JP4283566B2 - Non-aqueous electrolyte and lithium secondary battery using the same - Google Patents

Non-aqueous electrolyte and lithium secondary battery using the same Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、非水系電解液及びそれを用いたリチウム二次電池に関する。
【0002】
【従来の技術】
リチウム二次電池はエネルギー密度が高く、しかも自己放電を起こしにくいという利点がある。そこで近年、携帯電話やノートパソコン、PDA等の民生用モバイル機器用の電源として広く利用されている。リチウム二次電池用の電解液は支持電解質であるリチウム塩と非水系の有機溶媒とから構成される。非水系の有機溶媒は、リチウム塩を解離させるために高い誘電率を有すること、広い温度領域で高いイオン伝導度を発現させること、及び電池中で安定であることが要求される。これらの要求を一つの溶媒で達成するのは困難であるので、通常はプロピレンカーボネート、エチレンカーボネート等に代表される高沸点溶媒とジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート等の低沸点溶媒とを組み合わせて使用している。
【0003】
また、初期容量、レート特性、サイクル特性、高温保存特性、低温特性、トリクル充電特性、自己放電特性、過充電防止特性等を改良するために、種々の添加剤を電解液に添加することが数多く報告されてきた。例えばサイクル特性を向上させる方法として、1,4−ブタンジオールジメタンスルホネート、プロピレングリコールジメタンスルホネート等の2価スルホネート化合物を添加することが報告されている(例えば、特許文献1及び2参照)。
【0004】
【特許文献1】
特開2000−133304号公報
【特許文献2】
特開2001−313071号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、近年、リチウム二次電池に対する高性能化への要求はますます高くなっている。これらのあるものは、リチウム二次電池の用途の拡大につれ、屋外で使用する機会が増えたことに伴うものである。すなわち携帯電話、PDA、ノートパソコン等のモバイル機器は、真夏の車中に放置される等、60〜90℃の高温下にさらされることもある。したがってリチウム二次電池に対して、特に高温下での保存特性に対する要求が厳しくなっている。また近年、更なる高容量化をはかるために正極活物質としてリチウムコバルト複合酸化物の代わりにリチウムニッケル複合酸化物を用いることが広く検討されているが、これを用いると1.2倍程度の容量増加が達成される一方で、高温保存中に大量のガスが発生するという問題点があった。リチウム二次電池のベアセルは高温条件下で保存するとガス発生により多少膨らむので、通常は膨らんでも外観上の変化がないように少し大きめのケースに収納しているのが現状である。ガスの発生量が多い場合は、より大きめのケースに収納する必要が生じるので、電池パック全体のエネルギー密度が低下してしまい、高容量の活物質であるリチウムニッケル複合酸化物を用いるメリットが相殺されてしまう。またガスの発生量が大量になれば、ケースが破裂する危険すら生じる。したがって高温保存時のガス発生を抑制することが、リチウムニッケル複合酸化物を使いこなす上での重要な課題であった。
【0006】
また、連続充電特性の改善も、オフィス向けノートパソコンの需要拡大等に伴い、最近特に要望が大きくなっている。オフィスでノートパソコンを使用する際、ほとんどの場合がACアダプターを電源としており、パソコン中の二次電池は絶えず充電されている。こうした連続充電中においては、電解液の分解によりガスが発生する。過充電等の異常時に内圧を検知して安全弁を作動させる円筒型電池においては、発生ガスが多いと連続充電時に安全弁が作動してしまうことになる。また、安全弁のない角形電池においては、ガス量が多い場合は、外観上変化がないようにベアセルを大きめのケースに収納する必要が生じ、電池パック全体のエネルギー密度の低下につながる。さらに、ガスの発生が大量になれば、ケースが破裂する危険がある。したがって、連続充電特性としては、特にガスの発生を抑制することが強く求められている。正極活物質としてリチウムコバルト複合酸化物を用いた場合は、高温保存中に発生するガスは比較的少ないものの、長時間連続充電した際のガス発生は多く、未だ改良が必要とされていた。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記の課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、非水系電解液に特定の化合物を含有させることによって、高い容量を維持しつつ、高温条件下で保存した際の容量回復率が改善され、かつ長時間連続充電した場合も含めてガス発生が大幅に少なくなることを見出して、本発明を完成するに至った。
【0008】
即ち本発明の要旨は、リチウム塩が非水系有機溶媒に溶解されてなるリチウム二次電池用非水系電解液であって、該非水系有機溶媒が下記一般式(1)で表される多価スルホネート化合物を、該リチウム二次電池用非水系電解液の0.01〜15重量%含有することを特徴とするリチウム二次電池用非水系電解液、に存する。
【0009】
【化2】
【0010】
(式中、Lは炭素原子と水素原子から構成され、炭素原子数が3〜12であるZ価の連結基を表し、Rは、炭素数1〜4のアルキル基、炭素数2〜4のアルケニル基、炭素数6〜9のアリール基、炭素数7〜8のアラルキル基から選ばれる炭化水素基を表し、Zは3又は4である)
また、本発明の他の要旨は、上記リチウム二次電池用非水系電解液を用いたことを特徴とするリチウム二次電池、に存する。
【0011】
上記の多価スルホネート化合物を含有する電解液を用いると高容量を維持したまま、高温保存特性及び連続充電特性が向上する。具体的には、高温保存時及び連続充電時のガス発生が抑制されるとともに保存後の回復容量が向上する。特にガス発生の多いリチウムニッケル複合酸化物を含有する正極を用いたリチウム二次電池においては、ガス発生量を大幅に抑制することが可能となる。先に述べたようにサイクル特性を向上させるものとして報告されている1,4−ブタンジオールジメタンスルホネート、プロピレングリコールジメタンスルホネート等の2価スルホネート化合物はサイクル特性を改善するが、高温保存特性を大幅に向上させるものではない。従って上記の多価スルホネート化合物が高温時の保存特性を大幅に向上させることは全く予想できないことであった。上記の多価スルホネート化合物を含有する電解液が保存特性の向上をもたらす理由の詳細は不明であるが、充電の初期に負極上に形成されるSEI(界面保護皮膜)が熱的に安定であること、及び多価スルホネート化合物が正極の塩基点を被覆することによると考えられる。負極中のリチウムと電解液との反応を抑制しているSEIが熱的に不安定であると、リチウムと電解液との反応が進行しガスが発生する。カーボネート類に代表される非水系溶媒は充電初期時に還元されてSEIを形成するが、上記の多価スルホネート化合物は、一部還元されてSEI中に取り込まれ、SEIをより強固なものとしているものと推定される。また、充電初期時に還元されずに残った多価スルホネートは、酸として作用し、正極活物質の塩基点を被覆するために、カーボネート溶媒の脱炭酸反応を抑制でき、二酸化炭素等のガス発生を抑制しているものと考えられる。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳述する。
本発明に係る非水系電解液は、非水系有機溶媒にリチウム塩が溶解され、さらに下記一般式(I)で表される多価スルホネート化合物が含有されているものである。
【0013】
【化3】
【0014】
(式中、Lは炭素原子と水素原子から構成され、炭素原子数が3〜12であるZ価の連結基を表し、Rは炭化水素基を表し、Zは3又は4である)
上記一般式(1)において、Rは炭化水素基を表す。該炭化水素基としては、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基等の炭素数1〜4のアルキル基、ビニル基、イソプロペニル基、アリル基等の炭素数2〜4のアルケニル基、フェニル基、トリル基、エチルフェニル基、ジメチルフェニル基、トリメチルフェニル基等の炭素数6〜9のアリール基、ベンジル基、フェネチル基等の炭素数7〜8のアラルキル基等が挙げられ、好ましくはメチル基及びエチル基等の炭素数1〜2のアルキル基、フェニル基、トリル基、エチルフェニル基、ジメチルフェニル基、トリメチルフェニル基等の炭素数6〜9のアリール基であり、より好ましくはメチル基及びトリル基である。
【0015】
は3又は4である。またLは炭素原子と水素原子とから構成され、炭素原子数が3〜12であるZ価の連結基を表わす。連結基Lを構成する炭素原子の数は、より好ましくは3〜8である。
Zが3、すなわちLが炭素原子と水素原子から構成された3価の連結基である場合のいくつかを以下に例示する。
【0016】
【化4】
【0017】
【化5】
【0018】
【化6】
【0019】
【化7】
【0020】
【化8】
【0021】
【化9】
【0022】
また、Zが4、すなわちLが炭素原子と水素原子から構成された4価の連結基であるものとしては、以下のようなものが例示される。
【0023】
【化10】
【0024】
【化11】
【0025】
【化12】
【0026】
上記一般式(1)の多価スルホネート化合物としては、例えば1,2,3−プロパントリオールトリメタンスルホネート、1,2,3−プロパントリオールトリエタンスルホネート、1,2,3−プロパントリオールトリプロパンスルホネート、1,2,3−プロパントリオールトリブタンスルホネート、1,2,3−プロパントリオールトリベンゼンスルホネート、1,2,3−プロパントリオールトリ−p−トルエンスルホネート、1,2,3−プロパントリオールトリ−4−エチルベンゼンスルホネート、1,2,3−プロパントリオールトリス−3,5−ジメチルベンゼンスルホネート、1,2,3−プロパントリオールトリ−2−メシチレンスルホネート等の1,2,3−プロパントリオールトリスルホネート類、1,2,3−ブタントリオールトリメタンスルホネート、1,2,3−ブタントリオールトリエタンスルホネート、1,2,3−ブタントリオールトリプロパンスルホネート、1,2,3−ブタントリオールトリブタンンスルホネート、1,2,3−ブタントリオールトリベンゼンスルホネート、1,2,3−ブタントリオールトリ−p−トルエンスルホネート、1,2,3−ブタントリオールトリ−4−エチルベンゼンスルホネート、1,2,3−ブタントリオールトリス−3,5−ジメチルベンゼンスルホネート、1,2,3−ブタントリオールトリ−2−メシチレンスルホネート等の1,2,3−ブタントリオールトリスルホネート類、1,2,4−ブタントリオールトリメタンスルホネート、1,2,4−ブタントリオールトリエタンスルホネート、1,2,4−ブタントリオールトリプロパンスルホネート、1,2,4−ブタントリオールトリブタンスルホネート、1,2,4−ブタントリオールトリベンゼンスルホネート、1,2,4−ブタントリオールトリ−p−トルエンスルホネート、1,2,4−ブタントリオールトリ−4−エチルベンゼンスルホネート、1,2,4−ブタントリオールトリス−3,5−ジメチルベンゼンスルホネート、1,2,4−ブタントリオールトリ−2−メシチレンスルホネート等の1,2,4−ブタントリオールトリスルホネート類、1,2,5−ペンタントリオールトリメタンスルホネート、1,2,5−ペンタントリオールトリエタンスルホネート、1,2,5−ペンタントリオールトリプロパンスルホネート、1,2,5−ペンタントリオールトリベンゼンスルホネート、1,2,5−ペンタントリオールトリ−p−トルエンスルホネート等の1,2,5−ペンタントリオールトリスルホネート類、1,2,6−ヘキサントリオールトリメタンスルホネート、1,2,6−ヘキサントリオールトリエタンスルホネート、1,2,6−ヘキサントリオールトリプロパンスルホネート、1,2,6−ヘキサントリオールトリベンゼンスルホネート、1,2,6−ヘキサントリオールトリ−p−トルエンスルホネート等の