(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-06-25
(45)【発行日】2024-07-03
(54)【発明の名称】リチウム二次電池
(51)【国際特許分類】
H01M 10/052 20100101AFI20240626BHJP
H01M 10/0567 20100101ALI20240626BHJP
H01M 4/62 20060101ALI20240626BHJP
H01M 4/131 20100101ALI20240626BHJP
H01M 4/505 20100101ALI20240626BHJP
H01M 4/525 20100101ALI20240626BHJP
H01M 10/0569 20100101ALI20240626BHJP
H01M 10/0568 20100101ALI20240626BHJP
【FI】
H01M10/052
H01M10/0567
H01M4/62 Z
H01M4/131
H01M4/505
H01M4/525
H01M10/0569
H01M10/0568
(21)【出願番号】P 2022510060
(86)(22)【出願日】2021-03-18
(86)【国際出願番号】 JP2021011260
(87)【国際公開番号】W WO2021193388
(87)【国際公開日】2021-09-30
【審査請求日】2022-09-22
(31)【優先権主張番号】P 2020054998
(32)【優先日】2020-03-25
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】000005887
【氏名又は名称】三井化学株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001519
【氏名又は名称】弁理士法人太陽国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】菅原 敬
(72)【発明者】
【氏名】野木 栄信
(72)【発明者】
【氏名】永川 桂大
【審査官】小川 進
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第2019/031508(WO,A1)
【文献】特開2003-303593(JP,A)
【文献】国際公開第2009/011181(WO,A1)
【文献】国際公開第2017/217408(WO,A1)
【文献】特開2014-078360(JP,A)
【文献】特許第4354214(JP,B2)
【文献】特開2014-007132(JP,A)
【文献】特開平11-067270(JP,A)
【文献】特開2007-180025(JP,A)
【文献】国際公開第2017/022615(WO,A1)
【文献】国際公開第2016/123168(WO,A1)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H01M 10/052-10/0569
H01M 4/131
H01M 4/505-4/62
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
下記式(X)で表される化合物を含む正極活物質と、重量平均分子量が30万以上
45.5万以下であるポリフッ化ビニリデンを含むバインダーと、を含む正極と、
負極と、
ジフルオロリン酸リチウム及びモノフルオロリン酸リチウムの少なくとも一方を含有する非水電解液と、
を含むリチウム二次電池。
LiNi
aMn
bCo
cO
2 … (X)
〔式(X)中、a、b及びcは、それぞれ独立に、0超1.00未満であり、かつ、a、b及びcの合計は、0.99~1.00である。〕
【請求項2】
前記非水電解液の全量に対する、前記ジフルオロリン酸リチウム及び前記モノフルオロリン酸リチウムの合計含有量は0.01質量%~5質量%である請求項1に記載のリチウム二次電池。
【請求項3】
前記正極が、前記正極活物質と前記バインダーとを含む正極合材層と、正極集電体とを含み、前記正極合材層の全量に対する前記ポリフッ化ビニリデンの含有量が0.01質量%以上10質量%以下である請求項1又は請求項2に記載のリチウム二次電池。
【請求項4】
前記負極が、黒鉛材料を含有する負極活物質を含む請求項1~請求項3のいずれか一項に記載のリチウム二次電池。
【請求項5】
前記非水電解液が、
エチレンカーボネート(EC)とジメチルカーボネート(DMC)とエチルメチルカーボネート(EMC)とを含む非水溶媒と、
フッ素を含むリチウム塩を含む電解質と、
を含有する請求項1~請求項4のいずれか一項に記載のリチウム二次電池。
【請求項6】
満充電時における充電電圧が、3.5V以上である、請求項5に記載のリチウム二次電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、リチウム二次電池に関する。
【背景技術】
【0002】
従来より、リチウム二次電池等の電池に用いられる電池用非水電解液について、種々の検討がなされている。
例えば、特許文献1には、ガス発生の抑制と低抵抗とが両立された非水電解質電池として、正極と、活物質としての単斜晶型二酸化チタンまたはLi4+aTi5O12(-0.5≦a≦3)とバインダーとしての分子量が40万以上100万以下であるポリフッ化ビニリデンとを含み、下記式(I)を満たす負極と、ジフルオロリン酸塩またはモノフルオロリン酸塩の少なくともいずれか一方を含む非水電解質とを含む非水電解質電池が開示されている。
0.1≦(P2/P1)≦0.4 (I)
