JP6320876B2 - 非水電解質二次電池 - Google Patents
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Description
上記特許文献に開示された非水電解質二次電池では、正極を構成する活物質から金属成分が溶出するという問題がある。
上記課題は、負極で発生する塩基がフルオロエチレンカーボネートを求核攻撃して耐酸化性の低いビニレンカーボネートに変化させることにより発生すると考えられる。ビニレンカーボネートは正極で酸化分解され、この際に金属の溶出を引き起こすものと考えられる。本発明者らは、かかる課題について鋭意検討した結果、極めて限定された組み合わせのフッ素系溶媒を用いることにより金属溶出が特異的に抑制できることを見出し、本発明を完成するに至った。
本開示の一態様に係る非水電解質二次電池は、非水溶媒を含む非水電解質を備えた非水電解質二次電池であって、非水溶媒は、フルオロエチレンカーボネートと、ジフルオロブチレンカーボネートと、フッ素化鎖状カーボネート及びフッ素化鎖状カルボン酸エステルの少なくとも一方とを含有し、これらの合計の含有量は非水溶媒の総体積に対して50体積%よりも多い。
これにより、放電レート特性を損なうことなく、充電保存時におけるガス発生及び正極における金属溶出を抑制することができる。
以下、本開示に係る実施の形態について詳細に説明する。
本開示の実施形態の一例である非水電解質二次電池は、正極と、負極と、非水溶媒を含む非水電解質とを備える。また、正極と負極との間には、セパレータを設けることが好適である。非水電解質二次電池は、例えば、正極及び負極がセパレータを介して巻回されてなる電極体と、非水電解質とが外装体に収容された構造を有する。
正極は、例えば金属箔等の正極集電体と、正極集電体上に形成された正極活物質層とで構成される。正極集電体には、アルミニウムなどの正極の電位範囲で安定な金属の箔、アルミニウムなどの正極の電位範囲で安定な金属を表層に配置したフィルム等が用いられる。正極活物質層は、正極活物質の他に、導電剤及び結着剤を含むことが好適である。
負極は、例えば金属箔等の負極集電体と、負極集電体上に形成された負極活物質層とを備える。負極集電体には、銅などの負極の電位範囲で安定な金属の箔、銅などの負極の電位範囲で安定な金属を表層に配置したフィルム等を用いることができる。負極活物質層は、リチウムイオンを吸蔵・脱離可能な負極活物質の他に、結着剤を含むことが好適である。結着剤としては、正極の場合と同様にPTFE等を用いることもできるが、スチレン−ブタジエン共重合体(SBR)又はこの変性体等を用いることが好ましい。結着剤は、CMC等の増粘剤と併用されてもよい。
非水電解質は、非水溶媒と、非水溶媒に溶解した電解質塩とを含む。非水溶媒は、フルオロエチレンカーボネート(以下、「FEC」とする)と、ジフルオロブチレンカーボネート(以下、「DFBC」とする)と、フッ素化鎖状カーボネート及びフッ素化鎖状カルボン酸エステルの少なくとも一方とを含有する。これらの合計の含有量は、非水溶媒の総体積に対して50体積%よりも多くする必要があり、好ましくは60体積%以上、より好ましくは70体積%以上、特に好ましくは80体積%以上である。これにより、放電レート特性を損なうことなく、充電保存時におけるガス発生及び正極における金属溶出を抑制することが可能になる。なお、非水電解質は、液体電解質(非水電解液)に限定されず、ゲル状ポリマー等を用いた固体電解質であってもよい。
ンゼン、1,2−ジエトキシエタン、1,2−ジブトキシエタン、ジエチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールジエチルエーテル、ジエチレングリコールジブチルエーテル、1,1−ジメトキシメタン、1,1−ジエトキシエタン、トリエチレングリコールジメチルエーテル、テトラエチレングリコールジメチル等が挙げられる。
セパレータには、イオン透過性及び絶縁性を有する多孔性シートが用いられる。多孔性シートの具体例としては、微多孔薄膜、織布、不織布等が挙げられる。セパレータの材質としては、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィンが好適である。
[正極の作製]
黒鉛が98質量%、カルボキシメチルセルロースのナトリウム塩が1質量%、スチレンーブタジエン共重合体が1質量%となるように混合し、当該混合物を水と共に混練してスラリー化した。その後、負極集電体である銅箔集電体上に当該スラリーを塗布し、乾燥後圧延して負極を作製した。
4−フルオロエチレンカーボネート(FEC)と、トランス−4,5−ジフルオロ−4,5−ジメチル−1,3−ジオキソラン−2−オン(DFBC)と、2,2,2−トリフルオロエチルメチルカーボネート(FEMC)とを体積比で10:15:75となるように調整し、この溶媒にLiPF6を1.0mol/lとなるように加えて非水電解質を作製した。
