(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2025-01-24
(54)【発明の名称】二次電池、電池モジュール、電池パック及び電力消費装置
(51)【国際特許分類】
H01M 10/0567 20100101AFI20250117BHJP
H01M 4/587 20100101ALI20250117BHJP
H01M 10/052 20100101ALI20250117BHJP
H01M 4/38 20060101ALI20250117BHJP
H01M 4/48 20100101ALI20250117BHJP
H01M 10/0568 20100101ALI20250117BHJP
H01M 10/0569 20100101ALI20250117BHJP
H01M 4/505 20100101ALI20250117BHJP
H01M 4/525 20100101ALI20250117BHJP
【FI】
H01M10/0567
H01M4/587
H01M10/052
H01M4/38 Z
H01M4/48
H01M10/0568
H01M10/0569
H01M4/505
H01M4/525
【審査請求】有
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2024542162
(86)(22)【出願日】2022-07-15
(85)【翻訳文提出日】2024-07-16
(86)【国際出願番号】 CN2022106083
(87)【国際公開番号】W WO2024011622
(87)【国際公開日】2024-01-18
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】524304976
【氏名又は名称】香港時代新能源科技有限公司
【氏名又は名称原語表記】CONTEMPORARY AMPEREX TECHNOLOGY (HONG KONG) LIMITED
【住所又は居所原語表記】LEVEL 19, CHINA BUILDING, 29 QUEEN’S ROAD CENTRAL, CENTRAL, CENTRAL AND WESTERN DISTRICT, HONG KONG, CHINA
(74)【代理人】
【識別番号】100167689
【氏名又は名称】松本 征二
(72)【発明者】
【氏名】郭▲潔▼
(72)【発明者】
【氏名】▲呉▼▲則▼利
(72)【発明者】
【氏名】▲韓▼昌隆
(72)【発明者】
【氏名】王冠
(72)【発明者】
【氏名】姜彬
【テーマコード(参考)】
5H029
5H050
【Fターム(参考)】
5H029AJ05
5H029AJ06
5H029AK03
5H029AL01
5H029AL02
5H029AL03
5H029AL06
5H029AL07
5H029AL11
5H029AM02
5H029AM03
5H029AM05
5H029AM07
5H029BJ02
5H029HJ01
5H029HJ02
5H029HJ18
5H050AA07
5H050AA12
5H050BA17
5H050CA08
5H050CA09
5H050CB01
5H050CB02
5H050CB03
5H050CB07
5H050CB08
5H050CB11
(57)【要約】
本出願は、二次電池、電池モジュール、電池パック及び電力消費装置を提供する。前記二次電池は正極シートと電解液を含み、正極シートは正極活物質を含み、電解液はホウ素含有塩を含み、電解液の総質量に対するホウ素含有塩の質量百分率をA%とし、金属リチウムに対する正極活物質の上限電位をV
1(V)とし、二次電池は0<A/(V
1-4.1)≦4、且つV
1>4.1を満たし、選択可能に、0<A/(V
1-4.1)≦3を満たす。本出願は、二次電池のサイクル容量維持率及びサイクルDCR増加率を改善することができる。
【選択図】
図1
【特許請求の範囲】
【請求項1】
二次電池であって、
正極活物質を含む正極シートと、
式1で表される化合物、式2で表される化合物及び式3で表される化合物のうちの1種又は複数種を含むホウ素含有塩を含む電解液と、を含み、
式1~式3中、Mは、それぞれ独立して、Li、Na又はKから選択され、
前記電解液の総質量に対する前記ホウ素含有塩の質量百分率をA%とし、金属リチウムに対する前記正極活物質の上限電位をV
1(V)とし、
0<A/(V
1-4.1)≦4、且つV
1>4.1を満たし、選択可能に、0<A/(V
1-4.1)≦3を満たす、二次電池。
【請求項2】
4.1<V
1≦4.6である、請求項1記載の二次電池。
【請求項3】
前記二次電池は、負極シートをさらに含み、前記負極シートは負極活物質を含み、金属リチウムに対する前記負極活物質の上限電位をV
2(V)とし、
前記二次電池は、0<A×V
2≦1.2を満たし、選択可能に、0<A×V
2≦1を満たす、請求項1又は2に記載の二次電池。
【請求項4】
0.02≦V
2≦2.5であり、選択可能に、0.1≦V
2≦2である、請求項3記載の二次電池。
【請求項5】
前記負極活物質は、人造黒鉛、天然黒鉛、ソフトカーボン、ハードカーボン及びケイ素系材料から選択される少なくとも1種を含む、請求項3又は4に記載の二次電池。
【請求項6】
0<A≦2である、請求項1乃至5のいずれか1項に記載の二次電池。
【請求項7】
前記ホウ素含有塩は、式1で表される化合物、式2で表される化合物及び式3で表される化合物を含み、
選択可能に、前記式1で表される化合物は、ジフルオロシュウ酸ホウ酸リチウム及び/又はジフルオロシュウ酸ホウ酸ナトリウムを含み、及び/又は、
前記式2で表される化合物は、テトラフルオロホウ酸リチウム及び/又はテトラフルオロホウ酸ナトリウムを含み、及び/又は、
前記式3で表される化合物は、ジシュウ酸ホウ酸リチウム及び/又はジシュウ酸ホウ酸ナトリウムを含む、
請求項1乃至6のいずれか1項に記載の二次電池。
【請求項8】
前記電解液は、ヘキサフルオロリン酸リチウムLiPF
6、過塩素酸リチウムLiClO
4、ヘキサフルオロヒ酸リチウムLiAsF
6、ビスフルオロスルホニルイミドリチウムLiFSI、ビストリフルオロメタンスルホニルイミドリチウムLiTFSI、トリフルオロメタンスルホン酸リチウムLiTFS、ジフルオロリン酸リチウムLiPO
2F
2、ジフルオロジシュウ酸リン酸リチウムLiDFOP、テトラフルオロシュウ酸リン酸リチウムLiTFOP、ヘキサフルオロリン酸ナトリウムNaPF
6、ビスフルオロスルホニルイミドナトリウムNaFSI、ジフルオロリン酸ナトリウムNaPO
2F
2、ビストリフルオロメタンスルホニルイミドナトリウムNaTFSI及びフルオロスルホン酸ナトリウムNaFSO
3のうちの1種又は複数種をさらに含む、請求項1乃至7のいずれか1項に記載の二次電池。
【請求項9】
前記電解液は、成膜添加剤をさらに含み、前記成膜添加剤は、炭酸エステル系添加剤、硫酸エステル系添加剤、亜硫酸エステル系添加剤、リン酸エステル系添加剤及びポリニトリル系添加剤のうちの1種又は複数種を含み、
選択可能に、前記電解液の総質量に対する前記成膜添加剤の質量百分率dは、0.5%≦d≦10%を満たし、選択可能に、1%≦d≦6%である、請求項1乃至8のいずれか1項に記載の二次電池。
【請求項10】
前記炭酸エステル系添加剤は、環状炭酸エステル系添加剤及び/又は線状炭酸エステル系添加剤を含み、選択可能に、前記環状炭酸エステル系添加剤は、ビニレンカーボネートVC、フルオロエチレンカーボネートFEC、ジフルオロエチレンカーボネートDFEC、ビニルエチレンカーボネートVEC及びジオクチルカーボネートCCのうちの1種又は複数種を含み、及び/又は、前記線状炭酸エステル系添加剤は、エチルアリルカーボネートAEC、ジフェニルカーボネートDPC、メチルアリルカーボネートPMC及び酢酸ビニルVAのうちの1種又は複数種を含み、及び/又は、
前記硫酸エステル系添加剤は、環状スルホン酸エステル系添加剤及び/又は炭化水素基硫酸エステル系添加剤を含み、選択可能に、前記環状スルホン酸エステル系添加剤は、1,3-プロパンスルトンPS、プロペンスルトンPES、3-フルオロ-1,3-プロパンスルトンFPSのうちの1種又は複数種を含み、及び/又は前記炭化水素基硫酸エステル系添加剤は、硫酸ビニルDTD、硫酸ジエチルDES及び硫酸ジメチルDMSのうちの1種又は複数種を含み、及び/又は、
前記亜硫酸エステル系添加剤は、亜硫酸エチレンES及び/又は亜硫酸ビニルエチレンVESを含み、及び/又は、
前記リン酸エステル系添加剤は、トリス(トリメチルシリル)ホスファート、リン酸トリアリル、リン酸トリメチル及びリン酸トリエチルのうちの1種又は複数種を含み、
前記ポリニトリル系添加剤は、トルエンジイソシアニド、ヘキサメチレンジイソシアニド、アジポニトリル、トリレンジイソシアネート、ヘキサメチレンジイソシアネートのうちの1種又は複数種を含む、請求項9記載の二次電池。
【請求項11】
前記電解液は、有機溶媒をさらに含み、前記有機溶媒は、エチレンカーボネートEC、プロピレンカーボネートPC、エチルメチルカーボネートEMC、ジエチルカーボネートDEC、ジメチルカーボネートDMC、ジプロピルカーボネートDPC、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、ブチレンカーボネートBC、ギ酸メチルMF、酢酸メチルMA、酢酸エチルEA、酢酸プロピルPA、プロピオン酸メチルMP、プロピオン酸エチルEP、プロピオン酸プロピルPP、酪酸メチルMB、酪酸エチルEB、1,4-ブチロラクトンGBL、スルホランSF、ジメチルスルホンMSM、メチルエチルスルホンEMS及びジエチルスルホンESEのうちの1種又は複数種を含む、請求項1乃至10のいずれか1項に記載の二次電池。
【請求項12】
前記正極活物質は、分子式がLiN
ixCo
yM
1-x-yである化合物を含み、式中、Mは、Mn、Fe、Mg、Al、Cu及びTiのうちの1種又は複数種を表し、x≧0.5、0≦y≦0.2、x+y≦1である、請求項1乃至11のいずれか1項に記載の二次電池。
【請求項13】
請求項1乃至12のいずれか1項に記載の二次電池を含む、電池モジュール。
【請求項14】
請求項13に記載の電池モジュールを含む、電池パック。
【請求項15】
請求項1乃至12のいずれか1項に記載の二次電池、請求項13に記載の電池モジュール、又は請求項14に記載の電池パックを含む、電力消費装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本出願は、電池の分野に関し、特に、二次電池、電池モジュール、電池パック及び電力消費装置に関する。
【背景技術】
【0002】
二次電池は、容量が高く、寿命が長いなどの特性を有するため、携帯電話、ノートパソコン、電動バイク、電気自動車、電動飛行機、電動船、電動玩具自動車、電動玩具船、電動玩具飛行機及び電動工具などの電子機器に広く応用されている。
【0003】