ここで、P1は前記負極の表面に対する光電子分光測定によって得られるスペクトルにおいて689~685eVの範囲内に現れるピークの強度、P2は前記スペクトルにおいて684~680eVの範囲内に現れるピークの強度である。
【0003】
特許文献1:国際公開第2017/154908号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかしながら、保存後の電池抵抗をより低減させることが求められる場合がある。
本開示の一態様の目的は、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。
【課題を解決するための手段】
【0005】
上記課題を解決するための手段には、以下の態様が含まれる。
【0006】
<1> 下記式(X)で表される化合物を含む正極活物質と、重量平均分子量が30万以上95万以下であるポリフッ化ビニリデンを含むバインダーと、を含む正極と、負極と、ジフルオロリン酸リチウム及びモノフルオロリン酸リチウムの少なくとも一方を含有する非水電解液と、を含むリチウム二次電池。
LiNiaMnbCocO2 … (X)
〔式(X)中、a、b及びcは、それぞれ独立に、0超1.00未満であり、かつ、a、b及びcの合計は、0.99~1.00である。〕
<2> 前記非水電解液の全量に対する、前記ジフルオロリン酸リチウム及び前記モノフルオロリン酸リチウムの合計含有量は0.01質量%~5質量%である<1>に記載のリチウム二次電池。
<3> 前記正極が、前記正極活物質と前記バインダーとを含む正極合材層と、正極集電体とを含み、前記正極合材層の全量に対する前記ポリフッ化ビニリデンの含有量が0.01質量%以上10質量%以下である<1>又は<2>に記載のリチウム二次電池。
<4> 前記負極が、黒鉛材料を含有する負極活物質を含む<1>~<3>のいずれか一つに記載のリチウム二次電池。
<5> 前記非水電解液が、
エチレンカーボネート(EC)とジメチルカーボネート(DMC)とエチルメチルカーボネート(EMC)とを含む非水溶媒と、
フッ素を含むリチウム塩を含む電解質と、
を含有する<1>~<4>のいずれか一つに記載のリチウム二次電池。
<6> 満充電時における充電電圧が、3.5V以上である、<5>に記載のリチウム二次電池。
【発明の効果】
【0007】
本開示の一態様によれば、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。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【
図1】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る。
【
図2】
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3】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断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0009】
本明細書において、「~」を用いて表される数値範囲は、「~」の前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む範囲を意味する。
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。
【0010】
〔リチウム二次電池〕
本開示のリチウム二次電池は、下記式(X)で表される化合物を含む正極活物質と、重量平均分子量が30万以上95万以下であるポリフッ化ビニリデンを含むバインダーと、を含む正極と、負極と、ジフルオロリン酸リチウム及びモノフルオロリン酸リチウムの少なくとも一方を含有する非水電解液と、を含む。
LiNiaMnbCocO2 … (X)
【0011】
式(X)中、a、b及びcは、それぞれ独立に、0超1.00未満であり、かつ、a、b及びcの合計は、0.99~1.00である。
【0012】
<正極>
正極は、上記式(X)で表される化合物(「化合物(X)」ともいう。)を含む正極活物質と、重量平均分子量が30万以上95万以下であるポリフッ化ビニリデンを含むバインダーとを含む。
正極は、リチウムイオンを吸蔵及び放出可能な正極である。
正極は、好ましくは、正極活物質及びバインダーを含有する正極合材層と、正極集電体と、を備える。
正極合材層は、正極集電体の表面の少なくとも一部に設けられる
【0013】
(正極活物質)
本開示のリチウム二次電池における正極には、化合物(X)を含む。
化合物(X)の具体例としては、LiNi0.33Mn0.33Co0.33O2、LiNi0.5Mn0.3Co0.2O2、LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2、LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2等が挙げられる。
【0014】
式(X)中、aは0.4超1未満であり、bは0超0.6未満であり、cは0超0.6未満であり、かつ、a、b及びcの合計は1であることが好ましい。
【0015】
式(X)中、aは、より好ましくは0.42~0.90であり、更に好ましくは0.45~0.90であり、更に好ましくは0.48~0.90である。
式(X)中、bは、より好ましくは0.08~0.55であり、更に好ましくは0.10~0.50であり、更に好ましくは0.10~0.40である。
式(X)中、cは、より好ましくは0.08~0.55であり、更に好ましくは0.10~0.50であり、更に好ましくは0.10~0.30である。
【0016】
