JP4366792B2 - Battery electrolyte and non-aqueous electrolyte secondary battery - Google Patents

Battery electrolyte and non-aqueous electrolyte secondary battery Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電池の電解液に用いることのできる電池用電解液、および電気自動車や携帯用電子機器のバッテリーとして用いることのできる非水電解液二次電池に関する。
【0002】
【従来の技術】
エネルギー問題及び環境問題を背景に、電力をより有効に活用する技術が求められている。そのためには、多量の電気を蓄え、かつ効率的にその蓄えた電気を取り出すことができる電気貯蔵手段が必要である。こうした電気の貯蔵手段としては、大きな放電容量と高い放電電圧をもち、かつ繰り返し充放電を行うことができる二次電池が最適である。
【0003】
このような二次電池として、充電時にはリチウムイオンが正極から放出されて負極に吸蔵される充電反応が生じ、放電時には負極から放出されて正極に吸蔵される放電反応が生じるリチウム二次電池がある。リチウム二次電池では、そのエネルギー密度および出力密度がいずれも高く、大きな放電容量と高い放電電圧とが得られる。また特に、負極に炭素材料からなる負極活物質が用いられているリチウムイオン二次電池は、高寿命で安全性が高いため、実用的に優れているとして携帯用電子機器や電気自動車などのバッテリーなどへの利用が期待されている。
【0004】
リチウムイオン二次電池では、有機溶媒にたとえば有機支持塩を溶解させてなる電解液が用いられている。このような非水電解液二次電池の電解液に用いる有機支持塩には、パーフルオロアルキルスルホン酸誘導体のリチウム塩(LiSO2CF3、LiN(SO2CF32、LiC(SO2CF33)などがある。パーフルオロアルキルスルホン酸誘導体のリチウム塩などの有機支持塩は、熱的および電気的に安定である。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、パーフルオロアルキルスルホン酸誘導体のリチウム塩などの有機支持塩を溶解させた電解液を用いた非水電解液二次電池は、無機リチウム塩を電解液に溶解した非水電解液二次電池と比較して、充放電の効率は向上するものの、4V以上の高電圧で使用すると正極集電体に用いられるアルミニウム(Al)が溶出し、電池のサイクル特性に劣るという不都合がある。
【0006】
したがって、本発明では、高電圧で使用してもサイクル特性の良好な電池特性を達成できる電池用電解液を提供することを解決すべき課題とする。
【0007】
また、高電圧で使用してもサイクル特性の良好な電池特性をもつ非水電解液二次電池を提供することを解決すべき課題とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する目的で本発明者らは鋭意研究を行った結果、有機溶媒に、1以上のフッ素原子をもつ、窒素もしくは酸素を含有する複素環式化合物から選ばれる少なくとも1種以上の化合物を含有させることにより、高電圧で使用してもサイクル特性の良好な電池特性を達成できる電池用電解液となることを発見し、以下の発明をした。
【0009】
すなわち、上記課題を解決する本発明の電池用電解液は、有機溶媒に少なくともパーフルオロアルキルスルホン酸誘導体のリチウム塩を溶解させてなる電池用電解液であって、その有機溶媒には、1以上のフッ素原子をもつ、窒素もしくは酸素を含有する複素環式化合物から選ばれる少なくとも1種以上の化合物を含有し、
前記複素環式化合物は、ピラゾール類、イミダゾール類、トリアゾール類、オキサゾール類、クマリン類から選ばれる少なくとも1種以上の化合物(但し、クマリン類を除く)であることを特徴とする。
【0010】
つまり、フッ素原子をもつ、窒素もしくは酸素を含有する複素環式化合物を電池用電解液に含有させることによって、パーフルオロアルキルスルホン酸誘導体のリチウム塩を電解液に含有させた場合に問題となる正極集電体の酸化に対して、抵抗性のある強い吸着層の被膜を正極集電体上に形成することができる。具体的には、複素環式化合物の酸素原子および窒素原子に存在する非共有電子対の作用により被膜が形成され、その場合に、本発明の電池用電解液に用いられる複素環式化合物は、一部の水素原子がフッ素原子に置換されているので、酸化・分解され難いのである。
【0011】
また、本発明の電池用電解液は、負極にリチウム含有金属を用いた非水電解液二次電池に用いることにより、負極のリチウム含有金属表面にも安定な被膜を生成し、リチウム含有金属からなる負極表面上における電流集中や副反応の進行を防止することができるという利点もある。
【0012】
さらに、前記パーフルオロアルキルスルホン酸誘導体のリチウム塩は、LiSO3 CF3 、LiN(SO2 CF3 2 、LiC(SO2 CF3 3から選ばれる少なくとも1種以上の物質であることが好ましい。これらのリチウム塩は、前記複素環式化合物との組み合わせにおいて、電解液の酸化分解電位が上昇し、前記アルミニウムの溶出防止効果が向上する。
【0013】
また、前記複素環式化合物は、少なくとも1つ以上のパーフルオロアルキル基を有していることが好ましい。
【0015】
また、これらの前記複素環式化合物を有機溶媒中に添加する濃度は、10〜50mmol/dm3であることが好ましい。これより少ないと本発明の効果が低下し、また、これより多いと電解液本来の機能を阻害する場合があるからである。
【0016】
したがって、本発明の電池用電解液によれば、高電圧で使用してもサイクル特性の良好な電池特性を達成できる電池を得ることができるようになる。
【0017】
また、前記課題を解決する本発明の非水電解液二次電池は、リチウムイオンの放出および吸蔵が可能な正極並びにリチウムイオンの放出および吸蔵が可能なリチウム含有金属からなる負極と、その正極およびその負極の間に介在し有機溶媒に少なくともパーフルオロアルキルスルホン酸誘導体のリチウム塩を溶解させてなる電解液とを備える非水電解液二次電池であって、前記電解液は、前述の本発明の電池用電解液であることを特徴とする。このような非水電解液二次電池における正極の集電体はアルミニウムが選択される。
【0018】
本発明の非水電解液二次電池では、使用される電解液が正極集電体の表面に安定な被膜を形成するので、高電圧で使用してもサイクル特性などの電池性能に極めて優れる。
【0019】
したがって、本発明の非水電解液二次電池によれば、携帯用電子機器や自動車などを高機能で駆動させることができるようになる上、長期にわたって繰り返し使用できるようになるなど電池性能が極めて高いものとなる。
【0020】
【発明の実施の形態】
(電池用電解液)
本発明の電池用電解液は、用いられる電池の種類で特に限定されるものではなく、公知の種類の電池に用いることができる。また、その電池は一次電池であっても二次電池であってもよい。
【0021】
本実施形態の電池用電解液は、有機溶媒に少なくともパーフルオロアルキルスルホン酸誘導体のリチウム塩を溶解させてなる電池用電解液であって、その有機溶媒には、1以上のフッ素原子をもつ、窒素もしくは酸素を含有する複素環式化合物から選ばれる少なくとも1種以上の化合物を含有する。
【0022】
パーフルオロアルキルスルホン酸誘導体のリチウム塩は、電池用電解液において電解質の役割を発揮する。電解質としては、パーフルオロアルキルスルホン酸誘導体のリチウム塩を単独で使用する場合に限られない。たとえば、さらに、LiPF6、LiBF6等の公知の無機電解質塩を有機溶媒中に溶解させて用いることもできる。
【0023】
さらに、パーフルオロアルキルスルホン酸誘導体のリチウム塩は、熱的および電気化学的安定性の高さから、トリフルオロスルホン酸リチウム塩であることが好ましい。そのなかでも、LiSO3 CF3 、LiN(SO2 CF3 2 、LiC(SO2 CF3 3 から選ばれる少なくとも1種以上を含有することが、より好ましい。
【0024】
上記電解質は、その電解液中の濃度が、0.1〜3.0mol/dm3 、特に0.5〜2.0mol/dm3 となるように有機溶媒に溶解することが好ましい。電解液中の濃度が、0.1mol/dm3より小さいと充分な電流密度が得られないことがあり、3.0mol/dm3 より大きいと粘度を増加させ、電解液の導電性が低下する恐れがある。
【0025】
有機溶媒としては、通常非水電解液二次電池の電解液の用いられる有機溶媒であれば特に限定されるものではなく、例えば、カーボネート化合物、ラクトン化合物、エーテル化合物、スルホラン化合物、ジオキソラン化合物、ケトン化合物、ニトリル化合物、ハロゲン化炭化水素化合物等を挙げることができる。
