JP3408152B2 - 非水系電解液二次電池 - Google Patents

非水系電解液二次電池

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洋行 藤本
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浩志 渡辺
俊之 能間
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、非水系電解液二次
電池に係わり、特にサイクル特性の向上を目的とした非
水系電解液の改良に関する。
【0002】
【従来の技術】非水系電解液二次電池の電解液として、
テトラヒドロフランなどの溶媒を含む非水系電解液を使
用した場合、電解液の変質に起因して非水系電解液が劣
化するため、電池の保存特性が低下するという欠点があ
った。この点を改良するために、例えば特開平6-176768
号公報に示されるように、ハロゲン原子を含む特定の環
状エーテルを溶媒として使用することにより、電解液の
安定性の向上を図ってきた。
【0003】しかしながら、本発明者らが検討した結
果、添加剤として特定の環状エーテルを含有した非水系
電解液二次電池には、サイクル寿命が短いという課題が
あることが分かった。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記問題を
解決すべくなされたものであって、安定剤としてハロゲ
ン原子を含む特定の環状エーテルを添加した従来の非水
系電解液二次電池に比べて、保存特性を良好に保ちつ
つ、サイクル特性に優れた非水系電解液二次電池を提供
することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成する為、
本発明の非水系電解液二次電池(以下、「本発明電池」
と称することがある。)は、正極と、リチウム金属又は
リチウムを吸蔵放出可能な物質を主材とする負極と、こ
れら両電極を隔離するセパレーターと、非水系電解液と
を備えてなる非水系電解液二次電池において、前記非水
系電解液が、一般式C2n+1‐O‐C
2m+1(式中、n,mは整数であり、m=1の場合n
=1、m=2の場合n=1〜3、m=3の場合n=1〜
4、m=4の場合n=1〜5である。)で示される鎖状
エーテルを含有していることを特徴とする。
【0006】このように、本発明電池においては、上記
鎖状エーテルが添加された非水系電解液が使用されてお
り、充放電サイクル時に起こる放電容量の低下が抑制さ
れるのである。
【0007】言い換えれば、上記鎖状エーテルの添加に
起因して、安定且つ良質な被膜を負極の表面に形成させ
ることにより、負極と溶媒分子の接触を断ち、溶媒の安
定化、つまり非水系電解液の劣化を防止するものであ
る。
【0008】そして、上記一般式で示される鎖状エーテ
ルの具体例としては、例えば、トリフルオロメチルメチ
ルエーテル(n=1、m=1であって、化学式はCF
OCH)、ノナフルオロブチルプロピルエーテル(n
=4、m=3であって、化学式はCOC
)、ノナフルオロブチルブチルエーテル(n=
4、m=4であって、化学式はCOC)な
どが挙げられる。
【0009】これら鎖状エーテルの、非水系電解液への
添加量は少量でもその効果を発揮するが、特に全溶媒
(鎖状エーテルは除く)の0.1体積%〜30体積%に相当
する鎖状エーテルを含有させるのが好ましい。
【0010】本発明では、上記一般式で表わされる鎖状
エーテルとして、全ての水素がフッ素置換されたアルキ
ル鎖を含んでいるので、これらの鎖状エーテル分子が負
極表面上で分解されやすく、且つ、全ての水素がフッ素
置換されたアルキル基に起因する、より安定な被膜を形
成することが可能になる。
【0011】本発明は、非水電解液への添加剤の改良に
関するものであり、添加剤以外の他の電池材料について
は、非水系電解質電池用として従来公知の材料を特に制
限なく使用することができる。
【0012】非水系電解液の溶媒としては、エチレンカ
ーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(P
C)、ビニレンカーボネート(VC)、ブチレンカーボ
ネート(BC)等の有機溶媒や、これらとジメチルカー
ボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DE
C)、メチルエチルカーボネート(EMC)、1,2−ジ
エトキシエタン(DEE)、1,2−ジメトキシエタン
(DME)、エトキシメトキシエタン(EME)などの
低沸点溶媒との混合溶媒が例示される。なかでも、本発
明で規定する添加剤との相性が良く、サイクル特性を向
上させる上で特に好ましい溶媒としては、一種又は二種
以上の環状炭酸エステルと一種又は二種以上の鎖状炭酸
エステルとの体積比1:4〜4:1の混合溶媒である。
【0013】また、正極材料としては、二酸化マンガ
ン、リチウムを含有したマンガン酸化物、リチウムを含
有したコバルト酸化物、リチウムを含有したバナジウム
酸化物、リチウムを含有したニッケル酸化物、リチウム
を含有した鉄酸化物、リチウムを含有したクロム酸化
