JP5601576B2 - Non-aqueous electrolyte composition and non-aqueous electrolyte secondary battery - Google Patents
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Description
本発明は、例えば、電気自動車やハイブリット電気自動車などのモータ駆動用電源として用いられる二次電池に係り、より詳細には、当該二次電池に好適に用いられる電解液に代表される非水電解質組成物と、このような電解質組成物を適用した非水電解質二次電池に関するものである。 The present invention relates to a secondary battery used as a power source for driving a motor of, for example, an electric vehicle or a hybrid electric vehicle. The present invention relates to a composition and a non-aqueous electrolyte secondary battery to which such an electrolyte composition is applied.
近年、環境保護運動の高まりを背景として、電気自動車(EV)、ハイブリッド電気自動車(HEV)、燃料電池車(FCV)などの開発が進められている。
これら自動車におけるモータ駆動用電源としては、繰り返し充放電可能な二次電池が適しており、特に高容量、高出力が期待できるリチウムイオン二次電池などの非水電解質二次電池が注目を集めている。
In recent years, the development of electric vehicles (EV), hybrid electric vehicles (HEV), fuel cell vehicles (FCV) and the like has been promoted against the background of the increasing environmental protection movement.
A secondary battery that can be repeatedly charged and discharged is suitable as a power source for driving motors in these automobiles, and nonaqueous electrolyte secondary batteries such as lithium ion secondary batteries that can be expected to have high capacity and high output are attracting attention. Yes.
このような非水電解質二次電池は、正極集電体の表面に形成され、例えばLiCoO2、LiMnO2、LiNiO2等の正極活物質を含む正極活物質層を有する。また、上記集電体とは別の負極集電体の表面に形成され、例えば、金属リチウム、コークスや天然・人造黒鉛などの炭素質材料、Sn、Si等の金属やこれら金属の酸化物等の負極活物質を含む負極活物質層を備えている。
さらに、非水電解質二次電池は、これら正極活物質層と負極活物質層との間に、LiPF6やLiN(CF3CF2SO2)2などのリチウム塩から成る支持電解質(支持塩)を含む電解質層が設けてあり、これによって上記正極活物質層と負極活物質層とを分離している。
Such a nonaqueous electrolyte secondary battery is formed on the surface of the positive electrode current collector and has a positive electrode active material layer containing a positive electrode active material such as LiCoO 2 , LiMnO 2 , LiNiO 2 , for example. Further, it is formed on the surface of a negative electrode current collector different from the above current collector, for example, metallic lithium, carbonaceous materials such as coke and natural / artificial graphite, metals such as Sn and Si, oxides of these metals, etc. A negative electrode active material layer containing the negative electrode active material.
Further, the non-aqueous electrolyte secondary battery includes a supporting electrolyte (supporting salt) made of a lithium salt such as LiPF 6 or LiN (CF 3 CF 2 SO 2 ) 2 between the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer. The positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer are separated by this.
このような非水電解質二次電池においては、正極又は負極表面、あるいは両電極表面において、電解質層の化学反応や分解が起こることがある。
このような化学反応や分解反応が発生した場合には、高温での電池の保存特性の低下や、二次電池のサイクル特性の低下、さらには分解物によるガスの発生などといった問題が生じる。
In such a non-aqueous electrolyte secondary battery, a chemical reaction or decomposition of the electrolyte layer may occur on the surface of the positive electrode or the negative electrode, or on both electrode surfaces.
When such a chemical reaction or decomposition reaction occurs, problems such as deterioration in storage characteristics of the battery at high temperatures, deterioration in cycle characteristics of the secondary battery, and generation of gas due to decomposition products arise.
これらの問題の発生を防止するためには、電解質層に含まれる電解液中に、保護被膜生成機能を有する化合物を添加することが行なわれている。 In order to prevent the occurrence of these problems, a compound having a protective film generating function is added to the electrolytic solution contained in the electrolyte layer.
具体的には、初期充電時に負極活物質表面において、電解液中に添加された化合物の分解を意図的に促し、その分解生成物が、新たな電解質層の分解を防止する機能を備えた保護被膜、すなわちSEI(Solid Electrolyte Interface)を形成することが知られている。
そして、このような保護被膜が形成されることにより、負極における電極表面での電解質層の化学反応や分解が適切に抑制され、その結果、二次電池の電池性能を維持させる効果があることが種々報告されている。
Specifically, a protection provided with a function that intentionally promotes decomposition of a compound added to the electrolyte solution on the surface of the negative electrode active material during initial charging, and the decomposition product prevents decomposition of a new electrolyte layer. It is known to form a coating, ie SEI (Solid Electrolyte Interface).
And by forming such a protective film, the chemical reaction and decomposition | disassembly of the electrolyte layer in the electrode surface in a negative electrode are suppressed appropriately, As a result, there exists an effect which maintains the battery performance of a secondary battery. Various reports have been made.
例えば、特許文献1には、非水電解液中にスルホニル基を少なくとも2個有する環式スルホン酸エステルを含有させ、負極に安定な保護被膜を形成することにより、電解液の溶媒分解を抑制し、もって電池のサイクル特性や保存特性を向上させることが開示されている。 For example, Patent Document 1 contains a cyclic sulfonic acid ester having at least two sulfonyl groups in a nonaqueous electrolytic solution, and forms a stable protective film on the negative electrode to suppress solvent decomposition of the electrolytic solution. Therefore, it is disclosed that the cycle characteristics and storage characteristics of the battery are improved.
