JP7445873B2 - 非水電解質二次電池および非水電解液 - Google Patents
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Description
非水電解液は、通常、非水溶媒と、非水溶媒に溶解した溶質とを含む。ジフルオロリン酸類およびカルボン酸類は、非水溶媒および溶質の少なくとも一方の、少なくとも一部を構成する。溶質は、少なくともリチウム塩を含み、リチウム塩は非水溶媒に溶解して、必須成分であるリチウムイオンを生成する。ジフルオロリン酸アニオンは、ジフルオロリン酸もしくはその塩が非水溶媒中で解離もしくは電離することで生成する。換言すれば、本実施形態に係る非水電解液は、非水溶媒と、非水溶媒に溶解した溶質とを含み、溶質は少なくともリチウム塩を含み、溶媒および溶質の少なくとも一方は、ジフルオロリン酸類とカルボン酸類とを含み、ジフルオロリン酸類は、ジフルオロリン酸、ジフルオロリン酸塩およびジフルオロリン酸アニオンの少なくとも一種であり、カルボン酸類は、カルボン酸、カルボン酸塩およびカルボン酸アニオンの少なくとも一種である。
負極は、例えば、負極集電体と、負極集電体の表面に形成され、かつ負極活物質を含む負極合剤層とを具備する。負極合剤層は、例えば、負極活物質、結着剤等を含む負極合剤を分散媒に分散させた負極スラリーを、負極集電体の表面に塗布し、乾燥させることにより形成できる。乾燥後の塗膜を、必要により圧延してもよい。負極合剤層は、負極集電体の一方の表面に形成してもよく、両方の表面に形成してもよい。
正極は、例えば、正極集電体と、正極集電体の表面に形成され、かつ正極活物質を含む正極合剤層とを具備する。正極合剤層は、例えば、正極活物質、結着剤等を含む正極合剤を分散媒に分散させた正極スラリーを、正極集電体の表面に塗布し、乾燥させることにより形成できる。乾燥後の塗膜を、必要により圧延してもよい。正極合剤層は、正極集電体の一方の表面に形成してもよく、両方の表面に形成してもよい。
通常、正極と負極との間には、セパレータが介在している。セパレータは、イオン透過度が高く、適度な機械的強度および絶縁性を備えている。セパレータとしては、微多孔薄膜、織布、不織布などを用いることができる。セパレータの材質は、例えば、ポリプロピレン、ポリエチレンなどのポリオレフィンであればよい。
[負極の作製]
負極活物質である黒鉛と、カルボキシメチルセルロースナトリウムと、スチレン-ブタジエンゴム(SBR)と、水とを所定の質量比で混合し、負極スラリーを調製した。次に、負極集電体である銅箔の表面に負極スラリーを塗布し、塗膜を乾燥させた後、圧延して、銅箔の両面に負極合剤層を形成した。
正極活物質であるリチウムニッケル複合酸化物:LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2と、アセチレンブラックと、ポリフッ化ビニリデンと、N-メチル-2-ピロリドン(NMP)とを所定の質量比で混合し、正極スラリーを調製した。次に、正極集電体であるアルミニウム箔の表面に正極スラリーを塗布し、塗膜を乾燥させた後、圧延して、アルミニウム箔の両面に正極合剤層を形成した。
エチレンカーボネート(EC)、エチルメチルカーボネート(EMC)および酢酸メチル(MA)をEC:EMC:MA=20:60:20の体積比で含む非水溶媒に、表1に示す所定量のリチウム塩(LiPF6および/またはLFSI)、ジフルオロリン酸リチウム(DFP)(非水電解液全体に対する質量%)、カルボン酸として酢酸およびアルコールとしてメタノール(電解液全体に対する質量比)をそれぞれ添加し、非水電解液を調製した。酢酸メチルの純度は99.9%である。
各電極にそれぞれリードを取り付け、リードが最外周部に位置するように、セパレータを介して正極および負極を渦巻き状に巻回することにより電極群を作製した。アルミニウム箔をバリア層とするラミネートフィルム製の外装体内に電極群を挿入し、105℃で2時間真空乾燥した後、非水電解液を注入し、外装体の開口部を封止して、設計容量5400mAhの実施例の電池A1~A5および比較例の電池B1~B5を得た。
完成後の各電池について、0.3It(1620mA)の電流で電圧が4.2Vになるまで定電流充電を行い、その後、4.2Vの定電圧で電流が0.02It(108mA)になるまで定電圧充電した。その後、0.3It(1620mA)の電流で電圧が2.75Vになるまで定電流放電を行った。
装置:島津製作所製GC17A、GCMS-QP5050A
カラム:アジレントテクノロジー社製、HP-1(膜厚1.0μm×長さ60m)
