JP6637237B2 - Non-aqueous electrolyte and lithium ion secondary battery including the same - Google Patents
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Description
本発明は非水電解液及びこれを備えたリチウムイオン二次電池に関する。 The present invention relates to a non-aqueous electrolyte and a lithium ion secondary battery including the same.
リチウムイオン二次電池は、スマートフォンやパーソナルコンピューター用の電源、さらには自動車用電源として用いられている。これらの用途に使用される電池では、高出力化、高エネルギー密度化、サイクル特性やレート特性の改善といった各種特性の向上を目的とした研究が重ねられている。 Lithium ion secondary batteries are used as power supplies for smartphones and personal computers, and also as power supplies for automobiles. For batteries used in these applications, researches aimed at improving various characteristics such as higher output, higher energy density, and improved cycle characteristics and rate characteristics have been repeated.
例えば、リチウムイオン二次電池の特性改善を試みる技術として、各種の化合物を電解液に添加する技術が提案されている。例えば、特許文献1には、亜リン酸を電解液に添加すると、電極表面にリチウム塩の保護被膜が生成し、高温保存時の電池の膨れが抑制される旨記載されている。 For example, as a technique for attempting to improve characteristics of a lithium ion secondary battery, a technique of adding various compounds to an electrolyte has been proposed. For example, Patent Literature 1 describes that when phosphorous acid is added to an electrolytic solution, a protective film of a lithium salt is formed on an electrode surface, and swelling of the battery during high-temperature storage is suppressed.
一方、本願出願人は、スルホニルイミドアニオン化合物をリチウムイオン二次電池用の電解液の電解質として用いる検討を一貫して続ける中、添加剤としてスルホン酸エステル及び/又はスルホン化合物を用いることで、電極の腐食が抑制されることを見出し、既に出願している(特許文献2)。 On the other hand, while the applicant of the present application has continued to study using a sulfonylimide anion compound as an electrolyte of an electrolytic solution for a lithium ion secondary battery, the use of a sulfonate and / or a sulfone compound as an additive has led to Have found that the corrosion of steel is suppressed, and have already filed an application (Patent Document 2).
ところで、上述のように電池特性の向上についての検討は種々行われているが、用途の拡がりに伴い、電池には一層の高エネルギー密度化が求められている。電池を高エネルギー密度化させるためには、高電圧下で電池を駆動させる必要がある。本願発明者らは、さらなる高電圧に耐えることができ、高温で保存しても性能劣化のない電池用電解液について検討を進めている。しかし、特にスルホニルイミドアニオン化合物を有する非水電解液を用いた電池を高電圧下で駆動させると、正極で電解液が分解して、分解生成物が負極上に堆積し、対向するセパレーターが目詰まりを起こし、電池の容量やレート特性を低下させてしまうといった問題があった。特許文献1に記載の亜リン酸を電解液に添加すると、正極表面に保護被膜を形成するため、電解液の分解や負極への分解生成物の堆積は抑制できるが、正極の抵抗上昇が起こり、高温保存後の回復容量やレート特性が低下してしまう。特許文献2では、4.2Vを超える高電圧下での使用の問題については検討されていない。 By the way, various studies have been made on the improvement of the battery characteristics as described above, but with the expansion of applications, further higher energy density is required for batteries. In order to increase the energy density of a battery, it is necessary to drive the battery under a high voltage. The inventors of the present application are studying a battery electrolyte solution that can withstand a higher voltage and does not deteriorate even when stored at a high temperature. However, when a battery using a non-aqueous electrolyte containing a sulfonylimide anion compound is driven under a high voltage, the electrolyte is decomposed at the positive electrode, decomposition products are deposited on the negative electrode, and the opposing separator is exposed. There is a problem that clogging occurs and the capacity and rate characteristics of the battery are reduced. When phosphorous acid described in Patent Document 1 is added to the electrolytic solution, a protective film is formed on the surface of the positive electrode, so that decomposition of the electrolytic solution and deposition of decomposition products on the negative electrode can be suppressed, but the resistance of the positive electrode increases. In addition, the recovery capacity and rate characteristics after high-temperature storage are reduced. Patent Document 2 does not discuss the problem of use under a high voltage exceeding 4.2 V.
本発明は上記の様な事情に着目してなされたものであって、その目的は、高温下で保管した場合や、高電圧下で使用しても、電池としての容量及びレート特性の低下を抑制することのできる非水電解液及びこれを用いたリチウムイオン二次電池を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and its purpose is to reduce the capacity and rate characteristics of a battery even when stored at high temperatures or when used under high voltage. An object of the present invention is to provide a non-aqueous electrolyte which can be suppressed and a lithium ion secondary battery using the same.
上記目的を達成し得た本発明の非水電解液とは、一般式(1)[N(XSO2)(FSO2)]-(一般式(1)中、Xは、フッ素原子、炭素数1〜6のアルキル基又は炭素数1〜6のフルオロアルキル基を表す。)で表されるアニオンと、
リチウムカチオンと、
下記一般式(2)で表されるリン酸系化合物と、
The non-aqueous electrolyte of the present invention that can achieve the above object is represented by the general formula (1) [N (XSO 2 ) (FSO 2 )] - (wherein X is a fluorine atom and carbon number An alkyl group having 1 to 6 carbon atoms or a fluoroalkyl group having 1 to 6 carbon atoms);
A lithium cation,
A phosphoric acid compound represented by the following general formula (2):
(上記一般式(2)中、Ra、Rbは、それぞれ独立して水素、C1〜C4のアルキル基又は置換基を有していてもよいフェニル基を表し、p、qは0又は1である。)
を含むことを特徴とする。
(In the above general formula (2), R a and R b each independently represent hydrogen, a C 1 to C 4 alkyl group or a phenyl group which may have a substituent, and p and q represent 0 Or 1.)
It is characterized by including.
本発明の非水電解液は、さらにスルホン構造を有する化合物を含むことが好ましい。この場合において、スルホン構造を有する化合物が環状スルホン酸エステルである態様、上記リン酸系化合物が亜リン酸である態様は、いずれも本発明の好ましい実施態様である。 The non-aqueous electrolyte of the present invention preferably further contains a compound having a sulfone structure. In this case, the embodiment in which the compound having a sulfone structure is a cyclic sulfonic acid ester and the embodiment in which the phosphoric acid compound is phosphorous acid are both preferred embodiments of the present invention.
本発明の非水電解液は、さらに、下記一般式(7)、一般式(8)で表されるアニオン及びヘキサフルオロ砒酸イオン(AsF6 -)よりなる群から選択される少なくとも1種のアニオンを含むものであってもよい。
[PFl(CmF2m+1)6-l]- (0≦l≦6、1≦m≦4) (7)
[BFn(CoF2o+1)4-n]- (0≦n≦4、1≦o≦4) (8)
The non-aqueous electrolyte of the present invention further comprises at least one anion selected from the group consisting of an anion represented by the following general formulas (7) and (8) and a hexafluoroarsenate ion (AsF 6 − ) May be included.
[PF l (C m F 2m + 1 ) 6-l ] - (0 ≦ l ≦ 6, 1 ≦ m ≦ 4) (7)
[BF n (C o F 2o + 1) 4-n] - (0 ≦ n ≦ 4,1 ≦ o ≦ 4) (8)
本発明の非水電解液は、定格充電電圧が4.2V超であるリチウムイオン二次電池に用いられることが好ましく、本発明には、本発明の非水電解液を備えたリチウムイオン二次電池も包含される。 The non-aqueous electrolyte of the present invention is preferably used for a lithium ion secondary battery having a rated charging voltage of more than 4.2 V. The present invention includes a lithium ion secondary battery provided with the non-aqueous electrolyte of the present invention. Batteries are also included.
本発明の非水電解液は、正極で電解液材料が分解するのを抑制し、かつ、正極の抵抗上昇も抑えることができるため、本発明の非水電解液を有するリチウムイオン二次電池の高電圧下、高温保存後の容量およびレート特性の低下抑制に効果を発揮する。したがって、本発明の非水電解液によれば、容量及びレート特性の低下が抑制されたリチウムイオン二次電池を提供できる。 The non-aqueous electrolyte of the present invention suppresses the decomposition of the electrolyte material at the positive electrode, and can also suppress an increase in the resistance of the positive electrode. It is effective in suppressing deterioration of capacity and rate characteristics after storage at high voltage and high temperature. Therefore, according to the non-aqueous electrolyte of the present invention, it is possible to provide a lithium ion secondary battery in which a decrease in capacity and rate characteristics is suppressed.
1.非水電解液
本発明の非水電解液とは、一般式(1):[N(XSO2)(FSO2)]-(一般式(1)中、Xは、フッ素原子、炭素数1〜6のアルキル基又は炭素数1〜6のフルオロアルキル基を表す。)で表されるアニオンと(以下、スルホニルイミドアニオン(1)と称する。)、リチウムカチオンと、上記一般式(2)で表される化合物を含むところに特徴を有している。
1. Non-Aqueous Electrolyte The non-aqueous electrolyte of the present invention is represented by the general formula (1): [N (XSO 2 ) (FSO 2 )] − (In the general formula (1), X represents a fluorine atom and a carbon number of 1 to 1.) An alkyl group of 6 or a fluoroalkyl group of 1 to 6 carbon atoms) (hereinafter referred to as sulfonylimide anion (1)), a lithium cation, and a compound represented by the above general formula (2). It is characterized in that it contains the compound to be prepared.
1−1.スルホニルイミドアニオン(1)
本発明に係るスルホニルイミドアニオン(1)は、一般式(1):[N(XSO2)(FSO2)]-で表される。一般式(1)中、Xはフッ素原子、炭素数1〜6のアルキル基、又は炭素数1〜6のフルオロアルキル基を表す。炭素数1〜6のアルキル基は、直鎖状又は分枝鎖状のアルキル基であるのが好ましく、直鎖状のアルキル基がより好ましい。炭素数1〜6のアルキル基としては、例えば、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基が挙げられる。炭素数1〜6のフルオロアルキル基としては、炭素数1〜6のアルキル基が有する水素原子の一部又は全部がフッ素原子で置換されたものが挙げられる。具体的には、フルオロメチル基、ジフルオロメチル基、トリフルオロメチル基、フルオロエチル基、ジフルオロエチル基、トリフルオロエチル基、ペンタフルオロエチル基等が挙げられる。これらの中でも、フッ素原子、トリフルオロメチル基及びペンタフルオロエチル基がXとして好ましい。
1-1. Sulfonylimide anion (1)
The sulfonylimide anion (1) according to the present invention is represented by the general formula (1): [N (XSO 2 ) (FSO 2 )] − . In the general formula (1), X represents a fluorine atom, an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, or a fluoroalkyl group having 1 to 6 carbon atoms. The alkyl group having 1 to 6 carbon atoms is preferably a linear or branched alkyl group, and more preferably a linear alkyl group. Examples of the alkyl group having 1 to 6 carbon atoms include a methyl group, an ethyl group, a propyl group, an isopropyl group, a butyl group, a pentyl group, and a hexyl group. As a C1-C6 fluoroalkyl group, the thing in which some or all of the hydrogen atom which a C1-C6 alkyl group has is substituted by the fluorine atom is mentioned. Specific examples include a fluoromethyl group, a difluoromethyl group, a trifluoromethyl group, a fluoroethyl group, a difluoroethyl group, a trifluoroethyl group, and a pentafluoroethyl group. Among them, a fluorine atom, a trifluoromethyl group and a pentafluoroethyl group are preferable as X.