電解液中に含まれる上記スルホン酸エステル化合物は、負極表面上にて還元分解し、安定な被膜を形成することによって、サイクル寿命および保存特性の向上をもたらす。
しかしながら、単体化合物としての高温保存性が低いため、その分解生成物の発生により、セパレータの目詰まりなどによる内部抵抗の上昇や、絶対量低下による被膜補修機能の低下を招くことがある。また、電解液の保管に際して、品質管理が煩雑になる恐れもある。
The sulfonic acid ester compound contained in the electrolytic solution is reductively decomposed on the negative electrode surface to form a stable film, thereby improving cycle life and storage characteristics.
However, since the high-temperature storage stability as a single compound is low, the generation of decomposition products thereof may lead to an increase in internal resistance due to clogging of the separator or a decrease in the coating repair function due to a decrease in absolute amount. In addition, quality control may be complicated when storing the electrolyte.
本発明は、上記のようなスルホン酸エステル化合物を含む非水電解液を用いた従来の二次電池における上記課題を解決すべくなされたものであって、その目的とするところは、上記化合物の分解を抑え、電池のサイクル特性や高温保存性の向上が可能な非水電解質組成物の提供にある。また、このような電解質組成物を用いた非水電解質二次電池を提供することにある。 The present invention has been made to solve the above-described problems in conventional secondary batteries using a non-aqueous electrolyte containing the sulfonic acid ester compound as described above. An object of the present invention is to provide a non-aqueous electrolyte composition that can suppress decomposition and improve battery cycle characteristics and high-temperature storage stability. Another object of the present invention is to provide a non-aqueous electrolyte secondary battery using such an electrolyte composition.
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、非水電解液中に、スルホン酸エステルとホスファゼン化合物とを共存させることによって、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。 As a result of intensive studies to achieve the above object, the present inventors have found that the above object can be achieved by allowing a sulfonate ester and a phosphazene compound to coexist in a non-aqueous electrolyte. It came to be completed.
すなわち、本発明は上記知見に基づくものであって、本発明の非水電解質組成物は、支持電解質と、非水溶媒と、スルホン酸エステルであるシクロジソンと、ホスファゼン化合物を含有し、上記ホスファゼン化合物の含有量が、支持電解質と非水溶媒の合計に対する質量比で0.5〜1%であることを特徴とする。 That is, the present invention is based on the above knowledge, and the non-aqueous electrolyte composition of the present invention contains a supporting electrolyte, a non-aqueous solvent , a cyclodisone that is a sulfonate ester , and a phosphazene compound. The content of is characterized by being 0.5 to 1% by mass ratio with respect to the total of the supporting electrolyte and the nonaqueous solvent .
本発明によれば、スルホン酸エステルとホスファゼン化合物とが共存する非水電解質組成物としたため、スルホン酸エステルの高温分解をホスファゼン化合物によって抑制することができ、このような電解質組成物を二次電池に適用することにより、当該電池のサイクル特性や高温保存性を改善することができる。 According to the present invention, since the non-aqueous electrolyte composition in which the sulfonate ester and the phosphazene compound coexist is obtained, the high-temperature decomposition of the sulfonate ester can be suppressed by the phosphazene compound, and such an electrolyte composition is used as a secondary battery. By applying to, the cycle characteristics and high-temperature storage stability of the battery can be improved.
以下に、本発明の非水電解質組成物や、これを用いた非水電解質二次電池について、さらに詳細に説明する。なお、本明細書において、「%」は特記しない限り質量百分率を表すものとする。 Hereinafter, the nonaqueous electrolyte composition of the present invention and the nonaqueous electrolyte secondary battery using the composition will be described in more detail. In the present specification, “%” represents mass percentage unless otherwise specified.
本発明の非水電解質組成物は、上記したように、非水溶媒中に支持電解質を含んだ非水電解質組成物であって、さらにこれには、負極に安定な保護被膜を形成するスルホン酸エステルと共に、ホスファゼン化合物が含有されている。
スルホン酸エステルの高温分解には、水分や酸の存在が影響していると考えられ、本発明においては、原因物質であるH2Oや酸、例えばHFを−P=N−結合を有するホスファゼン化合物の添加によって抑制するようにしている。すなわち、ホスファゼン化合物の−P=N−部位がH2O、HFにおける水素との結合によってトラップすることができ、スルホン酸エステルを攻撃し得る絶対量が減少することによって、スルホン酸エステルの高温分解の抑制が可能になる。
As described above, the nonaqueous electrolyte composition of the present invention is a nonaqueous electrolyte composition containing a supporting electrolyte in a nonaqueous solvent, and further includes a sulfonic acid that forms a stable protective film on the negative electrode. Along with the ester, a phosphazene compound is contained.
It is considered that the presence of moisture and acid affects the high-temperature decomposition of sulfonic acid esters. In the present invention, caustic substances such as H 2 O and acids, such as HF, are phosphazenes having a —P═N— bond. It is made to suppress by addition of a compound. That is, the —P═N— site of the phosphazene compound can be trapped by the bond with hydrogen in H 2 O, HF, and the absolute amount capable of attacking the sulfonate ester is reduced. Can be suppressed.
次に、本発明の非水電解質組成物を構成する支持電解質、非水溶媒、スルホン酸エステル、ホスファゼン化合物について、それぞれ具体的に説明する。
本発明の非水電解質組成物は、液状の非水電解質、すなわち電解液に代表されるが、このような非水電解液のみならず、後述するように、このような電解液を高分子骨格中に含浸させることによってゲル電解質とすることも可能である。すなわち、本発明において「非水電解質組成物」とは、液状の電解液のみならず、ゲル状をものをも含めた非水電解質の総称を意味する。
Next, the supporting electrolyte, the non-aqueous solvent, the sulfonate ester, and the phosphazene compound constituting the non-aqueous electrolyte composition of the present invention will be specifically described.