化合物(X)としては、LiNi0.5Mn0.3Co0.2O2、LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2、又はLiNi0.8Mn0.1Co0.1O2が好ましい。
【0017】
正極活物質は、下記一般式(Y)で表されるリチウム含有複合酸化物(以下、「NCA」ともいう)を含んでもよい。
【0018】
LitNi1-x-yCoxAlyO2 … 一般式(Y)
(一般式(Y)中、tは、0.95以上1.15以下であり、xは、0以上0.3以下であり、yは、0.1以上0.2以下であり、x及びyの合計は、0.5未満である。)
【0019】
NCAの具体例としては、LiNi0.8Co0.15Al0.05O2等が挙げられる。
【0020】
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。
【0021】
(バインダー)
本開示のリチウム二次電池における正極には、重量平均分子量が30万以上95万以下であるポリフッ化ビニリデン(以下、「PVDF」ともいう。)を含むバインダーを含む。これにより、保存後の電池抵抗を低減することができる。
PVDFの重量平均分子量は、保存後の電池抵抗をより低減する観点から、好ましくは35万以上90万以下であり、より好ましくは42万以上85万以下である。
【0022】
正極に含有されるバインダーとして、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)以外のものを含んでいてもよく、例えば、ポリ酢酸ビニル、ポリメチルメタクリレート、ニトロセルロース、フッ素樹脂(ただし、PVDFは除く。)、ゴム粒子等が挙げられる。
フッ素樹脂としては、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン-ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、フッ化ビニリデン-ヘキサフルオロプロピレン共重合体等が挙げられる。
ゴム粒子としては、スチレン-ブタジエンゴム粒子、アクリロニトリルゴム粒子等が挙げられる。
バインダーは1種を単独で使用でき、必要に応じて2種以上を組み合わせて使用できる。
【0023】
バインダー中における重量平均分子量が30万以上95万以下であるポリフッ化ビニリデンの含有量は、バインダー全量に対して、90質量%以上であることが好ましく、95質量%以上であることがより好ましく、98質量%以上であることが更に好ましく、100質量%であることが特に好ましい。
【0024】
(正極集電体)
正極集電体としては、各種のものを使用することができるが、例えば、金属又は合金が用いられる。
正極集電体として、より具体的には、アルミニウム、ニッケル、SUS等が挙げられる。中でも、導電性の高さとコストとのバランスの観点から、アルミニウムが好ましい。ここで、「アルミニウム」は、純アルミニウム又はアルミニウム合金を意味する。
正極集電体として、特に好ましくはアルミニウム箔である。
アルミニウム箔としては特に限定されないが、A1085材、A3003材、等が挙げられる。
【0025】
本開示のリチウム二次電池における正極が、正極活物質とバインダーとを含む正極合材層と、正極集電体と、を備える場合、正極合材層の全量に対する重量平均分子量が30万以上95万以下であるポリフッ化ビニリデンの含有量は、0.01質量%以上10質量%以下であることが好ましく、0.1質量%以上9質量%以下であることがより好ましく、1質量%以上8質量%以下であることが更に好ましく、1質量%以上7質量%以下であることが更に好ましく、2質量%以上5質量%以下であることが特に好ましい。
【0026】
正極合材層中の正極活物質の含有量は、正極合材層の全量に対し、例えば10質量%以上、好ましくは30質量%以上、更に好ましくは50質量%以上であり、特に好ましくは70質量%以上である。
また、正極合材層中の正極活物質の含有量は、例えば99.9質量%以下、好ましくは99質量%以下である。
【0027】
(導電助材)
正極が、正極集電体と正極合材層とを備える場合、正極合材層は、導電助材を含むことが好ましい。
導電助材としては、公知の導電助材を使用することができる。
【0028】
導電助材としては、公知の導電助材を使用することができる。
公知の導電助材としては、導電性を有する炭素材料であれば特に限定されるものではないが、グラファイト、カーボンブラック、導電性炭素繊維(カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンファイバー)、フラーレン等を単独で、もしくは2種類以上を併せて使用することができる。
市販のカーボンブラックとしては、例えば、トーカブラック#4300、#4400、#4500、#5500等(東海カーボン社製、ファーネスブラック)、プリンテックスL等(デグサ社製、ファーネスブラック)、Raven7000、5750、5250、5000ULTRAIII、5000ULTRA等、Conductex SC ULTRA、Conductex 975ULTRA等、PUER BLACK100、115、205等(コロンビヤン社製、ファーネスブラック)、#2350、#2400B、#2600B、#30050B、#3030B、#3230B、#3350B、#3400B、#5400B等(三菱化学社製、ファーネスブラック)、MONARCH1400、1300、900、VulcanXC-72R、BlackPearls2000、LITX-50、LITX-200等(キャボット社製、ファーネスブラック)、Ensaco250G、Ensaco260G、Ensaco350G、Super-P(TIMCAL社製)、ケッチェンブラックEC-300J、EC-600JD(アクゾ社製)、デンカブラック、デンカブラックHS-100、FX-35(電気化学工業社製、アセチレンブラック)等が挙げられる。
