JP4581454B2 - 非水系電解液及びそれを用いたリチウム二次電池 - Google Patents
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Description
特許文献1には、2(5H)−フラノン、アリルメチルカーボネート等のアリルエステル誘導体を含有した非水系電解液を用いると、初期の段階で負極である炭素材料表面に安定した不動態被膜を形成できるため、その後の負極上で起こる非水系電解液の分解を抑制でき、リチウム二次電池のサイクル特性が向上することが記載されている。
本発明は上記の課題に鑑みて創案されたもので、高温保存特性に優れた非水系電解液及びリチウム二次電池を提供することを目的とする。
として有していても良い、メチレン基、エチレン基又はビニレン基を表す。}
[I.非水系電解液]
本発明の非水系電解液は、電解質と非水溶媒とを含む非水系電解液であって、更に、下記一般式(1)で表される不飽和ラクトン類を0.01質量%以上5質量%以下含有し、かつ、不飽和カーボネート類を含有することを特徴とする。
{上記一般式(1)中、R1及びR2は、それぞれ独立して水素原子、又は、置換基を有していても良い炭素数1〜8の炭化水素基を表す。また、R3は置換基を有していても良い
炭素数1〜5の2価の炭化水素基を表す。}
以下、本発明の非水系電解液の構成要素について、それぞれ詳細に説明する。
[1−1.種類]
本発明の非水系電解液に含まれる不飽和ラクトン類(以下適宜「本発明の不飽和ラクトン類」という)は、上記一般式(1)で表される不飽和ラクトンであれば他に制限は無く、任意のものを用いることが出来る。
R1及びR2となる炭化水素基の種類は任意であるが、例えば、アルキル基、アルケニル基、アリール基、アラルキル基などが挙げられる。
R3の種類は任意であるが、例えば、メチレン基、エチレン基、プロピレン基、ブチレン基等のアルキレン基、ビニレン基等のアルケニレン基などが挙げられる。中でも、メチレン基、エチレン基、ビニレン基が好ましい。
また、上述した本発明の不飽和ラクトン類は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用しても良い。
本発明の非水系電解液は、本発明の不飽和ラクトン類を、通常0.01質量%以上、好ましくは0.1質量%以上、また、通常5質量%以下、好ましくは3質量%以下含有する。この範囲の下限を下回ると、本発明の非水系電解液が高温保持特性を向上させることが出来なくなる虞がある。また、上限を上回ると、正極上に厚い被膜が形成され、この被膜が高い抵抗を有するため非水系電解液と正極との間でLiイオンが移動しにくくなり、レート特性などの電池特性が低下する虞がある。
なお、本発明の不飽和ラクトン類を2種以上併用する場合には、使用する不飽和ラクトン類の濃度の合計が上記範囲内となるようにする。
本発明の非水系電解液は、負極上に被膜を形成させ、電池特性を改善させる目的で、被膜形成剤として不飽和カーボネート類を含有する。不飽和カーボネート類としては、炭素−炭素不飽和結合を有するカーボネートであれば他に制限は無く、任意の不飽和カーボネート類を用いることができる。例えば、芳香環を有するカーボネート、炭素−炭素二重結合や炭素−炭素三重結合などの炭素−炭素不飽和結合を有するカーボネートなどが挙げられる。
また、本発明の非水系電解液は、本発明の効果を損ねない範囲で、不飽和カーボネート類以外の被膜形成剤を含有させても良い。
以下、本発明の発明者が推察する、上記一般式(1)で表される所定量の不飽和ラクトン類と不飽和カーボネート類とを含有する非水系電解液が、リチウム二次電池において優れた保持特性を実現するメカニズムを説明する。
特許文献1,2に記載された化合物は、リチウム二次電池の非水系電解液に混合することで室温付近でのサイクル特性を向上させることができたが、後述する比較例1で示すように、高温環境下に曝された際にリチウム二次電池の容量低下を抑制する効果は不十分であった。さらに、特許文献1,2には、不飽和ラクトン類を不飽和カーボネートと併用することも記載されておらず、併用によって高温保存特性を大幅に改善できることの思想はない。
非水溶媒について特に制限は無く、公知の非水溶媒を任意に用いることができるが、通常は、有機溶媒を用いる。非水溶媒の例を挙げると、鎖状カーボネート類、環状カーボネート類、鎖状エステル類、環状エステル(ラクトン化合物)類、鎖状エーテル類、環状エーテル類、含硫黄有機溶媒などが挙げられる。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、鎖状カーボネート類、環状カーボネート類、鎖状エステル類、環状エステル類、鎖状エーテル類、環状エーテル類が好ましい。
