JP5374339B2 - リチウム2次電池用電解液及びこれを含むリチウム2次電池 - Google Patents
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Description
本発明は、前記電解液を含むリチウム2次電池を提供する。
本発明が目的とする技術的課題は、前記で言及された技術的課題に制限されず、前記で言及されないまた他の技術的課題も、下記の記載から当業者に明確に理解される。
その他の本発明の実施態様の具体的な事項は、下記の詳細な説明に含まれる。
前記負極は、集電体及び前記集電体上に形成された負極活物質層を含み、前記負極活物質層は、負極活物質を含む。
前記リチウムイオンを可逆的に挿入/脱離可能な物質は、炭素系物質であって、リチウムイオン2次電池に一般的に使用される炭素系負極活物質はいずれのものでも使用することができ、その代表的な例としては、結晶質炭素、非晶質炭素、またはこれらを共に使用することができる。前記結晶質炭素の例としては、無定形、板状、鱗片状(flake)、球形、または繊維状の天然黒鉛または人造黒鉛などの黒鉛があり、前記非晶質炭素の例としては、ソフトカーボン(soft carbon:低温焼成炭素)またはハードカーボン(hard carbon)、メゾフェースピッチ炭化物、焼成されたコークスなどがある。
前記バインダーは、負極活物質粒子を互いによく付着させて、負極活物質を電流集電体によく付着させる役割を果たし、その代表的な例として、ポリビニルアルコール、カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、ポリ塩化ビニル、カルボキシル化されたポリ塩化ビニル、ポリビニルフルオライド、エチレンオキシドを含むポリマー、ポリビニルピロリドン、ポリウレタン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリエチレン、ポリプロピレン、スチレン−ブタジエンラバー、アクリレーティドスチレン−ブタジエンラバー、エポキシ樹脂、ナイロンなどを使用することができるが、これに限定されない。
前記バインダーは、正極活物質粒子を互いによく付着させて、正極活物質を電流集電体によく付着させる役割を果たし、その代表的な例として、ポリビニルアルコール、カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、ジアセチルセルロース、ポリ塩化ビニル、カルボキシル化されたポリ塩化ビニル、ポリビニルジフルオライド、エチレンオキシドを含むポリマー、ポリビニルピロリドン、ポリウレタン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリエチレン、ポリプロピレン、スチレン−ブタジエンラバー、アクリレーティドスチレン−ブタジエンラバー、エポキシ樹脂、ナイロンなどを使用することができるが、これに限定されない。
リチウムニッケルコバルトアルミニウム複合酸化物(Li(NixCoyAlz)O2、x=0.8、y=0.15、z=0.05)正極活物質及びデンカブラック導電剤を、ポリフッ化ビニリデンバインダーをN−メチル−2−ピロリドン溶媒に溶解させた溶液に分散させて、正極活物質スラリーを製造した。この時、正極活物質、導電剤、及びバインダーの混合比率は84.5:8.5:7重量%にした。前記正極活物質スラリーをアルミニウム電流集電体に塗布し、乾燥及び圧延して、正極を製造した。
天然黒鉛負極活物質(商品名:MPG111、製造会社:三菱ケミカル社)を、ポリフッ化ビニリデンバインダーをN−メチル−2−ピロリドン溶媒に溶解させた溶液に分散させて、負極活物質スラリーを製造した。この時、負極活物質及びバインダーの混合比率は94:6重量%にした。前記負極活物質スラリーを銅電流集電体に塗布し、乾燥及び圧延して、負極を製造した。
前記正極、前記負極、前記多孔性ポリプロピレン樹脂セパレータ、及び電解液を使用して、リチウム2次電池を製造した。この時、電解液としては、エチレンカーボネート/エチルメチルカーボネート/ジエチルカーボネートが体積比で3/4/3に混合された非水性有機溶媒に1.15MのLiPF6、トリメチルシリルボレート、及び琥珀酸無水物を添加して製造されたものを使用した。前記トリメチルシリルボレート(A)と琥珀酸無水物(B)の重量比(A/B)は15にし、トリメチルシリルボレートの含有量は非水性有機溶媒及びリチウム塩の合計重量に対して3重量%であり、琥珀酸無水物の含有量は0.2重量%であった。この時、前記電解液の粘度は0℃で4.03cPであった。
