JPWO2010016475A1 - 非水電解液及びそれを用いたリチウム電池 - Google Patents

非水電解液及びそれを用いたリチウム電池 Download PDF

Info

Publication number
JPWO2010016475A1
JPWO2010016475A1 JP2010523854A JP2010523854A JPWO2010016475A1 JP WO2010016475 A1 JPWO2010016475 A1 JP WO2010016475A1 JP 2010523854 A JP2010523854 A JP 2010523854A JP 2010523854 A JP2010523854 A JP 2010523854A JP WO2010016475 A1 JPWO2010016475 A1 JP WO2010016475A1
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
lithium
electrolytic solution
carbonate
battery
electrolyte
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2010523854A
Other languages
English (en)
Other versions
JP5392259B2 (ja
Inventor
安部 浩司
浩司 安部
近藤 正英
正英 近藤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ube Corp
Original Assignee
Ube Industries Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ube Industries Ltd filed Critical Ube Industries Ltd
Priority to JP2010523854A priority Critical patent/JP5392259B2/ja
Publication of JPWO2010016475A1 publication Critical patent/JPWO2010016475A1/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP5392259B2 publication Critical patent/JP5392259B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/056Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes
    • H01M10/0564Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes the electrolyte being constituted of organic materials only
    • H01M10/0566Liquid materials
    • H01M10/0567Liquid materials characterised by the additives
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C07ORGANIC CHEMISTRY
    • C07DHETEROCYCLIC COMPOUNDS
    • C07D233/00Heterocyclic compounds containing 1,3-diazole or hydrogenated 1,3-diazole rings, not condensed with other rings
    • C07D233/54Heterocyclic compounds containing 1,3-diazole or hydrogenated 1,3-diazole rings, not condensed with other rings having two double bonds between ring members or between ring members and non-ring members
    • C07D233/66Heterocyclic compounds containing 1,3-diazole or hydrogenated 1,3-diazole rings, not condensed with other rings having two double bonds between ring members or between ring members and non-ring members with hetero atoms or with carbon atoms having three bonds to hetero atoms with at the most one bond to halogen, e.g. ester or nitrile radicals, directly attached to ring carbon atoms
    • C07D233/72Two oxygen atoms, e.g. hydantoin
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052Li-accumulators
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/056Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes
    • H01M10/0564Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes the electrolyte being constituted of organic materials only
    • H01M10/0566Liquid materials
    • H01M10/0568Liquid materials characterised by the solutes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/056Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes
    • H01M10/0564Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes the electrolyte being constituted of organic materials only
    • H01M10/0566Liquid materials
    • H01M10/0569Liquid materials characterised by the solvents
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M6/00Primary cells; Manufacture thereof
    • H01M6/14Cells with non-aqueous electrolyte
    • H01M6/16Cells with non-aqueous electrolyte with organic electrolyte
    • H01M6/162Cells with non-aqueous electrolyte with organic electrolyte characterised by the electrolyte
    • H01M6/166Cells with non-aqueous electrolyte with organic electrolyte characterised by the electrolyte by the solute
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M6/00Primary cells; Manufacture thereof
    • H01M6/14Cells with non-aqueous electrolyte
    • H01M6/16Cells with non-aqueous electrolyte with organic electrolyte
    • H01M6/162Cells with non-aqueous electrolyte with organic electrolyte characterised by the electrolyte
    • H01M6/168Cells with non-aqueous electrolyte with organic electrolyte characterised by the electrolyte by additives
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2300/00Electrolytes
    • H01M2300/0017Non-aqueous electrolytes
    • H01M2300/0025Organic electrolyte
    • H01M2300/0028Organic electrolyte characterised by the solvent
    • H01M2300/0037Mixture of solvents
    • H01M2300/0042Four or more solvents
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Abstract

非水溶媒に電解質塩が溶解されている非水電解液において、下記一般式(I)で表されるヒダントイン化合物を非水電解液中に0.01〜5質量%含むことを特徴とする、高温保存特性やサイクル特性等の電池特性に優れた非水電解液、及びそれを含むリチウム電池である。(式中、R1及びR2は、それぞれメチル基又はエチル基を示す。R3及びR4は、それぞれ水素原子、メチル基又はエチル基を示す。)

