JP7483276B2 - 環状リン酸エステルを含む二次電池用電解液 - Google Patents
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Description
<1>有機溶媒とアルカリ金属塩とを含む二次電池用電解液であって、前記有機溶媒が、リン原子と酸素原子を含む5員環構造を有する環状リン酸エステルを含み、前記電解液の組成が、前記アルカリ金属塩1molに対して溶媒量が5mol以上である、該電解液;
<2>前記環状リン酸エステルが、以下に示す式(1)で表される、上記<1>に記載の二次電池用電解液
(式中、Xは、酸素原子又は窒素原子を表し;Yは、置換基を有してしてもよい1つ又は2つのアルキル基を表す。);
<3>Yが、炭素数1~10のハロゲン化アルキル基である、上記<2>に記載の二次電池用電解液;
<4>前記環状リン酸エステルが、以下の構造を有する化合物から選択される、上記<1>に記載の二次電池用電解液;
<5>前記アルカリ金属塩が、リチウム塩又はナトリウム塩である、上記<1>~<4>のいずれか1に記載の二次電池用電解液;
<6>前記アルカリ金属塩を構成するアニオンが、フルオロスルホニル基、トリフルオロメタンスルホニル基、パーフルオロエタンスルホニル基、及びヘキサフルオロホスフェート基よりなる群から選択される1以上の基を含むアニオンである、上記<1>~<5>のいずれか1に記載の二次電池用電解液;
<7>前記アニオンが、ビス(フルオロスルホニル)イミド([N(FSO2)2]-)、(フルオロスルホニル)(トリフルオロスルホニル)イミド([N(CF3SO2)(FSO2)]-)、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド([N(CF3SO2)2]-)、ビス(パーフルオロエタンスルホニル)イミド([N(C2F5SO2)2]-)、(パーフルオロエタンスルホニル)(トリフルオロエタンメタンスルホニル)イミド([N(C2F5SO2)(CF3SO2)]-)、又はヘキサフルオロホスフェート(PF6 -)である、上記<6>に記載の二次電池用電解液;
<8>全溶媒中における前記環状リン酸エステルの割合が、10~100mol%である、上記<1>~<7>のいずれか1に記載の二次電池用電解液;
<9>共溶媒として、アルキルカーボネート又はハロゲン原子を含有するアルキルカーボネートをさらに含む、上記<1>~<8>のいずれか1に記載の二次電池用電解液;
<10>前記共溶媒が、2,2,2-トリフルオロエチルメチルカーボネート(FEMC)である、上記<9>に記載の二次電池用電解液;及び
<11>前記二次電池が、リチウムイオン二次電池又はナトリウムイオン二次電池である、上記<1>~<10>のいずれか1項に記載の二次電池用電解液
を提供するものである。
<12>正極、負極、及び、上記<1>~<11>のいずれか1に記載の二次電池用電解液を備える二次電池;
<13>リチウムイオン二次電池である、上記<12>に記載の二次電池;
<14>前記正極が、リチウム元素を有する金属酸化物、ポリアニオン系化合物、又は硫黄系化合物より選択される活物質を含む、上記<13>に記載の二次電池;
<15>前記負極が、炭素材料、金属リチウム、又はリチウムと合金を形成し得る物質より選択される活物質を含む、上記<13>に記載の二次電池;
<16>ナトリウムイオン二次電池である、上記<12>に記載の二次電池;
<17>前記正極が、遷移金属酸化物である、上記<16>に記載の二次電池;及び
<18>前記負極が、ハードカーボンである、上記<16>に記載の二次電池
を提供するものである。
本発明の二次電池用電解液は、有機溶媒として特定の構造を有する環状リン酸エステルを含み、低濃度のアルカリ金属塩を含むことを特徴とする。これにより、優れた電池特性と難燃性を両立させることができる。
