JPWO2020158223A1

JPWO2020158223A1 - 非水電解質二次電池およびこれに用いる電解液

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Publication number: JPWO2020158223A1
Application number: JP2020569435A
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Inventors: 泰子野崎; 祐石黒; 倫久岡崎
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Abstract

正極、負極および電解液を有し、電解液が、リチウムビス（フルオロスルホニル）イミドおよび硫酸ジメチルを含む、非水電解質二次電池。

Description

本発明は、主として、非水電解質二次電池用電解液の改良に関する。

非水電解質二次電池、特にリチウムイオン二次電池は、高電圧かつ高エネルギー密度を有するため、小型民生用途、電力貯蔵装置および電気自動車の電源として期待されている。電池の長寿命化が求められる中、電解液にリチウムビス（フルオロスルホニル）イミド（以下、ＬＦＳＩとも称する。）を添加することが提案されている（特許文献１、２）。

国際公開第２０１４／１５７５９１号国際公開第２０１６／００９９９４号

しかし、ＬＦＳＩを用いる場合、長期的に電池の充放電サイクルを繰り返すとインピーダンスが上昇する。よって、インピーダンスの上昇分を踏まえて、初期インピーダンスを更に低減することが望まれている。

以上に鑑み、本発明の一側面は、正極、負極および電解液を有し、前記電解液が、リチウムビス（フルオロスルホニル）イミドおよび硫酸ジメチルを含む、非水電解質二次電池に関する。

本発明の他の側面は、リチウムビス（フルオロスルホニル）イミドおよび硫酸ジメチルを含む、非水電解質二次電池用電解液に関する。

本発明によれば、非水電解質二次電池の初期インピーダンスを顕著に低下させ得る。

本発明の一実施形態に係る非水電解質二次電池の一部を切欠いた概略斜視図である。

本発明に係る非水電解質二次電池は、正極、負極および電解液を有し、電解液は、リチウムビス（フルオロスルホニル）イミド：ＬｉＮ（ＳＯ₂Ｆ）₂および硫酸ジメチルを含む。

リチウムビス（フルオロスルホニル）イミド（以下、ＬＦＳＩとも称する。）は、単独もしくは他の電解液成分とともに、正極および負極表面に、リチウムイオン伝導性に優れ、かつ電解液の分解反応を抑制する被膜（以下、ＬＦＳＩ被膜とも称する。）を形成する。ＬＦＳＩ被膜により、充放電サイクルの初期における容量維持率の低下が抑制される。

一方、長期的に電池の充放電サイクルを繰り返すと、ＬＦＳＩが正極表面で過剰に反応し、ＬＦＳＩ被膜が不活性化してインピーダンスが大きくなり、容量が大きく低下することがある。

これに対し、硫酸ジメチルは、正極表面および負極表面に電子伝導性に優れた被膜を形成し、初期インピーダンスを低下させる作用を有する。このような被膜は硫酸ジメチル由来のＳ含有基とＬＦＳＩ由来の基とを含む混成被膜であると考えられる。混成被膜の形成により、正極および負極の両方でインピーダンスの上昇が抑制され、電池の初期インピーダンスが顕著に低減する。

混成被膜は、正極表面でのＬＦＳＩの過剰反応も抑制し得る。中でも、正極がリチウムとニッケルとを含む複合酸化物のようにアルカリ成分を含み得る正極材料もしくは正極活物質を含む場合、ＬＦＳＩの過剰反応（例えばＬＦＳＩとアルカリ成分との反応）を抑制する効果が顕著になる。その結果、ＬＦＳＩ被膜の不活性化が抑制され、インピーダンスの上昇が更に抑制されるものと推測される。

電解液における硫酸ジメチルの含有量は、電解液の質量に対して、例えば５質量％以下であればよい。電解液に含ませる硫酸ジメチルの量を上記のように加減することで、ＬＦＳＩとの混成被膜におけるＬＦＳＩ由来の基の割合が十分に確保され、電解液の分解反応を抑制する効果が大きくなり、良好な容量維持率を得やすくなる。電解液における硫酸ジメチルの含有量は、電解液の質量に対して２質量％以下でもよく、１．５質量％以下でもよい。

