JP3914048B2 - 非水二次電池及びこれを用いた携帯機器 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電池の過充電安全性の改善と貯蔵信頼性を確保できる非水二次電池及びこれを用いた携帯機器に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
リチウムイオン電池に代表される非水二次電池は、高電圧、高エネルギー密度であるため、その需要は年々増加している。しかし、電池が高エネルギー密度になるにつれてその安全性は逆に低下していくため、安全性の向上も高エネルギー密度の電池ではより重要になる。また、通常考えられている安全対策ではエネルギー密度が低下する傾向にあるため、エネルギー密度を維持しつつ、安全性をも改善する方策が待望されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
従来、非水二次電池の電解液に特別な添加剤を含有させて過充電安全性を確保することが行われている。これまで高電圧で重合して過充電時の安全性を改善する電解液の添加剤として、特開平9−171840号公報に記載のビフェニルや、特開2001−015155号公報に記載のシクロヘキシルベンゼン等が提案されている。これらの添加剤は、過充電時にガスが発生して電流遮断弁を作動させやすくするものであり、電流遮断弁との組み合わせで安全性を確保するものである。しかし、角型電池では通常電流遮断弁を備えていないため、その効果を十分に発揮できないという問題がある。また、前記電解液の添加剤を特に表面積の大きい正極と組み合わせて多量に用いると、充電状態での添加剤の安定性が低下し、高温で長時間放置しておくと電解液の分解等が起こり、電池の膨れが生じたり、内部抵抗が上昇しやすいという問題がある。その時に発生するガスにより、筒形電池では内圧が上昇し、角形電池やラミネート電池では電池の膨れとして現れる。特に角形電池やラミネート電池では、外見上のサイズ変化として現れる。
【0004】
一方、フルオロベンゼン等を前記電解液の添加剤として使用すると、フルオロベンゼン自体は高電圧で安定であり、少々添加しても過充電に対する効果は低いが、電池の膨れ等は生じにくい。例えば、フルオロベンゼンの添加量を増やしていくと過充電性能は良くなっていくが、シクロヘキシルベンゼンを添加するほどの効果は見られない。
【0005】
本発明は前記従来の問題を解決するためになされたものであり、優れた過充電安全性を備え、且つ高温貯蔵時のガス発生が少なく、貯蔵信頼性を確保できる非水二次電池を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明の非水二次電池は、正極と、負極と、非水電解液とを備えた非水二次電池であって、前記非水電解液が、ベンゼン環にハロゲン基が結合した化合物Aと、この化合物Aより低い電位で酸化される芳香族又は/及び複素環化合物Bとを含有していることを特徴とする。
【0007】
また、本発明の非水二次電池は、前記非水電解液全体に対する前記化合物Aの含有量が1質量%以上15質量%以下であり、前記化合物Bの含有量が0.005質量%以上3質量%以下であることが好ましい。
【0008】
また、本発明の非水二次電池は、前記正極が導電助剤として炭素材料を含み、正極合剤全体に対する前記導電助剤の含有量が5質量%以下であることが好ましい。
【0009】
また、本発明の非水二次電池は、前記非水電解液が−SO2結合を有する化合物を含有していることが好ましい。
【0010】
また、本発明の非水二次電池は、その電池の形式を角形電池又はラミネート電池とすることができる。
【0011】
また、0.6A以上で充電されることのある携帯機器との組み合わせが、本発明の非水二次電池の望ましい用途である。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
【0013】