The non-aqueous electrolyte composition of the present invention is typified by a liquid non-aqueous electrolyte, that is, an electrolytic solution, but not only such a non-aqueous electrolytic solution but also a polymer skeleton as described later. It is also possible to obtain a gel electrolyte by impregnating it. That is, in the present invention, the “non-aqueous electrolyte composition” means a general term for non-aqueous electrolytes including not only liquid electrolytes but also gels.
液体電解質(電解液)は、非水溶媒(有機溶媒)中に支持電解質(支持塩)が溶解した状態のものであり、本発明においては、さらにこれにスルホン酸エステル及びホスファゼン化合物が添加される。 The liquid electrolyte (electrolytic solution) is in a state in which the supporting electrolyte (supporting salt) is dissolved in a non-aqueous solvent (organic solvent). In the present invention, a sulfonate ester and a phosphazene compound are further added thereto. .
〔支持電解質〕
支持電解質としては、特に限定されず、公知の支持塩(リチウム塩)が使用できるが、セル特性の観点からは、例えばLiPF6,LiBF4,LiClO4,Li(CF3SO2)2N,Li(CF3CF2SO2)2N及びLi(FSO2)2Nを用いることが望ましい。この他には、LiAsF6,LiTaF6,LiAlCl4,Li2B10Cl10,LiCF3SO3等を用いることも可能である。これらの支持電解質は、単独で使用しても、2種以上を混合して使用してもよい。
[Supporting electrolyte]
The supporting electrolyte is not particularly limited, and a known supporting salt (lithium salt) can be used. From the viewpoint of cell characteristics, for example, LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , Li (CF 3 SO 2 ) 2 N, It is desirable to use Li (CF 3 CF 2 SO 2 ) 2 N and Li (FSO 2 ) 2 N. In addition, LiAsF 6 , LiTaF 6 , LiAlCl 4 , Li 2 B 10 Cl 10 , LiCF 3 SO 3, etc. can be used. These supporting electrolytes may be used alone or in combination of two or more.
〔非水溶媒〕
非水溶媒としては、高誘電率溶媒や低粘度溶媒を使用することができ、これらを単独又は混合して用いることができる。
ここで、高誘電率溶媒としては、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ブチレンカーボネート(BC)、ビニレンカーボネート(VC)等を挙げることができる。また、低粘度溶媒としては、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、メチルプロピルカーボネート(MPC)などを使用することができる。
[Nonaqueous solvent]
As the non-aqueous solvent, a high dielectric constant solvent or a low viscosity solvent can be used, and these can be used alone or in combination.
Here, examples of the high dielectric constant solvent include ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), butylene carbonate (BC), and vinylene carbonate (VC). As the low viscosity solvent, dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), ethyl methyl carbonate (EMC), methyl propyl carbonate (MPC), or the like can be used.
上記の他には、テトラヒドロフラン,2−メチルテトラヒドロフラン,1,4−ジオキサン、1,2−ジメトキシエタン,1,2−ジブトキシエタン,1,3−ジオキソラン,ジエチルエーテルなどのエーテル類、γ−ブチロラクトンなどのラクトン類、アセトニトリルなどのニトリル類、プロピオン酸メチルなどのエステル類、ジメチルホルムアミドなどのアミド類、酢酸メチル,ギ酸メチルなどのエステル類、スルホラン、ジメチルスルホキシド、3−メチル−1,3−オキサゾリジン−2−オンなどが挙げられる。
これらの溶媒は、単独で使用しても、2種以上混合して使用してもよい。上記各種溶媒のうち、負極活物質表面上にSEI被膜が形成され易いことから、エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、プロピレンカーボネート及びビニレンカーボネートからなる群から選ばれる1種以上であることが好ましい。
Besides the above, ethers such as tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, 1,4-dioxane, 1,2-dimethoxyethane, 1,2-dibutoxyethane, 1,3-dioxolane, diethyl ether, γ-butyrolactone Lactones such as acetonitrile, nitriles such as acetonitrile, esters such as methyl propionate, amides such as dimethylformamide, esters such as methyl acetate and methyl formate, sulfolane, dimethyl sulfoxide, 3-methyl-1,3-oxazolidine -2-one and the like.
These solvents may be used alone or in combination of two or more. Among the various solvents, since the SEI film is easily formed on the surface of the negative electrode active material, it is at least one selected from the group consisting of ethylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, propylene carbonate, and vinylene carbonate. It is preferable.
〔スルホン酸エステル〕
スルホン酸エステルは、電極表面における保護被膜形成に寄与し、溶媒分子の分解を抑制する機能を有する。
このようなスルホン酸エステルとしては、寿命特性の観点から、次式(3)で表される環状スルホン酸エステル及び鎖状スルホン酸エステルからなる群より選ばれる少なくとも1種の化合物を用いることが望ましい。
[Sulfonate]
The sulfonate ester contributes to the formation of a protective film on the electrode surface and has a function of suppressing the decomposition of solvent molecules.
As such a sulfonate ester, it is desirable to use at least one compound selected from the group consisting of a cyclic sulfonate ester and a chain sulfonate ester represented by the following formula (3) from the viewpoint of life characteristics. .