硫酸ジメチルの少なくとも一部は、充放電サイクルの初期に、次第に消費される。正極表面および負極表面に十分な混成被膜が形成された後には、電解液における硫酸ジメチルの含有量は、電解液の質量に対して１０ｐｐｍ以上であればよく、１００ｐｐｍ以上でもよい。市場に流通する電池内に含まれる電解液を分析すると、硫酸ジメチルのほとんどが消費されている場合もあり得る。このような場合でも、検出限界以上の硫酸ジメチルが残存し得る。

硫酸ジメチルが消費されると、その結果として、正極表面および負極表面には、ＬＦＳＩおよび硫酸ジメチルに由来する混成被膜が形成される。仮に、電池内の電解液から硫酸ジメチルが検出できない場合でも、正極および／または負極の表面にＬＦＳＩおよび硫酸ジメチルに由来する混成被膜を有する場合、その実施形態は本発明に包含される。

電解液は、更にヘキサフルオロリン酸リチウム：ＬｉＰＦ₆を含んでもよい。このとき、ＬＦＳＩとＬｉＰＦ₆との合計に対するＬＦＳＩの割合は、例えば０．５質量％以上、５０質量％以下であればよく、１質量％以上、２５質量％以下でもよい。電解液にＬｉＰＦ₆を含ませることで、ＬＦＳＩ被膜の品質が向上し、長期サイクル試験における容量維持率を向上させることができる。

電解液は、更にジフルオロリン酸リチウム：ＬｉＰＯ₂Ｆ₂を含んでもよい。ジフルオロリン酸リチウムの含有量は、例えば、電解液の質量に対して２質量％以下であればよく、１．５質量％以下でもよい。ジフルオロリン酸リチウムは、単独もしくは他の電解液成分とともに、正極活物質の表層に良質な被膜を形成し、電解液成分の過剰な副反応を抑制する作用を有すると考えられる。よって、ジフルオロリン酸リチウムは、電池のサイクル特性の向上に寄与する。

ＬＦＳＩとＬｉＰＦ₆とジフルオロリン酸リチウムとの合計に対するＬＦＳＩの割合は、例えば０．５質量％以上、５０質量％以下であればよく、１質量％以上、２５質量％以下でもよい。

電解液は、更にフルオロスルホン酸リチウム：ＬｉＳＯ₃Ｆを含んでもよい。フルオロスルホン酸リチウムの含有量は、例えば、電解液の質量に対して２質量％以下であればよく、１．５質量％以下でもよい。フルオロスルホン酸リチウムは、主に負極に作用し、負極の不可逆容量を低減させ得る。中でも、負極が、シリケート相とシリケート相内に分散したシリコン粒子とを含む場合、フルオロスルホン酸リチウムは、シリケート相内において、Ｌｉ_４ＳｉＯ_４の生成に利用される。このため、正極活物質から放出されたリチウムイオンがシリケート相で捕捉され難くなり、不可逆容量が低減される。

電池に注液する前の電解液もしくは使用初期の電池から回収された電解液は、例えば電解液の質量に対してそれぞれ１０ｐｐｍ以上のジフルオロリン酸リチウムまたはフルオロスルホン酸リチウムを含有していればよく、ジフルオロリン酸リチウムまたはフルオロスルホン酸リチウムの含有量はそれぞれ１００ｐｐｍ以上でもよい。

ジフルオロリン酸リチウムおよびフルオロスルホン酸リチウムは、充放電サイクルを繰り返す間に次第に消費される。よって、市場に流通する電池内に含まれる電解液を分析すると、フルオロリン酸リチウムおよび／またはフルオロスルホン酸リチウムのほとんどが消費されている場合もあり得る。このような場合でも、検出限界以上のフルオロリン酸リチウムおよび／またはフルオロスルホン酸リチウムが残存し得る。

電解液は、既に述べたリチウム塩に加え、更に別の塩を含み得るが、リチウム塩に占めるＬＦＳＩとＬｉＰＦ₆との合計量の割合は、８０ｍｏｌ％以上が好ましく、９０ｍｏｌ％以上がより好ましい。ＬＦＳＩとＬｉＰＦ₆との割合を上記範囲に制御することで、長期サイクル特性により優れた電池を得やすくなる。

より具体的には、電解液におけるＬＦＳＩとＬｉＰＦ₆との合計の濃度は、例えば、１ｍｏｌ／リットル以上、２ｍｏｌ／リットル以下であればよく、１ｍｏｌ／リットル以上、１．５ｍｏｌ／リットル以下でもよい。これにより、イオン伝導性に優れ、適度の粘性を有する電解液を得ることができる。

