JPWO2020022452A1 - 電池用非水電解液及びリチウム二次電池 - Google Patents
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Abstract
Description
特許文献2:特許第4976715号公報
特許文献3:特許第5524347号公報
本開示の一態様の目的は、特定のフッ素化環状カーボネートを含有する非水電解液でありながら、保存後の電池抵抗を低減させることができる電池用非水電解液を提供することである。
本開示の別の一態様の目的は、特定のフッ素化環状カーボネートを含有する非水電解液を用いたリチウム二次電池でありながら、保存後の電池抵抗が低減されるリチウム二次電池を提供することである。
<1> 下記式(A)で表される化合物からなる群から選択される少なくとも1種である添加剤Aと、
モノフルオロリン酸リチウム及びジフルオロリン酸リチウムからなる群から選択される少なくとも1種である添加剤Bと、
硫黄−酸素結合を有する化合物からなる群から選択される少なくとも1種である添加剤Cと、
を含有する電池用非水電解液。
<3> 前記添加剤Cが、下記式(C1)で表される化合物、下記式(C2)で表される化合物、下記式(C3)で表される化合物、下記式(C4)で表される化合物、及び下記式(C5)で表される化合物からなる群から選択される少なくとも1種である<1>又は<2>に記載の電池用非水電解液。
式(C2)中、R21〜R24は、それぞれ独立に、水素原子、フッ素原子、炭素数1〜6の炭化水素基、又は炭素数1〜6のフッ化炭化水素基を表す。
式(C3)中、R31〜R34は、それぞれ独立に、水素原子、ハロゲン原子、炭素数1〜6の炭化水素基、炭素数1〜6のハロゲン化炭化水素基、炭素数1〜6の炭化水素オキシ基、又は、炭素数1〜6のハロゲン化炭化水素オキシ基を表す。
式(C4)中、R41は、フッ素原子、炭素数1〜6の炭化水素基、炭素数1〜6の炭化水素オキシ基、又は炭素数1〜6のフッ化炭化水素基を表す。
式(C5)中、R51は、フッ素原子、炭素数1〜6の炭化水素基、炭素数1〜6の炭化水素オキシ基、又は、炭素数1〜6のフッ化炭化水素基を表す。
<5> 前記負極活物質が、更に、下記組成式(1)で表される酸化ケイ素を含む<4>に記載の電池用非水電解液。
SiOX … 組成式(1)
〔組成式(1)中、Xは、0.5以上1.6未満を表す。〕
<7> 前記添加剤Bの含有量が、電池用非水電解液の全量に対し、0.001質量%〜10質量%である<1>〜<6>のいずれか1つに記載の電池用非水電解液。
<8> 前記添加剤Cの含有量が、電池用非水電解液の全量に対し、0.001質量%〜10質量%である<1>〜<7>のいずれか1つに記載の電池用非水電解液。
<9> 正極と、黒鉛材料を含む負極活物質を含む負極と、<1>〜<8>のいずれか1つに記載の電池用非水電解液と、を備えるリチウム二次電池。
<10> 前記負極活物質が、更に、下記組成式(1)で表される酸化ケイ素を含む<9>に記載のリチウム二次電池。
SiOX … 組成式(1)
〔組成式(1)中、Xは、0.5以上1.6未満を表す。〕
<11> <9>又は<10>に記載のリチウム二次電池を充放電させて得られたリチウム二次電池。
本開示の別の一態様によれば、特定のフッ素化環状カーボネートを含有する非水電解液を用いたリチウム二次電池でありながら、保存後の電池抵抗が低減されるリチウム二次電池が提供される。
本明細書において、組成物中の各成分の量は、組成物中に各成分に該当する物質が複数存在する場合は、特に断らない限り、組成物中に存在する当該複数の物質の合計量を意味する。
本開示の電池用非水電解液(以下、単に「非水電解液」ともいう)は、
下記式(A)で表される化合物からなる群から選択される少なくとも1種である添加剤Aと、
モノフルオロリン酸リチウム及びジフルオロリン酸リチウムからなる群から選択される少なくとも1種である添加剤Bと、
硫黄−酸素結合を有する化合物からなる群から選択される少なくとも1種である添加剤Cと、
を含有する。
本開示の非水電解液によれば、上記添加剤Aを含有する非水電解液でありながら、保存後の電池抵抗を低減させることができる。
かかる効果が奏される理由は、以下のように推測される。
この点に関し、本開示の非水電解液は、添加剤Aに加えて更に、添加剤B及び添加剤Cを含有する。これにより、添加剤A、添加剤B、及び添加剤Cの組み合わせにより、電極上に良質な被膜が形成されると考えられる。この良質な被膜の作用により、保存前の電池抵抗の低減及び/又は保存時の電池抵抗上昇の抑制が実現され、その結果、保存後の電池抵抗を低減させることができると考えられる。
添加剤Aは、式(A)で表される化合物からなる群から選択される少なくとも1種である。
式(A)中、R1で表される炭素数1〜6のフッ化炭化水素基としては、例えば、フルオロメチル基、ジフルオロメチル基、トリフルオロメチル基、2,2,2−トリフルオロエチル基、1,1,2,2−テトラフルオロエチル基、パーフルオロエチル基、2,2,3,3−テトラフルオロプロピル基、パーフルオロプロピル基、パーフルオロブチル基、パーフルオロペンチル基、パーフルオロヘキシル基、パーフルオロイソプロピル基、パーフルオロイソブチル基等のフルオロアルキル基;2−フルオロエテニル基、2,2−ジフルオロエテニル基、2−フルオロ−2−プロペニル基、3,3−ジフルオロ−2−プロペニル基、2,3−ジフルオロ−2−プロペニル基、3,3−ジフルオロ−2−メチル−2−プロペニル基、3−フルオロ−2−ブテニル基、パーフルオロビニル基、パーフルオロプロペニル基、パーフルオロブテニル基等のフルオロアルケニル基;等が挙げられる。
