以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
(第1の実施の形態)
図1は、本発明の一実施の形態に係る二次電池の断面構造を表すものである。この二次電池は、負極の容量が、電極反応物質であるリチウムの吸蔵および放出による容量成分により表される、いわゆるリチウムイオン二次電池である。この二次電池は、いわゆる円筒型といわれるものであり、ほぼ中空円柱状の電池缶11の内部に、一対の帯状の正極21と負極22とがセパレータ23を介して積層し巻回された巻回電極体20を有している。電池缶11は、例えばニッケル(Ni)のめっきがされた鉄(Fe)により構成されており、一端部が閉鎖され他端部が開放されている。電池缶11の内部には、巻回電極体20を挟むように巻回周面に対して垂直に一対の絶縁板12,13がそれぞれ配置されている。
電池缶11の開放端部には、電池蓋14と、この電池蓋14の内側に設けられた安全弁機構15および熱感抵抗素子(Positive Temperature Coefficient;PTC素子)16とが、ガスケット17を介してかしめられることにより取り付けられており、電池缶11の内部は密閉されている。電池蓋14は、例えば、電池缶11と同様の材料により構成されている。安全弁機構15は、熱感抵抗素子16を介して電池蓋14と電気的に接続されており、内部短絡あるいは外部からの加熱などにより電池の内圧が一定以上となった場合にディスク板15Aが反転して電池蓋14と巻回電極体20との電気的接続を切断するようになっている。熱感抵抗素子16は、温度が上昇すると抵抗値の増大により電流を制限し、大電流による異常な発熱を防止するものである。ガスケット17は、例えば、絶縁材料により構成されており、表面にはアスファルトが塗布されている。
巻回電極体20の中心には、例えば、センターピン24が挿入されている。巻回電極体20の正極21にはアルミニウム(Al)などよりなる正極リード25が接続されており、負極22にはニッケルなどよりなる負極リード26が接続されている。正極リード25は安全弁機構15に溶接されることにより電池蓋14と電気的に接続されており、負極リード26は電池缶11に溶接され電気的に接続されている。
図2は、図1に示した巻回電極体20の一部を拡大して表すものである。正極21は、例えば、対向する一対の面を有する正極集電体21Aと、正極集電体21Aの両面あるいは片面に設けられた正極活物質層21Bとを有している。正極集電体21Aは、例えば、アルミニウム箔,ニッケル箔あるいはステンレス箔などの金属箔により構成されている。正極活物質層21Bは、例えば、正極活物質として、電極反応物質であるリチウムを吸蔵および放出することが可能な正極材料を含んで構成されている。
リチウムを吸蔵および放出することが可能な正極材料としては、例えば、コバルト酸リチウム、ニッケル酸リチウム、あるいはこれらを含む固溶体(Li(Nix Coy Mnz )O2 ))(x,yおよびzの値は0<x<1,0<y<1,0<z<1,x+y+z=1である。)、あるいはマンガンスピネル(LiMn2 O4 )などのリチウム複合酸化物、またはリン酸鉄リチウム(LiFePO4 )などのオリビン構造を有するリン酸化合物が好ましい。高いエネルギー密度を得ることができるからである。また、リチウムを吸蔵および放出することが可能な正極材料としては、例えば、酸化チタン,酸化バナジウムあるいは二酸化マンガンなどの酸化物、二硫化鉄,二硫化チタンあるいは硫化モリブデンなどの二硫化物、ポリアニリンあるいはポリチオフェンなどの導電性高分子も挙げられる。正極材料は1種を単独で用いてもよいが、2種以上を混合して用いてもよい。
正極活物質層21Bは、また、例えば導電剤を含んでおり、必要に応じて更に結着剤を含んでいてもよい。導電剤としては、例えば、黒鉛,カーボンブラックあるいはケッチェンブラックなどの炭素材料が挙げられ、そのうちの1種または2種以上が混合して用いられる。また、炭素材料の他にも、導電性を有する材料であれば金属材料あるいは導電性高分子材料などを用いるようにしてもよい。結着剤としては、例えば、スチレンブタジエン系ゴム,フッ素系ゴムあるいはエチレンプロピレンジエンゴムなどの合成ゴム、またはポリフッ化ビニリデンなどの高分子材料が挙げられ、そのうちの1種または2種以上が混合して用いられる。例えば、図1に示したように正極21および負極22が巻回されている場合には、結着剤として柔軟性に富むスチレンブタジエン系ゴムあるいはフッ素系ゴムなどを用いることが好ましい。
負極22は、例えば、対向する一対の面を有する負極集電体22Aと、負極集電体22Aの両面あるいは片面に設けられた負極活物質層22Bとを有している。
負極集電体22Aは、リチウムと金属間化合物を形成しない金属元素の少なくとも1種を含む金属材料により構成されていることが好ましい。リチウムと金属間化合物を形成すると、充放電に伴い膨張および収縮し、構造破壊が起こって、集電性が低下する他、負極活物質層22Bを支える能力が小さくなるからである。リチウムと金属間化合物を形成しない金属元素としては、例えば、銅(Cu),ニッケル,チタン(Ti),鉄あるいはクロム(Cr)が挙げられる。
負極活物質層22Bは、例えば、負極活物質として、電極反応物質であるリチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料を含んで構成されており、必要に応じてポリフッ化ビニリデンなどの結着剤および導電剤などの他の材料を含んでいてもよい。
なお、この二次電池では、リチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料の充電容量が、正極21の充電容量よりも大きくなっており、充電の途中において負極22にリチウム金属が析出しないようになっている。
リチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料としては、リチウムを吸蔵および放出することが可能であり、金属元素および半金属元素のうちの少なくとも1種を構成元素として含む材料が挙げられる。このような負極材料を用いれば、高いエネルギー密度を得ることができるからである。この負極材料は金属元素あるいは半金属元素の単体でも合金でも化合物でもよく、またこれらの1種または2種以上の相を少なくとも一部に有するようなものでもよい。なお、本発明において、合金には2種以上の金属元素からなるものに加えて、1種以上の金属元素と1種以上の半金属元素とを含むものも含める。また、非金属元素を含んでいてもよい。その組織には固溶体,共晶(共融混合物),金属間化合物あるいはそれらのうちの2種以上が共存するものがある。
この負極材料を構成する金属元素あるいは半金属元素としては、例えば、リチウムと合金を形成可能なマグネシウム(Mg),ホウ素(B),アルミニウム,ガリウム(Ga),インジウム(In),ケイ素,ゲルマニウム(Ge),スズ,鉛(Pb),ビスマス(Bi),カドミウム(Cd),銀(Ag),亜鉛(Zn),ハフニウム(Hf),ジルコニウム(Zr),イットリウム(Y),パラジウム(Pd)あるいは白金(Pt)が挙げられる。これらは結晶質のものでもアモルファスのものでもよい。
中でも、この負極材料としては、短周期型周期表における4B族の金属元素あるいは半金属元素を構成元素として含むものが好ましく、特に好ましいのはケイ素およびスズの少なくとも一方を構成元素として含むものである。ケイ素およびスズは、リチウムを吸蔵および放出する能力が大きく、高いエネルギー密度を得ることができるからである。
また、この負極材料としては、スズと、コバルトと、炭素とを構成元素として含み、炭素の含有量が9.9質量%以上29.7質量%以下であり、かつスズとコバルトとの合計に対するコバルトの割合Co/(Sn+Co)が30質量%以上70質量%以下であるSnCoC含有材料が好ましい。このような組成範囲において高いエネルギー密度を得ることができると共に、優れたサイクル特性を得ることができるからである。
このSnCoC含有材料は、必要に応じて更に他の構成元素を含んでいてもよい。他の構成元素としては、例えば、ケイ素,鉄,ニッケル,クロム,インジウム,ニオブ,ゲルマニウム(Ge),チタン,モリブデン,アルミニウム,リン,ガリウムまたはビスマスが好ましく、2種以上を含んでいてもよい。容量またはサイクル特性を更に向上させることができるからである。
