JP4635407B2 - 二次電池用非水系電解液及び非水系電解液二次電池 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、非水系電解液二次電池及びそれに用いられる非水系電解液に関する。詳しくは、本発明は、特にリチウムを吸蔵及び放出する活物質薄膜をＣＶＤ法、スパッタリング法、蒸着法、溶射法、又はめっき法により集電体上に堆積して形成した電極を負極として用いたリチウム二次電池において、サイクル時の充放電特性の改善に有効な非水系電解液とこの非水系電解液を用いた非水系電解液二次電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年の電気製品の軽量化、小型化に伴い、高いエネルギー密度を持つリチウム二次電池の開発が以前にもまして望まれており、また、リチウム二次電池の適用分野の拡大に伴い電池特性の改善も要望されている。
【０００３】
現在、リチウム二次電池の正極には、リチウムコバルト酸化物、リチウムニッケル酸化物及びリチウムマンガン酸化物等の金属酸化物塩が、負極には、コークス、人造黒鉛、天然黒鉛等の炭素質材料が単独又は混合されて使用されている。
【０００４】
このようなリチウム二次電池においては、負極上において電極表面での電解液の溶媒の分解が起こることが知られており、このことが保存特性やサイクル特性の低下の原因となっている。
【０００５】
エチレンカーボネートはこのような分解が少なく、またその一部の分解により生成した分解物が負極表面に比較的良好な保護皮膜を生成することから、従来において、非水系電解液二次電池の電解液の主溶媒として多用されている。しかしながら、エチレンカーボネートであっても、充放電過程において電解液が少量づつ分解をしつづけるために充放電効率の低下等が起こる問題があった。
【０００６】
これらの問題を改善する手法として、例えばビニレンカーボネートに代表されるような保護皮膜形成剤を電解液中に少量添加することが知られている（例えば特開平６−５２８８７号公報）。即ち、このような保護皮膜形成剤は、初期充放電時に炭素系負極表面において分解してその分解物が良好な保護皮膜を形成し、保存特性やサイクル特性を向上させることができるため、現在多く用いられている。
【０００７】
一方、近年、炭素系負極に対し、単位質量・体積当りの充放電容量が大幅に上回る新たな負極材料として、リチウムイオンを吸蔵及び放出することが可能な錫やシリコン等の金属やその酸化物等の材料を用いた次世代の非水系電解液二次電池が提案され、注目を集めている（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｉｏｎｉｃｓ.１１３−１１５.５７（１９９８））。
【０００８】
中でも、シリコン薄膜や錫薄膜などのリチウムを吸蔵・放出する活物質薄膜をＣＶＤ法、スパッタリング法、蒸着法、溶射法、又はめっき法により集電体上に堆積して形成した電極を用いたものは、高い充放電容量と優れた充放電サイクル特性を示す。このような電極においては、活物質薄膜がその厚み方向に形成された切れ目によって柱状に分離され、該柱状部分の底部が集電体と密着した構造を有する。即ち、この柱状部分の周囲に隙間が形成されており、この隙間によって充放電サイクルに伴う薄膜の膨張収縮による応力が緩和されるため、活物質薄膜が集電体から剥離するような応力を抑制することができ、優れた充放電サイクル特性が得られる（特開２００２−２７９９７２号公報）。
【０００９】
しかしながら、これらシリコンや錫等の金属やそれらの元素を含む合金や酸化物の負極材料は、一般に電解液材料の各種電解質、有機溶媒、添加剤との反応性が、従来の炭素系負極に増して非常に高いという問題がある。このため、これらの新たな負極材料に適応した保護皮膜を形成し得る電解液添加剤が望まれていた。
【００１０】
【特許文献１】
特開平６−５２８８７号公報
【特許文献２】
特開２００２−２７９９７２号公報
【非特許文献１】
Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｉｏｎｉｃｓ.１１３−１１５.５７（１９９８）
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、非水系電解液二次電池の電解液の分解を最小限に抑えて、充放電効率が高く、優れた充放電サイクル特性を示す高エネルギー密度の非水系電解液二次電池を実現し得る二次電池用非水系電解液と、この非水系電解液を用いた非水系電解液二次電池を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の二次電池用非水系電解液は、リチウムを吸蔵及び放出する活物質薄膜をＣＶＤ法、スパッタリング法、蒸着法、溶射法、又はめっき法により集電体上に堆積して形成してなり、該活物質薄膜がその厚み方向に形成された切れ目によって柱状に分離されており、該柱状部分の底部が前記集電体と密着している電極である負極と、リチウムを吸蔵及び放出することが可能な正極と、非水溶媒にリチウム塩を溶解してなる電解液とを備える非水系電解液二次電池に用いられる非水系電解液において、下記一般式（Ｉ）で表される化合物を含有する二次電池用非水系電解液であって、該活物質薄膜が、非晶質シリコン薄膜又は微結晶シリコン薄膜、或いは、錫及び錫と前記集電体金属との合金から形成されるものであり、下記一般式（Ｉ）で表される化合物が、１−メチルホスフォラン−１−オキシド、１−エチルホスフォラン−１−オキシド、１−ｎ−プロピルホスフォラン−１−オキシド、１−ｎ−ブチルホスフォラン−１−オキシド、１−メチルホスフォリナン−１−オキシド、１−エチルホスフォリナン−１−オキシド、１−ｎ−プロピルホスフォリナン−１−オキシド、及び１−ｎ−ブチルホスフォリナン−１−オキシドより選ばれることを特徴とする。
Ｒｎ−Ｍ＝Ｏ ……（Ｉ）
（式中、Ｒは、置換基を有していても良いアルキル基を表し、ｎ個のＲは互いに同一であっても異っていても良く、独立した置換基であっても、互いに結合して環を巻いていても良い。ＭはＰであり、ｎは３である。）
【００１３】
本発明の非水系電解液二次電池は、リチウムを吸蔵及び放出する活物質薄膜をＣＶＤ法、スパッタリング法、蒸着法、溶射法、又はめっき法により集電体上に堆積して形成してなり、該活物質薄膜がその厚み方向に形成された切れ目によって柱状に分離されており、該柱状部分の底部が前記集電体と密着している電極である負極と、リチウムを吸蔵及び放出することが可能な正極と、非水溶媒にリチウム塩を溶解してなる電解液とを備える非水系電解液二次電池において、該活物質薄膜が、非晶質シリコン薄膜又は微結晶シリコン薄膜、或いは、錫及び錫と前記集電体金属との合金から形成されるものであり、該電解液がこのような本発明の非水系電解液であることを特徴とする。
【００１４】
本発明者等は、上記目的を達成するために種々の検討を重ねた結果、非水系電解液二次電池の電解液として、前記一般式（Ｉ）で表される化合物を含有する非水系電解液を使用することにより、初期の充電時から負極活物質薄膜の柱状部分の側面を含む表面にリチウムイオン透過性が高く、安定性の良い良好な保護皮膜が効率良く生成し、この保護皮膜により、過度の電解液の分解が抑制されるために、活物質薄膜の柱状構造が安定化され、柱状部分の劣化や崩壊が抑制されることにより、充放電サイクル特性を向上させることができることを見出し、本発明を完成させるに至った。
【００１５】
本発明において、電解液は、一般式（Ｉ）で表される化合物を０．１〜１０重量％含有することが好ましい。
【００１６】
また、前記一般式（Ｉ）において、
ｎ個のＲのすべてが、各々独立に、置換基を有していても良い、炭素数１〜４の鎖状アルキル基である
ＭがＳであり、２個のＲが互いに結合して、置換基を有していても良い、環を巻く、炭素数４〜６のアルキレン基を形成する
或いは、
ＭがＰであり、３つのＲのうちの２つが互いに結合して、置換基を有していても良い、環を巻く、炭素数４〜６のアルキレン基を形成し、残る１つのＲが、置換基を有していても良い、炭素数１〜４の鎖状アルキル基である
ことが好ましい。
【００１７】
また、前記活物質薄膜の切れ目は、初回以降の充放電により、活物質薄膜の厚み方向に延びる低密度領域に沿って形成されていることが好ましい。
【００１８】
前記活物質薄膜としては、非晶質シリコン薄膜又は微結晶シリコン薄膜、或いは、錫及び錫と前記集電体金属との合金から形成されるものが挙げられる。
【００１９】
前記集電体としては、銅、ニッケル、ステンレス、モリブデン、タングステン、及びタンタルよりなる群から選ばれる少なくとも１種により形成され、表面粗さＲａが０．０１〜１μｍのもの、好ましくは表面を粗面化した銅箔、より好ましくは電解銅箔が挙げられる。
【００２０】
前記活物質薄膜には、前記集電体の成分が拡散していることが好ましく、拡散した前記集電体の成分が、該活物質薄膜中において、該活物質薄膜の成分と金属間化合物を形成せずに固溶体を形成しているか、或いは、活物質成分単独の薄膜と前記集電体との間に、該活物質薄膜に拡散した該集電体の成分と該活物質成分との混合相が形成されていることが好ましい。
【００２１】
本発明において、電解液の非水溶媒としては、総炭素数３〜９の、ラクトン化合物、環状カーボネート、鎖状カーボネート、鎖状エーテル及び鎖状カルボン酸エステルからなる群から選ばれる１種以上の溶媒を７０容量％以上含有し、かつ、該ラクトン化合物及び／又は環状カーボネートを２０容量％以上含有するものが好ましく、ラクトン化合物としては、γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン及びδ−バレロラクトンからなる群から選ばれる１種以上が、環状カーボネートとしては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート及びブチレンカーボネートからなる群から選ばれる１種以上が、鎖状カーボネートとしては、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート及びエチルメチルカーボネートからなる群から選ばれる１種以上が挙げられる。
【００２２】
また、電解液のリチウム塩としては、ＬｉＢＦ４及び／又はＬｉＰＦ６を電解液中の総リチウム塩に対して５〜１００ｍｏｌ％含むことが好ましい。
【００２３】
また、前記正極は、リチウムコバルト酸化物、リチウムニッケル酸化物及びリチウムマンガン酸化物、並びにこれらの酸化物を含有する複合酸化物からなる群から選ばれる少なくとも１種のリチウム遷移金属複合酸化物を含むことが好ましい。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００２５】
まず、本発明の二次電池用非水系電解液について説明する。
【００２６】
本発明の非水系電解液は、下記一般式（Ｉ）で表される化合物を含有するものである。
Ｒｎ−Ｍ＝Ｏ ……（Ｉ）
【００２７】
上記一般式（Ｉ）中、Ｒは、置換基を有していても良いアルキル基を表し、ｎ個のＲは互いに同一であっても異っていても良く、独立した置換基であっても、互いに結合して環を巻いていても良い。
【００２８】
ＭはＳ又はＰを表し、ＭがＳの場合はｎは２、つまりＲが一般式中に２つ存在するスルホキシド化合物を表す。よって、Ｒが互いに独立している場合は、同一でも異っていても良い、置換基を有していても良いアルキル基が２つ存在し、Ｒが互いに結合して環を巻いている場合は、その２つのＲが互いに結合してＭを含む環を形成することになる。
【００２９】
ＭがＰの場合はｎは３、つまりＲが一般式中に３つ存在するホスフィンオキシド化合物を表す。よって、Ｒが互いに独立している場合は、同一でも異っていても良い、置換基を有していても良いアルキル基が３つ存在し、Ｒが互いに結合して環を巻いている場合は、その内の２つのＲが互いに結合してＭを含む環を形成し、独立したＲが別途１つ存在することになる。
