JP7110350B2 - ホウ酸リチウム化合物、リチウム二次電池用添加剤、リチウム二次電池用非水電解液、リチウム二次電池前駆体、並びに、リチウム二次電池及びその製造方法 - Google Patents
ホウ酸リチウム化合物、リチウム二次電池用添加剤、リチウム二次電池用非水電解液、リチウム二次電池前駆体、並びに、リチウム二次電池及びその製造方法 Download PDFInfo
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Description
例えば、特許文献1には、従来の電解質に比べ、優れたサイクル特性、保存特性を有する電解質として、ビス(オキサラト)ホウ酸リチウムを含むリチウムイオン電池用電解液が開示されている。
また、特許文献2には、従来の電解質に比べ、耐熱性、耐加水分解性の高い電解質として、ジフルオロ(オキサラト)ホウ酸リチウムを含むリチウムイオン電池用電解液が開示されている。
特許文献2:特許3722685号公報
本開示の一態様の課題は、新規なホウ酸リチウム化合物、及び、上記ホウ酸リチウム化合物を含むリチウム二次電池用添加剤を提供することである。
本開示の別の一態様の課題は、リチウム二次電池の内部抵抗を低減できるリチウム二次電池用非水電解液を提供することである。
本開示の更に別の一態様の課題は、内部抵抗が低減されたリチウム二次電池を提供することである。
本開示の更に別の一態様の課題は、上記リチウム二次電池の製造に好適な、リチウム二次電池の製造方法及びリチウム二次電池前駆体を提供することである。
<1> 下記式(I)で表されるホウ酸リチウム化合物。
非水溶媒と、
<1>~<3>のいずれか1つに記載のホウ酸リチウム化合物と、
を含有するリチウム二次電池用非水電解液。
<6> 前記ホウ酸リチウム化合物の含有量が、リチウム二次電池用非水電解液の全量に対し、0.10質量%~5.0質量%である<5>に記載のリチウム二次電池用非水電解液。
<7> 更に、ビニレンカーボネートを含有する<5>又は<6>に記載のリチウム二次電池用非水電解液。
<8> 前記ホウ酸リチウム化合物の含有質量を前記ビニレンカーボネートの含有質量で除した値が、0.125以上である<7>に記載のリチウム二次電池用非水電解液。
<9> 前記ホウ酸リチウム化合物の含有質量を前記ビニレンカーボネートの含有質量で除した値が、0.500以下である<7>又は<8>のいずれか1つに記載のリチウム二次電池用非水電解液。
前記ケースに収容された、正極、負極、セパレータ、及び電解液と、
を備え、
前記正極が、リチウムイオンを吸蔵及び放出可能な正極であり、
前記負極が、リチウムイオンを吸蔵及び放出可能な負極であり、
前記電解液が、<5>~<9>のいずれか1つに記載のリチウム二次電池用非水電解液であるリチウム二次電池前駆体。
<11> 前記正極が、正極活物質として、下記一般式(C1)で表されるリチウム含有複合酸化物を含む<10>に記載のリチウム二次電池前駆体。
LiNiaCobMncO2 … 一般式(C1)
〔一般式(C1)中、a、b及びcは、それぞれ独立に、0超1未満であり、かつ、a、b及びcの合計は、0.99~1.00である。〕
前記リチウム二次電池前駆体に対してエージング処理を施すことにより、リチウム二次電池を得る工程と、
を含み、
前記エージング処理は、前記リチウム二次電池前駆体に対し、30℃~50℃の環境下で、充電及び放電を施すことを含むリチウム二次電池の製造方法。
前記ケースに収容された、正極、負極、セパレータ、及び電解液と、
を備え、
前記正極が、リチウムイオンを吸蔵及び放出可能な正極であり、
前記負極が、リチウムイオンを吸蔵及び放出可能な負極であり、
前記電解液が、フッ素を含むリチウム塩である電解質と非水溶媒とを含有する非水電解液であり、
前記負極の表面の少なくとも一部に、下記式(I)で表されるホウ酸リチウム化合物及び前記電解質に由来する、有機性成分及び無機性成分を含有する負極被膜が形成されており、
前記正極の表面の少なくとも一部に、下記式(I)で表されるホウ酸リチウム化合物及び前記電解質に由来する無機性成分を含有する正極被膜が形成されているリチウム二次電池。
前記負極被膜中の前記無機性成分及び前記正極被膜中の前記無機性成分の各々が、下記式(IV)で表される化合物を含む<13>に記載のリチウム二次電池。
本開示の別の一態様によれば、リチウム二次電池の内部抵抗を低減できるリチウム二次電池用非水電解液が提供される。
本開示の更に別の一態様によれば、内部抵抗が低減されたリチウム二次電池が提供される。
本開示の更に別の一態様によれば、上記リチウム二次電池の製造に好適な、リチウム二次電池の製造方法及びリチウム二次電池前駆体を提供することである。
本明細書において、組成物中の各成分の量は、組成物中に各成分に該当する物質が複数存在する場合は、特に断らない限り、組成物中に存在する当該複数の物質の合計量を意味する。
本明細書において、「工程」との用語は、独立した工程だけではなく、他の工程と明確に区別できない場合であってもその工程の所期の目的が達成されれば、本用語に含まれる。「フェーズ」との用語についても同様である。
本開示のホウ酸リチウム化合物は、下記式(I)で表されるホウ酸リチウム化合物(以下、「特定ホウ酸リチウム化合物」ともいう)であり、従来のホウ酸リチウム化合物とは異なる新規なホウ酸リチウム化合物である。
メチレン基、エチレン基、プロピレン基、ブチレン基、イソプロピレン基などの直鎖状又は分岐状であって無置換のアルキレン基;
ジフルオロメチレン基、テトラフルオロエチレン基、ヘキサフルオロプロピレン基などのフッ素原子で置換されたアルキレン基;
などが挙げられる。
以下、特定ホウ酸リチウム化合物の製造方法の一例(製法X)を示す。但し、本開示の特定ホウ酸リチウム化合物の製造方法は、製法Xには限定されない。
反応工程における反応は、特定ホウ酸リチウム化合物の生成を阻害する成分(例えば水分)の混入を防ぐ観点から、不活性雰囲気下(例えば、窒素雰囲気下、アルゴン雰囲気下、等)で行うことが好ましい。
反応温度が60℃以上であると、特定ホウ酸リチウム化合物の生成が促進されやすい。
反応温度が150℃以下であると、生成した特定ホウ酸リチウム化合物の分解が抑制され、生成率が向上しやすい。
例えば、反応工程により、特定ホウ酸リチウム化合物が、目的とする成分(即ち、特定ホウ酸リチウム化合物自体)のみの固体として得られた場合には、その固体を特段の処理なく取り出すことができる。
また、反応工程により、特定ホウ酸リチウム化合物が溶媒に分散されたスラリーが得られた場合には、スラリーから溶媒を分離し、乾燥させることにより、特定ホウ酸リチウム化合物を取り出すことができる。
また、反応工程により、特定ホウ酸リチウム化合物が溶媒に溶解された溶液が得られた場合には、加熱濃縮等によって溶液から溶媒を留去することによって特定ホウ酸リチウム化合物を取り出すことができる。
また、反応工程により、特定ホウ酸リチウム化合物が溶媒に溶解された溶液が得られた場合には、溶液に対し、特定ホウ酸リチウム化合物が溶解しない溶媒を加えることによって特定ホウ酸リチウム化合物を析出させ、次いで溶液から溶媒を分離し、乾燥させることにより、特定ホウ酸リチウム化合物を取り出すこともできる。
取り出された特定ホウ酸リチウム化合物を乾燥する際の温度は、20℃~150℃であることが好ましく、50℃~140℃であることがより好ましく、80℃~130℃であることがさらに好ましい。
温度が20℃以上であると乾燥効率に優れる。温度が150℃以下であると、生成した特定ホウ酸リチウム化合物の分解が抑制され、特定ホウ酸リチウム化合物を安定して取り出しやすい。
本開示のリチウム二次電池用添加剤は、上述した特定ホウ酸リチウム化合物を含む。本開示の二次電池用添加剤は、特にリチウム二次電池の非水電解液用の添加剤として好適である。
本開示の一実施形態に係るリチウム二次電池用非水電解液(以下、単に「本実施形態の非水電解液」ともいう)は、
フッ素を含むリチウム塩である電解質と、
非水溶媒と、
上述した特定ホウ酸リチウム化合物と、
を含有する。
本実施形態の非水電解液によれば、特に、リチウム二次電池をある程度の期間(例えば2週間~3週間)保存した後、更にリチウム二次電池を保存する場合における、リチウム二次電池の保存期間に対するリチウム二次電池の正極抵抗の上昇率を低減させることができる。
この理由は、上記製造過程において、負極表面に、上記反応生成物を含む負極被膜が形成され、この負極被膜により、負極の安定性が高められるためと考えられる。
このため、リチウム二次電池をある程度の期間(例えば2週間~3週間)保存した後、更にリチウム二次電池を保存する場合における、リチウム二次電池の保存期間に対するリチウム二次電池の正極抵抗の上昇率が低減されると考えられる。
本実施形態の非水電解液は、特定ホウ酸リチウム化合物を少なくとも1種含有する。