Description

本発明は、高温保存特性やサイクル特性等の電池特性に優れた非水電解液、及びそれを用いたリチウム電池に関する。
近年、リチウム二次電池は、携帯電話やノート型パソコン等の小型電子機器等の駆動用電源や、電気自動車や電力貯蔵用の電源として広く使用されている。
リチウム二次電池は、主にリチウムを吸蔵放出可能な材料を含む正極及び負極、リチウム塩を含む非水電解液から構成されている。その非水電解液としては、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)等のカーボネート類が使用されている。
リチウム二次電池の負極としては、リチウム金属、リチウムを吸蔵及び放出可能な金属化合物(金属単体、酸化物、リチウムとの合金等)、炭素材料が知られている。特に、炭素材料のうち、例えばコークス、黒鉛(人造黒鉛、天然黒鉛)等のリチウムを吸蔵・放出することが可能な炭素材料を用いた非水系電解液二次電池が広く実用化されている。
上記の負極材料はリチウム金属と同等の低い電位でリチウムと電子を貯蔵・放出するために、特に高温下において、多くの溶媒が還元分解を受ける可能性を有しており、負極材料の種類に拠らず負極上で電解液中の溶媒が一部還元分解してしまい、分解物が負極の表面に沈着して抵抗を増大させたり溶媒の分解によりガスが発生して電池を膨れさせたりすることによりリチウムイオンの移動が妨げられ、サイクル特性等の電池特性を低下させるという問題があった。
一方、正極材料として用いられるLiCoO2、LiMn24、LiNiO2、LiFePO4等のリチウムを吸蔵・放出可能な材料は、リチウム基準で3.5V以上の高い電圧でリチウムと電子を貯蔵・放出するために、多くの溶媒が酸化分解を受ける可能性を有している。また、正極材料の種類に拠らず、正極上で電解液中の溶媒が一部酸化分解してしまい、分解物が正極の表面に沈着して抵抗を増大させたり、溶媒の分解によりガスが発生して電池を膨れさせたりすることによりリチウムイオンの移動が妨げられ、サイクル特性等の電池特性を低下させるという問題があった。
また、リチウム一次電池として、例えば、二酸化マンガンやフッ化黒鉛を正極とし、リチウム金属を負極とするリチウム一次電池が知られており、高いエネルギー密度であることから広く使用されているが、長期保存中の内部抵抗の増加を抑制し、高温での長期保存性能を向上させることが求められている。
更に、近年、電気自動車用又はハイブリッド電気自動車用の新しい電源として、出力密度の点から、活性炭等を電極に用いる電気二重層キャパシタ、エネルギー密度と出力密度の両立の観点から、リチウムイオン二次電池と電気二重層キャパシタの蓄電原理を組み合わせた、ハイブリッドキャパシタ(リチウムの吸蔵・放出による容量と電気二重層容量の両方を活用する非対称型キャパシタ)と呼ばれる蓄電装置の開発が行われ、高温でのサイクル特性や高温保存特性等の電池性能の向上が求められている。
特許文献1には、ラクトン化合物と1−メチル−2−ピロリドンのような含窒素へテロ環化合物を含有する非水溶媒を含む非水電解液を用いたリチウム二次電池が開示され、ラクトン化合物を含む非水電解液の充放電効率と高温充電保存後の容量維持率が良好となることが記載されている。また、特許文献1には、含窒素へテロ環化合物として非常に多くの化合物が列挙されており、その段落〔0017〕には、1,3−ジメチルイミダゾリジン−2,5−ジオンや1,3−ジエチルイミダゾリジン−2,5−ジオンが例示されている。しかしながら、特許文献1には、これらのヒダントイン化合物の添加については具体的に何ら記載されておらず、実質的には何らの検討も行われていない。
特許文献2には、非対称カーボネートを含有する非水溶媒にコハク酸イミド誘導体が添加されている非水電解液が開示され、リチウム二次電池の20℃でのサイクル特性や高温充電保存後の容量維持率が良いことが記載されている。
また、特許文献3には、非水電解質に1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノンを含有する非水電解液電池が開示され、負荷特性や23℃でのサイクル特性、高温充電保存後の容量維持率が改善されることが記載されている。
特開2003−7333号公報 特開2003−151622号公報 特開平11−273728号公報
本発明は、ヒダントイン化合物を用い高温保存特性やサイクル特性等の電池特性に優れた非水電解液、及びそれを用いたリチウム電池を提供することを目的とする。
本発明者らは、上記従来技術の非水電解液の性能について詳細に検討した。その結果、特許文献1〜3の実施例で開示されている化合物を添加した非水電解液は、高温でのサイクル特性や、充電状態で高温保存した後の電池の内部抵抗の増加による放電電圧の低下に関して満足できるものではないことが分かった。
そこで、本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究を重ね、非水溶媒に電解質塩が溶解されている非水電解液において、(−CO−NR−)ユニット(アミド構造)を連続して2つもつ(−CO−NR2−CO−NR1−)構造を有する環状化合物であるヒダントイン化合物を非水電解液に添加することにより、高温保存特性やサイクル特性等の電池特性を改善できることを見出し、本発明を完成した。
すなわち、本発明は、下記の(1)又は(2)を提供するものである。
(1)非水溶媒に電解質塩が溶解されている非水電解液において、下記一般式(I)で表されるヒダントイン化合物を非水電解液中に0.01〜5質量%含むことを特徴とする非水電解液。
Figure 2010016475
(式中、R1及びR2は、それぞれメチル基又はエチル基を示す。R3及びR4は、それぞれ水素原子、メチル基又はエチル基を示す。)
(2)正極、負極及び非水溶媒に電解質塩が溶解されている非水電解液からなるリチウム電池において、前記一般式(I)で表されるヒダントイン化合物を非水電解液中に0.01〜5質量%含むことを特徴とするリチウム電池。
本発明によれば、特定の構造を有するヒダントイン化合物を非水電解液に添加して用いることにより、高温保存特性やサイクル特性等の電池特性に優れたリチウム電池を提供することができる。
〔非水電解液〕
本発明の非水電解液は、非水溶媒に電解質塩が溶解されている非水電解液において、下記一般式(I)で表されるヒダントイン化合物を非水電解液中に0.01〜5質量%含むことを特徴とする。
〔ヒダントイン化合物〕
本発明の非水電解液に含まれるヒダントイン化合物は、下記一般式(I)で表される。
Figure 2010016475
(式中、R1及びR2は、それぞれメチル基又はエチル基を示す。R3及びR4は、それぞれ水素原子、メチル基又はエチル基を示す。)
一般式(I)において、R1、R2がそれぞれメチル基である場合、高温保存特性やサイクル特性等の電池特性が一段と良好となるので好ましい。一般式(I)において、R3及びR4の少なくとも1つがメチル基又はエチル基であることが、高温保存特性やサイクル特性等の電池特性が一段と良好となるので好ましく、両方ともメチル基又はエチル基であることがより好ましく、両方ともメチル基である場合が特に好ましい。
前記一般式(I)で表されるヒダントイン化合物の具体例としては、1,3−ジメチル−ヒダントイン、1,3−ジエチル−ヒダントイン、3−エチル−1−メチル−ヒダントイン、1−エチル−3−メチル−ヒダントイン、1,3,5−トリメチル−ヒダントイン、1,3,5,5−テトラメチル−ヒダントイン、1−エチル−3,5,5−トリメチル−ヒダントイン、3−エチル−1,5,5−トリメチル−ヒダントイン等が挙げられるが、それらの中でも、1,3−ジメチル−ヒダントイン、3−エチル−1−メチル−ヒダントイン、1,3,5,5−テトラメチル−ヒダントイン、3−エチル−1,5,5−トリメチル−ヒダントイン等が好ましく、1,3−ジメチル−ヒダントイン、1,3,5,5−テトラメチル−ヒダントインが更に好ましく、1,3,5,5−テトラメチル−ヒダントインが特に好ましい。
