JP5614433B2

JP5614433B2 - リチウムイオン二次電池用非水電解液及びリチウムイオン二次電池

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Publication number: JP5614433B2
Application number: JP2012191580A
Authority: JP
Inventors: 研太小谷; 悠西村
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2012-08-31
Filing date: 2012-08-31
Publication date: 2014-10-29
Anticipated expiration: 2032-08-31
Also published as: JP2014049296A

Description

本発明は、リチウムイオン二次電池用非水電解液及び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ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池と比べ、軽量、高容量であるため、携帯電子機器用電源として広く応用されている。またハイブリッド自動車や、電気自動車用に搭載される電源として有力な候補ともなっている。しかしながら、近年の携帯電子機器の小型化、高機能化に伴い、これらの電源となるリチウムイオン二次電池への更なる高容量化が期待されている。

リチウムイオン二次電池は、主として、正極、負極、セパレータ、非水電解液から構成されており、一般に、正極にリチウム金属複合酸化物、負極にリチウムイオンを吸蔵放出可能な炭素材等を用い、非水電解液として常温で液体の有機溶媒にリチウム塩を溶解させた液状の電解質が用いられている。しかし、負極の炭素材の表面では、有機溶媒が関与する副反応が生じ、期待される放電容量が得られないなど特性に悪影響を及ぼしてしまう。このため、負極が有機溶媒と直接反応しないように、負極表面に被膜を形成するとともに、この被膜の状態や性質を制御することが重要な課題になっている。

この負極表面被膜を形成、制御するために、電解液中に特殊な添加剤を加えることが行われている。例えば、ビニレンカーボネートを非水電解液に添加し、サイクル特性が向上することが知られている（特許文献１参照）。ビニレンカーボネート添加により、負極活物質材料の表面に被膜が形成されて、負極上での副反応が抑制されたことに起因すると考えられる。

特開２００３−３０８８７５号公報

しかしながら、上述した特許文献１に記載された従来のリチウムイオン二次電池においては、負極表面に被膜を形成することで電解液の不要な反応や分解を抑制し、室温におけるサイクル特性の向上は確認されたが、低温においては充放電を数回繰り返したところで容量が激減するという問題があった。

本発明は、前記課題に鑑みてなされたものであり、十分な初期放電容量が得られる上、低温においても良好なサイクル特性を持つリチウムイオン二次電池用非水電解液及びリチウムイオン二次電池を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明のリチウムイオン二次電池用非水電解液は、非水溶媒と、電解質と、不飽和結合を有する環状炭酸エステルを０．０１〜２質量％と、３級炭素を含む鎖状エーテルを０．００１〜１質量％と、を含むことを特徴とする。

不飽和結合を有する環状炭酸エステル及び３級炭素を含む鎖状エーテルは、共にリチウムイオン二次電池の負極活物質材料と非水電解液との界面における被膜の形成に寄与する。不飽和結合を有する環状炭酸エステル及び３級炭素を含む鎖状エーテルの添加量をそれぞれ規定の範囲内にすることで、リチウムイオン伝導性の高い被膜になり、十分な初期放電容量を持つリチウムイオン電池を得ることができる。また、この被膜は低温においても高いリチウムイオン伝導性を持つ上、非水溶媒の分解など副作用を抑制する作用を持つことで、低温における充放電サイクル後においても優れた放電容量を実現できるものと考えられる。

本発明のリチウムイオン二次電池用非水電解液に含まれる３級炭素を含む鎖状エーテルとして、ｔ−ブチルメチルエーテルであることが好ましい。これにより、室温において十分な初期放電容量を得られる。

本発明のリチウムイオン二次電池用非水電解液中の不飽和結合を有する環状炭酸エステルは、ビニレンカーボネートであることが好ましい。これにより、サイクル特性が向上する。

本発明のリチウムイオン二次電池用非水電解液は、非水溶媒としてエチレンカーボネートとエチルメチルカーボネートを含むことが好ましい。エチレンカーボネートとエチルメチルカーボネートとは、初期放電容量と、低温でのサイクル特性とを同時に良好とするのに好適な組み合わせである。

