JP7287251B2 - 電解液及びリチウムイオン二次電池 - Google Patents
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Description
負極活物質として黒鉛を用いるリチウムイオン二次電池の場合、充電時に非水溶媒がリチウムイオンと共に黒鉛の層間に挿入されることがある(以下、この現象を共挿入という。)。かかる共挿入に因り、黒鉛の層状構造が破壊されて、負極活物質としての機能が低下すると考えられている。しかし、非水溶媒として環状カーボネートを含有する電解液においては、充電時に環状カーボネートが還元分解されることで黒鉛の表面にSEI(Solid Electrolyte Interphase)被膜が生成される。SEI被膜の存在に因り、共挿入が抑制されるので、黒鉛の劣化が抑制される。
ここで、1,2-ジメトキシエタンのみを非水溶媒として含有し、(CF3SO2)2NLiの濃度が3Mである電解液においては、リチウムイオンに対する1,2-ジメトキシエタンのモル比は2である。
他方、リチウム塩に対する1,2-ジメトキシエタンのモル比が概ね2を超える電解液には、非配位の1,2-ジメトキシエタンが存在することになる。そして、非配位の1,2-ジメトキシエタンが存在する電解液、及び、負極活物質として黒鉛を備えるリチウムイオン二次電池においては、黒鉛への共挿入が発生し、満足な充放電反応を行うことができないといえる。
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、新たな電解液を提供することを目的とする。
その結果、(FSO2)2NLiに対する1,2-ジメトキシエタンのモル比が1.5及び2である電解液は黒鉛に対して可逆的な反応が可能であることが確認されたが、(FSO2)2NLiに対する1,2-ジメトキシエタンのモル比が3、4及び8である電解液は黒鉛に対して共挿入することが示唆された。上述の背景技術で述べたことが裏付けられたといえる。
1,2-ジアルコキシエタンは1種類でもよいし、複数種類を併用してもよい。
そして、1分子の(FSO2)2NLiに対して概ね2分子の1,2-ジアルコキシエタンが配位可能であると考えられるところ、本発明の電解液には、錯体形成に関与しない1,2-ジアルコキシエタンが存在すると考えられる。従来の知見によれば、錯体形成に関与しない1,2-ジアルコキシエタンの存在が共挿入の原因となると推定されていたが、本発明の電解液に含まれるフッ素置換エーテルの存在に因り、何らかの電子的相互作用が生じた結果、本発明の電解液は黒鉛に対する可逆的な反応が可能になったと考えられる。
一般式(A) CnHaFbOCmHcFd
一般式(A)において、nは1以上の整数であり、aは0以上の整数であり、bは1以上の整数であり、2n+1=a+bを満足する。mは1以上の整数であり、cは0以上の整数であり、dは0以上の整数である。2m+1=c+dを満足する。
一般式(B) CnHaFbOCmHcFd
一般式(B)において、nは3以上の整数であり、aは0以上の整数であり、bは1以上の整数であり、2n-1=a+bを満足する。mは3以上の整数であり、cは0以上の整数であり、dは0以上の整数である。2m-1=c+dを満足する。
一般式(C) CnHaFbOCmHcFd
一般式(C)において、nは1以上の整数であり、aは0以上の整数であり、bは0以上の整数であり、2n+1=a+bを満足する。mは3以上の整数であり、cは0以上の整数であり、dは0以上の整数である。2m-1=c+dを満足する。ただし、b+d≧1を満足する。
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。
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。
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。
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。
以下の表1で示すモル比で、(FSO2)2NLi、1,2-ジメトキシエタン及びフッ素置換エーテルを混合し、(FSO2)2NLiを溶解して、母液とした。母液に対して1質量%に該当する量のビニレンカーボネートを添加して、各電解液を製造した。フッ素置換エーテルとしては、CHF2CF2CH2OCF2CHF2を採用した。
以下の表において、LiFSAとは(FSO2)2NLiを意味し、DMEとは1,2-ジメトキシエタンを意味し、HFEとはフッ素置換エーテルを意味する。
従来の知見のとおり、(FSO2)2NLiに対する1,2-ジメトキシエタンのモル比r1が1.5及び2である電解液は黒鉛への可逆的な反応が可能であり、(FSO2)2NLiに対する1,2-ジメトキシエタンのモル比r1が3、4及び8である電解液は黒鉛への可逆的な反応が困難であることが裏付けられたといえる。
(FSO2)2NLiに対する1,2-ジメトキシエタンのモル比r1が3及び4である電解液に、フッ素置換エーテルを配合することで、リチウムイオン-黒鉛挿入反応を行うことが可能になったといえる。
以下の表2で示すモル比で、(FSO2)2NLi、1,2-ジメトキシエタン及びフッ素置換エーテルを混合し、(FSO2)2NLiを溶解して、各電解液を製造した。フッ素置換エーテルとしては、CHF2CF2CH2OCF2CHF2を採用した。
また、化学シフト値と(FSO2)2NLiに対するフッ素置換エーテルのモル比r2との関係を示すグラフを図5及び図6に示し、化学シフト値と1,2-ジメトキシエタンに対するフッ素置換エーテルのモル比r3との関係を示すグラフを図7及び図8に示す。
なお、各グラフにおいて、フッ素置換エーテルを含有しない電解液を×で示し、フッ素置換エーテルを含有する電解液を●で示した。
