JP5902047B2 - 非水二次電池用電解液および非水電解液二次電池 - Google Patents

非水二次電池用電解液および非水電解液二次電池 Download PDF

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Description

本発明は、非水二次電池用電解液および非水電解液二次電池に関する。
昨今、注目を集めているリチウムイオン電池と呼ばれる二次電池は、充放電反応にリチウムの吸蔵および放出を利用する二次電池(いわゆるリチウムイオン二次電池)と、リチウムの析出および溶解を利用する二次電池(いわゆるリチウム金属二次電池)とに大別される。これらは、鉛電池やニッケルカドミウム電池と比較して大きなエネルギー密度の充放電を実現する。この特性を利用して、近年、カメラ一体型VTR(video tape recorder)、携帯電話あるいはノートパソコンなどのポータブル電子機器への適用が広く普及している。アプリケーションの一層の拡充に伴い、ポータブル電子機器の電源として、軽量でより高エネルギー密度が得られる二次電池の開発が進められている。さらに昨今では、小型化、長寿命化、高安全化も強く求められている。
リチウムイオン二次電池やリチウム金属二次電池(以下、これらを総称して単にリチウム二次電池ということがある。)の電解液としては、炭酸プロピレンあるいは炭酸ジエチルなどの炭酸エステル系の溶媒と、六フッ化リン酸リチウムなどの電解質塩との組み合わせが広く用いられている。これらは導電率が高く、電位的にも安定だからである。
一方、このような低分子量の有機化合物を成分に含むため、安全性の観点からその難燃性の付与が重要である。この改善を目的として、電解液中に環状ホスファゼンやリン酸化合物を含有させる技術が提案されている(特許文献1〜3)。
国際公開第2002/082575号パンフレット 特開2011−108649号公報 特開平11−317232号公報
確かに環状ホスファゼンやリン酸化合物には難燃性を付与する効果があり、その電解液への添加は、リチウム二次電池の安全性および信頼性を高めるために非常に有用な技術である。しかし他方、本発明者の確認によれば、これらの難燃化剤は使用中に不純物を発生させ、サイクル特性等を低下させる要因になることが分かってきた。
そこで、本発明は、特定の難燃化剤を含有する電解液を使用するにあたり、そこからの不純物の発生を抑え、難燃性と良好な電池性能とを高いレベルで達成する非水二次電池用電解液および非水電解液二次電池の提供を目的とする。
上記の課題は以下の手段により解決された。
〔1〕電解質と、下記式(1)で表されるニトリル化合物と、式(2)で表されるリン酸化合物もしくはホスファゼン化合物からなる難燃化剤とを非プロトン性溶媒中に含有する非水二次電池用電解液であって、
難燃化剤100質量部に対しニトリル化合物を0.1質量部〜10質量部含有する非水二次電池用電解液。
Figure 0005902047
(式中、R11〜R13はそれぞれ独立に水素原子、アルキル基、アルコキシカルボニル基、アリールオキシカルボニル基、シアノ基、カルバモイル基、スルホニル基、ハロゲン元素、またはホスホニル基を表す。R11〜R13は、ニトリル基を有していてもよい。nは1〜8の整数を表す。)
Figure 0005902047
(式中、R14、R15は置換されていてもよいアルキル基またはアリール基を表す。R16はアルキル基、アリール基、アルコキシ基、またはアリールオキシ基を表す。)
〔2〕適用される二次電池の正極がマンガンもしくはニッケルを有する活物質を含む〔1〕に記載の非水二次電池用電解液。
〔3〕ホスファゼン化合物が下記式(3)で表される〔1〕または〔2〕に記載の非水二次電池用電解液。
Figure 0005902047
(式(3)中、R〜Rは1価の置換基を表す。nは1以上の整数を表す。)
〔4〕ホスファゼン化合物が式(3A)または(3B)で表される〔1〕〜〔3〕のいずれかに記載の非水二次電池用電解液。
Figure 0005902047
(式中、R2128は1価の置換基を表す。)
〔5〕式(3A)及び(3B)において、R21〜R28がアルキル基、アルコキシ基、アミノ基、フッ素元素、又はその組合せである〔4〕に記載の非水二次電池用電解液。
〔6〕非プロトン性溶媒が、下記式(4A)〜(4C)のいずれかで表される化合物もしくはその組合せである〔1〕〜〔5〕のいずれかに記載の非水二次電池用電解液。
Figure 0005902047
(式中、R31〜R36はそれぞれ水素原子、アルキル基、またはアリール基を表す。)
〔7〕ニトリル化合物が、マロノニトリル、スクシノニトリル、グルタロニトリル、またはアジポニトリルである〔1〕〜〔6〕のいずれかに記載の非水二次電池用電解液。
〔8〕 〔1〕〜〔7〕のいずれかに記載の電解液と、正極と、負極とを具備する非水電解液二次電池。
〔9〕正極がマンガンもしくはニッケルを有する活物質を含む〔8〕に記載の非水電解液二次電池。
〔10〕電解質とともに非プロトン性溶媒中に含有させる非水二次電池用電解液の添加剤キットであって、下記式(1)で表されるニトリル化合物を含む薬剤と、式(2)で表されるリン酸化合物もしくはホスファゼン化合物からなる難燃化剤との組み合わせであって、難燃化剤100質量部に対しニトリル化合物を0.1質量部〜10質量部で用いる添加剤キット。
Figure 0005902047
(式中、R11〜R13はそれぞれ独立に水素原子、アルキル基、アルコキシカルボニル基、アリールオキシカルボニル基、シアノ基、カルバモイル基、スルホニル基、ハロゲン元素、またはホスホニル基を表す。R11〜R13はニトリル基を有していてもよい。nは1〜8の整数を表す。)
Figure 0005902047
(式中、R14、R15は置換されていてもよいアルキル基またはアリール基を表す。R16はアルキル基、アリール基、アルコキシ基、またはアリールオキシ基を表す。)
本明細書において、複数の置換基もしくは置換基数を同時に規定するときには、それぞれ異なってもよい意味である。また、隣接する置換基は互いに結合もしくは縮合して環を形成していてもよい。
本発明の非水二次電池用電解液および非水電解液二次電池は、特定の難燃化剤を含有する電解液を使用するにあたり、前記難燃化剤からの不純物の発生を抑え、難燃性と良好な電池性能との両立を高いレベルで達成する。また、前記本発明の電解液及び二次電池は、特にマンガンやニッケルを含む高電位正極使用時に特に顕著な効果を奏する。
本発明の好ましい実施形態に係るリチウム二次電池の機構を模式化して示す断面図である。 本発明の好ましい実施形態に係るリチウム二次電池の具体的な構成を示す断面図である。
本発明の非水電解液二次電池に用いられる電解液は、特定の難燃化剤と特定のニトリル化合物とを非プロトン性溶媒中に含む。これにより、難燃化剤を含有させた難燃性の向上効果を維持し、それによるサイクル特性の低下を抑制し、両者を高いレベルで満足することができる。この理由は不明な点を含むが推定を含めていうと、下記のとおりである。すなわち、難燃化剤化合物の活性部位と特定ニトリル化合物のニトリル基とが作用することにより、電解酸化・還元条件で難燃化剤の分解が抑制されていると推定される。特にマンガンやニッケルを有する高電位用正極の場合、(好ましくは、2個以上の)ニトリル基が正極表面と(好ましくは2点以上で)作用することにより、正極表面の活性点と難燃化剤との接点を減少させるため、顕著に効果が現れると考えられる。この効果により、不純物生成が抑制され、電池効果が高くなると考えられる。
以下、本発明について、その好ましい実施形態に基づき詳細に説明する。
[難燃化剤]
本発明においては、非水二次電池用電解液に、下記式(2)で表されるリン酸化合物もしくはホスファゼン化合物からなる難燃化剤を含有させる。
Figure 0005902047
・R14、R15
前記式中、R14、R15は置換されていてもよいアルキル基またはアリール基を表す。このアルキル基またはアリール基の例としては、下記置換基Tが挙げられる。なかでも、アルキル基は、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、トリフルオロメチル基、トリフルオロエチル基、エトキシメチル基、メトキシメチル基であることが好ましい。アリール基は、フェニル基、ナフチル基、トリル基、メトキシフェニル基、フルオロフェニル基であることが好ましい。
