JP7201074B2 - 二次電池用電解液および二次電池 - Google Patents

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Description

本技術は、二次電池に用いられる電解液およびその電解液を用いた二次電池に関する。
携帯電話機などの多様な電子機器が普及している。このため、小型かつ軽量であると共に高エネルギー密度を得ることが可能である電源として、二次電池の開発が進められている。この二次電池は、正極および負極と共に電解液を備えている。
電解液の構成は、二次電池の電池特性に影響を及ぼすため、その電解液の構成に関しては、様々な検討がなされている。具体的には、長期的な難燃性を有しながら良好な容量維持率を得るために、フルオロホスホン酸ジエチルなどのリンのオキソ酸エステル誘導体が電解液に含有されている(例えば、特許文献1参照。)。この電解液は、さらに、プロピオン酸エチルなどの脂肪族カルボン酸エステル類を含んでいてもよい。
特開2014-044964号公報
二次電池が搭載される電子機器は、益々、高性能化および多機能化している。このため、電子機器の使用頻度は増加していると共に、電子機器の使用環境は拡大している。よって、二次電池の電池特性に関しては、未だ改善の余地がある。
本技術はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、優れた電池特性を得ることが可能な二次電池用電解液および二次電池を提供することにある。
本技術の一実施形態の二次電池用電解液は、溶媒および電解質塩を含み、その溶媒が下記の式(1)で表される第1エステル化合物および下記の式(2)で表される第2エステル化合物を含み、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%以上であるものである。
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。)
本技術の一実施形態の二次電池は、正極と負極と電解液とを備え、その電解液が上記した本技術の一実施形態の二次電池用電解液と同様の構成を有するものである。
本技術の一実施形態の二次電池用電解液または二次電池によれば、その電解液の溶媒が第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%以上であるので、優れた電池特性を得ることができる。
なお、本技術の効果は、必ずしもここで説明された効果に限定されるわけではなく、後述する本技術に関連する一連の効果のうちのいずれの効果でもよい。
本技術の一実施形態の二次電池の構成を表す斜視図である。 図1に示した巻回電極体の構成を拡大して表す断面図である。 変形例1の二次電池(巻回電極体)の構成を表す断面図である。
以下、本技術の一実施形態に関して、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、説明する順序は、下記の通りである。

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
<1.二次電池>
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。
二次電池は、後述するように、リチウム(リチウムイオン)の吸蔵放出現象を利用して電池容量が得られるリチウムイオン二次電池であり、正極および負極と共に電解液を備えている。この二次電池では、充電途中において負極の表面にリチウム金属が析出することを防止するために、その負極の単位面積当たりの電気化学容量が正極の単位面積当たりの電気化学容量よりも大きくなっている。
<1-1.構成>
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。
この二次電池では、図1に示したように、可撓性(または柔軟性)を有するフィルム状の外装部材20の内部に電池素子(巻回電極体10)が収納されており、その巻回電極体10に正極リード11および負極リード12が接続されている。すなわち、ここで説明する二次電池は、ラミネートフィルム型の二次電池である。
[外装部材]
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。
具体的には、外装部材20は、融着層、金属層および表面保護層が内側からこの順に積層されたラミネートフィルムであり、その外装部材20では、融着層のうちの外周縁部同士が互いに融着されている。融着層は、ポリプロピレンフィルムなどである。金属層は、アルミニウム箔などである。表面保護層は、ナイロンフィルムなどである。
ただし、外装部材20は、2枚のラミネートフィルムでもよい。この場合には、融着層のうちの外周縁部同士が互いに融着されていてもよいし、2枚のラミネートフィルムが接着剤を介して互いに貼り合わされていてもよい。
