 and R 2 in formula (1) are hydrogen atoms.
[9] The electrolyte solution according to [7] or [8], wherein X in formula (1) is an alkylene group having 1 to 6 carbon atoms.
[10] The electrolyte solution according to any one of [7] to [9], wherein X in formula (1) is an ethylene group.
[11] The electrolyte solution according to any one of [7] to [10], wherein the content of the compound represented by formula (1) is 0.001 mass% or more and 10 mass% or less based on the total amount of the electrolyte solution.
[12] 活物質としてリチウム金属リン酸塩を含有する正極を備える電気化学デバイスの電解液に用いられる添加剤であって、下記式(1)で表される化合物を含有する、添加剤。
式(1)中、R1~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。
[13] 式(1)におけるR1及びR2が水素原子である、[12]に記載の添加剤。
[14] 式(1)におけるXが炭素数1~6のアルキレン基である、[12]又は[13]に記載の添加剤。
[15] 式(1)におけるXがエチレン基である、[12]~[14]のいずれかに記載の添加剤。
[12] An additive for use in an electrolyte solution of an electrochemical device having a positive electrode containing lithium metal phosphate as an active material, the additive containing a compound represented by the following formula (1):
In formula (1), R 1 to R 3 each independently represent a hydrogen atom or a methyl group, and X represents a divalent organic group.
[13] The additive according to [12], wherein R 1 and R 2 in formula (1) are hydrogen atoms.
[14] The additive according to [12] or [13], wherein X in formula (1) is an alkylene group having 1 to 6 carbon atoms.
[15] The additive according to any one of [12] to [14], wherein X in formula (1) is an ethylene group.
本発明の一側面によれば、電気化学デバイスの放電時の直流抵抗を低減させることができる。本発明の他の一側面によれば、電気化学デバイスを高温下で保存したときの体積膨張を抑制することができる。 According to one aspect of the present invention, it is possible to reduce the DC resistance of an electrochemical device during discharge. According to another aspect of the present invention, it is possible to suppress volume expansion of an electrochemical device when it is stored at high temperatures.
以下、図面を適宜参照しながら、本発明の実施形態について説明する。ただし、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。 Below, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings as appropriate. However, the present invention is not limited to the following embodiment.
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。
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 nonaqueous 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 a container formed of, for example, a laminate film. The laminate film may be a laminate film in which, for example, 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。
Figure 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。正極集電体9の厚さは、例えば、1μm以上であってよく、50μm以下であってよい。正極合剤層10の厚さは、例えば、20μm以上であってよく、200μm以下であってよい。
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。
The
正極合剤層10は、少なくとも活物質(正極活物質)を含有する。正極活物質は、リチウム金属リン酸塩を含有する。リチウム金属リン酸塩は、リチウムイオン、リチウムイオン以外の金属イオン、及びリン酸イオンで構成される塩である。リチウム金属リン酸塩は、オリビン構造を有していてよい。
The positive
リチウム金属リン酸塩は、リチウム遷移金属リン酸塩であってよく、LiMAPO4で表されてよい(式中、Mは遷移金属元素を表し、Aは0を超え1以下の数を表す)。Mは、好ましくは、第一遷移元素(3d遷移金属元素)であってよく、Mn、Fe、Co、又はVであってよい。Aは、好ましくは2/3以上1以下であってもよい。リチウム金属リン酸塩としては、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 lithium metal phosphate may be a lithium transition metal phosphate and may be represented by LiM A PO 4 (wherein M represents a transition metal element and A represents a number greater than 0 and equal to or less than 1). M may preferably be a first transition element (3d transition metal element) and may be Mn, Fe, Co, or V. A may preferably be equal to or greater than 2/3 and equal to or less than 1. Examples of lithium metal phosphate 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、85質量%以上、又は90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, 85% by mass or more, or 90% by mass or more, and may be 99% by mass or less, based on the total amount of the positive electrode mixture layer.
正極合剤層10は、導電剤を更に含有してよい。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、30質量%以下、15質量%以下、又は5質量%以下であってよい。
The positive
正極合剤層10は、結着剤を更に含有してよい。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。
The positive
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、20質量%以下、10質量%以下、又は5質量%以下であってよい。 The binder content may be, for example, 0.1% by mass or more, 1% by mass or more, or 1.5% by mass or more, and 20% by mass or less, 10% by mass or less, or 5% by mass or less, based on the total amount of the positive electrode mixture layer.
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 limitations 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 resins include olefin-based polymers, fluorine-based polymers, cellulose-based polymers, polyimides, nylons, etc. From the viewpoint of being stable against the electrolyte and having excellent liquid retention properties, 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.
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。負極集電体11の厚さは、例えば、1μm以上であってよく、50μm以下であってよい。負極合剤層12の厚さは、例えば、20μm以上であってよく、200μm以下であってよい。
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、少なくとも活物質(負極活物質)を含有する。負極活物質としては、例えば、炭素系活物質及びシリコン系活物質が挙げられる。炭素系活物質を構成する炭素材料としては、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。
The negative
炭素系活物質は、電気化学デバイスの高容量化の観点から、好ましくは黒鉛で構成される黒鉛系活物質である。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(黒鉛)を、擬似異方性炭素と称する場合がある。 From the viewpoint of increasing the capacity of electrochemical devices, the carbon-based active material is preferably a graphite-based active material made of graphite. In graphite, the carbon net surface interlayer distance (d002) in wide-angle X-ray diffraction is preferably less than 0.34 nm, and more preferably 0.3354 nm or more and 0.337 nm or less. Carbon materials (graphite) that satisfy such conditions are sometimes called pseudoanisotropic carbon.
