JPWO2016084704A1 - 電解液、リチウムイオン電池およびリチウムイオンキャパシタ - Google Patents
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Abstract
Description
(1)非水溶媒に電解質が溶解されている電解液であって、下記一般式(I)で表される化合物を含有する電解液。
(2)一般式(I)で表される化合物を、電解液中に、0.001〜20質量%含有する(1)に記載の電解液。
(3)L1が下記一般式(a1)および一般式(a2)から選択される基である(1)または(2)に記載の電解液。
(4)L2が下記一般式(b1)および一般式(b2)から選択される基である(1)〜(3)のいずれか1つに記載の電解液。
(5)Xが、下記一般式(x1)〜(x6)のいずれかである(1)〜(4)のいずれか1つに記載の電解液。
(6)n2が0である(1)〜(5)のいずれか1つに記載の電解液。
(7)一般式(I)で表される化合物の分子量が、100〜2000である(1)〜(6)のいずれか1つに記載の電解液。
(8) (1)〜(7)のいずれか1つに記載の電解液を用いたリチウムイオン電池。
(9) (1)〜(7)のいずれか1つに記載の電解液を用いたリチウムイオンキャパシタ。
本明細書において「〜」を用いて表される数値範囲は「〜」前後に記載される数値を下限値および上限値として含む範囲を意味する。
このため、本発明により、リチウムイオン電池、リチウムイオンキャパシタなどに使用される電解液の高性能化、特に、少量の有機化合物で、カーボネート系溶媒の負極への染み込み速度を向上させた電解液、これを使用したリチウムイオン電池およびリチウムイオンキャパシタを提供することが可能となった。
また、多価エステル化合物を添加することで、良好な固体電解質界面(SEI;Solid Electrolyte Interface)を形成しているものと考えられ、電解液の劣化が抑制され、サイクル特性の向上が図れる。
なお、以下に記載する構成要件の説明は、代表的な実施形態や具体例に基づいてなされることがある。ただし、本発明はそのような実施形態に限定されるものではない。
本発明の電解液は、下記式(I)で表される化合物を含有する。
このことは、エーテル結合もしくはカーボネート結合以外の酸素原子を有する2価の連結基の場合も同様である。
アルキル基は直鎖もしくは分岐のいずれであっても構わない。アルキル基の炭素数は1〜10が好ましく、1〜8がより好ましく、1〜4がさらに好ましく、1または2が特にに好ましい。例えば、メチル、エチル、n−プロピル、イソプロピル、n−ブチル、s−ブチル、イソブチル、t−ブチル、n−ヘキシル、n−オクチル、2−エチルヘキシル、イソオクチル、n−デシル、イソデシルが挙げられる。
シクロアルキル基の環は、3〜7員環が好ましく、5または6員環がより好ましい。また、シクロアルキル基の炭素数は、3〜10が好ましく、5〜10がより好ましく、5または6がさらに好ましい。例えば、シクロプロピル、シクロペンチル、シクロヘキシル、シクロヘプチルが挙げられる。
R1およびR2は、本発明では、アルキル基が好ましい。
n2は0以上の整数を表すが、0〜10が好ましく、0〜3がより好ましく、0〜2がさらに好ましく、0が特に好ましい。
アルキル基としては、例えば、メチル、エチル、n−プロピル、イソプロピル、n−ブチル、イソブチル、t−ブチルが挙げられる。
本発明の電解液に用いる電解質は周期律表第1族または第2族に属する金属イオンの塩が好ましい。使用する金属イオンの塩は電解液の使用目的により適宜選択される。例えば、リチウム塩、カリウム塩、ナトリウム塩、カルシウム塩、マグネシウム塩などが挙げられ、二次電池などに使用される場合には、出力の観点からリチウム塩が好ましい。本発明の電解液をリチウムイオン二次電池用非水系電解液として用いる場合には、金属イオンの塩としてリチウム塩を選択すればよい。リチウム塩としては、リチウムイオン二次電池用非水系電解液の電解質に通常用いられるリチウム塩が好ましく、例えば、以下に述べるものが好ましい。