外装部材20と正極リード11との間には、密着フィルム31が挿入されていると共に、外装部材20と負極リード12との間には、密着フィルム32が挿入されている。密着フィルム31,32のそれぞれは、ポリプロピレンフィルムなどである。
[巻回電極体]
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)
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。
正極集電体13Aは、アルミニウムなどの導電性材料を含んでいる。正極活物質層13Bは、正極活物質として、リチウムを吸蔵放出可能である正極材料のうちのいずれか1種類または2種類以上を含んでいる。ただし、正極活物質層13Bは、さらに、正極結着剤および正極導電剤などの他の材料を含んでいてもよい。
正極材料は、リチウム含有化合物を含んでおり、そのリチウム含有化合物は、リチウムと共に1種類または2種類以上の遷移金属元素を構成元素として含む化合物である。リチウム含有化合物の種類は、特に限定されないが、リチウム複合酸化物およびリチウムリン酸化合物などである。具体的には、層状岩塩型のリチウム複合酸化物は、LiNiO2 、LiCoO2 、LiCo0.98Al0.01Mg0.012 、LiNi0.5 Co0.2 Mn0.3 2 、LiNi0.8 Co0.15Al0.052 、LiNi0.33Co0.33Mn0.332 、Li1.2 Mn0.52Co0.175 Ni0.1 2 およびLi1.15(Mn0.65Ni0.22Co0.13)O2 などである。スピネル型のリチウム複合酸化物は、LiMn2 4 などである。オリビン型のリチウムリン酸化合物は、LiFePO4 、LiMnPO4 、LiMn0.5 Fe0.5 PO4 、LiMn0.7 Fe0.3 PO4 およびLiMn0.75Fe0.25PO4 などである。
正極結着剤は、合成ゴムおよび高分子化合物などのうちのいずれか1種類または2種類以上を含んでいる。合成ゴムは、スチレンブタジエン系ゴムなどである。高分子化合物は、ポリフッ化ビニリデンおよびポリイミドなどである。
正極導電剤は、炭素材料などの導電性材料のうちのいずれか1種類または2種類以上を含んでおり、その炭素材料は、黒鉛、カーボンブラック、アセチレンブラックおよびケッチェンブラックなどである。ただし、導電性材料は、金属材料および導電性高分子などでもよい。
(負極)
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。
負極集電体14Aは、銅などの導電性材料を含んでいる。負極活物質層14Bは、負極活物質として、リチウムを吸蔵放出可能である負極材料のうちのいずれか1種類または2種類以上を含んでいる。ただし、負極活物質層14Bは、さらに、負極結着剤および負極導電剤などの他の材料を含んでいてもよい。
負極材料は、炭素材料および金属系材料などのうちのいずれか1種類または2種類以上を含んでいる。もちろん、負極材料は、炭素材料および金属系材料の双方を含んでいてもよい。
具体的には、炭素材料は、易黒鉛化性炭素、難黒鉛化性炭素および黒鉛などである。ただし、炭素材料は、低結晶性炭素でもよいし、非晶質炭素でもよい。炭素材料の形状は、繊維状、球状、粒状および鱗片状などである。金属系材料は、リチウムと合金を形成可能である金属元素および半金属元素のうちのいずれか1種類または2種類以上を構成元素として含む材料である。この金属系材料は、単体でもよいし、合金でもよいし、酸化物などの化合物でもよいし、それらの2種類以上の混合物でもよいし、それらの1種類または2種類以上の相を含む材料でもよいし、1種類または2種類以上の非金属元素を含んでいてもよい。具体的には、金属元素および半金属元素は、マグネシウム、ホウ素、アルミニウム、ガリウム、インジウム、ケイ素、ゲルマニウム、スズ、鉛、ビスマス、カドミウム、銀、亜鉛、ハフニウム、ジルコニウム、イットリウム、パラジウムおよび白金などである。
負極結着剤に関する詳細は、正極結着剤に関する詳細と同様である。負極導電剤に関する詳細は、正極導電剤に関する詳細と同様である。
(セパレータ)
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)
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)
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-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。)
(第1エステル化合物)
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。