本発明では電解液中にベンゼン環にハロゲン基が結合した化合物Aと、これより低い電位で酸化される芳香族又は/及び複素環化合物Bとを含むことが必要であり、両者の相互作用により、過充電安全性と貯蔵信頼性を実現するものである。
【0014】
上記化合物Aとしては、フルオロベンゼン、ジフルオロベンゼン、トリフルオロベンゼン、クロロベンゼン、又はその誘導体が好ましいが、シクロヘキシルベンゼン、イソプロピルベンゼン、n−ブチルベンゼン、オクチルベンゼン、トルエン、キシレン等の芳香環にハロゲン基が結合したものであってもよく、ハロゲン基としては特にフッ素が望ましい。また、前記化合物Aとしては非イオン性の化合物が望ましい。中でもフッ素置換されたベンゼン、特にフルオロベンゼンが最も望ましい。
【0015】
化合物Aの含有量は、電解液中で1質量%以上が望ましく、2質量%以上がより望ましく、3質量%以上が最も望ましい。また、化合物Aの含有量は、電解液中で15質量%以下が望ましく、10質量%以下がより望ましく、7質量%以下が最も望ましい。
【0016】
また、上記化合物Bとしては、化合物Aより低い電位で酸化される芳香族化合物であり、例えば化合物Aがフッ素置換のベンゼンである場合、ビフェニル、ジフェニルメタン、ジフェニルエーテル、ナフタレン等が挙げられる。特に、ビフェニルが最も望ましい。
【0017】
化合物Bの化合物Aに対する割合は、20質量%以下が望ましく、15質量%以下がより望ましく、10質量%以下が最も望ましい。また、化合物Bの化合物Aに対する割合は、0.5質量%以上が望ましく、1質量%以上がより望ましく、2質量%以上が最も望ましい。
【0018】
化合物Aと化合物Bの相互作用についてはまだ詳細は不明であるが、以下のように推定される。即ち、化合物Bは化合物Aより低い電位で酸化されるため、充電時に化合物Aより先に正極の活性部位と反応して薄い被膜を形成し、これにより過充電時に化合物Aが電極上で均一な状態でより反応しやすくなり、過充電性能が向上すると考えられる。化合物Bが多くなると化合物Bが電池の膨れやインピーダンスの上昇に影響するので、非水電解液全体に対する化合物Bの含有量は、3質量%以下が望ましく、0.5質量%以下がより望ましく、0.2質量%以下が最も望ましい。また、少なすぎると十分な被膜を形成できないので、化合物Bの含有量は、0.005質量%以上が望ましく、0.05質量%以上がより望ましく、0.1質量%以上が最も望ましい。
【0019】
また、本発明の電解液中には、−SO2結合を有する化合物を含有させておくことが好ましく、特に−O−SO2結合を有する化合物を溶解させておくことがより好ましい。そのような−O−SO2結合を有する化合物としては、例えば、1,3−プロパンスルトン、メチルエチルスルフォネート、ジエチルサルフェート等が挙げられる。その含有量は、電解液中で0.5質量%以上が望ましく、1質量%以上がより望ましく、2質量%以上が最も望ましい。また、10質量%以下が望ましく、5質量%以下がより望ましく、3質量%以下が最も望ましい。この化合物の添加により過充電時の安全性が更に向上する。
【0020】
本発明の非水二次電池に用いる電解質には、有機電解液を用いてもよいし、高分子や固体を用いた電解質であってもよいが、有機溶媒(非水電解液)を少なくとも含有することが必要である。有機電解液としては、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ブチレンカーボネート(BC)、ジメチルカーボネート(DMC)、メチルエチルカーボネート(MEC)、ジエチルカーボネート(DEC)等の炭酸エステルや、γ−ブチロラクトン(γ−BL)、酢酸メチル(EA)等のエステル類を主に用いることができる。また、その他に、1,3−ジオキソラン、1,2−ジメトキシエタン等のエーテル類、スルホラン等の硫黄化合物、含窒素化合物、含珪素化合物、含フッ素化合物、含リン化合物等の有機溶媒を単独又は混合して用いてもよく、これにリチウム塩を溶解して用いられる。
【0021】
