JP6428631B2 - 二次電池用非水電解液及びリチウムイオン二次電池 - Google Patents
二次電池用非水電解液及びリチウムイオン二次電池 Download PDFInfo
- Publication number
- JP6428631B2 JP6428631B2 JP2015539222A JP2015539222A JP6428631B2 JP 6428631 B2 JP6428631 B2 JP 6428631B2 JP 2015539222 A JP2015539222 A JP 2015539222A JP 2015539222 A JP2015539222 A JP 2015539222A JP 6428631 B2 JP6428631 B2 JP 6428631B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- compound
- mass
- fluorine
- aqueous electrolyte
- lithium
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
- H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
- H01M10/056—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes
- H01M10/0564—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes the electrolyte being constituted of organic materials only
- H01M10/0566—Liquid materials
- H01M10/0569—Liquid materials characterised by the solvents
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
- H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
- H01M10/052—Li-accumulators
- H01M10/0525—Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
- H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
- H01M10/056—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes
- H01M10/0564—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes the electrolyte being constituted of organic materials only
- H01M10/0566—Liquid materials
- H01M10/0567—Liquid materials characterised by the additives
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
- H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
- H01M10/056—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes
- H01M10/0564—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes the electrolyte being constituted of organic materials only
- H01M10/0566—Liquid materials
- H01M10/0568—Liquid materials characterised by the solutes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M2220/00—Batteries for particular applications
- H01M2220/20—Batteries in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M2220/00—Batteries for particular applications
- H01M2220/30—Batteries in portable systems, e.g. mobile phone, laptop
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M2300/00—Electrolytes
- H01M2300/0017—Non-aqueous electrolytes
- H01M2300/0025—Organic electrolyte
- H01M2300/0028—Organic electrolyte characterised by the solvent
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M2300/00—Electrolytes
- H01M2300/0017—Non-aqueous electrolytes
- H01M2300/0025—Organic electrolyte
- H01M2300/0028—Organic electrolyte characterised by the solvent
- H01M2300/0037—Mixture of solvents
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/10—Energy storage using batteries
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
- Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
- Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Secondary Cells (AREA)
Description
例えば、難燃性で、良好な電池特性(サイクル特性、放電容量)を有するものとして、含フッ素溶媒、非フッ素系環状カーボネート、非フッ素系環状エステル及びリチウム塩を含む非水電解液が知られている(特許文献1)。
しかし、本発明者等が検討したところ、特許文献1の非水電解液を用いたリチウムイオン二次電池では、高温状態で保存した際に、放電容量が低下しやすく、またガスが発生しやすく、高温保存特性が不充分であった。
しかし、特許文献1のような非水電解液において、モノフルオロリン酸塩及びジフルオロリン酸塩を含有させることは検討されておらず、難燃性と高温保存特性を兼ね備える非水電解液は得られていない。
[1]
電解質と液状組成物を含む非水電解液であって、
前記電解質のうちの少なくとも一部の電解質に由来するモノフルオロリン酸アニオン及びジフルオロリン酸アニオンのいずれか一方又は両方を含み、
前記電解質の少なくとも1種がリチウム塩であり、前記リチウム塩の前記非水電解液中の含有量が、0.7〜1.5mol/Lであって、
前記液状組成物が、含フッ素エーテル化合物、含フッ素鎖状カルボン酸エステル化合物、及び含フッ素鎖状カーボネート化合物からなる群から選ばれる少なくとも1種の含フッ素溶媒(α)と、γ−ブチロラクトンと、を含み、
前記非水電解液の総質量に対する、前記含フッ素溶媒(α)の質量の割合が、30〜80質量%であり、
前記含フッ素溶媒(α)が、下記式(1)で表される化合物からなる群から選ばれる少なくとも1種の含フッ素エーテル化合物を前記含フッ素溶媒(α)の総質量に対して25〜100質量%含み
前記リチウム塩由来のリチウム原子の総モル数(N Li )に対する、前記γ−ブチロラクトンの総モル数(N A )の比率であるN A /N Li が1.5〜7.0であることを特徴とする二次電池用非水電解液。
R 1 −O−R 2 ・・・(1)
(但し、式中、R 1 及びR 2 はそれぞれ独立に炭素数1〜10のアルキル基、炭素数3〜10のシクロアルキル基、炭素数1〜10のフッ素化アルキル基、炭素数3〜10のフッ素化シクロアルキル基、1個以上のエーテル性酸素原子を有する炭素数2〜10のアルキル基、又は、1個以上のエーテル性酸素原子を有する炭素数2〜10のフッ素化アルキル基であり、R 1 及びR 2 の一方又は両方は、炭素数1〜10のフッ素化アルキル基、炭素数3〜10のフッ素化シクロアルキル基、又は1個以上のエーテル性酸素原子を有する炭素数2〜10のフッ素化アルキル基である。)