ただし、上記したように、R1の炭素数は、1~3であると共に、R1の炭素数とR2の炭素数との和は、3~5である。すなわち、R1はアルキル基であるため、R1が水素基であるギ酸エステルは、ここで説明する第1エステル化合物から除外される。ギ酸エステルは、強い還元性を有するからである。これらのことから、第1エステル化合物の具体例は、以下で説明する通りである。
R1=1である場合には、第1エステル化合物は酢酸エステルであり、R2=2~4になる。この場合には、第1エステル化合物は、酢酸エチル(R2=2)、酢酸プロピル(R2=3)および酢酸ブチル(R2=4)のうちのいずれかである。このため、酢酸メチル(R2=1)は、ここで説明する第1エステル化合物から除外される。酢酸メチルは、高い反応性を有するからである。
R1=2である場合には、第1エステル化合物はプロピオン酸エステルであり、R2=1~3になる。この場合には、第1エステル化合物は、プロピオン酸メチル(R2=1)、プロピオン酸エチル(R2=2)およびプロピオン酸プロピル(R2=3)のうちのいずれかである。
R1=3である場合には、第1エステル化合物は酪酸エステルであり、R2=1または2になる。この場合には、第1エステル化合物は、酪酸メチル(R2=1)および酪酸エチル(R2=2)のうちのいずれかである。
中でも、第1エステル化合物は、プロピオン酸エチルおよびプロピオン酸プロピルのうちの一方または双方であることが好ましく、双方(プロピオン酸エチルとプロピオン酸プロピルとの混合物)であることがより好ましい。
(第2エステル化合物)
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。
ただし、上記したように、R3の炭素数とR4の炭素数との和は、2~10であるため、R3の炭素数およびR4の炭素数のそれぞれは、1~9になる。この和に関する条件が満たされていれば、R3の炭素数およびR4の炭素数のそれぞれは、特に限定されない。このため、第2エステル化合物は、対称構造を有していてもよいし、非対称構造を有していてもよい。これらのことから、第2エステル化合物の具体例は、以下で説明する通りである。
R3=1である場合には、R4=1~9になる。この場合には、第2エステル化合物は、フルオロホスホン酸ジメチル(R4=1)、フルオロホスホン酸メチルエチル(R4=2)、フルオロホスホン酸メチルプロピル(R4=3)、フルオロホスホン酸メチルブチル(R4=4)、フルオロホスホン酸メチルペンチル(R4=5)、フルオロホスホン酸メチルヘキシル(R4=6)、フルオロホスホン酸メチルヘプチル(R4=7)、フルオロホスホン酸メチルオクチル(R4=8)およびフルオロホスホン酸メチルノニル(R4=9)のうちのいずれかである。
R3=2である場合には、R4=1~8になる。この場合には、第2エステル化合物は、フルオロホスホン酸エチルメチル(R4=1)、フルオロホスホン酸ジエチル(R4=2)、フルオロホスホン酸エチルプロピル(R4=3)、フルオロホスホン酸エチルブチル(R4=4)、フルオロホスホン酸エチルペンチル(R4=5)、フルオロホスホン酸エチルヘキシル(R4=6)、フルオロホスホン酸エチルヘプチル(R4=7)およびフルオロホスホン酸エチルオクチル(R4=8)のうちのいずれかである。
R3=3である場合には、R4=1~7になる。この場合には、第2エステル化合物は、フルオロホスホン酸プロピルメチル(R4=1)、フルオロホスホン酸プロピルエチル(R4=2)、フルオロホスホン酸ジプロピル(R4=3)、フルオロホスホン酸プロピルブチル(R4=4)、フルオロホスホン酸プロピルペンチル(R4=5)、フルオロホスホン酸プロピルヘキシル(R4=6)およびフルオロホスホン酸プロピルヘプチル(R4=7)のうちのいずれかである。
R3=4である場合には、R4=1~6になる。この場合には、第2エステル化合物は、フルオロホスホン酸ブチルメチル(R4=1)、フルオロホスホン酸ブチルエチル(R4=2)、フルオロホスホン酸ブチルプロピル(R4=3)、フルオロホスホン酸ジブチル(R4=4)、フルオロホスホン酸ブチルペンチル(R4=5)およびフルオロホスホン酸ブチルヘキシル(R4=6)のうちのいずれかである。
R3=5である場合には、R4=1~5になる。この場合には、第2エステル化合物は、フルオロホスホン酸ペンチルメチル(R4=1)、フルオロホスホン酸ペンチルエチル(R4=2)、フルオロホスホン酸ペンチルプロピル(R4=3)、フルオロホスホン酸ペンチルブチル(R4=4)およびフルオロホスホン酸ジペンチル(R4=5)のうちのいずれかである。
R3=6である場合には、R4=1~4になる。この場合には、第2エステル化合物は、フルオロホスホン酸ヘキシルメチル(R4=1)、フルオロホスホン酸ヘキシルエチル(R4=2)、フルオロホスホン酸ヘキシルプロピル(R4=3)およびフルオロホスホン酸ヘキシルブチル(R4=4)のうちのいずれかである。
