JP6398983B2 - 蓄電デバイス用非水電解液 - Google Patents

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Description

本発明は、負極活物質にチタン酸リチウムを含む蓄電デバイスにおいて、広い温度範囲での電気化学特性を向上できる非水電解液及びそれを用いた二次電池に関する。
近年、蓄電デバイス、特にリチウム二次電池は、携帯電話やノート型パソコン等の小型電子機器、電気自動車や電力貯蔵用として広く使用されている。これらの電子機器や自動車、電力貯蔵用用途においては、真夏の高温下や極寒の低温下等広い温度範囲で使用される可能性があるため、広い温度範囲でバランス良く電気化学特性を向上させることが求められている。
特に地球温暖化防止のため、ＣＯ２排出量を削減することが急務となっており、リチウム二次電池やキャパシタ等の蓄電デバイスからなる蓄電装置を搭載した環境対応車の中でも、ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）、プラグインハイブリッド電気自動車（ＰＨＥＶ）、バッテリー電気自動車（ＢＥＶ）の早期普及が求められている。自動車は移動距離が長いため、熱帯の非常に暑い地域から極寒の地域まで幅広い温度範囲の地域で使用される可能性がある。従って、特にこれらの車載用の蓄電デバイスは、高温から低温まで幅広い温度範囲で使用しても電気化学特性が低下しないことが要求されている。尚、本明細書において、リチウム二次電池という用語は、いわゆるリチウムイオン二次電池も含む概念として用いる。
リチウム二次電池は、主にリチウムを吸蔵及び放出可能な材料を含む正極及び負極、リチウム塩と非水溶媒からなる非水電解液から構成され、非水溶媒としては、エチレンカーボネート（ＥＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）等のカーボネートが使用されている。
また、負極としては、金属リチウム、リチウムを吸蔵及び放出可能な金属化合物（金属単体、酸化物、リチウムとの合金等）や炭素材料が知られており、特にリチウムを吸蔵及び放出することが可能なコークス、人造黒鉛、天然黒鉛等の炭素材料を用いたリチウム二次電池が広く実用化されている。
ただし、炭素材料は極低温の様な過酷な環境下で充放電を行うと負極上にデンドライトが生成し、内部短絡の原因になるなど電池の信頼性に問題があった。
そこで、酸化還元電位がリチウム基準で１．５Ｖであるチタン酸リチウムが、デンドライトを生成しない負極材料として提案されているが、チタン酸リチウムは炭素材料と比べて電子伝導性が極めて低いという課題がある。
この課題を解決するために、チタン酸リチウムの粒子形状を制御し、比表面積を増やすなどのチタン酸リチウムの内部抵抗を低減する種々の検討がなされている。しかしながら、単純に比表面積を増大するとチタン酸リチウムと電解液との副反応（具体的には、電解液の還元分解）が起こりやすくなる。その結果、還元分解により発生した分解物やガスが電池の望ましい電気化学的反応を阻害する。従って、チタン酸リチウムへのリチウムの吸蔵及び放出がスムーズにできなくなり、広い温度範囲での電気化学特性が低下しやすくなる。
一方、正極として、例えばＬｉＣｏＯ２、ＬｉＭｎ２Ｏ４、ＬｉＮｉＯ２、ＬｉＦｅＰＯ４等を用いたリチウム二次電池は、非水電解液中の非水溶媒が充電状態で正極材料と非水電解液との界面において、局部的に一部酸化分解することにより発生した分解物やガスが電池の望ましい電気化学的反応を阻害するため、やはり広い温度範囲で使用した場合における電気化学特性の低下を生じることが分かっている。
以上のように、負極上や正極上で非水電解液が分解するときの分解物やガスにより、リチウムイオンの移動が阻害されたり、電池が膨れたりすることで電池性能が低下していた。そのような状況にも関わらず、リチウム二次電池が搭載されている電子機器の多機能化はますます進み、電力消費量が増大する流れにある。そのため、リチウム二次電池の高容量化はますます進んでおり、電極の密度を高めたり、電池内の無駄な空間容積を減らす等、電池内の非水電解液の占める体積が小さくなっている。従って、少しの非水電解液の分解で、広い温度範囲で使用した場合における電気化学特性が低下しやすい状況にある。
特許文献１には、リチウム吸蔵・放出電位が１．０Ｖ（ｖｓ Ｌｉ／Ｌｉ＋）より貴な負極活物質を備える負極と、非水溶媒にイソシアナト基を有する有機化合物を添加した非水電解液を用いた非水電解液電池が提案されている。そして、Ｌｉ吸蔵・放出電位が高い材料を負極活物質に用いた非水電解液電池におけるガス発生反応が抑制されることが記載されている。
特開２００９−０５４３１９号公報
本発明は、負極活物質にチタン酸リチウムを含む蓄電デバイスにおいて、広い温度範囲で電気化学特性を向上できる蓄電デバイスを提供することを目的とする。
本発明者らは、上記従来技術の非水電解液の性能について詳細に検討した。
その結果、前記特許文献１の非水電解質二次電池では、高温保存後の低温放電特性等の広い温度範囲での電気化学特性を向上させるという課題に対してはほとんど効果を発揮しないことが分かった。
そこで、本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究を重ね、ＢＥＴ法により測定した比表面積から計算される比表面積相当径ＤＢＥＴとＸ線回折測定結果からＳｃｈｅｒｒｅｒの式を用いて計算される結晶子径ＤＸとの比ＤＢＥＴ／ＤＸ（μｍ／μｍ）が３以下であるチタン酸リチウムを負極活物質として具備する二次電池において、非水電解液に特定のシュウ酸骨格を有する有機又は無機化合物を特定の添加量で含有し、更に特定のイソシアナト基を有する化合物を１種以上、かつ特定の添加量で含有することによって、広い温度範囲で蓄電デバイスの電気化学特性を改善できることを見出し、本発明を完成した。このような効果は、前記特許文献１にはまったく示唆されていない。
すなわち、本発明は、下記の（１）及び（２）を提供するものである。
（１）正極、ＢＥＴ法により測定した比表面積から計算される比表面積相当径ＤＢＥＴとＸ線回折測定結果からＳｃｈｅｒｒｅｒの式を用いて計算される結晶子径ＤＸとの比ＤＢＥＴ／ＤＸ（μｍ／μｍ）が３以下、Ｄ Ｘ が８０ｎｍ超５００ｎｍ以下、体積中位粒子径（Ｄ５０）が０．０１〜２０μｍ、窒素吸着法によるＢＥＴ比表面積が３ｍ ２ ／ｇ以上１００ｍ ２ ／ｇ以下であるチタン酸リチウムを負極活物質として含有する負極、及び非水溶媒に電解質塩が溶解されている非水電解液を備えた蓄電デバイスに用いられる非水電解液において、シュウ酸骨格を有する有機又は無機化合物を０．０１〜３質量％含有し、更に、下記一般式（Ｉ）で表される少なくとも１種のイソシアナト化合物を０．０１〜５質量％含有することを特徴とする蓄電デバイス用非水電解液。
