JP7243406B2 - Electrolyte and lithium ion secondary battery - Google Patents

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Description

本発明は、電解液、及び、当該電解液を備えるリチウムイオン二次電池に関するものである。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to an electrolytic solution and a lithium ion secondary battery provided with the electrolytic solution.

一般に、リチウムイオン二次電池は、主な構成要素として、正極、負極及び電解液を備える。正極には、充放電に関与する正極活物質が具備されており、負極には、充放電に関与する負極活物質が具備されている。そして、電解液としては、電解質を非水溶媒に溶解した溶液が採用されるのが一般的である。 Lithium-ion secondary batteries generally include a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte as main components. The positive electrode is equipped with a positive electrode active material that participates in charging and discharging, and the negative electrode is equipped with a negative electrode active material that participates in charging and discharging. As the electrolytic solution, a solution obtained by dissolving an electrolyte in a non-aqueous solvent is generally used.

ここで、電解液としては、電解質としてLiPFを採用し、非水溶媒としてエチルメチルカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネートなどの鎖状カーボネート及びエチレンカーボネートなどの環状カーボネートを併用した混合溶媒を採用した電解液を用いるのが一般的である。 Here, as the electrolytic solution, a mixed solvent using LiPF 6 as an electrolyte and a chain carbonate such as ethyl methyl carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate and a cyclic carbonate such as ethylene carbonate as a non-aqueous solvent is used. A liquid is generally used.

実際に、特許文献1~特許文献3には、電解質としてLiPFを採用し、非水溶媒としてエチルメチルカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネートなどの鎖状カーボネート及び環状カーボネートであるエチレンカーボネートを併用した混合溶媒を採用した電解液を備えるリチウムイオン二次電池が具体的に記載されている。 Actually, in Patent Documents 1 to 3, LiPF 6 is adopted as an electrolyte, and chain carbonates such as ethyl methyl carbonate, dimethyl carbonate, and diethyl carbonate and ethylene carbonate, which is a cyclic carbonate, are used as non-aqueous solvents. Lithium ion secondary batteries with solvent-based electrolytes are specifically described.

電解質として(FSONLiを採用した電解液も知られている。特許文献4には、電解質として(FSONLi及びLiPFを併用し、非水溶媒としてエチレンカーボネート、ジメチルカーボネート及びフルオロエチレンカーボネートを併用した混合溶媒を採用した電解液を備えるリチウムイオン二次電池が具体的に記載されている。 Electrolyte solutions employing (FSO 2 ) 2 NLi as the electrolyte are also known. Patent Document 4 discloses a lithium ion secondary battery equipped with an electrolytic solution employing a mixed solvent in which (FSO 2 ) 2 NLi and LiPF 6 are used together as an electrolyte, and ethylene carbonate, dimethyl carbonate and fluoroethylene carbonate are used together as a non-aqueous solvent. Batteries are specifically mentioned.

特開2015-185509号公報JP 2015-185509 A 特開2015-179625号公報JP 2015-179625 A 国際公開第2014/080608号WO2014/080608 特開2011-150958号公報JP 2011-150958 A

上述のとおり、リチウムイオン二次電池に用いられる電解液についての研究が精力的に行われている。そして、産業界からは、電池特性に優れるリチウムイオン二次電池が求められている。
本発明はかかる事情に鑑みて為されたものであり、電池特性に優れるリチウムイオン二次電池を提供するために、好適な電解液を提供することを目的とする。
As described above, researches on electrolyte solutions used in lithium-ion secondary batteries are being vigorously conducted. Further, the industry is demanding a lithium-ion secondary battery with excellent battery characteristics.
The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a suitable electrolytic solution for providing a lithium ion secondary battery having excellent battery characteristics.

本発明者は、リチウムイオン二次電池の電池特性をさらに向上させるための技術について検討した。具体的には、負極と電解液との関係について検討を行った。 The inventors have studied techniques for further improving the battery characteristics of lithium-ion secondary batteries. Specifically, the relationship between the negative electrode and the electrolytic solution was examined.

従来、一般的に使用されていたカーボネート系の溶媒は、負極表面での還元分解にて、負極の表面にSEI(Solid Electrolyte Interphase)被膜を形成することが知られている。SEI被膜は、負極活物質と電解液との直接接触を防止できるが、カーボネート系の溶媒を原料として生成されたSEI被膜には、CO基が存在すると考えられる。 Conventionally, commonly used carbonate-based solvents are known to form an SEI (Solid Electrolyte Interphase) film on the surface of the negative electrode by reductive decomposition on the surface of the negative electrode. The SEI coating can prevent direct contact between the negative electrode active material and the electrolytic solution, but it is believed that the SEI coating formed using a carbonate-based solvent as a raw material contains 3 groups of CO 2 .

ここで、例えば、酸化に対して比較的耐性の低いSi含有負極活物質を備えるリチウムイオン二次電池の場合には、SEI被膜におけるCO基の酸素がSi含有負極活物質を酸化すると推定される。また、Si含有負極活物質は、充放電時の膨張及び収縮の程度が大きいため、SEI被膜が破壊されて、SEI被膜で被覆されていない新たな箇所(以下、かかる箇所を「新生面」という。)が生じ得る。ここで、新生面におけるSi含有負極活物質がカーボネート系の溶媒と接触することで、Si含有負極活物質が酸化することが懸念される。 Here, for example, in the case of a lithium ion secondary battery including a Si-containing negative electrode active material that has relatively low resistance to oxidation, it is presumed that the oxygen of the CO 3 groups in the SEI coating oxidizes the Si-containing negative electrode active material. be. In addition, since the Si-containing negative electrode active material expands and contracts greatly during charging and discharging, the SEI coating is destroyed and a new portion not covered with the SEI coating (hereinafter, such a portion is referred to as a “new surface”. ) can occur. Here, there is a concern that the Si-containing negative electrode active material on the new surface may be oxidized due to contact with the carbonate-based solvent.

そこで、本発明者は、電解液の非水溶媒として、負極表面での還元分解が生じ難く、酸化能力も低いと考えられるエーテル系溶媒を採用することを指向した。 Therefore, the present inventor aimed to use an ether-based solvent as a non-aqueous solvent for the electrolytic solution, which is unlikely to undergo reductive decomposition on the surface of the negative electrode and is considered to have low oxidizing ability.

本発明者がエーテル系溶媒を用いて検討を行ったところ、エーテル系溶媒は電解質として一般的なLiPFとの相性に優れないこと、及び、エーテル系溶媒は(FSONLiとの相性に優れることを知見した。 When the present inventor conducted a study using an ether-based solvent, it was found that the ether-based solvent is not compatible with LiPF 6 , which is commonly used as an electrolyte, and that the ether-based solvent is not compatible with (FSO 2 ) 2 NLi. It was found to be superior to

そこで、本発明者が、電解質として(FSONLiを採用し、非水溶媒としてエーテル系溶媒を採用した電解液についての鋭意検討を行った結果、電解液に少量の第四級アンモニウム塩を添加することで、当該電解液を備えるリチウムイオン二次電池の性能が向上することを見出した。 Therefore, the present inventors have made intensive studies on electrolytic solutions employing (FSO 2 ) 2 NLi as the electrolyte and ether-based solvents as the non-aqueous solvent. By adding, it was found that the performance of the lithium ion secondary battery provided with the electrolytic solution is improved.

これらの知見に基づき、本発明は完成された。 Based on these findings, the present invention was completed.

本発明の電解液は、(FSONLi、第四級アンモニウム塩、及び、エーテル系溶媒を含有し、
前記第四級アンモニウム塩を前記(FSONLiに対して10mol%以下の割合で含有することを特徴とする。
The electrolytic solution of the present invention contains (FSO 2 ) 2 NLi, a quaternary ammonium salt, and an ether solvent,
It is characterized by containing the quaternary ammonium salt at a ratio of 10 mol % or less with respect to the (FSO 2 ) 2 NLi.

本発明の電解液を備えるリチウムイオン二次電池は電池特性に優れる。 A lithium ion secondary battery comprising the electrolyte solution of the present invention has excellent battery characteristics.

以下に、本発明を実施するための形態を説明する。なお、特に断らない限り、本明細書に記載された数値範囲「a~b」は、下限a及び上限bをその範囲に含む。そして、これらの上限値及び下限値、ならびに実施例中に列記した数値も含めてそれらを任意に組み合わせることで数値範囲を構成し得る。さらに、これらの数値範囲内から任意に選択した数値を、新たな上限や下限の数値とすることができる。 EMBODIMENT OF THE INVENTION Below, the form for implementing this invention is demonstrated. Unless otherwise specified, the numerical range "a to b" described in this specification includes the lower limit a and the upper limit b. Further, a numerical range can be configured by arbitrarily combining these upper and lower limits and the numerical values listed in the examples. Furthermore, a numerical value arbitrarily selected from within these numerical ranges can be used as the new upper and lower numerical values.

本発明の電解液は、(FSONLi、第四級アンモニウム塩、及び、エーテル系溶媒を含有し、
前記第四級アンモニウム塩を前記(FSONLiに対して10mol%以下の割合で含有することを特徴とする。
The electrolytic solution of the present invention contains (FSO 2 ) 2 NLi, a quaternary ammonium salt, and an ether solvent,
It is characterized by containing the quaternary ammonium salt at a ratio of 10 mol % or less with respect to the (FSO 2 ) 2 NLi.

本発明の電解液において、(FSONLiの濃度は限定されない。好ましい(FSONLiの濃度として、0.5~5mol/Lの範囲内、0.7~4mol/Lの範囲内、0.9~3mol/Lの範囲内、1~2.5mol/Lの範囲内を例示できる。 In the electrolytic solution of the present invention, the concentration of ( FSO2 ) 2NLi is not limited. Preferred concentrations of (FSO 2 ) 2 NLi are in the range of 0.5 to 5 mol/L, 0.7 to 4 mol/L, 0.9 to 3 mol/L, and 1 to 2.5 mol/L. Within the range of L can be exemplified.

第四級アンモニウム塩は、以下の一般式(1)で表されるものである。
一般式(1) R
Rはそれぞれ独立に、置換基で置換されていてもよい飽和アルキル基、置換基で置換されていてもよい不飽和アルキル基、及び、置換基で置換されていてもよい芳香族基から選択される。Rは互いに結合して環を形成していてもよく、当該環の骨格にはO、S及びNから選択されるヘテロ元素が存在してもよい。
Xは1価のアニオンである。
A quaternary ammonium salt is represented by the following general formula (1).
General formula (1) R 4 N + X
Each R is independently selected from a saturated alkyl group optionally substituted with a substituent, an unsaturated alkyl group optionally substituted with a substituent, and an aromatic group optionally substituted with a substituent be. The R's may combine with each other to form a ring, and a heteroatom selected from O, S and N may be present in the skeleton of the ring.
X is a monovalent anion.

Rの炭素数としては、1~12、1~8、1~6、1~4を例示できる。
飽和アルキル基には、鎖状の飽和アルキル基及び環状の飽和アルキル基があり、不飽和アルキル基には、鎖状の不飽和アルキル基及び環状の不飽和アルキル基がある。芳香族基としては、フェニル基、ナフチル基を例示できる。
Rの置換基としては、ハロゲン、アルコキシ基、アルキル基、芳香族基を例示できる。
Examples of the number of carbon atoms in R include 1 to 12, 1 to 8, 1 to 6, and 1 to 4.
Saturated alkyl groups include chain saturated alkyl groups and cyclic saturated alkyl groups, and unsaturated alkyl groups include chain unsaturated alkyl groups and cyclic unsaturated alkyl groups. A phenyl group and a naphthyl group can be illustrated as an aromatic group.
Examples of substituents for R include halogens, alkoxy groups, alkyl groups, and aromatic groups.