具体的なスルホニルイミドアニオン(1)としては、例えば、ビス(フルオロスルホニル)イミドアニオン、(フルオロスルホニル)(メチルスルホニル)イミドアニオン、(フルオロスルホニル)(エチルスルホニル)イミドアニオン、(フルオロスルホニル)(トリフルオロメチルスルホニル)イミドアニオン、(フルオロスルホニル)(ペンタフルオロエチルスルホニル)イミドアニオン等が挙げられる。好ましくはビス(フルオロスルホニル)イミドアニオン、(フルオロスルホニル)(トリフルオロメチルスルホニル)イミドアニオン、(フルオロスルホニル)(ペンタフルオロエチルスルホニル)イミドアニオンであり、より好ましくはビス(フルオロスルホニル)イミドアニオン、(フルオロスルホニル)(トリフルオロメチルスルホニル)イミドアニオンである。 Specific examples of the sulfonylimide anion (1) include bis (fluorosulfonyl) imide anion, (fluorosulfonyl) (methylsulfonyl) imide anion, (fluorosulfonyl) (ethylsulfonyl) imide anion, and (fluorosulfonyl) (tri (Fluoromethylsulfonyl) imide anion, (fluorosulfonyl) (pentafluoroethylsulfonyl) imide anion, and the like. Preferred are a bis (fluorosulfonyl) imide anion, a (fluorosulfonyl) (trifluoromethylsulfonyl) imide anion and a (fluorosulfonyl) (pentafluoroethylsulfonyl) imide anion, more preferably a bis (fluorosulfonyl) imide anion, Fluorosulfonyl) (trifluoromethylsulfonyl) imide anion.
本発明の非水電解液には1種のスルホニルイミドアニオン(1)が単独で含まれていてもよく、また、2種以上のスルホニルイミドアニオン(1)が含まれていてもよい。 The non-aqueous electrolyte of the present invention may contain one kind of sulfonylimide anion (1) alone, or may contain two or more kinds of sulfonylimide anions (1).
本発明の非水電解液中において、スルホニルイミドアニオン(1)はカチオンと解離して存在しているが、非水電解液中に分散、溶解させられる前は、カチオンとイオン結合した塩の状態で存在している。本発明の電解液には、リチウムカチオンが必須的に含まれていれば、他のカチオンが含まれていてもよく、リチウム以外の無機カチオン、有機カチオンのいずれであってもよい。 In the non-aqueous electrolyte of the present invention, the sulfonylimide anion (1) is dissociated from the cation, but before being dispersed and dissolved in the non-aqueous electrolyte, the state of the salt ion-bonded to the cation is present. Exists in. The electrolyte solution of the present invention may contain other cations as long as the lithium cation is essential, and may be any of inorganic cations and organic cations other than lithium.
スルホニルイミドアニオン(1)を含有するスルホニルイミド化合物は、本発明の非水電解液においては、電解質塩として機能することも可能であるし、電池の性能向上のための添加剤として機能することも可能である。すなわち、スルホニルイミドアニオン(1)を含有するスルホニルイミド化合物が、例えばリチウム塩の場合は、リチウム電池用電解液の電解質塩として機能することが可能である。 The sulfonylimide compound containing the sulfonylimide anion (1) can function as an electrolyte salt in the nonaqueous electrolytic solution of the present invention, or can function as an additive for improving the performance of a battery. It is possible. That is, when the sulfonylimide compound containing the sulfonylimide anion (1) is, for example, a lithium salt, it can function as an electrolyte salt of a lithium battery electrolyte.
無機カチオンとしては、Li+、Na+、K+、Cs+、Pb+等の1価の無機カチオン;Mg2+、Ca2+、Zn2+、Pd2+、Sn2+、Hg2+、Rh2+、Cu2+、Be2+、Sr2+、Ba2+等の2価の無機カチオン;及びGa3+等の3価の無機カチオンが挙げられる。これらの中でもアルカリ金属カチオン及びアルカリ土類金属カチオンが好ましく、Li+、Na+、Mg2+及びCa2+はイオン半径が小さく電池等に利用し易いためより好ましく、特にLi+が好ましい。 Examples of the inorganic cation include monovalent inorganic cations such as Li + , Na + , K + , Cs + , and Pb + ; Mg 2+ , Ca 2+ , Zn 2+ , Pd 2+ , Sn 2+ , and Hg 2+ , Rh 2+ , Cu 2+ , Be 2+ , Sr 2+ , Ba 2+ and the like; and trivalent inorganic cations such as Ga 3+ . Among these, alkali metal cations and alkaline earth metal cations are preferable, and Li + , Na + , Mg 2+, and Ca 2+ are more preferable because they have a small ionic radius and are easily used in batteries and the like, and Li + is particularly preferable.
有機カチオンとしては、一般式(3):L+−Rs(式中、Lは、C、Si、N、P、S又はOを表し、Rは、同一若しくは異なる有機基であり、互いに結合していてもよい。sはLに結合するRの数を表し、3又は4である。なお、sは、元素Lの価数及びLに直接結合する二重結合の数によって決まる値である)で表されるオニウムカチオンが好適である。 As the organic cation, general formula (3): L + -R s (where L represents C, Si, N, P, S or O, R is the same or different organic group, and is bonded to each other. S represents the number of R bonded to L and is 3 or 4. In addition, s is a value determined by the valence of the element L and the number of double bonds directly bonded to L. The onium cation represented by) is preferred.
上記Rで示される「有機基」としては、水素原子、フッ素原子、又は炭素原子を少なくとも1個有する基を意味する。上記「炭素原子を少なくとも1個有する基」は、炭素原子を少なくとも1個有してさえいればよく、また、ハロゲン原子やヘテロ原子等の他の原子や、置換基等を有していてもよい。置換基としては、例えば、アミノ基、イミノ基、アミド基、エーテル結合を有する基、チオエーテル結合を有する基、エステル基、ヒドロキシル基、アルコキシ基、カルボキシル基、カルバモイル基、シアノ基、ジスルフィド基、ニトロ基、ニトロソ基、スルホニル基等が挙げられる。 The “organic group” represented by the above R means a group having at least one hydrogen atom, fluorine atom, or carbon atom. The “group having at least one carbon atom” may be any group as long as it has at least one carbon atom, and may have another atom such as a halogen atom or a hetero atom, or a substituent. Good. Examples of the substituent include an amino group, an imino group, an amide group, a group having an ether bond, a group having a thioether bond, an ester group, a hydroxyl group, an alkoxy group, a carboxyl group, a carbamoyl group, a cyano group, a disulfide group, and a nitro group. Group, nitroso group, sulfonyl group and the like.
オニウムカチオンの中でも、テトラエチルアンモニウム、テトラブチルアンモニウム及びトリエチルメチルアンモニウム等の鎖状第4級アンモニウム;トリエチルアンモニウム、トリブチルアンモニウム、ジブチルメチルアンモニウム及びジメチルエチルアンモニウム等の鎖状第3級アンモニウム;1−エチル−3−メチルイミダゾリウム及び1,2,3−トリメチルイミダゾリウム等のイミダゾリウム;N,N−ジメチルピロリジニウム及びN−エチル−N−メチルピロリジニウム等のピロリジニウムは入手容易であるためより好ましい。さらに好ましいものとしては、第4級アンモニウム、イミダゾリウムが挙げられる。なお、耐還元性の観点からは、上記鎖状オニウムカチオンに分類されるテトラエチルアンモニウム、テトラブチルアンモニウム及びトリエチルメチルアンモニウム等の第4級アンモニウムがさらに好ましい。 Among the onium cations, chain quaternary ammonium such as tetraethylammonium, tetrabutylammonium and triethylmethylammonium; chain tertiary ammonium such as triethylammonium, tributylammonium, dibutylmethylammonium and dimethylethylammonium; 1-ethyl- Imidazolium such as 3-methylimidazolium and 1,2,3-trimethylimidazolium; and pyrrolidinium such as N, N-dimethylpyrrolidinium and N-ethyl-N-methylpyrrolidinium are more preferable because they are easily available. . More preferred are quaternary ammonium and imidazolium. From the viewpoint of reduction resistance, quaternary ammoniums such as tetraethylammonium, tetrabutylammonium, and triethylmethylammonium, which are classified as the chain onium cations, are more preferable.
非水電解液中で解離してスルホニルイミドアニオン(1)を生成するスルホニルイミド化合物(スルホニルイミドアニオン(1)を有する化合物)としては、上述したスルホニルイミドアニオン(1)とリチウム、必要により他のカチオンとの組み合わせであればよいが、例えば、リチウムビス(フルオロスルホニル)イミド(LiFSI)、リチウム(フルオロスルホニル)(メチルスルホニル)イミド、リチウム(フルオロスルホニル)(エチルスルホニル)イミド、リチウム(フルオロスルホニル)(トリフルオロメチルスルホニル)イミド、リチウム(フルオロスルホニル)(ペンタフルオロエチルスルホニル)イミド、トリエチルメチルアンモニウムビス(フルオロスルホニル)イミド、テトラエチルアンモニウムビス(フルオロスルホニル)イミド、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムビス(フルオロスルホニル)イミド、テトラエチルアンモニウム(フルオロスルホニル)(トリフルオロメチルスルホニル)イミド、1−エチル−3−メチルイミダゾリウム(フルオロスルホニル)(トリフルオロメチルスルホニル)イミド等が挙げられる。 Examples of the sulfonylimide compound (compound having the sulfonylimide anion (1)) that dissociates in the nonaqueous electrolyte to generate the sulfonylimide anion (1) include the above-described sulfonylimide anion (1) and lithium, and if necessary, other compounds. Any combination with a cation may be used. For example, lithium bis (fluorosulfonyl) imide (LiFSI), lithium (fluorosulfonyl) (methylsulfonyl) imide, lithium (fluorosulfonyl) (ethylsulfonyl) imide, lithium (fluorosulfonyl) (Trifluoromethylsulfonyl) imide, lithium (fluorosulfonyl) (pentafluoroethylsulfonyl) imide, triethylmethylammonium bis (fluorosulfonyl) imide, tetraethylammonium bis (fluorosulfonyl) Imide, 1-ethyl-3-methylimidazolium bis (fluorosulfonyl) imide, tetraethylammonium (fluorosulfonyl) (trifluoromethylsulfonyl) imide, 1-ethyl-3-methylimidazolium (fluorosulfonyl) (trifluoromethylsulfonyl) ) Imide and the like.
スルホニルイミド化合物は、1種を単独で使用してもよく、2種以上を組み合わせて使用してもよい。また、スルホニルイミド化合物は、市販品を使用してもよいし、従来公知の方法により合成した物を用いてもよい。 As the sulfonylimide compound, one type may be used alone, or two or more types may be used in combination. As the sulfonylimide compound, a commercially available product may be used, or a compound synthesized by a conventionally known method may be used.