なお、このSnCoC含有材料は、スズと、コバルトと、炭素とを含む相を有しており、この相は結晶性の低いまたは非晶質な構造を有していることが好ましい。また、このSnCoC含有材料では、構成元素である炭素の少なくとも一部が、他の構成元素である金属元素または半金属元素と結合していることが好ましい。サイクル特性の低下はスズなどが凝集あるいは結晶化することによるものであると考えられるが、炭素が他の元素と結合することにより、そのような凝集あるいは結晶化を抑制することができるからである。
元素の結合状態を調べる測定方法としては、例えばX線光電子分光法(X-ray Photoelectron Spectroscopy;XPS)が挙げられる。XPSでは、炭素の1s軌道(C1s)のピークは、グラファイトであれば、金原子の4f軌道(Au4f)のピークが84.0eVに得られるようにエネルギー較正された装置において、284.5eVに現れる。また、表面汚染炭素であれば、284.8eVに現れる。これに対して、炭素元素の電荷密度が高くなる場合、例えば炭素が金属元素または半金属元素と結合している場合には、C1sのピークは、284.5eVよりも低い領域に現れる。すなわち、SnCoC含有材料について得られるC1sの合成波のピークが284.5eVよりも低い領域に現れる場合には、SnCoC含有材料に含まれる炭素の少なくとも一部が他の構成元素である金属元素または半金属元素と結合している。
なお、XPS測定では、スペクトルのエネルギー軸の補正に、例えばC1sのピークを用いる。通常、表面には表面汚染炭素が存在しているので、表面汚染炭素のC1sのピークを284.8eVとし、これをエネルギー基準とする。XPS測定では、C1sのピークの波形は、表面汚染炭素のピークとSnCoC含有材料中の炭素のピークとを含んだ形として得られるので、例えば市販のソフトウエアを用いて解析することにより、表面汚染炭素のピークと、SnCoC含有材料中の炭素のピークとを分離する。波形の解析では、最低束縛エネルギー側に存在する主ピークの位置をエネルギー基準(284.8eV)とする。
このSnCoC含有材料は、例えば各構成元素の原料を混合して電気炉,高周波誘導炉あるいはアーク溶解炉などにより溶解しその後凝固することにより、また、ガスアトマイズあるいは水アトマイズなどの各種アトマイズ法、各種ロール法、またはメカニカルアロイング法あるいはメカニカルミリング法などのメカノケミカル反応を利用した方法により製造することができる。中でも、メカノケミカル反応を利用した方法により製造することが好ましい。SnCoC含有材料を低結晶化あるいは非晶質な構造とすることができるからである。この方法には、例えば、遊星ボールミル装置やアトライター等の製造装置を用いることができる。
なお、負極材料としては、リチウムを吸蔵および放出することが可能な炭素材料を用いてもよく、また、これらの炭素材料と、上述した負極材料とを共に用いるようにしてもよい。炭素材料は、充放電時に生じる結晶構造の変化が非常に少なく、例えば上述した負極材料と共に用いるようにすればようにすれば、高エネルギー密度を得ることができると共に、優れたサイクル特性を得ることができ、更に導電剤としても機能するので好ましい。
このような炭素材料としては、難黒鉛化炭素,易黒鉛化炭素,黒鉛,熱分解炭素類,コークス類,ガラス状炭素類,有機高分子化合物焼成体,活性炭およびカーボンブラックなどの炭素材料のいずれか1種または2種以上を用いることができる。このうち、コークス類には、ピッチコークス,ニードルコークスあるいは石油コークスなどがあり、有機高分子化合物焼成体というのは、フェノール樹脂やフラン樹脂などの高分子化合物を適当な温度で焼成して炭素化したものをいう。
セパレータ23は、正極21と負極22とを隔離し、両極の接触による電流の短絡を防止しつつ、リチウムイオンを通過させるものである。このセパレータ23は、例えば、ポリテトラフルオロエチレン、ポリプロピレンあるいはポリエチレンなどよりなる合成樹脂製の多孔質膜、またはセラミック製の多硬質膜により構成されており、これらの2種以上の多孔質膜を積層した構造とされていてもよい。
セパレータ23には、例えば液状の電解質である電解液が含浸されている。電解液は、例えば、溶媒と、溶媒に溶解された電解質塩とを含んでいる。
溶媒には、比誘電率が30以上の高誘電率溶媒と、粘度が1mPa・s以下の低粘度溶媒とを混合して用いることが好ましい。これにより高いイオン伝導性を得ることができるからである。
高誘電率溶媒としては、例えば、炭酸エチレン,炭酸プロピレン、あるいは炭酸ブチレンなどの環状の炭酸エステル、またはこれらの少なくとも一部の水素をハロゲンで置換したハロゲン原子を有する環状の炭酸エステル誘導体が挙げられる。中でも、ハロゲン原子を有する環状の炭酸エステル誘導体が好ましい。溶媒の分解反応を抑制する効果が高いからである。ハロゲン原子を有する環状の炭酸エステル誘導体について具体的に例を挙げれば、化3(1)に示した4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オン、化3(2)に示した4−クロロ−1,3−ジオキソラン−2−オン、化3(3)に示した4−フルオロ−4−メチル−1,3−ジオキソラン−2−オン、化3(4)に示したトランス−4−フルオロ−5−メチル−1,3−ジオキソラン−2−オン、化3(5)に示したシス−4−フルオロ−5−メチル−1,3−ジオキソラン−2−オン、化3(6)に示した4−トリフルオロメチル−1,3−ジオキソラン−2−オンなどが挙げられ、中でも、4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンが好ましい。より高い効果を得ることができるからである。
高誘電率溶媒としては、また、1,3−ジオキソール−2−オン,あるいは4−ビニル−1,3−ジオキソラン−2−オンなどの不飽和化合物の環状の炭酸エステルが好ましく挙げられ、中でも1,3−ジオキソール−2−オンがより好ましい。溶媒の分解反応を抑制することができるからである。
高誘電率溶媒としては、更にまた、例えば、γ−ブチロラクトンあるいはγ−バレロラクトンなどのラクトン、N−メチルピロリドンなどのラクタム、N−メチルオキサゾリジノンなどの環状のカルバミン酸エステル、またはテトラメチレンスルホンなどのスルホン化合物も挙げられる。高誘電率溶媒は1種を単独で用いてもよいし、2種以上を混合して用いてもよい。
低粘度溶媒としては、化4に示した構造を有する化合物を用いることが好ましい。ハロゲン原子が電子吸引力を有しているので、負極22において、構造中のC−O−C結合が解烈し難くなると考えられるからである。特に、負極22に、リチウムを吸蔵および放出することが可能であり、構成元素として金属元素および半金属元素のうちの少なくとも1種を含む負極材料を含有する場合には、負極22における溶媒の分解を抑制する効果が高いので好ましい。
このような構造を有する化合物としては、例えば、化5に示した鎖式炭酸エステル誘導体、あるいは化6に示した鎖式カルボン酸エステル誘導体が挙げられる。それらは1種を単独で用いてもよいが、2種以上を混合して用いてもよく、鎖式炭酸エステル誘導体と鎖式カルボン酸エステル誘導体とを混合して用いてもよい。
(式中、X1は、フッ素または塩素を表す。R1,R2,R3は、水素、フッ素、塩素、または炭素数1から4のアルキル基あるいはそれらの少なくとも一部の水素をフッ素若しくは塩素で置換した基を表す。R1,R2,R3は、同一であっても、異なっていてもよい。)
(式中、X2は、フッ素または塩素を表す。R4,R5,R6は、水素、フッ素、塩素、または炭素数1から4のアルキル基あるいはそれらの少なくとも一部の水素をフッ素若しくは塩素で置換した基を表す。R4,R5,R6は、同一であっても、異なっていてもよい。)
化5に示した鎖式炭酸エステル誘導体としては、例えば、X1をフッ素としたものであれば、化7に示したフッ素化炭酸ジメチルが好ましい。溶媒の分解を抑制する効果が高いからである。
(式中、m,nは、0,1または2であり、mおよびnのうちの少なくとも一方は1または2である。)