特定ホウ酸リチウム化合物の好ましい態様については、前述したとおりである。
非水電解液の全量に対する特定ホウ酸リチウム化合物の含有量が0.10質量%以上である場合には、本実施形態の非水電解液による効果がより効果的に奏される。非水電解液の全量に対する特定ホウ酸リチウム化合物の含有量は、より好ましくは0.20質量%以上であり、更に好ましくは0.25質量%以上であり、更に好ましくは0.50質量%以上である。
非水電解液の全量に対する特定ホウ酸リチウム化合物の含有量が5.0質量%以下である場合には、非水電解液の化学的安定性がより向上する。
非水電解液の全量に対する特定ホウ酸リチウム化合物の含有量は、より好ましくは3.0質量%以下であり、更に好ましくは2.0質量%以下であり、更に好ましくは1.0質量%以下である。
本実施形態の非水電解液は、フッ素を含むリチウム塩(以下、「含フッ素リチウム塩」ともいう)である電解質を少なくとも1種含有する。
含フッ素リチウム塩としては、例えば;
六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)、四フッ化ホウ酸リチウム(LiBF4)、六フッ化ヒ酸リチウム(LiAsF6)、六フッ化タンタル酸リチウム(LiTaF6)、等の無機酸陰イオン塩;
トリフルオロメタンスルホン酸リチウム(LiCF3SO3)、リチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(Li(CF3SO2)2N)、リチウムビス(ペンタフルオロエタンスルホニル)イミド(Li(C2F5SO2)2N)等の有機酸陰イオン塩;
等が挙げられる。
含フッ素リチウム塩としては、LiPF6が特に好ましい。
フッ素を含まないリチウム塩としては、過塩素酸リチウム(LiClO4)、四塩化アルミニウム酸リチウム(LiAlCl4)、リチウムデカクロロデカホウ素酸(Li2B10Cl10)等が挙げられる。
本実施形態の非水電解液は、非水溶媒を少なくとも1種含有する。
非水溶媒としては、例えば、環状カーボネート類、含フッ素環状カーボネート類、鎖状カーボネート類、含フッ素鎖状カーボネート類、脂肪族カルボン酸エステル類、含フッ素脂肪族カルボン酸エステル類、γ-ラクトン類、含フッ素γ-ラクトン類、環状エーテル類、含フッ素環状エーテル類、鎖状エーテル類、含フッ素鎖状エーテル類、ニトリル類、アミド類、ラクタム類、ニトロメタン、ニトロエタン、スルホラン、燐酸トリメチル、ジメチルスルホキシド、ジメチルスルホキシド燐酸、等が挙げられる。
含フッ素環状カーボネート類としては、例えば、フルオロエチレンカーボネート(FEC)、等が挙げられる。
鎖状カーボネート類としては、例えば、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、メチルプロピルカーボネート(MPC)、エチルプロピルカーボネート(EPC)、ジプロピルカーボネート(DPC)、等が挙げられる。
脂肪族カルボン酸エステル類としては、例えば、ギ酸メチル、酢酸メチル、プロピオン酸メチル、酪酸メチル、イソ酪酸メチル、トリメチル酪酸メチル、ギ酸エチル、酢酸エチル、プロピオン酸エチル、酪酸エチル、イソ酪酸エチル、トリメチル酪酸エチル、等が挙げられる。
γ-ラクトン類としては、例えば、γ-ブチロラクトン、γ-バレロラクトン、等が挙げられる
環状エーテル類としては、例えば、テトラヒドロフラン、2-メチルテトラヒドロフラン、テトラヒドロピラン、1,3-ジオキソラン、4-メチル-1,3-ジオキソラン、1,3-ジオキサン、1,4-ジオキサン、等が挙げられる
鎖状エーテル類としては、例えば、1,2-エトキシエタン(DEE)、エトキシメトキシエタン(EME)、ジエチルエーテル、1,2-ジメトキシエタン、1,2-ジブトキシエタン、等が挙げられる。
ニトリル類としては、例えば、アセトニトリル、グルタロニトリル、アジポニトリル、メトキシアセトニトリル、3-メトキシプロピオニトリル、等が挙げられる。
アミド類としては、例えば、N,N-ジメチルホルムアミド、等が挙げられる。
ラクタム類としては、例えば、N-メチルピロリジノン、N-メチルオキサゾリジノン、N,N'-ジメチルイミダゾリジノン、等が挙げられる。
この場合、非水溶媒中に占める、環状カーボネート類、含フッ素環状カーボネート類、鎖状カーボネート類、及び含フッ素鎖状カーボネート類の合計の割合は、好ましくは50質量%~100質量%であり、より好ましくは60質量%~100質量%であり、更に好ましくは80質量%~100質量%である。
この場合、非水溶媒中に占める、環状カーボネート類及び鎖状カーボネート類の合計の割合は、好ましくは50質量%~100質量%であり、より好ましくは60質量%~100質量%であり、更に好ましくは80質量%~100質量%である。
本実施形態の非水電解液中に占める非水溶媒の割合の上限は、他の成分(特定ホウ酸リチウム化合物、電解質、等)の含有量にもよるが、上限は、例えば99質量%であり、好ましくは97質量%であり、更に好ましくは90質量%である。
本実施形態の非水電解液は、非水電解液の化学的安定性をより向上させる観点から、不飽和結合を有する環状炭酸エステルの少なくとも1種を含有していてもよい。
一般的には、非水電解液が不飽和結合を有する環状炭酸エステルを含有する場合には、電池の内部抵抗が上昇しやすい傾向がある。
しかし、本実施形態の非水電解液は、特定ホウ酸リチウム化合物を含有するため、更に、不飽和結合を有する環状炭酸エステルを含有する場合においても、電池の内部抵抗を低減させることができる。
むしろ、本実施形態の非水電解液が不飽和結合を有する環状炭酸エステルを含有する場合には、特定ホウ酸リチウム化合物の添加による内部抵抗低減の改善幅が広いという利点がある。
含有質量比〔特定ホウ酸リチウム化合物/ビニレンカーボネート〕が0.050以上である場合には、保存後のリチウム二次電池の内部抵抗の上昇をより抑制できる。
本実施形態の非水電解液は、上述した成分以外のその他の成分を少なくとも1種含有していてもよい。
その他の成分としては、スルトン(即ち、環状スルホン酸エステル)、酸無水物、等が挙げられる。
スルトンとしては、プロペンスルトンが好ましい。
本実施形態の非水電解液がスルトンを含有する場合、非水電解液の全量に対するスルトンの含有量は、好ましくは0.1質量%~3質量%であり、より好ましくは0.5質量%~3質量%である。
無水コハク酸、無水グルタル酸、無水マレイン酸などのカルボン酸無水物;
無水エタンジスルホン酸、無水プロパンジスルホン酸などのジスルホン酸無水物;
無水スルホ安息香酸、無水スルホプロピオン酸、無水スルホ酪酸などのカルボン酸とスルホン酸との無水物;
等が挙げられる。
これらは単独で用いられてもよいし、複数種が混合されて用いられてもよい。
酸無水物としては、無水スルホ安息香酸が好ましい。
本実施形態の非水電解液が酸無水物を含有する場合、非水電解液の全量に対する酸無水物の含有量は、好ましくは0.1質量%~3質量%であり、より好ましくは0.5質量%~3質量%である。
本実施形態の非水電解液を製造する方法には特に限定はない。本実施形態の非水電解液は、各成分を混合して製造すればよい。
非水溶媒に電解質を溶解させて溶液を得る工程と、
得られた溶液に対し、特定ホウ酸リチウム化合物(及び必要に応じ、その他の添加剤)を添加して混合し、非水電解液を得る工程と、
を含む製造方法が挙げられる。
この一例に係る製造方法において、(特定ホウ酸リチウム化合物を添加する前の)溶液の電気伝導度に対し、得られた非水電解液の電気伝導度が低減されていることが好ましい。この態様の製造方法によって得られた非水電解液によれば、前述した非水電解液の効果(即ち、電池の内部抵抗を低減させる効果)がより効果的に発揮される。
本開示の一実施形態に係るリチウム二次電池前駆体(以下、単に「本実施形態の電池前駆体」ともいう)は、
ケースと、
ケースに収容された、正極、負極、セパレータ、及び電解液と、
を備え、
上記正極が、リチウムイオンを吸蔵及び放出可能な正極であり、
上記負極が、リチウムイオンを吸蔵及び放出可能な負極であり、
上記電解液が、上述した本実施形態の非水電解液であるリチウム二次電池前駆体である。
後述する本実施形態のリチウム二次電池は、正極、負極、セパレータ、及び非水電解液をケースに収容してリチウム二次電池前駆体を製造し、得られたリチウム二次電池前駆体に対し、充電及び放電(好ましくは、充電及び放電を含むエージング処理)を施すことによって製造される。
このため、本実施形態の電池前駆体によれば、本実施形態の非水電解液による効果と同様の効果が奏される。
本実施形態の電池前駆体におけるケースとしては特に限定はなく、公知のリチウム二次電池用のケースが挙げられる。
ケースとしては、ラミネートフィルムを含むケース、電池缶と電池缶蓋とからなるケース、等が挙げられる。