カラム温度:50℃→110℃(5℃/min、12min hold)→250℃(5℃/min、7min hold)→300℃(10℃/min、20min hold)
スプリット比:1/50
線速度:29.2cm/s
注入口温度:270℃
注入量:0.5μL
インターフェース温度:230℃
質量範囲:m/z=30~400(SCANモード)、m/z=29,31,32,43,45,60(SIMモード)(29、31、32がメタノール、43、45、60が酢酸の分子とフラグメントのイオン分子量)
上記の充放電を5サイクル繰り返した電池を、0.3It(1620mA)の電流で電圧が4.2Vになるまで定電流充電し、その後、4.2Vの定電圧で電流が0.00185It(10mA)になるまで定電圧充電した。その後、120分休止した後、0.5Itの定電流で電流を流し、10秒目の電圧を測定し、電圧降下ΔVからDCIRを求めた。
初期DCIR測定後の電池を、60℃の環境に2月間静置した。2月経過後、電池を取り出し、25℃で、0.3It(1620mA)の電流で電圧が2.75Vになるまで定電流放電を行った。次に、再度、0.3It(1620mA)の電流で電圧が4.2Vになるまで定電流充電を行い、その後、4.2Vの定電圧で電流が0.00185It(10mA)になるまで定電圧充電した。その後、120分休止した後、0.5Itの定電流で電流を流し、10秒目の電圧を測定し、電圧降下ΔVからDCIRを求めた。初期DCIRに対する上昇率を表2に示す。
また、電池B5のDCIR上昇率が大きいことから、非水電解液中のカルボン酸含有量は900ppm以下が好ましいといえる。また、カルボン酸とジフルオロリン酸リチウムとを併用しない場合、保存後のDCIRは、LFSIを用いない場合(B4)に対してLFSIを用いる場合(B3)の方が増加してしまうのに対して、カルボン酸とジフルオロリン酸リチウムとを併用することで、LFSIを用いる場合の方が保存後のDCIRが低下することが分かった。つまり、カルボン酸とジフルオロリン酸リチウムとLFSIとが組み合わさって、より良質な被膜形成を促進し、電解液の副反応による正極活物質表層の不活性化を抑制するものと考えられる。
Claims (12)
- 正極、負極、前記正極と前記負極との間に介在するセパレータおよび非水電解液を有し、
前記非水電解液は、リチウム塩と、カルボン酸と、アルコールを含み、
前記リチウム塩は、ジフルオロリン酸リチウムを含み、
前記非水電解液に含まれる前記カルボン酸の含有量が、前記非水電解液の質量に対して5ppm以上、900ppm以下である、非水電解質二次電池。 - 前記カルボン酸が、炭素数2~4のモノカルボン酸からなる群より選択される少なくとも1種を含む、請求項1に記載の非水電解質二次電池。
- 前記非水電解液に含まれる前記アルコールの含有量が、前記非水電解液の質量に対して900ppm以下である、請求項1または2に記載の非水電解質二次電池。
- 前記アルコールがメタノールを含む、請求項1~3のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池。
- 前記非水電解液に含まれる前記リチウム塩の含有量が、1mol/リットル以上、2mol/リットル以下である、請求項1~4のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池。
- 前記リチウム塩は、更に、ビス(フルオロスルホニル)イミドリチウムを含む、請求項1~5のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池。
- リチウム塩と、カルボン酸と、アルコールを含み、
前記リチウム塩は、ジフルオロリン酸リチウムを含み、
前記カルボン酸の含有量が、質量比で5ppm以上、900ppm以下である、非水電解液。 - 前記カルボン酸が、炭素数2~4のモノカルボン酸からなる群より選択される少なくとも1種を含む、請求項7に記載の非水電解液。
- 前記アルコールの含有量が、質量比で900ppm以下である、請求項7または8に記載の非水電解液。
- 前記アルコールがメタノールを含む、請求項7~9のいずれか1項に記載の非水電解液。
- 前記リチウム塩の含有量が、1mol/リットル以上、2mol/リットル以下である、請求項7~10のいずれか1項に記載の非水電解液。
- 前記リチウム塩が、更に、ビス(フルオロスルホニル)イミドリチウムを含む、請求項7~11のいずれか1項に記載の非水電解液。
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