このような化合物として、具体的には、1,3−プロパンスルトン、1,4−ブタンスルトン、2,4−ブタンスルトン等を挙げることができる。また、第2のスルホニル基を有するものとしては、例えばシクロジソンなどを挙げることができる。 Specific examples of such a compound include 1,3-propane sultone, 1,4-butane sultone, and 2,4-butane sultone. Moreover, as what has a 2nd sulfonyl group, a cyclodisone etc. can be mentioned, for example.
上記スルホン酸エステルの含有量としては、支持電解質と非水溶媒の合計に対する質量比で0.01〜10%であることが好ましい。
すなわち、スルホン酸エステルの含有量が0.01%に満たない場合には、その添加の効果が十分に発揮されないことがある一方、10%を超えて添加した場合には、抵抗の上昇や不可逆容量の増加などによるセル特性の低下を招く恐れがある。
As content of the said sulfonic acid ester, it is preferable that it is 0.01 to 10% by mass ratio with respect to the sum total of a supporting electrolyte and a nonaqueous solvent.
That is, when the content of the sulfonic acid ester is less than 0.01%, the effect of the addition may not be sufficiently exhibited. On the other hand, when the content exceeds 10%, the resistance increases or becomes irreversible. There is a risk that cell characteristics may be deteriorated due to an increase in capacity.
〔ホスファゼン化合物〕
ホスファゼン化合物は、上記したように、H2OやHFをトラップして、スルホン酸エステルの加水分解を抑え、もってスルホン酸エステル本来の保護被膜形成機能を維持させる働きを有する。
このようなホスファゼン化合物としては、セル特性の観点から、次式(1)で表される環状ホスファゼン及び次式(2)で表される鎖状ホスファゼンからなる群より選ばれる少なくとも1種の化合物を用いることが好ましい。
[Phosphazene compounds]
As described above, the phosphazene compound has a function of trapping H 2 O and HF, suppressing hydrolysis of the sulfonate ester, and maintaining the original protective film forming function of the sulfonate ester.
As such a phosphazene compound, from the viewpoint of cell characteristics, at least one compound selected from the group consisting of a cyclic phosphazene represented by the following formula (1) and a chain phosphazene represented by the following formula (2) is used. It is preferable to use it.
ただし、側鎖R は、−CH3、−CH2CH3 などのアルキル基(ただし、水素の一部または全部がフッ素などのハロゲン元素で置換されていてもよい)、または、−OCH3、−OCH2CH3、−OC6H5、−OCH2OCH2CH3などのアルコキシ基(ただし、水素の一部または全部がフッ素などのハロゲン元素で置換されていてもよい)、または、−COOCH3、−COOCH2CH3、−COOC6H5などのカルボキシル基(ただし、水素の一部または全部がフッ素などのハロゲン元素で置換されていてもよい)、または、−COCH3、−COCH2CH3、−COC6H5などのカルボニル基(ただし、水素の一部または全部がフッ素などのハロゲン元素で置換されていてもよい)、または、−C6H5、−C6H4CH3、−C6H5(CH3)2などのアリール基(ただし、水素の一部または全部がフッ素などのハロゲン元素で置換されていてもよい)、または、−CH=CH2、−CH=CH2C2H5、−CH=CH2C6H5などのアルケニル基(ただし、水素の一部または全部がフッ素などのハロゲン元素で置換されていてもよい)、または、フッ素、塩素などのハロゲン元素のいずれかであって、各々のRは互いに同じであっても、異なっていてもよい。また、nは0以上10以下の整数を示す。 However, the side chain R 1 is an alkyl group such as —CH 3 or —CH 2 CH 3 (however, part or all of hydrogen may be substituted with a halogen element such as fluorine), or —OCH 3 , -OCH 2 CH 3, -OC 6 H 5, alkoxy groups such as -OCH 2 OCH 2 CH 3 (although some hydrogen or all may be substituted with a halogen element such as fluorine), or, - COOCH 3, -COOCH 2 CH 3, -COOC 6 H 5 carboxyl group (provided that part of hydrogen or all may be substituted with a halogen element such as fluorine), such as, or, -COCH 3, -COCH 2 CH 3, a carbonyl group, such as -COC 6 H 5 (although some hydrogen or all may be substituted with a halogen element such as fluorine), also , -C 6 H 5, -C 6 H 4 CH 3, -C 6 H 5 (CH 3) 2 aryl group (such as, even if some of the hydrogen or all substituted by a halogen element such as fluorine Or a alkenyl group such as —CH═CH 2 , —CH═CH 2 C 2 H 5 , —CH═CH 2 C 6 H 5 (wherein part or all of hydrogen is a halogen element such as fluorine). Which may be substituted) or a halogen element such as fluorine or chlorine, and each R may be the same as or different from each other. N represents an integer of 0 or more and 10 or less.
このような化合物としては、具体的に、エトキシペンタフルオロシクロトリホスファゼン、ジエトキシテトラフルオロシクロトリホスファゼン、トリエトキシトリフルオロシクロトリホスファゼン、フェノキシペンタフルオロシクロトリホスファゼン、ジフェノキシテトラフルオロシクロトリホスファゼン、トリフェノキシトリフルオロシクロトリホスファゼン等を挙げることができる。 Specific examples of such compounds include ethoxypentafluorocyclotriphosphazene, diethoxytetrafluorocyclotriphosphazene, triethoxytrifluorocyclotriphosphazene, phenoxypentafluorocyclotriphosphazene, diphenoxytetrafluorocyclotriphosphazene, triphenoxy. And trifluorocyclotriphosphazene.