・R16
16はアルキル基、アリール基、アルコキシ基、アリールオキシ基を表す。このアルキル基、アリール基、アルコキシ基、またはアリールオキシ基の例としては、下記置換基Tに含まれる基が挙げられる。なかでも、アルキル基は、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、トリフルオロメチル基、トリフルオロエチル基、エトキシメチル基、メトキシメチル基、であることが好ましい。アリール基は、フェニル基、ナフチル基、トリル基、メトキシフェニル基、フルオロフェニル基であることが好ましい。アルコキシ基は、メトキシ基、エトキシ基、プロポキシ基、イソプロポキシ基、トリフルオロメトキシ基、トリフルオロエトキシ基、エトキシメトキシ基、メトキシメトキシ基であることが好ましい。アリールオキシ基はフェノキシ基メチルフェノキシ基、メトキシフェノキシ基、フルオロフェノキシ基、であることが好ましい。
ホスファゼン化合物はリンと窒素を構成元素とする二重結合を持つ化合物群を意味するが、なかでも環状ホスファゼン化合物が好ましく、下記式(3)で表される化合物であることがより好ましい。
Figure 0005902047
・R〜R
式中、R〜Rは1価の置換基を表す。1価の置換基の中で好ましくは、アルキル基、アリール基、アルコキシ基、アリールオキシ基、アミノ基等の含窒素基(後述)、フッ素、塩素、臭素等のハロゲン原子である。R〜Rの置換基の少なくとも1つはフッ素原子であることが好ましい。アルキル基として好ましくは炭素数1〜8、更に好ましくは炭素数1〜6、より好ましくは炭素数1〜4の置換されていてもよいアルキル基、炭素数6〜12、更に好ましくは炭素数6〜8の置換されていてもよいアリール基、炭素数1〜8、更に好ましくは炭素数1〜6、より好ましくは炭素数1〜4の置換されていても良いアルコキシ基、炭素数6〜12、更に好ましくは炭素数6〜8の置換されていても良いアリールオキシ基、炭素数1〜12のアミノ基等の含窒素基、フッ素、塩素である。
中でも好ましくは、アルキル基、アルコキシ基、含窒素基、フッ素原子、塩素原子であり、フッ素原子が3個以上であることがより好ましい。
アルコキシ基、含窒素基、フッ素原子からなる置換基がより好ましく、含窒素基、フッ素原子からなる置換基が更に好ましい。
〜Rの置換基の少なくとも1つは−NR、−N=R、又はアジ基であり、別の少なくとも1つはハロゲン原子であることが好ましい。中でも、R〜Rのすべてが、−NR、−N=R、及びアジ基から選ばれる基もしくはその組合せと(以下、これを「特定含窒素基」ということがある)、ハロゲン原子との組合せで構成されていることが好ましい。ハロゲン原子としてはフッ素が好ましい。前記特定含窒素基の数は特に限定されないが、1〜4個であることが好ましく、1〜3個であることがより好ましく、特に好ましくは1〜2であり、更に好ましくは1個である。置換位置としては、1つのリン原子に1つの前記特定含窒素基が置換することが好ましい。
〜Rは互いに隣接するもの同士が結合してリン原子を含む環を形成していてもよい。R〜Rは互いに異なっていても、同じであってもよい。特に環を形成する場合、RとR、RとR、RとRが環を形成していることが好ましい。
上記の置換基R〜Rは、アルキル基、アリール基、アルコキシ基、アリールオキシ基、チオアルキル基、チオアリール基、前記特定含窒素基、ハロゲン原子が好ましい。特に好ましくは、炭素数1〜6のアルキル基、炭素数6〜12のアリール基、炭素数1〜6のアルコキシ基、炭素数6〜12のアリールオキシ基、炭素数1〜6のチオアルキル基、炭素数6〜12のチオアリール基、ハロゲン原子(好ましくは、塩素、フッ素)、前記特定含窒素基であり、特に好ましくは前記特定含窒素基、フッ素原子、炭素数1〜6のアルキル基、又は炭素数1〜6のアルコキシ基である。上記アルキル基及びアリール基は置換されてもよい。アルキル基は直鎖のものでも分岐のものでもよい。
・n
nは1以上の整数を表し、1〜3が好ましく、1〜2がより好ましく、1が更に好ましい。
・R、R
、Rは水素原子、アルキル基、アリール基、アルケニル基、アルキニル基、ヘテロ環基、シアノ基、シリル基、または下記式(1A)、(1B)、(1C)、もしくは(1D)で表される置換基である。
Figure 0005902047
、Rのうち好ましくは、アルキル基、アリール基、式(1A)、式(1D)で表される置換基であり、特に好ましくは炭素数1〜6のアルキル基、炭素数1〜6のフッ素置換されたアルキル基、炭素数1〜6のエーテル基を有するアルキル基、炭素数6〜12のアリール基、炭素数1〜7の式(1A)で表される置換基である。更に好ましくは炭素数1〜4のアルキル基、炭素数1〜4のフッ素置換されたアルキル基であり、中でも置換基中の炭素数の合計が6以下の置換基である。特に好ましくは炭素数の合計が4以下のものである。R,Rは互いに結合してあるいは縮環して窒素原子を含む環を形成していてもよい。アルキル基は直鎖のものでも分岐のものでもよい。R,Rは互いに同じでも異なっていてもよい。
・R1A1、R1C1、R1D1、R1D2
式中、R1A1、R1C1、R1D1、R1D2はアルキル基、アルコキシ基、アリール基、アリールオキシ基、ハロゲン原子、又はアミノ基を表す。これらの置換基の好ましいものは、次の例が挙げられる。すなわち、炭素数1〜6のアルキル基、炭素数1〜6のアルコキシ基、炭素数6〜12のアリール基、炭素数6〜12のアリールオキシ基、塩素、フッ素が好ましく、炭素数1〜6のアルキル基、炭素数1〜6のアルコキシ基、塩素、フッ素がより好ましい。これらの置換基は更に置換されていても良い。*は結合手を表す。
・R1B1、R1B2
1B1、R1B2は水素原子、アルキル基、アリール基、アルコキシカルボニル基、アリールオキシカルボニル基、アルキルスルホニル基、アリールスルホニル基、シリル基、又はホスホニル基を表す。これらの置換基の好ましいものは、次の例が挙げられる。すなわち、炭素数1〜6のアルキル基、炭素数1〜7のアルコキシカルボニル基、炭素数6〜12のアリール基、炭素数7〜12のアリールオキシカルボニル基、炭素数1〜6のアルキルスルホニル基、炭素数6〜12のアリールスルホニル基、炭素数1〜6のシリル基、炭素数1〜12のホスホニル基が好ましく、炭素数1〜6のアルキル基、炭素数1〜7のアルコキシカルボニル基、炭素数1〜6のアルキルスルホニル基、炭素数1〜6のシリル基、炭素数1〜12のホスホニル基が特に好ましい。
・XA1、XD1、R1D3
式中、XA1は酸素原子又は硫黄原子を表す。
D1は酸素原子、硫黄原子、又は窒素原子を表し、XD1が酸素原子、硫黄原子の場合、R1D3は置換基ではない。XD1が窒素原子の場合、R1D3はアルキル基(好ましくは炭素数1〜8)、アリール基(好ましくは炭素数6〜12)、シリル基(好ましくは炭素数1〜21)、又はホスホニル基(好ましくは炭素数1〜18)を表す。
・Rc
Rcは式(C1)〜(C6)のいずれかで表される置換基を表す。
Figure 0005902047
X1、RX2、RX3はアルキル基、アリール基、アルコキシ基、アリールオキシ基、アルキルチオ基、アリールチオ基、ヘテロ環基、ハロゲン原子、又はシリル基を表す。好ましくは、炭素数1〜6のアルキル基、炭素数1〜6のアルコキシ基、アルキルチオ基(好ましくは炭素数1〜6)、塩素原子、フッ素原子、シリル基(好ましくは炭素数1〜15)である。RY1、RY2はハロゲン原子を表す。
〜Rの置換基の種類と数に特に制限はないが、電池性能を維持した難燃性の確保の観点からは、全置換基のうち2個以上がフッ素原子であり、残りの置換基が前記特定含窒素基及びアルコキシ基であり、更に好ましくは全置換基のうち3個以上がフッ素原子であるときである。最も好ましくは4個以上がフッ素原子であるときである。あるいは、同様の観点で、R〜Rのすべてがハロゲン原子(好ましくはフッ素原子)と、前記特定含窒素基とで構成されていることが好ましく、そのうち1〜3個が前記特定含窒素基であることが好ましく、該特定含窒素基が1又は2個であることがより好ましく、更に好ましくは特定含窒素基が1のときである。
上記式(3)で表される化合物は、下記式(3A)又は(3B)で表される化合物であることが好ましい。
Figure 0005902047
・R21〜R28