中でも、炭素数1〜6のフルオロアルキル基が好ましく、炭素数1〜3のフルオロアルキル基がより好ましく、フルオロメチル基、ジフルオロメチル基、又はトリフルオロメチル基が更に好ましく、トリフルオロメチル基が特に好ましい。
式(A)中、R2〜R4で表される炭素数1〜6の炭化水素基としては、
メチル基、エチル基、n−プロピル基、イソプロピル基、1−エチルプロピル基、n−ブチル基、イソブチル基、sec−ブチル基、tert−ブチル基、2−メチルブチル基、3,3−ジメチルブチル基、n−ペンチル基、イソペンチル基、ネオペンチル基、1−メチルペンチル基、n−ヘキシル基、イソヘキシル基、sec−ヘキシル基、tert−ヘキシル基等のアルキル基;
ビニル基、1−プロペニル基、アリル基、1−ブテニル基、2−ブテニル基、3−ブテニル基、ペンテニル基、ヘキセニル基、イソプロペニル基、2−メチル−2−プロペニル基、1−メチル−2−プロペニル基、2−メチル−1−プロペニル基等のアルケニル基;
フェニル基;
等が挙げられる。
中でも、フェニル基又は炭素数1〜6のアルキル基が好ましく、炭素数1〜6のアルキル基がより好ましく、炭素数1〜3のアルキル基が更に好ましく、メチル基又はエチル基が更に好ましく、メチル基が特に好ましい。
式(A)中、R2〜R4としては、それぞれ独立に、水素原子、フッ素原子、又はメチル基が好ましく、水素原子又はフッ素原子がより好ましく、水素原子が特に好ましい。
4−フルオロエチレンカーボネート(略称FEC)、4,4−ジフルオロエチレンカーボネート、4,5−ジフルオロエチレンカーボネート、又は4−トリフルオロメチルエチレンカーボネートが好ましく、
4−フルオロエチレンカーボネート、4,4−ジフルオロエチレンカーボネート、又は4,5−ジフルオロエチレンカーボネートがより好ましく、
4−フルオロエチレンカーボネートが特に好ましい。
添加剤Bは、モノフルオロリン酸リチウム(Li2PO3F)及びジフルオロリン酸リチウム(LiPO2F2;以下、「LiDFP」ともいう)からなる群から選択される少なくとも1種である。
添加剤Bは、ジフルオロリン酸リチウムを含むことが好ましい。
添加剤Cは、硫黄−酸素結合を有する化合物からなる群から選択される少なくとも1種である。
前述した、電極上への被膜の形成には、添加剤Cにおける硫黄−酸素結合が関与していると考えられる。
下記式(C1)で表される化合物は、環状硫酸エステル化合物の例であり、
下記式(C2)で表される化合物は、環状スルホン酸エステル化合物の例であり、
下記式(C3)で表される化合物は、置換又は無置換のスルホ安息香酸無水物の例であり、
下記式(C4)で表される化合物は、フルオロスルホニル化合物の例であり、
下記式(C5)で表される化合物は、スルホン酸リチウム化合物の例である。
式(C1)で表される化合物は、以下のとおりである。
式(C1)中、R11〜R14で表される炭素数1〜6の炭化水素基の具体例は、式(A)中のR2〜R4で表される炭素数1〜6の炭化水素基の具体例と同様である。
式(C1)中、R11〜R14で表される炭素数1〜6の炭化水素基としては、アルキル基、アルケニル基、又はアルキニル基が好ましく、アルキル基又はアルケニル基がより好ましく、アルキル基が特に好ましい。
式(C1)中、R11〜R14で表される炭素数1〜6の炭化水素基の炭素数としては、1〜3が好ましく、1又は2がより好ましく、1が更に好ましい。
これらのうち、化合物(C1−1)〜化合物(C1−4)が特に好ましい。
式(C2)で表される化合物は、以下のとおりである。
式(C2)中、R21〜R24で表される炭素数1〜6の炭化水素基の具体例は、式(A)中のR2〜R4で表される炭素数1〜6の炭化水素基の具体例と同様である。
式(C2)中、R21〜R24で表される炭素数1〜6の炭化水素基としては、アルキル基、アルケニル基、又はアルキニル基が好ましく、アルキル基又はアルケニル基がより好ましく、アルキル基が特に好ましい。
式(C2)中、R21〜R24で表される炭素数1〜6の炭化水素基の炭素数としては、1〜3が好ましく、1又は2がより好ましく、1が更に好ましい。
式(C2)中、R21〜R24で表される炭素数1〜6のフッ化炭化水素基の具体例は、式(A)中のR2〜R4で表される炭素数1〜6のフッ化炭化水素基の具体例と同様である。
式(C2)中、R21〜R24で表される炭素数1〜6のフッ化炭化水素基としては、フッ化アルキル基、フッ化アルケニル基、又はフッ化アルキニル基が好ましく、フッ化アルキル基又はフッ化アルケニル基がより好ましく、フッ化アルキル基が特に好ましい。
式(C2)中、R21〜R24で表される炭素数1〜6のフッ化炭化水素基の炭素数としては、1〜3が好ましく、1又は2がより好ましく、1が更に好ましい。
これらのうち、化合物(C2−1)(即ち、1,3−プロペンスルトン;以下、「PRS」ともいう)が特に好ましい。
式(C3)で表される化合物は、以下のとおりである。
式(C3)中、R31〜R34で表される炭素数1〜6の炭化水素基の具体例は、式(A)中のR2〜R4で表される炭素数1〜6の炭化水素基の具体例と同様である。
式(C3)中、R31〜R34で表される炭素数1〜6の炭化水素基としては、アルキル基、アルケニル基、又はアルキニル基が好ましく、アルキル基又はアルケニル基がより好ましく、アルキル基が特に好ましい。