Figure 0006398983
 （式中、−Ｘは、−Ｒ１−Ｎ＝Ｃ＝Ｏ又は−Ｒ１−Ｏ−Ｃ（＝Ｏ）−Ｒ２を表し、Ｒ１は、少なくとも一つの水素原子がハロゲン原子で置換されても良い炭素数１〜６の直鎖もしくは分枝のアルキレン基を示し、Ｒ２は、少なくとも一つの水素原子がハロゲン原子で置換されていてもよい炭素数１〜６のアルキル基、炭素数２〜６のアルケニル基、又は炭素数６〜１２のアリール基を示す。）
（２）正極、負極活物質としてＢＥＴ法により測定した比表面積から計算される比表面積相当径ＤＢＥＴとＸ線回折測定結果からＳｃｈｅｒｒｅｒの式を用いて計算される結晶子径ＤＸとの比ＤＢＥＴ／ＤＸ（μｍ／μｍ）が３以下、Ｄ Ｘ が８０ｎｍ超５００ｎｍ以下、体積中位粒子径（Ｄ５０）が０．０１〜２０μｍ、窒素吸着法によるＢＥＴ比表面積が３ｍ ２ ／ｇ以上１００ｍ ２ ／ｇ以下であるチタン酸リチウムを含有する負極及び非水溶媒に電解質塩が溶解されている非水電解液を備え蓄電デバイスにおいて、該非水電解液中にシュウ酸骨格を有する有機又は無機化合物を０．０１〜３質量％含有し、更に、前記一般式（Ｉ）で表される少なくとも１種のイソシアナト化合物を０．０１〜５質量％含有することを特徴とする蓄電デバイス。
本発明によれば、負極活物質にチタン酸リチウムを含む蓄電デバイスにおいて、広い温度範囲での電気化学特性、特に高温保存後の低温放電特性を向上できる非水電解液及びそれを用いた蓄電デバイスを提供することができる。
〔チタン酸リチウム〕
本発明に係る蓄電デバイスは、ＢＥＴ法により測定した比表面積から計算される比表面積相当径ＤＢＥＴとＸ線回折測定結果からＳｃｈｅｒｒｅｒの式を用いて計算される結晶子径ＤＸとの比ＤＢＥＴ／ＤＸ（μｍ／μｍ）が３以下であるチタン酸リチウムを負極活物質として具備することを特徴とする。
本発明に用いるチタン酸リチウムは、二次粒子の形成や一次粒子の凝集が抑制された単分散粒子であることを特徴とする。その為、前記チタン酸リチウムは個々の粒子におけるリチウムイオンの拡散距離を短くすることができ、電池の内部抵抗を低減することができる。更に、前記チタン酸リチウムは単分散粒子であることから、個々の粒子の表面全体に対して非水電解液を接触させることができる。その為、前記チタン酸リチウムは本発明の非水電解液に含まれる特定の化合物による保護効果を余すことなく収受することができる。
本発明に用いるチタン酸リチウムは、Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２で表されるものが好ましい。他に、アナターゼ型二酸化チタン、ルチル型二酸化チタン、及びＬｉ２ＴｉＯ３が存在してもよい。ただし、これらの相が存在すると、相対的にＬｉ４Ｔｉ５Ｏ１２の含有量が低下して、放電容量などの電気化学特性が低下するので、これらの相は少ないことが好ましい。
この観点から、Ｘ線回折法によって測定されるピークのうちＬｉ４Ｔｉ５Ｏ１２のメインピークに相当するピーク強度を１００とした時の他の相（アナターゼ型二酸化チタン、ルチル型二酸化チタン、及びＬｉ２ＴｉＯ３）のメインピーク強度は、３以下が好ましく、１以下がより好ましい。
ここで、ピーク強度とは、ベースラインからピークトップまでの高さのことをいう。
本発明に用いるチタン酸リチウムの体積中位粒子径（Ｄ５０）は、０．０１〜２０μｍの範囲内が好ましい。０．０１μｍ以上であれば電極を作成する際の粒子の凝集が抑制され、２０μｍ以下であれば表面積の増大によって内部抵抗を低減することができる。該体積中位粒子径（Ｄ５０）は、０．０５μｍ以上が好ましく、０．１μｍ以上がより好ましい。また、上限は、１０μｍ以下が好ましく、５μｍ以下がより好ましく、１μｍ以下が特に好ましい。
本発明に用いるチタン酸リチウムの窒素吸着法によるＢＥＴ比表面積は、内部抵抗を低減する観点から、３ｍ２／ｇ以上が好ましく、４ｍ２／ｇ以上がより好ましく、５ｍ２／ｇ以上が特に好ましい。また、電解液との副反応を抑制する観点から、１００ｍ２／ｇ以下が好ましく、５０ｍ２／ｇ以下がより好ましく、２０ｍ２／ｇ以下が特に好ましい。
本発明に用いるチタン酸リチウムは、ＢＥＴ法により測定した比表面積から計算される比表面積相当径ＤＢＥＴとＸ線回折測定結果からＳｃｈｅｒｒｅｒの式を用いて計算される結晶子径ＤＸとの比ＤＢＥＴ／ＤＸ（μｍ／μｍ）が３以下であることが好ましい。該比ＤＢＥＴ／ＤＸの値が大きいほど粒界部分の割合が大きいことを示し、粒子が凝集あるいは二次粒子を形成した状態であることを示唆する。比ＤＢＥＴ／ＤＸが３を超えると粒子の界面抵抗が増大するため、ＤＢＥＴ／ＤＸは３以下が好ましく、２以下がより好ましく、特に好ましくは１．５以下である。
ここで、比表面積相当径ＤＢＥＴは、ＢＥＴ法により測定した比表面積Ｓと立方晶の格子定数から計算される理論密度ρから、粉末粒子が全て一定の直径ＤＢＥＴを有する球状粒子であると仮定し、ＤＢＥＴ＝６／（ρＳ）により計算して求めた。また、結晶子径ＤＸはＸ線回折パターンのメインピークについて下記Ｓｃｈｅｒｒｅｒの式より求めた。
Figure 0006398983
 （但し、Ｋ＝０．９４、β：回折系に固有な広がりを補正したピークの半値幅、２θ：回折角）
本発明に用いるチタン酸リチウムのＤＸが、８０ｎｍより大きい場合、本発明に係る蓄電デバイスの高温充電保存後の低温特性がより良好となるので好ましく、更に好ましくは９０ｎｍ以上、特に好ましくは１００ｎｍ以上、最も好ましくは２００ｎｍ以上である。また、本発明のチタン酸リチウムのＤＸは、５００ｎｍ以下であることが好ましい。ＤＸが５００ｎｍより大きくなると、ＤＢＥＴが大きくなることがあり、本発明に係る蓄電デバイスの低温特性が低下することがある。
本発明に用いるチタン酸リチウムのｐＨは、好ましくは９〜１３の範囲である。９以上であると分散性が向上するため好ましく、１３以下であると電極スラリー作製においてゲル化が抑制されるので好ましい。ｐＨは、９．５以上が好ましく、１０以上がより好ましく、１０．５以上が特に好ましい。また、上限は、１２．５以下が好ましく、１２以下がより好ましい。
ここで、チタン酸リチウムのｐＨとは、チタン酸リチウム１０ｇを９０ｇの水に分散した時の上澄み液のｐＨを意味する。
ＢＥＴ法により測定した比表面積から計算される比表面積相当径ＤＢＥＴとＸ線回折測定結果からＳｃｈｅｒｒｅｒの式を用いて計算される結晶子径ＤＸとの比ＤＢＥＴ／ＤＸが３以下でありかつ、ｐＨが前記範囲であるチタン酸リチウムを用いると広い温度範囲で電気化学特性が向上するので好ましい。
〔非水電解液〕
本発明に係る蓄電デバイスは、非水溶媒に電解質塩が溶解されている非水電解液において、シュウ酸骨格を有する有機又は無機化合物を０．０１〜３質量％含有し、更に、前記一般式（Ｉ）で表される少なくとも１種のイソシアナト化合物を０．０１〜５質量％含有することを特徴とする。