R3=7である場合には、R4=1~3になる。この場合には、第2エステル化合物は、フルオロホスホン酸ヘプチルメチル(R4=1)、フルオロホスホン酸ヘプチルエチル(R4=2)およびフルオロホスホン酸ヘプチルプロピル(R4=3)のうちのいずれかである。
R3=8である場合には、R4=1または2になる。この場合には、第2エステル化合物は、フルオロホスホン酸オクチルメチル(R4=1)およびフルオロホスホン酸オクチルエチル(R4=2)のうちのいずれかである。
R3=9である場合には、R4=1になる。この場合には、第2エステル化合物は、フルオロホスホン酸ノニルメチル(R4=1)である。
ただし、上記した一連の第2エステル化合物の具体例に関して、R3の値ごとに場合分けしながら説明する際には、R3の炭素数とR4の炭素数との関係(和)から論理的に導き出される一連の化合物を網羅的に列挙している。このため、上記した一連の第2エステル化合物の具体例の中には、実質的に同じ構造を有する化合物が含まれている。一例を挙げると、R3=1の場合に関して説明したフルオロホスホン酸メチルノニル(R4=9)と、R3=9の場合に関して説明したフルオロホスホン酸ノニルメチル(R4=1)とは、同じ化合物である。
中でも、R3およびR4のそれぞれは、互いに同じ種類のアルキル基であることが好ましいため、第2エステル化合物は、全体として左右対称な構造を有していることが好ましい。具体的には、第2エステル化合物は、フルオロホスホン酸ジエチルおよびフルオロホスホン酸ジプロピルのうちのいずれかであることが好ましい。
ここで、電解液中における第2エステル化合物の含有量は、特に限定されないが、電解液中における第1エステル化合物の含有量は、所定の範囲内となるように設定されている。具体的には、溶媒中における第1エステル化合物の含有量は、30体積%以上である。
溶媒が第1エステル化合物と共に第2エステル化合物を含んでいるのは、その第2エステル化合物に由来する良好な被膜が正極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からである。この被膜の形成時には、第1エステル化合物の存在下において、第2エステル化合物中における末端のフッ素基を反応点として、その末端以外の構造を保持しながら第2エステル化合物が被膜化するため、優れた耐分解性を有する強固な被膜が形成されると考えられる。これにより、正極13において溶媒が過剰に酸化分解しにくくなる。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。この場合には、特に、高温環境などの厳しい環境中においても、放電容量が十分に低下しにくくなると共に、ガスが十分に発生しにくくなる。
これらのことから、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いると共に、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、第1エステル化合物の分解反応が特異的に抑制されるため、イオン伝導性が担保されながらガスの発生が著しく抑制される。よって、充放電時において放電容量が継続的に低下しにくくなると共に二次電池が継続的に膨れにくくなる。
中でも、溶媒中における第1エステル化合物の含有量は、70体積%であることが好ましい。イオン伝導性が担保されながら、放電容量が十分に低下しにくくなると共にガスが十分に発生しにくくなるからである。
また、電解液中における第2エステル化合物の含有量は、中でも、0.01重量%~5重量%であることが好ましい。十分に強固な被膜が形成されるため、第1エステル化合物が十分に分解しにくくなるからである。
(他の溶媒)
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。
非水溶媒の種類は、特に限定されないが、環状炭酸エステル、鎖状炭酸エステル、ラクトンおよびモノニトリル化合物などである。環状炭酸エステルは、炭酸エチレンおよび炭酸プロピレンなどである。鎖状炭酸エステルは、炭酸ジメチル、炭酸ジエチルおよび炭酸メチルエチルなどである。ラクトンは、γ-ブチロラクトンおよびγ-バレロラクトンなどである。モノニトリル化合物は、アセトニトリル、メトキシアセトニトリルおよび3-メトキシプロピオニトリルなどである。