リチウム塩は、通常、解離してアニオンとリチウムイオンとして電解液中に存在するが、一部は、水素と結合した酸の状態で電解液中に存在してもよく、リチウム塩の状態で存在してもよい。すなわち、リチウム塩の量は、リチウム塩に由来するアニオンと、当該アニオンに水素が結合した酸と、リチウム塩との合計量として算出すればよい。

電解液における硫酸ジメチルおよび各種リチウム塩の含有量は、例えば、電解液をガスクロマトグラフィー質量分析（ＧＣ−ＭＳ）、核磁気共鳴（ＮＭＲ）、イオンクロマトグラフィー等を用いることにより測定し得る。

次に、本発明の実施形態に係る非水電解質二次電池について詳述する。非水電解質二次電池は、例えば、以下のような負極と、正極と、非水電解質とを備える。

［負極］
負極は、例えば、負極集電体と、負極集電体の表面に形成され、かつ負極活物質を含む負極合剤層とを具備する。負極合剤層は、負極合剤を分散媒に分散させた負極スラリーを、負極集電体の表面に塗布し、乾燥させることにより形成できる。乾燥後の塗膜を、必要により圧延してもよい。負極合剤層は、負極集電体の一方の表面に形成してもよく、両方の表面に形成してもよい。

負極合剤は、負極活物質を必須成分として含み、任意成分として、結着剤、導電剤、増粘剤などを含むことができる。負極活物質は、電気化学的にリチウムイオンを吸蔵および放出する材料を含む。電気化学的にリチウムイオンを吸蔵および放出する材料としては、炭素材料、Ｓｉ含有材料などを用い得る。Ｓｉ含有材料としては、シリコン酸化物（ＳｉＯ_ｘ：０．５≦ｘ≦１．５）、シリケート相とシリケート相内に分散したシリコン粒子とを含有する複合材料などが挙げられる。

炭素材料としては、黒鉛、易黒鉛化炭素（ソフトカーボン）、難黒鉛化炭素（ハードカーボン）などが例示できる。中でも、充放電の安定性に優れ、不可逆容量が少ない黒鉛が好ましい。黒鉛とは、黒鉛型結晶構造を有する材料を意味し、天然黒鉛、人造黒鉛、黒鉛化メソフェーズカーボン粒子などが含まれる。炭素材料は、１種を単独で用いてもよく、２種以上を組み合わせて用いてもよい。

負極活物質の中でも、シリケート相とシリケート相内に分散したシリコン粒子とを含有する複合材料は、シリコン粒子の含有量を任意に選択し得るため、高容量を達成しやすい。ここで、シリケート相とは、ケイ素、酸素、アルカリ金属等を含む複合酸化物相である。以下、シリケート相がケイ素、酸素およびリチウムを含むリチウムシリケート相である複合材料を「ＬＳＸ」とも称する。ＬＳＸ中のシリコン粒子の含有量が高いほど負極容量が大きくなる。ＬＳＸは、シリコンがリチウムと合金化することによってリチウムイオンを吸蔵する。シリコン粒子の含有量を多くすることで、高容量を期待できる。リチウムシリケート相は、好ましくは、組成式がＬｉ_ｙＳｉＯ_ｚ（０＜ｙ≦８、０．５≦ｚ≦６）で表される。より好ましくは、組成式がＬｉ_２ｕＳｉＯ_２＋ｕ（０＜ｕ＜２）で表されるものを用いることができる。

リチウムシリケート相内に分散しているシリコン粒子の結晶子サイズは、例えば５ｎｍ以上である。シリコン粒子は、ケイ素（Ｓｉ）単体の粒子状の相を有する。シリコン粒子の結晶子サイズを５ｎｍ以上とする場合、シリコン粒子の表面積を小さく抑えることができるため、不可逆容量の生成を伴うシリコン粒子の劣化を生じにくい。シリコン粒子の結晶子サイズは、シリコン粒子のＸ線回折（ＸＲＤ）パターンのＳｉ（１１１）面に帰属される回析ピークの半値幅からシェラーの式により算出される。