電池の応用範囲がますます広くなるにつれて、二次電池の性能に対する要求もますます厳しくなり、例えば、良好なサイクル容量維持率及び低いサイクルDCR増加率を有することが要求されるため、如何にサイクル容量維持率及びサイクルDCR増加率を改善するかも早急に解決すべき問題である。
【発明の概要】
【0004】
本出願は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、二次電池、電池モジュール、電池パック及び電力消費装置を提供することにある。
【0005】
本出願の第1の態様は、正極シートと電解液とを含む二次電池であり、正極シートは正極活物質を含み、電解液はホウ素含有塩を含み、前記ホウ素含有塩は式1で表される化合物、式2で表される化合物及び式3で表される化合物のうちの1種又は複数種を含む、二次電池を提供する。
【0006】
式1~式3において、Mはそれぞれ独立してLi、Na又はKから選択され、電解液の総質量に対するホウ素含有塩の質量百分率をA%とし、正極活物質の金属リチウムに対する上限電位をV1(V)とし、二次電池は、0<A/(V1-4.1)≦4、且つV1>4.1を満たし、選択可能に、0<A/(V1-4.1)≦3を満たす。
【0007】
上記技術案において、本出願の二次電池は上記式の範囲を満たし、高電圧システムにおいて、ホウ素含有塩は正極活物質の表面に緻密で安定なCEI膜を形成することができ、正極活物質に対して良好な保護作用を果たし、正極活物質と電解液とが接触して副反応が発生するリスクを低減することができる。これにより、正極活物質中の遷移金属が酸化還元反応を発生しにくく、正極活物質中にカチオンミキシングが発生しにくく、金属イオンの脱離に有利である。これにより、正極活物質の容量の発揮と構造の安定性を確保し、二次電池のサイクル容量維持率を向上させる。正極活物質及び電解液は酸素ガスなどの副生成物が発生する副反応を起こすにくく、二次電池は充放電サイクル中に二次電池内の電圧が正常状態にあることを確保し、二次電池の安全性能を確保することができる。また、サイクル過程における二次電池のサイクルDCR増加率を改善することもできる。
【0008】
任意の実施形態では、4.1<V1≦4.6である。金属リチウムに対する正極活物質の上限電位V1が相対的に高く、高電圧システムでの充放電に適用している。また、上記正極活物質とホウ素含有塩とを組み合わせて使用することにより、ホウ素含有塩が正極活物質の表面を十分に保護することができるため、これにより正極活物質の高電圧システムでの構造安定性を確保する。
【0009】
任意の実施形態では、二次電池は負極シートをさらに含み、負極シートは負極活物質を含み、金属リチウムに対する負極活物質の上限電位をV2(V)とし、二次電池は、0<A×V2≦1.2を満たし、選択可能に、0<A×V2≦1を満たす。ホウ素塩は、比較的高い還元電位を有し、同様に陽極成膜に関与し、緻密度が高く、安定なSEI膜を形成することができる。SEI膜は、負極活物質の表面に十分な保護を形成して、負極活物質と電解液とが接触して副反応が発生するリスクを低減させることができるため、電解液中の有機溶媒が還元されるリスクを緩和して、二次電池のサイクル安定性をさらに改善することができる。
【0010】
任意の実施形態では、0.02≦V2≦2.5であり、選択可能に、0.1≦V2≦2である。上記負極活物質は高電圧システムでの充放電に適用され、且つ上記負極活物質とホウ素含有塩とを組み合わせて使用することにより、ホウ素含有塩は正極活物質の表面を十分に保護することができるため、正極活物質の高電圧システムでの構造安定性を確保する。
【0011】
任意の実施形態では、負極活物質は、人造黒鉛、天然黒鉛、ソフトカーボン、ハードカーボン及びケイ素系材料から選択される少なくとも1種を含む。
【0012】
任意の実施形態では、0<A≦2である。ホウ素含有塩が上記範囲にあると、正極活物質の表面に緻密で安定なCEI膜を形成することができるため、正極活物質を十分に保護し、正極活物質の構造安定性を向上させて、二次電池のサイクル安定性を確保することができる。また、ホウ素含有塩は、負極活物質の表面にSEI膜を形成し、負極活物質に対する保護作用を向上させることもできる。
【0013】
任意の実施形態では、ホウ素含有塩は、式1で表される化合物、式2で表される化合物及び式3で表される化合物を含み、選択可能に、式1で表される化合物は、ジフルオロシュウ酸ホウ酸リチウム及び/又はジフルオロシュウ酸ホウ酸ナトリウムを含み、及び/又は、式2で表される化合物はテトラフルオロホウ酸リチウム及び/又はテトラフルオロホウ酸ナトリウムを含み、及び/又は、式3で表される化合物はジシュウ酸ホウ酸リチウム及び/又はジシュウ酸ホウ酸ナトリウムを含む。
【0014】
任意の実施形態では、電解液は、ヘキサフルオロリン酸リチウムLiPF6、過塩素酸リチウムLiClO4、ヘキサフルオロヒ酸リチウムLiAsF6、ビスフルオロスルホニルイミドリチウムLiFSI、ビストリフルオロメタンスルホニルイミドリチウムLiTFSI、トリフルオロメタンスルホン酸リチウムLiTFS、ジフルオロリン酸リチウムLiPO2F2、ジフルオロジシュウ酸リン酸リチウムLiDFOP、テトラフルオロシュウ酸リン酸リチウムLiTFOP、ヘキサフルオロリン酸ナトリウムNaPF6、ビスフルオロスルホニルイミドナトリウムNaFSI、ジフルオロリン酸ナトリウムNaPO2F2、ビストリフルオロメタンスルホニルイミドナトリウムNaTFSI及びフルオロスルホン酸ナトリウムNaFSO3のうちの1種又は複数種をさらに含む。上記リチウム塩とホウ素含有塩とを組み合わせて使用することにより、電解液の電導度を改善することができる。
【0015】
任意の実施形態では、電解液は、成膜添加剤をさらに含む。成膜添加剤は、炭酸エステル系添加剤、硫酸エステル系添加剤、亜硫酸エステル系添加剤、リン酸エステル系添加剤及びポリニトリル系添加剤のうちの1種又は複数種を含む。選択可能に、電解液の総質量に対する成膜添加剤の質量百分率dは、0.5%≦d≦10%を満たし、選択可能に、1%≦d≦6%を満たす。負極成膜添加剤は、負極活物質の表面にSEI膜を形成することができ、また、複数の組成が共にSEI膜の表面に成膜してSEI膜を豊富にし、且つSEI膜の構造安定性を向上させることができる。
【0016】
任意の実施形態では、環状炭酸エステル系添加剤は、環状炭酸エステル系添加剤及び/又は線状炭酸エステル系添加剤を含む。選択可能に、環状炭酸エステル系添加剤は、ビニレンカーボネートVC、フルオロエチレンカーボネートFEC、ジフルオロエチレンカーボネートDFEC、ビニルエチレンカーボネートVEC及びジオクチルカーボネートCCのうちの1種又は複数種を含み、及び/又は、線状炭酸エステル系添加剤は、エチルアリルカーボネートAEC、ジフェニルカーボネートDPC、メチルアリルカーボネートPMC及び酢酸ビニルVAのうちの1種又は複数種を含む。
【0017】
任意の実施形態では、硫酸エステル系添加剤は、環状スルホン酸エステル系添加剤及び/又は炭化水素基硫酸エステル系添加剤を含む。選択可能に、環状スルホン酸エステル系添加剤は、1,3-プロパンスルトンPS、プロペンスルトンPES、3-フルオロ-1,3-プロパンスルトンFPSのうちの1種又は複数種を含む。
【0018】
任意の実施形態では、炭化水素基硫酸エステル系添加剤は、硫酸ビニルDTD、硫酸ジエチルDES、及び硫酸ジメチルDMSのうちの1種又は複数種を含み、及び/又は亜硫酸エステル系添加剤は、亜硫酸エチレンES及び/又は亜硫酸ビニルエチレンVESを含む。
【0019】
任意の実施形態では、リン酸エステル系添加剤は、トリス(トリメチルシリル)ホスファート、リン酸トリアリル、リン酸トリメチル及びリン酸トリエチルのうちの1種又は2種以上を含む。
【0020】
任意の実施形態では、ポリニトリル系添加剤は、トルエンジイソシアニド、ヘキサメチレンジイソシアニド、アジポニトリル、トリレンジイソシアネート、ヘキサメチレンジイソシアネートのうちの1種又は複数種を含む。
【0021】
任意の実施形態では、電解液は、有機溶媒をさらに含む。有機溶媒は、エチレンカーボネートEC、プロピレンカーボネートPC、エチルメチルカーボネートEMC、ジエチルカーボネートDEC、ジメチルカーボネートDMC、ジプロピルカーボネートDPC、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、ブチレンカーボネートBC、ギ酸メチルMF、酢酸メチルMA、酢酸エチルEA、酢酸プロピルPA、プロピオン酸メチルMP、プロピオン酸エチルEP、プロピオン酸プロピルPP、酪酸メチルMB、酪酸エチルEB、1,4-ブチロラクトンGBL、スルホランSF、ジメチルスルホンMSM、メチルエチルスルホンEMS及びジエチルスルホンESEのうちの1種又は複数種を含む。
【0022】
任意の実施形態では、正極活物質は、分子式がLiNixCoyM1-x-yである化合物を含み、式の中で、MはMn、Fe、Mg、Al、Cu及びTiのうちの1種又は複数種を表し、x≧0.5、0≦y≦0.2、x+y≦1である。
【0023】
本出願の第2の態様は、本出願の第1態様のいずれか1つの実施形態に係る二次電池を含む電池モジュールをさらに提供する。
【0024】
本出願の第3の態様は、本出願の第2の態様の実施形態に係る電池モジュールを含む電池パックをさらに提供する。
【0025】
本出願の第4の態様は、本出願の第1の態様のいずれか1つの実施形態に係る二次電池、本出願の第2の態様の実施形態に係る電池モジュール、又は本出願の第3の態様の実施形態に係る電池パックを含む電力消費装置をさらに提供する。
【図面の簡単な説明】
【0026】
本出願の実施例の技術案をより明確に説明するために、以下、本出願の実施例において使用される必要がある図面を簡単に説明し、明らかに、以下に説明される図面は本出願のいくつかの実施例に過ぎず、当業者にとって、創造的な労働をせずに、図面に基づいて他の図面を得ることもできる。
【
図1】本出願の二次電池の一つの実施形態の模式図である。
【
図3】本出願の電池モジュールの一つの実施形態の模式図である。
【
図4】本出願の電池パックの一つの実施形態の模式図である。
【
図5】
図4に示す電池パックの実施形態の分解模式図である。
【
図6】本出願の二次電池を電源として含む電力消費装置の一つの実施形態の模式図である。 図面は必ずしも実際の比率で描かれていない。 符号の説明は以下の通りである。1、電池パック; 2、上部筐体; 3、下部筐体; 4、電池モジュール; 5、二次電池; 51、ケース; 52、電極アセンブリ;53、カバープレート;6、電力消費装置
【発明を実施するための形態】
【0027】