【0026】
具体的には、ジメチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、エチレングリコールジメチルカーボネート、プロピレングリコールジメチルカーボネート、エチレングリコールジエチルカーボネート、ビニレンカーボネート等のカーボネート類、γ−ブチルラクトン等のラクトン類、ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、テトラヒドロピラン、1,4−ジオキサンなどのエーテル類、スルホラン、3−メチルスルホラン等のスルホラン類、1.3−ジオキソラン等のジオキソラン類、4−メチル−2−ペンタノン等のケトン類、アセトニトリル、ピロピオニトリル、パレロニトリル、ベンソニトリル等のニトリル類、1,2−ジクロロエタン等のハロゲン化炭化水素類、その他のメチルフォルメート、ジメチルホルムアミド、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド等が挙げられ、これらを単独で、または、これらから選ばれる複数の有機溶媒を混合した混合物であっても良い。
【0027】
例に挙げたこれらの有機溶媒のうち、特に、カーボネート類、エーテル類からなる群より選ばれた一種以上の非水溶媒を用いることにより、電解質の溶解性、誘電率および粘度において優れ、電池の充放電効率も高いので、好ましい。
【0028】
1以上のフッ素原子をもつ、窒素もしくは酸素を含有する複素環式化合物は、酸素もしくは窒素を含有する複素環式化合物の1以上の水素原子がフッ素原子を含有する置換基によって置換されたものである。その複素環式化合物は、ピラゾール類、イミダゾール類、トリアゾール類、オキサゾール類、クマリン類から選ばれる少なくとも1種以上の化合物(但し、クマリン類を除く)である。すなわち、ピラゾール、イミダゾール、トリアゾール、オキサゾールなどや、これら複素環式化合物の水素原子のうちの1以上をアルキル基、カルボニル基、アミノ基、ニトロ基、ニトリル基、フェニル基、アクリル基等の置換基で置換した化合物である。2以上の水素原子を置換基で置換する場合には、互いに異なる置換基で置換されていてもかまわない。
【0029】
そして、フッ素原子を含有する置換としては、フッ素原子、水素原子がフッ素原子で置換されたアルキル基、パーフルオロスルホン基などである。置換基は、水素原子がすべてフッ素原子に置換されていることが耐酸化性の観点からは好ましい。このなかでも、パーフルオロスルホン基が、複素環式化合物の水素原子を置換する置換基としては好ましい。
【0030】
すなわち、本実施形態における1以上のフッ素原子をもつ、窒素もしくは酸素を含有する複素環式化合物とは、以上の化合物を単独で、もしくはそれらから選ばれた化合物を複数で使用することができる。
【0031】
具体例としては、ピラゾール類としては、3−(トリフルオロメチル)ピラゾール、イミダゾール類としては2−(トリフルオロメチル)ベンズイミダゾール、トリアゾール類としては3−アミノ−1,2,4−トリアゾール、オキサゾール類としは5−(トリフルオロメチル)イソオキサゾールなどがあげられる。
【0032】
1以上のフッ素原子をもつ、窒素もしくは酸素を含有する複素環式化合物の添加量は、10〜50mmol/dm3 の範囲で添加することが効果的で好ましい。添加量が10mmol/dm3 未満では、添加量が少ないために、電極表面に均一な吸着被膜が形成されず、充分な効果が得られない場合がある。逆に、添加量が50mmol/dm3 よりも多いと、アルミニウムの溶出は抑制されるものの、電極表面に過剰な吸着層が形成されるために、抵抗が高くなるばかりでなく、負極上で副反応も発生し、リチウム充放電効率が低下してしまう場合がある。また、アルミニウム製の正極集電体と、負極にリチウム含有金属を用いる場合には、さらに、リチウム含有金属表面に吸着するために充分な添加量があればよいので、、より好ましくは、有機溶媒に、20〜30mol/dm3 添加する。
(非水電解液二次電池)
本発明の非水電解液二次電池は、その形状には特に制限を受けず、コイン型、円筒型、角型等、種々の形状の電池として使用できる。
【0033】
本実施形態では、とりあえず、図1に示すようなコイン型の非水電解液二次電池に基づいて説明を行う。本実施形態の非水電解液二次電池は、ガスケット7を介して接合された正極ケース4と負極ケース5との内部にセパレータ6を介して接合された正極1と負極2と空隙を満たす電解液3とからなる。正極1と正極ケース4とについて、そして負極2と負極ケース5とについては、それぞれ電気的に接合されている。
【0034】
正極1については、リチウムイオンを充電時には放出し、かつ放電時には吸蔵することができれば、その材料構成で特に限定されるものではなく、公知の材料構成のものを用いることができる。特に、正極活物質、導電材および結着材を混合して得られた合材が集電体に塗布されてなるものを用いることが好ましい。
【0035】
正極活物質には、その活物質の種類で特に限定されるものではなく、公知の活物質を用いることができる。たとえば、TiS2 、TiS3 、MoS3 、FeS2 、Li(1-X) MnO2 、Li(1-X) Mn2 4 、Li(1-X) CoO2 、Li(1-X) NiO2 、V2 3 等が挙げられる。なお、該正極活物質の例示におけるXは0〜1の数を示す。
【0036】
そのなかでも、LiCoO2や、LiNiO2、LiMn24などのリチウムおよび遷移金属の複合酸化物は、電子とリチウムイオンの拡散性能に優れるなど活物質の性能に優れる。そのため、このようなリチウムおよび遷移金属の複合酸化物を正極活物質に用いれば、高い充放電効率と良好なサイクル特性とが得られる。特に、LiMn24を用いれば、そのマンガンの資源が豊富であることから低コスト化を図ることができる。
【0037】
また、負極2については、リチウムイオンを充電時には吸蔵し、かつ放電時には放出することができれば、その材料構成で特に限定されるものではなく、公知の材料構成のものを用いることができる。特に、負極活物質、導電材および結着剤を混合して得られた合材が集電体に塗布されてなるものを用いることが好ましい。負極活物質としては、その活物質の種類で特に限定されるものではなく、公知の負極活物質を用いることができる。中でも、結晶性の高い天然黒鉛や人造黒鉛などの炭素材料は、リチウムイオンの吸蔵性能および拡散性能に優れるなど活物質の性能に優れる。そのため、このような炭素材料を負極活物質に用いれば、高い充放電効率と良好なサイクル特性とが得られる。さらには、負極2としてリチウム含有金属を使用することが電池容量の観点からは、より好ましい。
【0038】
電解液3には、本発明の電池用電解液と同じ形態の電解液を使用することができる。
【0039】
正極ケース4、および負極ケース5は、特に限定されるものではなく、公知の材料、形態で作成することができる。
【0040】
セパレータ6は、正極1および負極2を電気的に絶縁し、電解液3を保持する役割を果たすものである。たとえば、ポリエチレン等の微多孔質膜を用いればよい。なおセパレータ6は、正極1と負極2との絶縁を担保するため、正極1および負極2よりもさらに大きいものとするのが好ましい。
【0041】
ガスケット7は、ケース4、5の間の電気的な絶縁と、ケース4、5内の密閉性とを担保するものである。たとえば、ポリプロピレン等の電解液にたいして、化学的、電気的に安定な高分子等から構成できる。
【0042】
上記構成からなる本発明の非水電池の製造方法について説明する。
【0043】
コイン型電池の作製方法の例を以下に述べる。正極としては、正極活物質としてのLiMn24と導電材としてのグラファイトと結着材としてのポリフッ化ビニリデンとを混合して、正極材料とする。この正極材料を分散材としてのN−メチル−2−ピロリドンに分散させ、スラリー状とする。このスラリーをアルミニウム製の正極集電体に塗布し、乾燥後、プレス成型して、電極とする。負極は、リチウム箔を円形に打ち抜き、使用する。
正極と負極とをセパレータとしてのポリエチレン製のフィルムを介し、ケース内に内設し、前述の電池用電解液を満たした後、ケース4、5を圧接・接合して、コイン型電池を作製することができる。
【0044】
図2は、本実施形態における円筒型の非水電解液二次電池の概念図であり、図2aは電池の断面斜視模式図であり、図2bは電極部分を示す説明模式図図を示す。図2に示す円筒型の非水電解液二次電池についての製造方法について、さらに、説明する。
【0045】
円筒型非水電解液二次電池10は、コイン型で製造したのと同じ正極および負極を、シート形状として、両者をセパレータを介して積層し、渦巻き型に多数回巻き回して巻回体として、所定の円筒状のケース内に収納したものである。