また、非水溶媒は、不飽和環状炭酸エステル、ハロゲン化炭酸エステル、スルホン酸エステル、酸無水物、ジニトリル化合物、ジイソシアネート化合物およびリン酸エステルなどでもよい。不飽和環状炭酸エステルは、炭酸ビニレン、炭酸ビニルエチレンおよび炭酸メチレンエチレンなどである。ハロゲン化炭酸エステルは、4-フルオロ-1,3-ジオキソラン-2-オン、4,5-ジフルオロ-1,3-ジオキソラン-2-オンおよび炭酸フルオロメチルメチルなどである。スルホン酸エステルは、1,3-プロパンスルトンおよび1,3-プロペンスルトンなどである。酸無水物は、無水コハク酸、無水グルタル酸、無水マレイン酸、無水エタンジスルホン酸、無水プロパンジスルホン酸、無水スルホ安息香酸、無水スルホプロピオン酸および無水スルホ酪酸などである。ジニトリル化合物は、スクシノニトリル、グルタロニトリル、アジポニトリルおよびフタロニトリルなどである。ジイソシアネート化合物は、ヘキサメチレンジイソシアネートなどである。リン酸エステルは、リン酸トリメチルおよびリン酸トリエチルなどである。
中でも、非水溶媒は、環状炭酸エステルを含んでいることが好ましい。環状炭酸エステルは、高い粘度(高誘電率)を有しているため、電解質塩の解離性が向上するからである。この場合において、非水溶媒は、さらに、鎖状炭酸エステルを含んでいてもよい。鎖状炭酸エステルは、低い粘度を有しているため、イオン伝導度が向上するからである。
(電解質塩)
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。
[正極リードおよび負極リード]
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。
負極リード12は、負極14(負極集電体14A)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。負極リード12の導出方向は、正極リード11の導出方向と同様の方向である。この負極リード12は、ニッケルなどの導電性材料を含んでいると共に、正極リード11の形状と同様の形状を有している。
<1-2.動作>
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。
<1-3.製造方法>
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。
[正極の作製]
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。
[負極の作製]
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。
[電解液の調製]
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。
[二次電池の組み立て]
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。
続いて、巻回体を挟むように外装部材20を折り畳んだのち、熱融着法などを用いて外装部材20のうちの3辺の外周縁部同士を互いに接着させることにより、袋状の外装部材20の内部に巻回体を収納する。最後に、袋状の外装部材20の内部に電解液を注入したのち、熱融着法などを用いて外装部材20のうちの残りの1辺の外周縁部同士を互いに接着させることにより、その外装部材20を密封する。この場合には、外装部材20と正極リード11との間に密着フィルム31を挿入すると共に、外装部材20と負極リード12との間に密着フィルム32を挿入する。これにより、巻回体に電解液が含浸されるため、巻回電極体10が形成される。よって、外装部材20の内部に巻回電極体10が収納されるため、二次電池が完成する。
<1-4.作用および効果>
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。
特に、溶媒中における第1エステル化合物の含有量が70体積%以下であれば、イオン伝導性が担保されながら放電容量が十分に低下しにくくなると共にガスが十分に発生しにくくなるため、より高い効果を得ることができる。
また、電解液中における第2エステル化合物の含有量が0.01重量%~5重量%であれば、第1エステル化合物が十分に分解しにくくなるため、より高い効果を得ることができる。
また、溶媒がさらに環状炭酸エステルを含んでいれば、電解質塩の解離性が向上するため、より高い効果を得ることができる。
<2.変形例>
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。
[変形例1]
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。
電解質層16を用いた巻回電極体10では、セパレータ15および電解質層16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、セパレータ15および電解質層16が巻回されている。この電解質層16は、正極13とセパレータ15との間に介在していると共に、負極14とセパレータ15との間に介在している。