シリコン系活物質は、シリコンの単体であってよく、シリコンとその他の元素とを含む化合物であってもよい。当該化合物は、シリコンと、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種とを含む合金であってよい。当該化合物は、シリコンの酸化物、窒化物、又は炭化物であってもよい。シリコンの酸化物としては、例えば、SiOx(SiO、SiO2等)、及びLiSiOが挙げられる。シリコンの窒化物としては、例えば、Si3N4及びSi2N2Oが挙げられる。シリコンの炭化物としては、例えばSiCが挙げられる。 The silicon-based active material may be a simple substance of silicon, or may be a compound containing silicon and other elements. The compound may be an alloy containing silicon and at least one selected from the group consisting of nickel, copper, iron, cobalt, manganese, zinc, indium, silver, titanium, germanium, bismuth, antimony, and chromium. The compound may be an oxide, nitride, or carbide of silicon. Examples of oxides of silicon include SiOx ( SiO , SiO2 , etc.) and LiSiO. Examples of nitrides of silicon include Si3N4 and Si2N2O . Examples of carbides of silicon include SiC.
負極活物質は、上記の負極活物質以外にも、金属複合酸化物、錫、ゲルマニウム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などで構成される負極活物質を更に含んでもよい。
In addition to the above-mentioned negative electrode active materials, the negative electrode active material may further include a negative electrode active material composed of a metal composite oxide, an oxide or nitride of a
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、85質量%以上、又は90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, 85% by mass or more, or 90% by mass or more, and may be 99% by mass or less, based on the total amount of the negative electrode mixture layer.
負極合剤層12は、導電剤を更に含有してよい。導電剤及びその含有量は、上述した正極合剤層における導電剤及びその含有量と同様であってよい。
The negative
負極合剤層12は、結着剤を更に含有してよい。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 negative
負極合剤層12は、粘度を調節するために、増粘剤を更に含有してもよい。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、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、0.2質量%以上、又は0.5質量%以上であってよい。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、3質量%以下、又は2質量%以下であってよい。
When the negative
電解液は、少なくとも下記式(1)で表される化合物を含有しており、電解質塩と非水溶媒とを更に含有してよい。
式(1)中、R1~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。
The electrolytic solution contains at least a compound represented by the following formula (1), and may further contain an electrolyte salt and a non-aqueous solvent.
In formula (1), R 1 to R 3 each independently represent a hydrogen atom or a methyl group, and X represents a divalent organic group.
言い換えれば、一実施形態において、式(1)で表される化合物は、電気化学デバイス1の電解液に用いられる添加剤である。
In other words, in one embodiment, the compound represented by formula (1) is an additive used in the electrolyte of the
R1及びR2は、放電DCRを更に低減させることができる観点から、好ましくは水素原子である。R3は、好ましくは水素原子である。 From the viewpoint of further reducing the discharge DCR, R1 and R2 are preferably hydrogen atoms. R3 is preferably a hydrogen atom.
Xは、例えば、2価の炭化水素基であってよく、アルキレン基であってよい。当該アルキレン基は、直鎖状であっても分岐状であってもよい。2価の炭化水素基及びアルキレン基の炭素数は、例えば1~6であってよい。当該炭素数の下限値は、2以上であってもよい。当該炭素数の上限値は、5以下又は4以下であってもよい。Xで示されるアルキレン基は、メチレン基、エチレン基、プロピレン基、ブチレン基、又はペンチレン基であってよく、好ましくはエチレン基である。 X may be, for example, a divalent hydrocarbon group or an alkylene group. The alkylene group may be linear or branched. The divalent hydrocarbon group and the alkylene group may have, for example, 1 to 6 carbon atoms. The lower limit of the carbon number may be 2 or more. The upper limit of the carbon number may be 5 or less or 4 or less. The alkylene group represented by X may be a methylene group, an ethylene group, a propylene group, a butylene group, or a pentylene group, and is preferably an ethylene group.
Xは、例えば、2価の炭化水素基の一部がヘテロ原子で置換された2価の基であってもよい。ヘテロ原子は、例えば酸素原子であってよい。Xは、例えば、2価の炭化水素基の一部が酸素原子で置換されてエーテル構造を有する2価の基であってよい。Xは、例えば、下記式(2)で表される2価の基であってよい。
-X1-O-X2- (2)
式(2)中、X1及びX2は、それぞれ独立にアルキレン基を示す。当該アルキレン基は、直鎖状であっても分岐状であってもよい。X1及びX2で示されるアルキレン基の炭素数は、それぞれ独立に、1~6、1~5、1~4、1~3、又は1~2であってよい。
X may be, for example, a divalent group in which a part of a divalent hydrocarbon group is substituted with a heteroatom. The heteroatom may be, for example, an oxygen atom. X may be, for example, a divalent group in which a part of a divalent hydrocarbon group is substituted with an oxygen atom to have an ether structure. X may be, for example, a divalent group represented by the following formula (2).
-X 1 -O-X 2 - (2)
In formula (2), X1 and X2 each independently represent an alkylene group. The alkylene group may be linear or branched. The number of carbon atoms of the alkylene group represented by X1 and X2 may each independently be 1 to 6, 1 to 5, 1 to 4, 1 to 3, or 1 to 2.