1−2.他のアニオン
本発明の非水電解液は、さらに、下記一般式(7)、一般式(8)で表されるアニオン及びヘキサフルオロ砒酸イオン(AsF6 -)よりなる群から選択される少なくとも1種のアニオンを含んでいてもよい。
[PFl(CmF2m+1)6-l]- (0≦l≦6、1≦m≦4) (7)
[BFn(CoF2o+1)4-n]- (0≦n≦4、1≦o≦4) (8)
1-2. Other anions The non-aqueous electrolyte of the present invention further comprises at least one anion represented by the following general formulas (7) and (8) and at least one selected from the group consisting of hexafluoroarsenate ions (AsF 6 − ). Species anions may be included.
[PF l (C m F 2m + 1 ) 6-l ] - (0 ≦ l ≦ 6, 1 ≦ m ≦ 4) (7)
[BF n (C o F 2o + 1) 4-n] - (0 ≦ n ≦ 4,1 ≦ o ≦ 4) (8)
一般式(7)で表されるアニオン(以下、アニオン(7)と称する場合がある)としては、PF6 -、PF3(CF3)3 -、PF3(C2F5)3 -、PF3(C3F7)3 -、PF3(C4F9)3 -等が好ましいものとして挙げられる。より好ましくはPF6 -、PF3(C2F5)3 -であり、さらに好ましくはPF6 -である。 Examples of the anion represented by the general formula (7) (hereinafter sometimes referred to as anion (7)) include PF 6 − , PF 3 (CF 3 ) 3 − , PF 3 (C 2 F 5 ) 3 − , Preferred are PF 3 (C 3 F 7 ) 3 − and PF 3 (C 4 F 9 ) 3 − . More preferably PF 6 -, PF 3 (C 2 F 5) 3 - and, even more preferably PF 6 - is.
一般式(8)で表されるアニオン(以下、アニオン(8)と称する場合がある)としては、BF4 -、BF(CF3)3 -、BF(C2F5)3 -、BF(C3F7)3 -等が好ましいものとして挙げられ、BF4 -、BF(CF3)3 -がより好ましく、BF4 -がさらに好ましい。 Examples of the anion represented by the general formula (8) (hereinafter sometimes referred to as anion (8)) include BF 4 − , BF (CF 3 ) 3 − , BF (C 2 F 5 ) 3 − , and BF ( C 3 F 7 ) 3- and the like are preferred, BF 4 - and BF (CF 3 ) 3 - are more preferred, and BF 4 - is more preferred.
上記非水電解液では、スルホニルイミドアニオン(1)の含有量が、スルホニルイミドアニオン(1)と、上記一般式(7)、一般式(8)で表されるアニオン及びヘキサフルオロ砒酸イオン(AsF6 -)の合計100mol%中、20mol%以上であることが好ましい。本発明は、スルホニルイミドアニオンを有する化合物のラジカルによる分解を抑制するものであるので、スルホニルイミドアニオンの含有量が全体のアニオン量の20mol%より少ないと、一般式(2)で表される化合物を添加する効果が発現しにくくなるからである。スルホニルイミドアニオンの含有量は、全体のアニオン量の30mol%以上がより好ましく、50mol%以上がさらに好ましい。 In the nonaqueous electrolyte, the content of the sulfonylimide anion (1) is the same as that of the sulfonylimide anion (1), the anion represented by the general formulas (7) and (8), and the hexafluoroarsenate ion (AsF). 6 - in total 100 mol% of), is preferably at least 20 mol%. Since the present invention suppresses the decomposition of a compound having a sulfonylimide anion by a radical, when the content of the sulfonylimide anion is less than 20 mol% of the total anion amount, the compound represented by the general formula (2) This is because the effect of adding is difficult to develop. The content of the sulfonylimide anion is more preferably 30 mol% or more, more preferably 50 mol% or more of the total anion amount.
本発明の非水電解液は、さらに他のアニオンを含んでいてもよい。他のアニオンとしては、トリフルオロメタンスルホン酸イオン(CF3SO3 -)、過塩素酸イオン(ClO4 -)、テトラシアノホウ酸イオン([B(CN)4]-)、テトラクロロアルミニウムイオン(AlCl4 -)、トリシアノメチドイオン(C[(CN)3]-)、ジシアナミドイオン(N[(CN)2]-)、トリス(トリフルオロメタンスルホニル)メチドイオン(C[(CF3SO2)3]-)、ヘキサフルオロアンチモン酸イオン(SbF6 -)およびジシアノトリアゾレートイオン(DCTA)等が挙げられる。 The non-aqueous electrolyte of the present invention may further contain other anions. Other anions include trifluoromethanesulfonic acid ion (CF 3 SO 3 − ), perchlorate ion (ClO 4 − ), tetracyanoborate ion ([B (CN) 4 ] − ), tetrachloroaluminum ion ( AlCl 4 − ), tricyanomethide ion (C [(CN) 3 ] − ), dicyanamide ion (N [(CN) 2 ] − ), tris (trifluoromethanesulfonyl) methide ion (C [(CF 3 SO 2 ) 3 ] − ), hexafluoroantimonate ion (SbF 6 − ), and dicyanotriazolate ion (DCTA).
これらのアニオンは、スルホニルイミドアニオンの対カチオンとして例示したカチオンと組み合わせて、電解質塩として非水電解液に含めることで利用できる。 These anions can be used by being included in the non-aqueous electrolyte as an electrolyte salt in combination with the cation exemplified as the counter cation of the sulfonylimide anion.
本発明の非水電解液中の電解質塩(スルホニルイミドアニオンを有する化合物、アニオン(7)を有する化合物、アニオン(8)を有する化合物、AsF6 -1を有する化合物及び他の電解質塩)の総和量は、特に限定はされないが、0.6mol/L以上であるのが好ましく、より好ましくは0.8mol/L以上であり、さらに好ましくは1.0mol/L以上であり、5.0mol/L以下であるのが好ましく、より好ましくは3.0mol/L以下であり、さらに好ましくは2.0mol/L以下である。電解質塩の非水電解液中の濃度が高すぎると非水電解液の粘度が上昇してイオン伝導度が低下する虞がある。一方、濃度が低すぎると電池性能が劣る場合がある。 Sum of electrolyte salts (compound having sulfonylimide anion, compound having anion (7), compound having anion (8), compound having AsF 6 -1 and other electrolyte salts) in the non-aqueous electrolyte of the present invention. The amount is not particularly limited, but is preferably 0.6 mol / L or more, more preferably 0.8 mol / L or more, still more preferably 1.0 mol / L or more, and 5.0 mol / L. It is preferably at most 3.0 mol / L, more preferably at most 2.0 mol / L. If the concentration of the electrolyte salt in the non-aqueous electrolyte is too high, the viscosity of the non-aqueous electrolyte may increase and the ionic conductivity may decrease. On the other hand, if the concentration is too low, the battery performance may be poor.
1−3.リチウムカチオン
本発明の非水電解液はリチウムカチオンを含む。リチウムカチオンは、スルホニルイミド化合物に由来するものであってもよく、また上述の電解質塩に由来するものであってもよい。本発明の非水電解液に含まれるリチウムカチオンの濃度は0.6mol/L以上であるのが好ましい。本発明の非水電解液のリチウムカチオン濃度は0.8mol/L以上であるのがより好ましく、さらに好ましくは1.0mol/L以上である。リチウムカチオン濃度が高すぎると電解液の粘度が上昇し、イオン伝導度が低下する虞があるので、好ましくは飽和濃度以下で使用するのが好ましい。より好ましくは5.0mol/L以下であり、さらに好ましくは2.0mol/L以下である。
1-3. Lithium cation The non-aqueous electrolyte of the present invention contains a lithium cation. The lithium cation may be derived from a sulfonylimide compound, or may be derived from the above-mentioned electrolyte salt. The concentration of lithium cation contained in the non-aqueous electrolyte of the present invention is preferably 0.6 mol / L or more. The lithium cation concentration of the non-aqueous electrolyte of the present invention is more preferably 0.8 mol / L or more, and further preferably 1.0 mol / L or more. If the lithium cation concentration is too high, the viscosity of the electrolytic solution may increase and the ionic conductivity may decrease. Therefore, it is preferable to use the lithium cation at a saturation concentration or lower. It is more preferably at most 5.0 mol / L, even more preferably at most 2.0 mol / L.
ここで「非水電解液中のリチウムカチオンの濃度」とは、本発明の非水電解液に含まれる全リチウムカチオン量に基づく値であり、例えば、2種以上のリチウムカチオンを有する電解質塩を使用する場合は、使用した電解質塩から生成するリチウムカチオンの合計量に、また、スルホニルイミド化合物にリチウムカチオンが含まれる場合は、スルホニルイミド化合物に含まれるリチウムカチオンと、併用する電解質塩に含まれるリチウムカチオンとの合計量に基づいて求められる値を非水電解液中のリチウムカチオンの濃度とする。スルホニルイミド化合物にリチウムカチオンが含まれない場合は、併用する電解質塩(リチウムカチオン含有)の濃度の総和を上記リチウムカチオン濃度と考えればよい。 Here, the “concentration of lithium cation in the non-aqueous electrolyte” is a value based on the total amount of lithium cations contained in the non-aqueous electrolyte of the present invention. For example, an electrolyte salt having two or more lithium cations may be used. When used, the total amount of lithium cations generated from the used electrolyte salt, and when the sulfonylimide compound contains a lithium cation, the lithium cation contained in the sulfonylimide compound and the electrolyte salt used in combination The value obtained based on the total amount of lithium cation and lithium cation is defined as the concentration of lithium cation in the non-aqueous electrolyte. When a lithium cation is not contained in the sulfonylimide compound, the total of the concentrations of the electrolyte salt (containing lithium cation) used in combination may be considered as the lithium cation concentration.
1−4.リン酸系化合物
本発明の非水電解液には、下記一般式(2)で表されるリン酸系化合物が必須成分として含まれる。
1-4. Phosphoric acid compound The nonaqueous electrolyte solution of the present invention contains a phosphoric acid compound represented by the following general formula (2) as an essential component.
(上記一般式(2)中、Ra、Rbは、それぞれ独立して水素、C1〜C4のアルキル基又は置換基を有していてもよいフェニル基を表し、p、qは0又は1である。) (In the above general formula (2), R a and R b each independently represent hydrogen, a C 1 to C 4 alkyl group or a phenyl group which may have a substituent, and p and q represent 0 Or 1.)
上記リン酸系化合物は正極表面に保護被膜を形成するため、スルホニルイミド化合物が正極の活性を高める場合であっても、正極近傍で電解液が分解し分解生成物が負極上に堆積して対向するセパレーターを目詰まりさせることを抑制できる。リン酸系化合物は、後述するスルホン構造を有する化合物と併用しない場合は、単独で多量に添加すると、電池性能、特に高電圧下、高温保存後のレート特性を低下させるおそれがある。 Since the phosphoric acid-based compound forms a protective film on the surface of the positive electrode, even when the sulfonylimide compound enhances the activity of the positive electrode, the electrolytic solution decomposes near the positive electrode, and decomposition products are deposited on the negative electrode to face each other. Clogging of the separator can be suppressed. When the phosphoric acid-based compound is not used in combination with a compound having a sulfone structure described below, if it is added alone in a large amount, the battery performance, particularly the rate characteristics after high-temperature storage at high voltage may be reduced.
