JP6909408B2 - Non-aqueous electrolyte secondary battery - Google Patents

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Description

本発明は、非水電解液二次電池に関する。 The present invention relates to a non-aqueous electrolyte secondary battery.

リチウムイオン電池等の非水電解液二次電池では、実用化が進むに連れて用途に応じた各種特性の改善の要求がますます高まっている。例えば、非水電解液二次電池については、初期抵抗等の初期特性を良好にすることと、二次電池の長期の使用後でも特性が大きく変化しないことを意味する高耐久性とを両立させることは難しいという課題がある。そこで、例えば、特許文献1,2には、非水電解液に添加剤として特定のスクアリン酸等を添加することで、非水電解液二次電池の常温域での容量維持率を改善できることが開示されている。 As non-aqueous electrolyte secondary batteries such as lithium-ion batteries are put into practical use, there is an increasing demand for improvement of various characteristics according to the application. For example, for a non-aqueous electrolyte secondary battery, both good initial characteristics such as initial resistance and high durability, which means that the characteristics do not change significantly even after long-term use of the secondary battery, are compatible. There is a problem that it is difficult to do. Therefore, for example, in Patent Documents 1 and 2, it is possible to improve the capacity retention rate of the non-aqueous electrolyte secondary battery in the normal temperature range by adding a specific squaric acid or the like as an additive to the non-aqueous electrolyte solution. It is disclosed.

特開2008−262900号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2008-262900 特開2012−109089号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2012-109089

一方で、例えば高温環境に晒される用途の二次電池については、常温環境における電池特性に加えて、劣化が促進される高温環境に晒されたのちの電池特性についても、各種特性の改善が要求される。しかしながら、上記のスクアリン酸等を添加した非水電解液を用いた二次電池では、常温域での容量維持率は改善されるものの、他の特性、例えば初期抵抗が悪化するという課題がある。また、高温環境に晒されたのちの抵抗特性については特に改善が見られない。そのため、非水電解液二次電池については、より高いレベルでの特性改善の余地があった。 On the other hand, for example, for secondary batteries for applications exposed to high temperature environments, it is required to improve various characteristics not only in the battery characteristics in the normal temperature environment but also in the battery characteristics after being exposed to the high temperature environment where deterioration is promoted. Will be done. However, in the secondary battery using the non-aqueous electrolytic solution to which the above-mentioned squaric acid or the like is added, although the capacity retention rate in the normal temperature range is improved, there is a problem that other characteristics such as initial resistance are deteriorated. In addition, no particular improvement is seen in the resistance characteristics after exposure to a high temperature environment. Therefore, there is room for improving the characteristics of the non-aqueous electrolyte secondary battery at a higher level.

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、二次電池の劣化をより高度に抑制し、出力特性が損われることなく高温耐久性が改善されている非水電解液二次電池を提供することにある。 The present invention has been made in view of this point, and an object thereof is a non-aqueous electrolyte solution in which deterioration of a secondary battery is suppressed to a higher degree and high temperature durability is improved without impairing output characteristics. The next battery is to be provided.

ここに開示される技術は、正極と、負極と、非水電解液とを有する非水電解液二次電池を提供する。ここで非水電解液は、クロコン酸、ロジソン酸およびヘプタゴン酸のアルカリ金属塩およびこれらの誘導体からなる群から選択される少なくとも1種の添加剤を、0.05質量%以上5質量%以下の割合で含む。このような構成によると、公知のように常温域における容量維持率を改善する目的で添加剤を加えても、初期抵抗を悪化させることがなく、却って初期抵抗を低下させることができる。このことに加えて、高温環境に長期間晒した後であっても、容量維持率の低下を良好に抑制することができる。換言すると、常温に加えて高温での容量維持率および抵抗特性が改善されていることから二次電池の劣化をより高度に抑制し、また、初期抵抗が低減されていることから出力特性もが改善された二次電池が提供される。 The technique disclosed herein provides a non-aqueous electrolyte secondary battery having a positive electrode, a negative electrode, and a non-aqueous electrolyte. Here, the non-aqueous electrolytic solution contains at least one additive selected from the group consisting of alkali metal salts of croconic acid, logisonic acid and heptagonic acid and derivatives thereof, in an amount of 0.05% by mass or more and 5% by mass or less. Include in proportion. According to such a configuration, as is known, even if an additive is added for the purpose of improving the capacity retention rate in the room temperature range, the initial resistance can be lowered without deteriorating the initial resistance. In addition to this, it is possible to satisfactorily suppress a decrease in the capacity retention rate even after being exposed to a high temperature environment for a long period of time. In other words, the capacity retention rate and resistance characteristics at high temperatures in addition to room temperature are improved, which suppresses the deterioration of the secondary battery to a higher degree, and the initial resistance is reduced, so the output characteristics are also improved. An improved secondary battery is provided.

以下、本発明の好適な実施形態を説明する。なお、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄(例えば、本発明を特徴付けない正極や負極等の二次電池構成要素や、電池の一般的な製造プロセス等)は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。なお、数値範囲を示す「A〜B」との記載は、「A以上B以下」を意味するものとする。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described. It should be noted that matters other than those specifically mentioned in the present specification and necessary for carrying out the present invention (for example, secondary battery components such as positive electrodes and negative electrodes that do not characterize the present invention, and general batteries). Manufacturing process, etc.) can be grasped as a design item of a person skilled in the art based on the prior art in the field. The present invention can be carried out based on the contents disclosed in the present specification and common general technical knowledge in the art. The description of "A to B" indicating the numerical range means "A or more and B or less".