Rが互いに結合して形成する環としては、ピロリジン環、ピペリジン環、モルホリン環、ピロール環、イミダゾール環、ピラゾール環、オキサゾール環、チアゾール環、トリアゾール環、ピリジン環、ピリミジン環、ピラジン環を例示できる。 Examples of the ring formed by bonding R together include a pyrrolidine ring, a piperidine ring, a morpholine ring, a pyrrole ring, an imidazole ring, a pyrazole ring, an oxazole ring, a thiazole ring, a triazole ring, a pyridine ring, a pyrimidine ring, and a pyrazine ring. .

第四級アンモニウム塩のカチオンの具体的な化学構造としては、トリメチルプロピルアンモニウム、トリメチルへキシルアンモニウム、トリメチルオクチルアンモニウム、テトラエチルアンモニウム、トリエチルメチルアンモニウム、トリメチルアリルアンモニウム、メトキシメチルトリメチルアンモニウム、エチルメトキシメチルジメチルアンモニウム、1-エチル-1-メチルピロリジニウム、1-エチル-1-プロピルピロリジニウム、1-ブチル-1-メチルピロリジニウム、5-アゾニアスピロ[4.4]ノナン、1-プロピル-1-メチルピペリジニウム、1-エチル-3-メチルイミダゾリウム、n-ブチル-ピリジニウムを例示できる。 Specific chemical structures of quaternary ammonium salt cations include trimethylpropylammonium, trimethylhexylammonium, trimethyloctylammonium, tetraethylammonium, triethylmethylammonium, trimethylallylammonium, methoxymethyltrimethylammonium, and ethylmethoxymethyldimethylammonium. , 1-ethyl-1-methylpyrrolidinium, 1-ethyl-1-propylpyrrolidinium, 1-butyl-1-methylpyrrolidinium, 5-azoniaspiro[4.4]nonane, 1-propyl-1- Examples include methylpiperidinium, 1-ethyl-3-methylimidazolium, n-butyl-pyridinium.

Xの化学構造としては、ハロゲン、ClO、カルボキシレート、フォスフェート、スルホネート、ビスオキサレートボレート、AlCl、NO、NO、AsF、BF4-x(C2n+1)(ただし、nは1~4の整数である。xは0~4の整数である。)、PF6-x(C2n+1)(ただし、nは1~4の整数である。xは0~6の整数である。)、N(SO2n+1)、(ただし、nはそれぞれ独立に0~6の整数である。)、N(SO)(C2n)、(ただし、nは2~4の整数である。)を例示できる。 The chemical structure of X includes halogen, ClO 4 , carboxylate, phosphate, sulfonate, bisoxalate borate, AlCl 4 , NO 2 , NO 3 , AsF 6 , BF 4-x (C n F 2n+1 ) x (where , n is an integer of 1 to 4. x is an integer of 0 to 4.), PF 6−x (C n F 2n+1 ) x (where n is an integer of 1 to 4, x is 0 is an integer of ~6), N( SO2CnF2n +1 ) 2 , (where n is each independently an integer of 0 to 6), N( SO2 ) 2 ( CnF2n ) , (where n is an integer of 2 to 4).

価格の点や充放電時の特性の点からみて、Xの化学構造としては、ハロゲン、ClO、カルボキシレート、フォスフェート、スルホネート、ビスオキサレートボレート、AlCl、NO、NO、AsF、BF4-x(C2n+1)(ただし、nは1~4の整数である。xは0~4の整数である。)、PF6-x(C2n+1)(ただし、nは1~4の整数である。xは0~6の整数である。)から選択されるものが好ましい。 From the viewpoint of price and charge/discharge characteristics, the chemical structure of X includes halogen, ClO 4 , carboxylate, phosphate, sulfonate, bisoxalate borate, AlCl 4 , NO 2 , NO 3 , AsF 6 . , BF 4-x (C n F 2n+1 ) x (where n is an integer of 1 to 4 and x is an integer of 0 to 4), PF 6-x (C n F 2n+1 ) x (where , n is an integer from 1 to 4, and x is an integer from 0 to 6.).

本発明の電解液における第四級アンモニウム塩の配合割合は、(FSONLiに対して10mol%以下である。第四級アンモニウム塩の割合が高すぎると、無駄になるし、第四級アンモニウム塩の割合が高すぎることによる弊害が生じるおそれもある。 The mixing ratio of the quaternary ammonium salt in the electrolytic solution of the present invention is 10 mol % or less with respect to (FSO 2 ) 2 NLi. If the proportion of quaternary ammonium salt is too high, it is wasteful, and there is also the possibility that the proportion of quaternary ammonium salt that is too high can be detrimental.

(FSONLiに対する第四級アンモニウム塩の配合割合としては、0.005~5mol%、0.01~4mol%、0.05~3mol%、0.1~2mol%、0.5~1.5mol%を例示できる。
第四級アンモニウム塩としては、1種類を用いてもよいし、複数種類を併用してもよい。
The ratio of the quaternary ammonium salt to (FSO 2 ) 2 NLi is 0.005 to 5 mol%, 0.01 to 4 mol%, 0.05 to 3 mol%, 0.1 to 2 mol%, 0.5 to 5 mol%. 1.5 mol % can be exemplified.
As the quaternary ammonium salt, one type may be used, or multiple types may be used in combination.

エーテル系溶媒としては、リチウムイオン二次電池の非水溶媒として使用可能なものであれば限定されない。エーテル系溶媒としては、1種類を採用してもよいし、複数種類を併用してもよい。
エーテル系溶媒には、鎖状エーテルと環状エーテルがある。
The ether solvent is not limited as long as it can be used as a non-aqueous solvent for lithium ion secondary batteries. As the ether-based solvent, one type may be adopted, or a plurality of types may be used in combination.
Ether-based solvents include chain ethers and cyclic ethers.

鎖状エーテルとしては、酸素数が1又は2のものが好ましい。
酸素数が1の鎖状エーテルは、RORで表わされる。ここで、R及びRはそれぞれ独立にフッ素で置換されていてもよい鎖状アルキル基又は環状アルキル基である。鎖状アルキル基の炭素数としては、1~6、2~5、3~4を例示できる。環状アルキル基の炭素数としては、3~8、4~7、5~6を例示できる。
As the chain ether, one having 1 or 2 oxygen atoms is preferable.
A chain ether having one oxygen is represented by R 1 OR 2 . Here, R 1 and R 2 are each independently a chain alkyl group or a cyclic alkyl group which may be substituted with fluorine. Examples of the number of carbon atoms in the chain alkyl group include 1-6, 2-5, and 3-4. Examples of the number of carbon atoms in the cyclic alkyl group include 3-8, 4-7 and 5-6.

鎖状エーテルとしては、ジエチルエーテル、ジ-n-プロピルエーテル、ジ-i-プロピルエーテル、エチルn-プロピルエーテル、エチルi-プロピルエーテル、ジ-n-ブチルエーテル、ジ-iso-ブチルエーテル、ジ-sec-ブチルエーテル、ジ-tert-ブチルエーテル、n-ブチルメチルエーテル、iso-ブチルメチルエーテル、sec-ブチルメチルエーテル、tert-ブチルメチルエーテル、n-ブチルエチルエーテル、iso-ブチルエチルエーテル、sec-ブチルエチルエーテル、tert-ブチルエチルエーテル、n-ブチルn-プロピルエーテル、iso-ブチルn-プロピルエーテル、sec-ブチルn-プロピルエーテル、tert-ブチルn-プロピルエーテル、ジ-n-ペンチルエーテル、ジイソペンチルエーテル、メチルネオペンチルエーテル、エチルネオペンチルエーテル、ジ-n-へキシルエーテル、メチルシクロペンチルエーテル、メチルシクロへキシルエーテル、エチルシクロペンチルエーテル、エチルシクロへキシルエーテルを例示できる。 Chain ethers include diethyl ether, di-n-propyl ether, di-i-propyl ether, ethyl n-propyl ether, ethyl i-propyl ether, di-n-butyl ether, di-iso-butyl ether, di-sec -butyl ether, di-tert-butyl ether, n-butyl methyl ether, iso-butyl methyl ether, sec-butyl methyl ether, tert-butyl methyl ether, n-butyl ethyl ether, iso-butyl ethyl ether, sec-butyl ethyl ether , tert-butyl ethyl ether, n-butyl n-propyl ether, iso-butyl n-propyl ether, sec-butyl n-propyl ether, tert-butyl n-propyl ether, di-n-pentyl ether, diisopentyl ether , methylneopentyl ether, ethylneopentyl ether, di-n-hexyl ether, methylcyclopentyl ether, methylcyclohexyl ether, ethylcyclopentyl ether, and ethylcyclohexyl ether.

酸素数が1の鎖状エーテルのうち、フッ素置換エーテルとしては、CFCHOCFCH、CFCHOCFCHF、CHFCFCHOCFCHF、CFCFCHOCFCHF、CFCHFCFOCHCF、COCH、COCH、C13OCH、CCF(OCH)C、COC、CHFCH(CH)OCHFを例示できる。 Among chain ethers having one oxygen number, examples of fluorine - substituted ethers include CF3CH2OCF2CH3 , CF3CH2OCF2CHF2 , CHF2CF2CH2OCF2CHF2 , and CF3CF2 . CH2OCF2CHF2 , CF3CHFCF2OCH2CF3 , C3F7OCH3 , C4F9OCH3 , C6F13OCH3 , C2F5CF ( OCH3 ) C3F7 _ _ _ _ _ _ , C4F9OC2H5 , C3HF6CH ( CH3 ) OC3HF6 .

酸素数が2の鎖状エーテルとしては、1,2-ジアルコキシエタン、1,3-ジアルコキシプロパンを例示できる。これらのエーテルにおけるアルコキシ基としては、それぞれ独立に、炭素数1~6のものが好ましく、炭素数1~4のものがより好ましく、炭素数1~2のものがさらに好ましい。 Examples of chain ethers having two oxygen atoms include 1,2-dialkoxyethane and 1,3-dialkoxypropane. The alkoxy groups in these ethers each independently preferably have 1 to 6 carbon atoms, more preferably 1 to 4 carbon atoms, and even more preferably 1 to 2 carbon atoms.

環状エーテルとしては、酸素数が1又は2のものが好ましい。環状エーテルとしては、アルキル基で置換されていてもよい4~8員環のエーテルが好ましく、アルキル基で置換されていてもよい5~7員環のエーテルがより好ましく、アルキル基で置換されていてもよい6員環のエーテルがさらに好ましい。
酸素数が1の環状エーテルとしては、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、2-メチルテトラヒドロピラン、3-メチルテトラヒドロピラン、4-メチルテトラヒドロピラン、オキセパンを例示できる。酸素数が2の環状エーテルとしては、1,4-ジオキサンを例示できる。
As the cyclic ether, one having 1 or 2 oxygen atoms is preferable. The cyclic ether is preferably a 4- to 8-membered ring ether optionally substituted by an alkyl group, more preferably a 5- to 7-membered ring ether optionally substituted by an alkyl group, and is substituted by an alkyl group. 6-membered ring ethers are more preferred.
Examples of the cyclic ether having one oxygen include tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, tetrahydropyran, 2-methyltetrahydropyran, 3-methyltetrahydropyran, 4-methyltetrahydropyran, and oxepane. As the cyclic ether having 2 oxygen atoms, 1,4-dioxane can be exemplified.

環状エーテルとして、アルキル基で置換されていてもよい6員環のエーテルが好ましい理由を具体的に説明する。
6員環の環状エーテルは、ラジカルを発生し難いため、充放電時の負極での還元分解に対する耐性が高いと考えられる。その理由は以下のとおりである。
The reason why a 6-membered ring optionally substituted with an alkyl group is preferable as the cyclic ether will be specifically explained.
A six-membered cyclic ether is less likely to generate radicals, and thus is considered to have high resistance to reductive decomposition at the negative electrode during charging and discharging. The reason is as follows.