以下、本出願の二次電池、電池モジュール、電池パック及び電力消費装置を具体的に開示した実施形態について詳細に説明する。しかし、必要でない詳細な説明を省略する場合がある。例えば、既知の事項の詳細な説明や、実質的に同一の構成の重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が必要でなく冗長になることを避け、当業者の理解を容易にするためである。なお、添付図面及び以下の説明は、当業者が本出願を十分に理解するために提供されるものであり、特許請求の範囲に記載された主題を限定することを意図するものではない。
【0028】
本出願において開示される「範囲」は、下限及び上限の形式で規定され、所定範囲は、1つの下限及び1つの上限を選定することによって規定され、選定された下限及び上限は、特別な範囲の境界を限定している。このように限定される範囲は、端値を含む又は端値を含まない範囲であってもよく、任意に組み合わせてもよく、即ち、任意の下限は任意の上限と組み合わせて範囲を形成してもよい。例えば、特定のパラメータに対して60―120及び80―110の範囲を挙げられると、60―110及び80~120の範囲も予想されると理解される。また、最小範囲値1及び2と、最大範囲値3、4及び5が挙げられた場合、1―3、1―4、1―5、2―3、2―4及び2―5の範囲は、全て予想されてもよい。本出願において、他の説明がない限り、数値範囲「a―b」は、aからbの間の任意の実数の組み合わせの略語で表され、a及びbはいずれも実数である。例えば、数値範囲「0―5」は、本明細書において全て「0―5」の間の全ての実数を挙げることを示し、「0―5」は、これらの数値の組合せの略語である。また、あるパラメータが2以上(≧2)の整数であると表記すると、当該パラメータが、例えば、整数2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12等であることを開示することに相当している。
【0029】
特に説明しない限り、本出願の全ての実施形態及び選択可能な実施形態は、互いに組み合わせて新しい技術案を形成することができる。特に説明しない限り、本出願の全ての技術的特徴及び選択可能な技術的特徴は、互いに組み合わせて新しい技術的解決策を形成することができる。
【0030】
特に説明がない限り、本出願のすべての工程は、順に行われてもよいし、ランダムに行われてもよいが、順に行われることが好ましい。例えば、上記方法が工程(a)及び(b)を含むことは、上記方法が順に行われる工程(a)及び(b)を含むことであってもよく、順に行われる工程(b)及び(a)を含むことであってもよいことを表す。例えば、上記方法が工程(c)をさらに含んでもよいと言及する場合、工程(c)は、任意の順序で上記方法に加えられてもよいことを表す。例えば、上記方法は、工程(a)、(b)及び(c)を含んでもよく、工程(a)、(c)及び(b)を含んでもよく、工程(c)、(a)及び(b)等を含んでもよい。
【0031】
特に説明がない限り、本出願に記載されている「備える」及び「含む」は、開放式であることを意味し、また、閉鎖式であってもよい。例えば、上記の「備える」及び上記「含む」は、挙げられていない他の成分をさらに「備える」又は「含む」こと、又は挙げられている成分のみを「備える」又は「含む」ことを表すことができる。
【0032】
特に説明がない限り、本出願において、用語「又は」は包括的なものである。例えば、「A又はB」という語句は、「A、B、又はAとBの両方」を表す。より具体的には、以下のいずれの条件も満たされる。Aが真(又は存在)であり且つBが偽(又は存在しない)であり、Aが偽(又は存在しない)であり且つBが真(又は存在する)であり、又はAとBの両方が真である(又は存在する)。
【0033】
本出願において、用語「複数」、「複数種」は、2つ以上を指す。
【0034】
本出願において、二次電池は、リチウムイオン電池、リチウム硫黄電池、ナトリウムリチウムイオン電池、ナトリウムイオン電池又はマグネシウムイオン電池などを含むことができ、本出願の実施例はこれを限定しない。
【0035】
二次電池の応用及び普及に伴い、その総合性能はますます注目されている。二次電池をリチウムイオン電池として例を挙げて説明すると、正極活物質はリチウム挿入化合物及び活性リチウムイオンを提供する一方として、その材料構造の安定性はリチウムイオン電池の全体性能に直接影響する。高電圧での正極活物質は、二次電池の充電中に大量のリチウムが脱離するため、正極活物質中の高価な遷移金属、例えばCo4+、Ni4+の含有量が極めて高い。高酸化状態の遷移金属は、電解質によって還元されやすく、低原子価の遷移金属を生成するが、このような遷移金属は、カチオンミキシングが発生してリチウムサイトを占有し、放電中に一部のリチウムイオンがリチウムサイトに戻ることができず、正極活物質の容量の損失を引き起こす可能性がある。同時に、正極活物質の結晶格子表面の酸素は、不安定であるため、電解質に奪われやすく、電解質と副反応を起こしたり、酸素ガスの形で放出されたりし、また、酸素と電解質とが反応するため、結晶格子表面に酸素空孔が残り、遷移金属が不安定になり、移動する可能性があるため、正極活物質が相転移し、陰極表面のLi+の移動が阻害され、抵抗が増加する。表面の相転移は、電圧の上昇に伴って進行し、正極活物質の表面活性がより高く、電解液との副反応が激しくなり、容量損失を加速して、サイクル容量維持率を深刻に悪化させる。
【0036】
そこで、発明者らは、高電圧システムで電解液の組成を改進して電解液と正極活物質との相関関係を求めることにより、二次電池のサイクル容量維持率及び陰極表面のLi+移動の動力学的性能を向上させることを考えた。次に、二次電池の具体的態様について説明する。
二次電池
【0037】
第1の態様によれば、本出願は、二次電池を提供する。二次電池は、充電電池又は蓄電池とも呼ばれ、電池の放電後に充電により活物質を活性化させて使用し続けることができる電池をいう。
【0038】
二次電池は正極シートと電解液を含み、正極シートは正極活物質を含み、電解液はホウ素含有塩を含み、ホウ素含有塩は式1で表される化合物、式2で表される化合物及び式3で表される化合物のうちの1種又は複数種を含む。
【0039】
式1~式3において、Mはそれぞれ独立してLi、Na又はKから選択され、電解液の総質量に対するホウ素含有塩の質量百分率をA%とし、正極活物質の金属リチウムに対する上限電位をV1(V)とし、二次電池は、0<A/(V1-4.1)≦4、且つV1>4.1を満たし、選択可能に、0<A/(V1-4.1)≦3を満たす。
【0040】
メカニズムは明確ではないが、本出願に係る二次電池は、二次電池のサイクル寿命、安全性能及び容量の改善を両立させることができる。発明者らは、本出願の反応原理を以下のように推測した。
【0041】
ホウ素含有塩は、B原子を中心原子とする塩として、アルコキシ基、o-ジフェノール、o-ヒドロキシ基、カルボン酸などに配位してアニオン錯体を形成することができる。アニオン錯体は、主に非局在化π共役(delocalized π bond)構造であり、中心イオンの負電荷分布が比較的に分散し、その電荷が非局在化であり、また、アニオン半径が大きく、アニオンが有機溶媒で金属イオン、例えばリチウムイオン、ナトリウムイオン又はカリウムイオンと結合力の強いイオン対を形成しにくいため、その溶解性が比較的に良好である。アニオン錯体において電子吸引基が多いほど、アニオン構造が安定になり、電解液で金属イオンの溶解度が高いほど、電解液の導電率の改善に有利である。また、ホウ素含有塩は、正極活物質の表面に性能に優れた正極固体電解質界面膜(Catheode Electrolyte Interphase:CEI膜)を形成することができる。CEI膜は有機溶媒に対して不溶性を有し、有機電解液中に安定に存在することができ、電解液中の溶媒分子が正極活物質に挿入されることを効果的に低減することができるため、これにより正極活物質の構造安定性を確保し、二次電池のサイクル寿命を改善することができる。また、ホウ素含有塩は、負極活物質の表面に性能に優れた固体電解質界面膜(Solid Electrolyte Interface:SEI膜)を形成し、負極活物質に対して良好な保護作用を果たすことができるため、負極活物質の構造安定性を確保し、二次電池のサイクル性能をさらに改善することができる。
【0042】
Mをリチウム元素として例を挙げて説明すると、ホウ素含有リチウム塩は、テトラフルオロホウ酸リチウム(LiBF4)、ジシュウ酸ホウ酸リチウム(LiB(C2O4)2、LiBOBと略称)及びジフルオロシュウ酸ホウ酸リチウム(LiC2O4F2、LiDFOBと略称)のうちの1種又は複数種を含んでもよい。さらに、ホウ素含有リチウム塩は、テトラフルオロホウ酸リチウムLiBF4、ジシュウ酸ホウ酸リチウム(LiB(C2O4)2、LiBOBと略称)、及びジフルオロシュウ酸ホウ酸リチウム(LiC2O4F2、LiDFOBと略称)の組成物を含む。
【0043】
式1で表される化合物及び式3で表される化合物のいずれか一方は、正極シートにおける正極集電体に対する不動態化作用を有し、正極集電体との副反応による正極集電体の腐食のリスクを低減させて、正極シートの構造安定性を向上させることができる。また、式1で表される化合物及び式3で表される化合物のいずれかを含む電解液は、酸性物質が発生しにくく、正極集電体が腐食されるリスクをさらに低減することができるため、正極シートの全体に対して良好な保護作用を果たし、二次電池のサイクル安定性を確保して、二次電池のサイクル寿命を改善する。式1で表される化合物及び式3で表される化合物のいずれかと正極活物質との相溶性がよく、リチウムイオンの移動に有利であるため、二次電池の容量発揮を確保することができる。
【0044】
式2で表される化合物が電解液中の有機溶媒、例えば炭酸エステル系溶媒又は添加剤と組み合わせて使用される場合、式2で表される化合物からなるシステムの粘度が低く、金属イオンの放出に有利であり、電解液中の導電率を向上させる。式2で表される化合物から形成されたCEI膜は、厚さが比較的均一であり、動力学的活性が良好であり、二次電池における電荷の移動抵抗が小さく、これにより、二次電池の低温性能及びサイクルDCR増加率を顕著に改善することができる。これにより、二次電池の陰極表面におけるリチウムイオン移動の動力学的性能を改善し、CEI膜は熱分解しにくく、その高温での性能が比較的安定であるため、二次電池の高温性能を顕著に改善することができる。
【0045】
いくつかの実施形態では、式1~式3で表される化合物は、共に組み合わせて使用され、三者によって形成されたCEI膜の構成成分が多く、CEI膜の構造がより安定であり、また、構造の安定性を確保した上で、CEI膜による正極活物質の良好な保護を確保することができる。
【0046】
本出願の実施例において、二次電池は上記式の範囲を満たし、高電圧システムで、ホウ素含有塩は正極活物質の表面に緻密で安定なCEI膜を形成することができ、正極活物質に対して良好な保護作用を果たし、正極活物質と電解液とが接触して副反応が発生するリスクを低減することができ、これにより正極活物質における遷移金属が酸化還元反応を発生しにくく、正極活物質においてカチオンミキシングが発生しにくく、金属イオンの挿入/脱離に有利であり、これにより正極活物質の容量の発揮と構造の安定性を確保し、二次電池のサイクル容量維持率を向上させる。二次電池は、正極活物質と電解液との間に酸素ガスなどの副生成物が生成する副反応を起こすにくく、充放電サイクル中に二次電池内の電圧が正常状態にあることを確保し、二次電池の安全性能を確保することができる。