トリメチルシリルボレート(A)と琥珀酸無水物(B)の重量比(A/B)を1に変更して製造された電解液を使用したことを除いては、前記実施例1と同一に実施した。この時、トリメチルシリルボレートの含有量は非水性有機溶媒及びリチウム塩の合計重量に対して0.5重量%であり、琥珀酸無水物の含有量は0.5重量%であった。また、前記電解液の粘度は0℃で4.33cPであった。
トリメチルシリルボレート(A)と琥珀酸無水物(B)の重量比(A/B)を10に変更して製造された電解液を使用したことを除いては、前記実施例1と同一に実施した。この時、トリメチルシリルボレートの含有量は非水性有機溶媒及びリチウム塩の合計重量に対して2重量%であり、琥珀酸無水物の含有量は0.2重量%であった。また、前記電解液の粘度は0℃で4.13cPであった。
トリメチルシリルボレート(A)と琥珀酸無水物(B)の重量比(A/B)を5に変更して製造された電解液を使用したことを除いては、前記実施例1と同一に実施した。この時、トリメチルシリルボレートの含有量は非水性有機溶媒及びリチウム塩の合計重量に対して1重量%であり、琥珀酸無水物の含有量は0.2重量%であった。また、前記電解液の粘度は0℃で4.21cPであった。
トリメチルシリルボレート(A)と琥珀酸無水物(B)の重量比(A/B)を0.1に変更して製造された電解液を使用したことを除いては、前記実施例1と同一に実施した。この時、トリメチルシリルボレートの含有量は非水性有機溶媒及びリチウム塩の合計重量に対して0.07重量%であり、琥珀酸無水物の含有量は0.7重量%であった。また、前記電解液の粘度は0℃で4.36cPであった。
トリメチルシリルボレート(A)と琥珀酸無水物(B)の重量比(A/B)を0.2に変更して製造された電解液を使用したことを除いては、前記実施例1と同一に実施した。この時、トリメチルシリルボレートの含有量は非水性有機溶媒及びリチウム塩の合計重量に対して0.2重量%であり、琥珀酸無水物の含有量は1重量%であった。また、前記電解液の粘度は0℃で4.35cPであった。
トリメチルシリルボレート(A)と琥珀酸無水物(B)の重量比(A/B)を0.5に変更して製造された電解液を使用したことを除いては、前記実施例1と同一に実施した。この時、トリメチルシリルボレートの含有量は非水性有機溶媒及びリチウム塩の合計重量に対して0.5重量%であり、琥珀酸無水物の含有量は1重量%であった。また、前記電解液の粘度は0℃で4.34cPであった。
トリメチルシリルボレート(A)と琥珀酸無水物(B)の重量比(A/B)を2に変更して製造された電解液を使用したことを除いては、前記実施例1と同一に実施した。この時、トリメチルシリルボレートの含有量は非水性有機溶媒及びリチウム塩の合計重量に対して1重量%であり、琥珀酸無水物の含有量は0.5重量%であった。また、前記電解液の粘度は0℃で4.32cPであった。
トリメチルシリルボレート及び琥珀酸無水物を添加せずに、エチレンカーボネート/エチルメチルカーボネート/ジエチルカーボネートが体積比で3/4/3に混合された非水性有機溶媒に1.15MのLiPF6を添加して製造された電解液を使用したことを除いては、前記実施例1と同一に実施した。この時、前記電解液の粘度は0℃で4.28cPであった。
トリメチルシリルボレート(A)と琥珀酸無水物(B)の重量比(A/B)を30に変更して製造された電解液を使用したことを除いては、前記実施例1と同一に実施した。この時、トリメチルシリルボレートの含有量は非水性有機溶媒及びリチウム塩の合計重量に対して3重量%であり、琥珀酸無水物の含有量は0.1重量%であった。また、前記電解液の粘度は0℃で3.87cPであった。
トリメチルシリルボレート(A)と琥珀酸無水物(B)の重量比(A/B)を0.03に変更して製造された電解液を使用したことを除いては、前記実施例1と同一に実施した。この時、トリメチルシリルボレートの含有量は非水性有機溶媒及びリチウム塩の合計重量に対して0.1重量%であり、琥珀酸無水物の含有量は3重量%であった。また、前記電解液の粘度は0℃で4.69cPであった。
前記実施例1及び比較例1乃至3で製造された正極、基準電極(reference electrode)及び対極(counter electrode)としてリチウム金属を使用した3電極のリニアスウィープボルタンメトリー(スキャン速度:1mV/sec)を測定して、その結果を図2に示した。図2に示したように、トリメチルシリルボレートの添加量が増加するほど反応性が増加して、高電位領域で反応が起こることが分かる。しかし、トリメチルシリルボレートの添加量が非常に少量である場合(比較例3)には、トリメチルシリルボレートを添加しない場合(比較例1)よりむしろ反応性が低下することが分かる。
