JP7209262B2 - リチウム二次電池 - Google Patents
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Description
正極、
負極、および
リチウムイオン伝導性を有する非水電解質
を備え、
ここで、
前記リチウム二次電池の充電時に前記負極の表面にリチウム金属が析出し、
前記リチウム二次電池の放電時に前記負極の表面から前記リチウム金属が前記非水電解質中に溶出し、
前記非水電解質は、溶媒およびリチウム塩を含有し、
前記リチウム塩は、第1リチウム塩および第2リチウム塩を含み、
前記第2リチウム塩は、第1リチウム塩とは異なり、
前記第1リチウム塩は、リチウムイオンおよびアート型錯体アニオンから構成され、かつ
前記非水電解質に含有される前記第1リチウム塩および前記第2リチウム塩の濃度の合計は、3.0mol/L以上である。
非水電解質は、リチウムイオン伝導性を有する。非水電解質は、リチウム塩および溶媒を含有する。リチウム塩は、リチウムイオンおよびアニオンから構成される。リチウム塩は溶媒に溶解している。通常、リチウム塩は非水電解質中で解離し、リチウムイオンおよびアニオンとして存在している。非水電解質は、通常、液状である。
溶媒としては、通常、非水溶媒が使用される。非水溶媒の例は、エーテル、エステル、ニトリル、アミド、またはこれらのハロゲン置換体である。2種以上の非水溶媒が非水電解質のために用いられ得る。ハロゲン置換体は、エーテル、エステル、ニトリル、またはアミドに含まれる少なくとも1つの水素原子をハロゲン原子で置換した化学構造を有する。ハロゲン原子とは、フッ素原子、塩素原子、臭素原子、およびヨウ素原子を意味する。ハロゲン置換体は、2種以上のハロゲン原子を含み得る。
(第1リチウム塩)
第1リチウム塩のアニオンは、アート型錯体のアニオンである。アート型錯体のアニオンの例は、ホウ素原子およびリン原子からなる群から選択される少なくとも1つを含むアニオンである。アート錯体型のアニオンおよびリチウムイオンから構成される塩は、化学式LiBX4またはLiPX6により表される。ここで、Xは、高い電気陰性度を有する配位子である。Xの例は、フッ素原子または酸素含有配位子である。Xは単座配位子であってもよい。これに代えて、Xは多座配位子であってもよい。酸素含有配位子の例は、化学式-OOC-COO-により表されるオキサレート配位子である。オキサレート配位子を有するアート錯体型のアニオンの例は、化学式[B(OOC-COO)2]-により表されるビスオキサレートボレートアニオンである。
第2リチウム塩の組成は、第1リチウム塩の組成と異なる。第2リチウム塩として、リチウム二次電池の非水電解質に利用される公知のリチウム塩が使用され得る。第2リチウム塩のアニオンの例は、BF4 -、ClO4 -、PF6 -、AsF6 -、SbF6 -、AlCl4 -、SCN-、CF3SO3 -、CF3CO2 -、またはイミドのアニオン(すなわち、化学式R1CON-COR2で表されるアニオン、ここでR1およびR2はそれぞれ独立して有機基である)である。非水電解質は、イミドのアニオンを一種含んでもいてもよく、二種以上含んでいてもよい。
非水電解質に含有される第1リチウム塩および第2リチウム塩の濃度の合計(すなわち、「合計濃度」)は、3.0mol/L以上である。当該合計濃度は、3.5mol/L以上であってもよい。合計濃度が3.0mol/L以上である場合、第1リチウム塩の作用が容易に発揮され、より均一で緻密なSEI被膜が容易に形成される。このようにして、サイクル特性の効果がさらに向上する。非水電解質の適切な粘度の観点からは、非水電解質に含有される第1リチウム塩および第2リチウム塩の合計濃度は、5mol/L以下であってもよい。合計濃度は4.5mol/L以下であってもよい。
非水電解質は、添加剤を含んでもよい。添加剤の例は、ビニレンカーボネート、フルオロエチレンカーボネート、またはビニルエチレンカーボネートである。1種類の添加剤が用いられ得る。これに代えて、2種類以上の添加剤が用いられ得る。
リチウム二次電池では、非水電解質中に含有されるイオンが、充電時に、負極において電子を受け取り、負極でリチウム金属が析出する。析出したリチウム金属は、放電時に非水電解質中に溶解する。このようなリチウム金属の析出と溶解とが行われることで、充放電が行われる。リチウム金属は、極めて高い還元力を有しており、非水電解質と副反応を起こし易い。リチウム二次電池では、完全放電状態を除き、リチウム金属がほぼ常態的に負極に存在することになる。そのため、リチウム二次電池では、リチウム金属と非水電解質との接触機会が多くなり、両者間の副反応が顕著になり易い。
