JP6004124B2 - 非水電解液二次電池用電解液及び非水電解液二次電池 - Google Patents

非水電解液二次電池用電解液及び非水電解液二次電池 Download PDF

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Description

本発明は、リチウムイオン電池などの非水電解液電池に用いられる電解液及び非水電解液電池に関するものである。
電気化学ディバイスである電池において、近年、情報関連機器、通信機器、即ちパソコン、ビデオカメラ、デジタルカメラ、携帯電話、スマートフォン等の小型、高エネルギー密度用途向けの蓄電システムや、電気自動車、ハイブリッド車、燃料電池車補助電源、電力貯蔵等の大型、パワー用途向けの蓄電システムが注目を集めている。その一つの候補としてリチウムイオン電池、リチウム電池、リチウムイオンキャパシタ等の非水電解液電池が盛んに開発されている。
リチウムイオン電池の場合、初充電時に負極にリチウムカチオンが挿入又は吸蔵される際に、負極とリチウムカチオン、又は負極と電解液溶媒が反応し、負極表面上に酸化リチウムや炭酸リチウム、アルキル炭酸リチウムを主成分とする被膜を形成する。この電極表面上の皮膜はSolid Electrolyte Interface(SEI)と呼ばれ、溶媒の還元分解を抑制し電池性能の劣化を抑える等、その性質が電池性能に大きな影響を与える。また、同様に正極表面上にも酸化分解物による皮膜が形成され、これも溶媒の酸化分解を抑制し、電池ガス発生量を抑える等といった重要な役割を果たす事が知られている。
耐久性や出力特性を始めとする電池性能を向上させるためには、イオン伝導性が高く、且つ電子伝導性が低く、長期に渡って安定なSEIを形成させることが重要であり、添加剤と称される化合物を電解液中に少量(通常は0.01質量%以上10質量%以下)加える事で、積極的に良好なSEIを形成させる試みが広くなされている。
例えば、特許文献1ではビニレンカーボネートが、特許文献2では1,3―プロペンスルトンを始めとする不飽和環状スルホン酸エステルが、特許文献3では二酸化炭素が、特許文献4では1,2,3,4−テトラヒドロナフタレンを始めとする芳香族化合物が、特許文献5ではピリジンを始めとする含窒素不飽和化合物が、特許文献6ではビスオキサラトホウ酸リチウムが、特許文献7ではジフルオロオキサラトホウ酸リチウムを始めとするリン、ホウ素錯体が有効なSEIを形成させる添加剤として用いられている。
なお、特許文献8には、電気化学ディバイス用電解質として用いられるイオン性錯体の製造方法が開示されている。また、特許文献9には、トリスオキサラトリン酸リチウムの製造方法が開示されている。また、特許文献10には、−20℃/25℃の放電容量比が改善できる電解液が開示されている。また、非特許文献1には、シリコンなどを錯体中心としたフルオロ錯体の製造方法が開示されている。
特開平8−045545(特許3573521)号公報 特開2002−329528(特許4190162)号公報 特開平7−176323号公報 特開2003−007334(特許3417411)号公報 特開2003−115324号公報 特開2007−335143公報 特開2002−110235(特許3722685)号公報 特開2003−137890(特許3907446)号公報 特表2003−505464(特許4695802)号公報 特開2011−222193(特許5573313)号公報
J. Chem.Soc.(A), 1970, 15, 2569−2574
リチウムイオン電池を主とする非水電解液電池は既に実用化されているものも多いが車載用を始め、より過酷な条件で使用される可能性のある用途においては、充分な特性を有する電解液が得られているとは言えない。
具体的には、寒冷地においても保温、加熱による補助無しに高出力で非水電解液電池を作動させるため、低温、例えば0℃以下での出力特性が強く求められている。それを克服するために様々な電解液の提案がなされている状況にあるが、その大部分は初期における出力特性は改善されているものの、ある程度電池が使用された(充放電サイクル回数が進む、高温での貯蔵履歴が重なる)状態になると、出力特性が大幅に低下するといった課題が残るものが多い。そのため、充放電サイクルが進んだ後や高温貯蔵後においても低温にて高い出力特性を与える非水電解液電池用電解液が強く求められている。
本発明は、ある程度電池が使用された状態においても低温にて高い出力特性を発揮できる非水電解液電池用電解液及び非水電解液電池を提供するものである。
本発明者らは、上記問題に鑑み、シス、トランス異性体が存在し得る六配位のイオン性錯体について鋭意検討を重ね、シス体、トランス体を別々に添加し、その効果を比較した結果、シス体の方がサイクル耐久試験後において低温での出力特性が高い事が明らかにした。
すなわち本発明は、一般式(1−Cis)で示される、シス型の立体配座をとるジフルオロイオン性錯体(1−Cis)と非水有機溶媒と溶質を含む非水電解液二次電池用電解液で、前記非水電解液二次電池用電解液に含まれるジフルオロイオン性錯体のうち、95モル%以上が前記ジフルオロイオン性錯体(1−Cis)であることを特徴とする非水電解液二次電池用電解液を提供する。
一般式(1−Cis)において、Aは金属イオン、プロトン及びオニウムイオンからなる群から選ばれるいずれか1つであり、MはSi、P、As及びSbからなる群から選ばれるいずれか1つである。Fはフッ素原子、Oは酸素原子である。MがSiの場合、tは2であり、MがP、As又はSbの場合、tは1である。
Xは酸素原子又は−N(R)−である。Nは窒素原子であり、Rは炭素数1〜10のヘテロ原子やハロゲン原子を有していてもよい炭化水素基(炭素数が3以上の場合にあっては、分岐鎖又は環状構造のものも使用できる)である。
Xが−N(R)−でpが0の場合、XとWは直接結合し、その際は下記一般式(2)〜(4)のような構造をとることもできる。直接結合が二重結合となる下記一般式(3)の場合、Rは存在しない。
Yは炭素原子又は硫黄原子である。Yが炭素原子である場合qは1である。Yが硫黄原子である場合qは1又は2である。
Wは炭素数1〜10のヘテロ原子やハロゲン原子を有していてもよい炭化水素基(炭素数が3以上の場合にあっては、分岐鎖又は環状構造のものも使用できる)、又は−N(R)−を表す。このとき、Rは水素原子、アルカリ金属、炭素数1〜10のヘテロ原子やハロゲン原子を有していてもよい炭化水素基を表す。炭素数が3以上の場合にあっては、Rは分岐鎖又は環状構造をとることもできる。
pは0又は1、qは0〜2の整数、rは0〜2の整数をそれぞれ表し、p+r≧1である。
前記ジフルオロイオン性錯体(1−Cis)のアニオン部分の各元素が(ア)、(イ)、(ウ)、(エ)から選ばれる少なくとも一つの組み合わせであることが好ましい。
(ア)M=P、X=O、Y=C、p、q、t=1、r=0
(イ)M=P、X=O、W=C(CF、p、q=0、r、t=1
(ウ)M=Si、X=O、Y=C、p、q=1、t=2、r=0
(エ)M=P、X=N(R)、Y=C、R=CH、p、q、t=1、r=0
前記ジフルオロイオン性錯体(1−Cis)の前記Aがリチウムイオン、ナトリウムイオン、カリウムイオン、または4級アルキルアンモニウムイオンであることが好ましく、前記ジフルオロイオン性錯体(1−Cis)の濃度が非水電解液二次電池用電解液に対して0.001質量%以上20質量%以下の範囲であることが好ましい。
本発明の非水電解液二次電池用電解液は、さらに、一般式(1−Trans)で示される、トランス型の立体配座をとるジフルオロイオン性錯体(1−Trans)を含むことが好ましい。
一般式(1−Trans)において、Aは金属イオン、プロトン及びオニウムイオンからなる群から選ばれるいずれか1つであり、MはSi、P、As及びSbからなる群から選ばれるいずれか1つである。Fはフッ素原子、Oは酸素原子である。MがSiの場合、tは2であり、MがP、As又はSbの場合、tは1である。
Xは酸素原子又は−N(R)−である。Nは窒素原子であり、Rは炭素数1〜10のヘテロ原子やハロゲン原子を有していてもよい炭化水素基(炭素数が3以上の場合にあっては、分岐鎖又は環状構造のものも使用できる)である。
Xが−N(R)−でpが0の場合、XとWは直接結合し、その際は下記一般式(2)〜(4)のような構造をとることもできる。直接結合が二重結合となる下記一般式(3)の場合、Rは存在しない。
Yは炭素原子又は硫黄原子である。Yが炭素原子である場合qは1である。Yが硫黄原子である場合qは1又は2である。
Wは炭素数1〜10のヘテロ原子やハロゲン原子を有していてもよい炭化水素基(炭素数が3以上の場合にあっては、分岐鎖又は環状構造のものも使用できる)、又は−N(R)−を表す。このとき、Rは水素原子、アルカリ金属、炭素数1〜10のヘテロ原子やハロゲン原子を有していてもよい炭化水素基を表す。炭素数が3以上の場合にあっては、Rは分岐鎖又は環状構造をとることもできる。pは0又は1、qは0〜2の整数、rは0〜2の整数をそれぞれ表し、p+r≧1である。
前記ジフルオロイオン性錯体(1−Trans)のアニオン部分の各元素が(ア)、(イ)、(ウ)、(エ)から選ばれる少なくとも一つの組み合わせであることが好ましい。(ア)M=P、X=O、Y=C、p、q、t=1、r=0
(イ)M=P、X=O、W=C(CF、p、q=0、r、t=1
(ウ)M=Si、X=O、Y=C、p、q=1、t=2、r=0
(エ)M=P、X=N(R)、Y=C、R=CH、p、q、t=1、r=0
前記ジフルオロイオン性錯体(1−Trans)の前記Aがリチウムイオン、ナトリウムイオン、カリウムイオン、または4級アルキルアンモニウムイオンであることが好ましく、前記ジフルオロイオン性錯体(1−Trans)の含有量の、前記ジフルオロイオン性錯体(1−Cis)の質量に対する割合が、0.0001以上、0.05以下であることが好ましい。
本発明の非水電解液二次電池用電解液は、さらに、一般式(5)で示されるテトラフルオロイオン性錯体(5)を含むことが好ましい。
一般式(5)において、Aは金属イオン、プロトン及びオニウムイオンからなる群から選ばれるいずれか1つであり、MはSi、P、As及びSbからなる群から選ばれるいずれか1つである。Fはフッ素原子、Oは酸素原子である。MがSiの場合、tは2であり、MがP、As又はSbの場合、tは1である。
Xは酸素原子又は−N(R)−である。Nは窒素原子であり、Rは炭素数1〜10のヘテロ原子やハロゲン原子を有していてもよい炭化水素基(炭素数が3以上の場合にあっては、分岐鎖又は環状構造のものも使用できる)である。
Xが−N(R)−でpが0の場合、XとWは直接結合し、その際は下記一般式(2)〜(4)のような構造をとることもできる。直接結合が二重結合となる下記一般式(3)の場合、Rは存在しない。
Yは炭素原子又は硫黄原子である。Yが炭素原子である場合qは1である。Yが硫黄である場合qは1又は2である。
Wは炭素数1〜10のヘテロ原子やハロゲン原子を有していてもよい炭化水素基(炭素数が3以上の場合にあっては、分岐鎖又は環状構造のものも使用できる)、又は−N(R)−を表す。このとき、Rは水素原子、アルカリ金属、炭素数1〜10のヘテロ原子やハロゲン原子を有していてもよい炭化水素基を表す。炭素数が3以上の場合にあっては、Rは分岐鎖又は環状構造をとることもできる。pは0又は1、qは0〜2の整数、rは0〜2の整数をそれぞれ表し、p+r≧1である。
前記テトラフルオロイオン性錯体(5)のアニオン部分の各元素が(ア)、(イ)、(ウ)、(エ)から選ばれるいずれかの組み合わせであることが好ましい。
(ア)M=P、X=O、Y=C、p、q、t=1、r=0
(イ)M=P、X=O、W=C(CF、p、q=0、r、t=1
(ウ)M=Si、X=O、Y=C、p、q=1、t=2、r=0
(エ)M=P、X=N(R)、Y=C、R=CH、p、q、t=1、r=0
前記テトラフルオロイオン性錯体(5)の前記Aがリチウムイオン、ナトリウムイオン、カリウムイオン、4級アルキルアンモニウムイオンであることが好ましく、前記テトラフルオロイオン性錯体(5)の含有量の、前記ジフルオロイオン性錯体(1−Cis)の質量に対する割合が、0.02以上0.25以下であることが好ましい。
前記非水有機溶媒が、カーボネート類、エステル類、エーテル類、ラクトン類、ニトリル類、アミド類、スルホン類からなる群から選ばれる少なくとも1種であることが好ましい。さらに、前記非水有機溶媒が、エチルメチルカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルプロピルカーボネート、エチルプロピルカーボネート、メチルブチルカーボネート、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、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、ジエチルエーテル、アセトニトリル、プロピオニトリル、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、フラン、テトラヒドロピラン、1,3−ジオキサン、1,4−ジオキサン、ジブチルエーテル、ジイソプロピルエーテル、1,2−ジメトキシエタン、N,N−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、スルホラン、γ−ブチロラクトン、及びγ−バレロラクトンからなる群から選ばれる少なくとも1種であることが好ましい。
前記非水有機溶媒が、環状カーボネート及び鎖状カーボネートからなる群から選ばれ、前記環状カーボネートが、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネートからなる群から選ばれる少なくとも1種であり、前記鎖状カーボネートが、エチルメチルカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルプロピルカーボネートからなる群から選ばれる少なくとも1種であることが好ましい。
前記溶質が、リチウム、ナトリウム、カリウム、及び四級アルキルアンモニウムからなる群から選ばれる少なくとも1種のカチオンと、ヘキサフルオロリン酸、テトラフルオロホウ酸、過塩素酸、ヘキサフルオロヒ酸、ヘキサフルオロアンチモン酸、トリフルオロメタンスルホン酸、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド、ビス(ペンタフルオロエタンスルホニル)イミド、(トリフルオロメタンスルホニル)(ペンタフルオロエタンスルホニル)イミド、ビス(フルオロスルホニル)イミド、(トリフルオロメタンスルホニル)(フルオロスルホニル)イミド、(ペンタフルオロエタンスルホニル)(フルオロスルホニル)イミド、トリス(トリフルオロメタンスルホニル)メチド、及びビス(ジフルオロホスホニル)イミドからなる群から選ばれる少なくとも1種のアニオンの対からなる塩であることが好ましい。
更に本発明は、上記の非水電解液二次電池用電解液と、正極と、負極と、セパレータとを備える非水電解液二次電池であることが好ましい。
また、本発明は、
(ア)上記の非水電解液二次電池用電解液と、
(イ)少なくとも1種の酸化物及び/又はポリアニオン化合物を正極活物質として含む正極と、