本発明の二次電池用電解液に含まれる有機溶媒は、リン原子と酸素原子を含む5員環構造を有する環状リン酸エステルを含むものである。かかる環状リン酸エステルは、アノード(負極)に不働態被膜(SEI膜)を形成し得る溶媒として従来用いられていたエチレンカーボネート等の炭酸エステルに類似する環状構造と、不燃性物質(だが不働態被膜を形成できない)として知られているリン酸エステルの構造を融合した分子構造を有することを特徴とする。かかる分子構造を有することにより、上述のとおり、不働態被膜(SEI膜)形成能のよる優れた電池特性とともに、その難燃性による安全性を同時に有するという、従来は達成されていなかった機能を提供することができる。
また、本発明の二次電池用電解液は、所定量のアルカリ金属塩を含む。ただし、本発明では、非特許文献1のような従来の難燃性溶媒の場合に必要とされていた高濃度のアルカリ金属塩を要することなく、より低い濃度のアルカリ金属塩の添加量で優れた電池特性を提供することができるという点でも特徴を有する。
また、本発明の二次電池用電解液は、その機能の向上等の目的で、必要に応じて他の成分を含むこともできる。しかしながら、本発明の二次電池用電解液は、塩単体として50℃以下の融点を有する常温溶融塩を含有しないことが好ましい。そのような溶融塩の具体例としては、イミダゾリウム塩やテトラフルオロホウ酸塩が挙げられる。本発明の二次電池用電解液は、そのような溶融塩を添加せずとも、既に十分なイオン電導性を有するからである。より好ましくは、本発明の二次電池用電解液は、電解液が有機溶媒とアルカリ金属塩のみからなる。
本発明の二次電池は、正極及び負極と、上述の二次電池用電解液を備えるものである。当該二次電池は、リチウムイオン二次電池又はナトリウムイオン二次電池であることができる。リチウムイオン二次電池の場合、本発明の二次電池は、作動電圧が2.3V以上であることが好ましい。ナトリウムイオン二次電池の場合、本発明の二次電池は、作動電圧が2V以上であることが好ましい。
本発明の二次電池における負極としては、当該技術分野において公知の電極構成を用いることができる。例えば、二次電池がリチウムイオン電池の場合には、電気化学的にリチウムイオンを吸蔵・放出できる負極活物質を含む電極が挙げられる。このような負極活物質としては、公知のリチウムイオン二次電池用負極活物質を用いることができ、例えば、天然グラファイト(黒鉛)、高配向性グラファイト(Highly Oriented Pyrolytic Graphite;HOPG)、非晶質炭素等の炭素質材料が挙げられる。さらに他の例として、リチウム金属、金属窒化物のような金属化合物、リチウムと合金を形成し得る物質が挙げられる。例えば、リチウム元素を有する合金としては、例えばリチウムアルミニウム合金、リチウムスズ合金、リチウム鉛合金、リチウムケイ素合金等を挙げることができる。また、リチウム元素を含有する金属窒化物としては、例えばリチウムコバルト窒化物、リチウム鉄窒化物、リチウムマンガン窒化物等を挙げることができる。これら負極活物質は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。好ましくは、天然グラファイト(黒鉛)、高配向性グラファイト(HOPG)、非晶質炭素等の炭素質材料炭素質材料を用いることができる。二次電池の電圧とエネルギー密度を高め、機器駆動に必要な直列数を減らすという観点から、負極の作動電位が、金属リチウム電位に対して0.5Vより低い負極を用いることが望ましい。
本発明の二次電池の正極としては、当該技術分野において公知の電極構成を用いることができる。例えば、二次電池がリチウムイオン電池の場合には、正極活物質としては、コバルト酸リチウム(LiCoO2)、マンガン酸リチウム(LiMn2O4)、ニッケル酸リチウム(LiNiO2)等の1種類以上の遷移金属を含むリチウム含有遷移金属酸化物、遷移金属硫化物、金属酸化物、リン酸鉄リチウム(LiFePO4)やピロリン酸鉄リチウム(Li2FeP2O7)などの1種類以上の遷移金属を含むリチウム含有ポリアニオン系化合物、硫黄系化合物(Li2S)などが挙げられる。具体例としては、高容量電極または高電圧電極として用いられるLiNixMnyCozO2(x+y+z=1)(NMC)、LiNixCoyAlzO2(x+y+z=1)(NCA)やLiNi0.5Mn1.5O4(LNMO)を挙げることができる。当該正極には、導電性材料や結着剤を含有してもよい。二次電池がナトリウムイオン電池の場合にも、同様に公知の正極活物質を用いることができる。