本発明のリチウムイオン二次電池用非水電解液は、電解質はＬｉＰＦ_６を含むことが好ましい。これにより、導電性が高くなり、十分な初期放電容量を得られる。

本発明のリチウムイオン二次電池用非水電解液は、更に、下記式（１）で示すエチレングリコールサルフェート誘導体を４質量％以下含むことが好ましい。

〔式（１）中、Ｒ_１及びＲ_２は、それぞれ独立に水素原子及び炭素数１〜５の炭化水素基からなる群より選ばれる少なくとも一種を表す。〕

エチレングリコールサルフェート誘導体は、不飽和結合を有する環状炭酸エステルや３級炭素を含む鎖状エーテルと共に、リチウムイオン二次電池の負極活物質材料と非水電解液との界面における被膜形成に寄与する。エチレングリコールサルフェート誘導体を適量添加することで、リチウムイオン二次電池の内部インピーダンスを更に低下させ、初期放電容量をより大きくすることが期待される。また、形成された被膜はより強固になることから、更に低温におけるサイクル特性を向上させることができる。

前記式（１）で表されるエチレングリコールサルフェート誘導体は、サイクル特性向上の観点から、Ｒ_１及びＲ_２が共に水素原子であることが好ましい。

本発明のリチウムイオン二次電池は、正極と、負極と、セパレータと、非水溶媒及び電解質を有する非水電解液を備え、不飽和結合を有する環状炭酸エステルを０．０１〜２質量％と、３級炭素を含む鎖状エーテルを０．００１〜１質量％と、を含むことを特徴とする。

本発明のリチウムイオン二次電池の負極は炭素材を主成分とすることが好ましい。

本発明によれば、十分な初期放電容量が得られる上、低温において良好なサイクル特性を持つリチウムイオン二次電池用非水電解液及びリチウムイオン二次電池を提供することができる。

リチウムイオン二次電池の模式断面図である。

以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明する。ただし、本発明にかかるリチウムイオン二次電池用非水電解液及びリチウムイオン二次電池は、以下の実施形態に限定されるものではない。なお、図面の寸法比率は図示の比率に限られるものではない。

（リチウムイオン二次電池）
続いて、本実施形態に係る電極、及びリチウムイオン二次電池について図１を参照して簡単に説明する。

リチウムイオン二次電池１００は、主として、発電要素３０、発電要素３０を密閉した状態で収容するケース５０、及び発電要素３０に接続された一対のリード６０，６２を備えている。

発電要素３０は、一対の電極１０、２０がセパレータ１８を挟んで対向配置されたものである。正極１０は、正極集電体１２上に正極活物質層１４が設けられた物である。負極２０は、負極集電体２２上に負極活物質層２４が設けられた物である。正極活物質層１４及び負極活物質層２４がセパレータ１８の両側にそれぞれ接触している。正極活物質層１４、負極活物質層２４、及び、セパレータ１８の内部にリチウムイオン二次電池用非水電解液（以下、「非水電解液」という。）が含有されている。正極集電体１２及び負極集電体２２の端部には、それぞれリード６０，６２が接続されており、リード６０，６２の端部はケース５０の外部にまで延びている。

（負極）
負極２０は、負極集電体２２の両面に負極活物質層２４を備えて構成されている。さらに、負極活物質層２４は、負極活物質材料と、導電助剤と、結着剤とを含む塗料を負極集電体２２に塗布することによって形成されている。

負極活物質材料は、天然黒鉛、人造黒鉛（難黒鉛化炭素、易黒鉛化炭素、低温度焼成炭素等）、ＭＣＦ（メソカーボンファイバ）等の炭素材から選ばれる少なくとも１種を含んでいる。中でも、良好な負極容量及びサイクル特性を示すことから人造黒鉛が好ましく、電極密度向上の観点から、人造黒鉛を天然黒鉛と混合して使用することが更に好ましい。
その他、例えば、Ａｌ、Ｓｉ、Ｓｎ等のリチウムと化合物を形成することのできる金属、ＳｉＯ_２、ＳｎＯ_２等の酸化物を主体とする非晶質の化合物、チタン酸リチウム（Ｌｉ_４Ｔｉ_５Ｏ_１２）など公知の負極活物質材料を炭素材と混合させて使用してもよい。