また、4乃至5V電圧でのピークを見れば、琥珀酸無水物を添加した実施例1及び比較例2の場合、琥珀酸無水物が添加されない比較例1に比べて、ピーク位置が矢印で示したように左に移動し、これは抵抗が減少(R減少)したことを意味する。つまり、反応界面での抵抗の減少(つまり、副反応の抑制)によってCV時にピーク位置が低電位領域に移動し、これに反して、高電位領域では、反応性の増加によって高電流の流れを示すピークが現れることが分かる。しかし、琥珀酸無水物を非常に過剰に添加した場合(比較例3)には、琥珀酸無水物を使用しない場合(比較例1)よりむしろ抵抗の減少が少ないことが分かる。
この結果から、琥珀酸無水物は、副反応を抑制し、トリメチルシリルボレートは、反応性を増加させることが分かり、これらの含有量を適切に調節することによって、所望の副反応抑制効果及び反応性増加効果が得られることが分かる。
また、前記実施例1及び2、そして比較例2で製造された負極、基準電極及び対極としてリチウム金属を使用した3電極のサイクリックボルタンメトリー(スキャン速度:1mV/sec)を測定して、その結果を図3に示した。図3に示したように、トリメチルシリルボレートを添加する場合、界面抵抗が減少して、充電時に電流曲線のピークが先に現れることが分かる。
前記実施例1乃至3、そして比較例2及び3の電池の−30℃での直流内部抵抗(DCIR:Direct current internal resistance)を測定して、その結果を図4に示した。図4に示したように、琥珀酸無水物の含有量が非常に多量である場合(比較例3)には、抵抗が非常に大きく、この大きな抵抗によって高出力電池に使用することができない。また、トリメチルシリルボレートの添加によって抵抗が減少する傾向を示すことが分かる。しかし、トリメチルシリルボレートの添加量が過量である場合(比較例2)には、抵抗が再び増加することが分かり、これは溶解度が低下して、粘度が増加するためである。これによって、トリメチルシリルボレート及び琥珀酸無水物の添加量は、トリメチルシリルボレート及び琥珀酸無水物の重量比が0.1乃至15であるのが適切であることが分かる。
前記実施例1、2、及び4、そして比較例2及び3によって製造された電池を60℃で70日間放置した後、容量維持率を測定して、その結果を図5に示した。図5で、SOC60は電池全体の充電容量を100%とした時に、60%充電容量になるように充電した状態を意味する。トリメチルシリルボレートが添加されることによって、初期に界面抵抗が減少し、抵抗が減少して、出力が増加するが、高温放置時の出力及び容量が急激に減少する。このような出力及び容量の急激な減少は、トリメチルシリルボレートの添加量が増加するほど、また放置日数が増加するほど増加することが図5から分かる。
また、前記実施例1、2、及び4、そして比較例2及び3によって製造された電池を85℃で3日間放置した後、出力維持率を測定して、その結果を図6に示した。図6で、SOC70は電池全体の充電容量を100%とした時に、70%充電容量になるように充電した状態を意味する。図6に示したように、トリメチルシリルボレートの含有量が非常に増加する場合(比較例2)には、出力が急激に低下する。
前記実施例2、5、及び6、そして比較例3の電池の初期インピーダンスを測定して、その結果を図7に示した。琥珀酸無水物は、負極表面にSEI皮膜を形成し、このように形成されたSEI皮膜は抵抗として作用するので、琥珀酸無水物の添加量が増加するほど抵抗が増加することが分かる。このような抵抗の増加は、トリメチルシリルボレートに対して琥珀酸無水物の重量比が0.1である場合に急激に増加し、これは放置効果を増加させることができる。しかし、高出力電池における非常に厚いSEI皮膜は、抵抗の増加をもたらすので、SEI皮膜の厚さを調節しなければならない。この厚さの調節は、トリメチルシリルボレートに対する琥珀酸無水物の使用量によって調節することができ、図7に示した結果から、トリメチルシリルボレートの琥珀酸無水物に対する重量比が0.03である場合、つまり琥珀酸無水物を非常に過剰に使用した比較例3の場合に、抵抗が非常に増加したので、SEI皮膜が過度に厚く形成されたと推測される。したがって、琥珀酸無水物をトリメチルシリルボレートに対して最大1重量比の含有量で使用した実施例2が適切であることが分かる。
前記実施例2、5、及び6、そして比較例3の電池を60℃で50日間放置した後、インピーダンスを測定して、その結果を図8に示した。図8で、SOC60は電池全体の充電容量を100%とした時に、60%充電容量になるように充電した状態を意味する。図8に示したように、琥珀酸無水物の添加量が増加するほど抵抗が減少することが分かる。しかし、比較例3に示したように、琥珀酸無水物を過剰に添加する場合、図7に示した初期インピーダンスの結果に比べて抵抗が減少するが、実施例2、5、及び6に比べて抵抗が大きい。この結果から、適切な抵抗の減少のためには、琥珀酸無水物の添加量を調節しなければならないことが分かる。
