JPWO2012067102A1 - 非水二次電池 - Google Patents

非水二次電池 Download PDF

Info

Publication number
JPWO2012067102A1
JPWO2012067102A1 JP2012544254A JP2012544254A JPWO2012067102A1 JP WO2012067102 A1 JPWO2012067102 A1 JP WO2012067102A1 JP 2012544254 A JP2012544254 A JP 2012544254A JP 2012544254 A JP2012544254 A JP 2012544254A JP WO2012067102 A1 JPWO2012067102 A1 JP WO2012067102A1
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
compound
group
lithium
mass
negative electrode
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.)
Pending
Application number
JP2012544254A
Other languages
English (en)
Inventor
正幸 大矢
正幸 大矢
岸見 光浩
光浩 岸見
喜多 房次
房次 喜多
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.)
Hitachi Maxell Energy Ltd
Original Assignee
Hitachi Maxell Energy 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 Hitachi Maxell Energy Ltd filed Critical Hitachi Maxell Energy Ltd
Publication of JPWO2012067102A1 publication Critical patent/JPWO2012067102A1/ja
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • 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
    • H01M4/13Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/131Electrodes based on mixed oxides or hydroxides, or on mixtures of oxides or hydroxides, e.g. LiCoOx
    • 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
    • H01M4/48Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides
    • 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
    • H01M10/052Li-accumulators
    • H01M10/0525Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
    • 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
    • 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
    • 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
    • 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
    • H01M4/13Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/133Electrodes based on carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx
    • 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
    • H01M4/13Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/134Electrodes based on metals, Si or alloys
    • 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
    • H01M4/38Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of elements or alloys
    • 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
    • H01M4/48Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides
    • H01M4/485Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of mixed oxides or hydroxides for inserting or intercalating light metals, e.g. LiTi2O4 or LiTi2OxFy
    • 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
    • H01M4/48Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides
    • H01M4/50Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of manganese
    • H01M4/505Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of manganese of mixed oxides or hydroxides containing manganese for inserting or intercalating light metals, e.g. LiMn2O4 or LiMn2OxFy
    • 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
    • H01M4/48Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides
    • H01M4/52Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of nickel, cobalt or iron
    • H01M4/525Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of nickel, cobalt or iron of mixed oxides or hydroxides containing iron, cobalt or nickel for inserting or intercalating light metals, e.g. LiNiO2, LiCoO2 or LiCoOxFy
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/409Separators, membranes or diaphragms characterised by the material
    • H01M50/411Organic material
    • H01M50/414Synthetic resins, e.g. thermoplastics or thermosetting resins
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/409Separators, membranes or diaphragms characterised by the material
    • H01M50/431Inorganic material
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/409Separators, membranes or diaphragms characterised by the material
    • H01M50/431Inorganic material
    • H01M50/434Ceramics
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/409Separators, membranes or diaphragms characterised by the material
    • H01M50/449Separators, membranes or diaphragms characterised by the material having a layered structure
    • H01M50/451Separators, membranes or diaphragms characterised by the material having a layered structure comprising layers of only organic material and layers containing inorganic material
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/489Separators, membranes, diaphragms or spacing elements inside the cells, characterised by their physical properties, e.g. swelling degree, hydrophilicity or shut down properties
    • H01M50/491Porosity
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/409Separators, membranes or diaphragms characterised by the material
    • H01M50/411Organic material
    • H01M50/414Synthetic resins, e.g. thermoplastics or thermosetting resins
    • H01M50/417Polyolefins
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/489Separators, membranes, diaphragms or spacing elements inside the cells, characterised by their physical properties, e.g. swelling degree, hydrophilicity or shut down properties
    • 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

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)
  • Cell Separators (AREA)

Abstract

本発明の非水二次電池は、正極、負極、セパレータおよび非水電解質を備え、前記正極は、正極活物質として一般組成式(1):Li1+yMO2で表されるリチウム含有複合酸化物を含み、前記一般組成式(1)において、−0.5≦y≦0.5であり、Mは、Niと、Co、Mn、FeおよびTiよりなる群から選択される少なくとも1種の元素とを含む元素群を表し、前記非水電解質は、不飽和結合を含有するアルキルエーテル基を少なくとも1つ有するシクロアルカン誘導体Aと、窒素原子の少なくとも1つが不飽和結合を含有する官能基を有するアザクラウンエーテル化合物Bおよび含窒素ヘテロ環化合物Cよりなる群から選択される少なくとも1種の化合物とを含むことを特徴とする。

