JPWO2016147872A1 - 非水電解液及び非水電解液二次電池 - Google Patents
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Abstract
Description
正極からのマンガンの溶出を抑制する方法として、非水電解液用の種々の添加剤が提案されている。このような添加剤として、ジスルホン酸エステル等が提案されている(例えば、特許文献7を参照)が、さらなる改良が求められていた。
(A)下記一般式(1)で表される化合物を少なくとも1種と、
(B)分子内にビニル基、アリル基及びプロパルギル基から選ばれる基を2個以上有する化合物を少なくとも1種とを、
含有することを特徴とする非水電解液を提供するものである。
(式中、R1はn価の、炭素原子数2〜6の不飽和炭化水素又は炭素原子数6〜12のアリーレン基を表し、
R2、R3及びR4はそれぞれ独立に、炭素原子数1〜20の飽和脂肪族炭化水素又は炭素原子数6〜20の芳香族炭化水素基を表し、
nは2〜6の整数を表す。)
<非水電解液>
本発明の非水電解液について説明する。本発明の非水電解液は、リチウム塩を有機溶媒に溶解させた非水電解液において、(A)上記一般式(1)で表される化合物、及び(B)分子内にビニル基、アリル基及びプロパルギル基から選ばれる基を2個以上有する化合物(一般式(1)で表される化合物は除く)のそれぞれを少なくとも含有する。
一般式(1)におけるR1が表す炭素原子数2〜6の不飽和炭化水素としては不飽和結合を有する基であれば特に限定されないが、n個の置換を有する(n価の)ものである。2価の不飽和炭化水素基(n=2)である場合の、具体的な例としては、ビニレン、プロペニレン、イソプロペニレン、ブテニレン、ペンテニレン、ヘキセニレン、1−プロペニレン−2,3−ジイル、エチニレン、プロピニレン、ブチニレン、ペンチニレン、ヘキシニレン等が挙げられ、
3価の不飽和炭化水素基(n=3)である場合の例としては、〔化2〕で示されるものが挙げられ、
4価の不飽和炭化水素基(n=4)である場合の例としては、〔化3〕で示されるものが挙げられる。
(式中の*は、*部分で、隣接する基と結合することを意味する。)
(式中の*は、*部分で、隣接する基と結合することを意味する。)
3価のアリーレン基(n=3)である場合の具体的な例としては、〔化3〕で示されるものが挙げられ、
4価のアリーレン基(n=4)である場合の具体的な例としては、〔化4〕で示されるものが挙げられる。
(式中の*は、*部分で、隣接する基と結合することを意味する。)
(式中の*は、*部分で、隣接する基と結合することを意味する。)
一般式(1)中にn個存在するR2〜R4の基はそれぞれ同じ基であってもよく、異なっていてもよいが、n個存在するR2〜R4の基はそれぞれ同じ基である化合物は製造が容易であるため好ましい。
nが2のときは、ビス(トリメチルシリル)アセチレンジカルボキシレート、ビス(エチルジメチルシリル)アセチレンジカルボキシレート、ビス(ジメチルプロピルシリル)アセチレンジカルボキシレート、ビス(ジメチルブチルシリル)アセチレンジカルボキシレート、ビス(ジメチルビニルシリル)アセチレンジカルボキシレート、フマル酸ビス(トリメチルシリル)、フマル酸ビス(ジメチルビニルシリル)、フマル酸ビス(トリエチルシリル)、フマル酸ビス(トリ−iso−プロピルシリル)、フマル酸ビス(ジメチルフェニルシリル)、フマル酸ビス(ベンジルジメチルシリル)、フマル酸ビス(アリルジメチルシリル)、マレイン酸ビス(トリメチルシリル)、マレイン酸ビス(ジメチルビニルシリル)、マレイン酸(n−ブチルジメチルシリル)、マレイン酸(ジメチルフェニルシリル)、フタル酸ビス(トリメチルシリル)、フタル酸ビス(ジメチルビニルシリル)、フタル酸(n−ブチルジメチルシリル)、フタル酸(ジメチルフェニルシリル)、イソフタル酸ビス(トリメチルシリル)、イソフタル酸ビス(ジメチルビニルシリル)、イソフタル酸(n−ブチルジメチルシリル)、イソフタル酸(ジメチルフェニルシリル)、テレフタル酸ビス(トリメチルシリル)、テレフタル酸ビス(ジメチルビニルシリル)、テレフタル酸(n−ブチルジメチルシリル)、テレフタル酸(ジメチルフェニルシリル)、イタコン酸ビス(トリメチルシリル)等が挙げられ、
nが3のときは、trans−アコニット酸トリス(トリメチルシリル)、trans−アコニット酸トリス(トリエチルシリル)、cis−アコニット酸トリス(トリメチルシリル)が挙げられ、