作製した正極(30×40mm)及び負極(32×42mm)に、それぞれリード端子を取り付けた。次に、正極及び負極がセパレータを介して対向するように電極体を作製し、当該電極体を非水電解質と共にアルミニウムのラミネート外装体に封入した。こうして、設計容量が50mAhの電池A1を作製した。作製した電池A1を0.5It(25mA)で、電圧が4.6Vになるまで定電流充電を行った。次に、電圧4.6Vの定電圧で電流が0.05It(2.5mA)になるまで電池A1を充電した後、20分間放置した。その後、0.5It(25mA)で、電圧が2.5Vになるまで定電流放電を行った。この充放電試験を5サイクル行い、電池A1を安定化させた。
FEMCに代えて3,3,3−トリフルオロプロピオン酸メチル(FMP)を用いた以外は、実施例1と同様にして電池A2を作製した。
FMPの一部をエチルメチルカーボネート(EMC)に代えて、体積比をFEC:DFBC:FMP:EMC=10:15:45:30となるように調整した以外は、実施例1と同様にして電池A3を作製した。
体積比をFEC:DFBC:FMP=5:5:90となるように調整した以外は、実施例2と同様にして電池A4を作製した。
体積比をFEC:DFBC:FMP=25:15:60となるように調整した以外は、実施例2と同様にして電池A5を作製した。
<実施例6>
体積比をFEC:DFBC:FMP=15:25:60となるように調整した以外は、実施例2と同様にして電池A6を作製した。
非水電解質溶媒として、表1に示すものを用いた以外は、実施例1と同様にして電池X1〜X12を作製した。
実施例及び比較例の各電池について、0.5It(25mA)で、電圧が4.6Vになるまで定電流充電を行った後、電圧4.6Vの定電圧で電流が0.05It(2.5mA)になるまで充電した。その後、60℃の恒温槽内において、電池を10日間保存した。一部の電池はガスが多量に発生したため、保存期間を3日とした。次に、電池を室温になるまで冷却した後、発生したガスをガスクロマトグラフィーにより定量分析を行った。
また、電池を解体して、負極(32×42mm)を回収し、酸を加えて加熱した後、酸不溶分を濾別し、溶液中に含まれる遷移金属(Co、Ni、Mn)をICPにより定量分析した。得られたCo、Ni、Mn量を合算して、正極活物質の重量で除した値を正極活物質から溶出した金属量とした。
実施例及び比較例の各電池について、0.5It(25mA)で、電圧が4.6Vになるまで定電流充電を行った後、電圧4.6Vの定電圧で電流が0.05It(2.5mA)になるまで電池を充電した。その後、20分間放置し、5It(250mA)で電圧2.5Vになるまで定電流放電を行い、5Itにおける放電容量を測定した。
CH2F-EC:4−フルオロメチル−1,3−ジオキソラン−2−オン
4F-PC:4−フルオロ−4−メチル−1,3−ジオキソラン−2−オン
TMFEC:4−フルオロ−4,5,5−トリメチル−1,3−ジオキソラン−2−オン
Claims (5)
- 非水溶媒を含む非水電解質を備えた非水電解質二次電池であって、
前記非水溶媒は、フルオロエチレンカーボネートと、ジフルオロブチレンカーボネートと、フッ素化鎖状カーボネート及びフッ素化鎖状カルボン酸エステルの少なくとも一方とを含有し、これらの合計の含有量は前記非水溶媒の総体積に対して50体積%よりも多い、非水電解質二次電池。 - 請求項1に記載の非水電解質二次電池において、
前記非水溶媒の総体積に対して、前記フルオロエチレンカーボネートの含有量が2〜40体積%、前記ジフルオロブチレンカーボネートの含有量が2〜40体積%、前記フッ素化鎖状カーボネート及びフッ素化環状カルボン酸エステルの含有量が40〜95体積%であって、これらの合計が70体積%以上である、非水電解質二次電池。 - 請求項1又は2に記載の非水電解質二次電池において、
前記ジフルオロブチレンカーボネートは、4,5−ジフルオロ−4,5−ジメチル−1,3−ジオキソラン−2−オンである、非水電解質二次電池。 - 請求項1〜3のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池において、
前記フッ素化鎖状カーボネートは、2,2,2−トリフルオロエチルメチルカーボネートであり、前記フッ素化鎖状カルボン酸エステルは、3,3,3−トリフルオロプロピオン酸メチルである、非水電解質二次電池。 - 請求項1〜4のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池において、
充電終止電圧が4.4〜5.0Vである、非水電解質二次電池。
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