JP5811311B2 - 非水系電解液及びそれを用いた非水系電解液電池 - Google Patents

非水系電解液及びそれを用いた非水系電解液電池 Download PDF

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Description

本発明は、非水系電解液及びそれを用いた非水系電解液電池に関するものである。
携帯電話、ノートパソコン等のいわゆる民生用の電源から自動車用等の駆動用車載電源まで広範な用途に、リチウム二次電池等の非水系電解液電池が実用化されつつある。しかしながら、近年の非水系電解液電池に対する高性能化の要求はますます高くなっており、特に、高容量、低温使用特性、高温保存特性、サイクル特性、過充電時安全性等の種々の電池特性の改善が要望されている。
非水系電解液電池に用いる電解液は、通常、主として電解質と非水溶媒とから構成されている。非水溶媒の主成分には、エチレンカーボネートやプロピレンカーボネート等の環状カーボネート;ジメチルカーボネートやジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート等の鎖状カーボネート;γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン等の環状カルボン酸エステル等が用いられている。
こうした非水系電解液電池の負荷特性、サイクル特性、保存特性等の電池特性を改良したり、過充電時の電池の安全性を高めるために、非水溶媒や電解質、添加剤について種々の検討がなされている。
特許文献1〜3では、シクロヘキシルベンゼン等の各種芳香族化合物を、電解液に添加する方法が提案され、過充電時安全性向上と耐久性の問題をある程度解決した。
特許文献4,5では、非水系電解液二次電池のサイクル特性と過充電時安全性を両立させるために、フェニル基に第3級アルキル基が直接結合することで第四級炭素を形成している化合物、2,2−ジフェニルプロパン等を、電解液に添加する方法が提案されている。
特許文献6〜8では、tert−ブチルベンゼン、tert−ペンチルベンゼン等を、非水系電解液二次電池の電解液に添加する方法が提案されている。
特開2001−15155号公報 特開2002−56892号公報 特開2003−109660号公報 特開平11−162512号公報 特開2011−154963号公報 特開2001−167791号公報 特開2002−298909号公報 WO2002/59999号公報
特許文献1〜8に記載されている芳香族基とアルキル基を合わせ持つ化合物を含有する電解液を非水系電解液二次電池に用いると、過充電時の安全性が高まり、高温保存やサイクル等の耐久特性が改良されるが、その一方で、初期不可逆容量が増大し初期容量特性が低下してしまい、電池としては、未だ満足しうるものではなかった。
本発明は上記問題に鑑み、電池の初期効率が高く、かつ過充電時安全性に優れた非水系電解液電池、及びそれを与える非水系電解液を提供することを目的とする。更に、本発明は、高温連続充電特性といった高温耐久特性に優れた非水系電解液電池、及びそれを与える非水系電解液を提供することを目的とする。
本発明者らは、特定の構造を有する化合物を電解液中に含有させることによって、上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成させるに至った。
すなわち、本発明の要旨は、下記に示すとおりである。
本発明1は、電解質及び非水溶媒を含む非水系電解液であって、該非水系電解液が、更に式(I):
Figure 0005811311

(式中、
〜Rは、独立して、水素、ハロゲン又は非置換もしくはハロゲン置換の炭素数1以上20以下の炭化水素基であり、
及びRは、独立して、炭素数1以上12以下の炭化水素基であるが、
〜R7のうち少なくとも2つが一緒になって環を形成していてもよく、
ただし、式(I)は、(A)及び(B):
(A)R〜Rのうち少なくとも1つは、ハロゲン又は非置換もしくはハロゲン置換の炭素数1以上20以下の炭化水素基である、
(B)R〜Rの炭素数の合計は、3以上20以下である、
のうち少なくとも一方の条件を満たす)
で表される芳香族化合物を含有することを特徴とする非水系電解液に関する。
本発明2は、前記式(I)におけるR、R及びRのうち2つが一緒になって環を形成している、本発明1の非水系電解液に関する。
本発明3は、前記式(I)におけるRとRが一緒になって環を形成している、本発明2の非水系電解液に関する。
本発明4は、前記式(I)におけるR〜Rのうち少なくとも1つが、炭素数1以上5以下の炭化水素基であることを特徴とする、本発明1〜3のいずれかの非水系電解液に関する。
本発明5は、前記式(I)で表される芳香族化合物が、1−フェニル−1,3,3−トリメチルインダンである、本発明3又は4の非水系電解液に関する。
本発明6は、前記式(I)におけるRとRが一緒になって環を形成している、本発明2の非水系電解液に関する。
本発明7は、前記式(I)で表される芳香族化合物が、1,1−ジフェニルシクロヘキサン、1,1−ジフェニルシクロペンタン又は1,1−ジフェニル−4−メチルシクロヘキサンである、本発明6の非水系電解液。
本発明8は、前記非水系電解液が、式(I)で表される芳香族化合物を、0.001質量%以上10質量%以下で含有する、本発明1〜7のいずれかの非水系電解液に関する。
本発明9は、前記非水系電解液が、2種以上の電解質を含む、本発明1〜8のいずれかの非水系電解液に関する。
本発明10は、2種以上の電解質が、モノフルオロリン酸塩、ジフルオロリン酸塩、ホウ酸塩、シュウ酸塩及びフルオロスルホン酸塩からなる群より選ばれる少なくとも1種の化合物を含む、本発明9の非水系電解液に関する。
本発明11は、前記非水系電解液が、モノフルオロリン酸塩、ジフルオロリン酸塩、ホウ酸塩、シュウ酸塩及びフルオロスルホン酸塩からなる群より選ばれる少なくとも1種の化合物を、0.001質量%以上20質量%以下で含有する、本発明10の非水系電解液に関する。
本発明12は、前記非水系電解液が、更に、フッ素含有環状カーボネート、硫黄含有有機化合物、リン含有有機化合物、シアノ基を有する有機化合物、イソシアネート基を有する有機化合物、ケイ素含有化合物、式(I)以外の芳香族化合物、炭素−炭素不飽和結合を有する環状カーボネート、フッ素非含有カルボン酸エステル、環状エーテル及びイソシアヌル酸骨格を有する化合物からなる群より選ばれる少なくとも1種の化合物を含有する、本発明1〜11のいずれかの非水系電解液に関する。
本発明13は、前記非水系電解液が、フッ素含有環状カーボネート、硫黄含有有機化合物、リン含有有機化合物、シアノ基を有する有機化合物、イソシアネート基を有する有機化合物、ケイ素含有化合物、式(I)以外の芳香族化合物、炭素‐炭素不飽和結合を有する環状カーボネート、フッ素非含有カルボン酸エステル環状エーテル及びイソシアヌル酸骨格を有する化合物からなる群より選ばれる少なくとも1種の化合物を、0.001質量%以上20質量%以下で含有する、本発明1〜11のいずれかの非水系電解液に関する。