【0046】
すなわち、電極の構成は、図2bに示すように負極集電体12に形成された負極合材11と、正極集電体14に形成された正極合材13とが合材面が相対するように配置され、その間にセパレータ16と電解液15が介在して巻き回して巻回体とし絶縁板を介して図2aに示す電池缶の中に収納されて構成される。
【0047】
この巻回体の負極集電体12端部には負極リード12’が溶接され端部にニッケル製の負極端子18が電流遮断用薄板22を介してを介してケース21に溶接される。一方、正極集電体14に溶接された正極リード14’には端部にアルミニウム製の正極端子17が取り付けられ、電流遮断用薄板22を介して電池蓋として固定される。その結果、ケース21の底部が負極端子部18となり、ケースの蓋部分が正極の端子部17となる。ケース21に収納された巻回体には、上記の非水電解液15が注入されガスケット23で密封され安全蓋24を配備され、大きさが直径18mm、高さ65mmの円筒型非水電解液二次電池が形成できる。
【0048】
なお、円筒型電池の作製方法は、上述と同様の方法で、正極、負極、電解液を作製し、厚さ25μmの微孔ポリエチレン製フィルムをセパレータとし、前述の正極および負極を順々積層してから渦巻き型に多数回巻回すことにより巻回体を形成する。次に電池缶の底部に絶縁体を挿入し、上記巻回体を収納した。そして、負極、正極の端子を電池缶の底および蓋に接続させ上述の非水電解液を、上述のようにして作製した電池缶に注入し、密封することで円筒型非水電解液二次電池を作製できる。
【0049】
【実施例】
以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明する。しかしながら、本発明は下記の実施例に限定されるものではない。
(実施例1)
エチレンカーボネートとジメトキシエタンの等体積混合溶媒に、電解質としては1.0mol/dm3 のLiN(SO3 CF3 2 を溶解させ、さらに添加剤として10mmol/dm3 の3−(トリフルオロメチル)ピラゾールを溶解させたものを電解液として使用した。
(実施例2)
エチレンカーボネートとジメトキシエタンの等体積混合溶媒に、電解質としては1.0mol/dm3 のLiN(SO3 CF3 2 を溶解させ、さらに添加剤として30mmol/dm3 の3−(トリフルオロメチル)ピラゾールを溶解させたものを電解液として使用した。
(実施例3)
エチレンカーボネートとジメトキシエタンの等体積混合溶媒に、電解質としては1.0mol/dm3 のLiN(SO3 CF3 2 を溶解させ、さらに添加剤として50mmol/dm3 の3−(トリフルオロメチル)ピラゾールを溶解させたものを電解液として使用した。
(実施例4)
エチレンカーボネートとジメトキシエタンの等体積混合溶媒に、電解質としては1.0mol/dm3 のLiN(SO3 CF3 2 を溶解させ、さらに添加剤として5mmol/dm3 の3−(トリフルオロメチル)ピラゾールを溶解させたものを電解液として使用した。
(実施例5)
エチレンカーボネートとジメトキシエタンの等体積混合溶媒に、電解質としては1.0mol/dm3 のLiN(SO3 CF3 2 を溶解させ、さらに添加剤として100mmol/dm3 の3−(トリフルオロメチル)ピラゾールを溶解させたものを電解液として使用した。
(実施例6)
エチレンカーボネートとジメトキシエタンの等体積混合溶媒に、電解質としては1.0mol/dm3 のLiN(SO3 CF3 2 を溶解させ、さらに添加剤として30mmol/dm3 の3−(トリフルオロメチル)ベンズイミダゾールを溶解させたものを電解液として使用した。
(実施例7)
エチレンカーボネートとジメトキシエタンの等体積混合溶媒に、電解質としては1.0mol/dm3 のLiN(SO3 CF3 2 を溶解させ、さらに添加剤として30mmol/dm3 の3−(トリフルオロメチル)−1,2,4−トリアゾールを溶解させたものを電解液として使用した。
(実施例8)
エチレンカーボネートとジメトキシエタンの等体積混合溶媒に、電解質としては1.0mol/dm3 のLiN(SO3 CF3 2 を溶解させ、さらに添加剤として30mmol/dm3 の5−(トリフルオロメチル)イソオキサゾールを溶解させたものを電解液として使用した。
参考
エチレンカーボネートとジメトキシエタンの等体積混合溶媒に、電解質としては1.0mol/dm3 のLiN(SO3 CF3 2 を溶解させ、さらに添加剤として30mmol/dm3 の6−(トリフルオロメチル)クマリンを溶解させたものを電解液として使用した。
(実施例
エチレンカーボネートとジメトキシエタンの等体積混合溶媒に、電解質としては1.0mol/dm3 のLiN(SO3 CF3 2 を溶解させ、さらに添加剤として15mmol/dm3 の3−(トリフルオロメチル)ピラゾールおよび15mmol/dm3 の1,2,4−トリアゾールを溶解させたものを電解液として使用した。
(比較例1)
エチレンカーボネートとジメトキシエタンの等体積混合溶媒に、電解質として1.0mol/dm3 のLiN(SO3 CF3 2 を溶解させたものを電解液として使用した。
(比較例2)
エチレンカーボネートとジメトキシエタンの等体積混合溶媒に、電解質としては1.0mol/dm3 のLiN(SO3 CF3 2 を溶解させ、さらに添加剤として30mmol/dm3 の1,2,4−トリアゾールを溶解させたものを電解液として使用した。
【0050】
[電解液のAl酸化分解電位の測定]
アルミニウム製の正極集電体とトリフルオロメチルスルホン酸リチウム塩電解液の電気化学的関係をみるために、アルミニウム箔を作用極とし、対極をリチウム箔として、各実施例、参考例、および比較例の電解液が入ったセル内に挿入し、サイクリックボルタメトリ(CV測定)を実施した。CV測定は電位を走査していき、その際にアルミニウム箔に発生する電流を観測する。測定温度25℃、掃引速度10mV/s電圧範囲2〜5Vで測定し、1mA/cm2 以上の電流が流れた時点を電解液によるAlの酸化分解電位とした。
【0051】
[リチウム充放電効率測定用セルの作製]
リチウム充放電効率測定には、図3に示すコイン型セルを使用する。作用極60には、厚さ100μmのリチウム箔を直径15mmに打ち抜いて使用し、対極50には厚さ400μmのリチウム箔を直径15mmに打ち抜いて使用した。これらリチウム箔をケースに圧着し、厚さ40μmのポリエチレン製のフィルム70を介し、各実施例、参考例、および比較例の電解液を含浸させて試験セルをそれぞれ作製した。
【0052】
[リチウム充放電効率測定]
まず、作用極から0.6mA/cm2の定電流密度で、電荷量7.5C/cm2 のリチウムを溶出(放電)させた。次に、対極から作用極に対して、定電流密度で、電荷量7.5C/cm2 のリチウムを析出(放電)させた。この充放電を20サイクル繰り返した後に、0.6mA/cm2の定電流密度、終止電圧を1Vとして、作用極上に残った電気化学的に活性なリチウム容量を測定した。次式を用いてリチウム充放電効率を測定した。
【0053】
リチウム充放電効率(%)=100×(1−1/FOM)
FOM=(充放電を繰り返した場合の充填容量の総和)/{(充填したリチウム容量)−(残った電気化学的に活性なリチウム容量)}
[試験結果]
実施例1〜9、参考例1、比較例1〜2の電解液を用い、電解液のAl酸化分解電位側測定結果およびリチウム充放電効率測定結果を表1に示す。
【0054】
【表1】

Figure 0004366792
【0055】
比較例1では、添加剤を含有していないために、電解液のAl酸化分解電位が低く、実際の電池においても、高電位では使用できない。また、リチウム充放電効率も、LiPF6などの無機リチウム塩に比べると高いものの、十分満足のいく値ではない。
【0056】
実施例1〜3では、3−(トリフルオロメチル)ピラゾールをそれぞれ10,30,50mmol/dm3 添加したことにより、電解液のAl酸化分解電位が向上し、実際の電池においても4V以上の高電位で使用可能となった。また、リチウム充放電効率も向上しており、サイクル特性の向上が期待できる。この理由は、まず、添加剤が正極集電体であるアルミニウム表面に安定な吸着層を形成し、アルミニウムの溶解を抑制しているためであると考えている。また、リチウム充放電効率が向上したのは、負極であるリチウム表面にも安定な被膜を形成し、負極上での電流集中や副反応が抑制され、リチウムの消費が少なくなったためと考えている。
【0057】
そして、実施例4では、酸化分解電位、充放電効率ともに、比較例1と比べると向上しており、3−(トリフルオロメチル)ピラゾールの添加量が5mmol/dm3 と少なくても、それなりの効果が認められた。