Description

本発明は、充放電サイクル特性および貯蔵特性に優れた非水二次電池に関するものである。
リチウムイオン二次電池などの非水二次電池は、高電圧・高容量であることから、携帯電話やノート型パーソナルコンピュータなどの電子機器の電源として利用されており、また、電気自動車などへの用途展開も図られている。そして、これらの非水二次電池では、適用機器の発展に伴って、容量を始めとする各種特性の向上を図ることが試みられている。
こうした非水二次電池の改良技術の一つとして、非水電解質への添加剤の適用が知られている(例えば、特許文献1〜3)。
特開2010−86954号公報 特開2010−118337号公報 特開2010−165667号公報
ところで、非水二次電池の正極活物質にはLiCoOが汎用されているが、更なる高容量化を図る観点から、LiNiOのような、より高容量の正極活物質の使用が検討されている。しかしながら、LiNiOは充電状態での熱安定性がLiCoOよりも低いという欠点も有している。
そこで、LiNiOにおけるNiの一部を、Co、Mnなどの他の元素で置換して、その熱安定性を高めることも検討されている。しかしながら、このような正極活物質を用いた電池では、正極での不可逆な酸化還元反応によってCoやMnなどが非水電解質内に溶出しやすい。非水電解質内に溶出したCoやMnのイオンは、負極表面にCoやMnとして析出し、負極を劣化させて電池の充放電サイクル特性の低下を引き起こしたり、負極で反応してガスを発生させ、電池の膨れを生じさせるなど、電池の貯蔵特性低下の原因となったりする。
また、LiNiOにおけるNiの一部を他の元素で置換したようなNiを含有するリチウム含有複合酸化物には、合成時の不純物として水酸化リチウムや炭酸リチウムといったアルカリが混入しやすい。リチウム含有複合酸化物中のアルカリも、電池内の非水電解質と反応してガスを発生させ、電池の膨れを生じさせるなど、電池の貯蔵特性低下を引き起こし、また、アルカリと非水電解質との反応による反応生成物が電極表面に堆積して、電池の充放電サイクル特性の低下の原因となる。
よって、Niを含有するリチウム含有複合酸化物を正極活物質に使用しつつ、非水二次電池の充放電サイクル特性や貯蔵特性を高める技術の開発が求められる。
本発明は、前記事情に鑑みてなされたものであり、Niを含有するリチウム含有複合酸化物を使用しつつ、高い充放電サイクル特性および貯蔵特性を備えた非水二次電池を提供することにある。
本発明の非水二次電池は、正極、負極、セパレータおよび非水電解質を含む非水二次電池であって、前記正極は、正極活物質としてリチウム含有複合酸化物を含み、前記リチウム含有複合酸化物は、下記一般組成式(1)で表され、
Li1+yMO (1)
前記一般組成式(1)において、−0.5≦y≦0.5であり、Mは、Niと、Co、Mn、FeおよびTiよりなる群から選択される少なくとも1種の元素とを含む元素群を表し、前記元素群Mに含まれるNi、Co、Mn、FeおよびTiの各元素数の割合を、それぞれa(mol%)、b(mol%)、c(mol%)、d(mol%)およびe(mol%)としたときに、30≦a≦95、b≦40、c≦40、d≦30、e≦30および5≦b+c+d+e≦60であり、前記非水電解質は、不飽和結合を含有するアルキルエーテル基を少なくとも1つ有するシクロアルカン誘導体Aと、窒素原子の少なくとも1つが不飽和結合を含有する官能基を有するアザクラウンエーテル化合物Bおよび含窒素ヘテロ環化合物Cよりなる群から選択される少なくとも1種の化合物とを含むことを特徴とする。
本発明によれば、Niを含有するリチウム含有複合酸化物を使用しつつ、高い充放電サイクル特性および貯蔵特性を備えた非水二次電池を提供することができる。
図1Aは、本発明の非水二次電池の一例を示す平面図であり、図1Bは、図1Aの断面図である。 図2は、本発明の非水二次電池の一例を示す斜視図である。
本発明の非水二次電池は、正極、負極、セパレータおよび非水電解質を備えている。また、前記正極は、正極活物質としてリチウム含有複合酸化物を含み、前記リチウム含有複合酸化物は、下記一般組成式(1)で表され、
Li1+yMO (1)
前記一般組成式(1)において、−0.5≦y≦0.5であり、Mは、Niと、Co、Mn、FeおよびTiよりなる群から選択される少なくとも1種の元素とを含む元素群を表し、前記元素群Mに含まれるNi、Co、Mn、FeおよびTiの各元素数の割合を、それぞれa(mol%)、b(mol%)、c(mol%)、d(mol%)およびe(mol%)としたときに、30≦a≦95、b≦40、c≦40、d≦30、e≦30および5≦b+c+d+e≦60である。更に、前記非水電解質は、不飽和結合を含有するアルキルエーテル基を少なくとも1つ有するシクロアルカン誘導体Aと、窒素原子の少なくとも1つが不飽和結合を含有する官能基を有するアザクラウンエーテル化合物Bおよび含窒素ヘテロ環化合物Cよりなる群から選択される少なくとも1種の化合物とを含んでいる。
本発明の非水二次電池は、上記構成を備えることにより、Niを含有するリチウム含有複合酸化物を使用しても、高い充放電サイクル特性および貯蔵特性を発揮できる。
以下、本発明の非水二次電池の構成について説明する。
<正極>
本発明の非水二次電池に係る正極は、正極活物質、結着剤、導電助剤などを含有する正極合剤層を、集電体の片面または両面に有するものである。
正極活物質には、少なくとも前記一般組成式(1)で表されるリチウム含有複合酸化物を使用する。前記一般組成式(1)で表されるリチウム含有複合酸化物において、Niは、その容量向上に寄与する成分である。
前記リチウム含有複合酸化物を表す前記一般組成式(1)において、元素群Mの全元素数を100mol%としたとき、Niの割合aは、リチウム含有複合酸化物の容量向上を図る観点から、30mol%以上とする。ただし、前記リチウム含有複合酸化物におけるNiの比率が大きすぎると、NiがLiサイトに導入されて非化学量論組成になりやすくなったり、Niの平均価数が低下したりして、容量低下が生じたり、可逆性が失われたりする虞がある。よって、前記リチウム含有複合酸化物を表す前記一般組成式(1)において、元素群Mの全元素数を100mol%としたときに、Niの割合aは、95mol%以下とする。
また、前記一般組成式(1)で表されるリチウム含有複合酸化物に係る元素群Mは、少なくともCo、Mn、FeおよびTiよりなる群から選択される1種以上の元素を含有している。
前記リチウム含有複合酸化物を表す前記一般組成式(1)において、元素群Mの全元素数を100mol%としたときに、Coの割合bを40mol%以下として、その結晶格子中にCoを存在させると、非水二次電池の充放電でのLiの挿入脱離によるリチウム含有複合酸化物の相転移から起こる不可逆反応を緩和でき、リチウム含有複合酸化物の結晶構造の可逆性を高めることができるため、充放電サイクル寿命の長い非水二次電池を構成することが可能となる。Coを含有させることによる前記の効果をより良好に確保するには、前記リチウム含有複合酸化物を表す前記一般組成式(1)において、元素群Mの全元素数を100mol%としたときに、Coの割合bを3mol%以上とすることが好ましい。
また、前記リチウム含有複合酸化物を表す前記一般組成式(1)において、元素群Mの全元素数を100mol%としたときに、Mnの割合cを40mol%以下として、その結晶格子中にMnを存在させると、2価のNiとともに層状の構造を安定化させることができる。また、これにより、リチウム含有複合酸化物の熱的安定性を向上させ得ることから、より安全性の高い非水二次電池を構成することが可能となる。Mnを含有させることによる前記の効果をより良好に確保するには、前記リチウム含有複合酸化物を表す前記一般組成式(1)において、元素群Mの全元素数を100mol%としたときに、Mnの割合cを1mol%以上とすることが好ましい。
更に、前記リチウム含有複合酸化物を表す前記一般組成式(1)において、元素群Mの全元素数を100mol%としたときに、Feの割合dを30mol%以下として、前記リチウム含有複合酸化物にFeを含有させると、結晶構造が安定化し、熱的安定性を高めることができる。また、リチウム含有複合酸化物の合成原料として、NiとFeとが均一に混じり合った複合化合物を用いることにより、容量を増大させることも可能となる。Feを含有させることによる前記の効果をより良好に確保するには、前記リチウム含有複合酸化物を表す前記一般組成式(1)において、元素群Mの全元素数を100mol%としたときに、Feの割合dを0.1mol%以上とすることが好ましい。
また、前記リチウム含有複合酸化物を表す前記一般組成式(1)において、元素群Mの全元素数を100mol%としたときに、Tiの割合eを30mol%以下として、前記リチウム含有複合酸化物にTiを含有させると、LiNiO型の結晶構造において、酸素欠損などの結晶の欠陥部に配置されて結晶構造を安定化させるため、リチウム含有複合酸化物の反応の可逆性が高まり、充放電サイクル特性に優れた非水二次電池を構成できるようになる。また、リチウム含有複合酸化物の合成原料として、NiとTiとが均一に混じり合った複合化合物を用いることにより、容量を増大させることも可能となる。Tiを含有させることによる前記の効果をより良好に確保するには、前記リチウム含有複合酸化物を表す前記一般組成式(1)において、元素群Mの全元素数を100mol%としたときに、Tiの割合eを0.1mol%以上とすることが好ましい。
前記リチウム含有複合酸化物における元素群Mは、Niと、Co、Mn、FeおよびTiよりなる群から選択されるいずれか1種の元素とを含有していればよいが、Niと、Co、Mn、FeおよびTiよりなる群から選択される2種以上の元素とを含有していてもよい。
前記リチウム含有複合酸化物を表す前記一般組成式(1)において、元素群Mの全元素数を100mol%としたとき、Coの割合bと、Mnの割合cと、Feの割合dと、Tiの割合eとの合計は、5mol%以上60mol%以下とすればよい。
また、前記リチウム含有複合酸化物における元素群Mは、Ni、Co、Mn、FeおよびTi以外の元素を含有していてもよい。このような元素としては、例えば、Mg、Sr、BaなどのIIA族元素;B、Al、GaなどのIIIB族元素;などが挙げられる。
前記のIIA族元素やIIIB族元素といったNi、Co、Mn、FeおよびTi以外の元素は、前記リチウム含有複合酸化物において添加元素の意味合いが強く、結晶構造の安定化や、反応性の制御に関与するが、多すぎると容量を低下させる虞がある。よって、元素群Mの全元素数を100mol%としたときの、Ni、Co、Mn、FeおよびTi以外の元素の割合は、20mol%以下とすることが好ましく、10mol%以下とすることがより好ましい。元素群MにおけるNi、Co、Mn、FeおよびTi以外の元素は、リチウム含有複合酸化物中に均一に分布していてもよく、また、粒子表面などに偏析していてもよい。
前記の組成を有するリチウム含有複合酸化物は、その真密度が4.55〜4.95g/cmと大きな値になり、高い体積エネルギー密度を有する材料となる。Mnを一定範囲で含むリチウム含有複合酸化物の真密度は、その組成により大きく変化するが、前記のような狭い組成範囲では安定して合成でき、前記のような大きな真密度となるものと考えられる。また、前記の組成を有するリチウム含有複合酸化物は、質量当たりの容量を大きくすることができ、可逆性に優れた材料とすることができる。
前記リチウム含有複合酸化物は、特に化学量論比に近い組成のときに、その真密度が大きくなるが、具体的には、前記一般組成式(1)において、−0.5≦x≦0.5とすることが好ましく、xの値をこのように調整することで、真密度および可逆性を高めることができる。xは、−0.1以上0.3以下であることがより好ましく、この場合には、リチウム含有複合酸化物の真密度を4.4g/cm以上と、より高い値にすることができる。
前記一般組成式(1)で表されるリチウム含有複合酸化物において、より高容量とするには、y>0であることが好ましい。すなわち、Liの量が元素群Mの総量よりも多いことが好ましい。このような組成とすることで、より安定なリチウム含有複合酸化物が合成できるため、充電に対する放電の容量を高め得ることから、更なる高容量化が可能となる。
前記一般組成式(1)で表されるリチウム含有複合酸化物は、前記の通り、Niを比較的多く含んでおり、これにより、例えば、0.1質量%以上といった多量のアルカリ(合成時の不純物として残存しているアルカリ)を含んでいるが、本発明の電池では、後述する非水電解質を備えることで、こうしたアルカリによる電池の充放電サイクル特性や貯蔵特性の低下を良好に抑制している。特にy>0である場合には、リチウム含有複合酸化物におけるLi量が過剰であり、リチウム含有複合酸化物中のアルカリ量が多くなるが、本発明の電池では、このようなリチウム含有複合酸化物を正極活物質とした場合にも、充放電サイクル特性や貯蔵特性の低下を良好に抑制することができる。
前記一般組成式(1)で表されるリチウム含有複合酸化物は、Li含有化合物およびNi含有化合物、並びにCo含有化合物、Mn含有化合物、Fe含有化合物およびTi含有化合物など各構成元素を含む化合物のうちの必要とするものを混合し、焼成する工程を経て合成することができる。前記リチウム含有複合酸化物をより高い純度で合成するためには、例えば、Ni以外の元素群Mに含まれる1種以上の元素と、Niとを含有する複合化合物(これらの元素を含む共沈化合物、水熱合成された化合物、メカニカル合成された化合物、およびそれらを熱処理して得られる化合物など)を用いることが好ましい。このような複合化合物としては、前記の元素を含む水酸化物や酸化物が好ましい。
前記リチウム含有複合酸化物の合成において、原料化合物の混合物や複合化合物といった原材料を焼成する条件としては、例えば、温度を600〜1000℃とし、時間を1〜24時間とすればよい。
前記原料混合物や複合化合物といった原材料の焼成に際しては、一度に所定温度まで昇温するよりも、一旦焼成温度よりも低い温度(例えば、250〜850℃)まで加熱し、その温度で0.5〜30時間程度保持することにより予備加熱を行い、その後に焼成温度まで昇温して反応を進行させることが好ましく、また、焼成環境の酸素濃度を一定に保つことが好ましい。これにより、前記リチウム含有複合酸化物の組成の均質性をより高めることができる。
また、前記原料混合物や複合化合物といった原材料の焼成時の雰囲気は、酸素を含む雰囲気(すなわち、大気中)、不活性ガス(アルゴン、ヘリウム、窒素など)と酸素ガスとの混合雰囲気、酸素ガス雰囲気などとすることができるが、その際の酸素濃度(体積基準)は、15%以上であることが好ましく、18%以上であることが好ましい。ただし、前記リチウム含有複合酸化物の製造コストを低減して、その生産性、ひいては電池の生産性を高める観点からは、大気フロー中で前記原材料の焼成を行うことが、より好ましい。
前記原材料の焼成時における前記ガスの流量は、前記原材料100gあたり2dm/分以上とすることが好ましい。ガスの流量が少なすぎる場合、すなわちガス流速が遅すぎる場合には、前記リチウム含有複合酸化物の組成の均質性が損なわれる虞がある。前記原材料の焼成時における前記ガスの流量は、前記原材料の合計100gあたり5dm/分以下とすることが好ましい。
また、前記原材料を焼成する工程では、乾式混合された混合物(複合化合物を含有する場合も含む。)をそのまま用いてもよいが、原料混合物や複合化合物をエタノールなどの溶媒に分散させてスラリー状にし、遊星型ボールミルなどで30〜60分間程度混合し、これを乾燥させたものを用いることが好ましく、このような方法によって、合成されるリチウム含有複合酸化物の均質性を更に高めることができる。
前記一般組成式(1)で表されるリチウム含有複合酸化物は、粒子表面の活性を適度に抑えることで、電池内におけるガス発生を更に良好に抑制し、特に角形(角筒形)の外装体を有する電池(角形電池)とした場合に外装体の変形を抑えて、貯蔵性や寿命を向上させることができる。具体的には、前記一般組成式(1)で表されるリチウム含有複合酸化物は、その全一次粒子中、粒径が1μm以下の一次粒子の割合が、30体積%以下であることが好ましく、15体積%以下であることがより好ましい。また、前記一般組成式(1)で表されるリチウム含有複合酸化物は、そのBET比表面積が、0.3m/g以下であることが好ましく、0.25m/g以下であることがより好ましい。
すなわち、前記リチウム含有複合酸化物において、全一次粒子中における粒径が1μm以下の一次粒子の割合や、BET比表面積が前記の値にある場合には、その反応面積をある程度抑えて活性点を減らし、大気中の水分や、正極合剤層の形成に使用する結着剤、非水電解質との不可逆な反応をより生じにくくして、電池内でのガス発生をより良好に抑えることができ、また、正極合剤層の形成に使用する溶剤を含む組成物(ペースト、スラリーなど)のゲル化を良好に抑制することが可能となる。
前記リチウム含有複合酸化物は、粒径が1μm以下の一次粒子を全く含まなくてもよい(すなわち、粒径が1μm以下の一次粒子の割合が0体積%であってもよい)。また、前記リチウム含有複合酸化物のBET比表面積は、その反応性が必要以上に低下するのを防ぐために、0.1m/g以上であることが好ましい。更に、前記リチウム含有複合酸化物は、数平均粒子径が、5〜25μmであることが好ましい。
本明細書でいう前記リチウム含有複合酸化物中に含まれる、粒径が1μm以下の一次粒子の割合、およびリチウム含有複合酸化物の数平均粒子径(更には、後記の他の活物質の数平均粒子径)は、レーザー回折散乱式粒度分布測定装置、例えば、日機装社製の「マイクロトラックHRA」により測定される値である。また、前記リチウム含有複合酸化物のBET比表面積は、多分子層吸着の理論式であるBET式を用いて、表面積を測定、計算したもので、活物質の表面と微細孔の比表面積である。具体的には、窒素吸着法による比表面積測定装置(Mountech社製の「Macsorb HM modele−1201」)を用いて、BET比表面積として得た値である。
前記一般組成式(1)で表されるリチウム含有複合酸化物は、前記の製法によって、前記の形態(粒径が1μm以下の一次粒子の割合、数平均粒子径、BET比表面積)を有するものとすることができるが、必要があれば篩い分けなどを行って、これらの形態を調整してもよい。
本発明の電池に係る正極は、前記一般組成式(1)で表されるリチウム含有複合酸化物を活物質として含有する正極合剤層を有しているが、正極合剤層は、他の活物質を含んでいてもよい。前記一般組成式(1)で表されるリチウム含有複合酸化物以外の他の活物質としては、例えば、LiCoOなどのリチウムコバルト酸化物;LiMnO、LiMnOなどのリチウムマンガン酸化物;LiMn、Li4/3Ti5/3などのスピネル構造のリチウム含有複合酸化物;LiFePOなどのオリビン構造のリチウム含有複合酸化物;前記の酸化物を基本組成とし、その構成元素の一部を他の元素で置換した酸化物;などを用いることができる。
前記一般組成式(1)で表されるリチウム含有複合酸化物と、他の活物質とを併用する場合には、これらを単に混合して用いてもよいが、これらの粒子を造粒などにより一体化した複合粒子として使用することがより好ましく、この場合には、正極合剤層における活物質の充填密度が向上し、活物質粒子相互間の接触をより確実にすることができる。そのため、電池の容量および負荷特性を更に高めることができる。
前記複合粒子とする場合、前記一般組成式(1)で表されるリチウム含有複合酸化物と他の活物質のいずれか一方の数平均粒子径が、他方の数平均粒子径の1/2以下であることが好ましい。このように、大きな数平均粒子径の粒子(以下、「大粒子」という。)と、小さな数平均粒子径の粒子(以下、「小粒子」という。)とを組み合わせて複合粒子を形成する場合には、小粒子が、大粒子の周囲に分散、定着しやすくなり、より均一な混合比の複合粒子を形成することができる。そのため、正極内での不均一な反応を抑えることができ、電池の充放電サイクル特性や安全性を更に高めることが可能となる。
前記複合粒子を形成する場合、活物質に結着剤および導電助剤を添加して複合化してもよい。
前記結着剤としては、電池内で化学的に安定なものであれば、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂のいずれも使用できる。例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、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)、ポリヘキサフルオロプロピレン(PHFP)、スチレンブタジエンゴム、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロエチレン共重合体、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、フッ化ビニリデン−クロロトリフルオロエチレン共重合体、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE樹脂)、ポリクロロトリフルオロエチレン(PCTFE)、フッ化ビニリデン−ペンタフルオロプロピレン共重合体、プロピレン−テトラフルオロエチレン共重合体(PPTFE)、エチレン−クロロトリフルオロエチレン共重合体(ECTFE)、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン−テトラフルオロエチレン共重合体、フッ化ビニリデン−パーフルオロメチルビニルエーテル−テトラフルオロエチレン共重合体、または、エチレン−アクリル酸共重合体、エチレン−メタクリル酸共重合体、エチレン−アクリル酸メチル共重合体、エチレン−メタクリル酸メチル共重合体およびそれら共重合体の架橋体などが挙げられ、これらを1種単独で使用してもよく、2種以上を併用してもよい。これらの中でも、電池内での安定性や電池の特性などを考慮すると、PVDF、PTFE、PHFP、PPTFEが好ましく、また、これらを併用したり、これらのモノマーにより形成される共重合体を用いたりしてもよい。
前記導電助剤としては、電池内で化学的に安定なものであればよい。例えば、天然黒鉛、人造黒鉛などのグラファイト;アセチレンブラック、ケッチェンブラック(商品名)、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、サーマルブラックなどのカーボンブラック;炭素繊維(気相成長炭素繊維、カーボンナノチューブなど)、金属繊維などの導電性繊維;アルミニウム粉などの金属粉末;フッ化炭素;酸化亜鉛;チタン酸カリウムなどからなる導電性ウィスカー;酸化チタンなどの導電性金属酸化物;ポリフェニレン誘導体などの有機導電性材料;などが挙げられ、これらを1種単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。これらの中でも、導電性の高いグラファイトや、吸液性に優れたカーボンブラック、正極活物質粒子間の導電経路をより良好に形成し得る炭素繊維(特に気相成長炭素繊維)などが好ましい。また、導電助剤の形態としては、一次粒子に限定されず、二次凝集体や、チェーンストラクチャーなどの集合体の形態のものも用いることができる。このような集合体の方が、取り扱いが容易であり、生産性が良好となる。
正極に係る正極合剤層は、例えば、前記一般組成式(1)で表されるリチウム含有複合酸化物や必要に応じて使用される他の活物質、または前記複合粒子と、結着剤と導電助剤とを溶剤に添加してペースト状やスラリー状の正極合剤含有組成物を調製し、これを種々の塗工方法によって集電体表面に塗布し、乾燥し、更にプレス工程によって正極合剤層の厚みや密度を調整することにより形成することができる。正極は前記の方法により正極合剤層を形成することで得られたものに限定されず、他の方法により製造したものであってもよい。
正極合剤含有組成物を集電体表面に塗布する際の塗工方法としては、例えば、ドクターブレードを用いた基材引き上げ方式;ダイコータ、コンマコータ、ナイフコータなどを用いたコータ方式;スクリーン印刷、凸版印刷などの印刷方式:などを採用することができる。
正極合剤含有組成物の調製に用い得る結着剤および導電助剤としては、前記複合粒子の形成に用い得るものとして例示した各種結着剤および各種導電助剤が挙げられる。前記と同じ理由から、結着剤としてはPVDF、PTFE、PHFP、PPTFEが好ましく、導電助剤としてはグラファイト、カーボンブラック、炭素繊維(特に気相成長炭素繊維)が好ましい。
正極合剤層においては、前記一般組成式(1)で表されるリチウム含有複合酸化物を含む全活物質を、80〜99質量%とし、結着剤(複合粒子中に含有されるものを含む)を、0.5〜10質量%とし、導電助剤(複合粒子中に含有されるものを含む)を、0.5〜10質量%とすることが好ましい。
また、プレス処理後において、正極合剤層の厚みは、集電体の片面あたり、15〜200μmであることが好ましい。更に、プレス処理後において、正極合剤層の密度は、2.0g/cm以上であることが好ましい。このような高密度の正極合剤層を有する正極とすることで、より高容量の電池を構成できる。ただし、正極合剤層の密度が大きすぎると、空孔率が小さくなって、非水電解質の浸透性が低下する虞があることから、プレス処理後における正極合剤層の密度は、4.5g/cm以下であることが好ましい。プレス処理としては、例えば、1〜100kN/cm程度の線圧でロールプレスすることができ、このような処理によって、前記の密度を有する正極合剤層とすることができる。
本明細書でいう正極合剤層の密度は、以下の方法により測定される値である。すなわち、正極を所定面積に切り取り、その質量を最小目盛0.1mgの電子天秤を用いて測定し、集電体の質量を差し引いて正極合剤層の質量を算出する。一方、正極の全厚を最小目盛1μmのマイクロメーターで10点測定し、これらの測定値から集電体の厚みを差し引いた値の平均値と、面積とから、正極合剤層の体積を算出する。そして、前記正極合剤層の質量を前記体積で割ることにより正極合剤層の密度を算出する。
正極の集電体の材質は、電池内において化学的に安定な電子伝導体であれば特に限定されない。例えば、アルミニウムまたはアルミニウム合金、ステンレス鋼、ニッケル、チタン、炭素、導電性樹脂などの他に、アルミニウム、アルミニウム合金またはステンレス鋼の表面に炭素層またはチタン層を形成した複合材などを用いることができる。これらの中でも、アルミニウムまたはアルミニウム合金が特に好ましい。これらは、軽量で電子伝導性が高いからである。正極の集電体には、例えば、前記材質からなるフォイル、フィルム、シート、ネット、パンチングシート、ラス体、多孔質体、発泡体、繊維群の成形体などが使用される。また、集電体の表面に、表面処理を施して凹凸を付けることもできる。集電体の厚みは特に限定されないが、通常1〜500μmである。
また、正極には、電池内の他の部材と電気的に接続するためのリード体を、常法に従って形成してもよい。
<非水電解質>
本発明の電池に係る非水電解質には、リチウム塩を有機溶媒に溶解した溶液(非水電解液)が使用される。そして、本発明に係る非水電解質には、不飽和結合を含有するアルキルエーテル基を少なくとも1つ有するシクロアルカン誘導体A[以下、「化合物A」という場合がある。]と、窒素原子の少なくとも1つが不飽和結合を含有する官能基を有するアザクラウンエーテル化合物B[以下、「化合物B」という場合がある。]または含窒素ヘテロ環化合物C[以下、「化合物C」という場合がある。]とを含有させる。
本発明の電池では、前記の非水電解質を使用することで、例えばアルカリの含有量が0.1質量%以上となり得る前記一般組成式(1)で表されるリチウム含有複合酸化物を正極活物質に使用しても、これらのアルカリや正極活物質中の金属の溶出による充放電サイクル特性および貯蔵特性の低下を良好に抑制できる。本発明の電池がこのような効果を奏し得る詳細なメカニズムは未だ明らかではないが、前記化合物A、化合物Bおよび化合物Cの物性と、実験結果とから、本発明者らは以下のように考えている。
不飽和結合を含有するアルキルエーテル基を少なくとも1つ有するシクロアルカン誘導体Aは、電池内において正極表面に皮膜を形成する。一方、窒素原子の少なくとも1つが不飽和結合を含有する官能基を有するアザクラウンエーテル化合物Bは、電池内において負極表面に皮膜を形成する。また、含窒素ヘテロ環化合物Cは、フッ酸(HF)およびカチオンをトラップする作用を有していると考えられる。
電池内において正極表面に形成される化合物A由来の皮膜によって、正極活物質[前記一般組成式(1)で表されるリチウム含有複合酸化物]およびその不純物であるアルカリと、非水電解質との反応が抑制されると考えられる。そのため、かかる反応によるガス発生や反応生成物の電極表面での堆積が抑えられ、これらによる電池の充放電サイクル特性や貯蔵特性の低下が抑制される。
また、電池内において負極表面に形成される化合物B由来の皮膜によって、正極活物質から溶出した金属イオンと、負極との反応が抑制されると考えられる。そのため、かかる反応によるガス発生が抑えられ、これによる電池の充放電サイクル特性や貯蔵特性の低下が抑制される。
後述するように、非水電解質には、化合物A、化合物Bおよび化合物C以外に、電極表面(例えば負極表面)での皮膜形成能を有する添加剤を添加することもできるが、このような添加剤により負極表面に形成される皮膜は、正極活物質から溶出した金属イオンと接触することで破壊してしまう虞がある。しかし、化合物B由来の皮膜が負極表面に形成されることで、前記添加剤により形成される皮膜の破壊が抑えられ、その作用を有効に引き出すこともできるようになる。
また、非水電解質中では、例えば、リチウム塩に由来するHFが存在していたり、リチウム塩や正負極の合剤層に使用している結着剤の分解によってHFが形成される場合があり、このHFが正極活物質中の不純物であるアルカリと反応してガスを発生させるが、化合物Cが非水電解質中に存在することで、HFがトラップされて、ガス発生が抑えられる。更に、正極活物質から溶出した金属イオンも化合物Cによってトラップされるため、これによる負極の劣化やガス発生も抑えられる。よって、前記のガス発生および負極の劣化による電池の充放電サイクル特性や貯蔵特性の低下が抑制される。
本発明に係る非水電解質は、化合物Aと、化合物Bまたは化合物Cとを含有していればよいが、化合物A、化合物Bおよび化合物Cの三者を含有していることが好ましい。
非水電解質が、化合物Aのみを含有し、化合物Bおよび化合物Cを含有していない場合には、非水電解質(非水電解液)が増粘して、例えば電池の組み立て時に、外装体内へ非水電解質を注入することが困難となったり不可能となったり、電極への浸透が遅く、不均質になることで、電気化学反応が不均一になり、電池の充放電サイクル特性や貯蔵特性が低下する虞がある。すなわち、化合物Bや化合物Cは、化合物Aを含有する非水電解質の増粘を抑える作用も有している。
また、非水電解質が、化合物Bや化合物Cを含有する一方で、化合物Aを含有しない場合には、化合物Bや化合物Cが正極で分解してしまい、これらによる前記の効果が良好に発現しない。すなわち、化合物Aは、化合物Bや化合物Cの正極での分解を抑制する作用も有している。
不飽和結合を含有するアルキルエーテル基を少なくとも1つ有するシクロアルカン誘導体Aとしては、例えば、シクロペンチルプロペニルエーテル、シクロペンチルビニルエーテル、シクロヘキシルプロペニルエーテル、シクロヘキシルビニルエーテル、シクロヘプチルプロペニルエーテル、シクロヘプチルビニルエーテルなどの他、アルケノキシメチルシクロアルカン類、アルケノキシエチルシクロアルカン類などが挙げられ、これらのうちの1種のみを用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
アルケノキシメチルシクロアルカン類としては、(シクロヘキシルメチル)プロペニルエーテル、(シクロヘキシルメチル)ビニルエーテル、1,2−ビス(プロペノキシメチル)シクロペンタン、1,3−ビス(プロペノキシメチル)シクロペンタン、1,2,4−トリス(ビニロキシメチル)シクロペンタン、1,2−ビス(ビニロキシメチル)シクロペンタン、1,3−ビス(ビニロキシメチル)シクロペンタン、1,2,4−トリス(ビニロキシメチル)シクロペンタン、シクロヘキシルプロペニルエーテル、1,2−ビス(プロペノキシメチル)シクロヘキサン、1,3−ビス(プロペノキシメチル)シクロヘキサン、1,4−ビス(プロペノキシメチル)シクロヘキサン、1,3,5−トリス(プロペノキシメチル)シクロヘキサン、1,2−ビス(ビニロキシメチル)シクロヘキサン、1,3−ビス(ビニロキシメチル)シクロヘキサン、1,4−ビス(ビニロキシメチル)シクロヘキサン、1,3,5−トリス(ビニロキシメチル)シクロヘキサン、1,2−ビス(プロペノキシメチル)シクロヘプタン、1,3−ビス(プロペノキシメチル)シクロヘプタン、1,4−ビス(プロペノキシメチル)シクロヘプタン、1,2,4−トリス(プロペノキシメチル)シクロヘプタン、1,3,5−トリス(プロペノキシメチル)シクロヘプタン、1,2−ビス(ビニロキシメチル)シクロヘプタン、1,3−ビス(ビニロキシメチル)シクロヘプタン、1,2,4−トリス(ビニロキシメチル)シクロヘプタン、1,3,5−トリス(ビニロキシメチル)シクロヘプタンなどが挙げられる。
また、アルケノキシエチルシクロアルカン類としては、(シクロヘキシルエチル)プロペニルエーテル、(シクロヘキシルエチル)ビニルエーテル、1,3−ビス(プロペノキシエチル)シクロヘプタン、1,3−ビス(ビニロキシエチル)シクロヘプタン、1,2−ビス(プロペノキシエチル)シクロヘキサン、1,3−ビス(プロペノキシエチル)シクロヘキサン、1,4−ビス(プロペノキシエチル)シクロヘキサン、1,3,5−トリス(プロペノキシエチル)シクロヘキサン、1,2−ビス(ビニロキシエチル)シクロヘキサン、1,3−ビス(ビニロキシエチル)シクロヘキサン、1,4−ビス(ビニロキシエチル)シクロヘキサン、1,3,5−トリス(ビニロキシエチル)シクロヘキサンなどが挙げられる。
また、前記例示の化合物Aの中でも、不飽和結合を含有するアルキルエーテル基を2つ以上有するものがより好ましく、その場合には、より良好な皮膜を形成でき、正極活物質およびアルカリと非水電解質との反応を制御して、ガス発生や反応生成物の電極表面での堆積を更に抑え得るため、これらによる電池の充放電サイクル特性や貯蔵特性の低下をより高度に抑制できる。
窒素原子の少なくとも1つが不飽和結合を含有する官能基を有するアザクラウンエーテル化合物Bが有するアザクラウンエーテル骨格としては、例えば、アザ−9−クラウン−3−エーテル、アザ−12−クラウン−4−エーテル、アザ−15−クラウン−5−エーテル、アザ−18−クラウン−6−エーテル、アザ−21−クラウン−7−エーテル、アザ−24−クラウン−8−エーテル、アザ−2,3−ベンゾ−9−クラウン−3−エーテル、アザ−2,3−ベンゾ−12−クラウン−4−エーテル、アザ−2,3,11,12−ジベンゾ−15−クラウン−5−エーテル、アザ−2,3,8,9−ジベンゾ−18−クラウン−6−エーテル、アザ−5,6,11,12,17,18−トリベンゾ−21−クラウン−7−エーテル、アザ−5,6,14,15,20,21−トリベンゾ−24−クラウン−8−エーテルなどが挙げられる。これらのなかでも、1,7−ジアザ−12−クラウン−4−エーテル、1,7−ジアザ−15−クラウン−5−エーテル、1,10−ジアザ−18−クラウン−6−エーテル、1,7,13−トリアザ−18−クラウン−6−エーテルといった複数の窒素原子を含んだアザクラウンエーテル骨格がより好ましい。
また、窒素原子の少なくとも1つが不飽和結合を含有する官能基を有するアザクラウンエーテル化合物Bにおける前記不飽和結合を含有する官能基は、下記一般構造式(1)で表される官能基および(メタ)アクリロイルアルキル基(アクリロイルアルキル基およびメタクリロイルアルキル基)よりなる群から選択される少なくとも1種の官能基であることが好ましい。
Figure 2012067102
前記一般構造式(1)中、Rは炭素数が1〜3のアルキレンであり、Q、QおよびQは、それぞれ独立して、水素原子、フッ素原子、炭素数が1〜3のアルキル基、炭素数が1〜2のフルオロアルキル基、シアノ基、カルボキシル基、炭素数が3〜5のカルボキシアルキル基、炭素数が1〜3のアルコキシ基、炭素数が2〜4のアルコキシカルボニル基、または炭素数が3〜5のアルキレンアルキルカーボネート基である。
前記一般構造式(1)におけるR(炭素数が1〜3のアルキレン)としては、メチレン、エチレン、1,2−プロピレン、1,3−プロピレンが挙げられ、これらの中でも、非水電解質溶媒との相溶性の観点から、メチレン、エチレンが好ましい。
前記一般構造式(1)におけるQ、QおよびQが、炭素数が1〜3のアルキル基の場合、Q、QおよびQとしては、メチル基、エチル基、n−プロピル基、イソプロピル基、が挙げられる。
前記一般構造式(1)におけるQ、QおよびQが、炭素数1〜2のフルオロアルキル基の場合、Q、QおよびQとしては、メチル基またはエチル基における水素原子の1〜5個をフッ素原子に置換したものが好ましく、具体的には、例えば、フルオロメチル基、ジフルオロメチル基、トリフルオロメチル基、フルオロエチル基、ジフルオロエチル基、トリフルオロエチル基、テトラフルオロエチル基、ペンタフルオロエチル基が挙げられる。
また、前記一般構造式(1)におけるQ、QおよびQが、炭素数が3〜5のカルボキシアルキル基の場合、Q、QおよびQとしては、カルボキシメチル基、カルボキシエチル基、カルボキシ−n−プロピル基、カルボキシイソプロピル基が挙げられる。
前記一般構造式(1)におけるQ、QおよびQが、炭素数が1〜3のアルコキシ基の場合、Q、QおよびQとしては、炭素数1〜3のアルコキシ基が好ましく、具体的には、例えば、メトキシ基、エトキシ基、n−プロポキシ基、イソプロポキシ基が挙げられる。
前記一般構造式(1)におけるQ、QおよびQが、炭素数が2〜4のアルコキシカルボニル基の場合、Q、QおよびQとしては、アルコキシ基の炭素数が1〜3のものが好ましく、具体的には、例えば、メトキシカルボニル基、エトキシカルボニル基、n−プロポキシカルボニル基、イソプロポキシカルボニル基が挙げられる。
前記一般構造式(1)におけるQ、QおよびQが、炭素数が3〜5のアルキレンアルキルカーボネート基の場合、Q、QおよびQとしては、メチレンメチルカーボネート基、エチレンメチルカーボネート基などが挙げられる。
また、(メタ)アクリロイルアルキル基に係るアルキル基としては、例えば、メチル基、エチル基、1,2−プロピル基、1,3−プロピル基といった炭素数1〜3のアルキル基が挙げられる。
、QおよびQに係る置換基の炭素数が長い場合や、立体障害が大きい場合、共鳴効果が大きい場合には、反応性に乏しく、負極の表面に良好な皮膜を形成することができないため、不適である。
このような窒素原子の少なくとも1つが不飽和結合を含有する官能基を有するアザクラウンエーテル化合物Bの具体例としては、例えば、1,7−ビス(ブテン酸)−1,7−ジアザ−12−クラウン−4−エーテル、1−(2−ブテン酸メチル)−1−アザ−12−クラウン−4−エーテル、1,7−ビス(2−ブテン酸メチル)−1,7−ジアザ−12−クラウン−4−エーテル、1−(2−ブテン酸メチル)−1−アザ−15−クラウン−5−エーテル、1,7−ビス(2−ブテン酸メチル)−1,7−ジアザ−15−クラウン−5−エーテル、1,10−ビス(2−ブテン酸エチル)−1,10−ジアザ−18−クラウン−6−エーテル、1,7−ビス(3−フルオロブテン酸メチル)−2,3−ベンゾ−1,7−ジアザ−15−クラウン−5−エーテル、1,7−ビス(3−トリフルオロメチルブテン酸メチル)−1,7−ジアザ−15−クラウン−5−エーテル、1,7−ビス(1−アクリロイルメチル)−1,7−ジアザ−15−クラウン−5−エーテル、1,4−ビス(1−アクリロイルエチル)−1,4−ジアザ−15−クラウン−5−エーテル、1,7−ビス(1−アクリロイルエチル)−1,7−ジアザ−15−クラウン−5−エーテル、1−(1−アクリロイルエチル)−1−アザ−14−クラウン−4−エーテル、1−(2−ペンテン酸エチル)−1−アザ−18−クラウン−6−エーテル、1,10−ビス(2−ペンテン酸メチル)−1,10−ジアザ−18−クラウン−6−エーテル、1,10−ビス(2−ペンテン酸エチル)−2,3,14,15−ジベンゾ−1,10−ジアザ−18−クラウン−6−エーテルなどが挙げられる。
化合物Bは、例えば前記例示のもののうち、1種のみを用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
含窒素ヘテロ環化合物Cとしては、例えば、ピリジン、2−アミノ−ピリジン、ニコチンなどのピリジン類;ピロール、3−アミノ−ピロールなどのピロール類;キノリン、イソキノリン、2−アミノ−キノリン、3−アミノ−イソキノリンなどのキノリン類;イミダゾール、2−アミノ−1,3−イミダゾール、4−アミノ−1,3−イミダゾールなどのイミダゾール類;インドール、5−アミノ−インドールなどのインドール類;ピラゾール、4−アミノ−1,2−ピラゾール、ヒスチジン、ヒスタミンなどのピラゾール類;1,2,3−トリアゾール、1,3,4−トリアゾール、1,2,4−トリアゾール、4−メチル−1,2,3−トリアゾール、2−アミノ−1,3,4−トリアゾール、3−アミノ−1,2,4−トリアゾールなどのトリアゾール類;ピリミジン、2−アミノ−1,3−ピリミジン、シトシン、チミン、チアミンなどのピリミジン類;ピラジン、2−アミノ−1,4−ピラジンなどのピラジン類;ピリダジン、3−アミノ−ピリダジンなどのピリダジン類;トリアジン、2−アミノ−1,3,6−トリアジンなどのトリアジン類;プリン、アデニン、グアニン、カフェイン、テオブロミン、キサンチン、尿酸などのプリンおよびその誘導体;ポルフィン;ヘム;クロロフィル;などが挙げられる。これらは、窒素の非共有電子対にプロトンや金属カチオンが配位することによるトラップ作用を有していると考えられる。従って、化合物Cは、窒素原子を含有するヘテロ環を備え、かつ、かかる作用を有する化合物であればよく、前記例示のものに限定されない。
前記例示の化合物Cの中でも、分子内に窒素原子を2つ以上有するものが好ましく、1つの環内に窒素原子を有するもの、より具体的には、前記例示のイミダゾール類、ピラゾール類、トリアゾール類、ピリミジン類、トリアジン類が特に好ましい。分子内に窒素原子を2つ以上有する化合物C[特に好ましくは1つの環内に窒素原子を有する化合物C]では、これらの窒素原子によって、分子内転位を可能とし、結果として、金属イオンやHFをトラップすることで形成される配位化合物の安定化を図ることができるため、その作用が特に良好に発現する。
化合物Cは、例えば前記例示のもののうち、1種のみを用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
電池に使用する非水電解質中の化合物Aの含有量[非水電解質全量中の含有量。非水電解質に係る化合物A、化合物B、および化合物C、並びに後述する各種添加剤について、特に断らない限り同じ。]は、その使用による前記の効果を良好に確保する観点から、0.01質量%以上であることが好ましく、0.1質量%以上であることがより好ましい。ただし、非水電解質中の化合物Aの量が多すぎると、非水電解質の粘度が高くなりすぎたり、正極表面に形成される皮膜が厚くなりすぎて、電池の負荷特性を損ねたりする虞がある。よって、電池に使用する非水電解質中の化合物Aの含有量は、5質量%以下であることが好ましく、2質量%以下であることがより好ましい。
また、電池に使用する非水電解質中の化合物Bの含有量は、その使用による前記の効果を良好に確保する観点から、0.02質量%以上であることが好ましく、0.1質量%以上であることがより好ましい。ただし、非水電解質中の化合物Bの含有量が多すぎると、正極での分解を防ぐために化合物Aの使用量を多くする必要が生じて、前記のように電池の負荷特性を損ねたり、また、負極表面に形成される皮膜が厚くなりすぎて、電池の負荷特性を損ねたりする虞がある。よって、電池に使用する非水電解質中の化合物Bの含有量は、5質量%以下であることが好ましく、2質量%以下であることがより好ましい。
更に、電池に使用する非水電解質中の化合物Cの含有量は、その使用による前記の効果を良好に確保する観点から、0.01質量%以上であることが好ましく、0.1質量%以上であることがより好ましい。ただし、非水電解質中の化合物Cの含有量が多すぎると、正極での分解を防ぐために化合物Aの使用量を多くする必要が生じて、前記のように電池の負荷特性を損ねる虞があり、また、負極表面に形成される皮膜が不安定になって、電池の充放電サイクル特性の向上効果が小さくなる虞がある。よって、電池に使用する非水電解質中の化合物Cの含有量は、3質量%以下であることが好ましく、1質量%以下であることがより好ましい。
非水電解質に係るリチウム塩としては、溶媒中で解離してLiイオンを形成し、電池として使用される電圧範囲で分解などの副反応を起こしにくいものであれば特に制限はない。例えば、LiClO、LiPF、LiBF、LiAsF、LiSbFなどの無機リチウム塩;LiCFSO、LiCFCO、Li(SO、LiN(CFSO、LiC(CFSO、LiC2n+1SO(2≦n≦7)、LiN(ROSO[ここでRはフルオロアルキル基]などの有機リチウム塩などを用いることができる。