このようなフッ素化炭酸ジメチルについて具体的に例を挙げれば、炭酸(フルオロメチル)メチル,炭酸ビスフルオロメチルあるいは炭酸(ジフルオロメチル)メチルなどがある。フッ素化炭酸ジメチルは1種を単独で用いてもよく、複数種を混合して用いてよい。
溶媒における化7に示したフッ素化炭酸ジメチルの含有量は、5質量%以上30質量%以下であることが好ましい。この範囲内でより高い効果を得ることができるからである。
X1をフッ素とした化5に示した鎖式炭酸エステル誘導体としては、これらのフッ素化炭酸ジメチルの他にも、炭酸(フルオロメチル)エチル,炭酸(フルオロメチル)プロピル,炭酸(フルオロメチル)イソプロピル,炭酸(1−フルオロエチル)メチル,炭酸(1−フルオロエチル)エチル,炭酸(1−フルオロエチル)プロピル,炭酸(1−フルオロエチル)イソプロピル,炭酸ジ(1−フルオロエチル),炭酸(1−フルオロプロピル)メチル,炭酸(1−フルオロプロピル)エチル,炭酸(1−フルオロプロピル)プロピル,炭酸(1−フルオロプロピル)イソプロピル,炭酸ジ(1−フルオロプロピル),炭酸(2−フルオロ−2−プロピル)メチル,炭酸(2−フルオロ−2−プロピル)エチル,炭酸(2−フルオロ−2−プロピル)プロピル,炭酸(2−フルオロ−2−プロピル)イソプロピル,あるいは炭酸ジ(2−フルオロ−2−プロピル)などの鎖式炭酸フッ素化エステルも挙げられる。
X1を塩素とした化5に示した鎖式炭酸エステル誘導体について具体的に例を挙げれば、炭酸(クロロメチル)メチル,炭酸(クロロメチル)エチル,炭酸(クロロメチル)プロピル,炭酸(クロロメチル)イソプロピル,炭酸ジ(クロロメチル),炭酸(1−クロロエチル)メチル,炭酸(1−クロロエチル)エチル,炭酸(1−クロロエチル)プロピル,炭酸(1−クロロエチル)イソプロピル,炭酸ジ(1−クロロエチル),炭酸(1−クロロプロピル)メチル,炭酸(1−クロロプロピル)エチル,炭酸(1−クロロプロピル)プロピル,炭酸(1−クロロプロピル)イソプロピル,炭酸ジ(1−クロロプロピル),炭酸(2−クロロ−2−プロピル)メチル,炭酸(2−クロロ−2−プロピル)エチル,炭酸(2−クロロ−2−プロピル)プロピル,炭酸(2−クロロ−2−プロピル)イソプロピル,あるいは炭酸ジ(2−クロロ−2−プロピル)などの鎖式炭酸塩素化エステルなどがある。
化5に示した鎖式炭酸エステル誘導体としては、分岐構造を有する化合物が好ましい。負極22における溶媒の分解反応を抑制する効果が高いからである。
化6に示した鎖式カルボン酸エステル誘導体について具体的に例を挙げれば、酢酸フルオロメチル,酢酸1−フルオロエチル,酢酸1−フルオロプロピル,酢酸2−フルオロ−2−プロピル,プロピオン酸フルオロメチル,プロピオン酸1−フルオロエチル,プロピオン酸1−フルオロプロピル,プロピオン酸2−フルオロ−2−プロピル,酪酸フルオロメチル,酪酸1−フルオロエチル,イソ酪酸フルオロメチル,イソ酪酸1−フルオロエチル,ピバリン酸フルオロメチル,ピバリン酸1−フルオロエチル,トリフルオロ酢酸フルオロメチル,トリフルオロ酢酸1−フルオロエチル,トリフルオロ酢酸1−フルオロプロピル,あるいはトリフルオロ酢酸2−フルオロ−2−プロピルなどのカルボン酸フッ素化エステル、酢酸クロロメチル,酢酸1−クロロエチル,酢酸1−クロロプロピル,酢酸2−クロロ−2−プロピル,プロピオン酸クロロメチル,プロピオン酸1−クロロエチル,プロピオン酸1−クロロプロピル,プロピオン酸2−クロロ−2−プロピル,酪酸クロロメチル,酪酸1−クロロエチル,イソ酪酸クロロメチル,イソ酪酸1−クロロエチル,ピバリン酸クロロメチル,ピバリン酸1−クロロエチル,トリフルオロ酢酸クロロメチル,トリフルオロ酢酸1−クロロエチル,トリフルオロ酢酸1−クロロプロピル,あるいはトリフルオロ酢酸2−クロロ−2−プロピルなどのカルボン酸塩素化エステルなどがある。中でも、分岐構造を有する化合物が好ましい。負極22における溶媒の分解反応を抑制する効果が高いからである。
これらの鎖式炭酸エステル誘導体あるいは鎖式カルボン酸エステル誘導体は、他の低粘度溶媒と混合してもよい。他の低粘度溶媒としては、例えば、炭酸ジエチル、炭酸ジメチルあるいは炭酸エチルメチルが挙げられる。
電解質塩としては、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 )、六フッ化アンチモン酸リチウム(LiSbF6 )、過塩素酸リチウム(LiClO4 )、あるいは四塩化アルミニウム酸リチウム(LiAlCl4 )、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム(LiCF3 SO3 )、トリス(トリフルオロメタンスルホニル)メチルリチウム((CF3 SO2 )3 CLi)あるいはトリスペンタフルオロエチルトリフルオロリン酸リチウム(LiP(C2 F5 )3 F3 )などのリチウム塩が挙げられる。
電解質塩としては、また、トリフルオロメチルトリフルオロホウ酸リチウム(LiB(CF3 )F3 )、ペンタフルオロエチルトリフルオロホウ酸リチウム(LiB(C2 F5 )F3 )、ビス(オキサレート)ホウ酸リチウム、あるいはジフルオロ(オキサレート)ホウ酸リチウムなどのホウ酸リチウム塩、またはビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドリチウム(CF3 SO2 )2 NLi)、ビス(ペンタフルオロエタンスルホニル)イミドリチウム((C2 F5 SO2 )2 NLi)、1,1,2,2,3,3−ヘキサフルオロプロパン−1,3−ジスルホンイミドリチウム、トリフルオロメチルヘプタフルオロプロピルイミドリチウム、あるいはトリフルオロメチルノナフルオロブチルイミドリチウムなどのイミドリチウム塩が好ましい。サイクル特性を向上させることができるからである。
この二次電池は、例えば、次のようにして製造することができる。
まず、例えば、正極集電体21Aに正極活物質層21Bを形成し正極21を作製する。正極活物質層21Bは、例えば、正極材料と導電剤と結着剤とを混合して正極合剤を調製したのち、この正極合剤をN−メチル−2−ピロリドンなどの溶剤に分散させてペースト状の正極合剤スラリーとし、この正極合剤スラリーを正極集電体21Aに塗布し乾燥させ、圧縮成型することにより形成する。
また、例えば、負極集電体22Aに負極活物質層22Bを形成し負極22を作製する。負極活物質層22Bは、例えば、負極材料と導電剤と結着剤とを混合して負極合剤を調製したのち、この負極合剤をN−メチル−2−ピロリドンなどの溶剤に分散させてペースト状の負極合剤スラリーとし、この負極合剤スラリーを負極集電体22Aに塗布し乾燥させ、圧縮成型することにより形成する。
次いで、正極集電体21Aに正極リード25を溶接などにより取り付けると共に、負極集電体22Aに負極リード26を溶接などにより取り付ける。続いて、正極21と負極22とをセパレータ23を介して巻回し、正極リード25の先端部を安全弁機構15に溶接すると共に、負極リード26の先端部を電池缶11に溶接して、巻回した正極21および負極22を一対の絶縁板12,13で挟み電池缶11の内部に収納する。正極21および負極22を電池缶11の内部に収納したのち、電解液を電池缶11の内部に注入し、セパレータ23に含浸させる。そののち、電池缶11の開口端部に電池蓋14,安全弁機構15および熱感抵抗素子16をガスケット17を介してかしめることにより固定する。これにより、図1に示した二次電池が完成する。
この二次電池では、充電を行うと、例えば、正極21からリチウムイオンが放出され、電解液を介して負極22に吸蔵される。一方、放電を行うと、例えば、負極22からリチウムイオンが放出され、電解液を介して正極21に吸蔵される。その際、電解液に、上述したように化4に示した構造を有する化合物を含むようにしたので、負極22における溶媒の分解反応が抑制される。
このように本実施の形態に係る電池によれば、電解液に、化4に示した構造を有する化合物を含むようにしたので、負極22における溶媒の分解反応を抑制することができ、サイクル特性を向上させることができる。
また、ハロゲン原子を有する環状の炭酸エステル誘導体を含むようにすれば、溶媒の分解反応をより抑制することができ、サイクル特性をより向上させることができる。