【0058】
また、実施例5では、比較例1と比べて、充放電効率のわずかな低下が認められたものの、酸化分解電位の大幅な向上が認められた。これは、3−(トリフルオロメチル)ピラゾールを100mmol/dm3 添加したことにより、酸化分解電位は向上したものの、添加量が多いために、リチウム表面に抵抗の高い被膜が形成されためであると推定される。
【0059】
以上のことより、3−(トリフルオロメチル)ピラゾールの添加量は、アルミニウム集電体とリチウム負極のそれぞれの表面に吸着層を形成する量、すなわち、10〜50mmol/dm3 が適当であると考えている。
【0060】
また、実施例6〜8及び参考例1は、他のトリフルオロメチル基を有する添加剤を30mmol/dm3 添加した例である。実施例2と同様の効果が得られることが分かった。
【0061】
さらに、比較例2は、他のトリフルオロメチル基を有しない1,2,4−トリアゾールを添加した例である。リチウム表面への安定な被膜形成には効果があるので、リチウム充放電効率は向上するものの、アルミニウムの酸化分解電位は実施例ほど向上しなかった。これは、耐酸化性の高いトリフルオロメチル基を持たないためであると考えている。
【0062】
最後に、実施例では、比較例2の1,2,4−トリアゾールとトリフルオロメチル基を有する3−(トリフルオロメチル)ピラゾールをそれぞれ15mmol/dm3 添加した例である。両者を混合することにより、アルミニウムの酸化分解電位と充放電効率のそれぞれの向上が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本実施形態の非水電解液二次電池を概略的に示す電池の縦断面図である。
【図2】本実施形態の非水電解液二次電池の概略を示す円筒型電池の説明図であり、2aは筒型電池の断面斜視図であり、2bは電極部分を説明する説明模式図である。
【図3】本実施例の充放電効率試験に用いたセルの縦断面図である。
【符号の説明】
1:正極 2:負極 3:非水電解液 4:正極ケース 5:負極ケース 6:セパレータ 7:ガスケット
10:円筒型電池 11:負極合材 12:負極集電体 12’:負極リード 13:正極合材 14:正極集電体 14’:正極リード 15:電解液 16:セパレータ 17:正極端子 18:負極端子部
50:対極 60:作用極 70:ポリエチレン製フィルム(セパレータ)[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a battery electrolyte that can be used as a battery electrolyte, and a non-aqueous electrolyte secondary battery that can be used as a battery for electric vehicles and portable electronic devices.
[0002]
[Prior art]
With the background of energy problems and environmental problems, there is a need for technologies that make more effective use of electric power. For this purpose, there is a need for an electric storage means that can store a large amount of electricity and efficiently extract the stored electricity. As such electricity storage means, a secondary battery having a large discharge capacity and a high discharge voltage and capable of repeated charge and discharge is optimal.
[0003]
As such a secondary battery, there is a lithium secondary battery that undergoes a charging reaction in which lithium ions are released from the positive electrode and stored in the negative electrode during charging, and a discharging reaction that is released from the negative electrode and stored in the positive electrode during discharging. . A lithium secondary battery has a high energy density and high output density, and a large discharge capacity and a high discharge voltage can be obtained. In particular, lithium ion secondary batteries in which a negative electrode active material made of a carbon material is used for the negative electrode are considered to be practically superior because of their long life and high safety, such as batteries for portable electronic devices and electric vehicles. It is expected to be used for such as.
[0004]
In the lithium ion secondary battery, an electrolytic solution in which, for example, an organic supporting salt is dissolved in an organic solvent is used. Examples of the organic supporting salt used in the electrolyte of such a non-aqueous electrolyte secondary battery include lithium salts (LiSO 2 CF 3 , LiN (SO 2 CF 3 ) 2 , LiC (SO 2 CF) of perfluoroalkylsulfonic acid derivatives. 3 ) 3 ) and so on. Organic supported salts such as lithium salts of perfluoroalkyl sulfonic acid derivatives are thermally and electrically stable.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, a non-aqueous electrolyte secondary battery using an electrolyte in which an organic supporting salt such as a lithium salt of a perfluoroalkylsulfonic acid derivative is dissolved is a non-aqueous electrolyte secondary battery in which an inorganic lithium salt is dissolved in the electrolyte. Compared with, the charge / discharge efficiency is improved, but when used at a high voltage of 4 V or higher, aluminum (Al) used for the positive electrode current collector is eluted, resulting in inferior battery cycle characteristics.