式(C3)中、R31〜R34で表される炭素数1〜6の炭化水素基の炭素数としては、1〜3が好ましく、1又は2がより好ましく、1が更に好ましい。
ハロゲン化炭化水素基におけるハロゲン原子としては、フッ素原子、塩素原子、臭素原子、又はヨウ素原子が好ましく、フッ素原子、塩素原子、又は臭素原子がより好ましく、フッ素原子又は塩素原子が更に好ましく、フッ素原子が更に好ましい。
式(C3)中、R31〜R34で表される炭素数1〜6のハロゲン化炭化水素基としては、ハロゲン化アルキル基、ハロゲン化アルケニル基、又はハロゲン化アルキニル基が好ましく、ハロゲン化アルキル基又はハロゲン化アルケニル基がより好ましく、ハロゲン化アルキル基が特に好ましい。
式(C3)中、R31〜R34で表される炭素数1〜6のハロゲン化炭化水素基の炭素数としては、1〜3が好ましく、1又は2がより好ましく、1が更に好ましい。
式(C3)中、R31〜R34で表される炭素数1〜6の炭化水素オキシ基としては、アルコキシ基、アルケニルオキシ基、又はアルキニルオキシ基が好ましく、アルコキシ基又はアルケニルオキシ基がより好ましく、アルコキシ基が特に好ましい。
式(C3)中、R31〜R34で表される炭素数1〜6の炭化水素オキシ基の炭素数としては、1〜3が好ましく、1又は2がより好ましく、1が更に好ましい。
ハロゲン化炭化水素オキシ基におけるハロゲン原子としては、フッ素原子、塩素原子、臭素原子、又はヨウ素原子が好ましく、フッ素原子、塩素原子、又は臭素原子がより好ましく、フッ素原子又は塩素原子が更に好ましく、フッ素原子が更に好ましい。
式(C3)中、R31〜R34で表される炭素数1〜6のハロゲン化炭化水素オキシ基としては、ハロゲン化アルコキシ基、ハロゲン化アルケニルオキシ基、又はハロゲン化アルキニルオキシ基が好ましく、ハロゲン化アルコキシ基又はハロゲン化アルケニルオキシ基がより好ましく、ハロゲン化アルコキシ基が特に好ましい。
式(C3)中、R31〜R34で表される炭素数1〜6のハロゲン化炭化水素オキシ基の炭素数としては、1〜3が好ましく、1又は2がより好ましく、1が更に好ましい。
スルホ安息香酸無水物、
フルオロスルホ安息香酸無水物、
クロロ安息香酸無水物、
ジフルオロスルホ安息香酸無水物、
ジクロロスルホ安息香酸無水物、
トリフルオロスルホ安息香酸無水物、
テトラフルオロスルホ安息香酸無水物、
メチルスルホ安息香酸無水物、
ジメチルスルホ安息香酸無水物、
トリメチルスルホ安息香酸無水物、
エチルスルホ安息香酸無水物、
プロピルスルホ安息香酸無水物、
ビニルスルホ安息香酸無水物、
エチニルスルホ安息香酸無水物、
アリルスルホ安息香酸無水物、
(トリフルオロメチル)スルホ安息香酸無水物、
ジ(トリフルオロ)(メチル)スルホ安息香酸無水物、
(トリフルオロメトキシ)スルホ安息香酸無水物、
(フルオロ)(メチル)スルホ安息香酸無水物、
(クロロ)(メチル)スルホ安息香酸無水物、
(フルオロ)(メトキシ)スルホ安息香酸無水物、
(クロロ)(メトキシ)スルホ安息香酸無水物、
ジ(フルオロ)(メトキシ)スルホ安息香酸無水物、
ジ(トリフルオロ)(ビニル)スルホ安息香酸無水物、
(フルオロ)(ビニル)スルホ安息香酸無水物、
ジ(トリフルオロ)(エチニル)スルホ安息香酸無水物、
(フルオロ)(エチニル)スルホ安息香酸無水物、
等が挙げられる。
これらのうち、スルホ安息香酸無水物(以下、「化合物(C3−1)」ともいう)が特に好ましい。
式(C4)で表される化合物は、以下のとおりである。
式(C4)中、R41で表される炭素数1〜6の炭化水素基の具体例は、式(A)中のR2〜R4で表される炭素数1〜6の炭化水素基の具体例と同様である。
式(C4)中、R41で表される炭素数1〜6の炭化水素基としては、アルキル基、アルケニル基、アルキニル基、又はフェニル基が好ましく、アルキル基、アルケニル基、又はアルキニル基がより好ましく、アルキル基又はアルケニル基が更に好ましく、アルキル基が特に好ましい。
式(C4)中、R41で表される炭素数1〜6の炭化水素基の炭素数としては、1〜3が好ましく、1又は2がより好ましく、1が更に好ましい。
式(C4)中、R41で表される炭素数1〜6の炭化水素オキシ基としては、アルコキシ基、アルケニルオキシ基、又はアルキニルオキシ基が好ましく、アルコキシ基又はアルケニルオキシ基がより好ましく、アルコキシ基が特に好ましい。
式(C4)中、R41で表される炭素数1〜6の炭化水素オキシ基の炭素数としては、1〜3が好ましく、1又は2がより好ましく、1が更に好ましい。
式(C4)中、R41で表される炭素数1〜6のフッ化炭化水素基の具体例は、式(A)中のR2〜R4で表される炭素数1〜6のフッ化炭化水素基の具体例と同様である。
式(C4)中、R41で表される炭素数1〜6のフッ化炭化水素基としては、フッ化アルキル基、フッ化アルケニル基、又はフッ化アルキニル基が好ましく、フッ化アルキル基又はフッ化アルケニル基がより好ましく、フッ化アルキル基が特に好ましい。
式(C4)中、R41で表される炭素数1〜6のフッ化炭化水素基の炭素数としては、1〜3が好ましく、1又は2がより好ましく、1が更に好ましい。
メタンスルホニルフルオリド、エタンスルホニルフルオリド、プロパンスルホニルフルオリド、2−プロパンスルホニルフルオリド、ブタンスルホニルフルオリド、2−ブタンスルホニルフルオリド、ヘキサンスルホニルフルオリド、トリフルオロメタンスルホニルフルオリド、パーフルオロエタンスルホニルフルオリド、パーフルオロプロパンスルホニルフルオリド、パーフルオロブタンスルホニルフルオリド、エテンスルホニルフルオリド、1−プロペン−1−スルホニルフルオリド、又は2−プロペン−1−スルホニルフルオリドが好ましく、