具体的には、電解質層16は、電解液と共に高分子化合物を含んでおり、その電解質層16中では、電解液が高分子化合物により保持されている。電解液の構成は、上記した通りである。高分子化合物は、ポリフッ化ビニリデンなどの単独重合体でもよいし、フッ化ビニリデンとヘキサフルオロピレンとの共重合体などの共重合体でもよいし、双方でもよい。電解質層16を形成する場合には、電解液、高分子化合物および有機溶剤などを含む前駆溶液を調製したのち、正極13および負極14のそれぞれに前駆溶液を塗布する。
この場合においても、正極13と負極14との間において電解質層16を介してリチウムイオンが移動可能になるため、同様の効果を得ることができる。
[変形例2]
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。
基材層は、上記した多孔質膜である。高分子化合物層は、ポリフッ化ビニリデンなどの高分子化合物を含んでいる。物理的強度に優れていると共に、電気化学的に安定だからである。なお、高分子化合物層は、複数の無機粒子を含んでいてもよい。二次電池が発熱した際に、複数の無機粒子により放熱されるため、その二次電池の安全性が向上するからである。無機粒子の種類は、特に限定されないが、酸化アルミニウムおよび窒化アルミニウムなどの絶縁性粒子である。このセパレータ15を形成する場合には、高分子化合物および有機溶剤などを含む前駆溶液を調製したのち、基材層の両面に前駆溶液を塗布する。
この場合においても、正極13および負極14がセパレータ15を介して互いに分離されるため、同様の効果を得ることができる。
<3.二次電池の用途>
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。
具体的には、二次電池の用途は、以下の通りである。ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ、携帯電話機、ノート型パソコン、コードレス電話機、ヘッドホンステレオ、携帯用ラジオ、携帯用テレビおよび携帯用情報端末などの電子機器(携帯用電子機器を含む。)である。電気シェーバなどの携帯用生活器具である。バックアップ電源およびメモリーカードなどの記憶用装置である。電動ドリルおよび電動鋸などの電動工具である。着脱可能な電源としてノート型パソコンなどに搭載される電池パックである。ペースメーカおよび補聴器などの医療用電子機器である。電気自動車(ハイブリッド自動車を含む。)などの電動車両である。非常時に備えて電力を蓄積しておく家庭用バッテリシステムなどの電力貯蔵システムである。もちろん、二次電池の用途は、上記した用途以外の他の用途でもよい。
本技術の実施例に関して説明する。
(実験例1-1~1-15)
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。
[二次電池の作製]
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。
負極14を作製する場合には、最初に、負極活物質(黒鉛)90質量部と、負極結着剤(ポリフッ化ビニリデン)10質量部とを混合することにより、負極合剤とした。続いて、有機溶剤(N-メチル-2-ピロリドン)に負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、ペースト状の負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負極集電体14A(帯状の銅箔,厚さ=15μm)の両面に負極合剤スラリーを塗布したのち、その負極合剤スラリーを乾燥させることにより、負極活物質層14Bを形成した。最後に、ロールプレス機を用いて負極活物質層14Bを圧縮成型した。
電解液を調製する場合には、溶媒(環状炭酸エステルである炭酸エチレンおよび炭酸プロピレン)に他の溶媒(第1エステル化合物)を加えたのち、それらの溶媒(混合溶媒)を撹拌した。この場合には、混合溶媒の混合比(体積比)を炭酸エチレン:炭酸プロピレン:第1エステル化合物=20:10:70とした。第1エステル化合物の種類および含有量(体積%)は、表1に示した通りである。続いて、混合溶媒に電解質塩(六フッ化リン酸リチウム)を加えたのち、その混合溶媒を撹拌した。この場合には、電解質塩の含有量を混合溶媒に対して1mol/kgとした。最後に、電解質塩を含む混合溶媒にさらに他の溶媒である第2エステル化合物を加えたのち、その混合溶媒を撹拌した。第2エステル化合物の種類および電解液中における第2エステル化合物の含有量(重量%)は、表1に示した通りである。
この場合には、比較のために、第1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。この他の化合物の種類は、表1に示した通りである。