【００３０】
独立しているＲで表されるアルキル基としては、鎖状アルキル基、環状アルキル基が挙げられる。
【００３１】
鎖状アルキル基としては、通常、炭素数１以上、４以下の鎖状アルキル基、具体的にはメチル、エチル、ｎ−プロピル、ｉ−プロピル、ｎ−ブチル、ｉ−ブチル、ｔ−ブチルの鎖状アルキル基が挙げられる。環状アルキル基としては、炭素数３以上、８以下の環状アルキル基が挙げられ、具体的には、シクロプルピル、シクロヘキシル等が好ましく用いられる。これらの中で、更に好ましくは、炭素数１以上、４以下の鎖状アルキル基であるメチル、エチル、ｎ−プロピル、ｉ−プロピル、ｎ−ブチル、ｉ−ブチル、ｔ−ブチルである。アルキル基を構成する炭素数が多くなりすぎると、耐酸化性が低下し、電解液中への溶解度が下がる等の問題を生じる恐れがある。
【００３２】
独立しているＲで表されるアルキル基に置換していても良い置換基としては、アルキル基、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子等のハロゲン原子、アルコキシ基、炭酸エステル基、カルボン酸エステル基、アミノ基等が挙げられる。
【００３３】
独立しているＲで表されるアルキル基の分子量は、置換基を含めて、それぞれ通常２００以下である。この分子量が大きすぎると、一般式（Ｉ）で表される化合物の後述の非水溶媒への溶解性が低下しやすく、粘度が上昇しやすくなるおそれがある。
【００３４】
独立しているＲで表されるアルキル基は、耐酸化還元性、溶解性及び保存安定性の点から、好ましくは、置換基を有さないアルキル基、又は炭素原子に結合する水素原子の少なくとも一部（好ましくは、置換基中に１個以上、３個以下程度）がフッ素に置換されたフルオロアルキル基が用いられる。
【００３５】
独立しているＲで表されるアルキル基の具体例としては、メチル、フルオロメチル、ジフルオロメチル、トリフルオロメチル、エチル、α−フルオロエチル、β−フルオロエチル、β，β，β−トリフルオロエチル、ｎ−プロピル、α−フルオロ−ｎ−プロピル、β−フルオロ−ｎ−プロピル、γ−フルオロ−ｎ−プロピル、γ，γ，γ−トリフルオロ−ｎ−プロピル、ｉ−プロピル、α−フルオロ−ｉ−プロピル、ビス（トリフルオロメチル）メチル、ｎ−ブチル、δ，δ，δ−トリフルオロ−ｎ−ブチル、ｔ−ブチル、フルオロ−ｔ−ブチル、トリス（トリフルオロメチル）メチル等が挙げられる。
【００３６】
独立しているＲで表されるアルキル基として更に好ましくは、溶解性及び安定性の観点からは、メチル基、エチル基、１以上のフッ素原子で置換されたメチル基、１以上のフッ素原子で置換されたエチル基、ｎ−プロピル基、ｎ−ブチル基が用いられ、更に製造上の観点からは、メチル基、エチル基、フルオロメチル基、β−フルオロエチル基、β，β，β−トリフルオロエチル基、ｎ−プロピル基、ｉ−プロピル基、ｎ−ブチル基、ｉ−ブチル基、ｔ−ブチル基が挙げられ、最も好ましくは、メチル基、エチル基、ｎ−プロピル基、ｎ−ブチル基が挙げられる。
【００３７】
よって、独立しているＲのみで構成される一般式（Ｉ）で表される化合物は具体的には、これらＲの具体例の組み合わせによって得られる化合物すべてとなるが、それらの中でも好ましくは、ＭがＳの場合は、ジメチルスルホキシド、フルオロメチルメチルスルホキシド、ビス（フルオロメチル）スルホキシド、メチルトリフルオロメチルスルホキシド、ビス（トリフルオロメチル）スルホキシド、ジエチルスルホキシド、ビス（β−フルオロエチル）スルホキシド、ビス（β，β，β−トリフルオロエチル）スルホキシド、ジ−ｎ−プロピルスルホキシド、ジ−ｉ−プロピルスルホキシド、ジ−ｎ−ブチルスルホキシド、ジ−ｉ−ブチルスルホキシド、ジ−ｔ−ブチルスルホキシドが挙げられ、更に好ましくは、ジメチルスルホキシド、ジエチルスルホキシド、ジ−ｎ−プロピルスルホキシド、ジ−ｎ−ブチルスルホキシドが挙げられる。
【００３８】
また、ＭがＰの場合は、好ましくはトリメチルホスフィンオキシド、フルオロメチルジメチルホスフィンオキシド、トリス（トリフルオロメチル）ホスフィンオキシド、メチルトリフルオロメチルホスフィンオキシド、トリス（トリフルオロメチル）ホスフィンオキシド、トリエチルホスフィンオキシド、トリス（β−フルオロエチル）ホスフィンオキシド、トリス（β，β，β−トリフルオロエチル）ホスフィンオキシド、トリ−ｎ−プロピルホスフィンオキシド、トリ−ｉ−プロピロホスフィンオキシド、トリ−ｎ−ブチルホスフィンオキシド、トリ−ｉ−ブチルホスフィンオキシド、トリ−ｔ−ブチルホスフィンオキシドが挙げられ、更に好ましくは、トリメチルホスフィンオキシド、トリエチルホスフィンオキシド、トリ−ｎ−プロピルホスフィンオキシド、トリ−ｎ−ブチルホスフィンオキシドが挙げられる。
【００３９】
２つのＲが互いに結合して環を巻くアルキレン基としては、炭素数４以上、８以下の、Ｍを含む環を形成するアルキレン基が挙げられ、具体的には、ＭがＳの場合は、一般式（Ｉ）の化合物がテトラメチレンスルホキシド骨格、ペンタメチレンスルホキシド骨格、ヘキサメチレンメチレンスルホキシド骨格、ヘプタメチレンスルホキシド骨格、オクタメチレンスルホキシド骨格等を有するものが好ましく用いられる。これらの中で、更に好ましくは、テトラメチレンスルホキシド骨格、ペンタメチレンスルホキシド骨格を持つものである。
【００４０】
また、ＭがＰの場合は、一般式（Ｉ）で表される化合物が１−アルキルホスフォラン−１−オキシド骨格、１−アルキルホスフォリナン−１−オキシド骨格、１−アルキルホスフェパン−１−オキシド骨格、１−アルキルホスフォカン−１−オキシド骨格等を有するものが好ましく用いられる。これらの中で、更に好ましくは、１−アルキルホスフォラン−１−オキシド骨格、１−アルキルホスフォリナン−１−オキシド骨格を持つものである。
【００４１】
２つのＲが互いに結合して環を巻くアルキレン基に置換していても良い置換基としては、アルキル基、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子等のハロゲン原子、アルコキシ基、炭酸エステル基、カルボン酸エステル基、アミノ基等が挙げられる。
【００４２】
独立しているＲで表されるアルキル基と同様に、２つのＲが互いに結合して環を巻くアルキレン基を構成する炭素数が多くなりすぎると、耐酸化性が低下し、電解液中への溶解度が下がる等の問題を生じる恐れがある。
【００４３】
２つのＲが互いに結合して環を巻くアルキレン基の置換基を含めた分子量は、通常２００以下、好ましくは１００以下である。この分子量が大きすぎると、一般式（Ｉ）で表される化合物の溶解性が低下しやすく、粘度が上昇しやすすくなるおそれがある。
【００４４】
２つのＲが互いに結合して環を巻くアルキレン基は、耐酸化還元性、溶解性及び保存安定性の点から、好ましくは、置換基を有さないアルキレン基、又は炭素原子に結合する水素原子の少なくとも一部がフッ素に置換されたフルオロアルキレン基が用いられる。
【００４５】
２つのＲが互いに結合して環を巻くアルキレン基を持つ化合物の具体例としては、ＭがＳの場合は、好ましくは、テトラメチレンスルホキシド、２−フルオロテトラメチレンスルホキシド、３−フルオロテトラメチレンスルホキシド、オクタフルオロテトラメチレンスルホキシド、ペンタメチレンスルホキシド、２−フルオロペンタメチレンスルホキシド、３−フルオロペンタメチレンスルホキシド、４−フルオロペンタメチレンスルホキシド、デカフルオロペンタメチレンスルホキシド、ヘキサメチレンスルホキシド、２−フルオロヘキサメチレンスルホキシド、３−フルオロヘキサメチレンスルホキシド、４−フルオロヘキサメチレンスルホキシド、ドデカフルオロヘキサメチレンスルホキシド、ヘプタメチレンスルホキシド、２−フルオロヘプタメチレンスルホキシド、３−フルオロヘプタメチレンスルホキシド、４−フルオロヘプタメチレンスルホキシド、５−フルオロヘプタメチレンスルホキシド、テトラデカフルオロヘプタメチレンスルホキシド、オクタメチレンスルホキシド、２−フルオロオクタメチレンスルホキシド、３−フルオロオクタメチレンスルホキシド、４−フルオロオクタメチレンスルホキシド、５−フルオロオクタメチレンスルホキシド、ヘキサデカフルオロオクタメチレンスルホキシド等であり、更に好ましくは、テトラメチレンスルホキシド、ペンタメチレンスルホキシドである。
【００４６】
また、ＭがＰの場合は、好ましくは、１−アルキルホスフォラン−１−オキシド、１−アルキル−２−フルオロホスフォラン−１−オキシド、１−アルキル−３−フルオロホスフォラン−１−オキシド、１−アルキルオクタフルオロホスフォラン−１−オキシド、１−アルキルホスフォリナン−１−オキシド、１−アルキル−２−フルオロホスフォリナン−１−オキシド、１−アルキル−３−フルオロホスフォリナン−１−オキシド、１−アルキル−４−フルオロホスフォリナン−１−オキシド、１−アルキルデカフルオロホスフォリナン−１−オキシド、１−アルキルホスフェパン−１−オキシド、１−アルキル−２−フルオロホスフェパン−１−オキシド、１−アルキル−３−フルオロホスフェパン−１−オキシド、１−アルキル−４−フルオロホスフェパン−１−オキシド、１−アルキルドデカフルオロホスフェパン−１−オキシド、１−アルキルホスフォカン−１−オキシド、１−アルキル−２−フルオロホスフォカン−１−オキシド、１−アルキル−３−フルオロホスフォカン−１−オキシド、１−アルキル−４−フルオロホスフォカン−１−オキシド、１−アルキル−５−フルオロホスフォカン−１−オキシド、１−アルキルテトラデカフルオロホスフォカン−１−オキシドであり、更に好ましくは、独立したアルキル基が、メチル基、フルオロメチル基、β−フルオロエチル基、β，β，β−トリフルオロエチル基、ｎ−プロピル基、ｎ−ブチル基のものであり、これらの組み合わせの中で好ましくは、１−メチルホスフォラン−１−オキシド、１−エチルホスフォラン−１−オキシド、１−ｎ−プロピルホスフォラン−１−オキシド、１−ｎ−ブチルホスフォラン−１−オキシド、１−メチルホスフォリナン−１−オキシド、１−エチルホスフォリナン−１−オキシド、１−ｎ−プロピルホスフォリナン−１−オキシド、１−ｎ−ブチルホスフォリナン−１−オキシドが挙げられる。
【００４７】
前述の如く、これらの一般式（Ｉ）で表される化合物は、初期の充電時から負極活物質薄膜の柱状部分の表面（側面を含む）にリチウムイオン透過性が高く、安定性の良い良好な保護皮膜を効率良く生成させることにより、過度の電解液の分解を抑制し、これにより、活物質薄膜の柱状構造を安定化し、柱状部分の劣化や崩壊を抑制することにより、充放電サイクル特性を向上させるものと推定される。
【００４８】
一般式（Ｉ）で表される化合物の電解液中の存在量が少なすぎると、このような保護皮膜の形成が不完全となり、初期の効果が十分に発現しないおそれがある。また、一般式（Ｉ）で表される化合物の電解液量が多すぎると、初期の充電時に皮膜形成に使用されない一般式（Ｉ）で表される化合物が電池特性に悪影響を及ぼすおそれがある。このため、一般式（Ｉ）で表される化合物は、これらの効果が最大限発現される初期充電時に大部分が皮膜生成に消費されてしまう程度の含有量において用いることが好ましい。
【００４９】
具体的に、一般式（Ｉ）で表される化合物は、電解液に対して、通常０．０１重量％以上、好ましくは０．１重量％以上、より好ましくは０．５重量％以上、通常１０重量％以下、好ましくは５重量％以下、より好ましくは３重量％以下含有されることが好ましい。
【００５０】