特に、負極22が、電極反応物質であるリチウムを吸蔵および放出することが可能であり、構成元素として金属元素および半金属元素のうちの少なくとも1種を含む負極材料を含有する場合、または、ケイ素およびスズのうちの少なくとも1種を構成元素として含む材料を含有する場合において、高い効果を得ることができる。
(第2の実施の形態)
第2の実施の形態に係る二次電池は、負極22の構成が異なることを除き、他は第1の実施の形態と同様の構成・作用および効果を有しており、同様にして製造することができる。よって、図1および図2を参照し、対応する構成要素には同一の符号を付して同一の部分の説明は省略する。
負極22は、第1の実施の形態と同様に、負極集電体22Aの両面に負極活物質層22Bが設けられた構造を有しており、負極活物質層22Bは、ケイ素およびスズのうちの少なくとも一方を含む負極活物質を含有している。具体的には、例えば、ケイ素の単体,合金,あるいは化合物、またはスズの単体,合金,あるいは化合物を含有しており、それらの2種以上を含有していてもよい。
また、負極活物質層22Bは、例えば、気相法,液相法,あるいは焼成法、またはそれらの2以上の方法を用いて形成されたものであり、負極活物質層22Bと負極集電体22Aとが界面の少なくとも一部において合金化していることが好ましい。具体的には、界面において負極集電体22Aの構成元素が負極活物質層22Bに、または負極活物質層22Bの構成元素が負極集電体22Aに、またはそれらが互いに拡散していることが好ましい。充放電に伴う負極活物質層22Bの膨張・収縮による破壊を抑制することができると共に、負極活物質層22Bと負極集電体22Aとの間の電子伝導性を向上させることができるからである。
なお、気相法としては、例えば、物理堆積法あるいは化学堆積法を用いることができ、具体的には、真空蒸着法,スパッタ法,イオンプレーティング法,レーザーアブレーション法,熱化学気相成長(CVD;Chemical Vapor Deposition )法,プラズマ化学気相成長法あるいは溶射法などが挙げられる。液相法としては、電気鍍金あるいは無電解鍍金などの公知の手法を用いることができる。焼成法というのは、例えば、粒子状の負極活物質を結着剤などと混合して溶剤に分散させ、塗布したのち、結着剤などの融点よりも高い温度で熱処理する方法である。焼成法に関しても公知の手法が利用可能であり、例えば、雰囲気焼成法,反応焼成法あるいはホットプレス焼成法が挙げられる。
(第3の実施の形態)
本発明の第2の実施の形態に係る二次電池は、負極の容量がリチウムの吸蔵および放出による容量成分と、リチウムの析出および溶解による容量成分とを含み、かつその和により表されるものである。
この二次電池は、負極活物質層22Bの構成が異なることを除き、他は第1あるいは第2の実施の形態に係る二次電池と同様の構成および効果を有しており、同様にして製造することができる。よって、ここでは、図1および図2を参照し、同一の符号を用いて説明する。なお、同一部分についての詳細な説明は省略する。
負極活物質層22Bは、例えば、リチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料の充電容量を正極21の充電容量よりも小さくすることにより、充電の過程において、開回路電圧(すなわち電池電圧)が過充電電圧よりも低い時点で負極22にリチウム金属が析出し始めるようになっている。従って、この二次電池では、リチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料とリチウム金属との両方が負極活物質として機能し、リチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料はリチウム金属が析出する際の基材となっている。リチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料としては、第1の実施の形態と同様のものが挙げられ、中でも、リチウムを吸蔵および放出することが可能な炭素材料が好ましい。
なお、過充電電圧というのは、電池が過充電状態になった時の開回路電圧を指し、例えば、日本蓄電池工業会(電池工業会)の定めた指針の一つである「リチウム二次電池安全性評価基準ガイドライン」(SBA G1101)に記載され定義される「完全充電」された電池の開回路電圧よりも高い電圧を指す。また換言すれば、各電池の公称容量を求める際に用いた充電方法、標準充電方法、もしくは推奨充電方法を用いて充電した後の開回路電圧よりも高い電圧を指す。
これにより、この二次電池では、高いエネルギー密度を得ることができると共に、サイクル特性および急速充電特性を向上させることができるようになっている。この二次電池は、負極22にリチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料を用いるという点では従来のリチウムイオン二次電池と同様であり、また、負極22にリチウム金属を析出させるという点では従来のリチウム金属二次電池と同様である。
これらの特性をより効果的に得るためには、例えば、開回路電圧が過充電電圧になる前の最大電圧時において負極22に析出するリチウム金属の最大析出容量は、リチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料の充電容量能力の0.05倍以上3.0倍以下であることが好ましい。リチウム金属の析出量が多過ぎると従来のリチウム二次電池と同様の問題が生じてしまい、少な過ぎると充放電容量を十分に大きくすることができないからである。また、例えば、リチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料の放電容量能力は、150mAh/g以上であることが好ましい。リチウムの吸蔵および放出する能力が大きいほどリチウム金属の析出量は相対的に少なくなるからである。なお、負極材料の充電容量能力は、例えば、リチウム金属を対極として、この負極材料を負極活物質とした負極について0Vまで定電流・定電圧法で充電した時の電気量から求められる。負極材料の放電容量能力は、例えば、これに引き続き、定電流法で10時間以上かけて2.5Vまで放電した時の電気量から求められる。
この二次電池では、充電を行うと、正極21からリチウムイオンが放出され、電解液を介して、まず、負極22に含まれるリチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料に吸蔵される。更に充電を続けると、開回路電圧が過充電電圧よりも低い状態において、リチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料の表面にリチウム金属が析出し始める。そののち、充電を終了するまで負極22にはリチウム金属が析出し続ける。次いで、放電を行うと、まず、負極22に析出したリチウム金属がイオンとなって溶出し、電解液を介して、正極21に吸蔵される。更に放電を続けると、負極22中のリチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料に吸蔵されたリチウムイオンが放出され、電解液を介して正極21に吸蔵される。その際、電解液に、上述したように化4に示した構造を有する化合物を含むようにしたので、負極22における溶媒の分解反応が抑制される。
(第4の実施の形態)
図3は、第3の実施の形態に係る二次電池の構成を表すものである。この二次電池は、正極リード31および負極リード32が取り付けられた巻回電極体30をフィルム状の外装部材40の内部に収容したものであり、小型化,軽量化および薄型化が可能となっている。
正極リード31および負極リード32は、それぞれ、外装部材40の内部から外部に向かい例えば同一方向に導出されている。正極リード31および負極リード32は、例えば、アルミニウム,銅,ニッケルあるいはステンレスなどの金属材料によりそれぞれ構成されており、それぞれ薄板状または網目状とされている。