本発明14は、リチウムイオンを吸蔵・放出可能な負極及び正極、ならびに非水系電解液を含む非水系電解液電池であって、該非水系電解液が本発明1〜13のいずれかの非水系電解液である、非水系電解液電池に関する。
本発明によれば、電池の初期効率が高く、かつ過充電時安全性に優れた非水系電解液電池を提供することができ、非水系電解液電池の小型化、高性能化を達成することができる。更に本発明によれば、高温保存特性や高温連続充電特性といった高温耐久特性に優れた非水系電解液電池、及びそれを与える非水系電解液を提供することができる。
本発明に係る非水系電解液を用いた非水系電解液電池が、過充電時の安全性に優れ、更に高温耐久特性にも優れる理由は明らかではないが、次のように推察される。ただし、本発明は下記作用原理等によって制限されるものではない。
一般に、炭化水素基を持つ芳香族化合物は酸化されやすく、非水系電解液電池の電解液中に含有させると、過充電時に高電位の正極上で反応し、過充電ガスを発生する。このような電池では、過充電ガスにより内圧が高まり遮断弁を発動させることを利用して、過充電時安全性を得ることができる。しかし、上記の芳香族化合物は、その反応性の高さから電池の通常動作電圧範囲でも不可逆に酸化されて電池の不可逆容量を増加させ、容量、抵抗等の電池特性を悪化させうる。炭化水素基が直接芳香族環に結合することで第4級炭素を形成している化合物は、酸化耐性が強く、電池特性を悪化させにくいが、酸化電位が貴にシフトし、過充電時の反応性が低く過充電時安全性が低下しうる。
本発明においては、第4級炭素に直接芳香族環が2つ結合している構造とすることで、過充電時の反応性を保ちつつ、酸化反応の活性化エネルギーを上昇させ、高温等における電池耐久試験時に電極上での副反応を抑制し、高温耐久特性を向上させると推測している。これによって電池の保存特性を向上させることも可能と考えられる。
特に、本発明で用いられる芳香族環に結合している炭化水素基の炭素数が一定以上である化合物は、ベンゼン環の安定化効果が高く、活性の高い正極との副反応を更に抑制することができ、同時に置換基の特性を適切に設定することで、過充電のように高いエネルギー状態では反応するようになる。よって、この化合物を電解液に使用することにより、電池の過充電時の安全性を高めながら、高温耐久特性を確保することができると考えられる。また、高温保存後の電池特性の低下を抑制する効果が高いと考えられる。
これに対して、特許文献1〜3等に記載されているような、芳香族環に直接結合した炭素が第4級炭素ではない化合物は、ベンジル位水素の反応性が高く、通常の電池動作範囲内で初期から反応が進行し、初期不可逆容量が大きくなってしまう。
特許文献4〜9等に記載されているような、芳香族環に直接結合した炭素が第4級炭素以外である化合物は、酸化耐性が高いものの、過充電時の反応性が低いため安全性が低下してしまう。
本発明者らは、式(I)で表される芳香族化合物を非水系電解液中に含有させることによって、上記課題を解決できることを見出した。式(I)で表される芳香族化合物は、第4級炭素に直接芳香族環が2つ結合し、更に芳香族環に結合している炭化水素基の炭素数が一定数であることで、電池の通常動作範囲では反応しにくいが、通常動作範囲より高い電位では容易に反応する。通常動作範囲では、特に正極上酸化を抑制できると考えられる。その結果、このような化合物を電解液に含有させることにより、優れた初期効率のみならず、過充電時安定性に加えて、更には良好な高温耐久特性を有する、より優れた電池特性を有する電池を与えることができる。
以下、本発明の実施の形態について説明するが、本発明はこれらの形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、任意に変形して実施することができる。
1.<非水系電解液>
1−1 式(I)で表される芳香族化合物
本発明の非水系電解液は、式(I)で表される芳香族化合物を含有することを特徴とする。なお、式(I)で表される芳香族化合物においては光学異性体の区別はつけないものとし、異性体単独又はこれらの混合として適用することもできる。
Figure 0005811311

(式中、
〜Rは、独立して、水素、ハロゲン又は非置換もしくはハロゲン置換の炭素数1以上20以下の炭化水素基であり、
及びRは、独立して、炭素数1以上12以下の炭化水素基であり、
〜Rのうち少なくとも2つが一緒になって環を形成していてもよく、
ただし、式(I)は、(A)及び(B):
(A)R〜Rのうち少なくとも1つは、ハロゲン又は非置換もしくはハロゲン置換の炭素数1以上20以下の炭化水素基である、
(B)R〜Rの炭素数の合計は、3以上20以下である、
のうち少なくとも一方の条件を満たす)
で表される芳香族化合物である。R〜Rのうち少なくとも2つが一緒になって環を形成している場合、R〜Rのうち2つが一緒になって環を形成していることが好ましい。
及びRは、独立して、炭素数1以上12以下の炭化水素基(例えば、アルキル基、アリール基)であり、RとRは一緒になって環(例えば、炭化水素基である環式基)を形成していてもよい。初期効率及び溶解性や保存特性向上の観点から、R及びRは、好ましくは炭素数1以上12以下の炭化水素基であるか、RとRが一緒になって形成した炭化水素基である環式基であり、より好ましくはメチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、tert−ブチル基であるか、RとRが一緒になって形成した炭化水素基である5〜8員の環式基であり、更に好ましくはメチル基、エチル基、RとRが一緒になって形成したシクロヘキシル基、シクロペンチル基、であり、最も好ましくはメチル基、エチル基、RとRが一緒になって形成したシクロヘキシル基である。
〜Rは、独立して、水素、ハロゲン又は非置換もしくはハロゲン置換の炭素数1以上20以下の炭化水素基(例えば、アルキル基、アリール基、アラルキル基)であり、これらのうち2つは一緒になって環(例えば、炭化水素基である環式基)を形成していてもよい。初期効率及び溶解性や保存特性向上の観点から、好ましくは水素、フッ素、非置換もしくはハロゲン置換の炭素数1以上12以下の炭化水素基であり、より好ましくは水素、フッ素、非置換もしくはフッ素置換の炭素数1以上10以下の炭化水素基であり、更に好ましくは水素、フッ素、tert−ブチル基、tert−ペンチル基、tert−ヘキシル基、tert−ヘプチル基、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、トリフルオロメチル基、ノナフルオロtert−ブチル基、1−メチル−1−フェニル−エチル基、1−エチル−1−フェニル−プロピル基であり、特に好ましくは水素、フッ素、tert−ブチル基、1−メチル−1−フェニル−エチル基であり、最も好ましくは水素、tert−ブチル基、1−メチル−1−フェニル−エチル基である。
〜Rのいずれか1つとRが一緒になって環(例えば、炭化水素基である環式基)を形成してもよい。好ましくはRとRとが一緒になって環(例えば、炭化水素基である環式基)を形成してしている。この場合、Rは、アルキル基であることが好ましい。Rがメチル基で、RとRが一緒になって環を形成した化合物として、1−フェニル−1,3,3−トリメチルインダン、2,3−ジヒドロ1,3−ジメチル−1−(2−メチル−2−フェニルプロピル)−3−フェニル−1H−インダン等が挙げられる。