[0006]
Therefore, an object of the present invention is to provide a battery electrolyte that can achieve battery characteristics with good cycle characteristics even when used at a high voltage.
[0007]
Another object of the present invention is to provide a non-aqueous electrolyte secondary battery that has good battery characteristics even when used at a high voltage.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
As a result of intensive studies conducted by the present inventors for the purpose of solving the above problems, at least one compound selected from heterocyclic compounds containing nitrogen or oxygen having one or more fluorine atoms in an organic solvent. It was discovered that the inclusion of a battery electrolyte that can achieve battery characteristics with good cycle characteristics even when used at a high voltage, and the following inventions were made.
[0009]
That is, the battery electrolyte solution of the present invention that solves the above problems is a battery electrolyte solution obtained by dissolving at least a lithium salt of a perfluoroalkylsulfonic acid derivative in an organic solvent, and the organic solvent contains one or more. of having a fluorine atom, it contains at least one compound selected from heterocyclic compounds containing nitrogen or oxygen,
The heterocyclic compound, pyrazoles, imidazoles, triazoles, oxazoles, at least one compound selected from the coumarins (excluding coumarins), characterized in der Rukoto.
[0010]
In other words, a positive electrode that causes a problem when a lithium salt of a perfluoroalkylsulfonic acid derivative is contained in an electrolyte by containing a heterocyclic compound having a fluorine atom and containing nitrogen or oxygen in the battery electrolyte. A strong adsorption layer film that is resistant to oxidation of the current collector can be formed on the positive electrode current collector. Specifically, a film is formed by the action of an unshared electron pair present in the oxygen atom and nitrogen atom of the heterocyclic compound, and in this case, the heterocyclic compound used in the battery electrolyte of the present invention is: Since some of the hydrogen atoms are replaced by fluorine atoms, it is difficult to oxidize and decompose.
[0011]
Moreover, the battery electrolyte of the present invention produces a stable coating on the surface of the lithium-containing metal of the negative electrode when used in a non-aqueous electrolyte secondary battery using a lithium-containing metal for the negative electrode. There is also an advantage that current concentration and side reaction on the negative electrode surface can be prevented.
[0012]
Furthermore, the lithium salt of the perfluoroalkylsulfonic acid derivative is preferably at least one substance selected from LiSO 3 CF 3 , LiN (SO 2 CF 3 ) 2 , and LiC (SO 2 CF 3 ) 3. . These lithium salts, in combination with the heterocyclic compound, increase the oxidative decomposition potential of the electrolytic solution and improve the aluminum elution preventing effect.
[0013]
The heterocyclic compound preferably has at least one perfluoroalkyl group.
[0015]
Moreover, it is preferable that the density | concentration which adds these said heterocyclic compounds in an organic solvent is 10-50 mmol / dm < 3 >. If it is less than this, the effect of the present invention will be reduced, and if it is more than this, the original function of the electrolyte may be inhibited.
[0016]
Therefore, according to the battery electrolyte of the present invention, a battery that can achieve battery characteristics with good cycle characteristics even when used at a high voltage can be obtained.
[0017]
The non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention that solves the above problems includes a positive electrode capable of releasing and occluding lithium ions, a negative electrode comprising a lithium-containing metal capable of releasing and occluding lithium ions, and the positive electrode and A non-aqueous electrolyte secondary battery comprising an electrolyte solution that is interposed between the negative electrodes and in which at least a lithium salt of a perfluoroalkylsulfonic acid derivative is dissolved in an organic solvent, wherein the electrolyte solution is the above-described present invention. It is characterized by being the electrolyte solution for batteries . Aluminum is selected as the positive electrode current collector in such a non-aqueous electrolyte secondary battery.
[0018]
In the non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention, since the electrolyte used forms a stable coating on the surface of the positive electrode current collector, the battery performance such as cycle characteristics is extremely excellent even when used at a high voltage.
[0019]
Therefore, according to the non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention, it is possible to drive portable electronic devices, automobiles, etc. with high functions, and battery performance is extremely high such as being able to be used repeatedly over a long period of time. It will be expensive.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(Battery electrolyte)
The battery electrolyte of the present invention is not particularly limited by the type of battery used, and can be used for known types of batteries. The battery may be a primary battery or a secondary battery.
[0021]
The battery electrolyte of this embodiment is a battery electrolyte obtained by dissolving at least a lithium salt of a perfluoroalkylsulfonic acid derivative in an organic solvent, and the organic solvent has one or more fluorine atoms. It contains at least one compound selected from heterocyclic compounds containing nitrogen or oxygen.
[0022]
The lithium salt of a perfluoroalkyl sulfonic acid derivative exhibits the role of an electrolyte in the battery electrolyte. The electrolyte is not limited to the case where a lithium salt of a perfluoroalkylsulfonic acid derivative is used alone. For example, a known inorganic electrolyte salt such as LiPF 6 or LiBF 6 can also be used by dissolving in an organic solvent.
[0023]
Furthermore, the lithium salt of a perfluoroalkylsulfonic acid derivative is preferably a trifluorosulfonic acid lithium salt because of its high thermal and electrochemical stability. Among these, it is more preferable to contain at least one selected from LiSO 3 CF 3 , LiN (SO 2 CF 3 ) 2 , and LiC (SO 2 CF 3 ) 3 .
[0024]
The electrolyte is preferably dissolved in an organic solvent so that the concentration in the electrolytic solution is 0.1 to 3.0 mol / dm 3 , particularly 0.5 to 2.0 mol / dm 3 . If the concentration in the electrolyte is less than 0.1 mol / dm 3 , a sufficient current density may not be obtained. If the concentration is greater than 3.0 mol / dm 3 , the viscosity increases and the conductivity of the electrolyte decreases. There is a fear.
[0025]
The organic solvent is not particularly limited as long as it is an organic solvent that is usually used for an electrolyte solution of a non-aqueous electrolyte secondary battery. For example, a carbonate compound, a lactone compound, an ether compound, a sulfolane compound, a dioxolane compound, a ketone Examples thereof include compounds, nitrile compounds, halogenated hydrocarbon compounds and the like.
[0026]
Specifically, dimethyl carbonate, methyl ethyl carbonate, diethyl carbonate, ethylene carbonate, propylene carbonate, ethylene glycol dimethyl carbonate, propylene glycol dimethyl carbonate, ethylene glycol diethyl carbonate, vinylene carbonate and other carbonates, γ-butyl lactone and other lactones , Ethers such as dimethoxyethane, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, tetrahydropyran, 1,4-dioxane, sulfolanes such as sulfolane and 3-methylsulfolane, dioxolanes such as 1.3-dioxolane, 4-methyl- Ketones such as 2-pentanone, nitriles such as acetonitrile, pyropionitrile, pareronitrile, benzonitrile, 1,2- Halogenated hydrocarbons such as chloroethane, other methyl formate, dimethylformamide, dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, etc. are mentioned, and these are used alone or as a mixture of a plurality of organic solvents selected from these. Also good.
[0027]
Among these organic solvents mentioned in the examples, in particular, by using one or more non-aqueous solvents selected from the group consisting of carbonates and ethers, the solubility, dielectric constant and viscosity of the electrolyte are excellent, and the battery Charge / discharge efficiency is also high, which is preferable.
[0028]
A heterocyclic compound containing nitrogen or oxygen having one or more fluorine atoms is one in which one or more hydrogen atoms of the heterocyclic compound containing oxygen or nitrogen are substituted by a substituent containing a fluorine atom. is there. As heterocyclic compound, peak Razoru, imidazoles, triazoles, oxazoles, at least one or more compounds selected from the coumarins (excluding coumarins). That is, pyrazole, imidazole, triazole, Okisazo Le a Doya, 1 or more alkyl groups of the hydrogen atoms of these heterocyclic compounds, a carbonyl group, an amino group, a nitro group, a nitrile group, a phenyl group, such as acrylic group It is a compound substituted with a substituent. When two or more hydrogen atoms are substituted with a substituent, they may be substituted with different substituents.
