JP6799617B2 - 非水二次電池用電解液、非水二次電池及び金属錯体 - Google Patents
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Description
<1>
電解質と、有機溶媒と、下記一般式(I)で表される金属錯体とを含有する非水二次電池用電解液。
kは0以上の整数を示し、mは0〜4の整数を示し、nは1以上の整数を示す。ただし、k+nはMの価数を示す。
R1はアルキル基、アリール基、アルコキシ基、カルボニル基含有基、スルホニル基含有基またはハロゲン原子を示す。
R2およびR3は、水素原子、アルキル基、アリール基、アルコキシ基、カルボニル基含有基、スルホニル基含有基またはハロゲン原子を示す。
Lは1座の配位子を示す。
mが1〜4の整数を示す場合、R 2 と1つのR 1 とは、互いに連結して含窒素芳香族複素環を形成してもよい。
一般式(I)で表される金属錯体が、下記一般式(II)で表わされる金属錯体である<1>に記載の非水二次電池用電解液。
Xは含窒素芳香族複素環を示す。
R4はアルキル基、アリール基、アルコキシ基、カルボニル基含有基、スルホニル基含有基またはハロゲン原子を示す。
qは0〜3の整数を示す。
lは0以上の整数を示す。
Mが、Ti、ZrまたはHfである<1>または<2>に記載の非水二次電池用電解液。
<4>
有機溶媒としてカーボネート基を有する化合物を含有する<1>〜<3>のいずれか1つに記載の非水二次電池用電解液。
<5>
一般式(I)で表される金属錯体の含有量が、0.05〜5質量%である<1>〜<4>のいずれか1つに記載の非水二次電池用電解液。
<6>
正極と、負極と、<1>〜<5>のいずれか1つに記載の非水二次電池用電解液とを具備する非水二次電池。
本発明の非水二次電池用電解液は、電解質と、有機溶媒と、後述の一般式(I)で表される金属錯体を含有する。一般式(I)で表される金属錯体を金属錯体(I)と称することもある。
以下、本発明の非水二次電池用電解液の好ましい実施形態について説明する。
本発明の非水二次電池用電解液は、電解質を含有する。電解質としては、金属イオンもしくはその塩が挙げられ、周期律表第1族もしくは第2族に属する金属元素のイオン、またはその塩が好ましく、リチウム塩、カリウム塩、ナトリウム塩、カルシウム塩およびマグネシウム塩がより好ましく、電池の出力の観点からリチウム塩が特に好ましい。
本発明の非水二次電池用電解液をリチウムイオン非水二次電池用電解液として用いる場合には、電解質としてリチウム塩を選択すればよい。リチウム塩としては、リチウムイオン非水二次電池用電解液の電解質に通常用いられるリチウム塩であれば特に制限はないが、例えば、以下に述べる具体例を挙げることができる。
なお、本発明の非水二次電池用電解液に用いるリチウム塩は、1種を単独で使用してもよく、2種以上を任意に組み合わせて使用してもよい。
本発明の非水二次電池用電解液における電解質の含有量は特に制限されないが、非水二次電池用電解液全質量中10質量%以上50質量%以下であり、さらに好ましくは15質量%以上30質量%以下である。
なお、イオンの濃度として評価するときには、その好適に適用される金属との塩換算で算定されればよい。
本発明の非水二次電池用電解液に用いられる有機溶媒は、特に制限されないが、非プロトン性有機溶媒が好ましく、炭素数2〜10の非プロトン性有機溶媒がより好ましい。有機溶媒は、エーテル基(−O−)、カルボニル基(−C(=O)−)、エステル基(−C(=O)O−)基またはカーボネート(−OC(=O)O−)基を有する化合物が好ましく、電解質であるリチウム塩を高濃度で溶解でき、かつ、酸化還元に比較的耐性があるため、カーボネート基を有する化合物がより好ましい。なお、本発明の説明において、エステル基(−C(=O)O−)基を有する化合物は、エーテル基(−O−)又はカルボニル基(−C(=O)−)を有する化合物に分類されず、エステル基(−C(=O)O−)基を有する化合物に分類される。一方、本発明の説明において、カーボネート(−OC(=O)O−)基を有する化合物は、エーテル基(−O−)、カルボニル基(−C(=O)−)又はエステル基(−C(=O)O−)基を有する化合物に分類されず、カーボネート(−OC(=O)O−)基を有する化合物に分類される。
これらの化合物は置換基を有していてもよく、置換基の具体例として後述の置換基Tが挙げられる。
しかしながら、本発明に用いられる有機溶媒は、上記例示によって限定されるものではない。
本発明の非水二次電池用電解液は、下記一般式(I)で表される金属錯体を含有する。
遷移金属の原子としては特に制限されないが、例えば、鉄原子(Fe)、チタン原子(Ti)、ジルコニウム原子(Zr)、ハフニウム原子(Hf)およびアルミニウム原子(Al)が好ましく、5V付近まで中心金属の価数変化に由来する酸化還元が起こりにくいため、Ti、ZrおよびHfがより好ましい。