表1では、第1エステル化合物および他の化合物のそれぞれの構成を分かりやすくするために、式(1)に示したR1およびR2のそれぞれの炭素数と共に、そのR1の炭素数とR2の炭素数との和を示している。第1エステル化合物(他の化合物)の欄に示した一連の化合物のうち、式(1)に示した条件(R1の炭素数は1~3およびR1の炭素数とR2の炭素数との和は3~5)を満たしている化合物(酢酸エチルなど)は、第1エステル化合物であると共に、その式(1)に示した条件を満たしていない化合物(ギ酸メチルなど)は、他の化合物である。
二次電池を組み立てる場合には、最初に、正極集電体13Aにアルミニウム製の正極リード11を溶接したと共に、負極集電体14Aに銅製の負極リード12を溶接した。続いて、セパレータ15(微多孔性ポリエチレンフィルム,厚さ=15μm)を介して正極13および負極14を互いに積層させることにより、積層体を得た。続いて、積層体を巻回させたのち、その積層体の表面に保護テープを貼り付けることにより、巻回体を得た。
続いて、巻回体を挟むように外装部材20を折り畳んだのち、その外装部材20のうちの2辺の外周縁部同士を互いに熱融着した。外装部材20としては、融着層(ポリプロピレンフィルム,厚さ=30μm)と、金属層(アルミニウム箔,厚さ=40μm)と、表面保護層(ナイロンフィルム,厚さ=25μm)とが内側からこの順に積層されたアルミラミネートフィルムを用いた。この場合には、外装部材20と正極リード11との間に密着フィルム31(ポリプロピレンフィルム,厚さ=5μm)を挿入したと共に、外装部材20と負極リード12との間に密着フィルム32(ポリプロピレンフィルム,厚さ=5μm)を挿入した。
最後に、外装部材20の内部に電解液を注入したのち、減圧環境中において外装部材20のうちの残りの1辺の外周縁部同士を熱融着した。これにより、巻回体に電解液が含浸されたため、巻回電極体10が形成されたと共に、その巻回電極体10が外装部材20の内部に封入された。よって、ラミネートフィルム型の二次電池が完成した。
[電池特性の評価]
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。
低電流サイクル特性を調べる場合には、最初に、二次電池の状態を安定化させるために、常温環境中(温度=23℃)において二次電池を1サイクル充放電させた。続いて、同環境中において二次電池を1サイクル充放電させることにより、放電容量(2サイクル目の放電容量)を測定した。続いて、同環境中において二次電池を100サイクル充放電させることにより、放電容量(102サイクル目の放電容量)を測定した。最後に、低電流維持率(%)=(102サイクル目の放電容量/2サイクル目の放電容量)×100を算出した。
充電時には、0.7Cの電流で電圧が4.45Vに到達するまで定電流充電したのち、その4.45Vの電圧で電流が0.05Cに到達するまで定電圧充電した。放電時には、0.7Cの電流で電圧が2.5Vに到達するまで定電流放電した。0.7Cとは、電池容量(理論容量)を10/7で放電しきる電流値であると共に、0.05Cとは、電池容量を20時間で放電しきる電流値である。
高電流サイクル特性を調べる場合には、充電時の電流および放電時の電流のそれぞれを3.0Cに変更したことを除いて、低電流サイクル特性を調べた場合と同様の手順により、低電流維持率(%)の代わりに高容量維持率(%)を算出した。3.0Cとは、電池容量を1/3で放電しきる電流値である。
膨れ特性を調べる場合には、上記した手順により、二次電池の状態を安定化させたのち、最初に、常温環境中(温度=23℃)において二次電池を充電させたのち、その二次電池の厚さ(保存前の厚さ)を測定した。続いて、高温環境中(温度=60℃)において充電状態の二次電池を1月間保存したのち、その二次電池の厚さ(保存後の厚さ)を測定した。最後に、膨れ率(%)=[(保存後の厚さ-保存前の厚さ)/保存前の厚さ]×100を算出した。充電条件は、低電流サイクル特性を調べた場合の充電条件と同様にした。
Figure 0007201074000001
[考察]
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。
具体的には、電解液の溶媒が第1エステル化合物と共に第2エステル化合物を含んでいる場合(実験例1-1~1-9)には、その溶媒が他の化合物と共に第2エステル化合物を含んでいる場合(実験例1-10~1-15)とは異なり、膨れ率が抑えられながら高い低電流維持率および高い高電流維持率が得られた。
(実験例2-1~2-15)
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2および表3では、第2エステル化合物および他の化合物のそれぞれの構成を分かりやすくするために、式(2)に示したR3およびR4のそれぞれの炭素数と共に、そのR3の炭素数とR4の炭素数との和を示している。第2エステル化合物(他の化合物)の欄に示した一連の化合物のうち、式(2)に示した条件(R3の炭素数とR4の炭素数との和は2~10)を満たしている化合物(フルオロホスホン酸ジメチルエチルなど)は、第2エステル化合物であると共に、その式(2)に示した条件を満たしていない化合物(フルオロホスホン酸ジヘキシルなど)は、他の化合物である。