導電助剤は特に限定されず、公知の導電助剤を使用できる。例えば、カーボンブラックのような熱分解炭素、コークス類、ガラス状炭素類、有機高分子化合物焼成材料、炭素繊維、あるいは活性炭などの炭素材が挙げられる。また、難黒鉛化性炭素、易黒鉛化性炭素、黒鉛などの負極活物質材料を、形状を変えて添加してもよい。

カーボンブラックとしては、特に、アセチレンブラック、ケッチェンブラック等が好ましく、ケッチェンブラックが特に好ましい。電子伝導性の多孔体を含有させることにより負極活物質材料の粒子と結着剤の界面に空孔を形成でき、その空孔により負極活物質層２０への非水電解液の染み込みを容易にするので好ましい。

結着剤は、前記の負極活物質材料の粒子と導電助剤の粒子とを結着可能なものであれば特に限定されない。例えば、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、ポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）、エチレン−クロロトリフルオロエチレン共重合体（ＥＣＴＦＥ）、ポリフッ化ビニル（ＰＶＦ）等のフッ素樹脂が挙げられる。また、この結着剤は、前記の負極活物質材料の粒子と導電助剤の粒子との結着のみならず、負極集電体２２への結着に対しても寄与している。

負極集電体２２は、リチウムイオン二次電池用の集電体に使用されている各種公知の金属箔を用いることができる。具体的には、銅箔を用いることが好ましい。

（正極）
正極１０は、正極集電体１２の両面に正極活物質層１４を備えて構成されている。さらに正極活物質層１４は、正極活物質材料と、導電助剤と、結着剤とを含む塗料を正極集電体３２に塗布することによって形成されている。

正極活物質材料は、リチウムイオンの吸蔵及び放出、リチウムイオンの脱離及び挿入（インターカレーション）、又は、リチウムイオンと該リチウムイオンのカウンターアニオン（例えば、ＣｌＯ_４ ⁻）とのドープ及び脱ドープを可逆的に進行させることが可能であれば特に限定されず、公知の電極活物質材料を使用できる。例えば、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ_２）、ニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ_２）、リチウムマンガンスピネル（ＬｉＭｎ_２Ｏ_４）、一般式：ＬｉＮｉ_ｘＣｏ_ｙＭｎ_ｚＯ_２（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）やＬｉ_ａＮｉ_ｘＣｏ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｏ_２（０．９８＜ａ＜１．２、０＜ｘ，ｙ＜１）で表される複合金属酸化物、オリビン型ＬｉＭＰＯ_４（ただし、Ｍは、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、ＦｅまたはＶを示す）、リチウムバナジウム化合物（ＬｉＶＯＰＯ_４）等の複合金属酸化物が挙げられる。

更に、正極活物質材料以外の各構成要素（導電助剤、結着剤）は、負極２０で使用されるものと同様の物質を使用することができる。したがって、正極１０に含まれる結着剤も、前記の正極活物質材料の粒子と導電助剤の粒子との結着のみならず、正極集電体１２への結着に対しても寄与している。

正極集電体１２は、リチウムイオン二次電池用の集電体に使用されている各種公知の金属箔を用いることができる。具体的には、アルミニウム箔を用いることが好ましい。

（セパレータ）
セパレータ１８は絶縁性の多孔体から形成されていれば、材料、製法等は特に限定されず、公知のセパレータを使用することができる。例えば、絶縁性の多孔体としては、公知のポリオレフィン樹脂、具体的にはポリエチレン、ポリプロピレン、１−ブテン、４−メチル−１−ペンテン、１−ヘキセンなどを重合した結晶性の単独重合体または共重合体が挙げられる。これらの単独重合体または共重合体は、１種を単独で使用することができるが、２種以上のものを混合して用いてもよい。また、単層であっても複層であってもよい。

（非水電解液）
非水電解液は、非水溶媒と電解質と、不飽和結合を有する環状炭酸エステルを０．０１〜２質量％と、３級炭素を含む鎖状エーテルを０．００１〜１質量％と、を含む。

不飽和結合を有する環状炭酸エステルと、３級炭素を含む鎖状エーテルとを同時に添加することによる効果発現のメカニズムははっきりとしないが、本発明者らは以下のように考えている。

非水電解液に不飽和結合を有する環状炭酸エステルと３級炭素を含む鎖状エーテルを適量含ませておくと、非水電解液中のリチウムイオンに対する溶媒和エネルギーが小さくなり、正極にリチウムイオンが挿入される際に必要となるエネルギーが減少すると考えられる。そのため、大きな初期充電容量を得ることができるようになる。