ここに開示される非水電解液二次電池(以下、単に、「電池」、「二次電池」などという。)は、正極と負極と電解液とを備える。
以下、各構成要素について順に説明する。
The non-aqueous electrolyte secondary battery disclosed herein (hereinafter, simply referred to as “battery”, “secondary battery”, etc.) includes a positive electrode, a negative electrode, and an electrolytic solution.
Hereinafter, each component will be described in order.

正極は、正極集電体と、正極集電体の上に固着された正極活物質層と、を備えている。正極集電体としては、導電性の良好な金属製のシート、例えばアルミニウム箔が好適である。正極活物質層は、多孔質構造である。正極活物質層は、少なくとも、正極活物質と、結着剤(バインダ)と、を含んでいる。このような正極は、例えば、正極活物質と結着剤とを適当な溶媒中で混練してなる正極ペーストを、正極集電体の表面に塗布し、乾燥することによって作製される。 The positive electrode includes a positive electrode current collector and a positive electrode active material layer fixed on the positive electrode current collector. As the positive electrode current collector, a metal sheet having good conductivity, for example, aluminum foil is suitable. The positive electrode active material layer has a porous structure. The positive electrode active material layer contains at least a positive electrode active material and a binder. Such a positive electrode is produced, for example, by applying a positive electrode paste obtained by kneading a positive electrode active material and a binder in an appropriate solvent to the surface of a positive electrode current collector and drying the positive electrode.

正極活物質は、電荷担体を可逆的に吸蔵及び放出可能な材料であればよい。正極活物質の好適例としては、リチウムニッケル含有複合酸化物、リチウムコバルト含有複合酸化物、リチウムニッケルコバルト含有複合酸化物、リチウムマンガン含有複合酸化物、リチウムニッケルコバルトマンガン含有複合酸化物等のリチウム遷移金属複合酸化物が挙げられる。高耐久の観点からは、通常使用時の作動電位が金属リチウム基準で4.2V以下である、層状構造のリチウムニッケルコバルトマンガン含有複合酸化物等の、いわゆる4V級の正極活物質が好ましい。また、一度に高い出力を実現するとの観点からは、作動電位が金属リチウム基準で4.2Vを越えて約5.2V以下である、スピネル構造のリチウムニッケルマンガン酸化物等のいわゆる5V級の正極活物質が好ましい。また、バインダとしては、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)等のハロゲン化ビニル樹脂、ポリエチレンオキサイド(PEO)等のポリアルキレンオキサイドを好適に用いることができる。正極活物質層は、正極活物質以外の任意成分(例えば導電材等)を含んでいてもよい。導電材としては、例えば、アセチレンブラックやケッチェンブラック等のカーボンブラック、活性炭、黒鉛、炭素繊維等の炭素材料が挙げられる。 The positive electrode active material may be any material that can reversibly store and release charge carriers. Preferable examples of the positive electrode active material are lithium transitions such as lithium nickel-containing composite oxide, lithium cobalt-containing composite oxide, lithium nickel cobalt-containing composite oxide, lithium manganese-containing composite oxide, and lithium nickel cobalt manganese-containing composite oxide. Examples include metal composite oxides. From the viewpoint of high durability, a so-called 4V class positive electrode active material such as a layered lithium nickel cobalt manganese-containing composite oxide having an operating potential of 4.2V or less based on metallic lithium is preferable. From the viewpoint of achieving high output at one time, a so-called 5V class cathode such as lithium nickel manganese oxide having a spinel structure having an operating potential exceeding 4.2V and about 5.2V or less based on metallic lithium is used. Active material is preferred. Further, as the binder, for example, a vinyl halide resin such as polyvinylidene fluoride (PVdF) and a polyalkylene oxide such as polyethylene oxide (PEO) can be preferably used. The positive electrode active material layer may contain an arbitrary component (for example, a conductive material) other than the positive electrode active material. Examples of the conductive material include carbon black such as acetylene black and Ketjen black, and carbon materials such as activated carbon, graphite and carbon fiber.

負極は、負極集電体と、負極集電体の上に固着された負極活物質層と、を備えている。負極集電体としては、導電性の良好な金属製のシート、例えば銅やニッケル等の金属箔が好適である。負極活物質層は、多孔質構造である。負極活物質層は、少なくとも、負極活物質と、結着剤(バインダ)と、を含んでいる。このような負極は、例えば、負極活物質と結着剤とを適当な溶媒中で混練してなる負極ペーストを、負極集電体の表面に塗布し、乾燥することによって作製される。 The negative electrode includes a negative electrode current collector and a negative electrode active material layer fixed on the negative electrode current collector. As the negative electrode current collector, a metal sheet having good conductivity, for example, a metal foil such as copper or nickel is suitable. The negative electrode active material layer has a porous structure. The negative electrode active material layer contains at least a negative electrode active material and a binder. Such a negative electrode is produced, for example, by applying a negative electrode paste obtained by kneading a negative electrode active material and a binder in an appropriate solvent to the surface of a negative electrode current collector and drying the negative electrode.