本発明の電解液に使用される非水溶媒としては、環状カーボネート類、鎖状カーボネート類、ラクトン化合物（環状カルボン酸エステル）類、鎖状カルボン酸エステル類、環状エーテル類、鎖状エーテル類、含硫黄有機溶媒等が挙げられる。これらの溶媒は単独で用いても、２種類以上混合して用いても良い。
【００５１】
これらの中で好ましくは、総炭素数がそれぞれ３〜９の環状カーボネート、ラクトン化合物、鎖状カーボネート、鎖状カルボン酸エステル、鎖状エーテル類であり、特に総炭素数がそれぞれ３〜９の環状カーボネート及び鎖状カーボネートの一方又は双方を含むことが望ましい。
【００５２】
総炭素数がそれぞれ３〜９である環状カーボネート、ラクトン化合物、鎖状カーボネート、鎖状カルボン酸エステル、鎖状エーテルの具体例としては、以下のようなものが挙げられる。
【００５３】
１）総炭素数が３〜９の環状カーボネート：エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ビニレンカーボネート、ビニルエチレンカーボネート等が挙げられる。この中で、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネートがより好ましい。
【００５４】
２）総炭素数が３〜９のラクトン化合物：γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン、δ−バレロラクトン等を挙げることができ、これらの中で、γ−ブチロラクトンがより好ましい。
【００５５】
３）総炭素数が３〜９の鎖状カーボネート：ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、ジ−ｎ−プロピルカーボネート、ジイソプロピルカーボネート、ｎ−プロピルイソプロピルカーボネート、ジ−ｎ−ブチルカーボネート、ジ−ｉ−プロピルカーボネート、ジ−ｔ−ブチルカーボネート、ｎ−ブチル−ｉ−ブチルカーボネート、ｎ−ブチル−ｔ−ブチルカーボネート、ｉ−ブチル−ｔ−ブチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、メチル−ｎ−プロピルカーボネート、ｎ−ブチルメチルカーボネート、ｉ−ブチルメチルカーボネート、ｔ−ブチルメチルカーボネート、エチル−ｎ−プロピルカーボネート、ｎ−ブチルエチルカーボネート、ｉ−ブチルエチルカーボネート、ｔ−ブチルエチルカーボネート、ｎ−ブチル−ｎ−プロピルカーボネート、ｉ−ブチル−ｎ−プロピルカーボネート、ｔ−ブチル−ｎ−プロピルカーボネート、ｎ−ブチル−ｉ−プロピルカーボネート、ｉ−ブチル−ｉ−プロピルカーボネート、ｔ−ブチル−ｉ−プロピルカーボネート等を挙げることができる。これらの中で、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネートがより好ましい。
【００５６】
４）総炭素数３〜９の鎖状カルボン酸エステル：酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸−ｎ−プロピル、酢酸−ｉ−プロピル、酢酸−ｎ−ブチル、酢酸−ｉ−ブチル、酢酸−ｔ−ブチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、プロピオン酸−ｎ−プロピル、プロピオン酸−ｉ−プロピル、プロピオン酸−ｎ−ブチル、プロピオン酸−ｉ−ブチル、プロピオン酸−ｔ−ブチルを挙げることができる。これらの中で、酢酸エチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチルがより好ましい。
【００５７】
５）総炭素数３〜９、好ましくは３〜６の鎖状エーテル：ジメトキシメタン、ジメトキシエタン、ジエトキシメタン、ジエトキシエタン、エトキシメトキシメタン、エトキシメトキシエタン等を挙げることができる。これらの中で、ジメトキシエタン、ジエトキシエタンがより好ましい。
【００５８】
本発明においては、非水溶媒の７０容量％以上が総炭素数３〜９の、ラクトン化合物、環状カーボネート、鎖状カーボネート、鎖状エーテル及び鎖状カルボン酸エステルから選ばれる１種以上の溶媒であることが好ましく、かつ非水溶媒の２０容量％以上が総炭素数３〜９のラクトン化合物及び／又は総炭素数３〜９の環状カーボネートであることが望ましい。
【００５９】
本発明の電解液の溶質としてのリチウム塩については、溶質として使用し得るものであれば良く、特に限定はされない。その具体例としては例えば以下のようなものが挙げられる。
【００６０】
１）無機リチウム塩：ＬｉＰＦ６、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＡｌＦ４等の無機フッ化物塩、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＢｒＯ４、ＬｉＩＯ４等の過ハロゲン酸塩。
【００６１】
２）有機リチウム塩：ＬｉＣＦ3 ＳＯ3 等の有機スルホン酸塩、ＬｉＮ（ＣＦ3 ＳＯ2）2、ＬｉＮ（Ｃ2Ｆ5ＳＯ2）2、ＬｉＮ（ＣＦ3ＳＯ2）（Ｃ4Ｆ9ＳＯ2）等のパーフルオロアルキルスルホン酸イミド塩、ＬｉＣ（ＣＦ3ＳＯ2）3等のパーフルオロアルキルスルホン酸メチド塩、ＬｉＰＦ3（ＣＦ3）3、ＬｉＰＦ2（Ｃ2Ｆ5）4、ＬｉＰＦ3（Ｃ2Ｆ5）3、ＬｉＢ（ＣＦ3）4、ＬｉＢＦ（ＣＦ3）3、ＬｉＢＦ2（ＣＦ3）2、ＬｉＢＦ3（ＣＦ3）、ＬｉＢ（Ｃ2Ｆ5）4、ＬｉＢＦ（Ｃ2Ｆ5）3、ＬｉＢＦ2（Ｃ2Ｆ5）2、ＬｉＢＦ3（Ｃ2Ｆ5）、等の、フッ素原子の一部をパーフルオロアルキル基で置換した無機フッ化物塩等の、含フッ素有機リチウム塩。これらのうち、ＬｉＰＦ6、ＬｉＢＦ4、ＬｉＮ（ＣＦ3ＳＯ2）2、ＬｉＮ（Ｃ2Ｆ5ＳＯ2）2、ＬｉＮ（ＣＦ3ＳＯ2）（Ｃ4Ｆ9ＳＯ2）、ＬｉＰＦ3（ＣＦ3）3、ＬｉＰＦ3 （Ｃ2Ｆ5）3、ＬｉＢＦ2（Ｃ2Ｆ5）2がより好ましい。
【００６２】
これらのリチウム塩は１種を単独で用いても良く、２種以上を混合して用いても良い。
【００６３】
特に、リチウム塩としては、ＬｉＢＦ４及び／又はＬｉＰＦ６を、電解液中の総リチウム塩中、通常５ｍｏｌ％以上、好ましくは３０ｍｏｌ％以上、通常１００ｍｏｌ％以下の割合で含有することが望ましい。即ち、リチウム塩としてＬｉＢＦ４及び／又はＬｉＰＦ６を用いると電気化学的安定性が高く、広い温度範囲で高い電気伝導率を示す優れた電解液となる。ＬｉＢＦ４及び／又はＬｉＰＦ６の割合が低すぎるとこれら性能が不足する恐れがある。
【００６４】
電解液中の溶質リチウム塩の含有濃度は、０．５ｍｏｌ／リットル以上、３ｍｏｌ／リットル以下であることが望ましい。電解液中のリチウム塩の含有濃度が低すぎると、絶対的な濃度不足により電解液の電気伝導率が不十分となり、濃度が高すぎると、粘度上昇のために電気伝導率が低下し、また低温での析出が起こりやすくなるため、電池の性能が低下する傾向がある。
【００６５】
なお、本発明の非水系電解液は、非水溶媒と前記一般式（Ｉ）で表される化合物及びリチウム塩の他に、更に、公知の過充電防止剤、脱水剤、脱酸剤等を含有していても良い。
【００６６】
次に、本発明の電解液が適用される本発明の非水系電解液二次電池について説明する。
【００６７】
まず、本発明の非水系電解液二次電池を構成する負極について、図１を参照して説明する。図１は本発明に係る負極の表面を模式的に示した図である。
【００６８】
図示の如く、本発明の電池を構成する負極は、リチウムを吸蔵及び放出する活物質薄膜をＣＶＤ法、スパッタリング法、蒸着法、溶射法、又はめっき法により集電体１上に堆積して形成した電極であり、かつ該活物質薄膜がその厚み方向に形成された切れ目（空隙）２によって柱状に分離されており、この柱状部分３の底部が集電体１と密着している電極である。この切れ目２は、一般的に活物質薄膜の厚み方向に延びる低密度領域に沿って、初回以降の充放電により形成される。
【００６９】
活物質薄膜を形成する活物質材料としては、高い体積理論容量を与えるものが好ましく、シリコン、ゲルマニウム、錫、鉛、亜鉛、マグネシウム、ナトリウム、アルミニウム、カリウム、インジウムなどを挙げられるが、これらの中でも、シリコン、ゲルマニウム、錫、アルミニウムが好ましく、更には、シリコン又は錫が好ましい。
【００７０】
本発明に係る負極は、図１に示す如く、リチウムを吸蔵及び放出する活物質薄膜を集電体１上に形成したものであり、かつ活物質薄膜がその厚み方向に形成された切れ目２によって柱状に分離されており、この柱状部分の底部が集電体１と密着している電極である。このような、活物質薄膜の柱状構造３が安定であり、集電体１との密着性が良いためには、活物質薄膜に集電体１の成分が拡散しており、かつこの状態が安定であることが好ましい。
【００７１】
従って、シリコンを用いた活物質薄膜の場合は、その物性から、活物質薄膜中に拡散した集電体の成分が、活物質薄膜中において、活物質薄膜の成分と金属間化合物を形成せずに固溶体を形成していることが好ましく、よって活物質薄膜は非晶質シリコン薄膜又は微結晶シリコン薄膜であることが好ましい。
【００７２】
また、錫を用いた場合は、集電体と活物質単体の薄膜の間に、これらとは別に集電体成分と活物質成分の混合相が形成されていることが好ましい。この混合相は、活物質成分と集電体成分との金属間化合物から形成されていても良いし、固溶体から形成されていても良い。なお、これら混合層は熱処理することにより形成することができるが、その条件は、活物質成分、活物質薄膜の厚み、集電体の種類によって異なり、例えば、厚み１μｍの錫単体膜が集電体の銅の上に形成されている場合には、好ましくは１００℃以上、また、好ましくは２４０℃以下の範囲で真空熱処理することが好ましい。
【００７３】
なお、活物質薄膜の厚みは特に限定されるものではないが、高い充放電容量を得るためには、１μｍ以上であることが好ましい。また、厚みの上限は２０μｍであることが好ましい。
【００７４】
本発明において、負極に用いる集電体は、その上に活物質薄膜を良好な密着性で形成することができ、リチウムと合金化しない材料であれば特に限定されるものではない。集電体の材質の具体例としては、銅、ニッケル、ステンレス、モリブデン、タングステン、及びタンタルから選ばれる少なくとも１種が挙げられ、入手の容易さから好ましくは銅又はニッケル、特に好ましくは銅である。
【００７５】
負極集電体の厚みは厚すぎると、電池構造体内の空間に占める割合が増え好ましくなく、３０μｍ以下が好ましく、更には２０μｍ以下が好ましい。また、薄すぎると強度が不足するため、１μｍ以上が好ましく、更には５μｍ以上が好ましい。
【００７６】
活物質薄膜の表面に、集電体表面１ａの凹凸に対応した凹凸を形成するため、集電体１は、その表面を粗面化した銅薄等の箔であることが好ましい。このような箔としては電解箔が挙げられる。電解箔は、例えば、イオンが溶解された電解液中に金属製のドラムを浸漬し、これを回転させながら電流を流すことにより、ドラムの表面に金属を析出させ、これを剥離して得られる箔である。この電解箔の片面又は両面には、粗面化処理や表面処理がなされていても良い。これらの代わりに圧延箔の片面又は両面に、電解法により金属を析出させ、表面を粗面化しても良い。集電体の表面粗さＲａは０．０１μｍ以上であることが好ましく、更には０．１μｍ以上であることが好ましい。また、表面粗さＲａの上限は１μｍ以下であることが好ましく、更には０．５μｍ以下であることが好ましい。表面粗さＲａは、日本工業規格（ＪＩＳ Ｂ ０６０１−１９９４）に定められており、例えば表面粗さ計により測定することができる。
【００７７】
このような集電体上に、本発明に係る活物質薄膜を作製するに際し、予めリチウムが吸蔵された材料を用いても良く、活物質薄膜を形成する際にリチウムを添加しても良い。また、活物質薄膜を形成した後に、リチウムを吸蔵又は添加しても良い。