負極活物質として、ＬＳＸと炭素材料とを組み合わせて用いてもよい。ＬＳＸは、充放電に伴って体積が膨張収縮するため、負極活物質に占めるその比率が大きくなると、充放電に伴って負極活物質と負極集電体との接触不良が生じやすい。一方、ＬＳＸと炭素材料とを併用することで、シリコン粒子の高容量を負極に付与しながら優れたサイクル特性を達成することが可能になる。ＬＳＸと炭素材料との合計に占めるＬＳＸの割合は、例えば３〜３０質量％が好ましい。これにより、高容量化とサイクル特性の向上を両立し易くなる。

負極集電体としては、金属箔、メッシュ体、ネット体、パンチングシートなどが使用される。負極集電体の材質としては、ステンレス鋼、ニッケル、ニッケル合金、銅、銅合金などが例示できる。

［正極］
正極は、例えば、正極集電体と、正極集電体の表面に形成された正極合剤層とを具備する。正極合剤層は、正極合剤を分散媒に分散させた正極スラリーを、正極集電体の表面に塗布し、乾燥させることにより形成できる。乾燥後の塗膜を、必要により圧延してもよい。正極合剤層は、正極集電体の一方の表面に形成してもよく、両方の表面に形成してもよい。

正極合剤は、正極活物質を必須成分として含み、任意成分として、結着剤、導電剤などを含むことができる。正極活物質は、電気化学的にリチウムイオンを吸蔵および放出する材料を含む。電気化学的にリチウムイオンを吸蔵および放出する材料としては、リチウムと遷移金属とを含む岩塩型結晶構造の層状化合物、リチウムと遷移金属とを含むスピネル化合物、ポリアニオン化合物などが用いられる。中でも層状化合物が好ましい。

層状化合物としては、Ｌｉ_aＣｏＯ₂、Ｌｉ_aＮｉＯ₂、Ｌｉ_aＭｎＯ₂、Ｌｉ_aＣｏ_bＮｉ_1-bＯ₂、Ｌｉ_aＣｏ_bＭ_1-bＯ_c、Ｌｉ_aＮｉ_bＭ_1-bＯ_cなどが挙げられる。中でもリチウムとニッケルとを含み、一般式：Ｌｉ_ａＮｉ_ｂＭ_1-bＯ_２で表される複合酸化物は、高容量を発現する点で好ましい。ただし、複合酸化物におけるニッケル量が多いほど、複合酸化物のアルカリ性が高くなり、ＬＦＳＩとの反応性が高まる。これに対し、電解液に硫酸ジメチルが含まれる場合、混成被膜の形成により、ＬＦＳＩの過剰反応は抑制される。

ここで、Ｍは、ＬｉおよびＮｉ以外の金属および／または半金属であり、０．９５≦ａ≦１．２、かつ０．６≦ｂ≦１を満たす。ａの数値は、完全放電状態の正極活物質における数値であり、充放電により増減する。より高容量を得る観点からは、上記一般式が０．８≦ｂ≦１を満たすことが好ましく、０．９≦ｂ＜１もしくは０．９≦ｂ≦０．９８を満たすことが更に好ましい。

Ｍは、特に限定されないが、Ｎａ、Ｍｇ、Ｓｃ、Ｙ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｐｂ、ＳｂおよびＢよりなる群から選択された少なくとも１種が好ましい。Ｍは、例えば、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｃｕ、ＺｎおよびＡｌよりなる群から選択された少なくとも１種であればよく、中でもＭｎ、ＣｏおよびＡｌよりなる群から選択された少なくとも１種を含むことが好ましい。

正極集電体としては、例えば金属箔が使用され、材質としては、例えば、ステンレス鋼、アルミニウム、アルミニウム合金、チタンなどが例示できる。

各電極の結着剤としては、樹脂材料、例えば、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）などのフッ素樹脂；ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィン樹脂；アラミド樹脂などのポリアミド樹脂；ポリイミド、ポリアミドイミドなどのポリイミド樹脂；ポリアクリル酸、ポリアクリル酸塩（例えばポリアクリル酸リチウム）、ポリアクリル酸メチル、エチレン−アクリル酸共重合体などのアクリル樹脂；ポリアクリロニトリル、ポリ酢酸ビニルなどのビニル樹脂；ポリビニルピロリドン；ポリエーテルサルフォン；スチレン−ブタジエン共重合ゴム（ＳＢＲ）などのゴム状材料などが例示できる。これらは１種を単独で用いてもよく、２種以上を組み合わせて用いてもよい。中でもアクリル樹脂は、Ｓｉ含有材料に対して高度な結着力を発揮する。

