JP4934704B2 - リチウムイオン二次電池及びリチウムイオン二次電池用過充電抑制剤 - Google Patents

リチウムイオン二次電池及びリチウムイオン二次電池用過充電抑制剤 Download PDF

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Description

本発明はリチウムイオン二次電池に関する。
リチウムイオン二次電池は高エネルギー密度を持つため種々の製品への適用が検討されている。一方、リチウムイオン二次電池が過充電されると電池の熱安定性が低下する。また、リチウム電池が過充電されると、負極上にリチウム金属が樹枝状に析出し(デンドライト)、電池が内部短絡する懸念がある。電池が内部短絡すると、電池のエネルギーが急激に放出されるため、場合によっては熱暴走する場合がある。
過充電に対する対策として、特開2003−22838号公報(特許文献1)ではシクロヘキシルベンゼンやビフェニル、特開平9−106835号公報(特許文献2)ではチオフェンを電解液に溶解させて過充電を抑制する技術が提案されている。これは、過充電時に、高電位になった正極上でシクロヘキシルベンゼンなどが電解重合することで充電電流を消費し、電池の充電反応を抑制するものである。しかし、シクロヘキシルベンゼンなどがすべて電解重合すると、電池の充電反応が再開する。そのため、過充電を根本的に抑制することは難しい。
Journal of the electrochemical society, 155(2) A129 (2008).(非特許文献1)では、レドックスシャトル型の過充電抑制剤が提案されている。レドックスシャトル型過充電抑制剤とは、過充電時に高電位になった正極で酸化され、酸化された抑制剤が負極に移動し、還元反応を受けもとの抑制剤に戻るものである。正極および負極活物質の反応よりも優先的に、この抑制剤の酸化還元反応を生じさせ、充電電流を消費し、結果過充電を抑制するものである。レドックスシャトル型過充電抑制剤の反応は可逆的であり、過充電を継続的に抑制することが期待できる。
特開2003−22838号公報 特開平9−106835号公報
Journal of the electrochemical society, 155(2) A129 (2008).
しかしながら、レドックスシャトル型の過充電抑制剤は、安全性の向上に寄与する一方、電池性能を低下させる。そこで本発明の課題は、過充電抑制機能と電池性能とを両立させた過充電抑制剤と、それを用いたリチウムイオン二次電池を提供することにある。
上記の課題を解決する本発明の特徴は、(化1)で示される化合物を過充電抑制剤に用いることにある。(化1)において、Aは、酸素,窒素,硫黄,セレン,ケイ素であり、R1およびR2は水素または有機基である。Xは、水素,炭化水素基、またはハロゲンである。
Figure 0004934704
また、さらに(化2)で示される化合物を過充電抑制剤とすることが好ましい。(化2)はAが酸素であり、ARが(化2)で表される位置に存在する化合物である。
Figure 0004934704
(化2)において、Yは炭化水素,水素,ハロゲンである。Rは水素又は有機基である。
また、本発明の他の特徴は、正極と、負極と、非水溶媒を用いた電解液とを有するリチウムイオン二次電池であって、電解液に過充電抑制剤として(化1)の化合物を加えたことを特徴とする。電解液へ添加される過充電抑制剤は、濃度を0.1〜8質量%とすることが好ましい。
本発明によれば、過充電抑制機能と電池性能とを両立させた過充電抑制剤と、安全性,電池性能の高いリチウムイオン二次電池を提供することができる。
本実施例の電解液のサイクリックボルタンメトリーの測定結果例を示す図。 (a)リチウムイオン二次電池を示す積層図,(b)リチウムイオン二次電池を示す平面図。