式(I)は、(A)及び(B):
(A)R〜Rのうち少なくとも1つは、ハロゲン又は非置換もしくはハロゲン置換の炭素数1以上20以下の炭化水素基である、
(B)R〜Rの炭素数の合計は、3以上20以下である、
のうち少なくとも一方の条件を満たす。
式(I)は、通常の電池動作電圧範囲内における正極上での酸化抑制の点から、(A)を満たしていることが好ましく、電解液への溶解性の点から、(B)を満たしていることが好ましい。式(I)は、(A)と(B)の両方を満たしていてもよい。
(A)について、R〜Rのうち少なくとも1つが、ハロゲン又は非置換もしくはハロゲン置換の炭素数1以上20以下の炭化水素基であれば、他は水素原子であっても、環を形成していてもよい。電解液への溶解性の観点から、非置換もしくはハロゲン置換の炭化水素基の炭素数は1以上10以下が好ましく、1以上5以下がより好ましく、更に好ましくは1以上3以下、更により好ましくは1又は2、最も好ましくは1である。
(B)について、R〜Rの炭素数の合計は3以上20以下であれば、R〜Rのうち少なくとも2つが一緒になって環を形成していてもよい。R〜Rのうち少なくとも2つが一緒になって環を形成している場合、炭素数の合計の算出にあたっては、環を形成する炭素のうち、R〜Rに相当しない炭素(R〜Rについては、これらが結合しているベンゼン環を構成する炭素、R及びRについては、ベンジル位の炭素)はカウントしないこととする。また、R〜Rのうち少なくとも2つが一緒になって環を形成している場合、環を構成する炭素鎖は構造式に矛盾しない限り任意の位置で分けて、環を構成するR〜Rに適宜振り分けて炭素数をカウントすることができる。炭素数の合計は、電解液への溶解度の点から、好ましくは3以上14以下であり、より好ましくは3以上10以下である。例えば、Rがメチル基で、RとRが一緒になって環を形成している化合物として1−フェニル−1,3,3−トリメチルインダン、2,3−ジヒドロ1,3−ジメチル−1−(2−メチル−2−フェニルプロピル)−3−フェニル−1H−インダン等が挙げられるが、これは(B)の条件を満たす。
式(I)で表される芳香族化合物としては、以下が挙げられる。
及びRが、独立して、炭素数1以上20以下の炭化水素基であり(ただし、R及びRの合計は炭素数3以上20以下である)、R〜Rが水素である化合物((B)を満たす)。
2,2−ジフェニルブタン、3,3−ジフェニルペンタン、3,3−ジフェニルヘキサン、4,4−ジフェニルヘプタン、5,5−ジフェニルオクタン、6,6−ジフェニルノナン、1,1−ジフェニル−1,1−ジ−tert−ブチル−メタン。
Figure 0005811311
及びRが一緒になって環を形成しており、R〜Rが水素である化合物((B)を満たす)。
1,1−ジフェニルシクロヘキサン、1,1−ジフェニルシクロペンタン、1,1−ジフェニル−4−メチルシクロヘキサン。
下記の化合物であってもよい(上記例示の化合物と重複する場合があるが、構造式で示すこととする)。
Figure 0005811311
〜Rのうち少なくとも1つがハロゲン又は非置換もしくはハロゲン置換の炭素数1以上20以下の炭化水素基である化合物((A)を満たす)。
1,3−ビス(1−メチル−1−フェニルエチル)−ベンゼン、1,4−ビス(1−メチル−1−フェニルエチル)−ベンゼン。
下記の化合物であってもよい(上記例示の化合物と重複する場合があるが、構造式で示すこととする)。
Figure 0005811311
が炭素数1以上20以下の炭化水素基(例えば、炭素数1以上20以下のアルキル基であり、好ましくはメチル基)であり、RとRが一緒になって環を形成している化合物((B)を満たす)。
1−フェニル−1,3,3−トリメチルインダン。
下記の化合物であってもよい(上記例示の化合物と重複する場合があるが、構造式で示すこととする)。
Figure 0005811311
中でも、初期の負極上での還元性の観点から好ましいのは、
2,2−ジフェニルブタン、3,3−ジフェニルペンタン、1,1−ジフェニル−1,1−ジ−tert−ブチル−メタン、1,1−ジフェニルシクロヘキサン、1,1−ジフェニルシクロペンタン、1,1−ジフェニル−4−メチルシクロヘキサン、1,3−ビス(1−メチル−1−フェニルエチル)−ベンゼン、1,4−ビス(1−メチル−1−フェニルエチル)−ベンゼン、1−フェニル−1,3,3−トリメチルインダンである。
下記の化合物も好ましいものとして挙げられる(上記好ましい化合物と重複する場合があるが、構造式で示すこととする)。
Figure 0005811311
より好ましいのは、
2,2−ジフェニルブタン、1,1−ジフェニルシクロヘキサン、1,1−ジフェニル−4−メチルシクロヘキサン、1,3−ビス(1−メチル−1−フェニルエチル)−ベンゼン、1,4−ビス(1−メチル−1−フェニルエチル)−ベンゼン、1−フェニル−1,3,3−トリメチルインダンである。
下記の化合物もより好ましいものとして挙げられる(上記より好ましい化合物と重複する場合があるが、構造式で示すこととする)。
Figure 0005811311
更に好ましいのは1,1−ジフェニルシクロヘキサン、1,1−ジフェニル−4−メチルシクロヘキサン、1,3−ビス(1−メチル−1−フェニルエチル)−ベンゼン、1,4−ビス(1−メチル−1−フェニルエチル)−ベンゼン、1−フェニル−1,3,3−トリメチルインダンである。
下記の化合物も更に好ましいものとして挙げられる(上記更に好ましい化合物と重複する場合があるが、構造式で示すこととする)。
Figure 0005811311
特に好ましいのは1,1−ジフェニルシクロヘキサン、1,3−ビス(1−メチル−1−フェニルエチル)−ベンゼン、1,4−ビス(1−メチル−1−フェニルエチル)−ベンゼン、1−フェニル−1,3,3−トリメチルインダンであり、下記の構造式で表される。
Figure 0005811311
最も好ましくは1−フェニル−1,3,3−トリメチルインダン化合物であり、以下の構造式で表される。
Figure 0005811311
式(I)で表される芳香族化合物は、単独で用いても、2種以上を併用してもよい。非水系電解液全量(100質量%)中、式(I)で表される芳香族化合物の量(2種以上の場合は合計量)は、0.001質量%以上であることができ、好ましくは0.01質量%以上、より好ましくは0.05質量%以上、更に好ましくは0.1質量%以上であり、また、10質量%以下であることができ、好ましくは8質量%以下、より好ましくは5質量%以下、更に好ましくは3質量%以下、特に好ましくは2.5質量%以下である。上記範囲内にあることにより、本発明の効果が発現しやすく、また、電池の抵抗増大を防ぐことができる。
1−2 式(I)で表される芳香族化合物に加えて含有することができる化合物
本発明の非水系電解液は、フッ素含有環状カーボネート、硫黄含有有機化合物、リン含有有機化合物、シアノ基を有する有機化合物、イソシアネート基を有する有機化合物、ケイ素含有化合物、式(I)以外の芳香族化合物、炭素−炭素不飽和結合を有する環状カーボネート、フッ素非含有カルボン酸エステル、環状エーテル及びイソシアヌル酸骨格を有する化合物からなる群より選ばれる少なくとも1種の化合物を含むことができる。