本発明の非水電解液において、非水電解液中に含有される前記一般式(I)で表される少なくとも1種のヒダントイン化合物の含有量は、5質量%を超えると、電極上に過度に被膜が形成されるため、高温保存特性やサイクル特性等の電池特性が低下する場合があり、また、0.01質量%に満たないと被膜の形成が十分でないために、高温保存特性やサイクル特性等の電池特性を改善する効果が得られなくなる場合がある。したがって、該化合物の含有量は、非水電解液の質量中に0.01質量%以上であり、0.5質量%以上が好ましく、1質量%以上が更に好ましい。また、その上限は5質量%以下であり、4質量%以下が好ましく、3質量%以下がより好ましく、2質量%以下が更に好ましい。
前記一般式(I)で表されるヒダントイン化合物を添加した本発明の非水電解液は、高温保存特性やサイクル特性等の電池特性を改善できる。その理由は必ずしも明確ではないが、以下のように考えられる。即ち、電解液に前記一般式(I)で表されるヒダントイン化合物を含むことにより、充電時に正極と負極の両方にヒダントイン化合物が開環重合した保護被膜が形成される。本発明のヒダントイン化合物は(−CO−NR−)ユニット(アミド構造)を連続して2つ有し、被膜中のLiイオンのトラップサイトとなる(−CO−NR−)ユニットを高濃度に含む被膜が形成され、電解液溶媒の分解を効率的に抑制するため、高温保存特性やサイクル特性等の電池特性を改善できたと考えられる。
上記の効果は、(−CO−NR2−CO−NR1−)構造の類似構造、1−メチル−2−ピロリドン(−CO−N(CH3)−)等のアミド構造、N−メチルスクシンイミド(−CO−N(CH3)−CO−)等のイミド構造、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン(−N(CH3)−CO−N(CH3)−)等のウレア構造を有する化合物を添加した場合とは、全く異なる特異的な効果であることが分かった。
本発明の非水電解液において、非水電解液中に含有される前記一般式(I)で表されるヒダントイン化合物は、単独で用いても、高温保存特性やサイクル特性等の電池特性は向上するが、以下に述べる非水溶媒、電解質塩、更にその他の添加剤を組み合わせることにより、高温保存特性やサイクル特性等の電池特性が相乗的に向上するという特異な効果を発現する。その理由は、必ずしも明確ではないが、前記ヒダントイン化合物と、これらの非水溶媒、電解質塩、更にその他の添加剤の構成元素を含有するイオン伝導性の高い混合被膜が形成されるためと考えられる。
〔非水溶媒〕
本発明の非水電解液に使用される非水溶媒は、少なくとも環状カーボネートと鎖状カーボネートを含有することが好ましい。その他の非水溶媒としては、鎖状エステル類、エーテル類、アミド類、リン酸エステル類、スルホン類、ニトリル類、S=O結合含有化合物、環状過酸化物等が挙げられる。
環状カーボネート類としては、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ブチレンカーボネート(BC)、4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オン(FEC)、トランス又はシス−4,5−ジフルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オン(以下、両者を総称して「DFEC」という)、ビニレンカーボネート(VC)、ビニルエチレンカーボネート(VEC)等が挙げられる。これらの中でも、EC、PC、及び二重結合又はフッ素を含有する環状カーボネートから選ばれる1種以上を含む環状カーボネートが好ましく、EC及び/又はPCと、二重結合又はフッ素を含有する環状カーボネートを1種以上使用すると高温保存特性やサイクル特性等の電池特性が一段と向上するのでより好ましく、EC及び/又はPCと、二重結合を含む環状カーボネートとフッ素を含有する環状カーボネートを両方含むことが特に好ましい。二重結合を含有する環状カーボネートとしては、VC、VECが好ましく、フッ素を含有する環状カーボネートとしては、FEC、DFECが好ましい。
これらの溶媒は1種類で使用してもよいが、2種類以上を組み合わせて使用した場合は、高温保存特性やサイクル特性等の電池特性を改善する効果が更に向上するので好ましく、3種類以上の組合せが特に好ましい。これらの環状カーボネートの好適な組合せとしては、ECとPC、ECとVC、ECとVEC、PCとVC、FECとVC、FECとEC、FECとPC、FECとDFEC、DFECとEC、DFECとPC、DFECとVC、DFECとVEC、ECとPCとVC、ECとFECとPC、ECとFECとVC、ECとVCとVEC、FECとPCとVC、DFECとECとVC、DFECとPCとVC、FECとECとPCとVC、DFECとECとPCとVC等が挙げられる。前記の組合せのうち、より好ましくはECとVC、FECとPC、DFECとPC、ECとFECとPC、ECとFECとVC、ECとVCとVEC等の組合せが挙げられる。
環状カーボネートの含有量は、特に制限されないが、非水溶媒の総容量の10〜40容量%の範囲で用いるのが好ましい。該含有量が10容量%未満であると電解液の電気伝導度が低下し、サイクル特性が低下する傾向があり、40容量%を超えると高温保存特性やサイクル特性等の電池特性が低下する傾向がある。
鎖状カーボネート類としては、メチルエチルカーボネート(MEC)、メチルプロピルカーボネート、メチルイソプロピルカーボネート、メチルブチルカーボネート、エチルプロピルカーボネート等の非対称鎖状カーボネート、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、ジプロピルカーボネート、ジブチルカーボネート等の対称鎖状カーボネートが挙げられる。特に非対称鎖状カーボネートを含むと高温保存特性やサイクル特性等の電池特性が向上する傾向があるので好ましく、非対称鎖状カーボネートと対称鎖状カーボネートを併用することがより好ましい。また、鎖状カーボネートに含まれる非対称鎖状カーボネートの割合が50容量%以上であることが好ましい。非対称鎖状カーボネートとしては、メチル基を有するものが好ましく、MECが最も好ましい。
これらの鎖状カーボネート類は1種類で使用してもよいが、2種類以上を組み合わせて使用すると、高温保存特性やサイクル特性等の電池特性が向上するので好ましい。
鎖状カーボネートの含有量は、特に制限されないが、非水溶媒の総容量の60〜90容量%の範囲で用いるのが好ましい。該含有量が60容量%未満であると電解液の粘度が上昇し、90容量%を超えると電解液の電気伝導度が低下し、高温保存特性やサイクル特性等の電池特性が低下する傾向があるので上記範囲であることが好ましい。
環状カーボネート類と鎖状カーボネート類の割合は、高温保存特性やサイクル特性等の電池特性を向上させる観点から、環状カーボネート類:鎖状カーボネート類(容量比)が10:90〜40:60が好ましく、15:85〜35:65がより好ましく、20:80〜30:70が特に好ましい。
また、鎖状エステル類としては、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、酢酸メチル、酢酸エチル、ピバリン酸メチル、ピバリン酸ブチル、ピバリン酸ヘキシル、ピバリン酸オクチル、シュウ酸ジメチル、シュウ酸エチルメチル、シュウ酸ジエチル等が挙げられ、エーテル類としては、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、1,3−ジオキソラン、1,3−ジオキサン、1,4−ジオキサン等の環状エーテル、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキシエタン、1,2−ジブトキシエタン等の鎖状エーテル等が挙げられる。
アミド類としては、ジメチルホルムアミド等が挙げられ、リン酸エステル類としては、リン酸トリメチル、リン酸トリブチル、リン酸トリオクチル等が挙げられ、スルホン類としては、スルホラン等が挙げられ、ニトリル類としてはアセトニトリル、プロピオニトリル等のモノニトリル化合物、スクシノニトリル、グルタロニトリル、アジポニトリル等のジニトリル化合物が挙げられる。
S=O結合含有化合物としては、1,3−プロパンスルトン、エチレンサルファイト、ヘキサヒドロベンゾ[1,3,2]ジオキサチオラン−2−オキシド(1,2−シクロヘキサンジオールサイクリックサルファイトともいう)、5−ビニル−ヘキサヒドロ1,3,2−ベンゾジオキサチオール−2−オキシド、1,4−ブタンジオールジメタンスルホネート、1,3−ブタンジオールジメタンスルホネート、ジビニルスルホン、1,2−ビス(ビニルスルホニル)エタン、ビス(2−ビニルスルホニルエチル)エーテル等が挙げられる。