式中、R21〜R28は、前記式(1)のR〜Rと同義である。中でも好ましくは、ハロゲン原子、アルキル基、アリール基、アルコキシ基、アリールオキシ基、チオアルキル基、チオアリール基、前記特定含窒素基が好ましい。特に好ましくは、炭素数1〜6のアルキル基、炭素数6〜12のアリール基、炭素数1〜6のアルコキシ基、炭素数6〜12のアリールオキシ基、炭素数1〜6のアルキルチオ基、炭素数6〜12のアリールチオ基、ハロゲン原子(好ましくは、塩素、フッ素)、前記特定含窒素基であり、特に好ましくは前記特定含窒素基、フッ素原子、炭素数1〜6のアルキル基、又は炭素数1〜6のアルコキシ基である。上記アルキル基及びアリール基は置換されてもよい。アルキル基は直鎖のものでも分岐のものでもよい。R21〜R28の少なくとも一つは、前記−NR、−N=R、又はアジ基もしくはその組合せ(特定含窒素基)であり、別の少なくとも一つはフッ素原子である。さらに好ましい形態としては、置換基が特定含窒素基とフッ素原子からなる化合物であり、特定含窒素基の数としては1〜4、好ましくは1〜3、特に好ましくは1〜2、更に好ましくは1であり、特定含窒素基以外が全てフッ素原子であるときが好ましい。
・前記特定含窒素基
前記特定含窒素基の好ましいもの、その数や置換位置、さらにはハロゲン原子との関係やその好ましい範囲等は、前記式(3)のときと同様である。具体的には、R21〜R28の置換基の種類と数に特に制限はないが、電池性能を維持した難燃性の確保の観点からは、全置換基のうち2個以上がフッ素原子であり、残りの置換基が前記特定含窒素基及びアルコキシ基であり、更に好ましくは全置換基のうち3個以上がフッ素原子であるときである。最も好ましくは、4個以上がフッ素原子であるときである。更には5個フッ素原子であるときが好ましい。あるいは、同様の観点でR21〜R28のすべてがハロゲン原子(好ましくはフッ素原子)及び前記特定含窒素基で構成されていることが好ましく、そのうち1〜3個が前記特定含窒素基であることが好ましく、前記特定含窒素基が1又は2個であることがより好ましく、更には前記特定含窒素基が1個のときが好ましい。
以下に、一般式(3)で表される化合物の具体例を示すが、これにより本発明が限定して解釈されるものではない。
Figure 0005902047
Figure 0005902047
Figure 0005902047
Figure 0005902047
Figure 0005902047
Figure 0005902047
上記式(3)で表される化合物は、定法によって合成できるが例えば独国特許発明第2139691号明細書に記載の方法を参考にすることができる。
また、ヘキサクロロシクロトリホスファゼンに目的生成物と同様のアミノ基を導入した後、フッ素化ナトリウム、フッ素化カリウム等のフッ素化剤でフッ素化することでも目的生成物を得ることができる。上記の方法におけるクロロシクロトリホスファゼン、フルオロシクロトリホスファゼンに対するアミノ化は目的生成物と同様のアミンを生成する酸の除去剤として用いることもできるが、目的生成物と同様のアミンと無機塩基及び有機塩基を並存させることによっても同様に合成できる。上記無機塩基としてはアニオン及び金属カチオンで構成される無機塩基であることが好ましい、特に好ましくはアニオンとして、水酸化物、炭酸化物、重炭酸化物、フッ化物で、金属カチオンとしては、アルカリ金属、アルカリ土類金属から選ばれる組み合わせであることが好ましい。金属カチオンとして好ましくは、ナトリウム、カリウム、マグネシウム、カルシウムから選択されることがより好ましい。好ましい例として具体的には、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムといった水酸化物、炭酸カリウム、炭酸ナトリウム、炭酸水素ナトリウムといった炭酸化物、フッ素化ナトリウム、フッ素化カリウムといったフッ化物、上記有機塩基としてはトリエチルアミン、ジイソプロピルエチルアミン、メチルモルホリン、ジアザビシクロウンデセンといったトリアルキルアミン、ピリジン、ルチジンといった芳香族塩基が例にあげられる。この合成時に用いられる溶媒は、通常用いられる溶媒で問題なく使用できるが、好ましくはエステル系溶媒、エーテル系溶媒、ニトリル系溶媒、脂肪族系溶媒があげられる。具体的には好ましくは酢酸エチル、酢酸ブチル等のエステル系溶媒、ジエチルエーテル、tert−ブチルメチルエーテル、シクロペンチルメチルエーテル等のエーテル系溶媒、アセトニトリル等のニトリル系溶媒、ヘキサン、デカン等の脂肪族溶媒などが挙げられる。中でも好ましくは、エーテル系溶媒、ニトリル系溶媒が挙げられる。
本発明の電解液において難燃化剤の含有量は特に限定されないが、0.01〜5mol/Lが好ましく、0.02〜1mol/Lがより好ましく、0.05〜0.5mol/Lが特に好ましい。このような範囲で難燃化剤を適用することで、後記特定ニトリル化合物との併用効果(相互作用)が好適に得られ、難燃性とサイクル特性等の電池特性との両立を極めて高いレベルで達成することができる。
前記難燃化剤をなす化合物はP=O、P=N、P=X(Xはハロゲン)といった極性基を有しており、これが後記ニトリル化合物と作用し所望の効果を奏する。この作用は後記有機溶媒についても同様であり、極性基をもつ化合物を使用したときにその効果が期待できる。
[特定ニトリル化合物]
本発明において、電解液には、下記式(1)で表されるニトリル化合物を含有させる。
Figure 0005902047
・R11〜R13
式中、R11〜R13はそれぞれ独立に水素原子、アルキル基、アルコキシカルボニル基、アリールオキシカルボニル基、シアノ基、カルバモイル基、スルホニル基、またはホスホニル基を表す。各置換基の好ましいものは、後記置換基Tの例を参照することができるが、なかでも、R11〜R13のいずれか一つ以上がシアノ基を含む事が好ましく、その他の基としては、水素原子、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基等であるが好ましい。
・n
nは1〜8の整数を表す。
前記式(1)で表されるニトリル化合物は下記式(1a)で表される化合物であることが好ましい。
Figure 0005902047
12、R13は式(1)と同義である。R12、R13は水素原子、アルキル基(好ましくは炭素数1〜6)であることが好ましい。nは1〜8であり、1〜6が好ましい。
式(1)で表されるニトリル化合物の具体例としては、アセトニトリル、プロピオニトリル、イソブチロニトリル、スクシノニトリル、マロノニトリル、グルタロニトリル、アジポニトリル、2メチルグルタノニトリル、ヘキサントリカルボニトリル、プロパンテトラカルボニトリル等が好ましい。
特に好ましくは、スクシノニトリル、マロノニトリル、グルタロニトリル、アジポニトリル、2メチルグルタノニトリル、ヘキサントリカルボニトリル、プロパンテトラカルボニトリルである。
本発明においては、特定ニトリル化合物の配合量が重要であり、前記難燃化剤100質量部に対し前記ニトリル化合物を0.1質量部以上で含有させることが好ましく、0.5質量部以上で含有させることがより好ましく、1質量部以上で含有させることが特に好ましい。上限値は特にないが、10質量部下で含有させることが好ましく、7質量部以下で含有させることがより好ましく、5質量部以下で含有させることが特に好ましい。このような範囲で特定ニトリル化合物を配合することで、前記難燃化剤との良好な併用効果(相互作用)が得られ、高い難燃性と高いサイクル特性との両立を効果的に図ることができる。
[非プロトン性溶媒]
本発明の非水電解液は非プロトン性溶媒を含有し、該非プロトン性溶媒が下記式(4A)、(4B)、又は(4C)で表される化合物もしくはそれらの組み合わせを含有してなることが好ましい。
Figure 0005902047
・R31〜R36
式中、R31〜R36はいずれも水素原子、フッ素で置換されることあるアルキル基、エーテル鎖を有するアルキル基、フッ素で置換されることあるアリール基を表す。アルキル基、アリール基の好ましいものとしては、次の例が挙げられる。すなわち、中でも、直鎖及び分岐のアルキル基、フッ素原子を有するアルキル基、エーテル鎖を有するアルキル基が好ましい。炭素数1〜6のアルキル基、炭素数1〜6のフッ素で一部置換されたアルキル基、炭素数1〜6のエーテル基を有するアルキル基が特に好ましい。なお、隣接する置換基どうしが環を形成してもよいことは前述のとおりであるが、特に式(4B)の置換基R31とR32、R33とR34は環を形成していてもよい。また、式(4C)の置換基R31とR32、R33とR34、R35とR36は環を形成していてもよい。
