JP7334756B2 - 非水系二次電池の不活性化剤及び非水系二次電池の不活性化方法 - Google Patents
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Description
非水系二次電池を不活性化する不活性化剤であって、
酸化還元電位がLi基準電位で前記非水系二次電池の負極活物質よりも高く前記非水系二次電池の正極活物質よりも低いフェノチアジン系化合物と、非水系溶媒と、を含む、
ものである。
前記非水系二次電池の内部に、上述の非水系二次電池の不活性化剤を添加する添加工程、を含む、
ものである。
まず、不活性化の対象となる非水系二次電池について説明する。非水系二次電池は、正極活物質を有する正極と、負極活物質を有する負極と、正極と負極との間に介在しキャリアイオンを伝導する非水系のイオン伝導媒体と、を備えている。キャリアイオンとしては、例えば、第1族元素イオンや第2族元素イオンが挙げられる。第1族元素イオンとしては、例えば、リチウムイオンやナトリウムイオン、カリウムイオンが挙げられる。第2族元素イオンとしては、例えば、マグネシウムイオン、カルシウムイオンが挙げられる。以下では、説明の便宜のため、非水系二次電池がリチウムイオン二次電池である場合について主に説明する。
次に、不活性化剤について説明する、不活性化剤は、フェノチアジン系化合物と、非水系溶媒と、を含む。
R2=4×(Dp-Ds)2+(Pp-Ps)2+(Hp-Hs)2 ・・・数式(1)
IL=4nFrDC ・・・数式(2)
この数式(2)から、非水系溶媒にフェノチアジン系化合物を加えたときの拡散係数Dを算出できる。拡散係数Dは、例えば2.0×10-9m2/sec以上としてもよく、3.0×10-9m2/sec以上としてもよく、5.0×10-9m2/sec以上としてもよい。拡散係数Dは例えば15×10-9m2/sec以下としてもよい。なお、本明細書では、拡散係数は20℃での拡散係数とする。測定溶液は、例えばLiTFSIに代えてLiTFSI以外の支持電解質を溶解させたものとしてもよい。測定溶液は、支持電解質の溶解度に応じて支持電解質の濃度を調整してもよく、支持電解質の濃度に対してフェノチアジン系化合物の濃度が1/20又はそれ以下になるようにしてもよい。測定溶液は、例えば、フェノチアジン系化合物を5×10-2mol/L、LiPF6を1.0mol/L溶解させたものとしてもよい。
続いて、上述した不活性化剤を用いて上述した非水系二次電池を不活性化する方法について説明する。この不活性化方法は、非水系二次電池の内部に不活性化剤を添加する添加工程を含む。
[実施例1]
(1)非水系二次電池
非水系二次電池として、4.1Vの電圧及び17mAhの容量を有するリチウム二次電池を以下のように用意した。LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2(満充電時の酸化還元電位はLi基準電位で4.2V)、アセチレンブラック及びポリフッ化ビニリデン(PVdF)を重量比で93:4:3で混合した正極合材をアルミニウム集電箔に塗工して乾燥し、正極を得た。また、黒鉛(満充電時の酸化還元電位はLi基準電位で0.1V)、鱗状黒鉛(満充電時の酸化還元電位はLi基準電位で0.1V)、カルボキシメチルセルロース(CMC)及びスチレンブタジエンゴム(SBR)を重量比で93.1:4.9:1:1で混合した負極合材を銅集電箔に塗工して乾燥し、負極を得た。エチレンカーボネート(EC)、ジメチルカーボネート(DMC)及びエチルメチルカーボネート(EMC)を約3:4:3の体積比で混合し、リチウム塩としてLiPF6を1mol/Lとなるように加
えてイオン伝導媒体を調製した。得られた正極と負極の間に、ポリエチレン製セパレータを間に挟み、イオン伝導媒体0.45mLをセパレータにしみこませたのち、ラミネートパックに封入した。そして、電池電圧が4.1Vとなるまで初期充電を行い、初期充電状態のリチウム二次電池を用意した。
DMC、EMC及びECを4:3:3の体積比で混合した非水系溶媒に、フェノチアジンを0.1mol/Lの濃度となるように溶解して不活性化剤を調製した。
初期充電状態のリチウム二次電池に対し、常温25℃にて、注射により不活性化剤1.2mLを一度に全量を注入し、不活性雰囲気内で注射孔を封じ、正極合材、セパレータ及び負極合材が密着した状態を保ったままでリチウム二次電池を静置した。
フェノチアジン0.1mol/Lに代えて4-メトキシ-2,2,6,6-テトラメチルピペリジン1-オキシル(MeO-TEMPO)を0.1mmol/L含む不活性化剤を用いた以外は、実施例1と同様に非水系二次電池の不活性化を行った。
[参考例1]
DMC、EMC及びECを4:3:3の体積比で混合した非水系溶媒にフェノチアジンを50mmol/L、LiPF6を1000mmol/Lの濃度となるように溶解した溶液を用意し、H型セルを用いて掃引速度を変えてサイクリックボルタメトリ法で電流の測定を行った。作用極としてグラッシーカーボン、対極としてリチウム金属、参照電極としてニッケル線にリチウム金属を圧着したものを用いた。測定温度は20℃とし、電位はリチウム金属の析出電位に対して2.8V~4.0Vの間往復し、掃引速度は0.167mV/secから50mV/secで測定を実施した。