非水電解質に用いる有機溶媒としては、前記のリチウム塩を溶解し、電池として使用される電圧範囲で分解などの副反応を起こさないものであれば特に限定されない。例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ビニレンカーボネートなどの環状カーボネート;ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルエチルカーボネートなどの鎖状カーボネート;プロピオン酸メチルなどの鎖状エステル、γ−ブチロラクトンなどの環状エステル;ジメトキシエタン、ジエトキシエタン、ジエチルエーテル、ジグライム、トリグライム、テトラグライムなどの鎖状エーテル;1,3−ジオキソラン、ジオキサン、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフランなどの環状エーテル;アセトニトリル、プロピオニトリル、メトキシプロピオニトリルなどのニトリル類;エチレングリコールサルファイトなどの亜硫酸エステル類;などが挙げられ、これらは2種以上混合して用いることもできる。より良好な特性の電池とするためには、エチレンカーボネートと鎖状カーボネートの混合溶媒など、高い導電率を得ることができる組み合わせで用いることが望ましい。
非水電解質中のリチウム塩の濃度は、0.5〜1.5mol/Lとすることが好ましく、0.9〜1.25mol/Lとすることがより好ましい。
また、非水電解質は、スルホン酸無水物またはスルホン酸エステル誘導体を含有していることが好ましい。スルホン酸無水物やスルホン酸エステル誘導体を含有する非水電解質を使用することで、電池内において、電極表面にこれらの成分由来の皮膜を形成し、電極と非水電解質との不要な反応を抑制するため、電池の安全性や貯蔵特性(特に高温での貯蔵特性)が更に向上する。
スルホン酸無水物としては、下記一般構造式(2)で表されるものが好ましく、スルホン酸エステル誘導体としては下記一般構造式(3)で表されるものが好ましい。
Figure 2012067102
Figure 2012067102
前記スルホン酸無水物を表す前記一般構造式(2)におけるRおよびR、並びに前記スルホン酸エステル誘導体を表す前記一般構造式(3)におけるRおよびRは、それぞれ独立に、炭素数が1以上10以下の有機残基である。R、R、RおよびRは、好ましくは、水素原子の一部または全部がフッ素原子で置換されていてもよい炭素数が1以上10以下のアルキル基であり、具体的には、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、イソブチル基などが例示できる。また、R、R、RおよびRは、炭素数が6以上10以下の芳香族基であってもよい。R、R、RおよびRの炭素数は、2以上であることが好ましく、また、6以下であることが好ましい。Rは、より好ましくは、炭素数が1以上6以下のアルキル基またはベンジル基である。R、R、RおよびRの炭素数が10を超えるスルホン酸無水物やスルホン酸エステル誘導体では、非水電解質溶媒への溶解性が低下するため、その効果が発現し難い。
前記スルホン酸無水物は、対称無水物、異なる2種類の酸から誘導される非対称な無水物(混合無水物ともいう。)、酸残基として部分エステルを含む酸無水物エステル−酸無水物のいずれかである。その具体例としては、エタンメタンスルホン酸無水物、プロパンスルホン酸無水物、ブタンスルホン酸無水物、ペンタンスルホン酸無水物、ヘキサンスルホン酸無水物、ヘプタンスルホン酸無水物、ブタンエタンスルホン酸無水物、ブタンヘキサンスルホン酸無水物、ベンゼンスルホン酸無水物などが挙げられる。これらのスルホン酸無水物は、それぞれ1種単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。これらの中でも、プロパンスルホン酸無水物、ブタンスルホン酸無水物、ブタンペンタンスルホン酸無水物、ペンタンスルホン酸無水物、ヘキサンスルホン酸無水物が特に好ましい。
また、前記スルホン酸エステル誘導体の具体例としては、メタンスルホン酸メチル、メタンスルホン酸エチル、メタンスルホン酸プロピル、メタンスルホン酸イソブチル、エタンスルホン酸メチル、メタンスルホン酸ペンタニル、メタンスルホン酸ヘキシル、エタンスルホン酸エチル、エタンスルホン酸プロピル、エタンスルホン酸イソブチル、プロパンスルホン酸エチル、プロパンスルホン酸プロピル、プロパンスルホン酸ブチル、ブタンスルホン酸メチル、ブタンスルホン酸エチル、ブタンスルホン酸プロピル、ペンタンスルホン酸メチル、ペンタンスルホン酸エチル、ヘキサンスルホン酸エチル、ヘキサンスルホン酸メチル、ヘキサンスルホン酸プロピル、ベンゼンスルホン酸メチル、ベンゼンスルホン酸エチル、ベンゼンスルホン酸プロピル、メタンスルホン酸フェニル、エタンスルホン酸フェニル、プロパンスルホン酸フェニル、メタンスルホン酸ベンジル、エタンスルホン酸ベンジル、プロパンスルホン酸ベンジルなどの(鎖状の)アルキルスルホン酸エステル;ベンジルスルホン酸メチル、ベンジルスルホン酸エチル、ベンジルスルホン酸プロピルなどの鎖状の芳香族スルホン酸エステル;前記の各スルホン酸エステルのフッ素化物;などを挙げることができる。これらのスルホン酸エステル誘導体は、それぞれ1種単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。これらの中でも、プロパンスルホン酸エチル、ブタンスルホン酸メチル、ブタンスルホン酸エチル、ペンタンスルホン酸メチル、ペンタンスルホン酸エチルなどが特に好ましい。前記スルホン酸無水物の1種以上と、前記スルホン酸エステル誘導体の1種以上とを併用することもできる。
電池に使用する非水電解質における前記スルホン酸無水物の含有量は、例えば、0.2質量%以上であることが好ましく、0.3質量%以上であることがより好ましく、また、2質量%以下であることが好ましく、1質量%以下であることがより好ましい。また、電池に使用する非水電解質における前記スルホン酸エステル誘導体の含有量は、例えば、0.2質量%以上であることが好ましく、0.3質量%以上であることがより好ましく、また、5質量%以下であることが好ましく、3質量%以下であることがより好ましい。非水電解質中における前記スルホン酸無水物や前記スルホン酸エステル誘導体の含有量が少なすぎると、これらを用いることによる効果(安全性や充放電サイクル特性、高温貯蔵特性の向上効果)が小さくなることがあり、多すぎると、正負極との反応によって形成される皮膜が厚くなって抵抗を高めてしまうため、高性能の電池を構成し難くなる虞がある。
また、非水電解質は、フルオロエーテル類やフルオロカーボネート類を含有していることが好ましい。フルオロエーテル類やフルオロカーボネート類は、非水電解質に使用される通常の有機溶媒(非フッ素化溶媒)よりも酸化電位が高いことから、充電状態の電池内において分解反応が生じ難い。よって、フルオロエーテル類やフルオロカーボネート類を含有する非水電解質を用いた電池では、非水電解質の溶媒の分解反応に伴う電池内でのガス発生や電池内の温度上昇が抑制される。また、フルオロエーテル類やフルオロカーボネート類は、非フッ素化溶媒に比べて難燃性が優れている。そのため、フルオロエーテル類やフルオロカーボネート類を溶媒に使用した非水電解質を有する電池は、安全性が良好となる。
フルオロエーテル類の具体例としては、例えば、ジメトキシエタン、メトキシエトキシエタン、ジエトキシエタン、ジエチルエーテル、エチルプロピルエーテル、ジプロピルエーテル、ジグライム、トリグライム、テトラグライムなどの鎖状エーテル;ジオキサン、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフランなどの環状エーテル;において、C−H結合の少なくとも一部において、HをFに置き換えてC−F結合とした構造のもの、具体的には、フルオロメトキシメトキシエタン、ビス(フルオロメトキシ)エタン、フルオロメトキシフルオロエトキシエタン、メトキシフルオロエトキシエタン、フルオロエトキシエトキシエタン、ビス(フルオロエトキシ)エタン、フルオロエチルエチルエーテル、ビス(フルオロエチル)エーテル、フルオロエチルプロピルエーテル、エチルフルオロプロピルエーテル、フルオロメチルジグライム、フルオロトリグライム、フルオロテトラグライム、2−フルオロ−1,4−ジオキサン、2−フルオロ−テトラヒドロフラン、2−メチル−4−フルオロテトラヒドロフランなどが挙げられる。
また、フルオロカーボネート類としては、例えば、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルエチルカーボネートなどの鎖状カーボネート;エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ビニルエチレンカーボネートなどの環状カーボネート;において、C−H結合の少なくとも一部において、HをFに置き換えてC−F結合とした構造のもの、具体的には、フルオロメチルメチルカーボネート、ビス(フルオロメチル)カーボネート、フルオロメチルエチルカーボネート、フルオロプロピルエチルカーボネート、メチルフルオロエチルカーボネート、フルオロメチルフルオロエチルカーボネート、フルオロエチルエチルカーボネート、ビス(フルオロエチル)カーボネート、4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オン、4,5−ジフルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オン、トリフルオロプロピレンカーボネートなどが挙げられる。
非水電解質には、前記例示のフルオロエーテル類やフルオロカーボネート類のうちの1種のみを用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
非水電解質にフルオロエーテル類を含有させる場合、非水電解質の全溶媒中におけるフルオロエーテル類の含有量を、0.1〜20体積%とすることが好ましい。また、非水電解質にフルオロカーボネート類を含有させる場合、非水電解質の全溶媒中におけるフルオロエーテル類の含有量を、0.1〜20体積%とすることが好ましい。
また、非水電解質には、ホウ酸エステル類やリン酸エステル類を含有させてもよい。ホウ酸エステル類やリン酸エステル類も、電池内において正極表面に、正極と非水電解質との不要な反応を抑制し得る皮膜を形成する。
ホウ酸エステル類の具体例としては、例えば、ホウ酸メチル、ホウ酸エチル、ホウ酸プロピル、ホウ酸ブチル、ホウ酸シアノエチルなどのホウ酸モノエステル;ホウ酸ジメチル、ホウ酸ジエチル、リホウ酸ジプロピル、ホウ酸ジブチル、メチルシアノエチルホウ酸、メチルプロピルホウ酸などのホウ酸ジエステル;ホウ酸トリメチル、ホウ酸トリエチル、ジメチルエチルホウ酸、メチル(ジシアノエチル)ホウ酸、トリシアノエチルホウ酸などのホウ酸トリエステル;トリメチルボロキシン、トリエチルボロキシン、トリプロピルボロキシン、メチルジエチルボロキシンなどの環状ホウ酸無水物;などが挙げられる。また、リン酸エステル類の具体例としては、例えば、リン酸メチル、リン酸エチル、リン酸プロピル、リン酸ブチル、リン酸ヘキシル、リン酸オクチルなどのリン酸モノエステル;リン酸ジメチル、リン酸ジエチル、リン酸ジプロピル、リン酸ジブチル、リン酸ジヘキシル、リン酸ジオクチルなどのリン酸ジエステル;リン酸トリメチル、リン酸トリエチル、リン酸トリプロピル、リン酸トリブチル、リン酸トリヘキシル、リン酸トリオクチルなどのリン酸トリエステル;などが挙げられる。
電池に使用する非水電解質におけるホウ酸エステル類の含有量は、0.01〜5質量%であることが好ましい。また、電池に使用する非水電解質におけるリン酸エステル類の含有量は、0.01〜5質量%であることが好ましい。
また、非水電解質には、電池の安全性や充放電サイクル性といった特性を更に向上させる目的で、ビニレンカーボネート類、1,3−プロパンサルトン、ジフェニルジスルフィド、シクロヘキシルベンゼン、ビフェニル、フルオロベンゼン、t−ブチルベンゼンなどの添加剤を適宜加えることもできる。
<負極>
本発明の非水二次電池に係る負極には、負極活物質や結着剤などを含有する負極合剤層を、集電体の片面または両面に有するものが使用できる。
負極活物質には、グラファイト(天然黒鉛;熱分解炭素類、MCMB、炭素繊維などの易黒鉛化炭素を2800℃以上で黒鉛化処理した人造黒鉛;など)、熱分解炭素類、コークス類、ガラス状炭素類、有機高分子化合物の焼成体、メソカーボンマイクロビーズ、炭素繊維、活性炭などの、リチウムイオンを吸蔵、脱離可能な炭素材料;リチウムと合金化可能な元素(Si、Sn、Ge、Bi、Sb、Inなど)からなる材料や、リチウムと合金化可能な元素を含む材料(合金、酸化物など);リチウムやリチウム合金(リチウム/アルミニウムなど);高出力負極材料であるLiTi12;などが使用できる。
これらの中でも、より高容量の電池を構成し得る点で、グラファイト、またはリチウムと合金化可能な元素からなる材料もしくはこれらの元素を含む材料が好ましい。
前記リチウムと合金化可能な元素を含む材料としては、下記一般組成式(2)で表される珪素(Si)と酸素(O)とを構成元素に含む材料が特に好ましい。
SiO (2)
ただし、前記一般組成式(2)において、0.5≦x≦1.5である。以下、上記一般組成式(2)で表される材料を「SiO」という。
SiOは、Siの微結晶または非晶質相を含んでいてもよく、この場合、SiとOの原子比は、Siの微結晶または非晶質相のSiを含めた比率となる。すなわち、SiOには、非晶質のSiOマトリックス中にSi(例えば、微結晶Si)が分散した構造のものが含まれ、この非晶質のSiOと、その中に分散しているSiを合わせて、前記の原子比xが0.5≦x≦1.5を満足していればよい。例えば、非晶質のSiOマトリックス中にSiが分散した構造で、SiOとSiのモル比が1:1の材料の場合、x=1であるので、構造式としてはSiOで表記される。このような構造の材料の場合、例えば、X線回折分析では、Si(微結晶Si)の存在に起因するピークが観察されない場合もあるが、透過型電子顕微鏡で観察すると、微細なSiの存在が確認できる。
SiOは導電性が低いことから、例えば、SiOの表面を炭素で被覆して用いてもよく、これにより負極における導電ネットワークを、より良好に形成することができる。
SiOの表面を被覆するための炭素には、例えば、低結晶性炭素、カーボンナノチューブ、気相成長炭素繊維などを使用することができる。
炭化水素系ガスを気相中で加熱し、炭化水素系ガスの熱分解により生じた炭素を、SiO粒子の表面上に堆積する方法[気相成長(CVD)法]で、SiOの表面を炭素で被覆すると、炭化水素系ガスがSiO粒子の隅々にまで行き渡り、粒子の表面や表面の空孔内に、導電性を有する炭素を含む薄くて均一な皮膜(炭素被覆層)を形成できることから、少量の炭素によってSiO粒子に均一性よく導電性を付与できる。
CVD法で使用する炭化水素系ガスの液体ソースとしては、トルエン、ベンゼン、キシレン、メシチレンなどを用いることができるが、取り扱いやすいトルエンが特に好ましい。これらを気化させる(例えば、窒素ガスでバブリングする)ことにより炭化水素系ガスを得ることができる。また、メタンガスやエチレンガス、アセチレンガスなどを用いることもできる。
CVD法の処理温度としては、例えば、600〜1200℃であることが好ましい。また、CVD法に供するSiOは、公知の手法で造粒した造粒体(複合粒子)であることが好ましい。
SiOの表面を炭素で被覆する場合、炭素の量は、SiO:100質量部に対して、5質量部以上であることが好ましく、10質量部以上であることがより好ましく、また、95質量部以下であることが好ましく、90質量部以下であることがより好ましい。
ところで、リチウムと合金化可能な元素(Si、Sn、Ge、Bi、Sb、Inなど)からなる材料や、これらの元素を含む材料(合金、酸化物など);リチウムやリチウム合金(リチウム/アルミニウムなど);などの高容量負極材料、例えば、SiOを含む負極を用いる場合、および、LiTi12のような高出力負極材料を含む負極を用いる場合には、前述の非水電解質の添加剤としては、化合物Bよりも化合物Cを用いる方が好適な場合が多い。その詳細なメカニズムはまだ不明だが、グラファイト系の負極材料のみからなる負極に対して化合物Bを添加した非水電解質を用いた場合に負極上にできる皮膜に比べて、上記高容量負極材料または上記高出力負極材料を用いた負極に対して化合物Bを添加した非水電解質を用いた場合に負極上にできる皮膜は、比較的安定性が低い可能性がある。従って、上記高容量負極材料または上記高出力負極材料を用いた負極に対しては、非水電解質の添加剤の組合せとしては、化合物Aおよび化合物Cの組合せが好ましい。
正極活物質に前記一般組成式(1)で表されるリチウム含有複合酸化物を使用し、負極活物質にSiOを使用した電池では、前記リチウム含有複合酸化物から溶出した金属が、負極のSiO表面に選択的に析出して負極を劣化させるため、充放電サイクル特性の低下が著しい。しかし、本発明の電池では、非水電解質における化合物Bや化合物Cの作用によって、前記リチウム含有複合酸化物から溶出した金属の、負極での析出を抑制でき、また、析出金属の還元を抑えることで、負極活物質の劣化を抑制できるため、喩えSiOを負極活物質に使用していても、前記溶出金属による充放電サイクル特性の低下を良好に抑えることができる。
SiOは電池の充放電に伴う体積変化が大きいため、これのみを負極活物質とする負極合剤層を有する負極を用いた電池では、充放電に伴う負極の膨張・収縮による劣化が生じやすく、例えば前記の非水電解質を使用することによる充放電サイクル特性の向上効果が小さくなる虞がある。そこで、こうした問題を回避するには、SiOとグラファイトとを負極活物質に併用することが好ましい。これにより、SiOの使用による高容量化を図りつつ、電池の充放電に伴う負極の膨張・収縮を抑えて、充放電サイクル特性も高く維持することが可能となる。
負極活物質にSiOとグラファイトとを併用する場合、負極活物質全量中におけるSiOの割合は、SiOの使用による高容量化効果を良好に確保する観点から0.5質量%以上とすることが好ましく、また、SiOによる負極の膨張・収縮を抑制する観点から10質量%以下とすることが好ましい。
負極活物質にSiOを使用する場合、非水電解質には前記フルオロエーテル類やフルオロカーボネート類を含有させることが好ましい。このような非水電解質を用いることで、負極におけるSiOの表面にフッ素を含む良好な皮膜が形成されて、電池の充放電サイクル特性が向上する。
負極合剤層に係る結着剤としては、例えば、PVDFやPTFE、PHFPなどのフッ素樹脂;スチレンブタジエンゴム(SBR)、ニトリルゴム(NBR)などの合成ゴムや天然ゴム;カルボキシメチルセルロース(CMC)、メチルセルロース(MC)、ヒドロキシエチルセルロース(HEC)などのセルロース類;エチレン−アクリル酸共重合体、エチレン−メタクリル酸共重合体、エチレン−アクリル酸メチル共重合体、エチレン−メタクリル酸メチル共重合体およびそれら共重合体の架橋体などのアクリル樹脂;ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリNビニルアセトアミドなどのアミド類;ポリイミド;ポリアクリル酸;ポリアクリル酸スルホン酸;キタンサンガム、グアーガムなどの多糖類;などが挙げられる。
また、負極合剤層には、必要に応じて、正極合剤層において使用可能なものとして先に例示した導電助剤を含有させることもできる。
負極の集電体の材質は、構成された電池において化学的に安定な電子伝導体であれば特に限定されない。例えば、銅または銅合金、ステンレス鋼、ニッケル、チタン、炭素、導電性樹脂などの他に、銅、銅合金またはステンレス鋼の表面に炭素層またはチタン層を形成した複合材などを用いることができる。これらの中でも、リチウムと合金化せず、電子伝導性が高いことから、銅または銅合金が特に好ましい。負極の集電体には、例えば、前記の材質からなるフォイル、フィルム、シート、ネット、パンチングシート、ラス体、多孔質体、発泡体、繊維群の成形体などが使用できる。また、集電体の表面に、表面処理を施して凹凸を付けることもできる。集電体の厚みは特に限定されないが、通常1〜500μmである。
負極は、例えば、負極活物質および結着剤、更には必要に応じて導電助剤を含有する負極合剤を溶剤に分散させたペースト状やスラリー状の負極合剤含有組成物(結着剤は溶剤に溶解していてもよい)を、集電体の片面または両面に塗布し、乾燥して負極合剤層を形成し、必要に応じてプレス処理を施して負極合剤層の厚みや密度を調整することにより得ることができる。負極は前記の製造方法により得られたものに限定されず、他の方法により製造したものであってもよい。負極合剤層の厚みは、集電体の片面当たり10〜300μmであることが好ましい。また、正極合剤層の密度と同じ方法で測定される負極合剤層の密度は、例えば、1.0〜2.2g/cmであることが好ましい。
<セパレータ>
本発明の非水二次電池に係るセパレータは、80℃以上(より好ましくは100℃以上)180℃以下(より好ましくは150℃以下)において、その孔が閉塞する性質(すなわちシャットダウン機能)を有していることが好ましく、通常の非水二次電池などで使用されているセパレータ、例えば、ポリエチレン(PE)やポリプロピレン(PP)などのポリオレフィン製の微多孔膜を用いることができる。セパレータを構成する微多孔膜は、例えば、PEのみを使用したものやPPのみを使用したものであってもよく、また、PE製の微多孔膜とPP製の微多孔膜との積層体であってもよい。
本発明の電池に係るセパレータには、熱可塑性樹脂[好ましくは、融点が80℃以上(より好ましくは100℃以上)180℃以下(より好ましくは150℃以下)の熱可塑性樹脂]を主体とする第1多孔質層[以下、多孔質層(I)という。]と、耐熱温度が200℃以上の無機微粒子を主体として含む第2多孔質層[以下、多孔質層(II)という。]とを有する積層型のセパレータを使用することが好ましい。ここで、「融点」とは日本工業規格(JIS)K 7121の規定に準じて、示差走査熱量計(DSC)を用いて測定される融解温度を意味している。また「耐熱温度が200℃以上」とは、少なくとも200℃において軟化などの変形が見られないことを意味している。
前記積層型のセパレータに係る多孔質層(I)は、主にシャットダウン機能を確保するためのものであり、非水二次電池が多孔質層(I)の主体となる成分である樹脂の融点以上に達したときには、多孔質層(I)に係る樹脂が溶融してセパレータの空孔を塞ぎ、電気化学反応の進行を抑制するシャットダウンを生じる。
多孔質層(I)の主体となる熱可塑性樹脂としては、例えば、PE、PP、エチレン−プロピレン共重合体などのポリオレフィンなどが挙げられ、その形態としては、前述の非水二次電池に用いられる微多孔膜や、不織布などの基材にポリオレフィンなどの熱可塑性樹脂の粒子を含む分散液を塗布し、乾燥するなどして得られるものが挙げられる。ここで、多孔質層(I)の全構成成分中において、主体となる熱可塑性樹脂の体積は、50体積%以上であり、70体積%以上であることがより好ましい。例えば多孔質層(I)を前記ポリオレフィン製の微多孔膜で形成する場合は、熱可塑性樹脂の体積が100体積%となる。
前記積層型のセパレータに係る多孔質層(II)は、非水二次電池の内部温度が上昇した際にも正極と負極との直接の接触による短絡を防止する機能を備えたものであり、耐熱温度が200℃以上の無機微粒子によって、その機能を確保している。すなわち、電池が高温となった場合には、喩え多孔質層(I)が収縮しても、収縮し難い多孔質層(II)によって、セパレータが熱収縮した場合に発生し得る正負極の直接の接触による短絡を防止することができる。また、この耐熱性の多孔質層(II)がセパレータの骨格として作用するため、多孔質層(I)の熱収縮、すなわちセパレータ全体の熱収縮自体も抑制できる。
多孔質層(II)に係る無機微粒子は、耐熱温度が200℃以上で、電池の有する非水電解質に対して安定であり、更に電池の作動電圧範囲において酸化還元されにくい電気化学的に安定なものであればよいが、アルミナ、シリカ、ベーマイトが好ましい。アルミナ、シリカ、ベーマイトは、耐酸化性が高く、粒径や形状を所望の数値などに調整することが可能であるため、多孔質層(II)の空孔率を精度よく制御することが容易となる。耐熱温度が200℃以上の無機微粒子は、例えば前記例示のものを1種単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
多孔質層(II)に係る耐熱温度が200℃以上の無機微粒子の形状については特に制限はなく、略球状(真球状を含む。)、略楕円体状(楕円体状を含む。)、板状などの各種形状のものを使用できる。
また、多孔質層(II)に係る耐熱温度が200℃以上の無機微粒子の平均粒子径は、小さすぎるとイオンの透過性が低下することから、0.3μm以上であることが好ましく、0.5μm以上であることがより好ましい。また、耐熱温度が200℃以上の無機微粒子が大きすぎると、電気特性が劣化しやすくなることから、その平均粒子径は、5μm以下であることが好ましく、2μm以下であることがより好ましい。本明細書でいう無機微粒子の平均粒子径は、例えば、レーザー散乱粒度分布計(例えば、堀場製作所製の「LA−920」)を用い、媒体に微粒子を分散させて測定した平均粒子径D50%である。
多孔質層(II)において、耐熱温度が200℃以上の無機微粒子は、多孔質層(II)に主体として含まれるものであるため、これらの多孔質層(II)における含有量は、多孔質層(II)の構成成分の全体積中、50体積%以上であり、70体積%以上であることが好ましく、80体積%以上であることがより好ましく、90体積%以上であることが更に好ましい。多孔質層(II)中の無機微粒子を前記のように高含有量とすることで、非水二次電池が高温となった際にも、セパレータ全体の熱収縮を良好に抑制することができ、正極と負極との直接の接触による短絡の発生をより良好に抑制することができる。
後述するように、多孔質層(II)には有機バインダも含有させることが好ましいため、多孔質層(II)における耐熱温度が200℃以上の無機微粒子の含有量は、多孔質層(II)の構成成分の全体積中、99.5体積%以下であることが好ましい。
多孔質層(II)には、耐熱温度が200℃以上の無機微粒子同士を結着したり、多孔質層(II)と多孔質層(I)との一体化などのために、有機バインダを含有させることが好ましい。有機バインダとしては、エチレン−酢酸ビニル共重合体(EVA、酢酸ビニル由来の構造単位が20〜35モル%のもの)、エチレン−エチルアクリレート共重合体などのエチレン−アクリル酸共重合体、フッ素系ゴム、SBR、CMC、ヒドロキシエチルセルロース(HEC)、ポリビニルアルコール(PVA)、ポリビニルブチラール(PVB)、ポリビニルピロリドン(PVP)、架橋アクリル樹脂、ポリウレタン、エポキシ樹脂などが挙げられるが、特に、200℃以上の耐熱温度を有する耐熱性のバインダが好ましく用いられる。有機バインダは、前記例示のものを1種単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
前記例示の有機バインダの中でも、EVA、エチレン−アクリル酸共重合体、フッ素系ゴム、SBRなどの柔軟性の高いバインダが好ましい。このような柔軟性の高い有機バインダの具体例としては、三井デュポンポリケミカル社のEVA「エバフレックスシリーズ」、日本ユニカー社のEVA、三井デュポンポリケミカル社のエチレン−アクリル酸共重合体「エバフレックス−EEAシリーズ」、日本ユニカー社のEEA、ダイキン工業社のフッ素ゴム「ダイエルラテックスシリーズ」、JSR社のSBR「TRD−2001」、日本ゼオン社のSBR「BM−400B」などがある。
前記の有機バインダを多孔質層(II)に使用する場合には、後述する多孔質層(II)形成用の組成物の溶媒に溶解させるか、または分散させたエマルジョンの形態で用いればよい。
前記積層型のセパレータは、例えば、耐熱温度が200℃以上の無機微粒子などを含有する多孔質層(II)形成用組成物(スラリーなど)を、多孔質層(I)を構成するための微多孔膜の表面に塗布し、所定の温度に乾燥して多孔質層(II)を形成することにより製造することができる。
多孔質層(II)形成用組成物は、耐熱温度が200℃以上の無機微粒子の他、必要に応じて有機バインダなどを含有し、これらを溶媒(分散媒を含む。以下同じ。)に分散させたものである。有機バインダについては溶媒に溶解させることもできる。多孔質層(II)形成用組成物に用いられる溶媒は、無機微粒子などを均一に分散でき、また、有機バインダを均一に溶解または分散できるものであればよいが、例えば、トルエンなどの芳香族炭化水素、テトラヒドロフランなどのフラン類、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトンなどのケトン類など、一般的な有機溶媒が好適に用いられる。これらの溶媒に、界面張力を制御する目的で、アルコール(エチレングリコール、プロピレングリコールなど)、または、モノメチルアセテートなどの各種プロピレンオキサイド系グリコールエーテルなどを適宜添加してもよい。また、有機バインダが水溶性である場合、有機バインダをエマルジョンとして使用する場合などでは、水を溶媒としてもよく、この際にもアルコール類(メチルアルコール、エチルアルコール、イソプロピルアルコール、エチレングリコールなど)を適宜加えて界面張力を制御することもできる。
多孔質層(II)形成用組成物は、耐熱温度が200℃以上の無機微粒子、更には有機バインダなどを含む固形分含量を、例えば10〜80質量%とすることが好ましい。
前記積層型のセパレータにおいて、多孔質層(I)と多孔質層(II)とは、それぞれ1層ずつである必要はなく、複数の層がセパレータ中にあってもよい。例えば、多孔質層(II)の両面に多孔質層(I)を配置した構成としたり、多孔質層(I)の両面に多孔質層(II)を配置した構成としてもよい。ただし、層数を増やすことで、セパレータの厚みを増やして電池の内部抵抗の増加やエネルギー密度の低下を招く虞があるので、層数を多くしすぎるのは好ましくなく、前記積層型のセパレータ中の多孔質層(I)と多孔質層(II)との合計層数は5層以下であることが好ましい。
本発明の電池に係るセパレータ(ポリオレフィン製の微多孔膜からなるセパレータや、前記積層型のセパレータ)の厚みは、例えば、10〜30μmであることが好ましい。
また、前記積層型のセパレータにおいては、多孔質層(II)の厚み[セパレータが多孔質層(II)を複数有する場合は、その総厚み]は、多孔質層(II)による前記の各作用をより有効に発揮させる観点から、3μm以上であることが好ましい。ただし、多孔質層(II)が厚すぎると、電池のエネルギー密度の低下を引き起こすなどの虞があることから、多孔質層(II)の厚みは、8μm以下であることが好ましい。
更に、前記積層型のセパレータにおいては、多孔質層(I)の厚み[セパレータが多孔質層(I)を複数有する場合は、その総厚み。以下同じ。]は、多孔質層(I)の使用による前記作用(特にシャットダウン作用)をより有効に発揮させる観点から、6μm以上であることが好ましく、10μm以上であることがより好ましい。ただし、多孔質層(I)が厚すぎると、電池のエネルギー密度の低下を引き起こす虞があることに加えて、多孔質層(I)が熱収縮しようとする力が大きくなり、セパレータ全体の熱収縮を抑える作用が小さくなる虞がある。そのため、多孔質層(I)の厚みは、25μm以下であることが好ましく、20μm以下であることがより好ましく、14μm以下であることが更に好ましい。
セパレータ全体の空孔率としては、電解液の保液量を確保してイオン透過性を良好にするために、乾燥した状態で、30%以上であることが好ましい。一方、セパレータ強度の確保と内部短絡の防止の観点から、セパレータの空孔率は、乾燥した状態で、70%以下であることが好ましい。セパレータの空孔率:P(%)は、セパレータの厚み、面積あたりの質量、構成成分の密度から、下記算出式を用いて各成分iについての総和を求めることにより計算できる。
P={1−(m/t)/(Σa・ρ)}×100
ここで、前記算出式において、a:全体の質量を1としたときの成分iの比率、ρ:成分iの密度(g/cm)、m:セパレータの単位面積あたりの質量(g/cm)、t:セパレータの厚み(cm)である。
また、前記積層型のセパレータの場合、前記算出式において、mを多孔質層(I)の単位面積あたりの質量(g/cm)とし、tを多孔質層(I)の厚み(cm)とすることで、前記算出式を用いて多孔質層(I)の空孔率:P(%)を求めることもできる。この方法により求められる多孔質層(I)の空孔率は、30〜70%であることが好ましい。
更に、前記積層型のセパレータの場合、前記算出式において、mを多孔質層(II)の単位面積あたりの質量(g/cm)とし、tを多孔質層(II)の厚み(cm)とすることで、前記算出式を用いて多孔質層(II)の空孔率:P(%)を求めることもできる。この方法により求められる多孔質層(II)の空孔率は、20〜60%であることが好ましい。
前記セパレータとしては、機械的な強度の高いものが好ましく、例えば突き刺し強度が3N以上であることが好ましい。例えば、充放電に伴う体積変化の大きなSiOを負極活物質に使用した場合、充放電を繰り返すことで、負極全体の伸縮によって、対面させたセパレータにも機械的なダメージが加わることになる。セパレータの突き刺し強度が3N以上であれば、良好な機械的強度が確保され、セパレータの受ける機械的ダメージを緩和することができる。
突き刺し強度が3N以上のセパレータとしては、前述した積層型のセパレータが挙げられ、特に、熱可塑性樹脂を主体とする多孔質層(I)に、耐熱温度が200℃以上の無機微粒子を主体として含む多孔質層(II)を積層したセパレータが好適である。それは、前記無機微粒子の機械的強度が高いため、多孔質層(I)の機械的強度を補って、セパレータ全体の機械的強度を高めることができるからであると考えられる。
前記突き刺し強度は以下の方法で測定できる。直径2インチの穴があいた板上にセパレータをしわやたわみのないように固定し、先端の直径が1.0mmの半円球状の金属ピンを、120mm/分の速度で測定試料に降下させて、セパレータに穴があく時の力を5回測定する。そして、前記5回の測定値のうち最大値と最小値とを除く3回の測定について平均値を求め、これをセパレータの突き刺し強度とする。
<電極体>
前記の正極と前記の負極と前記のセパレータとは、正極と負極との間にセパレータを介在させて重ねた積層電極体や、更にこれを渦巻状に巻回した巻回電極体の形態で本発明の電池に使用することができる。
<非水二次電池>
本発明の非水二次電池は、例えば、前記の正極と前記の負極とを、前記のセパレータを介して積層した積層電極体や、更にこれを渦巻状に巻回した巻回電極体を作製し、このような電極体と、前記の非水電解質とを、常法に従い外装体内に封入して構成される。電池の形態としては、従来から知られている非水二次電池と同様に、筒形(円筒形や角筒形)の外装缶を使用した筒形電池や、扁平形(平面視で円形や角形の扁平形)の外装缶を使用した扁平形電池、金属を蒸着したラミネートフィルムを外装体としたソフトパッケージ電池などとすることができる。また、外装缶には、スチール製やアルミニウム製のものが使用できる。
本発明の非水二次電池は、携帯電話、ノート型パーソナルコンピュータなどのポータブル電子機器などの各種電子機器の電源を始めとして、電動工具、自動車、自転車などの電源、電力貯蔵用電池などの用途にも適用することができる。
以下、実施例に基づいて本発明を詳細に述べる。ただし、下記実施例は本発明を制限するものではない。
(実施例1)
<リチウム含有複合酸化物の合成>
水酸化ナトリウムの添加によってpHを約12に調整したアンモニア水を反応容器に入れ、これを強攪拌しながら、この中に、硫酸ニッケル、硫酸コバルトおよび硫酸マンガンを、それぞれ、2.4mol/dm、0.8mol/dm、0.8mol/dmの濃度で含有する混合水溶液と、25質量%濃度のアンモニア水とを、それぞれ、23cm/分、6.6cm/分の割合で、定量ポンプを用いて滴下して、NiとCoとMnとの共沈化合物(球状の共沈化合物)を合成した。この際、反応液の温度は50℃に保持し、また、反応液のpHが12付近に維持されるように、6.4mol/dm濃度の水酸化ナトリウム水溶液の滴下も同時に行い、更に窒素ガスを1dm/分の流量でバブリングした。
前記の共沈化合物を水洗、濾過および乾燥させて、NiとCoとMnとを6:2:2のモル比で含有する水酸化物を得た。この水酸化物0.194molと、0.206molのLiOH・HOとをエタノール中に分散させてスラリー状にした後、遊星型ボールミルで40分間混合し、室温で乾燥させて混合物を得た。次いで、前記混合物をアルミナ製のるつぼに入れ、2dm/分のドライエアーフロー中で600℃まで加熱し、その温度で2時間保持して予備加熱を行い、更に900℃に昇温して12時間焼成することにより、リチウム含有複合酸化物を合成した。得られたリチウム含有複合酸化物は乳鉢で粉砕して粉体とし、デシケーター中で保存した。
前記のリチウム含有複合酸化物について、原子吸光分析装置で組成を測定したところ、Li1.06Ni0.6Co0.2Mn0.2で表される組成であることが判明した。
<正極の作製>
前記リチウム含有複合酸化物(正極活物質)100質量部と、結着剤であるPVDFを10質量%の濃度で含むN−メチル−2−ピロリドン(NMP)溶液20質量部と、導電助剤である人造黒鉛1.0質量部およびケッチェンブラック1.0質量部とを、二軸混練機を用いて混練し、更にNMPを加えて粘度を調節して、正極合剤含有ペーストを調製した。
前記の正極合剤含有ペーストを、厚みが15μmのアルミニウム箔(正極集電体)の両面に塗布した後、120℃で12時間の真空乾燥を行って、アルミニウム箔の両面に正極合剤層を形成した。その後、プレス処理を行って、正極合剤層の厚みおよび密度を調節し、アルミニウム箔の露出部にニッケル製のリード体を溶接して、長さ375mm、幅43mmの帯状の正極を作製した。得られた正極における正極合剤層は、片面あたりの厚みが55μmであった。
<負極の作製>
負極活物質である天然黒鉛100質量部と、結着剤であるスチレンブタジエンゴム1.5質量部と、増粘剤であるカルボキシメチルセルロース1.5質量部とに、水を加えて混合し、負極合剤含有ペーストを調製した。この負極合剤含有ペーストを厚みが8μmの銅箔の両面に塗布した後、120℃で12時間の真空乾燥を行って、銅箔の両面に負極合剤層を形成した。その後、プレス処理を行って、負極合剤層の厚みおよび密度を調節し、銅箔の露出部にニッケル製のリード体を溶接して、長さ380mm、幅44mmの帯状の負極を作製した。
<非水電解質の調製>
(ステップ1)
まず、ECとMECとDECとの容積比1:1:3の混合溶媒に、LiPFを1mol/Lの濃度で溶解させた後に、1質量%となる量のビニレンカーボネートを混合した。
(ステップ2)
次に、化合物Aとして、1,3−ビス(プロペノキシメチル)シクロペンタン、化合物Bとして、1,7−ジアザ−12−クラウン−4−エーテルを骨格とし、二つの窒素原子がブテン酸残基を有する1,7−ビス(ブテン酸)−1,7−ジアザ−12−クラウン−4−エーテル、および化合物Cとして、1,2,4−トリアゾールを、化合物Aを0.2質量%、化合物Bを0.2質量%、および化合物Cを0.1質量%となる量で、上記(ステップ1)で調製した溶液に添加し、均質になるまで混合して、非水電解質を調製した。
<電池の組み立て>
前記帯状の正極を、厚みが16μmの微孔性ポリエチレンセパレータ(空孔率:41%)を介して前記帯状の負極に重ね、渦巻状に巻回した後、扁平状になるように加圧して扁平状巻回構造の巻回電極体とし、この巻回電極体をポリプロピレン製の絶縁テープで固定した。次に、外寸が厚さ4.0mm、幅34mm、高さ50mmのアルミニウム合金製の角形の電池ケースに前記巻回電極体を挿入し、リード体の溶接を行うとともに、アルミニウム合金製の蓋板を電池ケースの開口端部に溶接した。その後、蓋板に設けた注入口から前記非水電解質を注入し、1時間静置した後に注入口を封止して、図1A、Bに示す構造で、図2に示す外観の非水二次電池を得た。前記非水二次電池の設計電気容量は、1000mAhとした。
ここで、図1A、Bおよび図2に示す電池について説明すると、図1Aは平面図、図1Bはその断面図であって、図1Bに示すように、正極1と負極2はセパレータ3を介して渦巻状に巻回した後、扁平状になるように加圧して扁平状の巻回電極体6として、角形(角筒形)の電池ケース4に非水電解質と共に収容されている。ただし、図1Bでは、煩雑化を避けるため、正極1や負極2の作製にあたって使用した集電体としての金属箔や非水電解質などは図示していない。
電池ケース4はアルミニウム合金製で電池の外装体を構成するものであり、この電池ケース4は正極端子を兼ねている。そして、電池ケース4の底部にはPEシートからなる絶縁体5が配置され、正極1、負極2およびセパレータ3からなる巻回電極体6からは、正極1および負極2のそれぞれ一端に接続された正極リード体7と負極リード体8が引き出されている。また、電池ケース4の開口部を封口するアルミニウム合金製の封口用の蓋板9にはポリプロピレン製の絶縁パッキング10を介してステンレス鋼製の端子11が取り付けられ、この端子11には絶縁体12を介してステンレス鋼製のリード板13が取り付けられている。
そして、この蓋板9は電池ケース4の開口部に挿入され、両者の接合部を溶接することによって、電池ケース4の開口部が封口され、電池内部が密閉されている。また、図1A、Bの電池では、蓋板9に非水電解質の注入口14が設けられており、この注入口14には、封止部材が挿入された状態で、例えばレーザー溶接などにより溶接封止されて、電池の密閉性が確保されている。従って、図1A、Bおよび図2の電池では、実際には、注入口14は、非水電解質の注入口と封止部材であるが、説明を容易にするために、注入口14として示している。更に、蓋板9には、電池の温度が上昇した際に内部のガスを外部に排出する機構として、開裂ベント15が設けられている。
この実施例1の電池では、正極リード体7を蓋板9に直接溶接することによって電池ケース4と蓋板9とが正極端子として機能し、負極リード体8をリード板13に溶接し、そのリード板13を介して負極リード体8と端子11とを導通させることによって端子11が負極端子として機能するようになっているが、電池ケース4の材質などによっては、その正負が逆になる場合もある。
図1Bにおいては、巻回電極体6の内周側の部分は断面にしていない。また、図2は前記電池が角形電池であることを示すことを目的として図示されたものである。
(実施例2)
共沈化合物の合成に使用する混合水溶液中の原料化合物の濃度を調節して、NiとCoとMnとMgとを90:5:2.5:2.5のモル比で含有する水酸化物を合成し、この水酸化物とLiOH・HOとのモル比を調整した以外は、実施例1と同様にしてリチウム含有複合酸化物を合成した。得られたリチウム含有複合酸化物について、実施例1と同様にして組成を調べたところ、Li1.03Ni0.9Co0.05Mn0.025Mg0.025であった。そして、このリチウム含有複合酸化物を正極活物質に用いた以外は、実施例1と同様にして正極を作製した。
また、負極活物質を、天然黒鉛50質量部と人造黒鉛50質量部との混合物に変更した以外は、実施例1と同様にして負極を作製した。
更に、化合物Aに1,3−ビス(プロペノキシメチル)シクロヘキサンを0.2質量%となる量で使用し、化合物Bに1,7−ビス(2−ブテン酸メチル)−1,7−ジアザ−15−クラウン−5−エーテルを0.1質量%となる量で使用し、化合物Cに3−アミノ−1,2,4−トリアゾールを0.1質量%となる量で使用した以外は、実施例1と同様にして非水電解質を調製した。
そして、前記の正極、前記の負極および前記の非水電解質を用いた以外は、実施例1と同様にして非水二次電池を作製した。
(実施例3)
共沈化合物の合成に使用する混合水溶液中の原料化合物の濃度を調節した以外は実施例1と同様にして、NiとCoとMnとを5:2:3のモル比で含有する水酸化物を合成し、得られた水酸化物を水で洗浄した後、ほぼ同じモル比のLiOH・HOと混合し、大気中(酸素濃度が約20体積%)で、850℃で12時間熱処理することにより、リチウム含有複合酸化物を合成した。得られたリチウム含有複合酸化物について、実施例1と同様にして組成を調べたところ、Li1.00Ni0.5Co0.2Mn0.3であった。そして、このリチウム含有複合酸化物を正極活物質に用いた以外は、実施例1と同様にして正極を作製した。
SiO(平均粒径5.0μm)を沸騰床反応器中で約1000℃に加熱し、加熱された粒子にエチレンと窒素ガスからなる25℃の混合ガスを接触させ、1000℃で60分間CVD処理を行った。このようにして前記混合ガスが熱分解して生じた炭素(以下「CVD炭素」ともいう。)をSiO粒子に堆積させて被覆層を形成し、負極材料(炭素被覆SiO)を得た。
被覆層形成前後の質量変化から前記負極材料の組成を算出したところ、SiO:CVD炭素=80:20(質量比)であった。
負極活物質を、数平均粒子径が10μmの天然黒鉛50質量部と、人造黒鉛49.5質量部と、前記炭素被覆SiO:0.5質量部との混合物に変更した以外は、実施例1と同様にして負極を作製した。
また、化合物Aに1,3−ビス(プロペノキシエチル)シクロヘプタンを0.1質量%となる量で使用し、化合物Bに1,10−ビス(2−ブテン酸エチル)−1,10−ジアザ−18−クラウン−6−エーテルを0.2質量%となる量で使用し、化合物Cに4−メチル−1,2,3−トリアゾールを0.1質量%となる量で使用した以外は、実施例1と同様にして非水電解質を調製した。
そして、前記の正極、前記の負極および前記の非水電解質を用いた以外は、実施例1と同様にして非水二次電池を作製した。
(実施例4)
