JP3760539B2 - リチウム二次電池用電解液 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はリチウム二次電池の電解液に関するものである。特にリチウム二次電池用有機溶媒電解液のサイクル特性の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電子機器の小型化、携帯化にともない、高エネルギー密度の電池の開発が求められている。その有力候補として、コークス、黒鉛等の炭素材料が、デンドライト状の電析リチウムの成長による内部短絡の危険性がないため、以前から提案されていた金属リチウム負極を用いたリチウム二次電池に変わる新しい負極材料として注目されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような炭素材料を負極に用いた場合でも、充放電サイクルの進行とともに炭素負極上で有機溶媒電解液が分解して電池容量が次第に低下するという問題があった。また、炭素材料の黒鉛化度が高くなると、容量が大きくなる反面、有機溶媒電解液を分解しやすくなり、サイクル特性が悪くなるという傾向がある。
本発明は、充放電サイクルの進行にともなう炭素負極上の分解が少ないリチウム二次電池用電解液を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、溶質としてのリチウム塩、式（Ｉ）で示されるアルカンスルホン酸無水物、
【化２】
〔式中、Ｒ１及びＲ２は各々独立して炭素数１〜６のアルキル基を表す。〕
および前記リチウム塩を溶解する有機溶媒を含有するリチウム二次電池用電解液であって、前記アルカンスルホン酸無水物は、電解液中０．１〜５０重量％の濃度で含有されるリチウム二次電池用電解液を提供するものである。
【０００５】
【作用】
本発明において、リチウム二次電池用電解液はアルカンスルホン酸無水物を含有しており、このアルカンスルホン酸無水物が炭素電極と反応して、リチウムイオン透過性の高い皮膜を炭素電極表面に形成し、この皮膜が電解液の分解を抑制する。
【０００６】
【発明の実施の形態】
リチウム塩：
溶質としてのリチウム塩としては、従来リチウム二次電池用電解液の溶質として使用されているものが使用できる。例えばＬｉＰＦ6 、ＬｉＣｌＯ4 、ＬｉＢＦ4 、ＣＦ3 ＳＯ3 Ｌｉ、（ＣＦ3 ＳＯ2 ）2 ＮＬｉ、ＬｉＡｓＦ6 などである。
溶質は、有機溶媒に溶解される。電解液中の溶質の濃度は、０．５〜１．５Ｍ（モル／リットル）である。
【０００７】
有機溶媒：
溶質を溶解する有機溶媒としては、炭酸エチレン、炭酸プロピレン、炭酸ブチレン、炭酸ジメチル、炭酸エチルメチル、炭酸ジエチル、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、γ−ブチロラクトン、１，２−ジメトキシエタン、１，２−ジエトキシエタンなどから選ばれたものを単一溶媒として、あるいは複数の混合溶媒として用いる。
有機溶媒は電解液中、１８〜９６重量％用いられる。
【０００８】
アルカンスルホン酸無水物：
アルカンスルホン酸無水物としては、メタンスルホン酸無水物、エタンスルホン酸無水物、プロパンスルホン酸無水物、ブタンスルホン酸無水物、ペンタンスルホン酸無水物、ヘキサンスルホン酸無水物が例示される。
本発明において、アルカンスルホン酸無水物の含有量はリチウム二次電池用電解液中０．１〜５０重量％、好ましくは０．３〜１０重量％である。同濃度が０．１重量％未満の場合は、十分な厚さの皮膜が炭素電極表面に形成されないため、炭素電極表面上における電解液の分解を抑制できず、サイクル特性が十分に改善できないためである。一方、同濃度が５０重量％を越えた場合は、皮膜が厚くなりすぎてリチウムイオン透過性が悪くなる故に、極板の反応抵抗が増大し、サイクル特性が低下する。
このアルカンスルホン酸無水物と有機溶媒の合せた使用量は、電解液中６８〜９６重量％であるのが好ましい。