環状過酸化物としては、7,8,15,16−テトラオキサジスピロ[5.2.5.2]ヘキサデカン、14,15−ジオキサ−7−アザジスピロ[5.1.5.2]ペンタデカン等が挙げられる。
上記の非水溶媒のうち、特にエーテル類、ニトリル類、S=O結合含有化合物、環状過酸化物を一般式(I)で表されるヒダントイン化合物と併用すると、高温保存特性やサイクル特性等の電池特性が向上するので好ましい。特に好ましくは、7,8,15,16−テトラオキサジスピロ[5.2.5.2]ヘキサデカン、14,15−ジオキサ−7−アザジスピロ[5.1.5.2]ペンタデカン等の環状過酸化物又はジニトリル化合物である。一般式(I)で表されるヒダントイン化合物と併用するこれらの化合物の添加量は、5質量%を超えるとサイクル特性が低下したり、充電状態での高温保存特性を改善する効果が得られない場合があり、また、0.1質量%に満たないと高温保存特性やサイクル特性等の電池特性を改善する効果が十分に得られない場合がある。したがって、該含有量は、非水電解液の質量中に0.1質量%以上含むことが好ましく、0.5質量%以上がより好ましい。また、その上限は5質量%以下が好ましく、3質量%以下がより好ましい。
上記の非水溶媒は通常、適切な物性を達成するために、混合して使用される。その組合せとしては、例えば、環状カーボネート類と鎖状カーボネート類の組合せ、環状カーボネート類と鎖状カーボネート類と鎖状エステル類との組合せ、環状カーボネート類と鎖状カーボネート類とエーテル類の組合せ、環状カーボネート類と鎖状カーボネート類とニトリル類との組合せ、環状カーボネート類と鎖状カーボネート類とS=O結合含有化合物との組合せ等が挙げられる。
これらの中でも、少なくとも環状カーボネート類と鎖状カーボネート類を組合せた非水溶媒を用いると、高温保存特性やサイクル特性等の電池特性が向上するため好ましい。より具体的には、EC、PC、VC、FECから選ばれる1種以上の環状カーボネート類と、DMC、MEC、DECから選ばれる1種以上の鎖状カーボネート類との組合せが挙げられる。
また、γ−ブチロラクトン(GBL)、γ−バレロラクトン等のラクトン化合物を溶媒として含有する場合には、本発明の高温保存特性やサイクル特性等の電池特性を改善する効果が必ずしも発揮されない。この理由は、溶媒にγ−ブチロラクトン等のラクトン化合物を用いた場合、高温下でラクトン化合物が分解し、本発明のヒダントイン化合物が被膜を形成する前に、ラクトン化合物の分解物が抵抗の大きい被膜を電極上に形成することにより、Liイオンの移動が妨げられるためであると考えられる。従って、非水溶媒中にラクトン化合物を含まないことが好ましい。
〔電解質塩〕
本発明に使用される電解質塩としては、LiPF6、LiBF4、LiClO4等のリチウム塩、LiN(SO2CF32、LiN(SO2252、LiCF3SO3、LiC(SO2CF33、LiPF4(CF32、LiPF3(C253、LiPF3(CF33、LiPF3(iso−C373、LiPF5(iso−C37)等の鎖状のフッ化アルキル基を含有するリチウム塩や、(CF22(SO22NLi、(CF23(SO22NLi等の環状のフッ化アルキレン鎖を含有するリチウム塩、ビス[オキサレート−O,O’]ホウ酸リチウムやジフルオロ[オキサレート−O,O’]ホウ酸リチウム等のオキサレート錯体をアニオンとするリチウム塩等が挙げられる。これらの中でも、特に好ましい電解質塩は、LiPF6、LiBF4、LiN(SO2CF32、LiN(SO2252であり、最も好ましい電解質塩はLiPF6、LiBF4及びLiN(SO2CF32である。これらの電解質塩は、1種単独で又は2種以上を組み合わせて使用することができる。
これらの電解質塩の好適な組合せとしては、LiPF6を含み、更に、LiBF4、LiN(SO2CF32及びLiN(SO2252から選ばれる少なくとも1種を含む組合せが挙げられる。好ましくは、LiPF6とLiBF4との組合せ、LiPF6とLiN(SO2CF32との組合せ、LiPF6とLiN(SO2252との組合せ等が挙げられる。
(LiPF6:LiBF4、LiN(SO2CF32、及びLiN(SO2252から選ばれる電解質塩)のモル比が70:30よりもLiPF6の割合が低い場合、及び99:1よりもLiPF6の割合が高い場合には高温保存特性やサイクル特性等の電池特性が低下する場合がある。したがって、(LiPF6:LiBF4、LiN(SO2CF32、及びLiN(SO2252から選ばれる電解質塩)のモル比は、70:30〜99:1の範囲が好ましく、80:20〜98:2の範囲がより好ましい。上記範囲の組合せで使用することにより、高温保存特性やサイクル特性等の電池特性を改善する効果を更に向上させることができる。
電解質塩は任意の割合で混合することができるが、LiPF6と組み合わせて使用する場合のLiBF4、LiN(SO2CF32及びLiN(SO2252を除く他の電解質塩が全電解質塩に占める割合(モル分率)は、0.01%に満たないと高温保存特性やサイクル特性等の電池特性の向上効果が乏しく、45%を超えると高温保存特性やサイクル特性等の電池特性が低下する場合がある。したがって、その割合(モル分率)は、好ましくは0.01〜45%、より好ましくは0.03〜20%、更に好ましくは0.05〜10%、最も好ましくは0.05〜5%である。
これら全電解質塩が溶解されて使用される濃度は、前記の非水溶媒に対して、通常0.3M以上が好ましく、0.5M以上がより好ましく、0.7M以上が最も好ましい。またその上限は、2.5M以下が好ましく、2.0M以下がより好ましく、1.5M以下が更に好ましく、1.2M以下が最も好ましい。
電気二重層キャパシタ(コンデンサ)用電解質としては、テトラエチルアンモニウムテトラフルオロボレート、トリエチルメチルアンモニウムテトラフルオロボレート、テトラエチルアンモニウムヘキサフルオロホスフェート等の公知の4級アンモニウム塩を用いることができる。
〔その他の添加剤〕
本発明の非水電解液には、一般式(I)の化合物に加え、芳香族化合物を0.1〜5質量
%含有させることにより、過充電時の電池の安全性を確保することができる。かかる芳香族化合物としては、例えば、シクロヘキシルベンゼン、フルオロシクロヘキシルベンゼン化合物(1−フルオロ−2−シクロヘキシルベンゼン、1−フルオロ−3−シクロヘキシルベンゼン、1−フルオロ−4−シクロヘキシルベンゼン)、tert−ブチルベンゼン、tert−アミルベンゼン、1−フルオロ−4−tert−ブチルベンゼン、1,3−ジ−tert−ブチルベンゼン、ビフェニル、ターフェニル(o−、m−、p−体)、ジフェニルエーテル、フルオロベンゼン、ジフルオロベンゼン(o−、m−、p−体)、2,4−ジフルオロアニソール、ターフェニルの部分水素化物(1、2−ジシクロヘキシルベンゼン、2−フェニルビシクロヘキシル、1,2−ジフェニルシクロヘキサン、o−シクロヘキシルビフェニル)等が挙げられる。これらの芳香族化合物は、1種単独で又は2種以上を組み合わせて使用することができる。
中でも、シクロヘキシルベンゼン、フルオロシクロヘキシルベンゼン化合物(1−フルオロ−2−シクロヘキシルベンゼン、1−フルオロ−3−シクロヘキシルベンゼン、1−フルオロ−4−シクロヘキシルベンゼン)、tert−ブチルベンゼン、tert−アミルベンゼン、1−フルオロ−4−tert−ブチルベンゼン、1,3−ジ−tert−ブチルベンゼンから選ばれる分枝アルキルベンゼン化合物を含有させた場合、高温保存特性やサイクル特性等の電池特性も良好となるので好ましく、tert−ブチルベンゼン、tert−アミルベンゼン、1−フルオロ−4−tert−ブチルベンゼン、1,3−ジ−tert−ブチルベンゼンが更に好ましい。
〔非水電解液の製造〕
本発明の非水電解液は、例えば、前記の非水溶媒を混合し、これに前記の電解質塩及び該非水電解液中に前記一般式(I)で表されるヒダントイン化合物を0.01〜5質量%となるように溶解することにより得ることができる。
この際、用いる非水溶媒、及び非水電解液に加える化合物は、生産性を著しく低下させない範囲内で、予め精製して、不純物が極力少ないものを用いることが好ましい。
