JP6920410B2 - 金属塩を含む電解質を含む電池セル - Google Patents

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Description

本発明は、充電可能なリチウムイオン(Liイオン)電池の一般分野に関する。
本発明は、より詳細には、正極、炭素系負極、及びセパレータを含むLiイオン電池用の電解質に関する。
従来、Liイオン電池は、一又は複数の正極、一又は複数の負極、電解質、及び電極間の任意の直接接触を避けるための、多孔性高分子又は任意の他の適切な材料から構成されるセパレータを含む。
Liイオン電池は、自律的なエネルギー源として、特に電気自動車に関する用途においてますます使用される。この傾向は、特に、従来のニッケルカドミウム(Ni−Cd)及びニッケル水素(Ni−MH)電池のものより著しく大きい質量及び体積エネルギー密度、メモリー効果がないこと、他の電池と比較して低い自己放電、さらに本技術に関するキロワット時におけるコストの下落によって、説明される。
Liイオン電池中で一般に使用される電解質は、一又は複数のリチウム塩、一又は複数の溶媒及び一又は複数の添加物を含む。
最もよく知られている添加物は、プロパンスルトン及び炭酸ビニレンである。それらは、負極表面で「固体電解質界面相」(SEI)として知られる層の品質を改善するために用いられる。固体及び安定なSEIの形成は、良好な電気化学的性能品質を得る目的のために必要である。これは、SEIの劣化により、おそらく電極/電解質界面での二次反応のため、性能品質の低下が生じるためである。
残念ながら、これらの添加物は、全ての問題、特に、十分に安定化しない電池セルのインピーダンスに関して、又は電解質の抵抗に関しても解決することはできない。
文書、国際公開第2015/134783号に、Liイオン電池で使用することを意図した、表面処理電極活物質が開示されている。電極活物質は、多価金属を含むイオン伝導層を含む。表面処理電極活物質は、Liイオン電池の容量維持率及び寿命の改善を可能にし、電極活物質の表面での望ましくない反応も減少させる。
この文書には、0.01Mから0.2Mまでの範囲の濃度にしたがって金属塩を含む電解質も記載されている。
この文書には、前記電解質が、チタン酸リチウム、コバルト酸リチウム、マンガン酸リチウム、リン酸鉄リチウム、ニッケルマンガンコバルト酸リチウム及びニッケルコバルトアルミニウム酸リチウムから選択される化学物質をベースとする負極を含むセルで使用されることも明記されている。
したがって、前記セルの電気化学的性能品質、特に容量維持率の点だけでなく、セルのインピーダンスに関しても改善することを可能にする特定の電解質を含むLiイオン電池セルを提供すれば有利であろう。
したがって、本発明の主題は、正極用の材料、炭素系負極用の材料、セパレータ及び電解質を含むLiイオン電池セルであって、前記電解質が、
− 少なくとも1つの添加物、
− リチウムビス[(トリフルオロメチル)スルホニル]イミド(LiN(CFSO)、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム(LiCFSO)、ビス(オキサレート)ホウ酸リチウム(LiBOB)、ジフルオロ(オキサレート)ホウ酸リチウム(LiDFOB)、リチウムビス(ペルフルオロエチルスルホニル)イミド(LiN(CFCFSO)、LiClO、LiAsF、LiPF、LiBF、LiI、LiCHSO、LiB(C、Rがフッ素原子及び1から8個の炭素原子を含むペルフルオロアルキル基から選択される基である、LiRSOSR、LiN(RSO又はLiC(RSOから選択される、少なくとも1つのリチウム塩、
− 少なくとも1つの溶媒、並びに
− 少なくとも1つの、式(I):
Figure 0006920410
(式中、
− Aは、Mn、Fe、Ni、Co、Cu、Cr、Ag及びZnから選択される金属であり、
− Bは、Cl、ClO、TFSI(ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド)、1≦z≦8であるR=C2z+1を有する[N(SO−R)]、FSI(ビス(フルオロスルホニル)イミド)、CFSO及びCFCOから選択され、
− aは、1から3までの範囲の整数であり、
− bは、1に等しく、
− xは、1に等しく、並びに
− yは、1から3までの範囲の整数である)
の電子的に中性の金属塩
を含む、
Liイオン電池セルである。
本発明の別の主題は、本発明によるセルを含むLiイオン電池である。
本発明の主題は、Liイオン電池セルの容量維持率を改善する添加物としてのマンガンビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド塩Mn(TFSI)の使用でもある。