式(1)で表される化合物の含有量は、放電DCRを更に低減させることができる観点から、電解液全量を基準として、好ましくは0.001質量%以上、より好ましくは0.005質量%以上、更に好ましくは0.01質量%以上、特に好ましくは0.05質量%以上、より更に好ましくは0.1質量%以上であり、好ましくは10質量%以下又は8質量%以下、より好ましくは5質量%以下、更に好ましくは3質量%以下、特に好ましくは2質量%以下、より更に好ましくは1質量%以下であってもよい。 From the viewpoint of further reducing the discharge DCR, the content of the compound represented by formula (1) is preferably 0.001% by mass or more, more preferably 0.005% by mass or more, even more preferably 0.01% by mass or more, particularly preferably 0.05% by mass or more, even more preferably 0.1% by mass or more, based on the total amount of the electrolyte, and may be preferably 10% by mass or less or 8% by mass or less, more preferably 5% by mass or less, even more preferably 3% by mass or less, particularly preferably 2% by mass or less, even more preferably 1% by mass or less.
電解質塩は、例えばリチウム塩であってよい。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、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。 The electrolyte salt may be, for example, a lithium salt. The lithium salt may be, for example, at least one selected from the group consisting of 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 bisfluorosulfonylimide), LiN(SO 2 CF 3 ) 2 (Li[TFSI], lithium bistrifluoromethanesulfonylimide), and LiN(SO 2 CF 2 CF 3 ) 2. The lithium salt preferably contains LiPF 6 from the viewpoint of further improving the solubility in the solvent, the charge/discharge characteristics, output characteristics, cycle characteristics, etc. of the secondary battery.
電解質塩の濃度は、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 electrolyte salt is preferably 0.5 mol/L or more, more preferably 0.7 mol/L or more, and even more preferably 0.8 mol/L or more, based on the total amount of the nonaqueous solvent, and is preferably 1.5 mol/L or less, more preferably 1.3 mol/L or less, and even more preferably 1.2 mol/L or less.
非水溶媒は、例えば、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、メチルプロピルカーボネート、エチルプロピルカーボネート、メチルブチルカーボネート等の鎖状カーボネート化合物。又は、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート等の環状カーボネート化合物。又は、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、プロピオン酸プロピル等の鎖状カルボン酸エステル化合物。γ-ブチルラクトン等の環状カルボン酸エステル化合物。又は、ジメトキシメタン、ジメトキシエタン、ジエトキシエタン等の鎖状エーテル化合物。又は、テトラヒドロフラン、テトラヒドロピラン、ジオキソラン等の環状エーテル化合物。又は、アセトニトリル等のニトリル化合物、スルホラン等の硫黄化合物、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。 The non-aqueous solvent may be, for example, a chain carbonate compound such as dimethyl carbonate, diethyl carbonate, methyl ethyl carbonate, methyl propyl carbonate, ethyl propyl carbonate, or methyl butyl carbonate. Or a cyclic carbonate compound such as ethylene carbonate, propylene carbonate, or butylene carbonate. Or a chain carboxylic acid ester compound such as methyl acetate, ethyl acetate, methyl propionate, ethyl propionate, or propyl propionate. Or a cyclic carboxylic acid ester compound such as γ-butyrolactone. Or a chain ether compound such as dimethoxymethane, dimethoxyethane, or diethoxyethane. Or a cyclic ether compound such as tetrahydrofuran, tetrahydropyran, or dioxolane. Or a nitrile compound such as acetonitrile, or a sulfur compound such as sulfolane. The non-aqueous solvent may be one of these alone or a mixture of two or more of them, and is preferably a mixture of two or more of them.
電解液は、式(1)で表される化合物、電解質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、不飽和環状カーボネート、フッ素含有環状カーボネート、環状カルボン酸エステル、式(1)で表される化合物以外の窒素原子、硫黄原子、又は窒素原子及び硫黄原子を含有する化合物等であってよい。 The electrolyte may further contain other materials in addition to the compound represented by formula (1), the electrolyte salt, and the non-aqueous solvent. The other materials may be, for example, an unsaturated cyclic carbonate, a fluorine-containing cyclic carbonate, a cyclic carboxylic acid ester, a compound containing a nitrogen atom, a sulfur atom, or a nitrogen atom and a sulfur atom other than the compound represented by formula (1), etc.
不飽和環状カーボネートは、例えば、ビニレンカーボネート、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)、ジエチルビニレンカーボネート、ビニルエチレンカーボネート等であってよく、放電DCRを更に低減させることができる観点から、好ましくはビニレンカーボネートである。 The unsaturated cyclic carbonate may be, for example, vinylene carbonate, methylvinylene carbonate, dimethylvinylene carbonate (4,5-dimethylvinylene carbonate), ethylvinylene carbonate (4,5-diethylvinylene carbonate), diethylvinylene carbonate, vinylethylene carbonate, etc., and vinylene carbonate is preferred from the viewpoint of further reducing the discharge DCR.