リチウム二次電池は、正極と、負極と、非水電解質と、を備える。正極と負極との間には、通常、セパレータが配置される。以下に、リチウム二次電池の構造が、図面を参照しながら説明される。
正極11は、例えば、正極集電体30と、正極集電体30上に形成された正極合材層31とを備える。正極合材層31は、正極集電体30の双方の表面に形成されていてもよい。正極合材層31は、正極集電体30の一方の表面に形成されていてもよい。
リチウム二次電池10の負極12では、充電によりリチウム金属が析出する。より具体的には、非水電解質に含まれるリチウムイオンが、充電により、負極12で電子を受け取ってリチウム金属になり、負極12に析出する。負極12で析出したリチウム金属は、放電により非水電解質中にリチウムイオンとして溶解する。非水電解質に含まれるリチウムイオンは、非水電解質に添加されたリチウム塩に由来するリチウムイオンおよび充電により正極活物質から供給されるリチウムイオンからなる群から選択される少なくとも1つのリチウムイオンである。
セパレータ13として、イオン透過性および絶縁性を有する多孔性シートが用いられる。多孔性シートの例は、微多孔フィルム、織布、または不織布である。セパレータの材質は、限定されない。セパレータの材質の例は、高分子材料である。当該高分子材料の例は、オレフィン樹脂、ポリアミド樹脂、またはセルロースである。オレフィン樹脂の例は、(i)ポリエチレン、(ii)ポリプロピレン、または(iii)エチレンおよびプロピレンの少なくとも1つをモノマー単位として含むオレフィン系共重合体である。セパレータ13は、添加剤を含んでもよい。添加剤の例は、無機フィラーである。
図1Aでは、リチウム二次電池は、円筒形の電池ケースを備えた円筒形のリチウム二次電池である。しかし、本開示に係るリチウム二次電池は図1Aに示されるリチウム二次電池に限定されない。本開示に係るリチウム二次電池は、例えば、角形の電池ケースを備えた角形電池であってもよい。本開示に係るリチウム二次電池は、アルミニウムラミネートシートのような樹脂外装体を備えたラミネート電池であってもよい。電極群も巻回されている必要はない。電極群は、例えば、複数の正極層および複数の負極層が、各正極層および各負極層の間にセパレータが介在するように交互に積層された積層型電極群であってもよい。
以下、本開示が以下の実施例および比較例に基づいてさらに詳細に説明される。
以下の手順で、図1Aに示す構造を有するリチウム二次電池を作製した。
正極活物質、アセチレンブラック、およびポリフッ化ビニリデンを、95:2.5:2.5の質量比で混合し、混合物を得た。アセチレンブラックおよびポリフッ化ビニリデンは、それぞれ、導電材および結着材として機能した。混合物に、分散媒としてN-メチル-2-ピロリドンを適量加え、次いで撹拌し、正極合材スラリーを調製した。正極活物質としては、Ni、CoおよびAlを含み、かつ空間群R-3mに属する結晶構造を有するリチウム含有遷移金属酸化物を用いた。
厚み10μmの電解銅箔を、所定の電極サイズに切断することにより、負極集電体32を形成した。この負極集電体32を負極12として電池の作製に用いた。負極集電体32には、ニッケルから形成された負極リード20の一端部を溶接により取り付けた。
表1に示されるように、溶媒にリチウム塩を溶解させた。このようにして、液状の非水電解質を調製した。表1中に示す溶媒の混合比は、体積比である。
(a)DME:化学式CH3O(CH2)2OCH3により表される1,2-ジメトキシエタン
(b)FEC:化学式C3H3FO3により表されるフルオロエチレンカーボネート
(c)EMC:化学式C2H5O(C=O)OCH3により表されるエチルメチルカーボネート
(d)DMC:化学式CH3O(C=O)OCH3により表されるジメチルカーボネート
(e)LiDFOB:化学式Li+[(C2O4)BF2]-により表されるリチウムジフルオロオキサレートボレート
(f)LiBOB:化学式Li+[(C2O4)2B]-により表されるリチウムビス(オキサレート)ボレート
(g)LiFSI:化学式Li+[FSO2N-SO2F]により表されるリチウムビスフルオロスルホニルイミド
(h)LiPF6:化学式LiPF6により表されるリチウムヘキサフルオロホスフェート
不活性ガス雰囲気中で、項目(1)で得られた正極11、ポリエチレン製の微多孔フィルム(すなわち、セパレータ13)、および項目(2)で得られた負極12をこの順で積層し、積層体を得た。このようにして得られた積層体を、渦巻状に巻回することにより電極群14を得た。得られた電極群14を、Al層を備えるラミネートシートから形成される袋状の外装体に収容した。次いで、外装体に非水電解質を注入し、次いで外装体を封止した。このようにしてリチウム二次電池を作製した。
