WO2016080063A1 - 非水電解液電池用電解液及びリチウム非水電解液電池 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の非水電解液電池用電解液は、リン含有酸性化合物(以降、単に「酸性化合物と記載することがある」)と、ジフルオロリン酸塩と、溶質及びこれを溶解する非水有機溶媒を含有する。
本発明の非水電解液電池用電解液に用いるリン含有酸性化合物は、HPF6、HPO2F2、H2PO3F、H3PO4から選ばれる少なくとも1つの化合物が好ましく、酸性化合物の含有量は、非水電解液電池用電解液に対して10質量ppm以上、好ましくは30質量ppm以上、さらに好ましくは50質量ppm以上であり、また、1000質量ppm以下、好ましくは800質量ppm以下、さらに好ましくは500質量ppm以下の範囲である。10質量ppmを下回ると高温環境下におけるサイクル特性向上の効果が十分に得られない場合があり、1000質量ppmを越えると、正極活物質等の電池材料を劣化させ、サイクル特性に悪影響がでる場合がある。また、フッ化水素は正極活物質等の電池材料を著しく劣化させるため好ましくなく、本発明の非水電解液中には実質的にフッ化水素が含有されない。実質的に含有されないとは、非水電解液中のフッ化水素の濃度が、10質量ppm未満であることを意味し、好ましくは8質量ppm未満であり、より好ましくは5質量ppm未満である。
非水電解液電池用電解液に酸性化合物を含有させるには、酸性化合物を非水電解液電池用電解液に直接加えても良い。また、HPF6、HPO2F2、H2PO3F、H3PO4から選ばれる少なくとも1つの化合物を含有させる場合には、直接加えても良いが、LiPF6を含む非水有機溶媒に、微量の水分(例えば、1~1000質量ppmの水分)を加えることにより、LiPF6を加水分解させてリン含有酸性化合物を生成させた非水有機溶媒を、非水電解液電池用電解液に加えても良い。この場合、フッ化水素も生成するため、非水電解液電池用電解液に加える前に、LiPF6を加水分解させてリン含有酸性化合物を生成させた非水有機溶媒からフッ化水素を脱気等により除去する必要がある。
中和滴定により、非水電解液電池用電解液中の全遊離酸量を測定することができる。19F-NMRで非水電解液電池用電解液中のHFを定量し、全遊離酸量から引き算することで、HF以外の酸性化合物含有量を定量することができる。
また、HPO2F2、H2PO3Fは19F-NMRでそれぞれ定量することができる。本件特許の出願前に刊行された種々の文献に記載されるHF、HPO2F2、H2PO3Fの19F-NMRの値(ppm)が、以下のとおり示されており、各物質のNMRピークの面積から、各物質の含有量を定量することができる。
HF:-201.0
HPO2F2:-86.2、-86.0、-85.6
H2PO3F:-74.3、-74.0
また、HPO2F2、H2PO3F、H3PO4についてはイオンクロマトグラフィーを用いて、非水電解液電池用電解液中に含まれるそれぞれのアニオンの含有量を測定することで定量することができる。
ジフルオロリン酸塩としては、ジフルオロリン酸のリチウム塩、ナトリウム塩、カリウム塩、四級アルキルアンモニウム塩が挙げられる。四級アルキルアンモニウムイオンとしては、特に限定はされないが、例えばトリメチルプロピルアンモニウムイオンや、1-ブチル-1-メチルピロリジニウムイオンが挙げられる。中でも、リチウム非水電解質電池に用いる際には、ジフルオロリン酸リチウムを用いることが好ましい。
電解液にジフルオロリン酸塩を含有すると、初充放電時に電極表面でジフルオロリン酸塩と電解液溶媒が電極と反応し、ジフルオロリン酸塩と溶媒の分解物が電極に皮膜を形成するため、膜形成後の電解液溶媒の反応が抑制され、サイクル特性が向上することが知られている。
ここで、特定量の酸性化合物を共存させると、ジフルオロリン酸塩と電極の反応を促進することにより、ジフルオロリン酸塩を単独で含有したときよりも、高温環境下で劣化しにくい良質な皮膜が電極に形成されていると考えられる。ここで、酸性化合物としてHFを共存させると、正極活物質等の電池材料を著しく劣化させるため好ましくない。