フッ素含有環状カーボネートは、例えば、4-フルオロ-1,3-ジオキソラン-2-オン(フルオロエチレンカーボネート;FEC)、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、1,1,2,2-テトラフルオロエチレンカーボネート等であってよく、好ましくは4-フルオロ-1,3-ジオキソラン-2-オン(フルオロエチレンカーボネート;FEC)である。 The fluorine-containing cyclic carbonate may be, for example, 4-fluoro-1,3-dioxolane-2-one (fluoroethylene carbonate; FEC), 1,2-difluoroethylene carbonate, 1,1-difluoroethylene carbonate, 1,1,2-trifluoroethylene carbonate, 1,1,2,2-tetrafluoroethylene carbonate, etc., and is preferably 4-fluoro-1,3-dioxolane-2-one (fluoroethylene carbonate; FEC).
式(1)で表される化合物以外の窒素原子を含有する化合物は、例えばスクシノニトリル等のニトリル化合物であってよい。式(1)で表される化合物以外の硫黄原子を含有する化合物は、例えば、1,3-プロパンスルトン、1-プロペン-1,3-スルトン等の環状スルホン酸エステル化合物であってよい。 The compound containing a nitrogen atom other than the compound represented by formula (1) may be, for example, a nitrile compound such as succinonitrile. The compound containing a sulfur atom other than the compound represented by formula (1) may be, for example, a cyclic sulfonate compound such as 1,3-propane sultone, 1-propene-1,3-sultone, etc.
電解液は、放電DCRを更に低減させることができる観点から、好ましくは不飽和環状カーボネート、より好ましくはビニレンカーボネートを更に含有する。不飽和環状カーボネート(好ましくはビニレンカーボネート)の含有量は、電解液全量を基準として、0.1質量%以上、0.2質量%以上、0.3質量%以上、0.4質量%以上、又は0.5質量%以上であってよく、5質量%以下、4質量%以下、3質量%以下、2質量%以下、又は1質量%以下であってよい。 From the viewpoint of further reducing the discharge DCR, the electrolyte preferably further contains an unsaturated cyclic carbonate, more preferably vinylene carbonate. The content of the unsaturated cyclic carbonate (preferably vinylene carbonate) may be 0.1 mass% or more, 0.2 mass% or more, 0.3 mass% or more, 0.4 mass% or more, or 0.5 mass% or more based on the total amount of the electrolyte, and may be 5 mass% or less, 4 mass% or less, 3 mass% or less, 2 mass% or less, or 1 mass% or less.
電解液において、不飽和環状カーボネート(好ましくはビニレンカーボネート)の含有量に対する式(1)で表される化合物の含有量の質量比(式(1)で表される化合物の含有量/不飽和環状カーボネート(好ましくはビニレンカーボネート)の含有量)は、0.1以上、0.2以上、又は0.3以上であってよく、放電DCRを更に低減させることができる観点から、好ましくは0.4以上、より好ましくは0.5以上である。当該質量比は、2以下、1.5以下、1.2以下、又は1以下であってもよい。 In the electrolyte, the mass ratio of the content of the compound represented by formula (1) to the content of the unsaturated cyclic carbonate (preferably vinylene carbonate) (content of the compound represented by formula (1)/content of the unsaturated cyclic carbonate (preferably vinylene carbonate)) may be 0.1 or more, 0.2 or more, or 0.3 or more, and from the viewpoint of further reducing the discharge DCR, is preferably 0.4 or more, more preferably 0.5 or more. The mass ratio may be 2 or less, 1.5 or less, 1.2 or less, or 1 or less.
本発明者らは、上述した式(1)で表される化合物を含有する電解液を、リチウム金属リン酸塩を活物質として含む正極を備える電気化学デバイスに用いることによって、電気化学デバイスの放電時の直流抵抗を低減させることができることを見出した。このような効果は、式(1)で表される化合物と正極活物質としてのリチウム金属リン酸塩との組合せにより得られる効果であり、例えば、式(1)で表される化合物を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(NMC622)と組み合わせてもこのような効果は得られない。本発明者らは、式(1)で表される化合物が、リチウム金属リン酸塩を活物質として含む正極上では特に安定に良好な被膜を形成し、上記の効果が得られると推察している。 The present inventors have found that the direct current resistance during discharge of an electrochemical device can be reduced by using an electrolyte solution containing the compound represented by the above formula (1) in an electrochemical device having a positive electrode containing lithium metal phosphate as an active material. Such an effect is obtained by combining the compound represented by formula (1) with lithium metal phosphate as a positive electrode active material, and such an effect cannot be obtained, for example, by combining the compound represented by formula (1) with lithium nickel cobalt manganese oxide (NMC622) as a positive electrode active material. The present inventors speculate that the compound represented by formula (1) forms a particularly stable and good coating on a positive electrode containing lithium metal phosphate as an active material, thereby obtaining the above-mentioned effect.
