JP3512021B2 - リチウム二次電池 - Google Patents

リチウム二次電池

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明はリチウム二次電池に
係わり、特に、過充電に対する安全性を向上したリチウ
ム二次電池に関する。
【0002】
【従来の技術】携帯用電子機器の急速な普及に伴い、こ
れらの電源となる電池に対する小型・軽量化の要求が高
くなっている。一次電池では負極にリチウム金属を用い
たリチウム電池等が高容量の小型軽量電池として利用さ
れているが、充電して繰り返し使用ができないためにそ
の用途は限られたものであった。繰り返し充電して使用
できる二次電池では、鉛電池,ニッケル−カドミウム電
池,ニッケル−水素電池等が利用されているが、これら
は水溶液を電解液とする電池であるため動作電圧が低
く、高容量での小型・軽量化には不向きである。
【0003】そこで、高容量で且つ小型・軽量な二次電
池としてリチウムイオン電池が実用化されるようにな
り、カムコーダ,デジタルカメラ,携帯電話,ノートパ
ソコン等の携帯用電子・通信機器等への用途が拡大し
た。また、最近ではハイブリド自動車やピュア電気自動
車の電源としての利用が始まっている。
【0004】リチウムイオン電池とは、負極及び正極の
活物質にリチウムイオンを吸蔵放出可能な材料を用い原
理的にはリチウム金属の電析現象を介さない電池であ
る。負極や正極にはリチウムイオンの吸蔵放出が可能な
多様な材料を活用することができ、それらを組み合わせ
ることで電池容量や作動電圧をも自在に設定できる。例
えば、負極には炭素材料が実用化されており、IVA族
元素やその酸化物,リチウムと遷移金属の複合窒化物,
ポリアセン等の有機化合物が検討されている。正極に
は、LiMn24,LiCoO2 が実用化され、LiN
iO2,LiFeO2,LiMnO2 等が開発されてい
る。これらの正極活物質を用い、負極に炭素材料を用い
たリチウムイオン電池では、正極のリチウムが有機溶媒
にリチウム塩を電解質として含む電解液中に溶解し、微
多孔質セパレータにより隔てられた負極では電解液から
の炭素材料層間へのリチウムイオンの吸蔵が起こること
により充電される。放電では、この逆の現象により電子
を外部回路に取り出すことができる。
【0005】この様なリチウムイオン電池では設計され
た電池容量(即ち、正極のリチウム量または負極のリチ
ウムイオン吸蔵可能量のいずれか少ない方で規定され
る)以上に充電することを過充電と言う。過充電状態で
は、正極は保有量以上のリチウムを放出することにより
活物質の崩壊が起こり、負極では過剰なリチウムイオン
の供給によりリチウム金属(所謂デンドライド)が析出
し、電池の電圧が上昇したり、電池温度が上昇する等の
現象が起こる。この様にリチウムイオン電池では設計値
以上の過充電は電池の安全性に対して大きな問題とな
る。
【0006】そこで、電解液中に過充電時の電流を消費
することで上記の過充電現象を抑制する手法が、例え
ば、特開平6−338347号公報,特開平7−302
614号公報,特開平9−106835号公報,特開平
6−17447号公報,特開平9−50822号公報,
特開平11−162512号公報等により提案されてい
る。これらの提案では、充電時の正極電位(通常4.1
V〜4.3V)よりも高い電位に酸化電位を有する芳香
族化合物を電解液に混合することにより、これらの材料
の酸化反応により過充電電流が消費され、過充電での反
応が抑制される。これらに示されている材料の過充電に
対する作用は、芳香族の持つπ電子共役系の酸化還元反
応によるとされている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかし、これらの材料
は過充電抑制効果には優れているものの、電池のサイク
ル特性が低下することや保存特性の低下が問題であっ
た。
【0008】そこで、特開2000−156243号公
報,特開2000−58112号公報,特開2000−
58113号公報,特開2000−58114号公報,
特開2000−58116号公報,特開2000−58
117号公報では、この問題を改善するための新たな材
料が開示されている。これらに示されている材料は、効
果は優れているもののフェニル基を分子内に多く含み且
つ分子量の高い材料であるため、溶解性が低下し電解液
への混合量が制限されると共に、過充電の抑制作用を担
うπ共役系が広がっているのでフェニル基あたりの過充
電電流の消費が低下し、添加量あたりの効果が減少して
しまう問題を有していると考えられる。
【0009】本発明の課題は、溶解性の良好な低分子量
の化合物を用いた電解質を提供することにある。また、
過充電抑制作用が高く且つ保存特性への影響がない電解
液を用いることにより安全性の向上したリチウム電池を
提供することである。
【0010】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明のリチウム二次電池は、その非水電解液がリ
チウム二次電池の充電終止電圧より高い電圧で酸化され
る化合物と上記充電終止電圧以下の電圧領域で反応を抑
制する化合物とを含むことを特徴とする。
【0011】また、本発明のリチウム二次電池は、放電
状態から1.2V 高い電圧V1 まで定電流で充電した充
電容量C1 と充電できなくなるまで継続した上記電圧V
1 以上での充電容量C2 との比ξが0.7 以下であるこ
とを特徴とする。
【0012】また、本発明のリチウム二次電池の電解液
溶媒は、式1
【0013】
【式1】Rf 1−X−Rf 2 で表わされるフッ素化溶媒を混合し、更に、過充電抑制
材として式2
【0014】
【式2】
【0015】で表わされる化合物を混合することによっ
て達成される。
【0016】特に、過充電抑制材としては式3
【0017】
【式3】
【0018】で表される化合物を用いることにより、更
に高い過充電抑制効果を得ることができる。
【0019】
【発明の実施の形態】式1で表わされる電解液に混合す
るフッ素化溶媒としては、2,2,2−トリフロロエチ
ルメチルエーテル、2,2,2−トリフロロエチルジフ
ロロメチルエーテル、2,2,3,3,3−ペンタフロ
ロプロピルメチルエーテル、2,2,3,3,3−ペン
タフロロプロピルジフロロメチルエーテル、2,2,
3,3,3−ペンタフロロプロピル−1,1,2,2−
テトラフロロエチルエーテル、1,1,2,2−テトラ
フロロエチルメチルエーテル、1,1,2,2−テトラ
フロロエチルエーテル、1,1,2,2−テトラフロロ
エチル−1,1,2,2−トリフロロエチルエーテル、
2,2,3,3,3−テトラフロロプロピルジフロロメ
チルエーテル、1,1,2,2−テトラフロロエチル−
2,2,3,3−トリフロロエチルエーテル、ヘキサフ
ロロイソプロピルメチルエーテル、1,1,3,3,3
−ペンタフロロ−2−トリフロロメチルプロピルメチル
エーテル、1,1,2,3,3,3−ヘキサフロロプロ
ピルメチルエーテル、1,1,2,3,3,3−ヘキサ
フロロプロピルエチルエーテル、2,2,3,4,4,
4−ヘキサフロロブチルジフロロメチルエーテル、メチ
ルパーフロロプロピオネート、メチルパーフロロブチレ
ート、エチルパーフロロブチレート、メチルパーフロロ
オクタネート、エチルパーフロロオクタネート、エチル
ジフロロアセテート、エチル5H−オクタフロロペンタ
ノエート、エチル7H−デカフロロヘプタノエート、エ
チル9H−デカフロロノナノエート、メチル2−トリフ
ロロメチル−3,3,3−トリフロロプロピオネート、
メチルノナフロロブチルエーテル、エチルノナフロロブ
チルエーテル、プロピルノナフロロブチルエーテル、ブ
チルノナフロロブチルエーテル等を用いることができ