6員環の環状エーテルにおいて最もラジカルを発生しやすい箇所、換言すれば、最も水素ラジカルが離脱しやすい炭素は、6員環の環状エーテルを構成する炭素のうち、エーテルの酸素に隣接する炭素であるといえる。 The site where radicals are most likely to be generated in the 6-membered cyclic ether, in other words, the carbon on which the hydrogen radical is most likely to leave is the carbon adjacent to the oxygen of the ether among the carbons constituting the 6-membered cyclic ether. It can be said that there is.

6員環の環状エーテルには、熱エネルギー的に安定なchair-formやboat-formなどの立体配座が存在する。そして、各立体配座を相互に変換することもできる。かかる立体配座は、環を構成する炭素がsp混成軌道を有していることにより、形成される。
しかし、ラジカルが生じた炭素は、それまでのsp混成軌道から、sp混成軌道へと変換する。sp混成軌道における3つの結合は、同一の平面上に存在するのが理想的である。
Six-membered cyclic ethers have thermally stable conformations such as chair-form and boat-form. And each conformation can also be mutually converted. Such a conformation is formed by having an sp 3- hybridized orbital at the carbons forming the ring.
However, the carbon from which the radical is generated is converted from the sp 3 hybridized orbital so far to the sp 2 hybridized orbital. Ideally, the three bonds in the sp 2 hybrid orbital lie on the same plane.

そうすると、6員環の環状エーテルにラジカルが発生した場合には、ラジカルを有する炭素がsp混成軌道を有することになるため、熱エネルギー的に安定なchair-formやboat-formなどの立体配座をとることが出来ず、熱エネルギー的に不安定な立体構造にならざるを得ない。
かかる熱エネルギー的に不安定な立体構造が、6員環の環状エーテルをラジカル化するためのエネルギー障壁となっていると考えられる。
Then, when a radical is generated in a 6-membered cyclic ether, the carbon having the radical has an sp 2 hybridized orbital, so that the steric configuration such as chair-form or boat-form that is thermally stable It cannot take a seat, so it has to have a three-dimensional structure that is thermally unstable.
It is considered that such a thermally unstable steric structure serves as an energy barrier for radicalizing the 6-membered cyclic ether.

アルキル基で置換されていてもよい6員環の環状エーテルとしては、環を構成する6元素のうち5つが炭素であり、1つが酸素のものが好ましい。
6員環の炭素に結合し得るアルキル基としては、炭素数1~6のものが好ましく、炭素数1~4のものがより好ましく、炭素数1~2のものがさらに好ましい。
As the 6-membered cyclic ether which may be substituted with an alkyl group, one in which five of the six elements constituting the ring are carbon and one is oxygen is preferred.
The alkyl group that can be bonded to the carbon atoms of the 6-membered ring preferably has 1 to 6 carbon atoms, more preferably 1 to 4 carbon atoms, and even more preferably 1 to 2 carbon atoms.

6員環の炭素に結合し得るアルキル基は、エーテルの酸素に隣接しない炭素に結合するのが好ましい。
エーテルの酸素に隣接する炭素にアルキル基が結合した場合には、当該炭素はO-CH(アルキル基)-CHとの構造になる。ここで、酸素とアルキル鎖で挟まれたCH基においては、隣接する酸素と隣接するアルキル鎖が及ぼす隣接基相互作用に因り、ラジカルが安定化されるため、ラジカルが生じ易いと考えられている。よって、エーテルの酸素に隣接する炭素にアルキル基が結合した6員環の環状エーテルは、比較的ラジカルが発生しやすいと推定される。
An alkyl group that can be attached to a carbon of a 6-membered ring is preferably attached to a carbon that is not adjacent to the oxygen of the ether.
When an alkyl group is attached to the carbon adjacent to the oxygen of the ether, the carbon has the structure O--CH(alkyl group)-- CH.sub.2 . Here, in a CH group sandwiched between oxygen and an alkyl chain, radicals are stabilized due to adjacent group interactions between adjacent oxygen and adjacent alkyl chains, so it is believed that radicals are likely to occur. . Therefore, it is presumed that a six-membered cyclic ether in which an alkyl group is bonded to the carbon adjacent to the oxygen of the ether is relatively likely to generate radicals.

本発明の電解液には、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、(FSONLi以外の電解質や、エーテル系溶媒以外の非水溶媒を添加してもよい。また、本発明の電解液には、各種の添加剤を配合してもよい。 Electrolytes other than (FSO 2 ) 2 NLi and non-aqueous solvents other than ether solvents may be added to the electrolytic solution of the present invention within the scope of the present invention. Moreover, various additives may be added to the electrolytic solution of the present invention.

本発明の電解液に含まれる全電解質に対する(FSONLi及び第四級アンモニウム塩の合計量の割合として、60~100モル%、70~99モル%、80~98モル%、90~95モル%を例示できる。 60 to 100 mol%, 70 to 99 mol%, 80 to 98 mol%, 90 to 98 mol% as a ratio of the total amount of (FSO 2 ) 2NLi and quaternary ammonium salt to the total electrolyte contained in the electrolytic solution of the present invention 95 mol % can be exemplified.

本発明の電解液に含まれる全非水溶媒に対するエーテル系溶媒の割合として、60~100体積%、70~98体積%、80~95体積%、85~90体積%を例示できる。 Examples of the ratio of the ether solvent to the total nonaqueous solvent contained in the electrolytic solution of the present invention are 60 to 100% by volume, 70 to 98% by volume, 80 to 95% by volume, and 85 to 90% by volume.

本発明の電解液を備えるリチウムイオン二次電池を本発明のリチウムイオン二次電池という。
本発明のリチウムイオン二次電池は、具体的には、本発明の電解液と、正極と、負極と、セパレータを備える。
A lithium ion secondary battery comprising the electrolytic solution of the present invention is referred to as a lithium ion secondary battery of the present invention.
The lithium-ion secondary battery of the present invention specifically includes the electrolytic solution of the present invention, a positive electrode, a negative electrode, and a separator.

正極は、集電体と集電体の表面に形成された正極活物質層とを具備する。 The positive electrode includes a current collector and a positive electrode active material layer formed on the surface of the current collector.

集電体は、リチウムイオン二次電池の放電又は充電の間、電極に電流を流し続けるための化学的に不活性な電子伝導体をいう。集電体の材料は、使用する活物質に適した電圧に耐え得る金属であれば特に制限はない。集電体の材料としては、銀、銅、金、アルミニウム、タングステン、コバルト、亜鉛、ニッケル、鉄、白金、錫、インジウム、チタン、ルテニウム、タンタル、クロム、モリブデンから選ばれる少なくとも一種、並びにステンレス鋼などの金属材料を例示することができる。集電体は公知の保護層で被覆されていても良い。集電体の表面を公知の方法で処理したものを集電体として用いても良い。 A current collector refers to a chemically inert electronic conductor for continuing current flow to an electrode during discharge or charge of a lithium ion secondary battery. The material of the current collector is not particularly limited as long as it is a metal that can withstand a voltage suitable for the active material used. The material of the current collector is at least one selected from silver, copper, gold, aluminum, tungsten, cobalt, zinc, nickel, iron, platinum, tin, indium, titanium, ruthenium, tantalum, chromium, molybdenum, and stainless steel. can be exemplified by metal materials such as The current collector may be covered with a known protective layer. A current collector whose surface has been treated by a known method may be used as the current collector.

集電体は箔、シート、フィルム、線状、棒状、メッシュなどの形態をとることができる。そのため、集電体として、例えば、銅箔、ニッケル箔、アルミニウム箔、ステンレス箔などの金属箔を好適に用いることができる。集電体が箔、シート、フィルム形態の場合は、その厚みが1μm~100μmの範囲内であることが好ましい。 The current collector can take the form of foil, sheet, film, wire, rod, mesh, and the like. Therefore, metal foils such as copper foil, nickel foil, aluminum foil, and stainless steel foil can be preferably used as the current collector. When the current collector is in the form of foil, sheet or film, the thickness is preferably in the range of 1 μm to 100 μm.

正極の電位をリチウム基準で4V以上とする場合には、正極用集電体としてアルミニウムを採用するのが好ましい。 When the potential of the positive electrode is 4 V or more based on lithium, it is preferable to employ aluminum as the current collector for the positive electrode.

具体的には、正極用集電体として、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるものを用いるのが好ましい。ここでアルミニウムは、純アルミニウムを指し、純度99.0%以上のアルミニウムを純アルミニウムと称する。純アルミニウムに種々の元素を添加して合金としたものをアルミニウム合金と称する。アルミニウム合金としては、Al-Cu系、Al-Mn系、Al-Fe系、Al-Si系、Al-Mg系、Al-Mg-Si系、Al-Zn-Mg系が挙げられる。 Specifically, it is preferable to use aluminum or an aluminum alloy as the positive electrode current collector. Here, aluminum refers to pure aluminum, and aluminum with a purity of 99.0% or more is called pure aluminum. An alloy obtained by adding various elements to pure aluminum is called an aluminum alloy. Aluminum alloys include Al--Cu, Al--Mn, Al--Fe, Al--Si, Al--Mg, Al--Mg--Si and Al--Zn--Mg.

また、アルミニウム又はアルミニウム合金として、具体的には、例えばJIS A1085、A1N30等のA1000系合金(純アルミニウム系)、JIS A3003、A3004等のA3000系合金(Al-Mn系)、JIS A8079、A8021等のA8000系合金(Al-Fe系)が挙げられる。 Further, as aluminum or aluminum alloy, specifically, for example, A1000 series alloys (pure aluminum series) such as JIS A1085 and A1N30, A3000 series alloys (Al--Mn series) such as JIS A3003 and A3004, JIS A8079, A8021 and the like. A8000 series alloy (Al--Fe series).

正極活物質層は、リチウムイオンを吸蔵及び放出し得る正極活物質、並びに必要に応じて結着剤及び導電助剤を含む。正極活物質層には、正極活物質が正極活物質層全体の質量に対して、60~99質量%で含まれるのが好ましく、70~95質量%で含まれるのがより好ましい。結着剤及び導電助剤としては、負極で説明するものを適宜適切な量で採用すればよい。 The positive electrode active material layer contains a positive electrode active material capable of intercalating and deintercalating lithium ions, and optionally a binder and a conductive aid. The positive electrode active material layer preferably contains 60 to 99% by mass, more preferably 70 to 95% by mass, of the positive electrode active material with respect to the total mass of the positive electrode active material layer. As the binder and conductive aid, those described for the negative electrode may be used in appropriate amounts.