【００７８】
本発明の電池を構成する正極の材料としては、リチウムコバルト酸化物、リチウムニッケル酸化物、リチウムマンガン酸化物、これらの酸化物を含有する複合酸化物等のリチウム遷移金属複合酸化物材料等のリチウムを吸蔵及び放出可能な材料を使用することができる。これらの正極材料は１種を単独で用いても良く、２種類以上を混合して用いても良い。
【００７９】
正極の製造方法については、特に限定されず、例えば、上記正極材料に、必要に応じて結着剤、増粘剤、導電材、溶媒等を加えてスラリー状とし、正極用集電体の基板に塗布し、乾燥することにより正極を製造することができる。また、該正極材料をそのままロール成形してシート電極としたり、圧縮成形によりペレット電極としたり、ＣＶＤ法、スパッタリング法、蒸着法、溶射法等の手法で集電体上に薄膜状に形成することもできる。
【００８０】
正極の製造に結着剤を用いる場合、粘着剤としては、電極製造時に使用する溶媒や電解液、電池使用時に用いる他の材料に対して安定な材料であれば良く、特に限定されない。その具体例としては、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、スチレン・ブタジエンゴム、イソプレンゴム、ブタジエンゴム等を挙げることができる。
【００８１】
正極の製造に増粘剤を用いる場合、増粘剤としては、電極製造時に使用する溶媒や電解液、電池使用時に用いる他の材料に対して安定な材料であれば良く、特に限定されない。その具体例としては、カルボキシメチルセルロース、メチルセルロース、ヒドロキシメチルセルロース、エチルセルロース、ポリビニルアルコール、酸化スターチ、リン酸化スターチ、ガゼイン等が挙げられる。
【００８２】
正極の製造に導電材を用いる場合、導電材としては、電極製造時に使用する溶媒や電解液、電池使用時に用いる他の材料に対して安定な材料であれば良く、特に限定されない。その具体例としては、銅やニッケル等の金属材料、グラファイト、カーボンブラック等のような炭素材料が挙げられる。
【００８３】
正極用集電体の材質としては、アルミニウム、チタン、タンタル等の金属が使用され、これらの中で薄膜に加工しやすいという点とコストの点からアルミニウム箔が好ましい。正極用集電体の厚みは、特に限定されるものではないが、負極用集電体と同様な理由から５０μｍ以下が好ましく、さらに好ましくは３０μｍ以下である。また、１μｍ以上が好ましく、さらには５μｍ以上であることが好ましい。
【００８４】
本発明の電池に使用するセパレータの材質や形状については特に限定されないが、電解液に対して安定で、保液性の優れた材料の中から選ぶのが好ましく、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィンを原料とする多孔性シート又は不織布等を用いるのが好ましい。
【００８５】
負極、正極及び非水系電解液を少なくとも有する本発明の電池を製造する方法については、特に限定されず、通常採用されている方法の中から適宜選択することができる。
【００８６】
また、電池の形状についても特に限定されず、シート電極及びセパレータをスパイラル状にしたシリンダータイプ、ペレット電極及びセパレータを組み合わせたインサイドアウト構造のシリンダータイプ、ペレット電極及びセパレータを積層したコインタイプ等が使用可能である。
【００８７】
本発明においては、前記一般式（Ｉ）で表される化合物を含有する電解液を用いることにより、初期の充電時から負極活物質薄膜の柱状部分３の表面（側面を含む）に、リチウムイオン透過性が高く、安定性の良い良好な保護皮膜４が効率良く形成され、この保護皮膜４により、負極活物質による電解液の分解が抑制される。これにより、集電体１上の活物質薄膜の柱状構造３が安定化され、柱状部分の劣化や崩壊が抑制されることにより、充放電効率、充放電サイクル特性に優れた非水系電解液二次電池が提供される。
【００８８】
【実施例】
以下に、実施例及び比較例を挙げて本発明を更に具体的に説明するが、本発明は、その要旨を超えない限りこれらの実施例に限定されるものではない。
【００８９】
なお、以下の実施例及び比較例において、非水系電解液二次電池の作製及び評価方法は次の通りである。
【００９０】
［シリコン薄膜負極の作製］
電解銅箔（厚み１８μｍ、表面粗さＲａ＝０．１８８μｍ）上にスパッタガス（Ａｒ）流量：１００ｓｃｃｍ、基板温度：室温（加熱なし）、反応圧力：０．１３３Ｐａ（１．０×１０−３Ｔｏｒｒ）、高周波電力：２００Ｗの条件にてＲＦスパッタリングを行うことにより、厚み約５μｍのシリコン薄膜を形成した。得られたシリコン薄膜は、ラマン分光分析によると、波長４８０ｃｍ−１近傍のピークは検出されたが、５２０ｃｍ−１近傍のピークは検出されず、非晶質シリコン薄膜であることがわかった。この非晶質シリコン薄膜を形成した電解銅箔を、１００℃で２時間真空乾燥後、直径１０．０ｍｍの円盤状に打ち抜いて負極とした。
【００９１】
［錫薄膜負極の作製］
電解銅箔（厚み１８μｍ、表面粗さＲａ＝０．２９μｍ）上に、硫酸錫４０ｇ・ｄｍ−３、９８％硫酸１５０ｇ・ｄｍ−３、ホルマリン５ｃｍ３・ｄｍ−３、上村工業（株）製錫メッキ用添加剤４０ｃｍ３・ｄｍ−３の濃度の電解浴を用いて、陽極として錫を用いた電解メッキを行い、厚み１μｍの錫薄膜を形成した。この電極を、１４０℃にて６時間加熱処理した後、１００℃で２時間真空乾燥後、直径１０．０ｍｍの円盤状に打ち抜いて負極とした。
【００９２】
［正極の作製］
正極活物質としてＬｉＣｏＯ２（日本化学工業社製Ｃ５）８５重量％にカーボンブラック（電気化学工業社製商品名デンカブラック）６重量％、ポリフッ化ビニリデンＫＦ−１０００（呉羽化学社製商品名ＫＦ−１０００）９重量％を加え混合し、Ｎ−メチル−２−ピロリドンで分散して、スラリー状としたものを、正極集電体である厚さ２０μｍのアルミニウム箔上に、用いる負極の理論容量の９割となるように均一に塗布し、１００℃で１２時間乾燥後、直径１０．０ｍｍの円盤状に打ち抜いて正極とした。
【００９３】
［コイン型セルの作製］
上記の正極及び負極と、各実施例及び比較例で調製した電解液を用いて、正極導電体を兼ねるステンレス鋼製の缶体に正極を収容し、その上に電解液を含浸させたポリエチレン製のセパレータを介して負極を載置した。この缶体と負極導電体を兼ねる封口板とを、絶縁用のガスケットを介してかしめて密封し、コイン型セルを作製した。
【００９４】
図２は作成したコイン型セルの構造を示す断面図であり、１１は負極缶、１２は皿バネ、１３はスペーサ、１４は負極、１５はセパレータ、１６は正極、１７はスペーサ、１８は正極缶、１９はガスケットを示す。
【００９５】
［シリコン薄膜負極を用いたコイン型セルの評価］
２５℃において、充電終止電圧４．２Ｖ−３ｍＡ、充電終了電流０．１５ｍＡの定電流定電圧充電と、放電終止電圧３．０Ｖ−３ｍＡの定電流放電とを１サイクルとして、３０サイクル充放電を実施した。この時の、３０サイクル目の容量を３サイクル目の容量で割った値を容量維持率と定義した。
【００９６】
［錫薄膜負極を用いたコイン型セルの評価］
２５℃において、充電終止電圧４．２Ｖ−０．６ｍＡ、充電終了電流０．０３ｍＡの電流定電圧充電と、放電終止電圧３．０Ｖ−０．６ｍＡの定電流放電とを１サイクルとして、３０サイクル充放電を実施した。この時の、３０サイクル目の容量を３サイクル目の容量で割った値を容量維持率と定義した。
【００９７】
実施例１〜１０、比較例１，２
エチレンカーボネートとジエチルカーボネートとを体積比で１：１に混合した溶媒に、溶質として、アルゴン雰囲気中にて十分に乾燥を行った六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ６）を１ｍｏｌ／リットルになるように溶解し、更に表１に示す化合物を表１に示す濃度となるように加え（ただし、比較例１，２では添加せず）て電解液を調製した。この電解液と表１に示す負極と正極を用いてコイン型セルを作製してその評価を行い、結果を表１に示した。
【００９８】
【表１】
【００９９】
表１より、本発明に係る前記一般式（Ｉ）で表される化合物を電解液中に含有させることにより、電池の充放電効率及び充放電サイクル特性が改善されることが分かる。
【０１００】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明によれば、非水系電解液二次電池の電解液の分解が有効に抑制され、充放電効率が高く、優れた充放電サイクル特性を示す高エネルギー密度の非水系電解液二次電池が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る負極表面を模式的に示した図である。
【図２】本発明の実施例において作成したコイン型セルの構造を示す断面図である。
【符号の説明】
１ 集電体
１ａ 集電体表面
２ 切れ目（空隙）
３ 活物質薄膜の柱状構造
４ 保護皮膜
１１ 負極缶
１２ 皿バネ
１３ スペーサ
１４ 負極
１５ セパレータ
１６ 正極
１７ スペーサ
１８ 正極缶
１９ ガスケット
【発明の属する技術分野】
本発明は、非水系電解液二次電池及びそれに用いられる非水系電解液に関する。詳しくは、本発明は、特にリチウムを吸蔵及び放出する活物質薄膜をＣＶＤ法、スパッタリング法、蒸着法、溶射法、又はめっき法により集電体上に堆積して形成した電極を負極として用いたリチウム二次電池において、サイクル時の充放電特性の改善に有効な非水系電解液とこの非水系電解液を用いた非水系電解液二次電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年の電気製品の軽量化、小型化に伴い、高いエネルギー密度を持つリチウム二次電池の開発が以前にもまして望まれており、また、リチウム二次電池の適用分野の拡大に伴い電池特性の改善も要望されている。
【０００３】
現在、リチウム二次電池の正極には、リチウムコバルト酸化物、リチウムニッケル酸化物及びリチウムマンガン酸化物等の金属酸化物塩が、負極には、コークス、人造黒鉛、天然黒鉛等の炭素質材料が単独又は混合されて使用されている。
【０００４】
このようなリチウム二次電池においては、負極上において電極表面での電解液の溶媒の分解が起こることが知られており、このことが保存特性やサイクル特性の低下の原因となっている。
【０００５】
エチレンカーボネートはこのような分解が少なく、またその一部の分解により生成した分解物が負極表面に比較的良好な保護皮膜を生成することから、従来において、非水系電解液二次電池の電解液の主溶媒として多用されている。しかしながら、エチレンカーボネートであっても、充放電過程において電解液が少量づつ分解をしつづけるために充放電効率の低下等が起こる問題があった。
【０００６】
これらの問題を改善する手法として、例えばビニレンカーボネートに代表されるような保護皮膜形成剤を電解液中に少量添加することが知られている（例えば特開平６−５２８８７号公報）。即ち、このような保護皮膜形成剤は、初期充放電時に炭素系負極表面において分解してその分解物が良好な保護皮膜を形成し、保存特性やサイクル特性を向上させることができるため、現在多く用いられている。
【０００７】
一方、近年、炭素系負極に対し、単位質量・体積当りの充放電容量が大幅に上回る新たな負極材料として、リチウムイオンを吸蔵及び放出することが可能な錫やシリコン等の金属やその酸化物等の材料を用いた次世代の非水系電解液二次電池が提案され、注目を集めている（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｉｏｎｉｃｓ.１１３−１１５.５７（１９９８））。
【０００８】