また、前記非プロトン性溶媒が、式(4A)で表される化合物と、式(4B)で表される化合物及び(4C)で表される化合物からなる群から選ばれる化合物とを含むとき、式(4B)で表される化合物の体積(M4B)と式(4A)で表される化合物及び式(4C)で表される化合物の体積の総量(MAC)との比率(M4B/MAC)が0.2〜5であることが好ましく、0.3〜1であることがより好ましい。この比率を上記上限値以下とすることで、十分な誘電率で、粘度の大幅な上昇を防ぎ、リチウムイオン伝導度を過度に低下させず、良好なサイクル特性を維持することができる。一方、前記下限値以上とすることで、誘電率を低下させすぎず、良好なサイクル特性を実現することができる。
なお、本明細書において化合物の表示については、当該化合物そのもののほか、その塩、そのイオンを含む意味に用いる。また、所望の効果を奏する範囲で、所定の一部を変化させた誘導体を含む意味である。
本明細書において置換・無置換を明記していない置換基(連結基についても同様)については、その基に任意の置換基を有していてもよい意味である。これは置換・無置換を明記していない化合物についても同義である。好ましい置換基としては、下記置換基Tが挙げられる。
置換基Tとしては、下記のものが挙げられる。
アルキル基(好ましくは炭素原子数1〜20のアルキル基、例えばメチル、エチル、イソプロピル、t−ブチル、ペンチル、ヘプチル、1−エチルペンチル、ベンジル、2−エトキシエチル、1−カルボキシメチル等)、アルケニル基(好ましくは炭素原子数2〜20のアルケニル基、例えば、ビニル、アリル、オレイル等)、アルキニル基(好ましくは炭素原子数2〜20のアルキニル基、例えば、エチニル、ブタジイニル、フェニルエチニル等)、シクロアルキル基(好ましくは炭素原子数3〜20のシクロアルキル基、例えば、シクロプロピル、シクロペンチル、シクロヘキシル、4−メチルシクロヘキシル等)、アリール基(好ましくは炭素原子数6〜26のアリール基、例えば、フェニル、1−ナフチル、4−メトキシフェニル、2−クロロフェニル、3−メチルフェニル等)、ヘテロ環基(好ましくは炭素原子数2〜20のヘテロ環基、好ましくは、少なくとも1つの酸素原子、硫黄原子、窒素原子を有する5または6員環のヘテロ環基が好ましく、例えば、2−ピリジル、4−ピリジル、2−イミダゾリル、2−ベンゾイミダゾリル、2−チアゾリル、2−オキサゾリル等)、アルコキシ基(好ましくは炭素原子数1〜20のアルコキシ基、例えば、メトキシ、エトキシ、イソプロピルオキシ、ベンジルオキシ等)、アリールオキシ基(好ましくは炭素原子数6〜26のアリールオキシ基、例えば、フェノキシ、1−ナフチルオキシ、3−メチルフェノキシ、4−メトキシフェノキシ等)、アルコキシカルボニル基(好ましくは炭素原子数2〜20のアルコキシカルボニル基、例えば、エトキシカルボニル、2−エチルヘキシルオキシカルボニル等)、アミノ基(好ましくは炭素原子数0〜20のアミノ基、アルキルアミノ基、アリールアミノ基を含み、例えば、アミノ、N,N−ジメチルアミノ、N,N−ジエチルアミノ、N−エチルアミノ、アニリノ等)、スルファモイル基(好ましくは炭素原子数0〜20のスルホンアミド基、例えば、N,N−ジメチルスルファモイル、N−フェニルスルファモイル等)、アシル基(好ましくは炭素原子数1〜20のアシル基、例えば、アセチル、プロピオニル、ブチリル、ベンゾイル等)、アシルオキシ基(好ましくは炭素原子数1〜20のアシルオキシ基、例えば、アセチルオキシ、ベンゾイルオキシ等)、カルバモイル基(好ましくは炭素原子数1〜20のカルバモイル基、例えば、N,N−ジメチルカルバモイル、N−フェニルカルバモイル等)、アシルアミノ基(好ましくは炭素原子数1〜20のアシルアミノ基、例えば、アセチルアミノ、ベンゾイルアミノ等)、スルホンアミド基((好ましくは炭素原子数0〜20のスルファモイル基、例えば、メタンスルホンアミド、ベンゼンスルホンアミド、N−メチルメタンスルスルホンアミド、N−エチルベンゼンスルホンアミド等)、アルキルチオ基(好ましくは炭素原子数1〜20のアルキルチオ基、例えば、メチルチオ、エチルチオ、イソプロピルチオ、ベンジルチオ等)、アリールチオ基(好ましくは炭素原子数6〜26のアリールチオ基、例えば、フェニルチオ、1−ナフチルチオ、3−メチルフェニルチオ、4−メトキシフェニルチオ等)、アルキルもしくはアリールスルホニル基(好ましくは炭素原子数1〜20のアルキルもしくはアリールスルホニル基、例えば、メチルスルホニル、エチルスルホニル、ベンゼンスルホニル等)、ヒドロキシル基、シアノ基、ハロゲン原子(例えばフッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子等)であり、より好ましくはアルキル基、アルケニル基、アリール基、ヘテロ環基、アルコキシ基、アリールオキシ基、アルコキシカルボニル基、アミノ基、アシルアミノ基、ヒドロキシル基またはハロゲン原子であり、特に好ましくはアルキル基、アルケニル基、ヘテロ環基、アルコキシ基、アルコキシカルボニル基、アミノ基、アシルアミノ基またはヒドロキシル基である。
また、これらの置換基Tで挙げた各基は、上記の置換基Tがさらに置換していてもよい。
化合物ないし置換基・連結基等がアルキル基・アルキレン基、アルケニル基・アルケニレン基等を含むとき、これらは環状でも鎖状でもよく、また直鎖でも分岐していてもよく、上記のように置換されていても無置換でもよい。またアリール基、ヘテロ環基等を含むとき、それらは単環でも縮環でもよく、同様に置換されていても無置換でもよい。
(電解質)
本発明の電解液に用いることができる電解質としては金属イオンもしくはその塩が挙げられ、周期律表第一族又は第二族に属する金属イオンもしくはその塩が好ましい。具体的には電解液の使用目的により適宜選択され、例えば、リチウム塩、カリウム塩、ナトリウム塩、カルシウム塩、マグネシウム塩などが挙げられる。中でも出力の観点からリチウム塩が好ましい。本発明の電解液をリチウム二次電池用非水系電解液の電解質として用いる場合には、金属イオンの塩としてリチウム塩を選択すればよい。リチウム塩としては、リチウム二次電池用非水系電解液の電解質に通常用いられるリチウム塩であれば特に制限はないが、例えば、以下に述べるものが好ましい。
(L−1)無機リチウム塩:LiPF、LiBF、LiAsF、LiSbF等の無機フッ化物塩;LiClO、LiBrO、LiIO等の過ハロゲン酸塩;LiAlCl等の無機塩化物塩等。
(L−2)含フッ素有機リチウム塩:LiCFSO等のパーフルオロアルカンスルホン酸塩;LiN(CFSO、LiN(CFCFSO、LiN(FSO、LiN(CFSO)(CSO)等のパーフルオロアルカンスルホニルイミド塩;LiC(CFSO等のパーフルオロアルカンスルホニルメチド塩;Li[PF(CFCFCF)]、Li[PF(CFCFCF]、Li[PF(CFCFCF]、Li[PF(CFCFCFCF)]、Li[PF(CFCFCFCF]、Li[PF(CFCFCFCF]等のフルオロアルキルフッ化リン酸塩等。
(L−3)オキサラトボレート塩:リチウムビス(オキサラト)ボレート、リチウムジフルオロオキサラトボレート等。
これらのなかで、LiPF、LiBF、LiAsF、LiSbF、LiClO、Li(RfSO)、LiN(RfSO、LiN(FSO、及びLiN(RfSO)(RfSOが好ましく、LiPF、LiBF、LiN(RfSO、LiN(FSO、及びLiN(RfSO)(RfSOなどのリチウムイミド塩がさらに好ましい。ここで、Rf、Rfはそれぞれパーフルオロアルキル基を示す。
なお、電解液に用いるリチウム塩は、1種を単独で使用しても、2種以上を任意に組み合わせてもよい。
電解液における周期律表第一族又は第二族に属する金属のイオンもしくはその金属塩の含有量は、以下に電解液の調製法で述べる好ましい塩濃度となるよう量で添加される。塩濃度は電解液の使用目的により適宜選択されるが、一般的には電解液全質量中10質量%以上50質量%以下であり、さらに好ましくは15質量%以上30質量%以下である。なお、イオンの濃度として評価するときには、その好適に適用される金属との塩換算で算定されればよい。
(他の成分)