る。
【0020】フッ素化溶媒以外の電解液を構成する溶媒
としては、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、クロロエチレンカーボネ
ート、フロロエチレンカーボネート、ジフロロエチレン
カーボネート、トリフロロメチルプロピレンカーボネー
ト、ビニレンカーボネート、ジメチルビニレンカーボネ
ート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネー
ト、ジエチルカーボネート、ジフェニルカーボネート、
1,3−プロピレンカーボネート、2,2−ジメチル−
1,3−プロピレンカーボネート等の環状及び鎖状の炭
酸エステル,ジメトキシメタン、1,2−ジメトキシエ
タン、ジグライム,トリグライム、1,3−ジオキソラ
ン,テトラハイドロフラン、2−メチルテトラハイドロ
フラン等の鎖状・環状のエーテル、γ−ブチロラクト
ン、スルホラン、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エ
チル、エチレンサルファイト、ジメチルスルホキサイ
ド、エチルメチルスルホキサイド、ジエチルスルホキサ
イド、メチルプロピルスルホキサイド、エチルプロピル
スルホキサイド等を単独または混合して用いることがで
きる。
【0021】リチウム電池用電解液の支持電解質である
リチウム塩としては、LiPF6,LiBF4,LiCl
4,LiSO3CF3,LiN(SO2CF3),LiN
(SO2CF2CF3),LiC(SO2CF2CF3)3,L
iC(SO2CF3)3,LiI,LiCl,LiF,Li
PF5(SO2CF3),LiPF4(SO2CF3)2等を単独ま
たは混合して用いることができる。
【0022】式2または式3で表わされる過充電抑制材
としては、4−ビフェニルアセテート、フェニルプロピ
オネート、4−ビフェニルベンゾエート、4−ビフェニ
ルベンジルカルボキシレート、2−ビフェニルプロピオ
ネート、1,4−ジフェノキシベンゼン、1,3−ジフ
ェノキシベンゼン、ジフェニルエーテル、3−フェノキ
シトルエン、アニソール、2−クロロアニソール、3−
クロロアニソール、4−フロロアニソール、4−クロロ
アニソール、4−ブロモアニソール、2,4−ジフロロ
アニソール、3,5−ジフロロアニソール、2,4−ジ
クロロアニソール、2,4−ジブロモアニソール、エト
キシベンゼン、2,4−ジフロロエトキシベンゼン、
2,4−ジフロロプロポキシベンゼン、2,5−ジフロ
ロアニソール、2,6−ジフロロアニソール、3,4−
ジフロロアニソール、3,5−ジフロロアニソール、
1,2−ジメトキシベンゼン、1,2−ジメトキシ−4
−フロロベンゼン、1,2−ジメトキシ−4−クロロベ
ンゼン、1,2−ジメトキシ−4−ブロモベンゼン、
1,3−ジメトキシ−5−ブロモベンゼン、2,4−ジ
クロロトルエン、2−クロロキシレン、4−クロロ−o
−キシレン、4−ブロモ−m−キシレン等を、また、フ
ェニルトリメチルシラン、ベンジルトリメチルシラン、
ジフェニルメチルシラン、ジフェニルジメトキシシラ
ン、ジフェニルシラン、4−メトキシフェニルトリメチ
ルシラン、トリフェニルシラン等を用いることができ
る。
【0023】リチウム二次電池の負極材料としては、リ
チウム金属,リチウムとアルミニウム等の合金,天然ま
たは人造の黒鉛,非晶質炭素等の炭素材料、または、珪
素,ゲルマニウム,アルミニウム等のリチウムと合金化
する物質と炭素との複合材料、または、珪素,錫の酸化
物及びこれらの炭素との複合材料を用いることができ
る。
【0024】正極材料としては、コバルト,ニッケル,
鉄等とリチウムの複合酸化物、または、これらに遷移金
属や珪素,ゲルマニウム,アルミニウム,マンガン,マ
グネシウム等を添加混合した材料、または、マンガン酸
リチウム及びこれにリチウム,遷移金属,珪素,ゲルマ
ニウム,アルミニウム,マンガン,マグネシウム等を添
加混合した材料またはこれらの材料で結晶の一部を置換
した材料を用いることができる。また、セパレータには
ポリエチレン,ポリプロピレン,ビニレン共重合体,ブ
チレン等の高分子の微多孔質フィルムを、または、これ
らの材料を二層,三層に積層した形態の微多孔質フィル
ムを用いることができる。
【0025】(実施例)本発明を実施例によりさらに詳
細に説明する。尚、本発明は以下の実施例に限定される
ものではない。
【0026】過充電特性及び保存特性を比較評価するた
めに、比較例1について、以下に説明する。図1に示す
構造の円筒型リチウム二次電池を以下に示す方法で作製
した。負極活物質に人造黒鉛(メソフェーズマイクロビ
ーズ)を用い、結着剤としてPVDFを用い、これらを
重量で91:9の割合で混合し、溶剤であるN−メチル
ピロリドン(以下、NMPと記す。)に溶解して混練
し、負極材のペーストを得た。これを負極集電体1とし
て用いた銅箔の両面に塗布し、乾燥,加熱・加圧した
後、真空乾燥して負極集電体1の両面に負極層2を形成
し、負極電極を得た。正極活物質としてコバルト酸リチ
ウムを用い、導電剤として黒鉛炭素を用い、結着剤とし
てPVDFを用いて、これらを重量で85:7:8の割
合で混合し、溶剤であるNMPに溶解して混練し、正極
材のペーストを得た。これを正極集電体3として用いた
アルミ箔の両面に塗布し、乾燥,加熱・加圧した後、真
空乾燥して正極集電体3の両面に正極層4を形成し、正
極電極を得た。負極,正極の未塗布部にニッケル箔で作
製した負極リード5と正極リード6をそれぞれ電気溶接
で取り付けた後、これらの電極をセパレータ7で挟んで
捲回して最外周のセパレータをテープで固定し電極群を
形成した。この電極群を負極リード5を缶底にして絶縁
のためのポリプロピレン製インシュレータ8を介してス
テンレス製の外装缶10に挿入し、外装缶10と負極リ
ード5を缶底で電気溶接して負極回路を形成した。正極
リード6を正極のインシュレータ9を介して正極キャッ
プ12に電気溶接した。電解液として、エチレンカーボ
ネート(EC)とジメチルカーボネート(DMC)とを
1:2の容積比で混合した溶媒にLiPF6を1M(mol
/dm-3)溶解した溶液を調製した。(以下、電解液組
成は1M LiPF6 EC/DMC(1/2容量比)の
様に示す。)この電解液を先に作製した電池の負極外装
缶10の開口部から約4ml注液した後、ガスケット1
1を具備した正極キャップ12と負極外装缶10を機械
的にカシメて比較例1に供した円筒型リチウム二次電池
(コバルト系電池)を作製した。尚、正極キャップ12
には安全装置として、熱官能抵抗素子PTC(Positive
Temperature Coefficient,抵抗トリップ温度約80
℃)及びアルミ箔回路から成る圧力スイッチCID(Cu
rrentInterrupt Device,開回路圧力 約100kP
a)が具備されている。
【0027】この電池を定電流値1Aにて、定電圧を
4.2V と設定し、定電流−定電圧で充電終止条件を2
0mAとして充電し、電流値1Aで放電終止電圧を3V
として放電した。即ち、この電池ではV1 を4.2V と
し、放電電圧を3Vとした。これを2回繰り返した後、
電流値1Aで4.2V まで充電し、更に、安全装置によ
り電池が停止するまで電流値1Aで連続して充電する過
充電試験を実施した。その結果、この電池の4.2V ま
での充電容量C1 は1380mAhで、圧力スイッチが
作動して充電が停止するまでの過充電容量C2 は130
0mAhであった。従って、式4
【0028】
【式4】 安全効果ξ=過充電容量C2/初期放電容量C1 で定義したこの電池の安全効果ξは0.94 であった。
過充電されにくい安全な電池であればこの数値は小さく
なる。