(ウ)負極活物質を含む負極と、
(エ)ポリオレフィン又はセルロースを主成分とするセパレータとを備え、
前記正極活物質は、(A)ニッケル、マンガン、コバルトの少なくとも1種以上の金属を含有し、層状構造を有するリチウム遷移金属複合酸化物、(B)スピネル構造を有するリチウムマンガン複合酸化物、(C)リチウム含有オリビン型リン酸塩及び(D)層状岩塩型構造を有するリチウム過剰層状遷移金属酸化物からなる群から選択される少なくとも1種以上であり、
前記負極活物質は、(E)X線回折における格子面(002面)のd値が0.340nm以下の炭素材料、(F)X線回折における格子面(002面)のd値が0.340nmを超える炭素材料、(G)Si、Sn、Alから選ばれる1種以上の金属の酸化物、(H)Si、Sn、Alから選ばれる1種以上の金属若しくはこれら金属を含む合金又はこれら金属若しくは合金とリチウムとの合金、及び(I)リチウムチタン酸化物からなる群から選択される少なくとも1種以上である非水電解液二次電池であることが好ましい。
本発明により、ある程度電池が使用された状態においても低温にて高い出力特性を発揮できる非水電解液電池用電解液及び非水電解液電池を提供することができる。
合成例1に係る(1a−Cis)の単結晶X線構造解析に基づくオルテップ図。
<1.非水電解液電池用電解液>
本発明の非水電解液電池用電解液は、非水有機溶媒と溶質を含有し、さらに一般式(1−Cis)で示される、シス型の立体配座をとるジフルオロイオン性錯体(1−Cis)を含有することを特徴とする。
一般式(1−Cis)、(1−Trans)において、Aは金属イオン、プロトン及びオニウムイオンからなる群から選ばれるいずれか1つであり、MはSi、P、As及びSbからなる群から選ばれるいずれか1つである。Fはフッ素原子、Oは酸素原子である。MがSiの場合、tは2であり、MがP、As又はSbの場合、tは1である。
Xは酸素原子又は−N(R)−である。Nは窒素原子であり、Rは炭素数1〜10のヘテロ原子やハロゲン原子を有していてもよい炭化水素基(炭素数が3以上の場合にあっては、分岐鎖又は環状構造のものも使用できる)である。
Xが−N(R)−でpが0の場合、XとWは直接結合し、その際は下記一般式(2)〜(4)のような構造をとることもできる。直接結合が二重結合となる下記一般式(3)の場合、Rは存在しない。
Yは炭素原子又は硫黄原子である。Yが炭素原子である場合qは1である。Yが硫黄原子である場合qは1又は2である。
Wは炭素数1〜10のヘテロ原子やハロゲン原子を有していてもよい炭化水素基(炭素数が3以上の場合にあっては、分岐鎖又は環状構造のものも使用できる)、又は−N(R)−を表す。このとき、Rは水素原子、アルカリ金属、炭素数1〜10のヘテロ原子やハロゲン原子を有していてもよい炭化水素基を表す。炭素数が3以上の場合にあっては、Rは分岐鎖又は環状構造をとることもできる。R2に使用できるアルカリ金属としては、リチウムが挙げられる。
pは0又は1、qは0〜2の整数、rは0〜2の整数をそれぞれ表し、p+r≧1である。
なお、ジフルオロイオン性錯体(1−Trans)の配位子である(−X〜O−)は、前記ジフルオロイオン性錯体(1−Cis)の配位子と同じ構造であってもよいし、異なる構造であってもよい。
ジフルオロイオン性錯体(1)は、二座配位子が中心元素Mに対して二分子配位し、更にフッ素(以下F)が二分子配位した六配位錯体である。中心元素M(Si、P、As、Sb)に対して酸素、または窒素を介して配位子が配位した錯体は安定であり、触媒の存在しない条件下での配位子の交換による異性化は極めて遅く、二分子のフッ素が中心元素から見て同一方向に結合したシス体(1−Cis)と、逆方向に結合したトランス体(1−Trans)の2種類の配座異性体をそれぞれ単離する事が可能である。
特許文献8に記載された条件を改良し、過剰に反応を進行させた後に得られるジフルオロイオン性錯体(1)の反応液、または特許文献9を参考に合成された三分子配位体をフッ素化する事で得たジフルオロイオン性錯体(1)の反応液を濃縮するとシス/トランス混合物が得られる。炭酸エステルと塩素系溶媒との混合溶媒中にてこの混合物の晶析を繰り返すことで(濾液側、母液側それぞれ)、純度99.9モル%以上の(1−Cis)と(1−Trans)をそれぞれ別に得ることができる。また、(1−Cis)と(1−Trans)のそれぞれを選択的に合成して得てもよい。(1−Cis)と(1−Trans)のそれぞれの純度は、95モル%以上であることが好ましく、98モル%以上であることがより好ましく、99モル%以上であることがさらに好ましい。
本発明の非水電解液電池用電解液に加えるジフルオロイオン性錯体は、シス/トランス等量混合物ではなく、非水電解液電池用電解液に含まれるジフルオロイオン性錯体のうち、95モル%以上が(1−Cis)であることが好ましい。すなわち、非水電解液電池用電解液に(1−Trans)を含む場合であっても、(1−Cis)と(1−Trans)の質量比(1−Trans)/(1−Cis)は、0.05以下であることが好ましい。
ジフルオロイオン性錯体(1)を構成する各元素が、以下の(ア)〜(エ)から選ばれる元素の組み合わせのうちいずれかであることが好ましい。
(ア)M=P、X=O、Y=C、p、q、t=1、r=0
(イ)M=P、X=O、W=C(CF、p、q=0、r、t=1
(ウ)M=Si、X=O、Y=C、p、q=1、t=2、r=0
(エ)M=P、X=N(R)、Y=C、R=CH、p、q、t=1、r=0
また、ジフルオロイオン性錯体(1)を構成するカチオンであるAは、本発明の非水電解液電池用電解液及び非水電解液電池の性能を損なうものでなければ、その種類は特に制限はないが、非水電解液電池中でのイオン伝導を助ける役割をするという観点から、リチウムイオン、ナトリウムイオン、カリウムイオン、または4級アルキルアンモニウムイオンが好ましい。4級アルキルアンモニウムイオンとしては、特に限定はされないが、例えばトリメチルプロピルアンモニウムや、1−ブチル−1−メチルピロリジニウムが挙げられる。
特に、ジフルオロイオン性錯体(1)としては、以下の元素の組み合わせの構造を有することが好ましい。
(1a): A=Li、M=P、X=O、Y=C、p、q、t=1、r=0
(1b): A=Li、M=P、X=O、W=C(CF、p、q=0、r、t=1
(1c): A=Li、M=Si、X=O、Y=C、p、q=1、t=2、r=0
(1d): A=Li、M=P、X=N(R)、Y=C、R=CH、p、q、t=1、r=0
例えば、A=Li、M=P、X=O、Y=C、p、q、t=1、r=0であるジフルオロイオン性錯体(1a−Cis)と(1a−Trans)は中性条件下では容易に異性化する事は無く、(1a−Cis)と(1a−Trans)をそれぞれ1:9、5:5で混合させたエチルメチルカーボネート溶液は、40℃、4時間後においてもその(1a−Cis)と(1a−Trans)の割合に変化は見られない。
本発明の非水電解液電池用電解液は、溶質(主電解質)と、非水系溶媒又はポリマーの混合物、そして前記一般式(1−Cis)で表されるシス配座のイオン性錯体から選ばれる1種類以上のイオン性錯体が非水電解液に対して0.001質量%以上、20.0質量%以下含まれる事を特徴とする。(1−Cis)が含まれる事により出力特性(特に充放電を繰り返した後の低温出力特性)が大きく向上する。(1−Cis)の非水電解液電池用電解液への含有量は好ましくは0.01質量%以上、10.0質量%以下である。更に好ましくは0.1質量%以上、3.0質量%以下である。0.001質量%を下回ると非水電解液電池の低温での出力特性を向上させる効果が十分に得られない恐れがあり、一方、20.0質量%を越えると電解液の粘度が上昇し過ぎるために、非水電解液電池内でのカチオンの移動が妨げられることにより、電池性能の低下を引き起こす恐れがある。
また、(1−Cis)に対して一定量の(1−Trans)を加える事で高温貯蔵後の低温出力特性を向上させることが可能である。この時、(1−Trans)の割合は(1−Cis)に対する質量比で0.0001以上0.05以下であり、好ましくは0.001以上0.03以下であり、更に好ましくは0.002以上0.01以下である。
本発明において、電解液中の(1−Cis)と(1−Trans)の質量比(1−Trans)/(1−Cis)の定量を行う方法として、NMR分析や液体クロマトグラフィー質量分析(LC−MS)などが挙げられる。NMR分析においては、(1−Trans)と(1−Cis)は、NMRで異なる位置にピークを有することから、それぞれに同定されるピークの面積から質量比を定量可能である。また、LC−MSにおいては、カラムを用いて、(1−Trans)と(1−Cis)のピークを分離させることができるため、それぞれのピーク面積から質量比を定量可能である。
更に、(1−Cis)または(1−Cis)+(1−Trans)が含まれた非水電解液電池用電解液に対してFが四分子結合したテトラフルオロイオン性錯体(5)を加える事で、保存時(セル組み立て前)の容器内圧上昇を抑制することが可能である。この時、(5)の割合は(1−Cis)に対する質量比0.02以上0.25以下であり、好ましくは0.05以上0.22以下であり、更に好ましくは0.07以上0.20以下である。
テトラフルオロイオン性錯体(5)を構成する各元素が、以下の(ア)〜(エ)から選ばれる元素の組み合わせのうちいずれかであることが好ましい。
(ア)M=P、X=O、Y=C、p、q、t=1、r=0
(イ)M=P、X=O、W=C(CF、p、q=0、r、t=1
(ウ)M=Si、X=O、Y=C、p、q=1、t=2、r=0
(エ)M=P、X=N(R)、Y=C、R=CH、p、q、t=1、r=0
なお、前記テトラフルオロイオン性錯体(5)の配位子である(−X−Y(=O)−W−C(=O)−O−)は、前記ジフルオロイオン性錯体(1−cis)の配位子と同じ構造であってもよいし、異なる構造であってもよい。
また、テトラフルオロイオン性錯体(5)を構成するカチオンであるAは、本発明の非水電解液電池用電解液及び非水電解液電池の性能を損なうものでなければ、その種類は特に制限はないが、非水電解液電池中でのイオン伝導を助ける役割をするという観点から、リチウムイオン、ナトリウムイオン、カリウムイオン、または4級アルキルアンモニウムイオンが好ましい。4級アルキルアンモニウムイオンとしては、特に限定はされないが、例えばトリメチルプロピルアンモニウムや、1−ブチル−1−メチルピロリジニウムが挙げられる。
なお、イオン性錯体(5)は、A=Li、M=P、X=O、Y=C、p、q、t=1、r=0である(5a)と(1a)が共に含まれる電解液を用いると−20℃/25℃の放電容量比が改善される。また、テトラフルオロイオン性錯体(5)に配座異性体は存在しない。
前記特許文献7に示されるように、今までに(1)の様に配位子が2種類存在し(1つはF)、シス、トランス異性体が存在し得る六配位のイオン性錯体が使用されているものの、そのシス体、トランス体それぞれの効果について詳しく検証された事は無かった。今回、シス体、トランス体を別々に添加し、その効果を比較した結果、シス体の方がサイクル耐久試験後において低温での出力特性の向上効果が高い事が明らかになった。
ジフルオロイオン性錯体(1)のうち中心元素MがPであるジフルオロリン酸錯体が含まれた非水電解液電池用電解液に電圧をかけると、ジフルオロリン酸錯体が還元分解され、系中に寿命が極めて短い還元反応分解物(中間体)が発生し、それが負極表面に存在する官能基と反応する事で負極上にジフルオロリン酸誘導体と炭酸誘導体を主成分とするSEIが形成される。
シス体とトランス体では立体的要因、電子的要因に因り、還元反応による還元反応分解物の発生から、それらの電極表面官能基との反応の選択性、速度が異なる事が推測される。
負極とジフルオロリン酸錯体(シス、トランス)の還元反応の開始について、まずは立体的要因から考察する。ジフルオロリン酸錯体が負極から電子を受け取り、還元が最初に進行する箇所はF以外の配位子部分である。(1aであればカルボニル基の炭素)そのため、還元が進行するためにはFが結合していない面から負極に接近する必要がある。トランス体はFが分子の上と下に結合しているため、必然的に右、または左から、すなわち上下180度を除いた左右の計180度の範囲の中で分子が電極に接近した場合にのみ還元反応が進行する。それに対してシス体は、Fの位置が同一方向にまとまっているため、その逆方向の200〜250度の範囲の中で接近できれば良く、還元反応が進行する確率がトランス体よりも高くなる。
次に電子的要因から考察する。LUMO準位は、シス体の方が僅かではあるがトランス体よりも低い値となっている。そのため、シス体の方が電極から電子を受け取りやすく、より速く還元反応が進行する。
また、分解前のジフルオロリン酸錯体は6配位のリン化合物であるが、分解後のSEIの主成分の一つとなるジフルオロリン酸誘導体は5配位のリン化合物である。ジフルオロリン酸錯体が分解して、高活性な中間体が生成し、その中間体が負極表面上の官能基と反応する際に、6配位から5配位へ変化する事になる。トランス体の場合、分解前(6配位)のF−P−Fの結合角度は180度であるが、分解後(5配位)のF−P−Fの結合角度は約100度であり、大きな構造変化を必要とする。それに対してシス体は90度(6配位、分解前)から約100度(5配位、分解後)への僅かな変化のみである。この事から還元分解反応の遷移状態のエネルギーは大きな構造変化を伴わないシス体の方が小さく、シス体の還元分解の方がトランス体の還元分解よりも有利である事が分かる。また、これは中心元素がリンに限った事ではなく、ヒ素、アンチモン、珪素の場合も同様の事が言える。
シス体とトランス体の還元分解反応の進行に速度的な差がある事を踏まえた上で、それらから形成されるSEIの性能の違いについて考察する。
シス体は還元分解反応の進行が速く、ジフルオロリン酸誘導体と炭酸誘導体を主成分とするSEIが素早く形成される。ジフルオロリン酸誘導体からなるSEIは電池のサイクル特性、高温貯蔵特性、出力特性を向上させる効果が優れており、炭酸誘導体からなるSEIはサイクル特性、高温貯蔵特性向上効果に優れていることがこれまでに明らかになっている。シス体と比較するとトランス体の還元分解反応は遅く、速やかにジフルオロリン酸誘導体と炭酸誘導体のみからなるSEIが形成され難い。そのため、それと平行して溶媒の還元反応も進行し、結果的にジフルオロリン酸錯体由来のジフルオロリン酸誘導体と炭酸誘導体、そして溶媒由来の炭酸とアルキル炭酸塩の混合物を主成分とするSEIが形成される事となる。(ジフルオロリン酸錯体は溶媒に比べて遥かに分解しやすいが、溶媒分子の数は膨大であり、僅かではあるが溶媒の分解も進行する。)ここに含まれるアルキル炭酸塩からなるSEIはサイクル特性、高温貯蔵特性を向上させるが、酸素の割合が低下する事により炭酸誘導体からなるSEIに比べてカチオン伝導性が低下し、出力特性を向上させる効果は限定的、または逆に低下させる場合もある。
以上の様に、シス体とトランス体の還元分解反応の速度が異なるために、還元分解反応の選択性(溶媒の分解の有無)に変化が生じ、それによって形成されるSEIの主成分が変わり、最終的にSEIからもたらされる電池性能の向上効果に差が現れた可能性が高いと考えられる。