1,2,6−ヘキサントリオールトリスルホネート類、1,2,3−ヘプタントリオールトリメタンスルホネート、1,2,3−ヘプタントリオールトリエタンスルホネート、1,2,3−ヘプタントリオールトリプロパンスルホネート、1,2,3−ヘプタントリオールトリベンゼンスルホネート、1,2,3−ヘプタントリオールトリ−p−トルエンスルホネート等の1,2,3−ヘプタントリオールトリスルホネート類、1,2,7−ヘプタントリオールトリメタンスルホネート、1,2,7−ヘプタントリオールトリエタンスルホネート、1,2,7−ヘプタントリオールトリプロパンスルホネート、1,2,7−ヘプタントリオールトリベンゼンスルホネート、1,2,7−ヘプタントリオールトリ−p−トルエンスルホネート等の1,2,7−ヘプタントリオールトリスルホネート類、1,2,8−オクタントリオールトリメタンスルホネート、1,2,8−オクタントリオールトリエタンスルホネート、1,2,8−オクタントリオールトリプロパンスルホネート、1,2,8−オクタントリオールトリベンゼンスルホネート、1,2,8−オクタントリオールトリ−p−トルエンスルホネート等の1,2,8−オクタントリオールトリスルホネート類、トリメチロールエタントリメタンスルホネート、トリメチロールエタントリエタンスルホネート、トリメチロールエタントリプロパンスルホネート、トリメチロールエタントリブタンスルホネート、トリメチロールエタントリベンゼンスルホネート、トリメチロールエタントリ−p−トルエンスルホネート、トリメチロールエタントリ−4−エチルベンゼンスルホネート、トリメチロールエタントリス−3,5−ジメチルベンゼンスルホネート、トリメチロールエタントリ−2−メシチレンスルホネート等のトリメチロールエタントリスルホネート類、トリメチロールプロパントリメタンスルホネート、トリメチロールプロパントリエタンスルホネート、トリメチロールプロパントリプロパンスルホネート、トリメチロールプロパントリブタンスルホネート、トリメチロールプロパントリベンゼンスルホネート、トリメチロールプロパントリ−p−トルエンスルホネート、トリメチロールプロパントリ−4−エチルベンゼンスルホネート、トリメチロールプロパントリ−3,5−ジメチルベンゼンスルホネート、トリメチロールプロパントリ−2−メシチレンスルホネート等のトリメチロールプロパントリスルホネート類、3−メチルペンタン−1,3,5−トリオールトリメタンスルホネート、3−メチルペンタン−1,3,5−トリオールトリエタンスルホネート、3−メチルペンタン−1,3,5−トリオールトリプロパンスルホネート、3−メチルペンタン−1,3,5−トリオールトリブタンスルホネート、3−メチルペンタン−1,3,5−トリオールトリベンゼンスルホネート、3−メチルペンタン−1,3,5−トリオールトリ−p−トルエンスルホネート、3−メチルペンタン−1,3,5−トリオールトリ−4−エチルベンゼンスルホネート、3−メチルペンタン−1,3,5−トリオールトリ−3,5−ジメチルベンゼンスルホネート、3−メチルペンタン−1,3,5−トリオールトリ−2−メシチレンスルホネート等の3−メチルペンタン−1,3,5−トリオールトリスルホネート類、1,2,4−ベンゼントリオールトリメタンスルホネート、1,2,4−ベンゼントリオールトリエタンスルホネート、1,2,4−ベンゼントリオールトリプロパンスルホネート、1,2,4−ベンゼントリオールトリベンゼンスルホネート、1,2,4−ベンゼントリオールトリ−p−トルエンスルホネート等の1,2,4−ベンゼントリオールトリスルホネート類等の3価スルホネート類;1,2,3,4−ブタンテトロールテトラメタンスルホネート、1,2,3,4−ブタンテトロールテトラエタンスルホネート、1,2,3,4−ブタンテトロールテトラプロパンスルホネート、1,2,3,4−ブタンテトロールテトラベンゼンスルホネート、1,2,3,4−ブタンテトロールテトラ−p−トルエンスルホネート、1,2,3,4−ブタンテトロールテトラ−4−エチルベンゼンスルホネート、1,2,3,4−ブタンテトロールテトラキス−3,5−ジメチルベンゼンスルホネート等の1,2,3,4−ブタンテトロールテトラスルホネート類、ペンタエリスリトールテトラメタンスルホネート、ペンタエリスリトールテトラエタンスルホネート、ペンタエリスリトールテトラプロパンスルホネート、ペンタエリスリトールテトラベンゼンスルホネート、ペンタエリスリトールテトラ−p−トルエンスルホネート、ペンタエリスリトールテトラ−4−エチルベンゼンスルホネート、ペンタエリスリトールテトラキス−3,5−ジメチルベンゼンスルホネート等のペンタエリスリトールテトラスルホネート類等の4価スルホネート類が挙げられる。
【0027】
好ましくは1,2,3−プロパントリオールトリメタンスルホネート、1,2,3−プロパントリオールトリエタンスルホネート、1,2,3−プロパントリオールトリベンゼンスルホネート、1,2,3−プロパントリオールトリ−p−トルエンスルホネート等の1,2,3−プロパントリオールトリスルホネート類、1,2,3−ブタントリオールトリメタンスルホネート、1,2,3−ブタントリオールトリエタンスルホネート、1,2,3−ブタントリオールトリベンゼンスルホネート、1,2,3−ブタントリオールトリ−p−トルエンスルホネート等の1,2,3−ブタントリオールトリスルホネート類、1,2,4−ブタントリオールトリメタンスルホネート、1,2,4−ブタントリオールトリエタンスルホネート、1,2,4−ブタントリオールトリベンゼンスルホネート、1,2,4−ブタントリオールトリ−p−トルエンスルホネート等の1,2,4−ブタントリオールトリスルホネート類、トリメチロールプロパントリメタンスルホネート、トリメチロールプロパントリエタンスルホネート、トリメチロールプロパントリベンゼンスルホネート、トリメチロールプロパントリ−p−トルエンスルホネート等のトリメチロールプロパントリスルホネート類、3−メチルペンタン−1,3,5−トリオールトリメタンスルホネート、3−メチルペンタン−1,3,5−トリオールトリエタンスルホネート、3−メチルペンタン−1,3,5−トリオールトリベンゼンスルホネート、3−メチルペンタン−1,3,5−トリオールトリ−p−トルエンスルホネート等の3−メチルペンタン−1,3,5−トリオールトリスルホネート類等の3価スルホネート類、1,2,3,4−ブタンテトロールテトラメタンスルホネート、1,2,3,4−ブタンテトロールテトラエタンスルホネート、1,2,3,4−ブタンテトロールテトラベンゼンスルホネート、1,2,3,4−ブタンテトロールテトラ−p−トルエンスルホネート等の1,2,3,4−ブタンテトロールテトラスルホネート類、ペンタエリスリトールテトラメタンスルホネート、ペンタエリスリトールテトラエタンスルホネート、ペンタエリスリトールテトラベンゼンスルホネート、ペンタエリスリトールテトラ−p−トルエンスルホネート等のペンタエリスリトールテトラスルホネート類等の4価スルホネート類である。
【0028】
より好ましくは1,2,3−プロパントリオールトリメタンスルホネート、1,2,3−プロパントリオールトリ−p−トルエンスルホネート、1,2,3−ブタントリオールトリメタンスルホネート、1,2,3−ブタントリオールトリベンゼンスルホネート、1,2,3−ブタントリオールトリ−p−トルエンスルホネート、1,2,4−ブタントリオールトリメタンスルホネート、1,2,4−ブタントリオールトリ−p−トルエンスルホネート、トリメチロールプロパントリメタンスルホネート、トリメチロールプロパントリ−p−トルエンスルホネート、3−メチルペンタン−1,3,5−トリオールトリメタンスルホネート、3−メチルペンタン−1,3,5−トリオールトリ−p−トルエンスルホネート等の3価のメタンスルホネート類及びp−トルエンスルホネート類である。
【0029】
これらのスルホネート化合物は2種類以上を混合して使用してもよい。
リチウム塩を溶解した非水系有機溶媒への上記多価スルホネート化合物の添加量は特に限定されないが、通常はこのスルホネート化合物が非水系電解液の0.01重量%以上、好ましくは0.1重量%以上を占めるようにする。上限は通常15重量%以下、好ましくは7重量%以下、最も好ましくは3重量%以下である。添加量が多すぎるとイオン伝導度が低下してレート特性などの電池特性が低下する傾向にある。また添加量が少な過ぎる場合は、保存特性の向上が認められない。
【0030】
本発明で支持電解質として使用されるリチウム塩としては、特に制限はないが、例えばLiPF6、LiAsF6、LiBF4、LiSbF6、LiAlCl4、LiClO4、CF3SO3Li、C49SO3Li、CF3COOLi、(CF3CO)2NLi、(CF3SO22NLi、(C25SO22NLiなどのリチウム塩が挙げられる。特に、溶媒に溶けやすくかつ高い解離度を示すLiPF6、LiBF4、CF3SO3Li及び(CF3SO22NLiからなる群から選ばれるリチウム塩は好適に用いられる。また非水系電解液中のリチウム塩の濃度は、通常0.5〜2mol/Lの範囲が好ましい。
【0031】
本発明で用いる非水系有機溶媒としては、リチウム塩を溶解させることができる限り特に限定はされないが、なかでも高いイオン導電性を発現させる溶媒として、通常、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、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等の鎖状カーボネート類、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)等の環状カーボネート類、ビニレンカーボネート、ビニルエチレンカーボネート等の不飽和カーボネート類、1,2−ジメトキシエタン、テトラヒドロフランなどのエーテル類、γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン等の環状エステル類、ギ酸メチル、酢酸メチル、プロピオン酸メチル等の鎖状エステル類が好ましく用いられる。
【0032】
これらの有機溶媒は、通常、電解液が適切な物性を発現するように混合して使用される。一般に上記鎖状カーボネート類と上記環状カーボネート類とを併用するのが好ましい。また上記鎖状カーボネート類の中でも特に好ましいのはエチルメチルカーボネート、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等の非対称カーボネート類である。なかでもエチルメチルカーボネートは、粘度が低いのでリチウムの移動性を高めるだけでなく、沸点が比較的高くて揮散し難いので取り扱いやすく、またLiとの反応性も小さいので好適に用いられる。またビニレンカーボネート、ビニルエチレンカーボネート等の不飽和カーボネート類は初期充電時に還元されやすく、安定な界面保護皮膜(SEI)を形成するのに寄与するので好ましい。これらの不飽和カーボネート類は、非水系有機溶媒中に通常0.01重量%以上、好ましくは0.05重量%以上となるように含有させる。その上限は通常10重量%以下、好ましくは8重量%以下である。
【0033】
本発明に係る非水系電解液を調製するに際し、非水系電解液の各原料は、予め脱水しておくのが好ましい。水分量は通常、50ppm以下、好ましくは30ppm以下とするのがよい。水が多量に存在すると、水の電気分解及びリチウム金属との反応、リチウム塩の加水分解などが起こる可能性がある。脱水の手段としては特に制限はないが、溶媒などの液体の場合はモレキュラーシーブ等を用いればよい。またリチウム塩などの固体の場合は分解が起きる温度以下で乾燥すればよい。
【0034】
本発明に係る非水系電解液はリチウム二次電池用の電解液として有用である。以下、この非水系電解液を用いる本発明に係るリチウム二次電池について説明する。
このリチウム二次電池の基本的構成は、従来公知のリチウム二次電池と同様であり、正極と負極とが多孔膜及び本発明に係る非水系電解液を介してケースに収納されている。リチウム二次電池の外観形状は特に限定されるものではなく、従来公知のコイン型電池、円筒型電池、角形電池などいずれであってもよい。正極及び負極の活物質は、電池の種類に応じて適宜選択すればよい。
【0035】