本発明の非水電解液電池用電解液に用いる溶質は、少なくともヘキサフルオロリン酸リチウム(LiPF6)が用いられるが、必要に応じて他のリチウム塩を本発明の効果を損なわない範囲で、任意の量で含有させることができる。他のリチウム塩の具体例としては、LiBF4、LiClO4、LiAsF6、LiSbF6、LiCF3SO3、LiN(SO2CF3)2、LiN(SO2C2F5)2、LiN(SO2CF3)(SO2C4F9)、LiC(SO2CF3)3、LiPF3(C3F7)3、LiB(CF3)4、LiBF3(C2F5)等が挙げられる。これらの溶質は、LiPF6に加えて、一種類を単独で用いても良く、二種類以上を用途に合わせて任意の組合せ、比率で混合して用いても良い。
非水有機溶媒としては、本発明のイオン性錯体を溶解できる非プロトン性の溶媒であれば特に限定されるものではなく、例えば、カーボネート類、エステル類、エーテル類、ラクトン類、ニトリル類、イミド類、スルホン類等が使用できる。また、単一の溶媒だけでなく、二種類以上の混合溶媒でもよい。具体例としては、エチルメチルカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルプロピルカーボネート、エチルプロピルカーボネート、メチルブチルカーボネート、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、酢酸メチル、酢酸エチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、ジエチルエーテル、アセトニトリル、プロピオニトリル、テトラヒドロフラン、2-メチルテトラヒドロフラン、フラン、テトラヒドロピラン、1,3-ジオキサン、1,4-ジオキサン、ジブチルエーテル、ジイソプロピルエーテル、1,2-ジメトキシエタン、N,N-ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、スルホラン、γ-ブチロラクトン、及びγ-バレロラクトン等を挙げることができる。
本発明の非水電解液電池用電解液は、特定量の酸性化合物と、ジフルオロリン酸塩、及び溶質を含有するが、本発明の要旨を損なわない限りにおいて、本発明の非水電解液電池用電解液に一般に用いられるその他の添加剤を任意の比率で添加しても良い。具体例としては、初回の充電時に還元されて負極の表面上に皮膜を形成することのできる負極皮膜形成添加剤、初回の充電時に正極上に皮膜を形成して保護する正極保護添加剤、過充電時に還元されて反応をストップする過充電防止添加剤などが挙げられる。
次に本発明のリチウム非水電解液電池の構成について説明する。本発明のリチウム非水電解液電池は、上記の本発明の非水電解液電池用電解液を用いることが特徴であり、その他の構成部材には一般のリチウム非水電解液電池に使用されているものが用いられる。即ち、リチウムの吸蔵及び放出が可能な正極及び負極、集電体、セパレーター、容器等から成る。
エチレンカーボネートとエチルメチルカーボネートの体積比1:2の混合溶媒中に溶質としてLiPF6が1.2mol/L、ジフルオロリン酸リチウムが1.0質量%、酸性化合物としてHPF6が20質量ppm含有されるように非水電解液電池用電解液を調製した。ここで、HPF6は60質量%のエチルメチルカーボネート溶液を用いた。19F-NMRで、この電解液中のフッ化水素の濃度が10質量ppm未満であることを確認した。なお、後述の実施例2~24、比較例1~4、比較例6~16においても同様にHF濃度が10質量ppm未満であることを確認した。
この電解液を用いてLiCoO2を正極材料、黒鉛を負極材料としてセルを作製し、実際に電池の充放電試験を実施した。試験用セルは以下のように作製した。
LiCoO2粉末90重量部に、バインダーとして5重量部のポリフッ化ビニリデン(PVDF)、導電材としてアセチレンブラックを5重量部混合し、さらにN-メチルピロリドンを添加し、ペースト状にした。このペーストをアルミニウム箔上に塗布して、乾燥させることにより、試験用正極体とした。また、黒鉛粉末90重量部に、バインダーとして10重量部のポリフッ化ビニリデン(PVDF)を混合し、さらにN-メチルピロリドンを添加し、スラリー状にした。このスラリーを銅箔上に塗布して、150℃で12時間乾燥させることにより、試験用負極体とした。そして、セルロース系セパレーターに電解液を浸み込ませて、CR2032型のコインセルに組み込んで、試験用1.6mAhセルを組み立てた。
以上のような方法で作製したセルを用いて80℃の環境温度で充放電試験を実施した。充放電レートは3Cで行い、充電は、4.2Vに達した後、1時間4.2Vを維持、放電は、3.0Vまで行い、充放電サイクルを繰り返した。そして、500サイクル後の放電容量維持率でセルの劣化の具合を評価した。容量維持率は初期の放電容量に対する500サイクル後の放電容量の百分率で表される。