また、不飽和結合を有する環状炭酸エステルは負極活物質材料表面に被膜を形成し、その被膜は主にサイクル特性に対して有効に働く。そこへ、３級炭素を含む鎖状エーテルが加わると、リチウムイオン伝導性の高い被膜ができ、低温においても大きな充電容量を得ることができる。

通常、低温における充電時には負極がリチウムイオンを吸蔵しきれず、負極表面にリチウムデンドライトとして析出することで、低温でのサイクル特性の劣化を招く。しかし、非水電解液に不飽和結合を有する環状炭酸エステルと３級炭素を含む鎖状エーテルを適量含ませておくと、その析出は無くなり、低温においても良好なサイクル特性を示すようになる。

不飽和結合を有する環状炭酸エステルの含有量が０．０１質量％以上であれば、リチウムイオン二次電池の負極活物質材料と非水電解液との界面における被膜が形成され、充放電サイクル時の容量低下を最小限に抑制することができる。また、不飽和結合を有する環状炭酸エステルの含有量が２質量％以内にすることでリチウムイオン二次電池の内部インピーダンスの増大を抑え、低温においても十分な充電容量及び放電容量を得ることができる。

不飽和結合を有する環状炭酸エステルの含有量は０．０５〜１質量％が好ましく、０．０５〜０．５質量％であることが更に好ましい。

３級炭素を含む鎖状エーテルの含有量が０．００１質量％あれば、不飽和結合を有する環状炭酸エステルによる被膜形成がスムーズに行われ、結果として低温における充放電サイクル時の容量劣化を抑えることができる。また、３級炭素を含む鎖状エーテルの含有量が１質量％以内であれば、負極界面における不飽和結合を有する環状炭酸エステルの被膜形成を阻害しにくく、低温における充電容量及び放電容量が十分得られるようになる。

１，４−ジオキサンの含有量は０．００１〜０．２質量％であることが好ましく、０．０５〜０．５質量％であることが更に好ましい。

−１０℃でのサイクル特性を向上させる観点から、不飽和結合を有する環状炭酸エステルと３級炭素を含む鎖状エーテルの含有量は、不飽和結合を有する環状炭酸エステルが０．０５〜１質量％、かつ、３級炭素を含む鎖状エーテルが０．００１〜０．５質量％であることが好ましく、不飽和結合を有する環状炭酸エステルが０．０５〜０．５質量％、かつ、３級炭素を含む鎖状エーテルが０．０５〜０．５質量％であることが更に好ましい。

３級炭素を含む鎖状エーテルとしては、ｔ−ブチルメチルエーテル、エチル−ｔ−ブチルエーテル、ジ−ｔ−ブチルエーテル、エチレングリコールモノ−ｔ−ブチルエーテル、などが挙げられ、室温において十分な放電容量を得られることから、ｔ−ブチルメチルエーテルであることが好ましい。

前記不飽和結合を有する環状炭酸エステルとしては、ビニレンカーボネート、ビニルエチレンカーボネートなどが挙げられるが、低温でのサイクル特性を向上させる観点から、ビニレンカーボネートであることが好ましい。

非水電解液は、更に下記式（１）で示すエチレングリコールサルフェート誘導体を４質量％以下含むことが好ましい。

エチレングリコールサルフェート誘導体も不飽和結合を有する環状炭酸エステルと同様、負極活物質材料の表面に被膜を形成し、その被膜も充放電サイクル時の容量低下を抑制する効果を持つ。不飽和結合を有する環状炭酸エステルと環状エーテルに、エチレングリコールサルフェート誘導体を適量加えると、更に充放電サイクル時の容量低下を抑制するだけでなく、負極表面の被膜のリチウムイオン伝導性が上がることでリチウムイオン二次電池の内部インピーダンスを低下させ、低温での充電容量と放電容量も大きくすることができる。

エチレングリコールサルフェートの含有量を４質量％以内にすることでリチウムイオン二次電池の内部インピーダンスの増大を抑え、リチウムイオン二次電池を作製した場合に、十分な初期放電容量や低温サイクル特性を得ることができる。