また、琥珀酸無水物をトリメチルシリルボレートに対して0.5重量比及び2重量比で使用した実施例7及び8の電池に対して同一な実験を行なった結果、比較例3より抵抗が低かった。
前記実施例2、5、及び6、そして比較例3の電池に対して、25℃で充放電を10,000回行なった後、そのインピーダンスを測定して、その結果を図9に示した。図9に示したように、比較例3のように琥珀酸無水物を過剰に添加する場合、充放電を10,000回行なった後にも抵抗が大きいことが分かる。これに対して、琥珀酸無水物をトリメチルシリルボレートに対して0.1重量比、1重量比、0.2重量比で使用した実施例5、実施例2、及び実施例6の場合、抵抗が減少して、初期インピーダンスに対する図7に示した結果より抵抗が低いことが分かる。
また、琥珀酸無水物をトリメチルシリルボレートに対して0.5重量比及び2重量比で使用した実施例7及び8の電池に対して同一な実験を行なった結果、抵抗が減少した。
2 負極
3 正極
4 セパレータ
5 電池容器
6 封入部材
Claims (17)
- 前記シリルボレート系化合物(A)の前記酸無水物(B)に対する重量比(A/B)が0.5乃至2である、請求項1に記載のリチウム2次電池用電解液。
- 前記非水性有機溶媒は、15乃至25体積%の環状カーボネートを含み、前記電解液は、粘度が0℃で3.0乃至3.7cPである、請求項1または2に記載のリチウム2次電池用電解液。
- 前記電解液は、粘度が0℃で3.2乃至3.5cPである、請求項3に記載のリチウム2次電池用電解液。
- 前記非水性有機溶媒は、26乃至35体積%の環状カーボネートを含み、前記電解液は、粘度が0℃で4.0乃至4.7cPである、請求項1または2に記載のリチウム2次電池用電解液。
- 前記シリルボレート系化合物の含有量は、前記非水性有機溶媒及びリチウム塩の合計重量に対して0.05乃至3重量%である、請求項1〜5のいずれか1項に記載のリチウム2次電池用電解液。
- 前記シリルボレート系化合物の含有量は、前記非水性有機溶媒及びリチウム塩の合計重量に対して0.5乃至2重量%である、請求項6に記載のリチウム2次電池用電解液。
- 前記酸無水物の含有量は、前記非水性有機溶媒及びリチウム塩の合計重量に対して0.3乃至3重量%である、請求項1〜7のいずれか1項に記載のリチウム2次電池用電解液。
- 前記酸無水物の含有量は、前記非水性有機溶媒及びリチウム塩の合計重量に対して0.3乃至2重量%である、請求項8に記載のリチウム2次電池用電解液。
- 前記R1乃至R9は互いに同一であるか相異して、ハロゲンに置換もしくは非置換の炭素数1乃至3のアルキル基である、請求項1〜9のいずれか1項に記載のリチウム2次電池用電解液。
- 前記酸無水物は、琥珀酸無水物、メチル琥珀酸無水物、ジメチル琥珀酸無水物、マレイン酸無水物、グルタル酸無水物、ジグリコール酸無水物、及びこれらの組み合わせからなる群より選択されるものである、請求項1〜10のいずれか1項に記載のリチウム2次電池用電解液。
- 前記酸無水物は、琥珀酸無水物、メチル琥珀酸無水物、ジメチル琥珀酸無水物、及びこれらの組み合わせからなる群より選択されるものである、請求項11に記載のリチウム2次電池用電解液。
- 前記非水性有機溶媒は、環状カーボネート及び直鎖状カーボネートを含むものである、請求項1〜12のいずれか1項に記載のリチウム2次電池用電解液。
- 前記非水性有機溶媒は、エステル系、エーテル系、ケトン系、アルコール系、及び非プロトン性溶媒からなる群より選択されるものをさらに含むものである、請求項13に記載のリチウム2次電池用電解液。
- 前記リチウム塩は、LiPF6、LiBF4、LiSbF6、LiAsF6、LiCF3SO3、LiN(SO2C2F5)2、LiN(SO3C2F5)2、Li(CF3SO2)2N、LiC4F9SO3、LiClO4、LiAlO4、LiAlCl4、LiN(CxF2x+1SO2)(CyF2y+1SO2)(ここで、x及びyは自然数である)、LiCl、LiI、LiB(C2O4)2(リチウムビスオキサレートボレート[lithium bis(oxalate)borate LiBOB]、及びこれらの組み合わせからなる群より選択されるものである、請求項1〜14のいずれか1項に記載のリチウム2次電池用電解液。
- 前記リチウム塩の濃度は、0.1乃至1.4Mである、請求項1〜15のいずれか1項に記載のリチウム2次電池用電解液。
- 正極;
負極;及び
請求項1乃至16のうちのいずれか1項記載の電解液;
を含む、リチウム2次電池。
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