Mの価数は特に制限されないが、2〜6が好ましく、3〜5がより好ましい。なお、例えば、Ti、ZrおよびHfの価数は通常4である。
nは1以上の整数を示し、1〜4が好ましく、2〜4がさらに好ましい。k+nはMの価数を示す。すなわち、Mと共有結合する原子の数を示す。
ここで、一般式(I)中の右側の[]で示されたn個の構造において、Mとの結合を示す実線は共有結合を示し、Mとの結合を示す破線は配位結合を示している。LとMとの結合を示す実線は、共有結合及び/又は配位結合を示す。LとMとの結合が全て配位結合の場合は、kは0である。
なお、一般式(I)中のLの数をt個とした場合、「t+2n」は、Mと結合している原子の数を意味する。
mは0〜4の整数を示し、0〜3の整数が好ましく、0〜2の整数がより好ましく、0または1が特に好ましい。
Lは、具体的には、水素原子、アルキル基(好ましくは、炭素数1〜6)、アルケニル基(好ましくは、炭素数2〜6)、アルコキシ基(好ましくは、炭素数1〜6)、アリールオキシ基(好ましくは炭素数6〜26のアリールオキシ基、例えば、フェノキシ、1−ナフチルオキシ、3−メチルフェノキシ、4−メトキシフェノキシ等)、アルキルアミノ基(好ましくは、炭素数1〜10)、シリルアミノ基(好ましくは、炭素数0〜10)、スルホン酸基、イソシアナト基(−NCO)、イソチオシアナト基(−NCS)、スルファニル基(Ra−S−)(好ましくは、炭素数1〜6)、ホスフィニル基(RaO(Ra)PO−)(好ましくは、炭素数0〜10)、カルボニル基含有基(Ra−CO−)(好ましくは、炭素数1〜26)、ハロゲン原子、アリール基(好ましくは、炭素数6〜22)、ヘテロアリール基(好ましくは、炭素数3〜8)、これらの少なくとも2種を組み合わせた基およびこれらの少なくとも2種を連結基で連結した基が挙げられる。ここで、Raは、水素原子又はアルキル基(好ましくは、炭素数1〜6)もしくはアリール基(炭素数6〜26)を示す。連結基としては、−C=N−、−O−、−C(=O)−および−C(=O)−N−が挙げられる。なお、アルキル基とアルケニル基の組み合せはアルケニル基に含まれ、アルキル基とアルコキシ基が組み合わされた基(アルキル−アルコキシ基−)はアルコキシ基に含まれるものとする。
Lは、アルキル基、アルケニル基、アリール基、アリールオキシ基、カルボニル基含有基、これらの少なくとも2種を組み合わせた基またはこれらの少なくとも2種を連結基で連結した基が好ましく、メチル基、エテニル基、フェニル基、フェノキシ基、フェニルカルボキシ基、メチルカルボキシ基、これらの少なくとも2種を組み合わせた基またはこれらの少なくとも2種を連結基で連結した基がより好ましい。なお、アルキル基とアルケニル基の組み合せはアルケニル基に含まれるものとする。
含窒素芳香族複素環は、環構造中に、窒素原子の他に、酸素原子または硫黄原子のようなヘテロ原子が含まれていてもよい。含窒素芳香族複素環は、環を構成する炭素数が1〜12の含窒素芳香族複素環(好ましくは5または6員環)が好ましく、具体的には、ピロール環、ピラゾール環、イミダゾール環、チアゾール環、オキサゾール環、チアジアゾール環、オキサジアゾール環、トリアゾール環、テトラゾール環、ピリジン環、ピリミジン環、ピラジン環、トリアジン環、ベンゾオキサゾール環、ベンゾチアゾール環、ベンゾイミダゾール環、ベンゾピラゾール環、キノリン環、イソキノリン環などが挙げられ、中でも、ピリジン環、ベンゾオキサゾール環、ベンゾチアゾール環、キノリン環がより好ましく、ピリジン環、ベンゾオキサゾール環およびベンゾチアゾール環がさらに好ましく、ピリジン環が特に好ましい。
Xが複数ある場合、複数のXは、互いに同じでも異なっていてもよい。
R4で示されるアルキル基、アリール基、アルコキシ基、カルボニル基含有基、スルホニル基含有基またはハロゲン原子の好ましい形態は、R1のアルキル基、アリール基、アルコキシ基、カルボニル基含有基、スルホニル基含有基またはハロゲン原子の好ましい形態とそれぞれと同義である。