[2]前記式(1)で表される化合物が、CF 3 CH 2 OCF 2 CHF 2 、CF 3 CH 2 OCF 2 CHFCF 3 、CHF 2 CF 2 CH 2 OCF 2 CHF 2 、CH 3 CH 2 CH 2 OCF 2 CHF 2 、CH 3 CH 2 OCF 2 CHF 2 、及びCHF 2 CF 2 CH 2 OCF 2 CHFCF 3 からなる群から選ばれる少なくとも1種を含む、請求項1に記載の二次電池用非水電解液。
[3]前記非水電解液の総質量に対する、モノフルオロリン酸アニオン及びジフルオロリン酸アニオンの合計質量の割合が0.001〜2質量%である、前記[1]又は[2]の二次電池用非水電解液。
[4]前記液状組成物が、飽和環状カーボネート化合物、フッ素原子を有しない飽和鎖状カーボネート化合物、飽和環状スルホン化合物(但し、リチウム塩を除く。)、及びリン酸エステル化合物からなる群から選ばれる少なくとも1種の化合物(β)を更に含む、前記[1]〜[3]の二次電池用非水電解液。
[5]前記非水電解液の総質量に対する、前記フッ素原子を有しない飽和鎖状カーボネート化合物の質量の割合が30質量%以下である、前記[4]の二次電池用非水電解液。
[6]前記非水電解液の総質量に対する、前記飽和環状カーボネート化合物の質量と前記フッ素原子を有しない飽和鎖状カーボネート化合物の質量との合計質量の割合が30質量%以下である、前記[4]又は[5]の二次電池用非水電解液。
らなる群から選ばれる1種以上である、前記[1]〜[8]のいずれかの二次電池用非水電解液。
[11]リチウムイオンを吸蔵及び放出できる材料を活物質とする正極と、リチウム金属、リチウム合金、ならびにリチウムイオンを吸蔵及び放出できる炭素材料からなる群から選ばれる1種以上を活物質とする負極と、前記[1]〜[10]のいずれかの二次電池用非水電解液と、を有するリチウムイオン二次電池。
また、本発明のリチウムイオン二次電池は、熱暴走を起こしにくく、高温保存特性に優れ、かつ安全性を有する。
以下の用語の定義は、本明細書及び特許請求の範囲にわたって適用される。
「非水電解液」とは、水を実質的に含まない電解液であり、仮に水を含んでいたとしてもその水分量が該非水電解液を用いた二次電池に性能劣化が見られない範囲の量である電解液を意味する。非水電解液中に含まれ得る水分量は、非水電解液の総質量に対して500質量ppm以下が好ましく、100質量ppm以下がより好ましく、50質量ppm以下が特に好ましい。水分量の下限値は、0質量ppmである。
リチウム塩、含フッ素溶媒(α)、環状カルボン酸エステル化合物及び化合物(β)以外の他の化合物(他の溶媒、添加剤等)は、「他の成分」と定義され、リチウム塩及び液状組成物とは区別される。
「含フッ素エーテル化合物」とは、エーテル結合を有し、フッ素原子を有する鎖状又は環状の化合物を意味する。
「含フッ素鎖状カルボン酸エステル化合物」とは、鎖状構造中にエステル結合を有し、エステル結合を含む環構造を有さず、フッ素原子を有する鎖状の化合物を意味する。
「含フッ素鎖状カーボネート化合物」とは、鎖状構造中に−O−C(=O)−O−で表されるカーボネート結合を有し、カーボネート結合を含む環構造を有さず、フッ素原子を有する鎖状の化合物を意味する。
「含フッ素アルカン化合物」とは、アルカンの水素原子の1個以上がフッ素原子に置換され、水素原子が残っている化合物を意味する。
「環状カルボン酸エステル化合物」とは、環骨格の一部としてエステル結合を有する環状の化合物を意味する。
「飽和環状カーボネート化合物」とは、環骨格が炭素原子と酸素原子とからなり、環骨格の一部として−O−C(=O)−O−で表されるカーボネート結合を有し、炭素−炭素不飽和結合を有さない環状の化合物を意味する。
「フッ素原子を有しない飽和鎖状カーボネート化合物」とは、鎖状構造中に−O−C(=O)−O−で表されるカーボネート結合を有し、カーボネート結合を含む環構造を有さず、フッ素原子及び炭素−炭素不飽和結合を有さない鎖状の化合物を意味する。
「フッ素化」及び「含フッ素」とは、炭素原子に結合した水素原子の一部又は全部がフッ素原子に置換されることを意味する。
「フッ素化アルキル基」とは、アルキル基の水素原子の一部又は全部がフッ素原子に置換された基を意味する。一部がフッ素化された基の中には、水素原子及びフッ素原子が存在する。
「炭素−炭素不飽和結合」とは、炭素−炭素二重結合又は炭素−炭素三重結合を意味する。
本発明の二次電池用非水電解液(以下、単に非水電解液とも記す。)は、電解質と液状組成物とを含み、必要に応じて他の成分を含む。
非水電解液の25℃におけるイオン伝導度の下限値は、0.4S/mであることが好ましい。25℃におけるイオン伝導度が0.4S/m未満である非水電解液を用いた二次電池は、出力特性が悪く、実用性に乏しい。非水電解液の25℃におけるイオン伝導度が0.4S/m以上であれば、二次電池は出力特性が良好となる。
電解質の少なくとも1種は、リチウム塩である。
電解質としては、リチウム塩のみであってもよく、リチウム塩と、リチウム塩以外の電解質との併用であってもよい。リチウム塩以外の他の電解質としては、後述する他のモノフルオロリン酸塩及びジフルオロリン酸塩が挙げられる。
リチウム塩は、非水電解液中で解離してリチウムイオンを供給する。リチウム塩としては、モノフルオロリン酸リチウム(Li2PO3F)、ジフルオロリン酸リチウム(LiPO2F2)、LiPF6、下記化合物(A)(但し、kは1〜5の整数である。)、FSO2N(Li)SO2F、CF3SO2N(Li)SO2CF3、CF3CF2SO2N(Li)SO2CF2CF3、CF3CFHSO2N(Li)SO2CFHCF3、LiClO4、下記化合物(B)〜下記化合物(E)、LiBF4等が挙げられる。リチウム塩は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
LiPF6は、溶解能が高い溶媒に溶解させた場合には、高いイオン伝導度を発現できるが、CF3CF2SO2N(Li)SO2CF2CF3等の他のリチウム塩に比べて含フッ素溶媒に溶解しにくい。しかし、環状カルボン酸エステル化合物と併用することによって、LiPF6の含フッ素溶媒への溶解性が向上する。LiPF6が含フッ素溶媒に均一に溶解することによって、実用的に充分なイオン伝導度を有する非水電解液を得やすくなる。また、LiPF6は、熱分解しやすく電池の熱安定性を低下させやすいが、本発明の非水電解液が環状カルボン酸エステル化合物を含むことによって、LiPF6を用いたリチウムイオン二次電池でも熱暴走が起きにくくなる。
モノフルオロリン酸塩としては、含有するカチオンの電池特性へ与える影響の点から、Li2PO3Fが好ましい。
ジフルオロリン酸塩としては、含有するカチオンの電池特性へ与える影響の点から、LiPO2F2が好ましい。
本発明では、Li2PO3F及びLiPO2F2のいずれか一方又は両方を用いる場合、更にLiPF6を併用することが好ましい。
モノフルオロリン酸塩及びジフルオロリン酸塩として、Li2PO3F及びLiPO2F2以外の塩を用いる場合、本発明の非水電解液は、電解質として何らかのリチウム塩を含む。
他のモノフルオロリン酸塩としては、例えば、Na2PO3F、MgPO3F、CaPO3F、Al2(PO3F)3、Ga2(PO3F)3、K2PO3F等が挙げられる。なかでも、含有するカチオンの電池特性へ与える影響の点から、Na2PO3F、K2PO3Fが好ましい。
他のジフルオロリン酸塩としては、例えば、NaPO2F2、Mg(PO2F2)2、Ca(PO2F2)2、Al(PO2F2)3、Ga(PO2F2)3、KPO2F2等が挙げられる。なかでも、含有するカチオンの電池特性へ与える影響の点から、NaPO2F2、KPO2F2が好ましい。
本発明の非水電解液がモノフルオロリン酸アニオンを含む場合、モノフルオロリン酸アニオンは1種でもよく、2種以上でもよい。本発明の非水電解液がジフルオロリン酸アニオンを含む場合、ジフルオロリン酸アニオンは1種でもよく、2種以上でもよい。
液状組成物は、含フッ素溶媒(α)と、環状カルボン酸エステル化合物とを含み、必要に応じて化合物(β)を含んでもよい。即ち、本発明における液状組成物は、含フッ素溶媒(α)及び環状カルボン酸エステル化合物のみからなるか、又は、含フッ素溶媒(α)、環状カルボン酸エステル化合物及び化合物(β)からなるか、のいずれかである。
含フッ素溶媒(α)は、含フッ素エーテル化合物、含フッ素鎖状カルボン酸エステル化合物及び含フッ素鎖状カーボネート化合物からなる群から選ばれる少なくとも1種を含み、必要に応じて他の含フッ素溶媒(但し、含フッ素環状カーボネート化合物を除く。)を含んでもよい。含フッ素エーテル化合物、含フッ素鎖状カルボン酸エステル化合物及び含フッ素鎖状カーボネート化合物は、フッ素原子の導入による化学的安定性、他の化合物との相溶性等の点で類似の特性を有するものであり、同等の化合物として扱うことができる。
含フッ素溶媒(α)は、分子内にフッ素原子を有する溶媒であり、難燃性に優れる。含フッ素溶媒(α)は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。含フッ素溶媒(α)が2種以上の場合、その比率は任意に決めることができる。