前述の通り、(1−Cis)に対して一定量の(1−Trans)を加える事で高温貯蔵後の低温出力特性を向上させることが可能である。この理由を同様にシス体とトランス体由来のSEIの性質の差の点から考察する。リチウムイオン電池の場合、高温貯蔵時には、高い電位に維持された正極表面上での溶媒の酸化分解が進むと同時に、満充電状態の負極から徐々にリチウムが抜け出し溶媒と反応する。それにより、正負極上に高抵抗な分解物が堆積するだけでなく、可逆的に利用可能なリチウムが減少し、電池性能の低下(充放電レートの低下、容量の減少)を引き起こす。アルキル炭酸塩からなる負極SEIはイオン伝導度が低いため、出力特性には不利であるが、高温貯蔵時に負極からのリチウムの放出を抑制し、高温貯蔵後の容量低下を抑える事が可能である。その結果、高温貯蔵後でも高い容量を維持しており、その後に低温での高レート放電容量を比較した場合(出力特性)、低レートと比較して高レート放電時に得られる電気量の割合は(1−Cis)のみの電解液と比べて低いものの、元の容量が多いために高レート放電時において得られる電気量の絶対値は(1−Cis)に対して一定量の(1−Trans)を加えた電解液の方が(1−Cis)のみを添加した電解液よりも多くなる。
Fが四分子結合したテトラフルオロイオン性錯体(5)はFが二分子結合したジフルオロイオン性錯体(1)に比べて、Fの強い電子吸引効果によりF以外の配位子の電子密度が低下し、求核攻撃を受けやすい状態となっている。そのため、電解液中に微量の水が存在すると、(1)よりも(5)の方が選択的に加水分解される事となる。例えば中心元素MがPの場合、加水分解によって(5)を構成しているテトラフルオロリン酸部位はヘキサフルオロリン酸塩へと変換される(F以外の配位子が脱離後に不均化)。F以外の配位子部分は中心元素Pから脱離、分解し二酸化炭素、一酸化炭素を放出する。この時の二酸化炭素、一酸化炭素の放出量は、(1)に比べて1/2モル相当であり、結果として内圧上昇の原因となる二酸化炭素、一酸化炭素の発生量を大幅に減らすことが出来る。
非水電解液電池用電解液は非水系溶媒を用いれば、一般に非水電解液と呼ばれ、ポリマーを用いれば、ポリマー固体電解質と呼ばれるものになる。ポリマー固体電解質には可塑剤として非水系溶媒を含有するものも含まれる。
なお、この非水電解液電池用電解液と、リチウムイオンやナトリウムイオンを始めとするアルカリ金属イオン、又はアルカリ土類金属イオンが吸蔵・放出し得る負極活物質と、リチウムイオンやナトリウムイオンを始めとするアルカリ金属イオン、又はアルカリ土類金属イオンが吸蔵・放出し得る正極活物質を用いる電気化学ディバイスを非水電解液電池と呼ぶ。
溶質は特に限定されず、任意のカチオンとアニオンの対からなる塩を用いることができる。具体例としては、カチオンとしてリチウムイオンやナトリウムイオンを始めとするアルカリ金属イオン、アルカリ土類金属イオン、四級アルキルアンモニウムイオン等が挙げられ、アニオンとして、ヘキサフルオロリン酸、テトラフルオロホウ酸、過塩素酸、ヘキサフルオロヒ酸、ヘキサフルオロアンチモン酸、トリフルオロメタンスルホン酸、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド、ビス(ペンタフルオロエタンスルホニル)イミド、(トリフルオロメタンスルホニル)(ペンタフルオロエタンスルホニル)イミド、ビス(フルオロスルホニル)イミド、(トリフルオロメタンスルホニル)(フルオロスルホニル)イミド、(ペンタフルオロエタンスルホニル)(フルオロスルホニル)イミド、トリス(トリフルオロメタンスルホニル)メチド、ビス(ジフルオロホスホニル)イミド等のアニオンが挙げられる。これらの溶質は、一種類を単独で用いても良く、二種類以上を用途に合わせて任意の組合せ、比率で混合して用いても良い。中でも、電池としてのエネルギー密度、出力特性、寿命等から考えると、カチオンはリチウム、ナトリウム、マグネシウム、四級アルキルアンモニウムが、アニオンはヘキサフルオロリン酸、テトラフルオロホウ酸、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド、ビス(フルオロスルホニル)イミド、ビス(ジフルオロホスホニル)イミドが好ましい。
非水溶媒としては、本発明のイオン性錯体を溶解できる非プロトン性の溶媒であれば特に限定されるものではなく、例えば、カーボネート類、エステル類、エーテル類、ラクトン類、ニトリル類、アミド類、スルホン類等が使用できる。また、単一の溶媒だけでなく、二種類以上の混合溶媒でもよい。具体例としては、エチルメチルカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルプロピルカーボネート、エチルプロピルカーボネート、メチルブチルカーボネート、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、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、ジエチルエーテル、アセトニトリル、プロピオニトリル、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、フラン、テトラヒドロピラン、1,3−ジオキサン、1,4−ジオキサン、ジブチルエーテル、ジイソプロピルエーテル、1,2−ジメトキシエタン、N,N−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、スルホラン、γ−ブチロラクトン、及びγ−バレロラクトン等を挙げることができる。
また、非水溶媒が、環状カーボネート及び鎖状カーボネートからなる群から選ばれる少なくとも1種を含有することが好ましい。環状カーボネートの例としては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネートを挙げることができ、鎖状カーボネートの例としては、エチルメチルカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルプロピルカーボネートを挙げることができる。
本発明のイオン性錯体を含むポリマー固体電解質を得るために用いるポリマーとしては、該イオン性錯体や溶質を溶解できる非プロトン性のポリマーであれば特に限定されるものではない。例えば、ポリエチレンオキシドを主鎖又は側鎖に持つポリマー、ポリビニリデンフロライドのホモポリマー又はコポリマー、メタクリル酸エステルポリマー、ポリアクリロニトリルなどが挙げられる。これらのポリマーに可塑剤を加える場合は、上記の非プロトン性非水溶媒が使用可能である。
これらのイオン伝導体中における本発明の溶質濃度は、特に制限はないが、下限は0.5mol/L以上、好ましくは0.7mol/L以上、さらに好ましくは0.9mol/L以上であり、また、上限は5.0mol/L以下、好ましくは4.0mol/L以下、さらに好ましくは2.0mol/L以下の範囲である。0.5mol/Lを下回るとイオン伝導度が低下することにより非水電解液電池のサイクル特性、出力特性が低下し、一方、5.0mol/Lを越えると非水電解液電池用電解液の粘度が上昇することにより、やはりイオン伝導を低下させ、非水電解液電池のサイクル特性、出力特性を低下させる恐れがある。
さらには、本発明の要旨を損なわない限りにおいて、本発明の非水電解液電池用電解液に一般に用いられる添加剤を任意の比率で添加しても良い。具体例としては、シクロヘキシルベンゼン、ビフェニル、tert−ブチルベンゼン、ビニレンカーボネート、ビニルエチレンカーボネート、エチニルエチレンカーボネート、tert−アミルベンゼン、ビフェニル、o−ターフェニル、4−フルオロビフェニル、フルオロベンゼン、2,4−ジフルオロベンゼン、ジフルオロアニソール、フルオロエチレンカーボネート、プロパンスルトン、1,3−プロペンスルトン、ジメチルビニレンカーボネート、メチレンメタンジスルホネート、ジメチレンメタンジスルホネート、トリメチレンメタンジスルホネート等の過充電防止効果、負極皮膜形成効果、正極保護効果を有する化合物が挙げられる。また、ポリマー電池と呼ばれる非水電解液電池に使用される場合のように非水電解液電池用電解液をゲル化剤や架橋ポリマーにより擬固体化して使用することも可能である。
<2.非水系電解液電池>
本発明の非水系電解液電池は、(ア)上記の非水系電解液と、(イ)正極と、(ウ)負極と、(エ)セパレータとを備える。
〔(ア)上記の非水系電解液〕
本発明の非水系電解液電池は、<1.非水系電解液>で説明した非水系電解液を備える。
〔(イ)正極〕
(イ)正極は、少なくとも1種の酸化物及び/又はポリアニオン化合物を正極活物質として含むことが好ましい。
[正極活物質]
非水系電解液中のカチオンがリチウム主体となるリチウムイオン二次電池の場合、(イ)正極を構成する正極活物質は、充放電が可能な種々の材料であれば特に限定されるものでないが、例えば、(A)ニッケル、マンガン、コバルトの少なくとも1種以上の金属を含有し、かつ層状構造を有するリチウム遷移金属複合酸化物、(B)スピネル構造を有するリチウムマンガン複合酸化物、(C)リチウム含有オリビン型リン酸塩、及び(D)層状岩塩型構造を有するリチウム過剰層状遷移金属酸化物からなる群から選択される少なくとも1種を含有するものが挙げられる。
((A)リチウム遷移金属複合酸化物)
正極活物質(A)ニッケル、マンガン、コバルトの少なくとも1種以上の金属を含有し、かつ層状構造を有するリチウム遷移金属複合酸化物としては、例えば、リチウム・コバルト複合酸化物、リチウム・ニッケル複合酸化物、リチウム・ニッケル・コバルト複合酸化物、リチウム・ニッケル・コバルト・アルミニウム複合酸化物、リチウム・コバルト・マンガン複合酸化物、リチウム・ニッケル・マンガン複合酸化物、リチウム・ニッケル・マンガン・コバルト複合酸化物等が挙げられる。また、これらリチウム遷移金属複合酸化物の主体となる遷移金属原子の一部を、Al、Ti、V、Cr、Fe、Cu、Zn、Mg、Ga、Zr、Si、B、Ba、Y、Sn等の他の元素で置換したものを用いても良い。
リチウム・コバルト複合酸化物、リチウム・ニッケル複合酸化物の具体例としては、LiCoO、LiNiOやMg、Zr、Al、Ti等の異種元素を添加したコバルト酸リチウム(LiCo0.98Mg0.01Zr0.01、LiCo0.98Mg0.01Al0.01、LiCo0.975Mg0.01Zr0.005Al0.01等)、国際出願WO2014/034043号公報に記載の表面に希土類の化合物を固着させたコバルト酸リチウム等を用いても良い。また、特開2002−151077号公報等に記載されているように、LiCoO粒子粉末の粒子表面の一部に酸化アルミニウムが被覆したものを用いても良い。
リチウム・ニッケル・コバルト複合酸化物、リチウム・ニッケル・コバルト・アルミニウム複合酸化物については、一般式(1−1)で示される。
LiNi1−b−cCo (1−1)
式(1−1)中、MはAl、Fe、Mg、Zr、Ti、Bからなる群より選ばれる少なくとも1つの元素であり、aは0.9≦a≦1.2であり、b、cは、0.1≦b≦0.3、0≦c≦0.1の条件を満たす。
これらは、例えば、特開2009−137834号公報等に記載される製造方法等に準じて調製することができる。具体的には、LiNi0.8Co0.2、LiNi0.85Co0.10Al0.05、LiNi0.87Co0.10Al0.03、LiNi0.6Co0.3Al0.1等が挙げられる。
リチウム・コバルト・マンガン複合酸化物、リチウム・ニッケル・マンガン複合酸化物の具体例としては、LiNi0.5Mn0.5、LiCo0.5Mn0.5等が挙げられる。
リチウム・ニッケル・マンガン・コバルト複合酸化物としては、一般式(1−2)で示されるリチウム含有複合酸化物が挙げられる。
LiNiMnCo (1−2)
式(1−2)中、MはAl、Fe、Mg、Zr、Ti、B、Snからなる群より選ばれる少なくとも1つの元素であり、dは0.9≦d≦1.2であり、e、f、g及びhは、e+f+g+h=1、0≦e≦0.7、0≦f≦0.5、0≦g≦0.5、及びh≧0の条件を満たす。
リチウム・ニッケル・マンガン・コバルト複合酸化物は、構造安定性を高め、リチウム二次電池における高温での安全性を向上させるためにマンガンを一般式(1−2)に示す範囲で含有するものが好ましく、特にリチウムイオン二次電池の高率特性を高めるためにコバルトを一般式(1−2)に示す範囲でさらに含有するものがより好ましい。
具体的には、例えば4.3V以上に充放電領域を有する、Li[Ni1/3Mn1/3Co1/3]O、Li[Ni0.45Mn0.35Co0.2]O、Li[Ni0.5Mn0.3Co0.2]O、Li[Ni0.6Mn0.2Co0.2]O、Li[Ni0.49Mn0.3Co0.2Zr0.01]O、Li[Ni0.49Mn0.3Co0.2Mg0.01]O等が挙げられる。
((B)スピネル構造を有するリチウムマンガン複合酸化物)
正極活物質(B)スピネル構造を有するリチウムマンガン複合酸化物としては、例えば、一般式(1−3)で示されるスピネル型リチウムマンガン複合酸化物が挙げられる。
Li(Mn2−k )O (1−3)
式(1−3)中、MはNi、Co、Fe、Mg、Cr、Cu、Al及びTiからなる群より選ばれる少なくとも1つの金属元素であり、jは1.05≦j≦1.15であり、kは0≦k≦0.20である。
具体的には、例えば、LiMn、LiMn1.95Al0.05、LiMn1.9Al0.1、LiMn1.9Ni0.1、LiMn1.5Ni0.5等が挙げられる。
((C)リチウム含有オリビン型リン酸塩)
正極活物質(C)リチウム含有オリビン型リン酸塩としては、例えば一般式(1−4)で示されるものが挙げられる。
LiFe1−n PO (1−4)
式(1−4)中、MはCo、Ni、Mn、Cu、Zn、Nb、Mg、Al、Ti、W、Zr及びCdから選ばれる少なくとも1つであり、nは、0≦n≦1である。
具体的には、例えば、LiFePO、LiCoPO、LiNiPO、LiMnPO等が挙げられ、中でもLiFePO及び/又はLiMnPOが好ましい。
((D)リチウム過剰層状遷移金属酸化物)
正極活物質(D)層状岩塩型構造を有するリチウム過剰層状遷移金属酸化物としては、例えば一般式(1−5)で示されるものが挙げられる。
xLiM・(1−x)Li (1−5)
式(1−5)中、xは、0<x<1を満たす数であり、Mは、平均酸化数が3である少なくとも1種以上の金属元素であり、Mは、平均酸化数が4である少なくとも1種以上の金属元素である。式(1−5)中、Mは、好ましくは3価のMn、Ni、Co、Fe、V、Crから選ばれてなる1種以上の金属元素であるが、2価と4価の等量の金属で平均酸化数を3価にしてもよい。
また、式(1−5)中、Mは、好ましくはMn、Zr、Tiから選ばれてなる1種以上の金属元素である。具体的には、0.5[LiNi0.5Mn0.5]・0.5[LiMnO]、0.5[LiNi1/3Co1/3Mn1/3]・0.5[LiMnO]、0.5[LiNi0.375Co0.25Mn0.375]・0.5[LiMnO]、0.5[LiNi0.375Co0.125Fe0.125Mn0.375]・0.5[LiMnO]、0.45[LiNi0.375Co0.25Mn0.375]・0.10[LiTiO]・0.45[LiMnO]等が挙げられる。