本発明の非水電解液は、リチウム一次電池及びリチウム二次電池用電解液として好適に使用することができる。更に、本発明の非水電解液は、電気二重層キャパシタ用電解液やハイブリッドキャパシタ用電解液としても使用できる。これらの中でも、本発明の非水電解液は、リチウム二次電池用として用いることが最も適している。
〔リチウム電池〕
本発明のリチウム電池は、リチウム一次電池及びリチウム二次電池を総称するものであって、正極、負極及び非水溶媒に電解質塩が溶解されている非水電解液からなり、前記一般式(I)で表されるヒダントイン化合物を非水電解液中に0.01〜5質量%含むことを特徴とする。該非水電解液中の該ヒダントイン化合物の含有量は、好ましく0.5〜4質量%、より好ましくは1〜3質量%、更に好ましくは1〜2質量%である。
本発明のリチウム電池においては、非水電解液以外の正極、負極等の構成部材は特に制限なく使用できる。
例えば、リチウム二次電池用正極活物質としては、コバルト、マンガン、及びニッケルから選ばれる1種以上を含有するリチウム複合金属酸化物が使用される。これらの正極活物質は、1種単独で又は2種以上を組み合わせて用いることができる。
このようなリチウム複合金属酸化物としては、例えば、LiCoO2、LiMn24、LiNiO2、LiCo1-xNix2(0.01<x<1)、LiCo1/3Ni1/3Mn1/32、LiNi1/2Mn3/24、LiCo0.98Mg0.022等が挙げられる。また、LiCoO2とLiMn24、LiCoO2とLiNiO2、LiMn24とLiNiO2のように併用してもよい。
また、過充電時の安全性やサイクル特性を向上したり、4.3V以上の充電電位での使用を可能にするために、リチウム複合金属酸化物の一部は他元素で置換してもよい。例えば、コバルト、マンガン、ニッケルの一部をSn、Mg、Fe、Ti、Al、Zr、Cr、V、Ga、Zn、Cu、Bi、Mo、La等から選ばれる1種以上の元素で置換したり、Oの一部をSやFで置換したり、又はこれらの他元素を含有する化合物を被覆することもできる。
これらの中では、LiCoO2、LiMn24、LiNiO2のような満充電状態における正極の充電電位がLi基準で4.3V以上で使用可能なリチウム複合金属酸化物が好ましく、LiCo1-xx2(但し、MはSn、Mg、Fe、Ti、Al、Zr、Cr、V、Ga、Zn、Cuから選ばれる1種類以上の元素を示す。0.001≦x≦0.05)、LiCo1/3Ni1/3Mn1/32、LiNi1/2Mn3/24のような4.4V以上で使用可能なリチウム複合金属酸化物がより好ましい。高充電電圧のリチウム複合金属酸化物を使用すると、充電時における非水電解液との反応により、高温保存特性やサイクル特性等の電池特性が低下しやすいが、本発明に係るリチウム二次電池ではこれらの電池特性の低下を抑制することができる。
更に、正極活物質として、リチウム含有オリビン型リン酸塩を用いることもできる。特にFe、Co、Ni及びMnから選ばれる1種以上含むリチウム含有オリビン型リン酸塩が好ましい。その具体例としては、LiFePO4、LiCoPO4、LiNiPO4、LiMnPO4等が挙げられる。
これらのリチウム含有オリビン型リン酸塩の一部は他元素で置換してもよく、鉄、コバルト、ニッケル、マンガンの一部をCo、Mn、Ni、Mg、Al、B、Ti、V、Nb、Cu、Zn、Mo、Ca、Sr、W及びZr等から選ばれる1種以上の元素で置換したり、又はこれらの他元素を含有する化合物や炭素材料で被覆することもできる。これらの中では、LiFePO4又はLiMnPO4が好ましい。
また、リチウム含有オリビン型リン酸塩は、例えば前記の正極活物質と混合して用いることもできる。
正極の導電剤は、化学変化を起こさない電子伝導材料であれば特に制限はない。例えば、天然黒鉛(鱗片状黒鉛等)、人造黒鉛等のグラファイト類、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラック等のカーボンブラック類等が挙げられる。また、グラファイト類とカーボンブラック類を適宜混合して用いてもよい。導電剤の正極合剤への添加量は、1〜10質量%が好ましく、特に2〜5質量%が好ましい。
正極は、前記の正極活物質をアセチレンブラック、カーボンブラック等の導電剤、及びポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、スチレンとブタジエンの共重合体(SBR)、アクリロニトリルとブタジエンの共重合体(NBR)、カルボキシメチルセルロース(CMC)、エチレンプロピレンジエンターポリマー等の結着剤と混合し、これに1−メチル−2−ピロリドン等の高沸点溶剤を加えて混練して正極合剤とした後、この正極合剤を集電体のアルミニウム箔やステンレス製のラス板等に塗布して、乾燥、加圧成型した後、50℃〜250℃程度の温度で2時間程度真空下で加熱処理することにより作製することができる。
正極の集電体を除く部分の密度は、通常は1.5g/cm3以上であり、電池の容量を更に高めるため、好ましくは2g/cm3以上であり、より好ましくは3g/cm3以上であり、更に好ましくは3.6g/cm3以上である。またその上限は、4.0g/cm3を超えると実質上作製が困難となる場合があるため、4.0g/cm3以下が好ましい。
また、リチウム一次電池用の正極としては、CuO、Cu2O、Ag2O、Ag2CrO4、CuS、CuSO4、TiO2、TiS2、SiO2、SnO、V25、V612、VOx、Nb25、Bi23、Bi2Pb25,Sb23、CrO3、Cr23、MoO3、WO3、SeO2、MnO2、Mn23、Fe23、FeO、Fe34、Ni23、NiO、CoO3、CoO等の、一種又は二種以上の金属元素の酸化物又はカルコゲン化合物、SO2、SOCl2等の硫黄化合物、一般式(CFxnで表されるフッ化炭素(フッ化黒鉛)等が挙げられる。これらの中では、MnO2、V25、フッ化黒鉛等が好ましい。
リチウム二次電池用負極活物質としては、リチウム金属やリチウム合金、及びリチウムを吸蔵及び放出することが可能な炭素材料(人造黒鉛や天然黒鉛等のグラファイト類)、リチウムを吸蔵及び放出可能な金属化合物等を1種単独で又は2種以上を組み合わせて用いることができる。
これらの中では、リチウムイオンの吸蔵及び放出能力において、人造黒鉛や天然黒鉛等の高結晶性の炭素材料を使用することが好ましく、格子面(002)の面間隔(d002)が0.340nm(ナノメータ)以下、特に0.335〜0.337nmである黒鉛型結晶構造を有する炭素材料を使用することが特に好ましい。高結晶性の炭素材料を使用すると、充電時において非水電解液と反応しやすく、高温保存特性やサイクル特性等の電池特性が低下する傾向があるが、本発明に係るリチウム二次電池では非水電解液との反応を抑制することができる。また、高結晶性の炭素材料が低結晶性の炭素材料によって被膜されていると、非水電解液の分解が一段と抑制されるので好ましい。
また、負極活物質としてのリチウムを吸蔵及び放出可能な金属化合物としては、Si、Ge、Sn、Pb、P、Sb、Bi、Al、Ga、In、Ti、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ag、Mg、Sr、Ba等の金属元素を少なくとも1種含有する化合物が挙げられる。これらの金属化合物は単体、合金、酸化物、窒化物、硫化物、硼化物、リチウムとの合金等、何れの形態で用いてもよいが、単体、合金、酸化物、リチウムとの合金の何れかが高容量化できるので好ましい。中でも、Si、Ge及びSnから選ばれる少なくとも1種の元素を含有するものが好ましく、Si及びSnから選ばれる少なくとも1種の元素を含むものが電池を高容量化できるので特に好ましい。
負極は、上記の正極の作製と同様な導電剤、結着剤、高沸点溶剤を用いて混練して負極合剤とした後、この負極合剤を集電体の銅箔等に塗布して、乾燥、加圧成型した後、50℃〜250℃程度の温度で2時間程度真空下で加熱処理することにより作製することができる。
負極活物質に黒鉛を用いた場合、負極の集電体を除く部分の密度は、通常は1.4g/cm3以上であり、電池の容量をさらに高めるため、好ましくは1.6g/cm3以上であり、特に好ましくは1.7g/cm3以上である。その上限は、2.0g/cm3を超えると実質上作製が困難となる場合があるため、2.0g/cm3以下が好ましい。