また、図5~図8のグラフから、フッ素置換エーテルの存在に因り、1,2-ジメトキシエタンのエチレン部分の水素及び炭素の化学シフト値が低下することがわかる。すなわち、フッ素置換エーテルの存在に因り、1,2-ジメトキシエタンのエチレン部分の水素及び炭素の電子密度は増加するといえる。
評価例1から、フッ素置換エーテルを含有していない電解液の場合、r1が1.5及び2である電解液は黒鉛への可逆的な反応が可能であり、(FSO2)2NLiに対する1,2-ジメトキシエタンのモル比r1が3である電解液は黒鉛への可逆的な反応が困難であるとの知見を得た。
評価例2において、フッ素置換エーテルを含有していない電解液の結果を鑑みると、1,2-ジメトキシエタンのエチレン部分の水素及び炭素の電子密度が高い電解液は、黒鉛への可逆的な反応に対して、有利といえる。
(FSO2)2NLiに対する1,2-ジメトキシエタンのモル比r1が3及び4である電解液に、フッ素置換エーテルを配合することで、リチウムイオン-黒鉛挿入反応を行うことが可能になったのは、1,2-ジメトキシエタンのエチレン部分の水素及び炭素の電子密度が増加したことに関連があるといえる。
以下の表4で示すモル比で、(FSO2)2NLi、1,2-ジメトキシエタン及びフッ素置換エーテルを混合し、(FSO2)2NLiを溶解して、母液とした。母液に対して1質量%に該当する量のビニレンカーボネートを添加して、各電解液を製造した。フッ素置換エーテルとしては、CHF2CF2CH2OCF2CHF2を採用した。
表4の電解液を用いたこと以外は、評価例1と同様の方法で、リチウムイオン二次電池を製造した。
以下の条件で、リチウムイオン二次電池のインピーダンスを測定し、得られた複素インピーダンス平面プロットの曲線から、抵抗成分を分離して、配線抵抗及び溶液抵抗の和である純抵抗を算出した。なお、純抵抗は、複素インピーダンス平面プロットの曲線と実軸との交点のうち最も左側の点から原点までの距離に相当する。
<条件>
測定電位:0.13V(vs Li/Li+)
周波数:1MHz-0.05Hz
振幅:5mV
温度:25℃
25℃の条件下、1Cにてリチウムイオン二次電池を電圧3.80Vまで充電した後に、印加を10分間休止した。印加休止前後の電圧変化量を過電圧とした。
純抵抗又は過電圧と、電解液のパラメータの関係のグラフを図9~図12に示す。
以下の表6で示すモル比で、(FSO2)2NLi、1,2-ジメトキシエタン及びフッ素置換エーテルを混合し、(FSO2)2NLiを溶解して、各電解液を製造した。フッ素置換エーテルとしては、CHF2CF2CH2OCF2CHF2を採用した。
各電解液につき、以下の条件で、イオン伝導度を測定した。結果を表6に示す。
<イオン伝導度>
白金極を備えたセルに電解液を封入し、25℃、10kHzでの抵抗を測定した。抵抗の測定結果から、イオン伝導度を算出した。測定機器はSolartron 147055BEC(ソーラトロン社)を使用した。
以下の表7で示すモル比で、(FSO2)2NLi、1,2-ジメトキシエタン及びフッ素置換エーテルを混合し、(FSO2)2NLiを溶解して、各電解液を製造した。フッ素置換エーテルとしては、CHF2CF2CH2OCF2CHF2を採用した。
各電解液につき、B型粘度計(Brookfield社、DV2T)にて、コーン型スピンドルを用い、室温条件での粘度を測定した。結果を表7に示す。また、(FSO2)2NLiに対するフッ素置換エーテルのモル比と粘度との関係を示すグラフを図13に示す。
以下の表8で示すモル比で、(FSO2)2NLi、1,2-ジメトキシエタン及びフッ素置換エーテルを混合し、(FSO2)2NLiを溶解して、母液とした。母液に対して1質量%に該当する量のビニレンカーボネートを添加して、各電解液を製造した。フッ素置換エーテルとしては、CHF2CF2CH2OCF2CHF2を採用した。
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。
クーロン効率=100×(放電容量)/(充電容量)
初回充放電後の各リチウムイオン二次電池に対して、25℃、0.33Cで、3.87Vまで充電し、3.08Vまで放電する充放電サイクルを10回行った。その後、各リチウムイオン二次電池に対して、初回充放電と同じ条件での充放電を行い、得られた放電容量をサイクル後の放電容量とした。
クーロン効率、初回放電容量、サイクル後の放電容量の結果を表9に示す。
Claims (7)
- (FSO2)2NLi、1,2-ジアルコキシエタン及びフッ素置換エーテルを含有し、前記(FSO2)2NLiに対する前記1,2-ジアルコキシエタンのモル比r1がr1>2.1であり、前記フッ素置換エーテルが下記一般式(A)で表されることを特徴とする電解液。
一般式(A) C n H a F b OC m H c F d
一般式(A)において、nは1以上の整数であり、aは0以上の整数であり、bは1以上の整数であり、2n+1=a+bを満足する。
mは1以上の整数であり、cは0以上の整数であり、dは0以上の整数である。2m+1=c+dを満足する。 - 前記(FSO2)2NLiに対する前記フッ素置換エーテルのモル比r2が、r2≧0.1である請求項1に記載の電解液。
- 前記1,2-ジアルコキシエタンに対する前記フッ素置換エーテルのモル比r3が、r3≧0.1である請求項1又は2に記載の電解液。
- 前記r1が2.1<r1<3を満足する請求項1~3のいずれか1項に記載の電解液。
- 前記(FSO2)2NLiの濃度が0.5~3.5mol/Lの範囲内である請求項1~4のいずれか1項に記載の電解液。
- 正極、負極、及び、請求項1~5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。
- 前記負極が黒鉛を備える請求項6に記載のリチウムイオン二次電池。
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