含フッ素溶媒(α)は、リチウム塩の溶解性、難燃性、非水電解液のイオン伝導度が高くなる点から、含フッ素エーテル化合物を含むことが好ましい。含フッ素エーテル化合物としては、リチウム塩の溶解性、難燃性、非水電解液のイオン伝導度が高くなる点から、下記化合物(1)が好ましい。含フッ素エーテル化合物は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。化合物(1)を含む場合、化合物(1)は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。含フッ素エーテル化合物が2種以上の場合、その比率は任意に決めることができる。
但し、R1及びR2は、それぞれ独立に炭素数1〜10のアルキル基、炭素数3〜10のシクロアルキル基、炭素数1〜10のフッ素化アルキル基、炭素数3〜10のフッ素化シクロアルキル基、1個以上のエーテル性酸素原子を有する炭素数2〜10のアルキル基、又は、1個以上のエーテル性酸素原子を有する炭素数2〜10のフッ素化アルキル基であり、R1及びR2の一方又は両方は、炭素数1〜10のフッ素化アルキル基、炭素数3〜10のフッ素化シクロアルキル基、又は1個以上のエーテル性酸素原子を有する炭素数2〜10のフッ素化アルキル基である。
R1及びR2の一方又は両方は、炭素数1〜10のフッ素化アルキル基、炭素数3〜10のフッ素化シクロアルキル基、又は1個以上のエーテル性酸素原子を有する炭素数2〜10のフッ素化アルキル基である。R1及びR2の一方又は両方がこれらの基であると、リチウム塩の非水電解液への溶解性及び難燃性が更に向上する。R1及びR2は同じであってもよく、異なっていてもよい。
化合物(1)の分子量は、小さすぎると沸点が低すぎ、大きすぎると高粘度化する点から、150〜800が好ましく、150〜500がより好ましく、200〜500が特に好ましい。
化合物(1)がエーテル性酸素原子を有する場合、化合物(1)中のエーテル性酸素原子数は、1〜4が好ましく、1又は2がより好ましく、1が更に好ましい。化合物(1)中のエーテル性酸素原子数は、可燃性に影響する。
化合物(1)中のフッ素含有量は、50質量%以上が好ましく、60質量%以上がより好ましい。化合物(1)中のフッ素含有量が高いと、難燃性に優れる。フッ素含有量は、分子量に占めるフッ素原子の総質量の割合である。
含フッ素鎖状カルボン酸エステル化合物は、粘度や沸点等の点から、下記化合物(2)を含むことが好ましく、化合物(2)のみからなることがより好ましい。含フッ素鎖状カルボン酸エステル化合物は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。化合物(2)を含む場合、化合物(2)は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。含フッ素鎖状カルボン酸エステル化合物が2種以上の場合、その比率は任意に決めることができる。
R3及びR4の一方又は両方は、炭素数1〜3のフッ素化アルキル基である。R3及びR4の一方又は両方を炭素数1〜3のフッ素化アルキル基にすることによって、化合物(2)の耐酸化性及び難燃性が向上する。R3及びR4は同じであってもよく、異なっていてもよい。
R4としては、粘度や沸点、あるいは化合物の入手性の点から、メチル基、エチル基、トリフルオロメチル基、2−フルオロエチル基、2,2−ジフルオロエチル基又は2,2,2−トリフルオロエチル基が好ましく、メチル基、エチル基又は2,2,2−トリフルオロエチル基がより好ましく、メチル基又はエチル基が更に好ましい。
化合物(2)の分子量は、小さすぎると沸点が低すぎ、大きすぎると高粘度化する点から、100〜300が好ましく、100〜250がより好ましく、100〜200が特に好ましい。
化合物(2)中のフッ素含有量は、難燃性が向上する点から、25質量%以上が好ましく、30質量%以上がより好ましい。
含フッ素鎖状カーボネート化合物は、粘度や沸点等の点から、下記化合物(3)を含むことが好ましく、化合物(3)のみからなることがより好ましい。含フッ素鎖状カーボネート化合物は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。化合物(3)を含む場合、化合物(3)は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。含フッ素鎖状カーボネート化合物が2種以上の場合、その比率は任意に決めることができる。
R5及びR6の一方又は両方は、炭素数1〜3のフッ素化アルキル基である。R5及びR6の一方又は両方を炭素数1〜3のフッ素化アルキル基にすることによって、リチウム塩の溶解性及び難燃性が向上する。R5及びR6は同じであってもよく、異なっていてもよい。
化合物(3)の分子量は、小さすぎると沸点が低すぎ、大きすぎると高粘度化する点から、180〜400が好ましく、200〜350がより好ましく、210〜300が特に好ましい。
化合物(3)中のフッ素含有量は、難燃性が向上する点から、25質量%以上が好ましく、30質量%以上がより好ましい。
含フッ素溶媒(α)は、他の含フッ素溶媒として含フッ素アルカン化合物を含んでもよい。含フッ素アルカン化合物を含む場合、非水電解液の蒸気圧が抑制され、難燃性が更に向上する。
含フッ素アルカン化合物中のフッ素含有量は、50〜80質量%が好ましい。含フッ素アルカン化合物中のフッ素含有量が50質量%以上であれば、難燃性に優れる。含フッ素アルカン化合物中のフッ素含有量が80質量%以下であれば、リチウム塩の溶解性を保持しやすい。
液状組成物は、環状カルボン酸エステル化合物を含む。環状カルボン酸エステル化合物を含むことによって、含フッ素溶媒(α)にリチウム塩が均一に溶解される。また、環状カルボン酸エステル化合物を含むことによって、非水電解液と正極及び負極とが反応しにくくなり、二次電池における熱暴走が起きにくくなる。環状カルボン酸エステル化合物は、1種のみでもよく、2種以上であってもよい。
環状カルボン酸エステル化合物における環構造は、構造の安定性、及び粘度の点から、4〜10員環が好ましく、4〜7員環がより好ましい。入手容易な点から、5〜6員環が更に好ましく、5員環が特に好ましい。また、入手容易な点から、環状カルボン酸エステル化合物の総炭素数は4〜8が好ましく、4〜6がより好ましい。また、環状カルボン酸エステル化合物は、炭素原子、水素原子及び酸素原子のみからなることが好ましく、環構造中に含まれる、−C(=O)−O−結合で表わされるエステル結合以外の部分が炭素原子及び水素原子のみからなることがより好ましい。
環状カルボン酸エステル化合物は、アルキレン基の水素原子の1個以上を置換基で置換した化合物であってもよい。置換基としては、例えば、フッ素原子、塩素原子、アルキル基、フッ素化アルキル基等が挙げられる。アルキル基の炭素数は1又は2が好ましく、フッ素化アルキル基の炭素数は1又は2が好ましい。
液状組成物は、リチウム塩の溶解性、イオン伝導度に優れる点から、飽和環状カーボネート化合物、フッ素原子を有しない飽和鎖状カーボネート化合物(以下、非フッ素系飽和鎖状カーボネート化合物とも記す。)、飽和環状スルホン化合物(但し、リチウム塩を除く。)及びリン酸エステル化合物からなる群から選ばれる少なくとも1種の化合物(β)を更に含んでいることが好ましい。
非フッ素系飽和鎖状カーボネート化合物としては、例えば、ジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、ジエチルカーボネート(DEC)等が挙げられる。
飽和環状スルホン化合物としては、例えば、スルホラン、3−メチルスルホラン等が挙げられる。
リン酸エステル化合物としては、例えば、リン酸トリメチル、リン酸トリエチル、リン酸トリス(2,2,2−トリフルオロエチル)等が挙げられる。
非水電解液は、本発明の効果を損なわない範囲で、必要に応じて、リチウム塩、含フッ素溶媒(α)、環状カルボン酸エステル化合物及び化合物(β)以外の他の化合物(他の溶媒、添加剤等)を含んでいてもよい。
非水電解液は、含フッ素溶媒(α)、環状カルボン酸エステル化合物及び化合物(β)以外の他の溶媒を含んでもよい。
非水電解液には、非水電解液の機能を向上させるために、必要に応じて従来公知の添加剤を含ませてもよい。添加剤としては、例えば、過充電防止剤、脱水剤、脱酸剤、特性改善助剤、界面活性剤等が挙げられる。
過充電防止剤としては、例えば、芳香族化合物(ビフェニル、アルキルビフェニル、ターフェニル、ターフェニルの部分水素化体、シクロヘキシルベンゼン、t−ブチルベンゼン、t−アミルベンゼン、ジフェニルエーテル、ジベンゾフラン等)、芳香族化合物の部分フッ素化物(2−フルオロビフェニル、o−シクロヘキシルフルオロベンゼン、p−シクロヘキシルフルオロベンゼン等)、含フッ素アニソール化合物(2,4−ジフルオロアニソール、2,5−ジフルオロアニソール、2,6−ジフルオロアニオール等)が挙げられる。過充電防止剤は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