【0047】
本出願の二次電池がリチウムイオン電池である場合、ホウ素含有塩は、ホウ素含有リチウム塩として選択されてもよく、例えば、ホウ素含有リチウム塩は、テトラフルオロホウ酸リチウムLiBF4、ジシュウ酸ホウ酸リチウム(LiB(C2O4)2、LiBOBと略称)及びジフルオロシュウ酸ホウ酸リチウム(LiC2O4F2、LiDFOBと略称)のうちの1種又は複数種を含んでもよい。さらに、ホウ素含有リチウム塩は、テトラフルオロホウ酸リチウムLiBF4、ジシュウ酸ホウ酸リチウムLiBOB及びジフルオロシュウ酸ホウ酸リチウムLiDFOBの組成物を含む。もちろん、二次電池がリチウムイオン電池である場合、ホウ素含有塩は、ホウ素含有ナトリウム塩、ホウ素含有カリウム塩などとしてもよい。二次電池がナトリウムイオン電池である場合、ホウ素含有塩としてナトリウム塩等を選択してもよく、ホウ素含有リチウム塩、ホウ素含有カリウム塩等を選択してもよい。選択可能に、0<A/(V1-4.1)≦3であり、例示的に、0<A/(V1-4.1)≦0.1、0<A/(V1-4.1)≦0.2、0<A/(V1-4.1)≦0.5、0<A/(V1-4.1)≦1、0<A/(V1-4.1)≦1.5、0<A/(V1-4.1)≦2、0<A/(V1-4.1)≦2.5、0<A/(V1-4.1)≦3、0<A/(V1-4.1)≦3.5又は0<A/(V1-4.1)≦4である。
【0048】
いくつかの実施形態では、V1>4.1である。
【0049】
金属リチウムに対する正極活物質の上限電位V1が相対的に高く、高電圧システムでの充放電に適用し、且つ上記正極活物質とホウ素含有塩とを組み合わせて使用することにより、ホウ素含有塩が正極活物質の表面を十分に保護することができるため、正極活物質の高電圧システムでの構造安定性を確保する。選択可能に、4.1≦V1≦4.6であり、例示的に、金属リチウムに対する正極活物質の上限電位V1(V)は、4.1V、4.2V、4.3V、4.4V、4.5V又は4.6Vであってもよく、又は上記のいずれか2つの数値組成の範囲内であってもよい。
【0050】
正極活物質の金属リチウムに対する上限電位V1は、正極活物質と金属リチウムの電位の差と考えることができる。正極活物質の上限電位V1は、本分野の公知の試験方法及び試験機器を用いて測定することができる。具体的な試験過程として、正極活物質粉末とSP及びPVDFとを90:5:5の配合で混合して撹拌し、厚さ13μmのAl箔に均一に塗布した後、圧縮して正極膜シートを得て、圧縮密度が3.3-3.6g/cm3で行い、この過程の湿度を<10%に制御する。その後、正極膜シートをオーブン中で100℃で2h乾燥させ、集電前に正極膜シートを105℃/4h/-0.09Mpaの条件で真空乾燥させ、その後、製造された正極膜シートをPRS340/11-119-11ブラウングローブボックス中で膜シート-リチウムシートのCR2430型番のハフコインセルに組み立て、そのうち、電解液として1M LiPF6 EC/EMC/DEC=3/5/2を用い、組み立てられたハフコインセルを3h静置する。試験を25℃で行い、0.5Cを用いて、まず電圧区間2.8-V1で充電してリチウムの脱離を行い、さらに0.1Cを用いて電圧区間V1-2.8の間で放電してリチウムの挿入を行い、充放電のコインセル容量を得る。さらにコインセル容量を正極活物質の質量で割って充放電のグラム容量(1グラムあたりの容量)を得て、金属リチウムに対する正極活物質の上限電位V1は、放電のグラム容量が150~220mAh/gである時の上限電位である。
【0051】
いくつかの実施形態では、0<A≦2である。
【0052】
ホウ素含有塩が上記範囲にあると、正極活物質の表面に緻密で安定なCEI膜を形成することができるため、正極活物質を十分に保護し、正極活物質の構造安定性を向上させて、二次電池のサイクル安定性を確保することができる。また、ホウ素含有塩は、負極活物質の表面にSEI膜を形成し、負極活物質に対する保護作用を向上させることもできる。選択可能に、0<A≦1.5であり、例示的に、ホウ素含有塩の質量百分率A%は、0.1%、0.2%、0.3%、0.5%、0.6%、0.8%、0.9%、1%、1.2%、1.5%、1.8%又は2%であってもよく、又は上記のいずれか2つの数値からなる範囲であってもよい。
【0053】
いくつかの実施形態では、二次電池は負極シートをさらに含み、負極シートは負極活物質を含み、金属リチウムに対する負極活物質の上限電位をV2(V)とし、前記二次電池は0<A×V2≦1.2をさらに満たす。
【0054】
ホウ素含有塩は、高い還元電位を有し、同様に陽極成膜に関与し、緻密度が高く安定なSEI膜を形成することができる。SEI膜は、負極活物質の表面に十分な保護を形成することができ、負極活物質と電解液とが接触して副反応が発生するリスクを低減させて、電解液中の有機溶媒が還元されるリスクを緩和し、二次電池のサイクル安定性をさらに改善することができる。
【0055】
負極活物質のリチウム挿入の深さが深くなると、負極活物質の活性が強くなるほど、電解液が負極活物質の表面で還元されやすくなる。これに鑑みて、本出願の二次電池は、上記関係を満たす場合、ホウ素含有塩の質量百分率が負極活物質の上限電位に伴って増加し、活性が強い負極活物質の表面により緻密で安定なSEI膜を形成し、負極活物質に対する保護を強化し、二次電池のサイクル安定性を向上させ、さらに二次電池のサイクル寿命を改善することができる。
【0056】
いくつかの実施形態では、0.02≦V2≦2.5であり、選択可能に、0.1≦V2≦2である。
【0057】
上記負極活物質は高電圧システムでの充放電に適用され、且つ上記負極活物質とホウ素含有塩とを組み合わせて使用することにより、ホウ素含有塩は正極活物質の表面を十分に保護することができるため、正極活物質の高電圧システムでの構造安定性を確保する。
【0058】
負極活物質の金属リチウムに対する上限電位V2は、負極活物質と金属リチウムの電位の差と考えることができる。負極活物質の上限電位V2は、本分野の公知の試験方法及び試験機器を用いて測定することができる。具体的な試験過程として、負極活物質粉末とSP及びPVDFとを91.6:1.8:6.6の配合で混合して撹拌し、厚さ8μmのCu箔に均一に塗布した後、圧縮して負極膜シートを形成し、圧縮密度を1.4-1.6g/cm3で行い、この過程の湿度を<10%に制御する。その後、負極膜シートをオーブンにおいて100℃で2h乾燥させ、集電前に、負極膜シートを105℃/4h/-0.09Mpaの条件で真空乾燥させ、その後、製造された負極膜シートをPRS340/11-119-11ブラウングローブボックス中で負極膜シート-リチウムシートのCR2430型番のハフコインセルを組み立て、そのうち、電解液は1M LiPF6 EC/EMC/DEC=3/5/2を用い、組み立てられたハフコインセルを5h静置し、試験を25℃で行い、0.05C~0.005V、50uA DC~0.005V、5min静置、10uA DC~0.005V、5min静置、0.1C CC~V2、5min静置の過程により、充電/放電のリチウムの挿入/脱離を行い、充放電のコインセル容量を得る。さらにコインセル容量を負極活物質の質量で割って充放電のグラム容量を得て、金属リチウムに対する負極活物質の上限電位V2は、放電のグラム容量が330~380mAh/gである時の上限電位である。
【0059】
いくつかの実施形態では、Mは、二次電池システムにおいてリチウムイオン又はナトリウムイオンを高めることができるように、Li又はNaから選択され得る。
【0060】
例示的には、式(1)で表される化合物は、ジフルオロシュウ酸ホウ酸リチウム及び/又はジフルオロシュウ酸ホウ酸ナトリウムを含む。
【0061】
例示的には、式2で表される化合物は、テトラフルオロホウ酸リチウム及び/又はテトラフルオロホウ酸ナトリウムを含む。
【0062】
例示的には、式3で表される化合物は、ジシュウ酸ホウ酸リチウム及び/又はジシュウ酸ホウ酸ナトリウムを含む。
【0063】
例として、ホウ素含有リチウム塩は、ジフルオロシュウ酸ホウ酸リチウムLiDFOB、テトラフルオロホウ酸リチウムLiBF4及びジシュウ酸ホウ酸リチウムLiBOBのうちの少なくとも1種を含む。テトラフルオロホウ酸リチウムLiBF4、ジシュウ酸ホウ酸リチウムLiBOB及びジフルオロシュウ酸ホウ酸リチウムLiDFOBを組み合わせて使用することにより、三者は正極活物質の表面にCEI膜を形成することができ、CEI膜は正極活物質の電解質に対する分解を効果的に低減し;三者は負極活物質の表面にSEI膜を形成することもでき、SEI膜はリチウムイオンの輸送を向上させ、電解質の持続的な還元分解を低減することができるため、二次電池のサイクル安定性を改善することができる。
【0064】
いくつかの実施形態では、電解液は、ヘキサフルオロリン酸リチウムLiPF6、過塩素酸リチウムLiClO4、ヘキサフルオロヒ酸リチウムLiAsF6、ビスフルオロスルホニルイミドリチウムLiFSI、ビストリフルオロメタンスルホニルイミドリチウムLiTFSI、トリフルオロメタンスルホン酸リチウムLiTFS、ジフルオロリン酸リチウムLiPO2F2、ジフルオロジシュウ酸リン酸リチウムLiDFOP、テトラフルオロシュウ酸リン酸リチウムLiTFOP、ヘキサフルオロリン酸ナトリウムNaPF6、ビスフルオロスルホニルイミドナトリウムNaFSI、ジフルオロリン酸ナトリウムNaPO2F2、ビストリフルオロメタンスルホニルイミドナトリウムNaTFSI及びフルオロスルホン酸ナトリウムNaFSO3のうちの1種又は複数種の組み合わせをさらに含んでもよい。上記リチウム塩とホウ素含有塩とを組み合わせて使用することにより、電解液の電導度を改善することができる。
【0065】
例として、電解液は、ヘキサフルオロリン酸リチウムLiPF6、テトラフルオロホウ酸リチウムLiBF4、過塩素酸リチウムLiClO4、ヘキサフルオロヒ酸リチウムLiAsF6、ビスフルオロスルホニルイミドリチウムLiFSI、ビストリフルオロメタンスルホニルイミドリチウムLiTFSI、トリフルオロメタンスルホン酸リチウムLiTFS、ジフルオロシュウ酸ホウ酸リチウムLiDFOB、ジシュウ酸ホウ酸リチウムLiBOB、ヘキサフルオロリン酸ナトリウムNaPF6、ビスフルオロスルホニルイミドナトリウムNaFSI、ジフルオロリン酸ナトリウムNaPO2F2、ビストリフルオロメタンスルホニルイミドナトリウムNaTFSI及びフルオロスルホン酸ナトリウムNaFSO3を含んでもよい。
【0066】
