JP2014013704A - リチウム二次電池用非水電解液及びこれを備えたリチウム二次電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明のリチウム二次電池用非水電解液は、正極と負極と非水電解液とを備えるリチウム二次電池用の非水電解液であって、上記非水電解液は、電解質として、一般式(1):MN(R1SO2)(R2SO2)で表されるイミド系アルカリ金属塩(式(1)中、Mはアルカリ金属イオンを表し、R1,R2は独立して、フッ素原子または炭素数1〜6のフルオロアルキル基を表す)と、鎖状カーボネートを含む溶媒と、添加剤としてスルホン酸エステル及び/又はスルホン化合物を有する化合物を含む。
【選択図】図3
Description
一般式(2):M’PFa(CmF2m+1)6-a(0≦a≦6、1≦m≦2)、
一般式(3):M’BFb(CnF2n+1)4-b(0≦b≦4、1≦n≦2)、及び
一般式(4):M’AsF6
(上記式(2)〜(4)中、M’はアルカリ金属イオンを表す。)で表されるフッ素を含有する塩化合物よりなる群から選ばれる少なくとも1種の化合物を含むものであるのが好ましい。フッ素含有塩化合物を使用することにより、非水電解液の安定性が高められ、また、イオン伝導度及び移動度が高められる。
本発明のリチウム二次電池用非水電解液は、電解質として、一般式(1):MN(R1SO2)(R2SO2)で表されるイミド系アルカリ金属塩(式(1)中、Mはアルカリ金属イオンを表し、R1,R2は独立して、フッ素原子または炭素数1〜6のフルオロアルキル基を表す)と、鎖状カーボネートを含む溶媒と、添加剤としてスルホン酸エステル及び/又はスルホン化合物を含むところに特徴を有する。
1−1−1.イミド系アルカリ金属塩
本発明の非水電解液は、一般式(1):MN(R1SO2)(R2SO2)で表されるイミド系アルカリ金属塩(一般式(1)中、Mはアルカリ金属イオンを表す。以下、イミド系アルカリ金属塩(1)と称する)を含む。アルカリ金属イオンとしては、リチウムイオン,ナトリウムイオン,カリウムイオン,ルビジウムイオン,セシウムイオンが好ましく、より好ましくはリチウムイオン,ナトリウムイオン,カリウムイオンであり、さらに好ましくはリチウムイオンである。
本発明の非水電解液は、上記イミド系アルカリ金属塩(1)に加えて、これとは異なる他の電解質を含んでいてもよい。
本発明の非水電解液は、スルホン酸エステル及び/又はスルホン化合物を添加剤として含有する。これらの添加剤を含む非水電解液を備えたリチウムイオン二次電池では、電池作動時にスルホン酸エステル及び/又はスルホン化合物が、集電体表面に形成された酸化皮膜と反応し、正極にスルホン酸エステル及び/又はスルホン化合物に由来する皮膜が形成される。これにより、高電圧下(例えば4V以上)での作動時にも電極の腐食が抑制され、その結果、本発明の非水電解液を備えたリチウム二次電池は、経時的な特性の低下が生じ難いものになると考えられる。
本発明の非水電解液は、上記電解質及び添加剤を溶解させるため溶媒を含んでいる。本発明に係る溶媒としては、鎖状カーボネートを含むものであれば特に限定されない。すなわち、鎖状カーボネートのみからなるものであってもよく、また、鎖状カーボネート以外の溶媒(他の溶媒)を含むものであってもよい。鎖状カーボネートとしては、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジエチルカーボネート等が挙げられる。これらの中でも、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネートが好ましい。
本発明の非水電解液は、上述の電解質や添加剤及び溶媒以外に、サイクル特性の改善や安全性の向上を目的とする他の添加剤を含有していてもよい。
本発明のリチウム二次電池とは、正極と負極とを備え、電解液として、上記本発明のリチウム二次電池用非水電解液を備えているところに特徴を有する。より詳細には、上記正極と負極との間にはセパレータが設けられており、且つ、本発明の非水電解液は、上記セパレータに含浸された状態で、正極、負極等と共に外装ケースに収容されている。
正極は、正極活物質、導電助剤、結着剤及び分散用溶媒等を含む正極活物質組成物が正極集電体に担持されているものであり、通常、シート状に成形されている。