負極活物質は、電荷担体を可逆的に吸蔵及び放出可能な材料であればよい。負極活物質の好適例として、黒鉛(グラファイト)、難黒鉛化炭素(ハードカーボン)、易黒鉛化炭素(ソフトカーボン)、カーボンナノチューブ等の炭素材料、或いは、これらを組み合わせた材料が挙げられる。なかでも、エネルギー密度の観点から、天然黒鉛(石墨)や人造黒鉛等の黒鉛系材料を好ましく用いることができる。かかる黒鉛系材料は、少なくとも一部の表面に非晶質炭素が配置されているものを好ましく用いることができる。より好ましくは、粒状炭素の表面のほぼ全てを非晶質炭素の膜で被覆された形態である。バインダとしては、この種の電池の負極に使用されるバインダと同様のものを適宜採用することができる。例えば、正極におけるのと同様のバインダを用いることができるが、好ましい形態として、水性溶媒を用い、スチレンブタジエンゴム(SBR)等のゴム類、ポリエチレンオキサイド(PEO)、酢酸ビニル共重合体等の水溶性のポリマー材料または水分散性のポリマー材料を好ましく採用し得る。負極活物質層は、負極活物質以外の任意成分(例えばや増粘剤等)を含んでいてもよい。増粘剤としては、例えば、カルボキシメチルセルロース(CMC)等のセルロース類が挙げられる。 The negative electrode active material may be any material that can reversibly occlude and release the charge carrier. Preferable examples of the negative electrode active material include carbon materials such as graphite (graphite), non-graphitized carbon (hard carbon), easily graphitized carbon (soft carbon), and carbon nanotubes, or a material in which these are combined. Among them, graphite-based materials such as natural graphite (stone ink) and artificial graphite can be preferably used from the viewpoint of energy density. As the graphite-based material, those in which amorphous carbon is arranged on at least a part of the surface can be preferably used. More preferably, almost the entire surface of the granular carbon is coated with an amorphous carbon film. As the binder, the same binder as that used for the negative electrode of this type of battery can be appropriately adopted. For example, the same binder as in the positive electrode can be used, but in a preferred form, an aqueous solvent is used, and rubbers such as styrene-butadiene rubber (SBR), polyethylene oxide (PEO), and water-soluble polymer such as vinyl acetate copolymer are used. A sex-based polymer material or a water-dispersible polymer material can be preferably adopted. The negative electrode active material layer may contain an optional component (for example, a thickener or the like) other than the negative electrode active material. Examples of the thickener include celluloses such as carboxymethyl cellulose (CMC).

上記正極および負極は、セパレータを介して絶縁された状態で対向配置される。セパレータは、電気的絶縁性を有しつつ、正負極間での電解質の移動を可能とするシート状材料によって構成され得る。このようなセパレータは、電池内における電気化学反応に対して安定な各種の材料によって構成される。このようなセパレータ材料としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン樹脂が好適例として挙げられる。またこのようなセパレータは、例えば、透気抵抗度が100秒以上の1000秒以下程度の透気性を有する、織布、不織布、微多孔性シート等によって好適に構成することができる。なお、このセパレータに代えて、ゲル状の高分子材料からなるゲル状電解質を用いてもよい。 The positive electrode and the negative electrode are arranged so as to face each other in a state of being insulated via a separator. The separator may be composed of a sheet-like material that has electrical insulation and allows the transfer of electrolytes between the positive and negative electrodes. Such separators are made of various materials that are stable against electrochemical reactions in the battery. As such a separator material, for example, a polyolefin resin such as polyethylene and polypropylene can be mentioned as a preferable example. Further, such a separator can be suitably configured by, for example, a woven fabric, a non-woven fabric, a microporous sheet or the like having an air permeability of 100 seconds or more and 1000 seconds or less. Instead of this separator, a gel-like electrolyte made of a gel-like polymer material may be used.

非水電解液は、非水溶媒と、電解質支持塩と、ここに開示される技術において特徴的な添加剤と、を含んでいる。
電解液は、典型的には室温(25℃)以下の温度で液体状態を示す。電解質支持塩は、例えばリチウム塩である。非水溶媒およびリチウム塩については特に限定されず、従来の二次電池の電解液に使用されているものと同様であってよい。
非水溶媒の好適例としては、例えば、カーボネート類、エステル類、エーテル類等の非プロトン性溶媒が挙げられる。なかでも、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)等の環状カーボネート、ジエチルカーボネート(DEC)、ジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)等の鎖状カーボネート、および、これらのカーボネートがフッ素化されたフッ素化鎖状または環状カーボネートを、1種または2種以上含むことが好ましい。リチウム塩の好適例としては、例えば、LiPF、LiBF等が挙げられる。電解液中のリチウム塩の濃度は、例えば0.8〜1.3mol/Lとすることができる。
The non-aqueous electrolyte solution contains a non-aqueous solvent, an electrolyte supporting salt, and additives characteristic of the techniques disclosed herein.
The electrolytic solution typically exhibits a liquid state at a temperature below room temperature (25 ° C.). The electrolyte supporting salt is, for example, a lithium salt. The non-aqueous solvent and the lithium salt are not particularly limited, and may be the same as those used in the electrolytic solution of the conventional secondary battery.
Preferable examples of non-aqueous solvents include aprotic solvents such as carbonates, esters and ethers. Among them, cyclic carbonates such as ethylene carbonate (EC) and propylene carbonate (PC), chain carbonates such as diethyl carbonate (DEC), dimethyl carbonate (DMC) and ethyl methyl carbonate (EMC), and these carbonates are fluorine. It is preferable to contain one or more fluorinated chain or cyclic carbonates. Preferable examples of the lithium salt include, for example, LiPF 6 , LiBF 4, and the like. The concentration of the lithium salt in the electrolytic solution can be, for example, 0.8 to 1.3 mol / L.