有機電解液に溶解させるリチウム塩としては、LiPF6、LiCn2n+1SO3(n>1)、LiClO4、LiBF4、LiAsF6、(Cn2n+1SO2)(Cm2m+1SO2)NLi(m,n≧1)、(RfOSO22NLi(Rfは炭素数が2以上のハロゲンを含むアルキル基で、Rfは異なるものであってもよいし、Rf同士が互いに結合していてもよい。例えば、(CH2(CF24CH2OSO2N(Li)SO2O)n(n:整数)のようにポリマー状に結合していてもよい。)これらのリチウム塩は上記有機電解液に対して通常、0.1〜2mol/dm3溶解させる。リチウム塩の種類は特に限定されるものではないが、LiPF6や炭素数2個以上の含フッ素有機リチウム塩が望ましい。
【0022】
正極活物質としては、例えばLiCoO2等のリチウムコバルト酸化物、LiMn24等のリチウムマンガン酸化物、LiNiO2等のリチウムニッケル酸化物、二酸化マンガン、五酸化バナジウム、クロム酸化物等の金属酸化物、又は二硫化チタン、二硫化モリブデン等の金属硫化物が用いられる。また、正極は、それらの正極活物質に導電助剤やポリフッ化ビニリデン等の結着剤を適宜添加した正極合剤を、アルミニウム箔等の集電材料を芯材として成形体に仕上げたものが用いられる。正極活物質としては、特にLiNiO2、LiCoO2、LiMn24等のように充電された時にLi基準で4.2V以上となるものが望ましく、より望ましくは充電終了後の開路電圧がLi基準で4.3V以上を示すリチウム複合酸化物である。正極活物質として最も望ましくはLiCoO2又はLiNiO2を用いることであり、これらの一部が異種元素で置換されていてもよい。
【0023】
本発明では、表面積の大きい正極と組み合わせても電池の膨れが少なく、従来のシクロヘキシルベンゼンを用いるより有利である。また、正極の表面積は0.4m2/g以上が望ましく、0.5m2/g以上がより望ましい。また、正極の表面積は1m2/g以下が望ましく、0.7m2/g以下がより望ましい。表面積が大きくなりすぎると電解液との反応性が増加する傾向にあるからである。
【0024】
正極の導電助剤としては種々のものを用い得るが、特に炭素材料を用いることが好ましい。また、その導電助剤の含有量は、その正極合剤(正極活物質と導電助剤と結着剤との混合物)全体に対して5質量%以下にすることが好ましい。これは正極合剤中における導電助剤としての炭素材料の含有量が5質量%を超えると、充電状態で電解液溶媒との反応によりガスが発生しやすくなるおそれがあるためである。そのため、導電助剤としての炭素材料の含有量は、正極合剤中で3質量%以下にすることがより好ましく、2.5質量%以下にすることが更に好ましい。一方、導電助剤が少なすぎると正極の導電性が低下して電池特性を低下させる傾向があるので、その含有量は、正極合剤中で1質量%以上が好ましく、1.5質量%以上がより好ましく、2質量%以上が更に好ましい。
【0025】
上記導電助剤の炭素材料の種類としては特に限定されるものではないが、結晶性の低いカーボンブラック等の材料を用いると、高温貯蔵時の電池の膨れを抑制できることから好ましい。また、この結晶性の低い炭素材料に結晶性の高い炭素材料、例えば、黒鉛系炭素材料を一部併用すると導電性が向上し、導電助剤の使用量を低減できることから好ましい。このように、導電助剤として結晶性の低い炭素材料と結晶性の高い炭素材料とを併用する場合、結晶性の低い炭素材料の量を全導電助剤中の50質量%以上にすることが好ましく、70質量%以上にすることがより好ましい。また、95質量%以下にすることが好ましく、80質量%以下にすることがより好ましい。結晶性の判断としては、一般的に(002)面の面間隔が0.345nmより大きいものを結晶性が低い炭素材料とするが、判断が困難な場合には、ラマンスペクトルの1540〜1600cm-1のピークの半値幅が100cm-1以上であるものを低結晶性と考える。
【0026】
また、負極は、炭素材料又はLiが挿入可能な金属酸化物や金属窒化物に、結着剤、場合によっては導電材を加えたものをともに溶媒に分散させ、銅箔等の集電材料に塗布して乾燥後、成形体に仕上げたものを用いる。Liの挿入可能な金属酸化物としては、SnやSiを含む金属化合物、例えばSnOx、SiOx等が挙げられる。また、金属窒化物としては、Li2.6Co0.4N等が挙げられる。