また、一実施形態において、上述した式(1)で表される化合物を含有する電解液を、リチウム金属リン酸塩を活物質として含む正極を備える電気化学デバイスに用いることによって、電気化学デバイスを高温下で保存したときの体積膨張を抑制することができる。本発明者らは、このような効果が得られるメカニズムを以下のように推察している。すなわち、電気化学デバイスの正極側では、式(1)で表される化合物が正極活物質に配位する又は安定な被膜を形成するため、電解液中の他の成分(他の添加剤、非水溶媒、電解質塩等)の酸化分解を抑制できるためであると推察している。また、初回充電時に、式(1)で表される化合物の炭素-炭素不飽和結合構造が、電解液中の他の成分(他の添加剤又はカーボネート等の非水溶媒)よりも先に負極側で還元反応し、被膜を形成する。その後、式(1)で表される化合物のイソシアネート部位が反応することによって安定な被膜が形成され、負極側で電解液中の他の成分(他の添加剤、非水溶媒、電解質塩等)の還元分解も抑制できるためであると推察している。 In one embodiment, the electrolyte solution containing the compound represented by formula (1) described above is used in an electrochemical device having a positive electrode containing lithium metal phosphate as an active material, thereby suppressing volume expansion when the electrochemical device is stored at high temperatures. The inventors speculate that the mechanism by which such an effect is obtained is as follows. That is, it is speculated that this is because the compound represented by formula (1) coordinates with the positive electrode active material or forms a stable coating on the positive electrode side of the electrochemical device, thereby suppressing oxidative decomposition of other components in the electrolyte (other additives, nonaqueous solvents, electrolyte salts, etc.). In addition, during the initial charge, the carbon-carbon unsaturated bond structure of the compound represented by formula (1) undergoes a reduction reaction on the negative electrode side before other components in the electrolyte (other additives or nonaqueous solvents such as carbonates) to form a coating. Thereafter, the isocyanate moiety of the compound represented by formula (1) reacts to form a stable coating, and it is speculated that this is because the reduction decomposition of other components in the electrolyte (other additives, nonaqueous solvents, electrolyte salts, etc.) on the negative electrode side can also be suppressed.
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 nonaqueous 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 electrolyte is injected into the battery exterior body 3. The electrolyte 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 another embodiment, the electrochemical device may be a capacitor. The capacitor may include an electrode group consisting of a positive electrode, a negative electrode, and a separator, and a bag-shaped battery exterior that houses the electrode group, similar to the nonaqueous 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。 The present invention will be described in detail below with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.
(実施例1)
[正極の作製]
正極活物質としてのリン酸鉄リチウム(LiFePO4;LFP)(94質量%)に、導電剤としてカーボンブラック(CB)(2質量%)及びカーボンナノチューブ(CNT)(1質量%)と、結着剤としてPVDF(3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且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正極合剤として密度2.3g/cm3まで圧密化して、活物質としてリチウム金属リン酸塩を含む正極を得た。
Example 1
[Preparation of Positive Electrode]
Carbon black (CB) (2% by mass) and carbon nanotubes (CNT) (1% by mass) as conductive agents, and PVDF (3% by mass) as binder were sequentially added and mixed to lithium iron phosphate (LiFePO 4 ; LFP) (94% by mass) as a positive electrode active material. NMP was added as a dispersion medium to the obtained mixture, and the mixture was kneaded to prepare a slurry-like positive electrode mixture. A predetermined amount of this positive electrode mixture was evenly and homogeneously applied to an aluminum foil having a thickness of 20 μm as a positive electrode current collector. Thereafter, the dispersion medium was volatilized, and the mixture was pressed to compact the positive electrode mixture to a density of 2.3 g/cm 3 , thereby obtaining a positive electrode containing lithium metal phosphate as an active material.
[負極の作製]
負極活物質としての炭素系活物質(人造黒鉛)(96質量%)に、導電剤としてカーボンブラック(CB)(1質量%)と、結着剤としてSBR(1.5質量%)と、増粘剤としてカルボキシメチルセルロース(1.5質量%)とを添加して、混合した。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20μmの電解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負極合剤として密度1.65g/cm3まで圧密化して、負極を得た。
[Preparation of negative electrode]
Carbon black (CB) (1% by mass) as a conductive agent, SBR (1.5% by mass) as a binder, and carboxymethyl cellulose (1.5% by mass) as a thickener were added to a carbon-based active material (artificial graphite) (96% by mass) as a negative electrode active material, and mixed. Water was added as a dispersion medium to the obtained mixture, and the mixture was kneaded to prepare a slurry-like negative electrode mixture. A predetermined amount of this negative electrode mixture was evenly and homogeneously applied to an electrolytic copper foil having a thickness of 20 μm as a negative electrode current collector. Thereafter, the dispersion medium was volatilized, and the mixture was pressed to compact the negative electrode mixture to a density of 1.65 g/cm 3 to obtain a negative electrode.
[二次電池の作製]
20.0cm2の四角形に切断した正極電極を、セパレータであるポリプロピレン製多孔質シート(厚さ20μm)で挟み、さらに21.8cm2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0.6mL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(以下「LFP二次電池」ともいう)を作製した。電解液としては、1mol/L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=3/2/5(体積比)の混合溶液に、下記式(X)で表される化合物Xを0.25質量%、及びビニレンカーボネートを1質量%(いずれも電解液全量基準)添加したものを使用した。
A positive electrode cut into a square of 20.0 cm 2 was sandwiched between a polypropylene porous sheet (thickness 20 μm) as a separator, and a negative electrode cut into a square of 21.8 cm 2 was stacked to prepare an electrode group. This electrode group was housed in a container (battery exterior) formed of an aluminum laminate film. Next, 0.6 mL of electrolyte was added to the container, and the container was heat-sealed to prepare a lithium ion secondary battery for evaluation (hereinafter also referred to as "LFP secondary battery"). As the electrolyte, a mixed solution of ethylene carbonate / dimethyl carbonate / ethyl methyl carbonate = 3 / 2 / 5 (volume ratio) containing 1 mol / L LiPF 6 was used to add 0.25 mass% of compound X represented by the following formula (X) and 1 mass% of vinylene carbonate (both based on the total amount of electrolyte).