中でも、シリコン薄膜や錫薄膜などのリチウムを吸蔵・放出する活物質薄膜をＣＶＤ法、スパッタリング法、蒸着法、溶射法、又はめっき法により集電体上に堆積して形成した電極を用いたものは、高い充放電容量と優れた充放電サイクル特性を示す。このような電極においては、活物質薄膜がその厚み方向に形成された切れ目によって柱状に分離され、該柱状部分の底部が集電体と密着した構造を有する。即ち、この柱状部分の周囲に隙間が形成されており、この隙間によって充放電サイクルに伴う薄膜の膨張収縮による応力が緩和されるため、活物質薄膜が集電体から剥離するような応力を抑制することができ、優れた充放電サイクル特性が得られる（特開２００２−２７９９７２号公報）。
【０００９】
しかしながら、これらシリコンや錫等の金属やそれらの元素を含む合金や酸化物の負極材料は、一般に電解液材料の各種電解質、有機溶媒、添加剤との反応性が、従来の炭素系負極に増して非常に高いという問題がある。このため、これらの新たな負極材料に適応した保護皮膜を形成し得る電解液添加剤が望まれていた。
【００１０】
【特許文献１】
特開平６−５２８８７号公報
【特許文献２】
特開２００２−２７９９７２号公報
【非特許文献１】
Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｉｏｎｉｃｓ.１１３−１１５.５７（１９９８）
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、非水系電解液二次電池の電解液の分解を最小限に抑えて、充放電効率が高く、優れた充放電サイクル特性を示す高エネルギー密度の非水系電解液二次電池を実現し得る二次電池用非水系電解液と、この非水系電解液を用いた非水系電解液二次電池を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の二次電池用非水系電解液は、リチウムを吸蔵及び放出する活物質薄膜をＣＶＤ法、スパッタリング法、蒸着法、溶射法、又はめっき法により集電体上に堆積して形成してなり、該活物質薄膜がその厚み方向に形成された切れ目によって柱状に分離されており、該柱状部分の底部が前記集電体と密着している電極である負極と、リチウムを吸蔵及び放出することが可能な正極と、非水溶媒にリチウム塩を溶解してなる電解液とを備える非水系電解液二次電池に用いられる非水系電解液において、下記一般式（Ｉ）で表される化合物を含有する二次電池用非水系電解液であって、該活物質薄膜が、非晶質シリコン薄膜又は微結晶シリコン薄膜、或いは、錫及び錫と前記集電体金属との合金から形成されるものであり、下記一般式（Ｉ）で表される化合物が、１−メチルホスフォラン−１−オキシド、１−エチルホスフォラン−１−オキシド、１−ｎ−プロピルホスフォラン−１−オキシド、１−ｎ−ブチルホスフォラン−１−オキシド、１−メチルホスフォリナン−１−オキシド、１−エチルホスフォリナン−１−オキシド、１−ｎ−プロピルホスフォリナン−１−オキシド、及び１−ｎ−ブチルホスフォリナン−１−オキシドより選ばれることを特徴とする。
Ｒｎ−Ｍ＝Ｏ ……（Ｉ）
（式中、Ｒは、置換基を有していても良いアルキル基を表し、ｎ個のＲは互いに同一であっても異っていても良く、独立した置換基であっても、互いに結合して環を巻いていても良い。ＭはＰであり、ｎは３である。）
【００１３】
本発明の非水系電解液二次電池は、リチウムを吸蔵及び放出する活物質薄膜をＣＶＤ法、スパッタリング法、蒸着法、溶射法、又はめっき法により集電体上に堆積して形成してなり、該活物質薄膜がその厚み方向に形成された切れ目によって柱状に分離されており、該柱状部分の底部が前記集電体と密着している電極である負極と、リチウムを吸蔵及び放出することが可能な正極と、非水溶媒にリチウム塩を溶解してなる電解液とを備える非水系電解液二次電池において、該活物質薄膜が、非晶質シリコン薄膜又は微結晶シリコン薄膜、或いは、錫及び錫と前記集電体金属との合金から形成されるものであり、該電解液がこのような本発明の非水系電解液であることを特徴とする。
【００１４】
本発明者等は、上記目的を達成するために種々の検討を重ねた結果、非水系電解液二次電池の電解液として、前記一般式（Ｉ）で表される化合物を含有する非水系電解液を使用することにより、初期の充電時から負極活物質薄膜の柱状部分の側面を含む表面にリチウムイオン透過性が高く、安定性の良い良好な保護皮膜が効率良く生成し、この保護皮膜により、過度の電解液の分解が抑制されるために、活物質薄膜の柱状構造が安定化され、柱状部分の劣化や崩壊が抑制されることにより、充放電サイクル特性を向上させることができることを見出し、本発明を完成させるに至った。
【００１５】
本発明において、電解液は、一般式（Ｉ）で表される化合物を０．１〜１０重量％含有することが好ましい。
【００１６】
また、前記一般式（Ｉ）において、
ｎ個のＲのすべてが、各々独立に、置換基を有していても良い、炭素数１〜４の鎖状アルキル基である
ＭがＳであり、２個のＲが互いに結合して、置換基を有していても良い、環を巻く、炭素数４〜６のアルキレン基を形成する
或いは、
ＭがＰであり、３つのＲのうちの２つが互いに結合して、置換基を有していても良い、環を巻く、炭素数４〜６のアルキレン基を形成し、残る１つのＲが、置換基を有していても良い、炭素数１〜４の鎖状アルキル基である
ことが好ましい。
【００１７】
また、前記活物質薄膜の切れ目は、初回以降の充放電により、活物質薄膜の厚み方向に延びる低密度領域に沿って形成されていることが好ましい。
【００１８】
前記活物質薄膜としては、非晶質シリコン薄膜又は微結晶シリコン薄膜、或いは、錫及び錫と前記集電体金属との合金から形成されるものが挙げられる。
【００１９】
前記集電体としては、銅、ニッケル、ステンレス、モリブデン、タングステン、及びタンタルよりなる群から選ばれる少なくとも１種により形成され、表面粗さＲａが０．０１〜１μｍのもの、好ましくは表面を粗面化した銅箔、より好ましくは電解銅箔が挙げられる。
【００２０】
前記活物質薄膜には、前記集電体の成分が拡散していることが好ましく、拡散した前記集電体の成分が、該活物質薄膜中において、該活物質薄膜の成分と金属間化合物を形成せずに固溶体を形成しているか、或いは、活物質成分単独の薄膜と前記集電体との間に、該活物質薄膜に拡散した該集電体の成分と該活物質成分との混合相が形成されていることが好ましい。
【００２１】
本発明において、電解液の非水溶媒としては、総炭素数３〜９の、ラクトン化合物、環状カーボネート、鎖状カーボネート、鎖状エーテル及び鎖状カルボン酸エステルからなる群から選ばれる１種以上の溶媒を７０容量％以上含有し、かつ、該ラクトン化合物及び／又は環状カーボネートを２０容量％以上含有するものが好ましく、ラクトン化合物としては、γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン及びδ−バレロラクトンからなる群から選ばれる１種以上が、環状カーボネートとしては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート及びブチレンカーボネートからなる群から選ばれる１種以上が、鎖状カーボネートとしては、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート及びエチルメチルカーボネートからなる群から選ばれる１種以上が挙げられる。
【００２２】
また、電解液のリチウム塩としては、ＬｉＢＦ４及び／又はＬｉＰＦ６を電解液中の総リチウム塩に対して５〜１００ｍｏｌ％含むことが好ましい。
【００２３】
また、前記正極は、リチウムコバルト酸化物、リチウムニッケル酸化物及びリチウムマンガン酸化物、並びにこれらの酸化物を含有する複合酸化物からなる群から選ばれる少なくとも１種のリチウム遷移金属複合酸化物を含むことが好ましい。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００２５】
まず、本発明の二次電池用非水系電解液について説明する。
【００２６】
本発明の非水系電解液は、下記一般式（Ｉ）で表される化合物を含有するものである。
Ｒｎ−Ｍ＝Ｏ ……（Ｉ）
【００２７】
上記一般式（Ｉ）中、Ｒは、置換基を有していても良いアルキル基を表し、ｎ個のＲは互いに同一であっても異っていても良く、独立した置換基であっても、互いに結合して環を巻いていても良い。
【００２８】
ＭはＳ又はＰを表し、ＭがＳの場合はｎは２、つまりＲが一般式中に２つ存在するスルホキシド化合物を表す。よって、Ｒが互いに独立している場合は、同一でも異っていても良い、置換基を有していても良いアルキル基が２つ存在し、Ｒが互いに結合して環を巻いている場合は、その２つのＲが互いに結合してＭを含む環を形成することになる。
【００２９】
ＭがＰの場合はｎは３、つまりＲが一般式中に３つ存在するホスフィンオキシド化合物を表す。よって、Ｒが互いに独立している場合は、同一でも異っていても良い、置換基を有していても良いアルキル基が３つ存在し、Ｒが互いに結合して環を巻いている場合は、その内の２つのＲが互いに結合してＭを含む環を形成し、独立したＲが別途１つ存在することになる。
【００３０】
独立しているＲで表されるアルキル基としては、鎖状アルキル基、環状アルキル基が挙げられる。
【００３１】
鎖状アルキル基としては、通常、炭素数１以上、４以下の鎖状アルキル基、具体的にはメチル、エチル、ｎ−プロピル、ｉ−プロピル、ｎ−ブチル、ｉ−ブチル、ｔ−ブチルの鎖状アルキル基が挙げられる。環状アルキル基としては、炭素数３以上、８以下の環状アルキル基が挙げられ、具体的には、シクロプルピル、シクロヘキシル等が好ましく用いられる。これらの中で、更に好ましくは、炭素数１以上、４以下の鎖状アルキル基であるメチル、エチル、ｎ−プロピル、ｉ−プロピル、ｎ−ブチル、ｉ−ブチル、ｔ−ブチルである。アルキル基を構成する炭素数が多くなりすぎると、耐酸化性が低下し、電解液中への溶解度が下がる等の問題を生じる恐れがある。
【００３２】
独立しているＲで表されるアルキル基に置換していても良い置換基としては、アルキル基、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子等のハロゲン原子、アルコキシ基、炭酸エステル基、カルボン酸エステル基、アミノ基等が挙げられる。
【００３３】
独立しているＲで表されるアルキル基の分子量は、置換基を含めて、それぞれ通常２００以下である。この分子量が大きすぎると、一般式（Ｉ）で表される化合物の後述の非水溶媒への溶解性が低下しやすく、粘度が上昇しやすくなるおそれがある。
【００３４】
独立しているＲで表されるアルキル基は、耐酸化還元性、溶解性及び保存安定性の点から、好ましくは、置換基を有さないアルキル基、又は炭素原子に結合する水素原子の少なくとも一部（好ましくは、置換基中に１個以上、３個以下程度）がフッ素に置換されたフルオロアルキル基が用いられる。
【００３５】
独立しているＲで表されるアルキル基の具体例としては、メチル、フルオロメチル、ジフルオロメチル、トリフルオロメチル、エチル、α−フルオロエチル、β−フルオロエチル、β，β，β−トリフルオロエチル、ｎ−プロピル、α−フルオロ−ｎ−プロピル、β−フルオロ−ｎ−プロピル、γ−フルオロ−ｎ−プロピル、γ，γ，γ−トリフルオロ−ｎ−プロピル、ｉ−プロピル、α−フルオロ−ｉ−プロピル、ビス（トリフルオロメチル）メチル、ｎ−ブチル、δ，δ，δ−トリフルオロ−ｎ−ブチル、ｔ−ブチル、フルオロ−ｔ−ブチル、トリス（トリフルオロメチル）メチル等が挙げられる。
【００３６】
独立しているＲで表されるアルキル基として更に好ましくは、溶解性及び安定性の観点からは、メチル基、エチル基、１以上のフッ素原子で置換されたメチル基、１以上のフッ素原子で置換されたエチル基、ｎ−プロピル基、ｎ−ブチル基が用いられ、更に製造上の観点からは、メチル基、エチル基、フルオロメチル基、β−フルオロエチル基、β，β，β−トリフルオロエチル基、ｎ−プロピル基、ｉ−プロピル基、ｎ−ブチル基、ｉ−ブチル基、ｔ−ブチル基が挙げられ、最も好ましくは、メチル基、エチル基、ｎ−プロピル基、ｎ−ブチル基が挙げられる。