物、リチウムを含有したチタン酸化物が例示される。
【0014】一方、負極材料としては、金属リチウム
や、リチウム−アルミニウム合金、リチウム−鉛合金、
リチウム−錫合金等のリチウム合金、また黒鉛、コーク
ス、有機物焼成体等の炭素材料や、SnO、SnO、
TiO、Nb等の電位が正極活物質に比べて卑
な金属酸化物が例示される。
【0015】本発明電池はサイクル特性に優れているの
は、非水系電解液に添加した、上記鎖状エーテルが、安
定且つ良質な被膜を負極の表面に形成することにより、
負極と溶媒分子の接触を断ち、溶媒を安定化するためで
あり、これが充放電時に起こる電解液の分解反応を抑制
し、充放電における可逆性が向上するためと推察され
る。また、室温下のみならず、高温下においても電解液
が安定に存在しうるため、高温保存特性にも優れた非水
系電解液二次電池を得ることができる。
【0016】
【発明の実施の形態】以下、本発明を実施例に基づい
て、更に詳細に説明するが、本発明は下記実施例により
何ら限定されるものではなく、その要旨を変更しない範
囲において適宜変更して実施することが可能なものであ
る。
【0017】(実験1) この実験1では、添加する鎖状エーテルの種類と電池の
サイクル特性との関係を調べた。
【0018】[実施例1] 電池を作製するにあたり、正極を次のようにして準備し
た。まず、正極主材料としてのリチウム含有コバルト酸
化物(LiCoO)粉末90重量部と、人造黒鉛粉末5
重量部と、ポリフッ化ビニリデン5重量部のN−メチル
-2-ピロリドン(NMP)溶液とを混合して、スラリー
を調製した。このスラリーをアルミニウム箔の両面にド
クターブレード法により塗布して活物質層を形成した。
その後、150℃で2時間真空乾燥して、正極を作製し
た。
【0019】次に、負極としては、負極主材料として天
然黒鉛95重量部と、ポリフッ化ビニリデン5重量部のN
MP溶液とを混合しスラリーを調製した。このスラリー
を銅箔の両面にドクターブレード法により塗布して炭素
層を形成した。その後、150℃で2時間真空乾燥して、
負極を作製した。
【0020】そして、エチレンカーボネートとジエチル
カーボネートとの等体積混合溶媒に、LiN(C
SOを0.5mol/リットル溶かした非水電解液を準
備する。更に、鎖状エーテルとしてトリフルオロメチル
メチルエーテルを、前記等体積混合溶媒の体積に対して
10体積%を準備し、非水電解液に添加混合して、非水系
電解液を調製した。
【0021】上記の正極、負極及び非水系電解液を用い
て、AAサイズの非水系電解液二次電池(電池寸法:直径
14mm、高さ50mm)の本発明電池A1を作製した。尚、セ
パレータとしてはポリプロピレン製の多孔膜を用いてい
る。
【0022】[実施例2] 上記電池A1において用いたトリフルオロメチルメチル
エーテルに代えて、鎖状エーテルとしてノナフルオロブ
チルプロピルエーテルを用いて、本発明電池A2を作製
した。
【0023】[実施例3] 上記電池A1において用いたトリフルオロメチルメチル
エーテルに代えて、鎖状エーテルとしてノナフルオロブ
チルブチルエーテルを用いて、本発明電池Aを作製し
た。
【0024】 [比較例1] 上記電池A1において用いたトリフルオロメチルメチル
エーテルに代えて、鎖状エーテルであるトリデカフルオ
ロヘキシルメチルエーテルを用いて、比較例としての比
較電池Vを作製した。
【0025】 ここで使用されるトリデカフルオロヘキシ
ルメチルエーテルは鎖状エーテルではあるが、一般式に
おいてn=6、m=1である化合物であり、本発明に云
う鎖状エーテルではない。
【0026】 [比較例2] 上記電池A1において用いたトリフルオロメチルメチル
エーテルに代えて、鎖状エーテルとしてノナフルオロブ
チルペンチルエーテルを用いて、比較例としての比較電
池Wを作製した。
【0027】 ここで使用されるノナフルオロブチルペン
チルエーテルは鎖状エーテルではあるが、一般式におい
てn=4、m=5である化合物であり、本発明に云う鎖
エーテルではない。
【0028】 [比較例3] 上記電池A1において用いたトリフルオロメチルメチル
エーテルに代えて、エピフルオロヒドリンを用いて、比
較例としての比較電池Xを作製した。このエピフルオロ
ヒドリンは、鎖状エーテルではなく環状エーテルであっ
て、先行技術である特開平6-176768号に開示されたもの
である。
【0029】 [比較例4] 上記電池A1において用いたトリフルオロメチルメチル
エーテル(鎖状エーテル)を使用せず非水系電解液を準
備し、比較例としての比較電池Yを作製した。
【0030】 これらの電池を用いてサイクル試験を行っ
た。実験条件は、各電池を室温(25℃)にて、200mAで
4.2Vまで定電流充電した後、200mAで2.75Vまで定電流
放電する工程を1サイクルとする充放電サイクル試験を
繰り返して行い、放電容量が初期放電容量の90%を下回
るまでのサイクル数を求めた。
【0031】 この結果を、表1に示す。尚、表1では、
添加剤の名称とその化学式、化学式(C2n+1
O‐C2m+1)におけるn、mの値、サイクル数
の順で明記してある。
【0032】
【表1】
【0033】表1より、本発明電池A1〜A3は、添加