正極集電体の材料としては特に限定されず、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、SUS(ステンレス鋼)、チタン等の導電性金属が使用できる。中でも、薄膜に加工し易く、安価であるという観点からは、アルミニウムが好ましい。
正極活物質としては、リチウムイオンを吸蔵・放出可能であれば良く、リチウム二次電池で使用される従来公知の正極活物質が用いられる。
導電助剤としては、アセチレンブラック、カーボンブラック、グラファイト、金属粉末材料、単層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ、気相法炭素繊維等が挙げられる。
結着剤としては、ポリビニリデンフロライド、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系樹脂;スチレン−ブタジエンゴム、ニトリルブタジエンゴム等の合成ゴム;ポリアミドイミド等のポリアミド系樹脂;ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン系樹脂;ポリ(メタ)アクリル系樹脂;ポリアクリル酸;カルボキシメチルセルロース等のセルロース系樹脂;等が挙げられる。これらの結着剤は単独で使用してもよく、複数種を混合して使用してもよい。また、これらの結着剤は、使用の際に溶媒に溶けた状態であっても、溶媒に分散した状態であっても構わない。
負極は、負極活物質、分散用溶媒、結着剤及び必要に応じて導電助剤等を含む負極活物質組成物が負極集電体に担持されているものであり、通常、シート状に成形されている。
負極集電体の材料としては、銅、鉄、ニッケル、銀、ステンレス鋼(SUS)等の導電性金属を用いることができる。なお、薄膜への加工が容易である観点からは、銅が好ましい。
負極活物質としては、リチウム二次電池で使用される従来公知の負極活物質を用いることができ、リチウムイオンを吸蔵・放出可能なものであればよい。具体的には、人造黒鉛、天然黒鉛等の黒鉛材料、石炭,石油ピッチから作られるメソフェーズ焼成体、難黒鉛化性炭素等の炭素材料、Si、Si合金、SiO等のSi系負極材料、Sn合金等のSn系負極材料、リチウム金属、リチウム−アルミニウム合金等のリチウム合金を用いることができる。
セパレータは正極と負極とを隔てるように配置されるものである。セパレータには、特に制限がなく、本発明では、従来公知のセパレータはいずれも使用することができる。具体的なセパレータとしては、例えば、非水電解液を吸収・保持し得るポリマーからなる多孔性シート(例えば、ポリオレフィン系微多孔質セパレータやセルロース系セパレータなど)、不織布セパレータ、多孔質金属体等が挙げられる。中でも、ポリオレフィン系微多孔質セパレータは、有機溶媒に対して化学的に安定であるという性質を有するため好適である。
正極、負極、セパレータ及び本発明の非水電解液等を備えた電池素子は、電池使用時の外部からの衝撃、環境劣化等から電池素子を保護するため電池外装材に収容される。
エチレンカーボネート(EC)とエチルメチルカーボネート(EMC)とを、3:7(体積比)で混合した非水溶媒に、濃度が1.2mol/Lとなるようにリチウムビス(フルオロスルホニル)イミド(株式会社日本触媒製、イミド系アルカリ金属塩(1))を溶解させた。ついで、この混合液6gに、当該混合溶液中の濃度が2質量%となるように1,3−プロパンサルトン(キシダ化学株式会社製、スルホン酸エステル)0.12gを添加して、非水電解液(1)を調製した。
サイクリックボルタンメトリーは、25℃雰囲気下、3極セルを電極として電気化学計測装置(「HSV−100」、北斗電工社製)を用いて行った。なお、3極セルにおける作用極にはアルミニウム箔(JIS 1N30材、日本製箔株式会社製)を使用し、対極および参照極にはリチウム金属を使用した。
スルホン酸エステルとして1,4−ブタンサルトン(1,4−BS、和光純薬工業株式会社製)を0.12g使用したこと以外は実施例1と同様にして非水電解液(2)を調製し、CV測定を行った。結果を表1に示す。
スルホン酸エステルとしてスルホラン(SF、キシダ化学株式会社製)を0.12g使用したこと以外は実施例1と同様にして非水電解液(3)を調製し、CV測定を行った。結果を表1に示す。
エチレンカーボネート(EC)とエチルメチルカーボネート(EMC)とを、3:7(体積比)で混合した非水溶媒に、上記リチウムビス(フルオロスルホニル)イミドとLiPF6(キシダ化学株式会社製)との濃度がそれぞれ1.0mol/Lと0.2mol/Lとなるように溶解させた。ついで、この混合溶液6gに、当該混合溶液中の濃度が2質量%となるように上記1,3−プロパンサルトン0.12gを添加して、非水電解液(4)を調製し、CV測定を行った。結果を表1に示す。