本発明の電解液には、負極被膜形成剤、難燃剤、過充電防止剤から選ばれる少なくとも1種を含有していてもよい。非水電解液中におけるこれら機能性添加剤の含有割合は特に限定はないが、非水電解液全体に対し、それぞれ、0.001質量%〜10質量%が好ましい。
[電解液の調製方法等]
非水用電解液は、金属イオンの塩としてリチウム塩を用いた例を含め、前記各成分を前記非水電解液溶媒に溶解して、常法により調製される。
本発明において、「非水」とは水を実質的に含まないことをいい、発明の効果を妨げない範囲で微量の水を含んでいてもよい。良好な特性を得ることを考慮して言うと、水の含有量が200ppm(質量基準)以下であることが好ましく、100ppm以下であることがより好ましい。下限値は特にないが、不可避的な混入を考慮すると、10ppm以上であることが実際的である。本発明の電解液の粘度は特に限定されないが、25℃において、10〜0.1mPa・sであることが好ましく、5〜0.5mPa・sであることがより好ましい。
(キット)
本発明の電解液は複数の液体ないし粉末等から構成されたキットとされていてもよい。例えば、第1剤(第1液)を電解質と有機溶媒とで構成し、第2剤(第2液)を難燃化剤ないしニトリル化合物と有機溶媒とで構成し、使用前に2液を混合して調液する形態などであってもよい。このとき、本発明のキットにおいては、難燃化剤とニトリル化合物とを別の剤として区分したり、その他の添加剤等を前記第1剤、第2剤、及び/又はその他の剤(第3剤)に含有させておいてもよい。
[二次電池]
本発明においては前記非水電解液を含有する非水電解液二次電池とすることが好ましい。好ましい実施形態として、リチウム二次電池についてその機構を模式化して示した図1を参照して説明する。ただし、同図およびこれに基づく説明により本発明が限定して解釈されるものではない。
本実施形態のリチウム二次電池10は、上記本発明の非水電解液5と、リチウムイオンの挿入放出が可能な正極C(正極集電体1,正極活物質層2)と、リチウムイオンの挿入放出又は溶解析出が可能な負極A(負極集電体3,負極活物質層4)とを備える。これら必須の部材に加え、電池が使用される目的、電位の形状などを考慮し、正極と負極の間に配設されるセパレータ9、集電端子(図示せず)、及び外装ケース等(図示せず)を含んで構成されてもよい。必要に応じて、電池の内部及び電池の外部の少なくともいずれかに保護素子を装着してもよい。このような構造とすることにより、電解液5内でリチウムイオンの授受a,bが生じ、充電α、放電βを行うことができ、回路配線7を介して動作機構6の運転あるいは蓄電を行うことができる。
(電池形状)
本実施形態のリチウム二次電池が適用される電池形状には、特に制限はなく、例えば、有底筒型形状、有底角型形状、薄型形状、シート形状、及び、ペーパー形状などが挙げられ、これらのいずれであってもよい。また、組み込まれるシステムや機器の形を考慮した馬蹄形や櫛型形状等の異型のものであってもよい。なかもで、電池内部の熱を効率よく外部に放出する観点から、比較的平らで大面積の面を少なくとも一つを有する有底角型形状や薄型形状などの角型形状が好ましい。
有底筒型形状の電池では、充填される発電素子に対する外表面積が小さくなるので、充電や放電時に内部抵抗による発生するジュール発熱を効率よく外部に逃げる設計にすることが好ましい。また、熱伝導性の高い物質の充填比率を高め、内部での温度分布が小さくなるように設計することが好ましい。有底筒型の二次電池については、図2とともに後で説明する。
(電池を構成する部材)
本実施形態のリチウム二次電池は、図1に基づいて言うと、電解液5、正極及び負極の電極合材C,A、セパレータの基本部材9を具備して構成される。以下、これらの各部材について述べる。
(電極合材)
電極合材は、集電体(電極基材)上に活物質と導電剤、結着剤、フィラーなどの分散物を塗布しシート状に成形したものである。リチウム電池においては、通常、活物質が正極活物質である正極合材と活物質が負極活物質である負極合材が使用される。次に、電極合材を構成する分散物(合剤、電極用組成物)中の各成分等について説明する。
・正極活物質
本発明において、正極活物質には4.25V以上の充電領域を有する材料を用いることが好ましい。具体的に、対リチウムで4.25V以上にリチウム挿入放出電位ピークを有する含リチウム遷移金属酸化物が好ましい。このときの充放電電位ピークは、ゾルゲル法またはスパッタリング法により正極活物質の薄膜電極を作成し、電気化学測定(サイクリックボルタンメトリー)を行うことにより特定可能である。
前記特定の充電領域を有する正極活物質としては下記のものが挙げられる。
(i)LiNiMnCo(x>0.2,y>0.2,z≧0,x+y+z=1)、
代表的なもの:
LiNi1/3Mn1/3Co1/3(LiNi0.33Mn0.33Co0.33とも記載)
LiNi1/2Mn1/2(LiNi0.5Mn0.5Co0.33とも記載)
(ii)LiNiMn(x>0.2,y>0.7,x+y=1)
代表的なもの:
LiNi1/4Mn3/4(LiNi0.5Mn1.5とも記載)
(iii)LiNiCoAl(x>0.7,y>0.1,0.1>z>0.05,x+y+z=1)
代表的なもの:
LiNi0.8Co0.15Al0.05
前記特定の充電領域を有する正極活物質として下記のものを用いることもできる。
(a) LiCoMnO
(b) LiFeMn
(c) LiCuMn
(d) LiCrMn
(e) LiNiMn
本発明の非水電解液二次電池において、正極活物質は粒子状のものを用いてもよい。用いられる前記正極活物質の平均粒子サイズは特に限定されないが、0.1μm〜50μmが好ましい。比表面積としては特に限定されないが、BET法で0.01m/g〜50m/gであるのが好ましい。また、正極活物質5gを蒸留水100mlに溶かした時の上澄み液のpHとしては、7以上12以下が好ましい。
前記正極活性物質を所定の粒子サイズにするために常用される粉砕機や分級機を用いることができる。例えば、乳鉢、ボールミル、振動ボールミル、振動ミル、衛星ボールミル、遊星ボールミル、旋回気流型ジェットミルや篩などが用いられる。前記焼成法によって得られた正極活物質は、水、酸性水溶液、アルカリ性水溶液、有機溶剤にて洗浄した後使用してもよい。
正極活物質の配合量は特に限定されないが、電極合材をなす分散物(合剤)中、固形成分100質%において、60〜98質量%であることが好ましく。70〜95質量%であることがより好ましい。
・負極活物質
負極活物質としては、可逆的にリチウムイオンを挿入・放出できるものであれば、特に制限はなく、炭素質材料、酸化錫や酸化ケイ素等の金属酸化物、金属複合酸化物、リチウム単体やリチウムアルミニウム合金等のリチウム合金、及び、SnやSi等のリチウムと合金形成可能な金属等が挙げられる。
これらは、1種を単独で用いても、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用しても良い。なかでも炭素質材料又はリチウム複合酸化物が安全性の点から好ましく用いられる。
また、金属複合酸化物としては、リチウムを吸蔵、放出可能であれば特には制限されないが、構成成分としてチタン及び/又はリチウムを含有していることが、高電流密度充放電特性の観点で好ましい。
負極活物質として用いられる炭素質材料とは、実質的に炭素からなる材料である。例えば、石油ピッチ、天然黒鉛、気相成長黒鉛等の人造黒鉛、及びPAN系の樹脂やフルフリルアルコール樹脂等の各種の合成樹脂を焼成した炭素質材料を挙げることができる。さらに、PAN系炭素繊維、セルロース系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、気相成長炭素繊維、脱水PVA系炭素繊維、リグニン炭素繊維、ガラス状炭素繊維、活性炭素繊維等の各種炭素繊維類、メソフェーズ微小球体、グラファイトウィスカー、平板状の黒鉛等を挙げることもできる。
これらの炭素質材料は、黒鉛化の程度により難黒鉛化炭素材料と黒鉛系炭素材料に分けることもできる。また炭素質材料は、特開昭62−22066号公報、特開平2−6856号公報、同3−45473号公報に記載される面間隔や密度、結晶子の大きさを有することが好ましい。炭素質材料は、単一の材料である必要はなく、特開平5−90844号公報記載の天然黒鉛と人造黒鉛の混合物、特開平6−4516号公報記載の被覆層を有する黒鉛等を用いることもできる。