正極活物質としては、層状岩塩構造の一般式:LiNiCo(MはMn及びAlから選択される。DはW、Mo、Re、Pd、Ba、Cr、B、Sb、Sr、Pb、Ga、Nb、Mg、Ta、Ti、La、Zr、Cu、Ca、Ir、Hf、Rh、Fe、Ge、Zn、Ru、Sc、Sn、In、Y、Bi、S、Si、Na、K、P、Vから選ばれる少なくとも1の元素である。a、b、c、d、e、fは0.2≦a≦2、b+c+d+e=1、0≦e<1、1.7≦f≦3を満足する。)で表されるリチウム複合金属酸化物、LiMnOを挙げることができる。また、正極活物質として、LiMn等のスピネル構造の金属酸化物、スピネル構造の金属酸化物と層状化合物の混合物で構成される固溶体、LiMPO、LiMVO又はLiMSiO(式中のMはCo、Ni、Mn、Feのうちの少なくとも一種から選択される)などで表されるポリアニオン系化合物を挙げることができる。さらに、正極活物質として、LiFePOFなどのLiMPOF(Mは遷移金属)で表されるタボライト系化合物、LiFeBOなどのLiMBO(Mは遷移金属)で表されるボレート系化合物を挙げることができる。正極活物質として用いられるいずれの金属酸化物も上記の組成式を基本組成とすればよく、基本組成に含まれる金属元素を他の金属元素で置換したものも使用可能である。また、正極活物質として、リチウムイオンを含まないものを用いても良い。例えば、硫黄単体、硫黄と炭素を複合化した化合物、TiSなどの金属硫化物、V、MnOなどの酸化物、ポリアニリン及びアントラキノン並びにこれら芳香族を化学構造に含む化合物、共役二酢酸系有機物などの共役系材料、その他公知の材料を用いることもできる。さらに、ニトロキシド、ニトロニルニトロキシド、ガルビノキシル、フェノキシルなどの安定なラジカルを有する化合物を正極活物質として採用してもよい。リチウムイオンを含まない正極活物質材料を用いる場合には、正極及び/又は負極に、公知の方法により、予めリチウムを添加しておくのが好ましい。 As the positive electrode active material , a general formula of layered rock salt structure: LiaNibCocMdDeOf (M is selected from Mn and Al, D is W, Mo , Re, Pd, Ba, Cr, B, Sb, Sr, Pb, Ga, Nb, Mg, Ta, Ti, La, Zr, Cu, Ca, Ir, Hf, Rh, Fe, Ge, Zn, Ru, Sc, Sn, In, Y, Bi, at least one element selected from S, Si, Na, K, P, and V. a, b, c, d, e, and f are 0.2≦a≦2, b+c+d+e=1, 0≦e<1 , 1.7≦f≦3.) and Li 2 MnO 3 . Further, as the positive electrode active material, a spinel-structured metal oxide such as LiMn 2 O 4 , a solid solution composed of a mixture of a spinel-structured metal oxide and a layered compound, LiMPO 4 , LiMVO 4 or Li 2 MSiO 4 (in the formula is selected from at least one of Co, Ni, Mn and Fe). Furthermore, examples of the positive electrode active material include taborite compounds represented by LiMPO 4 F ( M is a transition metal) such as LiFePO 4 F, and borate compounds represented by LiMBO 3 (M is a transition metal) such as LiFeBO 3 . be able to. Any metal oxide used as a positive electrode active material may have the above compositional formula as a basic composition, and those in which the metal elements contained in the basic composition are replaced with other metal elements can also be used. Moreover, you may use the thing which does not contain a lithium ion as a positive electrode active material. Examples include elemental sulfur, compounds of sulfur and carbon, metal sulfides such as TiS2 , oxides such as V2O5 and MnO2 , polyaniline and anthraquinone, and compounds containing these aromatics in their chemical structures. Conjugated materials such as acetic acid-based organic substances and other known materials can also be used. Furthermore, compounds having stable radicals such as nitroxide, nitronyl nitroxide, galvinoxyl, and phenoxyl may be employed as positive electrode active materials. When using a positive electrode active material that does not contain lithium ions, it is preferable to previously add lithium to the positive electrode and/or the negative electrode by a known method.

高容量及び耐久性などに優れる点から、正極活物質として、層状岩塩構造の一般式:LiNiCo(MはMn及びAlから選択される。DはW、Mo、Re、Pd、Ba、Cr、B、Sb、Sr、Pb、Ga、Nb、Mg、Ta、Ti、La、Zr、Cu、Ca、Ir、Hf、Rh、Fe、Ge、Zn、Ru、Sc、Sn、In、Y、Bi、S、Si、Na、K、P、Vから選ばれる少なくとも1の元素である。a、b、c、d、e、fは0.2≦a≦2、b+c+d+e=1、0≦e<1、1.7≦f≦3を満足する。) で表されるリチウム複合金属酸化物を採用することが好ましい。 From the viewpoint of high capacity and excellent durability, the positive electrode active material has a layered rock salt structure with a general formula: Li a Ni b Co c M d De Of (M is selected from Mn and Al. D is W, Mo, Re, Pd, Ba, Cr, B, Sb, Sr, Pb, Ga, Nb, Mg, Ta, Ti, La, Zr, Cu, Ca, Ir, Hf, Rh, Fe, Ge, Zn, Ru, at least one element selected from Sc, Sn, In, Y, Bi, S, Si, Na, K, P, and V. a, b, c, d, e, and f are 0.2≦a≦2 , b+c+d+e=1, 0≦e<1, and 1.7≦f≦3.).

上記一般式において、b、c、dの値は、上記条件を満足するものであれば特に制限はないが、0<b<1、0<c<1、0<d<1であるものが良く、また、b、c、dの少なくともいずれか一つが0.1≦b≦0.95、0.01≦c≦0.5、0.01≦d≦0.5の範囲であることが好ましく、0.3≦b≦0.9、0.03≦c≦0.3、0.03≦d≦0.3の範囲であることがより好ましく、0.5≦b≦0.9、0.05≦c≦0.2、0.05≦d≦0.2の範囲であることがさらに好ましい。 In the above general formula, the values of b, c, and d are not particularly limited as long as they satisfy the above conditions. Also, at least one of b, c, and d should be in the range of 0.1 ≤ b ≤ 0.95, 0.01 ≤ c ≤ 0.5, and 0.01 ≤ d ≤ 0.5. preferably 0.3≤b≤0.9, 0.03≤c≤0.3, more preferably 0.03≤d≤0.3, 0.5≤b≤0.9, More preferably, the ranges are 0.05≦c≦0.2 and 0.05≦d≦0.2.

a、e、fについては、上記一般式で規定する範囲内の数値であればよく、好ましくは0.5≦a≦1.5、0≦e<0.2、1.8≦f≦2.5、より好ましくは0.8≦a≦1.3、0≦e<0.1、1.9≦f≦2.1をそれぞれ例示することができる。 The values of a, e, and f may be within the ranges defined by the above general formulas, preferably 0.5≤a≤1.5, 0≤e<0.2, 1.8≤f≤2. .5, more preferably 0.8≦a≦1.3, 0≦e<0.1, and 1.9≦f≦2.1.

高容量及び耐久性などに優れる点から、正極活物質として、スピネル構造のLiMn2―y(Aは、Ca、Mg、S、Si、Na、K、Al、P、Ga、Geから選ばれる少なくとも1の元素、及び、Niなどの遷移金属元素から選ばれる少なくとも1種の金属元素から選択される。0<x≦2.2、0≦y≦1)を例示できる。xの値の範囲としては、0.5≦x≦1.8、0.7≦x≦1.5、0.9≦x≦1.2を例示でき、yの値の範囲としては、0≦y≦0.8、0≦y≦0.6を例示できる。具体的なスピネル構造の化合物として、LiMn、LiMn1.5Ni0.5を例示できる。 Li x Mn 2-y A y O 4 (A is Ca, Mg, S, Si, Na, K, Al, P, Ga , Ge, and at least one metal element selected from transition metal elements such as Ni, 0<x≦2.2, 0≦y≦1). Examples of the range of values of x are 0.5≦x≦1.8, 0.7≦x≦1.5, and 0.9≦x≦1.2, and the range of values of y is 0. ≤y≤0.8 and 0≤y≤0.6 can be exemplified. Specific spinel structure compounds include LiMn 2 O 4 and LiMn 1.5 Ni 0.5 O 4 .

具体的な正極活物質として、LiFePO、LiFeSiO、LiCoPO、LiCoPO、LiMnPO、LiMnSiO、LiCoPOFを例示できる。他の具体的な正極活物質として、LiMnO-LiCoOを例示できる。 LiFePO4 , Li2FeSiO4 , LiCoPO4 , Li2CoPO4 , Li2MnPO4 , Li2MnSiO4 , and Li2CoPO4F can be exemplified as specific positive electrode active materials. Another specific positive electrode active material is Li 2 MnO 3 —LiCoO 2 .

後述する具体的な評価結果からみて、正極活物質としては、リチウム基準で4V以上の電位にて充放電を行うものであるのが好ましい。そのような正極活物質として、上記の層状岩塩構造の一般式:LiNiCoで表されるリチウム複合金属酸化物、スピネル構造のLiMn2―yなどを例示できる。好ましい正極活物質が充放電するリチウム基準の電位としては、4~5.5V、4.1~5V、4.2~4.8V、4.3~4.5Vを例示できる。 In view of specific evaluation results to be described later, it is preferable that the positive electrode active material is charged/discharged at a potential of 4 V or more with respect to lithium. As such a positive electrode active material, the lithium mixed metal oxide represented by the general formula of the layered rock salt structure : LiaNibCocMdDeOf , LixMn2 -yAy with a spinel structure , O 4 and the like can be exemplified. Preferred lithium-based potentials at which the positive electrode active material charges and discharges include 4 to 5.5V, 4.1 to 5V, 4.2 to 4.8V, and 4.3 to 4.5V.

負極は、集電体と集電体の表面に形成された負極活物質層とを具備する。
集電体としては、正極で説明したものを適宜適切に採用すればよい。
The negative electrode includes a current collector and a negative electrode active material layer formed on the surface of the current collector.
As the current collector, the one described for the positive electrode may be appropriately employed.

負極活物質層は、リチウムイオンを吸蔵及び放出し得る負極活物質、並びに必要に応じて結着剤及び導電助剤を含む。 The negative electrode active material layer contains a negative electrode active material capable of intercalating and deintercalating lithium ions, and optionally a binder and a conductive aid.

負極活物質としては、リチウムイオン二次電池に使用可能なものを採用すればよい。後述する具体的な評価結果からみて、好適な負極活物質として、黒鉛やSi含有負極活物質を例示できる。 As the negative electrode active material, a material that can be used in a lithium ion secondary battery may be adopted. Graphite and Si-containing negative electrode active materials can be exemplified as suitable negative electrode active materials in view of specific evaluation results described later.

Si含有負極活物質としては、リチウムイオンを吸蔵及び放出し得るSi含有材料が使用可能である。 As the Si-containing negative electrode active material, a Si-containing material capable of intercalating and deintercalating lithium ions can be used.

Si含有材料の具体例として、Si単体や、SiO(0.3≦x≦1.6)を例示できる。SiOのxが下限値未満であると、Siの比率が過大になるため、充放電時の体積変化が大きくなりすぎてリチウムイオン二次電池のサイクル特性が低下する場合がある。一方、xが上限値を超えると、Si比率が過小になってエネルギー密度が低下する。xの範囲は0.5≦x≦1.5であるのがより好ましく、0.7≦x≦1.2であるのがさらに好ましい。 Specific examples of the Si-containing material include simple Si and SiO x (0.3≦x≦1.6). When x in SiO 2 x is less than the lower limit, the ratio of Si becomes excessive, so that the volume change during charging and discharging becomes too large, and the cycle characteristics of the lithium ion secondary battery may deteriorate. On the other hand, if x exceeds the upper limit, the Si ratio becomes too small and the energy density decreases. The range of x is more preferably 0.5≤x≤1.5, more preferably 0.7≤x≤1.2.

Si含有材料の具体例として、国際公開第2014/080608号などに開示されるシリコン材料(以下、単に「シリコン材料」という。)を挙げることができる。 Specific examples of Si-containing materials include silicon materials (hereinafter simply referred to as “silicon materials”) disclosed in International Publication No. 2014/080608 and the like.

シリコン材料は、複数枚の板状シリコン体が厚さ方向に積層されてなる構造を有するものである。シリコン材料は、例えば、CaSiと酸とを反応させてポリシランを主成分とする層状シリコン化合物を合成する工程、さらに、当該層状シリコン化合物を300℃以上で加熱して水素を離脱させる工程を経て製造されるものである。 The silicon material has a structure in which a plurality of plate-like silicon bodies are laminated in the thickness direction. The silicon material is prepared, for example, by reacting CaSi 2 with an acid to synthesize a layered silicon compound containing polysilane as a main component, and further by heating the layered silicon compound at 300° C. or higher to release hydrogen. It is manufactured.