グラファイトとしては、例えば、人造黒鉛、天然黒鉛(例えば、燐片状黒鉛、塊状黒鉛、土状黒鉛等)等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
【0029】
(その他の成分)
正極が、正極集電体と正極合材層とを備える場合、正極合材層は、上記各成分に加えて、その他の成分を含んでいてもよい。
その他の成分としては、増粘剤、界面活性剤、分散剤、濡れ剤、消泡剤等が挙げられる。
【0030】
(正極合材層の形成方法)
正極合材層は、例えば、正極活物質及びバインダーを含む正極合材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って形成できる。
正極合材スラリーに含まれる溶媒としては、N-メチル-2-ピロリドン(NMP)等の有機溶媒が好ましい。
【0031】
正極集電体に対して正極合剤スラリーを塗布し、乾燥させる上で、塗布方法及び乾燥方法は特に限定されない。
塗布方法としては、例えば、スロット・ダイコーティング、スライドコーティング、カーテンコーティング、グラビアコーティング等が挙げられる。
乾燥方法としては、温風、熱風、低湿風による乾燥;真空乾燥;赤外線(例えば遠赤外線)照射による乾燥;が挙げられる。
乾燥時間及び乾燥温度については、特に限定されないが、乾燥時間は例えば1分~30分であり、乾燥温度は例えば40℃~80℃である。
正極合材層の製造方法は、正極集電体上に正極合剤スラリーを塗布し、乾燥させた後、金型プレス、ロールプレス等を用いた加圧処理により、正極活物質層の空隙率を低くする工程を有することが好ましい。
【0032】
<負極>
本開示のリチウム二次電池における負極は、リチウムイオンを吸蔵及び放出可能な負極である。
負極は、好ましくは、リチウムイオンを吸蔵及び放出可能な負極活物質を少なくとも1種含む。
負極は、より好ましくは、負極集電体と、負極活物質及びバインダーを含有する負極合材層と、を備える。
負極合材層は、負極集電体の表面の少なくとも一部に設けられる。
【0033】
(負極活物質)
負極活物質としては、リチウムイオンを吸蔵及び放出可能な物質であれば特に制限はない。
負極活物質としては、例えば、金属リチウム、リチウム含有合金、リチウムとの合金化が可能な金属もしくは合金、リチウムイオンのドープ・脱ドープが可能な酸化物、リチウムイオンのドープ・脱ドープが可能な遷移金属窒素化物、および、リチウムイオンのドープ・脱ドープが可能な炭素材料からなる群から選ばれた少なくとも1種(単独で用いてもよいし、これらの2種以上を含む混合物を用いてもよい)を用いることができる。
【0034】
負極活物質としては、電池の満充電時における充電電圧(即ち、正極電位から負極電位を差し引いた電位差)をより高くする(例えば3.5V以上とする)ことができる負極活物質が好ましい。
電池の満充電時における充電電圧が高い(例えば3.5V以上)場合には、正極におけるポリフッ化ビニリデンの重量平均分子量を30万以上95万以下に限定したことによる効果(即ち、保存後の電池抵抗を低減させる効果)がより効果的に奏される。
電池の満充電時における充電電圧の好ましい範囲については、後述する本開示のリチウム二次電池の満充電時における充電電圧の好ましい範囲を参照することができる。
【0035】
負極活物質としては、電池の満充電時における充電電圧をより高くする(例えば3.5V以上とする)ことができる観点から、リチウムイオンをドープ・脱ドープすることが可能な炭素材料が好ましい。
上記炭素材料としては、カーボンブラック、活性炭、黒鉛材料(例えば、人造黒鉛、天然黒鉛等)、非晶質炭素材料、等が挙げられる。
上記炭素材料の形態は、繊維状、球状、ポテト状、フレーク状いずれの形態であってもよい。
上記炭素材料の粒径は特に限定されないが、例えば5μm~50μm、好ましくは20μm~30μmである。
【0036】
非晶質炭素材料として、具体的には、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)などが例示される。
【0037】
負極は、黒鉛材料を含有する負極活物質を含むことが好ましい。
負極が、黒鉛材料を含有する負極活物質を含む場合には、電池の満充電時における充電電圧をより高くする(例えば3.5V以上とする)ことができる。
黒鉛材料としては、天然黒鉛、人造黒鉛が挙げられる。
人造黒鉛としては、黒鉛化MCMB、黒鉛化MCFなどが用いられる。
また、黒鉛材料としては、ホウ素を含有するものなども用いることができる。
また、黒鉛材料としては、金、白金、銀、銅、スズなどの金属で被覆したもの、非晶質炭素で被覆したもの、非晶質炭素と黒鉛を混合したものも使用することができる。
【0038】
これらの炭素材料は、1種類で使用してもよく、2種類以上混合して使用してもよい。
【0039】
(導電助材)
負極が、負極集電体と負極合材層とを備える場合、負極合材層は、導電助材を含むことが好ましい。
導電助材としては、公知の導電助材を使用することができる。
負極合材層に含まれ得る導電助材の具体例は、前述した、正極合材層に含まれ得る導電助材の具体例と同様である。
【0040】
(その他の成分)
負極が、負極集電体と負極合材層とを備える場合、負極合材層は、上記各成分に加えて、その他の成分を含んでいてもよい。
その他の成分としては、増粘剤、界面活性剤、分散剤、濡れ剤、消泡剤等が挙げられる。
【0041】
(負極合材層の形成方法)