本実施形態の電池前駆体における正極は、リチウムイオンを吸蔵及び放出可能な正極である。
本実施形態の電池前駆体における正極は、好ましくは、リチウムイオンを吸蔵及び放出可能な正極活物質を少なくとも1種含む。
本実施形態の電池前駆体における正極は、より好ましくは、正極集電体と、正極活物質及びバインダーを含有する正極合材層と、を備える。
正極合材層は、正極集電体の表面の少なくとも一部に設けられる。
正極活物質としては、リチウムイオンの吸蔵及び放出が可能な物質であれば特に限定されず、リチウム二次電池に通常用いられる正極活物質であり得る。
正極活物質としては、例えば;
リチウム(Li)とニッケル(Ni)とを構成金属元素とする酸化物;
Liと、Niと、Li及びNi以外の金属元素(例えば、遷移金属元素、典型金属元素等)の少なくとも1種と、を構成金属元素として含む酸化物;
等が挙げられる。
酸化物中において、Li及びNi以外の金属元素は、好ましくは、原子数換算で、Niと同程度、又は、Niよりも少ない割合で含まれる。
Li及びNi以外の金属元素は、例えば、Co、Mn、Al、Cr、Fe、V、Mg、Ca、Na、Ti、Zr、Nb、Mo、W、Cu、Zn、Ga、In、Sn、La及びCeからなる群から選択される少なくとも1種であり得る。これらの正極活物質は、単独で用いても複数を混合して用いてもよい。
リチウム含有複合酸化物(C1)は、単位体積当たりのエネルギー密度が高く、熱安定性にも優れるという利点を有する。
〔一般式(C1)中、a、b及びcは、それぞれ独立に、0超1未満であり、a、b及びcの合計は、0.99~1.00である。〕
(一般式(C2)中、tは、0.95以上1.15以下であり、xは、0以上0.3以下であり、yは、0.1以上0.2以下であり、x及びyの合計は、0.5未満である。)
また、正極合材層中の正極活物質の含有量は、例えば99.9質量%以下、好ましくは99質量%以下である。
正極合材層に含有され得るバインダーとしては、例えば、ポリ酢酸ビニル、ポリメチルメタクリレート、ニトロセルロース、フッ素樹脂、ゴム粒子等が挙げられる。
フッ素樹脂としては、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、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(FEP)、フッ化ビニリデン-ヘキサフルオロプロピレン共重合体等が挙げられる。
ゴム粒子としては、スチレン-ブタジエンゴム粒子、アクリロニトリルゴム粒子等が挙げられる。
これらの中でも、正極合材層の耐酸化性を向上させる観点から、フッ素樹脂が好ましい。
バインダーは1種を単独で使用でき、必要に応じて2種以上を組み合わせて使用できる。
バインダーの含有量が0.1質量%以上である場合には、正極集電体に対する正極合材層の接着性、及び、正極活物質同士の結着性がより向上する。
バインダーの含有量が4質量%以上である場合には、正極合材層中における正極活物質の量をより多くすることができるので、電池容量がより向上する。
本実施形態の電池前駆体における正極が、正極集電体と正極合材層とを備える場合、正極合材層は、導電助材を含むことが好ましい。
導電助材としては、公知の導電助材を使用することができる。
公知の導電助材としては、導電性を有する炭素材料であれば特に限定されるものではないが、グラファイト、カーボンブラック、導電性炭素繊維(カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンファイバー)、フラーレン等を単独で、もしくは2種類以上を併せて使用することができる。
市販のカーボンブラックとしては、例えば、トーカブラック#4300、#4400、#4500、#5500等(東海カーボン社製、ファーネスブラック)、プリンテックスL等(デグサ社製、ファーネスブラック)、Raven7000、5750、5250、5000ULTRAIII、5000ULTRA等、Conductex SC ULTRA、Conductex 975ULTRA等、PUER BLACK100、115、205等(コロンビヤン社製、ファーネスブラック)、#2350、#2400B、#2600B、#30050B、#3030B、#3230B、#3350B、#3400B、#5400B等(三菱化学社製、ファーネスブラック)、MONARCH1400、1300、900、VulcanXC-72R、BlackPearls2000、LITX-50、LITX-200等(キャボット社製、ファーネスブラック)、Ensaco250G、Ensaco260G、Ensaco350G、Super-P(TIMCAL社製)、ケッチェンブラックEC-300J、EC-600JD(アクゾ社製)、デンカブラック、デンカブラックHS-100、FX-35(電気化学工業社製、アセチレンブラック)等が挙げられる。
グラファイトとしては、例えば、人造黒鉛、天然黒鉛(例えば、燐片状黒鉛、塊状黒鉛、土状黒鉛等)等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
本実施形態の電池前駆体における正極が、正極集電体と正極合材層とを備える場合、正極合材層は、上記各成分に加えて、その他の成分を含んでいてもよい。
その他の成分としては、増粘剤、界面活性剤、分散剤、濡れ剤、消泡剤等が挙げられる。
正極集電体としては、各種のものを使用することができるが、例えばは、金属又は合金が用いられる。
正極集電体として、より具体的には、アルミニウム、ニッケル、SUS等が挙げられる。中でも、導電性の高さとコストとのバランスの観点から、アルミニウムが好ましい。ここで、「アルミニウム」は、純アルミニウム又はアルミニウム合金を意味する。
正極集電体として、特に好ましくはアルミニウム箔である。
アルミニウム箔としては特に限定されないが、A1085材、A3003材、等が挙げられる。
正極合材層は、例えば、正極活物質及びバインダーを含む正極合材スラリーを正極集電体の表面に塗布し、乾燥させることによって形成できる。
正極合材スラリーに含まれる溶媒としては、N-メチル-2-ピロリドン(NMP)等の有機溶媒が好ましい。
塗布方法としては、例えば、スロット・ダイコーティング、スライドコーティング、カーテンコーティング、グラビアコーティング等が挙げられる。
乾燥方法としては、温風、熱風、低湿風による乾燥;真空乾燥;赤外線(例えば遠赤外線)照射による乾燥;が挙げられる。
乾燥時間及び乾燥温度については、特に限定されないが、乾燥時間は例えば1分~30分であり、乾燥温度は例えば40℃~80℃である。
正極合材層の製造方法は、正極集電体上に正極合剤スラリーを塗布し、乾燥させた後、金型プレス、ロールプレス等を用いた加圧処理により、正極活物質層の空隙率を低くする工程を有することが好ましい。
本実施形態の電池前駆体における負極は、リチウムイオンを吸蔵及び放出可能な負極である。
本実施形態の電池前駆体における負極は、好ましくは、リチウムイオンを吸蔵及び放出可能な負極活物質を少なくとも1種含む。
本実施形態の電池前駆体における負極は、より好ましくは、負極集電体と、負極活物質及びバインダーを含有する負極合材層と、を備える。
負極合材層は、負極集電体の表面の少なくとも一部に設けられる。
負極活物質としては、リチウムイオンを吸蔵及び放出可能な物質であれば特に制限はないが、例えば、金属リチウム、リチウム含有合金、リチウムとの合金化が可能な金属もしくは合金、リチウムイオンのドープ・脱ドープが可能な酸化物、リチウムイオンのドープ・脱ドープが可能な遷移金属窒素化物、および、リチウムイオンのドープ・脱ドープが可能な炭素材料からなる群から選ばれた少なくとも1種(単独で用いてもよいし、これらの2種以上を含む混合物を用いてもよい)を用いることができる。
これらの中でもリチウムイオンをドープ・脱ドープすることが可能な炭素材料が好ましい。
上記炭素材料としては、カーボンブラック、活性炭、黒鉛材料(例えば、人造黒鉛、天然黒鉛等)、非晶質炭素材料、等が挙げられる。
上記炭素材料の形態は、繊維状、球状、ポテト状、フレーク状いずれの形態であってもよい。
上記炭素材料の粒径は特に限定されないが、例えば5μm~50μm、好ましくは20μm~30μmである。
人造黒鉛としては、黒鉛化MCMB、黒鉛化MCFなどが用いられる。
また、黒鉛材料としては、ホウ素を含有するものなども用いることができる。
また、黒鉛材料としては、金、白金、銀、銅、スズなどの金属で被覆したもの、非晶質炭素で被覆したもの、非晶質炭素と黒鉛を混合したものも使用することができる。
本実施形態の電池前駆体における負極が、負極集電体と負極合材層とを備える場合、負極合材層は、導電助材を含むことが好ましい。
導電助材としては、公知の導電助材を使用することができる。
負極合材層に含まれ得る導電助材の具体例は、前述した、正極合材層に含まれ得る導電助材の具体例と同様である。