また、リチウム一次電池用の負極活物質としては、リチウム金属又はリチウム合金が挙げられる。
リチウム二次電池の構造には特に限定はなく、単層又は複層のセパレータを有するコイン型電池、円筒型電池、角型電池、ラミネート式電池等を適用できる。
電池用セパレータは特に制限されず、ポリプロピレン、ポリエチレン等のポリオレフィンの単層又は積層の多孔性フィルム、織布、不織布等を使用できる。
本発明におけるリチウム二次電池は、充電終止電圧が4.2V以上、特に4.3V以上の場合にも長期間にわたり優れたサイクル特性を有しており、更に、4.4Vにおいてもサイクル特性は良好であり、高温保存特性も改善される。放電終止電圧は、通常2.8V以上、更には2.5V以上とすることができるが、本発明におけるリチウム二次電池は、2.0V以上とすることができる。電流値については特に限定されないが、通常0.1〜3Cの定電流放電で使用される。また、本発明におけるリチウム二次電池は、−40〜100℃、好ましくは0〜80℃で充放電することができる。
本発明においては、リチウム二次電池の内圧上昇の対策として、電池蓋に安全弁を設けたり、電池缶やガスケット等の部材に切り込みを入れる方法も採用することができる。また、過充電防止の安全対策として、電池の内圧を感知して電流を遮断する電流遮断機構を電池蓋に設けることができる。
以下、本発明の非水電解液を用いた実施例を示すが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
実施例1〜10及び比較例1〜4
〔リチウムイオン二次電池の作製〕
LiCoO2(正極活物質)94質量%、アセチレンブラック(導電剤)3質量%を混合し、予めポリフッ化ビニリデン(結着剤)3質量%を1−メチル−2−ピロリドンに溶解させておいた溶液に加えて混合し、正極合剤ペーストを調製した。この正極合剤ペーストをアルミニウム箔(集電体)上の片面に塗布し、乾燥、加圧処理して所定の大きさに裁断し、正極シートを作製した。正極の集電体を除く部分の密度は3.6g/cm3であった。
また、低結晶性炭素を被膜した人造黒鉛(d002=0.335nm、負極活物質)95質量%を、予めポリフッ化ビニリデン(結着剤)5質量%を1−メチル−2−ピロリドンに溶解させておいた溶液に加えて混合し、負極合剤ペーストを調製した。この負極合剤ペーストを銅箔(集電体)上の片面に塗布し、乾燥、加圧処理して所定の大きさに裁断し、負極シートを作製した。負極の集電体を除く部分の密度は1.7g/cm3であった。
上記で得られた正極シートと負極シートを用いて、該正極シート、微孔性ポリエチレンフィルム製セパレータ、該負極シートの順に積層し、表1に記載の組成の非水電解液に、同じく表1に記載のヒダントイン化合物を所定量添加して調製した非水電解液を加えて、それぞれ実施例1〜10及び比較例1〜4の2032型コイン電池を作製した。
得られた電池のサイクル特性、高温保存特性を以下の方法で評価した。結果を表1に示す。
〔サイクル特性の評価〕
上記の方法で作製したコイン電池を用いて、60℃の恒温槽中、1Cの定電流及び定電圧で終止電圧4.3Vまで3時間充電し、次に1Cの定電流下、終止電圧3.0Vまで放電することを1サイクルとし、これを100サイクルに達するまで繰り返した。そして、以下の式により、60℃における100サイクル後の放電容量維持率(%)を求めた。
放電容量維持率(%)=(100サイクル目の放電容量/1サイクル目の放電容量)×100
〔高温保存特性の評価〕
上記と同じ組成の非水電解液を使用した別のコイン電池を用いて、25℃の恒温槽中1Cの定電流及び定電圧で終止電圧4.3Vまで3時間充電し、次に1Cの定電流下終止電圧3.0Vまで放電した。この放電時の平均の放電電圧を「保存前の平均放電電圧」とした。
再び1Cの定電流及び定電圧で終止電圧4.3Vまで3時間充電し、60℃の恒温槽に入れ、4.3Vに保持した状態で3日間保存を行った。その後、25℃の恒温槽に入れ、一旦1Cの定電流下、終止電圧3.0Vまで放電し、再び1Cの定電流及び定電圧で終止電圧4.3Vまで3時間充電し、次に1Cの定電流下終止電圧3.0Vまで放電した。この放電時の平均の放電電圧を「保存後の平均放電電圧」とした。
そして、非水電解液にヒダントイン化合物を加えなかったこと以外は実施例1と同様にコイン電池を作製し、以下の式により、比較例1を基準とする高温保存後の「平均放電電圧低下率(%)」を求めた。
平均放電電圧低下率(相対値)(%)=(保存前の平均放電電圧−保存後の平均放電電圧)/(比較例1の保存前の平均放電電圧−比較例1の保存後の平均放電電圧)×100
Figure 2010016475
なお、表1中の電解液成分の詳細は以下のとおりである。
(環状カーボネート)
EC:エチレンカーボネート、 VC:ビニレンカーボネート
VEC:ビニルエチレンカーボネート
FEC:4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オン
(鎖状カーボネート)
MEC:メチルエチルカーボネート、 DEC:ジエチルカーボネート
DMC:ジメチルカーボネート
実施例11〜13及び比較例5
また、表2に記載の組成の非水電解液にヒダントイン化合物を所定量添加して調製した非水電解液を加えたこと以外は、実施例1と同様にして実施例1011〜1213及び比較例5の2032型コイン電池を作製し、電池評価を行った。結果を表2に示す。
なお、高温保存後の平均放電電圧低下率は、比較例5を基準にして計算した値である。
Figure 2010016475
実施例14及び比較例6
実施例2、比較例1で用いた正極活物質に変えて、LiFePO4(正極活物質)を用いて、正極シートを作製した。LiFePO4 90質量%、アセチレンブラック(導電剤)5質量%を混合し、予めポリフッ化ビニリデン(結着剤)5質量%を1−メチル−2−ピロリドンに溶解させておいた溶液に加えて混合し、正極合剤ペーストを調製した。この正極合剤ペーストをアルミニウム箔(集電体)上に塗布し、乾燥、加圧処理して所定の大きさに裁断し、正極シートを作製したこと、サイクル特性の評価及び保存特性の評価の際の充電終止電圧を3.8V、放電終止電圧を2.0Vとしたこと以外は、実施例2、比較例1と同様にしてコイン電池を作製し電池評価を行った。結果を表3に示す。
なお、高温保存後の平均放電電圧低下率は、比較例6を基準にして計算した値である。
Figure 2010016475
実施例15及び比較例7
実施例2、比較例1において、負極活物質を低結晶性炭素を被膜した人造黒鉛に替えてSiを用い、Si(負極活物質)を75質量%、人造黒鉛(導電剤)を10質量%、アセチレンブラック(導電剤)を10質量%、ポリフッ化ビニリデン(結着剤)を5質量%の割合で混合し、これに1−メチル−2−ピロリドン溶剤を加えて混合したものを銅箔集電体上に塗布し、乾燥、加圧処理して所定の大きさに裁断し、負極シートを作製したこと以外は、実施例2、比較例1と同様にして非水電解液を調製してコイン電池を作製し、電池特性を測定した。結果を表4に示す。
なお、高温保存後の平均放電電圧低下率は、比較例7を基準にして計算した値である。
Figure 2010016475
(−CO−NR−)ユニット(アミド構造)を連続して2つもつヒダントイン化合物を添加した本発明の実施例1〜10のリチウム二次電池は、比較例1(なし)、比較例2(1−メチル−2−ピロリドン)、比較例3(N−メチル−スクシンイミド)、比較例4(1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン)のリチウム二次電池に比べて、高温保存特性やサイクル特性等の電池特性が顕著に向上している。
実施例11〜13と比較例5の対比から、前記ヒダントイン化合物の添加により高温保存特性が向上することが分かる。
また、実施例14と比較例6の対比、実施例15と比較例7の対比から、正極にリチウム含有オリビン型リン酸鉄塩を用いた場合や、負極にSiを用いた場合にも同様な効果がみられる。従って、本発明の効果は、特定の正極や負極に依存した効果でないことは明らかである。
更に、本発明の非水電解液は、リチウム一次電池の高温保存特性を改善する効果も有する。
本発明の非水電解液を用いたリチウム電池は、高温保存特性やサイクル特性等の電池特性に優れているため、極めて有用である。