Figure 0007201074000002
Figure 0007201074000003
表2および表3に示したように、電解液の溶媒が第1エステル化合物と共に第2エステル化合物を含んでいる場合(実験例1-5,2-1~2-10)には、その溶媒が第1エステル化合物だけを含んでいる場合(実験例2-11)および溶媒が第1エステル化合物と共に他の化合物を含んでいる場合(実験例2-12~2-15)と比較して、低電流維持率および高電流維持率のそれぞれが増加した共に膨れ率が減少した。
(実験例3-1~3-9)
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。
Figure 0007201074000004
表4に示したように、第1エステル化合物の含有量が30体積%未満である場合(実験例3-1)には、溶媒が第1エステル化合物と共に第2エステル化合物を含んでいても、膨れ率は抑えられたと共に低電流維持は高くなったが、高電流維持率は低くなった。
これに対して、第1エステル化合物の含有量が30体積%以上である場合(実験例1-5,3-2~3-4)には、溶媒が第1エステル化合物と共に第2エステル化合物を含んでいることにより、膨れ率が抑えられたと共に、低電流維持率および高電流維持率のそれぞれが高くなった。この場合には、特に、第1エステル化合物の含有量が70体積%以下であると、高い低電流維持率および高い高電流維持率が維持されながら膨れ率がより減少した。
この理由は、第1エステル化合物と第2エステル化合物とが共存している場合において、その第1エステル化合物の含有量が30体積%以上であると、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形成されるため、電解液の分解反応が著しく抑制されるからであると考えられる。
なお、フッ素基を有する第2エステル化合物の代わりに、塩素基を有する他の化合物を用いた場合(実験例3-5~3-9)には、第1エステル化合物の含有量に依存せずに低電流維持率は高くなったが、その第1エステル化合物の含有量に依存せずに膨れ率は増加したと共に高電流維持率も低くなった。
この理由は、第1エステル化合物の含有量が30体積%以上であるか否かに関わらず、塩素基を有する他の化合物は、フッ素基を有する第2エステル化合物の機能と同様の機能(電解液の分解抑制機能)を発揮できないからであると考えられる。
(実験例4-1~4-6)
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。
Figure 0007201074000005
表5に示したように、電解液の溶媒が第2エステル化合物を含んでいると、その第2エステル化合物の含有量に依存せずに、膨れ率が抑えられながら高い低電流維持率および高い高電流維持率が得られた。
中でも、第2エステル化合物の含有量が0.01重量%~5重量%であると、膨れ率がより抑えられながら、より高い低電流維持率および高い高電流維持率が得られた。
[まとめ]
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。
以上、一実施形態および実施例を挙げながら本技術に関して説明したが、その本技術の態様は、一実施形態および実施例において説明された態様に限定されないため、種々に変形可能である。
具体的には、本技術の二次電池がラミネートフィルム型の二次電池である場合に関して説明したが、その本技術の二次電池の型は、特に限定されない。具体的には、本技術の二次電池は、円筒型、角型またはコイン型などの他の型の二次電池でもよい。また、本技術の二次電池に用いられる電池素子が巻回構造を有する場合に関して説明したが、その電池素子の構造は、特に限定されない。具体的には、電池素子は、積層構造などの他の構造を有していてもよい。
本明細書中に記載された効果は、あくまで例示であるため、本技術の効果は、本明細書中に記載された効果に限定されない。よって、本技術に関して他の効果が得られてもよい。

Claims (4)

  1. 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。)
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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、電解質塩を含み、
    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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