なお、Ｓｉ含有材料は充放電時の膨張収縮が大きいため、内部抵抗が増大し易く、サイクル特性も低下し易くなる。これに対し、結着剤にアクリル樹脂を用い、電解液にＬＦＳＩを含ませることにより、内部抵抗の増大およびサイクル特性の低下が大幅に抑制される。これは、アクリル樹脂を含む負極にＬＦＳＩを含む電解液を含ませる場合、アクリル樹脂の膨潤が抑制され、アクリル樹脂の高度な結着力が維持されるとともに、負極活物質粒子同士の間や負極活物質粒子と負極集電体との間での接触抵抗の増大が抑制されるためである。アクリル樹脂は、例えば負極活物質１００質量部あたり１．５質量部以下であればよく、０．４質量部以上１．５質量部以下であってもよい。

導電剤としては、アセチレンブラックなどのカーボンブラック類；炭素繊維や金属繊維などの導電性繊維類；フッ化カーボン；アルミニウムなどの金属粉末類；酸化亜鉛やチタン酸カリウムなどの導電性ウィスカー類；酸化チタンなどの導電性金属酸化物；フェニレン誘導体などの有機導電性材料などが例示できる。これらは、１種を単独で用いてもよく、２種以上を組み合わせて用いてもよい。

増粘剤としては、例えば、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）およびその変性体（Ｎａ塩などの塩も含む）、メチルセルロースなどのセルロース誘導体（セルロースエーテルなど）；ポリビニルアルコールなどの酢酸ビニルユニットを有するポリマーのケン化物；ポリエーテル（ポリエチレンオキシドなどのポリアルキレンオキサイドなど）などが挙げられる。これらは、１種を単独で用いてもよく、２種以上を組み合わせて用いてもよい。

分散媒としては、特に制限されないが、例えば、水、アルコール、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）などが例示できる。

［電解液］
電解液は、通常、リチウム塩、溶媒および添加剤を含む。電解液には、様々な添加剤が含まれ得る。電解液において、リチウム塩と溶媒との合計量は電解液の９０質量％以上、更には９５質量％以上を占めることが好ましい。

溶媒とは、環状炭酸エステル、環状カルボン酸エステル、鎖状炭酸エステルおよび鎖状カルボン酸エステルならびに２５℃で液状を呈するとともに電解液中に３質量％以上含まれる電解液成分である。溶媒は、１種以上を任意の組み合わせで用いればよい。

環状炭酸エステルとしては、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、エチレンカーボネート（ＥＣ）、フルオロエチレンカーボネート（ＦＥＣ）、ビニレンカーボネート（ＶＣ）、ビニルエチレンカーボネート（ＶＥＣ）などが挙げられる。

鎖状炭酸エステルとしては、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）などが挙げられる。

鎖状カルボン酸エステルとしては、ギ酸メチル、ギ酸エチル、酢酸メチル、酢酸エチル、プロピオン酸メチルなどが挙げられる。中でも酢酸メチルは、低粘度で安定性が高く、電池の低温特性を向上させ得る。電解液中の酢酸メチルの含有量は、例えば３質量％以上、２０質量％以下であればよい。

環状カルボン酸エステルとしては、γ−ブチロラクトン（ＧＢＬ）、γ−バレロラクトン（ＧＶＬ）などが挙げられる。

なお、２５℃で単独で固体状態を呈するポリマーは、電解液中での含有量が３質量％以上である場合にも電解液成分には含まない。このようなポリマーは、電解液をゲル化させるマトリックスとして機能する。

添加剤としては、カルボン酸、アルコール、１，３−プロパンサルトン、メチルベンゼンスルホネート、シクロヘキシルベンゼン、ビフェニル、ジフェニルエーテル、フルオロベンゼンなどが挙げられる。