エチレングリコールサルフェート誘導体としては、Ｒ_１及びＲ_２が水素原子であるエチレングリコールサルフェート、Ｒ_１及びＲ_２の一方が水素原子で他方がメチル基であるプロパン１，２−サイクリックサルフェート、Ｒ_１及びＲ_２の一方が水素原子で他方がエチル基であるブタン１，２−サイクリックサルフェートなどが挙げられるが、サイクル特性向上の観面からエチレングリコールサルフェートであることが好ましい。

非水溶媒は、環状カーボネートと、低粘度溶媒と、を含有していることが好ましい。環状カーボネートは電解質であるリチウム塩の解離を促す様、誘電率が２０以上であることを特徴とする。低粘度溶媒はリチウムイオンの移動度を改善する様、粘度が１．０ｃＰ以下である有機溶媒のことを指す。

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などを用いることができ、中でもエチレンカーボネートを含むことが好ましい。エチレンカーボネートをプロピレンカーボネートやブチレンカーボネートと混合して使用してもよい。

また、低粘度溶媒として、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、エチルプロピルカーボネート、ジアリルカーボネート、酢酸メチル、酢酸エチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、γ−ブチロラクトン、１，２−ジメトキシエタン、１，２−ジエトキシエタンなどを用いることができ、十分な初期放電容量と低温での良好なサイクル特性の両立の点から、エチルメチルカーボネートを含むことが好ましい。エチルメチルカーボネートを他の低粘度溶媒と混合して使用してもよい。

非水溶媒中の環状カーボネートと低粘度溶媒の割合は体積にして１：９〜１：１にすることが好ましい。

電解質としては、ＬｉＣｌＯ_４、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＡｓＦ_６、ＬｉＣＦ_３ＳＯ_３、ＬｉＣＦ_３ＣＦ_２ＳＯ_３、ＬｉＣ（ＣＦ_３ＳＯ_２）_３、ＬｉＮ（ＣＦ_３ＳＯ_２）_２、ＬｉＮ（ＣＦ_３ＣＦ_２ＳＯ_２）_２、ＬｉＮ（ＣＦ_３ＳＯ_２）（Ｃ_４Ｆ_９ＳＯ_２）、ＬｉＮ（ＣＦ_３ＣＦ_２ＣＯ）_２等が挙げられ、２種以上を混合して用いてもよい。特に、導電性が高くなることから、ＬｉＰＦ_６を含むことが好ましい。

ＬｉＰＦ_６を非水溶媒に溶解する際は、非水電解液中の電解質の濃度を、０．５〜２．０ｍｏｌ／Ｌに調整することが好ましい。電解質の濃度が０．５ｍｏｌ／Ｌ以上であると、非水電解液の導電性を充分に確保することができ、充放電時に十分な容量が得られやすい。また、電解質の濃度が２．０ｍｏｌ／Ｌ以内に抑えることで、非水電解液の粘度上昇を抑え、リチウムイオンの移動度を充分に確保することができ、充放電時に十分な容量が得られやすくなる。

ＬｉＰＦ_６をその他の電解質と混合する場合にも、非水電解液中のリチウムイオン濃度が０．５〜２．０ｍｏｌ／Ｌに調整することが好ましく、ＬｉＰＦ_６からのリチウムイオン濃度がその５０ｍｏｌ％以上含まれることがさらに好ましい。

ケース５０は、その内部に発電要素３０及び非水電解液を密封するものである。ケース５０は、非水電解液の外部への漏出や、外部からのリチウムイオン二次電池１００内部への水分等の侵入等を抑止できる物であれば特に限定されない。例えば、ケース５０として、図１に示すように、金属箔５２を高分子膜５４で両側からコーティングした金属ラミネートフィルムを利用できる。金属箔５２としては例えばアルミ箔を、合成樹脂膜５４としてはポリプロピレン等の膜を利用できる。例えば、外側の高分子膜５４の材料としては融点の高い高分子例えばポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリアミド等が好ましく、内側の高分子膜５４の材料としてはポリエチレン、ポリプロピレン等が好ましい。

リード６０，６２は、アルミやニッケル等の導電材料から形成されている。

以下、実施例及び比較例を挙げて本発明について更に詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されない。

