JP4565287B2

JP4565287B2 - 非水電解液二次電池

Info

Publication number: JP4565287B2
Application number: JP16188299A
Authority: JP
Inventors: 明彦小岩井; 亨志賀
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1999-06-09
Filing date: 1999-06-09
Publication date: 2010-10-20
Anticipated expiration: 2019-06-09
Also published as: JP2000353544A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、リチウムイオンの吸蔵・放出現象を利用した非水電解液二次電池、特に、高温保存特性に優れた非水電解液二次電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
リチウムイオンの吸蔵・放出を利用した非水電解液二次電池は、高電圧でエネルギー密度が高いことから、パソコン、携帯電話等の小型化に伴い、情報関連機器、通信機器の分野では実用化が進み、広く一般に普及するに至っている。その一方で、環境問題、資源問題から電気自動車の開発が急がれ、この非水電解液二次電池を電気自動車用電源として用いることも検討されている。
【０００３】
この非水電解液二次電池を電気自動車の電源として用いる場合には、高温下に長時間放置されることをも想定しなければならい。ところが、非水電解液二次電池を高温下に長時間放置すると、容量低下を起こし、その後充電を行っても、元の容量まで回復しないという現象が生じる。つまり、非水電解液二次電池は、高温下における保存特性が良好ではないという問題を抱えていた。特に、ヘキサフルオロ燐酸リチウム（ＬｉＰＦ₆）を電解質とした非水電解液を用いる二次電池では、この問題は特に深刻であった。
【０００４】
上記問題を解決する手段として、従来から、特開平８−７９２２号公報に示すように、電解質としてＬｉＰＦ₆とテトラフルオロほう酸リチウム（ＬｉＢＦ₄）を混合して用いるもの、特開平１０−２７６２４号公報に示すように、リチウム以外のアルカリ金属塩（ＮａＰＦ₆、ＮａＢＦ₄、ＮａＣｌＯ₄、ＫＰＦ₆、ＫＢＦ₄、ＫＣｌＯ₄等）を電解液に溶解させるもの等があった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記の電解質としてＬｉＰＦ₆とＬｉＢＦ₄を混合して用いる手段では、ＬｉＢＦ₄のイオン伝導度が低いため、高温保存特性は向上するものの、電池容量が低下するという欠点があった。また、上記のリチウム以外のアルカリ金属塩を電解液に溶解させる手段では、負極に炭素材料を用いた場合に、Ｎａ、Ｋ等のイオンが負極にインターカーレートされ、高温保存特性以外の電池特性に悪影響を及ぼすという欠点があった。
【０００６】
本発明は、上記実状に鑑みてなされたものであり、電解液を改善することにより、電池容量の低下を抑えるとともに、高温保存特性に優れた非水電解液二次電池を提供することを課題としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の、非水電解液二次電池は、リチウムイオンを吸蔵・放出可能な正極および負極と、リチウム塩を有機溶媒に溶解させた非水電解液とを含んでなる非水電解液二次電池であって、前記非水電解液は、１，３−ベンゾジチオール−２−イリウムまたはその誘導体を陽イオンとする塩が、前記非水電解液を１００重量％とした場合の０．１重量％以上１重量％以下添加されていることを特徴とする。
【０００８】
つまり、１，３−ベンゾジチオール−２−イリウムまたはその誘導体を陽イオンとする塩を溶解させて非水電解液を改善し、１，３−ベンゾジチオール−２−イリウムまたはその誘導体イオンの作用によって、非水電解液二次電池の高温保存特性を向上させるものである。１，３−ベンゾジチオール−２−イリウムイオンの構造式を下記化１式に、１，３−ベンゾジチオール−２−イリウム誘導体イオンの構造式を下記化２式に、それぞれ示す。
【０００９】
【化１】