中でも、フッ素含有環状カーボネート、硫黄含有有機化合物、リン含有有機化合物、シアノ基を有する有機化合物、イソシアネート基を有する有機化合物、ケイ素含有化合物、式(I)以外の芳香族化合物、炭素−炭素不飽和結合を有する環状カーボネート、フッ素非含有カルボン酸エステル、及びイソシアヌル酸骨格を有する化合物からなる群より選ばれる少なくとも1種の化合物が、初期特性と高温耐久後特性のバランスの観点から正極上に良質な複合被膜を形成するため好ましい。
フッ素含有環状カーボネート、硫黄含有有機化合物、リン含有有機化合物、シアノ基を有する有機化合物、イソシアネート基を有する有機化合物、ケイ素含有化合物、式(I)以外の芳香族化合物、炭素−炭素不飽和結合を有する環状カーボネート、及びフッ素非含有カルボン酸エステルからなる群より選ばれる少なくとも1種の化合物が、より好ましい。理由としては、比較的低分子量の被膜を負極上に形成するこれら添加剤は、形成される負極被膜が緻密であることから、効率良く式(I)で表される芳香族化合物の副反応による劣化を抑制することが挙げられ、副反応を効果的に抑制しまた抵抗上昇を抑制し、初期や高温耐久時の副反応抑制による体積変化抑制と高温耐久後安全性確保、またレート特性を向上させるためである。
特にフッ素含有環状カーボネート、硫黄含有有機化合物、リン含有有機化合物、シアノ基を有する有機化合物、式(I)以外の芳香族化合物、炭素−炭素不飽和結合を有する環状カーボネート、及びフッ素非含有カルボン酸エステルからなる群より選ばれる少なくとも1種の化合物が、負極上に形成する添加剤由来の被膜と式(I)で表される芳香族化合物が静電反発を起こし、副反応が特異的に抑制されるので更に好ましい。
本発明の電解液が上記化合物を含む場合、上記化合物は単独でも、2種以上を併用してよい。所望の特性にあわせて、含有させる化合物を選ぶことができる。非水系電解液全量(100質量%)中、上記化合物の量(2種以上の場合は合計量)は、0.001質量%以上であることができ、好ましくは0.01質量%以上、より好ましくは0.1質量%以上、更に好ましくは0.3質量%以上、特に好ましくは0.5質量%以上であり、また、20質量%以下であることができ、好ましくは10質量%以下、より好ましくは5質量%以下、更に好ましくは3質量%以下、特に好ましくは2質量%以下である。上記化合物の含有量が上記範囲内であると、式(I)で表される芳香族化合物を含有させることによる効果を十分享受できる。
本発明の電解液に、上記化合物を配合する方法は、特に制限されない。上記化合物を直接電解液に添加する方法の他に、電池内又は電解液中において上記化合物を発生させる方法が挙げられる。上記化合物を発生させる方法としては、これらの化合物以外の化合物を添加し、電解液等の電池構成要素を酸化又は加水分解等して発生させる方法が挙げられる。更には、電池を作製して、充放電等の電気的な負荷をかけることによって、発生させる方法も挙げられる。
以下に、本発明の電解液が上記化合物を含む態様を説明する。上記化合物と組み合わせる式(I)で表される芳香族化合物に関しては、式(I)で表される芳香族化合物に関する上記の記載が、例示及び好ましい例も含めて適用される。また、ある化合物を含む態様において、上記化合物におけるそれ以外の化合物が含まれていてもよい。
1−2−1.フッ素含有環状カーボネート
本発明の電解液は、更にフッ素含有環状カーボネートを含むことができる。フッ素含有環状カーボネートは、フッ素原子を有する環状カーボネートであれば、特に制限されない。本発明の電解液において、上記式(I)で表される芳香族化合物とフッ素含有環状カーボネートは、相互に作用して、負極上に複合的な界面保護被膜を形成し、これにより、電池の高温保存特性の向上を図ることができると考えられる。また、同時に、電池に優れた初期レート特性も付与することができる。
フッ素含有環状カーボネートとしては、炭素数2以上6以下のアルキレン基を有する環状カーボネートのフッ素化物、及びその誘導体が挙げられ、例えばエチレンカーボネートのフッ素化物(以下、「フッ素化エチレンカーボネート」と記載する場合がある)、及びその誘導体が挙げられる。エチレンカーボネートのフッ素化物の誘導体としては、アルキル基(例えば、炭素数1以上4以下のアルキル基)で置換されたエチレンカーボネートのフッ素化物が挙げられる。中でもフッ素数1以上8以下のフッ素化エチレンカーボネート、及びその誘導体が好ましい。
フッ素数1〜8個のフッ素化エチレンカーボネート及びその誘導体としては、モノフルオロエチレンカーボネート、4,4−ジフルオロエチレンカーボネート、4,5−ジフルオロエチレンカーボネート、4−フルオロ−4−メチルエチレンカーボネート、4,5−ジフルオロ−4−メチルエチレンカーボネート、4−フルオロ−5−メチルエチレンカーボネート、4,4−ジフルオロ−5−メチルエチレンカーボネート、4−(フルオロメチル)−エチレンカーボネート、4−(ジフルオロメチル)−エチレンカーボネート、4−(トリフルオロメチル)−エチレンカーボネート、4−(フルオロメチル)−4−フルオロエチレンカーボネート、4−(フルオロメチル)−5−フルオロエチレンカーボネート、4−フルオロ−4,5−ジメチルエチレンカーボネート、4,5−ジフルオロ−4,5−ジメチルエチレンカーボネート、4,4−ジフルオロ−5,5−ジメチルエチレンカーボネート等が挙げられる。
中でも、モノフルオロエチレンカーボネート、4,4−ジフルオロエチレンカーボネート、4,5−ジフルオロエチレンカーボネートが、電解液に高イオン伝導性を与え、かつ安定な界面保護被膜を容易に形成しやすい点で好ましい。
フッ素化環状カーボネートは、1種を単独で用いてもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。フッ素化環状カーボネートの量(2種以上の場合は合計量)は、電解液100質量%中、好ましくは0.001質量%以上、より好ましくは0.01質量%以上、更に好ましくは0.1質量%以上、更により好ましくは0.5質量%以上、特に好ましくは1質量%以上、最も好ましくは2質量%以上であり、また、好ましくは10質量%以下、より好ましくは7質量%以下であり、更に好ましくは5質量%以下である。また、フッ素化環状カーボネートを非水溶媒として用いる場合の配合量は、非水溶媒100体積%中、好ましくは1体積%以上、より好ましくは5体積%以上、更に好ましくは10体積%以上であり、また、好ましくは50体積%以下、より好ましくは35体積%以下、更に好ましくは25体積%以下である。
また、フッ素含有環状カーボネートとして、不飽和結合とフッ素原子とを有する環状カーボネート(以下、「フッ素化不飽和環状カーボネート」と記載する場合がある)を用いることもできる。フッ素化不飽和環状カーボネートが有するフッ素数は1以上であれば、特に制限されない。フッ素数は6以下とすることができ、好ましくは4以下であり、1又は2がより好ましい。
フッ素化不飽和環状カーボネートとしては、フッ素化ビニレンカーボネート誘導体、芳香環又は炭素−炭素二重結合を有する置換基で置換されたフッ素化エチレンカーボネート誘導体等が挙げられる。