電解液は、既に述べたリチウム塩に加え、更に別の塩を含み得る。別の塩としては、ＬｉＣｌＯ₄、ＬｉＡｌＣｌ₄、ＬｉＢ₁₀Ｃｌ₁₀、ＬｉＢＦ₄、ＬｉＳｂＦ₆、ＬｉＡｓＦ₆、ＬｉＣＦ₃ＳＯ₃、ＬｉＣＦ₃ＣＯ₂、ＬｉＮ（ＣＦ₃ＳＯ₂）₂、ＬｉＮ（ＣＦ₃ＳＯ₂）（Ｃ₄Ｆ₉ＳＯ₂）、ＬｉＮ（Ｃ₂Ｆ₅ＳＯ₂）₂、ＬｉＣｌ、ＬｉＢｒ、ＬｉＩなどが挙げられる。リチウム塩は、１種以上を任意の組み合わせで用いればよい。

［セパレータ］
正極と負極との間には、セパレータを介在させることが望ましい。セパレータは、イオン透過度が高く、適度な機械的強度および絶縁性を備えている。セパレータとしては、微多孔薄膜、織布、不織布などを用いることができる。セパレータの材質としては、ポリプロピレン、ポリエチレンなどのポリオレフィンが好ましい。

非水電解質二次電池の構造の一例としては、正極および負極がセパレータを介して巻回されてなる電極群と、非水電解質とが外装体に収容された構造が挙げられる。巻回型の電極群の代わりに、正極および負極がセパレータを介して積層されてなる積層型の電極群など、他の形態の電極群が適用されてもよい。非水電解質二次電池は、例えば円筒型、角型、コイン型、ボタン型、ラミネート型など、いずれの形態であってもよい。

図１は、本発明の一実施形態に係る角形の非水電解質二次電池の一部を切欠いた概略斜視図である。

電池は、有底角形の電池ケース４と、電池ケース４内に収容された電極群１および非水電解質（図示せず）とを備えている。電極群１は、長尺帯状の負極と、長尺帯状の正極と、これらの間に介在するセパレータとを有する。電極群１は、負極、正極およびセパレータは、平板状の巻芯を中心にして捲回され、巻芯を抜き取ることにより形成される。

負極の負極集電体には、負極リード３の一端が溶接などにより取り付けられている。正極の正極集電体には、正極リード２の一端が溶接などにより取り付けられている。負極リード３の他端は、ガスケット７を介して封口板５に設けられた負極端子６に電気的に接続される。正極リード２の他端は、正極端子を兼ねる電池ケース４に電気的に接続される。電極群１の上部には、電極群１と封口板５とを隔離するとともに負極リード３と電池ケース４とを隔離する樹脂製の枠体が配置されている。電池ケース４の開口部は、封口板５で封口される。

非水電解質二次電池の構造は、金属製の電池ケースを具備する円筒形、コイン形、ボタン形などでもよく、バリア層と樹脂シートとの積層体であるラミネートシート製の電池ケースを具備するラミネート型電池でもよい。

以下、本発明を実施例および比較例に基づいて具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

＜実施例１〜３および比較例１〜３＞
［ＬＳＸの調製］
二酸化ケイ素と炭酸リチウムとを原子比：Ｓｉ／Ｌｉが１．０５となるように混合し、混合物を９５０℃空気中で１０時間焼成することにより、式：Ｌｉ₂Ｓｉ₂Ｏ₅（ｕ＝０．５）で表わされるリチウムシリケートを得た。得られたリチウムシリケートは平均粒径１０μｍになるように粉砕した。

平均粒径１０μｍのリチウムシリケート（Ｌｉ₂Ｓｉ₂Ｏ₅）と、原料シリコン（３Ｎ、平均粒径１０μｍ）とを、４５：５５の質量比で混合した。混合物を遊星ボールミル（フリッチュ社製、Ｐ−５）のポット（ＳＵＳ製、容積：５００ｍＬ）に充填し、ポットにＳＵＳ製ボール（直径２０ｍｍ）を２４個入れて蓋を閉め、不活性雰囲気中で、２００ｒｐｍで混合物を５０時間粉砕処理した。

次に、不活性雰囲気中で粉末状の混合物を取り出し、不活性雰囲気中、ホットプレス機による圧力を印加した状態で、８００℃で４時間焼成して、混合物の焼結体（ＬＳＸ）を得た。