そして非水電解液は、添加剤として、クロコン酸、ロジソン酸およびヘプタゴン酸のアルカリ金属塩およびこれらの誘導体のうちの少なくとも一種を含む。クロコン酸、ロジソン酸およびヘプタゴン酸は、オキソカーボン酸と呼ばれる化合物の一種である。そしてこれらのオキソカーボン酸のアルカリ金属塩は、以下の一般式(I)〜(III)によって表される。なお、式中のMは、アルカリ金属元素から選択される少なくとも1種である。Mとしては特に制限されず、リチウム(Li)、ナトリウム(Na)、カリウム(K)、ルビジウム(Rb)、セシウム(Cs)およびフランシウム(Fr)のいずれであってもよい。Mとしては、例えば、リチウム、ナトリウム、カリウムのいずれかが好ましく、リチウムが特に好ましい。そしてまた、式中のMとして、水素(H)や炭化水素基等の官能基は含まれない。 The non-aqueous electrolyte solution contains at least one of the alkali metal salts of croconic acid, logisonic acid and heptagonic acid and derivatives thereof as additives. Croconic acid, logisonic acid and heptagonic acid are a type of compound called oxocarbonic acid. The alkali metal salts of these oxocarbonic acids are represented by the following general formulas (I) to (III). In addition, M in the formula is at least one kind selected from alkali metal elements. The M is not particularly limited and may be any of lithium (Li), sodium (Na), potassium (K), rubidium (Rb), cesium (Cs) and francium (Fr). As M, for example, lithium, sodium, or potassium is preferable, and lithium is particularly preferable. Further, as M in the formula, a functional group such as hydrogen (H) or a hydrocarbon group is not included.

Figure 0006909408
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以上のクロコン酸、ロジソン酸およびヘプタゴン酸のアルカリ金属塩の誘導体については特に制限されない。例えば、上記一般式(I)〜(III)における酸素原子(O)が任意の官能基と結合または置換してなる化合物であってよい。このような官能基としては、一例として、炭化水素基、アルキルシリル基およびこれらの官能基の一部または全部の水素をハロゲンで置換したハロゲン含有基等が挙げられる。具体的には、上記官能基としては、飽和脂肪族炭化水素基、不飽和脂肪族炭化水素基、芳香族炭化水素基、脂環式炭化水素基等が挙げられ、より具体的には、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、アリル基、フェニル基、トリメチルアルキルシリル基、トリエチルアルキルシリル基などが挙げられる。しかしながら、このような官能基が含まれない態様がより好ましいといえる。 The above derivatives of alkali metal salts of croconic acid, logisonic acid and heptagonic acid are not particularly limited. For example, it may be a compound in which the oxygen atom (O) in the above general formulas (I) to (III) is bonded or substituted with an arbitrary functional group. Examples of such a functional group include a hydrocarbon group, an alkylsilyl group, and a halogen-containing group in which a part or all of hydrogen of these functional groups is replaced with a halogen. Specifically, examples of the functional group include a saturated aliphatic hydrocarbon group, an unsaturated aliphatic hydrocarbon group, an aromatic hydrocarbon group, an alicyclic hydrocarbon group and the like, and more specifically, for example. , Methyl group, ethyl group, propyl group, isopropyl group, butyl group, allyl group, phenyl group, trimethylalkylsilyl group, triethylalkylsilyl group and the like. However, it can be said that an embodiment in which such a functional group is not contained is more preferable.

なお、二次電池において、長期にわたって高い放電容量を維持することと、長期にわたって高い入出力特性を維持することとは必ずしも一致しない。このことは、低負荷で使用される非水系二次電池の放電容量の減少は、一般に、電極表面での非水電解液の分解反応によって正極と負極の充電レベルのバランスが変化してしまうことが主因の一つとなることに対し、入出力特性の減少、すなわち直流抵抗(I−V抵抗)の増大は、集電抵抗、非水電解液の液抵抗、正負極と電解質との間における電荷移動抵抗等の増大が主な原因となるためである。したがって、高入出力が要求される用途の二次電池においては、直流抵抗の増大を抑制することが重要となる。詳細は明らかではないが、上記のような特定の環構造を有するオキソカーボン酸のアルカリ金属塩を非水電解液に添加することで、常温域で初期抵抗を高めることなく(例えば初期抵抗を低減しつつ)、電極の表面に、高温環境における電池反応に対しても優れた耐性を有する良好な被膜を形成できるものと考えられる。このことによって、初期抵抗を高めることなく容量維持率を改善することができる。また同時に、例えば40℃以上(一例として60℃)の高温環境に長期間晒された後であっても、電池抵抗の上昇や容量低下を低く抑える効果を得ることができる。 In a secondary battery, maintaining a high discharge capacity for a long period of time does not always correspond to maintaining a high input / output characteristic for a long period of time. This means that the decrease in the discharge capacity of a non-aqueous secondary battery used at a low load generally changes the balance between the charge levels of the positive electrode and the negative electrode due to the decomposition reaction of the non-aqueous electrolyte solution on the electrode surface. Is one of the main causes, whereas the decrease in input / output characteristics, that is, the increase in DC resistance (IV resistance) is due to the current collection resistance, the liquid resistance of the non-aqueous electrolyte solution, and the charge between the positive and negative electrodes and the electrolyte. This is because the increase in movement resistance and the like is the main cause. Therefore, it is important to suppress an increase in DC resistance in a secondary battery for applications that require high input / output. Although the details are not clear, by adding the alkali metal salt of oxocarbonic acid having a specific ring structure as described above to the non-aqueous electrolyte solution, the initial resistance is not increased in the normal temperature range (for example, the initial resistance is reduced). However, it is considered that a good film having excellent resistance to the battery reaction in a high temperature environment can be formed on the surface of the electrode. This makes it possible to improve the capacity retention rate without increasing the initial resistance. At the same time, it is possible to obtain the effect of suppressing an increase in battery resistance and a decrease in capacity even after being exposed to a high temperature environment of, for example, 40 ° C. or higher (60 ° C. for example) for a long period of time.