以下に示す手順により実施例１〜５６、比較例１〜９のリチウムイオン二次電池用非水電解液及びリチウムイオン二次電池を作製した。

（実施例１）
先ず、負極を作製した。負極の作製においては、負極活物質材料として人造黒鉛（９０質量％）、導電助剤としてカーボンブラック（２質量％）、結着剤としてポリフッ化ビニリデン（以下、「ＰＶＤＦ」という。）（８質量％）を混合し、溶剤のＮ−メチル−２−ピロリドン（以下、「ＮＭＰ」という。）中に分散させ、スラリーを得た。得られたスラリーをドクターブレード法により集電体である電解銅箔に塗布し、１１０℃で乾燥させた。乾燥後に圧延を行い、負極を得た。

次に、正極を作製した。正極の作製においても、正極活物質材料としてＬｉＮｉ_１／３Ｃｏ_１／３Ｍｎ_１／３Ｏ_２（９０質量％）、導電助剤としてカーボンブラック（６質量％）、結着剤としてＰＶＤＦ（４質量％）を混合し、ＮＭＰ中に分散させ、スラリーを得た。得られたスラリーを集電体であるアルミニウム箔に塗布して乾燥させ、圧延を行い、正極を得た。

次に、非水電解液を調製した。エチレンカーボネート、エチルメチルカーボネートを体積比３：７で混合した溶液中に、ＬｉＰＦ_６を１．０ｍｏｌ／Ｌの割合で添加し作製した。更に、非水電解液の全体にビニレンカーボネートを０．０１質量％、ｔ−ブチルメチルエーテルを０．００１質量％含まれるように添加して非水電解液を得た。

得られた負極及び正極の間にポリエチレンからなるセパレータを挟んで積層し積層体（素体）を得た。得られた積層体をアルミラミネートパックに入れ、このアルミラミネートパックに非水電解液を注入した後に真空シールし、リチウムイオン二次電池（縦：６０ｍｍ、横：８５ｍｍ、厚さ：３ｍｍ）を作製した。なお、アルミラミネートパックのフィルムには、非水電解液に接触する合成樹脂製の最内部の層（変性ポリプロピレンからなる層）、アルミニウム箔からなる金属層、ポリアミドからなる層がこの順で順次積層された積層体を使用した。そして、この複合包装フィルムを２枚重ね合せてその縁部を熱圧着して作製した。

（実施例２〜５６及び比較例１〜９）
非水溶媒の組み合わせとリチウムイオン濃度、非水電解液に添加する不飽和結合を有する環状炭酸エステルと３級炭素を含む鎖状エーテル、エチレングリコールサルフェート誘導体の含有量を表１〜３に示すように変えた以外は、実施例１と同様にして実施例２〜５８及び比較例１〜１０のリチウムイオン二次電池を作製した。

なお、表１〜３中、非水溶媒の「ＥＣ」はエチレンカーボネートを、「ＥＭＣ」はエチルメチルカーボネートを、「ＰＣ」はプロピレンカーボネートを、「ＤＥＣ」はジエチルカーボネートを表す。また、不飽和結合を有する環状炭酸エステルを「化合物Ａ」とし、「ＶＣ」はビニレンカーボネート、「ＶＥＣ」はビニルエチレンカーボネートを表す。３級炭素を含む鎖状エーテルは「化合物Ｂ」とし、「ｔＢＭＥ」はｔ−ブチルメチルエーテル、「ＥｔＢＥ」はエチル−ｔ−ブチルエーテル、「ＤｔＢＥ」はジ−ｔ−ブチルエーテルを表す。エチレングリコールサルフェート誘導体は「化合物Ｃ」とし、「ＥＧＳ」はエチレングリコールサルフェート、「ＰＣＳ」はプロパン１，２−サイクリックサルフェート、「ＢＣＳ」はブタン１，２−サイクリックサルフェートを表す。

（放電容量評価試験）
リチウムイオン二次電池作製後、恒温槽にて２５℃に設定された環境下で初回の充電を行い、その直後に初回放電を行った。なお、充電は３０ｍＡで４．２Ｖまで定電流定電圧充電を行い、放電は３０ｍＡで２．５Ｖまで定電流放電を行った。初回放電における放電容量（ｍＡｈ）の測定値は表１〜３中、初期放電容量（ｍＡｈ）として示す。