フッ素化ビニレンカーボネート誘導体としては、4−フルオロビニレンカーボネート、4−フルオロ−5−メチルビニレンカーボネート、4−フルオロ−5−フェニルビニレンカーボネート、4−アリル−5−フルオロビニレンカーボネート、4−フルオロ−5−ビニルビニレンカーボネート等が挙げられる。
芳香環又は炭素−炭素二重結合を有する置換基で置換されたフッ素化エチレンカーボネート誘導体としては、4−フルオロ−4−ビニルエチレンカーボネート、4−フルオロ−4−アリルエチレンカーボネート、4−フルオロ−5−ビニルエチレンカーボネート、4−フルオロ−5−アリルエチレンカーボネート、4,4−ジフルオロ−4−ビニルエチレンカーボネート、4,4−ジフルオロ−4−アリルエチレンカーボネート、4,5−ジフルオロ−4−ビニルエチレンカーボネート、4,5−ジフルオロ−4−アリルエチレンカーボネート、4−フルオロ−4,5−ジビニルエチレンカーボネート、4−フルオロ−4,5−ジアリルエチレンカーボネート、4,5−ジフルオロ−4,5−ジビニルエチレンカーボネート、4,5−ジフルオロ−4,5−ジアリルエチレンカーボネート、4−フルオロ−4−フェニルエチレンカーボネート、4−フルオロ−5−フェニルエチレンカーボネート、4,4−ジフルオロ−5−フェニルエチレンカーボネート、4,5−ジフルオロ−4−フェニルエチレンカーボネート等が挙げられる。
中でも、フッ素化不飽和環状カーボネートとしては、4−フルオロビニレンカーボネート、4−フルオロ−5−メチルビニレンカーボネート、4−フルオロ−5−ビニルビニレンカーボネート、4−アリル−5−フルオロビニレンカーボネート、4−フルオロ−4−ビニルエチレンカーボネート、4−フルオロ−4−アリルエチレンカーボネート、4−フルオロ−5−ビニルエチレンカーボネート、4−フルオロ−5−アリルエチレンカーボネート、4,4−ジフルオロ−4−ビニルエチレンカーボネート、4,4−ジフルオロ−4−アリルエチレンカーボネート、4,5−ジフルオロ−4−ビニルエチレンカーボネート、4,5−ジフルオロ−4−アリルエチレンカーボネート、4−フルオロ−4,5−ジビニルエチレンカーボネート、4−フルオロ−4,5−ジアリルエチレンカーボネート、4,5−ジフルオロ−4,5−ジビニルエチレンカーボネート、4,5−ジフルオロ−4,5−ジアリルエチレンカーボネートが、安定な界面保護被膜を形成するので好ましい。
フッ素化不飽和環状カーボネートの分子量は、特に制限されない。分子量は、好ましくは50以上、また、250以下である。この範囲であれば、非水系電解液に対するフッ素化環状カーボネートの溶解性を確保しやすく、本発明の効果が発現されやすい。フッ素化不飽和環状カーボネートの製造方法は、特に制限されず、公知の方法を任意に選択して製造することが可能である。分子量は、より好ましくは100以上であり、また、より好ましくは200以下である。
フッ素化不飽和環状カーボネートは、1種を単独で用いてもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。
フッ素化不飽和環状カーボネート(2種以上の場合は合計量)の量は、電解液100質量%中、好ましくは0.001質量%以上、より好ましくは0.01質量%以上、更に好ましくは0.1質量%以上で、特に好ましくは0.2質量%以上であり、また、好ましくは10質量%以下、より好ましくは5質量%以下、更に好ましくは4質量%以下、特に好ましくは3質量%以下である。この範囲内であれば、非水系電解液電池は十分なサイクル特性向上効果を発現しやすく、また、高温保存特性が低下し、ガス発生量が多くなり、放電容量維持率が低下するといった事態を回避しやすい。
上記式(I)で表される芳香族化合物とフッ素含有環状カーボネートの質量比は、負極上での複合的な界面保護被膜形成の点から、0.4:100〜100:100であることが好ましく、1:100〜50:100であることがより好ましく、1.4:100〜35:100であることが更に好ましい。この範囲で配合した場合、各添加剤の正負極での副反応を効率よく抑制でき、電池特性が向上する。特に、高温保存特性の向上に有用である。
1−2−2.硫黄含有有機化合物
本発明の電解液は、更に硫黄含有有機化合物を含むことができる。硫黄含有有機化合物は、分子内に硫黄原子を少なくとも1つ有している有機化合物であれば、特に制限されないが、好ましくは分子内にS=O基を有している有機化合物であり、鎖状スルホン酸エステル、環状スルホン酸エステル、鎖状硫酸エステル、環状硫酸エステル、鎖状亜硫酸エステル及び環状亜硫酸エステルが挙げられる。ただしフルオロスルホン酸塩に該当するものは、1−2−2.硫黄含有有機化合物ではなく、後述する電解質であるフルオロスルホン酸塩に包含されるものとする。
中でも、鎖状スルホン酸エステル、環状スルホン酸エステル、鎖状硫酸エステル、環状硫酸エステル、鎖状亜硫酸エステル及び環状亜硫酸エステルが好ましく、より好ましくはS(=O)基を有する化合物である。
これらのエステルは、置換基を有していてもよい。ここで置換基とは、炭素原子、水素原子、窒素原子、酸素原子、硫黄原子、リン原子及びハロゲン原子からなる群から選ばれる1以上の原子で構成された基であり、好ましくは、炭素原子、水素原子、酸素原子及びハロゲン原子からなる群から選ばれる1以上の原子で構成された基であり、より好ましくは、炭素原子、水素原子及び酸素原子からなる群から選ばれる1以上の原子で構成された基である。置換基としては、ハロゲン原子;非置換又はハロゲン置換の、アルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アリール基又はアルコキシ基;シアノ基;イソシアナト基;アルコキシカルボニルオキシ基;アシル基;カルボキシ基;アルコキシカルボニル基;アシルオキシ基;アルキルスルホニル基;アルコキシスルホニル基;ジアルコキシホスファントリイル基;ジアルコキシホスホリル基及びジアルコキシホスホリルオキシ基等が挙げられる。これらのうち、好ましくはハロゲン原子;アルコキシ基;非置換又はハロゲン置換の、アルキル基、アルケニル基又はアルキニル基;イソシアナト基;シアノ基;アルコキシカルボニルオキシ基;アシル基;アルコキシカルボニル基;アシルオキシ基であり、より好ましくは、ハロゲン原子、非置換アルキル基、アルコキシカルボニルオキシ基;アシル基;アルコキシカルボニル基又はアシルオキシ基であり、より好ましくは、ハロゲン原子、非置換アルキル基及びアルコキシカルボニル基である。これらの置換基に関する例示及び好ましい例は、後述する式(2−1)におけるA12及びA13、ならびに式(2−2)におけるA14の定義中の置換基に適用される。
更に好ましくは鎖状スルホン酸エステル及び環状スルホン酸エステルであり、中でも、式(2−1)で表される鎖状スルホン酸エステル及び式(2−2)で表される環状スルホン酸エステルが好ましい。
1−2−2−1.式(2−1)で表される鎖状スルホン酸エステル
Figure 0005811311

(式中、
12は、置換基を有していてもよい炭素数1以上12以下のn21価の炭化水素基であり、
13は、置換基を有していてもよい炭素数1以上12以下の炭化水素基であり、
21は、1以上4以下の整数であり、