この一般式(1−5)で表される正極活物質(D)は、4.4V(Li基準)以上の高電圧充電で高容量を発現することが知られている(例えば、米国特許7,135,252)。
これら正極活物質は、例えば特開2008−270201号公報、国際公開WO2013/118661号公報、特開2013−030284号公報等に記載される製造方法等に準じて調製することができる。
正極活物質としては、上記(A)〜(D)から選ばれる少なくとも1つを主成分として含有すればよいが、それ以外に含まれるものとしては、例えばFeS、TiS、V、MoO、MoS等の遷移元素カルコゲナイド、あるいはポリアセチレン、ポリパラフェニレン、ポリアニリン、及びポリピロール等の導電性高分子、活性炭、ラジカルを発生するポリマー、カーボン材料等が挙げられる。
[正極集電体]
(イ)正極は、正極集電体を有する。正極集電体としては、例えば、アルミニウム、ステンレス鋼、ニッケル、チタン又はこれらの合金等を用いることができる。
[正極活物質層]
(イ)正極は、例えば正極集電体の少なくとも一方の面に正極活物質層が形成される。正極活物質層は、例えば、前述の正極活物質と、結着剤と、必要に応じて導電剤とにより構成される。
結着剤としては、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、又はスチレンブタジエンゴム(SBR)樹脂等が挙げられる。
導電剤としては、例えば、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、炭素繊維、又は黒鉛(粒状黒鉛や燐片状黒鉛)等の炭素材料を用いることができる。正極においては、結晶性の低いアセチレンブラックやケッチェンブラックを用いることが好ましい。
〔(ウ)負極〕
(ウ)負極は、負極活物質を含む。
[負極活物質]
非水系電解液中のカチオンがリチウム主体となるリチウムイオン二次電池の場合、(ウ)負極を構成する負極活物質としては、リチウムイオンのド−プ・脱ド−プが可能なものであり、例えば(E)X線回折における格子面(002面)のd値が0.340nm以下の炭素材料、(F)X線回折における格子面(002面)のd値が0.340nmを超える炭素材料、(G)Si、Sn、Alから選ばれる1種以上の金属の酸化物、(H)Si、Sn、Alから選ばれる1種以上の金属若しくはこれら金属を含む合金又はこれら金属若しくは合金とリチウムとの合金、及び(I)リチウムチタン酸化物から選ばれる少なくとも1種を含有するものが挙げられる。これら負極活物質は、1種を単独で用いることができ、2種以上を組合せて用いることもできる。
((E)X線回折における格子面(002面)のd値が0.340nm以下の炭素材料)
負極活物質(E)X線回折における格子面(002面)のd値が0.340nm以下の炭素材料としては、例えば熱分解炭素類、コークス類(例えばピッチコークス、ニードルコークス、石油コークス等)、グラファイト類、有機高分子化合物焼成体(例えばフェノール樹脂、フラン樹脂等を適当な温度で焼成し炭素化したもの)、炭素繊維、活性炭等が挙げられ、これらは黒鉛化したものでもよい。当該炭素材料は、X線回折法で測定した(002)面の面間隔(d002)が0.340nm以下のものであり、中でも、その真密度が1.70g/cm以上である黒鉛又はそれに近い性質を有する高結晶性炭素材料が好ましい。
((F)X線回折における格子面(002面)のd値が0.340nmを超える炭素材料)
負極活物質(F)X線回折における格子面(002面)のd値が0.340nmを超える炭素材料としては、非晶質炭素が挙げられ、これは、2000℃以上の高温で熱処理してもほとんど積層秩序が変化しない炭素材料である。例えば難黒鉛化炭素(ハードカーボン)、1500℃以下で焼成したメソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、メソペーズビッチカーボンファイバー(MCF)等が例示される。株式会社クレハ製のカーボトロン(登録商標)P等は、その代表的な事例である。
((G)Si、Sn、Alから選ばれる1種以上の金属の酸化物)
負極活物質(G)Si、Sn、Alから選ばれる1種以上の金属の酸化物としては、リチウムイオンのド−プ・脱ド−プが可能な、例えば酸化シリコン、酸化スズ等が挙げられる。
Siの超微粒子がSiO中に分散した構造を持つSiO等がある。この材料を負極活物質として用いると、Liと反応するSiが超微粒子であるために充放電がスムーズに行われる一方で、前記構造を有するSiO粒子自体は表面積が小さいため、負極活物質層を形成するための組成物(ペースト)とした際の塗料性や負極合剤層の集電体に対する接着性も良好である。
なお、SiOは充放電に伴う体積変化が大きいため、SiOと上述負極活物質(E)の黒鉛とを特定比率で負極活物質に併用することで高容量化と良好な充放電サイクル特性とを両立することができる。
((H)Si、Sn、Alから選ばれる1種以上の金属若しくはこれら金属を含む合金又はこれら金属若しくは合金とリチウムとの合金)
負極活物質(H)Si、Sn、Alから選ばれる1種以上の金属若しくはこれら金属を含む合金又はこれら金属若しくは合金とリチウムとの合金としては、例えばシリコン、スズ、アルミニウム等の金属、シリコン合金、スズ合金、アルミニウム合金等が挙げられ、これらの金属や合金が、充放電に伴いリチウムと合金化した材料も使用できる。
これらの好ましい具体例としては、国際公開WO2004/100293号や特開2008−016424号等に記載される、例えばケイ素(Si)、スズ(Sn)等の金属単体(例えば粉末状のもの)、該金属合金、該金属を含有する化合物、該金属にスズ(Sn)とコバルト(Co)とを含む合金等が挙げられる。当該金属を電極に使用した場合、高い充電容量を発現することができ、かつ、充放電に伴う体積の膨張・収縮が比較的少ないことから好ましい。また、これらの金属は、これをリチウムイオン二次電池の負極に用いた場合に、充電時にLiと合金化するため、高い充電容量を発現することが知られており、この点でも好ましい。
さらに、例えば国際公開WO2004/042851号、国際公開WO2007/083155号等に記載される、サブミクロン直径のシリコンのピラーから形成された負極活物質、シリコンで構成される繊維からなる負極活物質等を用いてもよい。
((I)リチウムチタン酸化物)
負極活物質(I)リチウムチタン酸化物としては、例えば、スピネル構造を有するチタン酸リチウム、ラムスデライト構造を有するチタン酸リチウム等を挙げることができる。
スピネル構造を有するチタン酸リチウムとしては、例えば、Li4+αTi12(αは充放電反応により0≦α≦3の範囲内で変化する)を挙げることができる。また、ラムスデライト構造を有するチタン酸リチウムとしては、例えば、Li2+βTi(βは充放電反応により0≦β≦3の範囲内で変化する)を挙げることができる。これら負極活物質は、例えば特開2007−018883号公報、特開2009−176752号公報等に記載される製造方法等に準じて調製することができる。
例えば、非水電解液中のカチオンがナトリウム主体となるナトリウムイオン二次電池の場合、負極活物質としてハードカーボンやTiO、V、MoO等の酸化物等が用いられる。例えば、非水電解液中のカチオンがナトリウム主体となるナトリウムイオン二次電池の場合、正極活物質としてNaFeO、NaCrO、NaNiO、NaMnO、NaCoO等のナトリウム含有遷移金属複合酸化物、それらのナトリウム含有遷移金属複合酸化物のFe、Cr、Ni、Mn、Co等の遷移金属が複数混合したもの、それらのナトリウム含有遷移金属複合酸化物の遷移金属の一部が他の遷移金属以外の金属に置換されたもの、NaFeP、NaCo(PO等の遷移金属のリン酸化合物、TiS、FeS等の硫化物、あるいはポリアセチレン、ポリパラフェニレン、ポリアニリン、及びポリピロール等の導電性高分子、活性炭、ラジカルを発生するポリマー、カーボン材料等が使用される。
[負極集電体]
(ウ)負極は、負極集電体を有する。負極集電体としては、例えば、銅、ステンレス鋼、ニッケル、チタン又はこれらの合金等を用いることができる。
[負極活物質層]
(ウ)負極は、例えば負極集電体の少なくとも一方の面に負極活物質層が形成される。負極活物質層は、例えば、前述の負極活物質と、結着剤と、必要に応じて導電剤とにより構成される。
結着剤としては、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、又はスチレンブタジエンゴム(SBR)樹脂等が挙げられる。
導電剤としては、例えば、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、炭素繊維、又は黒鉛(粒状黒鉛や燐片状黒鉛)等の炭素材料を用いることができる。
〔電極((イ)正極及び(ウ)負極)の製造方法〕
電極は、例えば、活物質と、結着剤と、必要に応じて導電剤とを所定の配合量でN−メチル−2−ピロリドン(NMP)や水等の溶媒中に分散混練し、得られたペーストを集電体に塗布、乾燥して活物質層を形成することで得ることができる。得られた電極は、ロールプレス等の方法により圧縮して、適当な密度の電極に調節することが好ましい。
〔(エ)セパレータ〕
本発明の非水系電解液電池は、(エ)セパレータを備える。(イ)正極と(ウ)負極の接触を防ぐためのセパレータとしては、ポリプロピレン、ポリエチレン等のポリオレフィンや、セルロース、紙、又はガラス繊維等で作られた不織布や多孔質シートが使用される。これらのフィルムは、電解液がしみ込んでイオンが透過し易いように、微多孔化されているものが好ましい。
ポリオレフィンセパレ−タとしては、例えば多孔性ポリオレフィンフィルム等の微多孔性高分子フィルムといった正極と負極とを電気的に絶縁し、かつリチウムイオンが透過可能な膜が挙げられる。多孔性ポリオレフィンフィルムの具体例としては、例えば多孔性ポリエチレンフィルム単独、又は多孔性ポリエチレンフィルムと多孔性ポリプロピレンフィルムとを重ね合わせて複層フィルムとして用いてもよい。また、多孔性のポリエチレンフィルムとポリプロピレンフィルムとの複合化したフィルム等が挙げられる。
〔外装体〕
非水系電解液電池を構成するにあたり、非水系電解液電池の外装体としては、例えばコイン型、円筒型、角型等の金属缶や、ラミネート外装体を用いることができる。金属缶材料としては、例えばニッケルメッキを施した鉄鋼板、ステンレス鋼板、ニッケルメッキを施したステンレス鋼板、アルミニウム又はその合金、ニッケル、チタン等が挙げられる。
ラミネート外装体としては、例えば、アルミニウムラミネートフィルム、SUS製ラミネートフィルム、シリカをコーティングしたポリプロピレン、ポリエチレン等のラミネートフィルム等を用いることができる。
本実施形態にかかる非水系電解液電池の構成は、特に制限されるものではないが、例えば、正極及び負極が対向配置された電極素子と、非水系電解液とが、外装体に内包されている構成とすることができる。非水系電解液電池の形状は、特に限定されるものではないが、以上の各要素からコイン状、円筒状、角形、又はアルミラミネートシート型等の形状の電気化学ディバイスが組み立てられる。
以下にジフルオロイオン性錯体(シス体/トランス体)、テトラフルオロイオン性錯体の合成法を示す。ここでは特許文献8に開示された方法を使用して、または非特許文献1、特許文献9に開示された方法を応用してイオン性錯体を合成したが、これ以外の方法でも合成することは可能である。
いずれも原料や、生成物の取り扱いは露点が−50℃以下の窒素雰囲気下にて行った。また、使用する硝子製反応器は150℃で12時間以上乾燥させた後に、露点が−50℃以下の窒素気流下で室温まで冷却させたものを用いた。
[合成例1] (1a−Trans)、(1a−Cis)の合成
特許文献9に開示された方法に従って、シュウ酸の三配位体であるトリスオキサラトリン酸リチウムを得た。トリスオキサラトリン酸リチウム(30g、99.4mmol)をジメチルカーボネート(以下DMC)(120mL)に溶解させ、フッ化水素(以下HF)(11.9g、596.4mmol)を添加した。25℃にて72時間攪拌させた後、減圧にて残留するHFとDMCの除去を行った。そしてDMC(60mL)を加えて濃縮残渣を可能な限り溶解させた後に、Li塩濃度が約45質量%となるまで濃縮を行った。シュウ酸を始めとする不溶解成分をろ過にて除去した後、(1a−Trans)と(1a−Cis)が含まれた混合物のDMC溶液49gを得た。
混合物のDMC溶液に対してジクロロメタン(以下、「CHCl」という。)を25℃にて添加して12時間攪拌する事で固体が析出した。ろ過にて固体と母液に分離し、母液は減圧にて固形物が得られるまでDMCを留去した。ろ別した固体と、母液から得た固形物を別々にDMCに溶解させ、濃度約45質量%のDMC溶液を別々に調製した後にCHClを加えて固体を析出させた。ろ過にてそれぞれ固体を回収し、更に同様の手順にて数回の濃度約45質量%DMC溶液調製と固体析出を繰り返すことで、F、P純度99.9モル%(NMRより)の(1a−Trans)と(1a−Cis)が得られた。
(1a−Trans)と(1a−Cis)を別々にアセトニトリルに溶解させ、LC/MS(ESI法、negative極性、フラグメント電圧50V)にて分子量を測定したところ、どちらもm/z244.9に親イオンが観測され、これは計算による質量数244.93(アニオン部分)と一致している。また単結晶X線構造解析により立体配座の確認を行った。図1に(1a−Cis)のオルテップ図を示す。(1a−Cis)は、二分子のフッ素が中心元素から見て同一方向に結合したシス体の立体配座である。
(1a−Cis)と(1a−Trans)は、質量が同じで、且つF−NMR、P−NMRでそれぞれ異なる位置にピークが見られることから原子組成は同じで異なる構造の化合物である事は明らかである。さらに、(1a−Trans)は、単結晶X線構造解析により、二分子のフッ素が中心元素から見て逆方向に結合したトランス体の立体配座であることを確認した。
[合成例2] (5a)の合成
特許文献8に記載された方法を参考に反応を実施した。20.0g(132mモル)のLiPFとジメチルカーボネート(DMC)110mL、そしてシュウ酸11.9g(132mモル)を容積500mLの硝子製フラスコに加えた。このとき、LiPFは完全に溶解したが、シュウ酸の大部分は溶け残っていた。25℃撹拌下、13.4g(79mモル)のSiClをフラスコ内へ滴下した後、撹拌を4時間継続した。続いて、減圧にてテトラフルオロシラン及び塩酸を除去し、イオン性錯体(5a)を主成分とする粗体(純度91モル%)のDMC溶液を得た。
この溶液を、Li塩濃度が約50質量%となるまで濃縮し、濃縮液51gを得た。濾過にて不溶解成分を除去した後にCHClを攪拌しながら室温にて添加した。12時間攪拌後、ろ過にて析出した固体を回収した。再度、DMCへ溶解させてLi塩濃度約50質量%のDMC溶液を調製した後、同様の手順にてCHCl添加と、固体の析出、固体の回収を行うことでF、P純度99.9モル%である(5a)を得た。
[合成例3] (1a)のNa体である(6a−Trans)、(6a−Cis)の合成