本発明の非水電解液が、広い温度範囲で蓄電デバイスの電気化学特性を大幅に改善できる理由は必ずしも明らかではないが、以下のように考える。
本発明で組み合わせて使用されるシュウ酸骨格を有する有機又は無機化合物は、負極活物質であるチタン酸リチウムの酸化還元電位よりも貴な電位で還元分解し、還元分解による生成物によってチタン酸リチウム粒子の表面に被膜を形成する。ところが、この被膜は、高温下に充電状態で保存すると被膜の溶解、再形成によって被膜が成長するため、界面抵抗が大きく増大してしまう。これに対し、本発明の非水電解液は、一般式（Ｉ）で表される少なくとも１種のイソシアナト化合物と該シュウ酸骨格を有する化合物とを併せて使用することにより、該シュウ酸骨格を有する化合物と一般式（Ｉ）で表される特定のイソシアナト化合物とが相俟って、チタン酸リチウムの活性点に素早く複合被膜を形成する。そして、該複合被膜が高温保存中の被膜の成長を防ぎ、界面抵抗の増加を格段に抑制することが分かった。
本発明の非水電解液に含まれるシュウ酸骨格を有する有機又は無機化合物としては、以下のＡ１〜Ａ１２の構造を有する化合物が好適に挙げられる。なお、本発明において、シュウ酸骨格を有する無機化合物とは、シュウ酸骨格を含む有機部と、炭素以外の元素（たとえば、ホウ素や、リンなど）を中心とする無機部とからなる複合化合物を意味する。また、シュウ酸骨格を有する有機化合物とは、シュウ酸骨格を含む有機部のみからなり、炭素以外の元素を中心とする無機部を含まない化合物を意味する。
Figure 0006398983
これらの中でも、上記Ａ１、Ａ４、又はＡ７〜Ａ１２の構造を有する化合物が好ましく、Ａ１、Ａ４、Ａ９、又はＡ１１がより好ましく、ビス（２−プロピニル） オキサレート（化合物Ａ４）、又はジフルオロビス［オキサレート−Ｏ，Ｏ’］リン酸リチウム（化合物Ａ１１）が特に好ましい。
前記シュウ酸骨格を有する有機又は無機化合物の含有量は、非水電解液中に０．０１〜３質量％の範囲が好ましい。該含有量が３質量％以下であれば、電極上に過度に被膜が形成され低温特性が低下するおそれが少なく、また０．０１質量％以上であれば被膜の形成が十分であり、広い温度範囲で電気化学特性が向上する。該含有量は、非水電解液中に０．０５質量％以上が好ましく、０．１質量％以上がより好ましく、０．３質量％以上が更に好ましく、その上限は、２．５質量％以下が好ましく、２質量％以下がより好ましく、１．５質量％以下が更に好ましい。
本発明の非水電解液に含まれるイソシアナト化合物は、下記一般式（Ｉ）で表される。
Figure 0006398983
 (式中、−Ｘは、−Ｒ１−Ｎ＝Ｃ＝Ｏ、又は−Ｒ１−Ｏ−Ｃ（＝Ｏ）−Ｒ２を表し、Ｒ１は、少なくとも一つの水素原子がハロゲン原子で置換されても良い炭素数１〜６の直鎖もしくは分枝のアルキレン基を示し、Ｒ２は、少なくとも一つの水素原子がハロゲン原子で置換されていてもよい炭素数１〜６のアルキル基、炭素数２〜６のアルケニル基、又は炭素数６〜１２のアリール基を示す。)
なお、本願において、アルキレン基とはメチレン基も含む概念として用いる。
前記一般式（Ｉ）のＲ１は、少なくとも一つの水素原子がハロゲン原子で置換されても良い炭素数１〜６の直鎖もしくは分枝のアルキレン基を示し、直鎖のアルキレン基がより好ましい。
前記Ｒ１の具体例は、
メチレン基、エタン−１，２−ジイル基、エタン−１，１−ジイル基、プロパン−１，３−ジイル基、プロパン−１，２−ジイル基、プロパン−１，１−ジイル基、ブタン−１，４−ジイル基、ブタン−１，３−ジイル基、２−メチルプロパン−１，２−ジイル基、ペンタン−１，５−ジイル基、もしくはヘキサン−１，６−ジイル基等のアルキレン基、又はモノフルオロメチレン基、ジフルオロメチレン基、１，２−ジフルオロエタン−１，２−ジイル基、１，１−ジフルオロエタン−１，２−ジイル基、１，３−ジフルオロプロパン−１，３−ジイル基、もしくは２，２−ジフルオロプロパン−１，３−ジイル基等のハロゲン化アルキレン基が好適に挙げられる。
中でもメチレン基、エタン−１，２−ジイル基、エタン−１，１−ジイル基、プロパン−１，３−ジイル基、プロパン−１，２−ジイル基、プロパン−１，１−ジイル基、ブタン−１，４−ジイル基、ブタン−１，３−ジイル基、２−メチルプロパン−１，２−ジイル基、ペンタン−１，５−ジイル基、ヘキサン−１，６−ジイル基、モノフルオロメチレン基、又はジフルオロメチレン基が好ましく、エタン−１，２−ジイル基、プロパン−１，３−ジイル基、プロパン−１，２−ジイル基、ブタン−１，４−ジイル基、ペンタン−１，５−ジイル基、又はヘキサン−１，６−ジイル基が更に好ましい。
前記一般式（Ｉ）のＲ２は、ハロゲンで置換されてもよい炭素数１〜６のアルキル基、炭素数２〜６のアルケニル基、又は炭素数６〜１２のアリール基を示し、炭素数１〜４のアルキル基、炭素数２〜４のアルケニル基、又は炭素数６〜１０のアリール基がより好ましく、炭素数１〜４のアルキル基又は炭素数２〜４のアルケニル基が更に好ましい。
前記Ｒ２の具体例としては、メチル基、エチル基、ｎ−プロピル基、ｎ−ブチル基、ｎ−ペンチル基、ｎ−ヘキシル基、ｉｓｏ−プロピル基、ｓｅｃ−ブチル基、もしくはｔｅｒｔ−ブチル基等のアルキル基、ビニル基、アリル基、１−プロペン−１−イル基、２−ブテン−１−イル基、３−ブテン−１−イル基、４−ペンテン−１−イル基、５−ヘキセン−１−イル基、１−プロペン−２−イル基、３−メチル−２−ブテン−１−イル基等のアルケニル基、又はフェニル基、２−メチルフェニル基、３−メチルフェニル基、４−メチルフェニル基、４−ｔｅｒｔ-ブチルフェニル基、２，４，６−トリメチルフェニル基、２−フルオロフェニル基、３−フルオロフェニル基、４−フルオロフェニル基、２，４−ジフルオロフェニル基、２，６−ジフルオロフェニル基、３，４−ジフルオロフェニル基、２，４，６−トリフルオロフェニル基、ペンタフルオロフェニル基、もしくは４−トリフルオロメチルフェニル基等のアリール基が好適に挙げられる。中でも、メチル基、エチル基、ビニル基、１−プロペン−２−イル基、又はフェニル基が好ましく、メチル基、ビニル基、又は１−プロペン−２−イル基が更に好ましい。
前記一般式（Ｉ）で表される特定のイソシアナト化合物としては、以下のＢ１〜Ｂ４２の構造を有する化合物等が好適に挙げられる。
Figure 0006398983
中でも、上記Ｂ１〜Ｂ５、Ｂ１３、Ｂ１４、Ｂ１６〜Ｂ１８、Ｂ２２〜Ｂ２４、又はＢ３９〜Ｂ４２の構造を有する化合物が好ましく、Ｂ２、Ｂ４、Ｂ５、Ｂ１６、又はＢ１７がより好ましく、１，６−ジイソシアナトヘキサン（化合物Ｂ４）、２−イソシアナトエチル アクリレート（化合物Ｂ１６）、又は２−イソシアナトエチル メタクリレート（化合物Ｂ１７）が特に好ましい。