nが4のときは、meso−ブタン−1,2,3,4−テトラカルボン酸(トリメチルシリル)、meso−ブタンー1,2,3,4−テトラカルボン酸(トリエチルシリル)が挙げられる。
また、本発明の非水電解液において、上記一般式(1)で表わされる化合物の含有量が、あまりに少ない場合には十分な効果を発揮できず、またあまりに多い場合には、配合量に見合う増量効果は得られないばかりか、却って非水電解液の特性に悪影響を及ぼすことがあることから、一般式(1)で表される化合物の含有量は、非水電解液中、0.001〜10質量%が好ましく、0.01〜8質量%が更に好ましく、0.1〜5質量%が最も好ましい。
(B)成分は、分子内にビニル基、アリル基及びプロパルギル基から選ばれる基を2個以上有しており、(A)成分に該当しなければ特に限定されるものでは無いが、分子内に酸素原子を有している化合物である場合、本発明の効果に優れるため好ましく用いることができる。中でも、分子内に、−C−O−C−、−Si−O−Si−、−C−O−Si−、−O−C(=O)−、−C(=O)−O−の何れかで表される結合を少なくとも有しているもの、特に−C−O−C−、−Si−O−Si−、−C−O−Si−の何れかで表される結合を少なくとも有しているものがより好ましい。
また、(B)成分の化合物の中でも、エチレン性(ビニル基又はアリル基)及びアセチレン性(プロパルギル基)の不飽和結合当量が150以下である化合物は、本発明の効果に優れるため好ましく用いることができる。
本発明の非水電解液は、有機溶媒が用いられる。有機溶媒としては、非水電解液に通常用いられているものを1種又は2種以上組み合わせて用いることができる。具体的には、飽和環状カーボネート化合物、飽和環状エステル化合物、スルホキシド化合物、スルホン化合物、アマイド化合物、飽和鎖状カーボネート化合物、鎖状エーテル化合物、環状エーテル化合物、飽和鎖状エステル化合物等が挙げられる。
上記有機溶媒のうち、飽和鎖状カーボネート化合物、鎖状エーテル化合物、環状エーテル化合物及び飽和鎖状エステル化合物は、非水電解液の粘度を低くすることができ、電解質イオンの移動性を高くすることができる等、出力密度等の電池特性を優れたものにすることができる。また、低粘度であるため、低温での非水電解液の性能を高くすることができ、中でも、飽和鎖状カーボネート化合物が好ましい。斯かる飽和鎖状カーボネート化合物としては、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)、エチルブチルカーボネート、メチル−t−ブチルカーボネート、ジイソプロピルカーボネート、t−ブチルプロピルカーボネート等が挙げられる。上記の鎖状エーテル化合物又は環状エーテル化合物としては、例えば、ジメトキシエタン(DME)、エトキシメトキシエタン、ジエトキシエタン、テトラヒドロフラン、ジオキソラン、ジオキサン、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(エトキシカルボニルオキシ)プロパン、エチレングリコールビス(トリフルオロエチル)エーテル、プロピレングリコールビス(トリフルオロエチル)エーテル、エチレングリコールビス(トリフルオロメチル)エーテル、ジエチレングリコールビス(トリフルオロエチル)エーテル等が挙げられ、これらの中でも、ジオキソランが好ましい。
上記飽和鎖状エステル化合物としては、分子中の炭素数の合計が2〜8であるモノエステル化合物及びジエステル化合物が好ましく、具体的な化合物としては、ギ酸メチル、ギ酸エチル、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸プロピル、酢酸イソブチル、酢酸ブチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、酪酸メチル、イソ酪酸メチル、トリメチル酢酸メチル、トリメチル酢酸エチル、マロン酸メチル、マロン酸エチル、コハク酸メチル、コハク酸エチル、3−メトキシプロピオン酸メチル、3−メトキシプロピオン酸エチル、エチレングリコールジアセチル、プロピレングリコールジアセチル等が挙げられ、ギ酸メチル、ギ酸エチル、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸プロピル、酢酸イソブチル、酢酸ブチル、プロピオン酸メチル、及びプロピオン酸エチルが好ましい。
また、下記一般式(4)で表される化合物も好ましく用いることができる。