シリコン材料の製造方法を、酸として塩化水素を用いた場合の理想的な反応式で示すと以下のとおりとなる。
3CaSi+6HCl → Si+3CaCl
Si → 6Si+3H
The method for producing a silicon material is represented by an ideal reaction formula using hydrogen chloride as an acid as follows.
3CaSi2 + 6HCl→ Si6H6 + 3CaCl2
Si 6 H 6 → 6Si+3H 2

ただし、ポリシランであるSiを合成する上段の反応では、副生物や不純物除去の観点から、通常、反応溶媒として水が用いられる。そして、Siは水と反応し得るため、上段の反応を含む層状シリコン化合物を合成する工程において、層状シリコン化合物がSiのみを含むものとして製造されることはほとんどなく、層状シリコン化合物はSi(OH)(Xは酸のアニオン由来の元素若しくは基、s+t+u=6、0<s<6、0<t<6、0<u<6)で表されるものとして製造される。なお、上記の化学式においては、残存し得るCaなどの不可避不純物については、考慮していない。そして、当該層状シリコン化合物を加熱して得られるシリコン材料も、酸素や酸のアニオン由来の元素を含む。 However, in the upper reaction for synthesizing polysilane Si 6 H 6 , water is usually used as a reaction solvent from the viewpoint of removing by-products and impurities. In addition, since Si 6 H 6 can react with water, in the process of synthesizing the layered silicon compound including the reaction in the upper stage, the layered silicon compound is rarely produced as containing only Si 6 H 6 . The silicon compound is represented by Si 6 H s (OH) t X u (X is an element or group derived from an acid anion, s+t+u=6, 0<s<6, 0<t<6, 0<u<6). manufactured as In the above chemical formula, unavoidable impurities such as Ca that may remain are not taken into consideration. A silicon material obtained by heating the layered silicon compound also contains elements derived from oxygen and acid anions.

既述のとおり、シリコン材料は、複数枚の板状シリコン体が厚さ方向に積層されてなる構造を有する。リチウムイオンが効率的に吸蔵及び放出されるためには、板状シリコン体は厚さが10nm~100nmの範囲内のものが好ましく、20nm~50nmの範囲内のものがより好ましい。板状シリコン体の長手方向の長さは、0.1μm~50μmの範囲内のものが好ましい。また、板状シリコン体は、(長手方向の長さ)/(厚さ)が2~1000の範囲内であるのが好ましい。板状シリコン体の積層構造は走査型電子顕微鏡などによる観察で確認できる。また、この積層構造は、原料のCaSiにおけるSi層の名残りであると考えられる。 As described above, the silicon material has a structure in which a plurality of plate-like silicon bodies are laminated in the thickness direction. For efficient absorption and release of lithium ions, the thickness of the plate-shaped silicon body is preferably in the range of 10 nm to 100 nm, more preferably in the range of 20 nm to 50 nm. The longitudinal length of the plate-shaped silicon body is preferably within the range of 0.1 μm to 50 μm. In addition, it is preferable that (longitudinal length)/(thickness) of the plate-like silicon body is within the range of 2 to 1,000. The lamination structure of the plate-shaped silicon bodies can be confirmed by observation with a scanning electron microscope or the like. It is also believed that this layered structure is a remnant of the Si layer in the CaSi 2 raw material.

シリコン材料には、アモルファスシリコン及び/又はシリコン結晶子が含まれるのが好ましい。特に、上記板状シリコン体において、アモルファスシリコンをマトリックスとし、シリコン結晶子が当該マトリックス中に点在している状態が好ましい。シリコン結晶子のサイズは、0.5nm~300nmの範囲内が好ましく、1nm~100nmの範囲内がより好ましく、1nm~50nmの範囲内がさらに好ましく、1nm~10nmの範囲内が特に好ましい。なお、シリコン結晶子のサイズは、シリコン材料に対してX線回折測定を行い、得られたX線回折チャートのSi(111)面の回折ピークの半値幅を用いたシェラーの式から算出される。 Preferably, the silicon material includes amorphous silicon and/or silicon crystallites. In particular, in the plate-like silicon body, a state in which amorphous silicon is used as a matrix and silicon crystallites are scattered in the matrix is preferable. The size of the silicon crystallites is preferably in the range of 0.5 nm to 300 nm, more preferably in the range of 1 nm to 100 nm, even more preferably in the range of 1 nm to 50 nm, and particularly preferably in the range of 1 nm to 10 nm. The size of the silicon crystallite is calculated from Scherrer's formula using the half width of the diffraction peak of the Si (111) plane of the X-ray diffraction chart obtained by performing X-ray diffraction measurement on the silicon material. .

シリコン材料に含まれる板状シリコン体、アモルファスシリコン及びシリコン結晶子の存在量や大きさは、主に加熱温度や加熱時間に左右される。加熱温度は、350℃~950℃の範囲内が好ましく、400℃~900℃の範囲内がより好ましい。 The amount and size of the plate-shaped silicon bodies, amorphous silicon and silicon crystallites contained in the silicon material are mainly affected by the heating temperature and heating time. The heating temperature is preferably within the range of 350°C to 950°C, more preferably within the range of 400°C to 900°C.

Si含有負極活物質は、粒子の集合体である粉末状のものが好ましい。Si含有負極活物質の平均粒子径は、1~30μmの範囲内が好ましく、2~20μmの範囲内がより好ましい。平均粒子径が小さすぎるSi含有負極活物質を用いると、製造作業が困難になる場合がある。他方、平均粒子径が大きすぎるSi含有負極活物質を用いた負極を具備するリチウムイオン二次電池は、好適な充放電ができない場合がある。
なお、本明細書における平均粒子径とは、一般的なレーザー回折式粒度分布測定装置で試料を測定した場合におけるD50を意味する。
The Si-containing negative electrode active material is preferably in the form of powder, which is an aggregate of particles. The average particle size of the Si-containing negative electrode active material is preferably in the range of 1-30 μm, more preferably in the range of 2-20 μm. If a Si-containing negative electrode active material with too small an average particle size is used, the manufacturing operation may become difficult. On the other hand, a lithium ion secondary battery having a negative electrode using a Si-containing negative electrode active material with an excessively large average particle size may not be able to be charged and discharged appropriately.
The average particle size in this specification means D50 when a sample is measured with a general laser diffraction particle size distribution analyzer.

Si含有負極活物質として、Si含有負極活物質を炭素層で被覆した炭素層被覆-Si含有負極活物質を採用してもよい。炭素層被覆-Si含有負極活物質は、炭素層とSi含有負極活物質とが一体化しているものが好ましい。そのような炭素層被覆-Si含有負極活物質の製造方法としては、Si含有負極活物質及び炭素粉末の混合物に対して、強い圧力を付した上で撹拌して一体化するメカニカルミリング法や、炭素源から生じる炭素をSi含有負極活物質に蒸着させるCVD(chemical vapor deposition)法を例示できる。 As the Si-containing negative electrode active material, a carbon layer-coated Si-containing negative electrode active material obtained by coating the Si-containing negative electrode active material with a carbon layer may be employed. The carbon layer-coated-Si-containing negative electrode active material is preferably one in which the carbon layer and the Si-containing negative electrode active material are integrated. As a method for producing such a carbon layer-coated Si-containing negative electrode active material, there is a mechanical milling method in which a mixture of a Si-containing negative electrode active material and carbon powder is stirred and integrated after applying strong pressure, A CVD (chemical vapor deposition) method in which carbon generated from a carbon source is deposited on a Si-containing negative electrode active material can be exemplified.

Si含有負極活物質の表面を薄い炭素層で均一に被覆できる点から、CVD法が好ましい。そして、CVD法のうち、炭素源である気体状態の有機物を熱で分解して炭素を発生させる熱CVD法が好ましい。 The CVD method is preferable because the surface of the Si-containing negative electrode active material can be uniformly coated with a thin carbon layer. Of the CVD methods, a thermal CVD method is preferred in which gaseous organic matter, which is a carbon source, is thermally decomposed to generate carbon.

熱CVD法を用いて炭素層被覆-Si含有負極活物質を製造する、熱CVD工程について具体的に説明する。詳細に述べると、熱CVD工程は、非酸化性雰囲気下及び加熱条件下にて、Si含有負極活物質を有機物と接触させて、Si含有負極活物質の表面に有機物が炭素化してなる炭素層を形成させる工程である。熱CVD工程を行う場合には、ホットウォール型、コールドウォール型、横型、縦型などの型式の、流動層反応炉、回転炉、トンネル炉、バッチ式焼成炉、ロータリーキルンなどの公知のCVD装置を用いればよい。 A thermal CVD process for producing a carbon layer-coated Si-containing negative electrode active material using a thermal CVD method will be specifically described. Specifically, in the thermal CVD process, the Si-containing negative electrode active material is brought into contact with an organic substance under a non-oxidizing atmosphere and under heating conditions, and a carbon layer formed by carbonizing the organic substance on the surface of the Si-containing negative electrode active material. It is a step of forming When performing a thermal CVD process, a known CVD apparatus such as a hot wall type, cold wall type, horizontal type, vertical type, fluidized bed reactor, rotary furnace, tunnel furnace, batch firing furnace, rotary kiln, etc. is used. You can use it.

有機物としては、非酸化性雰囲気下での加熱によって熱分解して炭化し得るものが用いられ、例えば、メタン、エタン、プロパン、ブタン、イソブタン、ペンタン、ヘキサンなどの飽和脂肪族炭化水素、エチレン、プロピレン、アセチレンなどの不飽和脂肪族炭化水素、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノールなどのアルコール類、ベンゼン、トルエン、キシレン、スチレン、エチルベンゼン、ジフェニルメタン、ナフタレン、フェノール、クレゾール、ニトロベンゼン、クロルベンゼン、インデン、ベンゾフラン、ピリジンなどの芳香族炭化水素、酢酸エチル、酢酸ブチル、酢酸アミルなどのエステル類、脂肪酸類などから選択される一種又は混合物が挙げられる。 As the organic matter, those that can be thermally decomposed and carbonized by heating in a non-oxidizing atmosphere are used. Examples include saturated aliphatic hydrocarbons such as methane, ethane, propane, butane, isobutane, pentane, hexane, ethylene, Unsaturated aliphatic hydrocarbons such as propylene and acetylene, alcohols such as methanol, ethanol, propanol, and butanol, benzene, toluene, xylene, styrene, ethylbenzene, diphenylmethane, naphthalene, phenol, cresol, nitrobenzene, chlorobenzene, indene, and benzofuran. , aromatic hydrocarbons such as pyridine, esters such as ethyl acetate, butyl acetate, and amyl acetate, fatty acids, and the like, or a mixture thereof.

熱CVD工程における処理温度は、有機物の種類によって異なるが、有機物が熱分解する温度より50℃以上高い温度とすることが望ましい。しかし、加熱温度が過度に高いと、系内に遊離炭素(煤)が発生する場合があるので、遊離炭素(煤)が発生しない条件を選択することが好ましい。形成される炭素層の厚さは、処理時間によって制御することができる。 The processing temperature in the thermal CVD process varies depending on the type of organic substance, but is preferably 50° C. or more higher than the temperature at which the organic substance thermally decomposes. However, if the heating temperature is excessively high, free carbon (soot) may be generated in the system, so it is preferable to select conditions that do not generate free carbon (soot). The thickness of the carbon layer formed can be controlled by the treatment time.