正極活物質としては、例えば、Fe、Co、Ni、Mn等の遷移金属を有する酸化物、これらとリチウムとの複合酸化物、硫化物等の無機化合物が挙げられる。具体的には、MnO、V25、V613、TiO2等の遷移金属酸化物、リチウムニッケル複合酸化物、リチウムコバルト複合酸化物、リチウムマンガン複合酸化物などのリチウムと遷移金属との複合酸化物、TiS2、FeSなどの遷移金属硫化物が挙げられる。上記の活物質の複数種を混合して用いてもよい。中でも、リチウムニッケル複合酸化物、リチウムコバルト複合酸化物、リチウムマンガン複合酸化物などのリチウムと遷移金属との複合酸化物は高容量と高サイクル特性とを両立させるので好適に用いられる。
【0036】
本発明に係る非水系電解液は、正極活物質の種類によらずリチウム二次電池の保存特性を向上させるが、特にリチウムニッケル複合酸化物を含有する正極を使用した場合にその効果は大きく、高温保存時のガス発生を抑制する等の大幅なる特性改善をもたらす。
上記のリチウムニッケル複合酸化物とは、少なくともリチウム、ニッケル及び酸素を含有する酸化物であり、例えば、LiNiO2、Li2NiO2、LiNi24等を挙げることができるが、中でもLiNiO2が好ましい。また、リチウムニッケル複合酸化物は、Niが占めるサイトの一部をNi以外の元素で置換したものであってもよい。Niサイトの一部を他の元素で置換することによって、結晶構造の安定性を向上させることができ、繰り返し充放電する際のNi元素の一部がLiサイトに移動して発生する容量低下が抑制されるため、サイクル特性も向上する。さらに、Niサイトの一部をNi以外の元素で置換することによって、電池の温度が上昇した場合のリチウムニッケル複合酸化物の暴走反応も抑制され、結果として安全性の向上につながる。
【0037】
Niが占めるサイトの一部をNi以外の元素で置換する際の、当該元素(以下、置換元素と表記する)としては、例えば、Al、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Li、Cu、Zn、Mg、Ga、Zr等が挙げられる。好ましくはAl、Cr、Fe、Co、Li、Mg、Ga、Mnが挙げられ、更に好ましくはAl、Coが挙げられる。Niサイトは2種以上の他元素で置換されていてもよい。
【0038】
置換元素によりNiサイトを置換する場合、その割合は通常、Ni元素の2.5モル%以上、好ましくは5モル%以上であり、通常Ni元素の50モル%以下、好ましくは20モル%以下である。置換割合が少なすぎるとサイクル特性等の改善効果が充分ではない場合があり、多すぎると電池にした場合の容量が低下してしまう場合がある。
【0039】
正極活物質の比表面積は、通常0.1m2/g以上、好ましくは0.2m2/g以上であり、また通常10m2/g以下、好ましくは5.0m2/g以下である。比表面積が小さすぎるとレート特性の低下、容量の低下を招き、大きすぎると電解液等と好ましくない反応を引き起こし、サイクル特性を低下させることがある。特にリチウムニッケル複合酸化物は電解液との反応性が高いので、通常5.0m2/g以下、好ましくは2.0m2/g以下である。
【0040】
正極活物質の平均2次粒径は、通常0.2μm以上、好ましくは0.5μm以上、通常30μm以下、好ましくは20μm以下である。平均2次粒径が小さすぎると電池のサイクル劣化が大きくなったり、安全性に問題が生じたりする場合があり、大きすぎると電池の内部抵抗が大きくなり、出力が出にくくなる場合がある。
【0041】
負極活物質としては、リチウム金属、リチウム合金を使用することもできるが、サイクル特性及び安全性が良好な点で、リチウムイオンを吸蔵放出可能なコークス,アセチレンブラック、メゾフェーズマイクロビーズ、グラファイト等の炭素質物質を使用するのが特に好ましい。粒状の負極活物質の粒径は、初期効率、レ−ト特性、サイクル特性等の電池特性が優れる点で、通常1〜50μm、好ましくは15〜30μm程度である。
【0042】
また、上記炭素質物質を有機物等と混合・焼成した材料、あるいはCVD法等を用いて、表面の少なくとも一部に上記炭素質物に比べて非晶質の炭素を形成した材料もまた、炭素質物質として好適に使用することができる。
上記有機物としては、軟ピッチから硬ピッチまでのコールタールピッチ;乾留液化油等の石炭系重質油;常圧残油、減圧残油等の直留系重質油;原油、ナフサ等の熱分解時に副生する分解系重質油(例えばエチレンヘビーエンド)等の石油系重質油が挙げられる。また、これらの重質油を200〜400℃で蒸留して得られた固体状残渣物を、1〜100μmに粉砕したものも使用することができる。さらに塩化ビニル樹脂や、焼成によりフェノール樹脂やイミド樹脂となるこれらの樹脂前駆体も使用することができる。
【0043】
正極又は負極に使用できるバインダーとしては、耐候性、耐薬品性、耐熱性、難燃性等の観点から各種の材料が挙げられる。具体的には、シリケート、ガラスのような無機化合物や、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ−1,1−ジメチルエチレンなどのアルカン系ポリマー;ポリブタジエン、ポリイソプレンなどの不飽和系ポリマー;ポリスチレン、ポリメチルスチレン、ポリビニルピリジン、ポリ−N−ビニルピロリドンなどの環を有するポリマー;ポリメタクリル酸メチル、ポリメタクリル酸エチル、ポリメタクリル酸ブチル、ポリアクリル酸メチル、ポリアクリル酸エチル、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸、ポリアクリルアミドなどのアクリル誘導体系ポリマー;ポリフッ化ビニル、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系樹脂;ポリアクリロニトリル、ポリビニリデンシアニドなどのCN基含有ポリマー;ポリ酢酸ビニル、ポリビニルアルコールなどのポリビニルアルコール系ポリマー;ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデンなどのハロゲン含有ポリマー;ポリアニリンなどの導電性ポリマーなどが使用できる。また上記のポリマーなどの混合物、変成体、誘導体、ランダム共重合体、交互共重合体、グラフト共重合体、ブロック共重合体などであっても使用できる。これらの樹脂の重量平均分子量は、通常1万〜300万、好ましくは10万〜100万程度である。分子量が低すぎると電極の強度が低下する傾向にある。一方、分子量が高すぎると粘度が高くなり、電極の形成が困難になることがある。好ましいバインダー樹脂は、フッ素系樹脂、CN基含有ポリマーである。
【0044】
バインダーの使用量は、活物質100重量部に対して通常0.1重量部以上、好ましくは1重量部以上であり、また通常30重量部以下、好ましくは20重量部以下である。バインダーの量が少なすぎると電極の強度が低下する傾向にあり、バインダーの量が多すぎるとイオン伝導度が低下する傾向にある。さらに電極中には、電極の導電性や機械的強度を向上させるため、導電性材料、補強材など各種の機能を発現する添加剤、粉体、充填材などを含有させてもよい。導電性材料としては、上記活物質に適量混合して導電性を付与できるものであれば特に制限はないが、通常、アセチレンブラック、カーボンブラック、黒鉛などの炭素粉末や、各種の金属のファイバー、箔などが挙げられる。補強材としては各種の無機、有機の球状、繊維状フィラーなどが使用できる。
【0045】
電極は、活物質やバインダー等の構成成分と溶剤とを含む塗料を塗布・乾燥することによって形成することができる。電極の厚さは、通常1μm以上、好ましくは10μm以上、さらに好ましくは20μm以上、最も好ましくは40μm以上であり、また通常200μm以下、好ましくは150μm以下、さらに好ましくは100μm以下である。薄すぎると塗布が困難になり均一性が確保しにくくなるだけでなく、電池の容量が小さくなりすぎることがある。一方、あまりに厚すぎるとレート特性が低下しすぎることがある。
【0046】
正極及び負極の少なくとも一方の電極は、通常、集電体上に形成される。集電体としては、各種のものを使用することができるが、通常は金属や合金が用いられる。具体的には、正極の集電体としては、アルミニウムやニッケル、SUS等が挙げられ、負極の集電体としては、銅やニッケル、SUS等が挙げられる。好ましくは、正極の集電体としてアルミニウムを使用し、負極の集電体として銅を使用する。正負極層との結着効果を向上させるため、これら集電体の表面を予め粗面化処理しておくのが好ましい。表面の粗面化方法としては、ブラスト処理や粗面ロールにより圧延するなどの方法、研磨剤粒子を固着した研磨布紙、砥石、エメリバフ、鋼線などを備えたワイヤ−ブラシなどで集電体表面を研磨する機械的研磨法、電解研磨法、化学研磨法などが挙げられる。
【0047】
また、電池の重量を低減させる、即ち重量エネルギー密度を向上させるために、エキスパンドメタルやパンチングメタルのような穴あきタイプの集電体を使用することもできる。この場合、その開口率を変更することで重量も自在に変更可能となる。また、このような穴あけタイプの集電体の両面に活物質を存在させた場合、この穴を通しての塗膜のリベット効果により塗膜の剥離がさらに起こりにくくなる傾向にあるが、開口率があまりに高くなった場合には、塗膜と集電体との接触面積が小さくなるため、かえって接着強度は低くなることがある。
【0048】
集電体の厚さは、通常1μm以上、好ましくは5μm以上であり、通常100μm以下、好ましくは50μm以下である。あまりに厚すぎると、電池全体の容量が低下しすぎることになり、逆に薄すぎると取り扱いが困難になることがある。
本発明の非水系電解液は、これを高分子によってゲル化して半固体状にしてもよい。半固体状電解質における上記非水系電解液の使用量は、半固体状電解質の総量に対して、通常30重量%以上、好ましくは50重量%以上、さらに好ましくは75重量%以上であり、また通常99.95重量%以下、好ましくは99重量%以下、さらに好ましくは98重量%以下とする。使用量が多すぎると、電解液の保持が困難となり液漏れが生じやすくなり、逆に少なすぎると充放電効率や容量の点で不十分となることがある。
【0049】
正極と負極との間には、短絡を防止する上で、多孔性のスペーサが設けられているのが好ましい。即ち、この場合、電解液は、多孔性のスペーサに含浸されて使用される。スペーサの材料としては、ポリエチレンやポリプロピレン等のポリオレフィンや、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエーテルスルホン等を用いることができるが、好ましくはポリオレフィンである。スペーサの厚さは、通常1μm以上、好ましくは5μm以上、さらに好ましくは10μm以上であり、また通常50μm以下、好ましくは40μm以下、さらに好ましくは30μm以下である。多孔膜が薄すぎると、絶縁性や機械的強度が悪化することがあり、厚すぎるとレート特性等の電池性能が悪化するばかりでなく、電池全体としてのエネルギー密度が低下することがある。スペーサの空孔率としては、通常20%以上、好ましくは35%以上、さらに好ましくは45%以上であり、また通常90%以下、好ましくは85%以下、さらに好ましくは75%以下である。空孔率が小さすぎると膜抵抗が大きくなりレート特性が悪化する傾向にある。また大きすぎると膜の機械的強度が低下し絶縁性が低下する傾向にある。スペーサの平均孔径は、通常0.5μm以下、好ましくは0.2μm以下であり、また通常0.05μm以上である。あまりに大きいと短絡が生じやすくなり、小さすぎると膜抵抗が大きくなりレート特性が悪化することがある。
【0050】
【実施例】
以下、実施例を挙げて本発明の具体的態様を更に説明するが、本発明はその要旨を越えない限りこれらの実施例により限定されるものではない。
実施例1
[正極の製造]
リチウムニッケル複合酸化物(LiNi0.82Co0.15Al0.032)90重量%とポリフッ化ビニリデン(PVdF)5重量%とアセチレンブラック5重量%とを混合し、N−メチルピロリドンを加えスラリー状にしたものをアルミニウムからなる集電体の両面に塗布・乾燥して正極を得た。
【0051】
[負極の製造]
グラファイト粉末90重量%とPVdF10重量%とを混合し、N−メチルピロリドンを加えスラリー状にしたものを銅からなる集電体の片面に塗布・乾燥して負極を得た。
[電解液の調合]
LiPF6を1.25mol/Lの割合で含有するエチレンカーボネートとエチルメチルカーボネートとの混合溶媒(混合体積比1:3)100重量部にビニレンカーボネート2重量部を加えたものをベース電解液とし、これに1,2,4−ブタントリオールトリメタンスルホネート1重量部を加えて電解液とした。