負極合材層は、例えば、負極活物質及びバインダーを含む負極合材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って形成できる。
負極合材スラリーに含まれる溶媒としては、水を使用することが好ましいが、必要に応じて、例えば、集電体への塗工性向上のために、水と相溶する液状媒体を使用してもよい。
水と相溶する液状媒体としては、アルコール類、グリコール類、セロソルブ類、アミノアルコール類、アミン類、ケトン類、カルボン酸アミド類、リン酸アミド類、スルホキシド類、カルボン酸エステル類、リン酸エステル類、エーテル類、ニトリル類等が挙げられ、水と相溶する範囲で使用してもよい。
【0042】
負極合材層の形成方法の好ましい態様は、前述した、正極合材層の形成方法の好ましい態様と同様である。
【0043】
<セパレータ>
本開示のリチウム二次電池におけるセパレータとしては、例えば、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリエステル、セルロース、ポリアミド等の樹脂を含む多孔質の平板が挙げられる。また、セパレータとしては、上記樹脂を含む不織布も挙げられる。
好適例として、一種または二種以上のポリオレフィン樹脂を主体に構成された単層または多層構造の多孔性樹脂シートが挙げられる。
セパレータの厚みは、例えば5μm~30μmとすることができる。
セパレータは、好ましくは、正極と負極との間に配置される。
【0044】
<非水電解液>
本開示のリチウム二次電池における非水電解液は、ジフルオロリン酸リチウム(LiPO2F2:「LiDFP」ともいう。)及びモノフルオロリン酸リチウム(Li2PO3F)の少なくとも一方を含有する。
非水電解液は、好ましくは、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)とを含む非水溶媒と、フッ素を含むリチウム塩を含む電解質と、を含有する。
【0045】
本開示のリチウム二次電池における非水電解液と、既述の正極との組み合わせによれば、保存後の電池抵抗が低減される。
かかる効果が奏される理由は明らかではないが、以下のように推測される。
【0046】
本開示のリチウム二次電池の正極には、バインダーとして重量平均分子量が30万以上95万以下であるポリフッ化ビニリデンが含まれている。この範囲の重量平均分子量のポリフッ化ビニリデンが含まれていることにより、正極内の正極活物質同士の空間が、リチウムイオンや電子の拡散性を阻害しにくい程度の適度な距離となると考えられる。そして、正極活物質間に適度な空間が確保されると、非水電解液の液廻りが向上し、非水電解液に含まれるジフルオロリン酸リチウム及びモノフルオロリン酸リチウムの少なくとも一方が、正極活物質の表面に安定的に供給されやすくなる。そのため、保存中において、正極抵抗の増加が抑制され、その結果、保存後の電池抵抗が低減されると考えられる。
【0047】
非水電解液の全量に対する、ジフルオロリン酸リチウム及びモノフルオロリン酸リチウムの合計含有量は、特に制限はないが、保存後の電池抵抗の低減の観点から、0.01質量%~5質量%であることが好ましい。
【0048】
非水電解液の全量に対するジフルオロリン酸リチウム及びモノフルオロリン酸リチウムの合計含有量が0.1質量%以上である場合には、本開示の非水電解液による効果がより効果的に奏される。非水電解液の全量に対するジフルオロリン酸リチウム及びモノフルオロリン酸リチウムの合計含有量は、より好ましくは0.2質量%以上であり、更に好ましくは0.3質量%以上であり、更に好ましくは0.5質量%以上である。
非水電解液の全量に対するジフルオロリン酸リチウム及びモノフルオロリン酸リチウムの合計含有量が5.0質量%以下である場合には、非水電解液の化学的安定性がより向上する。
非水電解液の全量に対するジフルオロリン酸リチウム及びモノフルオロリン酸リチウムの合計含有量は、より好ましくは3.0質量%以下であり、更に好ましくは2.0質量%以下であり、更に好ましくは1.0質量%以下である。
【0049】
本開示のリチウム二次電池における非水電解液は、ジフルオロリン酸リチウム及びモノフルオロリン酸リチウムの少なくとも一方を電池用添加剤として含んでもよいし、電解質の供給源として含んでもよい。
【0050】
本開示のリチウム二次電池における非水電解液が、上記ジフルオロリン酸リチウム及びモノフルオロリン酸リチウムの少なくとも一方を電解質の供給源として含む場合、電解質の濃度は、0.1mol/L~3mol/Lが好ましく、0.5mol/L~2mol/Lがより好ましい。
【0051】
なお、実際に電池を解体して採取した非水電解液を分析しても、上記ジフルオロリン酸リチウム及びモノフルオロリン酸リチウムの少なくとも一方の量が、非水電解液への添加量と比較して減少している場合がある。従って、電池から取り出した非水電解液中に少量でも上記ジフルオロリン酸リチウム及びモノフルオロリン酸リチウムの少なくとも一方が検出できる場合には、本開示のリチウム二次電池における非水電解液の範囲に含まれる。
また、非水電解液から上記ジフルオロリン酸リチウム及びモノフルオロリン酸リチウムの少なくとも一方が検出できない場合であっても、非水電解液中や電極の被膜中に、上記ジフルオロリン酸リチウム及びモノフルオロリン酸リチウムの少なくとも一方の分解物由来の化合物が検出される場合も、本開示のリチウム二次電池における非水電解液の範囲に含まれるとみなされる。
これらの取り扱いは、非水電解液に含有され得る上記ジフルオロリン酸リチウム及びモノフルオロリン酸リチウムの少なくとも一方以外の化合物についても同様である。
【0052】
<非水溶媒>