図2に、リチウムイオン二次電池の構造の一例を示す。正極及び負極がセパレータを介して配置され、これら全体をアルミラミネートで覆い形成される容器の内部に電解液が充填されている。
リチウムイオン二次電池は高エネルギー密度であるため、ノートパソコンや携帯電話などに広範に利用されている。また近年では、電気自動車の電源としてリチウムイオン二次電池の適用が検討されている。
リチウムイオン二次電池の過充電時の安全性を確保するために、過充電状態を検知し充電を停止する制御回路を搭載することができる。しかし制御回路を搭載すると、電池のコストが高くなる。また、制御回路が故障した場合の対策が必要である。このような問題の対策として、過充電抑制剤は有効である。
本発明者らは、鋭意検討の結果(化1)で示す化合物が優れた過充電抑制効果を示し、また電池性能に対し影響が少ないことを見出した。特に、(化2)で示す化合物が特に優れた特性を示す。従って、(化1)で示す化合物を過充電抑制に用いることで、電池性能を損なうことなく、優れた過充電抑制効果が期待できる。
(化1)のXおよび(化2)のYは、水素,炭化水素基、またはハロゲンである。X及びYを選択することで、過充電抑制剤の酸化電位を調節することが可能である。酸化電位を正極活物質に併せて変化させることができるため、多種の正極活物質と組み合わせて使用できる。
(化1)および(化2)のAは、酸素,窒素,硫黄,セレン,ケイ素,リンの少なくともいずれか一種である。酸素,窒素や硫黄などの孤立電子対を持つことで過充電抑制剤として機能する。Aの選択は、過充電抑制効果と電池性能を両立する上において重要である。Aは、好ましくは酸素,窒素,硫黄,ケイ素,リンであり、特に酸素は、電気化学的安定性が高く、電池性能を維持できるため最も好ましい。
1およびR2は水素または有機基である。有機基とは、炭素,水素,酸素,窒素,硫黄,リン,ハロゲンから構成される官能基である。有機基とすると、Li電池の電池性能を低下させにくい。有機基のなかで、炭化水素基,オキシメチレン基,アセチル基が好適に用いられる。炭化水素基としては、メチル基,エチル基,プロピル基,イソプロピル基,ブチル基,イソブチル基,ジメチルエチル基,ペンチル基,ヘキシル基,ヘプチル基,オクチル基,イソオクチル基,デシル基,ウンデシル基,ドデシル基などの脂肪族炭化水素基,シクロヘキル基,ジメチルシクロヘキシル基などの脂環式炭化水素基などが挙げられる。中でも、メチル基,エチル基,プロピル基が好適に用いられる。オキシメチレン基とは、オキシメチレン基,オキシエチレン基,オキシプロピレン基,オキシブチレン基,オキシテトラメチレン基などが挙げられる。オキシエチレン基またはオキシプロピレン基を用いると、電解液に対する溶解性を向上させることができ好ましい。
リチウムイオン二次電池の電解液は、非水溶媒に支持電解質を溶解させたものである。非水溶媒としては水でなく、支持電解質を溶解させることができるものであれば特に限定されない。例えば、ジエチルカーボネート,ジメチルカーボネート,エチレンカーボネート,エチルメチルカーボネート,プロピレンカーボネート,γ−ブチルラクトン,テトロヒドロフラン,ジメトキシエタン等の有機溶媒が挙げられる。複数の異なる非水溶媒を混合して使用することも可能である。
支持電解質は、非水溶媒に可溶なものならば特に種類は問わず、リチウムイオン二次電池の支持電解質として従来提案されているものが適宜使用できる。LiPF6,LiN(CF3SO22,LiN(C26SO22,LiClO4,LiBF4,LiAsF6,LiI,LiBr,LiSCN,Li210Cl10,LiCF3CO2などの電解質塩が例示され、これらを複数種類混合して用いることもできる。