ダウケミカル製強酸性陽イオン交換樹脂252(以後、イオン交換樹脂)を500g量り取り、0.1規定の水酸化ナトリウム水溶液(2.5kg)に浸漬させ、25℃で6時間攪拌を行った。ろ過でイオン交換樹脂を回収し、洗液のpHが8以下になるまで純水で充分に洗浄した。その後、12時間の減圧乾燥(120℃、1.3kPa)にて水分を除去した。
濃度10質量%の(1a−Trans)/EMC溶液を調製し、そこに液重量の半分の重量の乾燥済み前記イオン交換樹脂を加え、25℃にて6時間攪拌を行った。その後、ろ過にてイオン交換樹脂を取り除く事で、カチオンがLiからNaへ交換された(6a−Trans)/EMC溶液(濃度約10質量%)が得られた。イオンクロマトグラフィーにてカチオンの定量を行うと、Na/Liの比率は99.5であった。
また、上述の方法にて(1a−Trans)/EMC溶液の代わりに同濃度の(1a−Cis)/EMC溶液を用いる事で同様に濃度約10質量%の(6a−Cis)/EMC溶液が得られた。
[合成例4] (1a)のK体である(6b−Trans)、(6b−Cis)の合成
合成例3で使用される0.1規定の水酸化ナトリウム水溶液(2.5kg)を0.1規定の水酸化カリウム水溶液(2.5kg)に変更する事で、カチオンがLiからKへ交換された濃度約10質量%の(6b−Trans)/EMC、(6b−Cis)/EMC溶液が得られた。イオンクロマトグラフィーにてカチオンの定量を行うと、どちらの溶液もK/Liの比率は99.6であった。
[合成例5] (1a)のTMPA体である(6c−Trans)、(6c−Cis)の合成
EMC 90gにトリメチルプロピルアンモニウムクロリド 5.7g(41.7mmol)と(1a−Trans) 10.0g(39.7mmol)を加え、45℃にて6時間攪拌を行った。5℃まで冷却した後に不溶解物をろ過で取り除く事でカチオンがLiからトリメチルプロピルアンモニウムカチオン(以下、TMPA)へ交換された(6c−Trans)/EMC溶液(濃度約13質量%)が得られた。
また、上述の方法にて(1a−Trans)の代わりに同重量の(1a−Cis)を用いる事で同様に濃度約13質量%の(6c−Cis)/EMC溶液が得られた。イオンクロマトグラフィーにてカチオンの定量を行うと、どちらの溶液もTMPA/Liの比率は98.5であった。
[合成例6] (1a)のPP13体である(6d−Trans)、(6d−Cis)の合成
EMC 90gに1−ブチル−1−メチルピロリジニウムクロリド 7.4g(41.7mmol)と(1a−Trans) 10.0g(39.7mmol)を加え、45℃にて6時間攪拌を行った。5℃まで冷却した後に不溶解物をろ過で取り除く事でカチオンがLiから1−ブチル−1−メチルピロリジニウムカチオン(以下、PP13)へ交換された(6d−Trans)/EMC溶液(濃度約15質量%)が得られた。
また、上述の方法にて(1a−Trans)の代わりに同重量の(1a−Cis)を用いる事で同様に濃度約15質量%の(6d−Cis)/EMC溶液が得られた。イオンクロマトグラフィーにてカチオンの定量を行うと、どちらの溶液もPP13/Liの比率は98.3であった。
[合成例7] (5a)のNa体である(5b)の合成
合成例3で使用される(1a−Trans)/EMC溶液の代わりに(5a)/EMC溶液を用いる事で、カチオンがLiからNaへ交換された濃度約10質量%の(5b)/EMC溶液が得られた。イオンクロマトグラフィーにてカチオンの定量を行うと、Na/Liの比率は99.4であった。
[合成例8] (5a)のK体である(5c)の合成
合成例3で使用される0.1規定の水酸化ナトリウム水溶液(2.5kg)の代わりに0.1規定の水酸化カリウム水溶液(2.5kg)を用い、(1a−Trans)/EMC溶液の代わりに(5a)/EMC溶液を用いる事で、カチオンがLiからKへ交換された濃度約10質量%の(5c)/EMC溶液が得られた。イオンクロマトグラフィーにてカチオンの定量を行うと、K/Liの比率は99.2であった。
[合成例9] (5a)のTMPA体である(5d)の合成
合成例5で使用される(1a−Trans)10.0g(39.7mmol)の代わりに(5a)7.9g(39.7mmol)を用いる事で、カチオンがLiからトリメチルプロピルアンモニウムカチオン(以下、TMPA)へ交換された(5d)/EMC溶液(濃度約11質量%)が得られた。イオンクロマトグラフィーにてカチオンの定量を行うと、TMPA/Liの比率は98.6であった。
[合成例10] (5a)のPP13体である(5e)の合成
合成例6で使用される(1a−Trans)10.0g(39.7mmol)を(5a)7.9g(39.7mmol)へ変更する事で、カチオンがLiから1−ブチル−1−メチルピロリジニウムカチオン(以下、PP13)へ交換された(5e)/EMC溶液(濃度約13質量%)が得られた。イオンクロマトグラフィーにてカチオンの定量を行うと、PP13/Liの比率は98.2であった。
[合成例11] (1b−Trans)、(1b−Cis)の合成
原料のシュウ酸をヘキサフルオロ−2−ヒドロキシイソ酪酸に変更した以外は合成例1と同様の手法にて、(1b−Trans)、(1b−Cis)をそれぞれ得た。
[合成例12] (1c−Trans)、(1c−Cis)の合成
非特許文献1に記載の方法を応用して(1c−Trans)、(1c−Cis)をそれぞれ得た。
また、表1〜7において、EMCはエチルメチルカーボネートであり、ECはエチレンカーボネートであり、PCはプロピレンカーボネートであり、DECはジエチルカーボネートであり、FECはフルオロエチレンカーボネートである。LiBFはテトラフルオロホウ酸リチウム、LiFSIはビス(フルオロスルホニル)イミドリチウム、LiDFPIはビス(ジフルオロホスホニル)イミドリチウム、NaPFはヘキサフルオロリン酸ナトリウムである。
表1〜7に記載の溶質及び表1〜7に記載のイオン性錯体を、表1〜7に記載の割合で、表1〜7に記載の非水有機溶媒に、溶質、イオン性錯体の順に混合し、1時間撹拌することで、非水電解液電池用電解液1〜71(表中の電解液番号に該当)を得た。なお、表1〜7に記載の非水電解液電池用電解液の調製は、液温を40℃以下に維持しながら行った。
<ニッケル・マンガン・コバルト(NMC)三元系正極の作製>
LiNi1/3Mn1/3Co1/3粉末90質量%に、ポリフッ化ビニリデン(以下、PVDF)(バインダー)を5質量%、アセチレンブラック(導電材)を5質量%混合し、さらにN−メチルピロリドン(以下、NMP)を添加し、正極合材ペーストを作製した。このペーストをアルミニウム箔(集電体)上に塗布して、乾燥、加圧を行った後に、所定のサイズに打ち抜く事で試験用NMC正極を得た。
<黒鉛負極の作製>
黒鉛粉末90質量%に、バインダーとして10質量%のPVDFを混合し、さらにNMPを添加し、負極合材ペーストを作製した。このペーストを銅箔(集電体)上に塗布して、乾燥、加圧を行った後に、所定のサイズに打ち抜く事で試験用黒鉛負極を得た。
<非水電解液電池の作製(1)>
上記の試験用NMC正極と、試験用黒鉛負極と、表1、2に記載の電解液(1〜31)を浸み込ませたセルロース製セパレータとを備えるアルミラミネート外装セル(容量30mAh)を組み立てることで実施例1−1〜1−12、2−1〜2−3及び比較例1−1〜1−10、2−1〜2−6に係る非水電解液電池を得た。
<評価> サイクル後放電容量(0℃)
実施例1−1〜1−12、2−1〜2−3及び比較例1−1〜1−10、2−1〜2−6に係る非水電解液電池のそれぞれについて、60℃の環境温度での充放電試験(500回 3Cレート、3〜4.3V)を実施した。続いて25℃まで冷却し3.0Vまで放電させた後に、0℃、0.2Cレートにて4.3Vまで充電を行いそのまま1時間4.3Vを維持した。更に0℃のまま5Cレートでの放電を3.0Vに達するまで行い、この時に得られる容量を、サイクル後放電容量(0℃)とした。
実施例1−1〜1−12、比較例1−2〜1−10の評価結果を、比較例1−1の評価結果を100としたときの相対値として表7に示す。
実施例2−1と比較例2−1、実施例2−2と比較例2−3、実施例2−3と比較例2−5の評価結果を、それぞれ、比較例2−2、2−4、2−6の評価結果を100としたときの相対値として表8に示す。
<NaFe0.5Co0.5正極>
NaFe0.5Co0.5粉末85質量%に、PVDF(バインダー)を5質量%、アセチレンブラック(導電材)を10質量%混合し、さらにNMPを添加し、正極合材ペーストを作製した。このペーストをアルミニウム箔(集電体)上に塗布して、乾燥、加圧を行った後に、所定のサイズに打ち抜く事で試験用NaFe0.5Co0.5正極を得た。
<ハードカーボン負極>
ハードカーボン粉末90質量%に、バインダーとして10質量%のPVDFを混合し、さらにNMPを添加し、負極合材ペーストを作製した。このペーストを銅箔(集電体)上に塗布して、乾燥、加圧を行った後に、所定のサイズに打ち抜く事で試験用ハードカーボン負極を得た。
<非水電解液電池の作製(2)>
上記の試験用NaFe0.5Co0.5正極と、試験用ハードカーボン負極と、表2に記載の電解液(32〜34)を浸み込ませたセルロース製セパレータとを備えるアルミラミネート外装セル(容量30mAh)を組み立てることで実施例2−4及び比較例2−7、2−8に係る非水電解液電池を得た。
<評価> サイクル後放電容量(0℃)
実施例2−4及び比較例2−7、2−8に係る非水電解液電池のそれぞれについて、60℃の環境温度での充放電試験(500回 3Cレート、1.5〜3.8V)を実施した。続いて25℃まで冷却し1.5Vまで放電させた後に、0℃、0.2Cレートにて3.8Vまで充電を行いそのまま1時間3.8Vを維持した。更に0℃のまま5Cレートでの放電を1.5Vに達するまで行い、この時に得られる容量を、サイクル後放電容量(0℃)とした。
実施例2−4、比較例2−7の評価結果を、比較例2−8の評価結果を100としたときの相対値として表8に示す。
実施例に係るジフルオロイオン性錯体(1a−Cis)を含む非水電解液電池は、該イオン性錯体を含まない非水電解液電池(比較例1−1)に比べて高いサイクル後放電容量(0℃)を得られた。中でも、実施例1−2と比較例1−2、実施例1−4と比較例1−3、実施例1−5と比較例1−4をそれぞれ比較すると、シス配座のジフルオロイオン性錯体(1a−Cis)の方が、トランス配座のジフルオロイオン性錯体(1a−Trans)よりも効果が高い事が明らかとなった。また、実施例1−1のように、ジフルオロイオン性錯体(1a−Cis)の効果は含有量が0.05質量%である場合においても、僅かながら確認できた。実施例1−1〜1−4のように、イオン性錯体の含有量が0.05質量%から0.1、0.8、1.0質量%へと増えるにつれて高まることが確認された。実施例1−5のように、ジフルオロイオン性錯体(1a−Cis)の含有量が3質量%であると、1質量%である場合に比べて効果が僅かに減少し、実施例1−6のように、5質量%であると1質量%である場合に比べて大きく効果が減少した。これは、ジフルオロイオン性錯体(1a−Cis)の含有量が3質量%以上に達すると、電解液の粘度が高まり、非水電解液電池内でのカチオンの移動が妨げられ、電池性能が低下し得るためと予想される。
また、実施例1−4、1−7、1−8のように、Li、Na、Kをカチオンとして有するイオン性錯体(1a−Cis)、(6a−Cis)、(6b−Cis)を比較すると、その効果に差はなく、いずれも高いサイクル後放電容量(0℃)を得られた。シス配座体がトランス配座体よりも高い効果を示す傾向も同じであった。同様に、実施例1−4、実施例1−9、実施例1−10のように、Li、TMPA、PP13をカチオンとして有するイオン性錯体(1a−Cis)、(6c−Cis)、(6d−Cis)を比較すると、TMPA、PP13の場合でも効果はあるものの、Liが一番優れている結果となった。これは、TMPA、PP13はカチオンの分子量が大きいため、有効部位であるアニオン側の含有量が減少した事と、TMPA、PP13の一部が還元または酸化分解され、その分解残渣が高抵抗成分として電極表面上に堆積したためだと推測される。
実施例1−11のように、中心元素MをPからSiに変更した(1c−Cis)は溶解度が低く、1.0質量%は充分に溶解しなかったものの、0.8質量%添加にて比較的良好な効果が見られた。更に、実施例1−12のように、配位子を変更した(1b−Cis)を添加した場合も同様に、無添加に比べて高いサイクル後放電容量(0℃)が得られた。
実施例2−1〜2−4に示すジフルオロイオン性錯体(1a−Cis)または(6a−Cis)のいずれか1つを含む、LiBF、LiFSI、LiDFPI、NaPFをそれぞれ溶質とする非水電解液電池は、比較例2−1〜2−8に示す該イオン性錯体を含まない非水電解液電池に比べて高いサイクル後放電容量(0℃)を得られた。中でも、実施例2−1〜2−4と比較例2−1,2−3,2−5,2−7をそれぞれ比較すると、シス配座のジフルオロイオン性錯体(1a−Cis)、(6a−Cis)の方が、トランス配座のジフルオロイオン性錯体(1a−Trans)、(6a−Trans)よりも効果が高い事が明らかとなった。
<非水電解液電池の作製(3)>
前述の試験用NMC正極と、試験用黒鉛負極と、表1、3に記載の電解液(35〜43、4、7、11、13、15、17、19、21)を浸み込ませたセルロース製セパレータとを備えるアルミラミネート外装セル(容量30mAh)を組み立てることで実施例3−1〜3−16、4−1〜4−3、4−5〜4−7及び比較例3−1、4−1〜4−3に係る非水電解液電池を得た。
<評価> サイクル後放電容量(0℃) + 貯蔵後放電容量(0℃)
実施例3−1〜3−16、4−1〜4−3、4−5〜4−7及び比較例3−1、4−1〜4−3に係る非水電解液電池のそれぞれについて、実施例1−1と同様にサイクル後放電容量(0℃)を評価した。
実施例3−1〜3−16、4−1〜4−3、4−5〜4−7及び比較例3−1、4−1〜4−3に係る非水電解液電池のそれぞれについて、60℃の環境温度での貯蔵試験(4.3V充電後 10日間保存)を実施した。続いて25℃まで冷却し3.0Vまで放電させた後に、0℃、0.2Cレートにて4.3Vまで充電を行いそのまま1時間4.3Vを維持した。更に0℃のまま5Cレートでの放電を3.0Vに達するまで行い、この時に得られる容量を、貯蔵後放電容量(0℃)とした。
実施例3−1〜3−16の評価結果を、比較例3−1の評価結果を100としたときの相対値として表9に示す。
実施例4−1と4−5、4−2と4−6、4−3と4−7の評価結果を、それぞれ比較例4−1、4−2、4−3の評価結果を100としたときの相対値として、表10に示す。
<非水電解液電池の作製(4)>
前述の試験用NaFe0.5Co0.5正極と、試験用ハードカーボン負極と、表2、4に記載の電解液(32、33、47)を浸み込ませたセルロース製セパレータとを備えるアルミラミネート外装セル(容量30mAh)を組み立てることで実施例4−4、4−8及び比較例4−4に係る非水電解液電池を得た。
<評価> サイクル後放電容量(0℃) + 貯蔵後放電容量(0℃)
実施例4−4、4−8及び比較例4−4に係る非水電解液電池のそれぞれについて、実施例2−4と同様に、サイクル後放電容量(0℃)を評価した。