また、環状カーボネート類の具体例を挙げると、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等の環状カーボネート類等が挙げられる。
また、鎖状エーテル類の具体例を挙げると、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキシエタン、ジエチルエーテル等が挙げられる。
また、環状エーテル類の具体例を挙げると、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、1,3−ジオキソラン、4−メチル−1,3−ジオキソラン等が挙げられる。
また、鎖状エステル類の具体例を挙げると、ギ酸メチル、酢酸メチル、プロピオン酸メチル等が挙げられる。
また、環状エステル類の具体例を挙げると、γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン等が挙げられる。
電解質について特に制限は無く、リチウム二次電池の電解質として用いられるものであれば公知のものを任意に用いることができるが、通常は、リチウム塩を用いる。
電解質に用いるリチウム塩としては、無機リチウム塩及び有機リチウム塩のいずれを用いても良い。無機リチウム塩の例を挙げると、LiPF6、LiAsF6、LiBF4、LiSbF6等の無機フッ化物塩;LiAlCl4等の無機塩化物塩;LiClO4、LiBrO4、LiIO4等の過ハロゲン酸塩などが挙げられる。また、有機リチウム塩の例を挙げると、CF3SO3Li、C4F9SO3Li等のパーフルオロアルカンスルホン酸塩;CF3COOLi等のパーフルオロアルカンカルボン酸塩;(CF3CO)2NLi等のパーフルオロアルカンカルボンイミド塩;(CF3SO2)2NLi、(C2F5SO2)2NLi等のパーフルオロアルカンスルホンイミド塩等の含フッ素有機リチウム塩などが挙げられる。
これらの中でも、溶媒に溶けやすく、且つ高い解離度を示すことから、LiPF6、LiBF4、CF3SO3Li、(CF3SO2)2NLiなどが好ましい。なお、電解質は1種を単独で用いてもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用しても良い。
本発明の非水系電解液は、本発明の効果を損ねない範囲で、非水系電解液の濡れ性、過充電特性等を改善する目的で他の助剤を含有させても良い。
助剤の例としては、無水マレイン酸、無水コハク酸、無水グルタル酸等の酸無水物;酢酸ビニル、アジピン酸ジビニル、酢酸アリル等のカルボン酸エステル;ジフェニルジスルフィド、1,3−プロパンサルトン、1,4−ブタンサルトン、ジメチルスルホン、ジビニルスルホン、ジメチルサルファイト、エチレンサルファイト、1,4−ブタンジオールジメタンスルホネート、メタンスルホン酸メチル、メタンスルホン酸−2−プロピニル等のイオウ含有化合物;t−ブチルベンゼン、ビフェニル、o−ターフェニル、4−フルオロビフェニル、フルオロベンゼン、2,4−ジフルオロベンゼン、シクロヘキシルベンゼン、ジフェニルエーテル、2,4−ジフルオロアニソール、トリフルオロメチルベンゼン等の芳香族化合物及びこの芳香族化合物をフッ素原子で置換したものなどが挙げられる。
また、助剤は1種を単独で用いても良く、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用しても良い。
非水系電解液は通常液体状態で存在するが、これを高分子によってゲル化して、半固体状電解質にしてもよい。ゲル化に用いる高分子は任意であるが、例えばポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンとの共重合体、ポリエチレンオキサイド、ポリアクリレート、ポリメタクリレートなどが挙げられる。なお、ゲル化に用いる高分子は1種を単独で用いてもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用しても良い。また、非水系電解液を半固体状電解質として用いる場合、半固体状電解質に占める非水系電解液の比率は、半固体状電解質の総量に対して、通常30質量%以上、好ましくは50質量%以上、さらに好ましくは75質量%以上であり、また通常99.95質量%以下、好ましくは99質量%以下、さらに好ましくは98質量%以下である。非水系電解液の比率が大きすぎると、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。
本発明の非水系電解液は、非水溶媒に、電解質と、本発明の不飽和ラクトン類と、不飽和カーボネート類と、必要に応じて他の助剤とを溶解することにより調製することができる。
