特許第6222389号(P6222389)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2022.1.31 β版

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特許6222389非水電解液およびそれを用いた非水電解液電池
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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B1)
(11)【特許番号】6222389
(24)【登録日】2017年10月13日
(45)【発行日】2017年11月1日
(54)【発明の名称】非水電解液およびそれを用いた非水電解液電池
(51)【国際特許分類】
   H01M 10/0567 20100101AFI20171023BHJP
   H01M 10/0569 20100101ALI20171023BHJP
   H01M 10/052 20100101ALI20171023BHJP
【FI】
   H01M10/0567
   H01M10/0569
   H01M10/052
【請求項の数】6
【全頁数】12
(21)【出願番号】特願2017-27765(P2017-27765)
(22)【出願日】2017年2月17日
【審査請求日】2017年2月17日
【早期審査対象出願】
(73)【特許権者】
【識別番号】000003067
【氏名又は名称】TDK株式会社
(72)【発明者】
【氏名】長谷川 智彦
【審査官】 青木 千歌子
(56)【参考文献】
【文献】 国際公開第2006/070546(WO,A1)
【文献】 国際公開第2008/001955(WO,A1)
【文献】 特開2011−124123(JP,A)
【文献】 特開2011−119183(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H01M 10/05−10/0587
H01M 6/16
CAplus/REGISTRY(STN)
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
環状カーボネートおよび鎖状カーボネートからなる溶媒を含有する電解液と、
下記化学式(1)で表される添加剤(A)と、
モノフルオロリン酸塩またはジフルオロリン酸塩から選択される添加剤(B)を含むことを特徴とするリチウムイオン二次電池用非水電解液。
【化1】
(ここで、R〜Rは、それぞれ独立して、水素、炭素数1〜3のアルキル基、ハロゲン、炭素数1〜3のハロゲン元素を含んでもよいアルキル基、シクロアルキル基またはアルケニル基のいずれかであり、nは1〜3の整数である。)
【請求項2】
前記添加剤(A)が3−メチル−2,5−ジオキサ−6−オキソノナン酸エチルまたは3−メチル−2,5−ジオキサ−6−オキソノナン酸メチルであることを特徴とする請求項1に記載のリチウムイオン二次電池用非水電解液。
【請求項3】
前記添加剤(A)が、前記電解液中に1×10−4〜3×10−2mol/L含まれることを特徴とする請求項1または2に記載のリチウムイオン二次電池用非水電解液。
【請求項4】
前記添加剤(B)が、前記電解液中に1×10−3〜3×10−1mol/L含まれることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池用非水電解液。
【請求項5】
前記添加剤(B)がジフルオロリン酸リチウムであることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池用非水電解液。
【請求項6】
請求項1乃至5のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池用非水電解液を有する、リチウムイオン二次電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、非水電解液およびそれを用いた非水電解液電池に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、移動体通信機器、携帯電子機器の主電源として利用されているリチウムイオン二次電池は、起電力が高く、高エネルギー密度であるという特長を有している。
【0003】
リチウムイオン二次電池用の電解液は、電解質であるリチウム塩と非水系の有機溶媒とから構成される。非水系の有機溶媒は、リチウム塩を解離させるために高い誘電率を有すること、広い温度領域で高いイオン伝導度を発現させること、及び電池中で安定であることが要求される。これらの要求を一つの溶媒で達成することは困難であるので、通常はプロピレンカーボネート、エチレンカーボネート等に代表される高沸点溶媒と、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート等の低沸点溶媒とを組み合わせて使用している。
【0004】