[0029]
Examples of the substitution containing a fluorine atom include a fluorine atom, an alkyl group in which a hydrogen atom is substituted with a fluorine atom, and a perfluorosulfone group. From the viewpoint of oxidation resistance, it is preferable that all the hydrogen atoms in the substituent are substituted with fluorine atoms. Among these, a perfluorosulfone group is preferable as a substituent for substituting a hydrogen atom of a heterocyclic compound.
[0030]
That is, as the heterocyclic compound containing nitrogen or oxygen having one or more fluorine atoms in the present embodiment, the above compounds can be used alone or a plurality of compounds selected from them can be used.
[0031]
Specific examples include 3- (trifluoromethyl) pyrazole as pyrazoles, 2- (trifluoromethyl) benzimidazole as imidazoles, and 3-amino-1,2,4-triazole and oxazole as triazoles. as a class of 5-etc. (trifluoromethyl) Isookisazo Le and the like.
[0032]
The addition amount of the heterocyclic compound containing one or more fluorine atoms and containing nitrogen or oxygen is effective and preferably added in the range of 10 to 50 mmol / dm 3 . When the addition amount is less than 10 mmol / dm 3 , since the addition amount is small, a uniform adsorption film is not formed on the electrode surface, and a sufficient effect may not be obtained. On the contrary, if the addition amount is more than 50 mmol / dm 3 , the elution of aluminum is suppressed, but an excessive adsorption layer is formed on the electrode surface. Reaction may also occur, and lithium charge / discharge efficiency may decrease. In addition, when a lithium-containing metal is used for the positive electrode current collector made of aluminum and the negative electrode, it is sufficient that there is a sufficient addition amount to adsorb on the surface of the lithium-containing metal. 20-30 mol / dm 3 is added.
(Non-aqueous electrolyte secondary battery)
The shape of the non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention is not particularly limited, and can be used as a battery having various shapes such as a coin shape, a cylindrical shape, and a square shape.
[0033]
In the present embodiment, a description will be given based on a coin-type non-aqueous electrolyte secondary battery as shown in FIG. The non-aqueous electrolyte secondary battery of the present embodiment is an electrolysis that fills the gap between the positive electrode 1 and the negative electrode 2 joined through the separator 6 inside the positive electrode case 4 and the negative electrode case 5 joined through the gasket 7. And liquid 3. The positive electrode 1 and the positive electrode case 4 and the negative electrode 2 and the negative electrode case 5 are electrically joined to each other.
[0034]
The positive electrode 1 is not particularly limited in its material configuration as long as lithium ions can be released during charging and occluded during discharging, and those having a known material configuration can be used. In particular, it is preferable to use a material obtained by applying a mixture obtained by mixing a positive electrode active material, a conductive material, and a binder to a current collector.
[0035]
The positive electrode active material is not particularly limited by the type of the active material, and a known active material can be used. For example, TiS 2 , TiS 3 , MoS 3 , FeS 2 , Li (1-X) MnO 2 , Li (1-X) Mn 2 O 4 , Li (1-X) CoO 2 , Li (1-X) NiO 2 , V 2 O 3 and the like. In addition, X in the illustration of this positive electrode active material shows the number of 0-1.
[0036]
Among them, lithium and transition metal composite oxides such as LiCoO 2 , LiNiO 2 , and LiMn 2 O 4 have excellent active material performance such as excellent electron and lithium ion diffusion performance. Therefore, when such a composite oxide of lithium and transition metal is used for the positive electrode active material, high charge / discharge efficiency and good cycle characteristics can be obtained. In particular, if LiMn 2 O 4 is used, it is possible to reduce costs because of its abundant manganese resources.
[0037]
The negative electrode 2 is not particularly limited in its material configuration as long as lithium ions can be occluded during charging and released during discharging, and those having a known material configuration can be used. In particular, it is preferable to use a material obtained by applying a mixture obtained by mixing a negative electrode active material, a conductive material, and a binder to a current collector. The negative electrode active material is not particularly limited by the type of the active material, and a known negative electrode active material can be used. Among them, carbon materials such as natural graphite and artificial graphite with high crystallinity are excellent in the performance of the active material such as lithium ion storage performance and diffusion performance. Therefore, when such a carbon material is used for the negative electrode active material, high charge / discharge efficiency and good cycle characteristics can be obtained. Furthermore, it is more preferable to use a lithium-containing metal as the negative electrode 2 from the viewpoint of battery capacity.
[0038]
As the electrolytic solution 3, an electrolytic solution having the same form as the battery electrolytic solution of the present invention can be used.
[0039]
The positive electrode case 4 and the negative electrode case 5 are not particularly limited, and can be made of known materials and forms.
[0040]
The separator 6 plays a role of electrically insulating the positive electrode 1 and the negative electrode 2 and holding the electrolytic solution 3. For example, a microporous film such as polyethylene may be used. The separator 6 is preferably larger than the positive electrode 1 and the negative electrode 2 in order to ensure insulation between the positive electrode 1 and the negative electrode 2.
[0041]
The gasket 7 ensures electrical insulation between the cases 4 and 5 and the sealing performance in the cases 4 and 5. For example, it can be composed of a chemically and electrically stable polymer for an electrolyte such as polypropylene.
[0042]
A method for producing the non-aqueous battery of the present invention having the above configuration will be described.
[0043]
An example of a method for manufacturing a coin-type battery is described below. As the positive electrode, LiMn 2 O 4 as a positive electrode active material, graphite as a conductive material, and polyvinylidene fluoride as a binder are mixed to obtain a positive electrode material. This positive electrode material is dispersed in N-methyl-2-pyrrolidone as a dispersing material to form a slurry. This slurry is applied to a positive electrode current collector made of aluminum, dried and press-molded to obtain an electrode. For the negative electrode, lithium foil is punched into a circle and used.
A positive electrode and a negative electrode are placed inside a case through a polyethylene film as a separator, filled with the above-described battery electrolyte, and then pressed and joined to cases 4 and 5 to produce a coin-type battery. be able to.
[0044]
FIG. 2 is a conceptual diagram of a cylindrical nonaqueous electrolyte secondary battery in the present embodiment, FIG. 2a is a schematic cross-sectional perspective view of the battery, and FIG. 2b is an explanatory schematic diagram showing an electrode portion. The manufacturing method for the cylindrical nonaqueous electrolyte secondary battery shown in FIG. 2 will be further described.
[0045]
Cylindrical non-aqueous electrolyte secondary battery 10 has the same positive electrode and negative electrode manufactured in a coin type as a sheet shape, both are stacked via a separator, and wound into a spiral shape many times as a wound body. , And stored in a predetermined cylindrical case.
[0046]
That is, as shown in FIG. 2b, the electrode structure is such that the negative electrode mixture 11 formed on the negative electrode current collector 12 and the positive electrode mixture 13 formed on the positive electrode current collector 14 face each other. The separator 16 and the electrolytic solution 15 are wound between them to form a wound body, which is housed in the battery can shown in FIG. 2a via an insulating plate.