本発明の他の利点及び特徴は、詳細な明細書及び添付の図面を検討することで、より明確に明らかになるであろう。
充放電サイクル数の関数として異なる電解質を含むLiイオン電池セルの容量における変化を示すグラフである。 充放電サイクル数の関数として異なる電解質を含むLiイオン電池セルの累積不可逆容量における変化を示すグラフである。 周波数の関数として異なる電解質を含むLiイオン電池セルのインピーダンスにおける変化を示すグラフである。
本発明の明細書において、「をベースとする」又は「系(−based)」という用語は、「主として含む」と同義である。
本明細書で使用される「...から...まで」という表現は、言及されるそれぞれの端を含むものと理解すべきであり、「...と...の間」という表現は、言及されるそれぞれの端を含まないものと理解すべきであることを、さらに明記する。
本発明によるセルは、少なくとも1つの添加物、少なくとも1つのリチウム塩、少なくとも1つの溶媒、及び少なくとも1つの、上記の式(I)の金属塩を含む電解質を含む。
好ましくは、添加物は、炭酸ビニレン、プロパンスルトン及びそれらの混合物から選択される。
特定の実施態様によると、リチウム塩は、ヘキサフルオロリン酸リチウムである。
有利には、前記溶媒は、エーテル、ニトリル、スルホン、炭酸エチレン、炭酸エチルメチル、炭酸ジメチル、炭酸ジエチル及びそれらの混合物から選択され、好ましくは炭酸エチレン、炭酸エチルメチル、炭酸ジメチル、炭酸ジエチル及びそれらの混合物から選択される。
上で示されたように、本発明によるセルは、少なくとも1つの、式(I):
Figure 0006920410
の電子的に中性の金属塩を含む。文字aは、要素Aの電荷を表し、文字bは、要素Bの電荷を表す。文字xは、式(I)内の要素A(一又は複数)の数を表し、文字yは、式(I)内の要素B(一又は複数)の数を表す。
上記の式(I)の金属塩の電気的中性を保証するため、関係a×x=b×yを遵守しなければならない。
好ましくは、式(I)の金属塩の要素Aは、Mnである。
好ましくは、式(I)の金属塩の要素Bは、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(TFSI)である。
好ましくは、yは、2に等しい。
好ましくは、a×xは、2に等しい。
有利には、式(I)の金属塩はマンガンビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド塩Mn(TFSI)である。
好ましくは、金属塩の濃度は、0.0001Mから0.01Mまで、より有利には0.001Mから0.005Mまでの範囲である。
有利には、本発明によるセルは、炭酸ビニレン、プロパンスルトン及びそれらの混合物から選択される少なくとも1つの添加物、並びにヘキサフルオロリン酸リチウムを含む電解質を含む。
本発明の特定の実施態様によると、本発明によるセルは、ヘキサフルオロリン酸リチウム、並びに炭酸エチレン、炭酸エチルメチル、炭酸ジメチル、炭酸ジエチル及びそれらの混合物から選択される少なくとも1つの溶媒を含む電解質を含む。
好ましくは、本発明によるセルは、炭酸エチレン、炭酸エチルメチル、炭酸ジメチル、炭酸ジエチル及びそれらの混合物から選択される少なくとも1つの溶媒、並びにマンガンビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド塩Mn(TFSI)を含む。
好ましくは、本発明によるセルは、炭酸エチレン、炭酸エチルメチル、炭酸ジメチル、炭酸ジエチル及びそれらの混合物から選択される少なくとも1つの溶媒、並びに0.001Mから0.005Mまでの範囲の濃度にしたがってマンガンビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド塩Mn(TFSI)を含む。
特に有利には、本発明によるセルは、炭酸ビニレン、プロパンスルトン及びそれらの混合物から選択される少なくとも1つの添加物;並びにヘキサフルオロリン酸リチウム;炭酸エチレン、炭酸エチルメチル、炭酸ジメチル、炭酸ジエチル及びそれらの混合物から選択される少なくとも1つの溶媒;並びにマンガンビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド塩Mn(TFSI)を含む電解質を含む。
好ましくは、正極用の材料は、ニッケル、コバルト、マンガン及びそれらの混合物から選択される金属のリチウム金属酸化物で表される活物質をベースとする。
有利には、正極用の活物質は、LiNi0.5Mn0.3Co0.2である。