なお、電解液に用いる電解質は、1種を単独で使用しても、2種以上を任意に組み合わせてもよい。
本発明に用いられる非水溶剤としては、非プロトン性有機溶媒が好ましく、なかでも炭素数2〜10の非プロトン性有機溶媒が好ましい。
このような非水溶剤としては、カーボネート化合物、ラクトン化合物、鎖状もしくは環状のエーテル化合物、エステル化合物、ニトリル化合物、アミド化合物、オキサゾリジノン化合物、ニトロ化合物、鎖状または環状のスルホンもしくはスルホキシド化合物、リン酸エステルが挙げられる。
なお、好ましい結合で示せば、エーテル結合、カルボニル結合、エステル結合またはカーボネート結合を有する化合物が好ましい。これらの化合物は置換基を有していてもよく、例えば後述の置換基Tが挙げられる。
なお、本発明に用いられる非水溶剤は、これらに限定されるものではない。
本発明の電解液には、難燃性の向上、サイクル特性の良化、容量特性の改善などのため、各種の機能性添加剤を含有させることが好ましい。
以下に、本発明の電解液に適用することが好ましい機能性添加剤の例を示す。
芳香族性化合物は、ビフェニル化合物、アルキル置換ベンゼン化合物が挙げられる。ビフェニル化合物は2つのベンゼン環が単結合で結合している部分構造を有しておりベンゼン環は置換基を有してもよく、好ましい置換基は、炭素数1〜4のアルキル基(例えば、メチル、エチル、プロピル、t−ブチルなど)、炭素数6〜10のアリール基(例えば、フェニル、ナフチルなど)である。
ビフェニル化合物としては、具体的に、ビフェニル、o−テルフェニル、m−テルフェニル、p−テルフェニル、4−メチルビフェニル、4−エチルビフェニルおよび4−tert−ブチルビフェニルを挙げることができる。
アルキル置換ベンゼン化合物は、炭素数1〜10のアルキル基で置換されたベンゼン化合物が好ましく、具体的には、エチルベンゼン、イソプロピルベンゼン、シクロヘキシルベンゼン、t−アミルベンゼン、t−ブチルベンゼン、テチラヒドロナフタレンを挙げることができる。
ハロゲン原子を有する化合物が有するハロゲン原子としてはフッ素原子、塩素原子または臭素原子が好ましく、フッ素原子がより好ましい。ハロゲン原子の数は1〜6個が好ましく、1〜3個がさらに好ましい。ハロゲン原子を有する化合物は、フッ素原子で置換されたカーボネート化合物、フッ素原子を有するポリエーテル化合物、フッ素置換芳香族化合物が好ましい。
ハロゲン原子で置換されたカーボネート化合物は鎖状または環状いずれでもよい。なお、イオン伝導性の観点から、電解質塩(例えばリチウムイオン)の配位性が高い環状カーボネート化合物が好ましく、5員環環状カーボネート化合物が特に好ましい。
ハロゲン原子が置換したカーボネート化合物の好ましい具体例を以下に示す。この中でもBex1〜Bex4の化合物が特に好ましく、Bex1が最も好ましい。
重合性化合物としては炭素−炭素二重結合を有する化合物が好ましく、ビニレンカーボネート、ビニルエチレンカーボネートなどの二重結合を有するカーボネート化合物、アクリロイルオキシ基、メタクリロイルオキシ基、シアノアクリロイルオキシ基、α−CF3アクリロイルオキシ基から選ばれる基を有する化合物、スチリル基を有する化合物が好ましく、二重結合を有するカーボネート化合物、あるいは重合性基を分子内に2つ以上有する化合物がさらに好ましい。
硫黄原子を有する化合物は、−SO2−、−SO3−、−OS(=O)O−結合を有する化合物が好ましく、プロパンサルトン、プロペンサルトン、エチレンサルファイトなどの環状含硫黄化合物、スルホン酸エステル類が好ましい。
ケイ素原子を有する化合物としては、下記一般式(F1)または(F2)で表される化合物が好ましい。
RF2はアルキル基、アルケニル基、アルキニル基またはアルコキシ基を表す。
なお、1つの式に複数あるRF1およびRF2は各々互いに異なっていても同一であってもよい。