本実施形態の電池前駆体における負極が、負極集電体と負極合材層とを備える場合、負極合材層は、上記各成分に加えて、その他の成分を含んでいてもよい。
その他の成分としては、増粘剤、界面活性剤、分散剤、濡れ剤、消泡剤等が挙げられる。
負極合材層は、例えば、負極活物質及びバインダーを含む負極合材スラリーを負極集電体の表面に塗布し、乾燥させることによって形成できる。
負極合材スラリーに含まれる溶媒としては、水を使用することが好ましいが、必要に応じて、例えば、集電体への塗工性向上のために、水と相溶する液状媒体を使用してもよい。
水と相溶する液状媒体としては、アルコール類、グリコール類、セロソルブ類、アミノアルコール類、アミン類、ケトン類、カルボン酸アミド類、リン酸アミド類、スルホキシド類、カルボン酸エステル類、リン酸エステル類、エーテル類、ニトリル類等が挙げられ、水と相溶する範囲で使用してもよい。
本実施形態の電池前駆体におけるセパレータとしては、例えば、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリエステル、セルロース、ポリアミド等の樹脂を含む多孔質の平板が挙げられる。また、セパレータとしては、上記樹脂を含む不織布も挙げられる。
好適例として、一種または二種以上のポリオレフィン樹脂を主体に構成された単層または多層構造の多孔性樹脂シートが挙げられる。
セパレータの厚みは、例えば15μm~30μmとすることができる。
セパレータは、好ましくは、正極と負極との間に配置される。
本実施形態の電池前駆体における電解液は、前述した本実施形態の非水電解液である。
本実施形態の非水電解液の好ましい態様は前述したとおりである。
本実施形態の電池前駆体を製造する方法には特に限定はない。
本実施形態の電池前駆体を製造する方法の一例は、ケースに、正極、負極、セパレータ、及び電解液を収容する工程を含む。
上記一例は、好ましくは、
ケースに、正極、負極、及びセパレータを収容する工程と、
正極、負極、及びセパレータが収容されたケースに、電解液を注入する工程と、
を含む。
以下、本実施形態のリチウム二次電池前駆体の一例について、図1を参照しながら説明するが、本実施形態のリチウム二次電池前駆体は、以下の一例には限定されない。
リチウム二次電池前駆体1は、積層型リチウム二次電池の一例である。
本実施形態のリチウム二次電池前駆体としては、この積層型リチウム二次電池以外にも、例えば、正極、セパレータ、負極、及びセパレータをこの順の配置で重ねて層状に巻いた構造を有する、捲回型のリチウム二次電池も挙げられる。
リチウム二次電池前駆体1では、正極リード21及び負極リード22が、外装体30の内部から外部に向かって、反対方向に導出されている。
正極リード21及び負極リード22は、例えば超音波溶接や抵抗溶接などにより後述する正極集電体及び負極集電体に取り付けることができる。
なお、図示しないが、正極リード及び負極リードが、外装体の内部から外部に向かって、同一方向に導出されていてもよい。
この構造において、正極11の正極集電体11Aの片方の主面上に形成された正極合材層11Bと、正極11に隣接する負極12の負極集電体12Aの片方の主面上に形成された負極合材層12Bと、がセパレータ13を介して向き合っている。
リチウム二次電池前駆体1では、隣接する正極合材層11B、セパレータ13及び負極合材層12Bによって、1つの単電池層14が形成されている。
なお、正極及び負極は、各集電体の片面上に各活物質層が形成されているものであってもよい。
本開示の実施形態に係るリチウム二次電池の製造方法(以下、「本実施形態の電池の製造方法」ともいう)は、
本実施形態の電池前駆体を準備する工程(以下、「準備工程」ともいう)と、
電池前駆体に対してエージング処理を施すことにより、リチウム二次電池を得る工程(以下、「エージング工程」ともいう)と、
を含み、
エージング処理は、電池前駆体に対し、30℃~50℃の環境下で、充電及び放電を施すことを含むリチウム二次電池の製造方法である。
電池前駆体を30℃~50℃の環境下で保持する初期保持フェーズと、
初期保持フェーズ後の電池前駆体を、30℃~50℃の環境下で充電する初期充電フェーズと、
初期充電フェーズ後の電池前駆体を、30℃~50℃の環境下で保持する第2保持フェーズと、
第2保持フェーズ後の電池前駆体に対し、30℃~50℃の環境下で、充電及び放電の組み合わせを1回以上施す充放電フェーズと、
を含む。
以下、上記好ましい態様における反応機構の一例を説明するが、本開示における反応機構は、以下の一例には限定されない。
以下の一例は、電池前駆体中の電解液に含有される特定ホウ酸リチウム化合物として、前述した化合物(II)を用いた場合の例である。
特定ホウ酸リチウム化合物がリチウムイオンに配位することにより、リチウムイオンの移動が制限されるので、非水電解液の電気伝導率が下がる(後述の実施例参照)。
更に、中間生成物X1と、含フッ素リチウム塩(例えばLiPF6)から生じたフッ化リチウム(LiF)と、の反応により中間生成物X3が生成され、生成された中間生成物X3から、状態遷移(TS)により、有機性成分(例えば化合物(III))が生成されると考えられる。
更に、以下に示すように、中間生成物X2が分解し、無機性成分(例えば化合物(VI))が生成されると考えられる。
以上により、リチウム二次電池の負極抵抗が低減されると考えられる。
なお、無機性成分は、負極表面に加え、ホウ素の影響によって正極表面にも付着すると考えられる。
第2保持フェーズ及び/又は充放電フェーズでは、負極表面近傍に存在する無機性成分(例えば化合物(VI))及び中間生成物のうち、比率α1からみて過剰な無機性成分及び中間生成物は、徐々に非水電解液中に分散すると考えられる。
この状態で放電を行うことにより、非水電解液中に分散した中間生成物が分解して無機性成分(例えば化合物(VI))となると考えられる。生成された無機性成分(例えば化合物(VI))及びもともと存在していた上記過剰な無機性成分(例えば化合物(VI))が、リチウムイオンの移動とともに正極の表面に移動すると考えられる。ここで、有機性成分は、樹脂製のセパレータとの相互作用が強いため、正極の表面にまで到達する有機性成分は少ないと考えられる。
正極表面に移動したリチウムイオンが正極表面で電子を受け取ってリチウム酸化物として還元される際、正極表面に移動した無機性成分(例えば化合物(VI))は、ホウ素の影響により正極表面に付着し、正極被膜を形成すると考えられる。
この効果は、正極が正極合材層を含み、正極合材層が正極活物質として、NMC、NCA等のリチウム含有複合酸化物を含む場合に、より効果的に奏される。
詳細には、この場合、リチウム含有複合酸化物の結晶構造に対してリチウムイオンの脱離挿入が行われる。この結晶構造内にリチウムイオンを取り込む際、正極表面から結晶構造を構成する金属原子が非水電解液中に溶出する場合がある。金属原子の溶出によって結晶構造が壊れると、リチウムイオンを十分に取り入れることができず、正極抵抗が上昇する場合がある。
上記一例に係る反応機構では、リチウムイオンと一緒に移動してきた無機性成分を正極表面に付着させ、特に無機性成分のうちのホウ素を結晶構造中の酸素に付着させることにより、金属原子の溶出が抑制され、結晶構造が安定化される。
これにより、正極が正極合材層を含み、正極合材層が正極活物質として、NMC、NCA等のリチウム含有複合酸化物を含む場合の正極抵抗の上昇が抑制される。
その結果、リチウム二次電池をある程度の期間(例えば2週間~3週間)保存した後、更にリチウム二次電池を保存する場合における、リチウム二次電池の保存期間に対するリチウム二次電池の正極抵抗の上昇率を低減させることができると考えられる。
初期保持フェーズは、電池前駆体を30℃~50℃(好ましくは35℃~45℃)の環境下で保持するフェーズである。
初期保持フェーズにおける保持時間は、好ましくは1時間~48時間であり、より好ましくは3時間~24時間であり、更に好ましくは6時間~18時間である。
初期充電フェーズは、初期保持フェーズ後の電池前駆体を、30℃~50℃(好ましくは35℃~45℃)の環境下で充電するフェーズである。
初期充電フェーズでは、電池前駆体を、多段階(好ましくは2~4段階)で充電することが好ましい。この際、段階が進む度に、充電レート(即ち、充電電流)を上昇させることが好ましい。
初期充電フェーズでは、電池前駆体を、80%~95%のSOC(State Of Charge)となるまで、段階的に充電することが好ましい。
第2保持フェーズは、初期充電フェーズ後の電池前駆体を、30℃~50℃(好ましくは35℃~45℃)の環境下で保持するフェーズである。
第2保持フェーズにおける保持時間は、好ましくは1時間~60時間であり、より好ましくは6時間~36時間であり、更に好ましくは12時間~36時間である。