フェノチアジン50mmol/Lに代えてMeO-TEMPOを50mmol/L含む溶液を用い、電位の掃引範囲を2.5~4.3Vに変更した以外は、参考例1と同様の測定を実施した。
フェノチアジン50mmol/Lに代えてヨウ化リチウムを50mmol/L含む溶液を用い、電位の掃引範囲を1.0~4.3Vに変更した以外は、参考例1と同様の測定を実施した。
[参考例4]
フェノチアジン系化合物に対して、密度汎関数法により中性分子とカチオンラジカルの酸化還元電位を計算した。Gaussian09 Revision Eパッケージで汎関数t及び基底関数にB3LYP及び6-311++G(d,p)を用い、連続分極モデルにより誘電率を29.11として溶媒和効果を取り入れた。計算したフェノチアジン系化合物はフェノチアジン、2-トリフルオロメチルフェノチアジン、2-メトキシフェノチアジン、10-メチルフェノチアジン、2-エチルチオフェノチアジン、2-メチルチオフェノチアジン、2-クロロフェノチアジン、2-アセチルフェノチアジンである。
図3に、実施例1及び比較例1の実験結果を示す。図3は、不活性化剤を添加してからの時間と電池電圧との関係を示すグラフである。図3に示すように、不活性化剤として100mmol/Lのフェノチアジンを含む溶液を用いた実施例1では、注液完了から50時間程度で100mV以下まで電池電圧を低下させることができた。一方、不活性化剤として0.1mmol/LのMeO-TEMPOを含む溶液を用いた比較例1では、注液から100時間経過した状態でも電圧低下は0.3V以下であり、実施例1で同等の電圧低下に要した時間の1000倍程度であった。
[実施例2~5]
実施例2では、不活性化剤の非水系溶媒を1,2-ジメトキシエタン(DME)に変更した以外は、実施例1と同様に非水系二次電池の不活性化を行った。実施例3では、不活性化剤のフェノチアジンの濃度を0.5mol/Lに変更し、不活性化剤の注入量を0.24mLに変更した以外は、実施例2と同様に非水系二次電池の不活性化を行った。実験例4では、不活性化剤のフェノチアジンの濃度を1.0mol/Lに変更し、不活性化剤の注入量を0.12mLに変更した以外は実施例2と同様に非水系二次電池の不活性化を行った。実施例5では、不活性化剤の非水系溶媒をEC:DMC:EMCを3:4:3の体積比で混合した溶媒に変更した以外は実施例2と同様に非水系二次電池の不活性化を行った。なお、実施例2では2試料、実施例3では4試料、実施例4では3試料、実施例5では2試料について不活性化(無害化)を行った。
[参考例5]
フェノチアジンを5mmol/L、リチウムビス(トリフルオロメチルスルフォニル)イミド(LiTFSI)を100mmol/LとなるようにDME溶媒に溶解させた溶液を用意して、H型セルを用いて電位の掃引速度を変えてサイクリックボルタメトリ法で電流の測定を行った。作用極としてグラッシーカーボン(電極面積0.070cm2)、対極としてリチウム金属、参照電極としてニッケル線にリチウム金属を圧着したものを用いた。測定温度は20℃とし、電位はリチウム金属の析出電位に対して3.0V~4.3Vの間往復し、掃引速度は1mV/secから50mV/secで測定を実施した。
フェノチアジンを50mmol/L、LiPF6を1000mmol/Lとなるように、カーボネート溶媒(EC:DMC:EMCを3:4:3の体積比で混合した溶媒)に溶解させた溶液を用意して、H型セルを用いて電位の掃引速度を変えてサイクリックボルタメトリ法で電流の測定を行った。作用極としてグラッシーカーボン(電極面積0.0070cm2)、対極としてリチウム金属、参照電極としてニッケル線にリチウム金属を圧着したものを用いた。測定温度は20℃とし、電位はリチウム金属の析出電位に対して2.8V~4.0Vの間往復し、掃引速度は1mV/secからから50mV/secで測定を実施した。
各種溶媒について、溶媒へのフェノチアジンの25℃での溶解度を調べた。まず、メスシリンダーにマグネチックスターラーを入れて、フェノチアジンを0.2~2.4gの間の適量用意し、フェノチアジンの溶け残りがなくなるまで溶媒を滴下した。滴下完了時の溶液体積と、フェノチアジンの含有量から、飽和溶解度を算出した。飽和溶解度を算出した溶媒は、炭酸プロピレン(PC)、1,2-ジメトキシエタン(DME)、γ-ブチロラクトン(GBL)、アセトニトリル(AN)、N,N-ジメチルフォルムアミド(DMF)、N,N-ジメチルアセトアミド(DMAc)、N-メチルピロリディノン(NMP)、リン酸トリメチル(TMP)、テトラヒドロフラン(THF)及びEC:DMC:EMCの混合溶媒(EC:DMC:EMC=3:4:3(体積比))とした。