前記実施例1においてHPF6濃度を200質量ppmにしたこと以外は同様にして充放電試験を実施した。
前記実施例1においてHPF6濃度を900質量ppmにしたこと以外は同様にして充放電試験を実施した。
前記実施例1において酸性化合物をHPO2F2にしたこと以外は同様にして充放電試験を実施した。
前記実施例1において酸性化合物をHPO2F2にしたこと、濃度を200質量ppmにしたこと以外は同様にして充放電試験を実施した。
前記実施例1において酸性化合物をHPO2F2にしたこと、濃度を900質量ppmにしたこと以外は同様にして充放電試験を実施した。
前記実施例1において酸性化合物をH2PO3Fにしたこと以外は同様にして充放電試験を実施した。
前記実施例1において酸性化合物をH2PO3Fにしたこと、濃度を200質量ppmにしたこと以外は同様にして充放電試験を実施した。
前記実施例1において酸性化合物をH2PO3Fにしたこと、濃度を900質量ppmにしたこと以外は同様にして充放電試験を実施した。
前記実施例1において酸性化合物をH3PO4にしたこと以外は同様にして充放電試験を実施した。
前記実施例1において酸性化合物をH3PO4にしたこと、濃度を200質量ppmにしたこと以外は同様にして充放電試験を実施した。
前記実施例1において酸性化合物をH3PO4にしたこと、濃度を900質量ppmにしたこと以外は同様にして充放電試験を実施した。
前記実施例1においてさらにジフルオロビス(オキサラト)リン酸リチウムを0.5質量%添加し、酸性化合物であるHPF6の濃度を200質量ppmにしたこと以外は同様にして充放電試験を実施した。
前記実施例1においてさらにジフルオロ(オキサラト)ホウ酸リチウムを1質量%添加し、酸性化合物であるHPF6の濃度を200質量ppmにしたこと以外は同様にして充放電試験を実施した。
前記実施例1においてジフルオロリン酸リチウム濃度を0.5質量%とし、さらにビス(オキサラト)ホウ酸リチウムを0.03質量%添加したこと、酸性化合物であるHPF6の濃度を200質量ppmにしたこと以外は同様にして充放電試験を実施した。
前記実施例1においてジフルオロリン酸リチウム濃度を0.5質量%とし、さらにトリス(オキサラト)リン酸リチウムを0.05質量%添加したこと、酸性化合物であるHPF6の濃度を200質量ppmにしたこと以外は同様にして充放電試験を実施した。
前記実施例1においてさらにテトラフルオロ(オキサラト)リン酸リチウムを0.5質量%添加し、酸性化合物であるHPF6の濃度を200質量ppmにしたこと以外は同様にして充放電試験を実施した。
前記実施例1においてさらにビニレンカーボネートを1質量%添加し、酸性化合物であるHPF6の濃度を200質量ppmにしたこと以外は同様にして充放電試験を実施した。
前記実施例1においてさらにtert-アミルベンゼンを1質量%添加し、酸性化合物であるHPF6の濃度を200質量ppmにしたこと以外は同様にして充放電試験を実施した。
前記実施例1においてさらに1,3-プロペンスルトンを1質量%添加し、酸性化合物であるHPF6の濃度を200質量ppmにしたこと以外は同様にして充放電試験を実施した。
前記実施例1においてさらにメチレンメタンジスルホネートを1質量%添加し、酸性化合物であるHPF6の濃度を200質量ppmにしたこと以外は同様にして充放電試験を実施した。
前記実施例1においてジフルオロリン酸リチウム濃度を0.01質量%とし、酸性化合物であるHPF6の濃度を200質量ppmにしたこと以外は同様にして充放電試験を実施した。
前記実施例1においてジフルオロリン酸リチウム濃度を10質量%とし、酸性化合物であるHPF6の濃度を200質量ppmにしたこと以外は同様にして充放電試験を実施した。
30質量%のLiPF6を含むエチルメチルカーボネート溶液に水分を100質量ppm添加して、室温で1日放置した。その後、室温で、圧力を絶対圧で0.06~0.08MPaに減圧した状態で5時間維持し、HFを除去した。このLiPF6溶液を用いて、エチレンカーボネートとエチルメチルカーボネートの体積比1:2の混合溶媒中に溶質としてLiPF6が1.2mol/L、ジフルオロリン酸リチウムが1.0質量%となるように電解液を調製した。この電解液に含まれる全遊離酸量を中和滴定により測定したところ、HPF6に換算して213質量ppmであった。また、19F-NMRでフッ化水素の濃度を測定したところ3質量ppmであった。このことから、この電解液に含まれる、LiPF6の加水分解により生じたリン含有酸性化合物はHPF6に換算して191質量ppmであった。この電解液を用いた以外は前記実施例1と同様にして充放電試験を実施した。