その後、ＬＳＸを粉砕し、４０μｍのメッシュに通した後、得られたＬＳＸ粒子を石炭ピッチ（ＪＦＥケミカル株式会社製、ＭＣＰ２５０）と混合し、混合物を不活性雰囲気で、８００℃で焼成し、ＬＳＸ粒子の表面を導電性炭素で被覆して導電層を形成した。導電層の被覆量は、ＬＳＸ粒子と導電層との総質量に対して５質量％とした。その後、篩を用いて、導電層を有する平均粒径５μｍのＬＳＸ粒子を得た。

［負極の作製］
導電層を有するＬＳＸ粒子と黒鉛とを３：９７の質量比で混合し、負極活物質として用いた。負極活物質と、ポリアクリル酸リチウムと、スチレン−ブタジエンゴム（ＳＢＲ）とを、９７．５：１：１．５の質量比で混合し、水を添加した後、混合機（プライミクス社製、Ｔ．Ｋ．ハイビスミックス）を用いて攪拌し、負極スラリーを調製した。次に、銅箔の表面に負極スラリーを塗布し、塗膜を乾燥させた後、圧延して、銅箔の両面に、密度１．５ｇ／ｃｍ³の負極合剤層が形成された負極を作製した。

［正極の作製］
リチウムニッケル複合酸化物（ＬｉＮｉ_０．８Ｃｏ_０．１８Ａｌ_０．０２Ｏ_２）と、アセチレンブラックと、ポリフッ化ビニリデンとを、９５：２．５：２．５の質量比で混合し、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）を添加した後、混合機（プライミクス社製、Ｔ．Ｋ．ハイビスミックス）を用いて攪拌し、正極スラリーを調製した。次に、アルミニウム箔の表面に正極スラリーを塗布し、塗膜を乾燥させた後、圧延して、アルミニウム箔の両面に、密度３．６ｇ／ｃｍ³の正極合剤層が形成された正極を作製した。

［非水電解液の調製］
溶媒には、エチレンカーボネート（ＥＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）および酢酸メチル（ＭＡ）を２０：７０：１０の体積比で含む混合溶媒を用いた。混合溶媒には、表１に示す割合でＬＦＳＩとＬｉＰＦ₆とを溶解させた。また、電解液に表１に示す含有量の硫酸ジメチルを含ませるとともに、ジフルオロリン酸リチウムおよびフルオロスルホン酸リチウムをそれぞれ１質量％ずつ含ませた。

［非水電解質二次電池の作製］
各電極にタブをそれぞれ取り付け、タブが最外周部に位置するように、セパレータを介して正極および負極を渦巻き状に巻回することにより電極群を作製した。電極群をアルミニウムラミネートフィルム製の外装体内に挿入し、１０５℃で２時間真空乾燥した後、非水電解液を注入し、外装体の開口部を封止して、実施例１〜３の電池Ａ１〜Ａ３と、比較例１〜３の電池Ｂ１〜Ｂ３を得た。

［評価］
作製後の各電池について、２５℃の環境下で、０．３Ｉｔ（１６２０ｍＡ）の電流で電圧が４．２Ｖになるまで定電流充電を行い、その後、４．２Ｖの定電圧で電流が０．０５Ｉｔになるまで定電圧充電した。２０分の休止の後、０．５Ｉｔの電流で電圧が２．５Ｖになるまで定電流放電した。この充放電を２回繰り返した。その後、０．３Ｉｔ（１６２０ｍＡ）の電流で電圧が３．７４８Ｖになるまで定電流充電を行い、その後３．７４８Ｖの定電圧で電流が１０ｍＡになるまで定電圧充電を行い、電池の充電状態（ＳＯＣ）を５０％に設定した。

次に、２５℃の環境下で１０ｍＶの交流電圧振幅を印加することにより、電池のインピーダンスを測定した。表１には、電池Ａ１のインピーダンスを１としたときの電池Ａ２〜Ａ３、Ｂ１〜Ｂ３のインピーダンスの相対値を示す。

その後、電池を取り出して分解し、電解液の成分をガスクロマトグラフィー質量分析法（ＧＣＭＳ）により分析したところ、電池Ａ１〜Ａ３の電解液中にはＬｉＰＦ₆が仕込み量とほぼ同量含まれ、ＬＦＳＩ、ジフルオロリン酸リチウムおよびフルオロスルホン酸リチウムおよび硫酸ジメチルが存在することも確認された。