脱水剤としては、例えば、モレキュラーシーブス、芒硝、硫酸マグネシウム、水素化カルシウム、水素化ナトリウム、水素化カリウム、水素化リチウムアルミニウム等が挙げられる。非水電解液に用いる液状組成物や他の溶媒としては、脱水剤で脱水を行った後に精留を行ったものが好ましい。また、精留を行わずに前記脱水剤による脱水のみを行ったものであってもよい。
特性改善助剤は、高温保存後の容量維持特性やサイクル特性を改善するためのものである。特性改善助剤としては、例えば、不飽和カーボネート化合物(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)、4−エチニル−1,3−ジオキソラン−2−オン等)、含硫黄化合物(エチレンサルファイト、1,3−プロパンスルトン、1,4−ブタンスルトン、メタンスルホン酸メチル、ブスルファン、スルホレン、ジメチルスルホン、ジフェニルスルホン、メチルフェニルスルホン、ジブチルジスルフィド、ジシクロヘキシルジスルフィド、テトラメチルチウラムモノスルフィド、N,N−ジメチルメタンスルホンアミド、N,N−ジエチルメタンスルホンアミド等)、炭化水素化合物(ヘプタン、オクタン、シクロヘプタン等)、含フッ素芳香族化合物(フルオロベンゼン、ジフルオロベンゼン、ヘキサフルオロベンゼン等)が挙げられる。特性改善助剤は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
界面活性剤は、電極合材やセパレータへの非水電解液の含浸を助けるものである。界面活性剤としては、カチオン性界面活性剤、アニオン性界面活性剤、非イオン性界面活性剤、両性界面活性剤のいずれでもよく、入手が容易で界面活性効果が高い点から、アニオン性界面活性剤が好ましい。界面活性剤としては、耐酸化性が高く、サイクル特性、レート特性が良好な点から、含フッ素界面活性剤が好ましい。界面活性剤は1種のみでもよく、2種以上であってもよい。
(リチウム塩の割合)
非水電解液中のリチウム塩の含有量の上限値は、特に限定されないが、1.5mol/Lが好ましく、1.4mol/Lがより好ましく、1.3mol/Lが更に好ましい。非水電解液中のリチウム塩の含有量の下限値は、特に限定されないが、0.7mol/Lが好ましく、0.8mol/Lが好ましく、0.9mol/Lがより好ましい。
質量基準に換算すると、非水電解液の総質量に対するリチウム塩の質量の割合は、5〜20質量%が好ましく、7〜17質量%がより好ましく、9〜14質量%が更に好ましい。
リチウム塩の割合が前記下限値以上であれば、非水電解液のイオン伝導度が高くなる。リチウム塩の割合が前記上限値以下であれば、リチウム塩が液状組成物に均一に溶解しやすく、また低温条件でもリチウム塩が析出しない。また、リチウムイオンが非水電解液中に拡散しやすくなり、リチウムイオン拡散係数が大きくなる。
非水電解液の総質量に対する、モノフルオロリン酸アニオン及びジフルオロリン酸アニオンの合計質量の割合の下限値は、0.001質量%が好ましく、0.005質量%がより好ましい。前記合計質量の割合が下限値以上であれば、高温状態で保存しても放電容量が低下しにくく、ガスが発生しにくい、高温保存特性に優れたリチウムイオン二次電池が得られやすい。
非水電解液の総質量に対する、モノフルオロリン酸アニオン及びジフルオロリン酸アニオンの合計質量の割合の上限値は、2質量%が好ましく、1質量%がより好ましく、0.5質量%が更に好ましい。前記合計質量の割合が上限値以下であれば、低温保存時の非水電解液の溶解性が保たれやすく、また、イオン伝導度に優れた電解液になりやすい。
非水電解液の総質量に対する含フッ素溶媒(α)の質量の割合は特に限定されないが、非水電解液の総質量に対する含フッ素溶媒(α)の質量の割合の下限値は、30質量%が好ましく、40質量%がより好ましく、45質量%が更に好ましい。前記含フッ素溶媒(α)の割合の上限値は、80質量%が好ましく、75質量%がより好ましく、73質量%が更に好ましく、70質量%が特に好ましい。
含フッ素溶媒(α)の割合が前記下限値以上であれば、非水電解液は、難燃性に優れ、正極反応性及び負極反応性が小さく、熱暴走を起こしにくく、耐高電圧特性を有する。含フッ素溶媒(α)の割合が前記上限値以下であれば、リチウム塩が均一に溶解し、また低温下においてリチウム塩が析出しにくい。
含フッ素溶媒(α)の割合が前記下限値以上であれば、非水電解液は、難燃性に優れ、正極反応性及び負極反応性が小さく、熱暴走を起こしにくく、耐高電圧特性を有する。含フッ素溶媒(α)の割合が前記上限値以下であれば、リチウム塩が均一に溶解し、また低温下においてリチウム塩が析出しにくい。
含フッ素溶媒(α)の総質量に対する含フッ素エーテル化合物の質量の割合は、25〜100質量%が好ましく、30〜100質量%がより好ましく、50〜100質量%がより好ましく、60〜100質量%が更に好ましく、70〜100質量%が特に好ましい。含フッ素溶媒(α)は、含フッ素得エーテル化合物のみからなることが最も好ましい。
含フッ素アルカン化合物の割合が0.01質量%以上であれば、非水電解液の難燃性に優れる。含フッ素アルカンの割合が5質量%以下であれば、リチウム塩の溶解度を維持しやすい。
非水電解液の総質量に対する環状カルボン酸エステル化合物の質量の割合は、4〜50質量%が好ましく、7〜45質量%がより好ましく、10〜40質量%が更に好ましく、15〜35質量%が特に好ましい。
環状カルボン酸エステル化合物の割合が前記下限値以上であれば、非水電解液は、リチウム塩を均一に溶解し、かつ非水電解液と正極及び負極との反応性が小さく、熱暴走が起こりにくい。環状カルボン酸エステル化合物の割合が前記上限値以下であれば、非水電解液は難燃性に優れる。
液状組成物の総質量に対する環状カルボン酸エステルの質量の割合は、4〜60質量%が好ましく、7〜50質量%がより好ましく、10〜45質量%が更に好ましく、15〜40質量%が特に好ましい。
環状カルボン酸エステルの割合が前記下限値以上であれば、液状組成物は、溶解性に優れ、正極反応性及び負極反応性が小さく、熱暴走を起こしにくく、耐高電圧特性を有する。環状カルボン酸エステルの割合が前記上限値以下であれば、液状組成物は、難燃性に優れる。
NA/NLiが前記範囲内であれば、下記の理由から、リチウム塩を均一に溶解させて充分なイオン伝導度を得つつ、非水電解液と正極及び負極との反応性を小さくでき、二次電池の熱暴走が起きることを抑制できる。
液状組成物が化合物(β)を含む場合、非水電解液の総質量に対する化合物(β)の質量の割合は、0.01〜30質量%が好ましく、0.1〜20質量%がより好ましい。非水電解液の総質量に対する化合物(β)の質量の割合の下限値は0質量%である。
化合物(β)の割合が前記上限値以下であれば、化合物(β)と電極との反応を抑制しやすく、安定性に優れた非水電解液が得られる。また、含フッ素溶媒(α)の含有量を多くすることができるため、難燃性に優れた非水電解液が得られやすい。
飽和環状カーボネート化合物の割合が前記上限値以下であれば、飽和環状カーボネート化合物と電極とが反応しにくく、非水電解液は安定性に優れ、難燃性に優れる。
非フッ素系飽和鎖状カーボネート化合物の割合が前記上限値以下であれば、非フッ素系飽和鎖状カーボネート化合物と電極とが反応しにくく、非水電解液は安定性に優れ、難燃性に優れる。
前記合計質量の割合が前記上限値以下であれば、飽和環状カーボネート化合物及び非フッ素系飽和鎖状カーボネート化合物を用いた場合でも、前述の溶媒の極性が高くなることによる、環状カルボン酸エステル化合物の被膜の溶解を抑制することができ、それらと電極との反応性を低く抑えることができ、優れた安定性の非水電解液としやすい。また、可燃性の化合物の含有量を低く抑えることによって、優れた難燃性を有する非水電解液としやすい。
飽和環状スルホン化合物の割合が前記上限値以下であれば、飽和環状スルホン化合物と電極とが反応しにくく、非水電解液は安定性に優れ、難燃性に優れる。
リン酸エステル化合物の割合が前記上限値以下であれば、リン酸エステル化合物と電極とが反応しにくく、非水電解液は安定性に優れ、難燃性に優れる。
環状カルボン酸エステル化合物の割合が前記範囲内であれば、非水電解液と正極及び負極との反応性を小さくでき、二次電池の熱暴走が起きることを抑制できる。
非水電解液が他の溶媒を含む場合、非水電解液の総質量に対する他の溶媒と化合物(β)との合計質量の割合は、0.01〜30質量が好ましく、0.1〜20質量%がより好ましい。他の溶媒と化合物(β)との合計質量の割合が前記上限値以下であれば、他の溶媒及び化合物(β)と電極との反応を抑制しやすく、安定性に優れた非水電解液が得られる。また、含フッ素溶媒(α)の含有量を多くすることができるため、難燃性に優れた非水電解液が得られやすい。
過充電防止剤の割合が前記範囲内であれば、過充電による二次電池の破裂及び発火を抑制することが更に容易になり、二次電池をより安定に用いることができる。