また、初期容量、レート特性、サイクル特性、高温保存特性、連続充電特性、自己放電特性、過充電防止特性等、種々の電池特性を改善するために、添加剤を電解液に添加することも数多く検討されてきた。例えば、高温下での自己放電を抑制する方法として、フルオロリン酸リチウム類を添加することが報告されている。(特許文献1)
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開平11−67270号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかしながら、従来技術の方法では未だ諸特性は満足されず、特に低温サイクル特性の改善が求められている。
【0007】
本発明者らは鋭意研究の結果、低温充電時に負極上でリチウムが析出し、デッドリチウムとなってしまうことで低温サイクル特性が悪化していることを見出した。
【0008】
本発明は上記従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、低温サイクル特性を改善することが可能な非水電解液およびそれを用いた非水電解液電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0009】
上記課題を解決するため、本発明に係る非水電解液は、環状カーボネートおよび鎖状カーボネートからなる溶媒を含有する電解液と、下記化学式(1)で表される添加剤(A)と、モノフルオロリン酸塩またはジフルオロリン酸塩から選択される添加剤(B)を含むことを特徴とする。
(ここで、R〜Rは、それぞれ独立して、水素、炭素数1〜3のアルキル基、ハロゲン、炭素数1〜3のハロゲン元素を含んでもよいアルキル基、シクロアルキル基またはアルケニル基のいずれかであり、nは1〜3の整数である。)
【0010】
【化1】
【0011】
これによれば、電解液中に上記添加剤(A)および(B)を含むことで、低温サイクル特性を改善することができる。
【0012】
こうした効果が発現する要因について詳細は明らかではないが、以下のように考えられる。すなわち、添加剤(A)は分子中に酸素原子を多く含有することに加え、分解時にカルボン酸残渣を生成するので、ドナー性の高く、リチウムトラップ性の高いSEI皮膜を負極上に形成する。更に、添加剤(B)が協奏的に分解することでSEI皮膜のリチウムイオン伝導性が向上する。これにより、低温駆動時においても、負極上でのリチウムイオンの脱溶媒和が速やかに行われ、負極上でのLiデンドライド析出が抑制され、低温サイクル特性が改善する。
【0013】
本発明に係る非水電解液はさらに、上記添加剤(A)が3−メチル−2,5−ジオキサ−6−オキソノナン酸エチルまたは3−メチル−2,5−ジオキサ−6−オキソノナン酸メチルであることが好ましい。
【0014】
これによれば、添加剤(A)として好適であり、低温サイクル特性がさらに改善する。
【0015】
本発明に係る非水電解液はさらに、上記添加剤(A)が電解液中に1×10−4〜3×10−2mol/L含まれることが好ましい。
【0016】
これによれば、添加量として好適であり、低温サイクル特性がさらに改善する。
【0017】
本発明に係る非水電解液はさらに、上記添加剤(B)が、電解液中に1×10−3〜3×10−1mol/L含まれることが好ましい。
【0018】
これによれば、添加量として好適であり、低温サイクル特性がさらに改善する。
【0019】
本発明に係る非水電解液はさらに、上記添加剤(B)がジフルオロリン酸リチウムであることが好ましい。
【0020】
これによれば、添加剤としてより好適であり、低温サイクル特性がさらに改善する。
【発明の効果】
【0021】
本発明によれば、低温サイクル特性を改善することが可能な非水電解液およびそれを用いた非水電解液電池が提供される。
【図面の簡単な説明】
【0022】
図1】本実施形態のリチウムイオン二次電池の模式断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0023】
以下、図面を参照しながら本発明に係る好適な実施形態について説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。また以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれる。さらに以下に記載した構成要素は、適宜組み合わせることができる。
【0024】
<リチウムイオン二次電池>
図1に示すように、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池100は、互いに対向する板状の負極20及び板状の正極10と、負極20と正極10との間に隣接して配置される板状のセパレータ18と、を備える積層体30と、リチウムイオンを含む非水電解液と、これらを密閉した状態で収容するケース50と、負極20に一方の端部が電気的に接続されると共に他方の端部がケースの外部に突出されるリード62と、正極10に一方の端部が電気的に接続されると共に他方の端部がケースの外部に突出されるリード60とを備える。
【0025】
正極10は、正極集電体12と、正極集電体12上に形成された正極活物質層14と、を有する。また、負極20は、負極集電体22と、負極集電体22上に形成された負極活物質層24と、を有する。セパレータ18は、負極活物質層24と正極活物質層14との間に位置している。