電解液の分析に用いたＧＣＭＳの測定条件は以下の通りである。

装置：島津製作所製、ＧＣ１７Ａ、ＧＣＭＳ−ＱＰ５０５０Ａ
カラム：アジレントテクノロジー社製、ＨＰ−１（膜厚１．０μｍ×長さ６０ｍ）
カラム温度：５０℃→１１０℃（５℃/min,12min hold）→２５０℃（５℃/min,７min hold）→３００℃（１０℃/min,20min hold）
スプリット比：１／５０
線速度：２９．２ｃｍ／ｓ
注入口温度：２７０℃
注入量：０．５μＬ
インターフェース温度：２３０℃
質量範囲：ｍ／ｚ＝６０〜１００（ＳＣＡＮモード）

＜実施例４〜６＞
ジフルオロリン酸リチウムおよびフルオロスルホン酸リチウムの量を表１に示すように変化させたこと以外、実施例１と同様に電解液を調製し、実施例４〜６の電池Ａ４〜Ａ６を作製し、上記と同様に評価した。表２に、電池Ａ６のインピーダンスを１としたときの電池Ａ１、Ａ４、Ａ５のインピーダンスの相対値を示す。

＜比較例４＞
電解液の調製において、ＬＦＳＩを用いず、その代わりに、リチウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド（ＬＴＦＳＩ）を用いたこと以外、実施例１と同様に比較例４の電池Ｂ４を作製し、同様に評価した。表３に、電池Ａ１のインピーダンスを１としたときの電池Ｂ４のインピーダンスの相対値を示す。

＜実施例７＞
負極の作製において、ＬＳＸを用いず、黒鉛と、カルボキシメチルセルロースと、スチレン−ブタジエンゴム（ＳＢＲ）とを、９７．５：１：１．５の質量比で混合して負極スラリーを調製したこと以外、実施例１と同様に実施例７の電池Ａ７を作製し、同様に評価した。表３に、電池Ａ１のインピーダンスを１としたときの電池Ａ７のインピーダンスの相対値を示す。

なお、電池Ａ７のインピーダンスが電池Ａ１よりも大きくなる理由は、負極がＬＳＸを含まない場合、負極がＬＳＸを含む場合に比べて、負極表面に形成される混成被膜が厚くなるためと考えられる。負極がＬＳＸを含む場合、充放電時にＬＳＸの膨張収縮により新生面が形成されるため、硫酸ジメチル由来の電子伝導性に富む被膜が形成されやすく、ＬＳＸを含まない場合よりも被膜が厚くなりにくいものと推測される。

本発明によれば、初期インピーダンスの小さい非水電解質二次電池を提供することができる。本発明に係る非水電解質二次電池は、移動体通信機器、携帯電子機器などの主電源に有用である。

１電極群
２正極リード
３負極リード
４電池ケース
５封口板
６負極端子
７ガスケット

Claims

正極、負極および電解液を有し、
前記電解液が、リチウムビス（フルオロスルホニル）イミドおよび硫酸ジメチルを含む、非水電解質二次電池。
前記電解液が、更にヘキサフルオロリン酸リチウムを含み、
前記リチウムビス（フルオロスルホニル）イミドと前記ヘキサフルオロリン酸リチウムとの合計に対する前記リチウムビス（フルオロスルホニル）イミドの割合が、５質量％以上５０質量％以下である、請求項１に記載の非水電解質二次電池。
前記電解液が、更にジフルオロリン酸リチウムを含み、
前記電解液の質量に対して前記ジフルオロリン酸リチウムの含有量が、２質量％以下である、請求項１または２に記載の非水電解質二次電池。
前記電解液における前記リチウムビス（フルオロスルホニル）イミドと前記ヘキサフルオロリン酸リチウムとの合計の濃度が、１ｍｏｌ／リットル以上２ｍｏｌ／リットル以下である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の非水電解質二次電池。
前記電解液が、更にフルオロスルホン酸リチウムを含み、
前記電解液の質量に対して前記フルオロスルホン酸リチウムの含有量が、２質量％以下である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の非水電解質二次電池。
前記負極が、シリケート相と、前記シリケート相内に分散したシリコン粒子と、を含む、請求項１〜５のいずれか１項に記載の非水電解質二次電池。
リチウムビス（フルオロスルホニル）イミドおよび硫酸ジメチルを含む、非水電解質二次電池用電解液。