【0027】
セパレータとしては、薄い方がエネルギー密度を高くできるため好ましく、厚み20μm以下が望ましいが、安全性の点からは10μm以上とするのが望ましい。セパレータの空孔率は、大きすぎると化合物A及びBの効果が低下するおそれがあるため、42%以下が望ましく、40%以下がより望ましく、38%以下が最も望ましい。一方、空孔率が小さすぎると負荷特性等が低下するおそれがあるため、30%以上が望ましく、33%以上がより望ましく、35%以上が最も望ましい。
【0028】
セパレータの透気度は、小さすぎると化合物A及びBの効果が低下するおそれがあるため、200以上が望ましく、300以上がより望ましい。一方、透気度が大きすぎると特性低下のおそれがあるため、500以下が望ましく、400以下がより望ましい。
【0029】
また、本発明は、ラミネート電池、角形電池で効果が大きいが、筒型電池、ボタン型電池、コイン型電池等の各種の電池形式にも適応可能である。
【0030】
また、本発明の携帯機器とは、携帯電話、ノートパソコン、PDA、小型医療機器等の持ち運び可能な非水二次電池を用いた機器であるが、充電電流が0.6A以上になることのあるものは、本発明の非水二次電池との組み合わせにより信頼性が向上するので特に望ましい。
【0031】
【実施例】
次に、本発明を実施例に基づきより具体的に説明する。だだし、本発明は以下の実施例にのみ限定されるものではない。
【0032】
(実施例1)
本発明の電解液を次のように準備した。まず、ECとMECの体積比が1:2の混合溶媒にLiPF6を1.2mol/dm3溶解させる。更に、この混合溶媒に添加剤としてフルオロベンゼン(FB)を5質量%、ビフェニル(BP)を0.1質量%溶解させ、BPのFBに対する含有量が2質量%の電解液を調製した。
【0033】
次に、正極を以下のようにして準備した。まず、表面積0.5m2/gのLiCoO293.5質量部にカーボンブラック2.0質量部と黒鉛(ロンザ社製の“KS−6”)0.5質量部を加えて混合し、得られた混合物をあらかじめポリフッ化ビニリデン4質量部をN−メチルピロリドンに溶解させておいた溶液に加えて混合し、正極合剤含有ペーストを調製した。得られた正極合剤含有ペーストを厚さ15μmのアルミニウム箔からなる正極集電体の両面に均一に塗布し、乾燥して正極合剤層を形成し、その後、ローラープレス機により加圧成形した後、所定の大きさに切断し、リード体を溶接して帯状の正極を作製した。ただし、上記正極では、作製後の正極をセパレータと介して負極と巻回した巻回構造の電極積層体において、負極と対向しない最内周部の内面側となる部分には正極合剤含有ぺーストを塗布しなかった。なお、上記正極合剤中における導電助剤(カーボンブラックと黒鉛)の含有量は2.5質量%であった。
【0034】
更に、負極を以下のようにして準備した。まず、メソカーボンマイクロビーズ焼成体95質量部を、あらかじめポリフッ化ビニリデン5質量部をN−メチルピロリドンに溶解させておいた溶液に加えて混合し、負極合剤含有ペーストを調製した。得られた負極合剤含有ペーストを厚さ10μmの銅箔からなる負極集電体の両面に塗布し、乾燥して負極合剤層を形成し、その後、ローラープレス機により加圧成形した後、所定の大きさに切断し、リード体を溶接して帯状の負極を作製した。ただし、上記負極では、作製後の負極をセパレータと介して正極と巻回した巻回構造の電極積層体において、正極と対向しない最外周部の外面側には負極合剤含有ペーストを塗布しなかった。
【0035】