リチウムイオン二次電池の正極活物質は、リチウムイオンを吸蔵・放出可能なものならば特に種類は問わず、リチウムイオン二次電池の正極活物質として従来提案されているものが適宜使用できる。例えば、LiCoO2,LiNiO2,LiMn1/3Ni1/3Co1/32,LiMn0.4Ni0.4Co0.22のような層状構造を有する酸化物や,LiMn24やLi1+xMn2-x4のようなスピネル型の結晶構造を有するMnの酸化物、また、Mnの一部をCoやCr等の他元素で置換したものを用いることができる。また、LiFePO4,LiCoPO4,LiMnPO4などのオリビン構造を有する正極活物質も用いることができる。
リチウムイオン二次電池の負極活物質としても、従来提案されているものが適宜使用できる。天然黒鉛,石油コークスや石炭ピッチコークス等から得られる易黒鉛化材料を2500℃以上の高温で熱処理したもの,メソフェーズカーボン或いは非晶質炭素,炭素繊維,リチウムと合金化する金属、あるいは炭素粒子表面に金属を担持した材料などが用いられる。例えばリチウム,銀,アルミニウム,スズ,ケイ素,インジウム,ガリウム,マグネシウムより選ばれた金属あるいは合金である。また、該金属または該金属の酸化物を負極活物質として利用できる。さらに、チタン酸リチウムを用いることもできる。
リチウムイオン二次電池のセパレータは、電池に悪影響を及ぼさない補強材なら材質は問わない。正負極間を隔てて短絡を防止するものを適宜使用できる。例えばポリオレフィン,ポリアミド,ポリエステルなどのポリマーからなるものや、繊維状のガラス繊維を用いたガラスクロスがある。特にポリオレフィンが好適に用いられる。ポリオレフィンとしては、ポリエチレン,ポリプロピレンなどが挙げられ、それらのフィルムを重ね合わせて使用することもできる。また、セパレータの通気度(sec/100mL)は、10以上1000以下であり、好ましくは50以上800以下であり、特に好ましくは90以上700以下である。
リチウムイオン二次電池の過充電抑制剤は、ある電圧で反応し、過充電を抑制するものである。その反応は、電池の作動電圧以上の電圧である。具体的には、Li/Li+基準で2V以上であり、好ましくは3V以上である。この値が小さすぎると電池内部で過充電抑制剤が反応し、電池性能を低下させる。また、過充電抑制剤の添加量も、過充電抑制効果と電池性能を両立する上で重要である。
過充電抑制剤は、過充電を抑制させる形態でリチウムイオン二次電池内に存在させる。特に、過充電抑制剤を電解液に溶解させて溶液状態としたり、懸濁状態として電解液に共存させて用いることが好ましい。
溶液とする場合、過充電抑制剤の濃度[(質量%=(過充電抑制剤の重量)/(電解液重量+過充電抑制剤の重量)×100)は、0.001%以上90%以下であり、好ましくは0.05%以上20%以下であり、特に好ましくは0.1%以上8%以下である。溶液とすると、過充電抑制剤の添加量が多いほど電池性能が低下する。また、添加量が少ないほど過充電の抑制効果が少ない。
以下、実施例を用いて本発明の実施の形態について説明する。なお、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
本実施例は、過充電抑制剤A(化2:R1,R2=Me,Y1〜Y12=H:アルドリッチ製(2,2′−Dimethoxy−1,1′−binaphthalene))を用いたリチウムイオン二次電池について説明する。電池は、正極活物質にはLiFePO4を用い、負極には板状のLi金属(本城金属社製)をそのまま用いた。電解液は、電解質塩にLiPF6を、溶媒にEC/DMC/EMC=1:1:1(体積比)を使用した、電解質塩の濃度は1mol/Lに設定した。セパレータはポリオレフィンを使用した。
<正極の作製方法>
正極活物質(LiFePO4)導電剤(SP270:日本黒鉛社製黒鉛)、バインダー(ポリフッ化ビニリデンKF1120:呉羽化学工業社)を85:10:10質量%の割合で混合し、N−メチル−2−ピロリドンに投入混合して、スラリー状の溶液を作製した。該スラリーを厚さ20μmのアルミニウム箔にドクターブレード法で塗布し、乾燥した。合剤塗布量は、100g/m2であった。その後、プレスし電極を裁断して正極を作製した。