(式中、R21、R22、R23、R24及びR25は、それぞれ独立して、置換基を有しているか若しくは無置換の炭素原子数1〜20の脂肪族炭化水素基、ハロゲン原子、ニトリル基、ニトロ基、アミノ基、カルボキシル基、水酸基、チオール基、ホルミル基、スルホン基、−SiR29R30R31又はリン酸基を表し、
炭素原子数1〜20の脂肪族炭化水素基は、基中のアルキレン(ベンゼン環と結合する部位も含む)が、−O−、−CO−、−OCO−、−COO−、−O−CO−O−、−NR’−、−S−、−SO−、−SO2−、−NR’−CO−又は−CO−NR’−が隣り合わない条件で、1〜3回中断していてもよく、
R’は、炭素原子数1〜5の脂肪族炭化水素基を表し、
R21、R22、R23、R24及びR25の少なくとも一つはハロゲン原子により少なくとも一つ置換された炭素原子数1〜20の脂肪族炭化水素基であり、
R28は、p価の基を表し、
R26、R27、R29、R30及びR31は、それぞれ独立して、置換基を有している若しくは無置換の炭素原子数1〜20の脂肪族炭化水素基又は置換基を有している若しくは無置換の炭素原子数6〜20の芳香族炭化水素基を表し、
pは、1〜3の整数を表す。)
また、R21〜R26及びR29〜R31が表す炭素原子数1〜20の脂肪族炭化水素基並びにR26、R27、R29、R30及びR31が表す炭素原子数6〜20の芳香族炭化水素基を置換する基としては、上記一般式(1)で説明しているものと同様の基が挙げられる。
上記一般式(4)で表される化合物の具体例としては、下記4−1〜4−4等が挙げられるがこれに限定されない。
本発明の非水電解液二次電池は、本発明の非水電解液を用いたものであり、好ましくは、リチウムが脱挿入可能なアノード、遷移金属とリチウムを含有するカソード、及びリチウム塩を有機溶媒に溶解させた非水電解液を有する非水電解液二次電池において、非水電解液として、本発明の非水電解液を用いたものである。
本発明で用いられるリチウムが脱挿入可能なアノードは、リチウムが脱挿入可能であれば特に限定されないが、好ましくは次の通りである。すなわち、本発明の非水電解液二次電池のアノードとしては、アノード活物質と結着剤とを有機溶媒又は水でスラリー化したものを集電体に塗布し、乾燥してシート状にしたものが使用され、必要に応じて導電材が配合される。
アノードの結着剤としては、例えば、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、EPDM、SBR、NBR、フッ素ゴム、ポリアクリル酸等が挙げられるが、これらに限定されない。アノードの結着剤の使用量は、アノード活物質100質量部に対し、0.001〜5質量部が好ましく、0.05〜3質量部が更に好ましく、0.01〜2質量部が最も好ましい。
アノードのスラリー化する溶媒としては、例えば、N−メチルピロリドン、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、メチルエチルケトン、シクロヘキサノン、酢酸メチル、アクリル酸メチル、ジエチルトリアミン、N,N−ジメチルアミノプロピルアミン、ポリエチレンオキシド、テトラヒドロフラン等が挙げられるが、これに限定されない。溶媒の使用量は、アノード活物質100質量部に対し、30〜300質量部が好ましく、50〜200質量部が更に好ましい。
アノードの集電体には、通常、銅、ニッケル、ステンレス鋼、ニッケルメッキ鋼等が使用される。
また、必要に応じて配合される導電材としては、グラフェン、グラファイトの微粒子、アセチレンブラック、ケッチェンブラック等のカーボンブラック、ニードルコークス等の無定形炭素の微粒子等、カーボンナノファイバー等が使用されるが、これらに限定されない。
本発明で用いられる遷移金属とリチウムを含有するカソードとしては、通常の二次電池と同様に、カソード活物質、結着剤、導電材等を有機溶媒又は水でスラリー化したものを集電体に塗布し、乾燥してシート状にしたものが使用される。カソード活物質は、遷移金属とリチウムを含有するものであり、1種の遷移金属とリチウムを含有する物質が好ましく、例えば、リチウム遷移金属複合酸化物、リチウム含有遷移金属リン酸化合物等が挙げられ、これらを混合して用いてもよい。上記リチウム遷移金属複合酸化物の遷移金属としてはバナジウム、チタン、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅等が好ましい。