【００１０】
【化２】

【００１１】
ただし、化２式における、Ｒ１〜Ｒ５は、水素原子、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基等を表す。
１，３−ベンゾジチオール−２−イリウムイオンおよび１，３−ベンゾジチオール−２−イリウム誘導体イオンの作用は、現時点では明確になっていないが、それらを含む非水電解液を用いたときに形成される負極活物質表面の被膜が、充電状態にある負極と非水電解液との反応を防止する作用をもつものと推測される。そしてこの作用によって、１，３−ベンゾジチオール−２−イリウムまたはその誘導体を陽イオンとする塩を溶解させた非水電解液を用いた二次電池は、電池容量の低下を抑えるとともに、高温保存特性の良好な二次電池となる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の非水電解液二次電池の代表的な実施形態について説明する。
本発明の二次電池は、リチウムイオンを吸蔵・放出可能な正極および負極と、リチウム塩を有機溶媒に溶解させた非水電解液とを主要な構成要素として構成される。
【００１３】
正極は、リチウムイオンを吸蔵・放出できる正極活物質に導電材および結着剤を混合し、適当な溶剤を加えてペースト状の正極合材としたものを、アルミニウム等の金属箔製の集電体表面に塗布乾燥し、必要に応じて電極密度を高めるべく圧縮して形成することができる。
正極活物質には、４Ｖ級の電池が構成できるものとして、ＬｉＣｏＯ₂、ＬｉＮｉＯ₂、ＬｉＭｎ₂Ｏ₄等のリチウム遷移金属複合酸化物粉状体を用いることができる。この中でもスピネル構造ＬｉＭｎ₂Ｏ₄は、原料コストが安く、大量の活物質を使用しなければならない電気自動車用電源として用いる二次電池の場合、有利なものとなる。なお、スピネル構造ＬｉＭｎ₂Ｏ₄は、化学量論的組成のものに限られず、結晶構造を安定化させるために、Ｍｎサイトの一部をＬｉで置換させたＬｉ_1+xＭｎ_2-xＯ₄、他金属Ｍで置換させたＬｉＭｎ_2-xＭ_xＯ₄、Ｌｉおよび他金属Ｍで置換させたＬｉ_1+xＭｎ_2-x-yＭ_yＯ₄等の組成のものを用いることもできる。
【００１４】
導電材は、正極の電気伝導性を確保するためのものであり、例えば、カーボンブラック、アセチレンブラック、黒鉛等の炭素物質粉状体の１種又は２種以上を混合したものを用いることができる。結着剤は、活物質粒子を繋ぎ止める役割を果たすもので、例えば、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、フッ素ゴム等の含フッ素樹脂、ポリプロピレン、ポリエチレン等の熱可塑性樹脂を用いることができる。これら活物質、導電材、結着剤を分散させる溶剤としては、Ｎ−メチル−２−ピロリドン等の有機溶剤を用いることができる。
【００１５】
負極には、金属リチウム、リチウム合金が使用できる。ただし、金属リチウム等はデンドライトの析出という問題があるため、これらに代えて、正極同様、リチウムイオンを吸蔵・放出できる負極活物質に結着剤を混合し、適当な溶剤を加えてペースト状にした負極合材を、銅等の金属箔集電体の表面に塗布乾燥し、必要に応じて電極密度を高めるべく圧縮して形成することができる。この場合、負極活物質として、例えば、天然黒鉛、人造黒鉛、フェノール樹脂等の有機化合物焼成体、コークス等の炭素物質の粉状体を用いることができる。
【００１６】
この場合、負極結着剤としては、正極同様、ポリフッ化ビニリデン等の含フッ素樹脂等を、これら活物質および結着剤を分散させる溶剤としてはＮ−メチル−２−ピロリドン等の有機溶剤を用いることができる。また、これらの材料に代えて、負極結着剤としてメチルセルロース、カルボキシメチルセルロース等のグループから選ばれる１種又は２種以上のセルロースエーテル系物質とスチレンブタジエンゴムラテックス、カルボキシ変性スチレンブタジエンゴムラテックス等の合成ゴム系ラテックス型接着剤との複合バインダを用い、溶剤として水を用いることもできる。
【００１７】
正極と負極の間に挟装されるセパレータは、正極と負極とを分離し電解液を保持するものであり、ポリエチレン、ポリプロピレン等の薄い微多孔膜を用いることができる。
本発明の非水電解液二次電池における非水電解液は、上述したように、電解質としてのリチウム塩を有機溶媒に溶解させたものに、さらに、１，３−ベンゾジチオール−２−イリウムまたはその誘導体を陽イオンとする塩を添加したものである。
【００１８】
リチウム塩は有機溶媒に溶解することによって解離し、リチウムイオンとなって電解液中に存在する。使用できるリチウム塩としては、ＬｉＢＦ₄、ＬｉＰＦ₆、ＬｉＣｌＯ₄、ＬｉＣＦ₃ＳＯ₃、ＬｉＡｓＦ₆、ＬｉＮ（ＣＦ₃ＳＯ₂）₂、ＬｉＮ（Ｃ₂Ｆ₅ＳＯ₂）₂等が挙げられる。これらのリチウム塩は、それぞれ単独で用いてもよく、また、これらのもののうち２種以上のものを併用することもできる。これらのリチウム塩の中でも、電気化学的に高い安定性をもち、イオン伝導率も高いという点を考慮すれば、ＬｉＰＦ₆を用いるのが望ましい。
【００１９】
リチウム塩を溶解させる有機溶媒には、非プロトン性の有機溶媒を用いる。例えば、環状カーボネート、鎖状カーボネート、環状エステル、環状エーテルあるいは鎖状エーテルの１種または２種以上からなる混合溶媒を用いることができる。環状カーボネートの例示としてはエチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ビニレンカーボネート等が、鎖状カーボネートの例示としてはジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルエチルカーボネート等が、環状エステルの例示としてはガンマブチルラクトン、ガンマバレルラクトン等が、環状エーテルの例示としてはテトラヒドロフラン、２−メチルテトラヒドロフラン等が、鎖状エーテルの例示としてはジメトキシエタン、エチレングリコールジメチルエーテル等がそれぞれ挙げられる。