<電解液の作製方法>
濃度が2質量%になるように過充電抑制剤Aを電解液に加えた。この電解液を使用しサイクリックボルタンメトリー(CV)を測定した。CV測定は、作用極として白金,対極および参照極としてリチウム金属を用い、過充電抑制剤を溶解させた電解液を加えて作製した評価セルを用いて実施した。過充電抑制剤の濃度は2質量%に設定した。CVの測定は、電位の掃引速度10mVで、3.0Vから5.0Vの範囲で行った。図1にサイクリックボルタンメトリーの測定例を示す。過充電抑制剤Aを添加した電解液の酸化電位は4.0Vであり、可逆な酸化還元波を観測した。
<電池の作製方法>
正極及び負極の間に、ポリオレフィン製のセパレータを挿入し、電極群を形成した。そこに、電解液を注液した。その後、電池をアルミ製ラミネートで封入し、電池を作製した。その後、充放電を3サイクル繰り返すことで電池を初期化した。
<電池の評価方法>
1.サイクル試験
電池の充電は、予め設定した上限電圧まで電流密度0.1mA/cm2で充電した。放電は、予め設定した下限電圧まで、電流密度0.1mA/cm2で放電した。正極活物質にLiFePO4を用いた場合、上限電圧は3.6V、下限電圧は2.0Vであった。また、正極活物質にLiCoO2を用いた場合、上限電圧は4.3V、下限電圧は3.0Vであった。
この充放電サイクルを繰り返し、サイクル試験を行った。サイクル特性は、1サイクル目の放電容量と、50サイクル後の放電容量の比をとることで評価した。また、この評価は、室温および50℃の2条件で行い、比較を行った。
2.過充電試験
作製した電池を、下限電圧まで放電し、その後上限電圧まで予備充電した。予備充電した際得られた充電容量をSOC100%と規定した。予備充電後、SOC200%まで過充電試験を行った。過充電試験後、電池の電圧を測定し、過充電抑制効果を確認した。上記の試験の結果、25℃における容量維持率は85%、50℃では75%であった。また、過充電試験後、セルを解体し、負極上のデンドライト析出の有無を確認した。過充電後のセルの電圧は3.5Vであり、負極上のデンドライト生成は見られなかった。
上記のように、過充電抑制剤Aを使用したリチウムイオン二次電池は、高性能であるとともに、過充電を抑制できた。
実施例2は、過充電抑制剤Aの量を実施例1よりも減らした例である。過充電抑制剤Aの濃度を0.01質量%に設定し、実施例1と同様に電池を作製した。作成した電池を評価した結果、25℃における容量維持率は86%、50℃では76%であった。過充電後のセルの電圧は3.5Vであった。過充電試験後、電池を解体し負極を観察したところ、負極上にデンドライト生成が見られた。過充電抑制剤Aの濃度が薄いと電池性能は低下しないが、過充電抑制効果が小さい。
実施例3は、過充電抑制剤Aの量を実施例1よりも増やした例である。過充電抑制剤Aの濃度を10質量%に設定し、実施例1と同様に電池を作製した。作成した電池を評価した結果、25℃における容量維持率は75%、50℃では60%であった。過充電後のセルの電圧は3.5Vであり、負極上のデンドライト生成は見られなかった。過充電抑制剤Aの濃度が濃いと過充電抑制効果は得られるものの、電池性能の低下が大きい傾向があった。
実施例4は、負極としてLi金属の代わりにグラファイトを活物質として使用した負極(グラファイト負極)を使用した電池の例である。負極を変更した以外は実施例1と同様に電池を作製した。
グラファイト負極は以下のとおり作製した。グラファイトとバインダー(ポリフッ化ビニリデンKF1120:呉羽化学工業社)を90:10質量%の割合で混合し、N−メチル−2−ピロリドンに投入混合して、スラリー状の溶液を作製した。該スラリーを厚さ20μmの銅箔にドクターブレード法で塗布し、乾燥した。合剤塗布量は、40g/m2であった。合剤かさ密度が1.0g/cm3になるようにプレスし、電極を裁断して負極を作製した。