リチウム遷移金属複合酸化物の具体例としては、LiCoO2等のリチウムコバルト複合酸化物、LiNiO2等のリチウムニッケル複合酸化物、LiMnO2、LiMn2O4、Li2MnO3等のリチウムマンガン複合酸化物、これらのリチウム遷移金属複合酸化物の主体となる遷移金属原子の一部をアルミニウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、リチウム、ニッケル、銅、亜鉛、マグネシウム、ガリウム、ジルコニウム等の他の金属で置換したもの等が挙げられる。置換されたものの具体例としては、例えば、Li1.1Mn1.8Mg0.1O4、Li1.1Mn1.85Al0.05O4、LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2、LiNi0.5Mn0.5O2、LiNi0.80Co0.17Al0.03O2、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2、LiMn1.8Al0.2O4、LiMn1.5Ni0.5O4等が挙げられる。上記リチウム含有遷移金属リン酸化合物の遷移金属としては、バナジウム、チタン、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル等が好ましく、具体例としては、例えば、LiFePO4等のリン酸鉄類、LiCoPO4等のリン酸コバルト類、これらのリチウム遷移金属リン酸化合物の主体となる遷移金属原子の一部をアルミニウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、リチウム、ニッケル、銅、亜鉛、マグネシウム、ガリウム、ジルコニウム、ニオブ等の他の金属で置換したもの等が挙げられる。これらの中では、本発明の効果(過充電防止能に優れ、充放電を経ても小さな内部抵抗と高電気容量を維持できる)が優れる点から、マンガンを含有するリチウム遷移金属複合酸化物が好ましく、中でも、LiMn2O4、Li1.1Mn1.8Mg0.1O4、Li1.1Mn1.85Al0.05O4、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2、LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2がより好ましい。
カソードの導電材としては、グラフェン、グラファイトの微粒子、アセチレンブラック、ケッチェンブラック等のカーボンブラック、ニードルコークス等の無定形炭素の微粒子等、カーボンナノファイバー等が使用されるが、これらに限定されない。カソードの導電材の使用量は、カソード活物質100質量部に対し、0.01〜20質量部が好ましく、0.1〜10質量部が更に好ましい。
カソードの集電体としては、通常、アルミニウム、ステンレス鋼、ニッケルメッキ鋼等が使用される。
実施例及び比較例において、非水電解液二次電池(リチウム二次電池)は、以下の作製手順に従って作製された。
〔正極の作製〕
活物質としてLiMn2O490質量部、導電材としてアセチレンブラック5質量部、及びバインダーとしてポリフッ化ビニリデン(PVDF)5質量部を混合した後、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)140質量部に分散させてスラリー状とした。このスラリーをアルミニウム製の集電体に塗布し、乾燥後、プレス成型した。その後、この正極を所定の大きさにカットして円盤状正極を作製した。
活物質として人造黒鉛97.0質量部、バインダーとしてスチレンブタジエンゴム 1.5質量部、及び増粘剤としてカルボキシメチルセルロース1.5質量部を混合し、水120質量部に分散させてスラリー状とした。このスラリーを銅製の負極集電体に塗布し、乾燥後、プレス成型した。その後、この負極を所定の大きさにカットし、円盤状負極を作製した。
エチレンカーボネート30体積%、エチルメチルカーボネート40体積%、ジメチルカーボネート30体積%からなる混合溶媒に、LiPF6を1mol/Lの濃度で溶解し電解質溶液を調製した。
電解液添加剤として、〔表1〕に記載の化合物及び組成を記載の通り、電解質溶液に溶解し、本発明の非水電解液及び比較に非水電解液を調整した。尚、〔表1〕中の( )内の数字は、非水電解液における濃度(質量%)を表す。また〔表1〕中の(A)成分及び(B)成分は下記のものを使用した。
A−1:フマル酸ビス(トリメチルシリル)
A−2:イタコン酸ビス(トリメチルシリル)
(B)成分