Claims (13)

  1. 非水溶媒に電解質塩が溶解されている非水電解液において、下記一般式(I)で表されるヒダントイン化合物を非水電解液中に0.01〜5質量%含むことを特徴とする非水電解液。
    Figure 2010016475
    (式中、R1及びR2は、それぞれメチル基又はエチル基を示す。R3及びR4は、それぞれ水素原子、メチル基又はエチル基を示す。)
  2. 一般式(I)におけるR3及びR4の少なくとも1つがメチル基又はエチル基である請求項1に記載の非水電解液。
  3. 電解質塩が、LiPF6、LiBF4、LiN(SO2CF32、及びLiN(SO2252から選ばれる少なくとも1種である請求項1に記載の非水電解液。
  4. 電解質塩がLiPF6を含み、かつ(LiPF6:LiBF4、LiN(SO2CF32、及びLiN(SO2252から選ばれる電解質塩)のモル比が、70:30〜99:1の範囲である請求項3に記載の非水電解液。
  5. 非水溶媒が環状カーボネート及び鎖状カーボネートを含む請求項1に記載の非水電解液。
  6. 環状カーボネート類:鎖状カーボネート類の容量比が10:90〜40:60である請求項1に記載の非水電解液。
  7. 環状カーボネートが、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、及び二重結合又はフッ素を含有する環状カーボネートから選ばれる1種以上を含むものである請求項1に記載の非水電解液。
  8. 二重結合を含有する環状カーボネートがビニレンカーボネート又はビニルエチレンカーボネートであり、フッ素を含有する環状カーボネートが4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オン又は4,5−ジフルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンである請求項7に記載の非水電解液。
  9. 鎖状カーボネートが非対称鎖状カーボネートを含むものである請求項5に記載の非水電解液。
  10. 非対称鎖状カーボネートがメチル基を含むものである請求項9に記載の非水電解液。
  11. 正極、負極及び非水溶媒に電解質塩が溶解されている非水電解液からなるリチウム電池において、前記一般式(I)で表されるヒダントイン化合物を非水電解液中に0.01〜5質量%含むことを特徴とするリチウム電池。
  12. 正極が、リチウム複合金属酸化物及びリチウム含有オリビン型リン酸塩から選ばれる1種以上の化合物を含む正極活物質を含む請求項11に記載のリチウム電池。
  13. 負極が、リチウム金属、リチウム合金、リチウムを吸蔵及び放出することが可能な炭素材料、並びにリチウムを吸蔵及び放出可能な金属化合物から選ばれる1種以上の化合物を含む負極活物質を含む請求項11に記載のリチウム電池。
JP2010523854A 2008-08-04 2009-08-04 非水電解液及びそれを用いたリチウム電池 Active JP5392259B2 (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2010523854A JP5392259B2 (ja) 2008-08-04 2009-08-04 非水電解液及びそれを用いたリチウム電池