ニトリル化合物としては、アセトニトリル、プロピオニトリル、イソブチロニトリル、スクシノニトリル、マロノニトリル、グルタロニトリル、アジポニトリル、2−メチルグルタノニトリル、ヘキサントリカルボニトリル、プロパンテトラカルボニトリル等が好ましい。特に好ましくは、スクシノニトリル、マロノニトリル、グルタロニトリル、アジポニトリル、2メチルグルタノニトリル、ヘキサントリカルボニトリル、プロパンテトラカルボニトリルである。
ホウ素原子を有する化合物は、下記一般式(H1)〜(H3)で表される化合物が好ましい。
ホウ素原子を有する化合物として、具体的には下記の構造が挙げられ、より好ましくはHex1〜Hex2である。
本発明では、金属錯体化合物を含有してもよい。
このような金属錯体化合物としては、遷移金属錯体もしくは希土類錯体が好ましい。なかでも、下記一般式(H−1)〜(H−3)のいずれかで表される錯体が好ましい。
MHは遷移元素または希土類元素を表す。具体的にMHは、Fe、Ru、Cr、V、Ta、Mo、Ti、Zr、Hf、Y、La、Ce、Sw、Nd、Lu、Er、Yb、Gdが好ましい。mHとnHは0≦mH+nH≦3を満たす整数である。nH+mHは1以上が好ましい。nH、mHが2以上であるとき、そこで規定される2以上の基はそれぞれ異なっていてもよい。
qHは1〜4の整数を表し、2〜4の整数が好ましい。より好ましくは2または4である。qHが2以上のとき、そこで規定される複数の基は互いに同じでも異なっていてもよい。
中心金属Mhは、Ti、Zr、ZrO、Hf、V、Cr、Fe、Ceが特に好ましく、Ti、Zr、Hf、V、Crが最も好ましい。
R3h、R5hおよびR7h〜R10hは置換基を表す。なかでも、アルキル基、アルコキシ基、アリール基、アルケニル基、ハロゲン原子が好ましく、炭素数1〜6のアルキル基、炭素数1〜6のアルコキシ基、炭素数6〜12のアリール基、炭素数2〜6のアルケニル基がより好ましく、メチル、エチル、プロピル、イソプロピル、イソブチル、t−ブチル、パーフルオロメチル、メトキシ、フェニル、エテニルがさらに好ましい。
R33hおよびR55hは水素原子またはR3hの置換基を表す。R3hの置換基としては、後述の置換基Tが挙げられる。
Yhは、炭素数1〜6のアルキル基またはビス(トリアルキルシリル)アミノ基が好ましく、メチルまたはビス(トリメチルシリル)アミノがより好ましい。
lh、mhおよびohは0〜3の整数を表し、0〜2の整数が好ましい。lh、mhおよびohが2以上のとき、そこで規定される複数の構造部は互いに同じであっても、異なっていてもよい。
Lhはアルキレン基、シクロアルキレン基、アリーレン基が好ましく、炭素数3〜6のシクロアルキレン基、炭素数6〜14のアリーレン基がより好ましく、シクロヘキシレン、フェニレンがさらに好ましい。
イミド化合物としては、耐酸化性の観点より、炭素原子上に有する水素原子が全てフッ素化されたイミド化合物が好ましく、パーフルオロ化されたスルホンイミド化合物が好ましく、具体的にはパーフルオロ化されたスルホイミドリチウム化合物が挙げられる。
イミド化合物として、具体的には下記の構造が挙げられ、より好ましくはCex1、Cex2である。
本明細書において置換・無置換を明記していない置換基(連結基についても同様)については、特段に断りがない限り、その基に任意の置換基を有していてもよい意味である。これは置換・無置換を明記していない化合物についても同義である。好ましい置換基としては、下記置換基Tが挙げられる。また、特段に断りがない限り、単に置換基と称した場合も置換基Tが参照され、アルキル基などの各基も置換基Tの対応する基が参照される。
アルキル基(好ましくは炭素原子数1〜20のアルキル基、例えばメチル、エチル、イソプロピル、t−ブチル、ペンチル、ヘプチル、1−エチルペンチル、ベンジル、2−エトキシエチル、1−カルボキシメチル等)、アルケニル基(好ましくは炭素原子数2〜20のアルケニル基、例えば、ビニル、アリル、オレイル等)、アルキニル基(好ましくは炭素原子数2〜20のアルキニル基、例えば、エチニル、ブチンジイニル、フェニルエチニル等)、シクロアルキル基(好ましくは炭素原子数3〜20のシクロアルキル基、例えば、シクロプロピル、シクロペンチル、シクロヘキシル、4−メチルシクロヘキシル等