以上説明した本発明の非水電解液にあっては、含フッ素溶媒(α)を含むため、難燃性である。
また、以上説明した本発明の非水電解液にあっては、電解質由来のモノフルオロリン酸アニオン及びジフルオロリン酸アニオンのいずれか一方又は両方を含むため、高温状態で保存しても放電容量が低下しにくく、ガスが発生しにくい、高温保存特性に優れたリチウムイオン二次電池が得られる。この効果が得られる機構は必ずしも明らかではないが、モノフルオロリン酸アニオン及びジフルオロリン酸アニオンが分解されて正極上に被膜を形成することが要因であると考えられる。
また、本発明の非水電解液にあっては、環状カルボン酸エステル化合物を含むため、正極及び負極と非水電解液との反応性が小さく、それらの反応による発熱量が低減されるため、熱暴走が起きにくい。
本発明のリチウムイオン二次電池は、正極と、負極と、本発明の非水電解液とを有するものである。
正極としては、正極活物質と導電付与剤と結着剤とを含む正極層が、集電体上に形成されてなる電極が挙げられる。
正極活物質は、リチウムイオンを吸蔵及び放出できる材料であればよい。正極活物質としては、公知のリチウムイオン二次電池用の正極活物質を採用でき、例えば、リチウム含有遷移金属酸化物、1種類以上の遷移金属を用いたリチウム含有遷移金属複合酸化物、遷移金属酸化物、遷移金属硫化物、金属酸化物、オリビン型金属リチウム塩等が挙げられる。正極活物質は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
リチウム含有遷移金属複合酸化物の具体例としては、下記のものが挙げられる。
LiMn0.5Ni0.5O2、LiMn1.8Al0.2O4、
LiNi0.85Co0.10Al0.05O2、LiMn1.5Ni0.5O4、
LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2、LiMn1.8Al0.2O4等。
LiFePO4、Li3Fe2(PO4)3、LiFeP2O7、LiMnPO4、
LiNiPO4、LiCoPO4、Li2FePO4F、Li2MnPO4F、
Li2NiPO4F、Li2CoPO4F、Li2FeSiO4、
Li2MnSiO4、Li2NiSiO4、Li2CoSiO4等。
正極活物質に対する表面付着物質の量は、0.1質量ppm以上20質量%以下が好ましく、1質量ppm以上10質量%以下がより好ましく、10質量ppm以上5質量%以下が特に好ましい。表面付着物質によって、正極活物質表面での非水電解液の酸化反応を抑制でき、電池寿命を向上させることができる。
導電付与剤としては、炭素材料、金属物質(Al等)、導電性酸化物の粉末等が挙げられる。
結着剤としては、樹脂バインダー(ポリフッ化ビニリデン等)、ゴム系バインダー(炭化水素ゴム、フッ素ゴム等)が挙げられる。
集電体としては、Al等を主体とする金属薄膜が挙げられる。
負極としては、粉末状の負極活物質と導電付与剤と結着剤とを含む負極層が、集電体上に形成されてなる電極が挙げられる。なお、負極活物質が、それ自体で形状を保てる場合(例えばリチウム金属薄膜である場合)は、負極活物質のみで負極を形成できる。
負極活物質としては、リチウム金属、リチウム合金、ならびにリチウムイオンを吸蔵及び放出できる炭素材料からなる群から選ばれる1種以上が挙げられる。
リチウム合金としては、Li−Al合金、Li−Pb合金、Li−Sn合金等が挙げられる。
炭素材料としては、黒鉛、コークス、ハードカーボン等が挙げられる。
負極の結着剤及び導電付与剤としては、正極と同様のものを用いることができる。
集電体としては、Cu等を主体とする金属薄膜が挙げられる。
正極と負極の間には、短絡を防止するためにセパレータを介在させる。セパレータとしては、例えば、多孔膜が挙げられる。非水電解液は該多孔膜に含浸させて用いる。また、多孔膜に非水電解液を含浸させてゲル化させたものをゲル電解質として用いてもよい。
多孔膜の材料としては、フッ素樹脂(ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、エチレンとテトラフルオロエチレンのコポリマー等)、ポリイミド、ポリオレフィン(ポリエチレン、ポリプロピレン等)等が挙げられ、耐酸化性、透気度、入手性等の点から、ポリオレフィンが好ましい。
電池外装体の材料としては、ニッケルメッキを施した鉄、ステンレス、アルミニウム又はその合金、ニッケル、チタン、樹脂材料、フィルム材料等が挙げられる。
リチウムイオン二次電池の形状は、用途に応じて選択すればよく、コイン型、円筒型、角型、ラミネート型等のいずれの形状であってもよい。また、正極及び負極の形状は、二次電池の形状に合わせて適宜選択することができる。
本発明のリチウムイオン二次電池の充電電圧は、3.4V以上が好ましく、4.0V以上がより好ましく、4.2V以上が更に好ましい。正極活物質が、リチウム含有遷移金属酸化物、リチウム含有遷移金属複合酸化物、遷移金属酸化物、遷移金属硫化物、金属酸化物の場合の充電電圧は、4.0V以上が好ましく、4.2V以上がより好ましい。正極活物質がオリビン型金属リチウム塩の場合の充電電圧は、3.2V以上が好ましく、3.4V以上がより好ましい。
以上説明した本発明のリチウムイオン二次電池にあっては、本発明の非水電解液を用いているため、高温保存特性に優れ、また熱暴走が起きにくい。また、難燃性である本発明の非水電解液を用いているため、安全性を有する。
(リチウム塩)
LPF:LiPF6、
DPF:LiPO2F2(DPFは、Inorganic Nuclear Chemistry Letters(1969)、5(7)、581頁〜582頁に記載の方法に従って製造した。)
AE3000:CF3CH2OCF2CHF2(商品名:AE-3000、旭硝子社製)、
HFE5510:CHF2CF2CH2OCF2CHFCF3、
HFE458:CHF2CF2CH2OCF2CHF2、
MFA:ジフルオロ酢酸メチル。
GBL:γ−ブチロラクトン。
EC:エチレンカーボネート、
EMC:エチルメチルカーボネート、
DMC:ジメチルカーボネート、
DEC:ジエチルカーボネート、
FEC:フルオロエチレンカーボネート。
VC:ビニレンカーボネート。
(負極の製造)
人造黒鉛(4.25g)と、導電材であるアセチレンブラック(0.15g)とを混合し、自転公転式撹拌機(シンキー社製、あわとり練太郎AR−E310)を用いて回転数2000rpmで1分間撹拌する工程を3回行った。次いで、1質量%のカルボキシメチルセルロース水溶液(4.25g)を添加し、更に前記撹拌機を用いて回転数2000rpmで5分間撹拌する工程を2回行った。更に1質量%のカルボキシメチルセルロース水溶液(4.25g)を添加し、前記撹拌機を用いて回転数2000rpmで10分間撹拌した。その後、固形分濃度を40質量%に調整したスチレン−ブタジエンゴム水性分散ラテックス(0.13g)を添加し、前記撹拌機を用いて回転数2000rpmで5分間撹拌して電極塗工用スラリーを得た。
厚さ20μmの銅箔上に前記スラリーを塗工し、乾燥した後、5.5cm×4.5cmの四角形に切り出して評価用電極(負極)とした。
LiCoO2(AGCセイミケミカル社製、商品名「セリオンC」、32.0g)と、カーボンブラック(電気化学工業社製、商品名「デンカブラック」、0.80g)とを混合し、前記撹拌機を用いて回転数2000rpmで1分間撹拌する工程を3回行った。次いでN−メチル−2−ピロリドン(7.50g)を加えて前記撹拌機を用いて回転数2000rpmで3分間撹拌する工程を3回行った。次いでN−メチル−2−ピロリドン(1.0g)を加えて前記撹拌機を用いて回転数2000rpmで3分間撹拌する工程を3回行った。更にポリフッ化ビニリデンのN−メチル−2−ピロリドン溶液(11質量%、7.45g)を加えて前記撹拌機を用いて回転数2000rpmで1分間撹拌し、スラリーとした。厚さ20μmのアルミニウム箔上に前記スラリーを塗工し、乾燥した後、5.2cm×4.2cmの四角形に切り出して評価用電極(正極)とした。
得られた正極と負極を交互に対向するよう積層させ、各電極の間に、セパレータとしてポリオレフィン系微多孔膜を存在させ、電池要素を作製した。アルミニウム箔の両面を樹脂層で被覆したラミネートフィルムからなる袋内に、得られた電池要素を端子が突出するように挿入した後に、非水電解液として表1に示す非水電解液(1.0mL)を注液し、減圧封止を行うことで、LiCoO2極−黒鉛極からなる、評価用電池を作製した。作製した評価用電池の容量は、4.3V充電−3.0放電において200mAhであった。
評価用電池を、エタノール浴中に浸漬することで保存前の体積V1を測定した。
その後、該評価用電池を樹脂製の板で挟んで加圧した状態で、25℃において、0.05Cに相当する定電流で3.4Vまで充電し、更に0.2Cに相当する電流で4.3Vまで充電し、更に充電下限電圧において電流値が0.02Cに相当する電流となるまで充電を行った。その後、0.2Cに相当する電流で3.0Vまで放電した。