アルキル基(好ましくは炭素数1〜20のアルキル基、例えばメチル、エチル、イソプロピル、t−ブチル、ペンチル、ヘプチル、1−エチルペンチル、ベンジル、2−エトキシエチル、1−カルボキシメチル等)、アルケニル基(好ましくは炭素数2〜20のアルケニル基、例えば、ビニル、アリル、オレイル等)、アルキニル基(好ましくは炭素数2〜20のアルキニル基、例えば、エチニル、ブタジイニル、フェニルエチニル等)、シクロアルキル基(好ましくは炭素数3〜20のシクロアルキル基、例えば、シクロプロピル、シクロペンチル、シクロヘキシル、4−メチルシクロヘキシル等)、アリール基(好ましくは炭素数6〜26のアリール基、例えば、フェニル、1−ナフチル、4−メトキシフェニル、2−クロロフェニル、3−メチルフェニル等)、ヘテロ環基(好ましくは炭素数2〜20のヘテロ環基、好ましくは、少なくとも1つの酸素原子、硫黄原子、窒素原子を有する5または6員環のヘテロ環基が好ましく、例えば、2−ピリジル、4−ピリジル、2−イミダゾリル、2−ベンゾイミダゾリル、2−チアゾリル、2−オキサゾリル等)、アルコキシ基(好ましくは炭素数1〜20のアルコキシ基、例えば、メトキシ、エトキシ、イソプロピルオキシ、ベンジルオキシ等)、アリールオキシ基(好ましくは炭素数6〜26のアリールオキシ基、例えば、フェノキシ、1−ナフチルオキシ、3−メチルフェノキシ、4−メトキシフェノキシ等)、アルコキシカルボニル基(好ましくは炭素数2〜20のアルコキシカルボニル基、例えば、エトキシカルボニル、2−エチルヘキシルオキシカルボニル等)、アミノ基(好ましくは炭素数0〜20のアミノ基、アルキルアミノ基、アリールアミノ基を含み、例えば、アミノ、N,N−ジメチルアミノ、N,N−ジエチルアミノ、N−エチルアミノ、アニリノ等)、スルファモイル基(好ましくは炭素数0〜20のスルホンアミド基、例えば、N,N−ジメチルスルファモイル、N−フェニルスルファモイル等)、アシル基(好ましくは炭素数1〜20のアシル基、例えば、アセチル、プロピオニル、ブチリル、ベンゾイル等)、アシルオキシ基(好ましくは炭素数1〜20のアシルオキシ基、例えば、アセチルオキシ、ベンゾイルオキシ等)、カルバモイル基(好ましくは炭素数1〜20のカルバモイル基、例えば、N,N−ジメチルカルバモイル、N−フェニルカルバモイル等)、アシルアミノ基(好ましくは炭素数1〜20のアシルアミノ基、例えば、アセチルアミノ、ベンゾイルアミノ等)、スルホンアミド基((好ましくは炭素数0〜20のスルファモイル基、例えば、メタンスルホンアミド、ベンゼンスルホンアミド、N−メチルメタンスルスルホンアミド、N−エチルベンゼンスルホンアミド等)、アルキルチオ基(好ましくは炭素数1〜20のアルキルチオ基、例えば、メチルチオ、エチルチオ、イソプロピルチオ、ベンジルチオ等)、アリールチオ基(好ましくは炭素数6〜26のアリールチオ基、例えば、フェニルチオ、1−ナフチルチオ、3−メチルフェニルチオ、4−メトキシフェニルチオ等)、アルキルもしくはアリールスルホニル基(好ましくは炭素数1〜20のアルキルもしくはアリールスルホニル基、例えば、メチルスルホニル、エチルスルホニル、ベンゼンスルホニル等)、ヒドロキシル基、シアノ基、ハロゲン原子(例えばフッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子)であり、より好ましくはアルキル基、アルケニル基、アリール基、ヘテロ環基、アルコキシ基、アリールオキシ基、アルコキシカルボニル基、アミノ基、アシルアミノ基、ヒドロキシル基またはハロゲン原子であり、特に好ましくはアルキル基、アルケニル基、ヘテロ環基、アルコキシ基、アルコキシカルボニル基、アミノ基、アシルアミノ基またはヒドロキシル基である。
また、これらの置換基Tで挙げた各基は、上記の置換基Tがさらに置換していてもよい。
本発明の好ましい実施形態においては、正極表面での金属錯体(I)の分解反応が関与していると推定される。とりわけ、高電位の正極においてその作用は顕著になると考えられる。つまり、非水二次電池を高電位(例えば5V程度)で駆動させる場合、正極表面において酸化により何らかの反応が進行し、正極表面に金属錯体(I)を基質とした保護膜(SEI被膜)が形成されると考えられる。その結果、正極と非水二次電池用電解液との直接の接触が効果的に抑制され、電解液に含まれる有機溶媒等の成分の酸化分解が抑制されるものと推定される。
ここで、本発明に用いられる金属錯体(I)は、上記一般式(I)に示すように、ベンゼン環の酸素原子が結合している炭素原子に対してオルト位に窒素原子を有し、かつ、酸素原子が遷移金属Mに結合し、窒素原子が孤立電子により遷移金属Mに配位している。そのため、金属錯体(I)は、その分解電位が適度に調整された状態にある。結果、正極活物質がLiイオンを脱挿入できる高電位で金属錯体(I)が分解し、正極活物質層表面においてより選択的にSEI被膜が形成されて、電解液に含まれる有機溶媒等の酸化分解がより効果的に抑制されると推定される。
金属錯体(I)の含有量が上記範囲内にあることで、(1)非水二次電池における抵抗の上昇および(2)この非水二次電池に含有されている非水二次電池用電解液の酸化を効果的に抑制することができる。
本発明の非水二次電池用電解液は、下記(A)〜(G)の少なくとも1種の各機能性添加剤を含有してもよい。この添加剤により発現させる機能としては、例えば、難燃性の向上、サイクル特性の良化、容量特性等の改善が挙げられる。下記添加剤の一部は、有機溶媒として用いることもできるが、本発明では、上記のような機能の発現を意図して、添加剤として用いることもできる。