B−1:上記B−1の化合物、不飽和結合当量:46.8
B−2:上記B−2の化合物、不飽和結合当量:51.4
B−3:上記B−3の化合物、不飽和結合当量:61.4
B−4:上記B−4の化合物、不飽和結合当量:60.1
B−5:上記B−5の化合物、不飽和結合当量:86.2
B−6:上記B−6の化合物、不飽和結合当量:106.1
B−7:上記B−7の化合物、不飽和結合当量:99.1
B−8:上記B−8の化合物、不飽和結合当量:63.6
B−9:上記B−9の化合物、不飽和結合当量:88.5
B−10:上記B−10の化合物、不飽和結合当量:107.1
B−11:上記B−11の化合物、不飽和結合当量:106.1
B−15:上記B−15の化合物、不飽和結合当量:86.2
B−16:上記B−16の化合物、不飽和結合当量:86.2
得られた円盤状正極と円盤状負極を、厚さ25μmのポリエチレン製の微多孔フィルムをはさんでケース内に保持した。その後、上記で調製した各非水電解液をケース内に注入し、ケースを密閉、封止して、実施例及び比較例の非水電解液二次電池(φ20mm、厚さ3.2mmのコイン型)を製作した。
リチウム二次電池を、20℃の恒温槽内に入れ、充電電流0.3mA/cm2(0.2C相当の電流値)で4.2Vまで定電流定電圧充電し、放電電流0.3mA/cm2(0.2C相当の電流値)で3.0Vまで定電流放電する操作を5回行った。その後、充電電流0.3mA/cm2で4.2Vまで定電流定電圧充電し、放電電流0.3mA/cm2で3.0Vまで定電流放電した。この6回目に測定した放電容量を、電池の初期放電容量とし、下記式に示すように、放電容量比(%)を、(A)成分のみを1部添加した場合の初期放電容量を100として算出した。尚、〔表1〕は(A)成分にA−1を用いた場合の結果を示し、〔表2〕は(A)成分にA−2を用いた場合の結果を示す。
放電容量比(%)=[(初期放電容量)/((A)成分のみを1部添加した場合の初期放電容量)]×100
初期特性試験後のリチウム二次電池を、60℃の恒温槽内に入れ、充電電流1.5mA/cm2(1C相当の電流値、1Cは電池容量を1時間で放電する電流値)で4.2Vまで定電流充電し、放電電流1.5mA/cm2で3.0Vまで定電流放電を行うサイクルを150回繰り返して行った。この150回目の放電容量をサイクル試験後の放電容量とし、下記式に示すように、放電容量維持率(%)を、(A)成分のみを1部添加した場合のサイクル試験後における放電容量を100とした場合のサイクル試験後の放電容量の割合として求めた。尚、〔表1〕は(A)成分にA−1を用いた場合の結果を示し、〔表2〕は(A)成分にA−2を用いた場合の結果を示す。
サイクル特性(%)=[(サイクル試験後の放電容量)/((A)成分のみを1部添加した場合のサイクル特性試験後の放電容量)]×100
不飽和結合当量:162.2
1a カソード集電体
2 アノード
2a アノード集電体
3 電解液
4 カソードケース
5 アノードケース
6 ガスケット
7 セパレータ
10 コイン型の非水電解液二次電池
10’ 円筒型の非水電解液二次電池
11 アノード
12 アノード集電体
13 カソード
14 カソード集電体
15 電解液
16 セパレータ
17 カソード端子
18 アノード端子
19 アノード板
20 アノードリード
21 カソード
22 カソードリード
23 ケース
24 絶縁板
25 ガスケット
26 安全弁
27 PTC素子
Claims (3)
- リチウム塩を有機溶媒に溶解させた非水電解液において、
(A)下記一般式(1)で表される化合物を少なくとも1種と、
(B)分子内にビニル基、アリル基及びプロパルギル基から選ばれる基を2個以上有する化合物を少なくとも1種とを、
含有することを特徴とする非水電解液。
(式中、R1はn価の、炭素原子数2〜6の不飽和炭化水素基又は炭素原子数6〜12のアリーレン基を表し、
R2、R3及びR4はそれぞれ独立に、炭素原子数1〜20の飽和脂肪族炭化水素基又は炭素原子数6〜20の芳香族炭化水素基を表し、
nは2〜6の整数を表す。) - (B)分子内にビニル基、アリル基及びプロパルギル基から選ばれる基を2個以上有する化合物の、エチレン性及びアセチレン性の不飽和結合当量が150以下であることを特徴とする請求項1に記載の非水電解液。
- 請求項1又は2に記載の非水電解液を用いてなる非水電解液二次電池。
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