(実施例2)
化合物Xの代わりに下記式(Y)で表される化合物Yを、電解液全量基準で0.25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LFP二次電池を作製した。
An LFP secondary battery was produced in the same manner as in Example 1, except that an electrolyte solution containing 0.25 mass % of a compound Y represented by the following formula (Y) instead of the compound X was used, based on the total mass of the electrolyte solution.
(実施例3)
化合物X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LFP二次電池を作製した。
Example 3
An LFP secondary battery was produced in the same manner as in Example 1, except that an electrolyte solution containing 0.5 mass % of compound X based on the total mass of the electrolyte solution was used.
(実施例4)
化合物Xを電解液全量基準で0.25質量%、及びビニレンカーボネートを0.75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LFP二次電池を作製した。
Example 4
An LFP secondary battery was produced in the same manner as in Example 1, except that an electrolyte solution containing 0.25 mass % of compound X and 0.75 mass % of vinylene carbonate was used, based on the total mass of the electrolyte solution.
(実施例5)
化合物Xを電解液全量基準で0.5質量%、及びビニレンカーボネートを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LFP二次電池を作製した。
Example 5
An LFP secondary battery was produced in the same manner as in Example 1, except that an electrolyte solution containing 0.5 mass % of compound X and 0.5 mass % of vinylene carbonate was used.
(比較例1)
電解液に化合物Xを添加しなかったこと以外は、実施例1と同様にしてLFP二次電池を作製した。
(Comparative Example 1)
An LFP secondary battery was fabricated in the same manner as in Example 1, except that compound X was not added to the electrolyte solution.
(比較例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(NMC622)(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且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正極合剤として密度2.8g/cm3まで圧密化して、活物質としてニッケルコバルトマンガン酸リチウムを含む正極を得た。
(Comparative Example 2)
[Preparation of Positive Electrode]
Acetylene black (AB) (4% by mass) as a conductive agent and PVDF (4% by mass) as a binder were added to lithium nickel cobalt manganese oxide (NMC622) (92% by mass) as a positive electrode active material and mixed. NMP was added as a dispersion medium to the obtained mixture and kneaded to prepare a slurry-like positive electrode mixture. A predetermined amount of this positive electrode mixture was evenly and homogeneously applied to an aluminum foil having a thickness of 20 μm as a positive electrode current collector. Thereafter, the dispersion medium was volatilized, and the mixture was pressed to compact the positive electrode mixture to a density of 2.8 g/cm 3 , thereby obtaining a positive electrode containing lithium nickel cobalt manganese oxide as an active material.
[負極の作製]
負極活物質としての炭素系活物質(人造黒鉛)(96質量%)に、導電剤としてカーボンブラック(CB)(1質量%)と、結着剤としてSBR(1.5質量%)と、増粘剤としてカルボキシメチルセルロース(1.5質量%)とを添加して、混合した。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20μmの電解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負極合剤として密度1.65g/cm3まで圧密化して、負極を得た。
[Preparation of negative electrode]
Carbon black (CB) (1% by mass) as a conductive agent, SBR (1.5% by mass) as a binder, and carboxymethyl cellulose (1.5% by mass) as a thickener were added to a carbon-based active material (artificial graphite) (96% by mass) as a negative electrode active material, and mixed. Water was added as a dispersion medium to the obtained mixture, and the mixture was kneaded to prepare a slurry-like negative electrode mixture. A predetermined amount of this negative electrode mixture was evenly and homogeneously applied to an electrolytic copper foil having a thickness of 20 μm as a negative electrode current collector. Thereafter, the dispersion medium was volatilized, and the mixture was pressed to compact the negative electrode mixture to a density of 1.65 g/cm 3 to obtain a negative electrode.
[二次電池の作製]
20.0cm2の四角形に切断した正極電極を、セパレータであるポリプロピレン製多孔質シート(厚さ20μm)で挟み、さらに21.8cm2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0.5mL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(以下「NMC622二次電池」ともいう)を作製した。電解液としては、1mol/L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=3/2/5(体積比)の混合溶液に、ビニレンカーボネートを電解液全量基準で1質量%添加したものを使用した。
[Preparation of secondary battery]
The positive electrode cut into a square of 20.0 cm 2 was sandwiched between a polypropylene porous sheet (thickness 20 μm) as a separator, and a negative electrode cut into a square of 21.8 cm 2 was stacked to prepare an electrode group. This electrode group was housed in a container (battery exterior) formed of an aluminum laminate film. Next, 0.5 mL of electrolyte was added to the container, and the container was heat-sealed to prepare a lithium-ion secondary battery for evaluation (hereinafter also referred to as "NMC622 secondary battery"). As the electrolyte, a mixed solution of ethylene carbonate / dimethyl carbonate / ethyl methyl carbonate = 3 / 2 / 5 (volume ratio) containing 1 mol / L LiPF 6 was used to add 1 mass % vinylene carbonate based on the total amount of electrolyte.
(比較例3)
化合物Xを0.25質量%、及びビニレンカーボネートを1質量%(いずれも電解液全量基準)添加したこと以外は、比較例2と同様にしてNMC622二次電池を作製した。
(Comparative Example 3)
An NMC622 secondary battery was fabricated in the same manner as in Comparative Example 2, except that 0.25% by mass of compound X and 1% by mass of vinylene carbonate (both based on the total mass of the electrolyte) were added.