非水電解液二次電池において用いられる負極活物質である金属酸化物及び金属複合酸化物は、これらの少なくとも1種を含んでいればよい。金属酸化物及び金属複合酸化物としては、特に非晶質酸化物が好ましく、さらに金属元素と周期律表第16族の元素との反応生成物であるカルコゲナイトも好ましく用いられる。ここでいう非晶質とは、CuKα線を用いたX線回折法で、2θ値で20°〜40°の領域に頂点を有するブロードな散乱帯を有するものを意味し、結晶性の回折線を有してもよい。2θ値で40°以上70°以下に見られる結晶性の回折線の内最も強い強度が、2θ値で20°以上40°以下に見られるブロードな散乱帯の頂点の回折線強度の100倍以下であるのが好ましく、5倍以下であるのがより好ましく、結晶性の回折線を有さないことが特に好ましい。
前記非晶質酸化物及びカルコゲナイドからなる化合物群のなかでも、半金属元素の非晶質酸化物、及びカルコゲナイドがより好ましく、周期律表第13(IIIB)族〜15(VB)族の元素、Al、Ga、Si、Sn、Ge、Pb、Sb、Biの一種単独あるいはそれらの2種以上の組み合わせからなる酸化物、及びカルコゲナイドが特に好ましい。好ましい非晶質酸化物及びカルコゲナイドの具体例としては、例えば、Ga、SiO、GeO、SnO、SnO、PbO、PbO、Pb、Pb、Pb、Sb、Sb、Sb、Bi、Bi、SnSiO、GeS、SnS、SnS、PbS、PbS、Sb、Sb、SnSiSなどが好ましく挙げられる。また、これらは、酸化リチウムとの複合酸化物、例えば、LiSnOであってもよい。
非水電解液二次電池において、用いられる前記負極活物質の平均粒子サイズは、0.1μm〜60μmが好ましい。所定の粒子サイズにするには、よく知られた粉砕機や分級機が用いられる。例えば、乳鉢、ボールミル、サンドミル、振動ボールミル、衛星ボールミル、遊星ボールミル、旋回気流型ジェットミルや篩などが好適に用いられる。粉砕時には水、あるいはメタノール等の有機溶媒を共存させた湿式粉砕も必要に応じて行うことができる。所望の粒径とするためには分級を行うことが好ましい。分級方法としては特に限定はなく、篩、風力分級機などを必要に応じて用いることができる。分級は乾式、湿式ともに用いることができる。
前記焼成法により得られた化合物の化学式は、測定方法として誘導結合プラズマ(ICP)発光分光分析法、簡便法として、焼成前後の粉体の質量差から算出できる。
Sn、Si、Geを中心とする非晶質酸化物負極活物質に併せて用いることができる負極活物質としては、リチウムイオン又はリチウム金属を吸蔵・放出できる炭素材料や、リチウム、リチウム合金、リチウムと合金可能な金属が好適に挙げられる。
本発明においては、チタン酸リチウム、より具体的にはリチウム・チタン酸化物(Li[Li1/3Ti5/3]O)を負極の活物質として用いることも好ましい。
電極合材をなす分散物(合剤)中、負極活物質の配合量は特に限定されないが、固形成分100質量%において60〜98質量%であることが好ましく、70〜95質量%であることがより好ましい。
・導電材
導電材は、構成された二次電池において、化学変化を起こさない電子伝導性材料であればどのようなものを用いてもよく、公知の導電材を任意に用いることができる。通常、天然黒鉛(鱗状黒鉛、鱗片状黒鉛、土状黒鉛など)、人工黒鉛、カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、炭素繊維や金属粉(銅、ニッケル、アルミニウム、銀(特開昭63−10148,554号に記載)等)、金属繊維あるいはポリフェニレン誘導体(特開昭59−20,971号に記載)などの導電性材料を1種又はこれらの混合物として含ませることができる。その中でも、黒鉛とアセチレンブラックの併用がとくに好ましい。前記導電剤の添加量としては、電極合剤をなす分散物(合剤)中、固形成分100質%において、0.1〜50質量%が好ましく、0.5〜30質量%がより好ましい。カーボンや黒鉛の場合は、分散物中、0.5〜15質量%が特に好ましい。
・結着剤
結着剤としては、多糖類、熱可塑性樹脂及びゴム弾性を有するポリマーなどが挙げられる。その中でも、例えば、でんぷん、カルボキシメチルセルロース、セルロース、ジアセチルセルロース、メチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、アルギン酸ナトリウム、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸ナトリウム、ポリビニルフェノール、ポリビニルメチルエーテル、ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン、ポリアクリロニトリル、ポリアクリルアミド、ポリヒドロキシ(メタ)アクリレート、スチレン−マレイン酸共重合体等の水溶性ポリマー、ポリビニルクロリド、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、テトラフロロエチレン−ヘキサフロロプロピレン共重合体、ビニリデンフロライド−テトラフロロエチレン−ヘキサフロロプロピレン共重合体、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−プロピレン−ジエンターポリマー(EPDM)、スルホン化EPDM、ポリビニルアセタール樹脂、メチルメタアクリレート、2−エチルヘキシルアクリレート等の(メタ)アクリル酸エステルを含有する(メタ)アクリル酸エステル共重合体、(メタ)アクリル酸エステル−アクリロニトリル共重合体、ビニルアセテート等のビニルエステルを含有するポリビニルエステル共重合体、スチレン−ブタジエン共重合体、アクリロニトリル−ブタジエン共重合体、ポリブタジエン、ネオプレンゴム、フッ素ゴム、ポリエチレンオキシド、ポリエステルポリウレタン樹脂、ポリエーテルポリウレタン樹脂、ポリカーボネートポリウレタン樹脂、ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂等のエマルジョン(ラテックス)あるいはサスペンジョンが好ましく、ポリアクリル酸エステル系のラテックス、カルボキシメチルセルロース、ポリテトラフロロエチレン、ポリフッ化ビニリデンが、より好ましい。
結着剤は、一種単独又は二種以上を混合して用いることができる。結着剤の添加量が少ないと、電極合剤の保持力・凝集力が弱くなる。多すぎると電極体積が増加し電極単位体積あるいは単位質量あたりの容量が減少する。このような理由で結着剤の添加量は電極合剤をなす分散物(合剤)中、固形成分100質%において、1〜30質量%が好ましく、2〜10質量%がより好ましい。
・フィラー
電極合材は、フィラーを含んでいてもよい。フィラーを形成する材料は、本発明の二次電池において、化学変化を起こさない繊維状材料であればどのようなものでも用いることができる。通常、ポリプロピレン、ポリエチレンなどのオレフィン系ポリマー、ガラス、炭素などの材料からなる繊維状のフィラーが用いられる。フィラーの添加量は特に限定されないが、電極合材をなす分散物(合剤)中、固形成分100質%において、0〜30質量%が好ましい。
・集電体
正・負極の集電体としては、本発明の非水電解液二次電池において化学変化を起こさない電子伝導体が用いられる。正極の集電体としては、アルミニウム、ステンレス鋼、ニッケル、チタンなどの他にアルミニウムやステンレス鋼の表面にカーボン、ニッケル、チタンあるいは銀を処理させたものが好ましく、その中でも、アルミニウム、アルミニウム合金がより好ましい。
負極の集電体としては、アルミニウム、銅、ステンレス鋼、ニッケル、チタンが好ましく、アルミニウム、銅、銅合金がより好ましい。
前記集電体の形状としては、通常フィルムシート状のものが使用されるが、ネット、パンチされたもの、ラス体、多孔質体、発泡体、繊維群の成形体なども用いることができる。前記集電体の厚みとしては、特に限定されないが、1μm〜500μmが好ましい。また、集電体表面は、表面処理により凹凸を付けることも好ましい。
これらの材料から適宜選択した部材によりリチウム二次電池の電極合材が形成される。
(セパレータ)