上記ホスファゼン化合物の含有量としては、支持電解質と非水溶媒の合計に対する質量比で0.5〜1%である。
すなわち、ホスファゼン化合物の含有量が0.1%に満たない場合には、スルホン酸エステルの分解抑制効果が十分に得られないことがあり、10%を超えて添加した場合には、セル特性の低下を招く傾向があることによる。
As content of the said phosphazene compound, it is 0.5 to 1% by mass ratio with respect to the sum total of a supporting electrolyte and a nonaqueous solvent .
That is, when the content of the phosphazene compound is less than 0.1%, the effect of suppressing the decomposition of the sulfonic acid ester may not be sufficiently obtained. This tends to cause a decline.
上記液体電解質は、イオン伝導性ポリマーからなるマトリックスポリマーに注入することによってゲル電解質として使用することもできる。
マトリックスポリマーとして用いられるイオン伝導性ポリマーとしては、例えば、ポリエチレンオキシド(PEO)、ポリプロピレンオキシド(PPO)、及びこれらの共重合体等を挙げることができる。このようなポリアルキレンオキシド系ポリマーには、リチウム塩などの電解質塩がよく溶解する。
The liquid electrolyte can also be used as a gel electrolyte by being injected into a matrix polymer made of an ion conductive polymer.
Examples of the ion conductive polymer used as the matrix polymer include polyethylene oxide (PEO), polypropylene oxide (PPO), and copolymers thereof. In such polyalkylene oxide polymers, electrolyte salts such as lithium salts are well dissolved.
ゲル電解質のマトリックスポリマーは、架橋構造を形成することによって、優れた機械的強度を発現させることができる。
架橋構造を形成させるには、適当な重合開始剤を用いて、高分子電解質形成用の重合性ポリマー(例えば、PEOやPPO)に対して熱重合、紫外線重合、放射線重合、電子線重合等の重合処理を施せばよい。
The matrix polymer of gel electrolyte can express excellent mechanical strength by forming a crosslinked structure.
In order to form a crosslinked structure, thermal polymerization, ultraviolet polymerization, radiation polymerization, electron beam polymerization, etc. are performed on a polymerizable polymer (for example, PEO or PPO) for forming a polymer electrolyte using an appropriate polymerization initiator. A polymerization treatment may be performed.
上記した液体電解質やゲル電解質は、多孔性シートや不織布から成るセパレータに含浸させた状態で使用することもできる。
セパレータは、正極と負極との間に介在して内部短絡を防止する機能を有し、綿、レーヨン、アセテート、ポリアミド、ポリエステル、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリイミド、アラミドなどの天然・合成繊維又はセラミックス繊維から成る不織布や、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリイミド、アラミドなどのポリマーから成る多孔性シートなど、イオン透過度が大きく、所定の機械的強度を有する絶縁性の材料が用いられる。なお、2種以上の多孔質シートの積層構造を採用することも可能である。
The liquid electrolyte and gel electrolyte described above can also be used in a state of being impregnated in a separator made of a porous sheet or a nonwoven fabric.
The separator has a function to prevent internal short circuit by interposing between the positive electrode and the negative electrode. Natural, cotton, rayon, acetate, polyamide, polyester, polyethylene (PE), polypropylene (PP), polyimide, aramid, etc. An insulating material having a high ion permeability and a predetermined mechanical strength, such as a nonwoven fabric made of synthetic fiber or ceramic fiber, or a porous sheet made of a polymer such as polyethylene, polypropylene, polyimide, or aramid, is used. It is also possible to adopt a laminated structure of two or more kinds of porous sheets.
セパレータには、シャットダウン機能、すなわち電池に過大な電流が流れたときに、その発熱によって多孔性シートの空孔を閉鎖して、電流を遮断する機能を付与することができ、この目的には、融点の異なるPE/PP/PEの3層の多孔性シートから成る積層構造が好適に用いられる。 The separator can be provided with a shutdown function, that is, when an excessive current flows through the battery, the heat generation closes the pores of the porous sheet and shuts off the current. A laminated structure composed of a three-layer porous sheet of PE / PP / PE having different melting points is preferably used.
次に、本発明の非水電解質二次電池について、その構成や材料と共に説明する。
非水電解質二次電池は、正極と電解質層と負極とをこの順に積層して成る単電池層を1組以上備えたものである。この単電池層は、正極集電体の表面に形成された正極活物質層と、負極集電体の表面に形成された負極活物質層とが上記電解質層を介して相対向した構造をなし、本発明の非水電解質二次電池は、電解質層として、本発明の上記非水電解質組成物を適用したことを特徴としている。
Next, the nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention will be described together with its configuration and materials.
A non-aqueous electrolyte secondary battery is provided with one or more sets of single battery layers formed by laminating a positive electrode, an electrolyte layer, and a negative electrode in this order. This single cell layer has a structure in which a positive electrode active material layer formed on the surface of the positive electrode current collector and a negative electrode active material layer formed on the surface of the negative electrode current collector are opposed to each other through the electrolyte layer. The non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention is characterized by applying the non-aqueous electrolyte composition of the present invention as an electrolyte layer.