作成した電池を評価した結果、25℃における容量維持率は83%、50℃では72%であった。過充電後のセルの電圧は3.4Vであり、負極上のデンドライト生成は見られなかった。負極を変えても過充電抑制剤Aは過充電の抑制効果があった。
本実施例は、過充電抑制剤として、過充電抑制剤B(化2:R1,R2=OCCH3,Y1〜Y12=H:アルドリッチ製)を用いる例である。過充電抑制剤を変更した以外は、実施例1と同様に電池を作製した。
過充電抑制剤を濃度が2質量%になるように電解液に加え、CVを測定した。酸化電位は4.2Vであり、可逆な酸化還元波を観測した。次に、前記電解液を使用し、電池を作製した。電池は、正極活物質にはLiFePO4を用い、負極にはLi金属を用いた。25℃における容量維持率は87%、50℃では78%であった。容量維持率は、過充電抑制剤Aを添加した場合に比べ改善された。また、過充電後のセルの電圧は3.5Vであり、負極上のデンドライト生成は見られなかった。
実施例6は、実施例5の負極をグラファイト負極に変更する例である。その他製法は実施例1と同様である。25℃における容量維持率は83%、50℃では72%であった。容量維持率は、過充電抑制剤Aを添加した場合に比べ改善された。過充電後のセルの電圧は3.4Vであり、負極上のデンドライト生成は見られなかった。
実施例7は過充電抑制剤C(化2:R1,R2=Me,Y1〜Y12(Y4,Y10を除く)=H,Y4,Y10=Br)を用いる例である。本実施例では、正極活物質としてLiFePO4の代わりにLiCoO2を使用した。正極の作製方法は実施例1の正極と同様である。
過充電抑制剤Cは、下記のとおり合成した。6,6′−Dibromo−1,1′−bi−2−naphthol 1mol(444g)(東京化成製)をテトラヒドロフランに溶解させ、そこに水素化ナトリウムを2.1mol(50.4g)加えた。30分間攪拌後、ヨウ化メチル2.1mol(298g)を加え、さらに3時間攪拌した。反応溶液をカラムクロマトグラフィーで分離することで、過充電抑制剤C((化2):R1,R2=Me,Y1〜Y12(Y4,Y10を除く)=H,Y4,Y10=Br)を収率60%で得た。過充電抑制剤Cを濃度が2質量%になるように電解液に加え、CVを測定したところ、酸化電位は4.5Vであり、可逆的な酸化還元波を観測した。
次に、過充電抑制剤Cを2質量%の濃度で加えた電解液を使用し、実施例1と同様に電池を作製した。電池は、正極活物質にはLiCoO2を用い、負極にはLi金属を用いた。25℃における容量維持率は86%、50℃では76%であった。過充電後のセルの電圧は4.5Vであり、負極上のデンドライト生成は見られなかった。
実施例8は、実施例7の負極をグラファイトに変更した電池の例である。25℃における容量維持率は84%、50℃では73%であった。過充電後のセルの電圧は4.4Vであり、負極上のデンドライト生成は見られなかった。
(比較例1)
過充電抑制剤を加えず、実施例1と同様に電池を作製した。25℃における容量維持率は86%、50℃では78%であった。過充電後のセルの電圧は3.5Vであった。セルを解体し、負極を観察したところ、負極上にデンドライトが生成したことを確認した。
(比較例2)
過充電抑制剤を加えず、実施例7と同様に電池を作製した。25℃における容量維持率は89%、50℃では77%であった。過充電後のセルの電圧は4.7Vであった。セルを解体し、負極を観察したところ、負極上にデンドライトが生成したことを確認した。
(比較例3)
過充電抑制剤を加えず、実施例4と同様に電池を作製した。25℃における容量維持率は86%、50℃では75%であった。過充電後のセルの電圧は3.4Vであった。セルを解体し、負極を観察したところ、負極上にデンドライトが生成したことを確認した。
(比較例4)