熱CVD工程は、Si含有負極活物質を流動状態にして行うことが望ましい。このようにすることで、Si含有負極活物質の全表面を有機物と接触させることができ、より均一な炭素層を形成することができる。Si含有負極活物質を流動状態にするには、流動床を用いるなど各種方法があるが、Si含有負極活物質を撹拌しながら有機物と接触させるのが好ましい。例えば、内部に邪魔板をもつ回転炉を用いれば、邪魔板に留まったSi含有負極活物質が回転炉の回転に伴って所定高さから落下することで撹拌され、その際に有機物と接触して炭素層が形成されるので、Si含有負極活物質の全体にいっそう均一な炭素層を形成することができる。 The thermal CVD process is desirably performed while the Si-containing negative electrode active material is in a fluid state. By doing so, the entire surface of the Si-containing negative electrode active material can be brought into contact with the organic matter, and a more uniform carbon layer can be formed. There are various methods for making the Si-containing negative electrode active material fluid, such as using a fluidized bed, but it is preferable to bring the Si-containing negative electrode active material into contact with the organic substance while stirring. For example, if a rotary furnace with a baffle inside is used, the Si-containing negative electrode active material remaining on the baffle is stirred by falling from a predetermined height as the rotary furnace rotates, and at that time comes into contact with the organic matter. Since the carbon layer is formed in the Si-containing negative electrode active material, a more uniform carbon layer can be formed over the entire Si-containing negative electrode active material.

炭素層被覆-Si含有負極活物質の炭素層は非晶質及び/又は結晶質であり、そして、当該炭素層はSi含有負極活物質粒子の表面全体を被覆しているのが好ましい。炭素層の厚みは、1nm~100nmの範囲内が好ましく、5~50nmの範囲内がより好ましく、10~30nmの範囲内がさらに好ましい。 Carbon layer coating--The carbon layer of the Si-containing negative electrode active material is amorphous and/or crystalline, and the carbon layer preferably covers the entire surface of the Si-containing negative electrode active material particles. The thickness of the carbon layer is preferably in the range of 1 nm to 100 nm, more preferably in the range of 5 to 50 nm, and even more preferably in the range of 10 to 30 nm.

負極活物質層には、負極活物質が負極活物質層全体の質量に対して、60~99質量%で含まれるのが好ましく、70~95質量%で含まれるのがより好ましい。 The negative electrode active material layer preferably contains 60 to 99% by mass, more preferably 70 to 95% by mass, of the negative electrode active material with respect to the total mass of the negative electrode active material layer.

結着剤としては、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、フッ素ゴム等の含フッ素樹脂、ポリプロピレン、ポリエチレン等の熱可塑性樹脂、ポリイミド、ポリアミドイミド等のイミド系樹脂、アルコキシシリル基含有樹脂、カルボキシメチルセルロース、スチレンブタジエンゴムなどの公知のものを採用すればよい。 Binders include fluorine-containing resins such as polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, and fluororubber, thermoplastic resins such as polypropylene and polyethylene, imide resins such as polyimide and polyamideimide, alkoxysilyl group-containing resins, and carboxymethyl cellulose. , styrene-butadiene rubber, etc. may be employed.

また、国際公開第2016/063882号に開示される、ポリアクリル酸やポリメタクリル酸などのカルボキシル基含有ポリマーをジアミンなどのポリアミンで架橋した架橋ポリマーを、結着剤として用いてもよい。 Also, a crosslinked polymer obtained by crosslinking a carboxyl group-containing polymer such as polyacrylic acid or polymethacrylic acid with a polyamine such as diamine disclosed in International Publication No. 2016/063882 may be used as a binder.

架橋ポリマーに用いられるジアミンとしては、エチレンジアミン、プロピレンジアミン、ヘキサメチレンジアミン等のアルキレンジアミン、1,4-ジアミノシクロヘキサン、1,3-ジアミノシクロヘキサン、イソホロンジアミン、ビス(4-アミノシクロヘキシル)メタン等の含飽和炭素環ジアミン、m-フェニレンジアミン、p-フェニレンジアミン、3,5-ジアミノ安息香酸、4,4’-ジアミノジフェニルメタン、4,4’-ジアミノジフェニルエーテル、ビス(4-アミノフェニル)スルホン、ベンジジン、o-トリジン、2,4-トリレンジアミン、2,6-トリレンジアミン、キシリレンジアミン、ナフタレンジアミン等の芳香族ジアミンが挙げられる。 Diamines used in the crosslinked polymer include alkylenediamines such as ethylenediamine, propylenediamine and hexamethylenediamine, 1,4-diaminocyclohexane, 1,3-diaminocyclohexane, isophoronediamine, bis(4-aminocyclohexyl)methane and the like. saturated carbocyclic diamine, m-phenylenediamine, p-phenylenediamine, 3,5-diaminobenzoic acid, 4,4'-diaminodiphenylmethane, 4,4'-diaminodiphenyl ether, bis(4-aminophenyl)sulfone, benzidine, aromatic diamines such as o-tolidine, 2,4-tolylenediamine, 2,6-tolylenediamine, xylylenediamine and naphthalenediamine;

負極活物質層中の結着剤の配合割合は、質量比で、負極活物質:結着剤=1:0.005~1:0.3であるのが好ましい。結着剤が少なすぎると電極の成形性が低下し、また、結着剤が多すぎると電極のエネルギー密度が低くなるためである。 The mixing ratio of the binder in the negative electrode active material layer is preferably negative electrode active material:binder=1:0.005 to 1:0.3 in mass ratio. This is because if the amount of the binder is too small, the formability of the electrode will deteriorate, and if the amount of the binder is too large, the energy density of the electrode will be low.

導電助剤は、電極の導電性を高めるために添加される。そのため、導電助剤は、電極の導電性が不足する場合に任意に加えればよく、電極の導電性が十分に優れている場合には加えなくても良い。導電助剤としては化学的に不活性な電子高伝導体であれば良く、炭素質微粒子であるカーボンブラック、黒鉛、気相法炭素繊維(Vapor Grown Carbon Fiber)、および各種金属粒子などが例示される。カーボンブラックとしては、アセチレンブラック、ケッチェンブラック(登録商標)、ファーネスブラック、チャンネルブラックなどが例示される。これらの導電助剤を単独又は二種以上組み合わせて活物質層に添加することができる。 A conductive aid is added to increase the conductivity of the electrode. Therefore, the conductive aid may be added arbitrarily when the conductivity of the electrode is insufficient, and may not be added when the conductivity of the electrode is sufficiently excellent. The conductive aid may be a chemically inert high electron conductor, and examples include carbon black, graphite, vapor grown carbon fiber, and various metal particles, which are carbonaceous fine particles. be. Examples of carbon black include acetylene black, Ketjenblack (registered trademark), furnace black, and channel black. These conductive aids can be added to the active material layer singly or in combination of two or more.

負極活物質層中の導電助剤の配合割合は、質量比で、負極活物質:導電助剤=1:0.01~1:0.5であるのが好ましい。導電助剤が少なすぎると効率のよい導電パスを形成できず、また、導電助剤が多すぎると活物質層の成形性が悪くなるとともに電極のエネルギー密度が低くなるためである。 The mixing ratio of the conductive aid in the negative electrode active material layer is preferably negative electrode active material:conductive aid=1:0.01 to 1:0.5 in mass ratio. This is because if the amount of the conductive aid is too small, an efficient conductive path cannot be formed, and if the amount of the conductive aid is too large, the formability of the active material layer is deteriorated and the energy density of the electrode is lowered.

集電体の表面に正極活物質層又は負極活物質層を形成させるには、ロールコート法、ダイコート法、ディップコート法、ドクターブレード法、スプレーコート法、カーテンコート法などの従来から公知の方法を用いて、集電体の表面に正極活物質又は負極活物質を塗布すればよい。具体的には、正極活物質又は負極活物質、結着剤、溶剤、並びに必要に応じて導電助剤を混合してスラリーにしてから、当該スラリーを集電体の表面に塗布後、乾燥する。溶剤としては、N-メチル-2-ピロリドン、メタノール、メチルイソブチルケトン、水を例示できる。電極密度を高めるべく、乾燥後のものを圧縮しても良い。 Conventionally known methods such as a roll coating method, a die coating method, a dip coating method, a doctor blade method, a spray coating method, and a curtain coating method are used to form the positive electrode active material layer or the negative electrode active material layer on the surface of the current collector. can be used to apply the positive electrode active material or the negative electrode active material to the surface of the current collector. Specifically, a positive electrode active material or negative electrode active material, a binder, a solvent, and, if necessary, a conductive aid are mixed to form a slurry, which is then applied to the surface of a current collector and then dried. . Examples of solvents include N-methyl-2-pyrrolidone, methanol, methyl isobutyl ketone, and water. In order to increase the electrode density, it may be compressed after drying.

セパレータは、正極と負極とを隔離し、両極の接触による短絡を防止しつつ、リチウムイオンを通過させるものである。セパレータとしては、公知のものを採用すればよく、ポリテトラフルオロエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリイミド、ポリアミド、ポリアラミド(Aromatic polyamide)、ポリエステル、ポリアクリロニトリル等の合成樹脂、セルロース、アミロース等の多糖類、フィブロイン、ケラチン、リグニン、スベリン等の天然高分子、セラミックスなどの電気絶縁性材料を1種若しくは複数用いた多孔体、不織布、織布などを挙げることができる。また、セパレータは多層構造としてもよい。 The separator separates the positive electrode from the negative electrode and allows lithium ions to pass through while preventing short circuits due to contact between the two electrodes. As the separator, a known one may be adopted, and synthetic resins such as polytetrafluoroethylene, polypropylene, polyethylene, polyimide, polyamide, polyaramid (aromatic polyamide), polyester, polyacrylonitrile, polysaccharides such as cellulose and amylose, and fibroin. , natural polymers such as keratin, lignin and suberin, and porous bodies, non-woven fabrics, and woven fabrics using one or a plurality of electrically insulating materials such as ceramics. Also, the separator may have a multilayer structure.

本発明のリチウムイオン二次電池の具体的な製造方法について述べる。
例えば、正極と負極とでセパレータを挟持して電極体とする。電極体は、正極、セパレータ及び負極を重ねた積層型、又は、正極、セパレータ及び負極の積層体を捲いた捲回型のいずれの型にしても良い。正極の集電体および負極の集電体から外部に通ずる正極端子および負極端子までを、集電用リード等を用いて接続した後に、電極体に本発明の電解液を加えてリチウムイオン二次電池とするとよい。
A specific method for manufacturing the lithium ion secondary battery of the present invention will be described.
For example, an electrode body is formed by sandwiching a separator between a positive electrode and a negative electrode. The electrode body may be of either a laminated type in which a positive electrode, a separator and a negative electrode are laminated, or a wound type in which a laminated body of a positive electrode, a separator and a negative electrode is wound. After connecting the current collector of the positive electrode and the current collector of the negative electrode to the positive electrode terminal and the negative electrode terminal leading to the outside using a current collecting lead or the like, the electrolyte solution of the present invention is added to the electrode body to form a lithium ion secondary. A battery may be used.

本発明のリチウムイオン二次電池の形状は特に限定されるものでなく、円筒型、角型、コイン型、ラミネート型等、種々の形状を採用することができる。 The shape of the lithium-ion secondary battery of the present invention is not particularly limited, and various shapes such as cylindrical, square, coin-shaped, and laminate-shaped can be employed.

本発明のリチウムイオン二次電池は、高電位条件下での充放電に対する耐久性に優れる。よって、本発明のリチウムイオン二次電池は、高電位まで充電されるのが好ましい。ここでの高電位とは、リチウム基準で4V以上の電位を意味する。高電位の範囲としては、リチウム基準で4~5.5V、4.1~5V、4.2~4.8V、4.3~4.5Vを例示できる。 The lithium ion secondary battery of the present invention is excellent in durability against charging and discharging under high potential conditions. Therefore, the lithium ion secondary battery of the present invention is preferably charged to a high potential. A high potential here means a potential of 4 V or higher with respect to lithium. Examples of the high potential range include 4 to 5.5 V, 4.1 to 5 V, 4.2 to 4.8 V, and 4.3 to 4.5 V based on lithium.