芳香族化合物としては、ビフェニル化合物、アルキル置換ベンゼン化合物が挙げられる。ビフェニル化合物は2つのベンゼン環が単結合で結合している部分構造を有しており、ベンゼン環は置換基を有してもよく、好ましい置換基は、炭素数1〜4のアルキル基(例えば、メチル、エチル、プロピル、t−ブチルなど)、炭素数6〜10のアリール基(例えば、フェニル、ナフチルなど)である。
ビフェニル化合物としては、具体的に、ビフェニル、o−テルフェニル、m−テルフェニル、p−テルフェニル、4−メチルビフェニル、4−エチルビフェニル、及び4−t−ブチルビフェニルなどを挙げることができる。
アルキル置換ベンゼン化合物は、炭素数1〜10のアルキル基で置換されたベンゼン化合物が好ましく、具体的には、シクロヘキシルベンゼン、t−アミルベンゼン、t−ブチルベンゼンなどを挙げることができる。
ハロゲン含有化合物が有するハロゲン原子としてはフッ素原子、塩素原子、または、臭素原子が好ましく、フッ素原子がより好ましい。ハロゲン原子の数としては1〜6個が好ましく、1〜3個が更に好ましい。含ハロゲン化合物としてはフッ素原子で置換されたカーボネート化合物、フッ素原子を有するポリエーテル化合物、フッ素置換芳香族化合物が好ましい。
ハロゲン含有化合物としてはハロゲン置換カーボネート化合物が好ましく、これは鎖状、または、環状いずれでもよいが、イオン伝導性の観点から、電解質塩の金属イオン(例えばリチウムイオン)の配位性が高い環状カーボネート化合物が好ましく、5員環環状カーボネート化合物が特に好ましい。
ハロゲン置換カーボネート化合物の好ましい具体例を以下に示す。この中でもBex1〜Bex4の化合物が特に好ましく、Bex1が特に好ましい。
重合性化合物としては炭素−炭素二重結合を有する化合物が好ましく、ビニレンカーボネート、ビニルエチレンカーボネートなどの二重結合を有するカーボネート化合物、アクリレート基、メタクリレート基、シアノアクリレート基およびαCF3アクリレート基から選ばれる基を有する化合物並びにスチリル基を有する化合物が好ましく、二重結合を有するカーボネート化合物および重合性基を分子内に2つ以上有する化合物が更に好ましい。
リン含有化合物としては、リン酸エステル化合物およびホスファゼン化合物が好ましい。リン酸エステル化合物の好ましい例としては、リン酸トリメチル、リン酸トリエチル、リン酸トリフェニル、リン酸トリベンジルが挙げられる。リン含有化合物としては、下記式(D2)または(D3)で表される化合物も好ましい。
硫黄含有化合物としては−SO2−、−SO3−、−OS(=O)O−結合を有する化合物が好ましく、プロパンサルトン、プロペンサルトン、エチレンサルファイトなどの環状含硫黄化合物、スルホン酸エステル類が好ましい。
上記式(E1)または(E2)で表される化合物の具体例を以下に記載する。
ケイ素含有化合物としては、下記式(F1)または(F2)で表される化合物が好ましい。
RF2はアルキル基、アルケニル基、アルキニル基、又はアルコキシ基を示す。
なお、1つの式に複数あるRF1及びRF2はそれぞれ異なっていても同じであってもよい。
ニトリル化合物としては、下記式(G)で表される化合物が好ましい。
金属錯体(I)100質量部に対しては、機能性添加剤が200〜5000質量部であることが好ましく、電極表面へのSEI被膜形成量の観点から500〜2000質量部であることがより好ましい。
本発明の非水二次電池用電解液は、負極被膜形成剤、難燃剤、過充電防止剤などのうちの少なくとも1種を含有していてもよい。電解液中におけるこれら機能性添加剤の含有量は特に限定されないが、非水二次電池用電解液全質量に対し、それぞれ、0.001質量%〜10質量%が好ましい。これらの化合物を添加することにより、過充電による異常時に電池の破裂および/または発火を効果的に抑制したり、高温保存後の容量維持特性およびサイクル特性をより向上させることができる。
非水二次電池用電解液は、金属イオンの塩としてリチウム塩を用いた例を含め、上記各成分を有機溶媒に溶解して、常法により調製することができる。ここで、本発明において、非水二次電池用電解液における「非水」とは、水を実質的に含まないことをいう。水を実質的に含まないとは、本発明の効果を妨げない範囲で水を含んでもよいという意味であり、水の含有量が200ppm(質量基準)以下であることが好ましく、100ppm以下であることがより好ましい。下限値は特に制限されないが、不可避的な混入を考慮すると、10ppm以上であることが実際的である。
非水二次電池用電解液の粘度は、特に制限されないが、25℃において、0.1〜10mPa・sであることが好ましく、0.5〜5mPa・sであることがより好ましい。