【0029】次に、同様にして作製した電池を用い室温
にて電流値1Aで4.2V まで上記と同一の条件で充放
電し、初期の放電容量S1 を評価した。次いで、この電
池を再度同一条件で充電した後、60℃の環境で10日
間放置した。その後、電池を室温に戻して電流値1Aで
放電させた後、再度、充放電した際の回復容量を測定
し、保存後の容量S2 とした。保存特性は式5
【0030】
【式5】保存特性(%)=(保存後回復放電容量S2/初期
放電容量S1)×100 に従い評価した。比較例1の電池の保存特性は93%で
あった。この数値が大きいほど保存特性の良好な電池と
なる。
【0031】比較例2として、以下に説明する。1M
LiPF6 EC/DMC(1/2容量比)に、アニソー
ル(以下、Anと略す。)を0.1M 溶解した電解液を
用いて、比較例1と同じコバルト系電池を作製した。こ
の電池の4.2Vまでの充電容量は1390mAhであ
ったが、過充電容量は1120mAhとなり安全効果ξ
としては0.81 となった。しかし、保存特性は72%
と比較例1の電池に比べて低かった。
【0032】実施例1として以下のように説明する。
【0033】1M LiPF6 EC/DMC(1/2容量
比)にフッ素化溶媒としてメチルパーフロロブチレート
(以下、HFE1と略す。)を5容量パーセント、An
を0.1M 溶解して実施例1の電解液を作製した。この
電解液を用いて、比較例1と同じコバルト系電池を作製
した。この電池の4.2V までの充電容量は1395mAh
であったが、過充電容量は870mAhとなり安全効果
ξとしては0.62となった。この様に同じ過充電抑制材
(An)を用いても、電解液に特定のフッ素化溶媒(H
FE1)を混合することにより、比較例1や比較例2の
電池に比べて過充電容量を大きく低減することができ
た。更に、保存特性は82%で比較例2の電池に比べて
10%も向上した。
【0034】実施例2として以下のように説明する。
【0035】1M LiPF6 EC/DMC(1/2容量
比)にフッ素化溶媒として2,2,3,3,3−テトラ
フロロプロピルジフロロメチルエーテル(以下、HFE
2と略す。)を5容量パーセント、Anを0.1M 溶解
して実施例2の電解液を作製した。この電解液を用い
て、比較例1と同じコバルト系電池を作製した。この電
池の4.2V までの充電容量は1410mAhであった
が、過充電容量は820mAhとなり安全効果ξとして
は0.58 となり、実施例1の電池に比べ更に向上し
た。この様に電解液に混合するフッ素化溶媒をエーテル
構造の溶媒とすることにより、過充電を抑制する効果を
更に向上できることが分った。更に、保存特性も86%
となり、実施例1の電池に比べて4%向上しており、保
存特性においてもエーテル構造のフッ素化溶媒が有効で
あることが分った。
【0036】実施例3として以下のように説明する。
【0037】1M LiPF6 EC/DMC(1/2容量
比)にフッ素化溶媒としてノナフロロブチルメチルエー
テル(以下、HFE3と略す。)を5容量パーセント、
Anを0.1M 溶解して実施例3の電解液を作製した。
この電解液を用いて、比較例1と同じコバルト系電池を
作製した。この電池の4.2V までの充電容量は1390m
Ahであった。過充電容量は810mAhとなり安全効
果ξとしては0.58となった。この様にエーテル構造
のフッ素化溶媒は過充電に対して同等の効果をもつこと
が分った。更に、保存特性も88%となり、実施例2の
電池に比べて2%向上しており、ノナフロロブチルメチ
ルエーテルを用いることにより大きな保存特性の向上を
得ることができた。
【0038】比較例3として以下のように説明する。
【0039】正極活物質にマンガン酸リチウムを用い、
負極活物質に非晶質炭素(呉羽化学製PIC)を用いた
以外は比較例1と同じにし、電解液も比較例1と同じ1
M LiPF6 EC/DMC(1/2容量比)を用いて比
較例3のマンガン系電池を作製した。この電池もV1を
4.2V とし、比較例1と同条件で駆動し容量を評価し
た。この電池の充電容量は920mAhで、4.2V 以
上の過充電容量は850mAhであった。従って、安全
効果ξとしては0.94 となった。また、この電池の保
存特性は94%であった。
【0040】比較例4として以下のように説明する。
【0041】1M LiPF6 EC/DMC(1/2容量
比)に、Anを0.1M 溶解した電解液を用いて比較例
3と同様にして、比較例4のマンガン系電池を作製し
た。この電池の4.2V までの充電容量は910mAh
であり、過充電容量は720mAhとなったので安全効
果ξとしては0.79 となり、比較例3に比べて安全性
は向上した。しかし、保存特性は67%と比較例3の電
池に比べて低かった。
【0042】実施例4として以下のように説明する。
【0043】電解液として、1M LiPF6 EC/D
MC(1/2容量比)に、Anを0.1M、HFE1を5
容量パーセント混合した溶液を用い実施例4のマンガン
系電池を作製した。この電池の4.2V までの充電容量
は920mAhで、過充電容量は640mAhであっ
た。従って、安全効果ξとしては0.70 となり、比較
例4に比べて安全性が更に向上した。また、保存特性は
72%となり、比較例4の電池に比べて改善された。こ
の様にマンガン系電池であっても、フッ素化溶媒の混合
により過充電抑制材(An)混合による保存特性の低下
が改善されることが分った。
【0044】実施例5として以下のように説明する。
【0045】電解液として、1M LiPF6 EC/D
MC(1/2容量比)に、Anを0.1M、HFE2を5
容量パーセント混合した溶液を用い実施例5のマンガン
系電池を作製した。この電池の4.2V までの充電容量
は930mAhで、過充電容量は590mAhであっ
た。従って、安全効果ξとしては0.63 となり、実施
例4に比べて安全性が更に向上した。また、保存特性は
81%となり、実施例4の電池に比べて改善された。こ
の様にフッ素化溶媒をエーテル構造とすることによりマ
ンガン系電池でも過充電抑制材を含む電池の保存特性が
改善されることが分った。
【0046】実施例6として以下のように説明する。
【0047】電解液として、1M LiPF6 EC/D
MC(1/2容量比)に、4−ビフェニルベンゾエート
(以下、Bphと略す。)を0.1M、HFE2を5容
量パーセント混合した溶液を用い実施例6のマンガン系
電池を作製した。この電池の4.2V までの充電容量は
910mAhで、過充電容量は550mAhであった。
従って、安全効果ξとしては0.60 となり、実施例4
に比べて安全性が向上した。また、保存特性は83%で
あり、Bphを用いても比較例4に見られる様な保存特
性の大幅な低下はなかった。
【0048】実施例7として以下のように説明する。
【0049】電解液として、1M LiPF6 EC/D
MC(1/2容量比)に、1,2−ジメトキシベンゼン
(以下、VLと略す。)を0.1M 、HFE2を5容量パ
ーセント混合した溶液を用い実施例7のマンガン系電池
を作製した。この電池の4.2Vまでの充電容量は91
0mAhで、過充電容量は580mAhであった。従っ
て、安全効果ξとしては0.64 となり、これも実施例
4に比べて安全性が向上した。また、保存特性は81%
であり、VLを用いても比較例4に見られる様な保存特
性の大幅な低下はなかった。
【0050】実施例8として以下のように説明する。
【0051】電解液として、1M LiPF6 EC/D
MC(1/2容量比)に、4−フロロアニソール(以
下、FAnと略す。)を0.1M 、HFE2を5容量パ
ーセント混合した溶液を用い実施例8のマンガン系電池
を作製した。この電池の4.2Vまでの充電容量は92