非水系電解液を調製するに際しては、非水系電解液の各原料、即ち、電解質、本発明の不飽和ラクトン類、不飽和カーボネート類及び他の助剤は、予め脱水しておくことが好ましい。脱水の程度としては、通常50ppm以下、好ましくは30ppm以下となるまで脱水することが望ましい。なお、本明細書においてppmとは、重量を基準にした比率を意味する。
脱水の手段としては特に制限はないが、例えば、脱水する対象が非水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。また脱水する対象が電解質などの固体の場合は、分解が起きる温度以下で乾燥させればよい。
本発明の非水系電解液は、通常の電解液の用途に広く用いることができるが、特に、リチウム二次電池の電解液として用いて好適である。
本発明のリチウム二次電池は、上述した本発明の非水系電解液と、リチウムの吸蔵及び放出が可能な正極及び負極とを備えて構成される。また、本発明のリチウム二次電池はその他の構成を備えていても良い。例えば、リチウム二次電池は、通常、スペーサを備えている。
正極は、通常、集電体上に正極活物質層を設けて構成される。なお、正極は適宜その他の層を備えていてもよい。
[1−1.正極活物質層]
正極活物質層は、正極活物質を含んで構成される。正極活物質としては、リチウムイオンを吸蔵・放出可能なものであれば、その種類に制限はない。例としては、Fe,Co,Ni,Mnなどの遷移金属の酸化物、遷移金属とリチウムとの複合酸化物、遷移金属の硫化物などが挙げられる。
なお、これらの正極活物質は、何れか1種を単独で用いても良く、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用しても良い。
なお、結着剤は、1種を単独で用いても良く、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用しても良い。
集電体の素材としては、公知のものを任意に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(ステンレス)等が挙げられる。中でも、正極の集電体としてはアルミニウムが好ましい。なお、これらは1種を単独で用いてもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用しても良い。
負極は通常、正極の場合と同様に、集電体上に負極活物質層を設けて構成される。なお、正極と同様に、負極も適宜その他の層を備えていてもよい。
[2−1.負極活物質]
負極活物質としては、リチウムイオンの吸蔵放出が可能な材料であれば他に制限は無く、公知の負極活物質を任意に用いることができる。例えば、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材料;リチウム金属;リチウム−シリコン、リチウム−スズ等のリチウム合金などを使用することが好ましい。単位重量あたりの容量が高く、かつ安全性が良好な点からは、リチウム合金が特に好ましく、また、サイクル特性及び安全性が良好な点では、炭素質材料を使用するのが特に好ましい。なお負極活物質は1種を単独で用いてもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用しても良い。
負極の集電体の材質としては、公知のものを任意に用いることができるが、例えば、銅、ニッケル、SUS等の金属材料が用いられる。中でも加工し易さとコストの点から特に銅が好ましい。
さらに、正極同様、集電体の形状も任意であり、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。また、集電体として薄膜を使用する場合の好ましい厚さも、正極の場合と同様である。
正極と負極との間には、短絡を防止するために、通常はスペーサを介在させる。スペーサの材質や形状は特に制限されないが、上述の非水系電解液に対して安定で、保液性に優れ、且つ、電極同士の短絡を確実に防止できるものが好ましい。
スペーサの材料としては、例えば、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。
また、スペーサの形状としては多孔性のものが好ましい。この場合、非水系電解液は、多孔性のスペーサに含浸させて用いる。
さらに、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、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。
本発明のリチウム二次電池は、上述した本発明の非水系電解液と、正極と、負極と、必要に応じて用いられるスペーサとを、適切な形状に組み立てることにより製造される。更に、必要に応じて外装ケース等の他の構成要素を用いることも可能である。さらに、本発明のリチウム二次電池の形状は特に制限されず、一般的に採用されている各種形状の中から、その用途に応じて適宜選択することができる。例えば、コイン型電池、円筒型電池、角型電池などが上げられる。また、電池を組み立てる方法も特に制限されず、目的とする電池の形状に合わせて、通常用いられている各種方法の中から適宜選択することができる。