なお、オキソカーボン酸のアルカリ金属塩およびその誘導体としては、上記一般式(I)〜(III)によって表される、分子構造に5員環、6員環または7員環を有する化合物のほかに、4員環構造を有するスクアリン酸が存在することが知られている。しかしながら、本発明者らの検討によると、添加剤としてこのスクアリン酸を用いると、非水電解液二次電池の常温域での容量維持率の改善には効果を奏するものの、初期抵抗が高くなってしまうことに加え、例えば40℃以上の高温保存後の電池特性(例えば、容量維持率、抵抗増加率)については悪化してしまうことが明らかとなっている。したがって、ここに開示される技術においては、添加剤としてかかるスクアリン酸のアルカリ金属塩およびその誘導体は用いないことが好ましい。詳細は明らかではないが、4員環構造を有するスクアリン酸においては、炭素原子が四角形に配置されることから、様々な求核試薬との反応性が高いことが知られている。高温環境ではこのような反応性の高さが非水溶媒等との間で望ましくない反応を引き起こすことが考えられる。 The alkali metal salt of oxocarbonic acid and its derivative include compounds having a 5-membered ring, a 6-membered ring or a 7-membered ring in the molecular structure represented by the above general formulas (I) to (III). It is known that there is a squaric acid having a 4-membered ring structure. However, according to the study by the present inventors, when this squaric acid is used as an additive, although it is effective in improving the capacity retention rate of the non-aqueous electrolyte secondary battery in the normal temperature range, the initial resistance is increased. In addition to this, it has been clarified that the battery characteristics (for example, capacity retention rate and resistance increase rate) after storage at a high temperature of 40 ° C. or higher are deteriorated. Therefore, in the technique disclosed herein, it is preferable not to use such an alkali metal salt of squaric acid as an additive and a derivative thereof. Although the details are not clear, it is known that in squaric acid having a 4-membered ring structure, the carbon atoms are arranged in a quadrangular shape, so that the reactivity with various nucleophiles is high. In a high temperature environment, it is considered that such high reactivity causes an undesired reaction with a non-aqueous solvent or the like.

このような特定の環構造を有するオキソカーボン酸およびその誘導体(以下、単に「オキソカーボン酸」と総称する場合がある。)は、非水電解液の全体を100質量%としたときに、0.05質量%以上5質量%以下の割合で含まれることが好ましい。好適な一例として、オキソカーボン酸の割合は、0.1質量%以上が好ましく、0.3質量%以上がより好ましい。これにより、上記効果をより明瞭に発言させることができる。しかしながら、過剰なオキソカーボン酸の添加は、上記効果が添加量に見合って得られないばかりでなく、上記効果の割合を却って低減させる可能性があるために好ましくない。かかる観点から、オキソカーボン酸の割合は、3質量%以下が好ましく、2質量%以下がより好ましく、1.5質量%以下、例えば1質量%以下が特に好ましい。 Oxocarbonic acid having such a specific ring structure and its derivative (hereinafter, may be simply collectively referred to as "oxocarbonic acid") are 0 when the total amount of the non-aqueous electrolytic solution is 100% by mass. It is preferably contained in a proportion of 0.05% by mass or more and 5% by mass or less. As a preferable example, the ratio of the oxocarbonic acid is preferably 0.1% by mass or more, more preferably 0.3% by mass or more. As a result, the above effect can be expressed more clearly. However, the addition of an excessive amount of oxocarbonic acid is not preferable because not only the above effect cannot be obtained in proportion to the amount of addition, but also the ratio of the above effect may be reduced. From this point of view, the proportion of oxocarbonic acid is preferably 3% by mass or less, more preferably 2% by mass or less, and particularly preferably 1.5% by mass or less, for example, 1% by mass or less.

以上の通り、ここに開示される非水電解液二次電池は、常温域での特性に加えて、高温領域に晒されたときの特性までもが改善されている。具体的には、常温に加えて高温での容量維持率および抵抗特性が改善されていることから二次電池の劣化がより高度に抑制されている。また、このような高温特性の改善は、常温領域での初期抵抗を高めることなく低減しつつ実現できることから、出力特性が改善された二次電池が提供される。つまり、ここに開示される技術によって、優れた出力特性と高温耐久性とが両立された二次電池が実現される。なお、このような出力特性と高温耐久性とは、高出力密度やハイレートで充放電する態様で使用される二次電池において求められやすい。また、屋外で保管されたり、エンジン等の高温発熱装置等とともに設置されるような、高温環境に晒される可能性のある用途の二次電池において求められやすい。したがって、ここに開示される非水電解液二次電池は、高出力特性や高温耐久性等が要求される、プラグインハイブリッド自動車、ハイブリッド自動車、電気自動車等の車両に搭載されるモータ駆動用の二次電池(主電池)等として特に好適に利用することができる。 As described above, the non-aqueous electrolytic solution secondary battery disclosed herein has improved characteristics not only in the normal temperature range but also in the high temperature range. Specifically, since the capacity retention rate and resistance characteristics at high temperatures in addition to room temperature are improved, deterioration of the secondary battery is suppressed to a higher degree. Further, since such improvement of high temperature characteristics can be realized while reducing the initial resistance in the normal temperature region without increasing, a secondary battery having improved output characteristics is provided. That is, the technology disclosed here realizes a secondary battery having both excellent output characteristics and high temperature durability. It should be noted that such output characteristics and high temperature durability are easily obtained in a secondary battery used in a mode of charging / discharging at a high output density or a high rate. In addition, it is likely to be required for secondary batteries for applications that may be exposed to a high temperature environment, such as those stored outdoors or installed together with a high temperature heating device such as an engine. Therefore, the non-aqueous electrolyte secondary battery disclosed herein is used for driving a motor mounted on a vehicle such as a plug-in hybrid vehicle, a hybrid vehicle, or an electric vehicle, which is required to have high output characteristics and high temperature durability. It can be particularly preferably used as a secondary battery (main battery) or the like.