まず、フェノチアジンのHSP(Dp、Pp、Hp)、及び、溶解度を調べた上記各溶媒のHSP(Ds、Ps、Hs)を求めた。HSPは、HSPiP(Hansen Solubility Parameters in Practice)を用いて算出し、あるいは、HSPiPに付属のデータベースより取得した。HSPは25℃での値とした。混合溶媒のハンセン溶解度パラメータは混合溶媒中の体積比に応じてHSPを定めた。得られたHSPを用いて、下記数式(1)より、ハンセン空間上での各溶媒とフェノチアジンとの距離Rを算出した。
R2=4×(Dp-Ds)2+(Pp-Ps)2+(Hp-Hs)2 ・・・数式(1)
フェノチアジンを5mmol/L、リチウムビストリメチルスルフォニルイミド(LiTFSI)を100mmol/L、の両方を各種溶媒に溶解させた測定溶液を用意した。溶媒は、ジメトキシエタン(DME)、炭酸プロピレン(PC)、N,N-ジメチルフォルムアミド(DMF)、リン酸トリメチル(TMP)、N,N-ジメチルアセトアミド(DMAc)とした。サイクリックボルタンメトリーと同様のH型セルを用いて、酸化還元電位近傍で20℃、1mV/secでCV測定を行い、限界電流を測定した。測定した限界電流値IL(A)、反応に関わる電子数n(個)、ファラデー定数F(C/mol)、電極半径r(m)、フェノチアジンの拡散係数D(m2/sec)、フェノチアジンの沖合濃度C(mol/m3)を用いて、下記数式(2)より、各溶媒におけるフェノチアジンの拡散係数D(m2/sec)を算出した。
IL=4nFrDC ・・・数式(2)
なお、DMFはCV測定結果より反応電子数nを2として計算した。
Viscosity of Pure Organic Liquids and Binary Liquid Mixtures (Landolt-Boernstein: Numerical Data and Functional Relationships in Science and Technology - New Series) より、ジメトキシエタン(DME)、炭酸プロピレン(PC)、N,N-ジメチルフォルムアミド(DMF)、リン酸トリメチル(TMP)、N,N-ジメチルアセトアミド(DMAc)、テトラヒドロフラン(THF)、EC:DMCの混合溶媒(EC:DMC=3:7(体積比))の25℃での粘度を調べた。
図7に、実施例2と実施例5の実験結果を示す。図7は、不活性化剤の溶媒を変えた場合について、不活性化剤を添加してからの時間と電池電圧との関係を示すグラフである。図7に示すように、実施例2(DME溶媒)及び実施例5(カーボネート溶媒)のいずれでも電池が不活性化したが、電圧が0.2Vまで低下するのに要する時間は実施例2では23時間、25時間、31時間で平均26時間、実施例5では49時間、57時間で平均53時間となり、実施例2では実施例5よりも不活性化時間が2分の1以下であった。このことから、DME溶媒を用いた方がカーボネート溶媒を用いた場合よりもより迅速に電池を不活性化できることがわかった。
Claims (8)
- 非水系二次電池を不活性化する不活性化剤であって、
酸化還元電位がLi基準電位で前記非水系二次電池の負極活物質よりも高く前記非水系二次電池の正極活物質よりも低いフェノチアジン系化合物と、非水系溶媒と、を含む、
非水系二次電池の不活性化剤。 - 前記フェノチアジン系化合物を1mmol/L以上含む、
請求項1に記載の非水系二次電池の不活性化剤。 - 前記フェノチアジン系化合物を100mmol/L以上含む、
請求項1又は2に記載の非水系二次電池の不活性化剤。 - 前記非水系溶媒は、該非水系溶媒のハンセン溶解度パラメータにおける分散力Ds、分極力Ps、水素結合力Hsと、前記フェノチアジン系化合物のハンセン溶解度パラメータにおける分散力Dp、分極力Pp、水素結合力Hpと、を用いて下記の数式(1)で求めた、ハンセン空間上でのフェノチアジン系化合物との距離Rが10.5MPa0.5以下である、
請求項1~3のいずれか1項に記載の非水系二次電池の不活性化剤。
R2=4×(Dp-Ds)2+(Pp-Ps)2+(Hp-Hs)2 ・・・数式(1) - 前記非水系溶媒は、25℃での粘度が1.0×10-3Pa・s以下である、
請求項1~4のいずれか1項に記載の非水系二次電池の不活性化剤。 - 前記非水系溶媒は、1,2-ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン、N,N-ジメチルアセトアミド、N,N-ジメチルフォルムアミド、のうちの1以上である、
請求項1~5のいずれか1項に記載の非水系二次電池の不活性化剤。 - 前記非水系二次電池の内部に、請求項1~6のいずれか1項に記載の非水系二次電池の不活性化剤を添加する添加工程、を含む、
非水系二次電池の不活性化方法。 - 前記添加工程は、正極活物質としてニッケル、マンガン、コバルトのうちの1以上を含む酸化物を有する前記非水系二次電池に対して行う、
請求項7に記載の非水系二次電池の不活性化方法。
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