【００３７】
よって、独立しているＲのみで構成される一般式（Ｉ）で表される化合物は具体的には、これらＲの具体例の組み合わせによって得られる化合物すべてとなるが、それらの中でも好ましくは、ＭがＳの場合は、ジメチルスルホキシド、フルオロメチルメチルスルホキシド、ビス（フルオロメチル）スルホキシド、メチルトリフルオロメチルスルホキシド、ビス（トリフルオロメチル）スルホキシド、ジエチルスルホキシド、ビス（β−フルオロエチル）スルホキシド、ビス（β，β，β−トリフルオロエチル）スルホキシド、ジ−ｎ−プロピルスルホキシド、ジ−ｉ−プロピルスルホキシド、ジ−ｎ−ブチルスルホキシド、ジ−ｉ−ブチルスルホキシド、ジ−ｔ−ブチルスルホキシドが挙げられ、更に好ましくは、ジメチルスルホキシド、ジエチルスルホキシド、ジ−ｎ−プロピルスルホキシド、ジ−ｎ−ブチルスルホキシドが挙げられる。
【００３８】
また、ＭがＰの場合は、好ましくはトリメチルホスフィンオキシド、フルオロメチルジメチルホスフィンオキシド、トリス（トリフルオロメチル）ホスフィンオキシド、メチルトリフルオロメチルホスフィンオキシド、トリス（トリフルオロメチル）ホスフィンオキシド、トリエチルホスフィンオキシド、トリス（β−フルオロエチル）ホスフィンオキシド、トリス（β，β，β−トリフルオロエチル）ホスフィンオキシド、トリ−ｎ−プロピルホスフィンオキシド、トリ−ｉ−プロピロホスフィンオキシド、トリ−ｎ−ブチルホスフィンオキシド、トリ−ｉ−ブチルホスフィンオキシド、トリ−ｔ−ブチルホスフィンオキシドが挙げられ、更に好ましくは、トリメチルホスフィンオキシド、トリエチルホスフィンオキシド、トリ−ｎ−プロピルホスフィンオキシド、トリ−ｎ−ブチルホスフィンオキシドが挙げられる。
【００３９】
２つのＲが互いに結合して環を巻くアルキレン基としては、炭素数４以上、８以下の、Ｍを含む環を形成するアルキレン基が挙げられ、具体的には、ＭがＳの場合は、一般式（Ｉ）の化合物がテトラメチレンスルホキシド骨格、ペンタメチレンスルホキシド骨格、ヘキサメチレンメチレンスルホキシド骨格、ヘプタメチレンスルホキシド骨格、オクタメチレンスルホキシド骨格等を有するものが好ましく用いられる。これらの中で、更に好ましくは、テトラメチレンスルホキシド骨格、ペンタメチレンスルホキシド骨格を持つものである。
【００４０】
また、ＭがＰの場合は、一般式（Ｉ）で表される化合物が１−アルキルホスフォラン−１−オキシド骨格、１−アルキルホスフォリナン−１−オキシド骨格、１−アルキルホスフェパン−１−オキシド骨格、１−アルキルホスフォカン−１−オキシド骨格等を有するものが好ましく用いられる。これらの中で、更に好ましくは、１−アルキルホスフォラン−１−オキシド骨格、１−アルキルホスフォリナン−１−オキシド骨格を持つものである。
【００４１】
２つのＲが互いに結合して環を巻くアルキレン基に置換していても良い置換基としては、アルキル基、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子等のハロゲン原子、アルコキシ基、炭酸エステル基、カルボン酸エステル基、アミノ基等が挙げられる。
【００４２】
独立しているＲで表されるアルキル基と同様に、２つのＲが互いに結合して環を巻くアルキレン基を構成する炭素数が多くなりすぎると、耐酸化性が低下し、電解液中への溶解度が下がる等の問題を生じる恐れがある。
【００４３】
２つのＲが互いに結合して環を巻くアルキレン基の置換基を含めた分子量は、通常２００以下、好ましくは１００以下である。この分子量が大きすぎると、一般式（Ｉ）で表される化合物の溶解性が低下しやすく、粘度が上昇しやすすくなるおそれがある。
【００４４】
２つのＲが互いに結合して環を巻くアルキレン基は、耐酸化還元性、溶解性及び保存安定性の点から、好ましくは、置換基を有さないアルキレン基、又は炭素原子に結合する水素原子の少なくとも一部がフッ素に置換されたフルオロアルキレン基が用いられる。
【００４５】
２つのＲが互いに結合して環を巻くアルキレン基を持つ化合物の具体例としては、ＭがＳの場合は、好ましくは、テトラメチレンスルホキシド、２−フルオロテトラメチレンスルホキシド、３−フルオロテトラメチレンスルホキシド、オクタフルオロテトラメチレンスルホキシド、ペンタメチレンスルホキシド、２−フルオロペンタメチレンスルホキシド、３−フルオロペンタメチレンスルホキシド、４−フルオロペンタメチレンスルホキシド、デカフルオロペンタメチレンスルホキシド、ヘキサメチレンスルホキシド、２−フルオロヘキサメチレンスルホキシド、３−フルオロヘキサメチレンスルホキシド、４−フルオロヘキサメチレンスルホキシド、ドデカフルオロヘキサメチレンスルホキシド、ヘプタメチレンスルホキシド、２−フルオロヘプタメチレンスルホキシド、３−フルオロヘプタメチレンスルホキシド、４−フルオロヘプタメチレンスルホキシド、５−フルオロヘプタメチレンスルホキシド、テトラデカフルオロヘプタメチレンスルホキシド、オクタメチレンスルホキシド、２−フルオロオクタメチレンスルホキシド、３−フルオロオクタメチレンスルホキシド、４−フルオロオクタメチレンスルホキシド、５−フルオロオクタメチレンスルホキシド、ヘキサデカフルオロオクタメチレンスルホキシド等であり、更に好ましくは、テトラメチレンスルホキシド、ペンタメチレンスルホキシドである。
【００４６】
また、ＭがＰの場合は、好ましくは、１−アルキルホスフォラン−１−オキシド、１−アルキル−２−フルオロホスフォラン−１−オキシド、１−アルキル−３−フルオロホスフォラン−１−オキシド、１−アルキルオクタフルオロホスフォラン−１−オキシド、１−アルキルホスフォリナン−１−オキシド、１−アルキル−２−フルオロホスフォリナン−１−オキシド、１−アルキル−３−フルオロホスフォリナン−１−オキシド、１−アルキル−４−フルオロホスフォリナン−１−オキシド、１−アルキルデカフルオロホスフォリナン−１−オキシド、１−アルキルホスフェパン−１−オキシド、１−アルキル−２−フルオロホスフェパン−１−オキシド、１−アルキル−３−フルオロホスフェパン−１−オキシド、１−アルキル−４−フルオロホスフェパン−１−オキシド、１−アルキルドデカフルオロホスフェパン−１−オキシド、１−アルキルホスフォカン−１−オキシド、１−アルキル−２−フルオロホスフォカン−１−オキシド、１−アルキル−３−フルオロホスフォカン−１−オキシド、１−アルキル−４−フルオロホスフォカン−１−オキシド、１−アルキル−５−フルオロホスフォカン−１−オキシド、１−アルキルテトラデカフルオロホスフォカン−１−オキシドであり、更に好ましくは、独立したアルキル基が、メチル基、フルオロメチル基、β−フルオロエチル基、β，β，β−トリフルオロエチル基、ｎ−プロピル基、ｎ−ブチル基のものであり、これらの組み合わせの中で好ましくは、１−メチルホスフォラン−１−オキシド、１−エチルホスフォラン−１−オキシド、１−ｎ−プロピルホスフォラン−１−オキシド、１−ｎ−ブチルホスフォラン−１−オキシド、１−メチルホスフォリナン−１−オキシド、１−エチルホスフォリナン−１−オキシド、１−ｎ−プロピルホスフォリナン−１−オキシド、１−ｎ−ブチルホスフォリナン−１−オキシドが挙げられる。
【００４７】
前述の如く、これらの一般式（Ｉ）で表される化合物は、初期の充電時から負極活物質薄膜の柱状部分の表面（側面を含む）にリチウムイオン透過性が高く、安定性の良い良好な保護皮膜を効率良く生成させることにより、過度の電解液の分解を抑制し、これにより、活物質薄膜の柱状構造を安定化し、柱状部分の劣化や崩壊を抑制することにより、充放電サイクル特性を向上させるものと推定される。
【００４８】
一般式（Ｉ）で表される化合物の電解液中の存在量が少なすぎると、このような保護皮膜の形成が不完全となり、初期の効果が十分に発現しないおそれがある。また、一般式（Ｉ）で表される化合物の電解液量が多すぎると、初期の充電時に皮膜形成に使用されない一般式（Ｉ）で表される化合物が電池特性に悪影響を及ぼすおそれがある。このため、一般式（Ｉ）で表される化合物は、これらの効果が最大限発現される初期充電時に大部分が皮膜生成に消費されてしまう程度の含有量において用いることが好ましい。
【００４９】
具体的に、一般式（Ｉ）で表される化合物は、電解液に対して、通常０．０１重量％以上、好ましくは０．１重量％以上、より好ましくは０．５重量％以上、通常１０重量％以下、好ましくは５重量％以下、より好ましくは３重量％以下含有されることが好ましい。
【００５０】
本発明の電解液に使用される非水溶媒としては、環状カーボネート類、鎖状カーボネート類、ラクトン化合物（環状カルボン酸エステル）類、鎖状カルボン酸エステル類、環状エーテル類、鎖状エーテル類、含硫黄有機溶媒等が挙げられる。これらの溶媒は単独で用いても、２種類以上混合して用いても良い。
【００５１】
これらの中で好ましくは、総炭素数がそれぞれ３〜９の環状カーボネート、ラクトン化合物、鎖状カーボネート、鎖状カルボン酸エステル、鎖状エーテル類であり、特に総炭素数がそれぞれ３〜９の環状カーボネート及び鎖状カーボネートの一方又は双方を含むことが望ましい。
【００５２】
総炭素数がそれぞれ３〜９である環状カーボネート、ラクトン化合物、鎖状カーボネート、鎖状カルボン酸エステル、鎖状エーテルの具体例としては、以下のようなものが挙げられる。
【００５３】
１）総炭素数が３〜９の環状カーボネート：エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ビニレンカーボネート、ビニルエチレンカーボネート等が挙げられる。この中で、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネートがより好ましい。
【００５４】
２）総炭素数が３〜９のラクトン化合物：γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン、δ−バレロラクトン等を挙げることができ、これらの中で、γ−ブチロラクトンがより好ましい。
【００５５】
３）総炭素数が３〜９の鎖状カーボネート：ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、ジ−ｎ−プロピルカーボネート、ジイソプロピルカーボネート、ｎ−プロピルイソプロピルカーボネート、ジ−ｎ−ブチルカーボネート、ジ−ｉ−プロピルカーボネート、ジ−ｔ−ブチルカーボネート、ｎ−ブチル−ｉ−ブチルカーボネート、ｎ−ブチル−ｔ−ブチルカーボネート、ｉ−ブチル−ｔ−ブチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、メチル−ｎ−プロピルカーボネート、ｎ−ブチルメチルカーボネート、ｉ−ブチルメチルカーボネート、ｔ−ブチルメチルカーボネート、エチル−ｎ−プロピルカーボネート、ｎ−ブチルエチルカーボネート、ｉ−ブチルエチルカーボネート、ｔ−ブチルエチルカーボネート、ｎ−ブチル−ｎ−プロピルカーボネート、ｉ−ブチル−ｎ−プロピルカーボネート、ｔ−ブチル−ｎ−プロピルカーボネート、ｎ−ブチル−ｉ−プロピルカーボネート、ｉ−ブチル−ｉ−プロピルカーボネート、ｔ−ブチル−ｉ−プロピルカーボネート等を挙げることができる。これらの中で、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネートがより好ましい。
【００５６】
