JP7201074B2 - 二次電池用電解液および二次電池 - Google Patents
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Description
(R1およびR2のそれぞれは、アルキル基である。ただし、R1の炭素数は、1以上3以下であると共に、R1の炭素数とR2の炭素数との和は、3以上5以下である。)
(R3およびR4のそれぞれは、アルキル基である。ただし、R3の炭素数とR4の炭素数との和は、2以上10以下である。)
1.二次電池
1-1.構成
1-2.動作
1-3.製造方法
1-4.作用および効果
2.変形例
3.二次電池の用途
まず、本技術の一実施形態の二次電池に関して説明する。なお、本技術の一実施形態の二次電池用電解液(以下、単に「電解液」と呼称する。)は、ここで説明する二次電池の一部(一構成要素)であるため、その電解液に関しては、以下で併せて説明する。
図1は、二次電池の斜視構成を表していると共に、図2は、図1に示した巻回電極体10の断面構成を拡大している。ただし、図1では、巻回電極体10および外装部材20が互いに分離された状態を示していると共に、図2では、巻回電極体10の一部だけを示している。
外装部材20は、図1に示したように、矢印Rの方向に折り畳み可能な1枚のフィルムであり、巻回電極体10を収納するための窪み20Uを有している。この外装部材20は、高分子フィルムでもよいし、金属箔でもよいし、高分子フィルムと金属箔とが互いに積層されたラミネートフィルムでもよい。中でも、ラミネートフィルムが好ましい。十分な封止性および耐久性が得られるからである。
巻回電極体10は、図1および図2に示したように、正極13、負極14およびセパレータ15と共に、液状の電解質である電解液を備えている。この巻回電極体10では、セパレータ15を介して正極13および負極14が互いに積層されたのち、その正極13、負極14およびセパレータ15が巻回されている。電解液は、正極13、負極14およびセパレータ15に含浸されている。なお、巻回電極体10の表面は、保護テープ(図示せず)により保護されていてもよい。
正極13は、図2に示したように、正極集電体13Aと、その正極集電体13Aの両面に設けられた正極活物質層13Bとを備えている。ただし、正極活物質層13Bは、正極集電体13Aの片面だけに設けられていてもよい。
負極14は、図2に示したように、負極集電体14Aと、その負極集電体14Aの両面に設けられた負極活物質層14Bとを備えている。ただし、負極活物質層14Bは、負極集電体14Aの片面だけに設けられていてもよい。
セパレータ15は、正極13と負極14との間に介在している。このセパレータ15は、合成樹脂およびセラミックなどのうちのいずれか1種類または2種類以上を含む多孔質膜を含んでおり、2種類以上の多孔質膜が互いに積層された積層膜でもよい。合成樹脂は、ポリエチレンなどである。
電解液は、溶媒および電解質塩を含んでいる。ただし、溶媒の種類は、1種類だけでもよいし、2種類以上でもよい。電解質塩の種類は、1種類だけでもよいし、2種類以上でもよい。
溶媒は、下記の式(1)で表される第1エステル化合物と、下記の式(2)で表される第2エステル化合物とを含んでいる。ただし、第1エステル化合物の種類は、1種類だけでもよいし、2種類以上でもよい。第2エステル化合物の種類は、1種類だけでもよいし、2種類以上でもよい。
(R1およびR2のそれぞれは、アルキル基である。ただし、R1の炭素数は、1以上3以下であると共に、R1の炭素数とR2の炭素数との和は、3以上5以下である。)
(R3およびR4のそれぞれは、アルキル基である。ただし、R3の炭素数とR4の炭素数との和は、2以上10以下である。)
第1エステル化合物は、式(1)から明らかなように、エステル基(-C(=O)-O-)に2個のアルキル基(R1およびR2)が結合された鎖状カルボン酸エステル型の化合物である。このアルキル基は、直鎖状のアルキル基でもよいし、1個または2個以上の側鎖を有する分岐状のアルキル基でもよい。また、R1およびR2のそれぞれは、互いに同じ種類のアルキル基でもよいし、互いに異なる種類のアルキル基でもよい。
第2エステル化合物は、式(2)から明らかなように、リン酸結合(≡P=O)のうちのリン原子にフッ素基(F)および2個のアルキル基(R3およびR4)が結合されたフルオロホスホン酸エステル型の化合物である。アルキル基に関する詳細は、上記した通りである。
なお、溶媒は、さらに、非水溶媒(有機溶剤)などの他の溶媒のうちのいずれか1種類または2種類以上を含んでいてもよい、非水溶媒を含む電解液は、いわゆる非水電解液であり、上記した第1エステル化合物および第2エステル化合物は、ここで説明する他の溶媒(非水溶媒)から除外される。