本発明の非水二次電池用電解液の粘度は特に断らない限り、以下の測定方法で測定した値によるものとする。
非水二次電池用電解液1mLをレオメーター(CLS 500)に入れ、直径4cm/2°のSteel Cone(共に、商品名、TA Instrumennts社製)を用いて測定する。サンプルは予め測定開始温度にて温度が一定となるまで保温しておき、測定はその後に開始する。測定温度は25℃とする。
非水二次電池は、正極と、負極と、電解液とを含有する。非水二次電池の好ましい実施形態の一例として、リチウムイオン非水二次電池についてその機構を模式化して示した図1を参照して説明する。ただし、同図およびこれに基づく説明により本発明の非水二次電池が限定して解釈されるものではない。
リチウムイオン非水二次電池10は、非水二次電池用電解液5と、リチウムイオンの挿入放出が可能な正極C(正極集電体1、正極活物質層2)と、リチウムイオンの挿入放出又は溶解析出が可能な負極A(負極集電体3、負極活物質層4)とを備える。これらの部材に加え、非水二次電池が使用される目的、形状などを考慮し、正極と負極の間に配設されるセパレータ9、集電端子(図示せず)、及び外装ケース等(図示せず)を含んで構成されてもよい。必要に応じて、非水二次電池の内部及び電池の外部の少なくともいずれかに保護素子を装着してもよい。このような構造とすることにより、非水二次電池用電解液5内でリチウムイオンの授受a,bが生じ、充電αおよび放電βを行うことができ、回路配線7を介して動作機構6の運転あるいは蓄電を行うことができる。
以下、正極活物質層および負極活物質層のいずれかまたは両方を示すのに、単に「活物質層」と記載することがある。
本発明の非水二次電池に適用される電池形状には、特に制限はなく、例えば、有底筒型形状(コイン型形状)、有底角型形状、薄型形状、シート形状、及び、ペーパー形状などが挙げられ、これらのいずれであってもよい。また、本発明の非水二次電池の形状は、組み込まれるシステムおよび機器の形を考慮して、馬蹄形または櫛型形状等の異型であってもよい。なかもで、非水二次電池内部の熱を効率よく外部に放出する観点から、比較的平らで大面積の面を少なくとも1つ有する有底角型形状または薄型形状などの角型形状またはコイン型形状などの有底筒型形状が好ましい。
本発明の非水二次電池は、本発明の非水二次電池用電解液と電極合材(正極合材および負極合材)とを含み、さらにセパレータを具備して構成されてもよい。以下、これらの各部材について述べる。
電極合材は、集電体(電極基材)上に、活物質、導電材、結着剤、フィラーなどの活物質層を構成するための分散物(合剤)を塗布しシート状に成形したものである。非水二次電池において、通常、正極には、活物質として正極活物質が使用され、負極には、活物質として負極活物質が使用される。
次に、活物質層を構成するための分散物(合剤)中の各成分(活物質、導電材、結着剤、フィラーなど)等について説明する。
正極活物質には遷移金属酸化物を用いることが好ましく、中でも、遷移元素Ma(Co、Ni、Fe、Mn、Cu及びVのうちの1種以上の元素)を有することが好ましい。また、混合元素Mb(リチウム以外の金属周期律表の第1(Ia)族の元素、第2(IIa)族の元素、Al、Ga、In、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Si、P、Bなど)を混合してもよい。このような遷移金属酸化物として例えば、下記式(MA)〜(MC)のいずれかで表される遷移金属酸化物、またはその他の遷移金属酸化物としてV2O5、MnO2等が挙げられる。正極活物質には、粒子状の正極活物質を用いてもよい。具体的には、可逆的にリチウムイオンを挿入および放出できる遷移金属酸化物を用いることができるが、式(MA)〜(MC)のいずれかで表される遷移金属酸化物を用いることが好ましい。
リチウム含有遷移金属酸化物としては中でも下記式で表されるものが好ましい。
式(MA−2) LigNiOk
式(MA−3) LigMnOk
式(MA−4) LigCojNi1−jOk
式(MA−5) LigNijMn1−jOk
式(MA−6) LigCojNiiAl1−j−iOk
式(MA−7) LigCojNiiMn1−j−iOk
式(MA−1)〜(MA−7)のいずれかで表される遷移金属酸化物の具体例としては、LiCoO2(コバルト酸リチウム[LCO])、LiNi2O2(ニッケル酸リチウム)LiNi0.85Co0.01Al0.05O2(ニッケルコバルトアルミニウム酸リチウム[NCA])、LiNi0.33Co0.33Mn0.33O2(ニッケルマンガンコバルト酸リチウム[NMC])およびLiNi0.5Mn0.5O2(マンガンニッケル酸リチウム)が挙げられる。
LigNi1/3Mn1/3Co1/3O2
LigNi1/2Mn1/2O2