また、本発明のリチウムイオン二次電池は、高温条件下で作動することができる。高温条件の範囲としては、40~80℃、50~70℃を例示できる。 Also, the lithium ion secondary battery of the present invention can operate under high temperature conditions. Examples of high temperature conditions include 40 to 80°C and 50 to 70°C.

本発明のリチウムイオン二次電池は、車両に搭載してもよい。車両は、その動力源の全部あるいは一部にリチウムイオン二次電池による電気エネルギーを使用している車両であればよく、例えば、電気車両、ハイブリッド車両などであるとよい。車両にリチウムイオン二次電池を搭載する場合には、リチウムイオン二次電池を複数直列に接続して組電池とするとよい。リチウムイオン二次電池を搭載する機器としては、車両以外にも、パーソナルコンピュータ、携帯通信機器など、電池で駆動される各種の家電製品、オフィス機器、産業機器などが挙げられる。さらに、本発明のリチウムイオン二次電池は、風力発電、太陽光発電、水力発電その他電力系統の蓄電装置及び電力平滑化装置、船舶等の動力及び/又は補機類の電力供給源、航空機、宇宙船等の動力及び/又は補機類の電力供給源、電気を動力源に用いない車両の補助用電源、移動式の家庭用ロボットの電源、システムバックアップ用電源、無停電電源装置の電源、電動車両用充電ステーションなどにおいて充電に必要な電力を一時蓄える蓄電装置に用いてもよい。 The lithium ion secondary battery of the present invention may be mounted on a vehicle. The vehicle may be any vehicle that uses electrical energy from a lithium-ion secondary battery as a power source in whole or in part, and may be, for example, an electric vehicle or a hybrid vehicle. When a lithium ion secondary battery is mounted on a vehicle, it is preferable to connect a plurality of lithium ion secondary batteries in series to form an assembled battery. Devices equipped with lithium ion secondary batteries include, in addition to vehicles, personal computers, mobile communication devices, various home electric appliances driven by batteries, office equipment, industrial equipment, and the like. Furthermore, the lithium ion secondary battery of the present invention is used for wind power generation, solar power generation, hydraulic power generation, and other power storage devices and power smoothing devices for power systems, power sources for ships and/or auxiliary equipment, aircraft, power source for spacecraft and/or auxiliary equipment, auxiliary power source for vehicles that do not use electricity as a power source, power source for mobile home robots, power source for system backup, power source for uninterruptible power supply, It may be used as a power storage device that temporarily stores electric power required for charging in a charging station for an electric vehicle.

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲において、当業者が行い得る変更、改良等を施した種々の形態にて実施することができる。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above embodiments. Various modifications, improvements, etc. that can be made by those skilled in the art can be implemented without departing from the scope of the present invention.

以下に、実施例及び比較例などを示し、本発明をより具体的に説明する。なお、本発明は、これらの実施例によって限定されるものではない。 EXAMPLES The present invention will be described more specifically below with reference to examples, comparative examples, and the like. It should be noted that the present invention is not limited by these examples.

(実施例1)
エーテル系溶媒である4-メチルテトラヒドロピランに(FSONLi及び第四級アンモニウム塩である1-ブチル-1-メチルピロリジニウム ブロマイドを溶解して、(FSONLiの濃度が1.01mol/Lであり、第四級アンモニウム塩の濃度が0.01mol/Lである実施例1の電解液を製造した。
実施例1の電解液において、(FSONLiに対する第四級アンモニウム塩の割合は1mol%である。
(Example 1)
(FSO 2 ) 2 NLi and 1-butyl-1-methylpyrrolidinium bromide, which is a quaternary ammonium salt, were dissolved in 4-methyltetrahydropyran, which is an ether solvent, so that the concentration of (FSO 2 ) 2 NLi was 1.01 mol/L and the concentration of the quaternary ammonium salt was 0.01 mol/L.
In the electrolytic solution of Example 1, the ratio of the quaternary ammonium salt to (FSO 2 ) 2 NLi is 1 mol %.

実施例1の電解液を用いて、実施例1-Pのリチウムイオン二次電池を、以下のとおり製造した。 Using the electrolytic solution of Example 1, a lithium ion secondary battery of Example 1-P was manufactured as follows.

正極活物質として層状岩塩構造を示すLiNi0.866Co0.096Al0.038、結着剤としてポリフッ化ビニリデン及び導電助剤としてアセチレンブラックを、LiNi0.866Co0.096Al0.038とポリフッ化ビニリデンとアセチレンブラックとの質量比が95.7:2:2.3となるように混合し、溶剤としてのN-メチル-2-ピロリドンを添加してスラリーとした。正極用集電体としてアルミニウム箔を準備した。このアルミニウム箔の表面に、ドクターブレードを用いて、上記スラリーを膜状に塗布した。スラリーが塗布されたアルミニウム箔を乾燥することで、溶剤を除去した。以上の手順で、アルミニウム箔の表面に正極活物質層が形成された正極を製造した。 LiNi 0.866 Co 0.096 Al 0.038 O 2 showing a layered rock salt structure as a positive electrode active material, polyvinylidene fluoride as a binder, acetylene black as a conductive aid, and LiNi 0.866 Co 0.096 Al 0 .038 O 2 , polyvinylidene fluoride, and acetylene black were mixed in a mass ratio of 95.7:2:2.3, and N-methyl-2-pyrrolidone was added as a solvent to prepare a slurry. An aluminum foil was prepared as a positive electrode current collector. A doctor blade was used to apply the slurry to the surface of the aluminum foil in a film form. The solvent was removed by drying the aluminum foil coated with the slurry. Through the above procedure, a positive electrode in which a positive electrode active material layer was formed on the surface of an aluminum foil was manufactured.

正極を評価極とした。厚さ500μmの金属リチウム箔を対極とした。セパレータとしてガラスフィルター(ヘキストセラニーズ社)及び単層ポリプロピレンであるcelgard2400(ポリポア株式会社)を準備した。対極、ガラスフィルター、celgard2400、評価極の順に、2種のセパレータを対極と評価極で挟持し電極体とした。この電極体をコイン型電池ケースCR2032(宝泉株式会社)に収容し、さらに実施例1の電解液を注入して、コイン型電池を得た。これを実施例1-Pのリチウムイオン二次電池とした。 The positive electrode was used as an evaluation electrode. A metallic lithium foil having a thickness of 500 μm was used as the counter electrode. A glass filter (Hoechst Celanese) and celgard 2400 (Polypore Co., Ltd.), which is a single-layer polypropylene, were prepared as separators. Two types of separators were sandwiched between the counter electrode and the evaluation electrode in the order of the counter electrode, the glass filter, celgard2400, and the evaluation electrode to form an electrode assembly. This electrode body was housed in a coin-shaped battery case CR2032 (Hosen Co., Ltd.), and the electrolytic solution of Example 1 was further injected to obtain a coin-shaped battery. This was used as the lithium ion secondary battery of Example 1-P.

実施例1の電解液を用いて、実施例1-Nのリチウムイオン二次電池を、以下のとおり製造した。 Using the electrolytic solution of Example 1, a lithium ion secondary battery of Example 1-N was manufactured as follows.

重量平均分子量150万のポリアクリル酸と3,5-ジアミノ安息香酸と水を混合して、混合水溶液とした。ここで、ポリアクリル酸を構成するアクリル酸モノマーと3,5-ジアミノ安息香酸のモル比は16:1とした。
窒素ガス雰囲気下、混合水溶液を80℃で2時間撹拌することで、結着剤溶液を製造した。なお、結着剤溶液において、水の含有量は85質量%であった。
Polyacrylic acid having a weight average molecular weight of 1,500,000, 3,5-diaminobenzoic acid, and water were mixed to form a mixed aqueous solution. Here, the molar ratio of acrylic acid monomers constituting polyacrylic acid and 3,5-diaminobenzoic acid was set to 16:1.
A binder solution was produced by stirring the mixed aqueous solution at 80° C. for 2 hours in a nitrogen gas atmosphere. The water content in the binder solution was 85% by mass.

結晶性シリコン粉末を炭素で被覆したSi含有負極活物質を準備した。
Si含有負極活物質80質量部、導電助剤としてアセチレンブラック10質量部、結着剤として固形分が10質量部となる量の上記結着剤溶液、及び、適量の水を混合して、スラリーを製造した。負極用集電体として銅箔を準備した。この銅箔の表面に、ドクターブレードを用いて、上記スラリーを膜状に塗布した。スラリーが塗布された銅箔を乾燥することで、水を除去した。その後、プレスし、230℃で加熱するとの手順で、銅箔の表面に負極活物質層が形成された負極を製造した。
A Si-containing negative electrode active material was prepared by coating crystalline silicon powder with carbon.
80 parts by mass of the Si-containing negative electrode active material, 10 parts by mass of acetylene black as a conductive aid, the above binder solution in an amount such that the solid content is 10 parts by mass as a binder, and an appropriate amount of water are mixed to form a slurry. manufactured. A copper foil was prepared as a current collector for the negative electrode. A doctor blade was used to apply the slurry to the surface of this copper foil in the form of a film. Water was removed by drying the copper foil coated with the slurry. After that, a negative electrode having a negative electrode active material layer formed on the surface of the copper foil was manufactured by a procedure of pressing and heating at 230°C.

負極を径11mmに裁断し、評価極とした。厚さ500μmの金属リチウム箔を径13mmに裁断し対極とした。セパレータとしてガラスフィルター(ヘキストセラニーズ社)及び単層ポリプロピレンであるcelgard2400(ポリポア株式会社)を準備した。対極、ガラスフィルター、celgard2400、評価極の順に、2種のセパレータを対極と評価極で挟持し電極体とした。この電極体をコイン型電池ケースCR2032(宝泉株式会社)に収容し、さらに実施例1の電解液を注入して、コイン型電池を得た。これを実施例1-Nのリチウムイオン二次電池とした。 The negative electrode was cut to a diameter of 11 mm and used as an evaluation electrode. A metallic lithium foil having a thickness of 500 μm was cut into a diameter of 13 mm to form a counter electrode. A glass filter (Hoechst Celanese) and celgard 2400 (Polypore Co., Ltd.), which is a single-layer polypropylene, were prepared as separators. Two types of separators were sandwiched between the counter electrode and the evaluation electrode in the order of the counter electrode, the glass filter, celgard2400, and the evaluation electrode to form an electrode assembly. This electrode body was housed in a coin-shaped battery case CR2032 (Hosen Co., Ltd.), and the electrolytic solution of Example 1 was further injected to obtain a coin-shaped battery. This was used as the lithium ion secondary battery of Example 1-N.

(実施例2)
エーテル系溶媒である4-メチルテトラヒドロピランに(FSONLi及び第四級アンモニウム塩である1-ブチル-1-メチルピロリジニウム ブロマイドを溶解して、(FSONLiの濃度が1.01mol/Lであり、第四級アンモニウム塩の濃度が0.05mol/Lである実施例2の電解液を製造した。
実施例2の電解液において、(FSONLiに対する第四級アンモニウム塩の割合は5mol%である。
(Example 2)
(FSO 2 ) 2 NLi and 1-butyl-1-methylpyrrolidinium bromide, which is a quaternary ammonium salt, were dissolved in 4-methyltetrahydropyran, which is an ether solvent, so that the concentration of (FSO 2 ) 2 NLi was 1.01 mol/L and the electrolyte of Example 2 with a concentration of quaternary ammonium salt of 0.05 mol/L was prepared.
In the electrolyte solution of Example 2, the ratio of the quaternary ammonium salt to (FSO 2 ) 2 NLi is 5 mol %.