21が2の場合、A12及びA13は、同一であっても、異なっていてもよい。)
式(2−1)において、A12及びA13は一緒になって環を形成しておらず、よって式(2−1)は鎖状スルホン酸エステルである。
21は、1以上3以下の整数が好ましく、1以上2以下の整数がより好ましく、2が更に好ましい。
12における炭素数1以上12以下のn21価の炭化水素基としては、
アルキル基、アルケニル基、アルキニル基及びアリール基等の1価の炭化水素基;
アルキレン基、アルケニレン基、アルキニレン基及びアリーレン基等の2価の炭化水素基;
アルカントリイル基、アルケントリイル基、アルキントリイル基及びアレーントリイル基等の3価の炭化水素基;
アルカンテトライル基、アルケンテトライル基、アルキンテトライル基及びアレーンテトライル基等の4価の炭化水素基;
等が挙げられる。
これらのうち、アルキレン基、アルケニレン基、アルキニレン基及びアリーレン基等の2価の炭化水素基が好ましく、アルキレン基がより好ましい。これらは、n21が2の場合に対応する。
炭素数1以上12以下のn21価の炭化水素基のうち、1価の炭化水素基としては、メチル基、エチル基、n−プロピル基、i−プロピル基、n−ブチル基、sec−ブチル基、i−ブチル基、tert−ブチル基、n−ペンチル基、イソペンチル基、sec−ペンチル基、ネオペンチル基、1−メチルブチル基、2−メチルブチル基、1,1−ジメチルプロピル基、1,2−ジメチルプロピル基等の炭素数1〜5のアルキル基;ビニル基、1−プロペニル基、2−プロペニル基、イソプロペニル基、1−ブテニル基、2−ブテニル基、3−ブテニル基、1−ペンテニル基、2−ペンテニル基、3−ペンテニル基、4−ペンテニル基等の炭素数2以上5以下のアルケニル基;エチニル基、1−プロピニル基、2−プロピニル基、1−ブチニル基、2−ブチニル基、3−ブチニル基、1−ペンチニル基、2−ペンチニル基、3−ペンチニル基、4−ペンチニル基等の炭素数2以上5以下のアルキニル基が挙げられる。
2価の炭化水素基としては、メチレン基、エチレン基、トリメチレン基、テトラメチレン基、ペンタメチレン基等の炭素数1以上5以下のアルキレン基;ビニレン基、1−プロペニレン基、2−プロペニレン基、1−ブテニレン基、2−ブテニレン基、1−ペンテニレン基、2−ペンテニレン基等の炭素数2以上5以下のアルケニレン基;エチニレン基、プロピニレン基、1−ブチニレン基、2−ブチニレン基、1−ペンチニレン基及び2−ペンチニレン基等の炭素数2以上5以下のアルキニレン基等が挙げられ、好ましくはメチレン基、エチレン基、トリメチレン基、テトラメチレン基、ペンタメチレン基等の炭素数1〜5のアルキレン基であり、より好ましくはエチレン基、トリメチレン基、テトラメチレン基、ペンタメチレン基等の炭素数2以上5以下のアルキレン基であり、更に好ましくはトリメチレン基、テトラメチレン基、ペンタメチレン基等の炭素数3以上5以下のアルキレン基である。
3価及び4価の炭化水素基としては、上記1価の炭化水素基に対応する、3価及び4価の炭化水素基が挙げられる。
12における置換基を有していている炭素数1以上12以下のn21価の炭化水素基とは、上記置換基と上記炭素数1以上12以下のn21価の炭化水素基を組み合わせた基を意味する。A12としては、置換基を有さない炭素数1以上5以下のn21価の炭化水素基が好ましい。
13における炭素数1以上12以下の炭化水素基としては、アルキル基、アルケニル基、アルキニル基及びアリール基等の1価の炭化水素基が好ましく、アルキル基がより好ましい。
炭素数1以上12以下の炭化水素基としては、メチル基、エチル基、n−プロピル基、i−プロピル基、n−ブチル基、sec−ブチル基、i−ブチル基、tert−ブチル基、n−ペンチル基、イソペンチル基、sec−ペンチル基、ネオペンチル基、1−メチルブチル基、2−メチルブチル基、1,1−ジメチルプロピル基、1,2−ジメチルプロピル基等の炭素数1〜5のアルキル基等が挙げられ、好ましくはメチル基、エチル基、n−プロピル基、n−ブチル基、n−ペンチル基であり、より好ましくはメチル基、エチル基、n−プロピル基であり、更に好ましくはエチル基、n−プロピル基である。
13における置換基を有している炭素数1以上12以下の炭化水素基とは、上記置換基と上記炭素数1以上12以下の炭化水素基を組み合わせた基を意味する。A13としては、置換基を有していてもよい炭素数1以上5以下の炭化水素基が好ましく、より好ましくは置換基を有している炭素数1以上5以下の炭化水素基が好ましく、置換基としてアルコキシカルボニル基を有するアルキル基が更に好ましい。中でも、メトキシカルボニルメチル基、エトキシカルボニルメチル基、1−メトキシカルボニルエチル基、1−エトキシカルボニルエチル基、2−メトキシカルボニルエチル基、2−エトキシカルボニルエチル基、1−メトキシカルボニルプロピル基、1−エトキシカルボニルプロピル基、2−メトキシカルボニルプロピル基、2−エトキシカルボニルプロピル基、3−メトキシカルボニルプロピル基、3−エトキシカルボニルプロピル基が好ましく、より好ましくは1−メトキシカルボニルエチル基、1−エトキシカルボニルエチル基である。
式(2−1)で表される鎖状スルホン酸エステルを更に含む本発明の電解液を用いた電池は、初期ガス抑制及び保存ガス抑制効果に優れる。式(2−1)で表される鎖状スルホン酸エステルの含有量(2種以上の場合は合計の含有量)は、電解液100質量%中、0.001質量%以上であることができ、好ましくは0.01質量%以上、より好ましくは0.1質量%以上、更に好ましくは0.3質量%以上、特に好ましくは0.5質量%以上であり、また、10質量%以下であることができ、好ましくは5質量%以下、より好ましくは3質量%以下、更に好ましくは2質量%以下、特に好ましくは1.5質量%以下である。この範囲内であると、高温保存特性が良好である。
1−2−2−2.式(2−2)で表される環状スルホン酸エステル
Figure 0005811311

(式中、
14は置換基を有していてもよい炭素数1以上12以下の2価の炭化水素基である。)
14における炭素数1以上12以下の2価の炭化水素基としては、アルキレン基、アルケニレン基、アルキニレン基及びアリーレン基等が挙げられ、好ましくはアルキレン基、アルケニレン基である。
炭素数1以上12以下の2価の炭化水素基としては、メチレン基、エチレン基、トリメチレン基、テトラメチレン基、ペンタメチレン基等の炭素数1〜5のアルキレン基;ビニレン基、1−プロペニレン基、2−プロペニレン基、1−ブテニレン基、2−ブテニレン基、1−ペンテニレン基、2−ペンテニレン基等の炭素数2〜5のアルケニレン基;
エチニレン基、プロピニレン基、1−ブチニレン基、2−ブチニレン基、1−ペンチニレン基及び2−ペンチニレン基等の炭素数2〜5のアルキニレン基等が挙げられる。
これらのうち、好ましくはメチレン基、エチレン基、トリメチレン基、テトラメチレン基、ペンタメチレン基等の炭素数1〜5のアルキレン基ならびにビニレン基、1−プロペニレン基、2−プロペニレン基、1−ブテニレン基、2−ブテニレン基、1−ペンテニレン基、2−ペンテニレン基等の炭素数2〜5のアルケニレン基であり、より好ましくはトリメチレン基、テトラメチレン基、ペンタメチレン基等の炭素数3〜5のアルキレン基ならびに1−プロペニレン基、2−プロペニレン基、1−ブテニレン基、2−ブテニレン基、1−ペンテニレン基、2−ペンテニレン基等の炭素数3〜5のアルケニレン基であり、更に好ましくはトリメチレン基、1−プロペニレン基、2−プロペニレン基である。