正極は、アルミニウム箔、銅箔、ニッケル箔、ステンレス箔などの導電性の材料から成る集電体(正極集電体)の片面又は両面に、正極活物質層を形成した構造を備えている。なお、集電体の厚さは、特に限定されないが、一般には1〜30μm程度とすることが好ましい。
正極活物質層は、正極活物質と共に、必要に応じて導電助剤やバインダ(結着剤)を含ませることができる。
The positive electrode has a structure in which a positive electrode active material layer is formed on one side or both sides of a current collector (positive electrode current collector) made of a conductive material such as an aluminum foil, a copper foil, a nickel foil, or a stainless steel foil. The thickness of the current collector is not particularly limited, but generally it is preferably about 1 to 30 μm.
A positive electrode active material layer can contain a conductive support agent and a binder (binder) with a positive electrode active material as needed.
本発明の非水電解質二次電池において、正極活物質としては特に限定されず、従来公知の正極活物質を用いることができ、例えば、リチウム−遷移金属複合酸化物を好適に使用できる。具体的には、LiCoO2などのLi・Co系複合酸化物、LiNiO2などのLi−Ni系複合酸化物、スピネルLiMn2O4などのLi−Mn系複合酸化物、LiFeO2などのLi−Fe系複合酸化物などが挙げられる。この他、LiFePO4などの遷移金属とリチウムのリン酸化合物や硫酸化合物、V2O5,MnO2,TiS2,MoS2,MoO3などの遷移金属酸化物や硫化物、PbO2,AgO,NiOOHなどが挙げられる。 これらの正極活物質は、出力特性、容量、反応性、サイクル耐久性に優れ、低コストでもある。また、2種以上の正極活物質を併用することも可能である。 In the nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention, the positive electrode active material is not particularly limited, and a conventionally known positive electrode active material can be used. For example, a lithium-transition metal composite oxide can be preferably used. Specifically, Li · Co-based composite oxide such as LiCoO 2, Li-Ni-based composite oxide such as LiNiO 2, LiMn composite oxide such as spinel LiMn 2 O 4, such as LiFeO 2 Li- Examples thereof include Fe-based composite oxides. In addition, transition metal oxides such as LiFePO 4 and lithium phosphate compounds and sulfate compounds, transition metal oxides such as V 2 O 5 , MnO 2 , TiS 2 , MoS 2 , and MoO 3 , sulfides, PbO 2 , AgO, NiOOH etc. are mentioned. These positive electrode active materials are excellent in output characteristics, capacity, reactivity, cycle durability, and low in cost. It is also possible to use two or more positive electrode active materials in combination.
一方、負極は、正極と同様に、上記したような導電性の材料から成る集電体(負極集電体)の片面又は両面に、負極極活物質層を形成した構造を備え、負極活物質層についても、正極の場合と同様に、必要に応じて、導電助剤やバインダを含有させることができる。 On the other hand, the negative electrode has a structure in which a negative electrode active material layer is formed on one side or both sides of a current collector (negative electrode current collector) made of a conductive material as described above, as in the case of the positive electrode. As with the positive electrode, the layer may contain a conductive additive or a binder as necessary.
本発明においては、負極活物質としても特に限定はなく、従来公知の負極活物質を用いることができる。好適なものとしては、炭素材料、合金系負極材料、リチウム−チタン複合酸化物(チタン酸リチウム:Li4Ti5O12)等のリチウム−移金属複合酸化物、チタン酸カリウム、炭化チタン、二酸化チタン、酸化マグネシウム等が例示されるが、出力特性、容量、反応性、サイクル耐久性の観点からは、炭素材料や合金系負極材料が好ましい。これらは単独で使用してもよいし、2種以上を併用することもできる。 In the present invention, the negative electrode active material is not particularly limited, and a conventionally known negative electrode active material can be used. Suitable examples include carbon materials, alloy-based negative electrode materials, lithium-transfer metal composite oxides such as lithium-titanium composite oxide (lithium titanate: Li 4 Ti 5 O 12 ), potassium titanate, titanium carbide, and dioxide. Titanium, magnesium oxide, etc. are exemplified, but from the viewpoint of output characteristics, capacity, reactivity, and cycle durability, carbon materials and alloy-based negative electrode materials are preferable. These may be used alone or in combination of two or more.
上記炭素材料として、具体的には、グラファイト、カーボンブラック、活性炭、カーボンファイバー、コークス、ソフトカーボン、ハードカーボン等が挙げられる。これらのうち、グラファイトがより好ましい。これら炭素材料についても、1種を単独で使用することも、2種以上のものを併用することもできる。 Specific examples of the carbon material include graphite, carbon black, activated carbon, carbon fiber, coke, soft carbon, and hard carbon. Of these, graphite is more preferred. These carbon materials can be used alone or in combination of two or more.
上記した合金系負極材料として、ケイ素、スズ、アルミニウム、亜鉛、ゲルマニウム、鉛、マグネシウム、ナトリウム、ガリウム及びインジウムからなる群より選択される少なくとも1種以上を含むものが好ましく、ケイ素又はスズを含むことがより好ましい。
具体的には、ケイ素、一酸化ケイ素、二酸化錫、炭化ケイ素、錫が挙げることができ、より好適にはケイ素および一酸化ケイ素である。これらは1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
The alloy-based negative electrode material described above preferably includes at least one selected from the group consisting of silicon, tin, aluminum, zinc, germanium, lead, magnesium, sodium, gallium, and indium, and includes silicon or tin. Is more preferable.
Specific examples include silicon, silicon monoxide, tin dioxide, silicon carbide, and tin, and silicon and silicon monoxide are more preferable. These may be used individually by 1 type and may use 2 or more types together.
上記した正極活物質及び負極活物質の平均粒子径については、特に制限されないが、高出力化の観点からは、1〜20μmの範囲内であることが好ましい。 The average particle diameter of the positive electrode active material and the negative electrode active material is not particularly limited, but is preferably in the range of 1 to 20 μm from the viewpoint of increasing the output.