)、アリール基(好ましくは炭素原子数6〜26のアリール基、例えば、フェニル、1−ナフチル、4−メトキシフェニル、2−クロロフェニル、3−メチルフェニル等)、ヘテロ環基(好ましくは炭素原子数2〜20のヘテロ環基、好ましくは、少なくとも1つの酸素原子、硫黄原子、窒素原子を有する5または6員環のヘテロ環基が好ましく、例えば、2−ピリジル、4−ピリジル、2−イミダゾリル、2−ベンゾイミダゾリル、2−チアゾリル、2−オキサゾリル等)、アルコキシ基(好ましくは炭素原子数1〜20のアルコキシ基、例えば、メトキシ、エトキシ、イソプロピルオキシ、ベンジルオキシ等)、アリールオキシ基(好ましくは炭素原子数6〜26のアリールオキシ基、例えば、フェノキシ、1−ナフチルオキシ、3−メチルフェノキシ、4−メトキシフェノキシ等)、アルコキシカルボニル基(好ましくは炭素原子数2〜20のアルコキシカルボニル基、例えば、エトキシカルボニル、2−エチルヘキシルオキシカルボニル等)、アミノ基(好ましくは炭素原子数0〜20のアミノ基、アルキルアミノ基、アリールアミノ基を含み、例えば、アミノ、N,N−ジメチルアミノ、N,N−ジエチルアミノ、N−エチルアミノ、アニリノ等)、スルファモイル基(好ましくは炭素原子数0〜20のスルファモイル基、例えば、N,N−ジメチルスルファモイル、N−フェニルスルファモイル等)、アシル基(好ましくは炭素原子数1〜20のアシル基、例えば、アセチル、プロピオニル、ブチリル、ベンゾイル等)、アシルオキシ基(好ましくは炭素原子数1〜20のアシルオキシ基、例えば、アセチルオキシ、ベンゾイルオキシ等)、カルバモイル基(好ましくは炭素原子数1〜20のカルバモイル基、例えば、N,N−ジメチルカルバモイル、N−フェニルカルバモイル等)、アシルアミノ基(好ましくは炭素原子数1〜20のアシルアミノ基、例えば、アセチルアミノ、ベンゾイルアミノ等)、アルキルチオ基(好ましくは炭素原子数1〜20のアルキルチオ基、例えば、メチルチオ、エチルチオ、イソプロピルチオ、ベンジルチオ等)、アリールチオ基(好ましくは炭素原子数6〜26のアリールチオ基、例えば、フェニルチオ、1−ナフチルチオ、3−メチルフェニルチオ、4−メトキシフェニルチオ等)、アルキルもしくはアリールスルホニル基(好ましくは炭素原子数1〜20のアルキルもしくはアリールスルホニル基、例えば、メチルスルホニル、エチルスルホニル、ベンゼンスルホニル等)、ヒドロキシ基、シアノ基、ハロゲン原子(例えばフッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子等)が挙げられる。
また、各基は、上記の置換基Tでさらに置換されていてもよい。例えば、アルキル基にアリール基が置換されたアラルキル基などである。
本発明の非水電解液は、金属イオンの塩としてリチウム塩を用いた例を含め、上記各成分を上記非水電解液溶媒に溶解して、常法により調製される。
なお、現実的には、完全に無水とすることは困難であり、1ppm以上は含まれる。
本発明の電解液の粘度は特に限定されない。なお、25℃において、10〜0.1mPa・sが好ましく、5〜0.5mPa・sがより好ましい。
本発明の電解液、特に非水電解液は、例ば、電解コンデンサー、電気化学キャパシタ(電気二重層キャパシタ)、イオンの電荷移動により充電/放電される電池、エレクトロルミネッセンスなどの固体表示素子、電流センサーやガスセンサーなどのセンサーなどに好もしく使用することができる。
これらの中でも、リチウムイオン電池やリチウムイオンキャパシタ用として用いることが好ましい。
本発明の一般式(I)で表される化合物を含有する電解液は、リチウムイオン電池に使用するのが好ましく、なかでも非水二次電池に使用するのが好ましい。
以下、リチウムイオン電池を、代表的なリチウムイオン二次電池について説明するが、二次電池に限定されるものではない。
本発明のリチウムイオン電池は、上記の本発明の非水電解質を使用する。
非水二次電池の好ましい実施形態として、リチウムイオン二次電池についてその機構を模式化して示した図1を参照して説明する。