正極活物質を、実施例2で合成したものと同じリチウム含有複合酸化物:95質量部と、Li1.02Mn1.976Al0.01Mg0.01Ti0.004:5質量部との混合物に変更した以外は、実施例1と同様にして正極を作製した。
また、負極活物質を、天然黒鉛50質量部とメソフェーズカーボン50質量部との混合物に変更した以外は、実施例1と同様にして負極を作製した。
更に、化合物Aに1,3−ビス(ビニロキシエチル)シクロヘプタンを0.1質量%となる量で使用し、化合物Bに1,10−ビス(2−ペンテン酸エチル)−2,3,14,15−ジベンゾ−1,10−ジアザ−18−クラウン−6−エーテルを0.15質量%となる量で使用し、化合物Cに4−アミノ−1,3−イミダゾールを0.15質量%となる量で使用した以外は、実施例1と同様にして非水電解質を調製した。
そして、前記の正極、前記の負極および前記の非水電解質を用いた以外は、実施例1と同様にして非水二次電池を作製した。
(実施例5)
正極活物質を、実施例2で合成したものと同じリチウム含有複合酸化物:90質量部と、Li1.00Co0.988Al0.005Mg0.005Zr0.002:10質量部との混合物に変更した以外は、実施例1と同様にして正極を作製した。
また、負極活物質を、人造黒鉛50質量部とメソフェーズカーボン50質量部との混合物に変更した以外は、実施例1と同様にして負極を作製した。
更に、化合物Aに1,3−ビス(プロペノキシメチル)シクロペンタンを0.1質量%となる量で使用し、化合物Bに1,7−ビス(3−フルオロブテン酸メチル)−2,3−ベンゾ−1,7−ジアザ−15−クラウン−5−エーテルを0.1質量%となる量で使用し、化合物Cに4−アミノ−1,2−ピラゾールを0.1質量%となる量で使用した以外は、実施例1と同様にして非水電解質を調製した。
そして、前記の正極、前記の負極および前記の非水電解質を用いた以外は、実施例1と同様にして非水二次電池を作製した。
(実施例6)
正極活物質を、実施例2で合成したものと同じリチウム含有複合酸化物:90質量部と、Li1.00Fe0.988Mg0.1Ti0.002PO:10質量部との混合物に変更した以外は、実施例1と同様にして正極を作製した。
また、化合物Aに1,3−ビス(プロペノキシメチル)シクロペンタンを2質量%となる量で使用し、化合物Bに1,7−ビス(3−トリフルオロメチルブテン酸メチル)−1,7−ジアザ−15−クラウン−5−エーテルを2質量%となる量で使用し、化合物Cに2−アミノ−1,3−ピリミジンを1質量%となる量で使用した以外は、実施例1と同様にして非水電解質を調製した。
そして、前記の正極、前記の非水電解質および実施例2で作製したものと同じ負極を用いた以外は、実施例1と同様にして非水二次電池を作製した。
(実施例7)
共沈化合物の合成に使用する混合水溶液中の原料化合物の濃度を調整して、NiとCoとMnとを40:30:30のモル比で含有する水酸化物を合成し、得られた水酸化物を水で洗浄した後、この水酸化物0.198molと、0.202molのLiOH・HOとを混合し、実施例3と同様にしてリチウム含有複合酸化物を合成した。得られたリチウム含有複合酸化物について、実施例1と同様にして組成を調べたところ、Li1.02Ni0.4Co0.3Mn0.3であった。
このリチウム含有複合酸化物:90質量部と、Li1.02Mn1.488Ni0.49Al0.01Mg0.01Ti0.002:10質量部との混合物に変更した以外は、実施例1と同様にして正極を作製した。
また、負極活物質を、天然黒鉛50質量部とメソフェーズカーボン50質量部との混合物に変更した以外は、実施例1と同様にして負極を作製した。
更に、化合物Aに1,3−ビス(プロペノキシメチル)シクロペンタンを1質量%となる量で使用し、化合物Bに1,7−ビス(1−アクリロイルメチル)−1,7−ジアザ−15−クラウン−5−エーテルを0.5質量%となる量で使用し、化合物Cに2−アミノ−1,3,6−トリアジンを0.5質量%となる量で使用した以外は、実施例1と同様にして非水電解質を調製した。
そして、前記の正極、前記の負極および前記の非水電解質を用いた以外は、実施例1と同様にして非水二次電池を作製した。
(実施例8)
共沈化合物の合成に使用する混合水溶液中の原料化合物の濃度を調節した以外は実施例1と同様にして、NiとCoとMnとを45:10:45のモル比で含有する水酸化物を合成し、得られた水酸化物を水で洗浄した後、大気中(酸素濃度が約20体積%)で、850℃で12時間熱処理することにより、リチウム含有複合酸化物を合成した。得られたリチウム含有複合酸化物について、実施例1と同様にして組成を調べたところ、Li1.00Ni0.45Co0.1Mn0.45であった。そして、このリチウム含有複合酸化物を正極活物質に用いた以外は、実施例1と同様にして正極を作製した。
また、化合物Aに1,3−ビス(プロペノキシメチル)シクロペンタンを0.02質量%となる量で使用し、化合物Bに1,4−ビス(1−アクリロイルエチル)−1,4−ジアザ−15−クラウン−5−エーテルを0.05質量%となる量で使用し、化合物Cに5−アミノ−インドールを0.02質量%となる量で使用した以外は、実施例1と同様にして非水電解質を調製した。
そして、前記の正極、前記の非水電解質および実施例2で作製したものと同じ負極を用いた以外は、実施例1と同様にして非水二次電池を作製した。
(実施例9)
共沈化合物の合成に使用する混合水溶液中の原料化合物の濃度を調節して、NiとCoとMnとを34:34:32のモル比で含有する水酸化物を合成した以外は、実施例3と同様にしてリチウム含有複合酸化物を合成した。得られたリチウム含有複合酸化物について、実施例1と同様にして組成を調べたところ、Li1.02Ni0.34Co0.34Mn0.32であった。そして、このリチウム含有複合酸化物を正極活物質に用いた以外は、実施例1と同様にして正極を作製した。
また、化合物Aに1,3−ビス(プロペノキシメチル)シクロヘキサンを0.2質量%となる量で使用し、化合物Bに1,7−ビス(2−ブテン酸メチル)−1,7−ジアザ−15−クラウン−5−エーテルを0.2質量%となる量で使用し、化合物Cを使用しなかった以外は、実施例1と同様にして非水電解質を調製した。
そして、前記の正極、前記の非水電解質および実施例5で作製したものと同じ負極を用いた以外は、実施例1と同様にして非水二次電池を作製した。
(実施例10)
正極活物質を、実施例7で合成したものと同じリチウム含有複合酸化物:90質量部と、Li1.2Mn0.48Ni0.16Co0.16:10質量部との混合物に変更した以外は、実施例1と同様にして正極を作製した。
また、化合物Aに1,3−ビス(プロペノキシメチル)シクロヘキサンを1質量%となる量で使用し、化合物Cに3−アミノ−1,2,4−トリアゾールを0.5質量%となる量で使用し、化合物Bを使用しなかった以外は、実施例1と同様にして非水電解質を調製した。
そして、前記の正極、前記の非水電解質および実施例2で作製したものと同じ負極を用いた以外は、実施例1と同様にして非水二次電池を作製した。
(実施例11)
実施例1で用いたものと同じ正極活物質と、導電助剤として、気相成長炭素繊維0.5質量部およびカーボンナノチューブ0.5質量部とを、プラネタリーミキサーを用いて混合し、ここに、結着剤であるPVDFを10質量%の濃度で含むNMP溶液20質量部と、更にNMPとを加えて粘度を調節して、正極合剤含有ペーストを調製した。そして、この正極合剤含有ペーストを用いた以外は、実施例1と同様にして正極を作製した。
そして、前記の正極および実施例2で作製したものと同じ負極を用いた以外は、実施例1と同様にして非水二次電池を作製した。
(実施例12)
プロパンスルトンを0.1質量%となる量で添加した以外は、実施例1と同様にして非水電解質を調製した。
そして、前記の非水電解質および実施例2で作製したものと同じ負極を用いた以外は、実施例1と同様にして非水二次電池を作製した。
(実施例13)
負極活物質を、数平均粒子径が10μmの天然黒鉛50質量部と、メソフェーズカーボン49.5質量部と、実施例3で作製したものと同じ炭素被覆SiO:0.5質量部との混合物に変更した以外は、実施例1と同様にして負極を作製した。
また、4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンを0.1質量%となる量で添加した以外は、実施例1と同様にして非水電解質を調製した。
そして、前記の非水電解質および前記の負極を用いた以外は、実施例1と同様にして非水二次電池を作製した。
(実施例14)
負極活物質を、人造黒鉛50質量部と、メソフェーズカーボン49.5質量部と、実施例3で作製したものと同じ炭素被覆SiO:0.5質量部との混合物に変更した以外は、実施例1と同様にして負極を作製した。
また、(n−トリフルオロプロピル)エチルエーテルを0.1質量%となる量で添加した以外は、実施例1と同様にして非水電解質を調製した。
そして、前記の非水電解質および前記の負極を用いた以外は、実施例1と同様にして非水二次電池を作製した。
(実施例15)
負極活物質を、数平均粒子径が10μmの天然黒鉛50質量部と、人造黒鉛45質量部と、実施例3で作製したものと同じ炭素被覆SiO:5質量部との混合物に変更した以外は、実施例1と同様にして負極を作製した。
また、化合物Aに1,4−ビス(プロペノキシメチル)シクロヘキサンを0.2質量%となる量で使用し、化合物Bに1,7−ビス(2−ブテン酸メチル)−1,7−ジアザ−15−クラウン−5−エーテルを0.2質量%となる量で使用し、化合物Cを使用せず、更に、4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンを1質量%となる量で添加した以外は、実施例1と同様にして非水電解質を調製した。
そして、実施例2で作製したものと同じ正極、前記の負極、および前記の非水電解質を用いた以外は、実施例1と同様にして非水二次電池を作製した。
(実施例16)
正極活物質をLi1.02Ni0.82Co0.15Al0.03に変更した以外は、実施例1と同様にして正極を作製した。
また、化合物Aに1,4−ビス(プロペノキシメチル)シクロヘキサンを0.2質量%となる量で使用し、化合物Bに1,7−ビス(2−ブテン酸メチル)−1,7−ジアザ−15−クラウン−5−エーテルを0.2質量%となる量で使用し、化合物Cを使用せず、更に、trans−4,5−ジフルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンを0.5質量%となる量で添加した以外は、実施例1と同様にして非水電解質を調製した。
そして、前記の正極、実施例15で作製したものと同じ負極、および前記の非水電解質を用いた以外は、実施例1と同様にして非水二次電池を作製した。
(実施例17)
化合物Aに1,4−ビス(プロペノキシメチル)シクロヘキサンを0.2質量%となる量で使用し、化合物Cに3−アミノ−1,2,4−トリアゾールを0.2質量%となる量で使用し、化合物Bを使用せず、更に、4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンを1質量%となる量で添加した以外は、実施例1と同様にして非水電解質を調製した。
そして、実施例2で作製したものと同じ正極、実施例15で作製したものと同じ負極、および前記の非水電解質を用いた以外は、実施例1と同様にして非水二次電池を作製した。
(実施例18)
化合物Aに1,4−ビス(プロペノキシメチル)シクロヘキサンを0.2質量%となる量で使用し、化合物Cに3−アミノ−1,2,4−トリアゾールを0.2質量%となる量で使用し、化合物Bを使用せず、更に、フルオロエチルプロピルエーテルを5質量%となる量で添加した以外は、実施例1と同様にして非水電解質を調製した。
そして、実施例15で作製したものと同じ負極および前記の非水電解質を用いた以外は、実施例1と同様にして非水二次電池を作製した。
(実施例19)
化合物Aに1,4−ビス(プロペノキシメチル)シクロヘキサンを0.2質量%となる量で使用し、化合物Cに3−アミノ−1,2,4−トリアゾールを0.2質量%となる量で使用し、化合物Bを使用せず、更に、フルオロプロピルエチルカーボネートを0.7質量%となる量で添加した以外は、実施例1と同様にして非水電解質を調製した。
そして、実施例2で作製したものと同じ正極、実施例15で作製したものと同じ負極、および前記の非水電解質を用いた以外は、実施例1と同様にして非水二次電池を作製した。
(実施例20)
化合物Aに1,4−ビス(プロペノキシメチル)シクロヘキサンを0.2質量%となる量で使用し、化合物Cに3−アミノ−1,2,4−トリアゾールを0.2質量%となる量で使用し、化合物Bを使用せず、更に、トリフルオロプロピレンカーボネートを1.0質量%となる量で添加した以外は、実施例1と同様にして非水電解質を調製した。
そして、実施例2で作製したものと同じ正極、実施例15で作製したものと同じ負極、および前記の非水電解質を用いた以外は、実施例1と同様にして非水二次電池を作製した。
(実施例21)
化合物Aに1,4−ビス(プロペノキシメチル)シクロヘキサンを0.1質量%となる量で使用し、化合物Cに3−アミノ−1,2,4−トリアゾールを0.1質量%となる量で使用し、化合物Bを使用せず、更に、4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンを0.1質量%となる量で添加した以外は、実施例1と同様にして非水電解質を調製した。
そして、前記の非水電解質を用いた以外は、実施例3と同様にして非水二次電池を作製した。
(実施例22)
化合物Aに1,4−ビス(プロペノキシメチル)シクロヘキサンを0.2質量%となる量で使用し、化合物Cに3−アミノ−1,2,4−トリアゾールを0.2質量%となる量で使用し、化合物Bを使用せず、更に、4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンを0.1質量%となる量で添加した以外は、実施例1と同様にして非水電解質を調製した。
そして、前記の非水電解質を用いた以外は、実施例13と同様にして非水二次電池を作製した。
(実施例23)
負極活物質を、数平均粒子径が10μmの天然黒鉛47.5質量部と、人造黒鉛47.5質量部と、実施例3で作製したものと同じ炭素被覆SiO:1質量部と、LiTi12:4質量部との混合物に変更した以外は、実施例1と同様にして負極を作製した。
また、化合物Aに1,4−ビス(プロペノキシメチル)シクロヘキサンを0.2質量%となる量で使用し、化合物Cに3−アミノ−1,2,4−トリアゾールを0.2質量%となる量で使用し、化合物Bを使用せず、更に、4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンを0.1質量%となる量で添加した以外は、実施例1と同様にして非水電解質を調製した。
そして、前記の非水電解質を用いた以外は、実施例13と同様にして非水二次電池を作製した。
(比較例1)
化合物Aに1,3−ビス(ビニロキシメチル)シクロヘプタンを1質量%となる量で使用し、化合物Bおよび化合物Cを使用しなかった以外は、実施例1と同様にして非水電解質を調製した。そして、前記の非水電解質を用いた以外は、実施例1と同様にして非水二次電池を作製した。
(比較例2)
化合物Bに1,7−ビス(3−フルオロブテン酸メチル)−2,3−ベンゾ−1,7−ジアザ−15−クラウン−5−エーテルを1質量%となる量で使用し、化合物Aおよび化合物Cを使用しなかった以外は、実施例1と同様にして非水電解質を調製した。そして、前記の非水電解質を用いた以外は、実施例2と同様にして非水二次電池を作製した。
(比較例3)
化合物Cに2−アミノ−1,3,6−トリアジンを1質量%となる量で使用し、化合物Aおよび化合物Bを使用しなかった以外は、実施例1と同様にして非水電解質を調製した。そして、前記の非水電解質を用いた以外は、実施例3と同様にして非水二次電池を作製した。
(比較例4)
化合物A、化合物Bおよび化合物Cを使用しなかった以外は、実施例1と同様にして非水電解質を調製した。そして、前記の非水電解質を用いた以外は、実施例9と同様にして非水二次電池を作製した。
(比較例5)
化合物A、化合物Bおよび化合物Cを使用しなかった以外は、実施例1と同様にして非水電解質を調製した。そして、前記の非水電解質を用いた以外は、実施例15と同様にして非水二次電池を作製した。
(比較例6)
化合物A、化合物Bおよび化合物Cを使用せず、4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンを1質量%となる量で添加した以外は、実施例1と同様にして非水電解質を調製した。そして、前記の非水電解質を用いた以外は、実施例15と同様にして非水二次電池を作製した。
実施例1〜23および比較例1〜6の非水二次電池について、以下の各評価を行った。
<容量測定>
実施例1〜23および比較例1〜6の各電池を、60℃で7時間保存した後、20℃で、200mAの電流値で5時間充電し、200mAの電流値で電池電圧が3Vに低下するまで放電する充放電サイクルを、放電容量が一定になるまで繰り返した。次いで、定電流−定電圧充電(定電流:500mA、定電圧:4.2V、総充電時間:3時間)を行い、1時間休止後に200mAの電流値で電池電圧が3Vとなるまで放電して標準容量を求めた。標準容量は各電池とも20個の電池について測定し、その平均値を各実施例、比較例の標準容量とした。
<充放電サイクル特性>
実施例1〜23および比較例1〜6の各電池を標準容量測定時と同じ条件で定電流−定電圧充電した後、1分休止後に200mAの電流値で電池電圧が3Vになるまで放電する充放電サイクルを繰り返し、放電容量が初度の放電容量の70%に低下するまでのサイクル数を求めて、各電池の充放電サイクル特性を評価した。充放電サイクル特性における前記のサイクル数は、各電池とも2個の電池について測定し、その平均値を各実施例、比較例のサイクル数とした。
<貯蔵特性>
実施例1〜23および比較例1〜6の各電池について、定電流−定電圧充電(定電流:400mA、定電圧:4.25V、総充電時間:3時間)を行った後、恒温槽に入れて80℃で5日間放置し、その後の電池の厚みを測定した。このようにして得られた各電池の貯蔵後の厚みと、貯蔵前の厚み(4.0mm)との差から求められる厚みの変化(貯蔵時の電池の膨れに相当する貯蔵前後の厚み変化)により、貯蔵特性を評価した。
実施例1〜23および比較例1〜6の非水二次電池について、正極に用いた正極活物質の組成(質量部)を表1に、非水電解質の調製に用いた添加剤(ビニレンカーボネート以外の添加剤)とその添加量を表2〜表6に、負極に用いた負極活物質を表7に、前記の各評価結果を表8に、それぞれ示す。
Figure 2012067102
Figure 2012067102
Figure 2012067102
Figure 2012067102
Figure 2012067102
Figure 2012067102
Figure 2012067102
Figure 2012067102
表8に示す通り、適正な組成のリチウム含有複合酸化物を正極活物質とし、適正な組成の非水電解質を用いた実施例1〜23の非水二次電池は、充放電サイクル特性評価時において、放電容量が初度の放電容量の70%に低下するまでのサイクル数が多く、充放電サイクル特性に優れ、また、貯蔵前後での厚みの変化が小さく、貯蔵特性にも優れており、充放電サイクル特性と貯蔵特性のバランスが、比較例1〜6の電池に比べて良好である。
また、実施例15〜20の非水二次電池は、電池の高容量化に寄与する一方で、電池の充放電サイクル特性の低下を引き起こしやすいSiOの負極活物質中の量を比較的多くした負極を用いている。SiOによる電池の充放電サイクル特性低下は、例えば、実施例15〜20の電池に係る負極と同じ負極を使用し、化合物A、化合物Bおよび化合物Cを含有しない非水電解質を用いた比較例5の電池における充放電サイクル特性が、比較例5と同じ非水電解質を用い、かつSiOを含有しない負極を使用した比較例4の電池における充放電サイクル特性よりも劣っていることから確認できる。
しかし、このような実施例15〜20の電池は、例えば、これらよりも負極活物質中のSiOの量が少ない負極を用いた実施例3の電池に比べて、充放電サイクル特性が優れている。実施例15〜20の非水二次電池に用いた非水電解質には、化合物Aおよび化合物Bまたは化合物Cに加えて、フッ素含有添加剤を添加しており、その作用によって、負極におけるSiOの表面に良好な皮膜が形成されたために、より良好な充放電サイクル特性が確保できたと考えられる。また、負極における負極活物質中のSiOの量を実施例3の電池と同量とした実施例13および実施例14の電池でも、非水電解質にフッ素含有添加剤を添加しているが、これら実施例13および実施例14の電池も、実施例3の電池よりも充放電サイクル特性が優れており、化合物Aおよび化合物Bまたは化合物Cに加えて、フッ素含有添加剤を添加することによる効果が確認できる。
実施例15〜20の電池と同じ負極を使用し、かつ化合物A、化合物Bおよび化合物Cを含有せず、フッ素含有添加剤を添加した非水電解質を用いた比較例6の電池は、充放電サイクル特性が優れており、フッ素含有添加剤の添加による効果が認められる一方で、貯蔵前後での厚み変化が大きく、貯蔵による膨れが大きい。これは、フッ素含有添加剤由来の皮膜形成時に残存した化合物(反応生成物)が電池の貯蔵時に正極で分解して、ガスが発生したためと考えられる。一方、フッ素含有添加剤に加えて、化合物Aおよび化合物Bまたは化合物Cを含有させた非水電解質を用いた実施例15〜20の電池は、貯蔵前後での厚み変化が小さいが、これは、化合物Aの作用によって、フッ素含有添加剤由来の化合物の正極での分解が抑制されてガス発生が抑えられたためであると考えられる。
また、SiOを含む負極を用いた実施例21および22の電池、および、SiOとLiTi12を含む負極を用いた実施例23の電池では、電解質添加剤として化合物Aおよび化合物Cを用いることで、高容量で、充放電サイクル特性に優れ、また、貯蔵前後での厚みの変化が小さく、貯蔵特性にも優れていた。
本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で、上記以外の形態としても実施が可能である。本出願に開示された実施形態は一例であって、これらに限定はされない。本発明の範囲は、上述の明細書の記載よりも、添付されている請求の範囲の記載を優先して解釈され、請求の範囲と均等の範囲内での全ての変更は、請求の範囲に含まれるものである。
1 正極
2 負極
3 セパレータ
4 電池ケース
5 絶縁体
6 巻回電極体
7 正極リード体
8 負極リード体
9 蓋板
10 絶縁パッキング
11 端子
12 絶縁体
13 リード板
14 注入口
15 開裂ベント
本発明は、充放電サイクル特性および貯蔵特性に優れた非水二次電池に関するものである。
リチウムイオン二次電池などの非水二次電池は、高電圧・高容量であることから、携帯電話やノート型パーソナルコンピュータなどの電子機器の電源として利用されており、また、電気自動車などへの用途展開も図られている。そして、これらの非水二次電池では、適用機器の発展に伴って、容量を始めとする各種特性の向上を図ることが試みられている。
こうした非水二次電池の改良技術の一つとして、非水電解質への添加剤の適用が知られている(例えば、特許文献1〜3)。
特開2010−86954号公報 特開2010−118337号公報 特開2010−165667号公報
ところで、非水二次電池の正極活物質にはLiCoO2が汎用されているが、更なる高容量化を図る観点から、LiNiO2のような、より高容量の正極活物質の使用が検討されている。しかしながら、LiNiO2は充電状態での熱安定性がLiCoO2よりも低いという欠点も有している。
そこで、LiNiO2におけるNiの一部を、Co、Mnなどの他の元素で置換して、その熱安定性を高めることも検討されている。しかしながら、このような正極活物質を用いた電池では、正極での不可逆な酸化還元反応によってCoやMnなどが非水電解質内に溶出しやすい。非水電解質内に溶出したCoやMnのイオンは、負極表面にCoやMnとして析出し、負極を劣化させて電池の充放電サイクル特性の低下を引き起こしたり、負極で反応してガスを発生させ、電池の膨れを生じさせるなど、電池の貯蔵特性低下の原因となったりする。
また、LiNiO2におけるNiの一部を他の元素で置換したようなNiを含有するリチウム含有複合酸化物には、合成時の不純物として水酸化リチウムや炭酸リチウムといったアルカリが混入しやすい。リチウム含有複合酸化物中のアルカリも、電池内の非水電解質と反応してガスを発生させ、電池の膨れを生じさせるなど、電池の貯蔵特性低下を引き起こし、また、アルカリと非水電解質との反応による反応生成物が電極表面に堆積して、電池の充放電サイクル特性の低下の原因となる。
よって、Niを含有するリチウム含有複合酸化物を正極活物質に使用しつつ、非水二次電池の充放電サイクル特性や貯蔵特性を高める技術の開発が求められる。
本発明は、前記事情に鑑みてなされたものであり、Niを含有するリチウム含有複合酸化物を使用しつつ、高い充放電サイクル特性および貯蔵特性を備えた非水二次電池を提供することにある。
本発明の非水二次電池は、正極、負極、セパレータおよび非水電解質を含む非水二次電池であって、前記正極は、正極活物質としてリチウム含有複合酸化物を含み、前記リチウム含有複合酸化物は、下記一般組成式(1)で表され、
Li1+yMO2 (1)
前記一般組成式(1)において、−0.5≦y≦0.5であり、Mは、Niと、Co、Mn、FeおよびTiよりなる群から選択される少なくとも1種の元素とを含む元素群を表し、前記元素群Mに含まれるNi、Co、Mn、FeおよびTiの各元素数の割合を、それぞれa(mol%)、b(mol%)、c(mol%)、d(mol%)およびe(mol%)としたときに、30≦a≦95、b≦40、c≦40、d≦30、e≦30および5≦b+c+d+e≦60であり、前記非水電解質は、不飽和結合を含有するアルキルエーテル基を少なくとも1つ有するシクロアルカン誘導体Aと、窒素原子の少なくとも1つが不飽和結合を含有する官能基を有するアザクラウンエーテル化合物Bおよび含窒素ヘテロ環化合物Cよりなる群から選択される少なくとも1種の化合物とを含むことを特徴とする。
本発明によれば、Niを含有するリチウム含有複合酸化物を使用しつつ、高い充放電サイクル特性および貯蔵特性を備えた非水二次電池を提供することができる。
図1Aは、本発明の非水二次電池の一例を示す平面図であり、図1Bは、図1Aの断面図である。 図2は、本発明の非水二次電池の一例を示す斜視図である。
本発明の非水二次電池は、正極、負極、セパレータおよび非水電解質を備えている。また、前記正極は、正極活物質としてリチウム含有複合酸化物を含み、前記リチウム含有複合酸化物は、下記一般組成式(1)で表され、
Li1+yMO2 (1)
前記一般組成式(1)において、−0.5≦y≦0.5であり、Mは、Niと、Co、Mn、FeおよびTiよりなる群から選択される少なくとも1種の元素とを含む元素群を表し、前記元素群Mに含まれるNi、Co、Mn、FeおよびTiの各元素数の割合を、それぞれa(mol%)、b(mol%)、c(mol%)、d(mol%)およびe(mol%)としたときに、30≦a≦95、b≦40、c≦40、d≦30、e≦30および5≦b+c+d+e≦60である。更に、前記非水電解質は、不飽和結合を含有するアルキルエーテル基を少なくとも1つ有するシクロアルカン誘導体Aと、窒素原子の少なくとも1つが不飽和結合を含有する官能基を有するアザクラウンエーテル化合物Bおよび含窒素ヘテロ環化合物Cよりなる群から選択される少なくとも1種の化合物とを含んでいる。
本発明の非水二次電池は、上記構成を備えることにより、Niを含有するリチウム含有複合酸化物を使用しても、高い充放電サイクル特性および貯蔵特性を発揮できる。
以下、本発明の非水二次電池の構成について説明する。
<正極>
本発明の非水二次電池に係る正極は、正極活物質、結着剤、導電助剤などを含有する正極合剤層を、集電体の片面または両面に有するものである。
正極活物質には、少なくとも前記一般組成式(1)で表されるリチウム含有複合酸化物を使用する。前記一般組成式(1)で表されるリチウム含有複合酸化物において、Niは、その容量向上に寄与する成分である。
前記リチウム含有複合酸化物を表す前記一般組成式(1)において、元素群Mの全元素数を100mol%としたとき、Niの割合aは、リチウム含有複合酸化物の容量向上を図る観点から、30mol%以上とする。ただし、前記リチウム含有複合酸化物におけるNiの比率が大きすぎると、NiがLiサイトに導入されて非化学量論組成になりやすくなったり、Niの平均価数が低下したりして、容量低下が生じたり、可逆性が失われたりする虞がある。よって、前記リチウム含有複合酸化物を表す前記一般組成式(1)において、元素群Mの全元素数を100mol%としたときに、Niの割合aは、95mol%以下とする。
また、前記一般組成式(1)で表されるリチウム含有複合酸化物に係る元素群Mは、少なくともCo、Mn、FeおよびTiよりなる群から選択される1種以上の元素を含有している。
前記リチウム含有複合酸化物を表す前記一般組成式(1)において、元素群Mの全元素数を100mol%としたときに、Coの割合bを40mol%以下として、その結晶格子中にCoを存在させると、非水二次電池の充放電でのLiの挿入脱離によるリチウム含有複合酸化物の相転移から起こる不可逆反応を緩和でき、リチウム含有複合酸化物の結晶構造の可逆性を高めることができるため、充放電サイクル寿命の長い非水二次電池を構成することが可能となる。Coを含有させることによる前記の効果をより良好に確保するには、前記リチウム含有複合酸化物を表す前記一般組成式(1)において、元素群Mの全元素数を100mol%としたときに、Coの割合bを3mol%以上とすることが好ましい。
また、前記リチウム含有複合酸化物を表す前記一般組成式(1)において、元素群Mの全元素数を100mol%としたときに、Mnの割合cを40mol%以下として、その結晶格子中にMnを存在させると、2価のNiとともに層状の構造を安定化させることができる。また、これにより、リチウム含有複合酸化物の熱的安定性を向上させ得ることから、より安全性の高い非水二次電池を構成することが可能となる。Mnを含有させることによる前記の効果をより良好に確保するには、前記リチウム含有複合酸化物を表す前記一般組成式(1)において、元素群Mの全元素数を100mol%としたときに、Mnの割合cを1mol%以上とすることが好ましい。
更に、前記リチウム含有複合酸化物を表す前記一般組成式(1)において、元素群Mの全元素数を100mol%としたときに、Feの割合dを30mol%以下として、前記リチウム含有複合酸化物にFeを含有させると、結晶構造が安定化し、熱的安定性を高めることができる。また、リチウム含有複合酸化物の合成原料として、NiとFeとが均一に混じり合った複合化合物を用いることにより、容量を増大させることも可能となる。Feを含有させることによる前記の効果をより良好に確保するには、前記リチウム含有複合酸化物を表す前記一般組成式(1)において、元素群Mの全元素数を100mol%としたときに、Feの割合dを0.1mol%以上とすることが好ましい。
また、前記リチウム含有複合酸化物を表す前記一般組成式(1)において、元素群Mの全元素数を100mol%としたときに、Tiの割合eを30mol%以下として、前記リチウム含有複合酸化物にTiを含有させると、LiNiO2型の結晶構造において、酸素欠損などの結晶の欠陥部に配置されて結晶構造を安定化させるため、リチウム含有複合酸化物の反応の可逆性が高まり、充放電サイクル特性に優れた非水二次電池を構成できるようになる。また、リチウム含有複合酸化物の合成原料として、NiとTiとが均一に混じり合った複合化合物を用いることにより、容量を増大させることも可能となる。Tiを含有させることによる前記の効果をより良好に確保するには、前記リチウム含有複合酸化物を表す前記一般組成式(1)において、元素群Mの全元素数を100mol%としたときに、Tiの割合eを0.1mol%以上とすることが好ましい。
前記リチウム含有複合酸化物における元素群Mは、Niと、Co、Mn、FeおよびTiよりなる群から選択されるいずれか1種の元素とを含有していればよいが、Niと、Co、Mn、FeおよびTiよりなる群から選択される2種以上の元素とを含有していてもよい。
前記リチウム含有複合酸化物を表す前記一般組成式(1)において、元素群Mの全元素数を100mol%としたとき、Coの割合bと、Mnの割合cと、Feの割合dと、Tiの割合eとの合計は、5mol%以上60mol%以下とすればよい。
また、前記リチウム含有複合酸化物における元素群Mは、Ni、Co、Mn、FeおよびTi以外の元素を含有していてもよい。このような元素としては、例えば、Mg、Sr、BaなどのIIA族元素;B、Al、GaなどのIIIB族元素;などが挙げられる。
前記のIIA族元素やIIIB族元素といったNi、Co、Mn、FeおよびTi以外の元素は、前記リチウム含有複合酸化物において添加元素の意味合いが強く、結晶構造の安定化や、反応性の制御に関与するが、多すぎると容量を低下させる虞がある。よって、元素群Mの全元素数を100mol%としたときの、Ni、Co、Mn、FeおよびTi以外の元素の割合は、20mol%以下とすることが好ましく、10mol%以下とすることがより好ましい。元素群MにおけるNi、Co、Mn、FeおよびTi以外の元素は、リチウム含有複合酸化物中に均一に分布していてもよく、また、粒子表面などに偏析していてもよい。
前記の組成を有するリチウム含有複合酸化物は、その真密度が4.55〜4.95g/cm3と大きな値になり、高い体積エネルギー密度を有する材料となる。Mnを一定範囲で含むリチウム含有複合酸化物の真密度は、その組成により大きく変化するが、前記のような狭い組成範囲では安定して合成でき、前記のような大きな真密度となるものと考えられる。また、前記の組成を有するリチウム含有複合酸化物は、質量当たりの容量を大きくすることができ、可逆性に優れた材料とすることができる。
前記リチウム含有複合酸化物は、特に化学量論比に近い組成のときに、その真密度が大きくなるが、具体的には、前記一般組成式(1)において、−0.5≦x≦0.5とすることが好ましく、xの値をこのように調整することで、真密度および可逆性を高めることができる。xは、−0.1以上0.3以下であることがより好ましく、この場合には、リチウム含有複合酸化物の真密度を4.4g/cm3以上と、より高い値にすることができる。
前記一般組成式(1)で表されるリチウム含有複合酸化物において、より高容量とするには、y>0であることが好ましい。すなわち、Liの量が元素群Mの総量よりも多いことが好ましい。このような組成とすることで、より安定なリチウム含有複合酸化物が合成できるため、充電に対する放電の容量を高め得ることから、更なる高容量化が可能となる。
前記一般組成式(1)で表されるリチウム含有複合酸化物は、前記の通り、Niを比較的多く含んでおり、これにより、例えば、0.1質量%以上といった多量のアルカリ(合成時の不純物として残存しているアルカリ)を含んでいるが、本発明の電池では、後述する非水電解質を備えることで、こうしたアルカリによる電池の充放電サイクル特性や貯蔵特性の低下を良好に抑制している。特にy>0である場合には、リチウム含有複合酸化物におけるLi量が過剰であり、リチウム含有複合酸化物中のアルカリ量が多くなるが、本発明の電池では、このようなリチウム含有複合酸化物を正極活物質とした場合にも、充放電サイクル特性や貯蔵特性の低下を良好に抑制することができる。
前記一般組成式(1)で表されるリチウム含有複合酸化物は、Li含有化合物およびNi含有化合物、並びにCo含有化合物、Mn含有化合物、Fe含有化合物およびTi含有化合物など各構成元素を含む化合物のうちの必要とするものを混合し、焼成する工程を経て合成することができる。前記リチウム含有複合酸化物をより高い純度で合成するためには、例えば、Ni以外の元素群Mに含まれる1種以上の元素と、Niとを含有する複合化合物(これらの元素を含む共沈化合物、水熱合成された化合物、メカニカル合成された化合物、およびそれらを熱処理して得られる化合物など)を用いることが好ましい。このような複合化合物としては、前記の元素を含む水酸化物や酸化物が好ましい。
前記リチウム含有複合酸化物の合成において、原料化合物の混合物や複合化合物といった原材料を焼成する条件としては、例えば、温度を600〜1000℃とし、時間を1〜24時間とすればよい。
前記原料混合物や複合化合物といった原材料の焼成に際しては、一度に所定温度まで昇温するよりも、一旦焼成温度よりも低い温度(例えば、250〜850℃)まで加熱し、その温度で0.5〜30時間程度保持することにより予備加熱を行い、その後に焼成温度まで昇温して反応を進行させることが好ましく、また、焼成環境の酸素濃度を一定に保つことが好ましい。これにより、前記リチウム含有複合酸化物の組成の均質性をより高めることができる。
また、前記原料混合物や複合化合物といった原材料の焼成時の雰囲気は、酸素を含む雰囲気(すなわち、大気中)、不活性ガス(アルゴン、ヘリウム、窒素など)と酸素ガスとの混合雰囲気、酸素ガス雰囲気などとすることができるが、その際の酸素濃度(体積基準)は、15%以上であることが好ましく、18%以上であることが好ましい。ただし、前記リチウム含有複合酸化物の製造コストを低減して、その生産性、ひいては電池の生産性を高める観点からは、大気フロー中で前記原材料の焼成を行うことが、より好ましい。
前記原材料の焼成時における前記ガスの流量は、前記原材料100gあたり2dm3/分以上とすることが好ましい。ガスの流量が少なすぎる場合、すなわちガス流速が遅すぎる場合には、前記リチウム含有複合酸化物の組成の均質性が損なわれる虞がある。前記原材料の焼成時における前記ガスの流量は、前記原材料の合計100gあたり5dm3/分以下とすることが好ましい。
また、前記原材料を焼成する工程では、乾式混合された混合物(複合化合物を含有する場合も含む。)をそのまま用いてもよいが、原料混合物や複合化合物をエタノールなどの溶媒に分散させてスラリー状にし、遊星型ボールミルなどで30〜60分間程度混合し、これを乾燥させたものを用いることが好ましく、このような方法によって、合成されるリチウム含有複合酸化物の均質性を更に高めることができる。
前記一般組成式(1)で表されるリチウム含有複合酸化物は、粒子表面の活性を適度に抑えることで、電池内におけるガス発生を更に良好に抑制し、特に角形(角筒形)の外装体を有する電池(角形電池)とした場合に外装体の変形を抑えて、貯蔵性や寿命を向上させることができる。具体的には、前記一般組成式(1)で表されるリチウム含有複合酸化物は、その全一次粒子中、粒径が1μm以下の一次粒子の割合が、30体積%以下であることが好ましく、15体積%以下であることがより好ましい。また、前記一般組成式(1)で表されるリチウム含有複合酸化物は、そのBET比表面積が、0.3m2/g以下であることが好ましく、0.25m2/g以下であることがより好ましい。
すなわち、前記リチウム含有複合酸化物において、全一次粒子中における粒径が1μm以下の一次粒子の割合や、BET比表面積が前記の値にある場合には、その反応面積をある程度抑えて活性点を減らし、大気中の水分や、正極合剤層の形成に使用する結着剤、非水電解質との不可逆な反応をより生じにくくして、電池内でのガス発生をより良好に抑えることができ、また、正極合剤層の形成に使用する溶剤を含む組成物(ペースト、スラリーなど)のゲル化を良好に抑制することが可能となる。
前記リチウム含有複合酸化物は、粒径が1μm以下の一次粒子を全く含まなくてもよい(すなわち、粒径が1μm以下の一次粒子の割合が0体積%であってもよい)。また、前記リチウム含有複合酸化物のBET比表面積は、その反応性が必要以上に低下するのを防ぐために、0.1m2/g以上であることが好ましい。更に、前記リチウム含有複合酸化物は、数平均粒子径が、5〜25μmであることが好ましい。
本明細書でいう前記リチウム含有複合酸化物中に含まれる、粒径が1μm以下の一次粒子の割合、およびリチウム含有複合酸化物の数平均粒子径(更には、後記の他の活物質の数平均粒子径)は、レーザー回折散乱式粒度分布測定装置、例えば、日機装社製の「マイクロトラックHRA」により測定される値である。また、前記リチウム含有複合酸化物のBET比表面積は、多分子層吸着の理論式であるBET式を用いて、表面積を測定、計算したもので、活物質の表面と微細孔の比表面積である。具体的には、窒素吸着法による比表面積測定装置(Mountech社製の「Macsorb HM modele−1201」)を用いて、BET比表面積として得た値である。
前記一般組成式(1)で表されるリチウム含有複合酸化物は、前記の製法によって、前記の形態(粒径が1μm以下の一次粒子の割合、数平均粒子径、BET比表面積)を有するものとすることができるが、必要があれば篩い分けなどを行って、これらの形態を調整してもよい。
本発明の電池に係る正極は、前記一般組成式(1)で表されるリチウム含有複合酸化物を活物質として含有する正極合剤層を有しているが、正極合剤層は、他の活物質を含んでいてもよい。前記一般組成式(1)で表されるリチウム含有複合酸化物以外の他の活物質としては、例えば、LiCoO2などのリチウムコバルト酸化物;LiMnO2、Li2MnO3などのリチウムマンガン酸化物;LiMn24、Li4/3Ti5/34などのスピネル構造のリチウム含有複合酸化物;LiFePO4などのオリビン構造のリチウム含有複合酸化物;前記の酸化物を基本組成とし、その構成元素の一部を他の元素で置換した酸化物;などを用いることができる。
前記一般組成式(1)で表されるリチウム含有複合酸化物と、他の活物質とを併用する場合には、これらを単に混合して用いてもよいが、これらの粒子を造粒などにより一体化した複合粒子として使用することがより好ましく、この場合には、正極合剤層における活物質の充填密度が向上し、活物質粒子相互間の接触をより確実にすることができる。そのため、電池の容量および負荷特性を更に高めることができる。
前記複合粒子とする場合、前記一般組成式(1)で表されるリチウム含有複合酸化物と他の活物質のいずれか一方の数平均粒子径が、他方の数平均粒子径の1/2以下であることが好ましい。このように、大きな数平均粒子径の粒子(以下、「大粒子」という。)と、小さな数平均粒子径の粒子(以下、「小粒子」という。)とを組み合わせて複合粒子を形成する場合には、小粒子が、大粒子の周囲に分散、定着しやすくなり、より均一な混合比の複合粒子を形成することができる。そのため、正極内での不均一な反応を抑えることができ、電池の充放電サイクル特性や安全性を更に高めることが可能となる。
前記複合粒子を形成する場合、活物質に結着剤および導電助剤を添加して複合化してもよい。
前記結着剤としては、電池内で化学的に安定なものであれば、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂のいずれも使用できる。例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、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)、ポリヘキサフルオロプロピレン(PHFP)、スチレンブタジエンゴム、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロエチレン共重合体、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、フッ化ビニリデン−クロロトリフルオロエチレン共重合体、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE樹脂)、ポリクロロトリフルオロエチレン(PCTFE)、フッ化ビニリデン−ペンタフルオロプロピレン共重合体、プロピレン−テトラフルオロエチレン共重合体(PPTFE)、エチレン−クロロトリフルオロエチレン共重合体(ECTFE)、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン−テトラフルオロエチレン共重合体、フッ化ビニリデン−パーフルオロメチルビニルエーテル−テトラフルオロエチレン共重合体、または、エチレン−アクリル酸共重合体、エチレン−メタクリル酸共重合体、エチレン−アクリル酸メチル共重合体、エチレン−メタクリル酸メチル共重合体およびそれら共重合体の架橋体などが挙げられ、これらを1種単独で使用してもよく、2種以上を併用してもよい。これらの中でも、電池内での安定性や電池の特性などを考慮すると、PVDF、PTFE、PHFP、PPTFEが好ましく、また、これらを併用したり、これらのモノマーにより形成される共重合体を用いたりしてもよい。
前記導電助剤としては、電池内で化学的に安定なものであればよい。例えば、天然黒鉛、人造黒鉛などのグラファイト;アセチレンブラック、ケッチェンブラック(商品名)、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、サーマルブラックなどのカーボンブラック;炭素繊維(気相成長炭素繊維、カーボンナノチューブなど)、金属繊維などの導電性繊維;アルミニウム粉などの金属粉末;フッ化炭素;酸化亜鉛;チタン酸カリウムなどからなる導電性ウィスカー;酸化チタンなどの導電性金属酸化物;ポリフェニレン誘導体などの有機導電性材料;などが挙げられ、これらを1種単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。これらの中でも、導電性の高いグラファイトや、吸液性に優れたカーボンブラック、正極活物質粒子間の導電経路をより良好に形成し得る炭素繊維(特に気相成長炭素繊維)などが好ましい。また、導電助剤の形態としては、一次粒子に限定されず、二次凝集体や、チェーンストラクチャーなどの集合体の形態のものも用いることができる。このような集合体の方が、取り扱いが容易であり、生産性が良好となる。