本開示のリチウム二次電池における非水電解液は、非水溶媒を少なくとも1種含有することが好ましい。
非水溶媒としては、例えば、環状カーボネート類、含フッ素環状カーボネート類、鎖状カーボネート類、含フッ素鎖状カーボネート類、脂肪族カルボン酸エステル類、含フッ素脂肪族カルボン酸エステル類、γ-ラクトン類、含フッ素γ-ラクトン類、環状エーテル類、含フッ素環状エーテル類、鎖状エーテル類、含フッ素鎖状エーテル類、ニトリル類、アミド類、ラクタム類、ニトロメタン、ニトロエタン、スルホラン、燐酸トリメチル、ジメチルスルホキシド、ジメチルスルホキシド燐酸、等が挙げられる。
【0053】
環状カーボネート類としては、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)、ブチレンカーボネート(BC)、等が挙げられる。
含フッ素環状カーボネート類としては、例えば、フルオロエチレンカーボネート(FEC)、等が挙げられる。
鎖状カーボネート類としては、例えば、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、メチルプロピルカーボネート(MPC)、エチルプロピルカーボネート(EPC)、ジプロピルカーボネート(DPC)、等が挙げられる。
脂肪族カルボン酸エステル類としては、例えば、ギ酸メチル、酢酸メチル、プロピオン酸メチル、酪酸メチル、イソ酪酸メチル、トリメチル酪酸メチル、ギ酸エチル、酢酸エチル、プロピオン酸エチル、酪酸エチル、イソ酪酸エチル、トリメチル酪酸エチル、等が挙げられる。
γ-ラクトン類としては、例えば、γ-ブチロラクトン、γ-バレロラクトン、等が挙げられる
環状エーテル類としては、例えば、テトラヒドロフラン、2-メチルテトラヒドロフラン、テトラヒドロピラン、1,3-ジオキソラン、4-メチル-1,3-ジオキソラン、1,3-ジオキサン、1,4-ジオキサン、等が挙げられる
鎖状エーテル類としては、例えば、1,2-エトキシエタン(DEE)、エトキシメトキシエタン(EME)、ジエチルエーテル、1,2-ジメトキシエタン、1,2-ジブトキシエタン、等が挙げられる。
ニトリル類としては、例えば、アセトニトリル、グルタロニトリル、アジポニトリル、メトキシアセトニトリル、3-メトキシプロピオニトリル、等が挙げられる。
アミド類としては、例えば、N,N-ジメチルホルムアミド、等が挙げられる。
ラクタム類としては、例えば、N-メチルピロリジノン、N-メチルオキサゾリジノン、N,N'-ジメチルイミダゾリジノン、等が挙げられる。
【0054】
非水溶媒は、環状カーボネート類、含フッ素環状カーボネート類、鎖状カーボネート類、及び含フッ素鎖状カーボネート類からなる群から選択される少なくとも1種を含むことが好ましい。非水電解液は、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)とを含む非水溶媒であることがより好ましい。
この場合、非水溶媒中に占める、環状カーボネート類、含フッ素環状カーボネート類、鎖状カーボネート類、及び含フッ素鎖状カーボネート類の合計の割合は、好ましくは50質量%~100質量%であり、より好ましくは60質量%~100質量%であり、更に好ましくは80質量%~100質量%である。
【0055】
また、非水溶媒は、環状カーボネート類及び鎖状カーボネート類からなる群から選択される少なくとも1種を含むことが好ましい。
この場合、非水溶媒中に占める、環状カーボネート類及び鎖状カーボネート類の合計の割合は、好ましくは50質量%~100質量%であり、より好ましくは60質量%~100質量%であり、更に好ましくは80質量%~100質量%である。
【0056】
非水電解液中に占める非水溶媒の割合は、好ましくは60質量%以上であり、より好ましくは70質量%以上である。
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(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。
【0057】
非水溶媒の固有粘度は、電解質の解離性及びイオンの移動度をより向上させる観点から、25℃において10.0mPa・s以下であることが好ましい。
【0058】
<電解質>
非水電解液は、フッ素を含むリチウム塩(以下、「含フッ素リチウム塩」ともいう)である電解質を少なくとも1種含有することが好ましい。
含フッ素リチウム塩としては、例えば;
六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)、四フッ化ホウ酸リチウム(LiBF4)、六フッ化ヒ酸リチウム(LiAsF6)、六フッ化タンタル酸リチウム(LiTaF6)、等の無機酸陰イオン塩;
トリフルオロメタンスルホン酸リチウム(LiCF3SO3)、リチウムビス(フルオロスルホニル)イミド(Li(FSO2)2N)、リチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(Li(CF3SO2)2N)、リチウムビス(ペンタフルオロエタンスルホニル)イミド(Li(C2F5SO2)2N)等の有機酸陰イオン塩;
等が挙げられる。
含フッ素リチウム塩としては、LiPF6が特に好ましい。
【0059】
非水電解液は、フッ素を含まないリチウム塩である電解質を含有していてもよい。
フッ素を含まないリチウム塩としては、過塩素酸リチウム(LiClO4)、四塩化アルミニウム酸リチウム(LiAlCl4)、リチウムデカクロロデカホウ素酸(Li2B10Cl10)等が挙げられる。
【0060】
非水電解液に含有される電解質全体に占める、含フッ素リチウム塩の割合は、好ましくは50質量%~100質量%であり、より好ましくは60質量%~100質量%であり、更に好ましくは80質量%~100質量%である。