【００２０】
本発明の非水電解液二次電池の特徴をなす、非水電解液に添加する１，３−ベンゾジチオール−２−イリウムまたはその誘導体を陽イオンとする塩は、陰イオンを種々のものとすることができる。陰イオンの例示としては、テトラフルオロほう酸（ＢＦ₄ ^-）、ヘキサフルオロ燐酸（ＰＦ₆ ^-）、トリフルオロメタンスルオン酸（ＣＦ₃ＳＯ₃ ^-）等が挙げられる。
【００２１】
１，３−ベンゾジチオール−２−イリウムまたはその誘導体を陽イオンとする塩の添加率は、非水電解液全体を１００重量％とした場合の、０．０１重量％以上５重量％以下とするのが望ましい。０．０１重量％未満の場合は、高温保存特性を向上させる効果が小さくなり、また、５重量％を超える場合は、電池容量の低下が大きくなるおそれがあるからである。前記範囲において、特に、０．１重量％以上１重量％以下とするのが望ましい。
【００２２】
以上のもので構成される本発明の非水電解液二次電池であるが、その形状は円筒型、積層型等、種々のものとすることができる。いずれの形状を採る場合であっても、正極および負極にセパレータを挟装させ電極体とし、正極集電体および負極集電体から外部に通ずる正極端子および負極端子までの間を集電用リード等を用いて接続し、この電極体に上記非水電解液を含浸させ、電池ケースに密閉して電池を完成させることができる。
【００２３】
【実施例】
上記実施形態に基づいて、実際に１８６５０型サイズの円筒型二次電池を作製し、この電池に対して充放電試験を行い、容量残存率および容量回復率について評価を行った。以下に、これらの内容について説明する。
作製した非水電解液二次電池は、正極活物質としてスピネル構造のＬｉ_1.11Ｍｎ_1.89Ｏ₄を使用した。なお、このＬｉ_1.11Ｍｎ_1.89Ｏ₄は、Ｌｉ₂ＣＯ₃とＭｎＯ₂とを３７：１２６のモル比で混合させたものを、８５０℃で加熱することにより合成したものである。まず、このＬｉ_1.11Ｍｎ_1.89Ｏ₄８６重量部に、導電材として黒鉛を１０重量部、結着剤としてポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）を４重量部混合し、溶剤としてＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）を適量加えてペースト状の正極合材を得た。次いで、この正極合材を、厚さ２０μｍのアルミニウム箔集電体の両面に片面あたり１１０μｍの厚さで塗布し、これを乾燥後、ロールプレスにて片面あたり６０μｍの厚さまで密度を高めて、正極を形成させた。なお、この正極の面積は２４３ｃｍ²とした。
【００２４】
負極活物質には、人造黒鉛を用いた。まず、この人造黒鉛９５重量部に、結着剤としてＰＶＤＦを５重量部混合し、溶剤としてＮＭＰを適量加えてペースト状の負極合材を作製した。次いで、正極同様、この負極合材を、厚さ１０μｍの銅箔集電体の両面に片面あたり５５μｍの厚さで塗布し、これを乾燥後、ロールプレスにて片面あたり３５μｍの厚さまで密度を高めて、負極を形成させた。なお、この負極の面積は２８０ｃｍ²とした。
【００２５】
上記正極および負極を、厚さ２５μｍのポリエチレン製微多孔膜からなるセパレータを介し対向させて捲回し、ロール状の電極体を形成させた。この電極体を、下記に説明する非水電解液とともに１８６５０型電池ケース内に密封して、非水電解液二次電池を完成させた。
非水電解液は、エチレンカーボネート（ＥＣ）とジエチルカーボネート（ＤＥＣ）とを体積比３：７に混合した混合溶媒に、電解質としてＬｉＰＦ₆を１Ｍの濃度となるように溶解させた電解液（以下、「基本電解液」という）をまず調製し、この基本電解液にテトラフルオロほう酸１，３−ベンゾジチオール−２−イリウムを、それぞれ０．５、１重量％の割合で添加したものを用いた。テトラフルオロほう酸１，３−ベンゾジチオール−２−イリウムを０．５重量％添加した非水電解液を用いたものを実施例１の二次電池とし、また、１重量％添加した非水電解液を用いたものを実施例２の二次電池とした。
【００２６】
上記実施例の二次電池と比較するため、上記基本電解液のままのもの、つまり、テトラフルオロほう酸１，３−ベンゾジチオール−２−イリウムを添加していない非水電解液を用いた二次電池も作製し、これを比較例の二次電池とした。
これらの実施例および比較例の二次電池に対して、高温保存特性を評価すべく、充放電試験を行った。充電の条件は、まず終止電圧４．２Ｖまで０．６Ａの定電流で充電を行い、４．２Ｖに達した後に定電圧で総充電時間が２．５時間となるまで充電するものとした。放電の条件は、終止電圧３．０Ｖまで０．６Ａの定電流で放電を行うものとした。
【００２７】
各電池に対して、まず室温にて１０サイクルの充放電試験を実施して１０サイクル目の放電容量を測定した。次いで、同条件で充電のみを行い、６０℃の高温下、３週間保存した。保存後、上記放電条件で室温にて放電させ、各電池の保存後の残存容量を測定した。さらにその後、室温にて５サイクルの充放電試験を行い、保存後５サイクル目の放電容量を測定した。
【００２８】
そして、次式にて、容量残存率および容量回復率を求めて評価した。
［容量残存率］＝［残存容量］／［保存前１０サイクル目の放電容量］×１００（％）
［容量回復率］＝［保存後５サイクル目の放電容量］／［保存前１０サイクル目の放電容量］×１００（％）
実施例および比較例の各二次電池の容量残存率、容量回復率および保存前１０サイクル目の放電容量比（比較例の二次電池を１００％とする）を下記表１に、そして、テトラフルオロほう酸１，３−ベンゾジチオール−２−イリウムの添加率と容量残存率および容量回復率との関係を図１に示す。
【００２９】
【表１】