2サイクル目から4サイクル目までは、0.2Cに相当する電流で4.3Vまで充電し、更に充電下限電圧において電流値が0.02Cに相当する電流となるまで充電を行った。その後、0.2Cに相当する電流で3.0Vまで放電した。
5サイクル目では、1.0Cに相当する電流で4.3Vまで充電し、更に充電下限電圧において電流値が0.02Cに相当する電流となるまで充電を行った。その後、60℃にて14日間保存した後、25℃において0.2Cに相当する電流で3.0Vまで放電し、その放電容量を実測し、保存後の放電容量とした。容量残存率は、以下の式に従って算出した。
容量残存率(%)=((保存後の放電容量)/(5サイクル目の充電容量))×100
また、放電後の評価用電池を、エタノール浴中に浸漬することで保存後の体積V2を測定し、保存前後の体積変化(V2−V1)から高温保存時の発生ガス量を算出した。
(評価サンプルの作製)
直径19mmの円形に打ち抜く以外は、「高温保存時における容量残存率及びガス発生量の評価」と同様の方法で評価用電極(負極)を製造した。また、リチウム金属箔を直径19mmの円形に打ち抜いたものを対極とした。それら電極を、電極の間にセパレータとしてポリオレフィン系微多孔膜を存在させて積層し、更にカーボネート系非水電解液(EC:EMC(質量比)=3:7の混合液)に、LPFが1.0Mとなるように溶解された非水電解液。キシダ化学社製)の0.5mLに、VCを2質量%となるように加えた非水電解液を注液し、黒鉛極−リチウム金属箔からなる単極セルを作製した。
得られた単極セルについて、以下の充放電サイクルを実施した。1サイクル目では、25℃において、0.04Cに相当する電流で0.2V(負極)まで定電流充電を行い、更に0.2Cに相当する電流で0.05Vまで定電流充電し、更に充電下限電圧において電流値が0.02Cに相当する電流となるまで定電圧充電を行った。その後、0.2Cに相当する電流で1.0Vまで定電流放電を行った。
2サイクル目から4サイクル目では、0.2Cに相当する電流で0.05Vまで定電流充電を行い、更に充電下限電圧において電流値が0.02Cに相当する電流となるまで定電圧充電を行った。その後、0.2Cに相当する電流で1.0Vまで定電流放電を行った。
その後、0.2Cに相当する電流で0.05Vまで定電流充電を行った。次いで、得られた充電状態の単極セルをアルゴン雰囲気下で分解し、充電状態の負極を得た。得られた負極を、DMC(2mL)で3回洗浄し、真空乾燥した後に直径5mmの円形に打ち抜き、ステンレス鋼(SUS)製の密封容器に入れ、更に各例で得られた非水電解液を2μL入れて封止し、評価サンプルとした。
得られた各評価サンプルについて、示差走査熱量計(エスアイアイナノテクノロジー社製DSC−6000)によって、温度範囲50〜350℃、昇温速度5℃/分の条件で測定を行った。負極反応性の評価には、「発熱ピーク温度」及び「200℃における発熱量」を用いた。
「発熱ピーク温度」は、前記測定における60℃での発熱量を基準(0μWに補正)にして、発熱量が2000μWを超える発熱ピークのうち、最も低温に表れる発熱ピークのピークトップの温度とした。発熱ピーク温度の評価は、200℃以上を「◎(優良)」、180℃以上200℃未満を「○(良好)」、150℃以上180℃未満を「△(不良)」、150℃未満を「×(極めて不良)」とした。
「200℃における発熱量」は、前記測定における60℃での発熱量を基準(0μWに補正)したときの200℃における発熱量(μW)とした。
(評価サンプルの作製)
直径18mmの円形に打ち抜く以外は、「高温保存時における容量残存率及びガス発生量の評価」と同様の方法で評価用電極(正極)を製造した。また、リチウム金属箔を直径19mmの円形に打ち抜いたものを対極とした。それら電極を、電極の間にセパレータとしてポリオレフィン系微多孔膜を存在させて積層し、更にカーボネート系非水電解液(EC:EMC(質量比)=3:7の混合液に、LPFが1.0Mとなるように溶解された非水電解液。キシダ化学社製)の0.5mLを注液し、LiCoO2極−リチウム金属箔からなる単極セルを作製した。
得られた単極セルについて、以下の充放電サイクルを実施した。1サイクル目から4サイクル目は、0.5Cに相当する電流で4.5Vまで定電流充電を行い、更に充電下限電圧において電流値が0.02Cに相当する電流となるまで定電圧充電を行った。その後、0.2Cに相当する電流で3.0Vまで定電流放電を行った。
その後、0.5Cに相当する電流で4.5Vまで定電流充電を行い、更に充電下限電圧において電流値が0.02Cに相当する電流となるまで定電圧充電を行った。次いで、得られた充電状態の単極セルをアルゴン雰囲気下で分解し、充電状態の正極を得た。得られた正極を、DMC(2mL)で3回洗浄し、真空乾燥した後に直径5mmに打ち抜き、SUS製の密封容器に入れ、更に各例の非水電解液を2μL入れて封止し、評価サンプルとした。
得られた各評価サンプルについて、示差走査熱量計(エスアイアイナノテクノロジー社製DSC−6000)によって、温度範囲50〜350℃、昇温速度5℃/分の条件で測定を行った。正極反応性の評価は、負極反応性の評価と同様に、「発熱ピーク温度」及び「200℃における発熱量」で行った。
リチウム塩であるLPF(0.15g)及びDPF(1.5mg)を、含フッ素溶媒(α)であるAE3000(0.31g)中に拡散した後、環状カルボン酸エステル化合物であるGBL(0.35g)を混合し、均一な溶液を得た。その後、該溶液に対してVC(0.03g)を加えて非水電解液1とした。
リチウム塩等の各化合物の組成を表1〜3に示すように変更した以外は、例1と同様にして非水電解液2〜20を得た。
また、表4に示すように、液状組成物が含フッ素溶媒(α)と環状カルボン酸エステル化合物とを含む例2、4、8、13、15、17の非水電解液は、例20の非水電解液に比べて、充電電極との反応性が小さく、熱安定性に優れていた。特に、(NA+NB)/NLiが、3.0〜6.5である非水電解液を用いた例2、4、8、13、15では、充電電極との反応性が非常に小さく、熱安定性が顕著に優れていた。
Claims (11)
- 電解質と液状組成物を含む非水電解液であって、
前記電解質のうちの少なくとも一部の電解質に由来するモノフルオロリン酸アニオン及びジフルオロリン酸アニオンのいずれか一方又は両方を含み、
前記電解質の少なくとも1種がリチウム塩であり、
前記リチウム塩の前記非水電解液中の含有量が、0.7〜1.5mol/Lであって、
前記液状組成物が、含フッ素エーテル化合物、含フッ素鎖状カルボン酸エステル化合物、及び含フッ素鎖状カーボネート化合物からなる群から選ばれる少なくとも1種の含フッ素溶媒(α)と、γ−ブチロラクトンと、を含み、
前記非水電解液の総質量に対する、前記含フッ素溶媒(α)の質量の割合が、30〜80質量%であり、
前記含フッ素溶媒(α)が、下記式(1)で表される化合物からなる群から選ばれる少なくとも1種の含フッ素エーテル化合物を前記含フッ素溶媒(α)の総質量に対して25〜100質量%含み、
前記リチウム塩由来のリチウム原子の総モル数(N Li )に対する、前記γ−ブチロラクトンの総モル数(N A )の比率であるN A /N Li が1.5〜7.0であることを特徴とする二次電池用非水電解液。
R 1 −O−R 2 ・・・(1)
(但し、式中、R 1 及びR 2 はそれぞれ独立に炭素数1〜10のアルキル基、炭素数3〜10のシクロアルキル基、炭素数1〜10のフッ素化アルキル基、炭素数3〜10のフッ素化シクロアルキル基、1個以上のエーテル性酸素原子を有する炭素数2〜10のアルキル基、又は、1個以上のエーテル性酸素原子を有する炭素数2〜10のフッ素化アルキル基であり、R 1 及びR 2 の一方又は両方は、炭素数1〜10のフッ素化アルキル基、炭素数3〜10のフッ素化シクロアルキル基、又は1個以上のエーテル性酸素原子を有する炭素数2〜10のフッ素化アルキル基である。) - 前記式(1)で表される化合物が、CF 3 CH 2 OCF 2 CHF 2 、CF 3 CH 2 OCF 2 CHFCF 3 、CHF 2 CF 2 CH 2 OCF 2 CHF 2 、CH 3 CH 2 CH 2 OCF 2 CHF 2 、CH 3 CH 2 OCF 2 CHF 2 、及びCHF 2 CF 2 CH 2 OCF 2 CHFCF 3 からなる群から選ばれる少なくとも1種を含む、請求項1に記載の二次電池用非水電解液。
- 前記非水電解液の総質量に対する、モノフルオロリン酸アニオン及びジフルオロリン酸アニオンの合計質量の割合が0.001〜2質量%である、請求項1又は2に記載の二次電池用非水電解液。
- 前記液状組成物が、飽和環状カーボネート化合物、フッ素原子を有しない飽和鎖状カーボネート化合物、飽和環状スルホン化合物(但し、リチウム塩を除く。)、及びリン酸エステル化合物からなる群から選ばれる少なくとも1種の化合物(β)を更に含む、請求項1〜3のいずれか一項に記載の二次電池用非水電解液。
- 前記非水電解液の総質量に対する、前記フッ素原子を有しない飽和鎖状カーボネート化合物の質量の割合が30質量%以下である、請求項4に記載の二次電池用非水電解液。