【0061】
非水電解液に含有される電解質全体に占める、LiPF6の割合は、好ましくは50質量%~100質量%であり、より好ましくは60質量%~100質量%であり、更に好ましくは80質量%~100質量%である。
【0062】
非水電解液における電解質の濃度は、好ましくは0.1mol/L~3mol/Lであり、より好ましくは0.5mol/L~2mol/Lである。
【0063】
非水電解液におけるLiPF6の濃度は、好ましくは0.1mol/L~3mol/Lであり、より好ましくは0.5mol/L~2mol/Lである。
【0064】
<不飽和結合を有する環状炭酸エステル>
本開示のリチウム二次電池における非水電解液は、非水電解液の化学的安定性をより向上させる観点から、不飽和結合を有する環状炭酸エステルの少なくとも1種を含有していることが好ましい。
【0065】
不飽和結合を有する環状炭酸エステルとしては、例えば、ビニレンカーボネート系化合物、ビニルエチレンカーボネート系化合物、あるいはメチレンエチレンカーボネート系化合物などが挙げられる。
【0066】
ビニレンカーボネート系化合物としては、例えば、ビニレンカーボネート(別名:1,3-ジオキソール-2-オン)、メチルビニレンカーボネート(別名:4-メチル-1,3-ジオキソール-2-オン)、エチルビニレンカーボネート(別名:4-エチル-1,3-ジオキソール-2-オン)、4,5-ジメチル-1,3-ジオキソール-2-オン、4,5-ジエチル-1,3-ジオキソール-2-オン、4-フルオロ-1,3-ジオキソール-2-オン、4-トリフルオロメチル-1,3-ジオキソール-2-オン、等が挙げられる。
【0067】
ビニルエチレンカーボネート系化合物としては、例えば、ビニルエチレンカーボネート(別名:4-ビニル-1,3-ジオキソラン-2-オン)、4-メチル-4-ビニル-1,3-ジオキソラン-2-オン、4-エチル-4-ビニル-1,3-ジオキソラン-2-オン、4-n-プロピル-4-ビニル-1,3-ジオキソラン-2-オン、5-メチル-4-ビニル-1,3-ジオキソラン-2-オン、4,4-ジビニル-1,3-ジオキソラン-2-オン、4,5-ジビニル-1,3-ジオキソラン-2-オン、等が挙げられる。
【0068】
メチレンエチレンカーボネート系化合物としては、4-メチレン-1,3-ジオキソラン-2-オン、4,4-ジメチル-5-メチレン-1,3-ジオキソラン-2-オン、4,4-ジエチル-5-メチレン-1,3-ジオキソラン-2-オン、等が挙げられる。
【0069】
不飽和結合を有する環状炭酸エステルとしては、ビニレンカーボネートが特に好ましい。
【0070】
非水電解液が、不飽和結合を有する環状炭酸エステルを含有する場合、不飽和結合を有する環状炭酸エステルの含有量は、非水電解液の全量に対し、好ましくは0.1質量%~5.0質量%であり、より好ましくは0.2質量%~3.0質量%であり、更に好ましくは0.2質量%~2.0質量%であり、更に好ましくは0.3質量%~1.0質量%である。
【0071】
非水電解液がビニレンカーボネートを含有する場合、ビニレンカーボネートの含有量は、非水電解液の全量に対し、好ましくは0.1質量%~5.0質量%であり、より好ましくは0.2質量%~3.0質量%であり、更に好ましくは0.2質量%~2.0質量%であり、更に好ましくは0.3質量%~1.0質量%である。
【0072】
<非水電解液の製造方法>
本開示のリチウム二次電池における非水電解液を製造する方法には特に限定はない。非水電解液は、各成分を混合して製造すればよい。
【0073】
非水電解液を製造する方法としては、例えば、
非水溶媒に電解質を溶解させて溶液を得る工程と、
得られた溶液に対し、ジフルオロリン酸リチウム及びモノフルオロリン酸リチウムの少なくとも一方(及び必要に応じ、その他の添加剤)を添加して混合し、非水電解液を得る工程と、
を含む製造方法が挙げられる。
【0074】
<電池の構成>
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。
【0075】
本開示のリチウム二次電池の例として、ラミネート型電池が挙げられる。
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。
【0076】
本開示のリチウム二次電池の別の一例として、コイン型電池も挙げられる。
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、ジフルオロリン酸リチウム及びモノフルオロリン酸リチウムの少なくとも一方を含有する非水電解液を用いる。
【0077】
なお、本開示のリチウム二次電池は、リチウム二次電池(充放電前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であってもよい。
即ち、本開示のリチウム二次電池は、まず、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。
【0078】
本開示のリチウム二次電池の用途は特に限定されず、種々公知の用途に用いることができる。例えば、ノート型パソコン、モバイルパソコン、携帯電話、ヘッドホンステレオ、ビデオムービー、液晶テレビ、ハンディークリーナー、電子手帳、電卓、ラジオ、バックアップ電源用途、モーター、自動車、電気自動車、バイク、電動バイク、自転車、電動自転車、照明器具、ゲーム機、時計、電動工具、カメラ等、小型携帯機器、大型機器を問わず広く利用可能なものである。
【0079】