いくつかの実施形態では、電解液は、ルイス塩基溶媒をさらに含んでもよい。ルイス塩基は、ホウ素含有塩の解離を促進し、リチウムイオンの放出に寄与し、電解液の導電率を向上させることができる。例として、ルイス塩基溶媒は、ハロゲン原子、アルコキシ基、オレフィン及び芳香族炭化水素のうちの一種又は複数種の基を含む化合物含む。例示的には、ルイス塩基は、リン酸トリメチル等を含んでもよい。
【0067】
いくつかの実施形態では、有機溶媒は、エチレンカーボネートEC、プロピレンカーボネートPC、エチルメチルカーボネートEMC、ジエチルカーボネートDEC、ジメチルカーボネートDMC、ジプロピルカーボネートDPC、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、ブチレンカーボネートBC、ギ酸メチルMF、酢酸メチルMA、酢酸エチルEA、酢酸プロピルPA、プロピオン酸メチルMP、プロピオン酸エチルEP、プロピオン酸プロピルPP、酪酸メチルMB、酪酸エチルEB、1,4-ブチロラクトンGBL、スルホランSF、ジメチルスルホンMSM、メチルエチルスルホンEMS及びジエチルスルホンESEのうちの1種又は複数種の組み合わせをさらに含んでもよい。
【0068】
いくつかの実施形態では、電解液は、成膜添加剤、例えば負極成膜添加剤をさらに含んでもよい。負極成膜添加剤は、炭酸エステル系添加剤、硫酸エステル系添加剤、亜硫酸エステル系添加剤、リン酸エステル系添加剤及びポリニトリル系添加剤のうちの1種又は複数種を含む。負極成膜添加剤は、負極活物質の表面にSEI膜を形成することができ、複数の組成が共にSEI膜の表面にSEI膜を豊富に成膜することができ、SEI膜の構造安定性を向上させる。さらに、負極成膜添加剤は、炭酸エステル系添加剤、硫酸エステル系添加剤、亜硫酸エステル系添加剤、リン酸エステル系添加剤及びポリニトリル系添加剤のうちの少なくとも2種を含み、これにより形成されたSEI膜の組成が豊富であり、その構造安定性がより高い。選択可能に、前記電解液の総質量に対する前記成膜添加剤の質量百分率dは、0.5%≦d≦10%を満たし、選択可能に、1%≦d≦6%である。
【0069】
例として、炭酸エステル系添加剤は、環状炭酸エステル系添加剤及び/又は線状炭酸エステル系添加剤を含む。さらに、前記環状炭酸エステル系添加剤は、ビニレンカーボネートVC、フルオロエチレンカーボネートFEC、ジフルオロエチレンカーボネートDFEC、ビニルエチレンカーボネートVEC及びジオクチルカーボネートCCのうちの1種又は複数種を含む。前記線状炭酸エステル系添加剤は、エチルアリルカーボネートAEC、ジフェニルカーボネートDPC、メチルアリルカーボネートMAC及びポリカーボネートVAのうちの1種又は複数種を含む。
【0070】
例として、硫酸エステル系添加剤は、環状スルホン酸エステル系添加剤及び/又は炭化水素基硫酸エステル系添加剤を含む。さらに、前記環状スルホン酸エステル系添加剤は、1,3-プロパンスルトンPS、プロペンスルトンPES、3-フルオロ-1,3-プロパンスルトンFPSのうちの1種又は複数種を含む。前記炭化水素基硫酸エステル系添加剤は、硫酸ビニルDTD、硫酸ジエチルDES及び硫酸ジメチルDMSのうちの1種又は複数種を含む。
【0071】
例として、亜硫酸エステル系添加剤は、亜硫酸エチレンES及び/又は亜硫酸ビニルエチレンVESを含む。
【0072】
例として、リン酸エステル系添加剤は、例えば、トリス(トリメチルシリル)ホスファート、リン酸トリアリル、リン酸トリメチル及びリン酸トリエチルのうちの1種又は2種以上を含む。
【0073】
例として、ポリニトリル系添加剤は、トルエンジイソシアニド、ヘキサメチレンジイソシアニド、アジポニトリル、トリレンジイソシアネート、ヘキサメチレンジイソシアネートのうちの1種又は複数種を含む。
【0074】
本出願の電解液は、本分野の通常の方法に従って製造することができる。例えば、前記添加剤、前記溶媒、前記電解質塩等を均一に混合して電解液を得ることができる。各物質の添加順序は特に限定されず、例えば、前記添加剤、前記電解質塩等を前記非水溶媒に添加して均一に混合し、非水電解液を得ることができる。
【0075】
本出願において、電解液における各成分及びその含有量は、本分野の既知の方法に従って測定することができる。例えば、ガスクロマトグラフ質量分析法(GC-MS)、イオンクロマトグラフィー(IC)、液体クロマトグラフィー(LC)、核磁気共鳴分光法(NMR)等により測定することができる。
【0076】
なお、本出願の電解液の試験時に、新鮮に調製された電解液を直接取得してもよく、二次電池から電解液を取得してもよい。二次電池から電解液を取得する一つの例示的な方法は、二次電池を放電終止電圧(安全のために、一般的に電池を完全放電状態にする)まで放電した後、遠心処理を行い、その後、適量の遠心処理により得られた液体を非水電解液として取り出すステップを含む。二次電池の注液口から非水電解液を直接取得してもよい。
[正極シート]
【0077】
いくつかの実施形態では、正極シートは、正極集電体と、正極集電体の少なくとも1つの表面に設けられた正極膜層とを含む。例えば、正極集電体は、自己厚さ方向に対向する2つの表面を有し、正極膜層は、正極集電体の対向する2つの表面のいずれか一方又は両方に設けられている。
【0078】
前記正極膜層は正極活物質を含み、前記正極活物質は本分野で公知の二次電池用の正極活物質を採用することができる。例えば、前記正極活物質は、リチウム遷移金属酸化物、オリビン構造のリチウム含有リン酸塩及びそれらの改質化合物のうちの少なくとも1種を含んでいてもよい。リチウム遷移金属酸化物の例としては、リチウムコバルト酸化物、リチウムニッケル酸化物、リチウムマンガン酸化物、リチウムニッケルコバルト酸化物、リチウムマンガンコバルト酸化物、リチウムニッケルマンガン酸化物、リチウムニッケルコバルトマンガン酸化物、リチウムニッケルコバルトアルミニウム酸化物及びそれらの改質化合物のうちの少なくとも1種を含む。オリビン構造のリチウム含有リン酸塩の例としては、リン酸鉄リチウム、リン酸鉄リチウムと炭素との複合材料、リン酸マンガンリチウム、リン酸マンガンリチウムと炭素との複合材料、リン酸マンガン鉄リチウム、リン酸マンガン鉄リチウムと炭素との複合材料、及びこれらの改質化合物の少なくとも1種を含む。本出願はこれらの材料に限定されるものではなく、二次電池正極活物質として用いられる従来公知の他の材料を用いることができる。これらの正極活物質は、1種のみ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。
【0079】
いくつかの実施形態では、正極活物質は、LiNixCoyMnzM1-x-y-zO2又はLiNiaCobAlcN1-a-b-cO2を含み、M及びNは、それぞれ独立して、Co、Ni、Mn、Mg、Cu、Zn、Al、Sn、B、Ga、Cr、Sr、V及びTiから選択されるいずれか1種であり、且つ0≦y≦1、0≦x<1、0≦z≦1、x+y+z≦1、0≦a≦1、0≦b≦1、0≦c≦1、a+b+c≦1である。正極活物質とホウ素含有リチウム塩とを組み合わせて使用することにより、ホウ素含有リチウム塩中のB原子が正極活物質中のO原子と結合しやすくなるため、正極活物質の電荷の移動抵抗が低下し、正極活物質のバルク内でのリチウムイオンの拡散抵抗が低下する。従って、非水電解液に適切な含有量のテトラフルオロホウ酸リチウム及びジフルオロシュウ酸ホウ酸リチウムが含まれる場合、低コバルト又は無コバルトの正極活物質は、顕著に改善されたリチウムイオン拡散速度を有することができ、低コバルト又は無コバルトの正極活物質体のバルク内のリチウムイオンがタイムリーに表面に補充され、低コバルト又は無コバルトの正極活物質の表面にリチウムが過度に脱離されることを回避し、低コバルト又は無コバルトの正極活物質の結晶構造を安定させることができる。低コバルト又は無コバルトの正極活物質の結晶構造がより安定であるため、低コバルト又は無コバルトの正極活物質の表面にリチウムの過度脱離の発生による正極活物質の構造的性質、化学的性質又は電気化学的性質が不安定になるなどの問題、例えば、正極活物質が不可逆的に歪み、格子欠陥が増加する問題の発生確率を大幅に低減することができる。
【0080】
LiNixCoyMnzM1-x-y-zO2又はLiNiaCobAlcN1-a-b-cO2は、本分野の従来の方法に従って製造することができる。例示的な製造方法は、リチウム源、ニッケル源、コバルト源、マンガン源、アルミニウム源、M元素の前駆体、N元素の前駆体を混合した後に焼結して得られる。焼結雰囲気は、酸素を含む雰囲気、例えば、空気雰囲気又は酸素雰囲気であってもよい。焼結雰囲気のO2濃度は、例えば70%-100%である。焼結温度及び焼結時間は、実際の状況に応じて調整することができる。
【0081】
例として、リチウム源は、酸化リチウム(Li2O)、リン酸リチウム(Li3PO4)、リン酸二水素リチウム(LiH2PO4)、酢酸リチウム(CH3COOLi)、水酸化リチウム(LiOH)、炭酸リチウム(Li2CO3)及び硝酸リチウム(LiNO3)のうちの少なくとも1種を含むが、これらに限定されない。例として、ニッケル源は、硫酸ニッケル、硝酸ニッケル、塩化ニッケル、シュウ酸ニッケル及び酢酸ニッケルのうちの少なくとも1種を含むが、これらに限定されない。例として、コバルト源は、硫酸コバルト、硝酸コバルト、塩化コバルト、シュウ酸コバルト及び酢酸コバルトのうちの少なくとも1種を含むが、これらに限定されない。例として、マンガン源は、硫酸マンガン、硝酸マンガン、塩化マンガン、シュウ酸マンガン及び酢酸マンガンのうちの少なくとも1種を含むが、これらに限定されない。例として、アルミニウム源は、硫酸アルミニウム、硝酸アルミニウム、塩化アルミニウム、シュウ酸アルミニウム及び酢酸アルミニウムのうちの少なくとも1種を含むが、これらに限定されない。例として、M元素の前駆体は、M元素の酸化物、硝酸化合物、炭酸化合物、水酸化化合物及び酢酸化合物のうちの少なくとも1種を含むが、これらに限定されない。例として、N元素の前駆体は、フッ化アンモニウム、フッ化リチウム、フッ化水素、塩化アンモニウム、塩化リチウム、塩化水素、硝酸アンモニウム、亜硝酸アンモニウム、炭酸アンモニウム、炭酸水素アンモニウム、リン酸アンモニウム、リン酸、硫酸アンモニウム、硫酸水素アンモニウム、亜硫酸水素アンモニウム、亜硫酸アンモニウム、硫化水素アンモニウム、硫化水素、硫化リチウム、硫化アンモニウム及び単体硫黄のうちの少なくとも1種を含むが、これらに限定されない。
【0082】
いくつかの実施形態では、正極膜層の総質量に対して、分子式がLiNixCoyMnzM1-x-y-zO2又はLiNiaCobAlcN1-a-b-cO2の層状材料の質量百分率は80%-99%である。例えば、分子式がLiNixCoyMnzM1-x-y-zO2又はLiNiaCobAlcN1-a-b-cO2である層状材料の質量百分率は、80%、81%、82%、83%、84%、85%、86%、87%、88%、89%、90%、91%、92%、93%、94%、95%、96%、97%、98%、99%又は以上の任意の数値からなる範囲であってもよい。選択可能に、分子式がLiNixCoyMnzM1-x-y-zO2又はLiNiaCobAlcN1-a-b-cO2である層状材料の質量百分率は、85%-99%、90%-99%、95%-99%、80%-98%、85%-98%、90%-98%、95%-98%、80%-97%、85%-97%、90%-97%又は95%-97%である。