メタンスルホニルフルオリド、エタンスルホニルフルオリド、プロパンスルホニルフルオリド、2−プロパンスルホニルフルオリド、ブタンスルホニルフルオリド、2−ブタンスルホニルフルオリド、ヘキサンスルホニルフルオリド、トリフルオロメタンスルホニルフルオリド、パーフルオロエタンスルホニルフルオリド、パーフルオロプロパンスルホニルフルオリド、又はパーフルオロブタンスルホニルフルオリドがより好ましく、
メタンスルホニルフルオリド、エタンスルホニルフルオリド、プロパンスルホニルフルオリド、2−プロパンスルホニルフルオリド、ブタンスルホニルフルオリド、2−ブタンスルホニルフルオリド、又はヘキサンスルホニルフルオリドが更に好ましく、
メタンスルホニルフルオリド、エタンスルホニルフルオリド、又はプロパンスルホニルフルオリドが更に好ましく、
メタンスルホニルフルオリドが特に好ましい。
式(C5)で表される化合物は、以下のとおりである。
式(C5)中、R51で表される炭素数1〜6のフッ化炭化水素基の具体例は、式(A)中のR2〜R4で表される炭素数1〜6のフッ化炭化水素基の具体例と同様である。
式(C5)中、R51で表される炭素数1〜6のフッ化炭化水素基としては、フッ化アルキル基、フッ化アルケニル基、又はフッ化アルキニル基が好ましく、フッ化アルキル基又はフッ化アルケニル基がより好ましく、フッ化アルキル基が特に好ましい。
式(C5)中、R51で表される炭素数1〜6のフッ化炭化水素基の炭素数としては、1〜3が好ましく、1又は2がより好ましく、1が更に好ましい。
式(C5)中、R51で表される炭素数1〜6の炭化水素基の具体例は、式(A)中のR2〜R4で表される炭素数1〜6の炭化水素基の具体例と同様である。
式(C5)中、R51で表される炭素数1〜6の炭化水素基としては、アルキル基、アルケニル基、又はアルキニル基が好ましく、アルキル基又はアルケニル基がより好ましく、アルキル基が特に好ましい。
式(C5)中、R51で表される炭素数1〜6の炭化水素基の炭素数としては、1〜3が好ましく、1又は2がより好ましく、1が更に好ましい。
式(C5)中、R51で表される炭素数1〜6の炭化水素オキシ基としては、アルコキシ基、アルケニルオキシ基、又はアルキニルオキシ基が好ましく、アルコキシ基又はアルケニルオキシ基がより好ましく、アルコキシ基が特に好ましい。
式(C5)中、R51で表される炭素数1〜6の炭化水素オキシ基の炭素数としては、1〜3が好ましく、1又は2がより好ましく、1が更に好ましい。
トリフルオロメタンスルホン酸リチウム又はペンタフルオロエタンスルホン酸リチウムが好ましく、
トリフルオロメタンスルホン酸リチウムが特に好ましい。
また、式(C5)で表される化合物としては、下記式(C5−1)〜下記式(C5−4)で表される化合物(以下、それぞれ、化合物(C5−1)〜化合物(C5−4)ともいう)も好ましい。
本開示の非水電解液は、非水溶媒を含有し得る。
非水電解液に含有され得る非水溶媒は、1種のみであってもよいし、2種以上であってもよい。
非水溶媒としては、種々公知のものを適宜選択することができる。
非水溶媒としては、例えば、特開2017−45723号公報の段落0069〜0087に記載の非水溶媒を用いることができる。
この場合、非水溶媒に含まれる環状カーボネート化合物及び鎖状カーボネート化合物は、それぞれ、1種のみであってもよいし2種以上であってもよい。
これらのうち、誘電率が高い、エチレンカーボネート及びプロピレンカーボネートが好適である。黒鉛を含む負極活物質を使用した電池の場合は、非水溶媒は、エチレンカーボネートを含むことがより好ましい。
この場合、非水溶媒に含まれるその他の化合物は、1種のみであってもよいし、2種以上であってもよい。
その他の化合物としては、環状カルボン酸エステル化合物(例えばγブチロラクトン)、環状スルホン化合物、環状エーテル化合物、鎖状カルボン酸エステル化合物、鎖状エーテル化合物、鎖状リン酸エステル化合物、アミド化合物、鎖状カーバメート化合物、環状アミド化合物、環状ウレア化合物、ホウ素化合物、ポリエチレングリコール誘導体、等が挙げられる。
これらの化合物については、特開2017−45723号公報の段落0069〜0087の記載を適宜参照できる。
非水溶媒中に占める、環状カーボネート化合物及び鎖状カーボネート化合物の割合は、100質量%であってもよい。
非水電解液中に占める非水溶媒の割合の上限は、他の成分(添加剤A〜C、電解質、等)の含有量にもよるが、上限は、例えば99質量%であり、好ましくは97質量%であり、更に好ましくは90質量%である。
本開示の非水電解液は、電解質を含有し得る。
電解質は、LiPF6を含むことが好ましい。
この場合、電解質中に占めるLiPF6の比率は、好ましくは1質量%〜100質量%、より好ましくは10質量%〜100質量%、さらに好ましくは50質量%〜100質量%である。
また、本開示の非水電解液におけるLiPF6の濃度は、0.1mol/L〜3mol/Lが好ましく、0.5mol/L〜2mol/Lがより好ましい。
LiPF6以外の化合物としては;
(C2H5)4NPF6、(C2H5)4NBF4、(C2H5)4NClO4、(C2H5)4NAsF6、(C2H5)4N2SiF6、(C2H5)4NOSO2CkF(2k+1)(k=1〜8の整数)、(C2H5)4NPFn[CkF(2k+1)](6−n)(n=1〜5、k=1〜8の整数)などのテトラアルキルアンモニウム塩;