実施例4−4、4−8及び比較例4−4に係る非水電解液電池のそれぞれについて、60℃の環境温度での貯蔵試験(3.8V充電後 10日間保存)を実施した。続いて25℃まで冷却し1.5Vまで放電させた後に、0℃、0.2Cレートにて3.8Vまで充電を行いそのまま1時間3.8Vを維持した。更に0℃のまま5Cレートでの放電を1.5Vに達するまで行い、この時に得られる容量を、貯蔵後放電容量(0℃)とした。
実施例4−4、4−8の評価結果を、比較例4−4の評価結果を100としたときの相対値として表10に示す。
実施例に係るシス配座とトランス配座のジフルオロイオン性錯体の両方を含む非水電解液電池はシス配座の該イオン性錯体のみを含む非水電解液電池に比べて、サイクル後放電容量(0℃)を低下させる事なく、貯蔵後放電容量(0℃)を向上させる事が確認された。
例えば、実施例3−1〜3−3において、シス配座のジフルオロイオン性錯体(1a−Cis)に対するトランス配座のジフルオロイオン性錯体(1a−Trans)割合が0.2質量%から0.5質量%、1.0質量%へと増えるにつれてサイクル後放電容量(0℃)に悪影響を与えることなく貯蔵後放電容量(0℃)が僅かずつではあるが向上する傾向が確認できた。
実施例3−9と3−16、3−8と3−15、3−6と3−13、3−7と3−14をそれぞれ比較すると、(1a−Trans)に比べて効果は少ないものの(1b−Trans)、(1c−Trans)、(6c−Trans)、(6d−Trans)をそれぞれ対応するシス配座のジフルオロイオン性錯体と併せて加える事で、同様にサイクル後放電容量(0℃)に悪影響を与えることなく貯蔵後放電容量(0℃)が僅かずつではあるが向上した。(1b−Trans)と(1c−Trans)の効果は(1a−Trans)と同等であった。
実施例3−3、3−4、3−5と、実施例3−6、3−7を比較すると、アニオンが同じで、カチオンがLi、Na、KからTMPAやPP13に代わる事で効果が低下するのは前述の通り、カチオンの分子量が大きいため、有効部位であるアニオン側の含有量が減少した事と、TMPA、PP13の一部が還元または酸化分解され、その分解残渣が高抵抗成分として電極表面上に堆積したためだと推測される。
実施例4−1と4−5、4−2と4−6、4−3と4−7、4−4と4−8をそれぞれ比較すると、実施例に係るシス配座とトランス配座のジフルオロイオン性錯体の両方を含み、LiBF、LiFSI、LiDFPI、NaPFをそれぞれ溶質とする非水電解液電池はシス配座の該イオン性錯体のみを含む非水電解液電池に比べて、サイクル後放電容量(0℃)を低下させる事なく、貯蔵後放電容量(0℃)を向上させる事が確認された。
<非水電解液電池の作製(5)>
前述の試験用NMC正極と、試験用黒鉛負極と、表1、5に記載の電解液(48〜50、4、7)を浸み込ませたセルロース製セパレータとを備えるアルミラミネート外装セル(容量30mAh)を組み立てることで実施例5−1〜5−4及び比較例5−1に係る非水電解液電池を得た。
<評価> 電解液保存時ガス発生量 + サイクル後放電容量(0℃)
実施例5−1〜5−4及び比較例5−1に係る非水電解液電池用電解液のそれぞれについて、保存時の安定性を評価するため加速試験を行った。圧力計を備え付けた20Lのステンレス製耐圧容器に非水電解液電池用電解液21kgをそれぞれ充填し、45℃の環境温度にて2ヶ月間保管した。その後、25℃環境温度下にて容器内の内圧を計測して保管中に発生したガス量の算出を行った。
実施例5−1〜5−4及び比較例5−1に係る非水電解液電池のそれぞれについて、実施例1−1と同様の方法でサイクル後放電容量(0℃)を評価した。
実施例5−1〜5−4の評価結果を、比較例5−1の評価結果を100としたときの相対値として表11に示す。
実施例5−1〜5−3に係るジフルオロイオン性錯体(1a−Cis)とテトラフルオロイオン性錯体(5a)とを含む非水電解液電池用電解液は、テトラフルオロイオン性錯体(5a)を含まない非水電解液電池用電解液(実施例5−4)に比べて保存時のガス発生量が少なく、内圧の上昇を抑制することが明らかになった。
実施例5−1〜5−3を比較すると、このガス発生抑制効果は、テトラフルオロイオン性錯体(5a)のジフルオロイオン性錯体(1a−Cis)に対する割合が7質量%から12質量%、20質量%へと増えるにつれて高まることが判明した。
また、実施例5−1〜5−3と5−4を比較すると、テトラフルオロイオン性錯体(5a)を加えてもサイクル後放電容量(0℃)に対する悪影響はない事が分かる。
<非水電解液電池の作製(6)>
前述の試験用NMC正極と、試験用黒鉛負極と、表1、6に記載の電解液(51〜61、2、4、5、7)を浸み込ませたセルロース製セパレータとを備えるアルミラミネート外装セル(容量30mAh)を組み立てることで実施例6−1〜6−14及び比較例6−1に係る非水電解液電池を得た。
<評価> 電解液保存時ガス発生量+サイクル後放電容量(0℃)+貯蔵後放電容量(0℃)
実施例6−1〜6−14及び比較例6−1に係る非水電解液電池用電解液のそれぞれについて、実施例5−1と同様の方法で保存時ガス発生量を評価した。
実施例6−1〜6−14及び比較例6−1に係る非水電解液電池のそれぞれについて、実施例1−1と同様の方法でサイクル後放電容量(0℃)を評価した。
実施例6−1〜6−14及び比較例6−1に係る非水電解液電池のそれぞれについて、実施例3−1と同様の方法で貯蔵後放電容量(0℃)を評価した。
実施例6−1〜6−14の評価結果を、比較例6−1の評価結果を100としたときの相対値として表13に示す。
実施例6−1〜6−7に係るシス配座とトランス配座のジフルオロイオン性錯体(1a−Cis)(1a−Trans)と、テトラフルオロイオン性錯体(5a)の三種を含む非水電解液電池用電解液は、テトラフルオロイオン性錯体(5a)を含まない非水電解液電池用電解液(実施例6−12、6−13、6−14)と同じ(1a−Cis)の添加量で比較すると、保存時のガス発生量が少なく、内圧の上昇を抑制することが明らかになった。また、実施例6−3と3−1、実施例6−4と3−2、実施例6−5と3−3を比較する事で、ここで添加したテトラフルオロイオン性錯体(5a)はジフルオロイオン性錯体(1a−Cis)と(1a−Trans)の効果に悪影響を与えない事が分かる。
また、実施例6−8〜6−11より、カチオンがLiから、Na、K、TMPA、PP13のいずれに交換した場合でもジフルオロイオン性錯体を添加する効果に大きな差がないことが分かる。また、比較例6−1、実施例6−12〜14を比較すると、(1a−Cis)の添加量が増えるほど、保存時ガス発生量が多いことが分かる。
以上の通り、シス配座のジフルオロイオン性錯体(1−Cis)が含まれる非水電解液電池はサイクル後放電容量(0℃)を大きく向上させ、そこにトランス配座のジフルオロイオン性錯体(1−Trans)を加えることで、サイクル後放電容量(0℃)に悪影響を与えることなく貯蔵後放電容量(0℃)を向上させる事が可能である。更には、そこにテトラフルオロイオン性錯体(5)を加えることで、非水電解液電池としてのサイクル後放電容量(0℃)、貯蔵後放電容量(0℃)を低下させること無く、電解液の保存安定性を向上させる事が可能である。
(実施例7−1、比較例7−1)
<LiNi0.85Co0.10Al0.05(NCA)正極の作製>
リチウム・ニッケル・コバルト・アルミニウム複合酸化物としてLiNi0.85Co0.10Al0.05(NCA)粉末(戸田工業製)およびアセチレンブラック(導電剤)を乾式混合し、結着剤であるPVDFを予め溶解させたNMP中に均一に分散させ、混合し、さらに粘度調整用NMPを加え、NCA合剤ペーストを調製した。このペーストをアルミニウム箔(集電体)上に塗布して、乾燥、加圧を行った後に、所定のサイズに加工した試験用NCA正極を得た。正極中の固形分比率は、NCA:導電剤:PVDF=85:5:10(質量比)とした。
<非水電解液電池の作製(7−1)>
前述の試験用NCA正極と、試験用黒鉛負極と、表1、6に記載の電解液(54、7)を浸み込ませたセルロース製セパレータとを備えるアルミラミネート外装セル(容量30mAh)を組み立てることで実施例7−1及び比較例7−1に係る非水電解液電池を得た。
<評価> サイクル後放電容量(0℃)+貯蔵後放電容量(0℃)
実施例7−1及び比較例7−1に係る非水電解液電池のそれぞれについて、60℃の環境温度での充放電試験(500回 3Cレート、3.0〜4.2V)を実施した。続いて25℃まで冷却し3.0Vまで放電させた後に、0℃、0.2Cレートにて4.2Vまで充電を行いそのまま1時間4.2Vを維持した。更に0℃のまま5Cレートでの放電を3.0Vに達するまで行い、この時に得られる容量を、サイクル後放電容量(0℃)とした。
実施例7−1及び比較例7−1に係る非水電解液電池のそれぞれについて、60℃の環境温度での貯蔵試験(4.2V充電後 10日間保存)を実施した。続いて25℃まで冷却し3.0Vまで放電させた後に、0℃、0.2Cレートにて4.2Vまで充電を行いそのまま1時間4.2Vを維持した。更に0℃のまま5Cレートでの放電を3.0Vに達するまで行い、この時に得られる容量を、貯蔵後放電容量(0℃)とした。
実施例7−1の評価結果を、比較例7−1の評価結果を100としたときの相対値として表15に示す。
(実施例7−2、比較例7−2)
<LiMn1.95Al0.05(LMO)正極の作製>
リチウムマンガン複合酸化物としてLiMn1.95Al0.05(LMO)粉末およびアセチレンブラック(導電剤)を乾式混合し、結着剤であるPVDFを予め溶解させたNMP中に均一に分散させ、混合し、さらに粘度調整用NMPを加え、LMO合剤ペーストを調製した。このペーストをアルミニウム箔(集電体)上に塗布して、乾燥、加圧を行った後に、所定のサイズに加工した試験用LMO正極を得た。正極中の固形分比率は、LMO:導電剤:PVDF=85:5:10(質量比)とした。
<非水電解液電池の作製(7−2)>
前述の試験用LMO正極と、試験用黒鉛負極と、表1、7に記載の電解液(54、7)を浸み込ませた微多孔性ポリプロピレン−ポリエチレン2層フィルムからなるセパレータとを備えるアルミラミネート外装セル(容量30mAh)を組み立てることで実施例7−2及び比較例7−2に係る非水電解液電池を得た。なお、セパレータはポリプロピレンを正極側に配置した。
<評価> サイクル後放電容量(0℃)+貯蔵後放電容量(0℃)
実施例7−1及び比較例7−1と同様の方法で、実施例7−2及び比較例7−2についても、サイクル後放電容量(0℃)+貯蔵後放電容量(0℃)の評価を実施した。なお、実施例7−2の評価結果は、比較例7−2の評価結果を100としたときの相対値として表15に示す。
(実施例7−3、比較例7−3)
<LiFePO(LFP)正極の作製>
リチウム含有オリビン型リン酸塩としてLiFePO(LFP)粉末と、アセチレンブラック(導電剤1)と、気相法炭素繊維(昭和電工製VGCF(登録商標)−H)(導電剤2)とを乾式混合し、結着剤であるPVDFを予め溶解させたNMP中に均一に分散させ、混合し、さらに粘度調整用NMPを加え、LFP合剤ペーストを調製した。このペーストをアルミニウム箔(集電体)上に塗布して、乾燥、加圧を行った後に、所定のサイズに加工した試験用LFP正極を得た。正極中の固形分比率は、LFP:導電剤1:導電剤2:PVDF=85:4:1:10(質量比)とした。
<非水電解液電池の作製(7−3)>
前述の試験用LFP正極と、試験用黒鉛負極と、表1、6に記載の電解液(54、7)を浸み込ませた微多孔性ポリプロピレン−ポリエチレン2層フィルムからなるセパレータとを備えるアルミラミネート外装セル(容量30mAh)を組み立てることで実施例7−3及び比較例7−3に係る非水電解液電池を得た。なお、セパレータはポリプロピレンを正極側に配置した。
<評価> サイクル後放電容量(0℃)+貯蔵後放電容量(0℃)
実施例7−3及び比較例7−3に係る非水電解液電池のそれぞれについて、60℃の環境温度での充放電試験(500回 3Cレート、2.0〜4.0V)を実施した。続いて25℃まで冷却し2.0Vまで放電させた後に、0℃、0.2Cレートにて4.0Vまで充電を行いそのまま1時間4.0Vを維持した。更に0℃のまま5Cレートでの放電を2.0Vに達するまで行い、この時に得られる容量を、サイクル後放電容量(0℃)とした。
実施例7−3及び比較例7−3に係る非水電解液電池のそれぞれについて、60℃の環境温度での貯蔵試験(4.0V充電後 10日間保存)を実施した。続いて25℃まで冷却し2.0Vまで放電させた後に、0℃、0.2Cレートにて4.0Vまで充電を行いそのまま1時間4.0Vを維持した。更に0℃のまま5Cレートでの放電を2.0Vに達するまで行い、この時に得られる容量を、貯蔵後放電容量(0℃)とした。
実施例7−3の評価結果を、比較例7−3の評価結果を100としたときの相対値として表15に示す。
(実施例7−4、比較例7−4)
<非晶質炭素負極の作製>
非晶質炭素粉末としては、株式会社クレハ製のカーボトロン(登録商標)Pを用い、結着剤であるPVDFを予め溶解させたNMP中に均一に分散させ、混合し、さらに粘度調整用NMPを加え、非晶質炭素合剤ペーストを調製した。このペーストを銅箔(集電体)上に塗布して、乾燥、加圧を行った後に、所定のサイズに加工した試験用非晶質炭素負極を得た。負極中の固形分比率は、非晶質炭素粉末:PVDF=90:10(質量比)とした。
<非水電解液電池の作製(7−4)>
前述の試験用NMC正極と、試験用黒鉛負極と、表7に記載の電解液(62、63)を浸み込ませた微多孔性ポリプロピレン−ポリエチレン2層フィルムからなるセパレータとを備えるアルミラミネート外装セル(容量30mAh)を組み立てることで実施例7−4及び比較例7−4に係る非水電解液電池を得た。なお、セパレータはポリプロピレンを正極側に配置した。
<評価> サイクル後放電容量(0℃)+貯蔵後放電容量(0℃)
実施例7−4及び比較例7−4に係る非水電解液電池のそれぞれについて、60℃の環境温度での充放電試験(500回 3Cレート、2.7〜4.2V)を実施した。続いて25℃まで冷却し2.7Vまで放電させた後に、0℃、0.2Cレートにて4.2Vまで充電を行いそのまま1時間4.2Vを維持した。更に0℃のまま5Cレートでの放電を2.7Vに達するまで行い、この時に得られる容量を、サイクル後放電容量(0℃)とした。
実施例7−4及び比較例7−4に係る非水電解液電池のそれぞれについて、60℃の環境温度での貯蔵試験(4.2V充電後 10日間保存)を実施した。続いて25℃まで冷却し2.7Vまで放電させた後に、0℃、0.2Cレートにて4.2Vまで充電を行いそのまま1時間4.2Vを維持した。更に0℃のまま5Cレートでの放電を2.7Vに達するまで行い、この時に得られる容量を、貯蔵後放電容量(0℃)とした。
実施例7−4の評価結果を、比較例7−4の評価結果を100としたときの相対値として表15に示す。
(実施例7−5、比較例7−5)
<試験用(人造黒鉛+天然黒鉛混合)負極の作製>
人造黒鉛としては、昭和電工(株)製SCMG(登録商標)−AR粉末、天然黒鉛として関西熱化学(株)製天然黒鉛粒子(平均粒子径25μm)を用い、結着剤であるPVDFを予め溶解させたNMP中に均一に分散させ、混合し、さらに粘度調整用NMPを加え、(人造黒鉛+天然黒鉛)混合の合剤ペーストを調製した。このペーストを銅箔(集電体)上に塗布して、乾燥、加圧を行った後に、所定のサイズに加工した試験用(人造黒鉛+天然黒鉛混合)負極を得た。負極中の固形分比率は、人造黒鉛粉末:天然黒鉛粉末:PVDF=72:18:10(質量比)とした。