【0083】
いくつかの実施形態では、正極活物質は、分子式がLiNixCoyM1-x-yである化合物を含み、式中、MはMn、Fe、Mg、Al、Cu及びTiのうちの1種又は複数種を表し、x≧0.5、0≦y≦0.2、x+y≦1である。上記正極活物質は、高電圧下で材料表面のリチウム欠乏状態が正極活物質表面の相転移、Li/Niミキシング、酸素放出などを引き起こしやすく、ホウ素含有塩は正極活物質表面を不活性化することができ、且つ金属カチオン、例えばAl3+及びNi2+と結合することができ、Li/Niミキシングを改善し且つアルミニウム箔を不活性化にすることができる。
【0084】
いくつかの実施形態では、正極膜層は、選択可能に正極導電剤をさらに含む。本出願では、正極導電剤の種類は特に限定されない。例示として、正極導電剤は、超伝導性カーボン、導電性グラファイト、アセチレンブラック、カーボンブラック、ケッチェンブラック、カーボンドット、カーボンナノチューブ、グラフェン及びカーボンナノファイバーから選択される1種又は複数種の組み合わせを含む。いくつかの実施形態では、正極膜層の総質量に対する正極導電剤の質量百分率は5%以下である。
【0085】
いくつかの実施形態では、正極膜層は、選択可能に正極バインダーをさらに含む。本出願では、正極バインダーの種類は特に限定されない。例として、正極バインダーは、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)、フッ化ビニリデン-テトラフルオロエチレン-プロピレンの三元共重合体、フッ化ビニリデン-ヘキサフルオロプロピレン-テトラフルオロエチレンの三元共重合体、テトラフルオロエチレン-ヘキサフルオロプロピレンの共重合体及びフッ素含有アクリレート系樹脂から選択される1種又は複数種の組み合わせを含んでもよい。いくつかの実施形態では、正極膜層の総質量に対する正極バインダーの質量百分率は5%以下である。
【0086】
いくつかの実施形態では、正極集電体は、金属箔シート又は複合集電体を用いることができる。金属箔シートの例としては、アルミニウム箔やアルミニウム合金箔を採用することができる。複合集電体は、高分子材料基層と、高分子材料基層の少なくとも1つの表面に形成された金属材料層とを含むことができる。例示として、金属材料は、アルミニウム、アルミニウム合金、ニッケル、ニッケル合金、チタン、チタン合金、銀及び銀合金から選択される1種又は複数種の組み合わせを含むことができ、高分子材料基層は、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリブチレンテレフタレート(PBT)、ポリスチレン(PS)及びポリエチレン(PE)から選択される1種又は複数種の組み合わせを含むことができる。
【0087】
正極膜層は、通常、正極スラリーを正極集電体に塗布し、乾燥、冷間プレスして形成される。正極スラリーは、通常、正極活物質、選択可能な導電剤、選択可能なバインダー及び任意の他の成分を溶媒に分散させ、均一に撹拌して形成される。溶媒は、N-メチルピロリドン(NMP)であってもよいが、これに限定されない。
[負極シート]
【0088】
負極シートは、負極集電体と、負極集電体の少なくとも1つの表面に設けられ、負極活物質を含む負極膜層とを含む。
【0089】
例として、負極集電体は、その厚さ方向に対向する2つの表面を有する。負極膜層は、負極集電体の対向する2つの表面のいずれか一方又は両方に設けられている。
【0090】
いくつかの実施形態では、負極活物質は、本分野で公知の電池用負極活物質を採用することができる。例として、負極活物質は、人造黒鉛、天然黒鉛、ソフトカーボン、ハードカーボン、ケイ素系材料、スズ系材料、チタン酸リチウム及びリチウムアルミニウム合金などのうちの少なくとも1種を含むことができる。前記ケイ素系材料は、ケイ素単体、ケイ素酸素化合物、ケイ素炭素複合物、ケイ素窒素複合物及びケイ素合金から選択される少なくとも1種であってもよい。前記スズ系材料は、スズ単体、スズ酸素化合物及びスズ合金から選択される少なくとも1種であってもよい。しかし、本出願はこれらの材料に限定されず、電池負極活物質として使用可能な他の従来の材料を用いてもよい。これらの負極活物質は、1種のみ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。
【0091】
いくつかの実施形態では、負極膜層は、選択可能に負極バインダーをさらに含む。本出願では、負極バインダーの種類は特に限定されない。例として、負極バインダーは、スチレンブタジエンゴム(SBR)、水溶性不飽和樹脂SR-1B、水性アクリル樹脂(例えば、ポリアクリル酸PAA、ポリメタクリル酸PMAA、ポリアクリル酸ナトリウムPAAS)、ポリアクリルアミド(PAM)、ポリビニルアルコール(PVA)、アルギン酸ナトリウム(SA)及びカルボキシメチルキトサン(CMCS)から選択される1種又は複数種の組み合わせを含んでもよい。いくつかの実施形態では、負極膜層の総質量に対する負極バインダーの質量百分率は5%以下である。
【0092】
いくつかの実施形態では、負極膜層は、選択可能に負極導電剤をさらに含む。本出願では、負極導電剤の種類は特に限定されず、例として、負極導電剤は、超伝導性カーボン、導電性グラファイト、アセチレンブラック、カーボンブラック、ケッチェンブラック、カーボンドット、カーボンナノチューブ、グラフェン及びカーボンナノファイバーから選択される1種又は複数種の組み合わせを含んでもよい。いくつかの実施形態では、負極膜層の総質量に対する負極導電剤の質量百分率は5%以下である。
【0093】
いくつかの実施形態では、負極膜層は、他の助剤をさらに含んでもよい。例として、他の助剤は、増粘剤、例えば、カルボキシメチルセルロースナトリウム(CMC-Na)、PTCサーミスタ材料などを含んでもよい。いくつかの実施形態では、負極膜層の総質量に対する他の助剤の質量百分率は2%以下である。
【0094】
いくつかの実施形態では、負極集電体は、金属箔シート又は複合集電体を用いることができる。金属箔シートの例としては、銅箔や銅合金箔を用いることができる。複合集電体は、高分子材料基層と、高分子材料基層の少なくとも1つの表面に形成された金属材料層とを含むことができる。例示として、金属材料は、銅、銅合金、ニッケル、ニッケル合金、チタン、チタン合金、銀及び銀合金から選択される1種又は複数種の組み合わせを含むことができ、高分子材料基層は、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリブチレンテレフタレート(PBT)、ポリスチレン(PS)及びポリエチレン(PE)から選択される1種又は複数種の組み合わせを含むことができる。
【0095】
負極膜層は、通常、負極スラリーを負極集電体に塗布し、乾燥、冷間プレスして形成される。負極スラリーは、通常、負極活物質、選択可能な導電剤、選択可能なバインダー、選択可能な他の助剤を溶媒に分散させ、均一に撹拌して形成される。溶媒は、N-メチルピロリドン(NMP)又は脱イオン水であってもよいが、これらに限定されない。
【0096】
負極シートは、負極膜層以外の他の付加機能層を排除しない。例えば、いくつかの実施例では、負極シートは、負極膜層の表面を覆う保護層をさらに含む。
[セパレータ]
【0097】
いくつかの実施形態では、二次電池は、セパレータをさらに含む。本出願では、セパレータの種類は特に限定されず、良好な化学的安定性及び機械的安定性を有する任意の公知の多孔質構造セパレータを選択することができる。
【0098】
いくつかの実施形態では、セパレータの材質は、ガラス繊維、不織布、ポリエチレン、ポリプロピレン及びポリフッ化ビニリデンから選択される少なくとも1種であってもよい。セパレータは、単層フィルムであってもよいし、多層複合フィルムであってもよく、特に限定されない。セパレータが多層複合フィルムである場合、各層の材料は同一でも異なっていてもよく、特に限定されない。
【0099】
いくつかの実施形態では、正極シート、負極シート及びセパレータは、巻回プロセス又は積層プロセスによって電極アセンブリに製造することができる。
【0100】
いくつかの実施形態では、二次電池は、外装を有していてもよい。当該外装は、上記電極アセンブリ及び電解質を封止するために用いられる。
【0101】
いくつかの実施形態では、二次電池の外装は、硬質プラスチックケース、アルミニウムケース、スチールケースなどの硬質ケースであってもよい。二次電池の外装はソフトパック、例えば袋状のソフトパックであってもよい。ソフトバッグの材質はプラスチックでもよく、プラスチックとしては、ポリプロピレン、ポリブチレンテレフタレート及びポリブチレンサクシネート等が挙げられることができる。
【0102】
本出願では、二次電池の形状は特に限定されず、円柱形、方形又は他の任意の形状であってもよい。
図1は、一例として方形構造の二次電池5である。
【0103】
いくつかの実施例では、
図1及び
図2に示すように、外装は、ケース51及びカバープレート53を含んでもよい。ケース51は、底板と、底板に接続された側板とを含んでもよく、底板と側板とが囲んで収容キャビティを形成する。ケース51は、収容キャビティに連通する開口を有し、カバープレート53は、収容キャビティを閉塞するように開口を覆設する。正極シート、負極シート及びセパレータは、巻回プロセス又は積層プロセスによって電極アセンブリ52を形成することができる。電極アセンブリ52は、収容キャビティにパッケージングされる。電解液は、電極アセンブリ52に含浸されている。二次電池5に含まれる電極アセンブリ52の数量は、1つ又は複数であってもよく、必要に応じて調整することができる。
【0104】
本出願の二次電池の製造方法は公知である。いくつかの実施例では、正極シート、セパレータ、負極シート及び電解液を組み立てて二次電池を形成することができる。例として、正極シート、セパレータ、負極シートを巻回プロセス又は積層プロセスにより電極アセンブリを形成し、電極アセンブリを外装に置き、乾燥後に電解液を注入し、真空封止、静置、化成、整形などの工程を経て、二次電池を得ることができる。
【0105】
本出願のいくつかの実施例では、本出願に係る二次電池は、電池モジュールに組み立てられてもよく、電池モジュールに含まれる二次電池の数量は複数であってもよく、具体的な数量は、電池モジュールの用途及び容量に応じて調整されてもよい。
【0106】
図3は、一例としての電池モジュール4の模式図である。