続いて、上記の正極と負極を厚さ20μm、空孔率37%、透気度400秒/100cm3の微孔性ポリエチレンフィルムからなるセパレータを介して重ね、渦巻状に巻回した後、扁平状になるように加圧して扁平状巻回構造の電極積層体とした。その後、その電極積層体に絶縁テープを取り付け、外寸が厚み(奥行き)4mm、幅30mm、高さ48mmの角形の電池ケース内に挿入し、リード体の溶接と、封口用蓋板の電池ケースの開口端部へのレーザー溶接を行い、封口用蓋板に設けた電解液注入口から前記電解液を電池ケース内に注入し、電解液がセパレータ等に充分に浸透した後、電解液注入口を封止して密閉状態にした後、予備充電、エイジングを行い、図1に示すような構造の角形の非水二次電池を作製した。
【0036】
図1は、本発明に係る非水二次電池の一例を模式的に示す図であり、(a)はその平面図、(b)はその部分縦断面図である。図1において、正極1と負極2は前述のようにセパレータ3を介して渦巻状に巻回した後、扁平状になるように加圧して扁平状巻回構造の電極積層体6として、角形の電池ケース4に前記電解液とともに収容されている。ただし、図1では、煩雑化を避けるため、正極1や負極2の作製にあたって使用した集電体としての金属箔や電解液等は図示していない。
【0037】
電池ケース4はアルミニウム合金で形成され、電池の外装材となるものであり、この電池ケース4は正極端子を兼ねている。また、電池ケース4の底部にはポリテトラフルオロエチレンシートからなる絶縁体5が配置され、前記正極1、負極2及びセパレータ3からなる扁平状巻回構造の電極積層体6からは正極1及び負極2のそれぞれ一端に接続された正極リード体7と負極リード体8が引き出されている。また、電池ケース4の開口部を封口するアルミニウム合金製の蓋板9には、ポリプロピレン製の絶縁パッキング10を介してステンレス鋼製の端子11が取り付けられ、この端子11には絶縁体12を介してステンレス鋼製のリード板13が取り付けられている。更に、この蓋板9は上記電池ケース4の開口部に挿入され、両者の接合部を溶接することによって、電池ケース4の開口部が封口され、電池内部が密閉されている。
【0038】
なお、実施例1の電池では、正極リード体7を蓋板9に直接溶接することによって電池ケース4と蓋板9とが正極端子として機能し、負極リード体8をリード板13に溶接し、そのリード板13を介して負極リード体8と端子11とを導通させることによって端子11が負極端子として機能するようになっているが、電池ケース4の材質などによっては、その正極、負極が逆になる場合もある。
【0039】
(実施例2)
実施例1で調整した電解液に更に1,3−プロパンスルトンを2質量%溶解させたこと以外は実施例1と同様にして、本発明の角型の非水二次電池を作成した。
【0040】
(比較例1)
電解液にビフェニル(BP)を添加しなかったこと以外は実施例2と同様にして、角型の非水二次電池を作製した。
【0041】
(比較例2)
電解液にフルオロベンゼン(FB)を添加しなかったこと以外は実施例2と同様にして、角型の非水二次電池を作製した。
【0042】
(比較例3)
電解液にフルオロベンゼン(FB)を添加せず、またビフェニル(BP)の添加量を5質量%としたこと以外は実施例2と同様にして、角型の非水二次電池を作製した。
【0043】
次に、実施例1、2及び比較例1〜3の電池を、室温で1CmAで3.0Vまで放電させ、1CmA、4.2Vの定電流定電圧の条件で2.5時間充電後、0.2CmAで3.0Vまで放電させた。4.2Vまで充電したときの正極電位はLi基準で4.3Vであった。
【0044】
続いて、以下のようにして過充電安全試験と貯蔵試験を行った。過充電安全試験については、電池を1CmAで4.2Vの定電流定電圧の条件で2.5時間充電後、6Vを上限電圧として0.4〜0.6Aで過充電した。これにより、電池の表面温度が135℃以上となる最小電流値を測定し、これを過充電安全電流値として表1に示した。
【0045】
また、貯蔵試験については、電池を1CmAで4.2Vの定電流定電圧の条件で2.5時間充電後、1CmAで3.0Vまで放電させた。その後、1CmAで4.2Vの定電流定電圧の条件で2.5時間充電を行い、充電状態で電池の厚みを測定した。その後、60℃の恒温槽に20日間貯蔵後、電池の厚みを測定した。これにより、貯蔵による電池の厚み変化率(%)を下記式により求め、その結果を表1に示した。