充放電フェーズは、第2保持フェーズ後の電池前駆体に対し、30℃~50℃(好ましくは35℃~45℃)の環境下で、充電及び放電の組み合わせを1回以上(好ましくは2回以上、より好ましくは2回以上5回以下、更に好ましくは2回以上4回以下)施すフェーズである。
充放電フェーズにおける充電は、好ましくは、90%~100%(より好ましくは95%~100%)のSOC(State Of Charge)となるまで行う。
充放電フェーズにおける放電は、好ましくは、60%~90%のSOCとなるまで行う。
エージング処理の上記好ましい態様は、更に、充放電フェーズ後の電池を30℃~50℃(好ましくは35℃~45℃)の環境下で保持する第3保持フェーズを含んでもよい。
これにより、無機性成分の正極表面への付着をより進行させることができ、その結果、正極抵抗をより低減させることができる。
第3保持フェーズにおける保持時間は、好ましくは1日~30日であり、より好ましくは2日~15日であり、更に好ましくは3日~10日である。
本開示の一実施形態に係るリチウム二次電池(以下、「本実施形態の電池」ともいう)は、
ケースと、
ケースに収容された、正極、負極、セパレータ、及び電解液と、
を備え、
正極が、リチウムイオンを吸蔵及び放出可能な正極であり、
負極が、リチウムイオンを吸蔵及び放出可能な負極であり、
電解液が、フッ素を含むリチウム塩である電解質と非水溶媒とを含有する非水電解液であり、
負極の表面の少なくとも一部に、特定ホウ酸リチウム化合物及び上記電解質に由来する、有機性成分(例えば、上述した化合物(III))及び無機性成分(例えば、上述した化合物(VI))を含有する負極被膜が形成されており、
正極の表面の少なくとも一部に、特定ホウ酸リチウム化合物及び上記電解質に由来する無機性成分(例えば、上述した化合物(VI))を含有する正極被膜が形成されている
リチウム二次電池である。
本実施形態の電池は、上記負極被膜及び上記正極被膜を含むので、本実施形態の電池の製造方法によって製造された電池と同様の効果が奏される。
本実施形態の電池における非水電解液は、特定ホウ酸リチウム化合物を含有していても構わない。
例えば、本実施形態の電池の製造方法によって本実施形態の電池を製造した場合、エージング処理により、特定ホウ酸リチウム化合物が完全に消費されていてもよいし、特定ホウ酸リチウム化合物の一部が残存していてもよい。
本開示のリチウム二次電池用非水電解液、本開示のリチウム二次電池前駆体、本開示のリチウム二次電池の製造方法、及び本開示のリチウム二次電池は、それぞれ、上述した実施形態には限定されない。
本開示のリチウム二次電池用非水電解液、本開示のリチウム二次電池前駆体、本開示のリチウム二次電池の製造方法、及び本開示のリチウム二次電池の他の実施形態としては、上述した実施形態における特定ホウ酸リチウム化合物を、下記式(A)で表される化合物に変更した形態が挙げられる。
下記式(A)で表される化合物の範囲は、特定ホウ酸リチウム化合物の範囲を含み、かつ、特定ホウ酸リチウム化合物の範囲よりも広い。
その理由は、式(A)で表される化合物中のアニオンは、特定ホウ酸リチウム化合物中のアニオンと同様に、電子密度の偏りを有するためである。
式(A)中のRは、式(I)中のRと同義であり、好ましい態様も同様である。
本開示のリチウム二次電池用添加剤、本開示のリチウム二次電池用非水電解液、本開示のリチウム二次電池前駆体、本開示のリチウム二次電池の製造方法、及び本開示のリチウム二次電池は、特に、ハイブリッド自動車又は電気自動車に対して特に好適に用いられるものである。
以下、特に断りがない限り、「室温」は25℃を意味し、「%」は質量%を意味する。また、以下における「wt.%」は、「質量%」と同義である。
撹拌装置、温度計、ガス導入ライン、排気ライン、及び、ディーンシュターク管を備えた100mLのフラスコを準備した。ディーンシュターク管には、生成した水の除去用にトルエンを満たした。
上記100mLのフラスコを乾燥窒素ガスでパージした後、ここに、シュウ酸1.80g(0.02mol)と、シュウ酸リチウム2.04g(0.02mol)と、ホウ酸2.47g(0.04mol)と、トルエン80gとを入れ、攪拌混合して均質なスラリーを得た。攪拌をしながらここに水10gを加え、30分後に加熱を開始し、85~110℃の温度でトルエンが還流する状態とした。加熱、攪拌、及びトルエン還流を継続し、留出する水をディーンシュターク管内でトルエンと分液して除去し続けた。還流するトルエンに水の同伴留出が無くなった段階で加熱を止め、反応液を室温(25℃)まで冷却した。上記によって得られた反応液は、固体が析出したスラリーであった。このスラリーを濾過して固体(ウェットケーキ)を別け取り、次いでこの固体をアセトニトリル40g中に入れ、室温(25℃)で1時間攪拌してスラリー洗浄処理を行った。このスラリーを再び濾過して固体(ウェットケーキ)を別け取り、得られたウェットケーキをイナートオーブン中、120℃で8時間乾燥させることにより、固体生成物2.44gを得た。
11B-NMR:4.0ppm。
11B-NMRから、ビス(オキサラト)ホウ酸リチウム(ケミカルシフト:6.4ppm)とは異なる一種のホウ酸リチウム化合物であることが確認された。
その結果、得られた生成物には融点は認められず、150℃付近から吸熱開始し187℃に吸熱ピークを示す熱分解挙動が観測された。
なお、DSC測定は、セイコーインスツル(株)製の示差走査熱量計(DSC220C型)を用いて行った。
合成例1と同様の方法を行う中で、仕込みの原料を、シュウ酸1.80g(0.02mol)、シュウ酸リチウム2.04g(0.02mol)、及びホウ酸2.47g(0.04mol)から、シュウ酸3.60g(0.04mol)、水酸化リチウム一水和物1.68g(0.04mol)、及びホウ酸2.47g(0.04mol)に変更して処理を行った。また、スラリー洗浄の溶媒をアセトニトリル40gから、アセトン40gに変更して処理を行った。最終的に固体生成物2.27gを得た。
11B-NMR:4.0ppm。
11B-NMRから、ビス(オキサラト)ホウ酸リチウム(ケミカルシフト:6.4ppm)とは異なる一種のホウ酸リチウム化合物であることが確認された。
その結果、得られた生成物には融点は認められず、150℃付近から吸熱開始し187℃に吸熱ピークを示す熱分解挙動が観測された。
合成例1と同様の方法を行う中で、仕込みの原料を、シュウ酸1.80g(0.02mol)、シュウ酸リチウム2.04g(0.02mol)、及びホウ酸2.47g(0.04mol)から、シュウ酸3.60g(0.04mol)、炭酸リチウム1.48g(0.02mol)、及びホウ酸2.47g(0.04mol)に変更して処理を行った。また、スラリー洗浄の溶媒をアセトニトリル40gから、アセトン40gに変更して処理を行った。最終的に固体生成物2.64gを得た。
11B-NMR:4.0ppm。
11B-NMRから、ビス(オキサラト)ホウ酸リチウム(ケミカルシフト:6.4ppm)とは異なる一種のホウ酸リチウム化合物であることが確認された。
その結果、得られた生成物には融点は認められず、150℃付近から吸熱開始し187℃に吸熱ピークを示す熱分解挙動が観測された。
合成例1と同様の方法を行う中で、仕込みの原料を、シュウ酸1.80g(0.02mol)、シュウ酸リチウム2.04g(0.02mol)、及びホウ酸2.47g(0.04mol)から、シュウ酸3.60g(0.04mol)、炭酸リチウム0.74g(0.01mol)、及び四ホウ酸リチウム1.69g(0.01mol)に変更して処理を行った。また、スラリー洗浄の溶媒をアセトニトリル40gから、アセトン40gに変更して処理を行った。最終的に固体生成物2.75gを得た。
11B-NMR:4.0ppm。
11B-NMRから、ビス(オキサラト)ホウ酸リチウム(ケミカルシフト:6.4ppm)とは異なる一種のホウ酸リチウム化合物であることが確認された。
その結果、得られた生成物には融点は認められず、150℃付近から吸熱開始し187℃に吸熱ピークを示す熱分解挙動が観測された。
合成例1と同様の方法を行う中で、仕込みの原料を、シュウ酸1.80g(0.02mol)、シュウ酸リチウム2.04g(0.02mol)、及びホウ酸2.47g(0.04mol)から、シュウ酸2.70g(0.03mol)、シュウ酸リチウム1.02g(0.01mol)、及び四ホウ酸リチウム1.69g(0.01mol)に変更して処理を行った。また、スラリー洗浄の溶媒をアセトニトリル40gから、酢酸エチル40gに変更して処理を行った。最終的に固体生成物2.72gを得た。
11B-NMR:4.0ppm。
11B-NMRから、ビス(オキサラト)ホウ酸リチウム(ケミカルシフト:6.4ppm)とは異なる一種のホウ酸リチウム化合物であることが確認された。
その結果、得られた生成物には融点は認められず、150℃付近から吸熱開始し187℃に吸熱ピークを示す熱分解挙動が観測された。