剤を無添加の比較電池Y及び添加剤としてエピフルオロ
ヒドリンを添加した比較電池Xに比べて、サイクル後の
放電容量残存率が高く、サイクル特性が良いことが分か
る。
【0034】 また、本発明電池A1〜A3は、炭素数6
以上のフルオロアルキル鎖、または、炭素数5以上のア
ルキル鎖を有する鎖状エーテルを添加した比較電池Vま
たは比較電池Wに比べて、サイクル特性に優れる傾向が
見られた。これは、炭素数の多いフルオロアルキル鎖ま
たは、アルキル鎖を有する鎖状エーテルを添加すること
により、電解液粘度の増加および電解液に対する溶解度
の減少がおこるためと考えられる。
【0035】 ここで、比較電池Vの特性及び比較電池W
の特性が優れないのは、いずれの比較電池においても、
アルキル鎖長、即ちn及びmの増加により分子量が増大
し、これに伴い電解液の粘度の上昇、導電率の低下が起
こるためと考えられる。
【0036】 特に、比較電池Xは、環状エーテルを添加
剤として使用しているが、環状エーテル分子自体が分解
されにくく、負極表面上への被膜形成が難しいため秀逸
な特性が得にくいと考えられる。
【0037】 (実験2) この実験2では、上記実験1で準備した上記本発明電池
A1〜A及び比較電池X、比較電池Yの充電保存特性
を調べた。
【0038】 この実験条件は、各電池を、200mAで4.2V
まで充電した後、200mAで2.75Vまで放電する。その
後、200mAで4.2Vまで充電し、この状態で60℃、20日間
保存試験を行うというものである。また、各電池の保存
に伴う放電容量の変化は、200mAで2.75Vまで放電して
測定した。
【0039】 この結果を、図1に示す。図1は、各電池
について、各電池の保存後の放電容量を、縦軸に放電容
量(mAh)、横軸に保存期間(日)をとって示したもので
ある。
【0040】 この図1に示すように、本発明電池A1〜
では比較電池X、比較電池Yに比べて、保存後の放
電容量が大きく、保存特性に優れていることが分かる。
これは、鎖状エーテルが、負極と電解液の界面に被膜を
形成し、この被膜が充電状態で安定に存在するためと考
えられる。
【0041】 上記実験1及び実験2の結果より、本発明
電池は、サイクル特性及び保存特性が優れたものであ
り、特定の鎖状エーテルの秀逸性が伺える。
【0042】
【発明の効果】上述したとおり、特定の添加剤を含有す
る非水系電解液を使用することにより、非水系電解液中
の溶媒の分解に起因して起こる非水系電解液の劣化が抑
制され、サイクル特性に優れた非水系電解液二次電池を
提供できるものであり、その工業的価値は極めて大き
い。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明電池及び比較電池の充電保存(60℃)
に伴う放電容量変化を示すグラフである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 渡辺 浩志 大阪府守口市京阪本通2丁目5番5号 三洋電機株式会社内 (72)発明者 能間 俊之 大阪府守口市京阪本通2丁目5番5号 三洋電機株式会社内 (72)発明者 西尾 晃治 大阪府守口市京阪本通2丁目5番5号 三洋電機株式会社内 (56)参考文献 特開 平11−307123(JP,A) 特開 平10−12272(JP,A) 特開 平8−335465(JP,A) 特開 平9−245829(JP,A) 特開 平11−26015(JP,A) 特開 平9−97627(JP,A) 特開 平8−37024(JP,A) 特開 平7−249432(JP,A) 特開 平6−176768(JP,A) 特開 平5−198316(JP,A) 特開 平3−155061(JP,A) 特開 平10−270078(JP,A) 特開 平10−270079(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01M 10/40

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 正極と、リチウム金属又はリチウムを吸
    蔵放出可能な物質を主材とする負極と、これら両電極を
    隔離するセパレーターと、非水系電解液とを備えてなる
    非水系電解液二次電池において、前記非水系電解液が、 一般式C2n+1‐O‐C2m+1(式中、
    n,mは整数であり、m=1の場合n=1、m=2の場
    合n=1〜3、m=3の場合n=1〜4、m=4の場合
    n=1〜5である。)で示される鎖状エーテルを含有し
    ていることを特徴とする非水系電解液二次電池。
  2. 【請求項2】 前記非水系電解液が、全溶媒の体積に対
    し0.1〜30体積%に相当する前記鎖状エーテルを含有さ
    せることを特徴とする請求項1記載の非水系電解液二次
    電池。
  3. 【請求項3】 前記非水系電解液が、LiN(CF
    )(C SO )またはLiN(C SO
    から選ばれた少なくとも一種の電解質塩を含有す
    ことを特徴とする請求項1記載の非水系電解液二次電
    池。
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