0mAhで、過充電容量は530mAhであった。従っ
て、安全効果ξとしては0.58 となり、これも実施例
4に比べて安全性が向上した。また、保存特性は83%
であり、FAnを用いても比較例4に見られる様な保存
特性の大幅な低下はなかった。
【0052】実施例9として以下のように説明する。
【0053】電解液として、1M LiPF6 EC/D
MC(1/2容量比)に、3,5−ジフロロアニソール
(以下、DFAnと略す。)を0.1M 、HFE2を5
容量パーセント混合した溶液を用い実施例9のマンガン
系電池を作製した。この電池の4.2V までの充電容量
は910mAhで、過充電容量は510mAhであっ
た。従って、安全効果ξとしては0.56 となり、これ
も実施例4に比べて安全性が向上した。また、保存特性
は81%であり、DFAnを用いても比較例4に見られ
る様な保存特性の大幅な低下はなかった。
【0054】実施例10として以下のように説明する。
【0055】電解液として、1M LiPF6 EC/D
MC(1/2容量比)に、4−ビフェニルアセテート
(以下、BphAと略す。)を0.1M 、HFE2を5
容量パーセント混合した溶液を用い実施例10のマンガ
ン系電池を作製した。この電池の4.2V までの充電容
量は900mAhで、過充電容量は510mAhであっ
た。従って、安全効果ξとしては0.57 となり、これ
も実施例4に比べて安全性が向上した。また、保存特性
は83%であり、BphAを用いても比較例4に見られ
る様な保存特性の大幅な低下はなかった。
【0056】実施例11として以下のように説明する。
【0057】電解液として、1M LiPF6 EC/D
MC(1/2容量比)に、フェニルプロピオネート(以
下、PhPと略す。)を0.1M 、HFE2を5容量パ
ーセント混合した溶液を用い実施例11のマンガン系電
池を作製した。この電池の4.2Vまでの充電容量は9
00mAhで、過充電容量は520mAhであった。従
って、安全効果ξとしては0.58 となり、これも実施
例4に比べて安全性が向上した。また、保存特性は82
%であり、PhPを用いても比較例4に見られる様な保
存特性の大幅な低下はなかった。
【0058】実施例12として以下のように説明する。
【0059】電解液として、1M LiPF6 EC/D
MC(1/2容量比)に、フェニルプロピオネート(以
下、EtOBと略す。)を0.1M 、HFE2を5容量
パーセント混合した溶液を用い実施例12のマンガン系
電池を作製した。この電池の4.2V までの充電容量は
910mAhで、過充電容量は570mAhであった。
従って、安全効果ξとしては0.63 となり、これも実
施例4に比べて安全性が向上した。また、保存特性は8
1%であり、EtOBを用いても比較例4に見られる様
な保存特性の大幅な低下はなかった。
【0060】実施例13として以下のように説明する。
【0061】電解液として、1M LiPF6 EC/D
MC(1/2容量比)に、4−ブロモアニソール(以下、
BrAnと略す。)を0.1M 、HFE2を5容量パー
セント混合した溶液を用い実施例13のマンガン系電池
を作製した。この電池の4.2Vまでの充電容量は92
0mAhで、過充電容量は560mAhであった。従っ
て、安全効果ξとしては0.61 となり、これも実施例
4に比べて安全性が向上した。また、保存特性は81%
であり、BrAnを用いても比較例4に見られる様な保
存特性の大幅な低下はなかった。
【0062】以上の結果を表1にまとめる。
【0063】
【表1】
【0064】上述の様に、本願発明の芳香族骨格を有す
る化合物とフッ素化溶媒を併用することにより、コバル
ト/黒鉛系電池においても、マンガン/非晶質系電池に
おいても過充電の抑制効果があり、且つ、保存時の容量
低下の少ない電池を得ることができる。また、過充電抑
制材としてすでに知られている芳香族系の材料が、フッ
素化溶媒と併用することでその過充電抑制作用が向上す
ることが分った。尚、フッ素化溶媒による改善効果はエ
ーテル構造の溶媒がより効果的であることが分った。
【0065】実施例14として以下のように説明する。
【0066】電解液として、1M LiPF6 EC/D
MC(1/2容量比)に、Anを0.1M、HFE3を5
容量パーセント混合した溶液を用い実施例14のマンガ
ン系電池を作製した。この電池の4.2V までの充電容
量は920mAhで、過充電容量は560mAhであっ
た。従って、安全効果ξとしては0.61 となり、フッ
素化溶媒にHFE3を用いることによりフッ素化溶媒と
してHFE1やHFE2を用いた実施例4や実施例5の
電池に比べて更に安全性が向上した。また、実施例14
の保存特性は85%となり、実施例4や実施例5の電池
に比べて大幅に改善された。この様に、フッ素化溶媒を
選択することで本発明の安全性への効果と保存特性の改
善効果が向上することが示された。
【0067】実施例15として以下のように説明する。
【0068】電解液として、1M LiPF6 EC/D
MC(1/2容量比)に、PhPを0.1M 、HFE3
を5容量パーセント混合した溶液を用い実施例15のマ
ンガン系電池を作製した。この電池の4.2V までの充
電容量は900mAhで、過充電容量は520mAhで
あった。従って、安全効果ξとしては0.58 となり、
過充電抑制材にPhPを用いた場合でもフッ素化溶媒に
HFE3を用いることによりフッ素化溶媒としてHFE
2を用いた実施例11の電池に比べて更に安全性が向上
した。また、実施例15の保存特性は85%となり、実
施例11の電池に比べて大幅に改善された。この様に、
過充電抑制材の種類を変えてもHFE3の優れた効果が
確認された。
【0069】実施例16として以下のように説明する。
【0070】電解液として、1M LiPF6 EC/D
MC(1/2容量比)に、EtOBを0.1M 、HFE
3を5容量パーセント混合した溶液を用い実施例16の
マンガン系電池を作製した。この電池の4.2V までの
充電容量は910mAhで、過充電容量は570mAh
であった。従って、安全効果ξとしては0.63 とな
り、過充電抑制材にEtOBを用いた場合でもフッ素化
溶媒にHFE3を用いることによりフッ素化溶媒として
HFE2を用いた実施例12の電池に比べて更に安全性
が向上した。また、実施例16の保存特性は86%とな
り、実施例12の電池に比べて大幅に改善された。この
様に、過充電抑制材の種類を更に変えてもHFE3の優
位性があることが分った。
【0071】次に、電解液の主溶媒や電解質の種類を変
えた場合の、安全性及び保存特性への効果を検討した。
【0072】実施例17として以下のように説明する。
【0073】電解液として、DMCをエチルメチルカー
ボネート(以下、EMCと略す。)に変えた1M Li
PF6 EC/EMC(1/2容量比)に、Anを0.1M
、HFE3を5容量パーセント混合した溶液を用い実
施例17のマンガン系電池を作製した。この電池の4.
2V までの充電容量は920mAhで、過充電容量は
560mAhであった。従って、安全効果ξとしては
0.60 となり、溶媒にDMCを用いた実施例14の電
池と同等の効果が得られた。
【0074】また、実施例17の保存特性は86%でこ
れもDMCを用いた場合と同等であった。この様に、電
解液溶媒をDMCからEMCに変更しても安全性,保存
特性に対して同様の効果が得られることが分った。
【0075】実施例18として以下のように説明する。
【0076】電解液として、更にEMCをジエチルカー
ボネート(以下、DECと略す。)に変えた1M Li
PF6 EC/DEC(1/2容量比)に、Anを0.1M
、HFE3を5容量パーセント混合した溶液を用い実
施例18のマンガン系電池を作製した。この電池の4.