外装部材40は、例えば、ナイロンフィルム,アルミニウム箔およびポリエチレンフィルムをこの順に貼り合わせた矩形状のアルミラミネートフィルムにより構成されている。外装部材40は、例えば、ポリエチレンフィルム側と巻回電極体30とが対向するように配設されており、各外縁部が融着あるいは接着剤により互いに密着されている。外装部材40と正極リード31および負極リード32との間には、外気の侵入を防止するための密着フィルム41が挿入されている。密着フィルム41は、正極リード31および負極リード32に対して密着性を有する材料、例えば、ポリエチレン,ポリプロピレン,変性ポリエチレンあるいは変性ポリプロピレンなどのポリオレフィン樹脂により構成されている。
なお、外装部材40は、上述したアルミラミネートフィルムに代えて、他の構造を有するラミネートフィルム,ポリプロピレンなどの高分子フィルムあるいは金属フィルムにより構成するようにしてもよい。
図4は、図3に示した巻回電極体30のI−I線に沿った断面構造を表すものである。巻回電極体30は、正極33と負極34とをセパレータ35および電解質層36を介して積層し、巻回したものであり、最外周部は保護テープ37により保護されている。
正極33は、正極集電体33Aの片面あるいは両面に正極活物質層33Bが設けられた構造を有している。負極34は、負極集電体34Aの片面あるいは両面に負極活物質層34Bが設けられた構造を有しており、負極活物質層34Bの側が正極活物質層33Bと対向するように配置されている。正極集電体33A,正極活物質層33B,負極集電体34A,負極活物質層34Bおよびセパレータ35の構成は、それぞれ上述した正極集電体21A,正極活物質層21B,負極集電体22A,負極活物質層22Bおよびセパレータ23と同様である。
電解質層36は、電解液と、この電解液を保持する保持体となる高分子化合物とを含み、いわゆるゲル状となっている。ゲル状の電解質層36は高いイオン伝導率を得ることができると共に、電池の漏液を防止することができるので好ましい。電解液(すなわち溶媒および電解質塩など)の構成は、第1ないし第3の実施の形態に係る二次電池と同様である。高分子化合物としては、例えば、ポリエチレンオキサイドあるいはポリエチレンオキサイドを含む架橋体などのエーテル系高分子化合物、ポリメタクリレートなどのエステル系高分子化合物あるいはアクリレート系高分子化合物、またはポリフッ化ビニリデンあるいはフッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンとの共重合体などのフッ化ビニリデンの重合体が挙げられ、これらのうちのいずれか1種または2種以上が混合して用いられる。特に、酸化還元安定性の観点からは、フッ化ビニリデンの重合体などのフッ素系高分子化合物を用いることが望ましい。
この二次電池は、例えば、次のようにして製造することができる。
まず、第1ないし第3の実施の形態と同様にして正極33および負極34を作製し、正極33および負極34のそれぞれに、電解液と、高分子化合物と、混合溶剤とを含む前駆溶液を塗布し、混合溶剤を揮発させて電解質層36を形成する。そののち、正極集電体33Aの端部に正極リード31を溶接により取り付けると共に、負極集電体34Aの端部に負極リード32を溶接により取り付ける。次いで、電解質層36が形成された正極33と負極34とをセパレータ35を介して積層し積層体としたのち、この積層体をその長手方向に巻回して、最外周部に保護テープ37を接着して巻回電極体30を形成する。最後に、例えば、外装部材40の間に巻回電極体30を挟み込み、外装部材40の外縁部同士を熱融着などにより密着させて封入する。その際、正極リード31および負極リード32と外装部材40との間には密着フィルム41を挿入する。これにより、図3および図4に示した二次電池が完成する。
また、この二次電池は、次のようにして作製してもよい。まず、上述したようにして正極33および負極34を作製し、正極33および負極34に正極リード31および負極リード32を取り付けたのち、正極33と負極34とをセパレータ35を介して積層して巻回し、最外周部に保護テープ37を接着して、巻回電極体30の前駆体である巻回体を形成する。次いで、この巻回体を外装部材40に挟み、一辺を除く外周縁部を熱融着して袋状とし、外装部材40の内部に収納する。続いて、電解液と、高分子化合物の原料であるモノマーと、重合開始剤と、必要に応じて重合禁止剤などの他の材料とを含む電解質用組成物を用意し、外装部材40の内部に注入する。
電解質用組成物を注入したのち、外装部材40の開口部を真空雰囲気下で熱融着して密封する。次いで、熱を加えてモノマーを重合させて高分子化合物とすることによりゲル状の電解質層36を形成し、図3に示した二次電池を組み立てる。
この二次電池の作用および効果は、第1ないし第3の実施の形態に係る二次電池と同様である。
(第5の実施の形態)
第5の実施の形態に係る二次電池は、完全充電時の開回路電圧(すなわち電池電圧)を4.25V以上6.00V以下、好ましくは4.25V以上4.60V以下とできるようにしたことを除き、他は第1ないし第4の実施の形態に係る二次電池と同様の構成を有しており、同様にして製造することができる。
この二次電池では、完全充電時における開回路電圧が4.20V以上の電池よりも、同じ正極活物質であっても、単位質量当たりのリチウムの放出量が多くなるので、それに応じて正極活物質と負極活物質との量が調整されている。これにより高いエネルギー密度が得られるようになっている。
負極活物質としては、リチウムを吸蔵および放出することが可能な炭素材料が好ましい。これらは充放電電位が低いので電池のエネルギー密度を容易に向上させることができるからである。
この二次電池では、充電を行うと、例えば、正極21からリチウムイオンが放出され、電解液を介して負極22に吸蔵あるいは析出する。一方、放電を行うと、例えば、負極22からリチウムイオンが放出あるい溶解し、電解液を介して正極21に吸蔵される。ここでは、充電時の電池電圧が4.25V以上となっているので、電解液が分解されやすくなっているが、上述したように化4に示した構造を有する化合物を含むようにしたので、負極22における溶媒の分解反応が抑制される。
この二次電池の効果は、第1ないし第4の実施の形態に係る二次電池と同様である。
更に、本発明の具体的な実施例について詳細に説明する。
(実施例1−1〜1−3)
リチウムイオン二次電池を作製した。その際、図5に示したコイン型の二次電池を作製した。この二次電池は、正極51と、負極52とを電解液を含浸させたセパレータ53を介して積層し、外装缶54と外装カップ55との間に挟み、ガスケット56を介してかしめたものである。まず、正極活物質としてリチウムコバルト複合酸化物(LiCoO2
)94質量部と、導電剤としてグラファイト3質量部と、結着剤としてポリフッ化ビニリデン3質量部とを混合したのち、N−メチル−2−ピロリドンを添加し正極合剤スラリーを得た。次いで、得られた正極合剤スラリーを、厚み20μmのアルミニウム箔よりなる正極集電体51Aに均一に塗布し乾燥させて厚みが70μmの正極活物質層51Bを形成した。そののち、正極活物質層51Bが形成された正極集電体51Aを直径15mmの円形に打ち抜き、正極51を作製した。
また、厚み15μmの銅箔よりなる負極集電体52Aの上にスパッタ法により厚み5μmのケイ素よりなる負極活物質層52Bを形成した。そののち、負極活物質層52Bが形成された負極集電体52Aを直径16mmの円形に打ち抜き、負極52を作製した。なお、負極52の容量がリチウムの吸蔵および放出による容量成分により表されるように、正極51と負極52との面積密度比を設計した。
次いで、正極51と負極52とを厚み25μmの微多孔性ポリプロピレンフィルムよりなるセパレータ53を介して積層したのち、セパレータ53に電解液0.1gを注液して、これらをステンレスよりなる外装カップ55と外装缶54との中に入れ、それらをかしめることにより、図5に示した二次電池を得た。電解液には、高誘電率溶媒と、低粘度溶媒と、電解質塩として六フッ化リン酸リチウムとを、高誘電率溶媒:低粘度溶媒:六フッ化リン酸リチウム=42:42:16の質量比で混合したものを用いた。その際、高誘電率溶媒は、実施例1−1では炭酸エチレンとし、実施例1−2では4−クロロ−1,3−ジオキソラン−2−オンとし、実施例1−3では4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンとした。また、低粘度溶媒は、化4に示した構造を有する化合物として、化8に示した炭酸(1−クロロエチル)エチルとした。なお、炭酸(1−クロロエチル)エチルは、化5に示した鎖式炭酸エステル誘導体である。