LiBF4、LiClO4、LiAsF6、Li2SiF6、LiOSO2CkF(2k+1)(k=1〜8の整数)、LiPFn[CkF(2k+1)](6−n)(n=1〜5、k=1〜8の整数)、LiC(SO2R7)(SO2R8)(SO2R9)、LiN(SO2OR10)(SO2OR11)、LiN(SO2R12)(SO2R13)(ここでR7〜R13は互いに同一でも異なっていてもよく、フッ素原子又は炭素数1〜8のパーフルオロアルキル基である)等のリチウム塩(即ち、LiPF6以外のリチウム塩);
等が挙げられる。
本開示の非水電解液は、電池用の電解液として用いられる。
本開示の非水電解液は、例えば、黒鉛材料を含む負極活物質を含む電池に用いられる。
一般に、FEC等の添加剤Aを含む非水電解液と、黒鉛材料を含む負極活物質と、を含む電池では、黒鉛材料上での添加剤Aの還元分解、還元分解物の正極上での酸化分解、等に起因し、電池抵抗が上昇し易い。
しかし、本開示の非水電解液には、添加剤Aだけでなく、添加剤B及び添加剤Cが含有されているので、黒鉛材料を含む負極活物質を含む電池に用いられた場合においても、保存後の電池抵抗を抑制できる。
即ち、本開示の非水電解液が黒鉛材料を含む負極活物質を含む電池に用いられた場合には、本開示の非水電解液による改善幅(詳細には、保存後の電池抵抗の低減幅)が大きい。
即ち、本開示の非水電解液は、黒鉛材料及びSiOXを含む負極活物質を含む電池に用いられてもよい。
〔組成式(1)中、Xは、0.5以上1.6未満を表す。〕
この点に関し、本開示の非水電解液に含有される添加剤Aは、SiOX上で還元分解されることにより、SiOX上に、LiF及び機械的柔軟性に優れた被膜を形成すると考えられる。これらLiF及び被膜により、電池のサイクル特性の劣化が抑制される。
従って、本開示の非水電解液が、黒鉛材料及びSiOXを含む負極活物質を含む電池に用いられた場合には、添加剤Aの作用により、SiOXに起因する電池のサイクル特定劣化が抑制されると考えられる。
更に、前述したとおり、添加剤A〜Cの組み合わせによる作用により、保存後の電池抵抗が抑制される。
本開示のリチウム二次電池は、正極と、負極と、本開示の非水電解液と、を備える。
従って、本開示のリチウム二次電池は、保存後の電池抵抗に優れる(即ち、保存後の電池抵抗が低減される)。
負極は、黒鉛材料を含む負極活物質を含む。
黒鉛材料としては、天然黒鉛、人造黒鉛等が挙げられる。
負極活物質は、黒鉛材料を、1種類のみ含んでいてもよく、2種以上含んでいてもよい。
黒鉛材料は、天然黒鉛を含むことが好ましく、非晶質炭素によって被覆された天然黒鉛(以下、「アモルファスコート天然黒鉛」ともいう)を含むことがより好ましい。
黒鉛材料が天然黒鉛を含む場合、黒鉛材料中に占める天然黒鉛の割合は、好ましくは50質量%以上であり、より好ましくは60質量%以上であり、更に好ましくは80質量%以上である。
また、黒鉛材料の真密度は、1.70g/cm3以上であることが好ましい。
〔組成式(1)中、Xは、0.5以上1.6未満を表す。〕
負極活物質が黒鉛材料及びSiOXを含む場合、負極活物質全量に対する黒鉛材料の含有量は、80質量%〜99質量%が好ましく、90質量%〜99質量%がより好ましく、92質量%〜98質量%が更に好ましい。
その他の成分としては、黒鉛材料以外の炭素材料(例えば、カーボンブラック、活性炭、非晶質炭素材料等);シリコン、シリコン合金、スズ、スズ合金等の金属又は合金;チタン酸リチウム;等が挙げられる。
非晶質炭素材料としては、ハードカーボン、コークス、1500℃以下に焼成したメソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、メソフェーズピッチカーボンファイバー(MCF)などが挙げられる。
また、負極活物質としては、非晶質炭素材料で被覆された天然黒鉛;金、白金、銀、銅、スズなどの金属で被覆された天然黒鉛;等を用いてもよい。
負極における負極集電体の材質には特に制限はなく、公知のものを任意に用いることができる。
負極集電体の具体例としては、銅、ニッケル、ステンレス鋼、ニッケルメッキ鋼等の金属材料が挙げられる。中でも、加工しやすさの点から特に銅が好ましい。
正極は、正極活物質及び正極集電体を含んでもよい。
正極における正極活物質としては、MoS2、TiS2、MnO2、V2O5などの遷移金属酸化物又は遷移金属硫化物、LiCoO2、LiMnO2、LiMn2O4、LiNiO2、LiNiXCo(1−X)O2〔0<X<1〕、α−NaFeO2型結晶構造を有するLi1+αMe1−αO2(Meは、Mn、Ni及びCoを含む遷移金属元素、1.0≦(1+α)/(1−α)≦1.6)、LiNixCoyMnzO2〔x+y+z=1、0<x<1、0<y<1、0<z<1〕(例えば、LiNi0.33Co0.33Mn0.33O2、LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2等)、LiFePO4、LiMnPO4などのリチウムと遷移金属とからなる複合酸化物、ポリアニリン、ポリチオフェン、ポリピロール、ポリアセチレン、ポリアセン、ジメルカプトチアジアゾール、ポリアニリン複合体などの導電性高分子材料等が挙げられる。これらの中でも、特にリチウムと遷移金属とからなる複合酸化物が好ましい。負極がリチウム金属又はリチウム合金である場合は、正極として炭素材料を用いることもできる。また、正極として、リチウムと遷移金属との複合酸化物と、炭素材料と、の混合物を用いることもできる。