本発明の非水電解液において、非水電解液に含有される前記一般式（Ｉ）で表されるイソシアナト化合物の含有量は、非水電解液中に０．０１〜５質量％の範囲が好ましい。該含有量が５質量％以下であれば、電極上に過度に被膜が形成され低温特性が低下するおそれが少なく、また０．０１質量％以上であれば被膜の形成が十分であり、高温保存特性の改善効果が高まる。該含有量は、非水電解液中に０．０５質量％以上が好ましく、０．１質量％以上がより好ましい。また、その上限は、４質量％以下が好ましく、３質量％以下がより好ましく、２質量％以下が特に好ましい。
また、前記シュウ酸骨格を有する有機又は無機化合物と前記一般式（Ｉ）で表される特定のイソシアナト化合物を併用する際における、非水電解液中に含有される前記シュウ酸骨格を有する有機又は無機化合物の含有量と前記一般式（Ｉ）で表されるイソシアナト化合物の含有量の比（質量比）が、シュウ酸骨格を有する有機又は無機化合物：イソシアナト化合物＝１：９９〜４９：５１である場合に、広い温度範囲での電気化学特性が一段と向上するので好ましく、５：９５〜４５：５５である場合がより好ましく、１５：８５〜４５：５５である場合が更に好ましく、１５：８５〜４５：６０である場合が特に好ましい。
本発明の非水電解液において、以下に述べる非水溶媒、電解質塩、更にその他の添加剤を組み合わせることにより、広い温度範囲で電気化学特性が相乗的に向上するという特異な効果を発現する。
〔非水溶媒〕
本発明の非水電解液に使用される非水溶媒としては、環状カーボネート、鎖状エステル、ラクトン、エーテル、及びアミドから選ばれる一種又は二種以上が挙げられる。広い温度範囲で電気化学特性が相乗的に向上するため、鎖状エステルが含まれることが好ましく、鎖状カーボネートが含まれることが更に好ましく、環状カーボネートと鎖状カーボネートの両方が含まれることがもっとも好ましい。
なお、「鎖状エステル」なる用語は、鎖状カーボネート及び鎖状カルボン酸エステルを含む概念として用いる。
前記環状カーボネートとしては、エチレンカーボネート（ＥＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、１，２−ブチレンカーボネート、２，３−ブチレンカーボネート、４−フルオロ−１，３−ジオキソラン−２−オン（ＦＥＣ）、トランス又はシス−４，５−ジフルオロ−１，３−ジオキソラン−２−オン（以下、両者を総称して「ＤＦＥＣ」という）、ビニレンカーボネート（ＶＣ）、ビニルエチレンカーボネート（ＶＥＣ）、及び４−エチニル−１，３−ジオキソラン−２−オン（ＥＥＣ）から選ばれる一種又は二種以上が挙げられ、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、４−フルオロ−１，３−ジオキソラン−２−オン、ビニレンカーボネート及び４−エチニル−１，３−ジオキソラン−２−オン（ＥＥＣ）から選ばれる一種又は二種以上がより好適である。
これらの中でも、エチレンカーボネート及びプロピレンカーボネートのうち少なくとも１種を使用すると広い温度範囲での電気化学特性が一段と向上するので好ましく、プロピレンカーボネートを含むことがより好ましい。
非水溶媒がエチレンカーボネート及び／又はプロピレンカーボネートを含むと電極上に形成される被膜の抵抗が小さくなるので好ましく、エチレンカーボネート及び／又はプロピレンカーボネートの含有量は、非水溶媒の総体積に対し、好ましくは３体積％以上、より好ましくは５体積％以上、更に好ましくは７体積％以上であり、また、その上限としては、好ましくは４５体積％以下、より好ましくは３５体積％以下、更に好ましくは２５体積％以下である。
エチレンカーボネートとプロピレンカーボネートを併用する場合は、エチレンカーボネートの含有量とプロピレンカーボネートの含有量の比（体積比）が、エチレンカーボネート：プロピレンカーボネート＝１：９９〜４９：５１である場合に、広い温度範囲での電気化学特性が一段と向上するので好ましく、５：９５〜４５：６５である場合がより好ましく、１０：９０〜４０：６０である場合が特に好ましい。
鎖状エステルとしては、メチルエチルカーボネート（ＭＥＣ）、メチルプロピルカーボネート、メチルイソプロピルカーボネート、メチルブチルカーボネート、及びエチルプロピルカーボネートから選ばれる一種又は二種以上の非対称鎖状カーボネート、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、ジプロピルカーボネート及びジブチルカーボネートから選ばれる一種又は二種以上の対称鎖状カーボネート、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、酢酸メチル、及び酢酸エチルから選ばれる一種又は二種以上の鎖状カルボン酸エステルが好適に挙げられる。
前記鎖状エステルの中でも、ジエチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、エチルプロピルカーボネート、プロピオン酸エチル及び酢酸エチルから選ばれるエチル基を有する鎖状エステルが好ましく、特にエチル基を有する鎖状カーボネートが好ましい。
また、鎖状カーボネートを用いる場合には、二種以上を用いることが好ましい。さらに対称鎖状カーボネートと非対称鎖状カーボネートの両方が含まれるとより好ましく、対称鎖状カーボネートの含有量が非対称鎖状カーボネートより多く含まれると更に好ましい。
前記鎖状エステルの含有量は、特に制限されないが、非水溶媒の総体積に対して、６０〜９０体積％の範囲で用いるのが好ましい。該含有量が６０体積％以上であれば非水電解液の粘度が高くなりすぎず、９０体積％以下であれば非水電解液の電気伝導度が低下して広い温度範囲での電気化学特性が低下するおそれが少ないので上記範囲であることが好ましい。
鎖状カーボネート中に対称鎖状カーボネートが占める体積の割合は、５１体積％以上が好ましく、５５体積％以上がより好ましい。その上限としては、９５体積％以下がより好ましく、８５体積％以下であると更に好ましい。対称鎖状カーボネートにジエチルカーボネートが含まれると特に好ましい。また、非対称鎖状カーボネートはエチル基を有するとより好ましく、メチルエチルカーボネートが特に好ましい。
上記の場合に一段と広い温度範囲での電気化学特性が向上するので好ましい。
環状カーボネートと鎖状エステルの割合は、広い温度範囲での電気化学特性向上の観点から、環状カーボネート：鎖状エステル(体積比)が１０：９０〜４５：５５が好ましく、１５：８５〜４０：６０がより好ましく、２０：８０〜３５：６５が特に好ましい。