- 前記非水電解液の総質量に対する、前記飽和環状カーボネート化合物の質量と前記フッ素原子を有しない飽和鎖状カーボネート化合物の質量との合計質量の割合が30質量%以下である、請求項4又は5に記載の二次電池用非水電解液。
- 前記リチウム塩由来のリチウム原子の総モル数(NLi)に対する、前記γ−ブチロラクトンの総モル数(NA)と、前記化合物(β)の総モル数(NB)との和の比率である(NA+NB)/NLiが3.0〜7.0である、請求項4〜6のいずれか一項に記載の二次電池用非水電解液。
- 前記リチウム塩が、LiPF6を含む、請求項1〜7のいずれか一項に記載の二次電池用非水電解液。
- 前記非水電解液の総質量に対する前記γ−ブチロラクトンの質量の割合が4〜50質量%である、請求項1〜9のいずれか一項に記載の二次電池用非水電解液。
- リチウムイオンを吸蔵及び放出できる材料を活物質とする正極と、リチウム金属、リチウム合金、ならびにリチウムイオンを吸蔵及び放出できる炭素材料からなる群から選ばれる1種以上を活物質とする負極と、請求項1〜10のいずれか一項に記載の二次電池用非水電解液と、を有するリチウムイオン二次電池。
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2013197592 | 2013-09-24 | ||
JP2013197592 | 2013-09-24 | ||
PCT/JP2014/075139 WO2015046175A1 (ja) | 2013-09-24 | 2014-09-22 | 二次電池用非水電解液及びリチウムイオン二次電池 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPWO2015046175A1 JPWO2015046175A1 (ja) | 2017-03-09 |
JP6428631B2 true JP6428631B2 (ja) | 2018-11-28 |
Family
ID=52743311
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2015539222A Expired - Fee Related JP6428631B2 (ja) | 2013-09-24 | 2014-09-22 | 二次電池用非水電解液及びリチウムイオン二次電池 |
Country Status (4)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US9960450B2 (ja) |
JP (1) | JP6428631B2 (ja) |
CN (1) | CN105580193B (ja) |
WO (1) | WO2015046175A1 (ja) |
Families Citing this family (22)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN107492660B (zh) * | 2016-06-13 | 2020-04-24 | 宁德新能源科技有限公司 | 正极浆料、正极片及锂离子电池 |
CN106025175B (zh) | 2016-06-15 | 2020-07-24 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | 一种电池浆料、电池极片及其制备方法 |
CN107565135A (zh) * | 2016-06-30 | 2018-01-09 | 江苏国泰超威新材料有限公司 | 一种氟代磷酸盐在制备锂离子电池电极中的应用、锂离子电池电极、其制备方法和应用 |
CN107732163B (zh) * | 2016-08-12 | 2021-08-10 | 微宏动力系统(湖州)有限公司 | 一种锂离子二次电池 |
US10707531B1 (en) | 2016-09-27 | 2020-07-07 | New Dominion Enterprises Inc. | All-inorganic solvents for electrolytes |
JP6812827B2 (ja) * | 2017-02-17 | 2021-01-13 | Tdk株式会社 | 非水電解液およびそれを用いた非水電解液電池 |
WO2018169029A1 (ja) | 2017-03-17 | 2018-09-20 | 旭化成株式会社 | 非水系電解液、非水系二次電池、セルパック、及び、ハイブリッドシステム |
JP6974434B2 (ja) | 2017-03-17 | 2021-12-01 | 旭化成株式会社 | 非水系電解液 |
JP6863462B2 (ja) * | 2017-08-07 | 2021-04-21 | ダイキン工業株式会社 | 電解液、電気化学デバイス、リチウムイオン二次電池及びモジュール |
CN109509912A (zh) * | 2017-09-15 | 2019-03-22 | 浙江省化工研究院有限公司 | 一种抑制金属锂枝晶生长的方法 |
JP7243968B2 (ja) | 2017-12-26 | 2023-03-22 | 株式会社レゾナック | 非水系電池電極用バインダー、非水系電池電極用スラリー、非水系電池電極、及び非水系電池 |
WO2019217759A1 (en) * | 2018-05-09 | 2019-11-14 | Amtek Research International Llc | Acid stratification mitigation, electrolytes, devices, and methods related thereto |
WO2020090922A1 (ja) * | 2018-10-31 | 2020-05-07 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | 非水電解質二次電池および非水電解液 |
CN109546218A (zh) * | 2018-12-19 | 2019-03-29 | 珠海光宇电池有限公司 | 一种硅碳锂离子电池电解液及使用该电解液的硅碳锂离子电池 |
CN111180796B (zh) * | 2020-01-07 | 2021-05-04 | 乳源东阳光磁性材料有限公司 | 一种非水电解液及其制备方法和在锂离子电池中的应用 |
US20220037720A1 (en) * | 2020-07-29 | 2022-02-03 | Prologium Technology Co., Ltd. | Thermal runaway suppressant of lithium batteries and the related applications |
US20220037631A1 (en) * | 2020-07-29 | 2022-02-03 | Prologium Technology Co., Ltd. | Method for suppressing thermal runaway of lithium batteries |
US11682805B2 (en) * | 2020-07-29 | 2023-06-20 | Prologium Technology Co., Ltd. | Thermal runaway suppression element and the related applications |
WO2022169347A1 (ko) * | 2021-02-08 | 2022-08-11 | 충남대학교산학협력단 | 난연성 또는 불연성 전해액 및 이를 포함하는 리튬이차전지 |
EP4210132A1 (en) * | 2021-11-23 | 2023-07-12 | Contemporary Amperex Technology Co., Limited | Electrode assembly, secondary battery, battery module, battery pack, and electrical device |
CN116868430A (zh) * | 2021-12-16 | 2023-10-10 | 宁德时代新能源科技股份有限公司 | 电池单体、电池、用电装置、制造方法及制造设备 |
KR102559718B1 (ko) * | 2022-08-05 | 2023-07-25 | 충남대학교산학협력단 | 고속 충전 리튬이차전지용 전해액, 이를 포함하는 리튬이차전지 및 리튬이차전지의 제조 방법 |
Family Cites Families (16)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7229718B2 (en) * | 2002-08-22 | 2007-06-12 | Samsung Sdi Co., Ltd. | Electrolyte for rechargeable lithium battery and rechargeable lithium battery comprising same |