本発明の二次電池において用いられるセパレータとしては、正極層と負極層とを電気的に分離する機能を有するものであれば特に限定されるものではないが、例えばポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリエステル、セルロース、ポリイミド等の樹脂からなる多孔質シートや、不織布、ガラス繊維不織布等の不織布等の多孔質絶縁材料等を挙げることができる。
本発明の二次電池の形状は、正極、負極、及び電解液を収納することができれば特に限定されるものではないが、例えば、円筒型、コイン型、平板型、ラミネート型等を挙げることができる。
[1-1.TFEPの合成]
電解液の溶媒となる環状リン酸エステルとして、以下の構造を有する2-(2,2,2-トリフルオロエトキシ)-1,3,2-ジオキサホスホラン2-オキシド(TFEP)を合成した。
1H NMR (CDCl3, ppm): λ 4.56-4.42 (m, 6H); 13C NMR (CDCl3, ppm): λ 124.6-120.2 (CF3), 66.5 (OCH2CH2O), 64.6 (OCH2)
電解液の溶媒となる環状リン酸エステルとして、以下の構造を有する2-(ジメチルアミノ)-1,3,2-ジオキサホスホラン-2-オキシド(DMAP)を合成した。
1H NMR (CDCl3, ppm): δ 4.1-4.2 (OCH2CH2O), 2.8 (6H); 13C NMR (CDCl3, ppm): δ 66.5 (OCH2CH2O), 36.5 (CH3)
2.電解液の調製
LiFSI塩(日本触媒株式会社)及び、共溶媒の2,2,2-トリフルオロエチルメチルカーボネート(FEMC)(ハロカーボンプロダクツ社)は、リチウム電池グレードの市販品をそのまま用いた。アルゴンガスを充填したグローブボックス内で、LiFSIをTFEP/FEMC混合溶媒(体積比で1:3)に溶解し、電解液を調製した。塩と溶媒のモル比は1:8とし、モル濃度は0.95Mとした。
電極材料の天然グラファイト、LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2(NMC)、LiNi0.5Mn1.5O4(LNMO)は、それぞれSECカーボン、豊島製作所、および宝泉株式会社から購入した。NMC又はLNMOを、N-メチルピロリドン(NMP、和光)中のポリフッ化ビニリデン(PVdF、クレハ)及びアセチレンブラック(AB、Li-400、デンカ)と混合して、カソードを作製した。重量比は、活物質:AB:PVdFを80:10:10とした。また、天然グラファイトをNMP中のPVdFと混合して、アノードを調製した(重量比は、グラファイト:PVdF=90:10)。ドクターブレードを使用して、スラリーをカソード用のAl箔集電体およびアノード用のCu箔集電体にコーティングした。 次に、得られた電極を60℃のオーブンで2時間乾燥させ、その後、使用前に真空下120℃でさらに乾燥させた。活物質の質量負荷は、カソードで3~4mg/cm2、アノードで1.4~2mg/cm2とした。
LSV測定(Linear Sweep Voltammetry)は、Pt又はAlディスクを作用電極とし、リチウム金属を参照電極及び対電極とした3電極セルを用いて行った。サイクリックボルタンメトリー測定(CV)は、グラファイトアノード、作用電極としてNMC又はLNMOカソード、参照/対向電極としてリチウム金属を用いた2電極コインセルを用いて、0.1mVs-1のスキャンレートで行った。LSV測定とCV測定のいずれにおいても、VMP3ポテンシオスタット(BioLogic社)を用いた。グラファイト|Li、NMC|Li、及びLNMO|Liハーフセルは、いずれもグラスファイバーセパレータを使用した2032型コインセルとした。定電流充放電試験及びレート能力試験は、TOSCAT-3100充放電ユニット(Toyo System Co.)を用いて行った。充放電測定は、定電圧モードを使用せずに同じCレートで行った。電気化学インピーダンス分光法(EIS)は、10mHz~1MHzの周波数範囲で10mVの振幅の開回路電位で3及び100サイクル後に行った。