上記表１および図１から明らかなように、実施例１および２の二次電池は、比較例の二次電池と比較して、ほぼ同等の電池容量をもつことに加え、高温保存後の容量残存率および容量回復率が高いことが判る。この結果から、本発明の非水電解液二次電池は、大きな容量をもち、かつ、高温保存特性に優れた非水電解液二次電池であることが確認できる。
【００３０】
【発明の効果】
本発明の非水電解液二次電池は、非水電解液に１，３−ベンゾジチオール−２−イリウムまたはその誘導体を陽イオンとする塩を添加して構成したものである。このような構成としたことにより、本発明の非水電解液二次電池は、大きな容量をもち、かつ、高温保存特性に優れた二次電池となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】テトラフルオロほう酸１，３−ベンゾジチオール−２−イリウムの添加率と容量残存率および容量回復率との関係を示す。

Claims

リチウムイオンを吸蔵・放出可能な正極および負極と、リチウム塩を有機溶媒に溶解させた非水電解液とを含んでなる非水電解液二次電池であって、
前記非水電解液は、１，３−ベンゾジチオール−２−イリウムまたはその誘導体を陽イオンとする塩が、前記非水電解液を１００重量％とした場合の０．１重量％以上１重量％以下添加されていることを特徴とする非水電解液二次電池。
前記１，３−ベンゾジチオール−２−イリウムまたはその誘導体を陽イオンとする塩は、テトラフルオロほう酸を陰イオンとする請求項１に記載の非水電解液二次電池。