合成例1と同様の方法を行う中で、仕込みの原料を、シュウ酸1.80g(0.02mol)、シュウ酸リチウム2.04g(0.02mol)、及びホウ酸2.47g(0.04mol)から、シュウ酸3.60g(0.04mol)、炭酸リチウム1.48g(0.02mol)、及び三酸化二ホウ素1.39g(0.02mol)に変更して処理を行った。また、スラリー洗浄の溶媒をアセトニトリル40gから、酢酸エチル40gに変更して処理を行った。最終的に固体生成物2.81gを得た。
11B-NMR:4.0ppm。
11B-NMRから、ビス(オキサラト)ホウ酸リチウム(ケミカルシフト:6.4ppm)とは異なる一種のホウ酸リチウム化合物であることが確認された。
その結果、得られた生成物には融点は認められず、150℃付近から吸熱開始し187℃に吸熱ピークを示す熱分解挙動が観測された。
合成例1と同様の方法を行う中で、仕込みの原料を、シュウ酸1.80g(0.02mol)、シュウ酸リチウム2.04g(0.02mol)、及びホウ酸2.47g(0.04mol)から、シュウ酸3.60g(0.04mol)、及びメタホウ酸リチウム1.99g(0.04mol)に変更して処理を行った。また、スラリー洗浄の溶媒をアセトニトリル40gから、酢酸エチル40gに変更して処理を行った。最終的に固体生成物2.83gを得た。
11B-NMR:4.0ppm。
11B-NMRから、ビス(オキサラト)ホウ酸リチウム(ケミカルシフト:6.4ppm)とは異なる一種のホウ酸リチウム化合物であることが確認された。
その結果、得られた生成物には融点は認められず、150℃付近から吸熱開始し187℃に吸熱ピークを示す熱分解挙動が観測された。
<非水電解液(試料0~試料9)の作製>
(試料0)
エチレンカーボネート(以下、EC)とジメチルカーボネート(以下、DMC)とメチルエチルカーボネート(EMC)とを、EC:DMC:EMC=30:35:35(体積比)で混合することにより、非水溶媒としての混合溶媒を作製した。
混合溶媒に対し、電解質としてのLiPF6を、最終的に得られる非水電解液中の濃度が1モル/リットルとなるように溶解させた。
以上により、試料0を得た。
試料0は、比較例1の電池に使用する非水電解液である。
更に、特定ホウ酸リチウム化合物の一例である化合物(II)を、最終的に得られる非水電解液の全量に対する含有量が、表1に示す含有量(質量%)となるように添加したこと以外は試料0と同様にして、試料1~試料3を得た。
試料1~試料3は、それぞれ、実施例1~実施例3の電池に使用する非水電解液である。
更に、ビス(オキサラト)ホウ酸リチウム(LiBOB)を、最終的に得られる非水電解液の全量に対する含有量が、表1に示す含有量(質量%)となるように添加したこと以外は試料0と同様について、試料4を得た。
試料4は、比較例2の電池に使用する非水電解液である。
更に、ビニレンカーボネート(VC)を、最終的に得られる非水電解液の全量に対する含有量が、表1に示す含有量(質量%)となるように添加したこと以外は試料0と同様について、試料5を得た。
試料5は、比較例3の電池に使用する非水電解液である。
更に、ビニレンカーボネート(VC)を、最終的に得られる非水電解液の全量に対する含有量が、表1に示す含有量(質量%)となるように添加したこと以外は試料1~試料4の各々と同様にして、試料6~試料9をそれぞれ得た。
試料6~試料8は、それぞれ、実施例4~実施例6の電池に使用する非水電解液である。
試料9は、比較例4の電池に使用する非水電解液である。
以下のようにして、リチウム二次電池としての捲回型電池(設計容量1Ah)(以下、単に「電池」ともいう)を作製した。
1.正極合材スラリー調製
正極合材スラリーの調製には、5Lのプラネタリーディスパを用いた。
正極活物質としてのNCM523(即ち、LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2)920g、導電助材としてのSuper-P(TIMCAL社製導電性カーボン)20g、及び導電助材としてのKS-6(TIMREX社製鱗片状黒鉛)20gを10分間混合した後、ここにN-メチルピロリドン(NMP)を100g加え、更に20分間混合した。
以上により、固形分濃度60%の正極合材スラリーを得た。
正極合材スラリーの塗工にはダイコーターを用いた。
上記正極合材スラリーを、乾燥後の塗布質量が19.0mg/cm2になるように、正極集電体としてのアルミニウム箔(厚み20μm、幅200mm)の片面の一部に塗布し乾燥させた。次いで、このアルミニウム箔の反対面(未塗工面)の一部に、同様に塗布質量が19.0mg/cm2になるように、上記正極合材スラリーを塗布し乾燥させた。
こうして得た両面塗工(38.0mg/cm2)されたアルミニウム箔を、真空乾燥オーブンにて、130℃で12時間乾燥させ、次いで、35トンプレス機を用い、プレス密度が2.9g/cm3となるように圧縮することにより、正極原反を得た。
この正極原反は、正極集電体としてのアルミニウム箔と、このアルミニウム箔の両面に設けられた正極合材層と、を含む。アルミニウム箔の両面は、それぞれ、正極合材層が形成された領域と、正極合材層が形成されていない領域(即ち、余白)と、を含む。
上記正極原反をスリットすることにより、おもて面側に、56mm×334mmの正極合材層と、タブ溶接用余白と、を含み、裏面側に、56mm×408mmの正極合材層と、タブ溶接用余白と、を含む、正極C-1を得た。
1.負極合材スラリーの調製
負極合材スラリーの調製には、5Lのプラネタリーディスパを用いた。
負極活物質としての天然黒鉛960g及び導電助材としてのSuper-P(導電性カーボン、BET比表面積62m2/g)10gに対し、1%-CMC水溶液(即ち、カルボキシメチルセルロース(CMC)の1質量%水溶液)を450g加え、30分間混合した。
得られた混合物に対し、1%-CMC水溶液300gを加えて30分間混練した後、更に、1%-CMC水溶液250gを加えて30分間混練した。
得られた混練物に対し、スチレンブタジエンゴム(SBR)(40%乳化液)50gを加えて30分間混合した後、真空脱泡を30分間行った。
以上により、固形分濃度45%の負極合材スラリーを調製した。
負極合材スラリーの塗工には、ダイコーターを用いた。
上記負極合材スラリーを、乾燥後の塗布質量が11.0mg/cm2になるように、負極集電体としての銅箔(厚み10μm)の片面の一部に塗布し乾燥させた。次いで、この銅箔の反対面(未塗工面)の一部に、上記負極合材スラリーを、塗布質量が11.0mg/cm2になるように塗布し、乾燥させた。
こうして得た両面塗工(22.0mg/cm2)された銅箔を、真空乾燥オーブンにて、120℃で12時間乾燥させ、次いで、小型プレス機を用い、プレス密度が1.45g/cm3となるように圧縮することにより、負極原反を得た。
この負極原反は、負極集電体としての銅箔と、銅箔の両面に設けられた負極合材層と、を含む。銅箔の両面は、それぞれ、負極合材層が形成された領域と、負極合材層が形成されていない領域(即ち、余白)と、を含む。
上記負極原反をスリットすることにより、おもて面側に、58mm×372mmの負極合材層と、タブ溶接用余白と、を含み、裏面側に、58mm×431mmの負極合材層と、タブ溶接用余白と、を含む、負極A-1を得た。
セパレータとして、多孔性樹脂シート(空隙率45%、厚み25μmのポリエチレン製多孔質膜)(60.5mm×450mm)を準備した。
負極A-1とセパレータと正極C-1とを、負極A-1の裏面がセパレータに接し、かつ、正極C-1の裏面がセパレータに接する向きで重ねて積層体を得た。得られた積層体を捲回し、捲回体を得た。得られた捲回体をプレス成型し、成型体を得た。
次いで、上記成型体における正極C-1の余白部分にアルミニウム製の正極タブを超音波接合機で接合し、上記成型体における負極A-1の余白部分にニッケル製の負極タブを超音波接合機で接合した。正極タブ及び負極タブが接合された成型体を、一対のラミネートシートで挟み込み、次いで三辺を加熱シールし、ラミネート体を得た。この際、ラミネート体における残りの一辺(加熱シールされていない一辺)から正極タブ及び負極タブがはみ出すようにした。
以上により、各実施例及び各比較例の電池前駆体(即ち、リチウム二次電池前駆体)をそれぞれ得た。
各実施例及び各比較例の電池前駆体に対し、それぞれ、以下に示すエージング処理を施すことにより、各実施例及び各比較例の電池(即ち、リチウム二次電池)を得た。以下、詳細を示す。
次に、40℃の雰囲気温度下で、電池前駆体を、充電レート0.05Cにて3.0Vまで定電流充電し、次いで充電レート0.1Cにて3.4Vまで定電流充電し、次いで充電レート0.24Cにて3.7Vまで定電流充電した。
次に、40℃の雰囲気温度下で、電池前駆体を24時間休止させた。