前述したとおり、本開示のリチウム二次電池は、満充電時における充電電圧が高い(例えば3.5V以上)ことが好ましい。満充電時における充電電圧が高い場合には、正極におけるポリフッ化ビニリデンの重量平均分子量を30万以上95万以下に限定したことによる効果(即ち、保存後の電池抵抗を低減させる効果)がより効果的に奏される。
本開示のリチウム二次電池の満充電時における充電電圧は、好ましくは3.5V以上であり、より好ましくは3.7V以上であり、更に好ましくは4.0V以上であり、更に好ましくは4.0V以上である。
本開示のリチウム二次電池の満充電時における充電電圧の上限は、好ましくは5.0Vであり、より好ましくは4.8Vであり、更に好ましくは4.6Vであり、更に好ましくは4.2Vである。
【実施例】
【0080】
以下、本開示の実施例を示すが、本開示は以下の実施例によって制限されるものではない。
なお、以下の実施例において、「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。
【0081】
〔実施例1〕
以下の手順にて、
図3に示す構成を有するコイン型のリチウム二次電池(以下、「コイン型電池」とも称する)を作製した。
【0082】
<負極の作製>
アモルファスコート天然黒鉛(97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)を水溶媒で混錬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と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10mg/cm2であり、充填密度は1.5g/mlであった。
【0083】
<正極の作製>
LiNi0.5Mn0.3Co0.2O2(90質量部)、アセチレンブラック(5質量部)及び重量平均分子量が81.5万であるPVDF(5質量部)を、N-メチルピロリジノンを溶媒として混錬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16mg/cm2であり、充填密度は2.5g/mlであった。
【0084】
<非水電解液の調製>
非水溶媒として、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(体積比)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、最終的に調製される非水電解液中における電解質濃度が1.2モル/リットルとなるように溶解させた。
得られた溶液に対し、ジフルオロリン酸リチウム(「LiDFP」ともいう。)を、非水電解液の全量に対し1.0質量%となるように溶解させ、非水電解液を得た。
【0085】
<基準用の非水電解液の調製>
更に、基準用の非水電解液(以下、「基準非水電解液」ともいう。)として、LiDFPを含有させない以外は、上記の非水電解液の調製と同様にして、基準非水電解液を得た。
【0086】
<コイン型電池の作製>
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、上記の非水電解液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。
【0087】
<基準用のコイン型電池の作製>
更に、基準用のコイン型電池(以下、「基準電池」ともいう。)として、上記の非水電解液に代えて、上記の基準非水電解液(すなわち、LiDFPを含まない非水電解液)を使用した以外は、上記のコイン型電池の作製と同様にして、基準電池を得た。
【0088】
<高温保存後の電池抵抗の評価>
得られたコイン型電池及び基準電池をそれぞれ、定電圧4.2Vで充放電を3回繰り返し、SOC100%、電圧4.2Vとなるまで充電した。
ここで、充電電圧(4.2V)は、電池を満充電させた状態での充電電圧である。
その後、コイン型電池及び基準電池をそれぞれ、60℃の環境下で9日間保管した。9日間保管後のタイミングで、下記の方法により直流抵抗を求め、9日間保管後の電池の直流抵抗とした。
【0089】
(直流抵抗の測定)
コイン型電池及び基準電池をそれぞれ、SOC50%の状態に調整し、ついで25℃において0.2mA定電流で放電し、放電開始から10秒間における電位低下を測定することにより、コイン型電池及び基準電池のそれぞれの直流抵抗[Ω]を測定した。
そして、コイン型電池の保存9日間後の直流抵抗の値について、基準電池の保存9日間後の直流抵抗の値を100とした場合の相対値を求めた。結果を表1に示す。
【0090】
〔実施例2~3、比較例1~2〕
正極に含まれるPVDFについて、表1で示される重量平均分子量のPVDFを使用した以外は、実施例1と同様に、コイン型電池及び基準電池を作製して、実施例1と同様に評価を行った。結果を表1に示す。
【0091】
【0092】
表1に示すように、正極に含まれるPVDFの重量平均分子量が30万以上95万以下である場合(即ち、実施例1~3の場合)には、非水電解液がLiDFPを含有することにより、保存後の電池抵抗の低減効果が得られることがわかる。
これに対し、正極に含まれるPVDFの重量平均分子量が95万超である場合は、非水電解液がLiDFPを含有しても、上記効果が得られず、保存後の電池抵抗はむしろ増加した。また、正極に含まれるPVDFの重量平均分子量が30万未満である場合も同様、非水電解液がLiDFPを含有しても、上記効果が得られなかった。
【0093】
2020年3月25日に出願された日本国特許出願2020-054998の開示は、その全体が参照により本明細書に取り込まれる。
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。