【0026】
<正極>
(正極集電体)
正極集電体12は、導電性の板材であればよく、例えば、アルミニウム又はそれらの合金、ステンレス等の金属薄板(金属箔)を用いることができる。
【0027】
(正極活物質層)
正極活物質層14は、正極活物質、正極用バインダー、正極用導電助剤、および正極用添加剤から主に構成されるものである。
【0028】
(正極活物質)
正極活物質としては、リチウムイオンの吸蔵及び放出、リチウムイオンの脱離及び挿入(インターカレーション)、又は、該リチウムイオンのカウンターアニオン(例えば、PF)のドープ及び脱ドープを可逆的に進行させることが可能であれば特に限定されず、公知の電極活物質を使用できる。例えば、コバルト酸リチウム(LiCoO)、ニッケル酸リチウム(LiNiO)、リチウムマンガンスピネル(LiMn)、及び、化学式:LiNiCoMnMaO(x+y+z+a=1、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、0≦a≦1、MはAl、Mg、Nb、Ti、Cu、Zn、Crより選ばれる1種類以上の元素)で表される複合金属酸化物、リチウムバナジウム化合物Li(M)(PO(ただし、M=VOまたはV、かつ、0.9≦a≦3.3、0.9≦b≦2.2、0.9≦c≦3.3)、オリビン型LiMPO(ただし、Mは、Co、Ni、Mn、Fe、Mg、Nb、Ti、Al、Zrより選ばれる1種類以上の元素又はVOを示す)、チタン酸リチウム(LiTi12)、LiNiCoAl(0.9<x+y+z<1.1)等の複合金属酸化物が挙げられる。
【0029】
上記正極活物質のうち、特にリチウムバナジウム化合物を用いた場合、低温サイクル特性が効果的に改善する。上記作用の正確なメカニズムはいまだ不明であるが、正極活物質から溶出したバナジウムイオンが負極上に運ばれ、皮膜形成に有為な作用を及ぼしていると考えられる。
【0030】
(正極用バインダー)
正極用バインダーとしては、正極活物質同士を結合すると共に、正極活物質層14と正極用集電体12とを結合している。バインダーは、上述の結合が可能なものであればよく、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等のフッ素樹脂や、セルロース、スチレン・ブタジエンゴム、エチレン・プロピレンゴム、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂等を用いてもよい。また、バインダーとして電子伝導性の導電性高分子やイオン伝導性の導電性高分子を用いてもよい。電子伝導性の導電性高分子としては、例えば、ポリアセチレン、ポリチオフェン、ポリアニリン等が挙げられる。イオン伝導性の導電性高分子としては、例えば、ポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシド等のポリエーテル系高分子化合物と、LiClO、LiBF、LiPF等のリチウム塩とを複合化させたもの等が挙げられる。
【0031】
正極活物質層14中のバインダーの含有量は特に限定されないが、添加する場合には正極活物質の質量に対して0.5〜5質量部であることが好ましい。
【0032】
(正極用導電助剤)
正極用導電助剤としては、正極活物質層14の導電性を良好にするものであれば特に限定されず、公知の導電助剤を使用できる。例えば、黒鉛、カーボンブラック等の炭素系材料や、銅、ニッケル、ステンレス、鉄等の金属微粉、ITO等の導電性酸化物が挙げられる。
【0033】
<負極>
(負極集電体)
負極集電体22は、導電性の板材であればよく、例えば、銅等の金属薄板(金属箔)を用いることができる。
【0034】
(負極活物質層)
負極活物質層24は、負極活物質、負極用バインダー、および負極用導電助剤から主に構成されるものである。
【0035】
(負極活物質)
負極活物質としては、リチウムイオンの吸蔵及び放出、リチウムイオンの脱離及び挿入(インターカレーション)を可逆的に進行させることが可能であれば特に限定されず、公知の電極活物質を使用できる。例えば、グラファイト、ハードカーボン等の炭素系材料、酸化シリコン(SiO)金属シリコン(Si)等の珪素系材料、チタン酸リチウム(LTO)等の金属酸化物、リチウム、スズ、亜鉛等の金属材料が挙げられる。
【0036】
上記負極活物質のうち、リチウムを用いた場合で本発明の効果をより得ることができる。上記の要因について詳細は明らかではないが、常温溶融塩がリチウム上でよりドナー性の高いSEI皮膜を形成するためと考えられる。
【0037】
負極活物質として金属材料を用いない場合、負極活物質層24は更に、負極用バインダーおよび負極用導電助剤を含んでいてもよい。
【0038】
(負極用バインダー)
負極用バインダーとしては特に限定は無く、上記で記載した正極用バインダーと同様のものを用いることができる。
【0039】
(負極用導電助剤)
負極用導電助剤としては特に限定は無く、上記で記載した正極用導電助剤と同様のものを用いることができる。
【0040】
<非水電解液>