LigNi0.8Co0.15Al0.05O2
リチウム含有遷移金属酸化物としては、特に下記式(MB)で表される化合物も好ましい。
式(MB−2) LimmMnpAl2−pOnn
式(MB−3) LimmMnpNi2−pOnn
式(αb) Li2FeMn3O8
式(αc) Li2CuMn3O8
式(αd) Li2CrMn3O8
式(αe) Li2NiMn3O8
リチウム含有遷移金属酸化物としてはリチウム含有遷移金属リン酸化物を用いることも好ましく、中でも下記式(MC)で表される化合物も好ましい。
なお、Liの組成を表す上記aa、c、g、mm、e値は、充放電により変化する値であり、典型的には、Liを含有したときの安定な状態の値で評価される。なお、式(αa)〜(αe)では特定値としてLiの組成を示しているが、これも同様に電池の動作により変化するものである。
LiCoPO4
Li2MnO3−LiNi0.5Mn0.5O2固溶体
ここで、通常使用を維持できるとは、その電圧で充電を行った際でも電極材料が劣化して使用不能になることがないことを意味し、この電位を通常使用可能電位ともいう。
充放電時の正極電位(Li/Li+基準)は、下記式で表される。
そのため、本発明の非水二次電池用電解液は高電位駆動での使用に好ましく用いることができる。例えば、駆動電位が4.6V以上の非水二次電池に用いることができる。上限は特に制限されるものではないが、実際的な駆動電位の上限は、5.2V以下である。
ここで、駆動電位とは、充電時の設定電位の上限を意味する。
負極活物質としては、可逆的にリチウムイオンを挿入および放出できるものであれば、特に制限はなく、炭素質材料、酸化錫および酸化ケイ素等の金属酸化物、金属複合酸化物、リチウム単体およびリチウムアルミニウム合金等のリチウム合金、並びに、SnおよびSi等のリチウムと合金形成可能な金属等が挙げられる。
これらは、1種を単独で用いても、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用しても良い。なかでも炭素質材料又はリチウム複合酸化物が好ましく用いられる。
また、金属複合酸化物としては、リチウムを吸蔵および放出可能であれば特には制限されないが、構成成分としてチタン及び/又はリチウムを含有していることが、高電流密度充放電特性の観点で好ましい。
導電剤は、本発明の非水二次電池において、電子伝導性材料であれば何を用いてもよく、通常の導電材を任意に用いることができる。通常、天然黒鉛(鱗状黒鉛、鱗片状黒鉛、土状黒鉛など)、人工黒鉛、カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、炭素繊維、金属粉(銅、ニッケル、アルミニウム、銀等)、金属繊維あるいはポリフェニレン誘導体(特開昭59−20971号に記載)などの導電性材料を1種又はこれらの混合物として含ませることができる。その中でも、黒鉛とアセチレンブラックの併用が特に好ましい。上記導電剤の含有量としては、活物質層を構成するための分散物(合剤)中、固形成分100質量%において、0.1〜50質量%が好ましく、0.5〜30質量%がより好ましい。カーボンブラックまたは天然黒鉛の場合は、分散物中、0.5〜15質量%が特に好ましい。
結着剤としては、多糖類、熱可塑性樹脂及びゴム弾性を有するポリマーなどが挙げられ、その中でも、例えば、でんぷん、カルボキシメチルセルロース、セルロース、ジアセチルセルロース、メチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、アルギン酸ナトリウム、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸ナトリウム、ポリビニルフェノール、ポリビニルメチルエーテル、ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン、ポリアクリロニトリル、ポリアクリルアミド、ポリヒドロキシ(メタ)アクリレート、スチレン−マレイン酸共重合体等の水溶性ポリマー、ポリビニルクロリド、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、ビニリデンフルオライド−テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−プロピレン−ジエンターポリマー(EPDM)、スルホン化EPDM、ポリビニルアセタール樹脂、メチルメタアクリレート、2−エチルヘキシルアクリレート等の(メタ)アクリル酸エステルを含有する(メタ)アクリル酸エステル共重合体、(メタ)アクリル酸エステル−アクリロニトリル共重合体、ビニルアセテート等のビニルエステルを含有するポリビニルエステル共重合体、スチレン−ブタジエン共重合体、アクリロニトリル−ブタジエン共重合体、ポリブタジエン、ネオプレンゴム、フッ素ゴム、ポリエチレンオキシド、ポリエステルポリウレタン樹脂、ポリエーテルポリウレタン樹脂、ポリカーボネートポリウレタン樹脂、ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂等のエマルジョン(ラテックス)あるいはサスペンジョンが好ましく、ポリアクリル酸エステル系のラテックス、カルボキシメチルセルロース、ポリテトラフロロエチレン、ポリフッ化ビニリデンが、より好ましい。