以下、本発明に関するいくつかの実施例を説明するが、本発明をかかる実施例に限定することを意図したものではない。 Hereinafter, some examples of the present invention will be described, but the present invention is not intended to be limited to such examples.

[評価用電池の作製]
(例1)
負極活物質としての平均粒子径が20μmの天然黒鉛粉末(C)と、結着剤としてのスチレンブタジエン共重合体(SBR)と、増粘剤としてのカルボキシメチルセルロース(CMC)とを、C:SBR:CMC=98:1:1の質量比で混合し、分散媒としてのイオン交換水と混練することで負極ペーストを調製した。そして、得られた負極ペーストを負極集電体としての銅箔の表面に塗布し、乾燥・圧延することによって、負極を作製した。
[Manufacturing of evaluation battery]
(Example 1)
Natural graphite powder (C) having an average particle size of 20 μm as a negative electrode active material, styrene-butadiene copolymer (SBR) as a binder, and carboxymethyl cellulose (CMC) as a thickener, C: SBR. A negative electrode paste was prepared by mixing at a mass ratio of CMC = 98: 1: 1 and kneading with ion-exchanged water as a dispersion medium. Then, the obtained negative electrode paste was applied to the surface of a copper foil as a negative electrode current collector, dried and rolled to prepare a negative electrode.

正極活物質としてのリチウムニッケルコバルトマンガン含有複合酸化物(LiNi1/3Co1/3Mn1/3:LNCMO)と、結着剤としてのポリフッ化ビニリデン(PVdF)と、導電材としてのアセチレンブラック(AB)と、有機溶媒としてのN−メチル−2−ピロリドン(NMP)とを、LNCMO:PVdF:AB=87:10:3の質量比で混合し、混練して、正極ペーストを調製した。そして、得られた正極ペーストを正極集電体としてのアルミニウム箔の表面に塗布し、乾燥・圧延することによって、正極を作製した。 Lithium nickel cobalt manganese-containing composite oxide (LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 : LNCMO) as a positive electrode active material, polyvinylidene fluoride (PVdF) as a binder, and a conductive material. Acetylene black (AB) and N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) as an organic solvent are mixed at a mass ratio of LNCMO: PVdF: AB = 87: 10: 3 and kneaded to prepare a positive electrode paste. did. Then, the obtained positive electrode paste was applied to the surface of an aluminum foil as a positive electrode current collector, dried and rolled to prepare a positive electrode.

用意した正極と負極とをセパレータを介して積層し、非水電解液とともにラミネートタイプの電池ケースに収容することで、例1の評価用のリチウムイオン二次電池を構築した。セパレータとしては、ガーレー試験法によって得られる透気抵抗度が300秒の、ポリプロピレン(PP)/ポリエチレン(PE)/ポリプロピレン(PP)からなる3層構造の微多孔質シートを用いた。また、非水電解液としては、電解質としてのLiPFを、エチレンカーボネート(EC)、ジメチルカーボネート(DMC)およびエチルメチルカーボネート(EMC)を体積比でEC:DMC:EMC=30:40:30の割合で混合した混合溶媒に、1mol/Lの濃度となるように溶解させたものを用いた。 The prepared positive electrode and negative electrode were laminated via a separator and housed in a laminated type battery case together with a non-aqueous electrolyte solution to construct a lithium ion secondary battery for evaluation in Example 1. As the separator, a microporous sheet having a three-layer structure made of polypropylene (PP) / polyethylene (PE) / polypropylene (PP) having an air permeability resistance of 300 seconds obtained by the Garley test method was used. As the non-aqueous electrolyte solution, LiPF 6 as an electrolyte and ethylene carbonate (EC), dimethyl carbonate (DMC) and ethyl methyl carbonate (EMC) in a volume ratio of EC: DMC: EMC = 30: 40: 30 A mixture dissolved in a mixed solvent mixed at a ratio so as to have a concentration of 1 mol / L was used.

(例2〜12)
例1の非水電解液に対し、添加剤としてのオキソカーボン酸アルカリ塩を、下記の表1に示す種類および添加量で添加し、その他は上記の例1と同様にして、例2〜10の非水電解液二次電池を得た。なお、添加量は、非水電解液の全体を100質量%としたときの添加剤の割合を質量基準の百分率で示したものである。
(Examples 2 to 12)
To the non-aqueous electrolytic solution of Example 1, an alkaline salt of oxocarbonic acid as an additive was added in the types and amounts shown in Table 1 below, and the others were the same as in Example 1 above, in Examples 2 to 10. A non-aqueous electrolyte secondary battery was obtained. The amount of the additive added is the ratio of the additive when the total amount of the non-aqueous electrolytic solution is 100% by mass, which is shown as a percentage based on the mass.