【０００９】
リチウム二次電池：
図１は、後述する実施例及び比較例において作製した炭素電極を正極とするリチウム二次電池（コイン型；直径２０ｍｍ、厚さ１６ｍｍ）の断面図である。このコイン型セルは、ステンレス製ケース１、ステンレス製封口板２、天然黒鉛を同シートに敷いた正極３、金属リチウムシートの負極４、有機溶媒電解液に浸された多孔性ポリプロピレンフィルムのセパレータ５、絶縁ガスケット６とから構成されている。
【００１０】
【実施例】
以下、本発明を実施例により詳細に説明する。
実施例１
図１に示すコイン型セル（リチウム二次電池）を作製した。
ここで電解液は、炭酸エチレン（ＥＣ）２２．９ｇと炭酸プロピレン（ＰＣ）２１．０ｇを体積比５：５で混合した混合溶媒にＬｉＰＦ6 ５．６ｇを電解質として溶解させ、さらにメタンスルホン酸無水物を０．５ｇ含有させた。
電解液中のＬｉＰＦ6 の濃度は１．０Ｍ（モル／リットル）で、メタンスルホン酸無水物の濃度は１重量％である。
【００１１】
比較例１
アルカンスルホン酸無水物を含有しない電解液として、炭酸エチレン（ＥＣ）２３．１ｇと炭酸プロピレン（ＰＣ）２１．２ｇを体積比５：５で混合した混合溶媒に、ＬｉＰＦ6 ５．７ｇを溶解させたものを用いる外は実施例１と同様にしてコイン型セルを作製した。
【００１２】
（サイクル特性）
実施例１および比較例１で得たコイン型セルについて、０．６１３ｍＡで放電終止電圧０．０Ｖまで放電した後、０．６１３ｍＡで充電終止電圧１．０Ｖまで充電して、各電解液を用いたコイン型セルのサイクル特性を調べた。その結果を図２に示す。
図２には、各コイン型セルのサイクル特性を、縦軸に炭素材料１ｇ当たりの容量である炭素電極容量（ｍＡｈ／ｇ）を、横軸にサイクル数（回）をとったグラフを示した。同図が示すように本発明電解液を用いたコイン型セルの炭素電極容量は、比較電解液を用いた場合と比べ、初期サイクルから大きい。
【００１３】
また、図３で示すように、本発明の電解液を用いたコイン型セルの２０サイクルでの容量維持率（実施例１：９３％）は、アルカンスルホン酸無水物を含有しない電解液を用いた場合の同じサイクルでの容量維持率（比較例１：８５％）と比較して大きい。このことから、電解液に含有されるアルカンスルホン酸無水物により、炭素電極表面にリチウムイオン透過性の高い皮膜が生成し、充放電時の電解液の分解による容量低下が抑制されることが理解される。
【００１４】
上記実施例では、アルカンスルホン酸無水物としてメタンスルホン酸無水物を用いた場合を例に説明したが、エタンスルホン酸無水物、プロパンスルホン酸無水物、ブタンスルホン酸無水物、ペンタンスルホン酸無水物、ヘキサンスルホン酸無水物などの他のアルカンスルホン酸無水物を用いた場合にも同様な優れたサイクル特性を示す電解液を得ることができる。
【００１５】
【発明の効果】
リチウム二次電池用電解液中に含まれるアルカンスルホン酸無水物が炭素電極の表面で反応し、リチウムイオン透過性の高い皮膜（保護膜）が形成され、電極表面における電解液の分解劣化が抑制される。そのため本発明の電解液を用いたコイン型セルは、充放電サイクルの進行と共に起きる容量劣化が小さいなど、優れた特有の効果を発現する。
【図面の簡単な説明】
【図１】コイン型セルの断面図である。
【図２】コイン型セルのサイクル特性を示すグラフである。
【図３】コイン型セルの容量維持率を示すグラフである。
【発明の属する技術分野】