４）総炭素数３〜９の鎖状カルボン酸エステル：酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸−ｎ−プロピル、酢酸−ｉ−プロピル、酢酸−ｎ−ブチル、酢酸−ｉ−ブチル、酢酸−ｔ−ブチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、プロピオン酸−ｎ−プロピル、プロピオン酸−ｉ−プロピル、プロピオン酸−ｎ−ブチル、プロピオン酸−ｉ−ブチル、プロピオン酸−ｔ−ブチルを挙げることができる。これらの中で、酢酸エチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチルがより好ましい。
【００５７】
５）総炭素数３〜９、好ましくは３〜６の鎖状エーテル：ジメトキシメタン、ジメトキシエタン、ジエトキシメタン、ジエトキシエタン、エトキシメトキシメタン、エトキシメトキシエタン等を挙げることができる。これらの中で、ジメトキシエタン、ジエトキシエタンがより好ましい。
【００５８】
本発明においては、非水溶媒の７０容量％以上が総炭素数３〜９の、ラクトン化合物、環状カーボネート、鎖状カーボネート、鎖状エーテル及び鎖状カルボン酸エステルから選ばれる１種以上の溶媒であることが好ましく、かつ非水溶媒の２０容量％以上が総炭素数３〜９のラクトン化合物及び／又は総炭素数３〜９の環状カーボネートであることが望ましい。
【００５９】
本発明の電解液の溶質としてのリチウム塩については、溶質として使用し得るものであれば良く、特に限定はされない。その具体例としては例えば以下のようなものが挙げられる。
【００６０】
１）無機リチウム塩：ＬｉＰＦ６、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＡｌＦ４等の無機フッ化物塩、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＢｒＯ４、ＬｉＩＯ４等の過ハロゲン酸塩。
【００６１】
２）有機リチウム塩：ＬｉＣＦ3 ＳＯ3 等の有機スルホン酸塩、ＬｉＮ（ＣＦ3 ＳＯ2）2、ＬｉＮ（Ｃ2Ｆ5ＳＯ2）2、ＬｉＮ（ＣＦ3ＳＯ2）（Ｃ4Ｆ9ＳＯ2）等のパーフルオロアルキルスルホン酸イミド塩、ＬｉＣ（ＣＦ3ＳＯ2）3等のパーフルオロアルキルスルホン酸メチド塩、ＬｉＰＦ3（ＣＦ3）3、ＬｉＰＦ2（Ｃ2Ｆ5）4、ＬｉＰＦ3（Ｃ2Ｆ5）3、ＬｉＢ（ＣＦ3）4、ＬｉＢＦ（ＣＦ3）3、ＬｉＢＦ2（ＣＦ3）2、ＬｉＢＦ3（ＣＦ3）、ＬｉＢ（Ｃ2Ｆ5）4、ＬｉＢＦ（Ｃ2Ｆ5）3、ＬｉＢＦ2（Ｃ2Ｆ5）2、ＬｉＢＦ3（Ｃ2Ｆ5）、等の、フッ素原子の一部をパーフルオロアルキル基で置換した無機フッ化物塩等の、含フッ素有機リチウム塩。これらのうち、ＬｉＰＦ6、ＬｉＢＦ4、ＬｉＮ（ＣＦ3ＳＯ2）2、ＬｉＮ（Ｃ2Ｆ5ＳＯ2）2、ＬｉＮ（ＣＦ3ＳＯ2）（Ｃ4Ｆ9ＳＯ2）、ＬｉＰＦ3（ＣＦ3）3、ＬｉＰＦ3 （Ｃ2Ｆ5）3、ＬｉＢＦ2（Ｃ2Ｆ5）2がより好ましい。
【００６２】
これらのリチウム塩は１種を単独で用いても良く、２種以上を混合して用いても良い。
【００６３】
特に、リチウム塩としては、ＬｉＢＦ４及び／又はＬｉＰＦ６を、電解液中の総リチウム塩中、通常５ｍｏｌ％以上、好ましくは３０ｍｏｌ％以上、通常１００ｍｏｌ％以下の割合で含有することが望ましい。即ち、リチウム塩としてＬｉＢＦ４及び／又はＬｉＰＦ６を用いると電気化学的安定性が高く、広い温度範囲で高い電気伝導率を示す優れた電解液となる。ＬｉＢＦ４及び／又はＬｉＰＦ６の割合が低すぎるとこれら性能が不足する恐れがある。
【００６４】
電解液中の溶質リチウム塩の含有濃度は、０．５ｍｏｌ／リットル以上、３ｍｏｌ／リットル以下であることが望ましい。電解液中のリチウム塩の含有濃度が低すぎると、絶対的な濃度不足により電解液の電気伝導率が不十分となり、濃度が高すぎると、粘度上昇のために電気伝導率が低下し、また低温での析出が起こりやすくなるため、電池の性能が低下する傾向がある。
【００６５】
なお、本発明の非水系電解液は、非水溶媒と前記一般式（Ｉ）で表される化合物及びリチウム塩の他に、更に、公知の過充電防止剤、脱水剤、脱酸剤等を含有していても良い。
【００６６】
次に、本発明の電解液が適用される本発明の非水系電解液二次電池について説明する。
【００６７】
まず、本発明の非水系電解液二次電池を構成する負極について、図１を参照して説明する。図１は本発明に係る負極の表面を模式的に示した図である。
【００６８】
図示の如く、本発明の電池を構成する負極は、リチウムを吸蔵及び放出する活物質薄膜をＣＶＤ法、スパッタリング法、蒸着法、溶射法、又はめっき法により集電体１上に堆積して形成した電極であり、かつ該活物質薄膜がその厚み方向に形成された切れ目（空隙）２によって柱状に分離されており、この柱状部分３の底部が集電体１と密着している電極である。この切れ目２は、一般的に活物質薄膜の厚み方向に延びる低密度領域に沿って、初回以降の充放電により形成される。
【００６９】
活物質薄膜を形成する活物質材料としては、高い体積理論容量を与えるものが好ましく、シリコン、ゲルマニウム、錫、鉛、亜鉛、マグネシウム、ナトリウム、アルミニウム、カリウム、インジウムなどを挙げられるが、これらの中でも、シリコン、ゲルマニウム、錫、アルミニウムが好ましく、更には、シリコン又は錫が好ましい。
【００７０】
本発明に係る負極は、図１に示す如く、リチウムを吸蔵及び放出する活物質薄膜を集電体１上に形成したものであり、かつ活物質薄膜がその厚み方向に形成された切れ目２によって柱状に分離されており、この柱状部分の底部が集電体１と密着している電極である。このような、活物質薄膜の柱状構造３が安定であり、集電体１との密着性が良いためには、活物質薄膜に集電体１の成分が拡散しており、かつこの状態が安定であることが好ましい。
【００７１】
従って、シリコンを用いた活物質薄膜の場合は、その物性から、活物質薄膜中に拡散した集電体の成分が、活物質薄膜中において、活物質薄膜の成分と金属間化合物を形成せずに固溶体を形成していることが好ましく、よって活物質薄膜は非晶質シリコン薄膜又は微結晶シリコン薄膜であることが好ましい。
【００７２】
また、錫を用いた場合は、集電体と活物質単体の薄膜の間に、これらとは別に集電体成分と活物質成分の混合相が形成されていることが好ましい。この混合相は、活物質成分と集電体成分との金属間化合物から形成されていても良いし、固溶体から形成されていても良い。なお、これら混合層は熱処理することにより形成することができるが、その条件は、活物質成分、活物質薄膜の厚み、集電体の種類によって異なり、例えば、厚み１μｍの錫単体膜が集電体の銅の上に形成されている場合には、好ましくは１００℃以上、また、好ましくは２４０℃以下の範囲で真空熱処理することが好ましい。
【００７３】
なお、活物質薄膜の厚みは特に限定されるものではないが、高い充放電容量を得るためには、１μｍ以上であることが好ましい。また、厚みの上限は２０μｍであることが好ましい。
【００７４】
本発明において、負極に用いる集電体は、その上に活物質薄膜を良好な密着性で形成することができ、リチウムと合金化しない材料であれば特に限定されるものではない。集電体の材質の具体例としては、銅、ニッケル、ステンレス、モリブデン、タングステン、及びタンタルから選ばれる少なくとも１種が挙げられ、入手の容易さから好ましくは銅又はニッケル、特に好ましくは銅である。
【００７５】
負極集電体の厚みは厚すぎると、電池構造体内の空間に占める割合が増え好ましくなく、３０μｍ以下が好ましく、更には２０μｍ以下が好ましい。また、薄すぎると強度が不足するため、１μｍ以上が好ましく、更には５μｍ以上が好ましい。
【００７６】
活物質薄膜の表面に、集電体表面１ａの凹凸に対応した凹凸を形成するため、集電体１は、その表面を粗面化した銅薄等の箔であることが好ましい。このような箔としては電解箔が挙げられる。電解箔は、例えば、イオンが溶解された電解液中に金属製のドラムを浸漬し、これを回転させながら電流を流すことにより、ドラムの表面に金属を析出させ、これを剥離して得られる箔である。この電解箔の片面又は両面には、粗面化処理や表面処理がなされていても良い。これらの代わりに圧延箔の片面又は両面に、電解法により金属を析出させ、表面を粗面化しても良い。集電体の表面粗さＲａは０．０１μｍ以上であることが好ましく、更には０．１μｍ以上であることが好ましい。また、表面粗さＲａの上限は１μｍ以下であることが好ましく、更には０．５μｍ以下であることが好ましい。表面粗さＲａは、日本工業規格（ＪＩＳ Ｂ ０６０１−１９９４）に定められており、例えば表面粗さ計により測定することができる。
【００７７】
このような集電体上に、本発明に係る活物質薄膜を作製するに際し、予めリチウムが吸蔵された材料を用いても良く、活物質薄膜を形成する際にリチウムを添加しても良い。また、活物質薄膜を形成した後に、リチウムを吸蔵又は添加しても良い。
【００７８】
本発明の電池を構成する正極の材料としては、リチウムコバルト酸化物、リチウムニッケル酸化物、リチウムマンガン酸化物、これらの酸化物を含有する複合酸化物等のリチウム遷移金属複合酸化物材料等のリチウムを吸蔵及び放出可能な材料を使用することができる。これらの正極材料は１種を単独で用いても良く、２種類以上を混合して用いても良い。
【００７９】
正極の製造方法については、特に限定されず、例えば、上記正極材料に、必要に応じて結着剤、増粘剤、導電材、溶媒等を加えてスラリー状とし、正極用集電体の基板に塗布し、乾燥することにより正極を製造することができる。また、該正極材料をそのままロール成形してシート電極としたり、圧縮成形によりペレット電極としたり、ＣＶＤ法、スパッタリング法、蒸着法、溶射法等の手法で集電体上に薄膜状に形成することもできる。
【００８０】
正極の製造に結着剤を用いる場合、粘着剤としては、電極製造時に使用する溶媒や電解液、電池使用時に用いる他の材料に対して安定な材料であれば良く、特に限定されない。その具体例としては、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、スチレン・ブタジエンゴム、イソプレンゴム、ブタジエンゴム等を挙げることができる。
【００８１】
正極の製造に増粘剤を用いる場合、増粘剤としては、電極製造時に使用する溶媒や電解液、電池使用時に用いる他の材料に対して安定な材料であれば良く、特に限定されない。その具体例としては、カルボキシメチルセルロース、メチルセルロース、ヒドロキシメチルセルロース、エチルセルロース、ポリビニルアルコール、酸化スターチ、リン酸化スターチ、ガゼイン等が挙げられる。
【００８２】
正極の製造に導電材を用いる場合、導電材としては、電極製造時に使用する溶媒や電解液、電池使用時に用いる他の材料に対して安定な材料であれば良く、特に限定されない。その具体例としては、銅やニッケル等の金属材料、グラファイト、カーボンブラック等のような炭素材料が挙げられる。
【００８３】
正極用集電体の材質としては、アルミニウム、チタン、タンタル等の金属が使用され、これらの中で薄膜に加工しやすいという点とコストの点からアルミニウム箔が好ましい。正極用集電体の厚みは、特に限定されるものではないが、負極用集電体と同様な理由から５０μｍ以下が好ましく、さらに好ましくは３０μｍ以下である。また、１μｍ以上が好ましく、さらには５μｍ以上であることが好ましい。
【００８４】
本発明の電池に使用するセパレータの材質や形状については特に限定されないが、電解液に対して安定で、保液性の優れた材料の中から選ぶのが好ましく、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィンを原料とする多孔性シート又は不織布等を用いるのが好ましい。
【００８５】
負極、正極及び非水系電解液を少なくとも有する本発明の電池を製造する方法については、特に限定されず、通常採用されている方法の中から適宜選択することができる。
【００８６】
また、電池の形状についても特に限定されず、シート電極及びセパレータをスパイラル状にしたシリンダータイプ、ペレット電極及びセパレータを組み合わせたインサイドアウト構造のシリンダータイプ、ペレット電極及びセパレータを積層したコインタイプ等が使用可能である。
【００８７】
本発明においては、前記一般式（Ｉ）で表される化合物を含有する電解液を用いることにより、初期の充電時から負極活物質薄膜の柱状部分３の表面（側面を含む）に、リチウムイオン透過性が高く、安定性の良い良好な保護皮膜４が効率良く形成され、この保護皮膜４により、負極活物質による電解液の分解が抑制される。これにより、集電体１上の活物質薄膜の柱状構造３が安定化され、柱状部分の劣化や崩壊が抑制されることにより、充放電効率、充放電サイクル特性に優れた非水系電解液二次電池が提供される。
【００８８】
【実施例】
以下に、実施例及び比較例を挙げて本発明を更に具体的に説明するが、本発明は、その要旨を超えない限りこれらの実施例に限定されるものではない。
【００８９】
なお、以下の実施例及び比較例において、非水系電解液二次電池の作製及び評価方法は次の通りである。
【００９０】
［シリコン薄膜負極の作製］
電解銅箔（厚み１８μｍ、表面粗さＲａ＝０．１８８μｍ）上にスパッタガス（Ａｒ）流量：１００ｓｃｃｍ、基板温度：室温（加熱なし）、反応圧力：０．１３３Ｐａ（１．０×１０−３Ｔｏｒｒ）、高周波電力：２００Ｗの条件にてＲＦスパッタリングを行うことにより、厚み約５μｍのシリコン薄膜を形成した。得られたシリコン薄膜は、ラマン分光分析によると、波長４８０ｃｍ−１近傍のピークは検出されたが、５２０ｃｍ−１近傍のピークは検出されず、非晶質シリコン薄膜であることがわかった。この非晶質シリコン薄膜を形成した電解銅箔を、１００℃で２時間真空乾燥後、直径１０．０ｍｍの円盤状に打ち抜いて負極とした。
【００９１】
［錫薄膜負極の作製］
電解銅箔（厚み１８μｍ、表面粗さＲａ＝０．２９μｍ）上に、硫酸錫４０ｇ・ｄｍ−３、９８％硫酸１５０ｇ・ｄｍ−３、ホルマリン５ｃｍ３・ｄｍ−３、上村工業（株）製錫メッキ用添加剤４０ｃｍ３・ｄｍ−３の濃度の電解浴を用いて、陽極として錫を用いた電解メッキを行い、厚み１μｍの錫薄膜を形成した。この電極を、１４０℃にて６時間加熱処理した後、１００℃で２時間真空乾燥後、直径１０．０ｍｍの円盤状に打ち抜いて負極とした。
【００９２】
［正極の作製］
正極活物質としてＬｉＣｏＯ２（日本化学工業社製Ｃ５）８５重量％にカーボンブラック（電気化学工業社製商品名デンカブラック）６重量％、ポリフッ化ビニリデンＫＦ−１０００（呉羽化学社製商品名ＫＦ−１０００）９重量％を加え混合し、Ｎ−メチル−２−ピロリドンで分散して、スラリー状としたものを、正極集電体である厚さ２０μｍのアルミニウム箔上に、用いる負極の理論容量の９割となるように均一に塗布し、１００℃で１２時間乾燥後、直径１０．０ｍｍの円盤状に打ち抜いて正極とした。
【００９３】
［コイン型セルの作製］
上記の正極及び負極と、各実施例及び比較例で調製した電解液を用いて、正極導電体を兼ねるステンレス鋼製の缶体に正極を収容し、その上に電解液を含浸させたポリエチレン製のセパレータを介して負極を載置した。この缶体と負極導電体を兼ねる封口板とを、絶縁用のガスケットを介してかしめて密封し、コイン型セルを作製した。
【００９４】
図２は作成したコイン型セルの構造を示す断面図であり、１１は負極缶、１２は皿バネ、１３はスペーサ、１４は負極、１５はセパレータ、１６は正極、１７はスペーサ、１８は正極缶、１９はガスケットを示す。
【００９５】
［シリコン薄膜負極を用いたコイン型セルの評価］
２５℃において、充電終止電圧４．２Ｖ−３ｍＡ、充電終了電流０．１５ｍＡの定電流定電圧充電と、放電終止電圧３．０Ｖ−３ｍＡの定電流放電とを１サイクルとして、３０サイクル充放電を実施した。この時の、３０サイクル目の容量を３サイクル目の容量で割った値を容量維持率と定義した。
【００９６】
［錫薄膜負極を用いたコイン型セルの評価］
２５℃において、充電終止電圧４．２Ｖ−０．６ｍＡ、充電終了電流０．０３ｍＡの電流定電圧充電と、放電終止電圧３．０Ｖ−０．６ｍＡの定電流放電とを１サイクルとして、３０サイクル充放電を実施した。この時の、３０サイクル目の容量を３サイクル目の容量で割った値を容量維持率と定義した。
【００９７】
実施例１〜１０、比較例１，２
エチレンカーボネートとジエチルカーボネートとを体積比で１：１に混合した溶媒に、溶質として、アルゴン雰囲気中にて十分に乾燥を行った六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ６）を１ｍｏｌ／リットルになるように溶解し、更に表１に示す化合物を表１に示す濃度となるように加え（ただし、比較例１，２では添加せず）て電解液を調製した。この電解液と表１に示す負極と正極を用いてコイン型セルを作製してその評価を行い、結果を表１に示した。
【００９８】
【表１】
表１より、本発明に係る前記一般式（Ｉ）で表される化合物を電解液中に含有させることにより、電池の充放電効率及び充放電サイクル特性が改善されることが分かる。
【０１００】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明によれば、非水系電解液二次電池の電解液の分解が有効に抑制され、充放電効率が高く、優れた充放電サイクル特性を示す高エネルギー密度の非水系電解液二次電池が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る負極表面を模式的に示した図である。
【図２】本発明の実施例において作成したコイン型セルの構造を示す断面図である。
【符号の説明】
１ 集電体
１ａ 集電体表面
２ 切れ目（空隙）
３ 活物質薄膜の柱状構造
４ 保護皮膜
１１ 負極缶
１２ 皿バネ
１３ スペーサ
１４ 負極
１５ セパレータ
１６ 正極
１７ スペーサ
１８ 正極缶
１９ ガスケット
Claims (17)
- リチウムを吸蔵及び放出する活物質薄膜をＣＶＤ法、スパッタリング法、蒸着法、溶射法、又はめっき法により集電体上に堆積して形成してなり、該活物質薄膜がその厚み方向に形成された切れ目によって柱状に分離されており、該柱状部分の底部が前記集電体と密着している電極である負極と、
リチウムを吸蔵及び放出することが可能な正極と、
非水溶媒にリチウム塩を溶解してなる電解液とを備える非水系電解液二次電池に用いられる非水系電解液において、
下記一般式（Ｉ）で表される化合物を含有する二次電池用非水系電解液であって、
該活物質薄膜が、非晶質シリコン薄膜又は微結晶シリコン薄膜、或いは、錫及び錫と前記集電体金属との合金から形成されるものであり、
下記一般式（Ｉ）で表される化合物が、１−メチルホスフォラン−１−オキシド、１−エチルホスフォラン−１−オキシド、１−ｎ−プロピルホスフォラン−１−オキシド、１−ｎ−ブチルホスフォラン−１−オキシド、１−メチルホスフォリナン−１−オキシド、１−エチルホスフォリナン−１−オキシド、１−ｎ−プロピルホスフォリナン−１−オキシド、及び１−ｎ−ブチルホスフォリナン−１−オキシドより選ばれる二次電池用非水系電解液。
Ｒｎ−Ｍ＝Ｏ ……（Ｉ）
（式中、Ｒは、置換基を有していても良いアルキル基を表し、ｎ個のＲは互いに同一であっても異っていても良く、独立した置換基であっても、互いに結合して環を巻いていても良い。ＭはＰであり、ｎは３である。） - 前記電解液が、一般式（Ｉ）で表される化合物を０．１〜１０重量％含有する請求項１に記載の二次電池用非水系電解液。
- 前記活物質薄膜の切れ目が、初回以降の充放電により形成されている請求項１又は２に記載の二次電池用非水系電解液。
- 前記活物質薄膜の切れ目が、前記活物質薄膜の厚み方向に延びる低密度領域に沿って形成されている請求項１ないし３のいずれか１項に記載の二次電池用非水系電解液。
- 前記集電体が、銅、ニッケル、ステンレス、モリブデン、タングステン、及びタンタルよりなる群から選ばれる少なくとも１種により形成される請求項１ないし４のいずれか１項に記載の二次電池用非水系電解液。
- 前記集電体の表面粗さＲａが０．０１〜１μｍである請求項１ないし５のいずれか１項に記載の二次電池用非水系電解液。
- 前記集電体が銅箔である請求項１ないし６のいずれか１項に記載の二次電池用非水系電解液。
- 前記集電体が表面を粗面化した銅箔である請求項７に記載の二次電池用非水系電解液。
- 前記集電体が電解銅箔である請求項８に記載の二次電池用非水系電解液。
- 前記活物質薄膜に前記集電体の成分が拡散している請求項１ないし９のいずれか１項に記載の二次電池用非水系電解液。
- 前記活物質薄膜に拡散した前記集電体の成分が、該活物質薄膜中において、該活物質薄膜の成分と金属間化合物を形成せずに固溶体を形成している請求項１０に記載の二次電池用非水系電解液。
- 熱処理により、前記活物質成分単独の薄膜と前記集電体との間に、該活物質薄膜に拡散した該集電体の成分と該活物質成分との混合相が形成されている請求項１０に記載の二次電池用非水系電解液。
- 前記非水溶媒が、総炭素数３〜９の、ラクトン化合物、環状カーボネート、鎖状カーボネート、鎖状エーテル及び鎖状カルボン酸エステルからなる群から選ばれる１種以上の溶媒を７０容量％以上含有し、かつ、該ラクトン化合物及び／又は環状カーボネートを２０容量％以上含有する請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の二次電池用非水系電解液。
- 前記非水溶媒のラクトン化合物が、γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン及びδ−バレロラクトンからなる群から選ばれる１種以上であり、環状カーボネートが、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート及びブチレンカーボネートからなる群から選ばれる１種以上であり、かつ、鎖状カーボネートが、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート及びエチルメチルカーボネートからなる群から選ばれる１種以上である請求項１３に記載の二次電池用非水系電解液。
- 前記リチウム塩として、ＬｉＢＦ４及び／又はＬｉＰＦ６を電解液中の総リチウム塩に対して５〜１００ｍｏｌ％含む請求項１ないし１４のいずれか１項に記載の二次電池用非水系電解液。
- 前記正極が、リチウムコバルト酸化物、リチウムニッケル酸化物及びリチウムマンガン酸化物、並びにこれらの酸化物を含有する複合酸化物からなる群から選ばれる少なくとも１種のリチウム遷移金属複合酸化物を含む請求項１ないし１５のいずれか１項に記載の二次電池用非水系電解液。
- リチウムを吸蔵及び放出する活物質薄膜をＣＶＤ法、スパッタリング法、蒸着法、溶射法、又はめっき法により集電体上に堆積して形成してなり、該活物質薄膜がその厚み方向に形成された切れ目によって柱状に分離されており、該柱状部分の底部が前記集電体と密着している電極である負極と、
リチウムを吸蔵及び放出することが可能な正極と、
非水溶媒にリチウム塩を溶解してなる電解液とを備える非水系電解液二次電池において、
該活物質薄膜が、非晶質シリコン薄膜又は微結晶シリコン薄膜、或いは、錫及び錫と前記集電体金属との合金から形成されるものであり、
該電解液が請求項１ないし１６のいずれか１項に記載の非水系電解液であることを特徴とする非水系電解液二次電池。
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