なお、A14における置換基を有していいる炭素数1以上12以下の2価の炭化水素基とは、上記置換基と上記炭素数1以上12以下の2価の炭化水素基を組み合わせた基のことを意味する。A14は、好ましくは置換基を有さない炭素数1以上5以下の2価の炭化水素基である。
式(2−2)で表される環状スルホン酸エステルを更に含む本発明の電解液を用いた電池は、初期容量ロスを小さくし、高温保存後の容量回復率が良好である。更に、過充電時安全性を一層向上させることもできる。式(2−2)で表される環状スルホン酸エステルの含有量(2種以上の場合は合計の含有量)は、電解液100質量%中、0.001質量%以上であることができ、好ましくは0.01質量%以上、より好ましくは0.1質量%以上、更に好ましくは0.3質量%以上、特に好ましくは0.5質量%以上であり、また、10質量%以下であることができ、好ましくは5質量%以下、より好ましくは3質量%以下、更に好ましくは2質量%以下、特に好ましくは1.5質量%以下である。
硫黄含有有機化合物としては、以下を挙げることができる。
≪鎖状スルホン酸エステル≫
フルオロスルホン酸メチル及びフルオロスルホン酸エチル等のフルオロスルホン酸エステル;
メタンスルホン酸メチル、メタンスルホン酸エチル、メタンスルホン酸2−プロピニル、メタンスルホン酸3−ブチニル、ブスルファン、2−(メタンスルホニルオキシ)プロピオン酸メチル、2−(メタンスルホニルオキシ)プロピオン酸エチル、2−(メタンスルホニルオキシ)プロピオン酸2−プロピニル、2−(メタンスルホニルオキシ)プロピオン酸3−ブチニル、メタンスルホニルオキシ酢酸メチル、メタンスルホニルオキシ酢酸エチル、メタンスルホニルオキシ酢酸2−プロピニル及びメタンスルホニルオキシ酢酸3−ブチニル等のメタンスルホン酸エステル;
ビニルスルホン酸メチル、ビニルスルホン酸エチル、ビニルスルホン酸アリル、ビニルスルホン酸プロパルギル、アリルスルホン酸メチル、アリルスルホン酸エチル、アリルスルホン酸アリル、アリルスルホン酸プロパルギル及び1,2−ビス(ビニルスルホニロキシ)エタン等のアルケニルスルホン酸エステル;
メタンジスルホン酸メトキシカルボニルメチル、メタンジスルホン酸エトキシカルボニルメチル、メタンジスルホン酸1−メトキシカルボニルエチル、メタンジスルホン酸1−エトキシカルボニルエチル、1,2−エタンジスルホン酸メトキシカルボニルメチル、1,2−エタンジスルホン酸エトキシカルボニルメチル、1,2−エタンジスルホン酸1−メトキシカルボニルエチル、1,2−エタンジスルホン酸1−エトキシカルボニルエチル、1,3−プロパンジスルホン酸メトキシカルボニルメチル、1,3−プロパンジスルホン酸エトキシカルボニルメチル、1,3−プロパンジスルホン酸1−メトキシカルボニルエチル、1,3−プロパンジスルホン酸1−エトキシカルボニルエチル、1,3−ブタンジスルホン酸メトキシカルボニルメチル、1,3−ブタンジスルホン酸エトキシカルボニルメチル、1,3−ブタンジスルホン酸1−メトキシカルボニルエチル、1,3−ブタンジスルホン酸1−エトキシカルボニルエチル等のアルキルジスルホン酸エステル;
≪環状スルホン酸エステル≫
1,3−プロパンスルトン、1−フルオロ−1,3−プロパンスルトン、2−フルオロ−1,3−プロパンスルトン、3−フルオロ−1,3−プロパンスルトン、1−メチル−1,3−プロパンスルトン、2−メチル−1,3−プロパンスルトン、3−メチル−1,3−プロパンスルトン、1−プロペン−1,3−スルトン、2−プロペン−1,3−スルトン、1−フルオロ−1−プロペン−1,3−スルトン、2−フルオロ−1−プロペン−1,3−スルトン、3−フルオロ−1−プロペン−1,3−スルトン、1−フルオロ−2−プロペン−1,3−スルトン、2−フルオロ−2−プロペン−1,3−スルトン、3−フルオロ−2−プロペン−1,3−スルトン、1−メチル−1−プロペン−1,3−スルトン、2−メチル−1−プロペン−1,3−スルトン、3−メチル−1−プロペン−1,3−スルトン、1−メチル−2−プロペン−1,3−スルトン、2−メチル−2−プロペン−1,3−スルトン、3−メチル−2−プロペン−1,3−スルトン、1,4−ブタンスルトン及び1,5−ペンタンスルトン等のスルトン化合物;
メチレンメタンジスルホネート、エチレンメタンジスルホネート等のジスルホネート化合物;
1,2,3−オキサチアゾリジン−2,2−ジオキシド、3−メチル−1,2,3−オキサチアゾリジン−2,2−ジオキシド、3H−1,2,3−オキサチアゾール−2,2−ジオキシド、5H−1,2,3−オキサチアゾール−2,2−ジオキシド、1,2,4−オキサチアゾリジン−2,2−ジオキシド、1,2,5−オキサチアゾリジン−2,2−ジオキシド、1,2,3−オキサチアジナン−2,2−ジオキシド、3−メチル−1,2,3−オキサチアジナン−2,2−ジオキシド、5,6−ジヒドロ−1,2,3−オキサチアジン−2,2−ジオキシド及び1,2,4−オキサチアジナン−2,2−ジオキシド等の含窒素化合物。
1,2,3−オキサチアホスラン−2,2−ジオキシド、3−メチル−1,2,3−オキサチアホスラン−2,2−ジオキシド、3−メチル−1,2,3−オキサチアホスラン−2,2,3−トリオキシド、3−メトキシ−1,2,3−オキサチアホスラン−2,2,3−トリオキシド、1,2,4−オキサチアホスラン−2,2−ジオキシド、1,2,5−オキサチアホスラン−2,2−ジオキシド、1,2,3−オキサチアホスフィナン−2,2−ジオキシド、3−メチル−1,2,3−オキサチアホスフィナン−2,2−ジオキシド、3−メチル−1,2,3−オキサチアホスフィナン−2,2,3−トリオキシド、3−メトキシ−1,2,3−オキサチアホスフィナン−2,2,3−トリオキシド、1,2,4−オキサチアホスフィナン−2,2−ジオキシド、1,2,5−オキサチアホスフィナン−2,2−ジオキシド及び1,2,6−オキサチアホスフィナン−2,2−ジオキシド等の含リン化合物。
≪鎖状硫酸エステル≫
ジメチルスルフェート、エチルメチルスルフェート及びジエチルスルフェート等のジアルキルスルフェート化合物。
≪環状硫酸エステル≫
1,2−エチレンスルフェート、1,2−プロピレンスルフェート、1,3−プロピレンスルフェート、1,2−ブチレンスルフェート、1,3−ブチレンスルフェート、1,4−ブチレンスルフェート、1,2−ペンチレンスルフェート、1,3−ペンチレンスルフェート、1,4−ペンチレンスルフェート及び1,5−ペンチレンスルフェート等のアルキレンスルフェート化合物。
≪鎖状亜硫酸エステル≫
ジメチルスルファイト、エチルメチルスルファイト及びジエチルスルファイト等のジアルキルスルファイト化合物。
≪環状亜硫酸エステル≫
1,2−エチレンスルファイト、1,2−プロピレンスルファイト、1,3−プロピレンスルファイト、1,2−ブチレンスルファイト、1,3−ブチレンスルファイト、1,4−ブチレンスルファイト、1,2−ペンチレンスルファイト、1,3−ペンチレンスルファイト、1,4−ペンチレンスルファイト及び1,5−ペンチレンスルファイト等のアルキレンスルファイト化合物。