（−１０℃サイクル試験）
放電容量評価試験後、−１０℃に設定された恒温槽へ該電池を入れ、２時間経過後、サイクル試験を開始した。このサイクル試験の充電では１５０ｍＡの定電流定電圧充電モードにて４．２Ｖまで、放電では１５０ｍＡの定電流放電モードにて２．５Ｖまで行うものとし、このサイクルを２００回連続で行った。なお、充電と放電、放電と充電の間の休止時間は１０分とした。そして、−１０℃で２００サイクル後、該電池を２５℃に設定された恒温槽へ戻し、３０ｍＡで４．２Ｖまで定電流定電圧充電、３０ｍＡで２．５Ｖまで定電流放電を行った。その際の放電容量を初期放電容量に対する割合に計算しなおした値を表１〜３中、「−１０℃サイクル後容量」として示す。

（実施例１〜６及び比較例１，２）
先ず、不飽和結合を有する環状炭酸エステルをビニレンカーボネートとし、ビニレンカーボネートの含有量のみ変えた場合の評価結果を表１に示す。なお、３級炭素を含む鎖状エーテルはｔ−ブチルメチルエーテルとし、ビニレンカーボネートの含有量以外は、表１に示すような構成で固定し、比較した。

初期放電容量は、比較例は１４１ｍＡｈ以下であるのに対し、ビニレンカーボネートの含有量が０．０１〜２質量％である実施例では１４４ｍＡｈ以上の値を示し、いずれも十分な初期放電容量を持つことが確認できた。

−１０℃サイクル後容量は、比較例は７５％以下であるのに対し、ビニレンカーボネートの含有量が０．０１〜２質量％である実施例のリチウムイオン二次電池は、いずれも−１０℃サイクル後容量が７５％を超えた。特に、ビニレンカーボネートの含有量が０．０１〜１質量％の場合には−１０℃サイクル後容量が８０％を超え、更に、０．０５〜１質量％の場合には−１０℃サイクル後容量が８７％を超え、優れたサイクル特性を示した。

（実施例４，７〜１１及び比較例３，４）
次に、３級炭素を含む鎖状エーテルをｔ−ブチルメチルエーテルとし、ｔ−ブチルメチルエーテルの含有量のみ変えた場合の評価結果を表２に示す。なお、不飽和結合を有する環状炭酸エステルはビニレンカーボネートとし、ｔ−ブチルメチルエーテルの含有量以外は、表２に示すような構成で固定し、比較した。

初期放電容量は、比較例は１４２ｍＡｈであるのに対し、ｔ−ブチルメチルエーテルの含有量が０．００１〜１質量％である実施例では１４６ｍＡｈ以上の値を示し、いずれも十分な初期放電容量を持つことが確認できた。

−１０℃サイクル後容量は、比較例は７５％未満であるのに対し、ｔ−ブチルメチルエーテルの含有量が０．００１〜１質量％である実施例のリチウムイオン二次電池は、いずれも−１０℃サイクル後容量が７５％を超えた。特に、ｔ−ブチルメチルエーテルの含有量が０．０１〜０．５質量％である場合には−１０℃サイクル後容量が８０％を超え、更に、０．０５〜０．５質量％の場合には−１０℃サイクル後容量が８７％を超え、優れたサイクル特性を示した。

（実施例１２〜５６及び比較例５〜９）
非水溶媒の組み合わせとＬｉＰＦ_６濃度、非水電解液に含有する不飽和結合を有する環状炭酸エステルと３級炭素を含む鎖状エーテル、エチレングリコールサルフェート誘導体とその含有量を表３のように変え、各測定を行った。

初期放電容量は、比較例のリチウムイオン二次電池は初期放電容量が１４５ｍＡｈ未満であるのに対し、不飽和結合を有する環状炭酸エステルの添加量が０．０１〜２質量％、かつ、３級炭素を含む鎖状エーテルの添加量が０．００１〜１質量％である実施例のリチウムイオン二次電池はいずれも１４５ｍＡｈを超え、優れた初期放電容量を示した。