その他の非水溶媒としては、テトラヒドロフラン、２−メチルテトラヒドロフラン、もしくは１，４−ジオキサン等の環状エーテル、１，２−ジメトキシエタン、１，２−ジエトキシエタン、もしくは１，２−ジブトキシエタン等の鎖状エーテル、ジメチルホルムアミド等のアミド、スルホラン等のスルホン、及びγ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン、もしくはα−アンゲリカラクトン等のラクトンから選ばれる一種又は二種以上が好適に挙げられる。
上記の非水溶媒は通常、適切な物性を達成するために、混合して使用される。その組合せは、例えば、環状カーボネートと鎖状カーボネートとの組合せ、環状カーボネートと鎖状カルボン酸エステルとの組合せ、環状カーボネートとラクトンとの組合せ、環状カーボネートと鎖状カーボネートとラクトンとの組合せ、又は環状カーボネートと鎖状カーボネートと鎖状カルボン酸エステルとの組み合わせ等が好適に挙げられる。
〔電解質塩〕
リチウム塩としては、ＬｉＰＦ６、ＬｉＰＯ２Ｆ２、Ｌｉ２ＰＯ３Ｆ、ＬｉＢＦ４及びＬｉＣｌＯ４等の無機リチウム塩、ＬｉＮ（ＳＯ２ＣＦ３）２、ＬｉＮ（ＳＯ２Ｃ２Ｆ５）２、ＬｉＣＦ３ＳＯ３及びＬｉＣ（ＳＯ２ＣＦ３）３等の鎖状のフッ化アルキル基を含有するリチウム塩や、（ＣＦ２）２（ＳＯ２）２ＮＬｉ、（ＣＦ２）３（ＳＯ２）２ＮＬｉ等の環状のフッ化アルキレン鎖を有するリチウム塩をアニオンとするリチウム塩、フルオロ硫酸リチウム（ＦＳＯ３Ｌｉ）、リチウム トリフルオロ（（メタンスルホニル）オキシ）ボレート（ＬｉＴＦＭＳＢ）等のスルホン酸骨格を有するリチウム塩が好適に挙げられ、これらの一種又は二種以上を混合して使用することができる。
これらの中でも、ＬｉＰＦ６、ＬｉＰＯ２Ｆ２、Ｌｉ２ＰＯ３Ｆ、ＬｉＢＦ４、ＬｉＮ（ＳＯ２ＣＦ３）２、ＬｉＮ（ＳＯ２Ｃ２Ｆ５）２及びＬｉＴＦＭＳＢから選ばれる一種又は二種以上が好ましく、ＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＰＯ２Ｆ２、ＬｉＮ（ＳＯ２Ｆ）２、ＦＳＯ３Ｌｉ、及びＬｉＴＦＭＳＢから選ばれる一種又は二種以上が更に好ましく、ＬｉＰＦ６を用いることがもっとも好ましい。リチウム塩の濃度は、前記の非水溶媒に対して、通常０．３Ｍ以上が好ましく、０．７Ｍ以上がより好ましく、１．１Ｍ以上が更に好ましい。またその上限は、２．５Ｍ以下が好ましく、２．０Ｍ以下がより好ましく、１．６Ｍ以下が更に好ましい。
また、これらのリチウム塩の好適な組み合わせとしては、ＬｉＰＦ６を含み、更にＬｉＰＯ２Ｆ２、Ｌｉ２ＰＯ３Ｆ、ＬｉＢＦ４、ＬｉＮ（ＳＯ２ＣＦ３）２、ＬｉＮ（ＳＯ２Ｃ２Ｆ５）２、ＦＳＯ３Ｌｉ、及びＬｉＴＦＭＳＢから選ばれる一種又は二種以上を含むことが好ましい。ＬｉＰＦ６以外のリチウム塩が非水溶媒中に占める割合は、０．００１Ｍ以上であると、高温での電気化学特性の向上効果が発揮されやすく、０．００５Ｍ以下であると高温での電気化学特性の向上効果が低下する懸念が少ないので好ましい。好ましくは０．０１Ｍ以上、特に好ましくは０．０３Ｍ以上、最も好ましくは０．０４Ｍ以上である。その上限は、好ましくは０．４Ｍ以下、特に好ましくは０．２Ｍ以下である。
〔非水電解液の製造〕
本発明の非水電解液は、例えば、前記の非水溶媒を混合し、これに前記の電解質塩、該非水電解液に対してシュウ酸骨格を有する有機もしくは無機化合物、及び前記一般式（Ｉ）で表される少なくとも１種のイソシアナト化合物を添加することにより得ることができる。
この際、用いる非水溶媒及び非水電解液に加える化合物は、生産性を著しく低下させない範囲内で、予め精製して、不純物が極力少ないものを用いることが好ましい。
〔蓄電デバイス〕
本発明の非水電解液は、前記チタン酸リチウムを含む負極へのリチウムイオンのインターカレーション、脱インターカレーションを利用してエネルギーを貯蔵、放出する蓄電デバイスに使用することができる。このような蓄電デバイスとしては、例えば、ハイブリッドキャパシタやリチウム電池などが挙げられる。
〔ハイブリッドキャパシタ〕
本発明のハイブリッドキャパシタとしては、正極に、活性炭など電気二重層キャパシタの電極材料と同様の物理的な吸着によって容量が形成される活物質や、グラファイトなど物理的な吸着とインターカレーション、脱インターカレーションによって容量が形成される活物質や、導電性高分子などレドックスにより容量が形成される活物質を使用し、負極として、前記チタン酸リチウムを含む負極を使用するとともに、電解液として、上述した本発明の非水電解液を用いてなるデバイスである。
〔リチウム電池〕
リチウム電池は、リチウム一次電池及びリチウム二次電池の総称であり、また、本明細書において、リチウム二次電池という用語は、いわゆるリチウムイオン二次電池も含む概念として用いる。
本発明のリチウム電池は、正極、前記チタン酸リチウムを含む負極、及び上述した本発明の非水電解液を備えるものである。正極やセパレータ等の構成部材は特に制限なく使用できる。
例えば、リチウム二次電池用正極活物質としては、コバルト、マンガン及びニッケルから選ばれる一種又は二種以上を含有するリチウムとの複合金属酸化物が使用される。これらの正極活物質は、一種単独で又は二種以上を組み合わせて用いることができる。
このようなリチウム複合金属酸化物としては、例えば、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＭｎ２Ｏ４、ＬｉＮｉＯ２、ＬｉＣｏ１−ｘＮｉｘＯ２（０．０１＜ｘ＜１）、ＬｉＣｏ１／３Ｎｉ１／３Ｍｎ１／３Ｏ２、ＬｉＮｉ１／２Ｍｎ３／２Ｏ４、及びＬｉＣｏ０．９８Ｍｇ０．０２Ｏ２から選ばれる一種又は二種以上が挙げられる。また、ＬｉＣｏＯ２とＬｉＭｎ２Ｏ４、ＬｉＣｏＯ２とＬｉＮｉＯ２、ＬｉＭｎ２Ｏ４とＬｉＮｉＯ２のように併用してもよい。
また、過充電時の安全性やサイクル特性を向上したり、Ｌｉ基準で４．３Ｖ以上の充電電位での使用を可能にするために、リチウム複合金属酸化物の一部は他元素で置換してもよい。例えば、コバルト、マンガン、ニッケルの一部をＳｎ、Ｍｇ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｚｒ、Ｃｒ、Ｖ、Ｇａ、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｂｉ、Ｍｏ、Ｌａ等の少なくとも一種以上の元素で置換したり、Ｏの一部をＳやＦで置換したり、又はこれらの他元素を含有する化合物を被覆することもできる。