[初期特性]
各例のリチウムイオン二次電池に対して、25℃の恒温槽中で、0.3Cのレートで電池電圧が4.10Vとなるまで定電流充電した後、0.3Cのレートで電池電圧が3.00Vとなるまで定電流放電することで、初期充電を行った。
次いで、0.2Cのレートで電池電圧が4.10Vとなるまで定電流充電した後、電流値が1/50Cのレートになるまで定電圧充電することで満充電とした。その後、0.2Cの定電流で電池電圧が3.00Vとなるまで放電したときの容量を測定し、初期容量とした。この初期容量を、例1の電池の容量を100%としたときの相対値として、表1の「初期抵抗割合」の欄に示した。
[Initial characteristics]
The lithium-ion secondary batteries of each example are charged with a constant current at a rate of 0.3 C until the battery voltage reaches 4.10 V in a constant temperature bath at 25 ° C., and then the battery voltage rises at a rate of 0.3 C. Initial charging was performed by discharging a constant current until the voltage reached 3.00 V.
Next, the battery was charged with a constant current at a rate of 0.2 C until the battery voltage became 4.10 V, and then charged with a constant voltage until the current value reached a rate of 1/50 C to make a full charge. Then, the capacity when discharged until the battery voltage became 3.00 V with a constant current of 0.2 C was measured and used as the initial capacity. This initial capacity is shown in the column of "Initial resistance ratio" in Table 1 as a relative value when the capacity of the battery of Example 1 is 100%.

25℃の恒温槽中にて、上記初期容量を充電深度(State Of Charge:SOC)100%としたときに、SOC30%となるまで0.3Cで定電流充電したのち、5C、15C、30C、および45Cのレートで放電を行って10秒後の電池電圧を測定した。このときの各電流値および電圧値をプロットして放電時におけるI−V特性を求め、得られた直線の傾きから放電時における抵抗(Ω)を求め、初期抵抗とした。 In a constant temperature bath at 25 ° C., when the initial capacity is set to 100% of the charging depth (State Of Charge: SOC), constant current charging is performed at 0.3C until the SOC reaches 30%, and then 5C, 15C, 30C, And the battery voltage was measured 10 seconds after discharging at a rate of 45C. Each current value and voltage value at this time were plotted to obtain the IV characteristic at the time of discharge, and the resistance (Ω) at the time of discharge was obtained from the slope of the obtained straight line, which was used as the initial resistance.

[高温保存試験]
各例のリチウムイオン二次電池に対してSOC100%となるまで充電し、60℃の恒温槽中にSOC100%の電池を1ヶ月(30日)保存する高温保存試験を実施した。この恒温保存試験において、電池は劣化が促進される。そして高温保存試験後の各例の電池について、上記と同様に容量と放電時の抵抗とを測定し、保存後容量および保存後抵抗とした。
これらの結果から、高温保存試験後の容量維持率を、次式:容量維持率(%)=保存後容量÷初期容量×100;に基き算出し、表1の「保存後容量維持率」の欄に示した。また、高温保存試験後に抵抗が増加した割合を、次式:抵抗上昇率(%)=(保存後抵抗−初期抵抗)÷初期抵抗×100;に基き算出し、表1の「保存後抵抗上昇率」の欄に示した。
[High temperature storage test]
A high-temperature storage test was conducted in which the lithium ion secondary batteries of each example were charged to 100% SOC, and the 100% SOC battery was stored in a constant temperature bath at 60 ° C. for 1 month (30 days). In this constant temperature storage test, the deterioration of the battery is accelerated. Then, for the batteries of each example after the high temperature storage test, the capacity and the resistance at the time of discharge were measured in the same manner as described above, and used as the capacity after storage and the resistance after storage.
From these results, the capacity retention rate after the high-temperature storage test was calculated based on the following formula: capacity retention rate (%) = capacity after storage ÷ initial capacity × 100; Shown in the column. In addition, the rate of increase in resistance after the high-temperature storage test was calculated based on the following formula: resistance increase rate (%) = (post-preservation resistance-initial resistance) ÷ initial resistance x 100; Shown in the "Rate" column.

Figure 0006909408
Figure 0006909408

表1に示されるように、非水電解液にオキソカーボン酸塩からなる添加剤として、スクアリン酸塩(例2)、ク口コン酸塩(例3〜8)、ロジゾン酸塩(例9〜11)、ヘプタゴン酸塩(例12)を添加すると、電池特性は、添加剤の種類および添加量によってさまざまに変化することがわかった。
具体的には、高温保存後の容量特性については、4員環化合物であるスクアリン酸塩を添加した例2の電池は、例1の電池と比較して容量維持率が低下する結果であったのに対し、例2以外の電池については、容量維持率が概ね同等か上昇することがわかった。これらのことから、非水電解液に添加するオキソカーボン酸としては、5員環以上の化合物であるク口コン酸塩、ロジゾン酸塩およびヘプタゴン酸塩およびその類縁体のいずれかであるとよいことがわかった。また、例6、9、12の比較から、容量維持率は、添加剤としてクロコン酸塩を加えた場合に最も高くなる傾向があることがわかった。また、例6,8、例9〜11の比較から、オキソカーボン酸塩は、リチウム塩、カリウム塩、ナトリウム塩のいずれであっても良好な効果が得られるものの、初期抵抗と、高温保存後の容量維持率、抵抗特性とを総合的に判断すると、リチウム塩を用いるのが特に好適であるといえる。
As shown in Table 1, as an additive consisting of an oxocarbonate in a non-aqueous electrolyte solution, aquaric acid salt (Example 2), a squaric acid salt (Examples 3 to 8), and a logizonate (Example 9 to 9) are used. 11) It was found that when heptagone salt (Example 12) was added, the battery characteristics changed variously depending on the type and amount of the additive added.
Specifically, regarding the capacity characteristics after high-temperature storage, the battery of Example 2 to which the 4-membered ring compound squaric acid was added had a lower capacity retention rate than the battery of Example 1. On the other hand, for the batteries other than Example 2, it was found that the capacity retention rate was almost the same or increased. From these facts, it is preferable that the oxocarbonic acid to be added to the non-aqueous electrolytic solution is any one of a compound having a 5-membered ring or more, such as kutoconate, logizonate and heptagone, and their relatives. I understood it. Further, from the comparison of Examples 6, 9 and 12, it was found that the volume retention rate tends to be the highest when croconate is added as an additive. Further, from the comparison of Examples 6 and 8 and Examples 9 to 11, the oxocarbonate has a good effect regardless of whether it is a lithium salt, a potassium salt or a sodium salt, but it has an initial resistance and after high temperature storage. It can be said that it is particularly preferable to use a lithium salt when comprehensively judging the capacity retention rate and the resistance characteristics of the above.