次に、40℃の雰囲気温度下で、電池前駆体を、充電レート0.5Cにて4.2V(SOC(State Of Charge)100%)まで定電流定電圧充電(0.5C-CCCV)し、次いで30分間休止させ、次いで放電レート0.5Cにて3.0Vまで定電流放電(0.5C-CC)させた。次に、電池前駆体を、0.5C-CCCVにて4.2Vまで充電し、次いで0.5C-CCにて3.7Vまで放電させ、次いで4.2VまでCCCV充電した。
次に、電池前駆体を40℃の雰囲気温度下で7日間保存した。
以上により、電池を得た。
各実施例及び各比較例の電池について、それぞれ、正極抵抗及び負極抵抗の評価を行った。以下、詳細を示す。
詳細には、周波数を0.1Hzから6MHzまで変化させ、虚数部の抵抗値と応答周波数からBode-Plotを求めた。
得られたBode-Plotから、10Hzにおける抵抗値(EIS-Z”)を正極抵抗(Ω)として抽出し、1KHzにおける抵抗値(EIS-Z”)を負極抵抗(Ω)として抽出した。
以上の測定を、電池を保存する前(保存週間数0)、電池を1週間保存した後(保存週間数1week)、電池を2週間保存した後(保存週間数2week)、電池を3週間保存した後(保存週間数3week)、及び、電池を4週間保存した後(保存週間数4week)のそれぞれの時点において行った。
ここで、電池の保存条件は、電池を60℃の環境下で保存する条件とした。
以上の結果を、表2及び表3に示す。
図3は、表2中の負極抵抗をグラフ化したものであり、
図4は、表3中の正極抵抗をグラフ化したものであり、
図5は、表3中の負極抵抗をグラフ化したものである。
表2及び図2に示すように、実施例1~3における正極抵抗は、保存期間が一週間以上経過した領域において、いずれも比較例1に比べて低い値をとっている。
以上により、非水電解液に特定ホウ酸リチウム化合物を含有させることにより、正極抵抗を低減できることが確認された。
これに対し、実施例1~3における正極抵抗値は、3週間経過時までは徐々に増大する傾向を示すものの、4週間経過後には、3週間経過時よりも低下する傾向を示している。特に、実施例3にあっては、4週間経過後に比較例2よりも正極抵抗値が低くなっている。実施例1及び2についても、保存期間を4週間よりも更に長くした場合には、比較例2よりも正極抵抗値が低くなると予想される。
以上により、非水電解液に特定ホウ酸リチウム化合物を含有させることにより、リチウム二次電池をある程度の期間(具体的には2週間~3週間)保存した後、更にリチウム二次電池を保存する場合における、リチウム二次電池の保存期間に対するリチウム二次電池の正極抵抗の上昇率を低減できることが確認された。
この理由は、非水電解液に特定ホウ酸リチウム化合物を含有させた場合には、リチウム二次電池の保存期間をある程度以上確保した場合に、電気化学反応に加えて化学反応により無機性成分が正極表面に付着するためと考えられる。
表3及び図4に示すように、実施例4~6では、保存期間が2週間以上経過した領域において、正極抵抗の上昇率が飽和傾向となって安定しているのに対し、比較例3では、初期の正極抵抗は低いものの、その後は、保存期間が2週間以上経過した領域においても、正極抵抗が上昇傾向に有ることがわかる。従って、比較例3では、保存期間の増大が正極抵抗値の増大を招く恐れがあることがわかる。
以上により、非水電解液がVCを含有する場合においても、非水電解液に更に特定ホウ酸リチウム化合物を含有させることにより、リチウム二次電池をある程度の期間(具体的には2週間)保存した後、更にリチウム二次電池を保存する場合における、リチウム二次電池の保存期間に対するリチウム二次電池の正極抵抗の上昇率を低減できることが確認された。
これに対し、実施例4~6における正極抵抗値は、2週間経過時までは徐々に増大する傾向を示すものの、2週間経過後は、2週間経過時よりも低下する傾向又は飽和傾向を示した。
以上により、非水電解液がVCを含有する場合においても、非水電解液に更に特定ホウ酸リチウム化合物を含有させることにより、リチウム二次電池をある程度の期間(具体的には2週間)保存した後、更にリチウム二次電池を保存する場合における、リチウム二次電池の保存期間に対するリチウム二次電池の正極抵抗の上昇率を低減できることが確認された。
非水電解液の全量に対する特定ホウ酸リチウム化合物の含有量は、例えば、0.25質量%以上が好ましいことがわかる。
表2及び図3に示すように、実施例1~3における負極抵抗は、保存期間が2週間を経過するまでは、比較例1及び2よりも高い値をとっているが、保存期間が2週間以上経過した領域において、いずれも比較例1及び2と同等の値を維持している。
従って、非水電解液が特定ホウ酸リチウム化合物を含有する場合、負極抵抗の増大を招くおそれが低減されていることがわかる。
これに対し、実施例1~3における負極抵抗は、2週間経過時までは1週間経過時よりも増大する傾向を示すものの、3週間経過後には、2週間経過時よりも低下する傾向を示している。
以上により、非水電解液が特定ホウ酸リチウム化合物を含有する場合において、保存期間をある程度以上確保した場合には、負極抵抗の増大を招くおそれがより低減されることがわかる。
表3及び図5に示すように、実施例4~6における負極抵抗は、保存期間が3週間以上経過した領域において、負極抵抗値の上昇率が飽和傾向となり、4週間経過時には3週間経過時よりも低い値を示している。これに対し、比較例3は、初期の負極抵抗値は低いものの、その後は上昇傾向に有り、保存期間の増大が負極抵抗値の増大を招く恐れがあることがわかる。
従って、非水電解液が特定ホウ酸リチウム化合物を含有することにより、特に、保存期間がある程度の期間以上経過した際における、負極抵抗の増大を抑制できることがわかる。特に、VCを含有する場合には、負極抵抗の増大傾向をより効果的に抑制できることがわかる。
これに対し、実施例4~6における負極抵抗は、3週間経過時までは徐々に増大する傾向を示すものの、4週間経過時は、3週間経過時よりも低下する傾向を示している。
以上により、非水電解液が特定ホウ酸リチウム化合物を含有する場合には、保存期間をある程度以上確保することにより、負極抵抗をより低減できることがわかる。この理由は、保存期間をある程度以上確保することにより、電気化学反応に加えて化学反応により、負極被膜中における有機性成分と無機性成分との比率がより安定化するためと考えられる。
非水電解液の全量に対する特定ホウ酸リチウム化合物の含有量は、例えば、0.25質量%以上が好ましいことがわかる。
実施例1~6、並びに、比較例1及び3の電池について、それぞれ、電池の内部抵抗の評価として、直流抵抗の評価を行った。
以下、詳細を示す。
電池のSOCを50%に調整した。
SOC50%に調整された電池に対し、放電レート0.2CにてCC10s放電を施し、次いで充電レート0.2CにてCC-CV10s充電を施した。
次に、電池に対し、放電レート1CにてCC10s放電を施し、次いで放電レート1CにてCC-CV10s充電を施した。
次に、電池に対し、放電レート2CにてCC10s放電を施し、次いで充電レート2CにてCC-CV10s充電を施した。
次に、電池に対し、放電レート5CにてCC10s放電を行い、次いで充電レート5CにてCC-CV10s充電を施した。
結果を表4に示す。
表4では、初期の直流抵抗を100.0として示し、そのうえで、保存1週間後の直流抵抗の上記相対値(即ち、初期の直流抵抗を100.0とした場合の相対値)及び保存2週間後の直流抵抗の上記相対値(即ち、初期の直流抵抗を100.0とした場合の相対値)を示した。
抵抗上昇率に注目した理由は、電池性能において、抵抗値自体が低いことも重要な性能ではあるが、保存期間中の劣化等に起因する抵抗上昇率が低減されることも極めて重要な性能であるためである。
図7は、表4中、VCを含有する非水電解液を用いた例(即ち、実施例4~6及び比較例3)の抵抗上昇率をグラフ化したものである。
実施例1~3より、特定ホウ酸リチウム化合物の含有量が増加するほど、抵抗上昇率が低減されることがわかる。
実施例4~6より、特定ホウ酸リチウム化合物の含有量が増加するほど、抵抗上昇率が低減されることがわかる。
特に、含有質量比〔特定ホウ酸リチウム化合物/ビニレンカーボネート〕(即ち、特定ホウ酸リチウム化合物の含有質量をビニレンカーボネートの含有質量で除した値)が0.125以上である場合(実施例5及び6)には、抵抗上昇率がより低減されることがわかる。
ここで、更に、実施例3(VC無し、保存後1週間後直流抵抗112.5)及び実施例6(VC有り、保存後1週間後直流抵抗117.6)にも注目すると、非水電解液がVCを含有する場合(実施例6)は、非水電解液がVCを含有しない場合(実施例3)と比較して、特定ホウ酸リチウム化合物による直流抵抗の低減幅が大きい(即ち、特定ホウ酸リチウム化合物による効果がより顕著である)ことがわかる。具体的には、非水電解液がVCを含有しない場合における特定ホウ酸リチウム化合物による直流抵抗の低減幅は9.8(=122.3-112.5)であるのに対し、非水電解液がVCを含有する場合における特定ホウ酸リチウム化合物による直流抵抗の低減幅は29.1(=146.7-117.6)である。