これらの中では、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＭｎ２Ｏ４、ＬｉＮｉＯ２のような満充電状態における正極の充電電位がＬｉ基準で４．３Ｖ以上で使用可能なリチウム複合金属酸化物が好ましく、ＬｉＣｏ１−ｘＭｘＯ２（但し、ＭはＳｎ、Ｍｇ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｚｒ、Ｃｒ、Ｖ、Ｇａ、Ｚｎ、及びＣｕから選ばれる一種又は二種以上の元素、０．００１≦ｘ≦０．０５）、ＬｉＣｏ１／３Ｎｉ１／３Ｍｎ１／３Ｏ２、ＬｉＮｉ１／２Ｍｎ３／２Ｏ４、Ｌｉ２ＭｎＯ３とＬｉＭＯ２（Ｍは、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｆｅ等の遷移金属）との固溶体のようなＬｉ基準で４．４Ｖ以上で使用可能なリチウム複合金属酸化物がより好ましい。高充電電圧で動作するリチウム複合金属酸化物を使用すると、充電時における電解液との反応により特に広い温度範囲で使用した場合における電気化学特性が低下しやすいが、本発明に係るリチウム二次電池ではこれらの電気化学特性の低下を抑制することができる。
特にＭｎを含む正極の場合に正極からのＭｎイオンの溶出に伴い電池の抵抗が増加しやすい傾向にあるため、広い温度範囲で使用した場合における電気化学特性が低下しやすい傾向にあるが、本発明に係るリチウム二次電池ではこれらの電気化学特性の低下を抑制することができるので好ましい。
更に、正極活物質として、リチウム含有オリビン型リン酸塩を用いることもできる。特に鉄、コバルト、ニッケル、及びマンガンから選ばれる一種又は二種以上を含むリチウム含有オリビン型リン酸塩が好ましい。その具体例としては、ＬｉＦｅＰＯ４、ＬｉＣｏＰＯ４、ＬｉＮｉＰＯ４、及びＬｉＭｎＰＯ４から選ばれる一種又は二種以上が挙げられる。
これらのリチウム含有オリビン型リン酸塩の一部は他元素で置換してもよく、鉄、コバルト、ニッケル、マンガンの一部をＣｏ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｂ、Ｔｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｍｏ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｗ、及びＺｒ等から選ばれる一種又は二種以上の元素で置換したり、又はこれらの他元素を含有する化合物や炭素材料で被覆することもできる。これらの中では、ＬｉＦｅＰＯ４又はＬｉＭｎＰＯ４が好ましい。
また、リチウム含有オリビン型リン酸塩は、例えば前記の正極活物質と混合して用いることもできる。
上記の正極活物質１０ｇを蒸留水１００ｍｌに分散させた時の上澄み液のｐＨとしては１０.０〜１２．５である場合、一段と広い温度範囲での電気化学特性の改善効果が得られやすいので好ましく、更に１０．５〜１２．０である場合が好ましい。
また、正極中に元素としてＮｉが含まれる場合、正極活物質中のＬｉＯＨ等の不純物が増える傾向があるため、一段と広い温度範囲での電気化学特性の改善効果が得られやすいので好ましく、正極活物質中のＮｉの原子濃度が５〜２５ａｔｏｍｉｃ％である場合が更に好ましく、８〜２１ａｔｏｍｉｃ％である場合が特に好ましい。
正極の導電剤は、化学変化を起こさない電子伝導材料であれば特に制限はない。例えば、天然黒鉛（鱗片状黒鉛等）、人造黒鉛等のグラファイト、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、及びサーマルブラックから選ばれる一種又は二種以上のカーボンブラック等が挙げられる。また、グラファイトとカーボンブラックを適宜混合して用いてもよい。導電剤の正極合剤への添加量は、１〜１０質量％が好ましく、特に２〜５質量％が好ましい。
正極は、前記の正極活物質をアセチレンブラック、カーボンブラック等の導電剤、及びポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、スチレンとブタジエンの共重合体（ＳＢＲ）、アクリロニトリルとブタジエンの共重合体（ＮＢＲ）、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、エチレンプロピレンジエンターポリマー等の結着剤と混合し、これに１−メチル−２−ピロリドン等の高沸点溶剤を加えて混練して正極合剤とした後、この正極合剤を集電体のアルミニウム箔やステンレス製のラス板等に塗布して、乾燥、加圧成型した後、５０℃〜２５０℃程度の温度で２時間程度真空下で加熱処理することにより作製することができる。
正極の集電体を除く部分の密度は、通常は１．５ｇ／ｃｍ３以上であり、電池の容量をさらに高めるため、好ましくは２ｇ／ｃｍ３以上であり、より好ましくは、３ｇ／ｃｍ３以上であり、更に好ましくは、３．６ｇ／ｃｍ３以上である。なお、その上限としては、４ｇ／ｃｍ３以下が好ましい。
本発明のリチウム二次電池用負極活物質は、前記のチタン酸リチウムを含むものである。活物質としては、チタン酸リチウム以外の活物質を１種または２種以上含んでいてもよい。他の活物質としては、リチウムを吸蔵及び放出することが可能な炭素材料〔易黒鉛化炭素や、（００２）面の面間隔が０．３７ｎｍ以上の難黒鉛化炭素や、（００２）面の面間隔が０．３４ｎｍ以下の黒鉛等〕、スズ（単体）、スズ化合物、ケイ素（単体）、ケイ素化合物を一種単独で、又は二種以上を組み合わせて用いることができる。
負極の導電剤は、化学変化を起こさない電子伝導材料であれば特に制限はない。例えば、天然黒鉛（鱗片状黒鉛等）、人造黒鉛等のグラファイト、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、及びサーマルブラック等のカーボンブラック類、カーボンファイバーや金属ファイバー等の導電性ファイバー類、金属粉末類、導電性金属酸化物類が挙げられる。これらの導電剤は単独で用いても良いし、２種類以上混合して用いても良い。これらの導電剤の好適な組み合わせとしては、アセチレンブラックを含み、更に天然黒鉛（鱗片状黒鉛等）、人造黒鉛等のグラファイト、カーボンファイバーから選ばれる一種以上が好ましい。特にアセチレンブラックとカーボンファイバーの組み合わせが好ましく、カーボンファイバーとしては単層あるいは多層のグラファイト層を持つ微細なカーボンファイバーであることがより好ましい。導電剤の負極合剤への添加量は、１〜１０質量％が好ましく、特に２〜５質量％が好ましい。
負極は、上記の導電剤、上記正極の作製と同様な結着剤及び高沸点溶剤を用いて混練して負極合剤とした後、この負極合剤を集電体のアルミニウム箔等に塗布して、乾燥、加圧成型した後、５０℃〜２５０℃程度の温度で、２時間程度真空下で加熱処理することにより作製することができる。
負極の集電体を除く部分の密度は、通常は１．５ｇ／ｃｍ３以上であり、電池の容量をさらに高めるため、好ましくは１．８ｇ／ｃｍ３以上であり、より好ましくは２ｇ／ｃｍ３以上である。なお、その上限としては、３ｇ／ｃｍ３以下が好ましい。