【0052】
[リチウム二次電池の製造]
上記正極、負極、及び膜厚16μm、空孔率45%、平均孔径0.05μmのポリエチレン製2軸延伸多孔膜フィルムに、それぞれ前記電解液を塗布・含浸させた後、負極、セパレータ、正極、セパレータ、負極の順に積層した。こうして得られた電池要素を、まずPETフィルムで挟んだ後、アルミニウム層の両面を樹脂層で被覆したラミネートフィルムに正極負極の端子を突設させつつ、真空封止してシート状のリチウム二次電池を作製した。さらに電極間の密着性を高めるためにシリコンゴム及びガラス板でシート状電池を挟んだ上で0.35kg/cm2で加圧した。図1に二次電池の概略断面図を示す。
【0053】
[容量評価]
リチウムニッケル複合酸化物の1時間当たりの放電量を180mAh/gとし、これとリチウム二次電池の正極の活物質量とから放電速度1Cを求めてレート設定をした上で、0.2Cで4.2Vまで充電した後、0.2Cで3Vまで放電し、初期のフォーメーションを行った。ついで0.5Cで4.2Vまで充電した後、0.2Cで3Vまで再度放電し、0.2C放電容量を求めた。なお充電時のカット電流は0.05Cとした。
【0054】
[保存特性評価]
容量評価試験の終了した電池を0.5Cで4.2Vまで充電した後、85℃の恒温槽に1日間保存した後、ガスの発生量をエタノール浴に電池を漬けて浮力を測定(アルキメデスの原理)して求めた。また保存後の容量劣化具合を評価するため、0.5Cで4.2Vまで充電した後に0.2Cで放電して保存後の0.2C放電容量を測定し、下記の計算式に従い容量回復率を求めた。結果を表1に示す。
【0055】
【数1】
容量回復率(%)=
保存後0.2C放電容量(mAh/g)/0.2C放電容量(mAh/g)
【0056】
実施例2
1,2,4−ブタントリオールトリメタンスルホネートの添加量を3重量部とした電解液を使用したこと以外は実施例1と同様にしてリチウム二次電池を作製し、実施例1と同様の電池特性試験を実施した。結果を表1に示す。
【0057】
実施例3
1,2,4−ブタントリオールトリメタンスルホネートの添加量を5重量部とした電解液を使用したこと以外は実施例1と同様にしてリチウム二次電池を作製し、実施例1と同様の電池特性試験を実施した。結果を表1に示す。
実施例4
LiPF6を1.0mol/Lの割合で含有するエチレンカーボネートとジエチルカーボネートとの混合溶媒(混合体積比1:1)100重量部に1,2,4−ブタントリオールトリメタンスルホネート1重量部を加えたものを電解液として使用したこと以外は実施例1と同様にしてリチウム二次電池を作製し、実施例1と同様の電池特性試験を実施した。結果を表1に示す。電解液組成によらずガス発生量が減少しており、保存特性向上の効果が見られる。
【0058】
比較例1
1,2,4−ブタントリオールトリメタンスルホネートを添加しない電解液を使用したこと以外は実施例1と同様にしてリチウム二次電池を作製し、実施例1と同様の電池特性試験を実施した。結果を表1に示す。容量回復率が低く、しかもガスが大量に発生しており、保存特性が大幅に劣っていることがわかる。
【0059】
比較例2
添加剤として1,2,4−ブタントリオールトリメタンスルホネートの代わりに1,4−ブタンジオールジメタンスルホネートを添加した電解液を使用したこと以外は実施例1と同様にしてリチウム二次電池を作製し、実施例1と同様の電池特性試験を実施した。結果を表1に示す。容量回復率において向上が見られるが、ガス発生を抑制する効果が不十分である。
【0060】
実施例5
[正極の製造]
リチウムコバルト複合酸化物(LiCoO2)90重量%とPVdF5重量%とアセチレンブラック5重量%とを混合し、N−メチルピロリドンを加えスラリー状にしたものをアルミニウムからなる集電体の両面に塗布・乾燥して正極を得た。
【0061】
[負極の製造]
グラファイト粉末87.4重量%とPVdF9.7重量%とアセチレンブラック2.9重量%とを混合し、N−メチルピロリドンを加えスラリー状にしたものを銅からなる集電体の片面に塗布・乾燥して負極を得た。
[電解液の調合]
LiPF6を1.25mol/Lの割合で含有するエチレンカーボネートとエチルメチルカーボネートとの混合溶媒(混合体積比1:3)100重量部にビニレンカーボネート2重量部を加えたものをベース電解液とし、これに1,2,4−ブタントリオールトリメタンスルホネート1重量部を加えて電解液とした。
【0062】
[リチウム二次電池の製造]
上記正極、負極、及び膜厚16μm、空孔率45%、平均孔径0.05μmのポリエチレン製2軸延伸多孔膜フィルムに、それぞれ前記電解液を塗布・含浸させた後、負極、セパレータ、正極、セパレータ、負極の順に積層した。こうして得られた電池要素を、まずPETフィルムで挟んだ後、アルミニウム層の両面を樹脂層で被覆したラミネートフィルムに正極負極の端子を突設させつつ、真空封止してシート状のリチウム二次電池を作製した。さらに電極間の密着性を高めるためにシリコンゴム及びガラス板でシート状電池を挟んだ上で0.35kg/cm2で加圧した。
【0063】
[容量評価]
リチウムコバルト複合酸化物の1時間当たりの放電量を138mAh/gとし、これとリチウム二次電池の正極の活物質量とから放電速度1Cを求めてレート設定をした上で、0.2Cで4.2Vまで充電した後、0.2Cで3Vまで放電し、初期のフォーメーションを行った。ついで0.5Cで4.2Vまで充電した後、0.2Cで3Vまで再度放電し、0.2C放電容量を求めた。なお充電時のカット電流は0.05Cとした。
【0064】
[保存特性評価]
容量評価試験の終了した電池を0.5Cで4.2Vまで充電した後、85℃の恒温槽に1日間保存した後、ガスの発生量をエタノール浴に電池を漬けて浮力を測定して求めた。また保存後の容量劣化具合を評価するため、0.5Cで4.2Vまで充電した後に0.2Cで放電して保存後の0.2C放電容量を測定し、前記計算式に従い容量回復率を求めた。結果を表1に示す。
【0065】
比較例3
1,2,4−ブタントリオールトリメタンスルホネートを添加しない電解液を使用したこと以外は実施例5と同様にしてリチウム二次電池を作製し、実施例5と同様の電池特性試験を実施した。結果を表1に示す。リチウムコバルト複合酸化物を正極活物質としているために、保存後のガス発生量は低いレベルにあるが、容量回復が不十分である。
【0066】
【表1】
【0067】
上記表1から明らかなように、本発明に係る非水系電解液を用いれば高容量を維持したまま、高温保存特性が改善される。特に保存時に発生するガス量を抑制するのに有効であり、中でもリチウムニッケル複合酸化物を含有する正極を用いたリチウム二次電池においてガス発生抑制の効果が大きい。
【0068】
実施例6
[連続充電評価]
LiPF6を1mol/Lの割合で含有するエチレンカーボネートとエチルメチルカーボネートとの混合溶媒(混合体積比1:3)100重量部にビニレンカーボネート2重量部を加えたものに1,2,4-ブタントリオールトリメタンスルホネート1重量部を加えて調合した電解液を使用した以外は実施例5と同様にしてリチウム二次電池を作製し、実施例5と同様の容量評価試験を実施した。ついでこの電池を60℃の恒温槽に入れ、0.7Cで定電流充電し、4.25Vに到達したところで定電圧充電に切り替えた。7日間充電を行った後、電池をエタノール浴に漬けて浮力を測定し、浮力よりガスの発生量を算出した。結果を表2に示す。
【0069】
比較例4
添加剤として1,2,4-ブタントリオールトリメタンスルホネートの代わりに1,3−プロパンサルトンを添加した電解液を使用したこと以外は実施例6と同様にしてリチウム二次電池を作製し、実施例6と同様の電池特性試験を実施した。結果を表2に示す。
【0070】
比較例5
1,2,4-ブタントリオールトリメタンスルホネートを添加しない電解液を使用したこと以外は実施例6と同様にしてリチウム二次電池を作製し、実施例6と同様の電池特性試験を実施した。結果を表2に示す。
【0071】
【表2】
【0072】
上記表2から明らかなように、本発明に係る非水系電解液を用いれば、連続充電時に発生するガス量を抑制できる。
【0073】
【発明の効果】
本発明によれば、高容量かつ高温保存特性及び連続充電特性の良好なリチウム二次電池を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明を実施したリチウム二次電池の構造を示す概略断面図である。
【符号の説明】
1 正極2 負極3 セパレータ4 PETフィルム5 シリコンゴム6 ガラス板7 ラミネートフィルム8 封止材付きリード
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a non-aqueous electrolyte and a lithium secondary battery using the same.
[0002]
[Prior art]
Lithium secondary batteries have the advantages of high energy density and less self-discharge. Therefore, in recent years, it has been widely used as a power source for consumer mobile devices such as mobile phones, notebook computers, and PDAs. The electrolyte for a lithium secondary battery is composed of a lithium salt as a supporting electrolyte and a non-aqueous organic solvent. The non-aqueous organic solvent is required to have a high dielectric constant for dissociating the lithium salt, to exhibit high ionic conductivity in a wide temperature range, and to be stable in the battery. Since it is difficult to achieve these requirements with a single solvent, usually a combination of a high boiling point solvent typified by propylene carbonate and ethylene carbonate and a low boiling point solvent such as dimethyl carbonate and diethyl carbonate is used. Yes.
[0003]
In order to improve initial capacity, rate characteristics, cycle characteristics, high temperature storage characteristics, low temperature characteristics, trickle charge characteristics, self-discharge characteristics, overcharge prevention characteristics, etc., various additives are often added to the electrolyte. Have been reported. For example, as a method for improving cycle characteristics, it has been reported that a divalent sulfonate compound such as 1,4-butanediol dimethanesulfonate or propylene glycol dimethanesulfonate is added (for example, see Patent Documents 1 and 2).