正極に係る正極合剤層は、例えば、前記一般組成式(1)で表されるリチウム含有複合酸化物や必要に応じて使用される他の活物質、または前記複合粒子と、結着剤と導電助剤とを溶剤に添加してペースト状やスラリー状の正極合剤含有組成物を調製し、これを種々の塗工方法によって集電体表面に塗布し、乾燥し、更にプレス工程によって正極合剤層の厚みや密度を調整することにより形成することができる。正極は前記の方法により正極合剤層を形成することで得られたものに限定されず、他の方法により製造したものであってもよい。
正極合剤含有組成物を集電体表面に塗布する際の塗工方法としては、例えば、ドクターブレードを用いた基材引き上げ方式;ダイコータ、コンマコータ、ナイフコータなどを用いたコータ方式;スクリーン印刷、凸版印刷などの印刷方式:などを採用することができる。
正極合剤含有組成物の調製に用い得る結着剤および導電助剤としては、前記複合粒子の形成に用い得るものとして例示した各種結着剤および各種導電助剤が挙げられる。前記と同じ理由から、結着剤としてはPVDF、PTFE、PHFP、PPTFEが好ましく、導電助剤としてはグラファイト、カーボンブラック、炭素繊維(特に気相成長炭素繊維)が好ましい。
正極合剤層においては、前記一般組成式(1)で表されるリチウム含有複合酸化物を含む全活物質を、80〜99質量%とし、結着剤(複合粒子中に含有されるものを含む)を、0.5〜10質量%とし、導電助剤(複合粒子中に含有されるものを含む)を、0.5〜10質量%とすることが好ましい。
また、プレス処理後において、正極合剤層の厚みは、集電体の片面あたり、15〜200μmであることが好ましい。更に、プレス処理後において、正極合剤層の密度は、2.0g/cm3以上であることが好ましい。このような高密度の正極合剤層を有する正極とすることで、より高容量の電池を構成できる。ただし、正極合剤層の密度が大きすぎると、空孔率が小さくなって、非水電解質の浸透性が低下する虞があることから、プレス処理後における正極合剤層の密度は、4.5g/cm3以下であることが好ましい。プレス処理としては、例えば、1〜100kN/cm程度の線圧でロールプレスすることができ、このような処理によって、前記の密度を有する正極合剤層とすることができる。
本明細書でいう正極合剤層の密度は、以下の方法により測定される値である。すなわち、正極を所定面積に切り取り、その質量を最小目盛0.1mgの電子天秤を用いて測定し、集電体の質量を差し引いて正極合剤層の質量を算出する。一方、正極の全厚を最小目盛1μmのマイクロメーターで10点測定し、これらの測定値から集電体の厚みを差し引いた値の平均値と、面積とから、正極合剤層の体積を算出する。そして、前記正極合剤層の質量を前記体積で割ることにより正極合剤層の密度を算出する。
正極の集電体の材質は、電池内において化学的に安定な電子伝導体であれば特に限定されない。例えば、アルミニウムまたはアルミニウム合金、ステンレス鋼、ニッケル、チタン、炭素、導電性樹脂などの他に、アルミニウム、アルミニウム合金またはステンレス鋼の表面に炭素層またはチタン層を形成した複合材などを用いることができる。これらの中でも、アルミニウムまたはアルミニウム合金が特に好ましい。これらは、軽量で電子伝導性が高いからである。正極の集電体には、例えば、前記材質からなるフォイル、フィルム、シート、ネット、パンチングシート、ラス体、多孔質体、発泡体、繊維群の成形体などが使用される。また、集電体の表面に、表面処理を施して凹凸を付けることもできる。集電体の厚みは特に限定されないが、通常1〜500μmである。
また、正極には、電池内の他の部材と電気的に接続するためのリード体を、常法に従って形成してもよい。
<非水電解質>
本発明の電池に係る非水電解質には、リチウム塩を有機溶媒に溶解した溶液(非水電解液)が使用される。そして、本発明に係る非水電解質には、不飽和結合を含有するアルキルエーテル基を少なくとも1つ有するシクロアルカン誘導体A[以下、「化合物A」という場合がある。]と、窒素原子の少なくとも1つが不飽和結合を含有する官能基を有するアザクラウンエーテル化合物B[以下、「化合物B」という場合がある。]または含窒素ヘテロ環化合物C[以下、「化合物C」という場合がある。]とを含有させる。
本発明の電池では、前記の非水電解質を使用することで、例えばアルカリの含有量が0.1質量%以上となり得る前記一般組成式(1)で表されるリチウム含有複合酸化物を正極活物質に使用しても、これらのアルカリや正極活物質中の金属の溶出による充放電サイクル特性および貯蔵特性の低下を良好に抑制できる。本発明の電池がこのような効果を奏し得る詳細なメカニズムは未だ明らかではないが、前記化合物A、化合物Bおよび化合物Cの物性と、実験結果とから、本発明者らは以下のように考えている。
不飽和結合を含有するアルキルエーテル基を少なくとも1つ有するシクロアルカン誘導体Aは、電池内において正極表面に皮膜を形成する。一方、窒素原子の少なくとも1つが不飽和結合を含有する官能基を有するアザクラウンエーテル化合物Bは、電池内において負極表面に皮膜を形成する。また、含窒素ヘテロ環化合物Cは、フッ酸(HF)およびカチオンをトラップする作用を有していると考えられる。
電池内において正極表面に形成される化合物A由来の皮膜によって、正極活物質[前記一般組成式(1)で表されるリチウム含有複合酸化物]およびその不純物であるアルカリと、非水電解質との反応が抑制されると考えられる。そのため、かかる反応によるガス発生や反応生成物の電極表面での堆積が抑えられ、これらによる電池の充放電サイクル特性や貯蔵特性の低下が抑制される。
また、電池内において負極表面に形成される化合物B由来の皮膜によって、正極活物質から溶出した金属イオンと、負極との反応が抑制されると考えられる。そのため、かかる反応によるガス発生が抑えられ、これによる電池の充放電サイクル特性や貯蔵特性の低下が抑制される。
後述するように、非水電解質には、化合物A、化合物Bおよび化合物C以外に、電極表面(例えば負極表面)での皮膜形成能を有する添加剤を添加することもできるが、このような添加剤により負極表面に形成される皮膜は、正極活物質から溶出した金属イオンと接触することで破壊してしまう虞がある。しかし、化合物B由来の皮膜が負極表面に形成されることで、前記添加剤により形成される皮膜の破壊が抑えられ、その作用を有効に引き出すこともできるようになる。
また、非水電解質中では、例えば、リチウム塩に由来するHFが存在していたり、リチウム塩や正負極の合剤層に使用している結着剤の分解によってHFが形成される場合があり、このHFが正極活物質中の不純物であるアルカリと反応してガスを発生させるが、化合物Cが非水電解質中に存在することで、HFがトラップされて、ガス発生が抑えられる。更に、正極活物質から溶出した金属イオンも化合物Cによってトラップされるため、これによる負極の劣化やガス発生も抑えられる。よって、前記のガス発生および負極の劣化による電池の充放電サイクル特性や貯蔵特性の低下が抑制される。
本発明に係る非水電解質は、化合物Aと、化合物Bまたは化合物Cとを含有していればよいが、化合物A、化合物Bおよび化合物Cの三者を含有していることが好ましい。
非水電解質が、化合物Aのみを含有し、化合物Bおよび化合物Cを含有していない場合には、非水電解質(非水電解液)が増粘して、例えば電池の組み立て時に、外装体内へ非水電解質を注入することが困難となったり不可能となったり、電極への浸透が遅く、不均質になることで、電気化学反応が不均一になり、電池の充放電サイクル特性や貯蔵特性が低下する虞がある。すなわち、化合物Bや化合物Cは、化合物Aを含有する非水電解質の増粘を抑える作用も有している。
また、非水電解質が、化合物Bや化合物Cを含有する一方で、化合物Aを含有しない場合には、化合物Bや化合物Cが正極で分解してしまい、これらによる前記の効果が良好に発現しない。すなわち、化合物Aは、化合物Bや化合物Cの正極での分解を抑制する作用も有している。
不飽和結合を含有するアルキルエーテル基を少なくとも1つ有するシクロアルカン誘導体Aとしては、例えば、シクロペンチルプロペニルエーテル、シクロペンチルビニルエーテル、シクロヘキシルプロペニルエーテル、シクロヘキシルビニルエーテル、シクロヘプチルプロペニルエーテル、シクロヘプチルビニルエーテルなどの他、アルケノキシメチルシクロアルカン類、アルケノキシエチルシクロアルカン類などが挙げられ、これらのうちの1種のみを用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
アルケノキシメチルシクロアルカン類としては、(シクロヘキシルメチル)プロペニルエーテル、(シクロヘキシルメチル)ビニルエーテル、1,2−ビス(プロペノキシメチル)シクロペンタン、1,3−ビス(プロペノキシメチル)シクロペンタン、1,2,4−トリス(ビニロキシメチル)シクロペンタン、1,2−ビス(ビニロキシメチル)シクロペンタン、1,3−ビス(ビニロキシメチル)シクロペンタン、1,2,4−トリス(ビニロキシメチル)シクロペンタン、シクロヘキシルプロペニルエーテル、1,2−ビス(プロペノキシメチル)シクロヘキサン、1,3−ビス(プロペノキシメチル)シクロヘキサン、1,4−ビス(プロペノキシメチル)シクロヘキサン、1,3,5−トリス(プロペノキシメチル)シクロヘキサン、1,2−ビス(ビニロキシメチル)シクロヘキサン、1,3−ビス(ビニロキシメチル)シクロヘキサン、1,4−ビス(ビニロキシメチル)シクロヘキサン、1,3,5−トリス(ビニロキシメチル)シクロヘキサン、1,2−ビス(プロペノキシメチル)シクロヘプタン、1,3−ビス(プロペノキシメチル)シクロヘプタン、1,4−ビス(プロペノキシメチル)シクロヘプタン、1,2,4−トリス(プロペノキシメチル)シクロヘプタン、1,3,5−トリス(プロペノキシメチル)シクロヘプタン、1,2−ビス(ビニロキシメチル)シクロヘプタン、1,3−ビス(ビニロキシメチル)シクロヘプタン、1,2,4−トリス(ビニロキシメチル)シクロヘプタン、1,3,5−トリス(ビニロキシメチル)シクロヘプタンなどが挙げられる。
また、アルケノキシエチルシクロアルカン類としては、(シクロヘキシルエチル)プロペニルエーテル、(シクロヘキシルエチル)ビニルエーテル、1,3−ビス(プロペノキシエチル)シクロヘプタン、1,3−ビス(ビニロキシエチル)シクロヘプタン、1,2−ビス(プロペノキシエチル)シクロヘキサン、1,3−ビス(プロペノキシエチル)シクロヘキサン、1,4−ビス(プロペノキシエチル)シクロヘキサン、1,3,5−トリス(プロペノキシエチル)シクロヘキサン、1,2−ビス(ビニロキシエチル)シクロヘキサン、1,3−ビス(ビニロキシエチル)シクロヘキサン、1,4−ビス(ビニロキシエチル)シクロヘキサン、1,3,5−トリス(ビニロキシエチル)シクロヘキサンなどが挙げられる。
また、前記例示の化合物Aの中でも、不飽和結合を含有するアルキルエーテル基を2つ以上有するものがより好ましく、その場合には、より良好な皮膜を形成でき、正極活物質およびアルカリと非水電解質との反応を制御して、ガス発生や反応生成物の電極表面での堆積を更に抑え得るため、これらによる電池の充放電サイクル特性や貯蔵特性の低下をより高度に抑制できる。
窒素原子の少なくとも1つが不飽和結合を含有する官能基を有するアザクラウンエーテル化合物Bが有するアザクラウンエーテル骨格としては、例えば、アザ−9−クラウン−3−エーテル、アザ−12−クラウン−4−エーテル、アザ−15−クラウン−5−エーテル、アザ−18−クラウン−6−エーテル、アザ−21−クラウン−7−エーテル、アザ−24−クラウン−8−エーテル、アザ−2,3−ベンゾ−9−クラウン−3−エーテル、アザ−2,3−ベンゾ−12−クラウン−4−エーテル、アザ−2,3,11,12−ジベンゾ−15−クラウン−5−エーテル、アザ−2,3,8,9−ジベンゾ−18−クラウン−6−エーテル、アザ−5,6,11,12,17,18−トリベンゾ−21−クラウン−7−エーテル、アザ−5,6,14,15,20,21−トリベンゾ−24−クラウン−8−エーテルなどが挙げられる。これらのなかでも、1,7−ジアザ−12−クラウン−4−エーテル、1,7−ジアザ−15−クラウン−5−エーテル、1,10−ジアザ−18−クラウン−6−エーテル、1,7,13−トリアザ−18−クラウン−6−エーテルといった複数の窒素原子を含んだアザクラウンエーテル骨格がより好ましい。
また、窒素原子の少なくとも1つが不飽和結合を含有する官能基を有するアザクラウンエーテル化合物Bにおける前記不飽和結合を含有する官能基は、下記一般構造式(1)で表される官能基および(メタ)アクリロイルアルキル基(アクリロイルアルキル基およびメタクリロイルアルキル基)よりなる群から選択される少なくとも1種の官能基であることが好ましい。
Figure 2012067102
前記一般構造式(1)中、Rは炭素数が1〜3のアルキレンであり、Q1、Q2およびQ3は、それぞれ独立して、水素原子、フッ素原子、炭素数が1〜3のアルキル基、炭素数が1〜2のフルオロアルキル基、シアノ基、カルボキシル基、炭素数が3〜5のカルボキシアルキル基、炭素数が1〜3のアルコキシ基、炭素数が2〜4のアルコキシカルボニル基、または炭素数が3〜5のアルキレンアルキルカーボネート基である。
前記一般構造式(1)におけるR(炭素数が1〜3のアルキレン)としては、メチレン、エチレン、1,2−プロピレン、1,3−プロピレンが挙げられ、これらの中でも、非水電解質溶媒との相溶性の観点から、メチレン、エチレンが好ましい。
前記一般構造式(1)におけるQ1、Q2およびQ3が、炭素数が1〜3のアルキル基の場合、Q1、Q2およびQ3としては、メチル基、エチル基、n−プロピル基、イソプロピル基、が挙げられる。
前記一般構造式(1)におけるQ1、Q2およびQ3が、炭素数1〜2のフルオロアルキル基の場合、Q1、Q2およびQ3としては、メチル基またはエチル基における水素原子の1〜5個をフッ素原子に置換したものが好ましく、具体的には、例えば、フルオロメチル基、ジフルオロメチル基、トリフルオロメチル基、フルオロエチル基、ジフルオロエチル基、トリフルオロエチル基、テトラフルオロエチル基、ペンタフルオロエチル基が挙げられる。
また、前記一般構造式(1)におけるQ1、Q2およびQ3が、炭素数が3〜5のカルボキシアルキル基の場合、Q1、Q2およびQ3としては、カルボキシメチル基、カルボキシエチル基、カルボキシ−n−プロピル基、カルボキシイソプロピル基が挙げられる。
前記一般構造式(1)におけるQ1、Q2およびQ3が、炭素数が1〜3のアルコキシ基の場合、Q1、Q2およびQ3としては、炭素数1〜3のアルコキシ基が好ましく、具体的には、例えば、メトキシ基、エトキシ基、n−プロポキシ基、イソプロポキシ基が挙げられる。
前記一般構造式(1)におけるQ1、Q2およびQ3が、炭素数が2〜4のアルコキシカルボニル基の場合、Q1、Q2およびQ3としては、アルコキシ基の炭素数が1〜3のものが好ましく、具体的には、例えば、メトキシカルボニル基、エトキシカルボニル基、n−プロポキシカルボニル基、イソプロポキシカルボニル基が挙げられる。
前記一般構造式(1)におけるQ1、Q2およびQ3が、炭素数が3〜5のアルキレンアルキルカーボネート基の場合、Q1、Q2およびQ3としては、メチレンメチルカーボネート基、エチレンメチルカーボネート基などが挙げられる。
また、(メタ)アクリロイルアルキル基に係るアルキル基としては、例えば、メチル基、エチル基、1,2−プロピル基、1,3−プロピル基といった炭素数1〜3のアルキル基が挙げられる。
1、Q2およびQ3に係る置換基の炭素数が長い場合や、立体障害が大きい場合、共鳴効果が大きい場合には、反応性に乏しく、負極の表面に良好な皮膜を形成することができないため、不適である。
このような窒素原子の少なくとも1つが不飽和結合を含有する官能基を有するアザクラウンエーテル化合物Bの具体例としては、例えば、1,7−ビス(ブテン酸)−1,7−ジアザ−12−クラウン−4−エーテル、1−(2−ブテン酸メチル)−1−アザ−12−クラウン−4−エーテル、1,7−ビス(2−ブテン酸メチル)−1,7−ジアザ−12−クラウン−4−エーテル、1−(2−ブテン酸メチル)−1−アザ−15−クラウン−5−エーテル、1,7−ビス(2−ブテン酸メチル)−1,7−ジアザ−15−クラウン−5−エーテル、1,10−ビス(2−ブテン酸エチル)−1,10−ジアザ−18−クラウン−6−エーテル、1,7−ビス(3−フルオロブテン酸メチル)−2,3−ベンゾ−1,7−ジアザ−15−クラウン−5−エーテル、1,7−ビス(3−トリフルオロメチルブテン酸メチル)−1,7−ジアザ−15−クラウン−5−エーテル、1,7−ビス(1−アクリロイルメチル)−1,7−ジアザ−15−クラウン−5−エーテル、1,4−ビス(1−アクリロイルエチル)−1,4−ジアザ−15−クラウン−5−エーテル、1,7−ビス(1−アクリロイルエチル)−1,7−ジアザ−15−クラウン−5−エーテル、1−(1−アクリロイルエチル)−1−アザ−14−クラウン−4−エーテル、1−(2−ペンテン酸エチル)−1−アザ−18−クラウン−6−エーテル、1,10−ビス(2−ペンテン酸メチル)−1,10−ジアザ−18−クラウン−6−エーテル、1,10−ビス(2−ペンテン酸エチル)−2,3,14,15−ジベンゾ−1,10−ジアザ−18−クラウン−6−エーテルなどが挙げられる。
化合物Bは、例えば前記例示のもののうち、1種のみを用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
含窒素ヘテロ環化合物Cとしては、例えば、ピリジン、2−アミノ−ピリジン、ニコチンなどのピリジン類;ピロール、3−アミノ−ピロールなどのピロール類;キノリン、イソキノリン、2−アミノ−キノリン、3−アミノ−イソキノリンなどのキノリン類;イミダゾール、2−アミノ−1,3−イミダゾール、4−アミノ−1,3−イミダゾールなどのイミダゾール類;インドール、5−アミノ−インドールなどのインドール類;ピラゾール、4−アミノ−1,2−ピラゾール、ヒスチジン、ヒスタミンなどのピラゾール類;1,2,3−トリアゾール、1,3,4−トリアゾール、1,2,4−トリアゾール、4−メチル−1,2,3−トリアゾール、2−アミノ−1,3,4−トリアゾール、3−アミノ−1,2,4−トリアゾールなどのトリアゾール類;ピリミジン、2−アミノ−1,3−ピリミジン、シトシン、チミン、チアミンなどのピリミジン類;ピラジン、2−アミノ−1,4−ピラジンなどのピラジン類;ピリダジン、3−アミノ−ピリダジンなどのピリダジン類;トリアジン、2−アミノ−1,3,6−トリアジンなどのトリアジン類;プリン、アデニン、グアニン、カフェイン、テオブロミン、キサンチン、尿酸などのプリンおよびその誘導体;ポルフィン;ヘム;クロロフィル;などが挙げられる。これらは、窒素の非共有電子対にプロトンや金属カチオンが配位することによるトラップ作用を有していると考えられる。従って、化合物Cは、窒素原子を含有するヘテロ環を備え、かつ、かかる作用を有する化合物であればよく、前記例示のものに限定されない。
前記例示の化合物Cの中でも、分子内に窒素原子を2つ以上有するものが好ましく、1つの環内に窒素原子を有するもの、より具体的には、前記例示のイミダゾール類、ピラゾール類、トリアゾール類、ピリミジン類、トリアジン類が特に好ましい。分子内に窒素原子を2つ以上有する化合物C[特に好ましくは1つの環内に窒素原子を有する化合物C]では、これらの窒素原子によって、分子内転位を可能とし、結果として、金属イオンやHFをトラップすることで形成される配位化合物の安定化を図ることができるため、その作用が特に良好に発現する。
化合物Cは、例えば前記例示のもののうち、1種のみを用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
電池に使用する非水電解質中の化合物Aの含有量[非水電解質全量中の含有量。非水電解質に係る化合物A、化合物B、および化合物C、並びに後述する各種添加剤について、特に断らない限り同じ。]は、その使用による前記の効果を良好に確保する観点から、0.01質量%以上であることが好ましく、0.1質量%以上であることがより好ましい。ただし、非水電解質中の化合物Aの量が多すぎると、非水電解質の粘度が高くなりすぎたり、正極表面に形成される皮膜が厚くなりすぎて、電池の負荷特性を損ねたりする虞がある。よって、電池に使用する非水電解質中の化合物Aの含有量は、5質量%以下であることが好ましく、2質量%以下であることがより好ましい。
また、電池に使用する非水電解質中の化合物Bの含有量は、その使用による前記の効果を良好に確保する観点から、0.02質量%以上であることが好ましく、0.1質量%以上であることがより好ましい。ただし、非水電解質中の化合物Bの含有量が多すぎると、正極での分解を防ぐために化合物Aの使用量を多くする必要が生じて、前記のように電池の負荷特性を損ねたり、また、負極表面に形成される皮膜が厚くなりすぎて、電池の負荷特性を損ねたりする虞がある。よって、電池に使用する非水電解質中の化合物Bの含有量は、5質量%以下であることが好ましく、2質量%以下であることがより好ましい。
更に、電池に使用する非水電解質中の化合物Cの含有量は、その使用による前記の効果を良好に確保する観点から、0.01質量%以上であることが好ましく、0.1質量%以上であることがより好ましい。ただし、非水電解質中の化合物Cの含有量が多すぎると、正極での分解を防ぐために化合物Aの使用量を多くする必要が生じて、前記のように電池の負荷特性を損ねる虞があり、また、負極表面に形成される皮膜が不安定になって、電池の充放電サイクル特性の向上効果が小さくなる虞がある。よって、電池に使用する非水電解質中の化合物Cの含有量は、3質量%以下であることが好ましく、1質量%以下であることがより好ましい。
非水電解質に係るリチウム塩としては、溶媒中で解離してLi+イオンを形成し、電池として使用される電圧範囲で分解などの副反応を起こしにくいものであれば特に制限はない。例えば、LiClO4、LiPF6、LiBF4、LiAsF6、LiSbF6などの無機リチウム塩;LiCF3SO3、LiCF3CO2、Li224(SO32、LiN(CF3SO22、LiC(CF3SO23、LiCn2n+1SO3(2≦n≦7)、LiN(RfOSO22[ここでRfはフルオロアルキル基]などの有機リチウム塩などを用いることができる。
非水電解質に用いる有機溶媒としては、前記のリチウム塩を溶解し、電池として使用される電圧範囲で分解などの副反応を起こさないものであれば特に限定されない。例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ビニレンカーボネートなどの環状カーボネート;ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルエチルカーボネートなどの鎖状カーボネート;プロピオン酸メチルなどの鎖状エステル、γ−ブチロラクトンなどの環状エステル;ジメトキシエタン、ジエトキシエタン、ジエチルエーテル、ジグライム、トリグライム、テトラグライムなどの鎖状エーテル;1,3−ジオキソラン、ジオキサン、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフランなどの環状エーテル;アセトニトリル、プロピオニトリル、メトキシプロピオニトリルなどのニトリル類;エチレングリコールサルファイトなどの亜硫酸エステル類;などが挙げられ、これらは2種以上混合して用いることもできる。より良好な特性の電池とするためには、エチレンカーボネートと鎖状カーボネートの混合溶媒など、高い導電率を得ることができる組み合わせで用いることが望ましい。
非水電解質中のリチウム塩の濃度は、0.5〜1.5mol/Lとすることが好ましく、0.9〜1.25mol/Lとすることがより好ましい。
また、非水電解質は、スルホン酸無水物またはスルホン酸エステル誘導体を含有していることが好ましい。スルホン酸無水物やスルホン酸エステル誘導体を含有する非水電解質を使用することで、電池内において、電極表面にこれらの成分由来の皮膜を形成し、電極と非水電解質との不要な反応を抑制するため、電池の安全性や貯蔵特性(特に高温での貯蔵特性)が更に向上する。
スルホン酸無水物としては、下記一般構造式(2)で表されるものが好ましく、スルホン酸エステル誘導体としては下記一般構造式(3)で表されるものが好ましい。
Figure 2012067102
Figure 2012067102
前記スルホン酸無水物を表す前記一般構造式(2)におけるR1およびR2、並びに前記スルホン酸エステル誘導体を表す前記一般構造式(3)におけるR3およびR4は、それぞれ独立に、炭素数が1以上10以下の有機残基である。R1、R2、R3およびR4は、好ましくは、水素原子の一部または全部がフッ素原子で置換されていてもよい炭素数が1以上10以下のアルキル基であり、具体的には、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、イソブチル基などが例示できる。また、R1、R2、R3およびR4は、炭素数が6以上10以下の芳香族基であってもよい。R1、R2、R3およびR4の炭素数は、2以上であることが好ましく、また、6以下であることが好ましい。R4は、より好ましくは、炭素数が1以上6以下のアルキル基またはベンジル基である。R1、R2、R3およびR4の炭素数が10を超えるスルホン酸無水物やスルホン酸エステル誘導体では、非水電解質溶媒への溶解性が低下するため、その効果が発現し難い。
前記スルホン酸無水物は、対称無水物、異なる2種類の酸から誘導される非対称な無水物(混合無水物ともいう。)、酸残基として部分エステルを含む酸無水物エステル−酸無水物のいずれかである。その具体例としては、エタンメタンスルホン酸無水物、プロパンスルホン酸無水物、ブタンスルホン酸無水物、ペンタンスルホン酸無水物、ヘキサンスルホン酸無水物、ヘプタンスルホン酸無水物、ブタンエタンスルホン酸無水物、ブタンヘキサンスルホン酸無水物、ベンゼンスルホン酸無水物などが挙げられる。これらのスルホン酸無水物は、それぞれ1種単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。これらの中でも、プロパンスルホン酸無水物、ブタンスルホン酸無水物、ブタンペンタンスルホン酸無水物、ペンタンスルホン酸無水物、ヘキサンスルホン酸無水物が特に好ましい。
また、前記スルホン酸エステル誘導体の具体例としては、メタンスルホン酸メチル、メタンスルホン酸エチル、メタンスルホン酸プロピル、メタンスルホン酸イソブチル、エタンスルホン酸メチル、メタンスルホン酸ペンタニル、メタンスルホン酸ヘキシル、エタンスルホン酸エチル、エタンスルホン酸プロピル、エタンスルホン酸イソブチル、プロパンスルホン酸エチル、プロパンスルホン酸プロピル、プロパンスルホン酸ブチル、ブタンスルホン酸メチル、ブタンスルホン酸エチル、ブタンスルホン酸プロピル、ペンタンスルホン酸メチル、ペンタンスルホン酸エチル、ヘキサンスルホン酸エチル、ヘキサンスルホン酸メチル、ヘキサンスルホン酸プロピル、ベンゼンスルホン酸メチル、ベンゼンスルホン酸エチル、ベンゼンスルホン酸プロピル、メタンスルホン酸フェニル、エタンスルホン酸フェニル、プロパンスルホン酸フェニル、メタンスルホン酸ベンジル、エタンスルホン酸ベンジル、プロパンスルホン酸ベンジルなどの(鎖状の)アルキルスルホン酸エステル;ベンジルスルホン酸メチル、ベンジルスルホン酸エチル、ベンジルスルホン酸プロピルなどの鎖状の芳香族スルホン酸エステル;前記の各スルホン酸エステルのフッ素化物;などを挙げることができる。これらのスルホン酸エステル誘導体は、それぞれ1種単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。これらの中でも、プロパンスルホン酸エチル、ブタンスルホン酸メチル、ブタンスルホン酸エチル、ペンタンスルホン酸メチル、ペンタンスルホン酸エチルなどが特に好ましい。前記スルホン酸無水物の1種以上と、前記スルホン酸エステル誘導体の1種以上とを併用することもできる。
電池に使用する非水電解質における前記スルホン酸無水物の含有量は、例えば、0.2質量%以上であることが好ましく、0.3質量%以上であることがより好ましく、また、2質量%以下であることが好ましく、1質量%以下であることがより好ましい。また、電池に使用する非水電解質における前記スルホン酸エステル誘導体の含有量は、例えば、0.2質量%以上であることが好ましく、0.3質量%以上であることがより好ましく、また、5質量%以下であることが好ましく、3質量%以下であることがより好ましい。非水電解質中における前記スルホン酸無水物や前記スルホン酸エステル誘導体の含有量が少なすぎると、これらを用いることによる効果(安全性や充放電サイクル特性、高温貯蔵特性の向上効果)が小さくなることがあり、多すぎると、正負極との反応によって形成される皮膜が厚くなって抵抗を高めてしまうため、高性能の電池を構成し難くなる虞がある。
また、非水電解質は、フルオロエーテル類やフルオロカーボネート類を含有していることが好ましい。フルオロエーテル類やフルオロカーボネート類は、非水電解質に使用される通常の有機溶媒(非フッ素化溶媒)よりも酸化電位が高いことから、充電状態の電池内において分解反応が生じ難い。よって、フルオロエーテル類やフルオロカーボネート類を含有する非水電解質を用いた電池では、非水電解質の溶媒の分解反応に伴う電池内でのガス発生や電池内の温度上昇が抑制される。また、フルオロエーテル類やフルオロカーボネート類は、非フッ素化溶媒に比べて難燃性が優れている。そのため、フルオロエーテル類やフルオロカーボネート類を溶媒に使用した非水電解質を有する電池は、安全性が良好となる。
フルオロエーテル類の具体例としては、例えば、ジメトキシエタン、メトキシエトキシエタン、ジエトキシエタン、ジエチルエーテル、エチルプロピルエーテル、ジプロピルエーテル、ジグライム、トリグライム、テトラグライムなどの鎖状エーテル;ジオキサン、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフランなどの環状エーテル;において、C−H結合の少なくとも一部において、HをFに置き換えてC−F結合とした構造のもの、具体的には、フルオロメトキシメトキシエタン、ビス(フルオロメトキシ)エタン、フルオロメトキシフルオロエトキシエタン、メトキシフルオロエトキシエタン、フルオロエトキシエトキシエタン、ビス(フルオロエトキシ)エタン、フルオロエチルエチルエーテル、ビス(フルオロエチル)エーテル、フルオロエチルプロピルエーテル、エチルフルオロプロピルエーテル、フルオロメチルジグライム、フルオロトリグライム、フルオロテトラグライム、2−フルオロ−1,4−ジオキサン、2−フルオロ−テトラヒドロフラン、2−メチル−4−フルオロテトラヒドロフランなどが挙げられる。
また、フルオロカーボネート類としては、例えば、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルエチルカーボネートなどの鎖状カーボネート;エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ビニルエチレンカーボネートなどの環状カーボネート;において、C−H結合の少なくとも一部において、HをFに置き換えてC−F結合とした構造のもの、具体的には、フルオロメチルメチルカーボネート、ビス(フルオロメチル)カーボネート、フルオロメチルエチルカーボネート、フルオロプロピルエチルカーボネート、メチルフルオロエチルカーボネート、フルオロメチルフルオロエチルカーボネート、フルオロエチルエチルカーボネート、ビス(フルオロエチル)カーボネート、4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オン、4,5−ジフルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オン、トリフルオロプロピレンカーボネートなどが挙げられる。
非水電解質には、前記例示のフルオロエーテル類やフルオロカーボネート類のうちの1種のみを用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
非水電解質にフルオロエーテル類を含有させる場合、非水電解質の全溶媒中におけるフルオロエーテル類の含有量を、0.1〜20体積%とすることが好ましい。また、非水電解質にフルオロカーボネート類を含有させる場合、非水電解質の全溶媒中におけるフルオロエーテル類の含有量を、0.1〜20体積%とすることが好ましい。
また、非水電解質には、ホウ酸エステル類やリン酸エステル類を含有させてもよい。ホウ酸エステル類やリン酸エステル類も、電池内において正極表面に、正極と非水電解質との不要な反応を抑制し得る皮膜を形成する。
ホウ酸エステル類の具体例としては、例えば、ホウ酸メチル、ホウ酸エチル、ホウ酸プロピル、ホウ酸ブチル、ホウ酸シアノエチルなどのホウ酸モノエステル;ホウ酸ジメチル、ホウ酸ジエチル、ホウ酸ジプロピル、ホウ酸ジブチル、メチルシアノエチルホウ酸、メチルプロピルホウ酸などのホウ酸ジエステル;ホウ酸トリメチル、ホウ酸トリエチル、ジメチルエチルホウ酸、メチル(ジシアノエチル)ホウ酸、トリシアノエチルホウ酸などのホウ酸トリエステル;トリメチルボロキシン、トリエチルボロキシン、トリプロピルボロキシン、メチルジエチルボロキシンなどの環状ホウ酸無水物;などが挙げられる。また、リン酸エステル類の具体例としては、例えば、リン酸メチル、リン酸エチル、リン酸プロピル、リン酸ブチル、リン酸ヘキシル、リン酸オクチルなどのリン酸モノエステル;リン酸ジメチル、リン酸ジエチル、リン酸ジプロピル、リン酸ジブチル、リン酸ジヘキシル、リン酸ジオクチルなどのリン酸ジエステル;リン酸トリメチル、リン酸トリエチル、リン酸トリプロピル、リン酸トリブチル、リン酸トリヘキシル、リン酸トリオクチルなどのリン酸トリエステル;などが挙げられる。
電池に使用する非水電解質におけるホウ酸エステル類の含有量は、0.01〜5質量%であることが好ましい。また、電池に使用する非水電解質におけるリン酸エステル類の含有量は、0.01〜5質量%であることが好ましい。
また、非水電解質には、電池の安全性や充放電サイクル性といった特性を更に向上させる目的で、ビニレンカーボネート類、1,3−プロパンサルトン、ジフェニルジスルフィド、シクロヘキシルベンゼン、ビフェニル、フルオロベンゼン、t−ブチルベンゼンなどの添加剤を適宜加えることもできる。
<負極>
本発明の非水二次電池に係る負極には、負極活物質や結着剤などを含有する負極合剤層を、集電体の片面または両面に有するものが使用できる。
負極活物質には、グラファイト(天然黒鉛;熱分解炭素類、MCMB、炭素繊維などの易黒鉛化炭素を2800℃以上で黒鉛化処理した人造黒鉛;など)、熱分解炭素類、コークス類、ガラス状炭素類、有機高分子化合物の焼成体、メソカーボンマイクロビーズ、炭素繊維、活性炭などの、リチウムイオンを吸蔵、脱離可能な炭素材料;リチウムと合金化可能な元素(Si、Sn、Ge、Bi、Sb、Inなど)からなる材料や、リチウムと合金化可能な元素を含む材料(合金、酸化物など);リチウムやリチウム合金(リチウム/アルミニウムなど);高出力負極材料であるLi4Ti512;などが使用できる。
これらの中でも、より高容量の電池を構成し得る点で、グラファイト、またはリチウムと合金化可能な元素からなる材料もしくはこれらの元素を含む材料が好ましい。
前記リチウムと合金化可能な元素を含む材料としては、下記一般組成式(2)で表される珪素(Si)と酸素(O)とを構成元素に含む材料が特に好ましい。
SiOx (2)
ただし、前記一般組成式(2)において、0.5≦x≦1.5である。以下、上記一般組成式(2)で表される材料を「SiOx」という。
SiOxは、Siの微結晶または非晶質相を含んでいてもよく、この場合、SiとOの原子比は、Siの微結晶または非晶質相のSiを含めた比率となる。すなわち、SiOxには、非晶質のSiO2マトリックス中にSi(例えば、微結晶Si)が分散した構造のものが含まれ、この非晶質のSiO2と、その中に分散しているSiを合わせて、前記の原子比xが0.5≦x≦1.5を満足していればよい。例えば、非晶質のSiO2マトリックス中にSiが分散した構造で、SiO2とSiのモル比が1:1の材料の場合、x=1であるので、構造式としてはSiOで表記される。このような構造の材料の場合、例えば、X線回折分析では、Si(微結晶Si)の存在に起因するピークが観察されない場合もあるが、透過型電子顕微鏡で観察すると、微細なSiの存在が確認できる。
SiOxは導電性が低いことから、例えば、SiOxの表面を炭素で被覆して用いてもよく、これにより負極における導電ネットワークを、より良好に形成することができる。
SiOxの表面を被覆するための炭素には、例えば、低結晶性炭素、カーボンナノチューブ、気相成長炭素繊維などを使用することができる。
炭化水素系ガスを気相中で加熱し、炭化水素系ガスの熱分解により生じた炭素を、SiOx粒子の表面上に堆積する方法[気相成長(CVD)法]で、SiOxの表面を炭素で被覆すると、炭化水素系ガスがSiOx粒子の隅々にまで行き渡り、粒子の表面や表面の空孔内に、導電性を有する炭素を含む薄くて均一な皮膜(炭素被覆層)を形成できることから、少量の炭素によってSiOx粒子に均一性よく導電性を付与できる。
CVD法で使用する炭化水素系ガスの液体ソースとしては、トルエン、ベンゼン、キシレン、メシチレンなどを用いることができるが、取り扱いやすいトルエンが特に好ましい。これらを気化させる(例えば、窒素ガスでバブリングする)ことにより炭化水素系ガスを得ることができる。また、メタンガスやエチレンガス、アセチレンガスなどを用いることもできる。
CVD法の処理温度としては、例えば、600〜1200℃であることが好ましい。また、CVD法に供するSiOxは、公知の手法で造粒した造粒体(複合粒子)であることが好ましい。
SiOxの表面を炭素で被覆する場合、炭素の量は、SiOx:100質量部に対して、5質量部以上であることが好ましく、10質量部以上であることがより好ましく、また、95質量部以下であることが好ましく、90質量部以下であることがより好ましい。
ところで、リチウムと合金化可能な元素(Si、Sn、Ge、Bi、Sb、Inなど)からなる材料や、これらの元素を含む材料(合金、酸化物など);リチウムやリチウム合金(リチウム/アルミニウムなど);などの高容量負極材料、例えば、SiOxを含む負極を用いる場合、および、Li4Ti512のような高出力負極材料を含む負極を用いる場合には、前述の非水電解質の添加剤としては、化合物Bよりも化合物Cを用いる方が好適な場合が多い。その詳細なメカニズムはまだ不明だが、グラファイト系の負極材料のみからなる負極に対して化合物Bを添加した非水電解質を用いた場合に負極上にできる皮膜に比べて、上記高容量負極材料または上記高出力負極材料を用いた負極に対して化合物Bを添加した非水電解質を用いた場合に負極上にできる皮膜は、比較的安定性が低い可能性がある。従って、上記高容量負極材料または上記高出力負極材料を用いた負極に対しては、非水電解質の添加剤の組合せとしては、化合物Aおよび化合物Cの組合せが好ましい。
正極活物質に前記一般組成式(1)で表されるリチウム含有複合酸化物を使用し、負極活物質にSiOxを使用した電池では、前記リチウム含有複合酸化物から溶出した金属が、負極のSiOx表面に選択的に析出して負極を劣化させるため、充放電サイクル特性の低下が著しい。しかし、本発明の電池では、非水電解質における化合物Bや化合物Cの作用によって、前記リチウム含有複合酸化物から溶出した金属の、負極での析出を抑制でき、また、析出金属の還元を抑えることで、負極活物質の劣化を抑制できるため、喩えSiOxを負極活物質に使用していても、前記溶出金属による充放電サイクル特性の低下を良好に抑えることができる。
SiOxは電池の充放電に伴う体積変化が大きいため、これのみを負極活物質とする負極合剤層を有する負極を用いた電池では、充放電に伴う負極の膨張・収縮による劣化が生じやすく、例えば前記の非水電解質を使用することによる充放電サイクル特性の向上効果が小さくなる虞がある。そこで、こうした問題を回避するには、SiOxとグラファイトとを負極活物質に併用することが好ましい。これにより、SiOxの使用による高容量化を図りつつ、電池の充放電に伴う負極の膨張・収縮を抑えて、充放電サイクル特性も高く維持することが可能となる。
負極活物質にSiOxとグラファイトとを併用する場合、負極活物質全量中におけるSiOxの割合は、SiOxの使用による高容量化効果を良好に確保する観点から0.5質量%以上とすることが好ましく、また、SiOxによる負極の膨張・収縮を抑制する観点から10質量%以下とすることが好ましい。
負極活物質にSiOxを使用する場合、非水電解質には前記フルオロエーテル類やフルオロカーボネート類を含有させることが好ましい。このような非水電解質を用いることで、負極におけるSiOxの表面にフッ素を含む良好な皮膜が形成されて、電池の充放電サイクル特性が向上する。
負極合剤層に係る結着剤としては、例えば、PVDFやPTFE、PHFPなどのフッ素樹脂;スチレンブタジエンゴム(SBR)、ニトリルゴム(NBR)などの合成ゴムや天然ゴム;カルボキシメチルセルロース(CMC)、メチルセルロース(MC)、ヒドロキシエチルセルロース(HEC)などのセルロース類;エチレン−アクリル酸共重合体、エチレン−メタクリル酸共重合体、エチレン−アクリル酸メチル共重合体、エチレン−メタクリル酸メチル共重合体およびそれら共重合体の架橋体などのアクリル樹脂;ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリNビニルアセトアミドなどのアミド類;ポリイミド;ポリアクリル酸;ポリアクリル酸スルホン酸;キサンタンガム、グアーガムなどの多糖類;などが挙げられる。
また、負極合剤層には、必要に応じて、正極合剤層において使用可能なものとして先に例示した導電助剤を含有させることもできる。
負極の集電体の材質は、構成された電池において化学的に安定な電子伝導体であれば特に限定されない。例えば、銅または銅合金、ステンレス鋼、ニッケル、チタン、炭素、導電性樹脂などの他に、銅、銅合金またはステンレス鋼の表面に炭素層またはチタン層を形成した複合材などを用いることができる。これらの中でも、リチウムと合金化せず、電子伝導性が高いことから、銅または銅合金が特に好ましい。負極の集電体には、例えば、前記の材質からなるフォイル、フィルム、シート、ネット、パンチングシート、ラス体、多孔質体、発泡体、繊維群の成形体などが使用できる。また、集電体の表面に、表面処理を施して凹凸を付けることもできる。集電体の厚みは特に限定されないが、通常1〜500μmである。
負極は、例えば、負極活物質および結着剤、更には必要に応じて導電助剤を含有する負極合剤を溶剤に分散させたペースト状やスラリー状の負極合剤含有組成物(結着剤は溶剤に溶解していてもよい)を、集電体の片面または両面に塗布し、乾燥して負極合剤層を形成し、必要に応じてプレス処理を施して負極合剤層の厚みや密度を調整することにより得ることができる。負極は前記の製造方法により得られたものに限定されず、他の方法により製造したものであってもよい。負極合剤層の厚みは、集電体の片面当たり10〜300μmであることが好ましい。また、正極合剤層の密度と同じ方法で測定される負極合剤層の密度は、例えば、1.0〜2.2g/cm3であることが好ましい。
<セパレータ>
本発明の非水二次電池に係るセパレータは、80℃以上(より好ましくは100℃以上)180℃以下(より好ましくは150℃以下)において、その孔が閉塞する性質(すなわちシャットダウン機能)を有していることが好ましく、通常の非水二次電池などで使用されているセパレータ、例えば、ポリエチレン(PE)やポリプロピレン(PP)などのポリオレフィン製の微多孔膜を用いることができる。セパレータを構成する微多孔膜は、例えば、PEのみを使用したものやPPのみを使用したものであってもよく、また、PE製の微多孔膜とPP製の微多孔膜との積層体であってもよい。
本発明の電池に係るセパレータには、熱可塑性樹脂[好ましくは、融点が80℃以上(より好ましくは100℃以上)180℃以下(より好ましくは150℃以下)の熱可塑性樹脂]を主体とする第1多孔質層[以下、多孔質層(I)という。]と、耐熱温度が200℃以上の無機微粒子を主体として含む第2多孔質層[以下、多孔質層(II)という。]とを有する積層型のセパレータを使用することが好ましい。ここで、「融点」とは日本工業規格(JIS)K 7121の規定に準じて、示差走査熱量計(DSC)を用いて測定される融解温度を意味している。また「耐熱温度が200℃以上」とは、少なくとも200℃において軟化などの変形が見られないことを意味している。
前記積層型のセパレータに係る多孔質層(I)は、主にシャットダウン機能を確保するためのものであり、非水二次電池が多孔質層(I)の主体となる成分である樹脂の融点以上に達したときには、多孔質層(I)に係る樹脂が溶融してセパレータの空孔を塞ぎ、電気化学反応の進行を抑制するシャットダウンを生じる。
多孔質層(I)の主体となる熱可塑性樹脂としては、例えば、PE、PP、エチレン−プロピレン共重合体などのポリオレフィンなどが挙げられ、その形態としては、前述の非水二次電池に用いられる微多孔膜や、不織布などの基材にポリオレフィンなどの熱可塑性樹脂の粒子を含む分散液を塗布し、乾燥するなどして得られるものが挙げられる。ここで、多孔質層(I)の全構成成分中において、主体となる熱可塑性樹脂の体積は、50体積%以上であり、70体積%以上であることがより好ましい。例えば多孔質層(I)を前記ポリオレフィン製の微多孔膜で形成する場合は、熱可塑性樹脂の体積が100体積%となる。
前記積層型のセパレータに係る多孔質層(II)は、非水二次電池の内部温度が上昇した際にも正極と負極との直接の接触による短絡を防止する機能を備えたものであり、耐熱温度が200℃以上の無機微粒子によって、その機能を確保している。すなわち、電池が高温となった場合には、喩え多孔質層(I)が収縮しても、収縮し難い多孔質層(II)によって、セパレータが熱収縮した場合に発生し得る正負極の直接の接触による短絡を防止することができる。また、この耐熱性の多孔質層(II)がセパレータの骨格として作用するため、多孔質層(I)の熱収縮、すなわちセパレータ全体の熱収縮自体も抑制できる。
多孔質層(II)に係る無機微粒子は、耐熱温度が200℃以上で、電池の有する非水電解質に対して安定であり、更に電池の作動電圧範囲において酸化還元されにくい電気化学的に安定なものであればよいが、アルミナ、シリカ、ベーマイトが好ましい。アルミナ、シリカ、ベーマイトは、耐酸化性が高く、粒径や形状を所望の数値などに調整することが可能であるため、多孔質層(II)の空孔率を精度よく制御することが容易となる。耐熱温度が200℃以上の無機微粒子は、例えば前記例示のものを1種単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
多孔質層(II)に係る耐熱温度が200℃以上の無機微粒子の形状については特に制限はなく、略球状(真球状を含む。)、略楕円体状(楕円体状を含む。)、板状などの各種形状のものを使用できる。
また、多孔質層(II)に係る耐熱温度が200℃以上の無機微粒子の平均粒子径は、小さすぎるとイオンの透過性が低下することから、0.3μm以上であることが好ましく、0.5μm以上であることがより好ましい。また、耐熱温度が200℃以上の無機微粒子が大きすぎると、電気特性が劣化しやすくなることから、その平均粒子径は、5μm以下であることが好ましく、2μm以下であることがより好ましい。本明細書でいう無機微粒子の平均粒子径は、例えば、レーザー散乱粒度分布計(例えば、堀場製作所製の「LA−920」)を用い、媒体に微粒子を分散させて測定した平均粒子径D50%である。
多孔質層(II)において、耐熱温度が200℃以上の無機微粒子は、多孔質層(II)に主体として含まれるものであるため、これらの多孔質層(II)における含有量は、多孔質層(II)の構成成分の全体積中、50体積%以上であり、70体積%以上であることが好ましく、80体積%以上であることがより好ましく、90体積%以上であることが更に好ましい。多孔質層(II)中の無機微粒子を前記のように高含有量とすることで、非水二次電池が高温となった際にも、セパレータ全体の熱収縮を良好に抑制することができ、正極と負極との直接の接触による短絡の発生をより良好に抑制することができる。
後述するように、多孔質層(II)には有機バインダも含有させることが好ましいため、多孔質層(II)における耐熱温度が200℃以上の無機微粒子の含有量は、多孔質層(II)の構成成分の全体積中、99.5体積%以下であることが好ましい。
多孔質層(II)には、耐熱温度が200℃以上の無機微粒子同士を結着したり、多孔質層(II)と多孔質層(I)との一体化などのために、有機バインダを含有させることが好ましい。有機バインダとしては、エチレン−酢酸ビニル共重合体(EVA、酢酸ビニル由来の構造単位が20〜35モル%のもの)、エチレン−エチルアクリレート共重合体などのエチレン−アクリル酸共重合体、フッ素系ゴム、SBR、CMC、ヒドロキシエチルセルロース(HEC)、ポリビニルアルコール(PVA)、ポリビニルブチラール(PVB)、ポリビニルピロリドン(PVP)、架橋アクリル樹脂、ポリウレタン、エポキシ樹脂などが挙げられるが、特に、200℃以上の耐熱温度を有する耐熱性のバインダが好ましく用いられる。有機バインダは、前記例示のものを1種単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
前記例示の有機バインダの中でも、EVA、エチレン−アクリル酸共重合体、フッ素系ゴム、SBRなどの柔軟性の高いバインダが好ましい。このような柔軟性の高い有機バインダの具体例としては、三井デュポンポリケミカル社のEVA「エバフレックスシリーズ」、日本ユニカー社のEVA、三井デュポンポリケミカル社のエチレン−アクリル酸共重合体「エバフレックス−EEAシリーズ」、日本ユニカー社のEEA、ダイキン工業社のフッ素ゴム「ダイエルラテックスシリーズ」、JSR社のSBR「TRD−2001」、日本ゼオン社のSBR「BM−400B」などがある。
前記の有機バインダを多孔質層(II)に使用する場合には、後述する多孔質層(II)形成用の組成物の溶媒に溶解させるか、または分散させたエマルジョンの形態で用いればよい。
前記積層型のセパレータは、例えば、耐熱温度が200℃以上の無機微粒子などを含有する多孔質層(II)形成用組成物(スラリーなど)を、多孔質層(I)を構成するための微多孔膜の表面に塗布し、所定の温度に乾燥して多孔質層(II)を形成することにより製造することができる。
多孔質層(II)形成用組成物は、耐熱温度が200℃以上の無機微粒子の他、必要に応じて有機バインダなどを含有し、これらを溶媒(分散媒を含む。以下同じ。)に分散させたものである。有機バインダについては溶媒に溶解させることもできる。多孔質層(II)形成用組成物に用いられる溶媒は、無機微粒子などを均一に分散でき、また、有機バインダを均一に溶解または分散できるものであればよいが、例えば、トルエンなどの芳香族炭化水素、テトラヒドロフランなどのフラン類、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトンなどのケトン類など、一般的な有機溶媒が好適に用いられる。これらの溶媒に、界面張力を制御する目的で、アルコール(エチレングリコール、プロピレングリコールなど)、または、モノメチルアセテートなどの各種プロピレンオキサイド系グリコールエーテルなどを適宜添加してもよい。また、有機バインダが水溶性である場合、有機バインダをエマルジョンとして使用する場合などでは、水を溶媒としてもよく、この際にもアルコール類(メチルアルコール、エチルアルコール、イソプロピルアルコール、エチレングリコールなど)を適宜加えて界面張力を制御することもできる。
多孔質層(II)形成用組成物は、耐熱温度が200℃以上の無機微粒子、更には有機バインダなどを含む固形分含量を、例えば10〜80質量%とすることが好ましい。
前記積層型のセパレータにおいて、多孔質層(I)と多孔質層(II)とは、それぞれ1層ずつである必要はなく、複数の層がセパレータ中にあってもよい。例えば、多孔質層(II)の両面に多孔質層(I)を配置した構成としたり、多孔質層(I)の両面に多孔質層(II)を配置した構成としてもよい。ただし、層数を増やすことで、セパレータの厚みを増やして電池の内部抵抗の増加やエネルギー密度の低下を招く虞があるので、層数を多くしすぎるのは好ましくなく、前記積層型のセパレータ中の多孔質層(I)と多孔質層(II)との合計層数は5層以下であることが好ましい。
本発明の電池に係るセパレータ(ポリオレフィン製の微多孔膜からなるセパレータや、前記積層型のセパレータ)の厚みは、例えば、10〜30μmであることが好ましい。
また、前記積層型のセパレータにおいては、多孔質層(II)の厚み[セパレータが多孔質層(II)を複数有する場合は、その総厚み]は、多孔質層(II)による前記の各作用をより有効に発揮させる観点から、3μm以上であることが好ましい。ただし、多孔質層(II)が厚すぎると、電池のエネルギー密度の低下を引き起こすなどの虞があることから、多孔質層(II)の厚みは、8μm以下であることが好ましい。
更に、前記積層型のセパレータにおいては、多孔質層(I)の厚み[セパレータが多孔質層(I)を複数有する場合は、その総厚み。以下同じ。]は、多孔質層(I)の使用による前記作用(特にシャットダウン作用)をより有効に発揮させる観点から、6μm以上であることが好ましく、10μm以上であることがより好ましい。ただし、多孔質層(I)が厚すぎると、電池のエネルギー密度の低下を引き起こす虞があることに加えて、多孔質層(I)が熱収縮しようとする力が大きくなり、セパレータ全体の熱収縮を抑える作用が小さくなる虞がある。そのため、多孔質層(I)の厚みは、25μm以下であることが好ましく、20μm以下であることがより好ましく、14μm以下であることが更に好ましい。
セパレータ全体の空孔率としては、電解液の保液量を確保してイオン透過性を良好にするために、乾燥した状態で、30%以上であることが好ましい。一方、セパレータ強度の確保と内部短絡の防止の観点から、セパレータの空孔率は、乾燥した状態で、70%以下であることが好ましい。セパレータの空孔率:P(%)は、セパレータの厚み、面積あたりの質量、構成成分の密度から、下記算出式を用いて各成分iについての総和を求めることにより計算できる。
P={1−(m/t)/(Σai・ρi)}×100
ここで、前記算出式において、ai:全体の質量を1としたときの成分iの比率、ρi:成分iの密度(g/cm3)、m:セパレータの単位面積あたりの質量(g/cm2)、t:セパレータの厚み(cm)である。
また、前記積層型のセパレータの場合、前記算出式において、mを多孔質層(I)の単位面積あたりの質量(g/cm2)とし、tを多孔質層(I)の厚み(cm)とすることで、前記算出式を用いて多孔質層(I)の空孔率:P(%)を求めることもできる。この方法により求められる多孔質層(I)の空孔率は、30〜70%であることが好ましい。
更に、前記積層型のセパレータの場合、前記算出式において、mを多孔質層(II)の単位面積あたりの質量(g/cm2)とし、tを多孔質層(II)の厚み(cm)とすることで、前記算出式を用いて多孔質層(II)の空孔率:P(%)を求めることもできる。この方法により求められる多孔質層(II)の空孔率は、20〜60%であることが好ましい。
前記セパレータとしては、機械的な強度の高いものが好ましく、例えば突き刺し強度が3N以上であることが好ましい。例えば、充放電に伴う体積変化の大きなSiOxを負極活物質に使用した場合、充放電を繰り返すことで、負極全体の伸縮によって、対面させたセパレータにも機械的なダメージが加わることになる。セパレータの突き刺し強度が3N以上であれば、良好な機械的強度が確保され、セパレータの受ける機械的ダメージを緩和することができる。
突き刺し強度が3N以上のセパレータとしては、前述した積層型のセパレータが挙げられ、特に、熱可塑性樹脂を主体とする多孔質層(I)に、耐熱温度が200℃以上の無機微粒子を主体として含む多孔質層(II)を積層したセパレータが好適である。それは、前記無機微粒子の機械的強度が高いため、多孔質層(I)の機械的強度を補って、セパレータ全体の機械的強度を高めることができるからであると考えられる。
前記突き刺し強度は以下の方法で測定できる。直径2インチの穴があいた板上にセパレータをしわやたわみのないように固定し、先端の直径が1.0mmの半円球状の金属ピンを、120mm/分の速度で測定試料に降下させて、セパレータに穴があく時の力を5回測定する。そして、前記5回の測定値のうち最大値と最小値とを除く3回の測定について平均値を求め、これをセパレータの突き刺し強度とする。
<電極体>
前記の正極と前記の負極と前記のセパレータとは、正極と負極との間にセパレータを介在させて重ねた積層電極体や、更にこれを渦巻状に巻回した巻回電極体の形態で本発明の電池に使用することができる。
<非水二次電池>
本発明の非水二次電池は、例えば、前記の正極と前記の負極とを、前記のセパレータを介して積層した積層電極体や、更にこれを渦巻状に巻回した巻回電極体を作製し、このような電極体と、前記の非水電解質とを、常法に従い外装体内に封入して構成される。電池の形態としては、従来から知られている非水二次電池と同様に、筒形(円筒形や角筒形)の外装缶を使用した筒形電池や、扁平形(平面視で円形や角形の扁平形)の外装缶を使用した扁平形電池、金属を蒸着したラミネートフィルムを外装体としたソフトパッケージ電池などとすることができる。また、外装缶には、スチール製やアルミニウム製のものが使用できる。
本発明の非水二次電池は、携帯電話、ノート型パーソナルコンピュータなどのポータブル電子機器などの各種電子機器の電源を始めとして、電動工具、自動車、自転車などの電源、電力貯蔵用電池などの用途にも適用することができる。
以下、実施例に基づいて本発明を詳細に述べる。ただし、下記実施例は本発明を制限するものではない。
(実施例1)
<リチウム含有複合酸化物の合成>
水酸化ナトリウムの添加によってpHを約12に調整したアンモニア水を反応容器に入れ、これを強攪拌しながら、この中に、硫酸ニッケル、硫酸コバルトおよび硫酸マンガンを、それぞれ、2.4mol/dm3、0.8mol/dm3、0.8mol/dm3の濃度で含有する混合水溶液と、25質量%濃度のアンモニア水とを、それぞれ、23cm3/分、6.6cm3/分の割合で、定量ポンプを用いて滴下して、NiとCoとMnとの共沈化合物(球状の共沈化合物)を合成した。この際、反応液の温度は50℃に保持し、また、反応液のpHが12付近に維持されるように、6.4mol/dm3濃度の水酸化ナトリウム水溶液の滴下も同時に行い、更に窒素ガスを1dm3/分の流量でバブリングした。
前記の共沈化合物を水洗、濾過および乾燥させて、NiとCoとMnとを6:2:2のモル比で含有する水酸化物を得た。この水酸化物0.194molと、0.206molのLiOH・H2Oとをエタノール中に分散させてスラリー状にした後、遊星型ボールミルで40分間混合し、室温で乾燥させて混合物を得た。次いで、前記混合物をアルミナ製のるつぼに入れ、2dm3/分のドライエアーフロー中で600℃まで加熱し、その温度で2時間保持して予備加熱を行い、更に900℃に昇温して12時間焼成することにより、リチウム含有複合酸化物を合成した。得られたリチウム含有複合酸化物は乳鉢で粉砕して粉体とし、デシケーター中で保存した。
前記のリチウム含有複合酸化物について、原子吸光分析装置で組成を測定したところ、Li1.06Ni0.6Co0.2Mn0.22で表される組成であることが判明した。
<正極の作製>
前記リチウム含有複合酸化物(正極活物質)100質量部と、結着剤であるPVDFを10質量%の濃度で含むN−メチル−2−ピロリドン(NMP)溶液20質量部と、導電助剤である人造黒鉛1.0質量部およびケッチェンブラック1.0質量部とを、二軸混練機を用いて混練し、更にNMPを加えて粘度を調節して、正極合剤含有ペーストを調製した。
前記の正極合剤含有ペーストを、厚みが15μmのアルミニウム箔(正極集電体)の両面に塗布した後、120℃で12時間の真空乾燥を行って、アルミニウム箔の両面に正極合剤層を形成した。その後、プレス処理を行って、正極合剤層の厚みおよび密度を調節し、アルミニウム箔の露出部にニッケル製のリード体を溶接して、長さ375mm、幅43mmの帯状の正極を作製した。得られた正極における正極合剤層は、片面あたりの厚みが55μmであった。
<負極の作製>
負極活物質である天然黒鉛100質量部と、結着剤であるスチレンブタジエンゴム1.5質量部と、増粘剤であるカルボキシメチルセルロース1.5質量部とに、水を加えて混合し、負極合剤含有ペーストを調製した。この負極合剤含有ペーストを厚みが8μmの銅箔の両面に塗布した後、120℃で12時間の真空乾燥を行って、銅箔の両面に負極合剤層を形成した。その後、プレス処理を行って、負極合剤層の厚みおよび密度を調節し、銅箔の露出部にニッケル製のリード体を溶接して、長さ380mm、幅44mmの帯状の負極を作製した。
<非水電解質の調製>
(ステップ1)
まず、ECとMECとDECとの容積比1:1:3の混合溶媒に、LiPF6を1mol/Lの濃度で溶解させた後に、1質量%となる量のビニレンカーボネートを混合した。
(ステップ2)
次に、化合物Aとして、1,3−ビス(プロペノキシメチル)シクロペンタン、化合物Bとして、1,7−ジアザ−12−クラウン−4−エーテルを骨格とし、二つの窒素原子がブテン酸残基を有する1,7−ビス(ブテン酸)−1,7−ジアザ−12−クラウン−4−エーテル、および化合物Cとして、1,2,4−トリアゾールを、化合物Aを0.2質量%、化合物Bを0.2質量%、および化合物Cを0.1質量%となる量で、上記(ステップ1)で調製した溶液に添加し、均質になるまで混合して、非水電解質を調製した。
<電池の組み立て>
前記帯状の正極を、厚みが16μmの微孔性ポリエチレンセパレータ(空孔率:41%)を介して前記帯状の負極に重ね、渦巻状に巻回した後、扁平状になるように加圧して扁平状巻回構造の巻回電極体とし、この巻回電極体をポリプロピレン製の絶縁テープで固定した。次に、外寸が厚さ4.0mm、幅34mm、高さ50mmのアルミニウム合金製の角形の電池ケースに前記巻回電極体を挿入し、リード体の溶接を行うとともに、アルミニウム合金製の蓋板を電池ケースの開口端部に溶接した。その後、蓋板に設けた注入口から前記非水電解質を注入し、1時間静置した後に注入口を封止して、図1A、Bに示す構造で、図2に示す外観の非水二次電池を得た。前記非水二次電池の設計電気容量は、1000mAhとした。
ここで、図1A、Bおよび図2に示す電池について説明すると、図1Aは平面図、図1Bはその断面図であって、図1Bに示すように、正極1と負極2はセパレータ3を介して渦巻状に巻回した後、扁平状になるように加圧して扁平状の巻回電極体6として、角形(角筒形)の電池ケース4に非水電解質と共に収容されている。ただし、図1Bでは、煩雑化を避けるため、正極1や負極2の作製にあたって使用した集電体としての金属箔や非水電解質などは図示していない。
電池ケース4はアルミニウム合金製で電池の外装体を構成するものであり、この電池ケース4は正極端子を兼ねている。そして、電池ケース4の底部にはPEシートからなる絶縁体5が配置され、正極1、負極2およびセパレータ3からなる巻回電極体6からは、正極1および負極2のそれぞれ一端に接続された正極リード体7と負極リード体8が引き出されている。また、電池ケース4の開口部を封口するアルミニウム合金製の封口用の蓋板9にはポリプロピレン製の絶縁パッキング10を介してステンレス鋼製の端子11が取り付けられ、この端子11には絶縁体12を介してステンレス鋼製のリード板13が取り付けられている。
そして、この蓋板9は電池ケース4の開口部に挿入され、両者の接合部を溶接することによって、電池ケース4の開口部が封口され、電池内部が密閉されている。また、図1A、Bの電池では、蓋板9に非水電解質の注入口14が設けられており、この注入口14には、封止部材が挿入された状態で、例えばレーザー溶接などにより溶接封止されて、電池の密閉性が確保されている。従って、図1A、Bおよび図2の電池では、実際には、注入口14は、非水電解質の注入口と封止部材であるが、説明を容易にするために、注入口14として示している。更に、蓋板9には、電池の温度が上昇した際に内部のガスを外部に排出する機構として、開裂ベント15が設けられている。
この実施例1の電池では、正極リード体7を蓋板9に直接溶接することによって電池ケース4と蓋板9とが正極端子として機能し、負極リード体8をリード板13に溶接し、そのリード板13を介して負極リード体8と端子11とを導通させることによって端子11が負極端子として機能するようになっているが、電池ケース4の材質などによっては、その正負が逆になる場合もある。
図1Bにおいては、巻回電極体6の内周側の部分は断面にしていない。また、図2は前記電池が角形電池であることを示すことを目的として図示されたものである。
(実施例2)
共沈化合物の合成に使用する混合水溶液中の原料化合物の濃度を調節して、NiとCoとMnとMgとを90:5:2.5:2.5のモル比で含有する水酸化物を合成し、この水酸化物とLiOH・H2Oとのモル比を調整した以外は、実施例1と同様にしてリチウム含有複合酸化物を合成した。得られたリチウム含有複合酸化物について、実施例1と同様にして組成を調べたところ、Li1.03Ni0.9Co0.05Mn0.025Mg0.0252であった。そして、このリチウム含有複合酸化物を正極活物質に用いた以外は、実施例1と同様にして正極を作製した。
また、負極活物質を、天然黒鉛50質量部と人造黒鉛50質量部との混合物に変更した以外は、実施例1と同様にして負極を作製した。
更に、化合物Aに1,3−ビス(プロペノキシメチル)シクロヘキサンを0.2質量%となる量で使用し、化合物Bに1,7−ビス(2−ブテン酸メチル)−1,7−ジアザ−15−クラウン−5−エーテルを0.1質量%となる量で使用し、化合物Cに3−アミノ−1,2,4−トリアゾールを0.1質量%となる量で使用した以外は、実施例1と同様にして非水電解質を調製した。
そして、前記の正極、前記の負極および前記の非水電解質を用いた以外は、実施例1と同様にして非水二次電池を作製した。
(実施例3)
共沈化合物の合成に使用する混合水溶液中の原料化合物の濃度を調節した以外は実施例1と同様にして、NiとCoとMnとを5:2:3のモル比で含有する水酸化物を合成し、得られた水酸化物を水で洗浄した後、ほぼ同じモル比のLiOH・H2Oと混合し、大気中(酸素濃度が約20体積%)で、850℃で12時間熱処理することにより、リチウム含有複合酸化物を合成した。得られたリチウム含有複合酸化物について、実施例1と同様にして組成を調べたところ、Li1.00Ni0.5Co0.2Mn0.32であった。そして、このリチウム含有複合酸化物を正極活物質に用いた以外は、実施例1と同様にして正極を作製した。
SiO(平均粒径5.0μm)を沸騰床反応器中で約1000℃に加熱し、加熱された粒子にエチレンと窒素ガスからなる25℃の混合ガスを接触させ、1000℃で60分間CVD処理を行った。このようにして前記混合ガスが熱分解して生じた炭素(以下「CVD炭素」ともいう。)をSiO粒子に堆積させて被覆層を形成し、負極材料(炭素被覆SiO)を得た。
被覆層形成前後の質量変化から前記負極材料の組成を算出したところ、SiO:CVD炭素=80:20(質量比)であった。
負極活物質を、数平均粒子径が10μmの天然黒鉛50質量部と、人造黒鉛49.5質量部と、前記炭素被覆SiO:0.5質量部との混合物に変更した以外は、実施例1と同様にして負極を作製した。
また、化合物Aに1,3−ビス(プロペノキシエチル)シクロヘプタンを0.1質量%となる量で使用し、化合物Bに1,10−ビス(2−ブテン酸エチル)−1,10−ジアザ−18−クラウン−6−エーテルを0.2質量%となる量で使用し、化合物Cに4−メチル−1,2,3−トリアゾールを0.1質量%となる量で使用した以外は、実施例1と同様にして非水電解質を調製した。
そして、前記の正極、前記の負極および前記の非水電解質を用いた以外は、実施例1と同様にして非水二次電池を作製した。
(実施例4)
正極活物質を、実施例2で合成したものと同じリチウム含有複合酸化物:95質量部と、Li1.02Mn1.976Al0.01Mg0.01Ti0.0044:5質量部との混合物に変更した以外は、実施例1と同様にして正極を作製した。
また、負極活物質を、天然黒鉛50質量部とメソフェーズカーボン50質量部との混合物に変更した以外は、実施例1と同様にして負極を作製した。
更に、化合物Aに1,3−ビス(ビニロキシエチル)シクロヘプタンを0.1質量%となる量で使用し、化合物Bに1,10−ビス(2−ペンテン酸エチル)−2,3,14,15−ジベンゾ−1,10−ジアザ−18−クラウン−6−エーテルを0.15質量%となる量で使用し、化合物Cに4−アミノ−1,3−イミダゾールを0.15質量%となる量で使用した以外は、実施例1と同様にして非水電解質を調製した。
そして、前記の正極、前記の負極および前記の非水電解質を用いた以外は、実施例1と同様にして非水二次電池を作製した。
(実施例5)
正極活物質を、実施例2で合成したものと同じリチウム含有複合酸化物:90質量部と、Li1.00Co0.988Al0.005Mg0.005Zr0.0022:10質量部との混合物に変更した以外は、実施例1と同様にして正極を作製した。
また、負極活物質を、人造黒鉛50質量部とメソフェーズカーボン50質量部との混合物に変更した以外は、実施例1と同様にして負極を作製した。
更に、化合物Aに1,3−ビス(プロペノキシメチル)シクロペンタンを0.1質量%となる量で使用し、化合物Bに1,7−ビス(3−フルオロブテン酸メチル)−2,3−ベンゾ−1,7−ジアザ−15−クラウン−5−エーテルを0.1質量%となる量で使用し、化合物Cに4−アミノ−1,2−ピラゾールを0.1質量%となる量で使用した以外は、実施例1と同様にして非水電解質を調製した。
そして、前記の正極、前記の負極および前記の非水電解質を用いた以外は、実施例1と同様にして非水二次電池を作製した。
(実施例6)
正極活物質を、実施例2で合成したものと同じリチウム含有複合酸化物:90質量部と、Li1.00Fe0.988Mg0.1Ti0.002PO4:10質量部との混合物に変更した以外は、実施例1と同様にして正極を作製した。
また、化合物Aに1,3−ビス(プロペノキシメチル)シクロペンタンを2質量%となる量で使用し、化合物Bに1,7−ビス(3−トリフルオロメチルブテン酸メチル)−1,7−ジアザ−15−クラウン−5−エーテルを2質量%となる量で使用し、化合物Cに2−アミノ−1,3−ピリミジンを1質量%となる量で使用した以外は、実施例1と同様にして非水電解質を調製した。
そして、前記の正極、前記の非水電解質および実施例2で作製したものと同じ負極を用いた以外は、実施例1と同様にして非水二次電池を作製した。
(実施例7)
共沈化合物の合成に使用する混合水溶液中の原料化合物の濃度を調整して、NiとCoとMnとを40:30:30のモル比で含有する水酸化物を合成し、得られた水酸化物を水で洗浄した後、この水酸化物0.198molと、0.202molのLiOH・H2Oとを混合し、実施例3と同様にしてリチウム含有複合酸化物を合成した。得られたリチウム含有複合酸化物について、実施例1と同様にして組成を調べたところ、Li1.02Ni0.4Co0.3Mn0.32であった。
このリチウム含有複合酸化物:90質量部と、Li1.02Mn1.488Ni0.49Al0.01Mg0.01Ti0.0024:10質量部との混合物に変更した以外は、実施例1と同様にして正極を作製した。
また、負極活物質を、天然黒鉛50質量部とメソフェーズカーボン50質量部との混合物に変更した以外は、実施例1と同様にして負極を作製した。
更に、化合物Aに1,3−ビス(プロペノキシメチル)シクロペンタンを1質量%となる量で使用し、化合物Bに1,7−ビス(1−アクリロイルメチル)−1,7−ジアザ−15−クラウン−5−エーテルを0.5質量%となる量で使用し、化合物Cに2−アミノ−1,3,6−トリアジンを0.5質量%となる量で使用した以外は、実施例1と同様にして非水電解質を調製した。
そして、前記の正極、前記の負極および前記の非水電解質を用いた以外は、実施例1と同様にして非水二次電池を作製した。
(実施例8)
共沈化合物の合成に使用する混合水溶液中の原料化合物の濃度を調節した以外は実施例1と同様にして、NiとCoとMnとを45:10:45のモル比で含有する水酸化物を合成し、得られた水酸化物を水で洗浄した後、大気中(酸素濃度が約20体積%)で、850℃で12時間熱処理することにより、リチウム含有複合酸化物を合成した。得られたリチウム含有複合酸化物について、実施例1と同様にして組成を調べたところ、Li1.00Ni0.45Co0.1Mn0.452であった。そして、このリチウム含有複合酸化物を正極活物質に用いた以外は、実施例1と同様にして正極を作製した。
また、化合物Aに1,3−ビス(プロペノキシメチル)シクロペンタンを0.02質量%となる量で使用し、化合物Bに1,4−ビス(1−アクリロイルエチル)−1,4−ジアザ−15−クラウン−5−エーテルを0.05質量%となる量で使用し、化合物Cに5−アミノ−インドールを0.02質量%となる量で使用した以外は、実施例1と同様にして非水電解質を調製した。
そして、前記の正極、前記の非水電解質および実施例2で作製したものと同じ負極を用いた以外は、実施例1と同様にして非水二次電池を作製した。
(実施例9)
共沈化合物の合成に使用する混合水溶液中の原料化合物の濃度を調節して、NiとCoとMnとを34:34:32のモル比で含有する水酸化物を合成した以外は、実施例3と同様にしてリチウム含有複合酸化物を合成した。得られたリチウム含有複合酸化物について、実施例1と同様にして組成を調べたところ、Li1.02Ni0.34Co0.34Mn0.322であった。そして、このリチウム含有複合酸化物を正極活物質に用いた以外は、実施例1と同様にして正極を作製した。
また、化合物Aに1,3−ビス(プロペノキシメチル)シクロヘキサンを0.2質量%となる量で使用し、化合物Bに1,7−ビス(2−ブテン酸メチル)−1,7−ジアザ−15−クラウン−5−エーテルを0.2質量%となる量で使用し、化合物Cを使用しなかった以外は、実施例1と同様にして非水電解質を調製した。
そして、前記の正極、前記の非水電解質および実施例5で作製したものと同じ負極を用いた以外は、実施例1と同様にして非水二次電池を作製した。
(実施例10)
正極活物質を、実施例7で合成したものと同じリチウム含有複合酸化物:90質量部と、Li1.2Mn0.48Ni0.16Co0.162:10質量部との混合物に変更した以外は、実施例1と同様にして正極を作製した。
また、化合物Aに1,3−ビス(プロペノキシメチル)シクロヘキサンを1質量%となる量で使用し、化合物Cに3−アミノ−1,2,4−トリアゾールを0.5質量%となる量で使用し、化合物Bを使用しなかった以外は、実施例1と同様にして非水電解質を調製した。
そして、前記の正極、前記の非水電解質および実施例2で作製したものと同じ負極を用いた以外は、実施例1と同様にして非水二次電池を作製した。
(実施例11)
実施例1で用いたものと同じ正極活物質と、導電助剤として、気相成長炭素繊維0.5質量部およびカーボンナノチューブ0.5質量部とを、プラネタリーミキサーを用いて混合し、ここに、結着剤であるPVDFを10質量%の濃度で含むNMP溶液20質量部と、更にNMPとを加えて粘度を調節して、正極合剤含有ペーストを調製した。そして、この正極合剤含有ペーストを用いた以外は、実施例1と同様にして正極を作製した。
そして、前記の正極および実施例2で作製したものと同じ負極を用いた以外は、実施例1と同様にして非水二次電池を作製した。
(実施例12)
プロパンスルトンを0.1質量%となる量で添加した以外は、実施例1と同様にして非水電解質を調製した。
そして、前記の非水電解質および実施例2で作製したものと同じ負極を用いた以外は、実施例1と同様にして非水二次電池を作製した。
(実施例13)
負極活物質を、数平均粒子径が10μmの天然黒鉛50質量部と、メソフェーズカーボン49.5質量部と、実施例3で作製したものと同じ炭素被覆SiO:0.5質量部との混合物に変更した以外は、実施例1と同様にして負極を作製した。
また、4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンを0.1質量%となる量で添加した以外は、実施例1と同様にして非水電解質を調製した。
そして、前記の非水電解質および前記の負極を用いた以外は、実施例1と同様にして非水二次電池を作製した。
(実施例14)
負極活物質を、人造黒鉛50質量部と、メソフェーズカーボン49.5質量部と、実施例3で作製したものと同じ炭素被覆SiO:0.5質量部との混合物に変更した以外は、実施例1と同様にして負極を作製した。
また、(n−トリフルオロプロピル)エチルエーテルを0.1質量%となる量で添加した以外は、実施例1と同様にして非水電解質を調製した。
そして、前記の非水電解質および前記の負極を用いた以外は、実施例1と同様にして非水二次電池を作製した。
(実施例15)
負極活物質を、数平均粒子径が10μmの天然黒鉛50質量部と、人造黒鉛45質量部と、実施例3で作製したものと同じ炭素被覆SiO:5質量部との混合物に変更した以外は、実施例1と同様にして負極を作製した。
また、化合物Aに1,4−ビス(プロペノキシメチル)シクロヘキサンを0.2質量%となる量で使用し、化合物Bに1,7−ビス(2−ブテン酸メチル)−1,7−ジアザ−15−クラウン−5−エーテルを0.2質量%となる量で使用し、化合物Cを使用せず、更に、4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンを1質量%となる量で添加した以外は、実施例1と同様にして非水電解質を調製した。
そして、実施例2で作製したものと同じ正極、前記の負極、および前記の非水電解質を用いた以外は、実施例1と同様にして非水二次電池を作製した。
(実施例16)
正極活物質をLi1.02Ni0.82Co0.15Al0.032に変更した以外は、実施例1と同様にして正極を作製した。
また、化合物Aに1,4−ビス(プロペノキシメチル)シクロヘキサンを0.2質量%となる量で使用し、化合物Bに1,7−ビス(2−ブテン酸メチル)−1,7−ジアザ−15−クラウン−5−エーテルを0.2質量%となる量で使用し、化合物Cを使用せず、更に、trans−4,5−ジフルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンを0.5質量%となる量で添加した以外は、実施例1と同様にして非水電解質を調製した。
そして、前記の正極、実施例15で作製したものと同じ負極、および前記の非水電解質を用いた以外は、実施例1と同様にして非水二次電池を作製した。
(実施例17)
化合物Aに1,4−ビス(プロペノキシメチル)シクロヘキサンを0.2質量%となる量で使用し、化合物Cに3−アミノ−1,2,4−トリアゾールを0.2質量%となる量で使用し、化合物Bを使用せず、更に、4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンを1質量%となる量で添加した以外は、実施例1と同様にして非水電解質を調製した。
そして、実施例2で作製したものと同じ正極、実施例15で作製したものと同じ負極、および前記の非水電解質を用いた以外は、実施例1と同様にして非水二次電池を作製した。
(実施例18)
化合物Aに1,4−ビス(プロペノキシメチル)シクロヘキサンを0.2質量%となる量で使用し、化合物Cに3−アミノ−1,2,4−トリアゾールを0.2質量%となる量で使用し、化合物Bを使用せず、更に、フルオロエチルプロピルエーテルを5質量%となる量で添加した以外は、実施例1と同様にして非水電解質を調製した。
そして、実施例15で作製したものと同じ負極および前記の非水電解質を用いた以外は、実施例1と同様にして非水二次電池を作製した。
(実施例19)
化合物Aに1,4−ビス(プロペノキシメチル)シクロヘキサンを0.2質量%となる量で使用し、化合物Cに3−アミノ−1,2,4−トリアゾールを0.2質量%となる量で使用し、化合物Bを使用せず、更に、フルオロプロピルエチルカーボネートを0.7質量%となる量で添加した以外は、実施例1と同様にして非水電解質を調製した。
そして、実施例2で作製したものと同じ正極、実施例15で作製したものと同じ負極、および前記の非水電解質を用いた以外は、実施例1と同様にして非水二次電池を作製した。
(実施例20)
化合物Aに1,4−ビス(プロペノキシメチル)シクロヘキサンを0.2質量%となる量で使用し、化合物Cに3−アミノ−1,2,4−トリアゾールを0.2質量%となる量で使用し、化合物Bを使用せず、更に、トリフルオロプロピレンカーボネートを1.0質量%となる量で添加した以外は、実施例1と同様にして非水電解質を調製した。
そして、実施例2で作製したものと同じ正極、実施例15で作製したものと同じ負極、および前記の非水電解質を用いた以外は、実施例1と同様にして非水二次電池を作製した。
(実施例21)
化合物Aに1,4−ビス(プロペノキシメチル)シクロヘキサンを0.1質量%となる量で使用し、化合物Cに3−アミノ−1,2,4−トリアゾールを0.1質量%となる量で使用し、化合物Bを使用せず、更に、4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンを0.1質量%となる量で添加した以外は、実施例1と同様にして非水電解質を調製した。
そして、前記の非水電解質を用いた以外は、実施例3と同様にして非水二次電池を作製した。
(実施例22)
化合物Aに1,4−ビス(プロペノキシメチル)シクロヘキサンを0.2質量%となる量で使用し、化合物Cに3−アミノ−1,2,4−トリアゾールを0.2質量%となる量で使用し、化合物Bを使用せず、更に、4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンを0.1質量%となる量で添加した以外は、実施例1と同様にして非水電解質を調製した。
そして、前記の非水電解質を用いた以外は、実施例13と同様にして非水二次電池を作製した。
(実施例23)
負極活物質を、数平均粒子径が10μmの天然黒鉛47.5質量部と、人造黒鉛47.5質量部と、実施例3で作製したものと同じ炭素被覆SiO:1質量部と、Li4Ti512:4質量部との混合物に変更した以外は、実施例1と同様にして負極を作製した。
また、化合物Aに1,4−ビス(プロペノキシメチル)シクロヘキサンを0.2質量%となる量で使用し、化合物Cに3−アミノ−1,2,4−トリアゾールを0.2質量%となる量で使用し、化合物Bを使用せず、更に、4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンを0.1質量%となる量で添加した以外は、実施例1と同様にして非水電解質を調製した。
そして、前記の非水電解質を用いた以外は、実施例13と同様にして非水二次電池を作製した。
(比較例1)
化合物Aに1,3−ビス(ビニロキシメチル)シクロヘプタンを1質量%となる量で使用し、化合物Bおよび化合物Cを使用しなかった以外は、実施例1と同様にして非水電解質を調製した。そして、前記の非水電解質を用いた以外は、実施例1と同様にして非水二次電池を作製した。
(比較例2)
化合物Bに1,7−ビス(3−フルオロブテン酸メチル)−2,3−ベンゾ−1,7−ジアザ−15−クラウン−5−エーテルを1質量%となる量で使用し、化合物Aおよび化合物Cを使用しなかった以外は、実施例1と同様にして非水電解質を調製した。そして、前記の非水電解質を用いた以外は、実施例2と同様にして非水二次電池を作製した。
(比較例3)
化合物Cに2−アミノ−1,3,6−トリアジンを1質量%となる量で使用し、化合物Aおよび化合物Bを使用しなかった以外は、実施例1と同様にして非水電解質を調製した。そして、前記の非水電解質を用いた以外は、実施例3と同様にして非水二次電池を作製した。
(比較例4)
化合物A、化合物Bおよび化合物Cを使用しなかった以外は、実施例1と同様にして非水電解質を調製した。そして、前記の非水電解質を用いた以外は、実施例9と同様にして非水二次電池を作製した。
(比較例5)
化合物A、化合物Bおよび化合物Cを使用しなかった以外は、実施例1と同様にして非水電解質を調製した。そして、前記の非水電解質を用いた以外は、実施例15と同様にして非水二次電池を作製した。
(比較例6)
化合物A、化合物Bおよび化合物Cを使用せず、4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンを1質量%となる量で添加した以外は、実施例1と同様にして非水電解質を調製した。そして、前記の非水電解質を用いた以外は、実施例15と同様にして非水二次電池を作製した。
実施例1〜23および比較例1〜6の非水二次電池について、以下の各評価を行った。
<容量測定>
実施例1〜23および比較例1〜6の各電池を、60℃で7時間保存した後、20℃で、200mAの電流値で5時間充電し、200mAの電流値で電池電圧が3Vに低下するまで放電する充放電サイクルを、放電容量が一定になるまで繰り返した。次いで、定電流−定電圧充電(定電流:500mA、定電圧:4.2V、総充電時間:3時間)を行い、1時間休止後に200mAの電流値で電池電圧が3Vとなるまで放電して標準容量を求めた。標準容量は各電池とも20個の電池について測定し、その平均値を各実施例、比較例の標準容量とした。
<充放電サイクル特性>
実施例1〜23および比較例1〜6の各電池を標準容量測定時と同じ条件で定電流−定電圧充電した後、1分休止後に200mAの電流値で電池電圧が3Vになるまで放電する充放電サイクルを繰り返し、放電容量が初度の放電容量の70%に低下するまでのサイクル数を求めて、各電池の充放電サイクル特性を評価した。充放電サイクル特性における前記のサイクル数は、各電池とも2個の電池について測定し、その平均値を各実施例、比較例のサイクル数とした。
<貯蔵特性>
実施例1〜23および比較例1〜6の各電池について、定電流−定電圧充電(定電流:400mA、定電圧:4.25V、総充電時間:3時間)を行った後、恒温槽に入れて80℃で5日間放置し、その後の電池の厚みを測定した。このようにして得られた各電池の貯蔵後の厚みと、貯蔵前の厚み(4.0mm)との差から求められる厚みの変化(貯蔵時の電池の膨れに相当する貯蔵前後の厚み変化)により、貯蔵特性を評価した。
実施例1〜23および比較例1〜6の非水二次電池について、正極に用いた正極活物質の組成(質量部)を表1に、非水電解質の調製に用いた添加剤(ビニレンカーボネート以外の添加剤)とその添加量を表2〜表6に、負極に用いた負極活物質を表7に、前記の各評価結果を表8に、それぞれ示す。
Figure 2012067102
Figure 2012067102
Figure 2012067102
Figure 2012067102
Figure 2012067102
Figure 2012067102
Figure 2012067102
Figure 2012067102
表8に示す通り、適正な組成のリチウム含有複合酸化物を正極活物質とし、適正な組成の非水電解質を用いた実施例1〜23の非水二次電池は、充放電サイクル特性評価時において、放電容量が初度の放電容量の70%に低下するまでのサイクル数が多く、充放電サイクル特性に優れ、また、貯蔵前後での厚みの変化が小さく、貯蔵特性にも優れており、充放電サイクル特性と貯蔵特性のバランスが、比較例1〜6の電池に比べて良好である。
また、実施例15〜20の非水二次電池は、電池の高容量化に寄与する一方で、電池の充放電サイクル特性の低下を引き起こしやすいSiOの負極活物質中の量を比較的多くした負極を用いている。SiOによる電池の充放電サイクル特性低下は、例えば、実施例15〜20の電池に係る負極と同じ負極を使用し、化合物A、化合物Bおよび化合物Cを含有しない非水電解質を用いた比較例5の電池における充放電サイクル特性が、比較例5と同じ非水電解質を用い、かつSiOを含有しない負極を使用した比較例4の電池における充放電サイクル特性よりも劣っていることから確認できる。
しかし、このような実施例15〜20の電池は、例えば、これらよりも負極活物質中のSiOの量が少ない負極を用いた実施例3の電池に比べて、充放電サイクル特性が優れている。実施例15〜20の非水二次電池に用いた非水電解質には、化合物Aおよび化合物Bまたは化合物Cに加えて、フッ素含有添加剤を添加しており、その作用によって、負極におけるSiOの表面に良好な皮膜が形成されたために、より良好な充放電サイクル特性が確保できたと考えられる。また、負極における負極活物質中のSiOの量を実施例3の電池と同量とした実施例13および実施例14の電池でも、非水電解質にフッ素含有添加剤を添加しているが、これら実施例13および実施例14の電池も、実施例3の電池よりも充放電サイクル特性が優れており、化合物Aおよび化合物Bまたは化合物Cに加えて、フッ素含有添加剤を添加することによる効果が確認できる。
実施例15〜20の電池と同じ負極を使用し、かつ化合物A、化合物Bおよび化合物Cを含有せず、フッ素含有添加剤を添加した非水電解質を用いた比較例6の電池は、充放電サイクル特性が優れており、フッ素含有添加剤の添加による効果が認められる一方で、貯蔵前後での厚み変化が大きく、貯蔵による膨れが大きい。これは、フッ素含有添加剤由来の皮膜形成時に残存した化合物(反応生成物)が電池の貯蔵時に正極で分解して、ガスが発生したためと考えられる。一方、フッ素含有添加剤に加えて、化合物Aおよび化合物Bまたは化合物Cを含有させた非水電解質を用いた実施例15〜20の電池は、貯蔵前後での厚み変化が小さいが、これは、化合物Aの作用によって、フッ素含有添加剤由来の化合物の正極での分解が抑制されてガス発生が抑えられたためであると考えられる。
また、SiOを含む負極を用いた実施例21および22の電池、および、SiOとLi4Ti512を含む負極を用いた実施例23の電池では、電解質添加剤として化合物Aおよび化合物Cを用いることで、高容量で、充放電サイクル特性に優れ、また、貯蔵前後での厚みの変化が小さく、貯蔵特性にも優れていた。
本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で、上記以外の形態としても実施が可能である。本出願に開示された実施形態は一例であって、これらに限定はされない。本発明の範囲は、上述の明細書の記載よりも、添付されている請求の範囲の記載を優先して解釈され、請求の範囲と均等の範囲内での全ての変更は、請求の範囲に含まれるものである。
1 正極
2 負極
3 セパレータ
4 電池ケース
5 絶縁体
6 巻回電極体
7 正極リード体
8 負極リード体
9 蓋板
10 絶縁パッキング
11 端子
12 絶縁体
13 リード板
14 注入口
15 開裂ベント

Claims (20)

  1. 正極、負極、セパレータおよび非水電解質を含む非水二次電池であって、
    前記正極は、正極活物質としてリチウム含有複合酸化物を含み、
    前記リチウム含有複合酸化物は、下記一般組成式(1)で表され、
    Li1+yMO (1)
    前記一般組成式(1)において、−0.5≦y≦0.5であり、Mは、
    Niと、
    Co、Mn、FeおよびTiよりなる群から選択される少なくとも1種の元素とを含む元素群を表し、
    前記元素群Mに含まれるNi、Co、Mn、FeおよびTiの各元素数の割合を、それぞれa(mol%)、b(mol%)、c(mol%)、d(mol%)およびe(mol%)としたときに、30≦a≦95、b≦40、c≦40、d≦30、e≦30および5≦b+c+d+e≦60であり、
    前記非水電解質は、不飽和結合を含有するアルキルエーテル基を少なくとも1つ有するシクロアルカン誘導体Aと、窒素原子の少なくとも1つが不飽和結合を含有する官能基を有するアザクラウンエーテル化合物Bおよび含窒素ヘテロ環化合物Cよりなる群から選択される少なくとも1種の化合物とを含むことを特徴とする非水二次電池。
  2. 前記非水電解質は、前記アザクラウンエーテル化合物Bおよび前記含窒素ヘテロ環化合物Cを含む請求項1に記載の非水二次電池。
  3. 前記シクロアルカン誘導体Aが、アルケノキシメチルシクロアルカン類またはアルケノキシエチルシクロアルカン類である請求項1に記載の非水二次電池。
  4. 前記アザクラウンエーテル化合物Bの有するアザクラウンエーテル骨格が、複数の窒素原子を含む請求項1に記載の非水二次電池。
  5. 前記アザクラウンエーテル化合物Bの有する不飽和結合を含有する官能基が、下記一般構造式(1)で表される官能基および(メタ)アクリロイルアルキル基よりなる群から選択される少なくとも1種の官能基である請求項1に記載の非水二次電池。
    Figure 2012067102
    前記一般構造式(1)において、Rは炭素数が1〜3のアルキレンであり、Q、QおよびQは、それぞれ独立して、水素原子、フッ素原子、炭素数が1〜3のアルキル基、炭素数が1〜2のフルオロアルキル基、シアノ基、カルボキシル基、炭素数が3〜5のカルボキシアルキル基、炭素数が1〜3のアルコキシ基、炭素数が2〜4のアルコキシカルボニル基、または炭素数が3〜5のアルキレンアルキルカーボネート基である。
  6. 前記含窒素ヘテロ環化合物Cが、イミダゾール類、ピラゾール類、トリアゾール類、ピリミジン類およびトリアジン類よりなる群から選択される少なくとも1種である請求項1に記載の非水二次電池。
  7. 前記非水電解質中の前記シクロアルカン誘導体Aの含有量が、前記非水電解質の全質量に対して、0.01〜5質量%である請求項1に記載の非水二次電池。
  8. 前記非水電解質中の前記アザクラウンエーテル化合物Bの含有量が、前記非水電解質の全質量に対して、0.02〜5質量%である請求項1に記載の非水二次電池。
  9. 前記非水電解質中の前記含窒素ヘテロ環化合物Cの含有量が、前記非水電解質の全質量に対して、0.01〜3質量%である請求項1に記載の非水二次電池。
  10. 前記一般組成式(1)の元素群Mが、IIA族元素およびIIIB族元素よりなる群から選択される少なくとも1種の元素を更に含む請求項1に記載の非水二次電池。
  11. 前記一般組成式(1)において、y>0である請求項1に記載の非水二次電池。
  12. 前記負極は、負極活物質として、リチウムイオンを吸蔵、脱離可能な炭素材料、または、リチウムと合金化可能な元素からなる材料、または、リチウムと合金化可能な元素を含む材料を含む請求項1に記載の非水二次電池。
  13. 前記負極は、負極活物質として、珪素と酸素とを構成元素に含む材料と、グラファイトとを含む請求項1に記載の非水二次電池。
  14. 前記珪素と酸素とを構成元素に含む材料は、下記一般組成式(2)で表され、
    SiO (2)
    前記一般組成式(2)において、0.5≦x≦1.5である請求項13に記載の非水二次電池。
  15. 前記正極は、導電助剤として気相成長炭素繊維を含む請求項1に記載の非水二次電池。
  16. 前記非水電解質は、スルホン酸無水物またはスルホン酸エステル誘導体を更に含む請求項1に記載の非水二次電池。
  17. 前記非水電解質は、フルオロエーテル類およびフルオロカーボネート類よりなる群から選択される少なくとも1種を更に含む請求項1に記載の非水二次電池。
  18. 前記非水電解質は、ホウ酸エステル類またはリン酸エステル類を更に含む請求項1に記載の非水二次電池。
  19. 前記セパレータは、熱可塑性樹脂を主体とする第1多孔質層と、耐熱温度が200℃以上の無機微粒子を主体として含む第2多孔質層とを含む請求項1に記載の非水二次電池。
  20. 前記無機微粒子が、アルミナ、シリカおよびベーマイトよりなる群から選択される少なくとも1種の微粒子である請求項19に記載の非水二次電池。
JP2012544254A 2010-11-16 2011-11-15 非水二次電池 Pending JPWO2012067102A1 (ja)

Applications Claiming Priority (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2010255537 2010-11-16
JP2010255537 2010-11-16
JP2011034078 2011-02-21
JP2011034078 2011-02-21
PCT/JP2011/076273 WO2012067102A1 (ja) 2010-11-16 2011-11-15 非水二次電池

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JPWO2012067102A1 true JPWO2012067102A1 (ja) 2014-05-12

Family

ID=46084028

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2012544254A Pending JPWO2012067102A1 (ja) 2010-11-16 2011-11-15 非水二次電池

Country Status (5)

Country Link
US (1) US20130230770A1 (ja)
JP (1) JPWO2012067102A1 (ja)
KR (1) KR20130143083A (ja)
CN (1) CN103262326A (ja)
WO (1) WO2012067102A1 (ja)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2019145343A (ja) * 2018-02-21 2019-08-29 株式会社Gsユアサ 非水電解質、非水電解質蓄電素子及び非水電解質蓄電素子の製造方法

Families Citing this family (51)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2726450B1 (en) * 2011-07-01 2017-12-06 Basf Se Ethers of bis(hydroxymethyl)cyclohexanes
WO2013031487A1 (ja) * 2011-08-26 2013-03-07 三洋化成工業株式会社 負極用添加剤、負極、重合被膜の形成方法、リチウム二次電池及びリチウムイオンキャパシタ
JP2013098034A (ja) * 2011-11-01 2013-05-20 Kaneka Corp 非水電解質二次電池
CN103782415A (zh) * 2012-03-23 2014-05-07 株式会社东芝 非水电解质二次电池用负极、非水电解质二次电池以及电池包
JP5708598B2 (ja) * 2012-08-31 2015-04-30 Tdk株式会社 リチウムイオン二次電池用非水電解液及びリチウムイオン二次電池
JP5708597B2 (ja) * 2012-08-31 2015-04-30 Tdk株式会社 リチウムイオン二次電池用非水電解液及びリチウムイオン二次電池
CN104620434B (zh) * 2012-09-26 2017-06-27 三洋电机株式会社 非水电解质二次电池
CN104620433B (zh) 2012-10-31 2017-02-08 三洋电机株式会社 非水电解质二次电池
JP6237094B2 (ja) * 2012-12-18 2017-11-29 信越化学工業株式会社 非水電解質二次電池用負極及びその製造方法、ならびにリチウムイオン二次電池
US9040203B2 (en) * 2013-01-16 2015-05-26 Samsung Sdi Co., Ltd. Lithium battery
CN105103340B (zh) * 2013-03-26 2018-04-03 日产自动车株式会社 非水电解质二次电池
KR101903827B1 (ko) * 2013-07-31 2018-11-07 한양대학교 산학협력단 전이금속 복합 산화물의 제조 방법 및 이에 의하여 제조된 전이금속 복합 산화물 및 이를 이용하여 제조된 리튬 복합 산화물
JPWO2015025915A1 (ja) * 2013-08-23 2017-03-02 日本電気株式会社 二次電池
KR20150047947A (ko) * 2013-10-25 2015-05-06 삼성에스디아이 주식회사 리튬 이차 전지
JP2015115244A (ja) * 2013-12-13 2015-06-22 株式会社Gsユアサ リチウム二次電池用正極、リチウム二次電池、バッテリーモジュール、及びバッテリーモジュールを搭載した自動車
JP6312489B2 (ja) * 2014-03-27 2018-04-18 オートモーティブエナジーサプライ株式会社 非水電解質電池及びその製造方法
WO2015170786A1 (ko) 2014-05-08 2015-11-12 삼성에스디아이(주) 유기전해액 및 상기 전해액을 채용한 리튬전지
JP6600944B2 (ja) * 2015-01-08 2019-11-06 株式会社Gsユアサ リチウム二次電池
JP2016157525A (ja) * 2015-02-23 2016-09-01 株式会社カネカ 第一級及び/または第二級アミン化合物を含む非水電解質を有する非水電解質二次電池
CN107431197B (zh) * 2015-03-31 2020-08-21 株式会社Lg化学 非水电解质及包含该非水电解质的锂二次电池
CN106711400A (zh) * 2015-11-17 2017-05-24 宁德新能源科技有限公司 正极片及二次电池
JP6658079B2 (ja) * 2016-02-25 2020-03-04 三菱ケミカル株式会社 非水系電解液及びそれを用いた非水系電解液二次電池
JP6820673B2 (ja) * 2016-06-13 2021-01-27 サン電子工業株式会社 電解コンデンサ及び電解コンデンサ用電解液
CN105958110A (zh) * 2016-06-14 2016-09-21 宁德新能源科技有限公司 一种电解液及含有该电解液的二次电池
KR101864710B1 (ko) * 2016-06-28 2018-06-07 한국과학기술연구원 크라운 에테르 첨가제를 포함하는 레독스 플로우 전지용 전해액 및 이의 제조 방법
CN116053451A (zh) 2016-07-05 2023-05-02 株式会社半导体能源研究所 锂离子二次电池
JP6759936B2 (ja) * 2016-09-28 2020-09-23 日産自動車株式会社 非水電解質二次電池、および負極ユニット
DE202017007622U1 (de) 2016-10-12 2023-09-13 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Positivelektrodenaktivmaterialteilchen
CN107093750A (zh) * 2017-04-27 2017-08-25 高延敏 一种组合物及其用途以及锌锰电池
CN111682188A (zh) 2017-05-12 2020-09-18 株式会社半导体能源研究所 正极活性物质粒子
CN111900358A (zh) 2017-05-19 2020-11-06 株式会社半导体能源研究所 正极活性物质以及二次电池
CN110337744A (zh) 2017-06-26 2019-10-15 株式会社半导体能源研究所 正极活性物质的制造方法及二次电池
JP7038500B2 (ja) * 2017-07-31 2022-03-18 ビークルエナジージャパン株式会社 リチウム二次電池及びその製造方法
JP7455498B2 (ja) 2017-11-29 2024-03-26 株式会社Gsユアサ 非水電解質、非水電解質蓄電素子及び非水電解質蓄電素子の製造方法
US11923545B2 (en) * 2020-01-22 2024-03-05 Enevate Corporation Crown ethers as additives for silicon-based Li-ion batteries
WO2019156160A1 (ja) * 2018-02-09 2019-08-15 株式会社村田製作所 リチウムイオン二次電池用電解液およびリチウムイオン二次電池
CN108987806B (zh) * 2018-07-18 2020-01-14 石家庄圣泰化工有限公司 环状硼酸酐于电池电解液中的应用
US20220006069A1 (en) * 2018-10-30 2022-01-06 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Secondary battery
CN111755746B (zh) * 2019-03-26 2022-03-18 比亚迪股份有限公司 一种锂离子电池电解液及锂离子电池
BR112022019431A2 (pt) * 2020-03-27 2022-12-06 Univ Texas Materiais de cátodo de alta energia com baixo cobalto e sem cobalto para baterias de lítio
CN112054241B (zh) * 2020-10-15 2022-06-21 广州天赐高新材料股份有限公司 一种含氟磺酸酯电解液添加剂和含有该添加剂的电解液及锂离子电池
CN112151866B (zh) * 2020-10-19 2022-08-30 珠海冠宇电池股份有限公司 一种锂离子电池用电解液及包括该电解液的锂离子电池
CN112259791A (zh) * 2020-10-27 2021-01-22 惠州亿纬锂能股份有限公司 一种非水电解液及其制备方法和锂离子电池
KR20220056576A (ko) * 2020-10-28 2022-05-06 현대자동차주식회사 리튬 이차전지용 전해액 및 이를 포함하는 리튬 이차전지
EP4261953A1 (en) * 2021-01-26 2023-10-18 GS Yuasa International Ltd. Power storage element and negative electrode for power storage elements
CN113013491A (zh) * 2021-03-16 2021-06-22 广州天赐高新材料股份有限公司 电解液添加剂、电解液及锂离子电池
US20220311052A1 (en) 2021-03-24 2022-09-29 Lg Energy Solution, Ltd. Non-Aqueous Electrolyte Solution for Lithium Secondary Battery and Lithium Secondary Battery Comprising Same
KR102622344B1 (ko) * 2021-08-20 2024-01-09 주식회사 엘지에너지솔루션 리튬 이차전지용 비수 전해액 및 이를 포함하는 리튬 이차전지
WO2023097432A1 (zh) * 2021-11-30 2023-06-08 宁德时代新能源科技股份有限公司 正极浆料及由其制备的二次电池
KR102566019B1 (ko) * 2021-12-20 2023-08-10 주식회사 엘지에너지솔루션 리튬 이차전지
CN114583279B (zh) * 2022-05-06 2022-08-02 华中科技大学 一种具有催化补锂剂分解的电解液添加剂及其应用

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH09213348A (ja) * 1996-01-31 1997-08-15 Sanyo Electric Co Ltd 非水系電解液電池
JPH09237624A (ja) * 1996-02-27 1997-09-09 Sanyo Electric Co Ltd リチウム電池
JPH1021913A (ja) * 1996-07-05 1998-01-23 Hitachi Ltd 可逆的に複数回の充放電が可能な電池
JP4326041B2 (ja) * 1997-05-15 2009-09-02 エフエムシー・コーポレイション ドープされた層間化合物およびその作製方法
JP2000268879A (ja) * 1999-03-18 2000-09-29 Hitachi Ltd リチウム二次電池
JP2001273927A (ja) * 2000-03-28 2001-10-05 Ngk Insulators Ltd リチウム二次電池
JP2002083629A (ja) * 2000-07-04 2002-03-22 Mitsui Chemicals Inc 非水電解液およびそれを用いた二次電池
JP2002231305A (ja) * 2001-01-30 2002-08-16 Denso Corp 電池用電解液および非水電解液電池
JP2006127823A (ja) * 2004-10-27 2006-05-18 Sony Corp 電池および正極の製造方法
JP5116303B2 (ja) * 2006-01-24 2013-01-09 三洋電機株式会社 非水電解質二次電池
WO2008029922A1 (fr) * 2006-09-07 2008-03-13 Hitachi Maxell, Ltd. Séparateur de batterie, son procédé de fabrication et batterie secondaire au lithium
JP5340860B2 (ja) * 2008-09-03 2013-11-13 三洋化成工業株式会社 電解液用添加剤
JP2010118337A (ja) * 2008-10-15 2010-05-27 Sanyo Chem Ind Ltd 電解液用添加剤

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2019145343A (ja) * 2018-02-21 2019-08-29 株式会社Gsユアサ 非水電解質、非水電解質蓄電素子及び非水電解質蓄電素子の製造方法

Also Published As

Publication number Publication date
US20130230770A1 (en) 2013-09-05
WO2012067102A1 (ja) 2012-05-24
CN103262326A (zh) 2013-08-21
KR20130143083A (ko) 2013-12-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2012067102A1 (ja) 非水二次電池
KR101485382B1 (ko) 리튬 이차 전지
JP3797197B2 (ja) 非水電解質二次電池
JP6253411B2 (ja) リチウム二次電池
JP2013222612A (ja) 非水二次電池
WO2008035707A1 (fr) Electrode, procede de fabrication associe et batterie
JP5522844B2 (ja) 電気化学素子用電極およびリチウムイオン二次電池
JP2011233245A (ja) リチウム二次電池
JP2008218385A (ja) 電極およびその形成方法ならびに電池
TW201330350A (zh) 鋰蓄電池
WO2015041167A1 (ja) 非水二次電池
KR20190039425A (ko) 리튬 이온 이차 전지 및 그 제조 방법
KR20160112947A (ko) 전극, 비수전해질 전지 및 전지 팩
US20210249690A1 (en) Method for producing non-aqueous electrolyte solution, non-aqueous electrolyte solution, and non-aqueous electrolyte secondary battery
JP2013118069A (ja) リチウム二次電池
JP5793411B2 (ja) リチウム二次電池
JP2015195195A (ja) 非水電解質二次電池
JP2009212021A (ja) 電気化学素子用電極、非水二次電池および電池システム
JP5566825B2 (ja) リチウム二次電池
JP2009176519A (ja) 非水電解質電池および電極ならびにそれらの製造方法
JP2013077425A (ja) 正極材料、これを用いたリチウムイオン二次電池、及び正極材料の製造方法
JP2002237331A (ja) リチウム二次電池
JPWO2014103755A1 (ja) 非水電解質二次電池
US10944111B2 (en) Electrode for lithium ion secondary battery and lithium ion secondary battery using the same
JP5565391B2 (ja) 電極活物質、当該電極活物質の製造方法、及び当該電極活物質を含むリチウム二次電池