リチウム電池の構造には特に限定はなく、単層又は複層のセパレータを有するコイン型電池、円筒型電池、角型電池、ラミネート電池等を適用できる。
電池用セパレータとしては、特に制限はないが、ポリプロピレン又はポリエチレン等のポリオレフィンの単層又は積層の微多孔性フィルム、織布、不織布または、紙（セルロース）等を使用できる。
本発明におけるリチウム二次電池は、充電終止電圧が２．７Ｖ以上、特に２．８Ｖ以上の場合にも広い温度範囲での電気化学特性に優れ、更に、２．９Ｖ以上においても特性は良好である。放電終止電圧は、通常１．６Ｖ以上、更には１．５Ｖ以上とすることが出来る。電流値については特に限定されないが、通常０．１〜３０Ｃの範囲で使用される。また、本発明におけるリチウム電池は、−４０〜１００℃、好ましくは−２０〜８０℃で充放電することができる。
本発明においては、リチウム電池の内圧上昇の対策として、電池蓋に安全弁を設けたり、電池缶やガスケット等の部材に切り込みを入れる方法も採用することができる。また、過充電防止の安全対策として、電池の内圧を感知して電流を遮断する電流遮断機構を電池蓋に設けることができる。
以下、本発明に係る蓄電デバイスの一例としてのリチウム二次電池の実施例を示すが、本発明は、これらの実施例に限定されるものではない。
〔各種測定方法〕
（１）体積中位粒径（Ｄ５０）
測定装置としてレーザ回折・散乱型粒度分布測定機（日機装株式会社、マイクロトラックＭＴ３３００ＥＸＩＩ）を用いた。５０ｍｌのイオン交換水に、約５０ｍｇの試料を入れ、更に界面活性剤である０．２％ヘキサメタリン酸ナトリウム水溶液をスポイトで３滴入れ、これを超音波分散機で処理した。得られた溶液を測定セルに入れ、蒸留水を加え、装置の透過率が適性範囲になったところで体積中位粒径（Ｄ５０）を測定した。
（２）ＢＥＴ比表面積および比表面積相当径ＤＢＥＴ
株式会社マウンテック製、全自動比表面積測定装置、商品名「Ｍａｃｓｏｒｂ ＨＭ ｍｏｄｅｌ−１２０８」を使用し、液体窒素を用いて一点法でＢＥＴ比表面積を測定した。比表面積相当径ＤＢＥＴは、ＢＥＴ法により測定した比表面積Ｓと立方晶の格子定数から計算される理論密度ρから、粉末粒子が全て一定の直径ＤＢＥＴを有する球状粒子であると仮定し、ＤＢＥＴ＝６／（ρＳ）により計算して求めた。
（３）ＸＲＤおよび結晶子径ＤＸ
ＣｕＫα線を用いたＸ線回折法により、チタン酸リチウムのメインピーク（２θ：１８．１〜１８．５°の範囲内で最大の強度を示すピーク）を測定した。結晶子径ＤＸはＸ線回折パターンのメインピークについて下記Ｓｃｈｅｒｒｅｒの式より求めた。
Figure 0006398983
 （但し、Ｋ＝０．９４、β：回折系に固有な広がりを補正したピークの半値幅、２θ：回折角）
（４）ｐＨ
チタン酸リチウム粒子１０ｇを９０ｇの水に分散した時の上澄み液のｐＨを室温下、ｐＨメータを用いて測定した。
実施例１〜１６、比較例１〜４
〔リチウムイオン二次電池の作製〕
実施例（ＬＴＯ−Ａ、ＬＴＯ−Ｂ、ＬＴＯ−Ｃ）および比較例（ＬＴＯ−Ｄ）に用いたチタン酸リチウム（Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２）について、Ｄ５０（μｍ）、ＢＥＴ比表面積（ｍ２／ｇ）、ＸＲＤ及びｐＨを測定した。また、比表面積相当径ＤＢＥＴ及び結晶子径ＤＸを前述の計算によって求め、ＤＢＥＴ／ＤＸを算出した。その結果を表１に示す。
なお、実施例（ＬＴＯ−Ａ、ＬＴＯ−Ｂ、ＬＴＯ−Ｃ）および比較例（ＬＴＯ−Ｄ）に用いたチタン酸リチウム（Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２）は、次の方法により製造した。すなわち、原料として、Ｌｉ２ＣＯ３とアナターゼ型ＴｉＯ２とを用い、イオン交換水を加え撹拌することで、混合スラリーを作製した。そして、この混合スラリーについて、粉砕・混合を行い、粉砕・混合後の混合スラリーについて、ロータリーキルン式焼成炉を用いて焼成を行うことにより、製造した。なお、本実施例では、混合スラリーについて、粉砕・混合を行う際の条件を変更することで、粉砕・混合後の混合スラリー中に含まれる粉末の平均粒子径および粒度分布を調整することにより、表１に示す各特性を有する、実施例（ＬＴＯ−Ａ、ＬＴＯ−Ｂ、ＬＴＯ−Ｃ）および比較例（ＬＴＯ−Ｄ）に係るチタン酸リチウム（Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２）を得た。
Figure 0006398983
チタン酸リチウム（ＬＴＯ−Ａ、負極活物質）；９４質量％、アセチレンブラック（導電剤）；２質量％、カーボンファイバー（導電剤）；１質量％を混合し、予めポリフッ化ビニリデン（結着剤）；３質量％を１−メチル−２−ピロリドンに溶解させておいた溶液に加えて混合し、負極合剤ペーストを調製した。この負極合剤ペーストをアルミニウム箔（集電体）上の片面に塗布し、乾燥、加圧処理して所定の大きさに打ち抜き負極シートを作製した。負極の集電体を除く部分の密度は２．２ｇ／ｃｍ３であった。
また、ＬｉＮｉ１／３Ｃｏ１／３Ｍｎ１／３Ｏ２；９４質量％、アセチレンブラック（導電剤）；３質量％を混合し、予めポリフッ化ビニリデン（結着剤）；３質量％を１−メチル−２−ピロリドンに溶解させておいた溶液に加えて混合し、正極合剤ペーストを調製した。この正極合剤ペーストをアルミニウム箔（集電体）上の片面に塗布し、乾燥、加圧処理して所定の大きさに打ち抜き、正極シートを作製した。正極の集電体を除く部分の密度は３．６ｇ／ｃｍ３であった。そして、正極シート、ポリエチレン不織布製セパレータ、負極シートの順に積層し、表２に記載の組成の非水電解液を加えて、２０３２型コイン電池を作製した。次に実施例１で用いたチタン酸リチウム（ＬＴＯ−Ａ）に代えて、ＬＴＯ−Ｂ、ＬＴＯ−Ｃ、及びＬＴＯ−Ｄを用いて、実施例１と同様に負極シートを作製し、作製した負極シートを用いてコイン電池を作製し、電池評価を行った（実施例２，３、比較例１）。結果を同じく表２に示す。さらに、非水電解液を代えたことの他は、実施例１と同様にコイン電池を作製し、電池評価を行った（実施例４〜１８、比較例２〜４）。結果を表３に示す。
〔高温充電保存後の低温特性の評価〕
＜初期の放電容量＞
上記の方法で作製したコイン電池を用いて、２５℃の恒温槽中、１Ｃの定電流及び定電圧で、終止電圧２．８Ｖまで３時間充電し、−１０℃に恒温槽の温度を下げ、１Ｃの定電流下終止電圧１．５Ｖまで放電して、初期の−１０℃の放電容量を求めた。
＜高温充電保存試験＞
次に、このコイン電池を８５℃の恒温槽中、１Ｃの定電流及び定電圧で終止電圧２．８Ｖまで３時間充電し、２．８Ｖに保持した状態で３日間保存を行った。その後、２５℃の恒温槽に入れ、一旦１Ｃの定電流下終止電圧１．５Ｖまで放電した。