活物質と並んで、正極用の材料は、炭素繊維も含むことができる。好ましくは、これらは、昭和電工により販売されている気相法炭素繊維(VGCF)である。他の適切な炭素繊維の種類は、カーボンナノチューブ、ドープナノチューブ(任意選択的にグラファイトでドープされる)、カーボンナノファイバー、ドープナノファイバー(任意選択的にグラファイトでドープされる)、単層カーボンナノチューブ又は多層カーボンナノチューブであってもよい。これらの材料に関連する合成方法には、アーク放電、レーザアブレーション、プラズマトーチ及び化学蒸着が含まれてもよい。
正極用の材料は、一又は複数のバインダーをさらに含むことができる。
好ましくは、バインダー(一又は複数)は、ポリブタジエン/スチレンラテックス及び有機ポリマーから、好ましくはポリブタジエン/スチレンラテックス、ポリエステル、ポリエーテル、メタクリル酸メチルのポリマー誘導体、アクリロニトリルのポリマー誘導体、カルボキシメチルセルロース及びその誘導体、ポリ酢酸ビニル又はポリ酢酸アクリル酸、ポリフッ化ビニリデン並びにそれらの混合物から選択できる。
好ましくは、バインダーは、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)である。
本発明の好ましい実施態様によると、負極用の材料は、グラファイトをベースとする。グラファイト炭素は、合成グラファイト炭素、並びに天然前駆体から始まり、精製及び/又は後処理が続く、天然グラファイト炭素から選択できる。熱分解炭素、無定形炭素、活性炭、コークス、石炭ピッチ及びグラフェンなどの炭素をベースとする他の活物質が使用できる。一又は複数のこれらの材料とグラファイトの混合物が可能である。コアが高容量グラファイトを含むとき、及びシェルが、リチウムイオンのインターカレーション/デインターカレーションの繰り返し現象に関連する劣化からコアを保護する、炭素をベースとする材料を含むとき、コア/シェル構造を有する材料が使用できる。
炭素をベースとする負極用の材料は、正極用のように一又は複数のバインダーをさらに含むことができる。
正極用の上記バインダーは、負極に使用できる。
好ましくは、使用されるバインダーは、カルボキシメチルセルロース(CMC)及びStyrofan(登録商標)ラテックス、すなわちカルボキシル化スチレン/ブタジエンコポリマーである。
有利には、セパレータは、多孔性高分子から、好ましくはポリエチレン及び/又はポリプロピレンから構成される。
本発明の別の主題は、少なくとも1つの上記セルを含むLiイオン電池である。
本発明の主題は、Liイオン電池セルの容量維持率を改善するための添加物としての、マンガンビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド塩Mn(TFSI)の使用でもある。
本発明を以下の実施例により黙示的制限なく示す。
正極の作製
式LiNi0.5Mn0.3Co0.2の正極用の活物質を使用する。電極を95重量%の活物質、2.5重量%のSuper P(登録商標)炭素添加物及びN−メチル−2−ピロリドン(NMP)に溶解した2.5重量%のポリフッ化ビニリデンを混合することにより作製する。
電極を、20ミクロンの厚さを有するアルミニウムシート上で混合物を析出することにより製造する。電極を80℃でカレンダ操作により乾燥し圧縮する。
負極の作製
活性グラファイト材料を日立のMAGEが提供する。電極を97重量%のグラファイト、1重量%のSuper P(登録商標)炭素添加物、1重量%のカルボキシメチルセルロース(CMC)及び1重量%のStyrofan(登録商標)ラテックス、すなわちカルボキシル化スチレン/ブタジエンコポリマーを混合することにより製造する。
生成する混合物を、15ミクロンの厚さを有する銅シート上で析出し、次いで80℃でカレンダ加工により乾燥し圧縮する。
セパレータ
Celgard(登録商標)2500セパレータを、充放電サイクル中に正極と負極の間の任意の短絡を防ぐために使用する。
Celgard(登録商標)2500セパレータは、ポリプロピレンから構成される25ミクロンの厚さを有する膜である。
電解質
2つの電解質を、比較試験を実行するために使用し、その組成を表1に示す。
Figure 0006920410
電解質1は、1:1の体積比による炭酸エチレン及び炭酸ジエチル(EC/DEC)の混合物に溶解した1Mのリチウム塩LiPF、並びに2重量%の炭酸ビニリデンから構成される。
電解質2は、1:1の体積比による炭酸エチレン及び炭酸ジエチル(EC/DEC)の混合物に溶解した1Mのリチウム塩LiPF、2重量%の炭酸ビニリデン、並びに5mMのマンガンビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド塩Mn(TFSI)から構成される。