実施例2の電解液を用いたこと以外は、実施例1と同様の方法で、実施例2-Pのリチウムイオン二次電池を製造した。 A lithium ion secondary battery of Example 2-P was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the electrolyte solution of Example 2 was used.

(比較例1)
第四級アンモニウム塩を使用しなかったこと以外は、実施例1と同様の方法で、比較例1の電解液、比較例1-Pのリチウムイオン二次電池及び比較例1-Nのリチウムイオン二次電池を製造した。
(Comparative example 1)
In the same manner as in Example 1, except that the quaternary ammonium salt was not used, the electrolyte solution of Comparative Example 1, the lithium ion secondary battery of Comparative Example 1-P, and the lithium ion of Comparative Example 1-N A secondary battery was manufactured.

(評価例1)
実施例1-P、実施例2-P及び比較例1-Pのリチウムイオン二次電池に対して、60℃の条件下、0.2mAで4.35Vまで充電し、0.2mAで3.0Vまで放電を行うとの初回充放電を行った。さらに、各リチウムイオン二次電池に対して、60℃の条件下、0.5mAで4.35Vまで充電し、0.5mAで3.0Vまで放電を行うとの充放電を20回繰り返した。以下の式で、容量維持率を算出した。
容量維持率(%)=100×(20サイクル目の放電容量)/(1サイクル目の放電容量)
以上の結果を表1に示す。
(Evaluation example 1)
The lithium ion secondary batteries of Example 1-P, Example 2-P, and Comparative Example 1-P were charged at 0.2 mA to 4.35 V under the condition of 60° C., and charged at 0.2 mA to 3.5V. Initial charge/discharge was performed by discharging to 0V. Further, each lithium ion secondary battery was charged and discharged at 0.5 mA to 4.35 V and discharged at 0.5 mA to 3.0 V under the condition of 60° C., which was repeated 20 times. The capacity retention rate was calculated by the following formula.
Capacity retention rate (%) = 100 × (discharge capacity at 20th cycle) / (discharge capacity at 1st cycle)
Table 1 shows the above results.

Figure 0007243406000001
Figure 0007243406000001

表1から、電解液に第四級アンモニウム塩を添加することで、リチウムイオン二次電池の容量維持率が改善されたことがわかる。また、実施例1-P及び実施例2-Pの結果から、第四級アンモニウム塩の添加量は少量で足りることが理解できる。 Table 1 shows that the addition of the quaternary ammonium salt to the electrolytic solution improved the capacity retention rate of the lithium ion secondary battery. Also, from the results of Examples 1-P and 2-P, it can be understood that a small amount of the quaternary ammonium salt is sufficient.

(評価例2)
実施例1-N及び比較例1-Nのリチウムイオン二次電池に対して、60℃の条件下、0.2mAで0.01Vまで充電し、0.2mAで1.0Vまで放電を行うとの充放電を行った。以下の式で、初期効率を算出した。
初期効率(%)=100×(放電容量)/(充電容量)
以上の結果を表2に示す。
(Evaluation example 2)
When the lithium ion secondary batteries of Example 1-N and Comparative Example 1-N were charged to 0.01 V at 0.2 mA and discharged to 1.0 V at 0.2 mA under the condition of 60 ° C. was charged and discharged. The initial efficiency was calculated by the following formula.
Initial efficiency (%) = 100 x (discharge capacity) / (charge capacity)
Table 2 shows the above results.

Figure 0007243406000002
Figure 0007243406000002

表2から、初回放電容量及び初期効率の両パラメータにおいて、実施例1-Nのリチウムイオン二次電池は、比較例1-Nのリチウムイオン二次電池よりも、優れていることがわかる。 From Table 2, it can be seen that the lithium ion secondary battery of Example 1-N is superior to the lithium ion secondary battery of Comparative Example 1-N in both parameters of initial discharge capacity and initial efficiency.

また、評価例1及び評価例2は、60℃との高温条件下での試験であったが、本発明の電解液を備えるリチウムイオン二次電池は、好適な電池特性を示した。本発明の電解液を備えるリチウムイオン二次電池は、高温条件下での充放電にも耐性があると考えられる。 Moreover, although Evaluation Example 1 and Evaluation Example 2 were tests under a high temperature condition of 60° C., the lithium ion secondary battery provided with the electrolytic solution of the present invention exhibited favorable battery characteristics. A lithium ion secondary battery comprising the electrolyte solution of the present invention is considered to be resistant to charging and discharging under high temperature conditions.

Claims (9)

(FSONLi、第四級アンモニウム塩、及び、エーテル系溶媒を含有し、
前記第四級アンモニウム塩を前記(FSONLiに対して10mol%以下の割合で含有し、
電解液に含まれる全電解質に対する(FSO NLi及び第四級アンモニウム塩の合計量の割合が、60~100モル%であり、
電解液に含まれる全非水溶媒に対するエーテル系溶媒の割合が、60~100体積%であり、
前記エーテル系溶媒としてアルキル基で置換されていてもよい6員環のエーテルを含有し、前記6員環のエーテルがアルキル基で置換されている場合、6員環の炭素に結合し得るアルキル基はエーテルの酸素に隣接しない炭素に結合することを特徴とする電解液。
(FSO 2 ) 2 NLi, a quaternary ammonium salt, and an ether solvent,
containing the quaternary ammonium salt at a ratio of 10 mol% or less with respect to the (FSO 2 ) 2 NLi ,
The ratio of the total amount of (FSO 2 ) 2 NLi and the quaternary ammonium salt to the total electrolyte contained in the electrolytic solution is 60 to 100 mol%,
The ratio of the ether solvent to the total non-aqueous solvent contained in the electrolytic solution is 60 to 100% by volume,
When the ether-based solvent contains a 6-membered ring ether optionally substituted with an alkyl group, and the 6-membered ring ether is substituted with an alkyl group, an alkyl group that can bond to the carbon of the 6-membered ring is bound to carbons not adjacent to the oxygen of the ether .
(FSONLi、第四級アンモニウム塩、及び、エーテル系溶媒のみからなり
前記第四級アンモニウム塩を前記(FSONLiに対して10mol%以下の割合で含有し、
前記エーテル系溶媒としてアルキル基で置換されていてもよい6員環のエーテルを含有し、前記6員環のエーテルがアルキル基で置換されている場合、6員環の炭素に結合し得るアルキル基はエーテルの酸素に隣接しない炭素に結合することを特徴とする電解液。
(FSO 2 ) 2 NLi, a quaternary ammonium salt, and an ether solvent only ,
containing the quaternary ammonium salt at a ratio of 10 mol% or less with respect to the (FSO 2 ) 2 NLi ,
When the ether-based solvent contains a 6-membered ring ether optionally substituted with an alkyl group, and the 6-membered ring ether is substituted with an alkyl group, an alkyl group that can bond to the carbon of the 6-membered ring is bound to carbons not adjacent to the oxygen of the ether .
(FSONLi、第四級アンモニウム塩、及び、エーテル系溶媒を含有し、
前記第四級アンモニウム塩を前記(FSONLiに対して10mol%以下の割合で含有し、
電解液に含まれる全電解質に対する(FSO NLi及び第四級アンモニウム塩の合計量の割合が、60~100モル%であり、
電解液に含まれる全非水溶媒に対するエーテル系溶媒の割合が、60~100体積%であり、
前記エーテル系溶媒としてアルキル基で置換されていてもよい6員環のエーテルを含有し、前記6員環のエーテルがアルキル基で置換されている場合、6員環の炭素に結合し得るアルキル基はエーテルの酸素に隣接しない炭素に結合することを特徴とする電解液(但し、前記電解液が半固体電解質用の半固体電解液である場合を除く)
(FSO 2 ) 2 NLi, a quaternary ammonium salt, and an ether solvent,
containing the quaternary ammonium salt at a ratio of 10 mol% or less with respect to the (FSO 2 ) 2 NLi ,
The ratio of the total amount of (FSO 2 ) 2 NLi and the quaternary ammonium salt to the total electrolyte contained in the electrolytic solution is 60 to 100 mol%,
The ratio of the ether solvent to the total non-aqueous solvent contained in the electrolytic solution is 60 to 100% by volume,
When the ether-based solvent contains a 6-membered ring ether optionally substituted with an alkyl group, and the 6-membered ring ether is substituted with an alkyl group, an alkyl group that can bond to the carbon of the 6-membered ring is bonded to a carbon not adjacent to an ether oxygen (except when said electrolyte is a semi-solid electrolyte for a semi-solid electrolyte) .
(FSONLi、第四級アンモニウム塩、及び、エーテル系溶媒のみからなり
前記第四級アンモニウム塩を前記(FSONLiに対して10mol%以下の割合で含有し、
前記エーテル系溶媒としてアルキル基で置換されていてもよい6員環のエーテルを含有し、前記6員環のエーテルがアルキル基で置換されている場合、6員環の炭素に結合し得るアルキル基はエーテルの酸素に隣接しない炭素に結合することを特徴とする電解液(但し、前記電解液が半固体電解質用の半固体電解液である場合を除く)
(FSO 2 ) 2 NLi, a quaternary ammonium salt, and an ether solvent only ,
containing the quaternary ammonium salt at a ratio of 10 mol% or less with respect to the (FSO 2 ) 2 NLi ,
When the ether-based solvent contains a 6-membered ring ether optionally substituted with an alkyl group, and the 6-membered ring ether is substituted with an alkyl group, an alkyl group that can bond to the carbon of the 6-membered ring is bonded to a carbon not adjacent to an ether oxygen (except when said electrolyte is a semi-solid electrolyte for a semi-solid electrolyte) .
前記アルキル基で置換されていてもよい6員環のエーテルは4-メチルテトラヒドロピランである、請求項1~4のいずれか1項に記載の電解液。 The electrolytic solution according to any one of claims 1 to 4, wherein the 6-membered ring ether optionally substituted with an alkyl group is 4-methyltetrahydropyran. 前記第四級アンモニウム塩のアニオンが、ハロゲン、ClO、カルボキシレート、フォスフェート、スルホネート、ビスオキサレートボレート、AlCl、NO、NO、AsF、BF4-x(C2n+1)(ただし、nは1~4の整数である。xは0~4の整数である。)、PF6-x(C2n+1)(ただし、nは1~4の整数である。xは0~6の整数である。)から選択される請求項1~5のいずれか1項に記載の電解液。 The anion of said quaternary ammonium salt is halogen, ClO 4 , carboxylate, phosphate, sulfonate, bisoxalateborate, AlCl 4 , NO 2 , NO 3 , AsF 6 , BF 4-x (C n F 2n+1 ) x (where n is an integer of 1 to 4; x is an integer of 0 to 4), PF 6-x (C n F 2n+1 ) x (where n is an integer of 1 to 4; The electrolyte solution according to any one of claims 1 to 5 , wherein x is an integer of 0 to 6.). 前記第四級アンモニウム塩を前記(FSONLiに対して0.01~4mol%の割合で含有する請求項1~のいずれか1項に記載の電解液。 7. The electrolytic solution according to any one of claims 1 to 6 , wherein the quaternary ammonium salt is contained in a ratio of 0.01 to 4 mol% with respect to the (FSO 2 ) 2 NLi. 前記(FSONLiの濃度が0.5~5mol/Lの範囲内である請求項1~のいずれか1項に記載の電解液。 The electrolytic solution according to any one of claims 1 to 7, wherein the concentration of (FSO 2 ) 2 NLi is within the range of 0.5 to 5 mol/L. 正極、負極、及び、請求項1~のいずれか1項に記載の電解液を備えるリチウムイオン二次電池。 A lithium ion secondary battery comprising a positive electrode, a negative electrode, and the electrolytic solution according to any one of claims 1 to 8 .
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