<非水電解液電池の作製(7−5)>
前述の試験用NMC正極と、試験用(人造黒鉛+天然黒鉛混合)負極と、表7に記載の電解液(64、65)を浸み込ませた微多孔性ポリプロピレン−ポリエチレン2層フィルムからなるセパレータとを備えるアルミラミネート外装セル(容量30mAh)を組み立てることで実施例7−5及び比較例7−5に係る非水電解液電池を得た。なお、セパレータはポリプロピレンを正極側に配置した。
<評価> サイクル後放電容量(0℃)+貯蔵後放電容量(0℃)
実施例7−5及び比較例7−5に係る非水電解液電池のそれぞれについて、60℃の環境温度での充放電試験(500回 3Cレート、3.0〜4.3V)を実施した。続いて25℃まで冷却し3.0Vまで放電させた後に、0℃、0.2Cレートにて4.3Vまで充電を行いそのまま1時間4.3Vを維持した。更に0℃のまま5Cレートでの放電を3.0Vに達するまで行い、この時に得られる容量を、サイクル後放電容量(0℃)とした。
実施例7−5及び比較例7−5に係る非水電解液電池のそれぞれについて、60℃の環境温度での貯蔵試験(4.3V充電後 10日間保存)を実施した。続いて25℃まで冷却し3.0Vまで放電させた後に、0℃、0.2Cレートにて4.3Vまで充電を行いそのまま1時間4.3Vを維持した。更に0℃のまま5Cレートでの放電を3.0Vに達するまで行い、この時に得られる容量を、貯蔵後放電容量(0℃)とした。
実施例7−5の評価結果を、比較例7−5の評価結果を100としたときの相対値として表15に示す。
(実施例7−6、比較例7−6)
<SiO負極の作製>
ケイ素酸化物粉末としては、熱処理により不均化されたケイ素酸化物粉末(シグマアルドリッチジャパン株式会社製SiO(xは0.3〜1.6)、平均粒径5μm)、塊状人造黒鉛粉末として日立化成工業製MAG−D(粒径20μm以下)の混合粉末を用い、結着剤であるPVDFを予め溶解させたNMP中に均一に分散させ、さらにケッチェンブラック(導電剤)を加えて混合し、さらに粘度調整用NMPを加え、SiO合剤ペーストを調製した。
このペーストを銅箔(集電体)上に塗布して、乾燥、加圧を行った後に、所定のサイズに加工した試験用SiO負極を得た。負極中の固形分比率は、SiO:MAG―D:導電剤:PVDF=35:47:8:10(質量比)とした。
なお、SiO負極の充電容量がNMC正極の充電容量よりも大きくなるように、NMC正極活物質とSiO粉末との量を調節し、充電の途中でSiO負極にリチウム金属が析出しないように塗布量も調節した。
<非水電解液電池の作製(7−6)>
前述の試験用NMC正極と、試験用SiO負極と、表7に記載の電解液(66、67)を浸み込ませた微多孔性ポリプロピレン−ポリエチレン2層フィルムからなるセパレータとを備えるアルミラミネート外装セル(容量30mAh)を組み立てることで実施例7−6及び比較例7−6に係る非水電解液電池を得た。なお、セパレータはポリプロピレンを正極側に配置した。
<評価> サイクル後放電容量(0℃)+貯蔵後放電容量(0℃)
実施例7−6及び比較例7−6に係る非水電解液電池のそれぞれについて、60℃の環境温度での充放電試験(200回 充電は1Cレート 放電は2Cレート、2.5〜4.2V)を実施した。続いて25℃まで冷却し2.5Vまで放電させた後に、0℃、0.2Cレートにて4.2Vまで充電を行いそのまま1時間4.2Vを維持した。更に0℃のまま3Cレートでの放電を2.5Vに達するまで行い、この時に得られる容量を、サイクル後放電容量(0℃)とした。
実施例7−6及び比較例7−6に係る非水電解液電池のそれぞれについて、60℃の環境温度での貯蔵試験(4.2V充電後 10日間保存)を実施した。続いて25℃まで冷却し2.5Vまで放電させた後に、0℃、0.2Cレートにて4.2Vまで充電を行いそのまま1時間4.2Vを維持した。更に0℃のまま3Cレートでの放電を2.5Vに達するまで行い、この時に得られる容量を、貯蔵後放電容量(0℃)とした。
実施例7−6の評価結果を、比較例7−6の評価結果を100としたときの相対値として表15に示す。
(実施例7−7、比較例7−7)
<試験用Si負極の作製>
Si粉末としては、Si粉末(平均粒子径:10μm/6μm=質量比9/1の混合粉末)を用い、結着剤であるPVDFを予め溶解させたNMP中に均一に分散させ、さらにケッチェンブラック(導電剤1)と気相法炭素繊維(昭和電工製VGCF(登録商標)−H)(導電剤2)とを加えて混合し、さらに粘度調整用NMPを加え、Si合剤ペーストを調製した。
このペーストを銅箔(集電体)上に塗布して、乾燥、加圧を行った後に、所定のサイズに加工した試験用Si負極を得た。
負極中の固形分比率は、Si粉末:導電剤1:導電剤2:PVDF=78:7:3:12(質量比)とした。
なお、Si負極の充電容量がNMC正極の充電容量よりも大きくなるように、NMC正極活物質とSi粉末との量を調節し、充電の途中でSi負極にリチウム金属が析出しないように塗布量を調節した。
<非水電解液電池の作製(7−7)>
前述の試験用NMC正極と、試験用Si負極と、表7に記載の電解液(66、67)を浸み込ませた微多孔性ポリプロピレン−ポリエチレン2層フィルムからなるセパレータとを備えるアルミラミネート外装セル(容量30mAh)を組み立てることで実施例7−7及び比較例7−7に係る非水電解液電池を得た。なお、セパレータはポリプロピレンを正極側に配置した。
<評価> サイクル後放電容量(0℃)+貯蔵後放電容量(0℃)
実施例7−6及び比較例7−6と同様の方法で、実施例7−7及び比較例7−7についても、サイクル後放電容量(0℃)と貯蔵後放電容量(0℃)の評価を実施した。なお、実施例7−7の評価結果は、比較例7−7の評価結果を100としたときの相対値として表15に示す。
(実施例7−8、比較例7−8)
<試験用Sn負極の作製>
Sn粉末としては、平均粒子径:10μmのSn粉末を用い、結着剤であるPVDFを予め溶解させたNMP中に均一に分散させ、さらにグラファイト(ロンザ製KS-15)(導電剤1)と気相法炭素繊維(昭和電工製VGCF(登録商標)−H)(導電剤2)とを加えて混合し、さらに粘度調整用NMPを加え、Sn合剤ペーストを調製した。
このペーストを銅箔(集電体)上に塗布して、乾燥、加圧を行った後に、所定のサイズに加工した試験用Sn負極を得た。
負極中の固形分比率は、Sn粉末:導電剤1:導電剤2:PVDF=78:8:3:11(質量比)とした。
なお、Sn負極の充電容量がNMC正極の充電容量よりも大きくなるように、NMC正極活物質とSn粉末との量を調節し、充電の途中でSn負極にリチウム金属が析出しないように塗布量も調節した。
<非水電解液電池の作製(7−8)>
前述の試験用NMC正極と、試験用Sn負極と、表7に記載の電解液(66、67)を浸み込ませた微多孔性ポリプロピレン−ポリエチレン2層フィルムからなるセパレータとを備えるアルミラミネート外装セル(容量30mAh)を組み立てることで実施例7−8及び比較例7−8に係る非水電解液電池を得た。なお、セパレータはポリプロピレンを正極側に配置した。
<評価> サイクル後放電容量(0℃)+貯蔵後放電容量(0℃)
実施例7−6及び比較例7−6と同様の方法で、実施例7−8及び比較例7−8についても、サイクル後放電容量(0℃)+貯蔵後放電容量(0℃)の評価を実施した。なお、実施例7−8の評価結果は、比較例7−8の評価結果を100としたときの相対値として表15に示す。
(実施例7−9、比較例7−9)
<試験用Sn合金負極の作製>
本試験用Sn合金負極の作製については、特開2008−016424号公報に記載の手順に従った。すなわち、原料であるCo・Sn合金粉末と、炭素粉末とを所定の割合で混合し、全体の投入粉末量を10gとして乾式混合した。この混合物を直径9mmの鋼玉約400gとともに、遊星ボールミルの反応容器中にセットした。反応容器中をアルゴン雰囲気に置換し、毎分250回転の回転速度にて10分間の運転+10分間の休止の動作を、運転時間の合計が20時間になるまで繰り返した。その後、反応容器を室温まで冷却して合成された負極活物質粉末について組成分析を行ったところ、Snの含有量は49.5質量%、Coの含有量は29.7質量%、炭素の含有量は20.8質量%、SnとCoとの合計に対するCoの割合、Co/(Sn+Co)は37.5質量%であった。
なお、炭素の含有量は、炭素・硫黄分析装置により測定し、Sn、Coの含有量は、ICP−MS(誘導結合プラズマ質量分析法)により測定した。
この負極活物質を用い、結着剤であるPVDFを予め溶解させたNMP中に均一に分散させ、さらにケッチェンブラック(導電剤1)と気相法炭素繊維(昭和電工製VGCF(登録商標)−H)(導電剤2)を加えて混合し、さらに粘度調整用NMPを加え、Sn合金合剤ペーストを調製した。
このペーストを銅箔(集電体)上に塗布して、乾燥、加圧を行った後に、所定のサイズに加工した試験用Si負極を得た。
負極中の固形分比率は、Co・Sn合金粉末:導電剤1:導電剤2:PVDF=80:7:3:10(質量比)とした。
Sn合金負極の充電容量がNMC正極の充電容量よりも大きくなるように、NMC正極活物質とSn合金粉末との量を調節し、充電の途中でSn合金負極にリチウム金属が析出しないように塗布量も調節した。
<非水電解液電池の作製(7−9)>
前述の試験用NMC正極と、試験用Sn合金負極と、表7に記載の電解液(66、67)を浸み込ませた微多孔性ポリプロピレン−ポリエチレン2層フィルムからなるセパレータとを備えるアルミラミネート外装セル(容量30mAh)を組み立てることで実施例及び比較例に係る非水電解液電池を得た。なお、セパレータはポリプロピレンを正極側に配置した。
<評価> サイクル後放電容量(0℃)+貯蔵後放電容量(0℃)
実施例7−6及び比較例7−6と同様の方法で、実施例7−9及び比較例7−9についても、サイクル後放電容量(0℃)と貯蔵後放電容量(0℃)の評価を実施した。なお、実施例7−9の評価結果は、比較例7−9の評価結果を100としたときの相対値として表15に示す。
(実施例7−10、比較例7−10)
<試験用LTO負極の作製>
LiTi12(LTO)粉末としては、LTO粉末(平均粒子径:0.90μm/3.40μm=質量比9/1の混合粉末)を用い、結着剤であるPVDFを予め溶解させたNMP中に均一に分散させ、さらにケッチェンブラック(導電剤1)と気相法炭素繊維(昭和電工製VGCF(登録商標)−H)(導電剤2)を加えて混合し、さらに粘度調整用NMPを加え、LTO合剤ペーストを調製した。
このペーストをアルミニウム箔(集電体)上に塗布して、乾燥、加圧を行った後に、所定のサイズに加工した試験用LTO負極を得た。
負極中の固形分比率は、LTO粉末:導電剤1:導電剤2:PVDF=83:5:2:10(質量比)とした。
<非水電解液電池の作製(7−10)>
前述の試験用NMC正極と、試験用LTO負極と、表7に記載の電解液(68、69)を浸み込ませたセルロース製セパレータとを備えるアルミラミネート外装セル(容量30mAh)を組み立てることで実施例7−10及び比較例7−10に係る非水電解液電池を得た。
<評価> サイクル後放電容量(0℃)+貯蔵後放電容量(0℃)
実施例7−10及び比較例7−10に係る非水電解液電池のそれぞれについて、60℃の環境温度での充放電試験(500回 2Cレート、1.5〜2.8V)を実施した。続いて25℃まで冷却し1.5Vまで放電させた後に、0℃、0.2Cレートにて2.8Vまで充電を行いそのまま1時間2.8Vを維持した。更に0℃のまま5Cレートでの放電を1.5Vに達するまで行い、この時に得られる容量を、サイクル後放電容量(0℃)とした。
実施例7−10及び比較例7−10に係る非水電解液電池のそれぞれについて、60℃の環境温度での貯蔵試験(2.8V充電後 10日間保存)を実施した。続いて25℃まで冷却し1.5Vまで放電させた後に、0℃、0.2Cレートにて2.8Vまで充電を行いそのまま1時間2.8Vを維持した。更に0℃のまま5Cレートでの放電を1.5Vに達するまで行い、この時に得られる容量を、貯蔵後放電容量(0℃)とした。
実施例7−10の評価結果を、比較例7−10の評価結果を100としたときの相対値として表15に示す。
(実施例7−11、7−12、比較例7−11、7−12)
<OLO−1正極の作製>
0.5[LiNi0.5Mn0.5]・0.5[LiMnO](OLO−1)粉末及びアセチレンブラック(導電剤1)、気相法炭素繊維(昭和電工社製VGCF(登録商標)−H」)(導電剤2)とを乾式混合し、結着剤であるPVDFを予め溶解させたNMP中に均一に分散させ、混合し、さらに粘度調整用NMPを加え、OLO−1合剤ペーストを調製した。このペーストをアルミニウム箔(集電体)上に塗布して、乾燥、加圧を行った後に、所定のサイズに加工した試験用OLO−1正極を得た。正極中の固形分比率は、OLO−1:導電剤1:導電剤2:PVDF=85:4:1:10(質量比)とした。
<OLO−2正極の作製>
0.45[LiNi0.375Co0.25Mn0.375]・0.10[LiTiO]・0.45[LiMnO](OLO−2)粉末及びアセチレンブラック(導電剤1)、気相法炭素繊維(昭和電工社製VGCF(登録商標)−H」)(導電剤2)とを乾式混合し、結着剤であるPVDFを予め溶解させたNMP中に均一に分散させ、混合し、さらに粘度調整用NMPを加え、OLO−2合剤ペーストを調製した。このペーストをアルミニウム箔(集電体)上に塗布して、乾燥、加圧を行った後に、所定のサイズに加工した試験用OLO−2正極を得た。正極中の固形分比率は、OLO−2:導電剤1:導電剤2:PVDF=85:4:1:10(質量比)とした。
<非水電解液電池の作製(7−11、7−12)>
前述の試験用OLO−1正極又は試験用OLO−2正極と、試験用黒鉛負極と、表7に記載の電解液(70、71)を浸み込ませたセルロース製セパレータとを備えるアルミラミネート外装セル(容量30mAh)を組み立てることで実施例7−11、7−12、比較例7−11、7−12に係る非水電解液電池を得た。
<評価> サイクル後放電容量(0℃)+貯蔵後放電容量(0℃)
実施例7−11及び比較例7−11に係る非水電解液電池のそれぞれについて、60℃の環境温度での充放電試験(300回 2.5〜4.6V、充電:1Cレート、放電:2Cレート)を実施した。続いて25℃まで冷却し2.5Vまで放電させた後に、0℃、0.2Cレートにて4.6Vまで充電を行いそのまま1時間4.6Vを維持した。更に0℃のまま3Cレートでの放電を2.5Vに達するまで行い、この時に得られる容量を、サイクル後放電容量(0℃)とした。
実施例7−11及び比較例7−11に係る非水電解液電池のそれぞれについて、60℃の環境温度での貯蔵試験(4.6V充電後 10日間保存)を実施した。続いて25℃まで冷却し2.5Vまで放電させた後に、0℃、0.2Cレートにて4.6Vまで充電を行いそのまま1時間4.6Vを維持した。更に0℃のまま3Cレートでの放電を2.5Vに達するまで行い、この時に得られる容量を、貯蔵後放電容量(0℃)とした。