図3に示すように、電池モジュール4において、複数の二次電池5は、電池モジュール4の長手方向に沿って順に並んで設けられていてもよい。もちろん、他の任意の方式で配置してもよい。さらに、この複数の二次電池5を締結具により固定してもよい。
【0107】
選択可能に、電池モジュール4は、複数の二次電池5が収容される収容空間を有するハウジングをさらに備えてもよい。
【0108】
いくつかの実施例において、上記電池モジュールは、電池パックに組み立てられてもよく、電池パックに含まれる電池モジュールの数量は、電池パックの用途及び容量に応じて調整することができる。
【0109】
図4及び
図5は、一例としての電池パック1の模式図である。
図4及び
図5に示すように、電池パック1には、電池ボックスと、電池ボックスに設けられた複数の電池モジュール4とが含まれていてもよい。電池ボックスは、上部筐体2と下部筐体3とを含み、上部筐体2は、下部筐体3を覆い、電池モジュール4を収容するための密閉空間を形成する。複数の電池モジュール4は、任意の方式で電池ボックスに配列されてもよい。
電力消費装置
【0110】
第2の態様では、本出願は、本出願に係る二次電池、電池モジュール、及び電池パックのうちの少なくとも1つを含む電力消費装置を提供する。二次電池、電池モジュール及び電池パックは、電力消費装置の電源として使用されてもよいし、電力消費装置のエネルギー貯蔵手段として使用されてもよい。電力消費装置は、携帯機器(例えば、携帯電話、ノートパソコンなど)、電動車両(例えば、純粋な電気自動車、ハイブリッド電気自動車、プラグインハイブリッド電気自動車、電動自転車、電動スクーター、電動ゴルフカート、電動トラックなど)、電車、船舶及び衛星、エネルギー貯蔵システムなどであってもよいが、これらに限定されない。
【0111】
電力消費装置は、その使用ニーズに応じて二次電池、電池モジュール又は電池パックを選択することができる。
【0112】
図6は一例としての電力消費装置の模式図である。当該電力消費装置6は、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、又はプラグインハイブリッド電気自動車等である。当該電力消費装置の高い出力及び高いエネルギー密度に対する要求を満たすために、電池パック1又は電池モジュールを採用することができる。
【0113】
他の例としての電力消費装置は、携帯電話、タブレットコンピュータ、ノートパソコンなどであってもよい。当該電力消費装置は、一般に薄型化が求められており、二次電池を電源として用いることができる。
実施例
【0114】
以下の実施例は、本出願の開示内容をより具体的に説明するものであり、これらの実施例は、本出願の開示内容の範囲内で各種の修正及び変更を行うことが当業者にとって明らかであるため、説明的なものに過ぎない。特に明記しない限り、以下の実施例において記載されている全ての部、百分率、及び比は、質量基準である。実施例において使用されている全ての試薬は、市販されているか、又は従来の方法に従って合成して得られ、さらなる処理を必要とせずに直接使用することができる。実施例において使用されている機器は、いずれも市販されている。
実施例1
1.正極シートの製造
【0115】
正極集電体として厚さ13μmのアルミニウム箔を用いた。
【0116】
正極活物質であるLiNi0.65Co0.07Mn0.28、導電剤であるカーボンブラック、バインダーであるポリフッ化ビニリデン(PVDF)を重量比97.5:1.4:1.1で適量の溶媒であるNMP中で十分に撹拌して混合し、均一な正極スラリーを形成し、正極スラリーを正極集電体であるアルミニウム箔の表面に均一に塗布し、乾燥、冷間プレスした後、正極シートを得た。
2.負極シートの製造
【0117】
負極集電体として厚さ8μmの銅箔を用いた。
【0118】
負極活物質である黒鉛、バインダーであるスチレンブタジエンゴム(SBR)、増粘剤であるカルボキシメチルセルロースナトリウム(CMC-Na)、導電剤であるカーボンブラック(SuperP)を重量比96.2:1.8:1.2:0.8で適量の溶媒で脱イオン水で十分に撹拌混合し、均一な負極スラリーを形成し、負極スラリーを負極集電体である銅箔の表面に均一に塗布し、乾燥、冷間プレスした後、負極シートを得た。
3.セパレータ
【0119】
セパレータとして多孔質ポリエチレン(PE)フィルムを用いた。
4.電解液の調製
【0120】
含水量が10ppm未満の環境下で、非水有機溶媒であるエチレンカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジエチルカーボネートを体積比1:1:1で混合して電解液溶媒を得た後、混合後の溶媒に添加剤等を溶解し、リチウム塩濃度が1mol/Lの電解液を調製した。電解液に含まれる具体的な物質については、下記表に示す。
5.二次電池の製造
【0121】
上記正極シート、セパレータ、負極シートを順に積層し、セパレータが正極シートと負極シートとの間に位置して隔離作用を果たし、次に巻回して電極アセンブリを得る。電極アセンブリを外装ハウジングに置き、乾燥後に電解液を注入し、真空封止、静置、化成、整形などの工程を経て、リチウムイオン電池を得る。
実施例2
実施例2‐1乃至実施例2‐5
【0122】
二次電池は、「ホウ素含有塩」の質量百分率Aを調整した以外、実施例1と類似する方法によって製造され、具体的なパラメータは表1に示す。
比較例
比較例1及び比較例2
二次電池は、「ホウ素含有塩添加剤」の質量百分率A1を調整した以外、実施例1と類似する方法により製造され、具体的なパラメータは表1に示す。
実施例3
実施例3‐1乃至実施例3‐3
【0123】
二次電池は、「正極活物質」の上限電位V1を調整した以外、実施例1と類似する方法で製造され、具体的なパラメータを表1に示す。
実施例4
実施例4‐1乃至実施例4‐5
【0124】
二次電池は、「負極活物質」の上限電位V2を調整した以外、実施例1と類似する方法で製造され、具体的なパラメータは表1に示す。
実施例5
実施例5-1
二次電池は、「正極活物質」の種類を調整した以外、実施例1と類似する方法で製造され、具体的なパラメータは表1に示す。
実施例5-2
【0125】
二次電池は、「負極活物質」の種類を調整した以外は、実施例1と類似する方法で製造され、具体的なパラメータは表1に示す。
【0126】
【表1】
試験部分
1.金属リチウムに対する正極活物質の上限電位V
1の測定方法
【0127】
正極活物質粉末とSP及びPVDFを90:5:5の配合で混合して撹拌し、厚さ13μmのAl箔に均一に塗布した後、圧縮して正極膜シートを得て、圧縮密度が3.3-3.6g/cm3で行い、この過程の湿度を<10%に制御するその後、正極膜シートをオーブン中で100℃で2h乾燥させ、集電前に、正極膜シートを105℃/4h/-0.09Mpaの条件で真空乾燥させ、その後、製造された正極膜シートをPRS340/11-119-11ブラウングローブボックス中で膜シート-リチウムシートのCR2430型番のハフコインセルに組み立て、そのうち、電解液は1M LiPF6 EC/EMC/DEC=3/5/2を採用し、組み立てられたハフコインセルを3h静置し、試験は25℃で行い、0.5Cを採用して、まず電圧区間2.8-V1で充電してリチウムの脱離を行い、さらに0.1Cを用いて電圧区間V1-2.8の間で放電してリチウムの挿入を行い、充放電のコインセル容量を得る。さらにコインセル容量を正極活物質の質量で割って充放電のグラム容量を得て、金属リチウムに対する正極活物質の上限電位V1は、放電のグラム容量が150~220mAh/gである時の上限電位である。
2.金属リチウムに対する負極活物質の上限電位V2の測定方法
【0128】
負極活物質粉末とSP及びPVDFとを91.6:1.8:6.6の配合で混合して撹拌し、厚さ8μmのCu箔に均一に塗布した後、圧縮して負極膜シートを形成し、圧縮密度を1.4-1.6g/cm3で行い、この過程の湿度を<10%に制御する。その後、負極膜シートをオーブンにおいて100℃で2h乾燥させ、集電前に、負極膜シートを105℃/4h/-0.09Mpaの条件で真空乾燥させ、その後、製造された負極膜シートをPRS340/11-119-11ブラウングローブボックス中で負極膜シート-リチウムシートのCR2430型番のハフコインセルを組み立て、そのうち、電解液は1M LiPF6 EC/EMC/DEC=3/5/2を用い、組み立てられたハフコインセルを5h静置し、試験を25℃で行い、0.05C~0.005V、50uA DC~0.005V、5min静置、10uA DC~0.005V、5min静置、0.1C CC~V2、5min静置の過程により、充電/放電のリチウムの挿入/脱離を行い、充放電のコインセル容量を得る。さらにコインセル容量を負極活物質の質量で割って充放電のグラム容量を得て、金属リチウムに対する負極活物質の上限電位V2は、放電のグラム容量が330~380mAh/gである時の上限電位である。
3.二次電池の性能試験
3.1サイクル寿命の測定
【0129】
25℃で二次電池を0.5Cの定電流で4.35Vまで充電し、その後4.33Vの定電圧で電流が0.05Cになるまで充電し、その後1Cの定電流で2.8Vまで放電し、これを一つの充放電サイクルとした。初回放電の容量を100%として、電池の500回サイクルした後の容量維持率を計算した。電池の500回サイクルした後の容量維持率(%)=500回サイクルの放電容量/初回放電の容量×100%。
【0130】
3.2リチウムイオン電池の25℃から500回サイクルしたまでのDCR増加率の性能試験
【0131】
サイクル前の25℃のDCR試験:25℃で、製造された新鮮なコアを0.5Cで4.35Vまで充電し、その後、定電圧で0.05Cまで充電し、このとき、電圧はV1であり、その後、4Cで30s放電し、放電末期の電圧はV2、0.1sごとにサンプリングし、サイクル前のコアの100%SOCでの放電DCR1は(V1-V2)/Iである。
【0132】
サイクル後の25℃のDCR試験:25℃で、上記25℃のサイクル後のコアを0.5Cで4.35Vまで充電し、その後、定電圧で0.05Cまで充電し、このとき、電圧はV3であり、その後、4Cで30s放電し、放電末期の電圧はV4、0.1sごとにサンプリングし、サイクル後のコアの100%SOCでの放電DCR2は(V3-V4)/Iである。
【0133】
DCR増加率:DCR増加率は、(DCR2-DCR1)/DCR1*100%である。
試験結果
【0134】
本出願が二次電池のサイクル寿命、安全性能及び容量の発揮に対する改善作用を表2に示す。
【0135】
【0136】
表2から分かるように、比較例1は、ホウ素含有塩を添加しない場合、正極活物質が電解液と接触して副反応が発生しやすく、正極活物質が破壊され、二次電池のサイクル寿命が悪くなり、その界面抵抗が高い可能性がある。比較例2は、ホウ素含有塩を添加したが、ホウ素含有塩の質量百分率と正極活物質の上限電位との関係がA/(V1-4.1)>4であるため、ホウ素含有塩が正極活物質表面に対して保護作用を果たすことができるもののホウ素含有塩により形成されたCEI膜の抵抗が高くなり、且つホウ素含有塩システムが分解するリスクがあり、システムが不安定になる。