スルホン酸エステルを使用しなかったこと以外は、実施例1と同様にして非水電解液(5)を調製し、CVの測定を行った。結果を表1に示す。また、CV測定後のアルミニウム箔表面のSEM像を図2に示す。
[電池特性評価]
電池の作製
正極活物質層の面積がφ12mmの市販の正極シート(パイオトレック株式会社製、正極集電体:アルミニウム、活物質:コバルト酸リチウム、初期充電容量:3mAh/cm2)と、負極面積がφ14mmの黒鉛負極シート(パイオトレック株式会社製、負極集電体:銅箔)と、CR2032コイン型電池用部品(宝泉株式会社製)とを用いて、コイン型リチウム電池を作製した。具体的には、ガスケットを装着した負極キャップ、ウェーブワッシャー、スペーサー、負極、セパレータ(ポリエチレン系、旭硝子株式会社製)をこの順に重ねた後、上記非水電解液(1)70μLをセパレータに含浸させた。次いで、正極活物質層形成面が負極活物質層形成面と対向するように正極を載置し、さらにその上に正極ケースを重ね、カシメ機でかしめることによりコイン型リチウム電池(1)を作製した。
非水電解液(5)を用いたこと以外は実施例5と同様にしてコイン型リチウムイオン電池(2)を作製し、サイクル試験を行った。結果を表2に示す。
本発明の非水電解液は、スルホン酸エステル及び/又はスルホン化合物を添加剤として含有する。これらの添加剤を含む非水電解液を備えたリチウムイオン二次電池では、電池作動時にスルホン酸エステル及び/又はスルホン化合物が、集電体表面に形成された酸化皮膜と反応し、正極にスルホン酸エステル及び/又はスルホン化合物に由来する皮膜が形成される。これにより、高電圧下(例えば4V以上)での作動時にも集電体の腐食が抑制され、その結果、本発明の非水電解液を備えたリチウム二次電池は、経時的な特性の低下が生じ難いものになると考えられる。
[電池特性評価]
電池の作製
正極活物質層の面積がφ12mmの市販の正極シート(パイオトレック株式会社製、正極集電体:アルミニウム、活物質:コバルト酸リチウム、初期充電容量:3mAh/cm2)と、負極面積がφ14mmの黒鉛負極シート(パイオトレック株式会社製、負極集電体:銅箔)と、CR2032コイン型電池用部品(宝泉株式会社製)とを用いて、コイン型リチウム電池を作製した。具体的には、ガスケットを装着した負極キャップ、ウェーブワッシャー、スペーサー、負極、セパレータ(ポリエチレン系)をこの順に重ねた後、上記非水電解液(1)70μLをセパレータに含浸させた。次いで、正極活物質層形成面が負極活物質層形成面と対向するように正極を載置し、さらにその上に正極ケースを重ね、カシメ機でかしめることによりコイン型リチウム電池(1)を作製した。
Claims (6)
- 正極と負極と非水電解液とを備えるリチウム二次電池用の非水電解液であって、
上記非水電解液は、電解質として、一般式(1):MN(R1SO2)(R2SO2)で表されるイミド系アルカリ金属塩(式(1)中、Mはアルカリ金属イオンを表し、R1,R2は独立して、フッ素原子または炭素数1〜6のフルオロアルキル基を表す)と、鎖状カーボネートを含む溶媒と、添加剤としてスルホン酸エステル及び/又はスルホン化合物を含むことを特徴とするリチウム二次電池用非水電解液。 - 上記溶媒が、さらに環状カーボネートを含むものである請求項1に記載のリチウム二次電池用非水電解液。
- 上記スルホン酸エステルが、1,3−プロパンサルトンである請求項1又は2に記載のリチウム二次電池用非水電解液。
- 上記非水電解液は、電解質としてさらに、
一般式(2):M’PFa(CmF2m+1)6-a(0≦a≦6、1≦m≦2)、
一般式(3):M’BFb(CnF2n+1)4-b(0≦b≦4、1≦n≦2)、及び
一般式(4):M’AsF6
(上記式(2)〜(4)中、M’はアルカリ金属イオンを表す。)で表されるフッ素を含有する塩化合物よりなる群から選ばれる少なくとも1種の化合物を含むものである請求項1〜3のいずれかに記載のリチウム二次電池用非水電解液。 - 上記一般式(2)で表されるフッ素を含有する塩化合物がLiPF6である請求項4に記載のリチウム二次電池用非水電解液。
- 請求項1〜5のいずれかに記載のリチウム二次電池用非水電解液を備えることを特徴とするリチウム二次電池。
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