2V までの充電容量は900mAhで、過充電容量は
520mAhであった。従って、安全効果ξとしては
0.58 となり、溶媒にEMCを用いた実施例17の電
池と同等の効果が得られた。
【0077】また、実施例18の保存特性は84%でD
MCやEMCの系に比べて若干劣るものの実施例や実施
例5の電池に比べて向上しており、電解液溶媒への依存
性は小さいことが分かる。
【0078】実施例19として以下のように説明する。
【0079】電解液として、1M LiPF6 PC(プロ
ピレンカーボネート)に、Anを0.1M 、HFE3を
0.5 容量パーセント混合した溶液を用い実施例19の
マンガン系電池を作製した。この電池の4.2Vまでの
充電容量は890mAhで、過充電容量は490mAh
であった。従って、安全効果ξとしては0.55 とな
り、電解液をPC単独溶媒とすると電解液に1M Li
PF6 EC/DMC(1/2容量比)を用いた実施例1
4の電池よりも良好な効果が得られた。また、実施例1
9の保存特性は86%で、これも実施例14の電池に比
べて向上した。
【0080】実施例20として以下のように説明する。
【0081】電解液として、1M LiPF6 GBL(γ
−ブチロラクトン)に、Anを0.1M、HFE3を0.
5 容量パーセント混合した溶液を用い実施例20のマ
ンガン系電池を作製した。この電池の4.2V までの充
電容量は870mAhで、過充電容量は490mAhで
あった。従って、安全効果ξとしては0.56 となり、
電解液をGBL単独溶媒とすると実施例14の電池より
も良好な効果が得られた。また、実施例20の保存特性
は88%で、これも実施例14の電池に比べて向上し
た。
【0082】実施例21として以下のように説明する。
【0083】電解液として、リチウム塩をLiBF4
変えた1M LiBF4 PCに、Anを0.1M 、HF
E3を0.5 容量パーセント混合した溶液を用い実施例
21のマンガン系電池を作製した。この電池の4.2V
までの充電容量は890mAhで、過充電容量は480
mAhであった。従って、安全効果ξとしては0.54
となり、実施例19の電池よりも良好な効果が得られ
た。また、実施例21の保存特性は87%で、これも実
施例19の電池に比べて向上した。従って、PC単独溶
媒ではリチウム塩にLiBF4 を用いた電解液の方がL
iPF6 よりも良好な特性を与えた。
【0084】実施例22として以下のように説明する。
【0085】電解液として、1M LiBF4 GBL
に、Anを0.1M、HFE3を0.5容量パーセント混
合した溶液を用い実施例22のマンガン系電池を作製し
た。この電池の4.2V までの充電容量は890mAh
で、過充電容量は480mAhであった。従って、安全
効果ξとしては0.54 となり、実施例19の電池より
も良好な効果が得られた。また、実施例22の保存特性
は87%で、これも実施例19の電池に比べて向上し
た。従って、PC単独溶媒ではリチウム塩にLiBF4
を用いた電解液の方がLiPF6よりも良好な特性を与
えた。
【0086】実施例23として以下のように説明する。
【0087】電解液として、1M LiBF4 EC/G
BL/PC(1/1/1容量比)に、Anを0.1M 、
HFE3を0.5 容量パーセント混合した溶液を用い実
施例23のマンガン系電池を作製した。この電池の4.
2V までの充電容量は910mAhで、過充電容量は
480mAhであった。従って、安全効果ξとしては
0.53 となり、実施例22の電池よりも良好な効果が
得られた。また、実施例23の保存特性は89%で、こ
れも実施例22の電池に比べて向上した。この様に、電
解液の溶媒を3成分系とした場合でも安全性,保存性の
向上が認められた。
【0088】実施例24として以下のように説明する。
【0089】電解液として、リチウム塩に0.8M Li
N(SO2CF2CF3)(以下、LiBETIと略す。)
と0.2M LiBF4 を混合したGBLを単独溶媒とす
る溶液に、Anを0.1M 、HFE3を0.5 容量パー
セント混合した溶液を用い実施例24のマンガン系電池
を作製した。この電池の4.2V までの充電容量は93
0mAhで、過充電容量は490mAhであった。従っ
て、安全効果ξとしては0.53 となり、実施例23の
電池よりも良好な効果が得られた。また、実施例24の
保存特性は87%であった。
【0090】実施例25として以下のように説明する。
【0091】電解液として、リチウム塩に0.2M Li
PF6 と0.8M LiBF4 を混合したGBLを単独溶
媒とする溶液に、Anを0.1M 、HFE3を0.5 容
量パーセント混合した溶液を用い実施例25のマンガン
系電池を作製した。この電池の4.2V までの充電容量
は940mAhで、過充電容量は490mAhであっ
た。従って、安全効果ξとしては0.52 となり、実施
例23の電池よりも良好な効果が得られた。また、実施
例24の保存特性は88%であった。リチウム塩を混合
して用いた場合、安全性や保存特性の向上効果は同程度
であるが、充電容量が多くなる傾向があることが分っ
た。
【0092】以上の結果を表2に示した。
【0093】
【表2】
【0094】上述の様に、フッ素化溶媒としてHFE3
を用いることにより、HFE1やHFE2を用いた場合
よりも安全性,保存特性が向上した。また、電解液組成
を変えても同様な効果が得られた。
【0095】実施例26として以下のように説明する。
【0096】電解液として、1M LiPF6 EC/D
MC(1/2容量比)にHFE3を5容量パーセント混
合した溶液に、フェニルトリメチルシラン(以下、PS
1と略す。)を0.1M 溶解した溶液を用い実施例26
のマンガン系電池を作製した。この電池の4.2V 安全
性,保存性までの充電容量は900mAhで、過充電容
量は450mAhであった。従って、安全効果ξとして
は0.50 となり、これまでの実施例中で最も良好な効
果が得られた。また、実施例26の保存特性は91%
で、これも実施例中で最も良好な効果であった。この様
に、過充電抑制材として珪素化合物(またはシリル基)
を有する化合物を用いることで、安全性と保存特性が一
段と向上されることが分った。
【0097】実施例27として以下のように説明する。
【0098】電解液として、1M LiPF6 EC/D
MC(1/2容量比)にHFE3を5容量パーセント混
合した溶液に、ジフェニルメチルシラン(以下、PS2
と略す。)を0.1M 溶解した溶液を用い実施例27の
マンガン系電池を作製した。この電池の4.2V までの
充電容量は910mAhで、過充電容量は430mAh
であった。従って、安全効果ξとしては0.47 とな
り、これまでの実施例中で最も良好な効果が得られた。
また、実施例27の保存特性は92%で、これも実施例
中で最も良好な効果であった。
【0099】実施例28として以下のように説明する。
【0100】電解液として、1M LiPF6 EC/D
MC(1/2容量比)にHFE3を5容量パーセント混
合した溶液に、ジフェニルシラン(以下、PS3と略
す。)を0.1M 溶解した溶液を用い実施例28のマン
ガン系電池を作製した。この電池の4.2V までの充電
容量は920mAhで、過充電容量は430mAhであ
った。従って、安全効果ξとしては0.47 となり、実
施例28と同等の安全効果を与え、且つ、充電容量が向
上した。また、実施例28の保存特性は93%で、実施
例中で最も良好な効果であった。
【0101】実施例29として以下のように説明する。
【0102】電解液として、1M LiPF6 EC/D
MC(1/2容量比)にHFE3を5容量パーセント混
合した溶液に、ジフェニルジメトキシシラン(以下、P
S4と略す。)を0.1M 溶解した溶液を用い実施例2
9のマンガン系電池を作製した。この電池の4.2V ま
での充電容量は920mAhで、過充電容量は420m
Ahであった。従って、安全効果ξとしては0.46 と
なり、これまでの実施例中で最も良好な効果が得られ
た。また、実施例29の保存特性は93%で実施例28
と同等であった。
【0103】実施例30として以下のように説明する。
【0104】電解液として、1M LiPF6 EC/D
MC(1/2容量比)にHFE3を5容量パーセント混
合した溶液に、4−メトキシフェニルトリメチルシラン
(以下、PS5と略す。)を0.1M 溶解した溶液を用
い実施例30のマンガン系電池を作製した。この電池の
4.2V までの充電容量は920mAhで、過充電容量
は410mAhであった。従って、安全効果ξとしては
0.465 となり、これまでの実施例中で最も良好な効
果が得られた。また、実施例29の保存特性は93%で
実施例28,29と同等であった。
【0105】実施例31として以下のように説明する。