本発明に用いることができるセパレータは、正極と負極を電子的に絶縁する機械的強度、イオン透過性、及び正極と負極の接触面で酸化・還元耐性のある材料であれば特に限定されることはない。このような材料として多孔質のポリマー材料や無機材料、有機無機ハイブリッド材料、あるいはガラス繊維などが用いられる。これらセパレータは安全性確保のためのシャットダウン機能、すなわち、80℃以上で隙間を閉塞して抵抗を上げ、電流を遮断する機能、を持つことが好ましく、閉塞温度は90℃以上、180℃以下であることが好ましい。
前記セパレータの孔の形状は、通常は円形や楕円形で、大きさは0.05μm〜30μmであり、0.1μm〜20μmが好ましい。さらに延伸法、相分離法で作った場合のように、棒状や不定形の孔であってもよい。これらの隙間の占める比率すなわち気孔率は、20%〜90%であり、35%〜80%が好ましい。
前記ポリマー材料としては、セルロース不織布、ポリエチレン、ポリプロピレンなどの単一の材料を用いたものでも、2種以上の複合化材料を用いたものであってもよい。孔径、気孔率や孔の閉塞温度などを変えた2種以上の微多孔フィルムを積層したものが、好ましい。
前記無機物としては、アルミナや二酸化珪素等の酸化物類、窒化アルミや窒化珪素等の窒化物類、硫酸バリウムや硫酸カルシウム等の硫酸塩類が用いられ、粒子形状もしくは繊維形状のものが用いられる。形態としては、不織布、織布、微多孔性フィルム等の薄膜形状のものが用いられる。薄膜形状では、孔径が0.01μm〜1μm、厚さが5μm〜50μmのものが好適に用いられる。前記の独立した薄膜形状以外に、前記無機物の粒子を含有する複合多孔層を樹脂製の結着剤を用いて正極及び/又は負極の表層に形成させてなるセパレータを用いることができる。例えば、正極の両面に90%粒径が1μm未満のアルミナ粒子をフッ素樹脂の結着剤を用いて多孔層として形成させることが挙げられる。
(非水電解質二次電池の作製)
リチウム二次電池の形状としては、既述のように、シート状、角型、シリンダー状などいずれの形にも適用できる。正極活物質や負極活物質を含む(分散物)合剤は、集電体の上に、塗布(コート)、乾燥、圧縮されて、主に用いられる。
以下、図2により、有底筒型形状リチウム二次電池100を例に挙げて、その構成及び作製方法について説明する。有底筒型形状の電池では、充填される発電素子に対する外表面積が小さくなるので、充電や放電時に内部抵抗による発生するジュール発熱を効率よく外部に逃げる設計にすることが好ましい。また、熱伝導性の高い物質の充填比率を高め、内部での温度分布が小さくなるように設計することが好ましい。図2は、有底筒型形状リチウム二次電池100を例である。この電池は、セパレータ12を介して重ね合わせた正極シート14、負極シート16を巻回して外装缶18内に収納した有底筒型リチウム二次電池100となっている。その他、図中の20が絶縁板、22が封口板、24が正極集電、26がガスケット、28が圧力感応弁体、30が電流遮断素子である。なお、拡大した円内の図示は視認性を考慮しハッチングを変えているが、各部材は符号により全体図と対応している。
まず、負極活物質と、所望により用いられる結着剤やフィラーなどを有機溶剤に溶解したものを混合して、スラリー状あるいはペースト状の負極合剤を調製する。得られた負極合剤を集電体としての金属芯体の両面の全面にわたって均一に塗布し、その後、有機溶剤を除去して負極活物質層を形成する。さらに、集電体と負極活物質層との積層体(合材)をロールプレス機等により圧延して、所定の厚みに調製して負極シート(電極シート)を得る。このとき、各剤の塗布方法や塗布物の乾燥、正・負極の電極の形成方法は定法によればよい。
本実施形態では、円筒形の電池を例に挙げたが、本発明はこれに制限されず、例えば、前記方法で作製された正・負の電極シート(合材)を、セパレータを介して重ね合わせた後、そのままシート状電池に加工するか、或いは、折りまげた後角形缶に挿入して、缶とシートを電気的に接続した後、電解質を注入し、封口板を用いて開口部を封止して角形電池を形成してもよい。
いずれの実施形態においても、安全弁を開口部を封止するための封口板として用いることができる。また、封口部材には、安全弁の他、従来知られている種々の安全素子を備えつけてもよい。例えば、過電流防止素子として、ヒューズ、バイメタル、PTC素子などが好適に用いられる。
また、前記安全弁のほかに電池缶の内圧上昇の対策として、電池缶に切込を入れる方法、ガスケット亀裂方法あるいは封口板亀裂方法あるいはリード板との切断方法を利用することができる。また、充電器に過充電や過放電対策を組み込んだ保護回路を具備させるか、あるいは独立に接続させてもよい。
缶やリード板は、電気伝導性をもつ金属や合金を用いることができる。例えば、鉄、ニッケル、チタン、クロム、モリブデン、銅、アルミニウムなどの金属あるいはそれらの合金が好適に用いられる。
キャップ、缶、シート、リード板の溶接法は、公知の方法(例、直流又は交流の電気溶接、レーザー溶接、超音波溶接)を用いることができる。封口用シール剤は、アスファルトなどの従来知られている化合物や混合物を用いることができる。
[非水電解液二次電池の用途]
本発明の非水電解液二次電池は、サイクル性が良好であるため、種々の用途に適用される。
適用態様には特に限定はないが、例えば、電子機器に搭載する場合、ノートパソコン、ペン入力パソコン、モバイルパソコン、電子ブックプレーヤー、携帯電話、コードレスフォン子機、ページャー、ハンディーターミナル、携帯ファックス、携帯コピー、携帯プリンター、ヘッドフォンステレオ、ビデオムービー、液晶テレビ、ハンディークリーナー、ポータブルCD、ミニディスク、電気シェーバー、トランシーバー、電子手帳、電卓、メモリーカード、携帯テープレコーダー、ラジオ、バックアップ電源、メモリーカードなどが挙げられる。その他民生用として、自動車、電動車両、モーター、照明器具、玩具、ゲーム機器、ロードコンディショナー、時計、ストロボ、カメラ、医療機器(ペースメーカー、補聴器、肩もみ機など)などが挙げられる。更に、各種軍需用、宇宙用として用いることができる。また、太陽電池と組み合わせることもできる。
二次電池において電荷の輸送に用いられる金属イオンは特に限定されないが、周期律表第一族又は第二族に属する金属イオンを利用したものであることが好ましい。中でも、リチウムイオン、ナトリウムイオン、マグネシウムイオン、カルシウムイオン、アルミニウムイオン等を用いることが好ましい。リチウムイオンを用いた二次電池についての一般的な技術事項は冒頭に挙げた特許文献等、多くの文献や書籍があり参考になる。その他、ナトリウムイオンを用いた二次電池については、Journal of Electrochemical Society;Electrochemical Science and Technology、米国、1980年、第127巻、第2097〜2099頁等を参照することができる。マグネシウムイオンについては、Nature 407, p.724−727(2000)等を参照することができる。カルシウムイオンについては、J.Electrochem. Soc. Vol.138, 3536 (1991)等を参照することができる。本発明においてはその普及の程度からリチウムイオン二次電池に適用することが好ましいが、それ以外のものにおいても所望の効果を奏するものであり、これに限定して解釈されるものではない。
以下、本発明の実施例を説明するが、本発明はこれらの実施例によって、何ら限定されるものではない。
(実施例1/比較例1)
・電解液の調製
1M LiPFの炭酸エチレン/炭酸ジエチルの体積比1対2電解液に、表1に示した添加剤(化合物)を、表1に記載の添加量で加え試験用電解液を調製した。ここで添加量とは全電解液中の質量%で示している。
・2032形コイン電池の作製(ニッケルマンガンコバルト酸リチウム電極の電池)
正極は活物質:ニッケルマンガンコバルト酸リチウム(LiNi1/3Mn1/3Co1/3) 85質量%、導電助剤:カーボンブラック 7質量%、バインダー:PVDF(ポリフッ化ビニリデン) 8質量%で作製し、負極は活物質:Gr(天然黒鉛) 92質量%、バインダー:PVDF 8質量%で作製した。セパレータはポリプロピレン製25μm厚である。上記の正負極、セパレータを使用し、各試験用電解液について、2032形コイン電池を作製し、下記項目の評価を行った。結果を表1に示している。
<電解液特性(不純物ピーク)>