−１０℃サイクル後容量は、比較例のリチウムイオン二次電池は−１０℃サイクル後容量が７８％であるのに対し、不飽和結合を有する環状炭酸エステルの添加量が０．０１〜２質量％、かつ、３級炭素を含む鎖状エーテルの添加量が０．００１〜１質量％である実施例はいずれも−１０℃サイクル後容量が７５％を超え、良好な値を示した。不飽和結合を有する環状炭酸エステルの添加量が０．０１〜１質量％、かつ、３級炭素を含む鎖状エーテルの添加量が０．０１〜０．５質量％の場合には、サイクル後容量が８０％を超え、特に、不飽和結合を有する環状炭酸エステルの添加量が０．０５〜１質量％、かつ、３級炭素を含む鎖状エーテルの添加量が０．０５〜０．５質量％の場合には、サイクル後容量が８７％を超え、優れた低温サイクル特性を示した。

１０・・・正極、２０・・・負極、１２・・・正極集電体、１４・・・正極活物質層、１８・・・セパレータ、２２・・・負極集電体、２４・・・負極活物質層、３０・・・発電要素、５０・・・ケース、６０，６２・・・リード、１００・・・リチウムイオン二次電池

Claims

鎖状カーボネートと環状カーボネートからなる非水溶媒と、
電解質と、
不飽和結合を有する環状炭酸エステルとしてビニレンカーボネートもしくはビニルエチレンカーボネートを０．０１〜２質量％と、
３級炭素を含む鎖状エーテルとしてｔ−ブチルメチルエーテル、エチル−ｔ−ブチルエーテル、もしくはジ−ｔ−ブチルエーテルを０．００１〜１質量％と、
を含むことを特徴とするリチウムイオン二次電池用非水電解液。
前記３級炭素を含む鎖状エーテルはｔ−ブチルメチルエーテルであることを特徴とする請求項１に記載のリチウムイオン二次電池用非水電解液。
前記不飽和結合を有する環状炭酸エステルはビニレンカーボネートであることを特徴とする請求項１または２に記載のリチウムイオン二次電池用非水電解液。
前記非水溶媒としてエチレンカーボネートとエチルメチルカーボネートを含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池用非水電解液。
前記電解質としてＬｉＰＦ_６を含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池用非水電解液。
下記式（１）で示すエチレングリコールサルフェート誘導体を４質量％以下含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池用非水電解液。

〔式（１）中、Ｒ_１及びＲ_２は、それぞれ独立に水素原子及び炭素数１〜５の炭化水素基からなる群より選ばれる少なくとも一種を表す。〕
前記式（１）で示すエチレングリコールサルフェート誘導体は、Ｒ_１及びＲ_２が共に水素原子であることを特徴とする請求項６に記載のリチウムイオン二次電池用非水電解液。
正極と、負極と、セパレータと、非水電解液とを備え、
前記非水電解液は、
鎖状カーボネートと環状カーボネートからなる非水溶媒と、
電解質と、
不飽和結合を有する環状炭酸エステルとしてビニレンカーボネートもしくはビニルエチレンカーボネートを０．０１〜２質量％と、
３級炭素を含む鎖状エーテルとしてｔ−ブチルメチルエーテル、エチル−ｔ−ブチルエーテル、もしくはジ−ｔ−ブチルエーテルを０．００１〜１質量％と、
を含むことを特徴とするリチウムイオン二次電池。
前記３級炭素を含む鎖状エーテルはｔ−ブチルメチルエーテルであることを特徴とする請求項８に記載のリチウムイオン二次電池。
前記不飽和結合を有する環状炭酸エステルはビニレンカーボネートであることを特徴とする請求項８または９に記載のリチウムイオン二次電池。
前記非水溶媒としてエチレンカーボネートとエチルメチルカーボネートを含むことを特徴とする請求項８〜１０のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池。
前記電解質としてＬｉＰＦ_６を含むことを特徴とする請求項８〜１１のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池。
前記負極は炭素材から成ることを特徴とする請求項８〜１２のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池。
下記式（１）で示すエチレングリコールサルフェート誘導体を４質量％以下含むことを特徴とする請求項８〜１３のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池。

〔式（１）中、Ｒ_１及びＲ_２は、それぞれ独立に水素原子及び炭素数１〜５の炭化水素基からなる群より選ばれる少なくとも一種を表す。〕
前記式（１）のエチレングリコールサルフェート誘導体は、Ｒ_１及びＲ_２が共に水素原子であることを特徴とする請求項１４に記載のリチウムイオン二次電池。