JP4671589B2 (ja) * | 2003-07-15 | 2011-04-20 | 三星エスディアイ株式会社 | リチウム二次電池用電解質及びリチウム二次電池 |
CN100459273C (zh) * | 2003-07-15 | 2009-02-04 | 三星Sdi株式会社 | 用于锂二次电池的电解液和包括该电解液的锂二次电池 |
JP2006049037A (ja) * | 2004-08-03 | 2006-02-16 | Three M Innovative Properties Co | 電気化学エネルギーデバイス用非水電解液 |
JP2008192504A (ja) | 2007-02-06 | 2008-08-21 | Daikin Ind Ltd | 非水系電解液 |
JP5277550B2 (ja) * | 2007-03-12 | 2013-08-28 | セントラル硝子株式会社 | ジフルオロリン酸リチウムの製造方法及びこれを用いた非水電解液電池 |
EP2418723B1 (en) * | 2007-04-05 | 2018-09-19 | Mitsubishi Chemical Corporation | Nonaqueous electrolyte for secondary battery and nonaqueous-electrolyte secondary battery employing the same |
EP2573855B1 (en) * | 2007-04-20 | 2014-04-30 | Mitsubishi Chemical Corporation | Nonaqueous electrolytes and nonaqueous-electrolyte secondary battery employing the same |
US9048508B2 (en) | 2007-04-20 | 2015-06-02 | Mitsubishi Chemical Corporation | Nonaqueous electrolytes and nonaqueous-electrolyte secondary batteries employing the same |
JP5374828B2 (ja) | 2007-04-20 | 2013-12-25 | 三菱化学株式会社 | 二次電池用非水系電解液及びそれを用いた非水系電解液二次電池 |
WO2009035085A1 (ja) * | 2007-09-12 | 2009-03-19 | Daikin Industries, Ltd. | 電解液 |
JP5359163B2 (ja) * | 2008-10-02 | 2013-12-04 | ダイキン工業株式会社 | 非水電解液 |
JP5699465B2 (ja) * | 2009-08-31 | 2015-04-08 | 三菱化学株式会社 | 非水系電解液及びそれを用いたリチウム二次電池 |
CN104112870A (zh) | 2009-08-31 | 2014-10-22 | 三菱化学株式会社 | 非水电解液及使用该非水电解液的非水电解质电池 |
JP2012064472A (ja) * | 2010-09-16 | 2012-03-29 | Mitsubishi Chemicals Corp | 非水系電解液及びそれを用いたリチウム二次電池 |
EP2833468B1 (en) | 2012-03-27 | 2017-11-29 | Asahi Glass Company, Limited | Non-aqueous electrolyte solution for secondary batteries, and lithium-ion secondary battery |
-
2014
- 2014-09-22 WO PCT/JP2014/075139 patent/WO2015046175A1/ja active Application Filing
- 2014-09-22 CN CN201480052252.7A patent/CN105580193B/zh not_active Expired - Fee Related
- 2014-09-22 JP JP2015539222A patent/JP6428631B2/ja not_active Expired - Fee Related
-
2016
- 2016-01-28 US US15/008,638 patent/US9960450B2/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
US20160141720A1 (en) | 2016-05-19 |
JPWO2015046175A1 (ja) | 2017-03-09 |
WO2015046175A1 (ja) | 2015-04-02 |
CN105580193B (zh) | 2018-01-09 |
US9960450B2 (en) | 2018-05-01 |
CN105580193A (zh) | 2016-05-11 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP6428631B2 (ja) | 二次電池用非水電解液及びリチウムイオン二次電池 | |
JP5488768B2 (ja) | 二次電池用非水電解液およびリチウムイオン二次電池 | |
JP6299603B2 (ja) | 二次電池用非水電解液およびリチウムイオン二次電池 | |
JPWO2009133899A1 (ja) | 二次電池用非水電解液および二次電池 | |
JP2015069704A (ja) | 二次電池用非水電解液およびリチウムイオン二次電池 | |
WO2013183719A1 (ja) | 二次電池用非水電解液およびリチウムイオン二次電池 | |
JPWO2015046174A1 (ja) | 非水電解液二次電池 | |
JPWO2011034149A1 (ja) | 二次電池用非水電解液 | |
JP2013161706A (ja) | 二次電池用非水電解液およびリチウムイオン二次電池 | |
US20160149265A1 (en) | Non-aqueous electrolyte solution for secondary batteries, and lithium ion secondary battery | |
JP2015064990A (ja) | 二次電池用非水電解液およびリチウムイオン二次電池 | |
JP2015069705A (ja) | 二次電池用非水電解液およびリチウムイオン二次電池 | |
WO2014128940A1 (ja) | 二次電池用非水電解液およびリチウムイオン二次電池 | |
JP2015065131A (ja) | 二次電池用非水電解液およびリチウムイオン二次電池 | |
JP2015065130A (ja) | 二次電池用非水電解液およびリチウムイオン二次電池 | |
WO2015159824A1 (ja) | 二次電池用非水電解液およびリチウムイオン二次電池 | |
JP2015064991A (ja) | 二次電池用非水電解液およびリチウムイオン二次電池 | |
JP2015069703A (ja) | 二次電池用非水電解液およびリチウムイオン二次電池 | |
JP2016038997A (ja) | 非水電解液二次電池 | |
JPWO2012173253A1 (ja) | 二次電池用非水電解液および二次電池 | |
JP2013101766A (ja) | 二次電池用非水電解液および二次電池 | |
JPWO2012115112A1 (ja) | 二次電池用非水電解液および二次電池 | |
JPWO2015046172A1 (ja) | 非水電解液二次電池 | |
JP2016039003A (ja) | 非水電解液二次電池 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20170220 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20180206 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20180405 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821 Effective date: 20180406 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20181002 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20181015 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6428631 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |