JPWO2014171518A1 - Lithium ion secondary battery - Google Patents
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Abstract
リチウムの吸蔵放出が可能な正極および負極と、リチウムイオンを含有する非水電解質とを有するリチウムイオン二次電池であって、前記非水電解質は、プロピレンカーボネート、一般式(1)で示されるフッ素化環状カーボネート、並びに、フッ素含有リン酸エステルおよびフッ素化鎖状エーテルから選択される1種以上を含有し、前記プロピレンカーボネートの含有率は非水電解質溶媒中1体積%以上50体積%以下であり、前記フッ素化環状カーボネートの含有率は非水電解溶媒中0.1体積%以上10体積%以下であることを特徴とするリチウムイオン二次電池に関する。本発明によれば、低温特性に優れ、ガス発生が抑制された二次電池を提供することができる。A lithium ion secondary battery having a positive electrode and a negative electrode capable of occluding and releasing lithium, and a non-aqueous electrolyte containing lithium ions, wherein the non-aqueous electrolyte is propylene carbonate, fluorine represented by the general formula (1) Containing one or more selected from a fluorinated cyclic carbonate, and a fluorine-containing phosphate ester and a fluorinated chain ether, and the content of the propylene carbonate is 1% by volume to 50% by volume in the nonaqueous electrolyte solvent Further, the present invention relates to a lithium ion secondary battery, wherein the content of the fluorinated cyclic carbonate is 0.1% by volume or more and 10% by volume or less in the nonaqueous electrolytic solvent. ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the secondary battery which was excellent in the low temperature characteristic and the gas generation was suppressed can be provided.
Description
本発明は、二次電池、詳細にはリチウムイオン二次電池に関し、より詳細には、二次電池用電解液、これを用いたリチウムイオン二次電池およびその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a secondary battery, in particular, a lithium ion secondary battery, and more particularly to an electrolyte for a secondary battery, a lithium ion secondary battery using the same, and a method for manufacturing the same.
リチウム二次電池は、携帯型電子機器やパソコン等の用途に広く利用されている。リチウム二次電池には難燃性等の安全性の向上が求められ、以下の文献に記載されるようにリン酸エステル化合物や環状カーボネートを含む電解液を用いた二次電池が提案されている。 Lithium secondary batteries are widely used in applications such as portable electronic devices and personal computers. Lithium secondary batteries are required to have improved safety such as flame retardancy, and secondary batteries using an electrolytic solution containing a phosphate ester compound or a cyclic carbonate have been proposed as described in the following documents. .
特許文献1には、リン酸エステル化合物と、ハロゲンを含有する環状炭酸エステルと、鎖状炭酸エステルと、リチウム塩とからなる電解液を用いた二次電池が開示されている。特許文献1には、この電解液を用いることで安全性を高めることができることや、炭素負極と電解液の組み合わせで不可逆容量を低減できることが示されている。
また、特許文献2には、フルオロエチレンカーボネート、これに溶解したアルカリ金属、及びプロピレンカーボネートの溶液を含むアルカリ金属イオン二次電池用の電解質が開示され、この電解質を用いることによって、二次電池の不可逆容量損失及び電池の効率低下を抑制することができることが示されている。
Further,
特許文献3には、リン酸エステルを混合させることによって、負極にリチウム金属が析出した場合においても高い安全性を確保することができることが示されている。
特許文献4には、リン酸エステルと、環状カーボネートと、ビニレンカーボネート化合物またはビニルエチレンカーボネート化合物のいずれかと、を含む電解液を使った二次電池が開示されている。
特許文献5においては、フッ素を含有するリン酸エステルを含む電解液を有する二次電池が開示されている。
In
特許文献6および特許文献7には、式R1O−(R2O)n−R3(R1、R3:ハロゲン原子で置換されていてもよい炭素数1〜8のアルキル基、R2:ハロゲン原子で置換されていてもよい炭素数1〜8のアルキレン基、ただしR1、R2およびR3の内少なくとも一つはハロゲン原子で置換されていなくてはならない、1≦n≦4)で表されるグリコールジエーテルを含有する電解液を用いた二次電池が開示されている。さらに、特許文献6および特許文献7には、リン酸エステルを電解液に含有させることが開示されているが、フッ素化リン酸エステルに関する記載はない。
また、リチウム二次電池においては、安全性が求められる一方で、電池のエネルギー密度の向上が重要な技術的課題となっている。 Further, in the lithium secondary battery, safety is required, but improvement of the energy density of the battery is an important technical problem.
リチウム二次電池のエネルギー密度を高める方法としては幾つかの方法が考えられるが、その中でも電池の動作電位を上昇させることが有効である。従来のコバルト酸リチウムやマンガン酸リチウムを正極活物質として用いたリチウム二次電池では、動作電位は何れも4V級(平均動作電位=3.6〜3.8V:対リチウム電位)となる。これは、CoイオンもしくはMnイオンの酸化還元反応(Co3+←→Co4+もしくはMn3+←→Mn4+)によって発現電位が規定されるためである。Several methods are conceivable as methods for increasing the energy density of the lithium secondary battery. Among them, it is effective to increase the operating potential of the battery. In a lithium secondary battery using conventional lithium cobaltate or lithium manganate as a positive electrode active material, the operating potential is 4V class (average operating potential = 3.6 to 3.8V: lithium potential). This is because the expression potential is defined by the redox reaction of Co ions or Mn ions (Co 3+ ← → Co 4+ or Mn 3+ ← → Mn 4+ ).
これに対し、たとえばマンガン酸リチウムのMnをNi等により置換したスピネル化合物を活物質として用いることにより、5V級の動作電位を実現できることが知られている。具体的には、特許文献8のように、LiNi0.5Mn1.5O4等のスピネル化合物が4.5V以上の領域に電位プラトーを示すことが知られている。こうしたスピネル化合物において、Mnは4価の状態で存在し、Mn3+←→Mn4+の酸化還元に代わってNi2+←→Ni4+の酸化還元によって動作電位が規定される。On the other hand, for example, it is known that an operating potential of 5 V class can be realized by using, as an active material, a spinel compound in which Mn of lithium manganate is substituted with Ni or the like. Specifically, as in
LiNi0.5Mn1.5O4は容量が130mAh/g以上であり、平均動作電圧は金属リチウムに対して4.6V以上である。容量としてはLiCoO2より小さいものの、電池のエネルギー密度はLiCoO2よりも高い。このような理由からLiNi0.5Mn1.5O4は、将来の正極材料として有望である。LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 has a capacity of 130 mAh / g or more and an average operating voltage of 4.6 V or more with respect to metallic lithium. Although the capacity is smaller than LiCoO 2 , the energy density of the battery is higher than LiCoO 2 . For these reasons, LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 is promising as a future positive electrode material.
前述の環状カーボネートのなかで、エチレンカーボネート(EC)は誘電率が90と非常に大きく、リチウム塩を電離させ電気を運ぶイオンを生成する効果が大きいことが知られている。しかし、エチレンカーボネートは融点が37℃と高く、単体では電池の使用温度で固体であることから、低温でリチウムイオンが移動しにくくなる原因になる可能性や、析出して特性に影響する可能性が予想された。これに対し、プロピレンカーボネート(PC)は誘電率が65とかなり大きく、融点が−49℃であることから、低温でも析出することはなく、リチウム塩の電離とイオンの移動性を維持できる可能性がある。 Among the aforementioned cyclic carbonates, ethylene carbonate (EC) has a very large dielectric constant of 90, and is known to have a great effect of ionizing lithium salt to generate ions that carry electricity. However, since ethylene carbonate has a high melting point of 37 ° C. and is a solid at the operating temperature of the battery alone, it can cause lithium ions to become difficult to move at low temperatures, and can precipitate and affect the characteristics. Was expected. In contrast, propylene carbonate (PC) has a fairly large dielectric constant of 65 and a melting point of −49 ° C., so it does not precipitate even at low temperatures, and can maintain the ionization of lithium salts and the mobility of ions. There is.
しかし、プロピレンカーボネートは一般的な負極材料として用いられる炭素と反応して、負極電極を劣化させたり、ガスを発生させたりすることが知られている。 However, it is known that propylene carbonate reacts with carbon used as a general negative electrode material to degrade the negative electrode or generate gas.
一方、正極活物質としては、上述の特許文献1〜7に開示されているように、LiMn2O4あるいはLiCoO2などの4V級の材料がある。また、特許文献8に開示されているように、LiNi0.5Mn1.5O4等のスピネル化合物等を正極活物質として用いると、より高い動作電圧が得られる。しかし、高い動作電圧下では、PCと負極の反応がより進行しやすくなってしまう。この反応によってガスが発生するため、サイクル動作においてセルの内圧が高くなったり、ラミネートセルの膨れが生じたりする等、実使用上の問題が生じる。また、電解液の分解と負極電極の劣化により、容量やサイクル特性が低下するという問題もあった。On the other hand, as the positive electrode active material, there is a 4V class material such as LiMn 2 O 4 or LiCoO 2 as disclosed in
本発明は、低温特性に優れ、ガス発生が抑制されたリチウム二次電池を提供することを目的とする。 An object of this invention is to provide the lithium secondary battery which was excellent in the low temperature characteristic and the gas generation was suppressed.
本発明の一態様は、
リチウムの吸蔵放出が可能な正極および負極と、リチウムイオンを含有する非水電解質とを有するリチウムイオン二次電池であって、
前記非水電解質は
プロピレンカーボネート、
一般式(1)で示されるフッ素化環状カーボネート、並びに、
フッ素含有リン酸エステルおよびフッ素化鎖状エーテルから選択される1種以上
を含有し、
前記プロピレンカーボネートの含有率は非水電解溶媒中1体積%以上50体積%以下であり、前記フッ素化環状カーボネートの含有率は非水電解溶媒中0.1体積%以上10体積%以下であることを特徴とするリチウムイオン二次電池に関する。One embodiment of the present invention provides:
A lithium ion secondary battery having a positive electrode and a negative electrode capable of occluding and releasing lithium, and a non-aqueous electrolyte containing lithium ions,
The non-aqueous electrolyte is propylene carbonate,
A fluorinated cyclic carbonate represented by the general formula (1), and
Containing one or more selected from fluorine-containing phosphate esters and fluorinated chain ethers,
The content of the propylene carbonate is 1% by volume to 50% by volume in the nonaqueous electrolytic solvent, and the content of the fluorinated cyclic carbonate is 0.1% by volume to 10% by volume in the nonaqueous electrolytic solvent. The present invention relates to a lithium ion secondary battery.
本発明によれば、低温特性に優れ、ガス発生が抑制されたリチウムイオン二次電池を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a lithium ion secondary battery that has excellent low-temperature characteristics and gas generation is suppressed.
本実施形態のリチウム二次電池は、正極と、負極と、非水電解溶媒を含む電解液とを有する。非水電解溶媒は、プロピレンカーボネート(以下、PCとも記載)、上記式(1)で表されるフッ素化環状カーボネート、並びに、フッ素含有リン酸エステルおよびフッ素化鎖状エーテルから選択される1種以上を含んでいる。本実施形態のリチウム二次電池において、4V級(例えば、平均動作電位が3.6〜3.8V:対リチウム電位)で動作する正極活物質を用いてもよく、また、リチウムに対して4.5V以上の電位で動作する正極活物質を用いてもよい。負極活物質としては炭素を含むことが好ましい。 The lithium secondary battery of this embodiment has a positive electrode, a negative electrode, and an electrolytic solution containing a nonaqueous electrolytic solvent. The nonaqueous electrolytic solvent is one or more selected from propylene carbonate (hereinafter also referred to as PC), a fluorinated cyclic carbonate represented by the above formula (1), and a fluorine-containing phosphate ester and a fluorinated chain ether. Is included. In the lithium secondary battery of this embodiment, a positive electrode active material that operates at a 4 V class (for example, an average operating potential of 3.6 to 3.8 V: with respect to lithium potential) may be used. A positive electrode active material that operates at a potential of 5 V or higher may be used. The negative electrode active material preferably contains carbon.
(電解液)
非水電解質(以下、「電解液」または「非水電解液」とも記載する)は、支持塩および非水電解溶媒を含み、非水電解溶媒はプロピレンカーボネート、上記式(1)で表されるフッ素化環状カーボネート、並びに、フッ素含有リン酸エステルおよびフッ素化鎖状エーテルから選択される1種以上を含む。(Electrolyte)
The nonaqueous electrolyte (hereinafter also referred to as “electrolytic solution” or “nonaqueous electrolytic solution”) includes a supporting salt and a nonaqueous electrolytic solvent, and the nonaqueous electrolytic solvent is represented by propylene carbonate, the above formula (1). Fluorinated cyclic carbonate, and at least one selected from fluorine-containing phosphate esters and fluorinated chain ethers are included.
本実施形態において、非水電解溶媒はプロピレンカーボネート(PC)を含む。非水電解溶媒に含まれるPCの含有率は、特に制限されるものではないが、非水電解溶媒中1体積%以上50体積%以下であることが好ましい。PCの非水電解溶媒中の含有率が1体積%以上であるとリチウム塩の電離を高める効果がより向上し、5体積%以上であることがより好ましい。プロピレンカーボネート(PC)は炭素と反応し負極電極の劣化やガスを発生させる可能性があるため、一般に、PCを非水電解溶媒に用いることは困難とされている。しかし、本発明の非水電解溶媒においてはPCと炭素との反応が抑制されるため、非水電解溶媒中のPCの含有率が50体積%以下であれば炭素を含む負極との反応を少なくすることができる。PCの含有率は、非水電解溶媒中40体積%以下がより好ましく、30体積%以下がさらに好ましい。 In this embodiment, the nonaqueous electrolytic solvent includes propylene carbonate (PC). Although the content rate of PC contained in a nonaqueous electrolytic solvent is not restrict | limited in particular, It is preferable that they are 1 volume% or more and 50 volume% or less in a nonaqueous electrolytic solvent. When the content of PC in the nonaqueous electrolytic solvent is 1% by volume or more, the effect of increasing the ionization of the lithium salt is further improved, and it is more preferably 5% by volume or more. Since propylene carbonate (PC) may react with carbon to cause deterioration of the negative electrode or generate gas, it is generally difficult to use PC as a nonaqueous electrolytic solvent. However, since the reaction between PC and carbon is suppressed in the nonaqueous electrolytic solvent of the present invention, the reaction with the negative electrode containing carbon is reduced if the PC content in the nonaqueous electrolytic solvent is 50% by volume or less. can do. The content of PC is more preferably 40% by volume or less in the nonaqueous electrolytic solvent, and further preferably 30% by volume or less.
本実施形態において、非水電解溶媒は下記式(1)で表されるフッ素化環状カーボネートを含む。 In this embodiment, the nonaqueous electrolytic solvent contains a fluorinated cyclic carbonate represented by the following formula (1).
式(1)において、A、B、CまたはDで表されるアルキル基の炭素数は、1以上4以下であることが好ましく、1以上3以下であることがより好ましい。アルキル基の炭素数が4以下であると、電解液の粘度の増加が抑えられ、電解液が電極やセパレータ内の細孔に浸み込み易くなるとともに、イオン伝導性が向上し、電池の充放電特性において電流値が良好になるためである。 In Formula (1), the number of carbon atoms of the alkyl group represented by A, B, C, or D is preferably 1 or more and 4 or less, and more preferably 1 or more and 3 or less. When the carbon number of the alkyl group is 4 or less, the increase in the viscosity of the electrolytic solution is suppressed, and the electrolytic solution can easily penetrate into the pores in the electrode and the separator, and the ion conductivity is improved. This is because the current value becomes favorable in the discharge characteristics.
フッ素含有アルキル基とは、少なくともひとつの水素原子がフッ素原子で置換されたアルキル基を表し、フッ素原子の置換数および位置は任意である。本実施形態において、AからDの少なくとも1つは、フッ素原子、または、対応する無置換のアルキル基が有する水素原子の50%以上がフッ素原子に置換されたフッ素含有アルキル基であることが好ましい。また、AからDの全てがフッ素原子またはフッ素含有アルキル基であり、このAからDが、フッ素原子、または対応する無置換のアルキル基の水素原子の50%以上がフッ素原子に置換されたフッ素含有アルキル基であることも好ましい。フッ素原子の含有率が多いと、耐電圧性がより向上し、リチウムに対して4.5V以上の電位で動作する正極活物質を用いた場合でも、サイクル後における電池容量の劣化をより低減することできるからである。 The fluorine-containing alkyl group represents an alkyl group in which at least one hydrogen atom is substituted with a fluorine atom, and the number and position of substitution of the fluorine atom are arbitrary. In the present embodiment, at least one of A to D is preferably a fluorine atom or a fluorine-containing alkyl group in which 50% or more of the hydrogen atoms of the corresponding unsubstituted alkyl group are substituted with fluorine atoms. . Further, all of A to D are fluorine atoms or fluorine-containing alkyl groups, and A to D are fluorine atoms or fluorine atoms in which 50% or more of the hydrogen atoms of the corresponding unsubstituted alkyl group are substituted with fluorine atoms. A containing alkyl group is also preferred. When the content of fluorine atoms is large, the voltage resistance is further improved, and even when a positive electrode active material that operates at a potential of 4.5 V or higher with respect to lithium is used, the deterioration of battery capacity after cycling is further reduced. Because it can.
また、AからDは、フッ素原子の他に置換基を有していても良く、置換基としては、アミノ基、カルボキシ基、ヒドロキシ基、シアノ基、およびハロゲン原子(例えば、塩素原子、臭素原子)からなる群より選ばれる少なくとも1種が挙げられる。なお、上記の炭素数は置換基も含む概念である。 A to D may have a substituent in addition to the fluorine atom. Examples of the substituent include an amino group, a carboxy group, a hydroxy group, a cyano group, and a halogen atom (for example, a chlorine atom, a bromine atom). ) At least one selected from the group consisting of: In addition, said carbon number is the concept also including a substituent.
フッ素化環状カーボネートとしては、例えば、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ブチレンカーボネート(BC)等の一部または全部の水素原子をフッ素原子に置換した化合物等を挙げることができる。例えば、エチレンカーボネート(EC)の水素の1つをフッ素に置換した4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オン(FEC)、2つをフッ素に置換した(cisまたはtrans)4,5−ジフルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オン、4,4−ジフルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オン、4つをフッ素に置換した4,4,5,5−テトラフルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オン、また、プロピレンカーボネート(PC)の水素の1つをフッ素に置換した4−フルオロメチル−1,3−ジオキソラン−2−オン、4−フルオロ−5−メチル−1,3−ジオキソラン−2−オンや4−フルオロ−4−メチル−1,3−ジオキソラン−2−オン、3つをフッ素に置換した3,3,3−トリフルオロプロピレンカーボネート(FPC)等が挙げられる。 Examples of the fluorinated cyclic carbonate include compounds in which some or all of the hydrogen atoms such as ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), butylene carbonate (BC) are substituted with fluorine atoms. For example, 4-fluoro-1,3-dioxolan-2-one (FEC) in which one hydrogen of ethylene carbonate (EC) is substituted by fluorine, and two in which fluorine is substituted (cis or trans) 4,5- 4,4,5,5-tetrafluoro-1,3-difluoro-1,3-dioxolan-2-one, 4,4-difluoro-1,3-dioxolan-2-one, four substituted with fluorine Dioxolan-2-one and 4-fluoromethyl-1,3-dioxolan-2-one, 4-fluoro-5-methyl-1,3-, in which one of the hydrogen atoms of propylene carbonate (PC) is substituted with fluorine Dioxolan-2-one, 4-fluoro-4-methyl-1,3-dioxolan-2-one, 3,3,3-trifluoropropylene carbonate with three substituted fluorines (F C), and the like.
非水電解溶媒に含まれるフッ素化環状カーボネートの含有率は、特に制限されるものではないが、非水電解溶媒中0.1体積%以上10体積%以下が好ましい。フッ素化環状カーボネートの非水電解溶媒中の含有率が0.1体積%以上であると、PCと負極の反応を抑制する効果がより向上する。また、フッ素化環状カーボネートの非水電解溶媒中の含有率が10体積%以下であると、フッ素化環状カーボネート自体の分解反応によるガス発生を少なくできる。フッ素化環状カーボネートの非水電解溶媒中の含有率は、1体積%以上がより好ましく、1.5体積%以上がさらに好ましく、2体積%以上が特に好ましい。また、フッ素化環状カーボネートの非水電解溶媒中の含有率は、5体積%以下がより好ましい。 The content of the fluorinated cyclic carbonate contained in the nonaqueous electrolytic solvent is not particularly limited, but is preferably 0.1% by volume or more and 10% by volume or less in the nonaqueous electrolytic solvent. The effect which suppresses reaction of PC and a negative electrode improves more that the content rate in the nonaqueous electrolytic solvent of a fluorinated cyclic carbonate is 0.1 volume% or more. Further, when the content of the fluorinated cyclic carbonate in the nonaqueous electrolytic solvent is 10% by volume or less, gas generation due to the decomposition reaction of the fluorinated cyclic carbonate itself can be reduced. The content of the fluorinated cyclic carbonate in the nonaqueous electrolytic solvent is more preferably 1% by volume or more, further preferably 1.5% by volume or more, and particularly preferably 2% by volume or more. The content of the fluorinated cyclic carbonate in the nonaqueous electrolytic solvent is more preferably 5% by volume or less.
また、プロピレンカーボネート(PC)に対するフッ素化環状カーボネートの含有率は、2体積%以上であることが好ましく、4体積%以上がより好ましい。また、PCに対するフッ素化環状カーボネートの含有率は、40体積%以下であることが好ましく、20体積%以下がさらに好ましい。 Moreover, it is preferable that the content rate of the fluorinated cyclic carbonate with respect to propylene carbonate (PC) is 2 volume% or more, and 4 volume% or more is more preferable. Moreover, it is preferable that the content rate of the fluorinated cyclic carbonate with respect to PC is 40 volume% or less, and 20 volume% or less is still more preferable.
本実施形態において、非水電解溶媒は、上記フッ素化環状カーボネートに加え、下記式(2)で表されるフッ素含有リン酸エステルおよび下記式(4)で表されるフッ素化鎖状エーテルから選ばれる少なくとも一種を含み、二種以上を含んでも良い。以下、各化合物について説明する。 In the present embodiment, the non-aqueous electrolytic solvent is selected from the fluorine-containing phosphate ester represented by the following formula (2) and the fluorinated chain ether represented by the following formula (4) in addition to the fluorinated cyclic carbonate. May be included, and may include two or more. Hereinafter, each compound will be described.
本実施形態において、非水電解溶媒は、下記式(2)で表されるフッ素含有リン酸エステルを含むことができる。 In the present embodiment, the nonaqueous electrolytic solvent can include a fluorine-containing phosphate ester represented by the following formula (2).
フッ素含有アルキル基とは、少なくとも1つのフッ素原子を有するアルキル基である。式(2)において、R1、R2およびR3の炭素数は、それぞれ独立に、1〜3であることが好ましい。R1、R2およびR3の少なくとも1つは、対応する無置換のアルキル基が有する水素原子の50%以上がフッ素原子に置換されたフッ素含有アルキル基であることが好ましい。また、R1、R2およびR3の全てがフッ素含有アルキル基であり、このR1、R2およびR3が対応する無置換のアルキル基の水素原子の50%以上がフッ素原子に置換されたフッ素含有アルキル基であることがより好ましい。フッ素原子の含有率が多いと、耐電圧性がより向上し、リチウムに対して4.5V以上の電位で動作する正極活物質を用いた場合でも、サイクル後における電池容量の劣化をより低減することできるからである。また、フッ素含有アルキル基における水素原子を含む置換基中のフッ素原子の比率は55%以上がより好ましい。The fluorine-containing alkyl group is an alkyl group having at least one fluorine atom. In the formula (2), the number of carbon atoms in
フッ素含有リン酸エステルは引火性が低く、また反応性が低い溶媒である。フッ素含有リン酸エステルとしては、特に限定されないが、例えば、リン酸トリス(トリフルオロメチル)、リン酸トリス(トリフルオロエチル)、リン酸トリス(テトラフルオロプロピル)、リン酸トリス(ペンタフルオロプロピル)、リン酸トリス(ヘプタフルオロブチル)、リン酸トリス(オクタフルオロペンチル)等が挙げられる。また、フッ素含有リン酸エステルとしては、例えば、リン酸トリフルオロエチルジメチル、リン酸ビス(トリフルオロエチル)メチル、リン酸ビストリフルオロエチルエチル、リン酸ペンタフルオロプロピルジメチル、リン酸ヘプタフルオロブチルジメチル、リン酸トリフルオロエチルメチルエチル、リン酸ペンタフルオロプロピルメチルエチル、リン酸ヘプタフルオロブチルメチルエチル、リン酸トリフルオロエチルメチルプロピル、リン酸ペンタフルオロプロピルメチルプロピル、リン酸ヘプタフルオロブチルメチルプロピル、リン酸トリフルオロエチルメチルブチル、リン酸ペンタフルオロプロピルメチルブチル、リン酸ヘプタフルオロブチルメチルブチル、リン酸トリフルオロエチルジエチル、リン酸ペンタフルオロプロピルジエチル、リン酸ヘプタフルオロブチルジエチル、リン酸トリフルオロエチルエチルプロピル、リン酸ペンタフルオロプロピルエチルプロピル、リン酸ヘプタフルオロブチルエチルプロピル、リン酸トリフルオロエチルエチルブチル、リン酸ペンタフルオロプロピルエチルブチル、リン酸ヘプタフルオロブチルエチルブチル、リン酸トリフルオロエチルジプロピル、リン酸ペンタフルオロプロピルジプロピル、リン酸ヘプタフルオロブチルジプロピル、リン酸トリフルオロエチルプロピルブチル、リン酸ペンタフルオロプロピルプロピルブチル、リン酸ヘプタフルオロブチルプロピルブチル、リン酸トリフルオロエチルジブチル、リン酸ペンタフルオロプロピルジブチル、リン酸ヘプタフルオロブチルジブチル等が挙げられる。リン酸トリス(テトラフルオロプロピル)としては、例えば、リン酸トリス(2,2,3,3−テトラフルオロプロピル)が挙げられる。リン酸トリス(ペンタフルオロプロピル)としては、例えば、リン酸トリス(2,2,3,3,3−ペンタフルオロプロピル)が挙げられる。リン酸トリス(トリフルオロエチル)としては、例えば、リン酸トリス(2,2,2−トリフルオロエチル)(以下、TTFEPとも略す)等が挙げられる。リン酸トリス(ヘプタフルオロブチル)としては、例えば、リン酸トリス(1H,1H−ヘプタフルオロブチル)等が挙げられる。リン酸トリス(オクタフルオロペンチル)としては、例えば、リン酸トリス(1H,1H,5H−オクタフルオロペンチル)等が挙げられる。これらの中でも、高電位における電解液分解の抑制効果が高いことから、下記式(3)で表されるリン酸トリス(2,2,2−トリフルオロエチル)(TTFEP)が好ましい。フッ素含有リン酸エステルは、一種を単独でまたは二種以上を併用して用いることができる。 Fluorine-containing phosphate ester is a solvent having low flammability and low reactivity. Although it does not specifically limit as a fluorine-containing phosphate ester, For example, phosphoric acid tris (trifluoromethyl), phosphoric acid tris (trifluoroethyl), phosphoric acid tris (tetrafluoropropyl), phosphoric acid tris (pentafluoropropyl) , Tris phosphate (heptafluorobutyl), tris phosphate (octafluoropentyl) and the like. Examples of the fluorine-containing phosphate ester include trifluoroethyldimethyl phosphate, bis (trifluoroethyl) methyl phosphate, bistrifluoroethylethyl phosphate, pentafluoropropyldimethyl phosphate, heptafluorobutyldimethyl phosphate, Trifluoroethylmethyl ethyl phosphate, pentafluoropropylmethyl ethyl phosphate, heptafluorobutylmethyl ethyl phosphate, trifluoroethyl methyl propyl phosphate, pentafluoropropyl methyl propyl phosphate, heptafluorobutyl methyl propyl phosphate, phosphoric acid Trifluoroethylmethylbutyl, pentafluoropropylmethylbutyl phosphate, heptafluorobutylmethylbutyl phosphate, trifluoroethyldiethyl phosphate, pentafluoropropyldiethyl phosphate , Heptafluorobutyldiethyl phosphate, trifluoroethylethylpropyl phosphate, pentafluoropropylethylpropyl phosphate, heptafluorobutylethylpropyl phosphate, trifluoroethylethylbutyl phosphate, pentafluoropropylethylbutyl phosphate, phosphoric acid Heptafluorobutylethylbutyl, trifluoroethyldipropyl phosphate, pentafluoropropyldipropyl phosphate, heptafluorobutyldipropyl phosphate, trifluoroethylpropylbutyl phosphate, pentafluoropropylpropylbutyl phosphate, heptafluorophosphate Examples thereof include butylpropylbutyl, trifluoroethyl dibutyl phosphate, pentafluoropropyl dibutyl phosphate, heptafluorobutyl dibutyl phosphate and the like. Examples of tris (tetrafluoropropyl) phosphate include tris (2,2,3,3-tetrafluoropropyl) phosphate. Examples of tris phosphate (pentafluoropropyl) include tris phosphate (2,2,3,3,3-pentafluoropropyl). Examples of tris (trifluoroethyl) phosphate include tris (2,2,2-trifluoroethyl) phosphate (hereinafter also abbreviated as TTFEP). Examples of tris phosphate (heptafluorobutyl) include tris phosphate (1H, 1H-heptafluorobutyl). Examples of tris phosphate (octafluoropentyl) include tris phosphate (1H, 1H, 5H-octafluoropentyl). Among these, tris (2,2,2-trifluoroethyl) phosphate (TTFEP) represented by the following formula (3) is preferable because the effect of suppressing decomposition of the electrolytic solution at a high potential is high. A fluorine-containing phosphate ester can be used individually by 1 type or in combination of 2 or more types.
非水電解溶媒に含まれるフッ素含有リン酸エステルの含有率は、特に制限されるものではないが、非水電解溶媒中、一般には0体積%以上95体積%以下であり、10体積%以上95体積%以下が好ましく、15体積%以上80体積%以下がより好ましく、20体積%以上70体積%以下がさらに好ましい。フッ素含有リン酸エステルの非水電解溶媒中の含有率が10体積%以上であると、耐電圧性を高める効果がより向上する。また、フッ素含有リン酸エステルの非水電解溶媒中の含有率が95体積%以下であると、電解液のイオン伝導性が向上して電池の充放電レートがより良好になる。 The content of the fluorine-containing phosphate ester contained in the nonaqueous electrolytic solvent is not particularly limited, but is generally 0% by volume or more and 95% by volume or less in the nonaqueous electrolytic solvent, and 10% by volume or more and 95%. Volume% or less is preferable, 15 volume% or more and 80 volume% or less are more preferable, and 20 volume% or more and 70 volume% or less are more preferable. When the content of the fluorine-containing phosphate ester in the nonaqueous electrolytic solvent is 10% by volume or more, the effect of increasing the voltage resistance is further improved. Moreover, the ion conductivity of electrolyte solution improves that the content rate in the nonaqueous electrolytic solvent of fluorine-containing phosphate ester is 95 volume% or less, and the charging / discharging rate of a battery becomes more favorable.
本実施形態において、非水電解溶媒はフッ素化鎖状エーテルを含むことができる。 In the present embodiment, the non-aqueous electrolytic solvent can contain a fluorinated chain ether.
フッ素化鎖状エーテルは、耐酸化性が高く、高電位で動作する正極を使用する場合に好ましく用いられる。その結果、充放電サイクルの容量維持率の向上やガス発生を低減することができる。 The fluorinated chain ether is preferably used when a positive electrode that has high oxidation resistance and operates at a high potential is used. As a result, it is possible to improve the capacity maintenance rate of the charge / discharge cycle and reduce gas generation.
フッ素化鎖状エーテルとしては、特に制限されるものではないが、例えば、1,2−エトキシエタン(DEE)またはエトキシメトキシエタン(EME)の一部または全部の水素原子をフッ素原子で置換した構造を有する化合物等が挙げられる。また、フッ素化鎖状エーテルとしては、具体的には、例えば、2,2,3,3,3−ペンタフルオロプロピル−1,1,2,2−テトラフルオロエチルエーテル、1,1,2,2−テトラフルオロエチル−2,2,2−トリフルオロエチルエーテル、1H,1H,2’H,3H−デカフルオロジプロピルエーテル、1,1,1,2,3,3−ヘキサフルオロプロピル−2,2−ジフルオロエチルエーテル、イソプロピル−1,1,2,2−テトラフルオロエチルエーテル、プロピル−1,1,2,2−テトラフルオロエチルエーテル、1,1,2,2−テトラフルオロエチル−2,2,3,3−テトラフルオロプロピルエーテル(TFETFPE)、1H,1H,5H−パーフルオロペンチル−1,1,2,2−テトラフルオロエチルエーテル、1H,1H,2’H−パーフルオロジプロピルエーテル、1H−パーフルオロブチル−1H−パーフルオロエチルエーテル、メチルパーフルオロペンチルエーテル、メチルパーフルオロへキシルエーテル、メチル−1,1,3,3,3−ペンタフルオロ−2−(トリフルオロメチル)プロピルエーテル、1,1,2,3,3,3−ヘキサフルオロプロピル−2,2,2−トリフルオロエチルエーテル、エチルノナフルオロブチルエーテル、エチル−1,1,2,3,3,3−ヘキサフルオロプロピルエーテル、1H,1H,5H−オクタフルオロペンチル−1,1,2,2−テトラフルオロエチルエーテル、1H,1H,2’H−パーフルオロジプロピルエーテル、ヘプタフルオロプロピル1,2,2,2‐テトラフルオロエチルエーテル、1,1,2,2−テトラフルオロエチル−2,2,3,3−テトラフルオロプロピルエーテル、2,2,3,3,3−ペンタフルオロプロピル−1,1,2,2−テトラフルオロエチルエーテル、エチルノナフルオロブチルエーテル、メチルノナフルオロブチルエーテル等が挙げられる。これらの中でも、耐電圧と沸点などの観点から、1,1,2,2−テトラフルオロエチル−2,2,3,3−テトラフルオロプロピルエーテル、1H,1H,2’H,3H−デカフルオロジプロピルエーテル、1H,1H,2’H−パーフルオロジプロピルエーテル、エチルノナフルオロブチルエーテル等が好ましい。 Although it does not restrict | limit especially as a fluorinated chain | strand ether, For example, the structure which substituted one part or all part hydrogen atom of 1, 2- ethoxyethane (DEE) or ethoxymethoxyethane (EME) with the fluorine atom And the like. Specific examples of the fluorinated chain ether include 2,2,3,3,3-pentafluoropropyl-1,1,2,2-tetrafluoroethyl ether, 1,1,2, 2-tetrafluoroethyl-2,2,2-trifluoroethyl ether, 1H, 1H, 2′H, 3H-decafluorodipropyl ether, 1,1,1,2,3,3-hexafluoropropyl-2 , 2-difluoroethyl ether, isopropyl-1,1,2,2-tetrafluoroethyl ether, propyl-1,1,2,2-tetrafluoroethyl ether, 1,1,2,2-tetrafluoroethyl-2 , 2,3,3-tetrafluoropropyl ether (TFETFPE), 1H, 1H, 5H-perfluoropentyl-1,1,2,2-tetrafluoroethyl ether 1H, 1H, 2′H-perfluorodipropyl ether, 1H-perfluorobutyl-1H-perfluoroethyl ether, methyl perfluoropentyl ether, methyl perfluorohexyl ether, methyl-1,1,3,3 , 3-pentafluoro-2- (trifluoromethyl) propyl ether, 1,1,2,3,3,3-hexafluoropropyl-2,2,2-trifluoroethyl ether, ethyl nonafluorobutyl ether, ethyl- 1,1,2,3,3,3-hexafluoropropyl ether, 1H, 1H, 5H-octafluoropentyl-1,1,2,2-tetrafluoroethyl ether, 1H, 1H, 2′H-perfluoro Dipropyl ether, heptafluoropropyl 1,2,2,2-tetrafluoroethyl ether 1,1,2,2-tetrafluoroethyl-2,2,3,3-tetrafluoropropyl ether, 2,2,3,3,3-pentafluoropropyl-1,1,2,2-tetrafluoro Examples include ethyl ether, ethyl nonafluorobutyl ether, and methyl nonafluorobutyl ether. Among these, from the viewpoint of withstand voltage and boiling point, 1,1,2,2-tetrafluoroethyl-2,2,3,3-tetrafluoropropyl ether, 1H, 1H, 2′H, 3H-decafluoro Dipropyl ether, 1H, 1H, 2′H-perfluorodipropyl ether, ethyl nonafluorobutyl ether and the like are preferable.
鎖状エーテルは、鎖状カーボネートと同様に電解液の粘度を低減する効果がある。したがって、例えば、鎖状エーテルは、鎖状カーボネート、カルボン酸エステルの代わりに使用することが可能であり、また、鎖状カーボネート、カルボン酸エステルと併用することも可能である。 The chain ether has the effect of reducing the viscosity of the electrolytic solution, like the chain carbonate. Therefore, for example, a chain ether can be used in place of a chain carbonate or carboxylic acid ester, and can also be used in combination with a chain carbonate or carboxylic acid ester.
鎖状エーテルは、炭素数が小さい場合、沸点が低くなる傾向があるため、電池の高温動作時に気化してしまう場合がある。一方、炭素数が大きすぎると、鎖状エーテルの粘度が高くなって、電解液の導電性が下がる場合がある。したがって、炭素数は4以上10以下であることが好ましい。このような理由から、本実施形態において、フッ素化鎖状エーテルは下記式(4)で表されることが好ましい。 Since chain ether tends to have a low boiling point when the number of carbon atoms is small, the chain ether may vaporize during high-temperature operation of the battery. On the other hand, if the number of carbon atoms is too large, the viscosity of the chain ether increases, and the conductivity of the electrolytic solution may decrease. Accordingly, the number of carbon atoms is preferably 4 or more and 10 or less. For this reason, in the present embodiment, the fluorinated chain ether is preferably represented by the following formula (4).
CnH2n+1−lFl−O−CmH2m+1−kFk (4)
[式(4)中、nは1、2、3、4、5または6であり、mは1、2、3または4であり、lは0から2n+1までのいずれかの整数であり、kは0から2m+1までのいずれかの整数であり、lおよびkのうち少なくとも一方は1以上の整数である。] C n H 2n + 1-l F l -O-C m H 2m + 1-k F k (4)
[In the formula (4), n is 1, 2, 3, 4, 5 or 6, m is 1, 2, 3 or 4, l is any integer from 0 to 2n + 1, and k Is an integer from 0 to 2m + 1, and at least one of l and k is an integer of 1 or more. ]
式(4)で示されるフッ素化鎖状エーテルにおいて、フッ素置換量が少ないと、フッ素化鎖状エーテルが高電位の正極と反応することにより電池の容量維持率が低下したり、ガスが発生したりする場合がある。一方、フッ素置換量が多すぎると、フッ素化鎖状エーテルの他の溶媒との相溶性が低下したり、フッ素化鎖状エーテルの沸点が下がったりする場合がある。このような理由から、フッ素置換量は、10%以上90%以下であることが好ましく、20%以上85%以下であることがさらに好ましく、30%以上80%以上であることがさらに好ましい。つまり、式(4)のl、m、nが以下の関係式を満たすことが好ましい。 In the fluorinated chain ether represented by the formula (4), if the amount of fluorine substitution is small, the fluorinated chain ether reacts with the positive electrode having a high potential, so that the capacity retention rate of the battery is reduced or gas is generated. Sometimes. On the other hand, if the amount of fluorine substitution is too large, the compatibility of the fluorinated chain ether with other solvents may decrease, or the boiling point of the fluorinated chain ether may decrease. For these reasons, the fluorine substitution amount is preferably 10% or more and 90% or less, more preferably 20% or more and 85% or less, and further preferably 30% or more and 80% or more. That is, it is preferable that l, m, and n in Expression (4) satisfy the following relational expression.
0.1≦(l+k)/(2n+2m+2)≦0.9 0.1 ≦ (l + k) / (2n + 2m + 2) ≦ 0.9
また、フッ素化鎖状エーテルの含有率は、特に制限されるものではないが、非水電解溶媒中0.1体積%以上70体積%以下が好ましい。フッ素化鎖状エーテルの非水電解溶媒中の含有率が0.1体積%以上であると、電解液の粘度を下げることができ、導電性を高めることができる。また、耐酸化性を高める効果が得られる。また、フッ素化鎖状エーテルの非水電解溶媒中の含有率が70体積%以下であると、電解液の導電性を高く保つことが可能であり、また、電解液の相溶性を確保することができる。また、フッ素化鎖状エーテルの非水電解溶媒中の含有率は、1体積%以上がより好ましく、5体積%以上がさらに好ましく、10体積%以上が特に好ましい。また、フッ素化鎖状エーテルの非水電解溶媒中の含有率は、65体積%以下がより好ましく、60体積%以下がさらに好ましく、55体積%以下が特に好ましい。 The content of the fluorinated chain ether is not particularly limited, but is preferably 0.1% by volume or more and 70% by volume or less in the nonaqueous electrolytic solvent. When the content of the fluorinated chain ether in the nonaqueous electrolytic solvent is 0.1% by volume or more, the viscosity of the electrolytic solution can be lowered and the conductivity can be increased. Moreover, the effect which improves oxidation resistance is acquired. Further, when the content of the fluorinated chain ether in the nonaqueous electrolytic solvent is 70% by volume or less, it is possible to keep the conductivity of the electrolytic solution high and to ensure the compatibility of the electrolytic solution. Can do. The content of the fluorinated chain ether in the nonaqueous electrolytic solvent is more preferably 1% by volume or more, further preferably 5% by volume or more, and particularly preferably 10% by volume or more. The content of the fluorinated chain ether in the nonaqueous electrolytic solvent is more preferably 65% by volume or less, further preferably 60% by volume or less, and particularly preferably 55% by volume or less.
フッ素化鎖状エーテルは、一種を単独で、または二種以上を組み合わせて使用してもよい。 Fluorinated chain ethers may be used singly or in combination of two or more.
本実施形態において、非水電解溶媒は、上記以外に以下のものを含んでいても良い。 In the present embodiment, the nonaqueous electrolytic solvent may include the following in addition to the above.
非水電解溶媒は、引火性が低く反応性も低いフッ素化ジエーテル化合物を含んでも良い。 The nonaqueous electrolytic solvent may contain a fluorinated diether compound having low flammability and low reactivity.
式(5):
R1O−(R2O)n−R3 (5)
で表されるフッ素化ジエーテル化合物において、R1およびR3は、それぞれ独立して、フッ素原子で置換されていてもよい炭素数1〜4のアルキル基であり、R2はフッ素原子で置換されていてもよい炭素数1〜4のアルキレン基であり、ただしR1、R2およびR3に含まれる水素原子の少なくとも一つはフッ素原子で置換されている。Formula (5):
R 1 O— (R 2 O) n —R 3 (5)
In the fluorinated diether compound represented by the formula: R 1 and R 3 are each independently an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms which may be substituted with a fluorine atom, and R 2 is substituted with a fluorine atom. And an alkylene group having 1 to 4 carbon atoms, wherein at least one of hydrogen atoms contained in R 1 , R 2 and R 3 is substituted with a fluorine atom.
R1およびR3の炭素数は、1以上3以下がより好ましい。好ましい実施形態において、R1およびR3はフッ素含有アルキル基であり、例えばトリフルオロメチル、トリフルオロエチル、テトラフルオロプロピル、ペンタフルオロプロピルおよびヘプタフルオロブチル等を挙げることができる。フッ素の置換位置は任意であり、例えば2,2,2−トリフルオロエチル、2,2,3,3−テトラフルオロプロピル、2,2,3,3,3−ペンタフルオロプロピル等を挙げることができるがこれらに限定されない。The number of carbon atoms of R 1 and R 3 is more preferably 1 or more and 3 or less. In a preferred embodiment, R 1 and R 3 are fluorine-containing alkyl groups such as trifluoromethyl, trifluoroethyl, tetrafluoropropyl, pentafluoropropyl and heptafluorobutyl. The fluorine substitution position is arbitrary, and examples thereof include 2,2,2-trifluoroethyl, 2,2,3,3-tetrafluoropropyl, 2,2,3,3,3-pentafluoropropyl and the like. Although it can, it is not limited to these.
R2の炭素数は、1以上3以下がより好ましい。例えばメチレン、エチレン、1,2−プロピレン、1,3−プロピレン、ブチレンおよびそれらのフッ素置換基を挙げることができる。特に、エチレン、1,2−プロピレンおよび1,3−プロピレンが好ましい。また、好ましい実施形態において、R2は無置換のアルキレン基である。nは、好ましくは1または2であり、さらに好ましくは1である。The number of carbon atoms of R 2 is more preferably 1 or more and 3 or less. Examples include methylene, ethylene, 1,2-propylene, 1,3-propylene, butylene and their fluorine substituents. In particular, ethylene, 1,2-propylene and 1,3-propylene are preferable. In a preferred embodiment, R 2 is an unsubstituted alkylene group. n is preferably 1 or 2, and more preferably 1.
フッ素化ジエーテル化合物は、下記式(6)で表される化合物であることがより好ましい。 The fluorinated diether compound is more preferably a compound represented by the following formula (6).
CF3CH2OCH2CH2OCH2CF3 (6)CF 3 CH 2 OCH 2 CH 2 OCH 2 CF 3 (6)
フッ素化ジエーテル化合物を含有する場合、非水電解溶媒中の含有率は、特に限定されるものではないが、例えば、0.1体積%以上、より好ましくは0.5体積%以上、さらに好ましくは0.9体積%以上である。一方、含有率の上限については、フッ素含有リン酸エステルの含有量および他の有機溶媒の含有量により適宜変更することが可能であり、典型的には90体積%以下、好ましくは50体積%以下である。フッ素化ジエーテル化合物の含有量は、比較的少量でもよく、従って、好ましい実施形態において、フッ素化ジエーテル化合物の含有量は、好ましくは20体積%、より好ましくは10体積%以下である。 When the fluorinated diether compound is contained, the content in the nonaqueous electrolytic solvent is not particularly limited, but is, for example, 0.1% by volume or more, more preferably 0.5% by volume or more, and further preferably It is 0.9 volume% or more. On the other hand, the upper limit of the content rate can be appropriately changed depending on the content of the fluorine-containing phosphate ester and the content of other organic solvents, and is typically 90% by volume or less, preferably 50% by volume or less. It is. The content of the fluorinated diether compound may be relatively small. Therefore, in a preferred embodiment, the content of the fluorinated diether compound is preferably 20% by volume, more preferably 10% by volume or less.
非水電解液は、環状カーボネートまたは鎖状カーボネートをさらに含むことができる。 The non-aqueous electrolyte can further include a cyclic carbonate or a chain carbonate.
環状カーボネートは比誘電率が大きいため、添加により支持塩の解離性が向上し、十分な導電性を付与しやすくなる。また、鎖状カーボネートは、粘度が小さいため、添加により電解液の粘度が下がるので、電解液におけるイオン移動度が向上するという利点がある。また、環状カーボネートおよび鎖状カーボネートは、耐電圧性および導電率が高いことから、フッ素含有リン酸エステルとの混合に適している。 Since cyclic carbonate has a large relative dielectric constant, the dissociation property of the supporting salt is improved by addition, and sufficient conductivity is easily imparted. In addition, since the chain carbonate has a low viscosity, the viscosity of the electrolytic solution is lowered by addition, so that ion mobility in the electrolytic solution is improved. Cyclic carbonates and chain carbonates are suitable for mixing with fluorine-containing phosphate esters because of their high voltage resistance and electrical conductivity.
プロピレンカーボネート以外の環状カーボネートとしては、特に制限されるものではないが、例えば、エチレンカーボネート(EC)、ブチレンカーボネート(BC)およびビニレンカーボネート(VC)等を挙げることができる。 The cyclic carbonate other than propylene carbonate is not particularly limited, and examples thereof include ethylene carbonate (EC), butylene carbonate (BC), and vinylene carbonate (VC).
環状カーボネートは、一種を単独でまたは二種以上を併用して用いることができる。 A cyclic carbonate can be used individually by 1 type or in combination of 2 or more types.
環状カーボネートを含有する場合、非水電解溶媒中の含有率は、支持塩の解離度を高める効果と電解液の導電性を高める効果の観点から、0.1体積%以上が好ましく、5体積%以上がより好ましく、10体積%以上がさらに好ましく、15体積%以上が特に好ましい。また、環状カーボネートの非水電解溶媒中の含有率は、同様の観点から、70体積%以下が好ましく、50体積%以下がより好ましく、40体積%以下がさらに好ましい。 When the cyclic carbonate is contained, the content in the nonaqueous electrolytic solvent is preferably 0.1% by volume or more, preferably 5% by volume from the viewpoints of increasing the dissociation degree of the supporting salt and increasing the conductivity of the electrolytic solution. The above is more preferable, 10% by volume or more is further preferable, and 15% by volume or more is particularly preferable. Further, from the same viewpoint, the content of the cyclic carbonate in the nonaqueous electrolytic solvent is preferably 70% by volume or less, more preferably 50% by volume or less, and further preferably 40% by volume or less.
鎖状カーボネートとしては、特に制限されるものではないが、例えば、ジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、ジプロピルカーボネート(DPC)等を挙げることができる。また、鎖状カーボネートは、フッ素化鎖状カーボネートを含む。フッ素化鎖状カーボネートとしては、例えば、エチルメチルカーボネート(EMC)、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、ジプロピルカーボネート(DPC)等の一部または全部の水素原子をフッ素原子に置換した構造を有する化合物等を挙げることができる。フッ素化鎖状カーボネートとしては、より具体的には、例えば、ビス(フルオロエチル)カーボネート、3−フルオロプロピルメチルカーボネート、3,3,3−トリフルオロプロピルメチルカーボネート、2,2,2−トリフルオロエチルメチルカーボネート、2,2,2−トリフルオロエチルエチルカーボネート、モノフルオロメチルメチルカーボネート、メチル2,2,3,3,テトラフルオロプロピルカーボネート、エチル2,2,3,3,テトラフルオロプロピルカーボネート、ビス(2,2,3,3,テトラフルオロプロピル)カーボネート、ビス(2,2,2トリフルオロエチル)カーボネート、1−モノフルオロエチルエチルカーボネート、1−モノフルオロエチルメチルカーボネート、2−モノフルオロエチルメチルカーボネート、ビス(1−モノフルオロエチル)カーボネート、ビス(2−モノフルオロエチル)カーボネート、ビス(モノフルオロメチル)カーボネート等が挙げられる。これらの中でも、ジメチルカーボネート、2,2,2−トリフルオロエチルメチルカーボネート、モノフルオロメチルメチルカーボネート、メチル2,2,3,3,テトラフルオロプロピルカーボネート等が耐電圧性と導電率の観点から好ましい。鎖状カーボネートは、一種を単独でまたは二種以上を併用して用いることができる。
The chain carbonate is not particularly limited, and examples thereof include dimethyl carbonate (DMC), ethyl methyl carbonate (EMC), diethyl carbonate (DEC), and dipropyl carbonate (DPC). The chain carbonate includes a fluorinated chain carbonate. As the fluorinated chain carbonate, for example, a part or all of hydrogen atoms such as ethyl methyl carbonate (EMC), dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), dipropyl carbonate (DPC) and the like are substituted with fluorine atoms. Examples include compounds having a structure. More specifically, examples of the fluorinated chain carbonate include bis (fluoroethyl) carbonate, 3-fluoropropyl methyl carbonate, 3,3,3-trifluoropropyl methyl carbonate, and 2,2,2-trifluoro. Ethyl methyl carbonate, 2,2,2-trifluoroethyl ethyl carbonate, monofluoromethyl methyl carbonate,
鎖状カーボネートは、「−OCOO−」構造に付加する置換基の炭素数が小さい場合、粘度が低いという利点がある。一方、炭素数が大きすぎると、電解液の粘度が高くなってLiイオンの導電性が下がる場合がある。このような理由から、鎖状カーボネートの「−OCOO−」構造に付加する2つの置換基の総炭素数は2以上6以下であることが好ましい。また、「−OCOO−」構造に付加する置換基がフッ素原子を含有する場合、電解液の耐酸化性が向上する。このような理由から、鎖状カーボネートは下記式(7)で表されるフッ素化鎖状カーボネートであることが好ましい。 The chain carbonate has an advantage of low viscosity when the number of carbon atoms of the substituent added to the “—OCOO—” structure is small. On the other hand, if the number of carbon atoms is too large, the viscosity of the electrolytic solution may increase and the conductivity of Li ions may decrease. For these reasons, the total number of carbon atoms of the two substituents added to the “—OCOO—” structure of the chain carbonate is preferably 2 or more and 6 or less. Further, when the substituent added to the “—OCOO—” structure contains a fluorine atom, the oxidation resistance of the electrolytic solution is improved. For these reasons, the chain carbonate is preferably a fluorinated chain carbonate represented by the following formula (7).
CnH2n+1−lFl−OCOO−CmH2m+1−kFk (7)
[式(7)中、nは1、2または3であり、mは1、2または3であり、lは0から2n+1までのいずれかの整数であり、kは0から2m+1までのいずれかの整数であり、lおよびkの少なくとも一方は1以上の整数である。] C n H 2n + 1-l F l -OCOO-C m H 2m + 1-k F k (7)
[In the formula (7), n is 1, 2 or 3, m is 1, 2 or 3, l is any integer from 0 to 2n + 1, and k is any from 0 to 2m + 1 And at least one of l and k is an integer of 1 or more. ]
式(7)で示されるフッ素化鎖状カーボネートにおいて、フッ素置換量が少ないと、フッ素化鎖状カーボネートが高電位の正極と反応することにより電池の容量維持率が低下したり、ガスが発生したりする場合がある。一方、フッ素置換量が多すぎると、鎖状カーボネートの他の溶媒との相溶性が低下したり、鎖状カーボネートの沸点が下がったりする場合がある。このような理由から、フッ素置換量は、1%以上90%以下であることが好ましく、5%以上85%以下であることがより好ましく、10%以上80%以下であることがさらに好ましい。つまり、式(7)のl、m、nが以下の関係式を満たすことが好ましい。 In the fluorinated chain carbonate represented by the formula (7), if the amount of fluorine substitution is small, the capacity retention rate of the battery is lowered or gas is generated due to the reaction of the fluorinated chain carbonate with the positive electrode of high potential. Sometimes. On the other hand, if the amount of fluorine substitution is too large, the compatibility of the chain carbonate with other solvents may decrease, or the boiling point of the chain carbonate may decrease. For these reasons, the fluorine substitution amount is preferably 1% or more and 90% or less, more preferably 5% or more and 85% or less, and further preferably 10% or more and 80% or less. That is, it is preferable that l, m, and n in Expression (7) satisfy the following relational expression.
0.01≦(l+k)/(2n+2m+2)≦0.9 0.01 ≦ (l + k) / (2n + 2m + 2) ≦ 0.9
鎖状カーボネートは、電解液の粘度を下げる効果があり、電解液の導電率を高めることができる。これらの観点から、鎖状カーボネートを含有する場合、非水電解溶媒中の含有量は、0.1体積%以上が好ましく、0.5体積%以上がより好ましく、1.0体積%以上がさらに好ましい。また、鎖状カーボネートの非水電解溶媒中の含有率は、90体積%以下が好ましく、80体積%以下がより好ましく、70体積%以下がさらに好ましい。 The chain carbonate has an effect of lowering the viscosity of the electrolytic solution, and can increase the conductivity of the electrolytic solution. From these viewpoints, when the chain carbonate is contained, the content in the nonaqueous electrolytic solvent is preferably 0.1% by volume or more, more preferably 0.5% by volume or more, and further preferably 1.0% by volume or more. preferable. Further, the content of the chain carbonate in the nonaqueous electrolytic solvent is preferably 90% by volume or less, more preferably 80% by volume or less, and further preferably 70% by volume or less.
また、フッ素化鎖状カーボネートを含有する場合、非水電解溶媒中の含有率は、特に制限されるものではないが、0.1体積%以上70体積%以下が好ましい。フッ素化鎖状カーボネートの非水電解溶媒中の含有率が0.1体積%以上であると、電解液の粘度を下げることができ、導電性を高めることができる。また、耐酸化性を高める効果が得られる。また、フッ素化鎖状カーボネートの非水電解溶媒中の含有率が70体積%以下であると、電解液の導電性を高く保つことが可能である。また、フッ素化鎖状カーボネートの非水電解溶媒中の含有率は、1体積%以上がより好ましく、5体積%以上がさらに好ましく、10体積%以上が特に好ましい。また、フッ素化鎖状カーボネートの非水電解溶媒中の含有率は、65体積%以下がより好ましく、60体積%以下がさらに好ましく、55体積%以下が特に好ましい。 In addition, when the fluorinated chain carbonate is contained, the content in the nonaqueous electrolytic solvent is not particularly limited, but is preferably 0.1% by volume or more and 70% by volume or less. When the content of the fluorinated chain carbonate in the nonaqueous electrolytic solvent is 0.1% by volume or more, the viscosity of the electrolytic solution can be lowered and the conductivity can be increased. Moreover, the effect which improves oxidation resistance is acquired. Further, when the content of the fluorinated chain carbonate in the nonaqueous electrolytic solvent is 70% by volume or less, the conductivity of the electrolytic solution can be kept high. Further, the content of the fluorinated chain carbonate in the nonaqueous electrolytic solvent is more preferably 1% by volume or more, further preferably 5% by volume or more, and particularly preferably 10% by volume or more. The content of the fluorinated chain carbonate in the nonaqueous electrolytic solvent is more preferably 65% by volume or less, further preferably 60% by volume or less, and particularly preferably 55% by volume or less.
また、非水電解溶媒は、カルボン酸エステルを含んでもよい。 Further, the nonaqueous electrolytic solvent may contain a carboxylic acid ester.
カルボン酸エステルとしては、特に制限されるものではないが、例えば、酢酸エチル、プロピオン酸メチル、ギ酸エチル、プロピオン酸エチル、酪酸メチル、酪酸エチル、酢酸メチル、ギ酸メチル等が挙げられる。また、カルボン酸エステルは、フッ素化カルボン酸エステルも含み、フッ素化カルボン酸エステルとしては、例えば、酢酸エチル、プロピオン酸メチル、ギ酸エチル、プロピオン酸エチル、酪酸メチル、酪酸エチル、酢酸メチル、またはギ酸メチルの一部または全部の水素原子をフッ素原子で置換した構造を有する化合物等が挙げられる。また、フッ素化カルボン酸エステルとしては、具体的には、例えば、ペンタフルオロプロピオン酸エチル、3,3,3−トリフルオロプロピオン酸エチル、2,2,3,3−テトラフルオロプロピオン酸メチル、酢酸2,2−ジフルオロエチル、ヘプタフルオロイソ酪酸メチル、2,3,3,3−テトラフルオロプロピオン酸メチル、ペンタフルオロプロピオン酸メチル、2−(トリフルオロメチル)−3,3,3−トリフルオロプロピオン酸メチル、ヘプタフルオロ酪酸エチル、3,3,3−トリフルオロプロピオン酸メチル、酢酸2,2,2−トリフルオロエチル、トリフルオロ酢酸イソプロピル、トリフルオロ酢酸tert−ブチル、4,4,4−トリフルオロ酪酸エチル、4,4,4−トリフルオロ酪酸メチル、2,2−ジフルオロ酢酸ブチル、ジフルオロ酢酸エチル、トリフルオロ酢酸n−ブチル、酢酸2,2,3,3−テトラフルオロプロピル、3−(トリフルオロメチル)酪酸エチル、テトラフルオロ−2−(メトキシ)プロピオン酸メチル、3,3,3−トリフルオロプロピオン酸3,3,3トリフルオロプロピル、ジフルオロ酢酸メチル、トリフルオロ酢酸2,2,3,3−テトラフルオロプロピル、酢酸1H,1H−ヘプタフルオロブチル、ヘプタフルオロ酪酸メチル、トリフルオロ酢酸エチル等が挙げられる。これらの中でも、耐電圧と沸点などの観点から、カルボン酸エステルとしては、プロピオン酸エチル、酢酸メチル、2,2,3,3−テトラフルオロプロピオン酸メチル、トリフルオロ酢酸2,2,3,3−テトラフルオロプロピルが好ましい。カルボン酸エステルは、鎖状カーボネートと同様に電解液の粘度を低減する効果がある。したがって、例えば、カルボン酸エステルは、鎖状カーボネートの代わりに使用することが可能であり、また、鎖状カーボネートと併用することも可能である。
The carboxylic acid ester is not particularly limited, and examples thereof include ethyl acetate, methyl propionate, ethyl formate, ethyl propionate, methyl butyrate, ethyl butyrate, methyl acetate, and methyl formate. The carboxylic acid ester also includes a fluorinated carboxylic acid ester. Examples of the fluorinated carboxylic acid ester include ethyl acetate, methyl propionate, ethyl formate, ethyl propionate, methyl butyrate, ethyl butyrate, methyl acetate, or formic acid. Examples thereof include compounds having a structure in which part or all of the hydrogen atoms of methyl are substituted with fluorine atoms. Specific examples of the fluorinated carboxylic acid ester include, for example, ethyl pentafluoropropionate,
鎖状カルボン酸エステルは、「−COO−」構造に付加する置換基の炭素数が小さい場合、粘度が低いという特長があるが、沸点も低くなる傾向がある。沸点が低い鎖状カルボン酸エステルは電池の高温動作時に気化してしまう場合がある。一方、炭素数が大きすぎると、電解液の粘度が高くなって導電性が下がる場合がある。このような理由から、鎖状カルボン酸エステルの「−COO−」構造に付加する2つの置換基の総炭素数は3以上8以下であることが好ましい。 The chain carboxylic acid ester has a feature that the viscosity is low when the number of carbon atoms of the substituent added to the “—COO—” structure is small, but the boiling point tends to be low. The chain carboxylic acid ester having a low boiling point may be vaporized when the battery is operated at a high temperature. On the other hand, if the number of carbon atoms is too large, the viscosity of the electrolytic solution may increase and conductivity may decrease. For these reasons, the total number of carbon atoms of the two substituents added to the “—COO—” structure of the chain carboxylic acid ester is preferably 3 or more and 8 or less.
また、「−COO−」構造に付加する置換基がフッ素原子を含有する場合、電解液の耐酸化性を向上することができる。このような理由から、鎖状カルボン酸エステルは下記式(8)で表されるフッ素化鎖状カルボン酸エステルであることが好ましい。 Further, when the substituent added to the “—COO—” structure contains a fluorine atom, the oxidation resistance of the electrolytic solution can be improved. For these reasons, the chain carboxylic acid ester is preferably a fluorinated chain carboxylic acid ester represented by the following formula (8).
CnH2n+1−lFl−COO−CmH2m+1−kFk (8)
[式(8)中、nは1、2、3または4であり、mは1、2、3または4であり、lは0から2n+1までのいずれかの整数であり、kは0から2m+1までのいずれかの整数であり、lおよびkの少なくとも一方は1以上の整数である。] C n H 2n + 1-l F l -COO-C m H 2m + 1-k F k (8)
[In the formula (8), n is 1, 2, 3 or 4, m is 1, 2, 3 or 4, l is any integer from 0 to 2n + 1, and k is 0 to 2m + 1. And at least one of l and k is an integer of 1 or more. ]
式(8)で示されるフッ素化鎖状カルボン酸エステルにおいて、フッ素置換量が少ないと、フッ素化鎖状カルボン酸エステルが高電位の正極と反応することにより電池の容量維持率が低下したり、ガスが発生したりする場合がある。一方、フッ素置換量が多すぎると、鎖状カルボン酸エステルの他の溶媒との相溶性が低下したり、フッ素化鎖状カルボン酸エステルの沸点が下がったりする場合がある。このような理由から、フッ素置換量は、1%以上90%以下であることが好ましく、10%以上85%以下であることがより好ましく、20%以上80%以下であることがさらに好ましい。つまり、式(8)のl、m、nが以下の関係式を満たすことが好ましい。 In the fluorinated chain carboxylic acid ester represented by the formula (8), when the amount of fluorine substitution is small, the capacity retention rate of the battery is lowered due to the reaction of the fluorinated chain carboxylic acid ester with the positive electrode of high potential, Gas may be generated. On the other hand, if the amount of fluorine substitution is too large, the compatibility of the chain carboxylic acid ester with other solvents may decrease, or the boiling point of the fluorinated chain carboxylic acid ester may decrease. For these reasons, the fluorine substitution amount is preferably 1% or more and 90% or less, more preferably 10% or more and 85% or less, and further preferably 20% or more and 80% or less. That is, it is preferable that l, m, and n in Expression (8) satisfy the following relational expression.
0.01≦(l+k)/(2n+2m+2)≦0.9 0.01 ≦ (l + k) / (2n + 2m + 2) ≦ 0.9
カルボン酸エステルを含有する場合、非水電解溶媒中の含有率は、0.1体積以上が好ましく、0.2体積%以上がより好ましく、0.5体積%以上がさらに好ましく、1体積%以上が特に好ましい。カルボン酸エステルの非水電解溶媒中の含有率は、50体積%以下が好ましく、20体積%以下がより好ましく、15体積%以下がさらに好ましく、10体積%以下が特に好ましい。カルボン酸エステルの含有率を0.1体積%以上とすることにより、低温特性をより向上でき、また導電率をより向上できる。また、カルボン酸エステルの含有率を50体積%以下とすることにより、電池を高温放置した場合に蒸気圧が高くなりすぎることを低減することができる。 When the carboxylic acid ester is contained, the content in the nonaqueous electrolytic solvent is preferably 0.1 volume or more, more preferably 0.2 volume% or more, further preferably 0.5 volume% or more, and 1 volume% or more. Is particularly preferred. The content of the carboxylic acid ester in the nonaqueous electrolytic solvent is preferably 50% by volume or less, more preferably 20% by volume or less, still more preferably 15% by volume or less, and particularly preferably 10% by volume or less. By setting the content of the carboxylic acid ester to 0.1% by volume or more, the low temperature characteristics can be further improved, and the electrical conductivity can be further improved. Further, by setting the content of the carboxylic acid ester to 50% by volume or less, it is possible to reduce the vapor pressure from becoming too high when the battery is left at a high temperature.
また、フッ素化鎖状カルボン酸エステルを含有する場合、非水電解溶媒中の含有率は、特に制限されるものではないが、0.1体積%以上50体積%以下が好ましい。フッ素化鎖状カルボン酸エステルの非水電解溶媒中の含有率が0.1体積%以上であると、電解液の粘度を下げることができ、導電性を高めることができる。また、耐酸化性を高める効果が得られる。また、フッ素化鎖状カルボン酸エステルの非水電解溶媒中の含有率が50体積%以下であると、電解液の導電性を高く保つことが可能であり、電解液の相溶性を確保することができる。また、フッ素化鎖状カルボン酸エステルの非水電解溶媒中の含有率は、1体積%以上がより好ましく、5体積%以上がさらに好ましく、10体積%以上が特に好ましい。また、フッ素化鎖状カルボン酸エステルの非水電解溶媒中の含有率は、45体積%以下がより好ましく、40体積%以下がさらに好ましく、35体積%以下が特に好ましい。 Moreover, when it contains fluorinated chain | strand-shaped carboxylic acid ester, the content rate in a non-aqueous electrolytic solvent is although it does not restrict | limit in particular, 0.1 volume% or more and 50 volume% or less are preferable. When the content of the fluorinated chain carboxylic acid ester in the nonaqueous electrolytic solvent is 0.1% by volume or more, the viscosity of the electrolytic solution can be lowered and the conductivity can be increased. Moreover, the effect which improves oxidation resistance is acquired. In addition, when the content of the fluorinated chain carboxylic acid ester in the nonaqueous electrolytic solvent is 50% by volume or less, the conductivity of the electrolytic solution can be kept high, and the compatibility of the electrolytic solution is ensured. Can do. The content of the fluorinated chain carboxylic acid ester in the nonaqueous electrolytic solvent is more preferably 1% by volume or more, further preferably 5% by volume or more, and particularly preferably 10% by volume or more. The content of the fluorinated chain carboxylic acid ester in the nonaqueous electrolytic solvent is more preferably 45% by volume or less, further preferably 40% by volume or less, and particularly preferably 35% by volume or less.
非水電解溶媒は、下記式(9)で表されるアルキレンビスカーボネートを含んでもよい。アルキレンビスカーボネートの耐酸化性は、鎖状カーボネートと同等かやや高いことから、電解液の耐電圧性を向上することができる。 The nonaqueous electrolytic solvent may contain an alkylene biscarbonate represented by the following formula (9). Since the oxidation resistance of the alkylene biscarbonate is equal to or slightly higher than that of the chain carbonate, the voltage resistance of the electrolytic solution can be improved.
式(9)において、アルキル基は、直鎖状または分岐鎖状のものを含み、炭素数が1〜6であることが好ましく、炭素数が1〜4であることがより好ましい。アルキレン基は、二価の飽和炭化水素基であり、直鎖状または分岐鎖状のものを含み、炭素数が1〜4であることが好ましく、炭素数が1〜3であることがより好ましい。 In the formula (9), the alkyl group includes a linear or branched group, preferably having 1 to 6 carbon atoms, and more preferably 1 to 4 carbon atoms. The alkylene group is a divalent saturated hydrocarbon group, including a linear or branched group, preferably having 1 to 4 carbon atoms, and more preferably 1 to 3 carbon atoms. .
式(9)で表されるアルキレンビスカーボネートとしては、例えば、1,2−ビス(メトキシカルボニルオキシ)エタン、1,2−ビス(エトキシカルボニルオキシ)エタン、1,2−ビス(メトキシカルボニルオキシ)プロパン、または1−エトキシカルボニルオキシ−2−メトキシカルボニルオキシエタン等が挙げられる。これらの中でも、1,2−ビス(メトキシカルボニルオキシ)エタンが好ましい。 Examples of the alkylene biscarbonate represented by the formula (9) include 1,2-bis (methoxycarbonyloxy) ethane, 1,2-bis (ethoxycarbonyloxy) ethane, and 1,2-bis (methoxycarbonyloxy). Examples include propane and 1-ethoxycarbonyloxy-2-methoxycarbonyloxyethane. Of these, 1,2-bis (methoxycarbonyloxy) ethane is preferred.
アルキレンビスカーボネートを含有する場合、非水電解溶媒中の含有率は、0.1体積%以上が好ましく、0.5体積%以上がより好ましく、1体積%以上がさらに好ましく、1.5体積%以上が特に好ましい。アルキレンビスカーボネートの非水電解溶媒中の含有率は、70体積%以下が好ましく、60体積%以下がより好ましく、50体積%以下がさらに好ましく、40体積%以下が特に好ましい。 When the alkylene biscarbonate is contained, the content in the nonaqueous electrolytic solvent is preferably 0.1% by volume or more, more preferably 0.5% by volume or more, still more preferably 1% by volume or more, and 1.5% by volume. The above is particularly preferable. The content of the alkylene biscarbonate in the nonaqueous electrolytic solvent is preferably 70% by volume or less, more preferably 60% by volume or less, further preferably 50% by volume or less, and particularly preferably 40% by volume or less.
アルキレンビスカーボネートは誘電率が低い材料である。そのため、例えば、鎖状カーボネートの代わりに使用することが可能であり、または鎖状カーボネートと併用することが可能である。 Alkylene biscarbonate is a material having a low dielectric constant. Therefore, for example, it can be used in place of the chain carbonate, or can be used in combination with the chain carbonate.
非水電解溶媒は、鎖状エーテルを含むことができる。 The non-aqueous electrolytic solvent can contain a chain ether.
鎖状エーテルとしては、特に制限されるものではないが、例えば、1,2−エトキシエタン(DEE)若しくはエトキシメトキシエタン(EME)等が挙げられる。鎖状エーテルは、鎖状カーボネートと同様に電解液の粘度を低減する効果がある。したがって、例えば、鎖状エーテルは、鎖状カーボネート、カルボン酸エステルの代わりに使用することが可能であり、また、鎖状カーボネート、カルボン酸エステルと併用することも可能である。 The chain ether is not particularly limited, and examples thereof include 1,2-ethoxyethane (DEE) and ethoxymethoxyethane (EME). The chain ether has the effect of reducing the viscosity of the electrolytic solution, like the chain carbonate. Therefore, for example, a chain ether can be used in place of a chain carbonate or carboxylic acid ester, and can also be used in combination with a chain carbonate or carboxylic acid ester.
鎖状エーテルは、炭素数が小さい場合、沸点が低くなる傾向があるため、電池の高温動作時に気化してしまう場合がある。一方、炭素数が大きすぎると、鎖状エーテルの粘度が高くなって、電解液の導電性が下がる場合がある。したがって、炭素数は4以上10以下であることが好ましい。 Since chain ether tends to have a low boiling point when the number of carbon atoms is small, the chain ether may vaporize during high-temperature operation of the battery. On the other hand, if the number of carbon atoms is too large, the viscosity of the chain ether increases, and the conductivity of the electrolytic solution may decrease. Accordingly, the number of carbon atoms is preferably 4 or more and 10 or less.
非水電解溶媒としては、上記以外にさらに以下のものを含んでいても良い。非水電解溶媒は、例えば、γ−ブチロラクトン等のγ−ラクトン類、テトラヒドロフラン若しくは2−メチルテトラヒドロフラン等の環状エーテル類等を含むことができる。また、これらの材料の水素原子の一部をフッ素原子で置換したものを含んでも良い。また、その他にも、ジメチルスルホキシド、ホルムアミド、アセトアミド、ジメチルホルムアミド、ジオキソラン(例えば、1,3−ジオキソラン)、アセトニトリル、プロピルニトリル、ニトロメタン、エチルモノグライム、トリメトキシメタン、ジオキソラン誘導体、スルホラン、メチルスルホラン、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン、3−メチル−2−オキサゾリジノン、プロピレンカーボネート誘導体、テトラヒドロフラン誘導体、エチルエーテル、1,3−プロパンスルトン、アニソール、N−メチルピロリドンなどの非プロトン性有機溶媒を含んでも良い。 In addition to the above, the nonaqueous electrolytic solvent may further include the following. The nonaqueous electrolytic solvent can include, for example, γ-lactones such as γ-butyrolactone, cyclic ethers such as tetrahydrofuran or 2-methyltetrahydrofuran, and the like. Moreover, what substituted some hydrogen atoms of these materials by the fluorine atom may be included. In addition, dimethyl sulfoxide, formamide, acetamide, dimethylformamide, dioxolane (for example, 1,3-dioxolane), acetonitrile, propylnitrile, nitromethane, ethyl monoglyme, trimethoxymethane, dioxolane derivatives, sulfolane, methylsulfolane, Aprotic organic solvents such as 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, 3-methyl-2-oxazolidinone, propylene carbonate derivatives, tetrahydrofuran derivatives, ethyl ether, 1,3-propane sultone, anisole, N-methylpyrrolidone May be included.
支持塩としては、例えば、LiPF6、LiAsF6、LiAlCl4、LiClO4、LiBF4、LiSbF6、LiCF3SO3、LiC4F9CO3、LiC(CF3SO2)2、LiN(CF3SO2)2、LiN(C2F5SO2)2、LiB10Cl10等のリチウム塩が挙げられる。また、支持塩としては、他にも、低級脂肪族カルボン酸カルボン酸リチウム、クロロボランリチウム、四フェニルホウ酸リチウム、LiBr、LiI、LiSCN、LiCl等が挙げられる。支持塩は、一種を単独で、または二種以上を組み合わせて用いることができる。Examples of the supporting salt include LiPF 6 , LiAsF 6 , LiAlCl 4 , LiClO 4 , LiBF 4 , LiSbF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiC 4 F 9 CO 3 , LiC (CF 3 SO 2 ) 2 , LiN (CF 3 Examples thereof include lithium salts such as SO 2 ) 2 , LiN (C 2 F 5 SO 2 ) 2 , LiB 10 Cl 10 . Other examples of the supporting salt include lower aliphatic lithium carboxylate carboxylate, lithium chloroborane, lithium tetraphenylborate, LiBr, LiI, LiSCN, LiCl, and the like. The supporting salt can be used alone or in combination of two or more.
また、非水電解溶媒にイオン伝導性ポリマーを添加することができる。イオン伝導性ポリマーとしては、例えば、ポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシド等のポリエーテル、ポリエチレンやポリプロピレン等のポリオレフィン等を挙げることができる。また、イオン伝導性ポリマーとしては、例えば、ポリビニリデンフルオライド、ポリテトラフルオロエチレン、ポリビニルフルオライド、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリメチルメタクリレート、ポリメチルアクリレート、ポリビニルアルコール、ポリメタクリロニトリル、ポリビニルアセテート、ポリビニルピロリドン、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、ポリヘキサメチレンアシパミド、ポリカプロラクタム、ポリウレタン、ポリエチレンイミン、ポリブタジエン、ポリスチレン、ポリイソプレン、およびこれらの誘導体を挙げることができる。イオン伝導性ポリマーは、一種を単独で、または二種以上を組み合わせて用いることができる。また、上記ポリマーを構成する各種モノマーを含むポリマーを用いてもよい。 Further, an ion conductive polymer can be added to the nonaqueous electrolytic solvent. Examples of the ion conductive polymer include polyethers such as polyethylene oxide and polypropylene oxide, and polyolefins such as polyethylene and polypropylene. Examples of the ion conductive polymer include polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, polyvinyl fluoride, polyvinyl chloride, polyvinylidene chloride, polymethyl methacrylate, polymethyl acrylate, polyvinyl alcohol, polymethacrylonitrile, and polyvinyl chloride. Mention may be made of acetate, polyvinylpyrrolidone, polycarbonate, polyethylene terephthalate, polyhexamethylene acipamide, polycaprolactam, polyurethane, polyethyleneimine, polybutadiene, polystyrene, polyisoprene, and derivatives thereof. An ion conductive polymer can be used individually by 1 type or in combination of 2 or more types. Moreover, you may use the polymer containing the various monomers which comprise the said polymer.
また、本実施形態において、非水電解溶媒には、必要に応じて電解液添加剤を添加してもよい。 Moreover, in this embodiment, you may add electrolyte solution additive to a nonaqueous electrolytic solvent as needed.
(正極)
本実施形態によるリチウム二次電池の正極は、正極活物質として、前述の特許文献1〜6に開示されているように、LiMn2O4あるいはLiCoO2などの4V級の材料を用いることができる。また、LiM1O2(M1はMn、Fe、CoおよびNiからなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、M1の一部がMg、AlまたはTiで置換されていてもよい。)、LiMn2−xM2xO4(M2はMg、Al、Co、Ni、FeおよびBからなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、0≦x<0.4である。)などのリチウム含有複合酸化物、LiFePO4で表されるオリビン型材料なども用いることができる。(Positive electrode)
As the positive electrode active material, the positive electrode of the lithium secondary battery according to the present embodiment can use a 4V class material such as LiMn 2 O 4 or LiCoO 2 as disclosed in
また、高エネルギー密度を得る観点から、リチウム金属に対して4.5V以上の電位でリチウムイオンを吸蔵または放出可能な正極活物質を含むことが好ましい。このような正極活物質としては、その充放電曲線の少なくとも充電曲線が、リチウム金属に対して4.5V以上の領域を少なくとも一部に有するものを用いることができる。すなわち、充電曲線のみにリチウム金属に対して4.5V以上の領域を少なくとも一部に有する活物質、または充電曲線および放電曲線の両方にリチウム金属に対して4.5V以上の領域を少なくとも一部に有する活物質を用いることができる。 Further, from the viewpoint of obtaining a high energy density, it is preferable to include a positive electrode active material that can occlude or release lithium ions at a potential of 4.5 V or more with respect to lithium metal. As such a positive electrode active material, a material in which at least a charge curve of the charge / discharge curve has a region of 4.5 V or more with respect to lithium metal at least in part can be used. That is, an active material having at least a region of 4.5 V or more with respect to lithium metal only in the charge curve, or at least a region of 4.5 V or more with respect to lithium metal in both the charge curve and the discharge curve Can be used.
この充放電曲線の測定条件としては、充放電電流を正極活物質の質量あたりで5mA/g、充電終止電圧を5.2V、放電終止電圧を3Vに設定することができる。 As measurement conditions for this charge / discharge curve, the charge / discharge current can be set to 5 mA / g per mass of the positive electrode active material, the charge end voltage can be set to 5.2V, and the discharge end voltage can be set to 3V.
このような正極活物質としては、スピネル系材料、層状系材料、オリビン系材料が挙げられる。 Examples of such positive electrode active materials include spinel materials, layered materials, and olivine materials.
スピネル系材料としては、LiNi0.5Mn1.5O4、LiCoMnO4、LiCrMnO4、LiFeMnO4、LiCu0.5Mn1.5O4などのリチウムに対して4.5V以上の高電位で動作する材料;LiMn2O4のMnの一部を他元素で置換して寿命を高めた、LiM1xMn2−x−yM2yO4(M1はNi、Fe、Co、CrおよびCuから選ばれる少なくとも1種であり、0.4<x<1.1であり、M2は、Li、Al、B、Mg、Siおよび遷移金属から選ばれる少なくとも1種であり、0<y<0.5である。);およびこれらの材料の酸素の一部をフッ素や塩素で置換したものが挙げられる。As a spinel-based material, LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 , LiCoMnO 4 , LiCrMnO 4 , LiFeMnO 4 , LiCu 0.5 Mn 1.5 O 4 and the like with a high potential of 4.5 V or higher. materials operates; a part of Mn of LiMn 2 O 4 with increased substitution to life with another element, LiM1 x Mn 2-x- y M2 y O 4 (M1 is Ni, Fe, Co, Cr, and Cu At least one selected, 0.4 <x <1.1, M2 is at least one selected from Li, Al, B, Mg, Si and transition metals, and 0 <y <0. 5)); and those obtained by substituting a part of oxygen of these materials with fluorine or chlorine.
スピネル系材料は、特に下記式(10)で示されるものが好ましい。 As the spinel material, a material represented by the following formula (10) is particularly preferable.
Lia(MxMn2−x−yYy)(O4−wZw) (10)
[式(10)中、0≦x≦1.2、0≦y、x+y<2、0≦a≦1.2、0≦w≦1であり、MはCo、Ni、Fe、CrおよびCuから選ばれる少なくとも1種であり、YはLi、B、Na、Al、Mg、Ti、Si、KおよびCaから選ばれる少なくとも1種であり、ZはFおよびClの少なくとも一方である。]Li a (M x Mn 2−xy Y y ) (O 4−w Z w ) (10)
[In formula (10), 0 ≦ x ≦ 1.2, 0 ≦ y, x + y <2, 0 ≦ a ≦ 1.2, 0 ≦ w ≦ 1, and M is Co, Ni, Fe, Cr and Cu. Y is at least one selected from Li, B, Na, Al, Mg, Ti, Si, K and Ca, and Z is at least one of F and Cl. ]
特に0.4≦x≦1.1であることが好ましい。 It is particularly preferable that 0.4 ≦ x ≦ 1.1.
層状系材料は、一般式LiMO2で表され、具体的には、LiCoO2、LiNi1−xMxO2(0.05<x<0.3、Mは少なくともCoまたはAlを含む元素である。)で表される材料、Li(NixCoyMn2−x−y)O2(0.1<x<0.7、0<y<0.5)、Li(M1−zMnz)O2(0.33≦z≦0.7、MはLi、CoおよびNiのうちの少なくとも一種である。)で表される材料が挙げられる。The layered material is represented by a general formula LiMO 2 , specifically, LiCoO 2 , LiNi 1-x M x O 2 (0.05 <x <0.3, where M is an element containing at least Co or Al. there. material represented by), Li (Ni x Co y Mn 2-x-y) O 2 (0.1 <x <0.7,0 <y <0.5), Li (M 1-z And a material represented by Mn z ) O 2 (0.33 ≦ z ≦ 0.7, M is at least one of Li, Co, and Ni).
また、下記式(11)で表される材料が特に好ましい。 Moreover, the material represented by the following formula (11) is particularly preferable.
Li(LixM1−x−zMnz)O2 (11)
[式(11)中、0≦x<0.3、0.3≦z≦0.7、MはCoおよびNiの少なくとも1種である。] Li (Li x M 1-x -z Mn z) O 2 (11)
[In formula (11), 0 ≦ x <0.3, 0.3 ≦ z ≦ 0.7, and M is at least one of Co and Ni. ]
式(11)中のxは0≦x<0.2が好ましい。 X in the formula (11) is preferably 0 ≦ x <0.2.
オリビン系材料は、一般式:
LiMPO4(Mは遷移金属)
で表され、具体的には、LiFePO4、LiMnPO4、LiCoPO4、LiNiPO4が挙げられる。これらの遷移金属の一部を別の元素で置換したり、酸素部分をフッ素で置き換えられたりしたものも使用できる。高エネルギー密度の観点から、高電位で動作するLiMPO4(MはCoおよびNiの少なくとも一方である。)で表される材料が好ましい。The olivine-based material has the general formula:
LiMPO 4 (M is a transition metal)
Specifically, LiFePO 4 , LiMnPO 4 , LiCoPO 4 , and LiNiPO 4 may be mentioned. Those in which a part of these transition metals is replaced with another element or the oxygen part is replaced with fluorine can also be used. From the viewpoint of high energy density, a material represented by LiMPO 4 (M is at least one of Co and Ni) operating at a high potential is preferable.
このほかにも、NASICON型、リチウム遷移金属シリコン複合酸化物、などを使用することができる。 In addition, NASICON type, lithium transition metal silicon composite oxide, and the like can be used.
上記の高電位で動作する正極活物質とその他の通常の正極活物質とを併用してもよいが、正極活物質全体における上記の高電位で動作する正極活物質の含有率は、60質量%以上が好ましく、80質量%以上がより好ましく、90質量%以上がさらに好ましい。 The positive electrode active material that operates at the above high potential may be used in combination with other normal positive electrode active materials, but the content of the positive electrode active material that operates at the above high potential in the entire positive electrode active material is 60% by mass. The above is preferable, 80% by mass or more is more preferable, and 90% by mass or more is further preferable.
これらの正極活物質の比表面積は、例えば0.01〜5m2/gであり、0.05〜4m2/gが好ましく、0.1〜3m2/gがより好ましく、0.2〜2m2/gがさらに好ましい。比表面積をこのような範囲とすることにより、電解液との接触面積を適当な範囲に調整することができる。つまり、比表面積を0.01m2/g以上とすることにより、リチウムイオンの挿入脱離がスムーズに行われ易くなり、抵抗をより低減することができる。また、比表面積を5m2/g以下とすることにより、電解液の分解が促進することや、活物質の構成元素が溶出することをより抑制することができる。比表面積は、通常のBET比表面積測定法により測定できる。Specific surface areas of these positive electrode active materials are, for example, 0.01 to 5 m 2 / g, preferably 0.05 to 4 m 2 / g, more preferably 0.1 to 3 m 2 / g, and 0.2 to 2 m. 2 / g is more preferable. By setting the specific surface area in such a range, the contact area with the electrolytic solution can be adjusted to an appropriate range. That is, by setting the specific surface area to 0.01 m 2 / g or more, lithium ions can be easily inserted and desorbed smoothly, and the resistance can be further reduced. Moreover, by making a specific surface area 5 m < 2 > / g or less, decomposition | disassembly of electrolyte solution can be accelerated | stimulated and it can suppress more that the constituent element of an active material elutes. The specific surface area can be measured by a usual BET specific surface area measurement method.
前記正極活物質の中心粒径は、0.01〜50μmであることが好ましく、0.02〜40μmがより好ましい。粒径を0.02μm以上とすることにより、正極活物質の構成元素の溶出をより抑制でき、また、電解液との接触による劣化をより抑制できる。また、粒径を50μm以下とすることにより、リチウムイオンの挿入脱離がスムーズに行われ易くなり、抵抗をより低減することができる。中心粒径は、50%累積径D50(メジアン径)であり、レーザー回折散乱式粒度分布測定装置によって測定できる。The center particle diameter of the positive electrode active material is preferably 0.01 to 50 μm, and more preferably 0.02 to 40 μm. By setting the particle size to 0.02 μm or more, elution of constituent elements of the positive electrode active material can be further suppressed, and deterioration due to contact with the electrolytic solution can be further suppressed. In addition, when the particle size is 50 μm or less, lithium ions can be easily inserted and desorbed smoothly, and the resistance can be further reduced. The central particle diameter is 50% cumulative diameter D 50 (median diameter), and can be measured by a laser diffraction / scattering particle size distribution analyzer.
正極用結着剤としては、負極用結着剤と同様のものを用いることができる。中でも、汎用性や低コストの観点から、ポリフッ化ビニリデンが好ましい。使用する正極用結着剤の量は、トレードオフの関係にある結着力とエネルギー密度の観点から、正極活物質100質量部に対して2〜10質量部が好ましい。 As the positive electrode binder, the same negative electrode binder can be used. Among these, polyvinylidene fluoride is preferable from the viewpoint of versatility and low cost. The amount of the binder for positive electrode to be used is preferably 2 to 10 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the positive electrode active material from the viewpoints of binding force and energy density in a trade-off relationship.
ポリフッ化ビニリデン(PVdF)以外の結着剤としては、ビニリデンフルオライド−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、ビニリデンフルオライド−テトラフルオロエチレン共重合体、スチレン−ブタジエン共重合ゴム、ポリテトラフルオロエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリイミド、ポリアミドイミドが挙げられる。 As binders other than polyvinylidene fluoride (PVdF), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer, vinylidene fluoride-tetrafluoroethylene copolymer, styrene-butadiene copolymer rubber, polytetrafluoroethylene, polypropylene, Examples include polyethylene, polyimide, and polyamideimide.
正極活物質を含む正極活物質層には、インピーダンスを低下させる目的で、導電補助材を添加してもよい。導電補助材としては、グラファイト、カーボンブラック、アセチレンブラック等の炭素質微粒子が挙げられる。 A conductive auxiliary material may be added to the positive electrode active material layer containing the positive electrode active material for the purpose of reducing impedance. Examples of the conductive auxiliary material include carbonaceous fine particles such as graphite, carbon black, and acetylene black.
正極集電体としてはアルミニウム、ニッケル、銀、およびそれらの合金が好ましい。その形状としては、箔、平板状、メッシュ状が挙げられる。 As the positive electrode current collector, aluminum, nickel, silver, and alloys thereof are preferable. Examples of the shape include foil, flat plate, and mesh.
正極は、上記の活物質を、導電性物質、結着剤とともにN−メチル−2−ピロリドン(NMP)等の溶剤中に分散混練し、これを正極集電体上に塗布することにより得ることができる。 The positive electrode is obtained by dispersing and kneading the above active material together with a conductive material and a binder in a solvent such as N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), and applying this onto a positive electrode current collector. Can do.
(負極)
負極は、負極活物質として、リチウムを吸蔵および放出し得る材料を含むものであれば特に限定されない。(Negative electrode)
A negative electrode will not be specifically limited if the negative electrode active material contains the material which can occlude and discharge | release lithium.
負極活物質としては、特に制限されるものではなく、例えば、リチウムイオンを吸蔵、放出し得る炭素材料(a)、リチウムと合金可能な金属(b)、またはリチウムイオンを吸蔵、放出し得る金属酸化物(c)等が挙げられ、炭素材料(a)を含むものであることが好ましい。 The negative electrode active material is not particularly limited. For example, a carbon material (a) that can occlude and release lithium ions, a metal (b) that can be alloyed with lithium, or a metal that can occlude and release lithium ions. An oxide (c) etc. are mentioned, It is preferable that a carbon material (a) is included.
炭素材料(a)としては、黒鉛、非晶質炭素、ダイヤモンド状炭素、カーボンナノチューブ、またはこれらの複合物を用いることができる。ここで、結晶性の高い黒鉛は、電気伝導性が高く、銅などの金属からなる負極集電体との接着性および電圧平坦性が優れている。一方、結晶性の低い非晶質炭素は、体積膨張が比較的小さいため、負極全体の体積膨張を緩和する効果が高く、かつ結晶粒界や欠陥といった不均一性に起因する劣化が起きにくい。炭素材料(a)は、それ単独で、またはその他の物質と併用して用いることができる。併用して用いる場合、炭素材料(a)は、負極活物質中2質量%以上80質量%以下の範囲であることが好ましく、例えば2質量%以上30質量%以下の範囲で用いることができる。 As the carbon material (a), graphite, amorphous carbon, diamond-like carbon, carbon nanotube, or a composite thereof can be used. Here, graphite with high crystallinity has high electrical conductivity, and is excellent in adhesiveness and voltage flatness with a negative electrode current collector made of a metal such as copper. On the other hand, since amorphous carbon having low crystallinity has a relatively small volume expansion, it has a high effect of relaxing the volume expansion of the entire negative electrode, and deterioration due to non-uniformity such as crystal grain boundaries and defects hardly occurs. The carbon material (a) can be used alone or in combination with other substances. When used in combination, the carbon material (a) is preferably in the range of 2% by mass to 80% by mass in the negative electrode active material, for example, in the range of 2% by mass to 30% by mass.
金属(b)としては、Al、Si、Pb、Sn、Zn、Cd、Sb、In、Bi、Ag、Ba、Ca、Hg、Pd、Pt、Te、La等を主体とした金属、またはこれらの2種以上の合金、あるいはこれら金属または合金とリチウムとの合金等を用いることができる。特に、金属(b)としてシリコン(Si)を含むことが好ましい。金属(b)は、それ単独でまたはその他の物質と併用して用いることができるが、負極活物質中5質量%以上90質量%以下の範囲であることが好ましく、20質量%以上50質量%以下の範囲であることがより好ましい。 As the metal (b), a metal mainly composed of Al, Si, Pb, Sn, Zn, Cd, Sb, In, Bi, Ag, Ba, Ca, Hg, Pd, Pt, Te, La, or the like, or these Two or more kinds of alloys, or an alloy of these metals or alloys and lithium can be used. In particular, silicon (Si) is preferably included as the metal (b). The metal (b) can be used alone or in combination with other substances, but is preferably in the range of 5% by mass to 90% by mass in the negative electrode active material, and is 20% by mass to 50% by mass. The following range is more preferable.
金属酸化物(c)としては、酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化スズ、酸化インジウム、酸化亜鉛、酸化リチウム、またはこれらの複合物を用いることができる。特に、金属酸化物(c)として酸化シリコンを含むことが好ましい。これは、酸化シリコンは、比較的安定で他の化合物との反応を引き起こしにくいからである。また、金属酸化物(c)に、窒素、ホウ素およびイオウの中から選ばれる一種または二種以上の元素を、例えば0.1〜5質量%添加することもできる。こうすることで、金属酸化物(c)の電気伝導性を向上させることができる。金属酸化物(c)は、それ単独でまたはその他の物質と併用して用いることができるが、負極活物質中5質量%以上90質量%以下の範囲であることが好ましく、40質量%以上70質量%以下の範囲であることがより好ましい。 As the metal oxide (c), silicon oxide, aluminum oxide, tin oxide, indium oxide, zinc oxide, lithium oxide, or a composite thereof can be used. In particular, silicon oxide is preferably included as the metal oxide (c). This is because silicon oxide is relatively stable and hardly causes a reaction with other compounds. Moreover, 0.1-5 mass% of 1 type, or 2 or more types of elements chosen from nitrogen, boron, and sulfur can also be added to a metal oxide (c). By carrying out like this, the electrical conductivity of a metal oxide (c) can be improved. The metal oxide (c) can be used alone or in combination with other substances, but is preferably in the range of 5% by mass to 90% by mass in the negative electrode active material, and 40% by mass to 70% by mass. More preferably, it is in the range of mass% or less.
金属酸化物(c)の具体例としては、例えば、LiFe2O3、WO2、MoO2、SiO、SiO2、CuO、SnO、SnO2、Nb3O5、LixTi2−xO4(1≦x≦4/3)、PbO2、Pb2O5等が挙げられる。Specific examples of the metal oxide (c) include, for example, LiFe 2 O 3 , WO 2 , MoO 2 , SiO, SiO 2 , CuO, SnO, SnO 2 , Nb 3 O 5 , Li x Ti 2−x O 4. (1 ≦ x ≦ 4/3), PbO 2 , Pb 2 O 5 and the like.
また、負極活物質としては、他にも、例えば、リチウムイオンを吸蔵、放出し得る金属硫化物(d)が挙げられる。金属硫化物(d)としては、例えば、SnSやFeS2等が挙げられる。また、負極活物質としては、他にも、例えば、金属リチウム若しくはリチウム合金、ポリアセン若しくはポリチオフェン、またはLi5(Li3N)、Li7MnN4、Li3FeN2、Li2.5Co0.5N若しくはLi3CoN等の窒化リチウム等を挙げる事ができる。Other examples of the negative electrode active material include metal sulfide (d) that can occlude and release lithium ions. Metal sulfide as (d) are, for example, SnS and FeS 2 or the like. In addition, as the negative electrode active material, for example, metallic lithium or lithium alloy, polyacene or polythiophene, or Li 5 (Li 3 N), Li 7 MnN 4 , Li 3 FeN 2 , Li 2.5 Co 0. Examples thereof include lithium nitride such as 5 N or Li 3 CoN.
以上の負極活物質は、一種を単独でまたは二種以上を混合して用いることができる。 The above negative electrode active materials can be used singly or in combination of two or more.
一実施形態では、負極活物質は、炭素材料(a)、金属(b)、および金属酸化物(c)を含む構成とすることができる。以下、この負極活物質について説明する。 In one embodiment, the negative electrode active material may include a carbon material (a), a metal (b), and a metal oxide (c). Hereinafter, this negative electrode active material will be described.
金属酸化物(c)はその全部または一部がアモルファス構造を有することが好ましい。アモルファス構造の金属酸化物(c)は、炭素材料(a)や金属(b)の体積膨張を抑制することができ、電解液の分解を抑制することができる。このメカニズムは、金属酸化物(c)がアモルファス構造であることにより、炭素材料(a)と電解液の界面への被膜形成に何らかの影響があるものと推定される。また、アモルファス構造は、結晶粒界や欠陥といった不均一性に起因する要素が比較的少ないと考えられる。なお、金属酸化物(c)の全部または一部がアモルファス構造を有することは、エックス線回折測定(一般的なXRD測定)にて確認することができる。具体的には、金属酸化物(c)がアモルファス構造を有しない場合には、金属酸化物(c)に固有のピークが観測されるが、金属酸化物(c)の全部または一部がアモルファス構造を有する場合が、金属酸化物(c)に固有ピークがブロードとなって観測される。 All or part of the metal oxide (c) preferably has an amorphous structure. The amorphous metal oxide (c) can suppress the volume expansion of the carbon material (a) and the metal (b), and can suppress the decomposition of the electrolytic solution. This mechanism is presumed to have some influence on the film formation on the interface between the carbon material (a) and the electrolytic solution due to the amorphous structure of the metal oxide (c). The amorphous structure is considered to have relatively few elements due to non-uniformity such as crystal grain boundaries and defects. In addition, it can be confirmed by X-ray diffraction measurement (general XRD measurement) that all or part of the metal oxide (c) has an amorphous structure. Specifically, when the metal oxide (c) does not have an amorphous structure, a peak specific to the metal oxide (c) is observed, but all or part of the metal oxide (c) is amorphous. In the case of having a structure, the intrinsic peak of the metal oxide (c) is broad and observed.
金属酸化物(c)は、金属(b)を構成する金属の酸化物であることが好ましい。また、金属(b)および金属酸化物(c)は、それぞれシリコン(Si)および酸化シリコン(SiO)であることが好ましい。 The metal oxide (c) is preferably a metal oxide constituting the metal (b). The metal (b) and the metal oxide (c) are preferably silicon (Si) and silicon oxide (SiO), respectively.
金属(b)は、その全部または一部が金属酸化物(c)中に分散していることが好ましい。金属(b)の少なくとも一部を金属酸化物(c)中に分散させることで、負極全体としての体積膨張をより抑制することができ、電解液の分解も抑制することができる。なお、金属(b)の全部または一部が金属酸化物(c)中に分散していることは、透過型電子顕微鏡観察(一般的なTEM観察)とエネルギー分散型X線分光法測定(一般的なEDX測定)を併用することで確認することができる。具体的には、金属(b)粒子を含むサンプルの断面を観察し、金属酸化物(c)中に分散している金属(b)粒子の酸素濃度を測定し、金属(b)粒子を構成している金属が酸化物となっていないことを確認することができる。 It is preferable that all or part of the metal (b) is dispersed in the metal oxide (c). By dispersing at least a part of the metal (b) in the metal oxide (c), the volume expansion of the whole negative electrode can be further suppressed, and the decomposition of the electrolytic solution can also be suppressed. Note that all or part of the metal (b) is dispersed in the metal oxide (c) because it is observed with a transmission electron microscope (general TEM observation) and energy dispersive X-ray spectroscopy (general). This can be confirmed by using a combination of a standard EDX measurement. Specifically, the cross section of the sample containing the metal (b) particles is observed, the oxygen concentration of the metal (b) particles dispersed in the metal oxide (c) is measured, and the metal (b) particles are configured. It can be confirmed that the metal being used is not an oxide.
上述のように、炭素材料(a)、金属(b)、および金属酸化物(c)の合計に対するそれぞれの炭素材料(a)、金属(b)、および金属酸化物(c)の含有率は、それぞれ、2質量%以上80質量%以下、5質量%以上90質量%以下、および5質量%以上90質量%以下であることが好ましい。また、炭素材料(a)、金属(b)、および金属酸化物(c)の合計に対するそれぞれの炭素材料(a)、金属(b)、および金属酸化物(c)の含有率は、それぞれ、2質量%以上30質量%以下、20質量%以上50質量%以下、および40質量%以上70質量%以下であることがより好ましい。 As described above, the content of each carbon material (a), metal (b), and metal oxide (c) with respect to the total of the carbon material (a), metal (b), and metal oxide (c) is These are preferably 2 to 80% by mass, 5 to 90% by mass, and 5 to 90% by mass, respectively. Moreover, the content rate of each carbon material (a), a metal (b), and a metal oxide (c) with respect to the sum total of a carbon material (a), a metal (b), and a metal oxide (c), respectively, More preferably, they are 2 mass% or more and 30 mass% or less, 20 mass% or more and 50 mass% or less, and 40 mass% or more and 70 mass% or less.
金属酸化物(c)の全部または一部がアモルファス構造であり、金属(b)の全部または一部が金属酸化物(c)中に分散しているような負極活物質は、例えば、特開2004−47404号公報で開示されているような方法で作製することができる。すなわち、金属酸化物(c)をメタンガスなどの有機物ガスを含む雰囲気下でCVD処理を行うことで、金属酸化物(c)中の金属(b)がナノクラスター化し、かつ表面が炭素材料(a)で被覆された複合体を得ることができる。また、炭素材料(a)と金属(b)と金属酸化物(c)とをメカニカルミリングで混合することでも、上記負極活物質を作製することができる。 A negative electrode active material in which all or part of the metal oxide (c) has an amorphous structure and all or part of the metal (b) is dispersed in the metal oxide (c) is disclosed in, for example, It can be produced by a method as disclosed in 2004-47404. That is, by performing a CVD process on the metal oxide (c) in an atmosphere containing an organic gas such as methane gas, the metal (b) in the metal oxide (c) is nanoclustered and the surface is a carbon material (a ) Can be obtained. Moreover, the said negative electrode active material is producible also by mixing a carbon material (a), a metal (b), and a metal oxide (c) by mechanical milling.
また、炭素材料(a)、金属(b)、および金属酸化物(c)は、特に制限するものではないが、それぞれ粒子状のものを用いることができる。例えば、金属(b)の平均粒子径は、炭素材料(a)の平均粒子径および金属酸化物(c)の平均粒子径よりも小さい構成とすることができる。このようにすれば、充放電時にともなう体積変化の大きい金属(b)が相対的に小粒径となり、体積変化の小さい炭素材料(a)や金属酸化物(c)が相対的に大粒径となるため、デンドライト生成および合金の微粉化がより効果的に抑制される。また、充放電の過程で大粒径の粒子、小粒径の粒子、大粒径の粒子の順にリチウムが吸蔵、放出されることとなり、この点からも、残留応力、残留歪みの発生が抑制される。金属(b)の平均粒子径は、例えば20μm以下とすることができ、15μm以下とすることが好ましい。 The carbon material (a), the metal (b), and the metal oxide (c) are not particularly limited, but particulate materials can be used. For example, the average particle diameter of the metal (b) may be smaller than the average particle diameter of the carbon material (a) and the average particle diameter of the metal oxide (c). In this way, the metal (b) having a large volume change during charging and discharging has a relatively small particle size, and the carbon material (a) and the metal oxide (c) having a small volume change have a relatively large particle size. Therefore, dendrite formation and alloy pulverization are more effectively suppressed. In addition, lithium is occluded and released in the order of large-diameter particles, small-diameter particles, and large-diameter particles during the charge / discharge process. This also suppresses the occurrence of residual stress and residual strain. Is done. The average particle diameter of the metal (b) can be, for example, 20 μm or less, and is preferably 15 μm or less.
また、金属酸化物(c)の平均粒子径が炭素材料(a)の平均粒子径の1/2以下であることが好ましく、金属(b)の平均粒子径が金属酸化物(c)の平均粒子径の1/2以下であることが好ましい。さらに、金属酸化物(c)の平均粒子径が炭素材料(a)の平均粒子径の1/2以下であり、かつ金属(b)の平均粒子径が金属酸化物(c)の平均粒子径の1/2以下であることがより好ましい。平均粒子径をこのような範囲に制御すれば、金属および合金相の体積膨脹の緩和効果がより有効に得ることができ、エネルギー密度、サイクル寿命と効率のバランスに優れた二次電池を得ることができる。より具体的には、シリコン酸化物(c)の平均粒子径を黒鉛(a)の平均粒子径の1/2以下とし、シリコン(b)の平均粒子径をシリコン酸化物(c)の平均粒子径の1/2以下とすることが好ましい。また、より具体的には、シリコン(b)の平均粒子径は、例えば20μm以下とすることができ、15μm以下とすることが好ましい。 Moreover, it is preferable that the average particle diameter of a metal oxide (c) is 1/2 or less of the average particle diameter of a carbon material (a), and the average particle diameter of a metal (b) is an average of a metal oxide (c). It is preferable that it is 1/2 or less of a particle diameter. Furthermore, the average particle diameter of the metal oxide (c) is ½ or less of the average particle diameter of the carbon material (a), and the average particle diameter of the metal (b) is the average particle diameter of the metal oxide (c). It is more preferable that it is 1/2 or less. By controlling the average particle size in such a range, the effect of relaxing the volume expansion of the metal and alloy phases can be obtained more effectively, and a secondary battery having an excellent balance of energy density, cycle life and efficiency can be obtained. Can do. More specifically, the average particle diameter of the silicon oxide (c) is set to 1/2 or less of the average particle diameter of the graphite (a), and the average particle diameter of the silicon (b) is the average particle of the silicon oxide (c). It is preferable to make it 1/2 or less of the diameter. More specifically, the average particle diameter of silicon (b) can be, for example, 20 μm or less, and is preferably 15 μm or less.
負極用結着剤としては、特に制限されるものではないが、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ビニリデンフルオライド−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、ビニリデンフルオライド−テトラフルオロエチレン共重合体、スチレン−ブタジエン共重合ゴム、ポリテトラフルオロエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリイミド、ポリアミドイミド等が挙げられる。 The binder for the negative electrode is not particularly limited, but polyvinylidene fluoride (PVdF), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer, vinylidene fluoride-tetrafluoroethylene copolymer, styrene-butadiene copolymer. Polymerized rubber, polytetrafluoroethylene, polypropylene, polyethylene, polyimide, polyamideimide and the like can be mentioned.
負極結着剤の含有率は、負極活物質と負極結着剤の総量に対して1〜30質量%の範囲であることが好ましく、2〜25質量%であることがより好ましい。1質量%以上とすることにより、活物質同士あるいは活物質と集電体との密着性が向上し、サイクル特性が良好になる。また、30質量%以下とすることにより、活物質比率が向上し、負極容量を向上することができる。 The content of the negative electrode binder is preferably in the range of 1 to 30% by mass and more preferably 2 to 25% by mass with respect to the total amount of the negative electrode active material and the negative electrode binder. By setting the content to 1% by mass or more, the adhesion between the active materials or between the active material and the current collector is improved, and the cycle characteristics are improved. Moreover, by setting it as 30 mass% or less, an active material ratio can improve and a negative electrode capacity | capacitance can be improved.
負極集電体としては、特に制限されるものではないが、電気化学的な安定性から、アルミニウム、ニッケル、銅、銀、およびそれらの合金が好ましい。その形状としては、箔、平板状、メッシュ状が挙げられる。 Although it does not restrict | limit especially as a negative electrode electrical power collector, Aluminum, nickel, copper, silver, and those alloys are preferable from electrochemical stability. Examples of the shape include foil, flat plate, and mesh.
負極は、負極集電体上に、負極活物質と負極用結着剤を含む負極活物質層を形成することで作製することができる。負極活物質層の形成方法としては、ドクターブレード法、ダイコーター法、CVD法、スパッタリング法などが挙げられる。予め負極活物質層を形成した後に、蒸着、スパッタ等の方法でアルミニウム、ニッケルまたはそれらの合金の薄膜を形成して、負極集電体としてもよい。 The negative electrode can be produced by forming a negative electrode active material layer containing a negative electrode active material and a negative electrode binder on a negative electrode current collector. Examples of the method for forming the negative electrode active material layer include a doctor blade method, a die coater method, a CVD method, and a sputtering method. After forming a negative electrode active material layer in advance, a thin film of aluminum, nickel, or an alloy thereof may be formed by a method such as vapor deposition or sputtering to form a negative electrode current collector.
(セパレータ)
二次電池は、その構成として正極、負極、セパレータ、および非水電解質との組み合わせから構成されてよい。セパレータとしては、例えば、織布、不織布、ポリエチレンやポリプロピレンなどのポリオレフィン系、ポリイミド、多孔性ポリフッ化ビニリデン膜等の多孔性ポリマー膜、またはイオン伝導性ポリマー電解質膜等が挙げられる。これらは単独または組み合わせで使用することができる。(Separator)
The secondary battery may be composed of a combination of a positive electrode, a negative electrode, a separator, and a nonaqueous electrolyte as its configuration. Examples of the separator include a woven fabric, a nonwoven fabric, a polyolefin polymer such as polyethylene and polypropylene, a polyimide, a porous polymer film such as a porous polyvinylidene fluoride film, or an ion conductive polymer electrolyte film. These can be used alone or in combination.
(電池の形状および外装)
電池の形状としては、例えば、円筒形、角形、コイン型、ボタン型、ラミネート型が挙げられる。(Battery shape and exterior)
Examples of the shape of the battery include a cylindrical shape, a square shape, a coin shape, a button shape, and a laminate shape.
ラミネート型の場合、電極およびセパレータが平面形状のまま積層されており、Rの小さい部分(捲回構造の巻き芯に近い領域または扁平型捲回構造の折り返す部位にあたる領域)が存在しない。そのため、充放電に伴う体積変化が大きい活物質を用いた場合、捲回構造を持つ電池に比べて、充放電に伴う電極の体積変化による悪影響を受けにくい。 In the case of the laminate type, the electrodes and the separator are laminated in a planar shape, and there is no portion with a small R (a region close to the winding core of the wound structure or a region corresponding to a folded portion of the flat wound structure). Therefore, when an active material having a large volume change associated with charging / discharging is used, it is less likely to be adversely affected by the volume change of the electrode associated with charging / discharging than a battery having a wound structure.
電池の外装体としては、例えば、ステンレス、鉄、アルミニウム、チタン、またはこれらの合金、あるいはこれらのメッキ加工品が挙げられる。メッキとしては例えばニッケルメッキを用いることができる。電池がラミネート型の場合は、外装体としてラミネートフィルムが好ましい。 Examples of the battery outer package include stainless steel, iron, aluminum, titanium, alloys thereof, and plated products thereof. As the plating, for example, nickel plating can be used. When the battery is a laminate type, a laminate film is preferable as the outer package.
ラミネートフィルムの樹脂基材層上の金属箔層としては、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、チタン箔が挙げられる。ラミネートフィルムの熱溶着層の材質としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート等の熱可塑性高分子材料が挙げられる。また、ラミネートフィルムの樹脂基材層や金属箔層はそれぞれ1層に限定されるものではなく2層以上であってもよい。汎用性やコストの観点から、アルミニウムラミネートフィルムが好ましい。 Examples of the metal foil layer on the resin base layer of the laminate film include aluminum, an aluminum alloy, and a titanium foil. Examples of the material for the heat-welded layer of the laminate film include thermoplastic polymer materials such as polyethylene, polypropylene, and polyethylene terephthalate. Moreover, the resin base material layer and the metal foil layer of the laminate film are not limited to one layer, but may be two or more layers. From the viewpoint of versatility and cost, an aluminum laminate film is preferable.
外装体としてラミネートフィルムを用いた場合、外装体として金属缶を用いた場合に比べて、ガスが発生に起因する電池の体積変化や電極の歪みが生じやすい。これは、ラミネートフィルムが金属缶に比べて電池の内圧により変形しやすいためである。さらに、外装体としてラミネートフィルムを用いた二次電池を封止する際には、通常、電池内圧を大気圧より低くし、内部に余分な空間がないため、電池内でガスが発生した場合に直ちに電池の体積変化や電極の変形につながりやすい。また、ラミネート型電池の場合は、捲回構造をもつ電池に比べて電極間にガスが発生した際に電極間に滞留しやすいため電極間の間隔が広がり易い傾向があり、ラミネートフィルム外装体を用いると、この傾向はより顕著になる。本実施形態によれば、このような問題の発生を抑えることができ、ラミネートフィルム外装体を用いたラミネート型電池であっても、長期信頼性に優れた非水電解液二次電池を提供することができる。 When a laminate film is used as the outer package, battery volume changes and electrode distortions due to the generation of gas are more likely to occur than when a metal can is used as the outer package. This is because the laminate film is more easily deformed by the internal pressure of the battery than the metal can. In addition, when sealing a secondary battery using a laminate film as an exterior body, the internal pressure of the battery is usually lower than atmospheric pressure, and there is no extra space inside, so when gas is generated in the battery Immediately leads to battery volume change and electrode deformation. In addition, in the case of a laminate type battery, compared to a battery having a wound structure, when gas is generated between the electrodes, the gap between the electrodes tends to be widened because the gas tends to stay between the electrodes. When used, this tendency becomes more prominent. According to this embodiment, the occurrence of such a problem can be suppressed, and a non-aqueous electrolyte secondary battery excellent in long-term reliability is provided even for a laminated battery using a laminate film outer package. be able to.
(電池の基本構造)
本実施形態によるラミネート型のリチウム二次電池の断面図を図1に示す。図1に示すように、本実施形態によるリチウム二次電池は、アルミニウム箔等の金属からなる正極集電体3と、その上に設けられた正極活物質を含有する正極活物質層1とからなる正極、および銅箔等の金属からなる負極集電体4と、その上に設けられた負極活物質を含有する負極活物質層2とからなる負極を有する。正極および負極は、正極活物質層1と負極活物質層2とが対向するように、不織布やポリプロピレン微多孔膜などからなるセパレータ5を介して積層されている。この電極対は、アルミニウムラミネートフィルム等の外装体6、7で形成された容器内に収容されている。正極集電体3には正極タブ9が接続けられ、負極集電体4には負極タブ8が接続され、これらのタブは容器の外に引き出されている。容器内には電解液が注入され封止される。複数の電極対が積層された電極群が容器内に収容された構造とすることもできる。(Basic battery structure)
A cross-sectional view of a laminated lithium secondary battery according to this embodiment is shown in FIG. As shown in FIG. 1, the lithium secondary battery according to the present embodiment includes a positive electrode
以下、本発明を適用した具体的な実施例について説明するが、本発明は、本実施例に限定されるものではなく、その主旨を超えない範囲において適宜変更して実施することが可能である。 EXAMPLES Hereinafter, specific examples to which the present invention is applied will be described. However, the present invention is not limited to the examples, and can be appropriately modified and implemented without departing from the gist thereof. .
以下の例で使用した化合物の略号について説明する。 The abbreviations of the compounds used in the following examples are described.
PC:プロピレンカーボネート
EC:エチレンカーボネート
TFETFPE:1,1,2,2−テトラフルオロエチル−2,2,3,3−テトラフルオロプロピルエーテル
TTFEP:リン酸トリス(2,2,2−トリフルオロエチル)
DMC:ジメチルカーボネート
FEC:フルオロエチレンカーボネート
FPC:3,3,3−トリフルオロプロピレンカーボネートPC: propylene carbonate EC: ethylene carbonate TFET FPE: 1,1,2,2-tetrafluoroethyl-2,2,3,3-tetrafluoropropyl ether TTFEP: tris phosphate (2,2,2-trifluoroethyl)
DMC: dimethyl carbonate FEC: fluoroethylene carbonate FPC: 3,3,3-trifluoropropylene carbonate
<実施例1−1>
正極活物質としてのLiNi0.5Mn1.5O4(90質量%)と、結着剤としてのポリフッ化ビニリデン(PVdF)(5質量%)と、導電剤としてのカーボンブラック(5質量%)と、を混合して正極合剤とした。この正極合剤をN−メチル−2−ピロリドンに分散させることにより、正極用スラリーを調製した。この正極用スラリーを厚さ20μmのアルミニウム製集電体の片面に、均一に塗布した。単位面積当たりの初回充電容量が2.5mAh/cm2となるように塗布膜の厚さを調整した。乾燥させた後、ロールプレスで圧縮成型することにより正極を作製した。<Example 1-1>
LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 (90% by mass) as a positive electrode active material, polyvinylidene fluoride (PVdF) (5% by mass) as a binder, and carbon black (5% by mass) as a conductive agent ) And were mixed into a positive electrode mixture. This positive electrode mixture was dispersed in N-methyl-2-pyrrolidone to prepare a positive electrode slurry. This positive electrode slurry was uniformly applied to one side of an aluminum current collector having a thickness of 20 μm. The thickness of the coating film was adjusted so that the initial charge capacity per unit area was 2.5 mAh / cm 2 . After drying, a positive electrode was produced by compression molding with a roll press.
負極活物質としては人造黒鉛を用いた。人造黒鉛を、N−メチルピロリドンにPVdFを溶かしたものに分散させ、負極用スラリーを調製した。負極活物質、結着剤の質量比は90/10とした。この負極用スラリーを厚さ10μmのCu集電体上に均一に塗布した。初回充電容量が3.0mAh/cm2となるように塗布膜の厚さを調整した。乾燥させた後、ロールプレスで圧縮成型することにより負極を作製した。Artificial graphite was used as the negative electrode active material. Artificial graphite was dispersed in PVDF dissolved in N-methylpyrrolidone to prepare a negative electrode slurry. The mass ratio of the negative electrode active material and the binder was 90/10. This negative electrode slurry was uniformly coated on a 10 μm thick Cu current collector. The thickness of the coating film was adjusted so that the initial charge capacity was 3.0 mAh / cm 2 . After drying, a negative electrode was produced by compression molding with a roll press.
3cm×3cmに切り出した正極と負極をセパレータを介して対向するように配置させた。セパレータには、厚さ25μmの微多孔性ポリプロピレンフィルムを用いた。 A positive electrode and a negative electrode cut out to 3 cm × 3 cm were arranged so as to face each other with a separator interposed therebetween. As the separator, a microporous polypropylene film having a thickness of 25 μm was used.
電解液は、プロピレンカーボネート(PC)、1,1,2,2−テトラフルオロエチル−2,2,3,3−テトラフルオロプロピルエーテル(TFETFPE)、リン酸トリス(2,2,2−トリフルオロエチル)(TTFEP)、およびジメチルカーボネート(DMC)をPC/TFETFPE/TTFEP/DMC=50/30/20/3(体積比)で構成した溶媒に、リチウム塩LiPF6を0.8mol/l加え、さらに、フルオロエチレンカーボネート(FEC)を上記溶媒組成において体積比2となるように添加した。The electrolytes are propylene carbonate (PC), 1,1,2,2-tetrafluoroethyl-2,2,3,3-tetrafluoropropyl ether (TFETFPE), tris phosphate (2,2,2-trifluoro). ethyl) (TTFEP), and dimethyl carbonate (DMC) in a solvent constituted by PC / TFETFPE / TTFEP / DMC = 50/30/20/3 ( volume ratio), the lithium salt LiPF 6 0.8 mol / l was added, Furthermore, fluoroethylene carbonate (FEC) was added so that the volume ratio was 2 in the solvent composition.
上記の正極、負極、セパレータ、および電解液を、ラミネート外装体の中に配置し、ラミネートを封止し、リチウム二次電池を作製した。正極と負極は、タブが接続され、ラミネートの外部から電気的に接続された状態とした。 The positive electrode, the negative electrode, the separator, and the electrolytic solution were placed in a laminate outer package, the laminate was sealed, and a lithium secondary battery was produced. The positive electrode and the negative electrode were connected to a tab and electrically connected from the outside of the laminate.
このリチウム二次電池を、100mAで充電し、上限電圧が4.8Vに達した後は、全充電時間が2.5時間になるまで定電圧で充電した。その後、100mAで下限電圧3Vになるまで定電流で放電した。この充放電を100回繰り返した。この充放電は45℃の恒温槽内で実施した。 This lithium secondary battery was charged at 100 mA, and after the upper limit voltage reached 4.8 V, it was charged at a constant voltage until the total charging time reached 2.5 hours. Thereafter, discharging was performed at a constant current until the lower limit voltage was 3 V at 100 mA. This charging / discharging was repeated 100 times. This charging / discharging was implemented in a 45 degreeC thermostat.
(ガス発生評価)
ガス発生量は、充放電サイクル前後のセル体積の変化を測定することにより評価した。セル体積は、アルキメデス法を用いて測定し、充放電サイクル前後での差分を調べることにより、ガス発生量を算出した。なお、ここに示していないが、FECを添加しない場合はガス発生量が非常に多かった。(Gas generation evaluation)
The amount of gas generation was evaluated by measuring the change in cell volume before and after the charge / discharge cycle. The cell volume was measured using the Archimedes method, and the gas generation amount was calculated by examining the difference before and after the charge / discharge cycle. Although not shown here, the amount of gas generated was very large when FEC was not added.
<実施例1−2>
フルオロエチレンカーボネート(FEC)を上記溶媒組成において体積比3となるように添加した以外は、実施例1−1と同様にしてリチウム二次電池を作製し、ガス発生量を測定した。<Example 1-2>
A lithium secondary battery was produced in the same manner as in Example 1-1 except that fluoroethylene carbonate (FEC) was added so as to have a volume ratio of 3 in the solvent composition, and the amount of gas generated was measured.
<実施例1−3>
フルオロエチレンカーボネート(FEC)を上記溶媒組成において体積比5となるように添加した以外は、実施例1−1と同様にしてリチウム二次電池を作製し、ガス発生量を測定した。<Example 1-3>
A lithium secondary battery was produced in the same manner as in Example 1-1 except that fluoroethylene carbonate (FEC) was added so as to have a volume ratio of 5 in the solvent composition, and the amount of gas generated was measured.
<実施例1−4>
フルオロエチレンカーボネート(FEC)を上記溶媒組成において体積比10となるように添加した以外は、実施例1−1と同様にしてリチウム二次電池を作製し、ガス発生量を測定した。<Example 1-4>
A lithium secondary battery was produced in the same manner as in Example 1-1 except that fluoroethylene carbonate (FEC) was added so as to have a volume ratio of 10 in the solvent composition, and the amount of gas generated was measured.
図2は、フッ素化環状カーボネートであるフルオロエチレンカーボネート(FEC)の添加量による、充放電サイクルにおけるガス発生量を示している(実施例1−1〜1−4)。FECを適量添加することでガス発生量が最小になり、さらに添加すると増加してしまう傾向がある。本実施例では、PCを50体積%近く含有する電解溶媒組成においても、電解液中のFECの含有量がおよそ2〜6体積%の範囲、特に3体積%近傍においてガス発生が良好に抑制された。また、表1および図2より、PCに対するFECの含有率(体積比)が4〜12%の範囲、特に6%近傍でガス発生の抑制が良好であったことがわかる。 FIG. 2 shows the amount of gas generated in the charge / discharge cycle depending on the amount of fluoroethylene carbonate (FEC) that is a fluorinated cyclic carbonate (Examples 1-1 to 1-4). The gas generation amount is minimized by adding an appropriate amount of FEC, and tends to increase when it is further added. In this example, even in an electrolytic solvent composition containing PC in an amount of about 50% by volume, gas generation is well suppressed in the range where the content of FEC in the electrolytic solution is about 2 to 6% by volume, particularly in the vicinity of 3% by volume. It was. Moreover, it can be seen from Table 1 and FIG. 2 that the suppression of gas generation was good when the FEC content (volume ratio) to PC was in the range of 4 to 12%, particularly around 6%.
<実施例2−1>
電解液として、PC/TFETFPE/TTFEP=38/20/40(体積比)で構成した溶媒に1,3−プロパンスルトン0.1mol/lを加え、リチウム塩LiPF6を0.8mol/l加えた。さらに、フッ素化環状カーボネートである3,3,3−トリフルオロプロピレンカーボネート(FPC)を2体積%となるように添加した。電解液以外の構成は実施例1−1と同様にしてリチウム二次電池を作製し、45℃充放電サイクル300サイクル後にガス発生量を測定したところ、0.34ccであった。<Example 2-1>
As an electrolytic solution, 0.1 mol / l of 1,3-propane sultone was added to a solvent constituted by PC / TFETFPE / TTFEP = 38/20/40 (volume ratio), and 0.8 mol / l of lithium salt LiPF 6 was added. . Furthermore, 3,3,3-trifluoropropylene carbonate (FPC), which is a fluorinated cyclic carbonate, was added to 2% by volume. A configuration other than the electrolytic solution was the same as in Example 1-1. A lithium secondary battery was produced, and the amount of gas generated was measured after 300 cycles of 45 ° C. charge / discharge cycles.
<実施例2−2>
電解液の溶媒の組成を、PC/TFETFPE/TTFEP=38/20/40(体積比)に代えてPC/TFETFPE/TTFEP=30/20/40(体積比)とし、FPCを2体積%に代えて10体積%となるように添加した以外は、実施例2−1と同様にしてリチウム二次電池を作製し、ガス発生量を測定したところ、0.42ccであった。<Example 2-2>
The composition of the solvent of the electrolytic solution was changed to PC / TFETFPE / TTFEP = 30/20/40 (volume ratio) instead of PC / TFETFPE / TTFEP = 38/20/40 (volume ratio), and FPC was changed to 2% by volume. A lithium secondary battery was prepared in the same manner as in Example 2-1 except that the amount was 10 vol%, and the amount of gas generated was measured and found to be 0.42 cc.
<比較例A>
電解液の溶媒の組成を、PC/TFETFPE/TTFEP=40/20/40とし、FPCを添加しなかったこと以外は、実施例2−1と同様にしてリチウム二次電池を作製し、ガス発生量を測定したところ、0.72ccであった。<Comparative Example A>
A lithium secondary battery was produced in the same manner as in Example 2-1, except that the composition of the solvent of the electrolytic solution was PC / TFETFPE / TTFEP = 40/20/40, and FPC was not added. When the amount was measured, it was 0.72 cc.
実施例2−1および実施例2−2において、FPCの添加によりガス発生が抑制された。FPCの電解液中の含有量は、2体積%近傍に最適量があると思われる。また、PCに対するFPCの含有率(体積比)が5%近傍から33%近傍においてガス発生を良好に抑制できると考えられる。 In Example 2-1 and Example 2-2, gas generation was suppressed by the addition of FPC. The content of FPC in the electrolyte solution seems to have an optimum amount in the vicinity of 2% by volume. Moreover, it is thought that gas generation can be satisfactorily suppressed when the content ratio (volume ratio) of FPC to PC is in the vicinity of 5% to 33%.
<実施例3−1>
電解液の溶媒の組成をPC/TFETFPE/DMC=30/70/1とし、FECを上記溶媒組成比において体積比2となるように添加した以外は、実施例1−1と同様にしてリチウム二次電池を作製し、45℃充放電サイクル300サイクル後のガス発生量を測定したところ、0.32ccであった。<Example 3-1>
Except that the composition of the solvent of the electrolytic solution was PC / TFET FPE / DMC = 30/70/1, and FEC was added so that the volume ratio was 2 in the above solvent composition ratio, the same as in Example 1-1. A secondary battery was prepared, and the amount of gas generated after 300 cycles of 45 ° C. charge / discharge cycle was measured to be 0.32 cc.
<実施例3−2>
電解液の溶媒の組成をPC/TFETFPE/TTFEP/DMC=30/50/20/1とし、FECを上記溶媒組成比において体積比2となるように添加した以外は、実施例1−1と同様にしてリチウム二次電池を作製し、45℃充放電サイクル300サイクル後のガス発生量を測定したところ、0.17ccであった。<Example 3-2>
Example 1-1, except that the composition of the solvent of the electrolytic solution was PC / TFETFPE / TTFEP / DMC = 30/50/20/1, and FEC was added so that the volume ratio was 2 in the solvent composition ratio. A lithium secondary battery was prepared, and the amount of gas generated after 300 cycles of 45 ° C. charge / discharge cycles was measured to be 0.17 cc.
実施例3−1と実施例3−2との比較によれば、TTFEPを添加した方がガス発生量がより少なく、フッ素含有リン酸エステルを混合することにより、さらにガス発生抑制効果が得られた。PCに対するFECの含有率(体積比)は7%近傍においてガス発生の抑制効果が良好であるといえる。また、FEC2体積%と3体積%の比較を行ったところ、FEC2体積%の方がガス量が少なく、電解液に対し2体積%近傍においてガス発生の抑制効果が良好であった。 According to the comparison between Example 3-1 and Example 3-2, the amount of gas generation is smaller when TTFEP is added, and the gas generation suppression effect is further obtained by mixing the fluorine-containing phosphate ester. It was. It can be said that the effect of suppressing the generation of gas is good when the content (volume ratio) of FEC to PC is around 7%. Further, when 2% by volume and 3% by volume of FEC were compared, the amount of gas was 2% by volume of FEC, and the effect of suppressing gas generation was better in the vicinity of 2% by volume with respect to the electrolyte.
<実施例4−1>
電解液の溶媒の組成をPC/TFETFPE/TTFEP/DMC=30/20/50/3としFECを上記溶媒組成において体積比3となるように添加した以外は、実施例1−1と同様にしてリチウム二次電池を作製し、45℃充放電サイクル50サイクル後にガス発生量を測定したところ、0.25ccであった。<Example 4-1>
Except that the composition of the solvent of the electrolytic solution was PC / TFETFPE / TTFEP / DMC = 30/20/50/3 and FEC was added so that the volume ratio was 3 in the above solvent composition, the same as Example 1-1. A lithium secondary battery was produced, and the amount of gas generated after 50 cycles of 45 ° C. charge / discharge cycles was 0.25 cc.
また、本実施例と同じリチウム二次電池を作製し、45℃において、50mAの定電流で4.75Vまで充電を行い、2.5時間定電圧充電を行い、その後3.0Vまで放電を行った。その後再び同じ条件で充電を行った後、25℃において50mAで3.0Vまで放電し、このときの放電容量を測定したところ56mAhであった。 In addition, the same lithium secondary battery as in this example was manufactured, charged at 45 ° C. with a constant current of 50 mA to 4.75 V, charged with constant voltage for 2.5 hours, and then discharged to 3.0 V. It was. After charging again under the same conditions, the battery was discharged at 50 mA at 25 mA to 3.0 V. The discharge capacity at this time was measured and found to be 56 mAh.
<実施例4−2>
電解液の溶媒の組成をEC/PC/TFETFPE/TTFEP/DMC=10/20/20/50/3としFECを上記溶媒組成において体積比3となるように添加した以外は、実施例1−1と同様にしてリチウム二次電池を作製し、45℃充放電サイクル50サイクル後にガス発生量を測定したところ、0.26ccであった。<Example 4-2>
Example 1-1 except that the composition of the solvent of the electrolytic solution was EC / PC / TFETFPE / TTFEP / DMC = 10/20/20/50/3, and FEC was added so that the volume ratio was 3 in the solvent composition. A lithium secondary battery was produced in the same manner as described above, and the gas generation amount was measured after 50 cycles of 45 ° C. charge / discharge cycles.
また、本実施例と同じリチウム二次電池を作製し、実施例4−1と同様にして25℃における放電容量を測定したところ55mAhであった。 The same lithium secondary battery as in this example was produced, and the discharge capacity at 25 ° C. was measured in the same manner as in Example 4-1. The result was 55 mAh.
以下にプロピレンカーボネートを含まない溶媒組成の比較例を示す。 The comparative example of the solvent composition which does not contain propylene carbonate is shown below.
<比較例B−1>
電解液の溶媒の組成をFEC/TFETFPE/TTFEP=30/40/30とした以外は、実施例1−1と同様にしてリチウム二次電池を作製したところ、電極の抵抗が増大し電池が動作しなかった。<Comparative Example B-1>
A lithium secondary battery was fabricated in the same manner as in Example 1-1 except that the composition of the solvent of the electrolytic solution was FEC / TFETFPE / TTFEP = 30/40/30. The resistance of the electrode increased and the battery operated. I did not.
<比較例B−2>
電解液の溶媒の組成をFEC/TFETFPE=30/70とした以外は、実施例1−1と同様にしてリチウム二次電池を作製したところ、電極の抵抗が増大し電池が動作しなかった。<Comparative Example B-2>
When a lithium secondary battery was produced in the same manner as in Example 1-1 except that the composition of the solvent of the electrolytic solution was FEC / TFET FPE = 30/70, the resistance of the electrode increased and the battery did not operate.
<比較例B−3>
電解液の溶媒の組成をFEC/TTFEP=30/70とした以外は、実施例1−1と同様にしてリチウム二次電池を作製したところ、電極の抵抗が増大し電池が動作しなかった。<Comparative Example B-3>
A lithium secondary battery was produced in the same manner as in Example 1-1 except that the composition of the solvent of the electrolytic solution was FEC / TTFEP = 30/70. As a result, the resistance of the electrode increased and the battery did not operate.
<比較例C>
電解液の溶媒の組成をEC/FEC/TFETFPE=30/20/50とした以外は、実施例1−1と同様にしてリチウム二次電池を作製し、45℃充放電サイクル50サイクル後にガス発生量を測定したところ、1.73ccであった。<Comparative Example C>
A lithium secondary battery was produced in the same manner as in Example 1-1 except that the composition of the solvent of the electrolytic solution was EC / FEC / TFETFPE = 30/20/50, and gas was generated after 50 cycles of 45 ° C. charge / discharge cycles. When the amount was measured, it was 1.73 cc.
以上に示すように、本実施形態により、低温での良好な特性が期待でき、ガス発生が抑制されたリチウム二次電池を得ることが可能である。 As described above, according to this embodiment, it is possible to obtain a lithium secondary battery in which good characteristics at low temperatures can be expected and gas generation is suppressed.
本実施形態のリチウム二次電池は、低温での良好な特性が期待でき、ガス発生が抑制された二次電池であり、電源を必要とするあらゆる産業分野、ならびに電気的エネルギーの輸送、貯蔵および供給に関する産業分野にて利用することができる。具体的には、モバイル機器の電源、移動・輸送用媒体の電源、バックアップ電源、太陽光発電、風力発電などで発電した電力を貯める蓄電設備などに、利用することができる。 The lithium secondary battery of the present embodiment is a secondary battery in which good characteristics at low temperatures can be expected and gas generation is suppressed, and all industrial fields that require a power source, and transportation, storage, and storage of electrical energy It can be used in industrial fields related to supply. Specifically, it can be used for a power source of a mobile device, a power source of a moving / transport medium, a backup power source, a solar power generation, a wind power generation, and a power storage facility for storing power generated by the power generation.
1 正極活物質層
2 負極活物質層
3 正極集電体
4 負極集電体
5 セパレータ
6 ラミネート外装体
7 ラミネート外装体
8 負極タブ
9 正極タブDESCRIPTION OF
Claims (19)
前記非水電解質は
プロピレンカーボネート、
一般式(1)で示されるフッ素化環状カーボネート、並びに、
フッ素含有リン酸エステルおよびフッ素化鎖状エーテルから選択される1種以上
を含有し、
前記プロピレンカーボネートの含有率は非水電解溶媒中1体積%以上50体積%以下であり、前記フッ素化環状カーボネートの含有率は非水電解溶媒中0.1体積%以上10体積%以下であることを特徴とするリチウムイオン二次電池。
The non-aqueous electrolyte is propylene carbonate,
A fluorinated cyclic carbonate represented by the general formula (1), and
Containing one or more selected from fluorine-containing phosphate esters and fluorinated chain ethers,
The content of the propylene carbonate is 1% by volume to 50% by volume in the nonaqueous electrolytic solvent, and the content of the fluorinated cyclic carbonate is 0.1% by volume to 10% by volume in the nonaqueous electrolytic solvent. A lithium ion secondary battery characterized by the above.
CnH2n+1−lFl−O−CmH2m+1−kFk (2)
[式(2)中、nは1、2、3、4、5または6であり、mは1、2、3または4であり、lは0から2n+1までのいずれかの整数であり、kは0から2m+1までのいずれかの整数であり、lおよびkの少なくとも一方は1以上の整数である。]The non-aqueous electrolyte secondary battery according to any one of claims 1 to 12, wherein the fluorinated chain ether is represented by the following formula (2).
C n H 2n + 1-l F l -O-C m H 2m + 1-k F k (2)
[In the formula (2), n is 1, 2, 3, 4, 5 or 6, m is 1, 2, 3 or 4, l is any integer from 0 to 2n + 1, k Is any integer from 0 to 2m + 1, and at least one of l and k is an integer of 1 or more. ]
Lia(MxMn2−x−yYy)(O4−wZw) (4)
(式中、0≦x≦1.2、0≦y、x+y<2、0≦a≦1.2、0≦w≦1である。Mは、Co、Ni、Fe、CrおよびCuからなる群より選ばれる少なくとも一種であり、Yは、Li、B、Na、Al、Mg、Ti、Si、KおよびCaからなる群より選ばれる少なくとも一種であり、Zは、FおよびClからなる群より選ばれる少なくとも一種である。)The lithium ion secondary battery according to any one of claims 1 to 14, wherein the positive electrode active material contained in the positive electrode contains a lithium manganese composite oxide represented by the following formula (4).
Li a (M x Mn 2- x-y Y y) (O 4-w Z w) (4)
(In the formula, 0 ≦ x ≦ 1.2, 0 ≦ y, x + y <2, 0 ≦ a ≦ 1.2, and 0 ≦ w ≦ 1. M is made of Co, Ni, Fe, Cr, and Cu. At least one selected from the group, Y is at least one selected from the group consisting of Li, B, Na, Al, Mg, Ti, Si, K and Ca, and Z is from the group consisting of F and Cl At least one kind selected.)
LiMPO4 (5)
[式(5)中、MはCoおよびNiのうちの少なくとも1種である。]
Li(LixM1−x−zMnz)O2 (6)
[式(6)中、0≦x<0.3、0.3≦z≦0.7、MはCoおよびNiの少なくとも1種である]The positive electrode active material contained in the positive electrode contains at least one lithium metal composite oxide represented by the following formula (5) or (6). Lithium ion secondary battery.
LiMPO 4 (5)
[In formula (5), M is at least one of Co and Ni. ]
Li (Li x M 1-x -z Mn z) O 2 (6)
[In Formula (6), 0 ≦ x <0.3, 0.3 ≦ z ≦ 0.7, M is at least one of Co and Ni]
前記正極と前記負極とをセパレータを介して対向に配置する工程、
前記対向に配置した正極と負極を、非水電解質とともに外装体に収容する工程、および、
前記外装体を封止する工程
を含み、前記非水電解質は
プロピレンカーボネート、
一般式(7)で示されるフッ素化環状カーボネート、並びに、
フッ素含有リン酸エステルおよびフッ素化鎖状エーテルから選択される1種以上
を含有し、
前記プロピレンカーボネートの含有率は非水電解溶媒中1体積%以上50体積%以下であり、前記フッ素化環状カーボネートの含有率は非水電解溶媒中0.1体積%以上10体積%以下であることを特徴とするリチウムイオン二次電池の製造方法。
Disposing the positive electrode and the negative electrode opposite to each other via a separator;
A step of accommodating the positive electrode and the negative electrode arranged in a facing manner together with a nonaqueous electrolyte in an exterior body; and
A step of sealing the outer package, wherein the non-aqueous electrolyte is propylene carbonate,
A fluorinated cyclic carbonate represented by the general formula (7), and
Containing one or more selected from fluorine-containing phosphate esters and fluorinated chain ethers,
The content of the propylene carbonate is 1% by volume to 50% by volume in the nonaqueous electrolytic solvent, and the content of the fluorinated cyclic carbonate is 0.1% by volume to 10% by volume in the nonaqueous electrolytic solvent. A method for producing a lithium ion secondary battery.
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