コバルト酸リチウム(LiCoO2)92質量部とポリフッ化ビニリデン(以下適宜、
「PVdF」という)4質量部とアセチレンブラック4質量部とを混合し、N−メチルピロリドンを加えて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。
グラファイト粉末90質量部とPVdF10質量部とを混合し、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。
図1にリチウム二次電池の概略断面図を示す。
上記の正極、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(セパレータ)に、それぞれ後述する電解液を塗布・含浸させた後、負極(2)、セパレータ(3)、正極(1)、セパレータ(3)、負極(2)の順に積層した。こうして得られた電池要素を、まずポリエチレンテレフタレート(PET)フィルム(4)で挟んだ。次いで、アルミニウム箔の両面に樹脂層を形成したラミネートフィルム(7)に、正極及び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。また、正極及び負極の端子には封止材付きリード(8)を取り付けた。さらに、電極(1,2)間の密着性を高めるために、シリコンゴム(5)及びガラス板(6)でシート状電池を挟み、3.4×10-4Paの圧力で加圧した。
コバルト酸リチウムの1時間当たりの放電量を140mAh/gとし、これと評価用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、25℃の恒温槽中、0.2Cで4.2Vまで定電流−定電圧充電(以下適宜、「CCCV充電」という)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なった。次いで、0.7Cで4.2VまでCCCV充電した後、0.2Cで3Vまで再度放電し、初期0.2C放電容量を求めた。そして、さらに0.7Cで4.2Vまで充電した後、2Cで3Vまで放電し、初期2C放電容量を求めた。なお充電時のカット電流はいずれも0.05Cとした。
容量評価試験の終了したリチウム二次電池を、25℃の恒温槽中で0.7Cで4.2VまでCCCV充電(カット電流0.05C)し、85℃の恒温槽に1日間保存した後、そのリチウム二次電池を25℃まで冷却させた。次いで、容量劣化具合を評価するため0.7Cで4.2VまでCCCV充電(カット電流0.05C)した後、2Cで3Vまで放電し、高温保存後の2C回復容量(mAh/g)を測定した。この数値が大きいほど、高温保存に伴う高負荷容量劣化が少ないことを示している。
環状カーボネートであるエチレンカーボネート(EC)と鎖状カーボネートであるエチルメチルカーボネート(EMC)との混合溶媒(混合体積比1:3)に、電解質であるLiPF6を1mol/Lの割合で溶解したものをベース電解液(I)とし、このベース電
解液(I)に、不飽和ラクトン類として3−メチル−2(5H)−フラノン、及び、不飽和カーボネート類としてビニレンカーボネートを、非水系電解液に対する濃度がそれぞれ0.5質量%及び2質量%となるように加えて非水系電解液とした。
ベース電解液(I)に、不飽和ラクトン類として3−メチル−2(5H)−フラノンを、非水系電解液に対する濃度が0.5質量%となるように添加した非水系電解液を用いて、上述した方法にしたがってリチウム二次電池を作製し、高温保存特性評価を行なった。結果を表1に示す。
ベース電解液(I)に、不飽和カーボネート類としてビニレンカーボネートを、非水系電解液に対する濃度が2質量%となるように添加した非水系電解液を用いて、上述した方法にしたがってリチウム二次電池を作製し、高温保存特性評価を行なった。結果を表1に示す。
ベース電解液(I)そのものを用いて、上述した方法にしたがってリチウム二次電池を作製し、高温保存特性評価を行なった。結果を表1に示す。
ベース電解液(I)に、不飽和ラクトン類として3−メチル−2(5H)−フラノン、及び、不飽和カーボネート類としてビニレンカーボネートを、非水系電解液に対する濃度がそれぞれ0.2質量%及び2質量%となるように添加した非水系電解液を用いて、上述した方法にしたがってリチウム二次電池を作製し、高温保存特性評価を行なった。結果を表1に示す。
ベース電解液(I)に、不飽和ラクトン類として3−メチル−2(5H)−フラノン、不飽和カーボネート類としてビニレンカーボネート及びビニルエチレンカーボネートを、非水系電解液に対する濃度がそれぞれ0.5質量%、1質量%及び1質量%となるように添加した非水系電解液を用いて、上述した方法にしたがってリチウム二次電池を作製し、高温保存特性評価を行なった。結果を表1に示す。