(比較例4)
化合物Xを0.5質量%、及びビニレンカーボネートを1質量%(いずれも電解液全量基準)添加したこと以外は、比較例2と同様にしてNMC622二次電池を作製した。
(Comparative Example 4)
An NMC622 secondary battery was fabricated in the same manner as in Comparative Example 2, except that 0.5% by mass of compound X and 1% by mass of vinylene carbonate (both based on the total mass of the electrolyte) were added.
[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;4.0V(LFP二次電池)又は4.2V(NMC622二次電池)まで行い、続いて上記の上限電圧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。その後、0.1Cの電流値で終止電圧;2.0V(LFP二次電池)又は2.7V(NMC622二次電池)の定電流放電を行った。次に、0.2Cの電流値で定電流充電を上記の上限電圧まで行い、続いて上記の上限電圧ま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。その後、0.2Cの電流値で上記の終止電圧まで定電流放電を行った。この0.2Cの電流値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。)。なお、LFP二次電池とNMC622電池とでは、充電又は放電のカットオフ電圧が異なり、例えばLFP二次電池において充電のカットオフ電圧を4.0V以上にしても、LFP電池の正極からそれ以上のLiイオンを引き抜くことはできない。したがって、定電流充電及び定電流放電時の条件(電圧)をLFP二次電池とNMC622電池とで異なる条件にしている。
[Initial charge/discharge]
The lithium ion secondary batteries thus produced were subjected to initial charge and discharge in the following manner. First, constant current charging was performed at a current value of 0.1C in an environment of 25°C up to an upper limit voltage of 4.0V (LFP secondary battery) or 4.2V (NMC622 secondary battery), followed by constant voltage charging at the above upper limit voltage. The charge termination condition was a current value of 0.05C. Then, constant current discharging was performed at a current value of 0.1C up to an end voltage of 2.0V (LFP secondary battery) or 2.7V (NMC622 secondary battery). Next, constant current charging was performed at a current value of 0.2C up to the above upper limit voltage, followed by constant voltage charging up to the above upper limit voltage. The charge termination condition was a current value of 0.05C. Then, constant current discharging was performed at a current value of 0.2C up to the above end voltage. This charge and discharge cycle at a current value of 0.2C was repeated three times (the unit of current value "C" means "current value (A)/battery capacity (Ah)"). The cut-off voltage for charging or discharging is different between the LFP secondary battery and the NMC622 battery, and even if the cut-off voltage for charging in the LFP secondary battery is set to 4.0 V or higher, it is not possible to extract any more Li ions from the positive electrode of the LFP battery. Therefore, the conditions (voltage) for constant current charging and constant current discharging are different between the LFP secondary battery and the NMC622 battery.
[放電DCRの測定]
上記の初回充放電を行った後の各リチウムイオン二次電池について、以下の手順で放電DCR(放電時の直流抵抗)を測定した。
まず、0.2Cの定電流充電を上限電圧;4.0V(LFP二次電池)、4.2V(ニッケルコバルトマンガン酸リチウム正極の二次電池)まで行い、続いて上記の上限電圧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;2.0V(LFP二次電池)、2.7V(NMC622二次電池)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の定電流充電を上記の上限電圧まで行い、続いて上記の上限電圧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の電流値で上記の終止電圧まで定電流放電を行い、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(Ω)の値とした。結果を表1に示す。
[Measurement of Discharge DCR]
For each lithium ion secondary battery after the above-mentioned initial charge/discharge, the discharge DCR (direct current resistance during discharge) was measured by the following procedure.
First, constant current charging at 0.2C was performed up to an upper limit voltage; 4.0V (LFP secondary battery), 4.2V (secondary battery with lithium nickel-cobalt manganese oxide positive electrode), followed by constant voltage charging at the above upper limit voltage. The charge termination condition was a current value of 0.02C. Then, constant current discharging was performed at a current value of 0.2C to an end voltage; 2.0V (LFP secondary battery), 2.7V (NMC622 secondary battery), with the current value at this time being I 0.2C , and the
[高温下での体積膨張の評価]
上記の初回充放電後の各リチウムイオン二次電池を、60℃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;4.0V(LFP二次電池)、4.2V(NMC622二次電池)まで行い、続いて上記の上限電圧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。その後、0.1Cの電流値で終止電圧;2.0V(LFP二次電池)、2.7V(NMC622二次電池)まで定電流放電を行った。次に、0.2Cの電流値で定電流充電を上記の上限電圧まで行い、続いて上記の上限電圧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。その後、0.2Cの電流値で上記の終止電圧まで定電流放電を行った。この0.2Cの電流値の充放電サイクルを2回繰り返した。
その後、25℃の環境下において0.1Cの電流値で定電流充電を上記の上限電圧まで行い、続いて上記の上限電圧ま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、それらの二次電池を60℃の恒温槽中で4週間保管した。
高温保管前の各リチウムイオン二次電池の体積(V1)、及び、高温保管後に25℃の環境下に30分間静置した各リチウムイオン二次電池の体積(V2)を、アルキメデス法に基づく比重計(電子比重計MDS-300、アルファミラージュ社製)により測定した。測定されたV1及びV2を用いて、以下の式から体積膨張率を算出した。
体積膨張率(%)=V2/V1×100
結果を表1に示す。
[Evaluation of volume expansion at high temperatures]
Each lithium ion secondary battery after the initial charge and discharge was charged at a constant current of 0.1C in an environment of 60°C to an upper limit voltage of 4.0V (LFP secondary battery), 4.2V (NMC622 secondary battery), and then charged at a constant voltage of the upper limit voltage. The charge end condition was a current value of 0.05C. Then, constant current discharge was performed at a current value of 0.1C to an end voltage of 2.0V (LFP secondary battery), 2.7V (NMC622 secondary battery). Next, constant current charging was performed at a current value of 0.2C to the upper limit voltage, and then constant voltage charging was performed at the upper limit voltage. The charge end condition was a current value of 0.05C. Then, constant current discharge was performed at a current value of 0.2C to the end voltage. This charge and discharge cycle at a current value of 0.2C was repeated twice.