上記一般式(2)中のRa、Rbは、水素、メチル基、エチル基、ブチル基、プロピル基といったC1〜C4のアルキル基、又は置換基を有していてもよいフェニル基である。Ra、Rbは、同じでも異なっていてもよい。置換基としては、カルボキシ基、シアノ基、N置換アミノ基、ニトロ基、炭素数1〜20のアルキル基、フルオロアルキル基、アルコキシ基、アルコキシカルボニル基、アシル基、シアノアルキル基、シアノアルコキシ基、シアノアルキルスルホニル基、アルキルスルホニル基等が挙げられる。pとqが共に1の場合、P(リン原子)には、水酸基、C1〜C4のアルコキシ基、又はフェノキシ基が結合することになる。 R a and R b in the general formula (2) represent hydrogen, a C 1 to C 4 alkyl group such as a methyl group, an ethyl group, a butyl group, and a propyl group, or a phenyl group which may have a substituent. It is. R a and R b may be the same or different. Examples of the substituent include a carboxy group, a cyano group, an N-substituted amino group, a nitro group, an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, a fluoroalkyl group, an alkoxy group, an alkoxycarbonyl group, an acyl group, a cyanoalkyl group, a cyanoalkoxy group, Examples thereof include a cyanoalkylsulfonyl group and an alkylsulfonyl group. If p and q are both 1, the P (phosphorus atom), so that a hydroxyl group, an alkoxy group of C 1 -C 4, or a phenoxy group is attached.
具体的なリン酸系化合物としては、上記一般式(2)中、Ra、Rbがいずれも水素であり、pが0、qが1である亜リン酸(H3PO3)、上記一般式(2)中、Raが水素、Rbがフェニル基であり、p、qが共に0であるフェニルホスフィン酸、上記一般式(2)中、Ra、Rbがいずれもフェニル基であり、p、qが共に1であるリン酸ジフェニル等が挙げられ、中でも亜リン酸が好ましい。 Specific examples of the phosphoric acid compound include phosphorous acid (H 3 PO 3 ) in which R a and R b are both hydrogen and p is 0 and q is 1 in the general formula (2). In the general formula (2), R a is hydrogen, R b is a phenyl group, and p and q are both 0, and in the above general formula (2), both R a and R b are phenyl groups. And diphenyl phosphate in which p and q are both 1, and the like, and among them, phosphorous acid is preferable.
上記リン酸系化合物は、非水電解液100質量%中、0.01質量%以上、1質量%以下の範囲で用いることが好ましい。0.01質量%よりも少ないと、高電圧下、高温保存時の電解液の分解を抑制する効果が不充分となることがあり、1質量%を超えて添加すると、電池性能そのものが低下する虞があり好ましくない。より好ましくは、0.03質量%以上、0.5質量%以下であり、さらに好ましくは、0.05質量%以上、0.2質量%以下である。 The phosphoric acid compound is preferably used in a range of 0.01% by mass or more and 1% by mass or less in 100% by mass of the nonaqueous electrolyte. If the amount is less than 0.01% by mass, the effect of suppressing the decomposition of the electrolytic solution during high-temperature storage at a high voltage may be insufficient. If the amount exceeds 1% by mass, the battery performance itself deteriorates. There is a fear that this is not preferable. More preferably, it is 0.03% by mass or more and 0.5% by mass or less, and still more preferably 0.05% by mass or more and 0.2% by mass or less.
1−5.スルホン構造を有する化合物
本発明の非水電解液は、スルホン構造を有する化合物を添加剤として含有することが好ましい。スルホン構造を有する化合物とは、スルホン酸エステル及び/又はスルホン化合物である。電解液にリン酸系化合物を添加することで形成される正極表面の保護被膜は、正極近傍での電解液材料の分解を抑制し、セパレーターの目詰まりを防ぐが、正極の抵抗を上昇させ、電池性能を低下させてしまう。スルホン酸エステル及び/又はスルホン化合物は、こういった正極の抵抗上昇を抑制する効果を有する。そのメカニズムは、スルホン酸エステル及び/又はスルホン化合物がリン酸系化合物よりも先に被膜を形成し、リン酸化合物由来の高抵抗な保護被膜の成長を抑制するためと推測される。その結果、前記したリン酸系化合物の効果も相まって、本発明の非水電解液を備えたリチウム二次電池は、高電圧下、高温保存後の特性の低下が生じ難いものになると考えられる。リン酸系化合物とスルホン構造を有する化合物の併用により、電解液の分解生成物の発生も抑制されることから、特に高温保存後のレート特性の改善に効果的であり、本発明の非水電解液の好適な実施態様である。
1-5. Compound having a sulfone structure The non-aqueous electrolyte of the present invention preferably contains a compound having a sulfone structure as an additive. The compound having a sulfone structure is a sulfonate and / or a sulfone compound. The protective coating on the positive electrode surface formed by adding a phosphoric acid compound to the electrolytic solution suppresses decomposition of the electrolytic solution material near the positive electrode and prevents clogging of the separator, but increases the resistance of the positive electrode, Battery performance will be reduced. The sulfonic acid ester and / or sulfone compound has an effect of suppressing such an increase in the resistance of the positive electrode. The mechanism is presumed to be because the sulfonic acid ester and / or the sulfone compound forms a film before the phosphoric acid-based compound, and suppresses the growth of a high-resistance protective film derived from the phosphoric acid compound. As a result, it is considered that the lithium secondary battery provided with the nonaqueous electrolytic solution of the present invention hardly causes deterioration in characteristics after high-temperature storage at high voltage, in combination with the effect of the above-mentioned phosphoric acid compound. The combined use of a phosphoric acid compound and a compound having a sulfone structure also suppresses the generation of decomposition products of the electrolytic solution, and is particularly effective for improving the rate characteristics after storage at high temperatures. It is a preferred embodiment of the liquid.
スルホン酸エステルとは、R1−S(O)2−O−R2で表される化合物であり、R1、R2は、炭素数1〜10の炭化水素基を表す。当該炭化水素基は、鎖状、分岐鎖状、環状、又は、これらの内2以上の構造を併せ持っていてもよく、また、炭化水素基を構成する炭素に結合する一部又は全部の水素原子は、ハロゲンで置換されていてもよい。より好ましくは、炭素数1〜6の炭化水素基である。具体的には、アルキル基、アリール基、フルオロアルキル基、フルオロアリール基等が挙げられる。上記R1とR2とは、同一若しくは異なっていてもよく、またR1、R2は結合して環を形成していてもよい。具体的なスルホン酸エステルとしては、1,3−プロパンサルトン、1,3−ブタンサルトン、1,4−ブタンサルトン、2,4−ブタンサルトン、1,5−ペンタンサルトン、2,4−ペンタンサルトン、1,4−へキサンサルトン、4,6−ヘプタンサルトン等の環状スルホン酸エステル;メタンスルホン酸メチル、ベンゼンスルホン酸メチル、トリフルオロメタンスルホン酸メチル等の鎖状スルホン酸エステルが挙げられる。上記スルホン酸エステルの中でも環状スルホン酸エステルが好ましく、1,3−プロパンサルトン、1,4−ブタンサルトン、2,4−ブタンサルトンがより好ましく、さらに好ましくは1,3−プロパンサルトン、1,4−ブタンサルトンであり、特に好ましくは1,4−ブタンサルトンである。 The sulfonic acid ester is a compound represented by R 1 —S (O) 2 —O—R 2 , wherein R 1 and R 2 represent a hydrocarbon group having 1 to 10 carbon atoms. The hydrocarbon group may be chain-like, branched-chain, cyclic, or may have two or more of these structures, and may have some or all of the hydrogen atoms bonded to carbon constituting the hydrocarbon group. May be substituted with halogen. More preferably, it is a hydrocarbon group having 1 to 6 carbon atoms. Specific examples include an alkyl group, an aryl group, a fluoroalkyl group, a fluoroaryl group, and the like. R 1 and R 2 may be the same or different, and R 1 and R 2 may combine to form a ring. Specific sulfonic acid esters include 1,3-propane sultone, 1,3-butane sultone, 1,4-butane sultone, 2,4-butane sultone, 1,5-pentane sultone and 2,4-pentane sultone Sulfonic acid esters such as 1,4-hexanesultone and 4,6-heptanesultone; and linear sulfonic acid esters such as methyl methanesulfonate, methyl benzenesulfonate and methyl trifluoromethanesulfonate. Among the sulfonic acid esters, cyclic sulfonic acid esters are preferable, 1,3-propane sultone, 1,4-butane sultone, and 2,4-butane sultone are more preferable, and 1,3-propane sultone, 1,4 and 1,4 are more preferable. -Butane sultone, particularly preferably 1,4-butane sultone.
スルホン化合物とは、分子内にスルホン結合(R1−SO2−R2)を有する化合物である(R1とR2は、スルホン酸エステルと同様)。具体的なスルホン化合物としては、スルホラン、3−メチルスルホラン等の環状スルホン化合物、エチルメチルスルホン、ジフェニルスルホン、ビス(4−フルオロフェニル)スルホン等の鎖状スルホン化合物が挙げられる。上記スルホニル基を有する化合物の中でも、スルホラン、3−メチルスルホラン、エチルメチルスルホンが好ましく、スルホランがより好ましい。 The sulfone compound is a compound having a sulfone bond (R 1 -SO 2 -R 2 ) in the molecule (R 1 and R 2 are the same as the sulfonic acid ester). Specific examples of the sulfone compound include a cyclic sulfone compound such as sulfolane and 3-methylsulfolane, and a chain sulfone compound such as ethylmethyl sulfone, diphenyl sulfone and bis (4-fluorophenyl) sulfone. Among the compounds having a sulfonyl group, sulfolane, 3-methylsulfolane, and ethylmethylsulfone are preferable, and sulfolane is more preferable.
上記スルホン酸エステル及び/又はスルホン化合物は、1種を単独で使用してもよく、2種以上を組み合わせて使用してもよい。 The sulfonic acid ester and / or the sulfone compound may be used alone or in a combination of two or more.
スルホン構造を有する化合物は、非水電解液100質量%中、0.01〜3質量%とすることが好ましい。0.01質量%よりも少ないと、スルホン構造を有する化合物に由来する効果を十分に得ることができない虞があり、一方、3質量%を超えて添加すると、電池性能そのものが低下する虞がある。スルホン構造を有する化合物の含有量は、より好ましくは0.1〜2質量%であり、さらに好ましくは0.5〜1.5質量%である。
なお、非水電解液100質量%とは、スルホニルイミド化合物、他の電解質塩、スルホン構造を有する化合物、リン酸系化合物、溶媒、必要に応じて用いられる添加剤といった電解液を構成する成分すべての合計量である。
The content of the compound having a sulfone structure is preferably 0.01 to 3% by mass in 100% by mass of the nonaqueous electrolyte. When the amount is less than 0.01% by mass, the effect derived from the compound having a sulfone structure may not be sufficiently obtained. On the other hand, when the amount exceeds 3% by mass, the battery performance itself may be reduced. . The content of the compound having a sulfone structure is more preferably 0.1 to 2% by mass, and still more preferably 0.5 to 1.5% by mass.