フィラーを形成する材料は、繊維状材料であればよく、通常、ポリプロピレン、ポリエチレンなどのオレフィン系ポリマー、ガラス、炭素などの材料からなる繊維状のフィラーが用いられる。フィラーの含有量は特に限定されないが、活物質層を構成するための分散物(合剤)中、固形成分100質量%において、0〜30質量%が好ましい。
正極および負極の集電体としては、通常集電体として用いられる電子伝導体が用いられる。
正極の集電体としては、アルミニウム、ステンレス鋼、ニッケル、チタンなどの他にアルミニウムまたはステンレス鋼の表面にカーボン、ニッケル、チタンあるいは銀を処理させたものが好ましく、その中でも、アルミニウム、アルミニウム合金がより好ましい。
負極の集電体としては、アルミニウム、銅、ステンレス鋼、ニッケル、チタンが好ましく、アルミニウム、銅、銅合金がより好ましい。
集電体の形状としては、通常フィルムシート状のものが使用されるが、ネット、パンチされたもの、ラス体、多孔質体、発泡体、繊維群の成形体なども用いることができる。上記集電体の厚みとしては、特に限定されないが、1μm〜500μmが好ましい。また、集電体表面は、表面処理により凹凸を付けることも好ましい。
本発明の非水二次電池に用いることができるセパレータは、正極と負極を電子的に絶縁する機械的強度、イオン透過性、及び正極と負極の接触面で酸化耐性および還元耐性のある材料であれば特に限定されることはない。このようなセパレータの材料として、多孔質のポリマー材料、無機材料、有機無機ハイブリッド材料またはガラス繊維などが用いられる。セパレータは安全性確保のためのシャットダウン機能、すなわち、80℃以上で隙間を閉塞して抵抗を上げ、電流を遮断する機能、を持つことが好ましく、閉塞温度は90℃以上、180℃以下であることが好ましい。
本発明の非水二次電池の形状は、有底筒型形状、シート形状、有底角型形状などいずれの形にも適用できる。正極活物質または負極活物質を含む分散物は、集電体の上に、塗布(コート)、乾燥、圧縮されて、主に用いられる。
上記のようにして製造した本発明の非水二次電池は、製造後又は使用前に初期化を行い、正極表面に正極SEI被膜を形成する。初期化は、特に限定されず、例えば、電池電圧が4.9Vになるまで0.2C定電流充電を行い、その後電池電圧が2.75Vになるまで1C定電流放電を行う。これを3回程度繰り返すことにより、行うことができる。
本発明の非水二次電池は、高電位で駆動しても非水二次電池用電解液の劣化が抑制されるため、種々の用途に適用される。特に、高電位駆動が要求されるアプリケーションに適用されることが好ましい。電気自動車などでは、高容量の二次電池を搭載し家庭で日々充電が行われる用途が想定される。また、高出力で駆動するために高い電池電圧が必要であり、電池本数を減らすために1本当たりの電池電圧を高くすることが重要になる。本発明によれば、このような使用形態に好適に対応してその優れた効果を発揮することができる。
その他の適用態様としては、例えば、電子機器に搭載する場合、ノートパソコン、ペン入力パソコン、モバイルパソコン、電子ブックプレーヤー、携帯電話、コードレスフォン子機、ページャー、ハンディーターミナル、携帯ファックス、携帯コピー、携帯プリンター、ヘッドフォンステレオ、ビデオムービー、液晶テレビ、ハンディークリーナー、ポータブルCD、ミニディスク、電気シェーバー、トランシーバー、電子手帳、電卓、携帯テープレコーダー、ラジオ、バックアップ電源、メモリーカードなどが挙げられる。その他民生用として、電動車両、モーター、照明器具、玩具、ゲーム機器、ロードコンディショナー、時計、ストロボ、カメラ、医療機器(ペースメーカー、補聴器、肩もみ機など)などが挙げられる。また、太陽電池と組み合わせることもできる。
(金属錯体の合成例)
(1)例示化合物A−1の合成
以下の手順で上述の例示化合物A−1を合成した。
ジルコニウムテトラプロポキサイド(10mmol)と8−キノリノール(42mmol)にエタノール100mlを加え、窒素雰囲気下還流温度(80℃)で2時間撹拌した。その後、反応液を室温まで冷却したのち、ろ過し、エタノールでかけ洗い後、減圧乾燥することで淡黄色の固体を得た(収率92%)。図4に示す1H−NMRチャート(400MHz)から、例示化合物A−1が合成されたことを確認した。