実施例7−11の評価結果を、比較例7−11の評価結果を100としたときの相対値として表15に示す。
実施例7−12及び比較例7−12に係る非水電解液電池も、実施例7−11及び比較例7−11と同様に評価した。実施例7−12の評価結果は、比較例7−12を100としたときの相対値として表15に示す。
表15の実施例7−1〜7−3、7−11、7−12と比較例7−1〜7−3、7−11、7−12を比較した結果から、それぞれ正極活物質にニッケル、マンガン、コバルトの少なくとも1種以上の金属を含有し、かつ層状構造を有するリチウム遷移金属複合酸化物、スピネル構造を有するリチウムマンガン複合酸化物、リチウム含有オリビン型リン酸鉄塩、層状岩塩型構造を有するリチウム過剰層状遷移金属酸化物を用いた場合のいずれにおいても、シス配座のジフルオロイオン性錯体(1−Cis)が、非水電解液電池はサイクル後放電容量(0℃)を大きく向上させ、トランス配座のジフルオロイオン性錯体(1−Trans)が、貯蔵後放電容量(0℃)を向上させたことがわかる。
また、表15の実施例7−4〜7−10と比較例7−4〜7−10を比較した結果から、それぞれ負極活物質にX線回折における格子面(002面)のd値が0.340nmを超える炭素材料、X線回折における格子面(002面)のd値が0.340nm以下の炭素材料、Si、Sn、Alから選ばれる1種以上の金属の酸化物、Si、Sn、Alから選ばれる1種以上の金属やこれら金属を含む合金又はこれら金属や合金とリチウムとの合金、リチウムチタン酸化物を用いた場合のいずれにおいても、シス配座のジフルオロイオン性錯体(1−Cis)が、非水電解液電池はサイクル後放電容量(0℃)を大きく向上させ、トランス配座のジフルオロイオン性錯体(1−Trans)が、貯蔵後放電容量(0℃)を向上させたことがわかる。
つまり、本発明の非水系電解液およびこれを用いた電池には、特定の正極活物質及び負極活物質に依存せず、ある程度電池が使用された状態においても低温にて高い出力特性を発揮でき、さらに高温にて貯蔵された後においても同様に低温にて十分な性能を発揮できることは明らかである。

Claims (19)

  1. 一般式(1−Cis)で示される、シス型の立体配座をとるジフルオロイオン性錯体(1−Cis)と非水有機溶媒と溶質を含む非水電解液二次電池用電解液で、
    前記非水電解液二次電池用電解液に含まれるジフルオロイオン性錯体のうち、95モル%以上が前記ジフルオロイオン性錯体(1−Cis)であることを特徴とする非水電解液二次電池用電解液。
    一般式(1−Cis)において、Aは金属イオン、プロトン及びオニウムイオンからなる群から選ばれるいずれか1つであり、MはSi、P、As及びSbからなる群から選ばれるいずれか1つである。Fはフッ素原子である。Oは酸素原子である。MがSiの場合はtは2、MがP、As又はSbの場合はtは1である。
    Xは酸素原子又は−N(R)−である。Nは窒素原子であり、Rは炭素数1〜10のヘテロ原子やハロゲン原子を有していてもよい炭化水素基(炭素数が3以上の場合にあっては、分岐鎖又は環状構造のものも使用できる)である。
    Xが−N(R)−でpが0の場合、XとWは直接結合し、その際は下記一般式(2)〜(4)のような構造をとることもできる。直接結合が二重結合となる下記一般式(3)の場合、Rは存在しない。
    Yは炭素原子又は硫黄原子である。Yが炭素原子である場合qは1である。Yが硫黄原子である場合qは1又は2である。
    Wは炭素数1〜10のヘテロ原子やハロゲン原子を有していてもよい炭化水素基(炭素数が3以上の場合にあっては、分岐鎖又は環状構造のものも使用できる)、又は−N(R)−を表す。このとき、Rは水素原子、アルカリ金属、炭素数1〜10のヘテロ原子やハロゲン原子を有していてもよい炭化水素基を表す。炭素数が3以上の場合にあっては、Rは分岐鎖又は環状構造をとることもできる。
    pは0又は1、qは0〜2の整数、rは0〜2の整数をそれぞれ表し、p+r≧1である。
  2. 前記ジフルオロイオン性錯体(1−Cis)のアニオン部分の各元素が、以下に示される(ア)、(イ)、(ウ)及び(エ)からなる群より選ばれる少なくとも一つである、請求項1に記載の非水電解液二次電池用電解液。
    (ア)M=P、X=O、Y=C、p、q、t=1、r=0
    (イ)M=P、X=O、W=C(CF、p、q=0、r、t=1
    (ウ)M=Si、X=O、Y=C、p、q=1、t=2、r=0
    (エ)M=P、X=N(R)、Y=C、R=CH、p、q、t=1、r=0
  3. 前記ジフルオロイオン性錯体(1−Cis)の前記Aがリチウムイオン、ナトリウムイオン、カリウムイオン及び4級アルキルアンモニウムイオンからなる群より選ばれる少なくとも1種のイオンである、請求項1または2に記載の非水電解液二次電池用電解液。
  4. 前記ジフルオロイオン性錯体(1−Cis)の濃度が非水電解液二次電池用電解液に対して0.001質量%以上20質量%以下の範囲である、請求項1〜3のいずれかに記載の非水電解液二次電池用電解液。
  5. さらに、一般式(1−Trans)で示される、トランス型の立体配座をとるジフルオロイオン性錯体(1−Trans)を含むことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の非水電解液二次電池用電解液。
    一般式(1−Trans)において、Aは金属イオン、プロトン及びオニウムイオンからなる群から選ばれるいずれか1つであり、MはSi、P、As及びSbからなる群から選ばれるいずれか1つである。Fはフッ素原子である。Oは酸素原子である。MがSiの場合はtは2、MがP、As又はSbの場合はtは1である。
    Xは酸素原子又は−N(R)−である。Nは窒素原子であり、Rは炭素数1〜10のヘテロ原子やハロゲン原子を有していてもよい炭化水素基(炭素数が3以上の場合にあっては、分岐鎖又は環状構造のものも使用できる)である。
    Xが−N(R)−でpが0の場合、XとWは直接結合し、その際は下記一般式(2)〜(4)のような構造をとることもできる。直接結合が二重結合となる下記一般式(3)の場合、Rは存在しない。
    Yは炭素原子又は硫黄原子である。Yが炭素原子である場合qは1である。Yが硫黄原子である場合qは1又は2である。
    Wは炭素数1〜10のヘテロ原子やハロゲン原子を有していてもよい炭化水素基(炭素数が3以上の場合にあっては、分岐鎖又は環状構造のものも使用できる)、又は−N(R)−を表す。このとき、Rは水素原子、アルカリ金属、炭素数1〜10のヘテロ原子やハロゲン原子を有していてもよい炭化水素基を表す。炭素数が3以上の場合にあっては、Rは分岐鎖又は環状構造をとることもできる。pは0又は1、qは0〜2の整数、rは0〜2の整数をそれぞれ表し、p+r≧1である。
  6. 前記ジフルオロイオン性錯体(1−Trans)のアニオン部分の各元素が、以下に示される(ア)、(イ)、(ウ)及び(エ)からなる群より選ばれる少なくとも一つである、請求項5に記載の非水電解液二次電池用電解液。
    (ア)M=P、X=O、Y=C、p、q、t=1、r=0
    (イ)M=P、X=O、W=C(CF、p、q=0、r、t=1
    (ウ)M=Si、X=O、Y=C、p、q=1、t=2、r=0
    (エ)M=P、X=N(R)、Y=C、R=CH、p、q、t=1、r=0
  7. 前記ジフルオロイオン性錯体(1−Trans)の前記Aが、リチウムイオン、ナトリウムイオン、カリウムイオン及び4級アルキルアンモニウムイオンからなる群より選ばれる少なくとも1種である、請求項5または6に記載の非水電解液二次電池用電解液。
  8. 前記ジフルオロイオン性錯体(1−Trans)の含有量の、前記ジフルオロイオン性錯体(1−Cis)の質量に対する割合が0.0001以上、0.05以下である、請求項5〜7のいずれかに記載の非水電解液二次電池用電解液。
  9. さらに、一般式(5)で示されるテトラフルオロイオン性錯体(5)を含むことを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載の非水電解液二次電池用電解液。
    一般式(5)において、Aは金属イオン、プロトン及びオニウムイオンからなる群から選ばれるいずれか1つであり、MはSi、P、As及びSbからなる群から選ばれるいずれか1つである。Fはフッ素原子である。Oは酸素原子である。MがSiの場合はtは2、MがP、As又はSbの場合はtは1である。
    Xは酸素原子又は−N(R)−である。Nは窒素原子であり、Rは炭素数1〜10のヘテロ原子やハロゲン原子を有していてもよい炭化水素基(炭素数が3以上の場合にあっては、分岐鎖又は環状構造のものも使用できる)である。
    Xが−N(R)−でpが0の場合、XとWは直接結合し、その際は下記一般式(2)〜(4)のような構造をとることもできる。直接結合が二重結合となる下記一般式(3)の場合、Rは存在しない。
    Yは炭素原子又は硫黄原子である。Yが炭素原子である場合qは1である。Yが硫黄原子である場合qは1又は2である。
    Wは炭素数1〜10のヘテロ原子やハロゲン原子を有していてもよい炭化水素基(炭素数が3以上の場合にあっては、分岐鎖又は環状構造のものも使用できる)、又は−N(R)−を表す。このとき、Rは水素原子、アルカリ金属、炭素数1〜10のヘテロ原子やハロゲン原子を有していてもよい炭化水素基を表す。炭素数が3以上の場合にあっては、Rは分岐鎖又は環状構造をとることもできる。pは0又は1、qは0〜2の整数、rは0〜2の整数をそれぞれ表し、p+r≧1である。
  10. 前記テトラフルオロイオン性錯体(5)のアニオン部分の各元素が、(ア)、(イ)、(ウ)及び(エ)からなる群より選ばれるいずれかである、請求項9に記載の非水電解液二次電池用電解液。
    (ア)M=P、X=O、Y=C、p、q、t=1、r=0
    (イ)M=P、X=O、W=C(CF、p、q=0、r、t=1
    (ウ)M=Si、X=O、Y=C、p、q=1、t=2、r=0
    (エ)M=P、X=N(R)、Y=C、R=CH、p、q、t=1、r=0
  11. 前記テトラフルオロイオン性錯体(5)の前記Aが、リチウムイオン、ナトリウムイオン、カリウムイオン及び4級アルキルアンモニウムイオンからなる群より選ばれる少なくとも1種のイオンである、請求項9または10に記載の非水電解液二次電池用電解液。
  12. 前記テトラフルオロイオン性錯体(5)の含有量の、前記ジフルオロイオン性錯体(1−Cis)の質量に対する割合が、0.02以上0.25以下である、請求項9〜11のいずれか1項に記載の非水電解液二次電池用電解液。
  13. 前記非水有機溶媒が、カーボネート類、エステル類、エーテル類、ラクトン類、ニトリル類、アミド類、スルホン類からなる群から選ばれる少なくとも1種である、請求項1から12のいずれか1項に記載の非水電解液二次電池用電解液。
  14. 前記非水有機溶媒が、エチルメチルカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルプロピルカーボネート、エチルプロピルカーボネート、メチルブチルカーボネート、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、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、ジエチルエーテル、アセトニトリル、プロピオニトリル、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、フラン、テトラヒドロピラン、1,3−ジオキサン、1,4−ジオキサン、ジブチルエーテル、ジイソプロピルエーテル、1,2−ジメトキシエタン、N,N−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、スルホラン、γ−ブチロラクトン、及びγ−バレロラクトンからなる群から選ばれる少なくとも1種である請求項13に記載の非水電解液二次電池用電解液。
  15. 前記非水有機溶媒が、環状カーボネート及び鎖状カーボネートからなる群から選ばれる少なくとも1種を含有する、請求項13に記載の非水電解液二次電池用電解液。
  16. 前記環状カーボネートが、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネートからなる群から選ばれる少なくとも1種であり、前記鎖状カーボネートが、エチルメチルカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルプロピルカーボネートからなる群から選ばれる少なくとも1種である、請求項15に記載の非水電解液二次電池用電解液。
  17. 前記溶質が、リチウム、ナトリウム、カリウム、及び四級アルキルアンモニウムからなる群から選ばれる少なくとも1種のカチオンと、ヘキサフルオロリン酸、テトラフルオロホウ酸、過塩素酸、ヘキサフルオロヒ酸、ヘキサフルオロアンチモン酸、トリフルオロメタンスルホン酸、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド、ビス(ペンタフルオロエタンスルホニル)イミド、(トリフルオロメタンスルホニル)(ペンタフルオロエタンスルホニル)イミド、ビス(フルオロスルホニル)イミド、(トリフルオロメタンスルホニル)(フルオロスルホニル)イミド、(ペンタフルオロエタンスルホニル)(フルオロスルホニル)イミド、トリス(トリフルオロメタンスルホニル)メチド、及びビス(ジフルオロホスホニル)イミドからなる群から選ばれる少なくとも1種のアニオンの対からなる塩である、請求項1〜16のいずれか1項に記載の非水電解液二次電池用電解液。
  18. 請求項1から17のいずれかに記載の非水電解液二次電池用電解液と、正極と、負極と、セパレータとを備える非水電解液二次電池。
  19. (ア)請求項1から17のいずれかに記載の非水電解液二次電池用電解液と、
    (イ)少なくとも1種の酸化物及び/又はポリアニオン化合物を正極活物質として含む正極と、
    (ウ)負極活物質を含む負極と、
    (エ)ポリオレフィン又はセルロースを主成分とするセパレータとを備え、
    前記正極活物質は、(A)ニッケル、マンガン、コバルトの少なくとも1種以上の金属を含有し、層状構造を有するリチウム遷移金属複合酸化物、(B)スピネル構造を有するリチウムマンガン複合酸化物、(C)リチウム含有オリビン型リン酸塩及び(D)層状岩塩型構造を有するリチウム過剰層状遷移金属酸化物からなる群から選択される少なくとも1種以上であり、
    前記負極活物質は、(E)X線回折における格子面(002面)のd値が0.340nm以下の炭素材料、(F)X線回折における格子面(002面)のd値が0.340nmを超える炭素材料、(G)Si、Sn、Alから選ばれる1種以上の金属の酸化物、(H)Si、Sn、Alから選ばれる1種以上の金属若しくはこれら金属を含む合金又はこれら金属若しくは合金とリチウムとの合金、及び(I)リチウムチタン酸化物からなる群から選択される少なくとも1種以上である、非水電解液二次電池。
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