本実施形態に係る非水電解液は、環状カーボネートおよび鎖状カーボネートからなる溶媒を含有する電解液と、化学式(1)で表される添加剤(A)と、モノフルオロリン酸塩またはジフルオロリン酸塩から選択される添加剤(B)を含むものである。
【化2】
【0041】
これによれば、電解液中に上記添加剤(A)および(B)を含むことで、低温サイクル特性を改善することができる。
【0042】
こうした効果が発現する要因について詳細は明らかではないが、以下のように考えられる。すなわち、添加剤(A)は分子中に酸素原子を多く含有することに加え、分解時にカルボン酸残渣を生成するので、ドナー性の高く、リチウムトラップ性の高いSEI皮膜を負極上に形成する。更に、添加剤(B)が協奏的に分解することでSEI皮膜のリチウムイオン伝導性が向上する。これにより、低温駆動時においても、負極上でのリチウムイオンの脱溶媒和が速やかに行われ、負極上でのLiデンドライド析出が抑制され、低温サイクル特性が改善する。
【0043】
本実施形態に係る非水電解液はさらに、上記添加剤(A)が3−メチル−2,5−ジオキサ−6−オキソノナン酸エチルまたは3−メチル−2,5−ジオキサ−6−オキソノナン酸メチルであることが好ましい。
【0044】
これによれば、添加剤(A)として好適であり、低温サイクル特性がさらに改善する。
【0045】
本実施形態に係る非水電解液はさらに、上記添加剤(A)が電解液中に1×10−4〜3×10−2mol/L含まれることが好ましい。
【0046】
これによれば、添加量として好適であり、低温サイクル特性がさらに改善する。
【0047】
本実施形態に係る非水電解液はさらに、上記添加剤(B)が、電解液中に1×10−3〜3×10−1mol/L含まれることが好ましい。
【0048】
これによれば、添加量として好適であり、低温サイクル特性がさらに改善する。
【0049】
本実施形態に係る非水電解液はさらに、上記添加剤(B)がジフルオロリン酸リチウムであることが好ましい。
【0050】
これによれば、添加剤としてより好適であり、低温サイクル特性がさらに改善する。
【0051】
本実施形態に係る非水電解液はさらに、上記添加剤(A)と添加剤(B)の添加量が、モル比で、添加剤(A):添加剤(B)=1:2〜1:20であることが好ましい。
【0052】
これによれば、添加量の比率として好適であり、低温サイクル特性がさらに改善する。
【0053】
(溶媒)
さらに電解液の溶媒として、一般にリチウムイオン二次電池に用いられている溶媒を使用することができる。上記溶媒については特に限定はなく、例えば、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)等の環状カーボネート化合物、ジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート(EMC)等の鎖状カーボネート化合物、γ−ブチロラクトン等の環状エステル化合物、プロピオン酸プロピル、プロピオン酸エチル、酢酸エチル等の鎖状エステル化合物、等を任意の割合で混合して用いることができる。
【0054】
(電解質)
電解質は、リチウムイオン二次電池の電解質として用いられるリチウム塩であれば特に限定は無く、例えば、LiPF、LiBF、リチウムビスオキサレートボラート等の無機酸陰イオン塩、LiCFSO、(CFSONLi、(FSONLi等の有機酸陰イオン塩等を用いることができる。
【0055】
以上、本発明に係る好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。
【実施例】
【0056】
以下、実施例及び比較例に基づいて本発明をより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。
【0057】
[実施例1]
(正極の作製)
正極活物質としてLiVOPO85質量部、カーボンブラック5質量部、PVDF10質量部をN−メチル−2−ピロリドン(NMP)に分散させ、正極活物質層形成用のスラリーを調整した。このスラリーを、厚さ20μmのアルミ金属箔の一面に、正極活物質の塗布量が9.0mg/cmとなるように塗布し、100℃で乾燥することで正極活物質層を形成した。その後、ローラープレスによって加圧成形し、正極を作製した。
【0058】
(負極の作製)
天然黒鉛90質量部、カーボンブラック5質量部、PVDF5質量部をN−メチル−2−ピロリドン(NMP)に分散させ、負極活物質層形成用のスラリーを調整した。上記スラリーを、厚さ20μmの銅箔の一面に、負極活物質の塗布量が6.0mg/cmとなるように塗布し、100℃で乾燥することで負極活物質層を形成した。その後、ローラープレスによって加圧成形し、負極を作製した。
【0059】
(電解液の作製)
体積比でEC/DEC=3/7となるように混合し、これに1mol/Lの濃度となるようにLiPFを溶解させた。その後、この溶液に対し、添加剤(A)として2,5−ジオキサ−6−オキソオクタン酸エチルを1.0×10−3mol/L、ジフルオロリン酸リチウム(LiPO)を1.0×10−2mol/Lの濃度となるように添加し、電解液を作製した。
【0060】
(評価用リチウムイオン二次電池の作製)