＜高温充電保存後の放電容量＞
更にその後、初期の放電容量の測定と同様にして、高温充電保存後の−１０℃の放電容量を求めた。
＜高温充電保存後の低温特性＞
高温充電保存後の低温特性を下記の−１０℃放電容量の維持率より求めた。
高温充電保存後の−１０℃放電容量維持率（％）＝（高温充電保存後の−１０℃の放電容量／初期の−１０℃の放電容量）×１００
Figure 0006398983
Figure 0006398983
上記実施例１〜３と比較例１の対比から、本発明の効果は、本発明の特定のチタン酸リチウムを負極活物質として含む蓄電デバイスの一例としてのリチウム二次電池において、非水電解液に前記の特定の化合物を含有させた場合に特有の効果であることが判明した。また、上記実施例４〜１８のリチウム二次電池は何れも、本願発明の非水電解液においてシュウ酸骨格を有する有機又は無機化合物や一般式（Ｉ）で表されるイソシアナト化合物を添加しなかった場合の比較例２、シュウ酸骨格を有する有機又は無機化合物のみを添加した比較例３、一般式（Ｉ）で表されるイソシアナト化合物のみを添加した比較例４と比べて、広い温度範囲での電気化学特性が顕著に向上している。
本発明の非水電解液を使用すれば、広い温度範囲における電気化学特性に優れたリチウム二次電池などの蓄電デバイスを得ることができる。特にハイブリッド電気自動車、プラグインハイブリッド電気自動車、バッテリー電気自動車等に搭載されるリチウム二次電池として使用すると、広い温度範囲で電気化学特性が低下しにくい。

Claims (10)

  1. 正極、ＢＥＴ法により測定した比表面積から計算される比表面積相当径ＤＢＥＴとＸ線回折測定結果からＳｃｈｅｒｒｅｒの式を用いて計算される結晶子径ＤＸとの比ＤＢＥＴ／ＤＸ（μｍ／μｍ）が３以下、Ｄ Ｘ が８０ｎｍ超５００ｎｍ以下、体積中位粒子径（Ｄ５０）が０．０１〜２０μｍ、窒素吸着法によるＢＥＴ比表面積が３ｍ ２ ／ｇ以上１００ｍ ２ ／ｇ以下であるチタン酸リチウムを負極活物質として含有する負極、及び非水溶媒に電解質塩が溶解されている非水電解液を備えた蓄電デバイスに用いられる非水電解液において、シュウ酸骨格を有する有機又は無機化合物を０．０１〜３質量％含有し、更に、下記一般式（Ｉ）で表される少なくとも１種のイソシアナト化合物を０．０１〜５質量％含有することを特徴とする蓄電デバイス用非水電解液。
    Figure 0006398983
     (式中、−Ｘは、−Ｒ１−Ｎ＝Ｃ＝Ｏ、又は−Ｒ１−Ｏ−Ｃ（＝Ｏ）−Ｒ２を表し、Ｒ１は、少なくとも一つの水素原子がハロゲン原子で置換されてもよい炭素数１〜６の直鎖もしくは分枝のアルキレン基を示し、Ｒ２は、少なくとも一つの水素原子がハロゲン原子で置換されていてもよい炭素数１〜６のアルキル基、炭素数２〜６のアルケニル基、又は炭素数６〜１２のアリール基を示す。)
  2. 前記シュウ酸骨格を有する有機又は無機化合物が、ビス（２−プロピニル） オキサレート、又はジフルオロビス［オキサレート−Ｏ，Ｏ’］リン酸リチウムである請求項１に記載の蓄電デバイス用非水電解液。
  3. 前記一般式（Ｉ）で表されるイソシアナト化合物が、１，６−ジイソシアナトヘキサン、２−イソシアナトエチル アクリレート、又は２−イソシアナトエチル メタクリレートである請求項１又は２に記載の蓄電デバイス用非水電解液。
  4. 前記非水溶媒が、環状カーボネートと鎖状エステルとを含有する請求項１〜３のいずれかに記載の蓄電デバイス用非水電解液。
  5. 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、１，２−ブチレンカーボネート、２，３−ブチレンカーボネート、４−フルオロ−１，３−ジオキソラン−２−オン、トランスもしくはシス−４，５−ジフルオロ−１，３−ジオキソラン−２−オン、ビニレンカーボネート、ビニルエチレンカーボネート、及び４−エチニル−１，３−ジオキソラン−２−オンのいずれか１種以上である請求項４に記載の蓄電デバイス用非水電解液。
  6. 前記鎖状エステルが、メチルエチルカーボネート、メチルプロピルカーボネート、メチルイソプロピルカーボネート、メチルブチルカーボネート、及びエチルプロピルカーボネートから選ばれる非対称鎖状カーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、ジプロピルカーボネート、及びジブチルカーボネートから選ばれる対称鎖状カーボネート、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、酢酸メチル、及び酢酸エチルから選ばれる鎖状カルボン酸エステルのいずれか１種以上である請求項４又は５に記載の蓄電デバイス用非水電解液。
  7. 前記電解質塩が、リチウム塩である請求項１〜６のいずれかに記載の蓄電デバイス用非水電解液。
  8. 前記電解質塩が、ＬｉＰＦ６、ＬｉＰＯ２Ｆ２、Ｌｉ２ＰＯ３Ｆ、ＬｉＢＦ４、ＬｉＮ（ＳＯ２ＣＦ３）２、ＬｉＮ（ＳＯ２Ｃ２Ｆ５）２、ＦＳＯ３Ｌｉ、及びリチウム トリフルオロ（（メタンスルホニル）オキシ）ボレートのいずれか１種以上である請求項１〜７のいずれかに記載の蓄電デバイス用非水電解液。
  9. 正極、ＢＥＴ法により測定した比表面積から計算される比表面積相当径ＤＢＥＴとＸ線回折測定結果からＳｃｈｅｒｒｅｒの式を用いて計算される結晶子径ＤＸとの比ＤＢＥＴ／ＤＸ（μｍ／μｍ）が３以下、Ｄ Ｘ が８０ｎｍ超５００ｎｍ以下、体積中位粒子径（Ｄ５０）が０．０１〜２０μｍ、窒素吸着法によるＢＥＴ比表面積が３ｍ ２ ／ｇ以上１００ｍ ２ ／ｇ以下であるチタン酸リチウムを負極活物質として含有する負極、及び非水溶媒に電解質塩が溶解されている非水電解液を備えた蓄電デバイスにおいて、該非水電解液中にシュウ酸骨格を有する有機又は無機化合物を０．０１〜３質量％含有し、更に、下記一般式（Ｉ）で表される少なくとも１種のイソシアナト化合物を０．０１〜５質量％含有することを特徴とする蓄電デバイス。
    Figure 0006398983
     (式中、−Ｘは、−Ｒ１−Ｎ＝Ｃ＝Ｏ、又は−Ｒ１−Ｏ−Ｃ（＝Ｏ）−Ｒ２を表し、Ｒ１は、少なくとも一つの水素原子がハロゲン原子で置換されてもよい炭素数１〜６の直鎖もしくは分枝のアルキレン基を示し、Ｒ２は、少なくとも一つの水素原子がハロゲン原子で置換されていてもよい炭素数１〜６のアルキル基、炭素数２〜６のアルケニル基、又は炭素数６〜１２のアリール基を示す。)
  10. 前記正極が、正極活物質として、リチウム複合金属酸化物およびリチウム含有オリビン型リン酸塩から選択される少なくとも１種を含む請求項９に記載の蓄電デバイス。
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