[0004]
[Patent Document 1]
JP 2000-133304 A
[Patent Document 2]
JP 2001-313071 A
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in recent years, the demand for higher performance of lithium secondary batteries has been increasing. Some of these are associated with increased opportunities for outdoor use as lithium secondary batteries expand their applications. That is, mobile devices such as mobile phones, PDAs, and notebook personal computers may be exposed to high temperatures of 60 to 90 ° C. such as being left in midsummer cars. Accordingly, there are strict requirements for the storage characteristics of lithium secondary batteries, particularly at high temperatures. In recent years, it has been widely studied to use lithium nickel composite oxide instead of lithium cobalt composite oxide as a positive electrode active material in order to further increase the capacity. While an increase in capacity was achieved, there was a problem that a large amount of gas was generated during high-temperature storage. Since the bare cell of a lithium secondary battery swells somewhat due to gas generation when stored under high temperature conditions, it is usually housed in a slightly larger case so that there is no change in appearance even if it swells. If the amount of gas generated is large, it will be necessary to store it in a larger case, which reduces the energy density of the entire battery pack and offsets the merit of using lithium nickel composite oxide, which is a high-capacity active material. Will be. Moreover, if the amount of gas generated becomes large, there is even a risk that the case will burst. Therefore, suppressing the generation of gas during high-temperature storage has been an important issue in using the lithium nickel composite oxide.
[0006]
In addition, improvement of continuous charging characteristics has recently been particularly demanded with the growing demand for office notebook computers. When using a laptop computer in the office, the AC adapter is used as the power source in most cases, and the secondary battery in the computer is constantly charged. During such continuous charging, gas is generated by decomposition of the electrolyte. In a cylindrical battery that detects an internal pressure and activates a safety valve when there is an abnormality such as overcharging, if there is a large amount of gas generated, the safety valve will operate during continuous charging. In addition, in a rectangular battery without a safety valve, when the amount of gas is large, it is necessary to store the bare cell in a larger case so that there is no change in appearance, leading to a decrease in the energy density of the entire battery pack. Furthermore, if the generation of gas is large, there is a risk that the case will burst. Therefore, especially as a continuous charge characteristic, it is strongly required to suppress generation of gas. When lithium cobalt composite oxide is used as the positive electrode active material, the amount of gas generated during high temperature storage is relatively small, but the amount of gas generated during long-term continuous charging is large, and improvement has been required.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
As a result of intensive studies to solve the above-mentioned problems, the present inventor has incorporated a specific compound into a non-aqueous electrolyte solution, thereby maintaining a high capacity and recovering a capacity when stored under high temperature conditions. The inventors have found that the gas generation is significantly reduced even when the battery is continuously charged for a long time, and the present invention has been completed.
[0008]
That is, the gist of the present invention is that a lithium salt is dissolved in a non-aqueous organic solvent. For lithium secondary battery A non-aqueous electrolyte solution, wherein the non-aqueous organic solvent is a polyvalent sulfonate compound represented by the following general formula (1): 0.01 to 15% by weight of the non-aqueous electrolyte for a lithium secondary battery It is characterized by containing For lithium secondary battery Non-aqueous electrolyte.
[0009]
[Chemical formula 2]
[0010]
(In the formula, L is composed of a carbon atom and a hydrogen atom. The number of carbon atoms is 3-12 Represents a Z-valent linking group, R is It is selected from an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, an alkenyl group having 2 to 4 carbon atoms, an aryl group having 6 to 9 carbon atoms, and an aralkyl group having 7 to 8 carbon atoms. Represents a hydrocarbon group, Z is 3 Or 4 Is)
The other gist of the present invention is as described above. For lithium secondary battery The present invention resides in a lithium secondary battery using a nonaqueous electrolytic solution.
[0011]
When the electrolytic solution containing the above polyvalent sulfonate compound is used, the high-temperature storage characteristics and the continuous charge characteristics are improved while maintaining a high capacity. Specifically, gas generation during high temperature storage and continuous charging is suppressed and the recovery capacity after storage is improved. In particular, in a lithium secondary battery using a positive electrode containing a lithium nickel composite oxide that generates a large amount of gas, the amount of gas generated can be greatly reduced. As described above, divalent sulfonate compounds such as 1,4-butanediol dimethanesulfonate and propylene glycol dimethanesulfonate, which have been reported to improve the cycle characteristics as described above, improve the cycle characteristics. It is not a significant improvement. Therefore, it was completely unpredictable that the above polyvalent sulfonate compound greatly improved the storage characteristics at high temperatures. Although the details of the reason why the electrolytic solution containing the polyvalent sulfonate compound brings about improvement in storage characteristics are unknown, the SEI (interface protective film) formed on the negative electrode at the initial stage of charging is thermally stable. And that the polyvalent sulfonate compound covers the base point of the positive electrode. If the SEI that suppresses the reaction between lithium in the negative electrode and the electrolytic solution is thermally unstable, the reaction between the lithium and the electrolytic solution proceeds to generate gas. Non-aqueous solvents such as carbonates are reduced at the initial stage of charging to form SEI. However, the above polyvalent sulfonate compounds are partially reduced and incorporated into SEI, making SEI stronger. It is estimated to be. In addition, the polyvalent sulfonate remaining without being reduced at the initial stage of charging acts as an acid, and covers the base point of the positive electrode active material, so that the decarboxylation reaction of the carbonate solvent can be suppressed, and the generation of gas such as carbon dioxide is prevented. It is thought that it is suppressing.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
The non-aqueous electrolyte solution according to the present invention is a solution in which a lithium salt is dissolved in a non-aqueous organic solvent and a polyvalent sulfonate compound represented by the following general formula (I) is further contained.
[0013]
[Chemical 3]
[0014]
(In the formula, L is composed of a carbon atom and a hydrogen atom, 3 to 12 carbon atoms Represents a Z-valent linking group, R represents a hydrocarbon group, and Z represents 3 Or 4 Is)
In the general formula (1), R represents a hydrocarbon group. Examples of the hydrocarbon group include an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms such as a methyl group, an ethyl group, a propyl group, an isopropyl group, and a butyl group, and an alkenyl having 2 to 4 carbon atoms such as a vinyl group, an isopropenyl group, and an allyl group. Group, phenyl group, tolyl group, ethylphenyl group, dimethylphenyl group, trimethylphenyl group and other aryl groups having 6 to 9 carbon atoms, benzyl group, phenethyl group and other aralkyl groups having 7 to 8 carbon atoms, and the like. Preferred are alkyl groups having 1 to 2 carbon atoms such as methyl group and ethyl group, aryl groups having 6 to 9 carbon atoms such as phenyl group, tolyl group, ethylphenyl group, dimethylphenyl group and trimethylphenyl group, and more preferred. Are a methyl group and a tolyl group.
[0015]
Z Is 3 Or 4. L is composed of carbon atoms and hydrogen atoms, 3 to 12 carbon atoms Represents a Z-valent linking group. Number of carbon atoms constituting the linking group L Is More preferably, it is 3-8.
Some examples in which Z is 3, that is, L is a trivalent linking group composed of a carbon atom and a hydrogen atom are exemplified below.
[0016]
[Formula 4]
[0017]
[Chemical formula 5]
[0018]
[Chemical 6]
[0019]
[Chemical 7]
[0020]
[Chemical 8]
[0021]
[Chemical 9]
[0022]
Examples of the case where Z is 4, ie, L is a tetravalent linking group composed of a carbon atom and a hydrogen atom, include the following.
[0023]
[Chemical Formula 10]
[0024]
Embedded image
[0025]
Embedded image
[0026]
Examples of the polyvalent sulfonate compound of the general formula (1) include 1,2,3-propanetriol trimethanesulfonate, 1,2,3-propanetrioltriethanesulfonate, 1,2,3-propanetrioltripropanesulfonate. 1,2,3-propanetriol tributanesulfonate, 1,2,3-propanetriol tribenzenesulfonate, 1,2,3-propanetriol tri-p-toluenesulfonate, 1,2,3-propanetriol tri- 1,2,3-propanetriol trisulfonates such as 4-ethylbenzenesulfonate, 1,2,3-propanetriol tris-3,5-dimethylbenzenesulfonate, 1,2,3-propanetriol tri-2-mesitylenesulfonate 1,2,3-bu Ntrioltrimethanesulfonate, 1,2,3-butanetrioltriethanesulfonate, 1,2,3-butanetrioltripropanesulfonate, 1,2,3-butanetrioltributanesulfonate, 1,2,3-butane Triol tribenzene sulfonate, 1,2,3-butanetriol tri-p-toluenesulfonate, 1,2,3-butanetriol tri-4-ethylbenzenesulfonate, 1,2,3-butanetriol tris-3,5-dimethyl 1,2,3-butanetriol trisulfonates such as benzenesulfonate, 1,2,3-butanetrioltri-2-mesitylenesulfonate, 1,2,4-butanetrioltrimethanesulfonate, 1,2,4-butane Triol triethane sulfonate 1,2,4-butanetriol tripropanesulfonate, 1,2,4-butanetrioltributanesulfonate, 1,2,4-butanetrioltribenzenesulfonate, 1,2,4-butanetrioltri-p-toluenesulfonate 1,2,4-butanetriol tri-4-ethylbenzenesulfonate, 1,2,4-butanetrioltris-3,5-dimethylbenzenesulfonate, 1,2,4-butanetrioltri-2-mesitylenesulfonate, etc. 1,2,4-butanetriol trisulfonates, 1,2,5-pentanetriol trimethanesulfonate, 1,2,5-pentanetrioltriethanesulfonate, 1,2,5-pentanetrioltripropanesulfonate, 1, 2,5-pentanetriol 1,2,5-pentanetriol trisulfonates such as tribenzenesulfonate, 1,2,5-pentanetriol tri-p-toluenesulfonate, 1,2,6-hexanetrioltrimethanesulfonate, 1,2,6- 1,2,6, such as hexanetriol triethanesulfonate, 1,2,6-hexanetrioltripropanesulfonate, 1,2,6-hexanetrioltribenzenesulfonate, 1,2,6-hexanetrioltri-p-toluenesulfonate 6-hexanetriol trisulfonates, 1,2,3-heptanetrioltrimethanesulfonate, 1,2,3-heptanetrioltriethanesulfonate, 1,2,3-heptanetrioltripropanesulfonate, 1,2,3- Heptane trio 1,2,3-heptanetriol trisulfonates such as tribenzenesulfonate, 1,2,3-heptanetriol tri-p-toluenesulfonate, 1,2,7-heptanetrioltrimethanesulfonate, 1,2,7- 1,2,7, such as heptane triol triethane sulfonate, 1,2,7-heptane triol tripropane sulfonate, 1,2,7-heptane triol tribenzene sulfonate, 1,2,7-heptane triol tri-p-toluene sulfonate 7-heptanetriol trisulfonates, 1,2,8-octanetriol trimethanesulfonate, 1,2,8-octanetrioltriethanesulfonate, 1,2,8-octanetrioltripropanesulfonate, 1,2,8- Octantrio 1,2,8-octanetriol trisulfonates such as lutribenzenesulfonate, 1,2,8-octanetrioltri-p-toluenesulfonate, trimethylolethanetrimethanesulfonate, trimethylolethanetriethanesulfonate, trimethylolethanetri Propane sulfonate, trimethylol ethane tributane sulfonate, trimethylol ethane tribenzene sulfonate, trimethylol ethane tri-p-toluene sulfonate, trimethylol ethane tri-4-ethylbenzene sulfonate, trimethylol ethane tris-3,5-dimethylbenzene sulfonate, Trimethylolethane trisulfonates such as trimethylolethanetri-2-mesitylenesulfonate, trimethylolpropane trimethyl Tansulfonate, trimethylolpropane triethanesulfonate, trimethylolpropane tripropanesulfonate, trimethylolpropane tributanesulfonate, trimethylolpropane tribenzenesulfonate, trimethylolpropane tri-p-toluenesulfonate, trimethylolpropane tri-4-ethylbenzenesulfonate , Trimethylolpropane tri-3,5-dimethylbenzenesulfonate, trimethylolpropane trisulfonate such as trimethylolpropane tri-2-mesitylenesulfonate, 3-methylpentane-1,3,5-trioltrimethanesulfonate, 3- Methylpentane-1,3,5-trioltriethanesulfonate, 3-methylpentane-1,3,5-trioltriple Pansulfonate, 3-methylpentane-1,3,5-trioltributanesulfonate, 3-methylpentane-1,3,5-trioltribenzenesulfonate, 3-methylpentane-1,3,5-trioltri-p -Toluenesulfonate, 3-methylpentane-1,3,5-trioltri-4-ethylbenzenesulfonate, 3-methylpentane-1,3,5-trioltri-3,5-dimethylbenzenesulfonate, 3-methylpentane- 3-methylpentane-1,3,5-triol trisulfonates such as 1,3,5-trioltri-2-mesitylenesulfonate, 1,2,4-benzenetriol trimethanesulfonate, 1,2,4-benzene Triol triethanesulfonate, 1,2,4-benzenetri Trivalent sulfonates such as 1,2,4-benzenetriol trisulfonates, 1,2,4-benzenetriol tribenzenesulfonate, 1,2,4-benzenetriol tri-p-toluenesulfonate, etc. 1,2,3,4-butanetetrol tetramethanesulfonate, 1,2,3,4-butanetetrol tetraethanesulfonate, 1,2,3,4-butanetetroltetrapropanesulfonate, 1,2, 3,4-butanetetrol tetrabenzenesulfonate, 1,2,3,4-butanetetrol tetra-p-toluenesulfonate, 1,2,3,4-butanetetrol tetra-4-ethylbenzenesulfonate, 1,2, , 3,4-Butanetetrol tetrakis-3,5-dimethylbenzenes 1,2,3,4-butanetetrol tetrasulfonates such as sulfonate, pentaerythritol tetramethanesulfonate, pentaerythritol tetraethanesulfonate, pentaerythritol tetrapropanesulfonate, pentaerythritol tetrabenzenesulfonate, pentaerythritol tetra-p-toluenesulfonate And tetravalent sulfonates such as pentaerythritol tetrasulfonates such as pentaerythritol tetra-4-ethylbenzenesulfonate and pentaerythritol tetrakis-3,5-dimethylbenzenesulfonate.