[0047]
A negative electrode lead 12 ′ is welded to the end of the negative electrode current collector 12 of the wound body, and a negative electrode terminal 18 made of nickel is welded to the case 21 via a thin plate 22 for current interruption. On the other hand, a positive electrode lead 17 ′ welded to the positive electrode current collector 14 is attached with an aluminum positive electrode terminal 17 at an end thereof, and is fixed as a battery lid through a current blocking thin plate 22. As a result, the bottom portion of the case 21 becomes the negative electrode terminal portion 18, and the lid portion of the case becomes the positive electrode terminal portion 17. The wound body housed in the case 21 is filled with the non-aqueous electrolyte 15 described above, sealed with a gasket 23, and provided with a safety lid 24. The cylindrical non-aqueous electrolyte has a diameter of 18 mm and a height of 65 mm. A secondary battery can be formed.
[0048]
The cylindrical battery was prepared in the same manner as described above by preparing a positive electrode, a negative electrode, and an electrolytic solution, using a 25 μm-thick microporous polyethylene film as a separator, and laminating the positive electrode and the negative electrode in order. After that, the wound body is formed by winding it many times in a spiral mold. Next, an insulator was inserted into the bottom of the battery can, and the wound body was stored. Then, the negative electrode and the positive electrode terminal are connected to the bottom and lid of the battery can, and the non-aqueous electrolyte is injected into the battery can prepared as described above and sealed to form a cylindrical non-aqueous electrolyte secondary. A battery can be produced.
[0049]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. However, the present invention is not limited to the following examples.
(Example 1)
In an equal volume mixed solvent of ethylene carbonate and dimethoxyethane, 1.0 mol / dm 3 of LiN (SO 3 CF 3 ) 2 is dissolved as an electrolyte, and 10 mmol / dm 3 of 3- (trifluoromethyl) is added as an additive. What dissolved pyrazole was used as electrolyte solution.
(Example 2)
In an equal volume mixed solvent of ethylene carbonate and dimethoxyethane, 1.0 mol / dm 3 of LiN (SO 3 CF 3 ) 2 is dissolved as an electrolyte, and 30 mmol / dm 3 of 3- (trifluoromethyl) is added as an additive. What dissolved pyrazole was used as electrolyte solution.
(Example 3)
In an equal volume mixed solvent of ethylene carbonate and dimethoxyethane, 1.0 mol / dm 3 of LiN (SO 3 CF 3 ) 2 is dissolved as an electrolyte, and 50 mmol / dm 3 of 3- (trifluoromethyl) is added as an additive. What dissolved pyrazole was used as electrolyte solution.
(Example 4)
In an equal volume mixed solvent of ethylene carbonate and dimethoxyethane, 1.0 mol / dm 3 of LiN (SO 3 CF 3 ) 2 is dissolved as an electrolyte, and further 5 mmol / dm 3 of 3- (trifluoromethyl) as an additive. What dissolved pyrazole was used as electrolyte solution.
(Example 5)
In an equal volume mixed solvent of ethylene carbonate and dimethoxyethane, 1.0 mol / dm 3 of LiN (SO 3 CF 3 ) 2 is dissolved as an electrolyte, and 100 mmol / dm 3 of 3- (trifluoromethyl) is added as an additive. What dissolved pyrazole was used as electrolyte solution.
(Example 6)
In an equal volume mixed solvent of ethylene carbonate and dimethoxyethane, 1.0 mol / dm 3 of LiN (SO 3 CF 3 ) 2 is dissolved as an electrolyte, and 30 mmol / dm 3 of 3- (trifluoromethyl) is added as an additive. What dissolved benzimidazole was used as electrolyte solution.
(Example 7)
In an equal volume mixed solvent of ethylene carbonate and dimethoxyethane, 1.0 mol / dm 3 of LiN (SO 3 CF 3 ) 2 is dissolved as an electrolyte, and 30 mmol / dm 3 of 3- (trifluoromethyl) is added as an additive. What dissolved -1,2,4-triazole was used as electrolyte solution.
(Example 8)
In an equal volume mixed solvent of ethylene carbonate and dimethoxyethane, 1.0 mol / dm 3 of LiN (SO 3 CF 3 ) 2 is dissolved as an electrolyte, and 30 mmol / dm 3 of 5- (trifluoromethyl) is added as an additive. What dissolved isoxazole was used as electrolyte solution.
( Reference Example 1 )
In an equal volume mixed solvent of ethylene carbonate and dimethoxyethane, 1.0 mol / dm 3 of LiN (SO 3 CF 3 ) 2 is dissolved as an electrolyte, and 30 mmol / dm 3 of 6- (trifluoromethyl) is added as an additive. What dissolved the coumarin was used as electrolyte solution.
(Example 9 )
In an equal volume mixed solvent of ethylene carbonate and dimethoxyethane, 1.0 mol / dm 3 of LiN (SO 3 CF 3 ) 2 is dissolved as an electrolyte, and 15 mmol / dm 3 of 3- (trifluoromethyl) is added as an additive. A solution in which pyrazole and 15 mmol / dm 3 of 1,2,4-triazole were dissolved was used as an electrolytic solution.
(Comparative Example 1)
A solution obtained by dissolving 1.0 mol / dm 3 of LiN (SO 3 CF 3 ) 2 as an electrolyte in an equal volume mixed solvent of ethylene carbonate and dimethoxyethane was used as an electrolytic solution.
(Comparative Example 2)
In an equal volume mixed solvent of ethylene carbonate and dimethoxyethane, 1.0 mol / dm 3 of LiN (SO 3 CF 3 ) 2 is dissolved as an electrolyte, and 30 mmol / dm 3 of 1,2,4-triazole as an additive. A solution in which was dissolved was used as an electrolytic solution.
[0050]
[Measurement of Al oxidation decomposition potential of electrolyte]
In order to see the electrochemical relationship between the positive electrode current collector made of aluminum and the lithium trifluoromethylsulfonate electrolyte, each of the Examples , Reference Examples, and Comparative Examples was made with an aluminum foil as a working electrode and a counter electrode as a lithium foil. Was inserted into a cell containing the electrolyte solution and cyclic voltammetry (CV measurement) was performed. In the CV measurement, the electric potential is scanned, and the current generated in the aluminum foil at that time is observed. Measurement was performed at a measurement temperature of 25 ° C. and a sweep rate of 10 mV / s in a voltage range of 2 to 5 V, and the time when a current of 1 mA / cm 2 or more flowed was defined as the oxidation decomposition potential of Al by the electrolytic solution.
[0051]
[Preparation of lithium charge / discharge efficiency measurement cell]
The coin-type cell shown in FIG. 3 is used for the lithium charge / discharge efficiency measurement. For the working electrode 60, a lithium foil having a thickness of 100 μm was punched to a diameter of 15 mm, and for the counter electrode 50, a lithium foil having a thickness of 400 μm was punched to a diameter of 15 mm. These lithium foils were pressure-bonded to the case , and test cells were prepared by impregnating the electrolytic solutions of the Examples , Reference Examples, and Comparative Examples through a polyethylene film 70 having a thickness of 40 μm.
[0052]
[Lithium charge / discharge efficiency measurement]
First, a constant current density of 0.6 mA / cm 2 from the working electrode, eluted (discharging) of lithium charge amount 7.5C / cm 2. Next, lithium with a constant current density and a charge amount of 7.5 C / cm 2 was deposited (discharged) from the counter electrode to the working electrode. After repeating this charge and discharge 20 cycles, the electrochemically active lithium capacity remaining on the working electrode was measured with a constant current density of 0.6 mA / cm 2 and a final voltage of 1 V. Lithium charge / discharge efficiency was measured using the following equation.