Thereafter, constant current charging was performed at a current value of 0.1 C in an environment of 25° C. up to the upper limit voltage, and then constant voltage charging was performed up to the upper limit voltage. The charge termination condition was a current value of 0.01 C. Then, the secondary batteries were stored in a thermostatic chamber at 60° C. for 4 weeks.
The volume (V1) of each lithium ion secondary battery before high-temperature storage and the volume (V2) of each lithium ion secondary battery left to stand for 30 minutes in a 25°C environment after high-temperature storage were measured using a specific gravity meter based on Archimedes' method (electronic specific gravity meter MDS-300, manufactured by Alpha Mirage). The measured V1 and V2 were used to calculate the volume expansion rate according to the following formula.
Volume expansion rate (%) = V2/V1 x 100
The results are shown in Table 1.
正極活物質としてリチウム金属リン酸塩を用いた場合、式(1)で表される化合物を含有する電解液を用いた実施例1~5では、式(1)で表される化合物を含有しない電解液を用いた比較例1に比べて、放電DCRを顕著に低減させることができた。これに対し、正極活物質としてニッケルコバルトマンガン酸リチウム(NMC622)を用いた場合、式(1)で表される化合物を含有する電解液を用いた比較例3及び4では、式(1)で表される化合物を含有しない電解液を用いた比較例2に比べて、むしろ放電DCRは増加した。 When lithium metal phosphate was used as the positive electrode active material, in Examples 1 to 5 using an electrolyte containing the compound represented by formula (1), the discharge DCR was significantly reduced compared to Comparative Example 1 using an electrolyte not containing the compound represented by formula (1). In contrast, when lithium nickel cobalt manganese oxide (NMC622) was used as the positive electrode active material, in Comparative Examples 3 and 4 using an electrolyte containing the compound represented by formula (1), the discharge DCR was increased compared to Comparative Example 2 using an electrolyte not containing the compound represented by formula (1).
また、正極活物質としてリチウム金属リン酸塩を用い、式(1)で表される化合物を含有する電解液を用いた実施例1~5では、正極活物質としてリチウム金属リン酸塩を用い、式(1)で表される化合物を含有しない電解液を用いた比較例1、及び、正極活物質としてニッケルコバルトマンガン酸リチウム(NMC622)を用いた比較例2~4に比べて、電気化学デバイスを高温下で保存したときの体積膨張を抑制することができる。 In addition, in Examples 1 to 5, which use lithium metal phosphate as the positive electrode active material and an electrolyte solution containing the compound represented by formula (1), the volume expansion during storage of the electrochemical device at high temperatures can be suppressed compared to Comparative Example 1, which uses lithium metal phosphate as the positive electrode active material and an electrolyte solution not containing the compound represented by formula (1), and Comparative Examples 2 to 4, which use lithium nickel cobalt manganese oxide (NMC622) as the positive electrode active material.
1…非水電解液二次電池(電気化学デバイス)、2…電極群、3…電池外装体、4…正極集電タブ、5…負極集電タブ、6…正極、7…セパレータ、8…負極、9…正極集電体、10…正極合剤層、11…負極集電体、12…負極合剤層。 1... nonaqueous electrolyte secondary battery (electrochemical device), 2... electrode group, 3... battery exterior, 4... positive electrode current collector tab, 5... negative electrode current collector tab, 6... positive electrode, 7... separator, 8... negative electrode, 9... positive electrode current collector, 10... positive electrode mixture layer, 11... negative electrode current collector, 12... negative electrode mixture layer.
Claims (15)
前記正極は、活物質としてリチウム金属リン酸塩を含有し、
前記電解液は、下記式(1)で表される化合物を含有する、電気化学デバイス。
[式(1)中、R1~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。] An electrochemical device comprising a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte,
The positive electrode contains lithium metal phosphate as an active material,
The electrochemical device, wherein the electrolyte solution contains a compound represented by the following formula (1):
[In formula (1), R 1 to R 3 each independently represent a hydrogen atom or a methyl group, and X represents a divalent organic group.]
下記式(1)で表される化合物を含有する、電解液。
[式(1)中、R1~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。] 1. An electrolyte for use in an electrochemical device having a positive electrode containing lithium metal phosphate as an active material,
An electrolyte solution comprising a compound represented by the following formula (1):
[In formula (1), R 1 to R 3 each independently represent a hydrogen atom or a methyl group, and X represents a divalent organic group.]
下記式(1)で表される化合物を含有する、添加剤。
[式(1)中、R1~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。] 1. An additive for use in an electrolyte of an electrochemical device having a positive electrode containing lithium metal phosphate as an active material, comprising:
An additive comprising a compound represented by the following formula (1):
[In formula (1), R 1 to R 3 each independently represent a hydrogen atom or a methyl group, and X represents a divalent organic group.]
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