[0027]
Preferably 1,2,3-propanetriol trimethanesulfonate, 1,2,3-propanetrioltriethanesulfonate, 1,2,3-propanetrioltribenzenesulfonate, 1,2,3-propanetrioltri-p- 1,2,3-propanetriol trisulfonates such as toluenesulfonate, 1,2,3-butanetrioltrimethanesulfonate, 1,2,3-butanetrioltriethanesulfonate, 1,2,3-butanetrioltribenzene 1,2,3-butanetriol trisulfonates such as sulfonate, 1,2,3-butanetrioltri-p-toluenesulfonate, 1,2,4-butanetrioltrimethanesulfonate, 1,2,4-butanetriol Trietanesulfonate, 1,2 1,2,4-butanetriol trisulfonates such as 4-butanetriol tribenzenesulfonate, 1,2,4-butanetrioltri-p-toluenesulfonate, trimethylolpropane trimethanesulfonate, trimethylolpropane triethanesulfonate, Trimethylolpropane trisulfonates such as trimethylolpropane tribenzenesulfonate, trimethylolpropane tri-p-toluenesulfonate, 3-methylpentane-1,3,5-trioltrimethanesulfonate, 3-methylpentane-1,3, 5-trioltriethanesulfonate, 3-methylpentane-1,3,5-trioltribenzenesulfonate, 3-methylpentane-1,3,5-trioltri-p-toluenesulfonate Trimethyl sulfonates such as 3-methylpentane-1,3,5-triol trisulfonates, 1,2,3,4-butanetetrol tetramethanesulfonate, 1,2,3,4-butanetetrol 1,2,3,4-butanetetrol tetra such as tetraethanesulfonate, 1,2,3,4-butanetetrol tetrabenzenesulfonate, 1,2,3,4-butanetetrol tetra-p-toluenesulfonate Sulfonates, tetravalent sulfonates such as pentaerythritol tetrasulfonates such as pentaerythritol tetramethanesulfonate, pentaerythritol tetraethanesulfonate, pentaerythritol tetrabenzenesulfonate, and pentaerythritol tetra-p-toluenesulfonate.
[0028]
More preferably 1,2,3-propanetriol trimethanesulfonate, 1,2,3-propanetriol tri-p-toluenesulfonate, 1,2,3-butanetrioltrimethanesulfonate, 1,2,3-butanetriol Tribenzenesulfonate, 1,2,3-butanetriol tri-p-toluenesulfonate, 1,2,4-butanetrioltrimethanesulfonate, 1,2,4-butanetrioltri-p-toluenesulfonate, trimethylolpropane tri 3 such as methanesulfonate, trimethylolpropane tri-p-toluenesulfonate, 3-methylpentane-1,3,5-trioltrimethanesulfonate, 3-methylpentane-1,3,5-trioltri-p-toluenesulfonate Methanesulfuric acid It is sulphonates and p- toluenesulfonic sulphonates.
[0029]
These sulfonate compounds may be used as a mixture of two or more.
The amount of the polyvalent sulfonate compound added to the non-aqueous organic solvent in which the lithium salt is dissolved is not particularly limited, but usually the sulfonate compound is 0.01% by weight or more, preferably 0.1% by weight of the non-aqueous electrolyte. Try to occupy the above. The upper limit is usually 15% by weight or less, preferably 7% by weight or less, and most preferably 3% by weight or less. If the amount added is too large, the ionic conductivity tends to decrease and battery characteristics such as rate characteristics tend to deteriorate. When the amount added is too small, no improvement in storage characteristics is observed.
[0030]
The lithium salt used as the supporting electrolyte in the present invention is not particularly limited. For example, LiPF 6 , LiAsF 6 , LiBF Four , LiSbF 6 LiAlCl Four LiClO Four , CF Three SO Three Li, C Four F 9 SO Three Li, CF Three COOLi, (CF Three CO) 2 NLi, (CF Three SO 2 ) 2 NLi, (C 2 F Five SO 2 ) 2 Examples include lithium salts such as NLi. In particular, LiPF that is easily soluble in a solvent and has a high degree of dissociation 6 , LiBF Four , CF Three SO Three Li and (CF Three SO 2 ) 2 A lithium salt selected from the group consisting of NLi is preferably used. The concentration of the lithium salt in the non-aqueous electrolyte is usually preferably in the range of 0.5 to 2 mol / L.
[0031]
The non-aqueous organic solvent used in the present invention is not particularly limited as long as the lithium salt can be dissolved. Among them, as a solvent that expresses high ionic conductivity, dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC) are usually used. ), Chain carbonates such as ethyl methyl carbonate (EMC), methyl propyl carbonate, and ethyl propyl carbonate, cyclic carbonates such as ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), and butylene carbonate (BC), vinylene carbonate, vinyl Unsaturated carbonates such as ethylene carbonate, ethers such as 1,2-dimethoxyethane and tetrahydrofuran, cyclic esters such as γ-butyrolactone and γ-valerolactone, methyl formate, methyl acetate, propylene A chain ester such as methyl onate is preferably used.
[0032]
These organic solvents are usually used as a mixture so that the electrolytic solution exhibits appropriate physical properties. In general, the chain carbonates and the cyclic carbonates are preferably used in combination. Of the chain carbonates, asymmetric carbonates such as ethyl methyl carbonate, methyl propyl carbonate, and ethyl propyl carbonate are particularly preferable. Among them, ethyl methyl carbonate is preferably used because it has a low viscosity and thus not only enhances lithium mobility, but also has a relatively high boiling point and is difficult to volatilize and is easy to handle and has low reactivity with Li. Unsaturated carbonates such as vinylene carbonate and vinyl ethylene carbonate are preferable because they are easily reduced during initial charging and contribute to the formation of a stable interface protective film (SEI). These unsaturated carbonates are contained in the non-aqueous organic solvent in an amount of usually 0.01% by weight or more, preferably 0.05% by weight or more. The upper limit is usually 10% by weight or less, preferably 8% by weight or less.
[0033]
In preparing the non-aqueous electrolyte solution according to the present invention, each raw material of the non-aqueous electrolyte solution is preferably dehydrated in advance. The water content is usually 50 ppm or less, preferably 30 ppm or less. If a large amount of water is present, water electrolysis, reaction with lithium metal, and lithium salt hydrolysis may occur. The means for dehydration is not particularly limited, but in the case of a liquid such as a solvent, a molecular sieve or the like may be used. In the case of a solid such as a lithium salt, it may be dried at a temperature lower than the temperature at which decomposition occurs.
[0034]
The non-aqueous electrolyte solution according to the present invention is useful as an electrolyte solution for a lithium secondary battery. Hereinafter, the lithium secondary battery according to the present invention using this non-aqueous electrolyte will be described.
The basic configuration of this lithium secondary battery is the same as that of a conventionally known lithium secondary battery, and the positive electrode and the negative electrode are accommodated in the case via the porous film and the nonaqueous electrolyte solution according to the present invention. The external shape of the lithium secondary battery is not particularly limited, and may be any conventionally known coin-type battery, cylindrical battery, rectangular battery, or the like. What is necessary is just to select the active material of a positive electrode and a negative electrode suitably according to the kind of battery.
[0035]
Examples of the positive electrode active material include oxides having transition metals such as Fe, Co, Ni, and Mn, composite oxides of these with lithium, and inorganic compounds such as sulfides. Specifically, MnO, V 2 O Five , V 6 O 13 TiO 2 Transition metal oxides such as, lithium nickel composite oxide, lithium cobalt composite oxide, lithium manganese composite oxide and other composite oxides of lithium and transition metal, TiS 2 And transition metal sulfides such as FeS. You may mix and use multiple types of said active material. Among them, lithium and transition metal composite oxides such as lithium nickel composite oxide, lithium cobalt composite oxide, and lithium manganese composite oxide are preferably used because they have both high capacity and high cycle characteristics.
[0036]
The nonaqueous electrolytic solution according to the present invention improves the storage characteristics of the lithium secondary battery regardless of the type of the positive electrode active material, but the effect is particularly great when a positive electrode containing a lithium nickel composite oxide is used. It brings about significant improvement in properties such as suppressing gas generation during high temperature storage.
The lithium nickel composite oxide is an oxide containing at least lithium, nickel and oxygen, for example, LiNiO. 2 , Li 2 NiO 2 , LiNi 2 O Four Among others, LiNiO 2 Is preferred. Further, the lithium nickel composite oxide may be one in which a part of the site occupied by Ni is substituted with an element other than Ni. By substituting a part of the Ni site with another element, the stability of the crystal structure can be improved, and a decrease in capacity caused by a part of the Ni element moving to the Li site during repeated charging and discharging. Since it is suppressed, cycle characteristics are also improved. Furthermore, by replacing a part of the Ni site with an element other than Ni, the runaway reaction of the lithium nickel composite oxide when the temperature of the battery rises is also suppressed, resulting in an improvement in safety.