【0106】電解液として、1M LiBF4 EC/D
MC(1/2容量比)に、PS5を0.1M 、HFE3
を5容量パーセント混合した溶液を用い実施例31のマ
ンガン系電池を作製した。この電池の4.2V までの充
電容量は910mAhで、過充電容量は390mAhで
あった。従って、安全効果ξとしては0.43 となり、
実施例中で最高の改善効果を示した。また、実施例31
の保存特性は93%で、実施例28〜30と同等であっ
た。この様にリチウム塩をLiBF4 に変えても良好な
効果が得られた。
【0107】実施例32として以下のように説明する。
【0108】電解液として、0.8M LiPF6 0.2
M LiBETI EC/EMC(1/2容量比)に、P
S5を0.1M 、HFE3を5容量パーセント混合した
溶液を用い実施例32のマンガン系電池を作製した。こ
の電池の4.2V までの充電容量は920mAhで、過
充電容量は410mAhであった。安全効果ξとしては
0.45 で他のシリル基を持つ化合物を用いた場合と同
程度であったが、保存特性は94%と実施例中最高で、
比較例3と同じになった。
【0109】実施例33として以下のように説明する。
【0110】電解液として、0.8M LiBF4 0.2
M LiBETI EC/EMC(1/2容量比)に、P
S5を0.1M 、HFE3を5容量パーセント混合した
溶液を用い実施例33のマンガン系電池を作製した。こ
の電池の4.2V までの充電容量は930mAhで、過
充電容量は420mAhであった。安全効果ξとしては
0.45 、保存特性は94%で同様にリチウム塩を混合
して用いた実施例32と同等の効果を与えた。
【0111】実施例34として以下のように説明する。
【0112】電解液として、1M LiBF4 PCに、
PS5を0.1M 、HFE3を0.5容量パーセント混
合した溶液を用い実施例34のマンガン系電池を作製し
た。この電池の4.2V までの充電容量は900mAh
で、過充電容量は430mAhであった。安全効果ξと
しては0.48 、保存特性は92%で、単独溶媒を用い
た場合でも実施例21の電池に比べて大幅に安全性と保
存特性が向上した。
【0113】実施例35として以下のように説明する。
【0114】電解液として、1M LiBF4 GBL
に、PS5を0.1M 、HFE3を0.5 容量パーセン
ト混合した溶液を用い実施例35のマンガン系電池を作
製した。この電池の4.2V までの充電容量は910m
Ahで、過充電容量は420mAhであった。安全効果
ξとしては0.46 、保存特性は92%で、この場合も
実施例22の電池に比べて大幅に安全性と保存特性が向
上した。
【0115】実施例36として以下のように説明する。
【0116】電解液として、1M LiBF4 EC/P
C(1/1容量比)に、PS5を0.1M、HFE3を0.
5 容量パーセント混合した溶液を用い実施例36のマ
ンガン系電池を作製した。この電池の4.2V までの充
電容量は910mAhで、過充電容量は400mAhで
安全効果ξは0.44 となり、これまでの実施例中で最
高の改善効果を示した。また、保存特性も93%で高い
ものであった。
【0117】実施例37として以下のように説明する。
【0118】電解液として、1M LiBF4 EC/G
BL/PC(1/1/1容量比)に、PS5を0.1M
、HFE3を0.5 容量パーセント混合した溶液を用
い実施例37のマンガン系電池を作製した。この電池の
4.2V までの充電容量は920mAhで、過充電容量
は390mAhで、安全効果ξは0.42 となり、実施
例中で最高の改善効果を示した。また、保存特性も94
%でこれまでの実施例中で最高であった。
【0119】以上の結果を表3に示した。
【0120】
【表3】
【0121】上述の様に、過充電抑制材にフェニルシラ
ン系の材料を用い、フッ素化溶媒としてHFE3を用い
ることにより、多様な電解液組成に対して安全性効果の
高い、保存特性の安定したリチウム二次電池を得ること
ができる。
【0122】比較例5として以下のように説明する。
【0123】正極活物質にLiNi0.5Mn1.54 を用
い、負極活物質に黒鉛炭素を用いて比較例4と同じ形状
の電池を、電解液として1M LiPF6 EC/DMC
(1/2容量比)を用いて作製した。(以下、この電池
を5V級Mn−黒鉛電池と称する。)この電池は平均放
電電位が高いので定電圧を4.9V(V1)に設定して充電
終止条件を20mAとして1A定電流−定電圧の条件で
充電した。また、電流値を1Aとして3.7V まで放電
した。この操作を2回繰り返した後、充電容量C1 と過
充電容量C2 を評価した。その結果、充電容量C1 は1
100mAh、過充電容量C2 は870mAhとなり、
安全効果ξは0.79 であった。また、比較例4と同じ
条件で評価した保存特性は89%であった。
【0124】実施例38として以下のように説明する。
【0125】電解液として、1M LiPF6 EC/D
MC(1/2容量比)にHFE1を5容量パーセント混
合したものに、Anを0.1M 溶解した溶液を用い実施
例38の5V級Mn−黒鉛電池を作製した。比較例5と
同じ条件で評価したこの電池の充電容量は1110mA
hで、過充電容量は660mAhであり、安全効果ξは
0.6 となり、比較例5の電池に比べ0.19 も低下し
た。また、保存特性は82%であった。
【0126】実施例39として以下のように説明する。
【0127】電解液として、1M LiPF6 EC/D
MC(1/2容量比)にHFE2を5容量パーセント混
合したものに、Anを0.1M 溶解した溶液を用い実施
例39の5V級Mn−黒鉛電池を作製した。比較例5と
同じ条件で評価したこの電池の充電容量は1110mA
hで、過充電容量は650mAhであり、安全効果ξは
0.59 となり、実施例38の電池に比べ更に0.01
低下した。また、保存特性も83%となり、実施例38
の電池に比べ1%向上した。
【0128】実施例40として以下のように説明する。
【0129】電解液として、1M LiPF6 EC/D
MC(1/2容量比)にHFE3を5容量パーセント混
合したものに、Anを0.1M 溶解した溶液を用い実施
例40の5V級Mn−黒鉛電池を作製した。比較例5と
同じ条件で評価したこの電池の充電容量は1120mA
hで、過充電容量は630mAhであり、安全効果ξは
0.57 となり、実施例39の電池に比べ更に0.02
低下した。また、保存特性も85%となり、実施例39
の電池に比べ更に2%向上した。
【0130】以上の様に、5V級Mn−黒鉛電池におい
てもフッ素化溶媒と過充電防止材を併用することによ
り、安全効果が向上し、保存特性の低下を抑制すること
ができる。また、5V級Mn−黒鉛電池においても、フ
ッ素化溶媒としてはエステル系よりもエーテル系溶媒が
有効であった。
【0131】実施例41として以下のように説明する。
【0132】電解液として、1M LiPF6 EC/G
BL(1/2容量比)にHFE3を1容量パーセント混
合したものに、Anを0.1M 溶解した溶液を用い実施
例41の5V級Mn−黒鉛電池を作製した。比較例5と
同じ条件で評価したこの電池の充電容量は1120mA
hで、過充電容量は580mAhであり、安全効果ξは
0.52 となり、実施例40の電池に比べ更に0.05
低下した。また、保存特性も86%となり、実施例40
の電池に比べ更に1%向上した。この様に、電解液溶媒
をDMCからGBLとすることにより、安全効果と保存
特性が更に向上することが分った。
【0133】実施例42として以下のように説明する。
【0134】電解液として、1M LiPF6 EC/G
BL(1/2容量比)にHFE3を1容量パーセント混
合したものに、PS1を0.1M 溶解した溶液を用い実
施例42の5V級Mn−黒鉛電池を作製した。比較例5
と同じ条件で評価したこの電池の充電容量は1120m
Ahで、過充電容量は550mAhであり、安全効果ξ
は0.49 となり、実施例41の電池に比べ更に0.0
3 低下した。また、保存特性も87%となり、実施例
41の電池に比べ更に1%向上した。この様に、5V級
Mn−黒鉛電池においても、過充電防止材にフェニルト
リメチルシラン(PS1)を用いることにより更に安全
性,保存特性が向上する。
【0135】実施例43として以下のように説明する。
【0136】電解液として、1M LiPF6 EC/G
BL(1/2容量比)にHFE3を1容量パーセント混
合したものに、PS2を0.1M 溶解した溶液を用い実
施例43の5V級Mn−黒鉛電池を作製した。比較例5
と同じ条件で評価したこの電池の過充電容量は1110
mAhで、過充電容量は510mAhであり、安全効果
ξは0.45 となり、実施例42の電池に比べ更に0.
03 も低下した。また、保存特性も88%となり、実
施例42の電池に比べ更に1%向上した。
【0137】実施例44として以下のように説明する。
【0138】電解液として、1M LiPF6 EC/G
BL(1/2容量比)にHFE3を1容量パーセント混
合したものに、PS3を0.1M 溶解した溶液を用い実
施例44の5V級Mn−黒鉛電池を作製した。比較例5
と同じ条件で評価したこの電池の過充電容量は1110
mAhで、過充電容量は460mAhであり、安全効果
ξは0.41 となり、実施例43の電池に比べ更に0.
05 も低下した。また、保存特性も89%となり、比
較例5の電池と同等になった。
【0139】実施例45として以下のように説明する。
【0140】電解液として、1M LiPF6 EC/G
BL(1/2容量比)にHFE3を1容量パーセント混
合したものに、PS4を0.1M 溶解した溶液を用い実
施例45の5V級Mn−黒鉛電池を作製した。比較例5
と同じ条件で評価したこの電池の過充電容量は1120
mAhで、過充電容量は450mAhであり、安全効果
ξは0.40 となり、実施例44のよりも0.01 低下
した。また、保存特性も89%となり、比較例5の電池
と同等であった。
【0141】実施例46として以下のように説明する。
【0142】電解液として、1M LiPF6 EC/G
BL(1/2容量比)にHFE3を1容量パーセント混
合したものに、PS5を0.1M 溶解した溶液を用い実
施例46の5V級Mn−黒鉛電池を作製した。比較例5
と同じ条件で評価したこの電池の過充電容量は1120
mAhで、過充電容量は420mAhであり、安全効果
ξは0.38 となり、実施例45の電池に比べ更に0.
02 低下した。また、保存特性も89%となり、比較
例5の電池と同等であった。
【0143】以上の結果を表4に示した。
【0144】
【表4】
【0145】以上、過充電防止材として、ジフェニルメ
チルシラン(PS2)、ジフェニルシラン(PS3)、
ジフェニルジメトキシシラン(PS4)、4−メトキシ
フェニルトリメチルシラン(PS5)を用いることによ
り、5V級Mn−黒鉛電池においても安全効果,保存特
性がPS1よりも向上した。
【0146】比較例6として以下のように説明する。
【0147】正極活物質にLiNi0.5Mn1.54 を用
い、負極活物質に非晶質炭素を用いて比較例5と同じ形
状の電池を、電解液として1M LiPF6 EC/DM
C(1/2容量比)を用いて作製した。(以下、この電
池を5V級Mn−非晶質電池と称する。)この電池も平
均放電電位が高いので定電圧を4.9V(V1)に設定して
充電終止条件を20mAとして1A定電流−定電圧の条
件で充電した。また、電流値を1Aとして3.7V まで
放電した。この操作を2回繰り返した後、充電容量C1
と過充電容量C2 を評価した。その結果、充電容量C1
は940mAh、過充電容量C2 は890mAhとな
り、安全効果ξは0.95 であった。また、比較例5と
同じ条件で評価した保存特性は87%であった。
【0148】実施例47として以下のように説明する。
【0149】電解液として、1M LiPF6 EC/D
MC(1/2容量比)にHFE1を5容量パーセント混
合したものに、Anを0.1M 溶解した溶液を用い実施
例47の5V級Mn−非晶質電池を作製した。比較例6
と同じ条件で評価したこの電池の充電容量は950mA
hで、過充電容量は660mAhであり、安全効果ξは
0.69 となり、比較例6の電池に比べ0.26 も低下
した。また、保存特性は81%であった。
【0150】実施例48として以下のように説明する。
【0151】電解液として、1M LiPF6 EC/D
MC(1/2容量比)にHFE2を5容量パーセント混
合したものに、Anを0.1M 溶解した溶液を用い実施
例48の5V級Mn−非晶質電池を作製した。比較例6
と同じ条件で評価したこの電池の充電容量は960mA
hで、過充電容量は650mAhであり、安全効果ξは
0.67 となり、実施例47の電池に比べ更に0.02
低下した。また、保存特性も82%となり、実施例47
の電池に比べ1%向上した。
【0152】実施例49として以下のように説明する。
【0153】電解液として、1M LiPF6 EC/D
MC(1/2容量比)にHFE3を5容量パーセント混
合したものに、Anを0.1M 溶解した溶液を用い実施
例49の5V級Mn−黒鉛電池を作製した。比較例5と
同じ条件で評価したこの電池の過充電容量は930mA
hで、過充電容量は610mAhであり、安全効果ξは
0.66 となり、実施例49の電池に比べ更に0.01
低下した。また、保存特性も84%となり、実施例49
の電池に比べ更に2%向上した。
【0154】以上の様に、5V級Mn−非晶質電池にお
いてもフッ素化溶媒と過充電防止材を併用することによ
り、安全効果が向上し、保存特性の低下を抑制すること
ができる。また、5V級Mn−非晶質電池においても、
フッ素化溶媒としてはエステル系よりもエーテル系溶媒
が有効であった。
【0155】実施例50として以下のように説明する。
【0156】電解液として、1M LiPF6 EC/P
C(1/2容量比)にHFE3を0.5容量パーセント混
合したものに、Anを0.1M 溶解した溶液を用い実施
例50の5V級Mn−非晶質電池を作製した。比較例6
と同じ条件で評価したこの電池の充電容量は940mA
hで、過充電容量は560mAhであり、安全効果ξは
0.60 となり、実施例49の電池に比べ更に0.06
も低下した。また、保存特性も85%となり、実施例4
9の電池に比べ更に1%向上した。この様に、電解液溶
媒をDMCからPCとすることにより、安全効果と保存
特性が更に向上することが分った。
【0157】実施例51として以下のように説明する。
【0158】電解液として、1M LiPF6 EC/P
C(1/2容量比)にHFE3を0.5容量パーセント混
合したものに、PS1を0.1M 溶解した溶液を用い実
施例51の5V級Mn−非晶質電池を作製した。比較例
6と同じ条件で評価したこの電池の充電容量は950m
Ahで、過充電容量は520mAhであり、安全効果ξ
は0.55 となり、実施例50の電池に比べ更に0.0
5 も低下した。また、保存特性も87%となり、実施
例50の電池に比べ更に2%向上した。この様に、5V
級Mn−黒鉛電池においても、過充電防止材にフェニル
シランを用いることにより更に安全性,保存特性が向上
する。
【0159】実施例52として以下のように説明する。
【0160】電解液として、1M LiPF6 EC/P
C(1/2容量比)にHFE3を0.5容量パーセント混
合したものに、PS2を0.1M 溶解した溶液を用い実
施例52の5V級Mn−非晶質電池を作製した。比較例
6と同じ条件で評価したこの電池の過充電容量は950
mAhで、過充電容量は490mAhであり、安全効果
ξは0.52 となり、実施例51の電池に比べ更に0.