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2008200636 2008-08-04
JP2008200636 2008-08-04
PCT/JP2009/063782 WO2010016475A1 (ja) 2008-08-04 2009-08-04 非水電解液及びそれを用いたリチウム電池
JP2010523854A JP5392259B2 (ja) 2008-08-04 2009-08-04 非水電解液及びそれを用いたリチウム電池

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPWO2010016475A1 true JPWO2010016475A1 (ja) 2012-01-26
JP5392259B2 JP5392259B2 (ja) 2014-01-22

Family

ID=41663692

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2010523854A Active JP5392259B2 (ja) 2008-08-04 2009-08-04 非水電解液及びそれを用いたリチウム電池

Country Status (5)

Country Link
US (1) US8865353B2 (ja)
JP (1) JP5392259B2 (ja)
KR (1) KR20110049790A (ja)
CN (1) CN102119463B (ja)
WO (1) WO2010016475A1 (ja)

Families Citing this family (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5444894B2 (ja) * 2008-07-11 2014-03-19 宇部興産株式会社 非水電解液及びそれを用いたリチウム電池
JP2012104439A (ja) * 2010-11-12 2012-05-31 Mitsubishi Chemicals Corp 非水系電解液及びそれを用いた非水系電解液二次電池
US9774039B2 (en) 2011-10-14 2017-09-26 Kabushiki Kaisha Toyota Jidoshokki Negative electrode material for electric storage device, negative electrode for electric storage device, electric storage device, and vehicle
WO2013188594A2 (en) * 2012-06-12 2013-12-19 A123 Systems, LLC Non-aqueous electrolytic rechargeable batteries for extended temperature range operation
FR3013901B1 (fr) * 2013-11-28 2017-03-24 Centre Nat Rech Scient Dispositif electrochimique autophotorechargeable
CN103956268A (zh) * 2014-05-15 2014-07-30 深圳新宙邦科技股份有限公司 一种电解液溶质和电解液及高电压超级电容器
WO2015195595A1 (en) 2014-06-17 2015-12-23 Medtronic, Inc. Semi-solid electrolytes for batteries
KR20160055083A (ko) * 2014-11-07 2016-05-17 에이일이삼 시스템즈, 엘엘씨 넓은 온도 범위 사이클링에서 가스 발생이 적은 전해질 제제
US10333173B2 (en) 2014-11-14 2019-06-25 Medtronic, Inc. Composite separator and electrolyte for solid state batteries
US9490503B1 (en) 2015-06-22 2016-11-08 Wildcat Discovery Technologies, Inc. Electrolyte formulations for lithium ion batteries
US10135093B2 (en) 2016-03-30 2018-11-20 Wildcat Discovery Technologies, Inc. High voltage solid electrolyte compositions
US20220173435A1 (en) * 2019-03-28 2022-06-02 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Lithium battery and use of a urea-based electrolyte additive as an electrolyte additive therein
KR102501252B1 (ko) * 2019-04-30 2023-02-20 주식회사 엘지에너지솔루션 리튬 이차 전지용 비수 전해질 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지
CN110556549B (zh) * 2019-08-21 2022-07-08 天津大学 锂一次电池
CN114616711A (zh) * 2020-12-30 2022-06-10 东莞新能源科技有限公司 电解液、包含该电解液的电化学装置及电子装置
CN114156536B (zh) * 2021-10-27 2023-12-05 大连中比动力电池有限公司 添加剂、电解液及其在改善锂电池低温性能中的应用
CN113851720B (zh) * 2021-10-29 2023-02-28 天津市捷威动力工业有限公司 一种锂离子电池非水电解液及其应用
WO2023122956A1 (zh) * 2021-12-28 2023-07-06 宁德新能源科技有限公司 一种电解液、包含该电解液的电化学装置和电子装置

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11273728A (ja) * 1998-01-22 1999-10-08 Sony Corp 非水電解質電池
JP2001307769A (ja) * 2000-04-19 2001-11-02 Mitsui Chemicals Inc リチウム電池用電解液およびそれを用いた二次電池
JP2003007333A (ja) * 2001-06-26 2003-01-10 Mitsubishi Chemicals Corp 非水系電解液及びこれを用いた非水系電解液二次電池
JP2003092137A (ja) * 2001-07-10 2003-03-28 Mitsubishi Chemicals Corp 非水系電解液及びこれを用いた二次電池
JP2003151622A (ja) * 2001-11-14 2003-05-23 Matsushita Electric Ind Co Ltd 非水電解液およびこれを用いた非水電解液二次電池
JP2003208920A (ja) * 2002-01-16 2003-07-25 Mitsubishi Chemicals Corp 非水系電解液及びそれを用いたリチウム二次電池

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11273728A (ja) * 1998-01-22 1999-10-08 Sony Corp 非水電解質電池
JP2001307769A (ja) * 2000-04-19 2001-11-02 Mitsui Chemicals Inc リチウム電池用電解液およびそれを用いた二次電池
JP2003007333A (ja) * 2001-06-26 2003-01-10 Mitsubishi Chemicals Corp 非水系電解液及びこれを用いた非水系電解液二次電池
JP2003092137A (ja) * 2001-07-10 2003-03-28 Mitsubishi Chemicals Corp 非水系電解液及びこれを用いた二次電池
JP2003151622A (ja) * 2001-11-14 2003-05-23 Matsushita Electric Ind Co Ltd 非水電解液およびこれを用いた非水電解液二次電池
JP2003208920A (ja) * 2002-01-16 2003-07-25 Mitsubishi Chemicals Corp 非水系電解液及びそれを用いたリチウム二次電池

Also Published As

Publication number Publication date
CN102119463B (zh) 2014-09-10
CN102119463A (zh) 2011-07-06
US8865353B2 (en) 2014-10-21
WO2010016475A1 (ja) 2010-02-11
US20120021300A1 (en) 2012-01-26
KR20110049790A (ko) 2011-05-12
JP5392259B2 (ja) 2014-01-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5392259B2 (ja) 非水電解液及びそれを用いたリチウム電池
JP5610052B2 (ja) リチウム電池用非水電解液及びそれを用いたリチウム電池
CN106471664B (zh) 非水电解液以及使用了该非水电解液的蓄电设备
JP6866183B2 (ja) 非水電解液及びそれを用いた蓄電デバイス
JP6222106B2 (ja) 非水電解液及びそれを用いた蓄電デバイス
JP5392261B2 (ja) 非水電解液及びそれを用いたリチウム電池
JP5545219B2 (ja) 非水電解液及びそれを用いたリチウム電池
JP5907070B2 (ja) リチウム電池又はリチウムイオンキャパシタ用の非水電解液及びそれを用いた電気化学素子
JP5428274B2 (ja) 非水電解液及びそれを用いたリチウム電池
KR20140148427A (ko) 비수 전해액 및 그것을 이용한 축전 디바이스
JP4893003B2 (ja) 非水電解質二次電池
JP2011171282A (ja) 非水電解液及びそれを用いた電気化学素子
JP2023099207A (ja) 非水電解液及びそれを用いた蓄電デバイス
JP5376142B2 (ja) 非水電解液及びそれを用いたリチウム電池
JP5682665B2 (ja) 非水電解液及びそれを用いたリチウム電池
KR101683534B1 (ko) 이차전지 전해액 및 이를 포함하는 이차전지
JP7105077B2 (ja) 非水電解液およびそれを用いた蓄電デバイス
JP5444894B2 (ja) 非水電解液及びそれを用いたリチウム電池
JP2022024391A (ja) 非水電解液およびそれを用いた蓄電デバイス

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20120601

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20130917

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20130930

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 5392259

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

S111 Request for change of ownership or part of ownership

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313111

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350