正極活物質は、1種類で使用してもよく、2種類以上を混合して使用してもよい。正極活物質は導電性が不充分である場合には、導電性助剤とともに使用して正極を構成することができる。導電性助剤としては、カーボンブラック、アモルファスウィスカー、グラファイトなどの炭素材料を例示することができる。
正極集電体の具体例としては、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、ステンレス鋼、ニッケル、チタン、タンタルなどの金属材料;カーボンクロス、カーボンペーパーなどの炭素材料;等が挙げられる。
本開示のリチウム二次電池は、負極と正極との間にセパレータを含むことが好ましい。
セパレータは、正極と負極とを電気的に絶縁し且つリチウムイオンを透過する膜であって、多孔性膜や高分子電解質が例示される。
多孔性膜としては微多孔性高分子フィルムが好適に使用され、材質としてポリオレフィン、ポリイミド、ポリフッ化ビニリデン、ポリエステル等が例示される。
特に、多孔性ポリオレフィンが好ましく、具体的には多孔性ポリエチレンフィルム、多孔性ポリプロピレンフィルム、又は多孔性のポリエチレンフィルムとポリプロピレンフィルムとの多層フィルムを例示することができる。多孔性ポリオレフィンフィルム上には、熱安定性に優れる他の樹脂がコーティングされてもよい。
高分子電解質としては、リチウム塩を溶解した高分子や、電解液で膨潤させた高分子等が挙げられる。
本開示の非水電解液は、高分子を膨潤させて高分子電解質を得る目的で使用してもよい。
本開示のリチウム二次電池は、種々公知の形状をとることができ、円筒型、コイン型、角型、ラミネート型、フィルム型その他任意の形状に形成することができる。しかし、電池の基本構造は、形状によらず同じであり、目的に応じて設計変更を施すことができる。
図1は、本開示のリチウム二次電池の一例であるラミネート型電池の一例を示す概略斜視図であり、図2は、図1に示すラミネート型電池に収容される積層型電極体の厚さ方向の概略断面図である。
図1に示すラミネート型電池は、内部に非水電解液(図1中では不図示)及び積層型電極体(図1中では不図示)が収納され、且つ、周縁部が封止されることにより内部が密閉されたラミネート外装体1を備える。ラミネート外装体1としては、例えばアルミニウム製のラミネート外装体が用いられる。
ラミネート外装体1に収容される積層型電極体は、図2に示されるように、正極板5と負極板6とがセパレータ7を介して交互に積層されてなる積層体と、この積層体の周囲を囲むセパレータ8と、を備える。正極板5、負極板6、セパレータ7、及びセパレータ8には、本開示の非水電解液が含浸されている。
上記積層型電極体における複数の正極板5は、いずれも正極タブを介して正極端子2と電気的に接続されており(不図示)、この正極端子2の一部が上記ラミネート外装体1の周端部から外側に突出している(図1)。ラミネート外装体1の周端部において正極端子2が突出する部分は、絶縁シール4によってシールされている。
同様に、上記積層型電極体における複数の負極板6は、いずれも負極タブを介して負極端子3と電気的に接続されており(不図示)、この負極端子3の一部が上記ラミネート外装体1の周端部から外側に突出している(図1)。ラミネート外装体1の周端部において負極端子3が突出する部分は、絶縁シール4によってシールされている。
なお、上記一例に係るラミネート型電池では、正極板5の数が5枚、負極板6の数が6枚となっており、正極板5と負極板6とがセパレータ7を介し、両側の最外層がいずれも負極板6となる配置で積層されている。しかし、ラミネート型電池における、正極板の数、負極板の数、及び配置については、この一例には限定されず、種々の変更がなされてもよいことは言うまでもない。
図3は、本開示のリチウム二次電池の別の一例であるコイン型電池の一例を示す概略斜視図である。
図3に示すコイン型電池では、円盤状負極12、非水電解液を注入したセパレータ15、円盤状正極11、必要に応じて、ステンレス、又はアルミニウムなどのスペーサー板17、18が、この順序に積層された状態で、正極缶13(以下、「電池缶」ともいう)と封口板14(以下、「電池缶蓋」ともいう)との間に収納される。正極缶13と封口板14とはガスケット16を介してかしめ密封する。
この一例では、セパレータ15に注入される非水電解液として、本開示の非水電解液を用いる。
即ち、本開示のリチウム二次電池は、まず、負極と、正極と、上記本開示の非水電解液と、を含む充放電前のリチウム二次電池を作製し、次いで、この充放電前のリチウム二次電池を1回以上充放電させることによって作製されたリチウム二次電池(充放電されたリチウム二次電池)であってもよい。
以下において、「添加量」は、最終的に得られる非水電解液の全量に対する含有量を意味し、「wt%」は、質量%を意味する。
以下の手順にて、リチウム二次電池であるコイン型電池(試験用電池)を作製した。
アモルファスコート天然黒鉛(92質量部)、SiO(即ち、組成式(1)におけるXが1である酸化ケイ素;大阪チタニウムテクノロジーズ社製)(5質量部)、カルボキシメチルセルロース(1質量部)及びSBRラテックス(2質量部)を水溶媒で混練してペースト状の負極合剤スラリーを調製した。