本発明はリチウム二次電池の電解液に関するものである。特にリチウム二次電池用有機溶媒電解液のサイクル特性の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電子機器の小型化、携帯化にともない、高エネルギー密度の電池の開発が求められている。その有力候補として、コークス、黒鉛等の炭素材料が、デンドライト状の電析リチウムの成長による内部短絡の危険性がないため、以前から提案されていた金属リチウム負極を用いたリチウム二次電池に変わる新しい負極材料として注目されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような炭素材料を負極に用いた場合でも、充放電サイクルの進行とともに炭素負極上で有機溶媒電解液が分解して電池容量が次第に低下するという問題があった。また、炭素材料の黒鉛化度が高くなると、容量が大きくなる反面、有機溶媒電解液を分解しやすくなり、サイクル特性が悪くなるという傾向がある。
本発明は、充放電サイクルの進行にともなう炭素負極上の分解が少ないリチウム二次電池用電解液を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、溶質としてのリチウム塩、式（Ｉ）で示されるアルカンスルホン酸無水物、
【化２】
および前記リチウム塩を溶解する有機溶媒を含有するリチウム二次電池用電解液であって、前記アルカンスルホン酸無水物は、電解液中０．１〜５０重量％の濃度で含有されるリチウム二次電池用電解液を提供するものである。
【０００５】
【作用】
本発明において、リチウム二次電池用電解液はアルカンスルホン酸無水物を含有しており、このアルカンスルホン酸無水物が炭素電極と反応して、リチウムイオン透過性の高い皮膜を炭素電極表面に形成し、この皮膜が電解液の分解を抑制する。
【０００６】
【発明の実施の形態】
リチウム塩：
溶質としてのリチウム塩としては、従来リチウム二次電池用電解液の溶質として使用されているものが使用できる。例えばＬｉＰＦ6 、ＬｉＣｌＯ4 、ＬｉＢＦ4 、ＣＦ3 ＳＯ3 Ｌｉ、（ＣＦ3 ＳＯ2 ）2 ＮＬｉ、ＬｉＡｓＦ6 などである。
溶質は、有機溶媒に溶解される。電解液中の溶質の濃度は、０．５〜１．５Ｍ（モル／リットル）である。
【０００７】
有機溶媒：
溶質を溶解する有機溶媒としては、炭酸エチレン、炭酸プロピレン、炭酸ブチレン、炭酸ジメチル、炭酸エチルメチル、炭酸ジエチル、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、γ−ブチロラクトン、１，２−ジメトキシエタン、１，２−ジエトキシエタンなどから選ばれたものを単一溶媒として、あるいは複数の混合溶媒として用いる。
有機溶媒は電解液中、１８〜９６重量％用いられる。
【０００８】
アルカンスルホン酸無水物：
アルカンスルホン酸無水物としては、メタンスルホン酸無水物、エタンスルホン酸無水物、プロパンスルホン酸無水物、ブタンスルホン酸無水物、ペンタンスルホン酸無水物、ヘキサンスルホン酸無水物が例示される。
本発明において、アルカンスルホン酸無水物の含有量はリチウム二次電池用電解液中０．１〜５０重量％、好ましくは０．３〜１０重量％である。同濃度が０．１重量％未満の場合は、十分な厚さの皮膜が炭素電極表面に形成されないため、炭素電極表面上における電解液の分解を抑制できず、サイクル特性が十分に改善できないためである。一方、同濃度が５０重量％を越えた場合は、皮膜が厚くなりすぎてリチウムイオン透過性が悪くなる故に、極板の反応抵抗が増大し、サイクル特性が低下する。
このアルカンスルホン酸無水物と有機溶媒の合せた使用量は、電解液中６８〜９６重量％であるのが好ましい。
【０００９】
リチウム二次電池：
図１は、後述する実施例及び比較例において作製した炭素電極を正極とするリチウム二次電池（コイン型；直径２０ｍｍ、厚さ１６ｍｍ）の断面図である。このコイン型セルは、ステンレス製ケース１、ステンレス製封口板２、天然黒鉛を同シートに敷いた正極３、金属リチウムシートの負極４、有機溶媒電解液に浸された多孔性ポリプロピレンフィルムのセパレータ５、絶縁ガスケット６とから構成されている。
【００１０】
【実施例】
以下、本発明を実施例により詳細に説明する。
実施例１
図１に示すコイン型セル（リチウム二次電池）を作製した。