非水電解液中における特定ホウ酸リチウム化合物の作用を確認するために、非水電解液の電気伝導度の評価を行った。
非水電解液としては、前述した、試料0(化合物(II)の含有量0質量%)、試料1(化合物(II)の含有量0.10質量%)、試料2(化合物(II)の含有量0.25質量%)、及び試料3(化合物(II)の含有量0.50質量%)と、下記試料10(化合物(II)の含有量1.0質量%)と、を用いた。
試料10は、化合物(II)を、最終的に得られる非水電解液の全量に対する含有量が1.0質量%となるように添加したこと以外は試料0と同様にして作製した。
以下、評価の詳細を示す。
得られた希釈電解液の電気伝導度を、電気伝導率計CM-20J(東亜DKK製)によって測定した。詳細には、希釈電解液をポリプロピレン(PP)製容器に20mL注液し、PP製容器中の希釈電解液に、上記電気伝導率計の温度プローブ及び電導度プローブを浸漬した。この状態で希釈電解液の温度を調整し、下記の測定温度となった時点での電気伝導度を、希釈電解液の電気伝導度とした。
測定温度は、25℃、0℃及び-30℃の3点とした。
結果を図8に示す。
ここでいう変化率(%)は、上昇せず低下もしない場合を100%と表現し、上昇する場合を100%超と表現し、低下する場合を100%未満と表現する態様の変化率(%)である。
図8に示すように、測定温度-30℃の場合、試料1及び試料2のいずれも電気伝導度は上昇又は変化無しであったのに対し、試料3及び試料10では、電気伝導度の変化率の低下が見られた。
また、測定温度25℃及び測定温度0℃の場合、試料1の電気伝導度の低下は極わずかであるのに対し、試料2では、1%程度の電気伝導度の低下がみられた。この電気伝導度の低下は、試料3及び試料10(即ち、特定ホウ酸リチウムの含有量が多い試料)において特に顕著となった。
電気伝導度の低下の理由は、特定ホウ酸リチウムがリチウムイオンに配位し、リチウムイオンの移動度が抑制したためと考えられる。
以上の結果から、特定ホウ酸リチウム化合物は、非水電解液中において、リチウムイオンに配位する作用を有することが確認された。
電池の保存時における正極表面及び負極表面での反応を調べるために、以下の実験を行った。
詳細には、比較例1並びに実施例2及び3の電池を用い、電池の作製に用いた非水電解液における特定ホウ酸リチウム化合物の含有量と、正極表面及び負極表面におけるホウ素含有量と、の関係を調べた。
正極表面のホウ素含有量及び負極表面のホウ素含有量は、いずれも、保存前の電池、及び、4週間保存後(保存温度60℃)の電池を分解して測定した。
ここで、正極表面は、正極における正極合材層の表面であり、負極表面は、負極における負極合材層の表面である。
(1)正極より剥がした正極合材層の粉末を、濃硝酸及び濃硫酸中で溶解させて溶液を得、
(2)得られた溶液を水で希釈し、次いでマイクロウェーブ照射により溶解を促進させて均一に分散させて水溶液を得、
(3)得られた水溶液中におけるホウ素を、ICP発光分光分析装置によって定量分析することによって求めた。
(1)負極より剥がした負極合材層の粉末を、密閉したフラスコ内で燃焼させた後、吸収液である酸性溶液中に分散させて溶液を得、
(2)得られた溶液中におけるホウ素を、ICP発光分光分析装置によって定量分析することによって求めた。
表5中、単位[μg/g]は、試料(正極合材層の粉末又は負極合材層の粉末)1g当たりに含まれるホウ素含有量を表す。
これに対し、保存前の実施例2及び3(以下、保存前実施例2及び3と記載する。)では、負極において、概ね化合物(II)の含有量に応じたホウ素が検出された。
また、保存前実施例2では、正極において、ホウ素が50μg/g検出され、保存前実施例3では、正極において、ホウ素が50μg/gが検出されていることから、保存前であっても、正極表面に無機性成分等が移動していると推測される。
このことから、実施例2及び3では、保存期間中、電気化学反応及び化学反応により負極表面に、有機性成分及び無機性成分を含む負極被膜が形成されていると考えられる。
ここで、添加剤が分解しやすい状態と、分解する場所(以下、反応サイトともいう)と、が一致した場合に負極被膜が形成されることを考慮すると、十分に分解しやすい状態で電池を4週間保存した場合において、反応サイトが確保されていれば、化合物(II)の含有量の増加に応じて、保存後のホウ素含有量も増加するはずである。
しかしながら、上述したとおり、化合物(II)の含有量を実施例2の2倍とした実施例3において、ホウ素増大率は、実施例2におけるホウ素増大率よりも小さい。
このことから、負極表面において、ホウ素量は、負極内の反応サイトの数に応じた所定量にて飽和傾向となると考えられる。
このことから、実施例2及び3では、保存期間中において、電気化学反応及び化学反応により、正極表面に無機性成分が移動して付着していると考えられる。
特に、有機性成分はセパレータとの相互作用が強く、正極に移動するものが少ないことを考えると、実施例2及び3における保存前後のホウ素増加量は、ほぼ無機性成分由来のホウ素と推認される。
つまり、非水電解液中の化合物(II)の含有量の増加に対し、保存時の正極でのホウ素の増加率は、飽和傾向となると考えられる。
このことから、正極表面において、無機性成分が正極結晶構造表面にある程度付着すると、それ以上は付着せず、これにより、過剰な被膜形成を抑制していると考えられる。
本明細書に記載された全ての文献、特許出願、及び技術規格は、個々の文献、特許出願、及び技術規格が参照により取り込まれることが具体的かつ個々に記された場合と同程度に、本明細書中に参照により取り込まれる。
Claims (15)
- 前記Rが、単結合、メチレン基、又はエチレン基である請求項1に記載のリチウム二次電池用添加剤。
- 前記Rが、単結合、メチレン基、又はエチレン基である請求項4に記載のリチウム二次電池用非水電解液。
- 前記ホウ酸リチウム化合物の含有量が、リチウム二次電池用非水電解液の全量に対し、0.10質量%~5.0質量%である請求項4~請求項6のいずれか1項に記載のリチウム二次電池用非水電解液。
- 更に、ビニレンカーボネートを含有する請求項4~請求項7のいずれか1項に記載のリチウム二次電池用非水電解液。
- 前記ホウ酸リチウム化合物の含有質量を前記ビニレンカーボネートの含有質量で除した値が、0.125以上である請求項8に記載のリチウム二次電池用非水電解液。
- 前記ホウ酸リチウム化合物の含有質量を前記ビニレンカーボネートの含有質量で除した値が、0.500以下である請求項8又は請求項9に記載のリチウム二次電池用非水電解液。
- ケースと、
前記ケースに収容された、正極、負極、セパレータ、及び電解液と、
を備え、
前記正極が、リチウムイオンを吸蔵及び放出可能な正極であり、
前記負極が、リチウムイオンを吸蔵及び放出可能な負極であり、
前記電解液が、請求項4~請求項10のいずれか1項に記載のリチウム二次電池用非水電解液であるリチウム二次電池前駆体。 - 前記正極が、正極活物質として、下記一般式(C1)で表されるリチウム含有複合酸化物を含む請求項11に記載のリチウム二次電池前駆体。
LiNiaCobMncO2 … 一般式(C1)
〔一般式(C1)中、a、b及びcは、それぞれ独立に、0超1未満であり、かつ、a、b及びcの合計は、0.99~1.00である。〕 - 請求項11又は請求項12に記載のリチウム二次電池前駆体を準備する工程と、
前記リチウム二次電池前駆体に対してエージング処理を施すことにより、リチウム二次電池を得る工程と、
を含み、
前記エージング処理は、前記リチウム二次電池前駆体に対し、30℃~50℃の環境下で、充電及び放電を施すことを含むリチウム二次電池の製造方法。 - ケースと、
前記ケースに収容された、正極、負極、セパレータ、及び電解液と、
を備え、
前記正極が、リチウムイオンを吸蔵及び放出可能な正極であり、
前記負極が、リチウムイオンを吸蔵及び放出可能な負極であり、
前記電解液が、フッ素を含むリチウム塩である電解質と非水溶媒とを含有する非水電解液であり、
前記負極の表面の少なくとも一部に、下記式(I)で表されるホウ酸リチウム化合物及び前記電解質に由来する、有機性成分及び無機性成分を含有する負極被膜が形成されており、
前記正極の表面の少なくとも一部に、下記式(I)で表されるホウ酸リチウム化合物及び前記電解質に由来する無機性成分を含有する正極被膜が形成されているリチウム二次電池。
〔式(I)中、Rは、単結合又は炭素数1~4のアルキレン基を表す。〕
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