次に、この負極合剤スラリーを厚さ10μmの帯状銅箔製の負極集電体に塗布し乾燥した後に、ロールプレスで圧縮して負極集電体と負極活物質層からなるシート状の負極を得た。このときの負極活物質層の塗布密度は12mg/cm2であり、充填密度は1.5g/mLであった。
アモルファスコート天然黒鉛に占める天然黒鉛の割合は99質量%であり、アモルファスコート天然黒鉛に占める非晶質炭素の割合は1質量%である。
LiNi0.5Mn0.3Co0.2O2(90質量部)、アセチレンブラック(5質量部)及びポリフッ化ビニリデン(5質量部)を、N−メチルピロリジノンを溶媒として混練してペースト状の正極合剤スラリーを調製した。
次に、この正極合剤スラリーを厚さ20μmの帯状アルミ箔の正極集電体に塗布し乾燥した後に、ロールプレスで圧縮して正極集電体と正極活物質層とからなるシート状の正極を得た。このときの正極活物質層の塗布密度は22mg/cm2であり、充填密度は2.5g/mLであった。
非水溶媒としてのエチレンカーボネート(EC)とジメチルカーボネート(DMC)とメチルエチルカーボネート(EMC)とをそれぞれ30:35:35(質量比)の割合で混合し、混合溶媒を得た。
得られた混合溶媒中に、電解質としてのLiPF6を、最終的に得られる非水電解液中におけるLiPF6の濃度が1.0mol/Lとなるように溶解させた。
上記で得られた溶液に対し、
添加剤Aとして4−フルオロエチレンカーボネート(FEC)(添加量3.0質量%)、
添加剤Bとしてジフルオロリン酸リチウム(LiDFP)(添加量1.0質量%)、及び、
添加剤Cとして下記化合物(C1−1)(式(C1)で表される化合物の具体例)(添加量0.5質量%)
を添加し、非水電解液を得た。
上述の負極を直径14mmで、上述の正極を直径13mmで、それぞれ円盤状に打ち抜き、コイン状の負極及びコイン状の正極をそれぞれ得た。また、厚さ20μmの微多孔性ポリエチレンフィルムを直径17mmの円盤状に打ち抜き、セパレータを得た。
得られたコイン状の負極、セパレータ、及びコイン状の正極を、この順序でステンレス製の電池缶(2032サイズ)内に積層し、次いで、この電池缶内に非水電解液20μLを注入し、セパレータと正極と負極とに含漬させた。
次に、正極上にアルミニウム製の板(厚さ1.2mm、直径16mm)及びバネを乗せ、ポリプロピレン製のガスケットを介して、電池缶蓋をかしめることにより電池を密封した。
以上により、直径20mm、高さ3.2mmの図3で示す構成を有するコイン型電池(即ち、コイン型のリチウム二次電池)を得た。
得られたコイン型電池に対し、コンディショニング及びエージングをこの順に施し、エージング後のコイン型電池について、高温保存前後の電池抵抗の評価を行った。
ここで、「コンディショニング」とは、コイン型電池を、恒温槽内で25℃にて、2.75Vと4.2Vとの間で充放電を三回繰り返すことを指す。
また、「エージング」とは、コンディショニング後のコイン型電池を、SOC(State of Charge)100%の状態で、60℃で72時間保存する操作を意味する。
本実施例におけるSOC100%の状態は、充電電圧4.25Vで充電された状態に相当する。
また、「高温保存」とは、エージング後のコイン型電池を、SOC100%の状態で、60℃で72時間保存する操作を意味する。
以下、電池抵抗は、25℃及び−20℃の2つの温度条件の各々にて測定した。
エージング後のコイン型電池のSOC(State of Charge)を80%に調整し、次いで、以下の方法により、コイン型電池の高温保存前の電池抵抗(直流抵抗)を測定した。
上述のSOC80%に調整されたコイン型電池を用い、放電レート0.2CでのCC10s放電を行った。
ここで、CC10s放電とは、定電流(Constant Current)にて10秒間放電することを意味する。
上記「放電レート0.2CでのCC10s放電」における、電流値(即ち、放電レート0.2Cに相当する電流値)と、電圧低下量(=放電開始前の電圧−放電開始後10秒目の電圧)と、に基づき直流抵抗を求め、得られた直流抵抗(Ω)を、コイン型電池の高温保存前の電池抵抗(Ω)とした。
比較例Aのコイン型電池の高温保存前の電池抵抗を100とした場合の実施例1のコイン型電池の高温保存前の電池抵抗(相対値)を求めた。
結果を表1に示す。
高温保存前の電池抵抗を測定したコイン型電池を、25℃にて充電レート0.2Cで4.25VまでCC−CV充電してSOC100%の状態とし、この状態で高温保存(即ち、60℃にて72時間の保存)を施した。ここで、CC−CV充電とは、定電流定電圧(Constant Current - Constant Voltage)を意味する。
高温保存後のコイン型電池のSOCを80%に調整し、次いで、高温保存前の電池抵抗の測定と同様の方法により、コイン型電池の高温保存後の電池抵抗を測定した。
比較例Aのコイン型電池の高温保存後の電池抵抗を100とした場合の実施例1のコイン型電池の高温保存後の電池抵抗(相対値)を求めた。
結果を表1に示す。
非水電解液に、添加剤A、添加剤B、及び添加剤Cを含有させなかったこと以外は実施例1と同様の操作を行った。結果を表1に示す。
表1中、「−」は、該当する添加剤を含有させなかったことを意味する。
非水電解液に、添加剤B及びCを含有させなかったこと以外は実施例1と同様の操作を行った。結果を表1に示す。
添加剤A〜Cの各々の有無を、表1に示すように変更したこと以外は実施例1と同様の操作を行った。結果を表1に示す。
添加剤Cの種類をPRS(即ち、下記化合物(C2−1);式(C2)で表される化合物の具体例)に変更したこと以外は、実施例1及び比較例1〜3の各々と同様の操作を行った。