電解質塩は、リチウム塩などの軽金属塩のうちのいずれか1種類または2種類以上を含んでいる。具体的には、リチウム塩は、六フッ化リン酸リチウム、四フッ化ホウ酸リチウム、六フッ化ヒ酸リチウム、過塩素酸リチウム、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム、ビス(フルオロスルホニル)イミドリチウム、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドリチウム、ビス(ペンタフルオロエタンスルホニル)イミドリチウム、トリス(トリフルオロメタンスルホニル)メチルリチウム、塩化リチウム、臭化リチウム、フルオロリン酸リチウム、ジフルオロリン酸リチウムおよびビス(オキサラト)ホウ酸リチウムなどである。電解質塩の含有量は、特に限定されないが、溶媒に対して0.3mol/kg~3.0mol/kgである。
正極リード11は、正極13(正極集電体13A)に接続されており、外装部材20の内部から外部に導出されている。この正極リード11は、アルミニウムなどの導電性材料を含んでいると共に、薄板状および網目状などの形状を有している。
この二次電池では、充電時において、正極13からリチウムイオンが放出されると共に、そのリチウムイオンが電解液を介して負極14に吸蔵される。また、二次電池では、放電時において、負極14からリチウムイオンが放出されると共に、そのリチウムイオンが電解液を介して正極13に吸蔵される。
この二次電池を製造する場合には、以下で説明するように、正極13および負極14を作製すると共に電解液を調製したのち、その正極13、負極14および電解液を用いて二次電池を組み立てる。
最初に、正極活物質、正極結着剤および正極導電剤を互いに混合させることにより、正極合剤とする。続いて、有機溶剤などに正極合剤を投入することにより、ペースト状の正極合剤スラリーを調製する。最後に、正極集電体13Aの両面に正極合剤スラリーを塗布することにより、正極活物質層13Bを形成する。こののち、ロールプレス機などを用いて正極活物質層13Bを圧縮成型してもよい。この場合には、正極活物質層13Bを加熱してもよいし、圧縮成型を複数回繰り返してもよい。これにより、正極集電体13Aの両面に正極活物質層13Bが形成されるため、正極13が得られる。
上記した正極13の作製手順と同様の手順により、負極集電体14Aの両面に負極活物質層14Bを形成する。具体的には、負極活物質、負極結着剤および負極導電剤を混合させることにより、負極合剤としたのち、有機溶剤または水性溶媒などに負極合剤を投入することにより、ペースト状の負極合剤スラリーを調製する。続いて、負極集電体14Aの両面に負極合剤スラリーを塗布することにより、負極活物質層14Bを形成する。こののち、負極活物質層14Bを圧縮成型してもよい。これにより、負極集電体14Aの両面に負極活物質層14Bが形成されるため、負極14が得られる。
第1エステル化合物および第2エステル化合物を含む溶媒を準備したのち、その溶媒に電解質塩を投入する。この場合には、溶媒中における第1エステル化合物の含有量が30体積%以上となるようにする。これにより、溶媒中において第1エステル化合物および第2エステル化合物が分散されると共に電解質塩が溶解されるため、電解液が調製される。
最初に、溶接法などを用いて正極13(正極集電体13A)に正極リード11を接続させると共に、溶接法などを用いて負極14(負極集電体14A)に負極リード12を接続させる。続いて、セパレータ15を介して正極13および負極14を互いに積層させたのち、その正極13、負極14およびセパレータ15を巻回させることにより、巻回体を形成する。
この二次電池によれば、電解液の溶媒が第1エステル化合物および第2エステル化合物を含んでおり、その溶媒中における第1エステル化合物の含有量が30体積%以上である。この場合には、上記したように、第1エステル化合物の存在下において第2エステル化合物に由来する強固な被膜が正極13の表面に形成されるため、電解液の分解反応が著しく抑制される。よって、二次電池の充放電を繰り返すと共に充電状態の二次電池を保存しても、放電容量が低下しにくくなると共にガスが発生しにくくなるため、優れた電池特性を得ることができる。
上記した二次電池の構成は、以下で説明するように、適宜変更可能である。ただし、以下で説明する一連の変形例のうちの任意の2種類以上が互いに組み合わされてもよい。
図3は、変形例1の二次電池(巻回電極体10)の断面構成を表しており、図2に対応している。図2では、液状の電解質である電解液を用いたが、図3に示したように、その電解液の代わりに、ゲル状の電解質である電解質層16を用いてもよい。
セパレータ15は、基材層と、その基材層の両面に設けられた高分子化合物層とを備えていてもよい。ただし、高分子化合物層は、基材層の片面だけに設けられていてもよい。