上記2.で調製した電解液の酸化安定性を、Pt電極を用いたLSV測定により評価した。図1aに示すように、比較例の1.0M LiPF6を含有するEC/DMC電解液は、0.02mAcm-2における4.4Vの酸化電位を示したが、本発明の0.95M LiFSIを含有するTFEP/FEMC電解液は最大4.9Vまで安定であり、高電位正極にも有用であることが分かった。また、イオン電導度と粘度の温度依存性を測定した結果、TFEP/FEMC電解液の値(それぞれ、2.19mScm-1、6.20mPa)は、EC/DMC電解液と同等の値を有し、電池用途に要求される特性を満たしていることが分かった。
上記2.で調製した電解液について、可燃性試験を行った。図1bに示すように、従来のEC/DMC電解液は、非常に揮発性かつ可燃性であり、すぐに発火し、トーチを外した後も燃焼が続いた。自己消火時間(SET)は、68±3s/gであった。FEMC単独の電解液も、図1cに示すように、可燃性であった。これに対し、本発明のTFEP/FEMC電解液は、全く発火せず、SETはゼロ(s/g)であった。この結果は、環状リン酸エステルTFEPを含む本発明の電解液の優れた不燃性を示している。
上記2.で調製した3種類の電解液を用いて作製したグラファイト|Liコイン電池の充放電曲線を図2aに示す。FEMCのみの電解液に基づくセルは、連続的な電解液分解及び/又は溶媒共挿入により0.9Vで長いプラトーを示したが、これはグラファイト表面にSEI層を形成できないことを示している(図2aの上段)。一方、 本発明のTFEP/FEMC電解液では、0.05~0.25Vの領域でいくつかの電圧プラトーが観察され(図2aの下段)、EC/DMC電解液(図2aの中段)とほぼ同じ充放電曲線が得られた。これは、Li-グラファイトインターカレーション化合物による連続的な段階形成に特徴的なものであり、完全にリチウム化されたグラファイト(LiC6)の理論容量(372mAhg-1)とほぼ等しいといえる。
上記2.で調製したLiFSI/FEMC電解液及びLiFSI/TFEP/FEMC電解液中において、アルミニウム電極のクロノアンペロメトリー(CA)測定を行った結果を図3に示す。保持電位はリチウム基準4.9Vとした。LiFSI/FEMC電解液を用いた場合、時間とともに電流値が増加した。測定後のアルミニウム電極の走査型電子顕微鏡(SEM)画像から、酸化腐食の痕跡が確認された。これは、LiFSI塩を用いた場合に一般的に観察される現象であり、リチウムイオン電池の劣化を引き起こす副反応である。一方、LiFSI/TFEP/FEMC電解液を用いた場合、電流値は一時的に上昇するもののその後減少に転じた。測定後のアルミニウム電極のSEM画像より、腐食の痕跡は確認されなかった。以上より、TFEP溶媒を用いることで、LiFSIに起因するアルミニウムの酸化腐食を抑制できることが明らかとなった。
本発明のLiFSI/TFEP/FEMC電解液と商用のLiPF6/EC/DMC電解液を用いて作製したLiNi1/3Mn1/3Co1/3O2(NMC)|Liコイン電池の充放電曲線を図5に示す。充電カットオフ電圧は4.5Vとし、初回3サイクルをC/10レート、それ以降をC/2レートとした。商用LiPF6/EC/DMC電解液ではサイクルに伴う容量の劣化が観測され、200サイクル後の容量維持率は28.3%であった。一方、本発明のLiFSI/TFEP/FEMC電解液を用いた場合、200サイクル後の容量維持率は86.5%であり、長期の安定充放電サイクルが可能であった。これは、当該電解液が高い酸化安定性とアルミニウム不働態化機能の双方を有しているためである。
上記2.で調製したTFEP/FEMC電解液について、支持塩をLiFSIからLiPF6に変えた電解液(塩:溶媒のモル比は1:8)を調製し、グラファイト|Liコイン電池の充放電測定を行った結果を図7に示す。C/20レートで測定した。LiPF6塩を用いた場合も同様の充放電曲線が観測され、グラファイト電極にSEI被膜が形成されたことが分かる。したがって、本発明のTFEP溶媒によるSEI被膜形成効果は、支持塩の種類にかかわらず現れることが実証された。