【0137】
実施例1乃至実施例2-5は、ホウ素含有塩の質量百分率及び正極活物質の上限電位が0<A/(V1-4.1)≦4を満たし、特に、0<A/(V1-4.1)≦3を満たすように調整することにより、ホウ素含有塩が正極活物質の表面に緻密で安定なCEI膜を形成して、正極活物質に対して良好な保護作用を果たすことができる。これにより、正極活物質における遷移金属が酸化還元反応を発生しにくく、正極活物質にカチオンミキシングが発生しにくく、金属イオンの脱離に有利であるため、二次電池のサイクル寿命を改善し、また、ホウ素含有塩により形成されたCEI膜の膜厚が緻密で均一であり、その界面抵抗が低くなり、二次電池の動力学的性能の改善に有利である。
【0138】
実施例3-1乃至実施例3-3は、正極活物質の上限電位V1を、特に4.1<V1≦4.6に調整することにより、二次電池のサイクル寿命及びDCR増加率を顕著に改善することができる。
【0139】
実施例4-1乃至実施例4-5は、負極活物質の上限電位V2を、特に0<A×V2≦1.2、0<A×V2≦1に調整することにより、二次電池のサイクル寿命及びDCR増加率を顕著に改善することができる。
【0140】
実施例5-1及び実施例5-2は、それぞれ正極活物質の種類及び負極活物質の種類を調整した結果から分かるように、0<A/(V1-4.1)≦4を満たす場合に、ホウ素含有リチウム塩が正極活物質及び負極活物質を効果的に保護するため、二次電池のサイクル寿命及びDCR増加率を改善できる。
【0141】
以上、好ましい実施例を参照して本出願を説明したが、本出願の範囲を逸脱しない場合、種々の改良が可能であり、又はそのうちの一部の構成要素を等価物で置き換えてもよい。特に、構造的な矛盾がない限り、各実施例に言及された各技術的特徴は任意に組み合わせることができる。本出願は、以上に開示された特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に含まれる全ての態様を含む。
【手続補正書】
【提出日】2024-07-16
【手続補正1】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項1】
二次電池であって、
正極活物質を含む正極シートと、
式1で表される化合物、式2で表される化合物及び式3で表される化合物のうちの1種又は複数種を含むホウ素含有塩を含む電解液と、を含み、
式1~式3中、Mは、それぞれ独立して、Li、Na又はKから選択され、
前記電解液の総質量に対する前記ホウ素含有塩の質量百分率をA%とし、金属リチウムに対する前記正極活物質の上限電位をV
1(V)とし、
0<A/(V
1-4.1)≦4、且つV
1>4.1を満たし、選択可能に、0<A/(V
1-4.1)≦3を満たす、二次電池。
【請求項2】
4.1<V
1≦4.6である、請求項1記載の二次電池。
【請求項3】
前記二次電池は、負極シートをさらに含み、前記負極シートは負極活物質を含み、金属リチウムに対する前記負極活物質の上限電位をV
2(V)とし、
前記二次電池は、0<A×V
2≦1.2を満たし、選択可能に、0<A×V
2≦1を満たす、請求項
1に記載の二次電池。
【請求項4】
0.02≦V
2≦2.5であり、選択可能に、0.1≦V
2≦2である、請求項3記載の二次電池。
【請求項5】
前記負極活物質は、人造黒鉛、天然黒鉛、ソフトカーボン、ハードカーボン及びケイ素系材料から選択される少なくとも1種を含む、請求項
3に記載の二次電池。
【請求項6】
0<A≦2である、請求項
1に記載の二次電池。
【請求項7】
前記ホウ素含有塩は、式1で表される化合物、式2で表される化合物及び式3で表される化合物を含み、
選択可能に、前記式1で表される化合物は、ジフルオロシュウ酸ホウ酸リチウム及び/又はジフルオロシュウ酸ホウ酸ナトリウムを含み、及び/又は、
前記式2で表される化合物は、テトラフルオロホウ酸リチウム及び/又はテトラフルオロホウ酸ナトリウムを含み、及び/又は、
前記式3で表される化合物は、ジシュウ酸ホウ酸リチウム及び/又はジシュウ酸ホウ酸ナトリウムを含む、
請求項
1に記載の二次電池。
【請求項8】
前記電解液は、ヘキサフルオロリン酸リチウムLiPF
6、過塩素酸リチウムLiClO
4、ヘキサフルオロヒ酸リチウムLiAsF
6、ビスフルオロスルホニルイミドリチウムLiFSI、ビストリフルオロメタンスルホニルイミドリチウムLiTFSI、トリフルオロメタンスルホン酸リチウムLiTFS、ジフルオロリン酸リチウムLiPO
2F
2、ジフルオロジシュウ酸リン酸リチウムLiDFOP、テトラフルオロシュウ酸リン酸リチウムLiTFOP、ヘキサフルオロリン酸ナトリウムNaPF
6、ビスフルオロスルホニルイミドナトリウムNaFSI、ジフルオロリン酸ナトリウムNaPO
2F
2、ビストリフルオロメタンスルホニルイミドナトリウムNaTFSI及びフルオロスルホン酸ナトリウムNaFSO
3のうちの1種又は複数種をさらに含む、請求項
1に記載の二次電池。
【請求項9】
前記電解液は、成膜添加剤をさらに含み、前記成膜添加剤は、炭酸エステル系添加剤、硫酸エステル系添加剤、亜硫酸エステル系添加剤、リン酸エステル系添加剤及びポリニトリル系添加剤のうちの1種又は複数種を含み、
選択可能に、前記電解液の総質量に対する前記成膜添加剤の質量百分率dは、0.5%≦d≦10%を満たし、選択可能に、1%≦d≦6%である、請求項
1に記載の二次電池。
【請求項10】
前記炭酸エステル系添加剤は、環状炭酸エステル系添加剤及び/又は線状炭酸エステル系添加剤を含み、選択可能に、前記環状炭酸エステル系添加剤は、ビニレンカーボネートVC、フルオロエチレンカーボネートFEC、ジフルオロエチレンカーボネートDFEC、ビニルエチレンカーボネートVEC及びジオクチルカーボネートCCのうちの1種又は複数種を含み、及び/又は、前記線状炭酸エステル系添加剤は、エチルアリルカーボネートAEC、ジフェニルカーボネートDPC、メチルアリルカーボネー
ト及び
ポリカーボネートPCのうちの1種又は複数種を含み、及び/又は、
前記硫酸エステル系添加剤は、環状スルホン酸エステル系添加剤及び/又は炭化水素基硫酸エステル系添加剤を含み、選択可能に、前記環状スルホン酸エステル系添加剤は、1,3-プロパンスルトンPS、プロペンスルトンPES、3-フルオロ-1,3-プロパンスルトンFPSのうちの1種又は複数種を含み、及び/又は前記炭化水素基硫酸エステル系添加剤は、硫酸ビニルDTD、硫酸ジエチルDES及び硫酸ジメチルDMSのうちの1種又は複数種を含み、及び/又は、
前記亜硫酸エステル系添加剤は、亜硫酸エチレンES及び/又は亜硫酸ビニルエチレンVESを含み、及び/又は、
前記リン酸エステル系添加剤は、トリス(トリメチルシリル)ホスファート、リン酸トリアリル、リン酸トリメチル及びリン酸トリエチルのうちの1種又は複数種を含み、
前記ポリニトリル系添加剤は
、アジポニトリル、トリレンジイソシアネート、ヘキサメチレンジイソシアネートのうちの1種又は複数種を含む、請求項9記載の二次電池。
【請求項11】
前記電解液は、有機溶媒をさらに含み、前記有機溶媒は、エチレンカーボネートEC、プロピレンカーボネートPC、エチルメチルカーボネートEMC、ジエチルカーボネートDEC、ジメチルカーボネートDMC、ジプロピルカーボネートDPC、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、ブチレンカーボネートBC、ギ酸メチルMF、酢酸メチルMA、酢酸エチルEA、酢酸プロピルPA、プロピオン酸メチルMP、プロピオン酸エチルEP、プロピオン酸プロピルPP、酪酸メチルMB、酪酸エチルEB、1,4-ブチロラクトンGBL、スルホランSF、ジメチルスルホンMSM、メチルエチルスルホンEMS及びジエチルスルホンESEのうちの1種又は複数種を含む、請求項
1に記載の二次電池。
【請求項12】
前記正極活物質は、分子式がLiN
ixCo
yM
1-x-yである化合物を含み、式中、Mは、Mn、Fe、Mg、Al、Cu及びTiのうちの1種又は複数種を表し、x≧0.5、0≦y≦0.2、x+y≦1である、請求項
1に記載の二次電池。
【請求項13】
請求項
1に記載の二次電池を含む、電池モジュール。
【請求項14】
請求項13に記載の電池モジュールを含む、電池パック。
【請求項15】
請求項1乃至12のいずれか1項に記載の二次電池、請求項13に記載の電池モジュール、又は請求項14に記載の電池パックを含む、電力消費装置。
【手続補正2】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0016
【補正方法】変更
【補正の内容】
【0016】
任意の実施形態では、環状炭酸エステル系添加剤は、環状炭酸エステル系添加剤及び/又は線状炭酸エステル系添加剤を含む。選択可能に、環状炭酸エステル系添加剤は、ビニレンカーボネートVC、フルオロエチレンカーボネートFEC、ジフルオロエチレンカーボネートDFEC、ビニルエチレンカーボネートVEC及びジオクチルカーボネートCCのうちの1種又は複数種を含み、及び/又は、線状炭酸エステル系添加剤は、エチルアリルカーボネートAEC、ジフェニルカーボネートDPC、メチルアリルカーボネート及びポリカーボネートPCのうちの1種又は複数種を含む。
【手続補正3】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0020
【補正方法】変更
【補正の内容】
【0020】
任意の実施形態では、ポリニトリル系添加剤は、アジポニトリル、トリレンジイソシアネート、ヘキサメチレンジイソシアネートのうちの1種又は複数種を含む。
【手続補正4】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0069
【補正方法】変更
【補正の内容】
【0069】
例として、炭酸エステル系添加剤は、環状炭酸エステル系添加剤及び/又は線状炭酸エステル系添加剤を含む。さらに、前記環状炭酸エステル系添加剤は、ビニレンカーボネートVC、フルオロエチレンカーボネートFEC、ジフルオロエチレンカーボネートDFEC、ビニルエチレンカーボネートVEC及びジオクチルカーボネートCCのうちの1種又は複数種を含む。前記線状炭酸エステル系添加剤は、エチルアリルカーボネートAEC、ジフェニルカーボネートDPC、メチルアリルカーボネート及びポリカーボネートPCのうちの1種又は複数種を含む。
【手続補正5】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0073
【補正方法】変更
【補正の内容】
【0073】
例として、ポリニトリル系添加剤は、アジポニトリル、トリレンジイソシアネート、ヘキサメチレンジイソシアネートのうちの1種又は複数種を含む。
【国際調査報告】