厚み変化率(%)=〔(貯蔵後の厚み)−(貯蔵前の厚み)〕÷(貯蔵前の厚み)×100
なお、添加剤の酸化電位については、作用極に直径0.3mmの白金線、対極、参照極に金属リチウムを用い、電位ステップ法を用いて求めた。測定装置は、東洋システム社製の充放電装置“TOSCAT−3100U”を用いた。測定条件は、リチウム基準で3Vあるいは4Vから上限電流0.2mAの定電圧充電を行い、電流値が5μAになった場合に次の電圧に上昇させた。また、電解液はECとMECの体積比が1:2の混合溶媒にLiPF6を1.2mol/dm3溶解させ、添加剤を1質量%溶解させたものを用いた。電流値が5μA以下にならない電位を酸化電位とした。上昇電位幅は0.03Vである。その結果、フルオロベンゼンの酸化電位は5.10V、ビフェニルの酸化電位は4.54Vであった。
【0046】
【表1】
Figure 0003914048
【0047】
表1の結果から、電解液中に化合物Aと化合物Bを含有させた実施例1、2の電池は、過充電安全性を高めつつ、貯蔵時の電池の膨れを抑えていることがわかる。また、電解液中に−SO2結合を有する化合物を含有している実施例2は、実施例1に比べて、より貯蔵信頼性を高めることができることがわかる。
【0048】
一方、電解液中に化合物A又はBが含まれない比較例1、2の電池は過充電安全性が不充分であった。更に、電解液中に化合物Aを含まないで化合物Bの含有量が多い比較例3では貯蔵時の電池の膨れが大きかった。
【0049】
また、本発明の実施例2の電池を携帯電話の電源として用い、保護回路を作動させないようにし、0.6Aで6Vまで充電しつづけても電池の表面温度は135℃以上に上昇しなかったのに対し、比較例1の電池は135℃以上に上昇するものがあった。
【0050】
【発明の効果】
以上で説明したように、本発明は、電解液中にベンゼン環にハロゲン基が結合した化合物Aと、この化合物Aより低い電位で酸化される芳香族又は/及び複素環化合物Bとを含有させることにより、過充電安全性を改善し、貯蔵信頼性を確保できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係る非水二次電池の一例を模式的に示す図であり、(a)はその平面図、(b)はその部分縦断面図である。
【符号の説明】
1 正極
2 負極
3 セパレータ
4 電池ケース
5 絶縁体
6 電極積層体
7 正極リード体
8 負極リード体
9 蓋板
10 絶縁パッキング
11 端子
12 絶縁体
13 リード板

Claims (5)

  1. 充電された時にLi基準で4.2V以上となるリチウム複合酸化物を含む正極と、負極と、非水電解液とを備えた非水二次電池であって、
    前記非水電解液が、ベンゼン環にフッ素基が結合した化合物Aと、前記化合物Aより低い電位で酸化される芳香族化合物Bとを含有し
    前記芳香族化合物Bは、ビフェニル、ジフェニルメタン、ジフェニルエーテル及びナフタレンからなる群から選ばれた少なくとも1種であり、
    前記非水電解液全体に対する前記化合物Aの含有量が、1質量%以上15質量%以下であり、前記芳香族化合物Bの含有量が、0.005質量%以上3質量%以下であることを特徴とする非水二次電池。
  2. 前記正極が導電助剤として炭素材料を含み、正極合剤全体に対する前記導電助剤の含有量が5質量%以下である請求項1に記載の非水二次電池。
  3. 前記非水電解液が、1,3−プロパンスルトン、メチルエチルスルフォネート及びジエチルサルフェートからなる群から選ばれた少なくとも1種の化合物を含有している請求項1に記載の非水二次電池。
  4. 電池の形式が、角形電池又はラミネート電池である請求項1〜のいずれかに記載の非水二次電池。
  5. 請求項1〜のいずれかに記載の非水二次電池を用いた携帯機器であって、充電時に0.6A以上で充電されることのある携帯機器。
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