必要に応じて正極活物質や負極活物質層に添加されるバインダとしては、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)やポリイミド、ポリアミドイミド、合成ゴム系バインダ等を用いることができる。
同様に、活物質層に必要に応じて含まれる導電助剤とは、正極活物質層や負極活物質層の導電性を向上させるために配合される添加物であって、アセチレンブラック等のカーボンブラック、グラファイト、気相成長炭素繊維などの炭素材料を挙げることができる。活物質層がこのような導電助剤を含むことによって、活物質層の内部における電子ネットワークが効果的に形成され、電池の出力特性の向上に寄与する。
As the binder added to the positive electrode active material or the negative electrode active material layer as necessary, for example, polyvinylidene fluoride (PVdF), polyimide, polyamideimide, a synthetic rubber binder, or the like can be used.
Similarly, the conductive auxiliary agent contained in the active material layer as necessary is an additive compounded to improve the conductivity of the positive electrode active material layer or the negative electrode active material layer, and is a carbon such as acetylene black. Examples thereof include carbon materials such as black, graphite, and vapor grown carbon fiber. When the active material layer contains such a conductive additive, an electronic network inside the active material layer is effectively formed, which contributes to improvement of the output characteristics of the battery.
正極活物質層および負極活物質層中に含まれる成分の配合比については、特に限定されず、これらの配合比は、非水電解質二次電池に関する公知の情報を適宜参照することによって調整することができる。
また、正極及び負極活物質層の厚さについても特に限定はないが、一般には、2〜150μm程度である。
The compounding ratio of the components contained in the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer is not particularly limited, and these compounding ratios may be adjusted by appropriately referring to known information on the nonaqueous electrolyte secondary battery. Can do.
Moreover, although there is no limitation in particular also about the thickness of a positive electrode and a negative electrode active material layer, generally it is about 2-150 micrometers.
なお、上記説明では、正極活物質層及び負極活物質層をそれぞれの集電体の片面又は両面上に形成するものとしたが、1枚の集電体の一方の面に正極活物質層、他方の面に負極活物質層をそれぞれに形成することもでき、このような電極は、双極型電池に適用することができる。 In the above description, the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer are formed on one surface or both surfaces of each current collector, but the positive electrode active material layer on one surface of one current collector, A negative electrode active material layer can be formed on each of the other surfaces, and such an electrode can be applied to a bipolar battery.
また、本発明の非水電解質二次電池の形状についても特に限定はなく、例えば積層型の扁平形状、巻回型の円筒形状、巻回型を変形させた矩形状扁平形状、さらにはコイン型などに適用することができる。
さらに外装材についても、ラミネートフィルムや金属缶などを用いることができる。
Further, the shape of the nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention is not particularly limited. For example, a laminated flat shape, a wound cylindrical shape, a rectangular flat shape obtained by deforming a wound shape, and a coin shape Etc.
Furthermore, a laminated film, a metal can, etc. can be used also about an exterior material.
以下、本発明を、実施例及び比較例に基づいて更に詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated further in detail based on an Example and a comparative example, this invention is not limited to these Examples.
〔非水電解液の作製〕
エチレンカーボネート(EC)とジエチルカーボネート(DEC)を30:70の体積比で混合した溶媒を非水溶媒として用い、これに支持電解質としてLiPF6を1.0Mの濃度となるように溶解させて電解液ベースとした。
そして、得られた電解液ベース、すなわち上記混合溶媒と支持電解質の合計質量に対して、スルホン酸エステルであって、次式(4)で示されるシクロジソンを1.5%の濃度で添加した。さらに、これに、式(5)〜(7)で示される環状ホスファゼン化合物を電解液ベースに対して、それぞれ0(比較例)、0.1、0.5、0.75、1、5、10%の各濃度で添加することによって、実施例、参考例及び比較例の非水電解液を得た。
[Preparation of non-aqueous electrolyte]
A solvent in which ethylene carbonate (EC) and diethyl carbonate (DEC) were mixed at a volume ratio of 30:70 was used as a non-aqueous solvent, and LiPF 6 was dissolved as a supporting electrolyte to a concentration of 1.0 M for electrolysis. A liquid base was used.
Then, a cyclodison represented by the following formula (4), which is a sulfonate ester, was added at a concentration of 1.5% with respect to the obtained electrolytic solution base, that is, the total mass of the mixed solvent and the supporting electrolyte. Furthermore, to this, cyclic phosphazene compounds represented by the formulas (5) to (7) were respectively 0 (comparative example), 0.1, 0.5, 0.75, 1, 5, By adding at each concentration of 10%, non-aqueous electrolytes of Examples , Reference Examples and Comparative Examples were obtained.
〔電解液の耐劣化性評価〕
上記によって得られた各非水電解液について、電解液調製後すぐに、55℃に保持した恒温槽中に7日間保存した後、電解液の状態を目視にて観察した。この結果を表1に示す。
[Evaluation of deterioration resistance of electrolyte]
About each non-aqueous electrolyte obtained by the above, immediately after preparing electrolyte solution, after preserve | saving for 7 days in the thermostat hold | maintained at 55 degreeC, the state of electrolyte solution was observed visually. The results are shown in Table 1.