前記実施例1においてジフルオロリン酸リチウムを電解液に加えなかったこと、酸性化合物であるHPF6を電解液に加えなかったこと以外は同様にして充放電試験を実施した。
前記実施例1においてジフルオロリン酸リチウムを電解液に加えなかったこと、酸性化合物であるHPF6の濃度を200質量ppmにしたこと以外は同様にして充放電試験を実施した。
前記実施例1において酸性化合物であるHPF6を電解液に加えなかったこと以外は同様にして充放電試験を実施した。
前記実施例1において酸性化合物であるHPF6の濃度を1200質量ppmにしたこと以外は同様にして充放電試験を実施した。
前記実施例1において、HPF6の代わりにHFを濃度100質量ppmとなるように添加したこと以外は同様にして充放電試験を実施した。
前記実施例13において酸性化合物であるHPF6を電解液に加えなかったこと以外は同様にして充放電試験を実施した。
前記実施例14において酸性化合物であるHPF6を電解液に加えなかったこと以外は同様にして充放電試験を実施した。
前記実施例15において酸性化合物であるHPF6を電解液に加えなかったこと以外は同様にして充放電試験を実施した。
前記実施例16において酸性化合物であるHPF6を電解液に加えなかったこと以外は同様にして充放電試験を実施した。
前記実施例17において酸性化合物であるHPF6を電解液に加えなかったこと以外は同様にして充放電試験を実施した。
前記実施例18において酸性化合物であるHPF6を電解液に加えなかったこと以外は同様にして充放電試験を実施した。
前記実施例19において酸性化合物であるHPF6を電解液に加えなかったこと以外は同様にして充放電試験を実施した。
前記実施例20において酸性化合物であるHPF6を電解液に加えなかったこと以外は同様にして充放電試験を実施した。
前記実施例21において酸性化合物であるHPF6を電解液に加えなかったこと以外は同様にして充放電試験を実施した。
前記実施例22において酸性化合物であるHPF6を電解液に加えなかったこと以外は同様にして充放電試験を実施した。
前記実施例23において酸性化合物であるHPF6を電解液に加えなかったこと以外は同様にして充放電試験を実施した。
Claims (5)
- 非水有機溶媒と、溶質として少なくともヘキサフルオロリン酸リチウムを含有する非水電解液電池用電解液において、
リン含有酸性化合物を、非水電解液電池用電解液中に10~1000質量ppm含有し、さらにジフルオロリン酸塩を0.01~10.0質量%含有することを特徴とする非水電解液電池用電解液。 - 前記リン含有酸性化合物が、HPF6、HPO2F2、H2PO3F、H3PO4からなる群より選ばれる少なくとも1つの化合物であることを特徴とする請求項1に記載の非水電解液電池用電解液。
- 前記非水電解液電池用電解液中のフッ化水素の含有量が10質量ppm未満であることを特徴とする請求項1または2に記載の非水電解液電池用電解液。
- さらに、前記非水電解液電池用電解液中に、
負極皮膜形成添加剤として、ジフルオロビス(オキサラト)リン酸リチウム、ジフルオロ(オキサラト)ホウ酸リチウム、トリス(オキサラト)リン酸リチウム、テトラフルオロ(オキサラト)リン酸リチウム、ジフルオロビス(オキサラト)リン酸ナトリウム、ジフルオロビス(オキサラト)リン酸カリウム、ビニレンカーボネート、ビニルエチレンカーボネート、エチニルエチレンカーボネート、フルオロエチレンカーボネート、ジメチルビニレンカーボネートから選ばれる少なくとも一つの化合物、
正極保護添加剤として、プロパンスルトン、1,3-プロペンスルトン、メチレンメタンジスルホネート、ジメチレンメタンジスルホネート、トリメチレンメタンジスルホネートから選ばれる少なくとも一つの化合物、
過充電防止添加剤として、シクロヘキシルベンゼン、tert-ブチルベンゼン、tert-アミルベンゼン、ビフェニル、o-ターフェニル、4-フルオロビフェニル、フルオロベンゼン、2,4-ジフルオロベンゼン、ジフルオロアニソールから選ばれる少なくとも一つの化合物、
からなる群より選ばれる少なくとも一つの化合物を含有することを特徴とする請求項1~3のいずれか1項に記載の非水電解液電池用電解液。 - 少なくとも正極と、負極と、請求項1~4のいずれか1項に記載の非水電解液電池用電解液と、を備えることを特徴とするリチウム非水電解液電池。
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