二次電池の用途は、その二次電池を駆動用の電源および電力蓄積用の電力貯蔵源などとして利用可能である機械、機器、器具、装置およびシステム(複数の機器などの集合体)などであれば、特に限定されない。電源として用いられる二次電池は、主電源でもよいし、補助電源でもよい。主電源とは、他の電源の有無に関係なく、優先的に用いられる電源である。補助電源は、主電源の代わりに用いられる電源でもよいし、必要に応じて主電源から切り替えられる電源でもよい。二次電池を補助電源として用いる場合には、主電源の種類は二次電池に限られない。
以下で説明するように、図1および図2に示したラミネートフィルム型の二次電池を作製したのち、その二次電池の電池特性を評価した。
正極13を作製する場合には、最初に、正極活物質(コバルト酸リチウム(LiCoO2 ))91質量部と、正極結着剤(ポリフッ化ビニリデン)3質量部と、正極導電剤(黒鉛)6質量部とを混合することにより、正極合剤とした。続いて、有機溶剤(N-メチル-2-ピロリドン)に正極合剤を投入したのち、その有機溶剤を撹拌することにより、ペースト状の正極合剤スラリーを得た。続いて、コーティング装置を用いて正極集電体13A(帯状のアルミニウム箔,厚さ=12μm)の両面に正極合剤スラリーを塗布したのち、その正極合剤スラリーを乾燥させることにより、正極活物質層13Bを形成した。最後に、ロールプレス機を用いて正極活物質層13Bを圧縮成型した。
二次電池の電池特性(低電流サイクル特性、高電流サイクル特性および膨れ特性)を評価したところ、表1に示した結果が得られた。
表1に示したように、低電流維持率、高電流維持率および膨れ率のそれぞれは、電解液の組成に応じて変動した。
表2および表3に示したように、第2エステル化合物の種類を変更したことを除いて同様の手順により、二次電池を作製したと共に電池特性を評価した。この場合には、比較のために、第2エステル化合物の代わりに他の化合物を用いたことを除いて同様の手順により、電解液を調製した。また、比較のために、第2エステル化合物も他の化合物も用いなかったことを除いて同様の手順により、電解液を調製した。この他の化合物の種類は、表3に示した通りである。
表4に示したように、混合溶媒の組成を変更することにより、第1エステル化合物の含有量を変更したことを除いて同様の手順により、二次電池を作製したと共に電池特性を評価した。この場合には、溶媒として、環状炭酸エステルである炭酸エチレン(EC)および炭酸プロピレン(PC)に加えて、必要に応じて鎖状炭酸エステルである炭酸ジエチル(DEC)を用いた。また、比較のために、第2エステル化合物の代わりに他の化合物(クロロホスホン酸ジエチル)を用いたことを除いて同様の手順により、電解液を調製した。
表5に示したように、第2エステル化合物の含有量を変更したことを除いて同様の手順により、二次電池を作製したと共に電池特性を評価した。
表1~表5に示した結果から、電解液の溶媒が第1エステル化合物および第2エステル化合物を含んでおり、その溶媒中における第1エステル化合物の含有量が30体積%以上であると、低電流サイクル特性、高電流サイクル特性および膨れ特性がいずれも改善された。よって、二次電池において優れた電池特性が得られた。
Claims (4)
- 正極と、
負極と、
環状炭酸エステルおよび下記の式(1)で表される第1エステル化合物を含む溶媒と、下記の式(2)で表される第2エステル化合物と、電解質塩とを含み、前記溶媒中における前記第1エステル化合物の含有量が30体積%以上である、電解液と
を備えた、二次電池。
R1-C(=O)-OR2 ・・・(1)
(R1およびR2のそれぞれは、アルキル基である。ただし、R1の炭素数は、1以上3以下であると共に、R1の炭素数とR2の炭素数との和は、3以上5以下である。)
R3O-FP(=O)-OR4 ・・・(2)
(R3およびR4のそれぞれは、アルキル基である。ただし、R3の炭素数とR4の炭素数との和は、2以上10以下である。) - 前記溶媒中における前記第1エステル化合物の含有量は、70体積%以下である、
請求項1記載の二次電池。 - 前記電解液中における前記第2エステル化合物の含有量は、0.01重量%以上5重量%以下である、
請求項1または請求項2に記載の二次電池。 - 環状炭酸エステルおよび下記の式(1)で表される第1エステル化合物を含む溶媒と、下記の式(2)で表される第2エステル化合物と、電解質塩とを含み、
前記溶媒中における前記第1エステル化合物の含有量は、30体積%以上である、
二次電池用電解液。
R1-C(=O)-OR2 ・・・(1)
(R1およびR2のそれぞれは、アルキル基である。ただし、R1の炭素数は、1以上3以下であると共に、R1の炭素数とR2の炭素数との和は、3以上5以下である。)
R3O-FP(=O)-OR4 ・・・(2)
(R3およびR4のそれぞれは、アルキル基である。ただし、R3の炭素数とR4の炭素数との和は、2以上10以下である。)
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