In addition, 100% by mass of the nonaqueous electrolyte refers to all components constituting the electrolyte such as a sulfonylimide compound, another electrolyte salt, a compound having a sulfone structure, a phosphoric acid compound, a solvent, and additives used as necessary. Is the total amount of
1−6.溶媒
本発明の非水電解液は溶媒を含む。溶媒としては、本発明の非水電解液に含まれる各種成分を溶解させることができれば特に限定されず、非水系溶媒や、ポリマー及びポリマーゲル等の媒体等、電池に用いられる従来公知の溶媒はいずれも使用できる。
1-6. Solvent The non-aqueous electrolyte of the present invention contains a solvent. The solvent is not particularly limited as long as it can dissolve various components contained in the nonaqueous electrolytic solution of the present invention.Non-aqueous solvents and media such as polymers and polymer gels, and conventionally known solvents used for batteries include Either can be used.
非水系溶媒としては、誘電率が大きく、スルホニルイミド化合物の溶解性が高く、沸点が60℃以上であり、且つ、電気化学的安定範囲が広い溶媒が好適である。より好ましくは、含有水分量が低い有機溶媒である。このような有機溶媒としては、エチレングリコールジメチルエーテル、エチレングリコールジエチルエーテル、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、2,6−ジメチルテトラヒドロフラン、テトラヒドロピラン、クラウンエーテル、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エ−テル、1,4−ジオキサン、1,3−ジオキソラン等のエーテル類;炭酸ジメチル、炭酸エチルメチル、炭酸ジエチル、炭酸ジフェニル、炭酸メチルフェニル等の鎖状炭酸エステル類;炭酸エチレン、炭酸プロピレン、2,3−ジメチル炭酸エチレン、炭酸ブチレン、炭酸ビニレン、2−ビニル炭酸エチレン等の環状炭酸エステル類;フルオロエチレンカーボネート、trans−ジフルオロエチレンカーボネート、cis−ジフルオロエチレンカーボネート等のフッ素化環状炭酸エステル;蟻酸メチル、酢酸メチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、酢酸エチル、酢酸プロピル、酢酸ブチル、酢酸アミル等の脂肪族カルボン酸エステル類;安息香酸メチル、安息香酸エチル等の芳香族カルボン酸エステル類;γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン、δ−バレロラクトン等のラクトン類;リン酸トリメチル、リン酸エチルジメチル、リン酸ジエチルメチル、リン酸トリエチル等のリン酸エステル類;リン酸トリフルオロエチルジメチル、リン酸ビス(トリフルオロエチル)メチル、リン酸トリス(トリフルオロエチル)、リン酸ペンタフルオロプロピルジメチル、リン酸トリフルオロエチルメチルエチル、リン酸ペンタフルオロプロピルメチルエチル、リン酸トリフルオロエチルメチルプロピル等のハロゲン化リン酸エステル類;モノホスファゼン、環状ホスファゼン、鎖状ホスファゼン等のホスファゼン化合物;アセトニトリル、プロピオニトリル、メトキシプロピオニトリル、グルタロニトリル、アジポニトリル、2−メチルグルタロニトリル、バレロニトリル、ブチロニトリル、イソブチロニトリル等のニトリル類;N−メチルホルムアミド、N−エチルホルムアミド、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N−メチルピロリジノン、N−ビニルピロリドン等のアミド類;ジメチルスルホン、エチルメチルスルホン、ジエチルスルホン、スルホラン、3−メチルスルホラン、2,4−ジメチルスルホラン等の硫黄化合物類:エチレングリコール、プロピレングリコール、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル等のアルコール類;ジメチルスルホキシド、メチルエチルスルホキシド、ジエチルスルホキシド等のスルホキシド類;ベンゾニトリル、トルニトリル等の芳香族ニトリル類;ニトロメタン、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン、1,3−ジメチル−3,4,5,6−テトラヒドロ−2(1H)−ピリミジノン、3−メチル−2−オキサゾリジノン等を挙げることができる。 As the non-aqueous solvent, a solvent having a large dielectric constant, a high solubility of the sulfonylimide compound, a boiling point of 60 ° C. or higher, and a wide electrochemical stability range is preferable. More preferably, the organic solvent has a low water content. Examples of such an organic solvent include ethylene glycol dimethyl ether, ethylene glycol diethyl ether, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, 2,6-dimethyltetrahydrofuran, tetrahydropyran, crown ether, triethylene glycol dimethyl ether, tetraethylene glycol dimethyl ether, Ethers such as 1,4-dioxane and 1,3-dioxolane; chain-like carbonic esters such as dimethyl carbonate, ethylmethyl carbonate, diethyl carbonate, diphenyl carbonate and methylphenyl carbonate; ethylene carbonate, propylene carbonate, 2,3- Cyclic carbonates such as dimethyl ethylene carbonate, butylene carbonate, vinylene carbonate and 2-vinyl ethylene carbonate; fluoroethylene carbonate, trans-difluoroethylene carbonate And fluorinated cyclic carbonates such as cis-difluoroethylene carbonate; aliphatic carboxylic acid esters such as methyl formate, methyl acetate, methyl propionate, ethyl propionate, ethyl acetate, propyl acetate, butyl acetate and amyl acetate; Aromatic carboxylic esters such as methyl benzoate and ethyl benzoate; lactones such as γ-butyrolactone, γ-valerolactone, and δ-valerolactone; trimethyl phosphate, ethyl dimethyl phosphate, diethyl methyl phosphate, phosphoric acid Phosphate esters such as triethyl; trifluoroethyldimethylphosphate, bis (trifluoroethyl) methylphosphate, tris (trifluoroethyl) phosphate, pentafluoropropyldimethylphosphate, trifluoroethylmethylethylphosphate, phosphorus Pentafluoropropionate Halogenated phosphoric acid esters such as methylethyl and trifluoroethylmethylpropyl phosphate; phosphazene compounds such as monophosphazene, cyclic phosphazene and chain phosphazene; acetonitrile, propionitrile, methoxypropionitrile, glutaronitrile, adiponitrile; Nitriles such as 2-methylglutaronitrile, valeronitrile, butyronitrile, isobutyronitrile; N-methylformamide, N-ethylformamide, N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, N-methylpyrrolidinone, Amides such as N-vinylpyrrolidone; sulfur compounds such as dimethyl sulfone, ethyl methyl sulfone, diethyl sulfone, sulfolane, 3-methyl sulfolane, 2,4-dimethyl sulfolane: ethylene glycol Alcohols such as propylene glycol, ethylene glycol monomethyl ether and ethylene glycol monoethyl ether; sulfoxides such as dimethyl sulfoxide, methyl ethyl sulfoxide and diethyl sulfoxide; aromatic nitriles such as benzonitrile and tolunitrile; nitromethane; -Dimethyl-2-imidazolidinone, 1,3-dimethyl-3,4,5,6-tetrahydro-2 (1H) -pyrimidinone, 3-methyl-2-oxazolidinone, and the like.
これらの中でも、鎖状炭酸エステル類、環状炭酸エステル類、脂肪族カルボン酸エステル類、ラクトン類、エーテル類が好ましく、炭酸ジメチル、炭酸エチルメチル、炭酸ジエチル、エチレンカーボネート(炭酸エチレン)、プロピレンカーボネート(炭酸プロピレン)、γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン等がより好ましい。上記非水系溶媒は1種を単独で用いてもよく、又、2種以上を組み合わせて用いてもよい。 Of these, chain carbonates, cyclic carbonates, aliphatic carboxylic esters, lactones and ethers are preferred, and dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, diethyl carbonate, ethylene carbonate (ethylene carbonate), propylene carbonate ( Propylene carbonate), γ-butyrolactone, γ-valerolactone and the like are more preferred. One of the above non-aqueous solvents may be used alone, or two or more may be used in combination.
ポリマーやポリマーゲルを溶媒として用いる場合は次の方法を採用すればよい。すなわち、従来公知の方法で成膜したポリマーに、上述の非水系溶媒に各種成分(スルホニルイミド化合物、他の電解質塩、スルホン構造を有する化合物、リン酸系化合物、必要に応じて用いられる添加剤)等を溶解させた溶液を滴下して、各種成分等並びに非水系溶媒を含浸、担持させる方法;ポリマーの融点以上の温度でポリマー、各種成分等を溶融、混合した後、成膜し、ここに非水系溶媒を含浸させる方法;予め各種成分等を非水系溶媒に溶解させた電解液とポリマーとを混合した後、これをキャスト法やコーティング法により成膜し、有機溶媒を揮発させる方法(以上、ゲル電解質);ポリマーの融点以上の温度でポリマー、各種成分等を溶融し、混合して成形する方法(真性ポリマー電解質);等が挙げられる。 When a polymer or polymer gel is used as a solvent, the following method may be employed. That is, various components (sulfonylimide compounds, other electrolyte salts, compounds having a sulfone structure, phosphoric acid compounds, and additives used as necessary) are added to the above-mentioned non-aqueous solvent in a polymer formed by a conventionally known method. ), Etc., by dropping a solution in which various components and the like and a non-aqueous solvent are impregnated and supported; melting and mixing the polymer and various components at a temperature equal to or higher than the melting point of the polymer; A method of impregnating a non-aqueous solvent with a polymer; a method of mixing an electrolyte solution in which various components and the like are dissolved in a non-aqueous solvent in advance with a polymer, forming a film by a casting method or a coating method, and volatilizing the organic solvent ( As described above, a gel electrolyte); a method in which a polymer, various components, and the like are melted at a temperature equal to or higher than the melting point of the polymer, mixed, and molded (intrinsic polymer electrolyte);
上記方法に用いられるポリマーとしては、エポキシ化合物(エチレンオキシド、プロピレンオキシド、ブチレンオキシド、アリルグリシジルエーテル等)の単独重合体又は共重合体であるポリエチレンオキシド(PEO)、ポリプロピレンオキシド等のポリエーテル系ポリマー、ポリメチルメタクリレート(PMMA)等のメタクリル系ポリマー、ポリアクリロニトリル(PAN)等のニトリル系ポリマー、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン等のフッ素系ポリマー、及びこれらの共重合体等が挙げられる。 Examples of the polymer used in the above method include polyether polymers such as polyethylene oxide (PEO), which is a homopolymer or copolymer of epoxy compounds (ethylene oxide, propylene oxide, butylene oxide, allyl glycidyl ether, etc.), polypropylene oxide, and the like. Methacrylic polymers such as polymethyl methacrylate (PMMA), nitrile polymers such as polyacrylonitrile (PAN), fluoropolymers such as polyvinylidene fluoride (PVdF), polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene, and copolymers thereof. Is mentioned.