03 も低下した。また、保存特性も88%となり、実
施例51の電池に比べ更に1%向上した。
【0161】実施例53として以下のように説明する。
【0162】電解液として、1M LiPF6 EC/P
C(1/2容量比)にHFE3を0.5容量パーセント混
合したものに、PS3を0.1M 溶解した溶液を用い実
施例53の5V級Mn−非晶質電池を作製した。比較例
6と同じ条件で評価したこの電池の過充電容量は940
mAhで、過充電容量は470mAhであり、安全効果
ξは0.50 となり、実施例52の電池に比べ更に0.
02 も低下した。また、保存特性も88%であった。
【0163】実施例54として以下のように説明する。
【0164】電解液として、1M LiPF6 EC/P
C(1/2容量比)にHFE3を0.5容量パーセント混
合したものに、PS4を0.1M 溶解した溶液を用い実
施例54の5V級Mn−非晶質電池を作製した。比較例
6と同じ条件で評価したこの電池の充電容量は950m
Ahで、過充電容量は430mAhであり、安全効果ξ
は0.45 となり、実施例53のよりも0.05 も低下
した。また、保存特性も88%となった。
【0165】実施例55として以下のように説明する。
【0166】電解液として、1M LiPF6 EC/P
C(1/2容量比)にHFE3を0.5容量パーセント混
合したものに、PS5を0.1M 溶解した溶液を用い実
施例55の5V級Mn−非晶質電池を作製した。比較例
6と同じ条件で評価したこの電池の過充電容量は112
0mAhで、過充電容量は420mAhであり、安全効
果ξは0.38 となり、実施例45の電池に比べ更に
0.01 低下した。また、保存特性も88%となった。
【0167】以上の結果を表5に示した。
【0168】
【表5】
【0169】以上、過充電防止材として、ジフェニルメ
チルシラン(PS2)、ジフェニルシラン(PS3)、
ジフェニルジメトキシシラン(PS4)、4−メトキシ
フェニルトリメチルシラン(PS5)を用いることによ
り、5V級Mn−非晶質電池においても安全効果,保存
特性がPS1よりも向上した。
【0170】
【発明の効果】以上、過充電防止材とこの作用を増長
し、且つ、保存特性への影響を抑制できるフッ素化溶媒
を用いることによりリチウム二次電池の過充電を制御す
る本発明によれば、リチウム二次電池の過充電量を従来
電池よりも20%以上低減することができ高容量化する
際の安全性を確保する技術として有効であることが実施
例により示された。リチウム二次電池は1000mAh
の容量から市販されたが、現在では2000mAhクラ
スに至っている。これらの危険性を比較すると、5Vま
で過充電されたとすると、安全効果が0.9 の場合、1
000mAhの電池では17.1kJだったエネルギー
が2000mAhでは34.2kJとなり2倍のエネル
ギーを持った状態となる。一方、本発明の様に、例え
ば、安全効果を0.6 とすることにより2000mAh
の電池でも過充電時のエネルギーは28.8kJとなり、1
000mAh電池の1.68 倍までに抑制できる。即
ち、安全効果が0.6 であれば、2400mAhの電池
を(安全効果が0.9 の)2000mAhの従来型電池
と同等の過充電エネルギーに留めることができ、安全性
を損なうことなくリチウム電池を高容量化できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例を示す円筒型リチウム二次電
池の断面図である。
【符号の説明】
1…負極集電体、2…負極層、3…正極集電体、4…正
極層、5…負極リード、6…正極リード、7…セパレー
タ、8,9…インシュレータ、10…外装缶、11…ガ
スケット、12…正極キャップ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平7−302614(JP,A) 特開 平9−106835(JP,A) 特開 平11−329491(JP,A) 特開 平11−7932(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01M 10/40

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 リチウムイオンを吸蔵・放出する負極と、
    リチウムイオンを吸蔵・放出する正極と、多孔質を含ん
    でなるセパレータと、溶媒に電解質を溶解した非水電解
    液とを有するリチウム二次電池であって、上記非水電解
    液は式1 【式1】Rf1−X−Rf2 (式中、Rf1は炭素数2〜10の全てまたは部分的にフ
    ッ素化されたフッ素化アルキル基を表わし、Rf2は炭素
    数1〜5の全てまたは部分的にフッ素化されたフッ素化
    アルキル基またはアルキル基を表わし、Xはエーテルま
    たはエステルを表わす。)で表わされるフッ素化溶媒と
    式2 【式2】 (式中、R1,R2,R3及びR4は水素,フッ素,塩素,
    臭素または炭素数1〜3のアルキル基,アルコキシ基、
    または、フェニル基,フェノキシ基,アルキル置換され
    たフェニル基,フェノキシ基、または、炭素数1〜4の
    カルボキシ基,ベンジル基、または、アルキル置換また
    はアルコキシ置換されたシリル基を現し、R5及びR6
    水素,フッ素,塩素,臭素、または、炭素数1〜3のア
    ルキル基を現す。)で表わされる芳香族誘導体とを含む
    ことを特徴とするリチウム二次電池。
  2. 【請求項2】 請求項1において、上記フッ素化溶媒はメ
    チルノナフロロブチルエーテルであることを特徴するリ
    チウム二次電池。
  3. 【請求項3】 請求項1において、上記芳香族誘導体が 【式3】 (式中、R7,R8及びR9 は水素,炭素数1〜3のアル
    キル基、または、炭素数1〜3のアルコキシ基、また
    は、フェニル基,フェノキシ基,ベンジル基、または、
    フッ素,塩素,臭素或いは炭素数1〜3のアルキル基で
    置換されたフェニル基,フェノキシ基,ベンジル基を表
    わし、R10,R11,R12,R13及びR14は炭素数1〜3
    のアルコキシ基、または、フェニル基,ベンジル基、ま
    たは、フッ素,塩素,臭素で置換されたフェニル基,フ
    ェノキシ基,ベンジル基を表わす。)で表わされるフェ
    ニルシラン誘導体であることを特徴とするリチウム二次
    電池。
  4. 【請求項4】 請求項4において、上記フェニルシラン誘
    導体は、ジフェニルシラン,ジフェニルメチルシラン、
    4−メトキシフェニルトリメチルシラン、または、ジフ
    ェニルジメトキシシランのいずれか一つ以上を含むこと
    を特徴とするリチウム二次電池。
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