[0037]
Examples of the element (hereinafter referred to as “substitution element”) when substituting a part of the site occupied by Ni with an element other than Ni include, for example, Al, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Li, Cu, Zn, Mg, Ga, Zr etc. are mentioned. Al, Cr, Fe, Co, Li, Mg, Ga, and Mn are preferable, and Al and Co are more preferable. The Ni site may be substituted with two or more other elements.
[0038]
When the Ni site is substituted by a substitution element, the ratio is usually 2.5 mol% or more of Ni element, preferably 5 mol% or more, and usually 50 mol% or less, preferably 20 mol% or less of Ni element. is there. If the replacement ratio is too small, the effect of improving the cycle characteristics and the like may not be sufficient, and if it is too large, the capacity of the battery may be reduced.
[0039]
The specific surface area of the positive electrode active material is usually 0.1 m. 2 / G or more, preferably 0.2 m 2 / G or more, usually 10m 2 / G or less, preferably 5.0 m 2 / G or less. If the specific surface area is too small, the rate characteristics and capacity may be reduced. If the specific surface area is too large, an undesirable reaction with the electrolytic solution or the like may be caused, and the cycle characteristics may be deteriorated. In particular, lithium nickel composite oxide has a high reactivity with the electrolytic solution, so it is usually 5.0 m. 2 / G or less, preferably 2.0 m 2 / G or less.
[0040]
The average secondary particle size of the positive electrode active material is usually 0.2 μm or more, preferably 0.5 μm or more, usually 30 μm or less, preferably 20 μm or less. If the average secondary particle size is too small, the cycle deterioration of the battery may be increased or a safety problem may occur. If the average secondary particle size is too large, the internal resistance of the battery may be increased and output may be difficult to output.
[0041]
Lithium metal and lithium alloy can be used as the negative electrode active material, but in terms of good cycle characteristics and safety, such as coke, acetylene black, mesophase microbeads, and graphite that can occlude and release lithium ions. It is particularly preferred to use a carbonaceous material. The particle size of the granular negative electrode active material is usually about 1 to 50 μm, preferably about 15 to 30 μm, from the viewpoint of excellent battery characteristics such as initial efficiency, rate characteristics, and cycle characteristics.
[0042]
In addition, a material obtained by mixing and baking the carbonaceous substance with an organic substance or the like, or a material in which amorphous carbon is formed on at least a part of the surface using the CVD method or the like as compared with the carbonaceous substance is also carbonaceous. It can be suitably used as a substance.
Examples of the organic matter include coal tar pitch from soft pitch to hard pitch; heavy coal oil such as dry distillation liquefied oil; straight heavy oil such as atmospheric residual oil and vacuum residual oil; heat of crude oil, naphtha, etc. Examples include petroleum heavy oils such as cracking heavy oils (for example, ethylene heavy end) that are by-produced during cracking. Moreover, what grind | pulverized the solid residue obtained by distilling these heavy oils at 200-400 degreeC to 1-100 micrometers can also be used. Furthermore, a vinyl chloride resin and these resin precursors which become a phenol resin or an imide resin by firing can also be used.
[0043]
Examples of the binder that can be used for the positive electrode or the negative electrode include various materials from the viewpoint of weather resistance, chemical resistance, heat resistance, flame retardancy, and the like. Specifically, inorganic compounds such as silicate and glass, alkane polymers such as polyethylene, polypropylene and poly-1,1-dimethylethylene; unsaturated polymers such as polybutadiene and polyisoprene; polystyrene, polymethylstyrene, Polymers having rings such as polyvinyl pyridine and poly-N-vinyl pyrrolidone; polymethyl methacrylate, polyethyl methacrylate, polybutyl methacrylate, polymethyl acrylate, polyethyl acrylate, polyacrylic acid, polymethacrylic acid, poly Acrylic derivative polymers such as acrylamide; Fluorine resins such as polyvinyl fluoride, polyvinylidene fluoride, and polytetrafluoroethylene; CN group-containing polymers such as polyacrylonitrile and polyvinylidene cyanide; Polyvinyl alcohol polymers such as polyvinyl alcohol; polyvinyl chloride, halogen-containing polymers such as polyvinylidene chloride; and conductive polymers such as polyaniline can be used. Further, a mixture such as the above-mentioned polymer, a modified product, a derivative, a random copolymer, an alternating copolymer, a graft copolymer, a block copolymer, and the like can be used. The weight average molecular weight of these resins is usually 10,000 to 3,000,000, preferably about 100,000 to 1,000,000. If the molecular weight is too low, the strength of the electrode tends to decrease. On the other hand, if the molecular weight is too high, the viscosity becomes high and it may be difficult to form an electrode. Preferred binder resins are fluororesins and CN group-containing polymers.
[0044]
The usage-amount of a binder is 0.1 weight part or more normally with respect to 100 weight part of active materials, Preferably it is 1 weight part or more, and is 30 weight part or less normally, Preferably it is 20 weight part or less. If the amount of the binder is too small, the strength of the electrode tends to decrease, and if the amount of the binder is too large, the ionic conductivity tends to decrease. Furthermore, in order to improve the electroconductivity and mechanical strength of an electrode, you may contain the additive, powder, filler, etc. which express various functions, such as an electroconductive material and a reinforcing material. The conductive material is not particularly limited as long as it can impart conductivity by mixing an appropriate amount of the above active material. Usually, carbon powder such as acetylene black, carbon black, graphite, various metal fibers, Examples include foil. As the reinforcing material, various inorganic, organic spherical and fibrous fillers can be used.
[0045]
The electrode can be formed by applying and drying a paint containing a component such as an active material or a binder and a solvent. The thickness of the electrode is usually 1 μm or more, preferably 10 μm or more, more preferably 20 μm or more, most preferably 40 μm or more, and usually 200 μm or less, preferably 150 μm or less, more preferably 100 μm or less. If it is too thin, the coating becomes difficult and it becomes difficult to ensure uniformity, and the battery capacity may be too small. On the other hand, if it is too thick, the rate characteristics may be deteriorated too much.
[0046]
At least one of the positive electrode and the negative electrode is usually formed on a current collector. Various types of current collectors can be used, but usually metals and alloys are used. Specifically, examples of the positive electrode current collector include aluminum, nickel, and SUS, and examples of the negative electrode current collector include copper, nickel, and SUS. Preferably, aluminum is used as the positive electrode current collector, and copper is used as the negative electrode current collector. In order to improve the binding effect with the positive and negative electrode layers, it is preferable that the surfaces of these current collectors are roughened in advance. Current roughening methods include a method of rolling with a blasting process or a rough roll, a polishing cloth with a fixed abrasive particle, a grinding wheel, emery buff, a wire brush with a steel wire, etc. Examples thereof include a mechanical polishing method for polishing the surface, an electrolytic polishing method, and a chemical polishing method.
[0047]
Further, in order to reduce the weight of the battery, that is, to improve the weight energy density, a perforated current collector such as an expanded metal or a punching metal can be used. In this case, the weight can be freely changed by changing the aperture ratio. In addition, when an active material is present on both sides of such a hole-type current collector, the rivet effect of the coating film through this hole tends to make the coating film more difficult to peel off, but the aperture ratio is too high. When it becomes high, the contact area between the coating film and the current collector becomes small, so that the adhesive strength may be lowered.
[0048]
The thickness of the current collector is usually 1 μm or more, preferably 5 μm or more, and is usually 100 μm or less, preferably 50 μm or less. If it is too thick, the capacity of the entire battery will be too low. Conversely, if it is too thin, handling may be difficult.
The non-aqueous electrolyte solution of the present invention may be gelled with a polymer to form a semi-solid. The amount of the non-aqueous electrolyte used in the semisolid electrolyte is usually 30% by weight or more, preferably 50% by weight or more, more preferably 75% by weight or more based on the total amount of the semisolid electrolyte. 99.95% by weight or less, preferably 99% by weight or less, more preferably 98% by weight or less. If the amount used is too large, it is difficult to retain the electrolyte solution and liquid leakage tends to occur. Conversely, if the amount is too small, the charge / discharge efficiency and capacity may be insufficient.
[0049]
A porous spacer is preferably provided between the positive electrode and the negative electrode to prevent a short circuit. That is, in this case, the electrolytic solution is used by being impregnated into a porous spacer. As a material for the spacer, polyolefin such as polyethylene or polypropylene, polytetrafluoroethylene, polyethersulfone, or the like can be used, and polyolefin is preferable. The thickness of the spacer is usually 1 μm or more, preferably 5 μm or more, more preferably 10 μm or more, and usually 50 μm or less, preferably 40 μm or less, more preferably 30 μm or less. If the porous film is too thin, the insulation and mechanical strength may be deteriorated. If the porous film is too thick, not only the battery performance such as the rate characteristic is deteriorated, but also the energy density of the whole battery may be lowered. The porosity of the spacer is usually 20% or more, preferably 35% or more, more preferably 45% or more, and usually 90% or less, preferably 85% or less, more preferably 75% or less. If the porosity is too small, the membrane resistance increases and the rate characteristics tend to deteriorate. On the other hand, if it is too large, the mechanical strength of the film tends to decrease and the insulating property tends to decrease. The average pore diameter of the spacer is usually 0.5 μm or less, preferably 0.2 μm or less, and usually 0.05 μm or more. If it is too large, a short circuit tends to occur, and if it is too small, the film resistance increases and the rate characteristics may deteriorate.
[0050]
【Example】
EXAMPLES Hereinafter, although an Example is given and the specific aspect of this invention is further demonstrated, this invention is not limited by these Examples, unless the summary is exceeded.
Example 1
[Production of positive electrode]
Lithium nickel composite oxide (LiNi 0.82 Co 0.15 Al 0.03 O 2 ) Mix 90% by weight, 5% by weight of polyvinylidene fluoride (PVdF) and 5% by weight of acetylene black, add N-methylpyrrolidone to form a slurry, and apply and dry on both sides of the current collector made of aluminum. Thus, a positive electrode was obtained.
[0051]
[Manufacture of negative electrode]
90% by weight of graphite powder and 10% by weight of PVdF were mixed, and a slurry obtained by adding N-methylpyrrolidone was applied to one side of a current collector made of copper and dried to obtain a negative electrode.
[Preparation of electrolyte]
LiPF 6 Is obtained by adding 2 parts by weight of vinylene carbonate to 100 parts by weight of a mixed solvent of ethylene carbonate and ethyl methyl carbonate (mixing volume ratio 1: 3) containing 1.25 mol / L of the base electrolyte solution. 1 part by weight of 1,2,4-butanetriol trimethanesulfonate was added to obtain an electrolytic solution.
[0052]
[Manufacture of lithium secondary batteries]
After applying and impregnating the electrolyte solution to the positive electrode, the negative electrode, and a biaxially stretched porous film made of polyethylene having a film thickness of 16 μm, a porosity of 45%, and an average pore diameter of 0.05 μm, respectively, the negative electrode, separator, positive electrode, The separator and the negative electrode were laminated in this order. The battery element thus obtained was first sandwiched between PET films, and then sealed in a vacuum while sheeting positive and negative terminals on a laminate film in which both surfaces of an aluminum layer were covered with a resin layer, and sheet-like lithium secondary A battery was produced. In order to further improve the adhesion between the electrodes, a sheet battery is sandwiched between silicon rubber and a glass plate, and then 0.35 kg / cm. 2 Was pressurized. FIG. 1 shows a schematic cross-sectional view of a secondary battery.