なお、溶媒の分解を防ぎ、本発明の非水電解液をリチウムイオン二次電池に使用した場合のサイクル特性(寿命)の劣化を抑制する観点からは、溶媒として環状カーボネートを使用することが推奨される。環状カーボネートとしては、上述した飽和環状カーボネート、不飽和結合を有する環状カーボネート、フッ素含有環状カーボネート等が挙げられる。これらの中でも、コスト面からは飽和環状カーボネートが好ましく、特に炭酸エチレン、炭酸プロピレンが好ましい。環状カーボネートは1種を単独で用いてもよく、又は2種以上を組み合わせて用いてもよい。 From the viewpoint of preventing decomposition of the solvent and suppressing deterioration of cycle characteristics (life) when the nonaqueous electrolyte of the present invention is used for a lithium ion secondary battery, it is recommended to use a cyclic carbonate as a solvent. Is done. Examples of the cyclic carbonate include the above-described saturated cyclic carbonate, a cyclic carbonate having an unsaturated bond, a fluorine-containing cyclic carbonate, and the like. Among these, saturated cyclic carbonate is preferred from the viewpoint of cost, and ethylene carbonate and propylene carbonate are particularly preferred. One kind of the cyclic carbonate may be used alone, or two or more kinds may be used in combination.
環状カーボネートは、非水電解液に含まれる全リチウムカチオンに対するモル比(環状カーボネート/Li+)が1以上、5以下となる範囲で用いるのが好ましい。上記範囲内で環状カーボネートを使用する場合には、リチウムイオン二次電池のサイクル特性(寿命)の劣化が一層抑制される。 The cyclic carbonate is preferably used in a range where the molar ratio (cyclic carbonate / Li + ) to all lithium cations contained in the nonaqueous electrolyte is 1 or more and 5 or less. When the cyclic carbonate is used within the above range, the deterioration of the cycle characteristics (life) of the lithium ion secondary battery is further suppressed.
サイクル特性劣化の一因は、非水電解液を構成する溶媒の分解にあることが知られている。しかしながら、環状カーボネートの使用量をリチウムイオンに対して上記範囲とすることで、サイクル特性の劣化を一層抑制することができる。環状カーボネートの使用量をリチウムイオン量に応じて決定することで、非水電解液中に存在するリチウムイオンと溶媒和していない環状カーボネート(フリーな環状カーボネート)の量を低減できる。すなわち、分解反応に関与できるフリーな環状カーボネートの量が減少するので、溶媒の分解反応が生じ難くなり、サイクル特性の劣化が抑制されるものと考えられる。 It is known that one of the causes of the deterioration of the cycle characteristics is the decomposition of the solvent constituting the non-aqueous electrolyte. However, by setting the amount of the cyclic carbonate to be in the above range with respect to lithium ions, deterioration of cycle characteristics can be further suppressed. By determining the amount of the cyclic carbonate to be used in accordance with the amount of lithium ions, the amount of the cyclic carbonate (free cyclic carbonate) that is not solvated with the lithium ions present in the non-aqueous electrolyte can be reduced. That is, it is considered that the amount of free cyclic carbonate that can participate in the decomposition reaction is reduced, so that the decomposition reaction of the solvent is less likely to occur, and the deterioration of the cycle characteristics is suppressed.
上記モル比(環状カーボネート/Li+)が大きすぎる場合は、非水電解液中に過剰に存在するフリーな環状カーボネートが酸化及び/又は還元分解され、その結果、サイクル特性が劣化してしまう。一方、上記モル比が小さすぎる場合は、環状カーボネート量が少なすぎて、環状カーボネートに由来する効果(例えば、負極上に被膜を形成し、非水電解液の分解を抑制する効果等)が得られ難くなったり、また、充放電の繰り返しによる溶媒の消費(被膜形成、分解等)により非水電解液の液枯れ状態となる虞がある。したがって、環状カーボネートは、リチウムイオンに対するモル比(環状カーボネート/Li+)が
1以上、4以下の範囲で使用することがより好ましく、より好ましくは3以下であり、さらに好ましくは2.0以下であり、1.8以下であるのが特に好ましい。
When the molar ratio (cyclic carbonate / Li + ) is too large, free cyclic carbonate excessively present in the non-aqueous electrolyte is oxidized and / or reductively decomposed, resulting in deterioration of cycle characteristics. On the other hand, if the molar ratio is too small, the amount of cyclic carbonate is too small, and an effect derived from the cyclic carbonate (for example, an effect of forming a film on the negative electrode and suppressing the decomposition of the non-aqueous electrolyte, etc.) is obtained. There is a possibility that the non-aqueous electrolyte may be in a dry state due to the consumption of the solvent due to the repetition of charge / discharge (formation of a film, decomposition, etc.). Therefore, the cyclic carbonate is more preferably used in a molar ratio to lithium ions (cyclic carbonate / Li + ) of 1 or more and 4 or less, more preferably 3 or less, and even more preferably 2.0 or less. And particularly preferably 1.8 or less.
なお、環状カーボネートのリチウムカチオンに対するモル比(環状カーボネート/Li+)は、環状カーボネートの比重、モル質量に基づいて算出すればよい。例えば、エチレンカーボネートの場合は、比重を1.321、モル質量を88.06として、算出すればよい。 The molar ratio of the cyclic carbonate to the lithium cation (cyclic carbonate / Li + ) may be calculated based on the specific gravity and the molar mass of the cyclic carbonate. For example, in the case of ethylene carbonate, the specific gravity may be calculated as 1.321 and the molar mass as 88.06.
この場合、他の溶媒の使用量は、環状カーボネートと他の溶媒の合計100体積%に対して50体積%以上であるのが好ましく、より好ましくは55体積%以上であり、さらに好ましくは60体積%以上であり、好ましくは99体積%以下であり、より好ましくは95体積%以下であり、さらに好ましくは90体積%以下である。 In this case, the amount of the other solvent used is preferably 50% by volume or more, more preferably 55% by volume or more, even more preferably 60% by volume, based on 100% by volume of the total of the cyclic carbonate and the other solvent. % Or more, preferably 99% by volume or less, more preferably 95% by volume or less, and still more preferably 90% by volume or less.
1−7.その他の成分
本発明に係る非水電解液は、リチウムイオン二次電池の各種特性の向上を目的とする添加剤を含んでいてもよい。
添加剤としては、無水酢酸、無水プロピオン酸、無水酪酸、無水クロトン酸、無水コハク酸、無水グルタル酸、無水マレイン酸、無水シトラコン酸、無水グルタコン酸、無水イタコン酸、無水ジグリコール酸、シクロヘキサンジカルボン酸無水物、シクロペンタンテトラカルボン酸二無水物等のカルボン酸無水物;エチレンサルファイト、ブサルファン、テトラメチルチウラムモノスルフィド、トリメチレングリコール硫酸エステル等の含硫黄化合物;1−メチル−2−ピロリジノン、1−メチル−2−ピペリドン、3−メチル−2−オキサゾリジノン、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン、N−メチルスクシンイミド等の含窒素化合物;モノフルオロリン酸塩、ジフルオロリン酸塩等のリン酸塩;ヘプタン、オクタン、シクロヘプタン等の飽和炭化水素化合物;等が挙げられる。
1-7. Other components The non-aqueous electrolyte according to the present invention may contain an additive for improving various characteristics of the lithium ion secondary battery.
Additives include acetic anhydride, propionic anhydride, butyric anhydride, crotonic anhydride, succinic anhydride, glutaric anhydride, maleic anhydride, citraconic anhydride, glutaconic anhydride, itaconic anhydride, diglycolic anhydride, and cyclohexanedicarboxylic acid. Acid anhydrides, carboxylic anhydrides such as cyclopentanetetracarboxylic dianhydride; sulfur-containing compounds such as ethylene sulfide, busulfan, tetramethylthiuram monosulfide, trimethylene glycol sulfate; 1-methyl-2-pyrrolidinone; Nitrogen-containing compounds such as 1-methyl-2-piperidone, 3-methyl-2-oxazolidinone, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, N-methylsuccinimide; monofluorophosphates, difluorophosphates and the like Phosphate; heptane, octane, cyclohepta Saturated hydrocarbon compounds and the like; and the like.
上記添加剤は、本発明の非水電解液100質量%中0.1質量%以上、10質量%以下の範囲で用いるのが好ましい(より好ましくは0.2質量%以上、8質量%以下、さらに好ましくは0.3質量%以上、5質量%以下)。添加剤の使用量が少なすぎるときには、添加剤に由来する効果が得られ難い場合があり、一方、多量に他の添加剤を使用しても、添加量に見合う効果は得られ難く、また、非水電解液の粘度が高くなり伝導率が低下する虞がある。 The additive is preferably used in a range of 0.1% by mass or more and 10% by mass or less in 100% by mass of the nonaqueous electrolyte of the present invention (more preferably, 0.2% by mass or more, 8% by mass or less, More preferably, 0.3% by mass or more and 5% by mass or less). When the amount of the additive is too small, the effect derived from the additive may not be easily obtained.On the other hand, even when other additives are used in a large amount, the effect corresponding to the added amount is hardly obtained, and There is a possibility that the viscosity of the non-aqueous electrolyte increases and the conductivity decreases.
2.リチウムイオン二次電池
本発明のリチウムイオン二次電池とは、リチウムイオンの吸蔵及び放出が可能な正極活物質を含有する正極、リチウムイオンの吸蔵及び放出が可能な負極活物質を含有する負極、及び非水電解液を有する。より詳細には、正極と負極との間にはセパレーターが設けられており、非水電解液は上記セパレーターに含浸された状態で、正極、負極等と共に外装ケースに収容されている。本発明のリチウムイオン二次電池は、上述した本発明の非水電解液を備えている。
2. Lithium ion secondary battery The lithium ion secondary battery of the present invention is a positive electrode containing a positive electrode active material capable of inserting and extracting lithium ions, a negative electrode containing a negative electrode active material capable of inserting and extracting lithium ions, And a non-aqueous electrolyte. More specifically, a separator is provided between the positive electrode and the negative electrode, and the non-aqueous electrolyte is accommodated in the outer case together with the positive electrode, the negative electrode, and the like in a state of being impregnated in the separator. The lithium ion secondary battery of the present invention includes the above-described non-aqueous electrolyte of the present invention.
2−1.正極
正極は、正極活物質、導電助剤及び結着剤等を含む正極合剤が正極集電体に担持されてなるものであり、通常、シート状に成形されている。
2-1. Positive Electrode The positive electrode is formed by supporting a positive electrode mixture containing a positive electrode active material, a conductive auxiliary agent, a binder, and the like on a positive electrode current collector, and is usually formed in a sheet shape.