結果を表1に示す。
これらの例において、高温保存前の電池抵抗は、比較例Aにおける高温保存前の電池抵抗を100とした場合の相対値として表しており、高温保存後の電池抵抗は、比較例Aにおける高温保存後の電池抵抗を100とした場合の相対値として表している。
添加剤Cの種類を、下記化合物(C1−2)(式(C1)で表される化合物の具体例)に変更したこと以外は、実施例1及び比較例1〜3の各々と同様の操作を行った。
結果を表1に示す。
これらの例において、高温保存前の電池抵抗は、比較例Aにおける高温保存前の電池抵抗を100とした場合の相対値として表しており、高温保存後の電池抵抗は、比較例Aにおける高温保存後の電池抵抗を100とした場合の相対値として表している。
添加剤Cの種類を、スルホ安息香酸無水物(詳細には下記化合物(C3−1);式(C3)で表される化合物の具体例)に変更したこと以外は、実施例1及び比較例1〜3の各々と同様の操作を行った。
結果を表1に示す。
これらの例において、高温保存前の電池抵抗は、比較例Aにおける高温保存前の電池抵抗を100とした場合の相対値として表しており、高温保存後の電池抵抗は、比較例Aにおける高温保存後の電池抵抗を100とした場合の相対値として表している。
添加剤A〜Cを含有する、実施例1及び101〜103では、比較例Bと比較して、高温保存後の電池抵抗が低減されていた。
実施例1及び比較例1〜3のシリーズより、実施例1における高温保存後の電池抵抗低減の効果は、添加剤A〜Cの組み合わせによる効果であることがわかる。
同様に、実施例101及び比較例101〜103のシリーズ、実施例201及び比較例201〜203のシリーズ、並びに、実施例301及び比較例301〜303のシリーズからも、高温保存後の電池抵抗低減の効果が、添加剤A〜Cの組み合わせによる効果であることがわかる。
本明細書に記載された全ての文献、特許出願、及び技術規格は、個々の文献、特許出願、及び技術規格が参照により取り込まれることが具体的かつ個々に記された場合と同程度に、本明細書中に参照により取り込まれる。
Claims (11)
- 前記添加剤Cが、環状硫酸エステル化合物、環状スルホン酸エステル化合物、置換又は無置換のスルホ安息香酸無水物、フルオロスルホニル化合物、及びスルホン酸リチウム化合物からなる群から選択される少なくとも1種である請求項1に記載の電池用非水電解液。
- 前記添加剤Cが、下記式(C1)で表される化合物、下記式(C2)で表される化合物、下記式(C3)で表される化合物、下記式(C4)で表される化合物、及び下記式(C5)で表される化合物からなる群から選択される少なくとも1種である請求項1又は請求項2に記載の電池用非水電解液。
〔式(C1)中、R11〜R14は、それぞれ独立に、水素原子、炭素数1〜6の炭化水素基、式(1a)で表される基、又は式(1b)で表される基を表す。式(1a)及び式(1b)において、*は、結合位置を表す。
式(C2)中、R21〜R24は、それぞれ独立に、水素原子、フッ素原子、炭素数1〜6の炭化水素基、又は炭素数1〜6のフッ化炭化水素基を表す。
式(C3)中、R31〜R34は、それぞれ独立に、水素原子、ハロゲン原子、炭素数1〜6の炭化水素基、炭素数1〜6のハロゲン化炭化水素基、炭素数1〜6の炭化水素オキシ基、又は、炭素数1〜6のハロゲン化炭化水素オキシ基を表す。
式(C4)中、R41は、フッ素原子、炭素数1〜6の炭化水素基、炭素数1〜6の炭化水素オキシ基、又は炭素数1〜6のフッ化炭化水素基を表す。
式(C5)中、R51は、フッ素原子、炭素数1〜6の炭化水素基、炭素数1〜6の炭化水素オキシ基、又は、炭素数1〜6のフッ化炭化水素基を表す。〕 - 黒鉛材料を含む負極活物質を含む電池に用いられる請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の電池用非水電解液。
- 前記負極活物質が、更に、下記組成式(1)で表される酸化ケイ素を含む請求項4に記載の電池用非水電解液。
SiOX … 組成式(1)
〔組成式(1)中、Xは、0.5以上1.6未満を表す。〕 - 前記添加剤Aの含有量が、電池用非水電解液の全量に対し、0.001質量%〜20質量%である請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の電池用非水電解液。
- 前記添加剤Bの含有量が、電池用非水電解液の全量に対し、0.001質量%〜10質量%である請求項1〜請求項6のいずれか1項に記載の電池用非水電解液。
- 前記添加剤Cの含有量が、電池用非水電解液の全量に対し、0.001質量%〜10質量%である請求項1〜請求項7のいずれか1項に記載の電池用非水電解液。
- 正極と、黒鉛材料を含む負極活物質を含む負極と、請求項1〜請求項8のいずれか1項に記載の電池用非水電解液と、を備えるリチウム二次電池。
- 前記負極活物質が、更に、下記組成式(1)で表される酸化ケイ素を含む請求項9に記載のリチウム二次電池。
SiOX … 組成式(1)
〔組成式(1)中、Xは、0.5以上1.6未満を表す。〕 - 請求項9又は請求項10に記載のリチウム二次電池を充放電させて得られたリチウム二次電池。
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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