過充電抑制剤を加えず、実施例8と同様に電池を作製した。25℃における容量維持率は86%、50℃では75%であった。過充電後のセルの電圧は4.6Vであった。セルを解体し、負極を観察したところ、負極上にデンドライトが生成したことを確認した。
(比較例5)
過充電抑制剤としてトリフェニルアミン(アルドリッチ製)を用い、実施例1と同様に電池を作製した。トリフェニルアミン(アルドリッチ製)を濃度が2質量%になるように電解液に加えCVを測定したところ、酸化電位は3.6Vであり、可逆な酸化還元波を観測した。
過充電抑制剤としてトリフェニルアミン(アルドリッチ製)を濃度が2質量%になるように電解液に加えた電池を作製した。正極活物質にはLiFePO4を用い、負極にはLi金属を用いた。25℃における容量維持率は70%、50℃では50%であった。過充電後のセルの電圧は3.5Vであり、負極上のデンドライト生成は見られなかった。
(比較例6)
過充電抑制剤としてtris−4ブロモフェニルアミン(アルドリッチ製)を用い、実施例1と同様に電池を作製した。tris−4ブロモフェニルアミン(アルドリッチ製)を濃度が2質量%になるように電解液に加えCVを測定したところ、酸化電位は3.7Vであり、可逆な酸化還元波を観測した。
過充電抑制剤としてtris−4ブロモフェニルアミン(アルドリッチ製)を濃度が2質量%になるように電解液に加えた電池を作製した。正極活物質にはLiFePO4を用い、負極にはLi金属を用いた。25℃における容量維持率は75%、50℃では55%であった。過充電後のセルの電圧は3.5Vであり、負極上のデンドライト生成は見られなかった。
上記の実施例1〜8,比較例1〜6の結果をまとめ、表1に示す。
Figure 0004934704
1 正極
2 セパレータ
3 負極
4 アルミラミネート
5 正極リード
6 負極リード
7 融着部

Claims (5)

  1. 正極と、前記正極にセパレータを介して配置された負極とを有し、
    非水溶媒に支持電解質を溶解させた電解液を充填したリチウムイオン二次電池であって、
    前記電解液は、(化2)で示される化合物を含むことを特徴とするリチウムイオン二次
    電池。
    ((化2)において、
    1およびR2は、水素,脂肪族炭化水素基,脂環式炭化水素基,オキシメチレン基またはアセチル基のいずれかである
    1 乃至Y 12 は、水素,炭化水素基、またはハロゲンである。)
    Figure 0004934704
  2. 請求項1記載のリチウムイオン二次電池において、
    1 およびR 2 は、オキシエチレン基またはオキシプロピレン基のいずれかであることを特徴とするリチウムイオン二次電池。
  3. 請求項1記載のリチウムイオン二次電池において、
    1 およびR 2 は、MeまたはCOCH 3 であり、
    1 乃至Y 12 は、HまたはBr(ただし、BrはY 4 ,Y 10 のみ)であることを特徴とするリチウムイオン二次電池。
  4. 請求項1記載のリチウムイオン二次電池において、
    前記(化2)で示される化合物は、前記電解液に0.1〜8質量%含まれることを特徴とするリチウムイオン二次電池。
  5. (化2)で示される化合物を含むことを特徴とするリチウムイオン二次電池用過充電抑制剤。
    ((化2)において、
    1 およびR 2 は、水素,脂肪族炭化水素基,脂環式炭化水素基,オキシメチレン基またはアセチル基のいずれかである。
    1 乃至Y 12 は、水素,炭化水素基、またはハロゲンである。)
    Figure 0004934704
JP2009173824A 2009-07-27 2009-07-27 リチウムイオン二次電池及びリチウムイオン二次電池用過充電抑制剤 Expired - Fee Related JP4934704B2 (ja)

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