セルを、上で作製された正極、上で作製された負極、及び2つの電極間に位置するCelgard(登録商標)2500セパレータを積み重ねることにより最終的に組み立てる。セパレータに上記の電解質を含浸させる。
このように、2つのLiイオン電池セルを作製する。比較セル1は電解質1を含有し、一方、本発明によるセル2は電解質2を含有する。
Liイオン電池セルの電気化学的性能品質
サイクル数の関数としての容量の評価
図1は、充放電サイクル数の関数としてのLiイオン電池セル1及び2の容量における変化を示すグラフを表す。
方法
サイクルプロセスを使用した。第1のサイクル、すなわち活性化サイクルを4.2から2.5Vまでの範囲の電圧でC/10のサイクルレートで行った。次の充放電サイクルを、4.2から2.5Vまでの範囲の電圧でC/2のサイクルレートで行った。
結果
このように、図1は、比較電池セル1(曲線A)の容量維持率と比較して、本発明による電池セル2(曲線B)でより良好な容量維持率が得られることを明確に示す。これは、100充放電サイクル後、約88%の容量維持率がセル1で観測されるのに対し、約90%の容量維持率がセル2で観測されるためである。
図1の分析により、Liイオン電池セルの電気化学的挙動におけるマンガンビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド塩Mn(TFSI)の有益な効果が明確に示される。
このように、本発明によるセルは、容量維持率の点から見て優れた特性を示す。
サイクル数の関数としての累積不可逆容量の評価
図2は、充放電サイクル数の関数としてのLiイオン電池セル1及び2の累積不可逆容量における変化を示すグラフを表す。
方法
サイクルプロセスを使用した。第1のサイクル、すなわち活性化サイクルを4.2から2.5Vまでの範囲の電圧でC/10サイクルレートで行った。次の充放電サイクルを、4.2から2.5Vまでの範囲の電圧でC/2サイクルレートで行った。
結果
このように、図2は、比較電池セル1(曲線C)の累積不可逆容量と比較して、本発明による電池セル2(曲線D)でより低い累積不可逆容量が得られることを明確に示す。これは、100充放電サイクル後、約0.135mAhの不可逆容量がセル1で測定されるのに対し、約0.105mAhの不可逆容量がセル2で測定されるためである。
図2の分析により、Liイオン電池セルの電気化学的挙動におけるマンガンビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド塩Mn(TFSI)の有益な効果が明確に示される。
このように、本発明によるセルは、累積不可逆容量の点から見て優れた特性を示す。
周波数の関数としてのセルのインピーダンスの評価
図3は、周波数の関数としてのLiイオン電池セル1及び2のインピーダンスにおける変化を示すグラフを表す。インピーダンスを+/−5mVのシグナルでPEIS手法により測定した。
結果
このように、図3は、比較電池セル1(曲線E)のインピーダンスの安定化と比較して、本発明による電池セル2(曲線F)でインピーダンスの安定化が高周波数で観測されることを明確に示す。このインピーダンスの安定化は、「電解質の」安定化を示す。このことは、前記安定化のような利点により、電解質の分解につながる前記電解質内の副反応が、結果として減少することを表す。この副反応の減少により、セルが受ける死、すなわちセルがもはや機能することができないような劣化を受ける瞬間を遅らせることができる。
図3の分析により、Liイオン電池セルの電気化学的挙動におけるマンガンビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド塩Mn(TFSI)の有益な効果が明確に示される。
したがって、上記の特定の電解質を含む本発明によるセルが、容量維持率及びインピーダンスの点から見て優れた特性を示すことが、3つの図を組み合わせた分析から推定できる。

Claims (14)

  1. 正極用の材料、炭素系負極用の材料、セパレータ及び電解質を含むLiイオン電池セルであって、前記電解質が、
    − 少なくとも1つの添加物、
    − リチウムビス[(トリフルオロメチル)スルホニル]イミド(LiN(CF SO )、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム(LiCF SO )、ビス(オキサレート)ホウ酸リチウム(LiBOB)、ジフルオロ(オキサレート)ホウ酸リチウム(LiDFOB)、リチウムビス(ペルフルオロエチルスルホニル)イミド(LiN(CF CF SO )、LiClO 、LiAsF 、LiPF 、LiBF 、LiI、LiCH SO 、LiB(C 、R がフッ素原子及び1から8個の炭素原子を含むペルフルオロアルキル基から選択される基である、LiR SOSR 、LiN(R SO 又はLiC(R SO から選択される、少なくとも1つのリチウム塩、