実施例1−1〜1−3に対する比較例1−1〜1−3として、低粘度溶媒を炭酸ジエチルとしたことを除き、他は実施例1−1〜1−3と同様にしてコイン型のリチウムイオン二次電池を作製した。また、比較例1−4として、高誘電率溶媒を4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンとし、低粘度溶媒をピバリン酸メチルとしたことを除き、他は実施例1−1〜1−3と同様にしてコイン型のリチウムイオン二次電池を作製した。更に、比較例1−5として高誘電率溶媒を4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンとし、低粘度溶媒を化9に示した炭酸ビス(2,2,2−トリクロロエチル)としたことを除き、他は実施例1−1〜1−3と同様にしてコイン型のリチウムイオン二次電池を作製した。
得られた実施例1−1〜1−3および比較例1−1〜1−5の二次電池について、1.77mAで4.2Vを上限として12時間充電し、その後10分間休止して1.77mAで2.5Vに達するまで放電するという充放電を繰り返し、50サイクル目の放電容量維持率を求めた。50サイクル目の放電容量維持率は、(50サイクル目の放電容量/初回放電容量)×100(%)として計算した。得られた結果を表1に示す。
表1から分かるように、化5に示した鎖式炭酸エステル誘導体である炭酸(1−クロロエチル)エチルを用いた実施例1−1〜1−3によれば、これを用いていない比較例1−1〜1−3よりも、それぞれ放電容量維持率が向上した。また、ハロゲン原子を有しない鎖式炭酸エステルを用いた比較例1−4よりも、あるいは化4の構造を有しない鎖式炭酸エステル誘導体を用いた比較例1−5よりも、実施例1−3の方が高い放電容量維持率が得られた。更にまた、高誘電率溶媒としてハロゲン原子を有する環状の炭酸エステル誘導体を用いた実施例1−2,1−3によれば、これを用いていない実施例1−1よりも放電容量維持率が向上した。
すなわち、低粘度溶媒として化5に示した鎖式炭酸エステル誘導体を用いるようにすれば、サイクル特性を向上させることができ、更に、高誘電率溶媒として、ハロゲン原子を有する環状の炭酸エステル誘導体、特に4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンを用いるようにすれば、サイクル特性をより向上させることができることが分かった。
(実施例2−1〜2−3,3−1〜3−3)
実施例2−1〜2−3として、負極活物質にスズを用い、厚み15μmの銅箔よりなる負極集電体52Aの上に真空蒸着法により厚み5μmのスズよりなる負極活物質層52Bを形成したことを除き、他は実施例1−1〜1−3と同様にしてコイン型のリチウムイオン二次電池を作製した。
実施例3−1〜3−3として、負極活物質にスズ−コバルト合金を用い、このスズ−コバルト合金94質量部と、導電剤として黒鉛3質量部と、結着剤としてポリフッ化ビニリデン3質量部とを混合し、N−メチル−2−ピロリドンを添加して、厚み15μmの銅箔よりなる負極集電体52Aに均一に塗布し乾燥させることにより厚み70μmの負極活物質層52Bを形成したことを除き、他は実施例1−1〜1−3と同様にして、コイン型のリチウムイオン二次電池を作製した。
これらの実施例に対する比較例2−1〜2−3,3−1〜3−3として、高誘電率溶媒を炭酸エチレン,4−クロロ−1,3−ジオキソラン−2−オン,または4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンとし、低粘度溶媒を炭酸ジエチルとしたことを除き、すなわち、比較例1−1〜1−3と同様の電解液を用いたことを除き、他は実施例2−1〜2−3,3−1〜3−3と同様にしてコイン型のリチウムイオン二次電池を作製した。また、比較例2−4,3−4として、高誘電率溶媒を4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンとし、低粘度溶媒をピバリン酸メチルとしたことを除き、すなわち、比較例1−4と同様の電解液を用いたことを除き、他は実施例2−1〜2−3,3−1〜3−3と同様にしてコイン型のリチウムイオン二次電池を作製した。更に、比較例2−5,3−5として高誘電率溶媒を4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンとし、低粘度溶媒を炭酸ビス(2,2,2−トリクロロエチル)としたことを除き、すなわち、比較例1−5と同様の電解液を用いたことを除き、他は実施例2−1〜2−3,3−1〜3−3と同様にしてコイン型のリチウムイオン二次電池を作製した。
得られた実施例2−1〜2−3,3−1〜3−3および比較例2−1〜2−5,3−1〜3−5の二次電池についても、実施例1−1〜1−3と同様にして50サイクル目の放電容量維持率を求めた。それらの結果を表2,3に示す。
表2,3から分かるように、実施例1−1〜1−3と同様に、実施例2−1〜2−3,3−1〜3−3によれば、比較例2−1〜2−5,3−1〜3−5よりも高い放電容量維持率が得られ、特に、高誘電率溶媒としてハロゲン原子を有する環状の炭酸エステル誘導体を用いた実施例2−2,2−3,3−2,3−3においてより高い放電容量維持率が得られた。すなわち、他の負極活物質を用いた場合においても、低粘度溶媒として化5に示した鎖式炭酸エステル誘導体を用いるようにすれば、サイクル特性を向上させることができ、更に、高誘電率溶媒として、ハロゲン原子を有する環状の炭酸エステル誘導体、特に4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンを用いるようにすれば、サイクル特性をより向上させることができることが分かった。
(実施例4−1〜4−3)
リチウムイオン二次電池を作製した。負極活物質に黒鉛を用い、この黒鉛97質量部と、結着剤としてポリフッ化ビニリデン3質量部とを混合し、N−メチル−2−ピロリドンを添加して、厚み15μmの銅箔よりなる負極集電体52Aに均一に塗布し乾燥させることにより厚み70μmの負極活物質層52Bを形成したことを除き、他は実施例1−1〜1−3と同様にして、コイン型のリチウムイオン二次電池を作製した。なお、実施例4−1〜4−3においては、完全充電時における開回路電圧が4.5Vとなるように、正極活物質と負極活物質の量を調整した。
実施例4−1〜4−3に対する比較例4−1〜4−5として、高誘電率溶媒を炭酸エチレン,4−クロロ−1,3−ジオキソラン−2−オン,または4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンとし、低粘度溶媒を炭酸ジエチルとしたことを除き、すなわち、比較例1−1〜1−3と同様の電解液を用いたことを除き、他は実施例4−1〜4−3と同様にしてコイン型のリチウムイオン二次電池を作製した。また、比較例4−4として、高誘電率溶媒を4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンとし、低粘度溶媒をピバリン酸メチルとしたことを除き、すなわち、比較例1−4と同様の電解液を用いたことを除き、他は実施例4−1〜4−3と同様にしてコイン型のリチウムイオン二次電池を作製した。更に、比較例4−5として、高誘電率溶媒を4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンとし、低粘度溶媒を炭酸ビス(2,2,2−トリクロロエチル)としたことを除き、すなわち、比較例1−5と同様の電解液を用いたことを除き、他は実施例4−1〜4−3と同様にしてコイン型のリチウムイオン二次電池を作製した。
得られた実施例4−1〜4−3および比較例4−1〜4−5の二次電池についても、実施例1−1〜1−3と同様にして50サイクル目の放電容量維持率を求めた。それらの結果を表4に示す。なお、充電は4.5Vを上限として行った。