〔正極の作製〕
正極活物質としてLiMn2O4(平均粒子径:15μm)を85%、導電助剤としてアセチレンブラックを5%、バインダとしてPVdFを10%混合し、この固形分に対し、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)をスラリー粘度調整用溶媒として適量添加し、正極スラリーを得た。
次に、得られた正極スラリーを集電体であるアルミニウム箔(20μm)の片側に塗布して乾燥させ、正極を作製した。
[Production of positive electrode]
85% LiMn 2 O 4 (average particle size: 15 μm) as a positive electrode active material, 5% acetylene black as a conductive assistant, and 10% PVdF as a binder were mixed, and N-methyl-2- An appropriate amount of pyrrolidone (NMP) was added as a slurry viscosity adjusting solvent to obtain a positive electrode slurry.
Next, the obtained positive electrode slurry was applied to one side of an aluminum foil (20 μm) as a current collector and dried to produce a positive electrode.
〔負極の作製〕
負極活物質としてMCMB(メゾカーボンマイクロビーズ、平均粒子径:20μm)を85%、導電助剤としてアセチレンブラックを5%、バインダとしてPVdFを10%混合し、この固形分に対し、スラリー粘度調整溶媒であるNMPを適量添加して、負極スラリーを得た。
次に、得られた負極スラリーを集電体である銅箔(15μm)の片側に塗布して乾燥させ、負極を作製した。
(Production of negative electrode)
MCMB (mesocarbon microbeads, average particle size: 20 μm) 85% as a negative electrode active material, 5% acetylene black as a conductive additive, and 10% PVdF as a binder are mixed. An appropriate amount of NMP was added to obtain a negative electrode slurry.
Next, the obtained negative electrode slurry was applied to one side of a copper foil (15 μm) as a current collector and dried to prepare a negative electrode.
〔単電池の組み立て〕
上記により得られた正極及び負極のそれぞれに加熱ロールプレスを施し、電極が集電体を突き破らない程度に加圧することによって、正極活物質層及び負極活物質層の厚さがそれぞれ75μm及び65μmとなるようにプレスした。
その後、これら正極及び負極を90×90mmの正方形状にそれぞれ切断し、正極と負極とを95×95mmのセパレータ(ポリオレフィン微多孔膜、厚さ20μm)を介して貼り合せた。
[Assembly of single cells]
Each of the positive electrode and the negative electrode obtained as described above is subjected to a heating roll press, and pressed to such an extent that the electrode does not break through the current collector, whereby the thickness of the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer is 75 μm and 65 μm, respectively. It pressed so that it might become.
Thereafter, the positive electrode and the negative electrode were each cut into a 90 × 90 mm square shape, and the positive electrode and the negative electrode were bonded together via a 95 × 95 mm separator (polyolefin microporous film, thickness 20 μm).
これらの正極と負極それぞれにタブを溶接し、アルミラミネートフィルムからなる外装中に、先に調製したそれぞれの非水電解液と共に密封して単電池を完成させた。 A tab was welded to each of these positive electrodes and negative electrodes, and sealed with each of the previously prepared non-aqueous electrolytes in an exterior made of an aluminum laminate film to complete a single cell.
〔電池の性能評価〕
上記のようにして作製した非水電解質二次電池(単電池)を充放電性能試験により評価した。その結果を表1に併せて示す。
すなわち、55℃に保持した恒温槽において、電池温度を55℃とした後、1Cの電流レートで4.2Vまで定電流充電(CC)した後、定電圧充電(CV)を行い、都合3時間充電した。そして10分間休止時間を設けた後、1Cの電流レートで2.5Vまで放電を行い、放電後10分間休止させる充放電過程を1サイクルとする充放電試験を実施した。そして、初回の放電容量に対する100サイクル後の放電容量の割合を容量維持率とした。
[Battery performance evaluation]
The nonaqueous electrolyte secondary battery (single cell) produced as described above was evaluated by a charge / discharge performance test. The results are also shown in Table 1.
That is, in a thermostatic chamber maintained at 55 ° C., the battery temperature is set to 55 ° C., then constant current charging (CC) is performed to 4.2 V at a current rate of 1 C, and then constant voltage charging (CV) is performed for 3 hours. Charged. Then, after providing a 10-minute rest period, a charge / discharge test was performed in which a charge / discharge process of discharging to 2.5 V at a current rate of 1 C and resting for 10 minutes after the discharge was performed as one cycle. The ratio of the discharge capacity after 100 cycles to the initial discharge capacity was defined as the capacity maintenance rate.
その結果、スルホン酸エステルとしてシクロジソンを含有する非水電解液においては、所定の環状ホスファゼン化合物の添加によって、特に0.1%という少量添加によっても、スルホン酸エステルの高温分解による析出物の発生をほぼ完全に防止することができ、高温保存性が改善できることが確認された。
また、このような非水電解液を用いた二次電池においては、上記ホスファゼン化合物の添加量増大によって、サイクル特性の若干の劣化傾向が認められるものの、その添加量が10%を超えない限り、殆ど同等のサイクル特性を示すことが確認された。
As a result, in non-aqueous electrolytes containing cyclodisone as the sulfonate ester, the occurrence of precipitates due to the high-temperature decomposition of the sulfonate ester is caused by the addition of a predetermined cyclic phosphazene compound, especially by adding a small amount of 0.1%. It was confirmed that it could be almost completely prevented and the high temperature storage stability could be improved.
Further, in the secondary battery using such a non-aqueous electrolyte, although a slight deterioration tendency of the cycle characteristics is observed due to an increase in the amount of the phosphazene compound added, as long as the amount added does not exceed 10%, It was confirmed that almost the same cycle characteristics were exhibited.
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