上記で作製した正極および負極と、それらの間にポリエチレン微多孔膜からなるセパレータを挟んでアルミラミネートパックに入れた。このアルミラミネートパックに、上記で作製した電解液を注入した後、真空シールし、評価用リチウムイオン二次電池を作製した。
【0061】
(低温サイクル特性の測定)
上記で作製した評価用リチウムイオン二次電池を、0℃に設定した恒温槽(エスペック株式会社製)内に設置した。電池温度が十分に安定した後、二次電池充放電試験装置(北斗電工株式会社製)を用い、充電レート0.5Cの定電流充電で、電池電圧が4.2Vとなるまで充電を行った後、放電レート0.5Cの定電流放電で、電池電圧が2.8Vとなるまで放電を行い、1サイクル目放電容量Cを求めた。上記の充放電を1サイクルと数え、この充放電を繰り返し、300サイクル目放電容量Cを求めた。なお、上記充放電レートのnC(mA)は、公称容量(mAh)を1/n(h)で充放電できる電流値である。
【0062】
上記で求めた1サイクル目放電容量Cおよび300サイクル目放電容量Cから、式(1)に従い、低温サイクル特性を求めた。得られた結果を表1に示す。
低温サイクル特性[%]=C/C×100 ・・・(1)
【0063】
[実施例2〜8]
電解液の作製で用いた添加剤(A)の種類を、表1に示した通りに変更した以外は実施例7と同様として、実施例2〜8の評価用リチウムイオン二次電池を作製した。
【0064】
[実施例9〜14]
電解液の作製で用いた添加剤(A)の添加量を、表1に示した通りに変更した以外は実施例7と同様として、実施例9〜14の評価用リチウムイオン二次電池を作製した。
【0065】
[実施例15〜18]
電解液の作製で用いた添加剤(B)の添加量を、表1に示した通りに変更した以外は実施例7と同様として、実施例15〜18の評価用リチウムイオン二次電池を作製した。ここで、LiPOFはモノフルオロリン酸リチウムである。
【0066】
[実施例19〜23]
電解液の作製で用いた添加剤(B)の種類および添加量を、表1に示した通りに変更した以外は実施例7と同様として、実施例19〜23の評価用リチウムイオン二次電池を作製した。
【0067】
[実施例24〜27]
正極の作製で用いた正極活物質を、表1に示した通りに変更した以外は実施例7と同様として、実施例24〜27の評価用リチウムイオン二次電池を作製した。
【0068】
[比較例1]
表1の通り、電解液の作製で添加剤(B)を加えなかったこと以外は実施例7と同様として、比較例1の評価用リチウムイオン二次電池を作製した。
【0069】
[比較例2]
表1の通り、電解液の作製で添加剤(A)を加えなかったこと以外は実施例7と同様として、比較例1の評価用リチウムイオン二次電池を作製した。
【0070】
[比較例3]
表1の通り、電解液の作製で添加剤を加えなかったこと以外は実施例7と同様として、比較例1の評価用リチウムイオン二次電池を作製した。
【0071】
[比較例4〜7]
正極の作製で用いた正極活物質を表1に示した通りに変更したこと以外は比較例3と同様として、比較例4〜7の評価用リチウムイオン二次電池を作製した。
【0072】
実施例2〜27、および比較例1〜7で作製した評価用リチウムイオン二次電池について、実施例1と同様に、低温サイクル特性の測定を行った。結果を表1に示す。
【0073】
実施例1〜27はいずれも、添加剤の一方および両方を加えなかった比較例1〜3に対し、低温サイクル特性が改善した。実施例1〜8の結果から、添加剤(A)として3−メチル−2,5−ジオキサ−6−オキソノナン酸エチルまたは3−メチル−2,5−ジオキサ−6−オキソノナン酸メチルを用いることで、低温サイクル特性がより改善することが確認された。さらに、実施例9〜14の結果から、添加剤(A)の添加量を最適化することで、低温サイクル特性がより改善することが確認された。
【0074】
また、添加剤(B)についても同様に、実施例15〜18の結果から、添加量を最適化することで、低温サイクル特性がより改善することが確認された。さらに、実施例19〜23の結果から、添加剤として添加剤としてLiPOを用いると、低温サイクル特性がより改善することが確認された。
【0075】
加えて、実施例24〜27の結果から、正極活物質としてLiPOVOを用いた場合、低温サイクル特性がより改善することが確認された。
【0076】
【表1】
【産業上の利用可能性】
【0077】
本発明により、低温サイクル特性を改善することが可能な非水電解液が提供される。
【符号の説明】
【0078】
10…正極、12…正極集電体、14…正極活物質層、18…セパレータ、20…負極、22…負極集電体、24…負極活物質層、30…積層体、50…ケース、60,62…リード、100…リチウムイオン二次電池。
【要約】
【課題】
低温サイクル特性を改善することが可能な非水電解液およびそれを用いた非水電解液電池を提供すること。
【解決手段】
環状カーボネートおよび鎖状カーボネートからなる溶媒を含有する電解液と、
化学式(1)で表される添加剤(A)と、
モノフルオロリン酸塩またはジフルオロリン酸塩から選択される添加剤(B)を含むことを特徴とする非水電解液。
【化1】
【選択図】図1
図1