上記2.で調製したTFEP/FEMC電解液について、FEMCを用いずに、TFEP単独溶媒(100mol%)とした電解液(塩:溶媒のモル比は1:8)を調製し、グラファイト|Liコイン電池の充放電測定を行った結果を図8及び図9に示す。C/20レートとし、温度は25℃または45℃とした。共溶媒としてFEMCを用いたときと比べて高粘度であるため、分極が大きくなり、得られる容量は小さいが、可逆的な充放電サイクルが可能であることが分かった。したがって、本発明のTFEP溶媒は共溶媒の存在の有無にかかわらず使用可能であることが実証された。
上記2.で調製したTFEP/FEMC電解液について、共溶媒をFEMC以外の溶媒とした電解液(塩:溶媒のモル比は1:8)を調製し、グラファイト|Liコイン電池の充放電測定を行った結果を図10~12に示す。共溶媒として、エチルメチルカーボネート(EMC)又はジメチルカーボネート(DMC)を用いた。図10はTFEP:EMC=2:8の混合溶媒、図11はTFEP:DMC=2:8の混合溶媒、図12はTFEP:DMC=1:1の混合溶媒とした。C/20レートとし、温度は25℃とした。FEMCを用いた場合と比較して、初回不可逆容量は大きいが、2サイクル目以降は可逆的な充放電が可能になることが分かった。したがって、本発明のTFEP溶媒はさまざまな共溶媒とともに使用可能であることが実証された。
上記2.で調製したLiFSI/TFEP/FEMC電解液と商用のLiPF6/EC/DMC電解液の総合性能の比較を図13に示す。本発明のLiFSI/TFEP/FEMC電解液は、電位窓、安全性及び充放電サイクル特性において商用電解液を大きく上回っている。また、イオン伝導度、粘度及び熱安定性についても商用電解液と同等の性能となっている。以上より、本発明のLiFSI/TFEP/FEMC電解液は、商用有機電解液に対して総合的な優位性がある。
さらに、TFEPを上記1.で合成したDMAPに替えた電解液について、充放電測定を行った。上記2.と同様の手順でDMAP/EMC電解液(DMAP:EMC=1:3)を調製し、黒鉛|Liハーフセルについて黒鉛負極の充放電可逆性を測定した結果を図14~15に示す。図14では支持塩としてLiFSIを用い、図15では支持塩としてLiPF6を用いた。この結果、アルキルアミノ基を有する環状リン酸エステル化合物であるDMAPを用いた場合でも、上記TFEPと同様に可逆的な充放電が可能であることが実証された。また、支持塩としてLiFSIだけでなく、LiPF6を用いた場合も同様に機能し得ることも示された。これらの結果は、本発明の環状リン酸エステル電解液の汎用性を示すものである。
Claims (10)
- 有機溶媒とアルカリ金属塩とを含む二次電池用電解液であって、
前記有機溶媒が、以下に示す式(1)で表されるリン原子と酸素原子を含む5員環構造を有する環状リン酸エステルを含み、
共溶媒として、2,2,2-トリフルオロエチルメチルカーボネート(FEMC)をさらに含み、
全溶媒中における前記環状リン酸エステルの割合が、30~100mol%であり、
前記電解液の組成が、前記アルカリ金属塩1molに対して溶媒量が5mol以上であり、
前記アルカリ金属塩が、リチウム塩又はナトリウム塩であり、前記アルカリ金属塩を構成するアニオンが、ビス(フルオロスルホニル)イミド([N(FSO 2 ) 2 ] - )である、
該電解液。 - 前記二次電池が、リチウムイオン二次電池又はナトリウムイオン二次電池である、請求項1又は2に記載の二次電池用電解液。
- 正極、負極、及び、請求項1又は2に記載の二次電池用電解液を備える二次電池。
- リチウムイオン二次電池である、請求項4に記載の二次電池。
- 前記正極が、リチウム元素を有する金属酸化物、ポリアニオン系化合物、又は硫黄系化合物より選択される活物質を含む、請求項5に記載の二次電池。
- 前記負極が、炭素材料、金属リチウム、又はリチウムと合金を形成し得る物質より選択される活物質を含む、請求項5に記載の二次電池。
- ナトリウムイオン二次電池である、請求項4に記載の二次電池。
- 前記正極が、遷移金属酸化物である、請求項8に記載の二次電池。
- 前記負極が、ハードカーボンである、請求項8に記載の二次電池。
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