本実施形態のリチウムイオン二次電池10は、上記本発明の非水二次電池用電解液5と、リチウムイオンの挿入放出が可能な正極C(正極集電体1、正極活物質層2)と、リチウムイオンの挿入放出または溶解析出が可能な負極A(負極集電体3,負極活物質層4)とを備える。これら部材に加え、電池が使用される目的、電位の形状などを考慮し、正極と負極の間に配設されるセパレータ9、集電端子(図示せず)、及び外装ケース等(図示せず)を含んで構成されてもよい。必要に応じて、電池の内部及び電池の外部の少なくともいずれかに保護素子を装着してもよい。このような構造とすることにより、電解液5内でリチウムイオンの授受a、bが生じ、充電α、放電βを行うことができ、回路配線7を介して動作機構6を介して運転あるいは蓄電を行うことができる。以下、本発明の好ましい実施形態であるリチウムイオン二次電池の構成について、さらに詳細に説明する。
本実施形態のリチウムイオン二次電池が適用される電池形状には、特に制限はなく、例えば、有底筒型形状、有底角型形状、薄型形状、シート形状およびペーパー形状などが挙げられ、これらのいずれであってもよい。また、組み込まれるシステムや機器の形を考慮した馬蹄形や櫛型形状等の異型のものであってもよい。なかもで、電池内部の熱を効率よく外部に放出する観点から、比較的平らで大面積の面を少なくとも一つを有する有底角型形状や薄型形状などの角型形状が好ましい。
本実施形態のリチウムイオン二次電池は、図1に基づいて述べると、電解液5、正極および負極の電極合剤C、A、セパレータの基本部材9を具備して構成される。以下、これらの各部材について説明する。
電極合材は、集電体(電極基材)上に活物質と導電剤、結着剤、フィラーなどの分散物を塗布したものであり、リチウムイオン電池、好ましくはリチウムイオン二次電池においては、活物質が正極活物質である正極合材と活物質が負極活物質である負極合材を使用することが好ましい。
次に、電極合材を構成する分散物(電極用組成物)中の各成分等について説明する。
正極活物質には遷移金属酸化物を用いることが好ましく、中でも、遷移元素Ma(Co、Ni、Fe、Mn、Cu、Vから選択される1種以上の元素)を有することが好ましい。また、混合元素Mb(リチウム以外の金属周期律表の第1(Ia)族の元素、第2(IIa)族の元素、Al、Ga、In、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Si、P、Bなど)を混合してもよい。このような遷移金属酸化物として例えば、下記式(MA)〜(MC)のいずれかで表されるものを含む特定遷移金属酸化物、またはその他の遷移金属酸化物としてV2O5、MnO2等が挙げられる。正極活物質には、粒子状の正極活物質を用いてもよい。具体的に、可逆的にリチウムイオンを挿入・放出できる遷移金属酸化物を用いることができるが、上記の特定遷移金属酸化物を用いることが好ましい。
リチウム含有遷移金属酸化物としては中でも下記一般式で表されるものが好ましい。
一般式(MA−2) LigNiOk
一般式(MA−3) LigMnOk
一般式(MA−4) LigCojNi1−jOk
一般式(MA−5) LigNijMn1−jOk
一般式(MA−6) LigCojNiiAl1−j−iOk
一般式(MA−7) LigCojNiiMn1−j−iOk
一般式(MA−1)〜(MA−7)で表される遷移金属化合物の具体例としては、LiCoO2(コバルト酸リチウム[LCO])、LiNi2O2(ニッケル酸リチウム)LiNi0.85Co0.01Al0.05O2(ニッケルコバルトアルミニウム酸リチウム[NCA])、LiNi0.33Co0.33Mn0.33O2(ニッケルマンガンコバルト酸リチウム[NMC])、LiNi0.5Mn0.5O2(マンガンニッケル酸リチウム)が挙げられる。
LigNi1/3Mn1/3Co1/3O2
LigNi1/2Mn1/2O2
LigNi0.8Co0.15Al0.05O2
リチウム含有遷移金属酸化物としては、特に下記一般式(MB)で表されるものも好ましい。
一般式(MB−2) LimmMnpAl2−pOnn