実施例、比較例、および参考例によるリチウム二次電池の放電容量およびサイクル特性が、下記の手順で行われた充放電試験に基づいて評価された。まず、摂氏25度に維持された恒温槽内において、リチウム二次電池の充電を、以下の条件で行い、次いで、リチウム二次電池を20分間放置した。続けて、以下の条件でリチウム二次電池の放電を行った。
電池電圧が4.1Vになるまで、10mA/cm2の定電流密度でリチウム二次電池を充電した。次いで、電流密度が1mA/cm2になるまで、4.1Vの定電圧でリチウム二次電池を充電した。
(放電)
電池電圧が3.0Vになるまで、10mA/cm2の定電流密度でリチウム二次電池を放電した。
実施例9~実施例12においては、表2に示す溶媒を用いて、非水電解質を調製した。このように調製された非水電解質を用いたこと以外は、実施例2の場合と同様にしてリチウム二次電池を作製した。
(i)DEE:化学式H5C2O(CH2)2OC2H5により表される1,2-ジエトキシエタン
(j)THF:化学式C4H8Oにより表されるテトラヒドロフラン
(k)FEC:化学式C3H3FO3により表されるフルオロエチレンカーボネート
(m)VC:化学式C3H2Oにより表されるビニレンカーボネート
11 正極
12 負極
13 セパレータ
14 電極群
15 ケース本体
16 封口体
17、18 絶縁板
19 正極リード
20 負極リード
21 段部
22 フィルタ
23 下弁体
24 絶縁部材
25 上弁体
26 キャップ
27 ガスケット
30 正極集電体
31 正極合材層
32 負極集電体
Claims (9)
- リチウム二次電池であって、
正極、
負極、および
リチウムイオン伝導性を有する非水電解質
を備え、
ここで、
前記リチウム二次電池の充電時に前記負極の表面にリチウム金属が析出し、
前記リチウム二次電池の放電時に前記負極の表面から前記リチウム金属が前記非水電解質中に溶出し、
前記非水電解質は、溶媒およびリチウム塩を含有し、
前記溶媒は、体積比で60%以上のエーテルを含有し、
前記リチウム塩は、第1リチウム塩および第2リチウム塩を含み、
前記第2リチウム塩は、第1リチウム塩とは異なり、
前記第1リチウム塩は、リチウムイオンおよびアート型錯体アニオンから構成され、
前記非水電解質に含有される前記第1リチウム塩および前記第2リチウム塩の濃度の合計は、3.0mol/L以上であり、
前記非水電解質に含有される前記第1リチウム塩の濃度は、0.01mol/L以上2mol/L以下であり、
前記非水電解質に含有される前記第2リチウム塩の濃度は、1.5mol/L以上である、
リチウム二次電池。 - 請求項1に記載のリチウム二次電池であって、
前記エーテルは、化学式R1-O-R3-O-R2により表される、
リチウム二次電池。
ここで、
R1は、1以上4以下の炭素数を有するアルキル基であり、
R2は、1以上4以下の炭素数を有するアルキル基であり、かつ
R3は、2以上4以下の炭素数を有するアルキレン基である。 - 請求項1または2に記載のリチウム二次電池であって、
前記アート型錯体アニオンは、ホウ素原子を含む、
リチウム二次電池。 - 請求項3に記載のリチウム二次電池であって、
前記アート型錯体アニオンは、ビスオキサレートボレートアニオンおよびジフルオロオキサレートボレートアニオンからなる群より選択される少なくとも一つである、
リチウム二次電池。 - 請求項1~4のいずれか1項に記載のリチウム二次電池であって、
前記第2リチウム塩は、リチウムイオンおよびイミドのアニオンから構成される、
リチウム二次電池。 - 請求項5に記載のリチウム二次電池であって、
前記非水電解質に含有される前記第2リチウム塩の濃度は、1.5mol/L以上である、
リチウム二次電池。 - 請求項5または6に記載のリチウム二次電池であって、
前記イミドのアニオンは、化学式N(SO2CmF2m+1)(SO2CnF2n+1)-(ここで、mおよびnは、それぞれ独立して、0以上の整数である)で表される、
リチウム二次電池。 - 請求項1~7のいずれか1項に記載のリチウム二次電池であって、
前記非水電解質は、さらに、エチレンカーボネート、ビニレンカーボネート、フルオロエチレンカーボネート、およびビニルエチレンカーボネートからなる群より選択される少なくとも一つを含む、
リチウム二次電池。 - 請求項1~8のいずれか1項に記載のリチウム二次電池であって、
前記正極は、空間群R-3mに属する結晶構造を有する正極活物質を具備する、
リチウム二次電池。
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