環状カーボネートであるエチレンカーボネート(EC)と、鎖状カーボネートであるエチルメチルカーボネート(EMC)と、ジエチルカーボネート(DEC)との混合溶媒(混合体積比1:1:1)に、電解質としてLiPF6を1mol/Lの割合で溶解したも
のをベース電解液(II)とし、このベース電解液(II)に不飽和ラクトン類として3−メチル−2(5H)−フラノン、及び、不飽和カーボネート類としてビニレンカーボネートを、非水系電解液に対する濃度がそれぞれ0.5質量%及び2質量%となるように加えて非水系電解液とした。得られた非水系電解液を用いて、上述した方法にしたがってリチウム二次電池を作製し、高温保存特性評価を行なった。結果を表1に示す。
ベース電解液(I)に、不飽和ラクトン類として5,6−ジヒドロ−2H−ピラン−2−オン、及び、不飽和カーボネート類としてビニレンカーボネートを、非水系電解液に対する濃度がそれぞれ0.2質量%及び2質量%となるように添加した非水系電解液を用いて、上述した方法にしたがってリチウム二次電池を作製し、高温保存特性評価を行なった。結果を表1に示す。
ベース電解液(I)に、不飽和ラクトン類として4,6−ジメチル−α−ピロン、及び、不飽和カーボネート類としてビニレンカーボネートを、非水系電解液に対する濃度がそれぞれ0.5質量%及び2質量%となるように添加した非水系電解液を用いて、上述した方法にしたがってリチウム二次電池を作製し、高温保存特性評価を行なった。結果を表1に示す。
ベース電解液(I)に、不飽和ラクトン類として3−メチル−2(5H)−フラノン、及び、不飽和カーボネート類としてビニレンカーボネートを、非水系電解液に対する濃度がそれぞれ6質量%及び2質量%となるように添加した非水系電解液を用いて、上述した方法にしたがってリチウム二次電池を作製し、高温保存特性評価を行なった。結果を表1に示す。
ベース電解液(I)に、不飽和ラクトン類としてクマリン、及び、不飽和カーボネート類としてビニレンカーボネートを、非水系電解液に対する濃度がそれぞれ0.5質量%及び2質量%となるように添加した非水系電解液を用いて、上述した方法にしたがってリチウム二次電池を作製し、高温保存特性評価を行なった。結果を表1に示す。
2 負極
3 セパレータ(スペーサ)
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
Claims (5)
- 電解質と非水溶媒とを含む非水系電解液であって、
該非水溶媒が、環状カーボネート類と、鎖状カーボネート類又は環状エステル類とを合計で90質量%以上含有し、かつ該非水系電解液全体に対して環状カーボネート類と、鎖状カーボネート類又は環状エステル類とを合計で70質量%以上の濃度で含有し、
該環状カーボネート類が、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からなる群より選ばれる1種以上であり、
該環状エステル類が、γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトンからなる群より選ばれる1種以上であるとともに、
更に、下記一般式(1)で表される不飽和ラクトン類を該非水系電解液全体に対して0.01質量%以上5質量%以下含有し、
かつ、不飽和カーボネート類を、該非水系電解液全体に対して、0.1質量%以上10質量%以下の濃度で含有し、該不飽和カーボネート類がビニレンカーボネート、ビニルエチレンカーボネートからなる群より選ばれる1種以上である
ことを特徴とする、非水系電解液。
として有していても良い、メチレン基、エチレン基又はビニレン基を表す。} - 該不飽和ラクトン類の含有量が、該非水系電解液全体に対して、0.1質量%以上3質量%以下であることを特徴とする、請求項1に記載の非水系電解液。
- 該ビニレンカーボネートまたはビニルエチレンカーボネートの含有量が、該非水系電解液全体に対して、0.3質量%以上7質量%以下であることを特徴とする、請求項1又は2に記載の非水系電解液。
- 該不飽和ラクトン類が、3−メチル−2(5H)−フラノン、2(5H)−フラノン、5,6−ジヒドロ−2H−ピラン−2−オン、α−ピロン、及び、4,6−ジメチル−α−ピロンからなる群より選ばれる少なくとも1種であることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか1項に記載の非水系電解液。
- 請求項1〜4のいずれか1項に記載の非水系電解液と、リチウムイオンを吸蔵及び放出可能な負極及び正極とを備えることを特徴とする、リチウム二次電池。
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