一般式(MB−3) LimmMnpNi2−pOnn
一般式(αb) Li2FeMn3O8
一般式(αc) Li2CuMn3O8
一般式(αd) Li2CrMn3O8
一般式(αe) Li2NiMn3O8
リチウム含有遷移金属酸化物としてはリチウム含有遷移金属リン酸化物を用いることも好ましく、中でも下記一般式(MC)で表されるものも好ましい。
なお、Liの組成を表す上記aa、c、g、mm、e値は、充放電により変化する値であり、典型的には、Liを含有したときの安定な状態の値で評価される。なお、一般式(αa)〜(αe)では特定値としてLiの組成を示しているが、これも同様に電池の動作により変化するものである。
なかでも本発明においては、Niおよび/またはMn原子を含有する正極活物質を用いることが好ましく、NiおよびMn原子両方を含有する正極活物質を用いることがより好ましい。
特に好ましい正極活物質の具体例としては下記が挙げられる。
LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2
LiNi0.5Co0.3Mn0.2O2
LiNi0.5Mn0.5O2
LiNi0.5Mn1.5O4
ここで、通常使用を維持できるとは、その電圧で充電を行ったときでも電極材料が劣化して使用不能になることがないことを意味し、この電位を通常使用可能電位ともいう。
充放電時の正極電位(Li/Li+基準)は、下記式で表される。
負極活物質としては、可逆的にリチウムイオンを挿入・放出できるものが好ましい。このような条件を満たすものであれば、特に制限はない。例えば、炭素質材料、酸化錫や酸化ケイ素等の金属酸化物、金属複合酸化物、リチウム単体やリチウムアルミニウム合金等のリチウム合金およびSnもしくはSi等のリチウムと合金形成可能な金属等が挙げられる。
また、金属複合酸化物としては、リチウムの吸蔵、放出が可能であるものが好ましく、構成成分としてチタンおよび/またはリチウムを含有していることが、高電流密度充放電特性の観点で好ましい。
本発明においては、なかでも、炭素、ケイ素(Si)、チタン、およびスズから選ばれる少なくとも1種を含有する負極活物質を用いることが好ましい。
導電材は、構成されたリチウムイオン電池、好ましくはリチウムイオン二次電池において、化学変化を起こさない電子伝導性材料が好ましく、公知の導電材を任意に用いることができる。通常、天然黒鉛(鱗状黒鉛、鱗片状黒鉛、土状黒鉛など)、人工黒鉛、カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、炭素繊維や金属粉(銅、ニッケル、アルミニウム、銀(特開昭63−10148,554号公報に記載)等)、金属繊維あるいはポリフェニレン誘導体(特開昭59−20,971号公報に記載)などの導電性材料を1種またはこれらの混合物として含ませることができる。その中でも、黒鉛とアセチレンブラックの併用が特に好ましい。上記導電剤の添加量は、11〜50質量%が好ましく、2〜30質量%がより好ましい。カーボンや黒鉛の場合は、2〜15質量%が特に好ましい。
結着剤としては、多糖類、熱可塑性樹脂およびゴム弾性を有するポリマーなどが挙げられる。これらの中でも、例えば、デンプン、カルボキシメチルセルロース、セルロース、ジアセチルセルロース、メチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、アルギン酸ナトリウム、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸ナトリウム、ポリビニルフェノール、ポリビニルメチルエーテル、ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン、ポリアクリロニトリル、ポリアクリルアミド、ポリヒドロキシ(メタ)アクリレート、スチレン−マレイン酸共重合体等の水溶性ポリマー、ポリビニルクロリド、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、テトラフロロエチレン−ヘキサフロロプロピレン共重合体、ビニリデンフロライド−テトラフロロエチレン−ヘキサフロロプロピレン共重合体、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−プロピレン−ジエンポリマー(EPDM)、スルホン化EPDM、ポリビニルアセタール樹脂、メチルメタアクリレート、2−エチルヘキシルアクリレート等の(メタ)アクリル酸エステルを含有する(メタ)アクリル酸エステル共重合体、(メタ)アクリル酸エステル−アクリロニトリル共重合体、ビニルアセテート等のビニルエステルを含有するポリビニルエステル共重合体、スチレン−ブタジエン共重合体、アクリロニトリル−ブタジエン共重合体、ポリブタジエン、ネオプレンゴム、フッ素ゴム、ポリエチレンオキシド、ポリエステルポリウレタン樹脂、ポリエーテルポリウレタン樹脂、ポリカーボネートポリウレタン樹脂、ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂等のエマルジョン(ラテックス)あるいはサスペンジョンが好ましく、ポリアクリル酸エステル系のラテックス、カルボキシメチルセルロース、ポリテトラフロロエチレン、ポリフッ化ビニリデンがより好ましい。
電極合材は、フィラーを含んでいてもよい。フィラーを形成する材料は、本発明の非水二次電池において、化学変化を起こさない繊維状材料が好ましい。通常、ポリプロピレン、ポリエチレンなどのオレフィン系ポリマー、ガラス、炭素などの材料からなる繊維状のフィラーが用いられる。フィラーの添加量は特に限定されないが、分散物中、0〜30質量%が好ましい。
正・負極の集電体としては、化学変化を起こさない電子伝導体が用いられることが好ましい。正極の集電体としては、アルミニウム、ステンレス鋼、ニッケル、チタンなどの他にアルミニウムやステンレス鋼の表面にカーボン、ニッケル、チタンあるいは銀を処理させたものが好ましく、その中でも、アルミニウム、アルミニウム合金がより好ましい。
これらの材料から適宜選択した部材によりリチウムイオン電池(好ましくはリチウムイオン二次電池)の電極合材が形成される。
本発明のリチウムイオン電池(好ましくはリチウムイオン二次電池、リチウム非水二次電池)に用いられるセパレータは、正極と負極を電子的に絶縁する機械的強度、イオン透過性、および正極と負極の接触面で酸化・還元耐性のある材料で構成されていることが好ましい。このような材料として、多孔質のポリマー材料や無機材料、有機無機ハイブリッド材料またはガラス繊維などが用いられる。これらセパレータは信頼性確保のためのシャットダウン機能、すなわち、80℃以上で隙間を閉塞して抵抗を上げ、電流を遮断する機能を持つことが好ましく、閉塞温度は90℃以上、180℃以下が好ましい。
本発明のリチウムイオン電池(好ましくはリチウムイオン二次電池、リチウム非水二次電池)の形状としては、既述のように、シート状、角型、シリンダー状などいずれの形にも適用できる。正極活物質や負極活物質の合剤は、集電体の上に、塗布(コート)、乾燥、圧縮されて、主に用いられる。
有底筒型形状の電池では、充填される発電素子に対する外表面積が小さくなるので、充電や放電時に内部抵抗による発生するジュール発熱を効率よく外部に逃げる設計にすることが好ましい。また、熱伝導性の高い物質の充填比率を高め、内部での温度分布が小さくなるように設計することが好ましい。図2は、有底筒型形状リチウム二次電池100を例である。この電池は、セパレータ12を介して重ね合わせた正極シート14、負極シート16を巻回して外装缶18内に収納した有底筒型リチウム二次電池100となっている。その他、図中の20が絶縁板、22が封口板、24が正極集電体、26がガスケット、28が圧力感応弁体、30が電流遮断素子である。なお、拡大した円内の図示は視認性を考慮しハッチングを変えているが、各部材は符号により全体図と対応している。
以下のようにして、電解液を調製した。
エチレンカーボネートとエチルメチルカーボネートを体積比1対2で混合した。