表4から分かるように、実施例1−1〜1−3と同様に、充電時の電池電圧を4.5Vとした実施例4−1〜4−3によれば、比較例4−1〜4−5よりも高い放電容量維持率が得られ、特に、高誘電率溶媒としてハロゲン原子を有する環状の炭酸エステル誘導体を用いた実施例4−2,4−3においてより高い放電容量維持率が得られた。すなわち、充電時の電池電圧を高くした場合にも、低粘度溶媒として化5に示した鎖式炭酸エステル誘導体を用いるようにすれば、サイクル特性を向上させることができ、更に、高誘電率溶媒として、ハロゲン原子を有する環状の炭酸エステル誘導体、特に4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンを用いるようにすれば、サイクル特性をより向上させることができることが分かった。
(実施例5−1〜5−3)
負極52の容量がリチウムの吸蔵および放出による容量成分とリチウムの析出および溶解による容量成分とを含み、かつその和により表される二次電池を作製した。その際、負極材料に黒鉛を用い、この黒鉛97質量部と、結着剤としてポリフッ化ビニリデン3質量部とを混合し、N−メチル−2−ピロリドンを添加して、厚み15μmの銅箔よりなる負極集電体52Aに均一に塗布し乾燥させることにより厚み50μmの負極活物質層52Bを形成したことを除き、他は実施例1−1〜1−5と同様にして、コイン型の二次電池を作製した。なお、負極52の容量がリチウムの吸蔵および放出による容量成分とリチウムの析出および溶解による容量成分とを含み、かつその和により表されるように、正極51と負極52との面積密度比を設計した。
実施例5−1〜5−3に対する比較例5−1〜5−3として、高誘電率溶媒を炭酸エチレン,4−クロロ−1,3−ジオキソラン−2−オン,または4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンとし、低粘度溶媒を炭酸ジエチルとしたことを除き、すなわち、比較例1−1〜1−3と同様の電解液を用いたことを除き、他は実施例5−1〜5−3と同様にしてコイン型の二次電池を作製した。また、比較例5−4として、高誘電率溶媒を4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンとし、低粘度溶媒をピバリン酸メチルとしたことを除き、すなわち、比較例1−4と同様の電解液を用いたことを除き、他は実施例5−1〜5−3と同様にしてコイン型の二次電池を作製した。
得られた実施例5−1〜5−3および比較例5−1〜5−4の二次電池についても、実施例1−1〜1−3と同様にして50サイクル目の放電容量維持率を求めた。それらの結果を表5に示す。
また、これらとは別に、同様に作製した実施例5−1〜5−3および比較例5−1〜5−4の二次電池を用意し、解体してリチウム金属が析出しているか否かを調べたところ、完全充電時には、負極52の表面にリチウム金属が析出していることが確認された。また、完全放電時には負極52の表面からリチウム金属が消失していた。すなわち、負極52の容量は、リチウムの吸蔵および放出による容量成分と、リチウムの析出および溶解による容量成分とを含み、かつその和により表されることが確認された。
表5から分かるように、実施例1−1〜1−3と同様に、実施例5−1〜5−3によれば、比較例5−1〜5−4よりも高い放電容量維持率が得られ、特に、高誘電率溶媒としてハロゲン原子を有する環状の炭酸エステル誘導体を用いた実施例5−2,5−3においてより高い放電容量維持率が得られた。すなわち、負極52の容量がリチウムの吸蔵および放出による容量成分とリチウムの析出および溶解による容量成分とを含み、かつその和により表される電池に用いた場合にも、低粘度溶媒として化5に示した鎖式炭酸エステル誘導体を用いるようにすれば、サイクル特性を向上させることができ、更に、高誘電率溶媒として、ハロゲン原子を有する環状の炭酸エステル誘導体、特に4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンを用いるようにすれば、サイクル特性をより向上させることができることが分かった。
(実施例6−1,6−2,7−1,7−2,8−1,8−2,9−1,9−2,10−1,10−2)
低粘度溶媒を、化10に示したピバリン酸クロロメチル、または化11に示した炭酸(1−クロロエチル)イソプロピルに代えたことを除き、他は実施例1−3,2−3,3−3,4−3,5−3と同様にしてコイン型の二次電池を作製した。なお、ピバリン酸クロロメチルは化6に示した鎖式カルボン酸エステル誘導体である。また、炭酸(1−クロロエチル)イソプロピルは化5に示した鎖式炭酸エステル誘導体であり、分岐構造を有するものである。
得られた実施例6−1,6−2,7−1,7−2,8−1,8−2,9−1,9−2,10−1,10−2の二次電池についても、実施例1−1〜1−3と同様にして50サイクル目の放電容量維持率を求めた。それらの結果を表6〜10に示す。なお、実施例9−1,9−2の二次電池については、充電は4.5Vを上限として行った。
表6〜10から分かるように、他の化5に示した鎖式炭酸エステル誘導体、あるいは化6に示した鎖式カルボン酸エステル誘導体を用いた実施例6−1,6−2,7−1,7−2,8−1,8−2,9−1,9−2,10−1,10−2によっても、実施例1−3,2−3,3−3,4−3,5−3と同様に放電容量維持率が向上した。また、分岐構造を有する鎖式炭酸エステル誘導体を用いた実施例6−2,7−2,8−2,10−2によれば、分岐構造を有しない鎖式炭酸エステル誘導体を用いた実施例1−3,2−3,3−3,5−3よりも放電容量維持率が向上した。
すなわち、低粘度溶媒として、化4に示した構造を有する化合物を用いるようにすれば、サイクル特性を向上させることができることが分かった。特に、負極52に、リチウムを吸蔵および放出することが可能であり、構成元素として金属元素および半金属元素のうちの少なくとも1種を含む負極材料を含む場合に、あるいは負極52の容量がリチウムの吸蔵および放出による容量成分と、リチウムの析出および溶解による容量成分とを含み、かつその和により表される電池に用いた場合に、化合物が分岐構造を有していれば、好ましいことが分かった。
(実施例11−1,12−1,13−1,14−1,15−1)
低粘度溶媒として、化8に示した炭酸(1−クロロエチル)エチルに加えて、炭酸ジエチルを用いたことを除き、他は実施例1−3,2−3,3−3,4−3,5−3と同様にしてコイン型の二次電池を作製した。その際、炭酸(1−クロロエチル)エチルと炭酸ジエチルとの質量比は、炭酸(1−クロロエチル)エチル:炭酸ジエチル=5:37とした。
得られた実施例11−1,12−1,13−1,14−1,15−1の二次電池についても、実施例1−1〜1−3と同様にして50サイクル目の放電容量維持率を求めた。それらの結果を表11〜15に示す。なお、実施例14−1の二次電池については、充電は4.5Vを上限として行った。
表11〜15から分かるように、実施例11−1,12−1,13−1,14−1,15−1によれば、化4に示した構造を有する化合物を少量混合した低粘度溶媒を用いても、実施例1−3,2−3,3−3,4−3,5−3と同様に、放電容量維持率を向上させることができた。
すなわち、低粘度溶媒として、化4に示した構造を有する化合物を少量混合した場合にも、サイクル特性を向上させることができることが分かった。
(実施例16−1〜16−5,17−1〜17−5)
実施例16−1〜16−5では、負極活物質にケイ素を用い、厚み15μmの銅箔よりなる負極集電体52Aの上に電子ビーム法により厚み5μmのケイ素よりなる負極活物質層52Bを形成すると共に、化4に示した構造を有する化合物として化7に示したフッ素化炭酸ジメチルを用いたことを除き、他は実施例1−1〜1−3と同様にしてコイン型のリチウムイオン二次電池を作製した。その際、電解液には、高誘電率溶媒として炭酸エチレンと、低粘度溶媒とを、50:50の質量比で混合した溶媒に、六フッ化リン酸リチウムを1mol/kgとなるように溶解したものを用いた。また、低粘度溶媒は、化7に示したフッ素化炭酸ジメチルとして化12に示した炭酸(フルオロメチル)メチルと、化13に示した炭酸ビスフルオロメチルと、化14に示した炭酸(ジフルオロメチル)メチルと、炭酸ジメチルとを、炭酸(フルオロメチル)メチル:炭酸ビスフルオロメチル:炭酸(ジフルオロメチル)メチル:炭酸ジメチル=3.6:1.3:0.1:45、または9.4:3.2:0.4:37、または13.1:4.4:0.5:32、または21.8:7.4:0.8:20、または26.9:9.1:1.0:13の質量比で混合したものとした。なお、溶媒における化7に示したフッ素化炭酸ジメチルは、5質量%,13質量%,18質量%,30質量%または37質量%である。