正極の製造方法は特に限定されないが、例えば、(i)分散用溶媒に正極合剤を溶解又は分散させた正極活物質組成物を正極集電体にドクターブレード法等で塗工したり、正極集電体を正極活物質組成物に浸漬した後、乾燥する方法;(ii)正極活物質組成物を混練成形し乾燥して得たシートを正極集電体に導電性接着剤を介して接合し、プレス、乾燥する方法;(iii)液状潤滑剤を添加した正極活物質組成物を正極集電体上に塗布又は流延して、所望の形状に成形した後、液状潤滑剤を除去し、次いで、一軸又は多軸方向に延伸する方法;等が挙げられる。また、必要に応じて乾燥後の正極合剤層を加圧してもよい。これにより正極集電体との接着強度が増し、電極密度も高められる。 The method for producing the positive electrode is not particularly limited. For example, (i) a positive electrode active material composition obtained by dissolving or dispersing a positive electrode mixture in a dispersion solvent is applied to a positive electrode current collector by a doctor blade method or the like; A method in which the current collector is immersed in the positive electrode active material composition and then dried; (ii) a sheet obtained by kneading and forming the positive electrode active material composition and drying is joined to the positive electrode current collector via a conductive adhesive. (Iii) coating or casting the positive electrode active material composition to which the liquid lubricant has been added on the positive electrode current collector to form a desired shape, and then removing the liquid lubricant. And then stretching in a uniaxial or multiaxial direction; and the like. Further, if necessary, the dried positive electrode mixture layer may be pressurized. Thereby, the adhesive strength with the positive electrode current collector is increased, and the electrode density is also increased.
正極集電体の材料、正極活物質、導電助剤、結着剤、正極活物質組成物に用いられる溶媒(正極合剤を分散または溶解する溶媒)としては特に限定されず、従来公知の各材料を用いることができ、例えば、特開2014−13704号公報に記載の各材料を用いることができる。 The material of the positive electrode current collector, the positive electrode active material, the conductive auxiliary agent, the binder, and the solvent (solvent for dispersing or dissolving the positive electrode mixture) used in the positive electrode active material composition are not particularly limited, and may be any of conventionally known materials. Materials can be used, and for example, each material described in JP-A-2014-13704 can be used.
正極活物質の使用量は、正極合剤100質量部に対して75質量部以上、99質量部以下とするのが好ましく、より好ましくは85質量部以上であり、さらに好ましくは90質量部以上であり、より好ましくは98質量部以下であり、さらに好ましくは97質量部以下である。 The amount of the positive electrode active material used is preferably 75 parts by mass or more and 99 parts by mass or less, more preferably 85 parts by mass or more, and still more preferably 90 parts by mass or more, based on 100 parts by mass of the positive electrode mixture. Yes, more preferably 98 parts by mass or less, even more preferably 97 parts by mass or less.
導電助剤を用いる場合の、正極合剤中の導電助剤の含有量としては、正極合剤100質量%に対して、0.1質量%〜10質量%の範囲で用いるのが好ましい(より好ましくは0.5質量%〜10質量%、さらに好ましくは1質量%〜10質量%)。導電助剤が少なすぎると、導電性が極端に悪くなり、負荷特性及び放電容量が劣化する虞がある。一方、多すぎると正極合剤層のかさ密度が高くなり、結着剤の含有量をさらに増やす必要があるため好ましくない。 When the conductive auxiliary is used, the content of the conductive auxiliary in the positive electrode mixture is preferably in the range of 0.1% by mass to 10% by mass with respect to 100% by mass of the positive electrode mixture. Preferably, it is 0.5% by mass to 10% by mass, more preferably 1% by mass to 10% by mass). If the amount of the conductive assistant is too small, the conductivity becomes extremely poor, and the load characteristics and the discharge capacity may be deteriorated. On the other hand, if it is too large, the bulk density of the positive electrode mixture layer becomes high, and it is necessary to further increase the content of the binder, which is not preferable.
結着剤を用いる場合の、正極合剤中の結着剤の含有量としては、正極合剤100質量%に対して0.1質量%〜10質量%が好ましい(より好ましくは0.5質量%〜9質量%、さらに好ましくは1質量%〜8質量%)。結着剤が少なすぎると良好な密着性が得られず、正極活物質や導電助剤が集電体から脱離してしまう虞がある。一方、多すぎると内部抵抗の増加を招き電池特性に悪影響を及ぼしてしまう虞がある。
導電助剤及び結着剤の配合量は、電池の使用目的(出力重視、エネルギー重視等)、イオン伝導性等を考慮して適宜調整することができる。
When a binder is used, the content of the binder in the positive electrode mixture is preferably 0.1% by mass to 10% by mass relative to 100% by mass of the positive electrode mixture (more preferably 0.5% by mass). % To 9% by mass, more preferably 1% to 8% by mass). If the amount of the binder is too small, good adhesion cannot be obtained, and the positive electrode active material and the conductive assistant may be detached from the current collector. On the other hand, if the amount is too large, the internal resistance may increase, which may adversely affect battery characteristics.
The amounts of the conductive auxiliary agent and the binder can be appropriately adjusted in consideration of the intended use of the battery (emphasis on output, energy, etc.), ionic conductivity, and the like.
2−2.負極
負極は、負極活物質、結着剤及び必要に応じて導電助剤等を含む負極合剤が負極集電体に担持されてなるものであり、通常、シート状に成形されている。
負極の製造方法としては、正極の製造方法と同様の方法を採用することができる。また、負極の製造時に使用する導電助剤、結着剤、材料分散用の溶媒も、正極で用いられるものと同様のものが用いられる。
2-2. Negative Electrode The negative electrode is one in which a negative electrode mixture containing a negative electrode active material, a binder, and, if necessary, a conductive auxiliary is supported on a negative electrode current collector, and is usually formed in a sheet shape.
As a method for manufacturing the negative electrode, a method similar to the method for manufacturing the positive electrode can be employed. In addition, the same conductive assistant, binder, and solvent for dispersing the materials used in the production of the negative electrode as those used in the positive electrode are used.
負極集電体の材料、負極活物質としては、従来公知の負極活物質を用いることができ、例えば、特開2014−13704号公報に記載の各材料を用いることができる。 As the material of the negative electrode current collector and the negative electrode active material, a conventionally known negative electrode active material can be used. For example, each material described in JP-A-2014-13704 can be used.
2−3.セパレーター
セパレーターは正極と負極とを隔てるように配置されるものである。セパレーターには特に制限がなく、本発明では、従来公知のセパレーターはいずれも使用でき、例えば、特開2014−13704号公報に記載の各材料を用いることができる。
2-3. Separator The separator is arranged so as to separate the positive electrode and the negative electrode. The separator is not particularly limited, and any conventionally known separator can be used in the present invention. For example, each material described in JP-A-2014-13704 can be used.
2−4.電池外装材
正極、負極、セパレーター及び非水電解液等を備えた電池素子は、リチウムイオン二次電池使用時の外部からの衝撃、環境劣化等から電池素子を保護するため電池外装材に収容される。本発明では、電池外装材の素材は特に限定されず従来公知の外装材はいずれも使用することができる。
2-4. Battery exterior material A battery element equipped with a positive electrode, a negative electrode, a separator, a non-aqueous electrolyte, etc. is housed in a battery exterior material to protect the battery element from external impact and environmental degradation when using a lithium ion secondary battery. You. In the present invention, the material of the battery exterior material is not particularly limited, and any conventionally known exterior materials can be used.
本発明に係るリチウムイオン二次電池の形状は特に限定されず、円筒型、角型、ラミネート型、コイン型、大型等、リチウムイオン二次電池の形状として従来公知の形状はいずれも使用することができる。また、電気自動車、ハイブリッド電気自動車等に搭載するための高電圧電源(数10V〜数100V)として使用する場合には、個々の電池を直列に接続して構成される電池モジュールとすることもできる。 The shape of the lithium ion secondary battery according to the present invention is not particularly limited, and any conventionally known shape of the lithium ion secondary battery may be used, such as a cylindrical shape, a square shape, a laminate type, a coin shape, and a large size. Can be. When used as a high-voltage power supply (several tens of volts to several hundreds of volts) to be mounted on an electric vehicle, a hybrid electric vehicle, or the like, a battery module configured by connecting individual batteries in series can be used. .
本発明のリチウムイオン二次電池の定格充電電圧は特に限定されないが、4.2V超であるのが好ましい。本発明による効果は特に4.2Vを超える電圧で使用する場合に顕著となる。より好ましくは4.3V以上であり、さらに好ましくは4.35V以上である。定格充電電圧が高いほど、エネルギー密度を高めることはできるが、高すぎると安全性を確保し難い場合がある。したがって、定格充電電圧は4.6V以下であるのが好ましい。より好ましくは4.5V以下である。 The rated charging voltage of the lithium ion secondary battery of the present invention is not particularly limited, but is preferably higher than 4.2 V. The effect of the present invention is particularly remarkable when used at a voltage exceeding 4.2V. More preferably, it is 4.3 V or more, and further preferably, it is 4.35 V or more. The energy density can be increased as the rated charging voltage is higher, but if it is too high, it may be difficult to ensure safety. Therefore, the rated charging voltage is preferably 4.6 V or less. More preferably, it is 4.5 V or less.
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。 Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to Examples. However, the present invention is not limited to the following Examples, and may be appropriately modified within a range that can conform to the purpose of the preceding and the following. It is, of course, possible to implement them, and all of them are included in the technical scope of the present invention.
1.非水電解液の調製
エチレンカーボネート(EC)とエチルメチルカーボネート(EMC)とを、3:7(体積比)で混合した非水溶媒に六フッ化リン酸リチウム(LiPF6、キシダ化学株式会社製、電解質塩)を溶解させて、LiPF6濃度1.2mol/Lの非水電解液No.1を調製した。
1. Preparation of Non-Aqueous Electrolyte Lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 , manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd.) in a non-aqueous solvent in which ethylene carbonate (EC) and ethyl methyl carbonate (EMC) are mixed at a ratio of 3: 7 (volume ratio). , An electrolyte salt) and a non-aqueous electrolyte solution having a LiPF 6 concentration of 1.2 mol / L. 1 was prepared.
上記非水電解液No.1中に、一般式(2)で表される化合物として亜リン酸を0.1質量%となるように溶解させて、非水電解液No.2を調製した。 The above non-aqueous electrolyte solution No. 1 was dissolved in a concentration of 0.1% by mass of phosphorous acid as a compound represented by the general formula (2). 2 was prepared.
上記非水電解液No.1中に、スルホン構造を有する化合物として1,4−ブタンスルトンを1質量%となるように溶解させて、非水電解液No.3を調製した。 The above non-aqueous electrolyte solution No. 1, 1,4-butane sultone as a compound having a sulfone structure was dissolved at a concentration of 1% by mass. 3 was prepared.
上記非水電解液No.1中に、亜リン酸が0.5質量%、1,4−ブタンスルトンが1質量%となるように溶解させて、非水電解液No.4を調製した。 The above non-aqueous electrolyte solution No. 1 was dissolved in 0.5% by mass of phosphorous acid and 1% by mass of 1,4-butanesultone. 4 was prepared.