    − 少なくとも1つの溶媒、並びに
    − 少なくとも1つの、式(I):
    Figure 0006920410
    (式中、
    − Aは、Mn、Fe、Ni、Co、Cu、Cr、Ag及びZnから選択される金属であり、
    − Bは、Cl、ClO 、TFSI、1≦z≦8であるR=C 2z+1 を有する[N(SO −R) ]、FSI、CF SO 及びCF CO から選択され、
    − aは、1から3までの範囲の整数であり、
    − bは、1に等しく、
    − xは、1に等しく、かつ
    − yは、1から3までの範囲の整数である)
    の電子的に中性の金属塩
    を含み、
    金属塩の要素Bが、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドである、
    Liイオン電池セル。
  2. 正極用の材料、炭素系負極用の材料、セパレータ及び電解質を含むLiイオン電池セルであって、前記電解質が、
    − 少なくとも1つの添加物、
    − リチウムビス[(トリフルオロメチル)スルホニル]イミド(LiN(CF SO )、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム(LiCF SO )、ビス(オキサレート)ホウ酸リチウム(LiBOB)、ジフルオロ(オキサレート)ホウ酸リチウム(LiDFOB)、リチウムビス(ペルフルオロエチルスルホニル)イミド(LiN(CF CF SO )、LiClO 、LiAsF 、LiPF 、LiBF 、LiI、LiCH SO 、LiB(C 、R がフッ素原子及び1から8個の炭素原子を含むペルフルオロアルキル基から選択される基である、LiR SOSR 、LiN(R SO 又はLiC(R SO から選択される、少なくとも1つのリチウム塩、
    − 少なくとも1つの溶媒、並びに
    − 少なくとも1つの、式(I):
    Figure 0006920410
    (式中、
    − Aは、Mn、Fe、Ni、Co、Cu、Cr、Ag及びZnから選択される金属であり、
    − Bは、Cl、ClO 、TFSI、1≦z≦8であるR=C 2z+1 を有する[N(SO −R) ]、FSI、CF SO 及びCF CO から選択され、
    − aは、1から3までの範囲の整数であり、
    − bは、1に等しく、
    − xは、1に等しく、かつ
    − yは、1から3までの範囲の整数である)
    の電子的に中性の金属塩
    を含み、
    金属塩がマンガンビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド塩Mn(TFSI)である、
    Liイオン電池セル。
  3. 添加物が、炭酸ビニリデン、プロパンスルトン、及びこれらの混合物から選択される、請求項1または2に記載のLiイオン電池セル。
  4. リチウム塩がヘキサフルオロリン酸リチウムである、請求項1から3の何れか一項に記載のLiイオン電池セル。
  5. 前記溶媒が、エーテル、ニトリル、スルホン、炭酸エチレン、炭酸エチルメチル、炭酸ジメチル、炭酸ジエチル、及びこれらの混合物から選択される、請求項1からの何れか一項に記載のLiイオン電池セル。
  6. 前記溶媒が、酸エチレン、炭酸エチルメチル、炭酸ジメチル、炭酸ジエチル、及びこれらの混合物から選択される、請求項1からの何れか一項に記載のLiイオン電池セル。
  7. 金属塩の要素AがMnである、請求項1からの何れか一項に記載のLiイオン電池セル。
  8. yが2に等しい、請求項1からの何れか一項に記載のLiイオン電池セル。
  9. 金属塩の濃度が、0.0001Mから0.01Mまでの範囲である、請求項1から8の何れか一項に記載のLiイオン電池セル。
  10. 金属塩の濃度が、0.001Mから0.005Mまでの範囲である、請求項1から8の何れか一項に記載のLiイオン電池セル。
  11. 負極用の材料がグラファイトをベースとする、請求項1から10の何れか一項に記載のLiイオン電池セル。
  12. セパレータが、多孔性高分子から構成される、請求項1から11の何れか一項に記載のLiイオン電池セル。
  13. セパレータが、ポリエチレン及び/又はポリプロピレンから構成される、請求項1から11の何れか一項に記載のLiイオン電池セル。
  14. 少なくとも1つの、請求項1から13の何れか一項に記載のLiイオン電池セルを含むLiイオン電池。
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