ここで電解液は、炭酸エチレン（ＥＣ）２２．９ｇと炭酸プロピレン（ＰＣ）２１．０ｇを体積比５：５で混合した混合溶媒にＬｉＰＦ6 ５．６ｇを電解質として溶解させ、さらにメタンスルホン酸無水物を０．５ｇ含有させた。
電解液中のＬｉＰＦ6 の濃度は１．０Ｍ（モル／リットル）で、メタンスルホン酸無水物の濃度は１重量％である。
【００１１】
比較例１
アルカンスルホン酸無水物を含有しない電解液として、炭酸エチレン（ＥＣ）２３．１ｇと炭酸プロピレン（ＰＣ）２１．２ｇを体積比５：５で混合した混合溶媒に、ＬｉＰＦ6 ５．７ｇを溶解させたものを用いる外は実施例１と同様にしてコイン型セルを作製した。
【００１２】
（サイクル特性）
実施例１および比較例１で得たコイン型セルについて、０．６１３ｍＡで放電終止電圧０．０Ｖまで放電した後、０．６１３ｍＡで充電終止電圧１．０Ｖまで充電して、各電解液を用いたコイン型セルのサイクル特性を調べた。その結果を図２に示す。
図２には、各コイン型セルのサイクル特性を、縦軸に炭素材料１ｇ当たりの容量である炭素電極容量（ｍＡｈ／ｇ）を、横軸にサイクル数（回）をとったグラフを示した。同図が示すように本発明電解液を用いたコイン型セルの炭素電極容量は、比較電解液を用いた場合と比べ、初期サイクルから大きい。
【００１３】
また、図３で示すように、本発明の電解液を用いたコイン型セルの２０サイクルでの容量維持率（実施例１：９３％）は、アルカンスルホン酸無水物を含有しない電解液を用いた場合の同じサイクルでの容量維持率（比較例１：８５％）と比較して大きい。このことから、電解液に含有されるアルカンスルホン酸無水物により、炭素電極表面にリチウムイオン透過性の高い皮膜が生成し、充放電時の電解液の分解による容量低下が抑制されることが理解される。
【００１４】
上記実施例では、アルカンスルホン酸無水物としてメタンスルホン酸無水物を用いた場合を例に説明したが、エタンスルホン酸無水物、プロパンスルホン酸無水物、ブタンスルホン酸無水物、ペンタンスルホン酸無水物、ヘキサンスルホン酸無水物などの他のアルカンスルホン酸無水物を用いた場合にも同様な優れたサイクル特性を示す電解液を得ることができる。
【００１５】
【発明の効果】
リチウム二次電池用電解液中に含まれるアルカンスルホン酸無水物が炭素電極の表面で反応し、リチウムイオン透過性の高い皮膜（保護膜）が形成され、電極表面における電解液の分解劣化が抑制される。そのため本発明の電解液を用いたコイン型セルは、充放電サイクルの進行と共に起きる容量劣化が小さいなど、優れた特有の効果を発現する。
【図面の簡単な説明】
【図１】コイン型セルの断面図である。
【図２】コイン型セルのサイクル特性を示すグラフである。
【図３】コイン型セルの容量維持率を示すグラフである。
Claims (4)
- 溶質としてのリチウム塩、式（Ｉ）で示されるアルカンスルホン酸無水物
および前記リチウム塩を溶解する有機溶媒を含有するリチウム二次電池用電解液であって、前記アルカンスルホン酸無水物は、電解液中０．１〜５０重量％の濃度で含有されることを特徴とするリチウム二次電池用電解液。 - アルカンスルホン酸無水物が、メタンスルホン酸無水物である請求項１記載のリチウム二次電池用電解液。
- リチウム塩が、ＬｉＰＦ６、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＢＦ４、ＣＦ３ＳＯ３Ｌｉ、（ＣＦ３ＳＯ２）２ＮＬｉおよびＬｉＡｓＦ６より選ばれた化合物である請求項１記載のリチウム二次電池用電解液。
- 有機溶媒が、炭酸エチレン、炭酸プロピレン、炭酸ブチレン、炭酸ジメチル、炭酸エチルメチル、炭酸ジエチル、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、γ−ブチロラクトン、１，２−ジメトキシエタンおよび１，２−ジエトキシエタンから選ばれたものである請求項１記載のリチウム二次電池用電解液。
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