[0053]
Lithium charge / discharge efficiency (%) = 100 × (1-1 / FOM)
FOM = (total charge capacity when charge / discharge is repeated) / {(charged lithium capacity) − (remaining electrochemically active lithium capacity)}
[Test results]
Table 1 shows the Al oxidation decomposition potential side measurement results and lithium charge / discharge efficiency measurement results of the electrolyte solutions of Examples 1 to 9, Reference Example 1 and Comparative Examples 1 and 2.
[0054]
[Table 1]
Figure 0004366792
[0055]
In Comparative Example 1, since no additive is contained, the Al oxidation decomposition potential of the electrolytic solution is low, and even an actual battery cannot be used at a high potential. Moreover, although the lithium charge / discharge efficiency is higher than that of an inorganic lithium salt such as LiPF 6 , it is not a sufficiently satisfactory value.
[0056]
In Examples 1 to 3, by adding 10, 30, 50 mmol / dm 3 of 3- (trifluoromethyl) pyrazole, respectively, the Al oxidation decomposition potential of the electrolytic solution was improved, and even in an actual battery, a high voltage of 4 V or higher. Usable with potential. Moreover, the lithium charge / discharge efficiency is also improved, and an improvement in cycle characteristics can be expected. The reason for this is considered to be that, first, the additive forms a stable adsorption layer on the aluminum surface, which is the positive electrode current collector, and suppresses dissolution of aluminum. In addition, the lithium charge / discharge efficiency was improved because a stable film was formed on the negative electrode lithium surface, current concentration and side reactions on the negative electrode were suppressed, and lithium consumption was reduced. .
[0057]
In Example 4, both the oxidative decomposition potential and the charge / discharge efficiency are improved as compared with Comparative Example 1. Even if the amount of 3- (trifluoromethyl) pyrazole added is as small as 5 mmol / dm 3 , it is appropriate. The effect was recognized.
[0058]
Further, in Example 5, although a slight decrease in charge / discharge efficiency was observed as compared with Comparative Example 1, a significant improvement in oxidative decomposition potential was observed. This is because, by adding 100 mmol / dm 3 of 3- (trifluoromethyl) pyrazole, the oxidative decomposition potential is improved, but since the amount of addition is large, a highly resistive film is formed on the lithium surface. Presumed.
[0059]
From the above, the addition amount of 3- (trifluoromethyl) pyrazole is appropriate to be an amount that forms an adsorption layer on the surfaces of the aluminum current collector and the lithium negative electrode, that is, 10 to 50 mmol / dm 3. thinking.
[0060]
Examples 6 to 8 and Reference Example 1 are examples in which 30 mmol / dm 3 of another additive having a trifluoromethyl group was added. It turned out that the same effect as Example 2 is acquired.
[0061]
Further, Comparative Example 2 is an example in which 1,2,4-triazole having no other trifluoromethyl group is added. Since stable film formation on the lithium surface is effective, lithium charge / discharge efficiency is improved, but the oxidative decomposition potential of aluminum is not improved as much as in the examples. This is considered to be because it does not have a trifluoromethyl group with high oxidation resistance.
[0062]
Finally, Example 9 is an example in which 15 mmol / dm 3 of 1,2,4-triazole of Comparative Example 2 and 3- (trifluoromethyl) pyrazole having a trifluoromethyl group are added. By mixing both, the oxidative decomposition potential and charge / discharge efficiency of aluminum can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a longitudinal sectional view of a battery schematically showing a nonaqueous electrolyte secondary battery according to an embodiment.
FIG. 2 is an explanatory view of a cylindrical battery showing an outline of the nonaqueous electrolyte secondary battery of the present embodiment, 2a is a cross-sectional perspective view of the cylindrical battery, and 2b is an explanatory schematic diagram illustrating an electrode portion. It is.
FIG. 3 is a longitudinal sectional view of a cell used in a charge / discharge efficiency test of the present example.
[Explanation of symbols]
1: Positive electrode 2: Negative electrode 3: Non-aqueous electrolyte 4: Positive electrode case 5: Negative electrode case 6: Separator 7: Gasket 10: Cylindrical battery 11: Negative electrode mixture 12: Negative electrode current collector 12 ′: Negative electrode lead 13: Positive electrode Compound 14: Positive electrode current collector 14 ': Positive electrode lead 15: Electrolytic solution 16: Separator 17: Positive electrode terminal 18: Negative electrode terminal part 50: Counter electrode 60: Working electrode 70: Polyethylene film (separator)

Claims (6)

有機溶媒に少なくともパーフルオロアルキルスルホン酸誘導体のリチウム塩を溶解させてなる電池用電解液であって、
前記有機溶媒には、1以上のフッ素原子をもつ、窒素もしくは酸素を含有する複素環式化合物から選ばれる少なくとも1種以上の化合物を含有し、
前記複素環式化合物は、ピラゾール類、イミダゾール類、トリアゾール類、オキサゾール類、クマリン類から選ばれる少なくとも1種以上の化合物(但し、クマリン類を除く)であることを特徴とする電池用電解液。
A battery electrolyte comprising at least a lithium salt of a perfluoroalkylsulfonic acid derivative dissolved in an organic solvent,
The organic solvent contains at least one compound selected from heterocyclic compounds containing nitrogen or oxygen having one or more fluorine atoms ,
The heterocyclic compound, pyrazoles, imidazoles, triazoles, oxazoles, at least one compound selected from the coumarins (excluding coumarins) battery electrolyte, characterized in der Rukoto .
前記パーフルオロアルキルスルホン酸誘導体のリチウム塩は、LiSO3 CF3 ,LiN(SO2 CF3 2 、LiC(SO2 CF3 3 から選ばれる少なくとも1種以上の物質である請求項1に記載の電池用電解液。The lithium salt of the perfluoroalkylsulfonic acid derivative is at least one substance selected from LiSO 3 CF 3 , LiN (SO 2 CF 3 ) 2 , and LiC (SO 2 CF 3 ) 3. Battery electrolyte. 前記複素環式化合物は、少なくとも1つ以上のパーフルオロアルキル基を有している請求項1に記載の電池用電解液。  The battery electrolyte according to claim 1, wherein the heterocyclic compound has at least one perfluoroalkyl group. 前記有機溶媒には、前記複素環式化合物が10〜50mmol/dm  The organic solvent contains 10 to 50 mmol / dm of the heterocyclic compound. 3Three 添加されている請求項1に記載の電池用電解液The electrolyte solution for a battery according to claim 1, which is added. リチウムイオンの放出および吸蔵が可能な正極並びにリチウムイオンの放出および吸蔵が可能なリチウム含有金属からなる負極と、該正極および該負極の間に介在し有機溶媒に少なくともパーフルオロアルキルスルホン酸誘導体のリチウム塩を溶解させてなる電解液とを備える非水電解液二次電池であって、  A positive electrode capable of releasing and occluding lithium ions, a negative electrode made of a lithium-containing metal capable of releasing and occluding lithium ions, and a lithium perfluoroalkylsulfonic acid derivative in an organic solvent interposed between the positive electrode and the negative electrode A non-aqueous electrolyte secondary battery comprising an electrolyte obtained by dissolving a salt,
前記電解液は、請求項1〜4のいずれか1つに記載の電池用電解液であることを特徴とする非水電解液二次電池。  The non-aqueous electrolyte secondary battery, wherein the electrolyte solution is the battery electrolyte solution according to any one of claims 1 to 4.
前記正極は、アルミニウムにより構成される集電体をもつ請求項5記載の非水電解液電池。  The non-aqueous electrolyte battery according to claim 5, wherein the positive electrode has a current collector made of aluminum.
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