[0053]
[Capacity evaluation]
The discharge amount per hour of the lithium nickel composite oxide was set to 180 mAh / g, the discharge rate was determined from this and the amount of the active material of the positive electrode of the lithium secondary battery, and the rate was set. After charging to 2V, it was discharged to 3V at 0.2C, and the initial formation was performed. Subsequently, after charging to 4.2V at 0.5C, it was discharged again to 3V at 0.2C, and the 0.2C discharge capacity was determined. The cut current during charging was set to 0.05C.
[0054]
[Evaluation of storage characteristics]
After the capacity evaluation test was completed, the battery was charged to 4.2 V at 0.5 C, and then stored in a constant temperature bath at 85 ° C. for 1 day, and the amount of gas generated was immersed in an ethanol bath to measure the buoyancy (Archimedes's Principle). In addition, in order to evaluate the capacity deterioration after storage, charge to 0.5V at 4.2V, then discharge at 0.2C, measure the 0.2C discharge capacity after storage, and the capacity recovery rate according to the following formula Asked. The results are shown in Table 1.
[0055]
[Expression 1]
Capacity recovery rate (%) =
After storage 0.2C discharge capacity (mAh / g) /0.2C discharge capacity (mAh / g)
[0056]
Example 2
A lithium secondary battery was produced in the same manner as in Example 1 except that an electrolytic solution in which the amount of 1,2,4-butanetrioltrimethanesulfonate added was 3 parts by weight was used. A characteristic test was carried out. The results are shown in Table 1.
[0057]
Example 3
A lithium secondary battery was produced in the same manner as in Example 1 except that an electrolyte solution containing 5 parts by weight of 1,2,4-butanetrioltrimethanesulfonate was used. A characteristic test was carried out. The results are shown in Table 1.
Example 4
LiPF 6 1 part by weight of 1,2,4-butanetriol trimethanesulfonate to 100 parts by weight of a mixed solvent of ethylene carbonate and diethyl carbonate (mixing volume ratio 1: 1) containing 1.0 mol / L A lithium secondary battery was produced in the same manner as in Example 1 except that was used as the electrolytic solution, and the same battery characteristic test as in Example 1 was performed. The results are shown in Table 1. Regardless of the electrolyte composition, the amount of gas generation is reduced, and the effect of improving the storage characteristics is seen.
[0058]
Comparative Example 1
A lithium secondary battery was produced in the same manner as in Example 1 except that an electrolyte without adding 1,2,4-butanetrioltrimethanesulfonate was used, and a battery characteristic test similar to that in Example 1 was performed. The results are shown in Table 1. It can be seen that the capacity recovery rate is low, a large amount of gas is generated, and the storage characteristics are greatly inferior.
[0059]
Comparative Example 2
A lithium secondary battery was produced in the same manner as in Example 1 except that an electrolyte solution in which 1,4-butanediol dimethanesulfonate was added instead of 1,2,4-butanetrioltrimethanesulfonate as an additive was used. Then, the same battery characteristic test as in Example 1 was performed. The results are shown in Table 1. Although the capacity recovery rate is improved, the effect of suppressing gas generation is insufficient.
[0060]
Example 5
[Production of positive electrode]
Lithium cobalt composite oxide (LiCoO 2 ) 90% by weight, PVdF 5% by weight, and acetylene black 5% by weight were mixed, and N-methylpyrrolidone was added to form a slurry, which was applied to both surfaces of an aluminum current collector and dried to obtain a positive electrode.
[0061]
[Manufacture of negative electrode]
A mixture of 87.4% by weight of graphite powder, 9.7% by weight of PVdF and 2.9% by weight of acetylene black, added with N-methylpyrrolidone to form a slurry, and applied to one side of a copper current collector. Thus, a negative electrode was obtained.
[Preparation of electrolyte]
LiPF 6 Is obtained by adding 2 parts by weight of vinylene carbonate to 100 parts by weight of a mixed solvent of ethylene carbonate and ethyl methyl carbonate (mixing volume ratio 1: 3) containing 1.25 mol / L of the base electrolyte solution. 1 part by weight of 1,2,4-butanetriol trimethanesulfonate was added to obtain an electrolytic solution.
[0062]
[Manufacture of lithium secondary batteries]
After applying and impregnating the electrolyte solution to the positive electrode, the negative electrode, and a biaxially stretched porous film made of polyethylene having a film thickness of 16 μm, a porosity of 45%, and an average pore diameter of 0.05 μm, respectively, the negative electrode, separator, positive electrode, The separator and the negative electrode were laminated in this order. The battery element thus obtained was first sandwiched between PET films, and then sealed in a vacuum while sheeting positive and negative terminals on a laminate film in which both surfaces of an aluminum layer were covered with a resin layer, and sheet-like lithium secondary A battery was produced. In order to further improve the adhesion between the electrodes, a sheet battery is sandwiched between silicon rubber and a glass plate, and then 0.35 kg / cm. 2 Was pressurized.
[0063]
[Capacity evaluation]
The discharge amount per hour of the lithium cobalt composite oxide was set to 138 mAh / g, and the rate was set by obtaining the discharge rate 1 C from this and the amount of the active material of the positive electrode of the lithium secondary battery. After charging to 2V, it was discharged to 3V at 0.2C, and the initial formation was performed. Subsequently, after charging to 4.2V at 0.5C, it was discharged again to 3V at 0.2C, and the 0.2C discharge capacity was determined. The cut current during charging was set to 0.05C.
[0064]
[Evaluation of storage characteristics]
After the capacity evaluation test is completed, the battery is charged to 4.2 V at 0.5 C and stored in a thermostatic bath at 85 ° C. for 1 day, and then the amount of gas generated is determined by immersing the battery in an ethanol bath and measuring the buoyancy. It was. In addition, in order to evaluate the capacity deterioration after storage, after charging to 4.2 V at 0.5 C, discharge at 0.2 C and measure the 0.2 C discharge capacity after storage, and the capacity recovery rate is calculated according to the above formula. Asked. The results are shown in Table 1.
[0065]
Comparative Example 3
A lithium secondary battery was produced in the same manner as in Example 5 except that an electrolytic solution to which 1,2,4-butanetrioltrimethanesulfonate was not added was used, and a battery characteristic test similar to that in Example 5 was performed. The results are shown in Table 1. Since lithium cobalt composite oxide is used as the positive electrode active material, the amount of gas generated after storage is at a low level, but capacity recovery is insufficient.
[0066]
[Table 1]
[0067]
As can be seen from Table 1 above, the use of the non-aqueous electrolyte according to the present invention improves the high-temperature storage characteristics while maintaining a high capacity. In particular, it is effective in suppressing the amount of gas generated during storage, and in particular, the effect of suppressing gas generation is great in a lithium secondary battery using a positive electrode containing a lithium nickel composite oxide.
[0068]
Example 6
[Continuous charging evaluation]
LiPF 6 1,2 and 4-butanetriol triol in 100 parts by weight of a mixed solvent of ethylene carbonate and ethyl methyl carbonate (mixing volume ratio 1: 3) and 2 parts by weight of vinylene carbonate. A lithium secondary battery was produced in the same manner as in Example 5 except that an electrolyte prepared by adding 1 part by weight of methanesulfonate was used, and a capacity evaluation test similar to that in Example 5 was performed. Next, this battery was placed in a constant temperature bath at 60 ° C., charged at a constant current of 0.7 C, and switched to constant voltage charging when it reached 4.25V. After charging for 7 days, the battery was immersed in an ethanol bath to measure buoyancy, and the amount of gas generated was calculated from the buoyancy. The results are shown in Table 2.
[0069]
Comparative Example 4
A lithium secondary battery was produced in the same manner as in Example 6 except that an electrolytic solution in which 1,3-propane sultone was added instead of 1,2,4-butanetrioltrimethanesulfonate as an additive was used. A battery characteristic test similar to that in Example 6 was performed. The results are shown in Table 2.
[0070]
Comparative Example 5
A lithium secondary battery was produced in the same manner as in Example 6 except that an electrolytic solution to which 1,2,4-butanetrioltrimethanesulfonate was not added was used, and a battery characteristic test similar to that in Example 6 was performed. The results are shown in Table 2.
[0071]
[Table 2]
[0072]
As apparent from Table 2 above, the amount of gas generated during continuous charging can be suppressed by using the non-aqueous electrolyte solution according to the present invention.
[0073]
【The invention's effect】
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, a lithium secondary battery with a high capacity | capacitance, a high temperature storage characteristic, and a favorable continuous charge characteristic can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the structure of a lithium secondary battery embodying the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Positive electrode 2 Negative electrode 3 Separator 4 PET film 5 Silicon rubber 6 Glass plate 7 Laminate film 8 Lead with sealing material

Claims (6)

リチウム塩が非水系有機溶媒に溶解されてなるリチウム二次電池用非水系電解液であって、該非水系有機溶媒が下記一般式(1)で表される多価スルホネート化合物を、該リチウム二次電池用非水系電解液の0.01〜15重量%含有することを特徴とするリチウム二次電池用非水系電解液。
(式中、Lは炭素原子と水素原子から構成され、炭素原子数が3〜12であるZ価の連結基を表し、Rは、炭素数1〜4のアルキル基、炭素数2〜4のアルケニル基、炭素数6〜9のアリール基、炭素数7〜8のアラルキル基から選ばれる炭化水素基を表し、Zは3又は4である)
A non-aqueous electrolyte for a lithium secondary battery in which a lithium salt is dissolved in a non-aqueous organic solvent, wherein the non-aqueous organic solvent is a polyvalent sulfonate compound represented by the following general formula (1) : A non-aqueous electrolyte for a lithium secondary battery , comprising 0.01 to 15% by weight of the non-aqueous electrolyte for a battery .
(In the formula, L is composed of a carbon atom and a hydrogen atom and represents a Z-valent linking group having 3 to 12 carbon atoms , and R is an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms and 2 to 4 carbon atoms. (Represents a hydrocarbon group selected from an alkenyl group, an aryl group having 6 to 9 carbon atoms, and an aralkyl group having 7 to 8 carbon atoms , and Z is 3 or 4 )
リチウム二次電池が正極活物質を含み、該正極活物質がリチウムと遷移金属の複合酸化物であることを特徴とする請求項1に記載のリチウム二次電池用非水系電解液。The non-aqueous electrolyte for a lithium secondary battery according to claim 1, wherein the lithium secondary battery includes a positive electrode active material, and the positive electrode active material is a composite oxide of lithium and a transition metal. 非水系有機溶媒が、不飽和カーボネートを含有することを特徴とする、請求項1又は2に記載のリチウム二次電池用非水系電解液。The nonaqueous electrolytic solution for a lithium secondary battery according to claim 1, wherein the nonaqueous organic solvent contains an unsaturated carbonate. 非水系有機溶媒が、非対称カーボネートを含有することを特徴とする、請求項1〜3のいずれか1項に記載のリチウム二次電池用非水系電解液。The nonaqueous electrolytic solution for a lithium secondary battery according to any one of claims 1 to 3, wherein the nonaqueous organic solvent contains an asymmetric carbonate. 請求項1〜4のいずれか1項に記載のリチウム二次電池用非水系電解液を用いたことを特徴とするリチウム二次電池。A lithium secondary battery using the non-aqueous electrolyte solution for a lithium secondary battery according to any one of claims 1 to 4. 活物質としてリチウムニッケル複合酸化物を含有する正極を用いることを特徴とする、請求項5に記載のリチウム二次電池。  The lithium secondary battery according to claim 5, wherein a positive electrode containing a lithium nickel composite oxide is used as an active material.
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