実施例17−1〜17−5では、負極活物質にSnCoC含有材料を用い、このSnCoC含有材料と、導電剤として黒鉛と、結着剤としてポリフッ化ビニリデンとを混合し、N−メチル−2−ピロリドンを添加して、銅箔よりなる負極集電体52Aに均一に塗布し乾燥させることにより負極活物質層52Bを形成すると共に、化4に示した構造を有する化合物として化7に示したフッ素化炭酸ジメチルを用いたことを除き、他は実施例1−1〜1−3と同様にしてコイン型のリチウムイオン二次電池を作製した。その際、電解液には、実施例16−1〜16−5と同様のものを用いた。
また、SnCoC含有材料は、スズ・コバルト・インジウム・チタン合金粉末と、炭素粉末とを混合し、メカノケミカル反応を利用してSnCoC含有材料を合成した。得られたSnCoC含有材料について組成の分析を行ったところ、スズの含有量は48質量%、コバルトの含有量は23質量%、炭素の含有量は20質量%、スズとコバルトとの合計に対するコバルトの割合Co/(Sn+Co)は32.4質量%であった。なお、炭素の含有量は、炭素・硫黄分析装置により測定し、スズおよびコバルトの含有量は、ICP(Inductively Coupled Plasma:誘導結合プラズマ)発光分析により測定した。また、得られたSnCoC含有材料についてX線回折を行ったところ、回折角2θ=20°〜50°の間に、回折角2θが1.0°以上の広い半値幅を有する回折ピークが観察された。更に、このSnCoC含有材料についてXPSを行ったところ、図6に示したようにピークP1が得られた。ピークP1を解析すると、表面汚染炭素のピークP2と、ピークP2よりも低エネルギー側にSnCoC含有材料中におけるC1sのピークP3とが得られた。このピークP3は、284.5eVよりも低い領域に得られた。すなわち、SnCoC含有材料中の炭素が他の元素と結合していることが確認された。
実施例16−1〜16−5,17−1〜17−5に対する比較例16−1,17−1として、化7に示したフッ素化炭酸ジメチルを用いなかったことを除き、すなわち、高誘電率溶媒として炭酸エチレンと、低粘度溶媒として炭酸ジメチルとを、50:50の質量比で混合した溶媒を用いたことを除き、他は実施例16−1,17−1と同様にして二次電池を作製した。
得られた実施例16−1〜16−5,17−1〜17−5および比較例16−1,17−1の二次電池についても、実施例1−1〜1−3と同様にして50サイクル目の放電容量維持率を求めた。それらの結果を表16,17および図6,7に示す。
表16,17および図6,7から分かるように、放電容量維持率は、溶媒における化7に示したフッ素化炭酸ジメチルの含有量が大きくなるに伴い上昇し、極大値を示したのち低下する傾向が観られた。
すなわち、化7に示したフッ素化炭酸ジメチルを用いてもサイクル特性を向上させることができ、溶媒における含有量を5質量%以上30質量%以下とするようにすれば、好ましいことが分かった。
(実施例18−1〜18−4,19−1〜19−4)
実施例18−1,19−1では、六フッ化リン酸リチウムに代えて、ホウ酸リチウム塩であるトリフルオロメチルトリフルオロホウ酸リチウム(LiB(CF3 )F3 )を用いたことを除き、他は実施例16−2,17−2と同様にして二次電池を作製した。
実施例18−2,19−2では、六フッ化リン酸リチウムに加えて、イミドリチウム塩であるビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドリチウム(CF3 SO2 )2 NLi)を用いたことを除き、他は実施例16−2,17−2と同様にして二次電池を作製した。電解液におけるビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドリチウムの含有量は1質量%となるようにした。また、実施例18−3,19−3では、六フッ化リン酸リチウムに加えて、イミドリチウム塩である1,1,2,2,3,3−ヘキサフルオロプロパン−1,3−ジスルホンイミドリチウムを用いたことを除き、他は実施例16−2,17−2と同様にして二次電池を作製した。電解液における1,1,2,2,3,3−ヘキサフルオロプロパン−1,3−ジスルホンイミドリチウムの含有量は1質量%となるようにした。
更に、実施例18−4,19−4では、高誘電率溶媒として炭酸エチレンに加えて、不飽和化合物の環状の炭酸エステルである1,3−ジオキソール−2−オンを用いたことを除き、他は実施例16−2,17−2と同様にして二次電池を作製した。炭酸エチレンと1,3−ジオキソール−2−オンとは、炭酸エチレン:1,3−ジオキソール−2−オン=49:1の質量比で混合し、溶媒における高誘電率溶媒の割合は50質量%とした。
得られた実施例18−1〜18−4,19−1〜19−4の二次電池についても、実施例1−1〜1−3と同様にして50サイクル目の放電容量維持率を求めた。それらの結果を表18,19に示す。
表18,19から分かるように、トリフルオロメチルトリフルオロホウ酸リチウムを用いた実施例18−1,19−1によれば、これを用いていない実施例16−2,17−2よりも、放電容量維持率がそれぞれ向上した。また、六フッ化リン酸リチウムに加えて、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドリチウムを用いた実施例18−2,19−2、あるいは六フッ化リン酸リチウムに加えて、1,1,2,2,3,3−ヘキサフルオロプロパン−1,3−ジスルホンイミドリチウムを用いた実施例18−3,19−3によれば、六フッ化リン酸リチウムのみを用いた実施例16−2,17−2よりも、放電容量維持率がそれぞれ向上した。更に、1,3−ジオキソール−2−オンを用いた実施例18−4,19−4によれば、これを用いていない実施例16−2,17−2よりも、放電容量維持率がそれぞれ向上した。
すなわち、不飽和化合物の環状の炭酸エステル、ホウ酸リチウム塩あるいはイミドリチウム塩を用いるようにすれば、好ましいことが分かった。
以上、実施の形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は実施の形態および実施例に限定されず、種々の変形が可能である。例えば、上記実施の形態および実施例では、コイン型の二次電池,および巻回構造の二次電池を具体的に挙げて説明したが、本発明は、角型,シート型あるいはカード型、または正極および負極を複数積層した積層構造を有する二次電池についても同様に適用することができる。
また、上記実施の形態および実施例では、電極反応物質としてリチウムを用いる場合について説明したが、ナトリウム(Na)あるいはカリウム(K)などの長周期型周期表における他の1族の元素、またはマグネシウムあるいはカルシウム(Ca)などの長周期型周期表における2族の元素、またはアルミニウムなどの他の軽金属、またはリチウムあるいはこれらの合金を用いる場合についても、本発明を適用することができ、同様の効果を得ることができる。その際、負極活物質には、上記実施の形態で説明したような負極材料を同様にして用いることができる。
11…電池缶、12,13…絶縁板、14…電池蓋、15…安全弁機構,15A…ディスク板、16…熱感抵抗素子、17,56…ガスケット、20,30…巻回電極体、21,33,51…正極、21A,33A,51A…正極集電体、21B,33B,51B…正極活物質層、22,34,52…負極、22A,34A,52A…負極集電体、22B,34B,52B…負極活物質層、23,35,53…セパレータ、24…センターピン、25,31…正極リード、26,32…負極リード、36…電解質層、37…保護テープ、40…外装部材、41…密着フィルム、54…外装缶、55…外装カップ