上記非水電解液No.1のLiPF6濃度を0.6mol/Lに変更し、スルホニルイミドアニオン(1)を有し、非水電解液中でスルホニルイミドアニオン(1)を生成する化合物として、リチウムビス(フルオロスルホニル)イミド(以下、LiFSIと称する場合がある)を0.6mol/Lとなるように溶解させて、非水電解液No.5を調製した。 The above non-aqueous electrolyte solution No. LiPF 6 concentration was changed to 0.6 mol / L, and lithium bis (fluorosulfonyl) imide was used as a compound having a sulfonylimide anion (1) and generating a sulfonylimide anion (1) in a non-aqueous electrolyte. (Hereinafter sometimes referred to as LiFSI) was dissolved at a concentration of 0.6 mol / L. 5 was prepared.
上記非水電解液No.5中に、亜リン酸が0.1質量%となるように溶解させて、非水電解液No.6を調製した。 The above non-aqueous electrolyte solution No. 5 was dissolved in 0.1% by mass of phosphorous acid. 6 was prepared.
上記非水電解液No.5中に、1,4−ブタンスルトンが1質量%となるように溶解させて、非水電解液No.7を調製した。 The above non-aqueous electrolyte solution No. 5, 1,4-butane sultone was dissolved so as to be 1% by mass. 7 was prepared.
上記非水電解液No.5中に、亜リン酸が0.5質量%、1,4−ブタンスルトンが1質量%となるように溶解させて、非水電解液No.8を調製した。 The above non-aqueous electrolyte solution No. 5 was dissolved in 0.5% by mass of phosphorous acid and 1% by mass of 1,4-butanesultone. 8 was prepared.
2.コイン型リチウムイオン二次電池の作製
正極活物質(LiCoO2)、導電助剤1(アセチレンブラック、AB)、導電助剤2(グラファイト)及び結着剤(ポリフッ化ビニリデン、PVdF)を93:2:2:3の質量比で有する正極と、負極活物質として人造黒鉛、導電助剤(気相法炭素繊維、「VGCF(登録商標)」、昭和電工社製)、及び結着剤(ポリフッ化ビニリデン、PVdF)を95.7:0.5:3.8の質量比で有する負極を用いた。セパレーター(ポリエチレン製、16μm)に非水電解液を含浸させ、コインセルを作製した。
2. Manufacture of coin type lithium ion secondary battery Positive electrode active material (LiCoO 2 ), conductive agent 1 (acetylene black, AB), conductive agent 2 (graphite), and binder (polyvinylidene fluoride, PVdF) were 93: 2. : A positive electrode having a mass ratio of 2: 3, artificial graphite as a negative electrode active material, a conductive additive (vapor-grown carbon fiber, “VGCF (registered trademark)”, manufactured by Showa Denko KK), and a binder (polyfluorinated A negative electrode having a mass ratio of vinylidene (PVdF) of 95.7: 0.5: 3.8 was used. A separator (made of polyethylene, 16 μm) was impregnated with a non-aqueous electrolyte to prepare a coin cell.
3.電池評価
4.4Vにおける0.2C回復容量及び放置後レート特性(1C/0.2C)の測定
コインセルを用いて定格充電電圧を4.4Vとするリチウムイオン二次電池を作製し、充放電試験装置(ACD−01、アスカ電子株式会社製)を使用して、温度25℃の環境下、4.4Vまで1Cで0.02Cカットの定電流定電圧充電を行った後、0.2Cで2.75Vまで放電したときの容量を測定した。この容量を初期0.2C容量とした。その後、同様の充電を行った後、1Cで2.75Vまで放電し、初期1C容量を測定した。その後4.4Vまで1Cで3時間の定電流定電圧(CCCV)充電を行い、80℃で3日間放置した。
3. Battery evaluation Measurement of 0.2 C recovery capacity at 4.4 V and rate characteristics after standing (1 C / 0.2 C) A lithium ion secondary battery with a rated charging voltage of 4.4 V was manufactured using a coin cell, and a charge / discharge test was performed. Using a device (ACD-01, manufactured by Asuka Electronics Co., Ltd.), a constant current constant voltage charge of 0.02 C cut at 1 C to 4.4 V was performed in an environment of a temperature of 25 ° C., and then 2 C at 0.2 C. The capacity when discharging to 0.75 V was measured. This capacity was used as the initial 0.2 C capacity. Then, after performing the same charge, it discharged to 2.75V at 1C, and measured the initial 1C capacity. Thereafter, the battery was charged at a constant current and a constant voltage (CCCV) for 3 hours at 1 C up to 4.4 V, and left at 80 ° C. for 3 days.
放置後の電池を温度25℃の環境下に置き24時間経過した後、温度25℃、放電速度1Cで2.75Vまで放電し、放電容量を測定した。その後、4.4Vまで1Cで0.02Cカットの定電流定電圧充電を行い、0.2Cで2.75Vまで定電流放電を行った。このときの放電容量を放置後0.2C回復容量とした。初期0.2C容量と放置後0.2C回復容量の値から、下記式により0.2C回復容量(%)を求めた。結果を表1に示した。
0.2C回復容量(%)=(放置後0.2C回復容量/初期0.2C回復容量)×100
After leaving the battery for 24 hours in an environment of a temperature of 25 ° C., the battery was discharged to 2.75 V at a temperature of 25 ° C. and a discharge rate of 1 C, and the discharge capacity was measured. Thereafter, constant-current constant-voltage charging was performed at 1 C at 0.02 C cut to 4.4 V, and constant-current discharging was performed at 0.2 C to 2.75 V. The discharge capacity at this time was 0.2 C recovery capacity after standing. From the values of the initial 0.2 C capacity and the 0.2 C recovery capacity after standing, a 0.2 C recovery capacity (%) was determined by the following equation. The results are shown in Table 1.
0.2C recovery capacity (%) = (0.2C recovery capacity after standing / initial 0.2C recovery capacity) × 100
さらに、4.4Vまで1Cで0.02Cカットの定電流定電圧充電を行った後、1Cで2.75Vまで定電流放電を行った。このときの容量を放置後1C容量とした。放置後0.2C容量に対する放置後1C容量の割合(下式)を放置後レートとして表1に併記した。
放置後レート(%)=(1C/0.2C)×100
Furthermore, constant-current constant-voltage charging was performed at 4.4 C with a cut of 0.02 C at 1 C, and then constant-current discharge was performed at 2.75 V with 1 C. The capacity at this time was 1 C capacity after standing. The ratio of the 1C capacity after standing to the 0.2C capacity after standing (the following formula) is also shown in Table 1 as the rate after standing.
Rate after standing (%) = (1C / 0.2C) × 100
比較例1−1と2−1と3−1を比較すると、充電電圧が4.2Vで、亜リン酸を0.1質量%加えた比較例2−1は、放置後レートが若干低下した。ブタンスルトンを加えた比較例3−1は、LiPF6のみを含む比較例1−1と、電池性能はほとんど変わらなかった。充電電圧を4.4Vに高めた場合、比較例1−2、2−2、3−2、4のいずれにおいても4.2Vのときより、容量、レート特性は低下した。 Comparing Comparative Examples 1-1, 2-1 and 3-1 with Comparative Example 2-1 in which the charging voltage was 4.2 V and phosphoric acid was added in an amount of 0.1% by mass, the rate was slightly lowered after standing. . The battery performance of Comparative Example 3-1 to which butane sultone was added was almost the same as that of Comparative Example 1-1 containing only LiPF 6 . When the charging voltage was increased to 4.4 V, the capacity and rate characteristics of Comparative Examples 1-2, 2-2, 3-2, and 4 were all lower than at 4.2 V.
一方、LiFSIを添加した比較例5では放置後レートが著しく低下した。LiFSIが正極の活性を高め、正極近傍で非水電解液の分解が起きているものと考えられる。LiFSI添加系において亜リン酸を加えた比較例7では放置後レートに改善が認められた。ブタンスルトンを加えた比較例6では、放置後レートに改善は認められなかった。LiFSI添加系において亜リン酸とブタンスルトンの両方を加えた実施例2では、放置後レートが比較例5の2倍レベルに向上した。これにより、亜リン酸とブタンスルトンの併用効果が確認できた。 On the other hand, in Comparative Example 5 to which LiFSI was added, the rate after standing was significantly reduced. It is considered that LiFSI enhances the activity of the positive electrode, and decomposition of the non-aqueous electrolyte occurs near the positive electrode. In Comparative Example 7 in which phosphorous acid was added to the LiFSI-added system, an improvement in the rate after standing was observed. In Comparative Example 6 to which butane sultone was added, no improvement was observed in the rate after standing. In Example 2 in which both phosphorous acid and butane sultone were added in the LiFSI-added system, the rate after standing was improved to twice the level of Comparative Example 5. Thereby, the combined effect of phosphorous acid and butane sultone was confirmed.
Claims (8)
PF6 -と、
リチウムカチオンと、
下記一般式(2)で表されるリン酸系化合物と、
さらに、スルホン構造を有する化合物を含み、
前記スルホン構造を有する化合物は、1,3−プロパンサルトン、1,3−ブタンサルトン、1,4−ブタンサルトン、2,4−ブタンサルトン、1,5−ペンタンサルトン、2,4−ペンタンサルトン、1,4−ヘキサンサルトン、4,6−ヘプタンサルトン、メタンスルホン酸メチル、ベンゼンスルホン酸メチル、トリフルオロメタンスルホン酸メチル、エチルメチルスルホン、ジフェニルスルホン、及びビス(4−フルオロフェニル)スルホンよりなる群から選ばれる少なくとも一種である非水電解液であって、
定格充電電圧が4.2V超であるリチウムイオン二次電池に用いられるものである非水電解液。 General formula (1) [N (XSO 2 ) (FSO 2 )] - (In general formula (1), X represents a fluorine atom, an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, or a fluoroalkyl group having 1 to 6 carbon atoms. And an anion represented by
PF 6 - and,
A lithium cation,
A phosphoric acid compound represented by the following general formula (2):
Furthermore, it includes a compound having a sulfone structure,
The compound having the sulfone structure includes 1,3-propanesultone, 1,3-butanesultone, 1,4-butanesultone, 2,4-butanesultone, 1,5-pentanesultone, 2,4-pentanesultone, Consists of 1,4-hexanesultone, 4,6-heptanesultone, methyl methanesulfonate, methyl benzenesulfonate, methyl trifluoromethanesulfonate, ethylmethylsulfone, diphenylsulfone, and bis (4-fluorophenyl) sulfone and at least one der Ru nonaqueous electrolyte selected from the group,
A non-aqueous electrolyte used for a lithium ion secondary battery having a rated charging voltage exceeding 4.2 V.
[BFn(CoF2o+1)4-n]- (0≦n≦4、1≦o≦4) (8) Furthermore, the following general formula (8) represented by anion and hexafluoroarsenate ion - nonaqueous according to any one of claims 1 to 5 including at least one anion selected from the group consisting of (AsF 6) Electrolyte.
[BF n (C o F 2o + 1) 4-n] - (0 ≦ n ≦ 4,1 ≦ o ≦ 4) (8)
前記スルホン構造を有する化合物の含有量が0.01質量%以上、3質量%以下である請求項1〜6のいずれかに記載の非水電解液。 The content of the phosphoric acid compound is 0.01% by mass or more and 1% by mass or less,
The content of the compound having a sulfonic structure 0.01 mass% or more, the non-aqueous electrolyte according to any one of claims 1 to 6 3% by mass or less.
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