この混合液に対し、本発明の一般式(I)で表される化合物もしくは比較化合物を下記表1に示す添加量で添加し、本発明の電解液101〜110および比較の電解液c01〜c03を調製した。
黒鉛85質量部、カーボンブラック7.5質量部およびポリフッ化ビニリデン7.5質量部で作製した負極を厚さ20μmの銅箔上の片面に塗布、乾燥させた後、プレス機で厚さ120μmにした後、1cm×4cmの短冊状に切り分け評価用負極とした。
図3に示すように評価用負極を下端から1cm、電解液に浸し、この電解液面から上方に1.5cmの長さまで電解液が染み込む時間を目視で測定した。
なお、電解液が染み込んだ部分は、電解液で濡れているため、容易に染み込んだ部分を識別できる。
得られた結果を下記表1にまとめた。
しかも、本発明の一般式(I)で表される化合物は、電解液に対して、0.3〜1.2質量%と、非常に少ない添加量で効果を示すことがわかる。
これに対し、比較の化合物では、染み込みに要する時間は、短縮されないか、または逆に2秒も遅くなった。
上記で調製した各電解液を使用して、2032形コイン電池を作製した。
正極を、活物質:マンガン酸リチウム(LiMn2O4) 85質量%、導電助剤:カーボンブラック 7質量%、バインダー:PVDF(ポリフッ化ビニリデン) 8質量%の組成物で作製した。
負極を、活物質:Gr(天然黒鉛) 92質量%、バインダー:PVDF 8質量%の組成物で作製した。
セパレータは、厚みが25μmのポリプロピレン製のセパレータを用意した。
上記の正負極、セパレータを使用し、調製した各電解液101〜110およびc01〜c03を用いて、本発明の2032形コイン電池201〜210および比較例の2032形コイン電池c11〜c13を作製した。
作製した各2032形コイン電池を用いて、60℃の恒温槽中、4.0mAで電池電圧が4.15Vになるまで1Cの定電流充電を行った後、4.15Vの定電圧において電流値が0.02mAになるまで継続した。ただし、充電時間の上限を2時間とした。次に4.0mAで電池電圧が2.75Vになるまで1Cの定電流放電を行った。これを1サイクルとした。これを300サイクルに達するまで繰り返し、300サイクル目の放電容量(mAh)を測定した。
得られた値をもとに、下記式に基づいて、放電容量維持率(%)を算出した。
(300サイクル目の放電容量/1サイクル目の放電容量)×100
なお、表2では電解液No.に代えて、各電解液における、本発明の一般式(I)で表される化合物もしくは比較化合物番号およびその添加量を示した。
1 正極導電材(集電体)
2 正極活物質層
A 負極(負極合材)
3 負極導電材(集電体)
4 負極活物質層
5 非水電解液
6 動作機構
7 回路配線
9 セパレータ
10 リチウムイオン二次電池
12 セパレータ
14 正極シート
16 負極シート
18 負極を兼ねる外装缶
20 絶縁板
22 封口板
24 正極集電
26 ガスケット
28 圧力感応弁体
30 電流遮断素子
100 有底筒型形状リチウム二次電池
Claims (9)
- 非水溶媒に電解質が溶解されている電解液であって、下記一般式(I)で表される化合物を含有する電解液。
- 前記一般式(I)で表される化合物を、電解液中に、0.001〜20質量%含有する請求項1に記載の電解液。
- 前記L1が下記一般式(a1)および一般式(a2)から選択される基である請求項1または2に記載の電解液。
- 前記L2が下記一般式(b1)および一般式(b2)から選択される基である請求項1〜3のいずれか1項に記載の電解液。
- 前記Xが、下記一般式(x1)〜(x6)のいずれかである請求項1〜4のいずれか1項に記載の電解液。
- 前記n2が0である請求項1〜5のいずれか1項に記載の電解液。
- 前記一般式(I)で表される化合物の分子量が、100〜2000である請求項1〜6のいずれか1項に記載の電解液。
- 請求項1〜7のいずれか1項に記載の電解液を用いたリチウムイオン電池。
- 請求項1〜7のいずれか1項に記載の電解液を用いたリチウムイオンキャパシタ。
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