さらに、例3〜7の比較から、オキソカーボン酸塩を0.03質量%添加した例3では、例1と比較して高温保存後の容量維持率がほぼ変わらなかったのに対し、オキソカーボン酸塩を0.5質量%以上添加することで高温保存後の容量維持率を明瞭に上昇させられることが確認できた。上記のオキソカーボン酸塩は0.5質量%以上添加するとよいといえる。ただし、オキソカーボン酸塩の添加量と高温保存後の容量維持率との間には、山なりの関係が見られ、添加量が過剰になると容量維持率は低下する傾向が見られた。したがって、オキソカーボン酸の添加量は過剰とならないことが好ましく、例えば概ね1質量%以下程度に抑えるとよいことが解る。 Furthermore, from the comparison of Examples 3 to 7, in Example 3 in which 0.03% by mass of oxocarbonate was added, the capacity retention rate after high temperature storage was almost the same as that in Example 1, whereas oxocarbon It was confirmed that the volume retention rate after high temperature storage can be clearly increased by adding 0.5% by mass or more of the acid salt. It can be said that the above oxocarbonate should be added in an amount of 0.5% by mass or more. However, there was a mountainous relationship between the amount of oxocarbonate added and the volume retention rate after high-temperature storage, and the volume retention rate tended to decrease when the amount added was excessive. Therefore, it is preferable that the amount of the oxocarbonic acid added is not excessive, and it is understood that the amount of the oxocarbonic acid is preferably suppressed to about 1% by mass or less, for example.

また、非水電解液にオキソカーボン酸塩を加えると、ク口コン酸塩を添加した例2以外の全ての電池において、初期抵抗が低下することがわかった。そして高温保存後の抵抗特性については、非水電解液にオキソカーボン酸塩を加えた全ての電池において、高温保存後の抵抗上昇率が低下することがわかった。つまり、非水電解液にオキソカーボン酸塩を加えることで高温保存後の抵抗上昇を抑制できることがわかった。なお、スクアリン酸塩を添加した例2の電池と、クロコン酸塩を少量添加した例3の電池については、例1の電池と比較して抵抗上昇の抑制効果がわずかであったのに対し、例4〜12のその他の電池については、例1の電池と比較して抵抗上昇の顕著な抑制効果があることがわかった。このことから、高温保存後の抵抗上昇率を好適に抑制するためには、オキソカーボン酸塩の添加量を0.5質量%以上とするとよいといえる。 It was also found that when oxocarbonate was added to the non-aqueous electrolyte solution, the initial resistance was reduced in all the batteries except Example 2 to which Kuguchi Conate was added. As for the resistance characteristics after high-temperature storage, it was found that the rate of increase in resistance after high-temperature storage decreased in all batteries in which oxocarbonate was added to the non-aqueous electrolyte solution. That is, it was found that the increase in resistance after high temperature storage can be suppressed by adding oxocarbonate to the non-aqueous electrolyte solution. The battery of Example 2 to which squaric acid was added and the battery of Example 3 to which a small amount of croconate was added had a slight effect of suppressing an increase in resistance as compared with the battery of Example 1. It was found that the other batteries of Examples 4 to 12 had a remarkable effect of suppressing the increase in resistance as compared with the batteries of Example 1. From this, it can be said that the amount of oxocarbonate added should be 0.5% by mass or more in order to preferably suppress the rate of increase in resistance after high temperature storage.

以上、本発明を詳細に説明したが、上記実施形態および実施例は例示にすぎず、ここに開示される発明には上述の具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。 Although the present invention has been described in detail above, the above-described embodiments and examples are merely examples, and the inventions disclosed herein include various modifications and modifications of the above-mentioned specific examples.

Claims (1)

正極と、負極と、非水電解液と、を有し、
前記非水電解液は、クロコン酸のリチウム塩、ロジゾン酸のリチウム塩およびヘプタゴン酸のリチウム塩のうちの少なくとも1種を、0.05質量%以上5質量%以下の割合で含む、非水電解液二次電池。
It has a positive electrode, a negative electrode, and a non-aqueous electrolyte solution.
The non-aqueous electrolytic solution contains at least one of a lithium salt of croconic acid, a lithium salt of logizonic acid and a lithium salt of heptagonic acid in a proportion of 0.05% by mass or more and 5% by mass or less. Liquid secondary battery.
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