上記の方法で作製した2032形電池を用いて30℃の恒温槽中、2.0mAで電池電圧が4.3Vになるまで1C定電流充電した後、4.3V定電圧において電流値が0.12mAになる、または2時間充電を行い、次に2.0mAで電池電圧が2.7Vになるまで1C定電流放電を行い、1サイクルとした。これを繰り返し、300サイクル後に電池を分解し、中の電解液を取り出し、この液に対し島津株式会社製 液体クロマトグラフィーLC−6Aを用いて純度測定を行った。この際、添加した添加剤以外のピークが全体の面積のうち面積%で:
AA:0〜1%であるもの(分解物がほぼ存在しない良好な系)
A:面積%が1超5%以下であるもの
B:面積%が5超10%以下であるもの
C:面積%が10%超であるもの
<難燃性試験>
UL−94HB水平燃焼試験を参考に、以下の試験系にて評価実施した。幅13mm、長さ110mmのガラス濾紙(ADVANTEC GA−100)を切り出し、調整した電解液1.7mlをガラス濾紙上に満遍なく滴下した。十分にガラス濾紙内に電解液が染み込んだ後、余剰の電解液を拭い、水平になるように吊るした。全炎長2cmに調整したブタンガスバーナーの内炎がガラス濾紙先端に触れる位置から3秒着火し、炎を離した後の挙動で評価を行った。
AA・・・不燃もしくは瞬時に消炎レベル
A・・・着火後しばらく炎が観察されるが、濾紙全体に延焼する前に消炎
B・・・燃焼抑制効果が見られるが、不燃、消炎には至らないレベル
C・・・燃焼抑制効果が見られないレベル
<容量維持率−サイクル試験>
上記の方法で作製した2032形電池を用いて30℃の恒温槽中、2.0mAで電池電圧が4.3Vになるまで1C定電流充電した後、4.3V定電圧において電流値が0.12mAになるまで充電を行い(または2時間充電を行い)、次に2.0mAで電池電圧が2.7Vになるまで1C定電流放電を行い、1サイクルとした。これを繰り返し、放電容量の値が1サイクル目の放電容量(mAh)の値の80%以下になるサイクル数を測定した。
なお、正極、負極、電解液は、それぞれ、後記表中に記載のものを用いた。
Figure 0005902047
但しニトリル添加量中の( )内の数字は難燃剤100質量部中のニトリル化合物の添加量(質量部)を示す。
Mn−1: LiNi0.33Mn0.33Co0.33
Gr:天然黒鉛
Figure 0005902047
上記表1の結果より、特定の難燃化剤と特定ニトリル化合物とを含有する本発明の非水二次電池用電解液によれば、高度の難燃性と高度の電池性能(サイクル特性)とを両立することができることが分かる。
(実施例2・比較例2)
実施例1のニトリル化合物の配合量を下表のとおり変えた以外、同様にして電池性能の評価を行った。なお、試験No.が実施例1・比較例1と同じものは、実施例1と同様の試験であることを意味する。
Figure 0005902047
表2の結果より、難燃化剤と特定ニトリル化合物とは適正量で適用することが有効であることがわかる。
Mn−1: LiNi0.33Mn0.33Co0.33
Gr:天然黒鉛
*1:( )内は難燃剤100質量部に対するニトリル化合物の配合量(質量部)
*難燃化剤の添加量はいずれも5wt%
(実施例3・比較例3)
実施例1の正極・負極を下表のとおり変え、コバルト酸リチウム(LiCoO2)で作製した電池に関しては、電池電圧を4.3Vから4.2Vに変えた以外、同様にして不純物測定、電池性能の評価を行った。なお、試験No.が実施例1・比較例1と同じものは、実施例1と同様の試験であることを意味する。
Figure 0005902047
Mn−1: LiNi0.33Mn0.33Co0.33
Gr:天然黒鉛
上記表3の結果より、本発明に係る非水二次電池用電解液は、高電位の正極との相性がよく、特に優れた効果を奏することが分かる。
(実施例4)
実施例1の難燃化剤を下表のとおり変えた以外、同様にして電池性能の評価を行った。なお、ニトリル化合物はすべてスクシノニトリルを用いたことを意味する。難燃剤の添加量は5質量%、ニトリル化合物の添加量は0.2質量%であった。容量サイクル数は、85を超えるものを合格(OK)とした。負極は黒炭(Gr)、正極はMn−1であった。
Figure 0005902047
上記表4の結果より、本発明で規定される難燃剤はその広い範囲で所望の効果が得られることが分かる。
C 正極(正極合材)
1 正極導電材(集電体)
2 正極活物質層
A 正極(正極合材)
3 負極導電材(集電体)
4 負極活物質層
5 非水電解液
6 動作手段
7 配線
9 セパレータ
10 リチウムイオン二次電池
12 セパレータ
14 正極シート
16 負極シート
18 負極を兼ねる外装缶
20 絶縁板
22 封口板
24 正極集電
26 ガスケット
28 圧力感応弁体
30 電流遮断素子
100 有底筒型形状リチウム二次電池

Claims (10)

  1. 電解質と、下記式(1)で表されるニトリル化合物と、式(2)で表されるリン酸化合物もしくはホスファゼン化合物からなる難燃化剤とを非プロトン性溶媒中に含有する非水二次電池用電解液であって、
    前記難燃化剤100質量部に対し前記ニトリル化合物を0.1質量部〜10質量部含有する非水二次電池用電解液。
    Figure 0005902047
    (前記式中、R11〜R13はそれぞれ独立に水素原子、アルキル基、アルコキシカルボニル基、アリールオキシカルボニル基、シアノ基、カルバモイル基、スルホニル基、ハロゲン元素、またはホスホニル基を表す。前記R11〜R13は、ニトリル基を有していてもよい。nは1〜8の整数を表す。)
    Figure 0005902047
    (前記式中、R14、R15は置換されていてもよいアルキル基またはアリール基を表す。R16はアルキル基、アリール基、アルコキシ基、またはアリールオキシ基を表す。)
  2. 適用される二次電池の正極がマンガンもしくはニッケルを有する活物質を含む請求項1に記載の非水二次電池用電解液。
  3. 前記ホスファゼン化合物が下記式(3)で表される請求項1または2に記載の非水二次電池用電解液。
    Figure 0005902047
    (前記式(3)中、R〜Rは1価の置換基を表す。nは1以上の整数を表す。)
  4. 前記ホスファゼン化合物が式(3A)または(3B)で表される請求項1〜3のいずれかに記載の非水二次電池用電解液。
    Figure 0005902047
    (前記式中、R2128は1価の置換基を表す。)
  5. 前記式(3A)及び(3B)において、R21〜R28がアルキル基、アルコキシ基、アミノ基、フッ素元素、又はその組合せである請求項4に記載の非水二次電池用電解液。
  6. 前記非プロトン性溶媒が、下記式(4A)〜(4C)のいずれかで表される化合物もしくはその組合せである請求項1〜5のいずれかに記載の非水二次電池用電解液。
    Figure 0005902047
    (式中、R31〜R36はそれぞれ水素原子、アルキル基、またはアリール基を表す。)
  7. 前記ニトリル化合物が、マロノニトリル、スクシノニトリル、グルタロニトリル、またはアジポニトリルである請求項1〜6のいずれかに記載の非水二次電池用電解液。
  8. 請求項1〜7のいずれかに記載の電解液と、正極と、負極とを具備する非水電解液二次電池。
  9. 前記正極がマンガンもしくはニッケルを有する活物質を含む請求項8に記載の非水電解液二次電池。
  10. 電解質とともに非プロトン性溶媒中に含有させる非水二次電池用電解液の添加剤キットであって、下記式(1)で表されるニトリル化合物を含む薬剤と、式(2)で表されるリン酸化合物もしくはホスファゼン化合物からなる難燃化剤と組み合わせであって、前記難燃化剤100質量部に対し前記ニトリル化合物を0.1質量部〜10質量部で用いる添加剤キット。
    Figure 0005902047
    (前記式中、R11〜R13はそれぞれ独立に水素原子、アルキル基、アルコキシカルボニル基、アリールオキシカルボニル基、シアノ基、カルバモイル基、スルホニル基、ハロゲン元素、またはホスホニル基を表す。前記R11〜R13はニトリル基を有していてもよい。nは1〜8の整数を表す。)
    Figure 0005902047
    (前記式中、R14、R15は置換されていてもよいアルキル基またはアリール基を表す。R16はアルキル基、アリール基、アルコキシ基、またはアリールオキシ基を表す。)
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