上述の例示化合物A−2〜12、後述する化合物AR−1およびAR−2は、各化合物に対応した原料を用いたこと以外は、例示化合物A−1と同様にして合成した。
例示化合物A−1〜12が、上述の一般式(I)で表される金属錯体であり、化合物AR−1およびAR−2が比較のための化合物である。
金属錯体に1M LiPF6のエチレンカーボネート/エチルメチルカーボネート(体積比1対2)溶液を加え、金属錯体の含有量が後述の表1に示す値になるよう調整して、No.101〜112、c102およびc103の非水二次電池用電解液を得た。
No.101〜112およびc101〜c103の非水二次電池用電解液について、3極セルを用いて、POX[%](電解液酸化量)を算出した。
正極活物質:ニッケルマンガン酸リチウム(LiNi0.5Mn1.5O4)
85質量%
導電助剤:カーボンブラック 7質量%
バインダー:PVDF(ポリフッ化ビニリデン) 8質量%
開始電位:3.7V
到達電位:5.2V
終止電位:3.7V
掃引速度:0.1mV/sで掃引を3サイクル(初期化)を行った後、
開始電位:3.7V
到達電位:5.5V
終止電位:3.7V
掃引速度:0.05mV/sで掃引を1サイクルを行った。
例として、図3に示す、c101の非水二次電池用電解液のサイクリックボルタモグラムからPOX[%]を算出する方法を説明する。具体的には、4.7V付近の低電位側のピークトップの酸化電流量をAMax、5.0V時の酸化電流量をAref、5.5V時の酸化電流量をAOXとして、下記計算式からPOX[%]を算出した。No.101〜112、c102およびc103の非水二次電池用電解液について、c101の非水二次電池用電解液と同様にしてPOX[%]を算出した。POX[%]を後述の表1に示す。
「−」:金属錯体を含有しないことを示す。
「金属錯体」:上記合成した例示化合物A−1〜12、化合物AR−1およびAR−2を示す。
No.c102およびc103の非水二次電池用電解液を用いた結果から、本発明の規定を満たさない化合物を含有する非水二次電池用電解液のPox[%]が大きかった。そのため、このような非水二次電池用電解液を非水二次電池に用いて高電位駆動させる場合、非水二次電池用電解液が劣化し、充放電を繰り返したときの非水二次電池の性能劣化が大きいと予測される。
正極活物質として用いたニッケルマンガン酸リチウムをオリビン型リン酸コバルト(LiCoPO4)に変えた以外は、実施例1と同様にして、No.101〜112およびc101〜c103の非水二次電池用電解液についてPOX[%]を算出し、No.c101のPOX[%]を100としたときの値を求め、下記基準により評価した。結果を下記表2に示す。
A:0以上30未満
B:30以上50未満
C:50以上70未満
D:70以上90未満
E:90以上100以下
1 正極導電材(集電体)
2 正極活物質層
A 負極(負極合材)
3 負極導電材(集電体)
4 負極活物質層
5 非水二次電池用電解液
6 動作機構
7 回路配線
9 セパレータ
10 リチウムイオン非水二次電池
a、b リチウムイオンの授受
α 充電時の電子の進行方向
β 放電時の電子の進行方向
e− 電子
12 セパレータ
14 正極シート
16 負極シート
18 負極集電体を兼ねる外装缶
20 絶縁板
22 封口板
24 正極集電体
26 ガスケット
28 圧力感応弁体
30 電流遮断素子
100 有底筒型形状リチウムイオン非水二次電池
Claims (6)
- 電解質と、有機溶媒と、下記一般式(I)で表される金属錯体とを含有する非水二次電池用電解液。
kは0以上の整数を示し、mは0〜4の整数を示し、nは1以上の整数を示す。ただし、k+nはMの価数を示す。
R1はアルキル基、アリール基、アルコキシ基、カルボニル基含有基、スルホニル基含有基またはハロゲン原子を示す。
R2およびR3は、水素原子、アルキル基、アリール基、アルコキシ基、カルボニル基含有基、スルホニル基含有基またはハロゲン原子を示す。
Lは1座の配位子を示す。
mが1〜4の整数を示す場合、R 2 と1つのR 1 とは、互いに連結して含窒素芳香族複素環を形成してもよい。 - Mが、Ti、ZrまたはHfである請求項1または2に記載の非水二次電池用電解液。
- 前記有機溶媒としてカーボネート基を有する化合物を含有する請求項1〜3のいずれか1項に記載の非水二次電池用電解液。
- 前記一般式(I)で表される金属錯体の含有量が、0.05〜5質量%である請求項1〜4のいずれか1項に記載の非水二次電池用電解液。
- 正極と、負極と、請求項1〜5のいずれか1項に記載の非水二次電池用電解液とを具備する非水二次電池。
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