これらのうち、2−(メタンスルホニルオキシ)プロピオン酸メチル、2−(メタンスルホニルオキシ)プロピオン酸エチル、2−(メタンスルホニルオキシ)プロピオン酸2−プロピニル、プロパンジスルホン酸1−メトキシカルボニルエチル、プロパンジスルホン酸1−エトキシカルボニルエチル、ブタンジスルホン酸1−メトキシカルボニルエチル、ブタンジスルホン酸1−エトキシカルボニルエチル、1,3−プロパンスルトン、1−プロペン−1,3−スルトン、1,4−ブタンスルトン、1,2−エチレンスルフェート、1,2−エチレンスルファイト、メタンスルホン酸メチル及びメタンスルホン酸エチルが保存特性向上の点から好ましく、プロパンジスルホン酸1−メトキシカルボニルエチル、プロパンジスルホン酸1−エトキシカルボニルエチル、ブタンジスルホン酸1−メトキシカルボニルエチル、ブタンジスルホン酸1−エトキシカルボニルエチル、1,3−プロパンスルトン、1−プロペン−1,3−スルトン、1,2−エチレンスルフェート、1,2−エチレンスルファイトがより好ましく、1,3−プロパンスルトン、1−プロペン−1,3−スルトンが更に好ましい。
硫黄含有有機化合物は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併有してもよい。
硫黄含有有機化合物の含有量(2種以上の場合は合計量)は、電解液100質量%中、0.001質量%以上であることができ、好ましくは0.01質量%以上、より好ましくは0.1質量%以上、特に好ましくは0.3質量%以上であり、また、10質量%以下であることができ、好ましくは5質量%以下、より好ましくは3質量%以下、特に好ましくは2質量%以下である。この範囲にあると、出力特性、負荷特性、低温特性、サイクル特性、高温保存特性等を制御しやすい。
上記式(I)で表される芳香族化合物と硫黄含有有機化合物の質量比は、1:99〜99:1が好ましく、10:90〜90:10がより好ましく、20:80〜80:20が特に好ましい。この範囲で配合した場合、各添加剤の正負極での副反応を効率よく抑制でき、電池特性が向上する。特に、高温保存特性の向上に有用である。
1−2−3.リン含有有機化合物
本発明の電解液は、更にリン含有有機化合物を含むことができる。リン含有有機化合物は、分子内に少なくとも1つリン原子を有している有機化合物であれば、特に制限されない。リン含有有機化合物を含有する本発明の電解液を用いた電池は、高温保存後のガス発生が抑制され、回復率も良好であり、かつ良好な初期充放電効率を有する。
リン含有有機化合物としては、リン酸エステル、ホスホン酸エステル、ホスフィン酸エステル、亜リン酸エステルが好ましく、より好ましくはリン酸エステル及びホスホン酸エステルであり、更に好ましくはホスホン酸エステルである。これらのエステルは、置換基を有していてもよい。ここで置換基とは、炭素原子、水素原子、窒素原子、酸素原子、硫黄原子、リン原子及びハロゲン原子からなる群から選ばれる1以上の原子で構成された基であり、好ましくは、炭素原子、水素原子、酸素原子及びハロゲン原子からなる群から選ばれる1以上の原子で構成された基である。置換基としては、ハロゲン原子;非置換又はハロゲン置換の、アルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アリール基又はアルコキシ基;シアノ基;イソシアナト基;アルコキシカルボニルオキシ基;アシル基;カルボキシ基;アルコキシカルボニル基;アシルオキシ基;アルキルスルホニル基;アルコキシスルホニル基;ジアルコキシホスファントリイル基;ジアルコキシホスホリル基及びジアルコキシホスホリルオキシ基等が挙げられる。これらのうち、好ましくはハロゲン原子;アルコキシ基;アルコキシカルボニルオキシ基;アシル基;カルボキシル基及びアシルオキシ基等が挙げられ、より好ましくはハロゲン原子及びアシルオキシ基であり、更に好ましくはアシルオキシ基である。上記アシルオキシ基としては、アセトキシ基、プロピオニルオキシ基、ブチリルオキシ基、アクリロイルオキシ基、メタクリロイルオキシ基及びクロトニルオキシ基等が挙げられ、好ましくはアクリロイルオキシ基である。これらの置換基に関する例示及び好ましい例は、後述する式(3−1)におけるA〜Aの定義中の置換基に適用される。
更に好ましくはリン酸エステル及びホスホン酸エステルであり、中でも、式(3−1)で表されるリン酸エステル及び式(3−2)で表されるホスホン酸エステルが好ましい。
1−2−3−1.式(3−1)で表されるリン酸エステル
Figure 0005811311

(式中、
、A及びAは、独立して、置換基を有していてもよい炭素数1以上5以下のアルキル基、アルケニル基又はアルキニル基であるが、ただし、A〜Aのうち少なくとも1つは炭素−炭素不飽和結合を有することとする。)
炭素数1〜5のアルキル基、アルケニル基又はアルキニル基としては、メチル基、エチル基、n−プロピル基、i−プロピル基、n−ブチル基、sec−ブチル基、i−ブチル基、tert−ブチル基、n−ペンチル基、イソペンチル基、sec−ペンチル基、ネオペンチル基、1−メチルブチル基、2−メチルブチル基、1,1−ジメチルプロピル基、1,2−ジメチルプロピル基等のアルキル基;ビニル基、1−プロペニル基、2−プロペニル基(アリル基)、イソプロペニル基、1−ブテニル基、2−ブテニル基、3−ブテニル基、1−ペンテニル基、2−ペンテニル基、3−ペンテニル基、4−ペンテニル基等のアルケニル基;エチニル基、1−プロピニル基、2−プロピニル基(プロパルギル基)、1−ブチニル基、2−ブチニル基、3−ブチニル基、1−ペンチニル基、2−ペンチニル基、3−ペンチニル基、4−ペンチニル基等のアルキニル基が挙げられ、メチル基、エチル基、n−プロピル基、n−ブチル基、n−ペンチル基、ビニル基、2−プロペニル基(アリル基)、3−ブテニル基、4−ペンテニル基、2−プロピニル基(プロパルギル基)、3−ブチニル基及び4−ペンチニル基が好ましく、メチル基、エチル基、2−プロペニル基(アリル基)及び2−プロピニル基(プロパルギル基)がより好ましく、メチル基、エチル基及び2−プロペニル基(アリル基)が更に好ましい。
なお、置換基を有する炭素数1以上5以下のアルキル基、アルケニル基又はアルキニル基とは、上記置換基と上記炭素数1以上5以下のアルキル基、アルケニル基又はアルキニル基を組み合わせた基のことを意味し、好ましくは2−アクリロイルオキシメチル基及び2−アクリロイルオキシエチル基である。
式(3−1)で表される化合物としては、以下を挙げることができる。
<炭素−炭素不飽和結合を1つ有する化合物>
ジメチルビニルホスフェート、ジエチルビニルホスフェート、ジプロピルビニルホスフェート、ジブチルビニルホスフェート及びジペンチルビニルホスフェート等のビニル基を有する化合物;
アリルジメチルホスフェート、アリルジエチルホスフェート、アリルジプロピルホスフェート、アリルジブチルホスフェート及びアリルジペンチルホスフェート等のアリル基を有する化合物;
プロパルギルジメチルホスフェート、プロパルギルジエチルホスフェート、プロパルギルジプロピルホスフェート、プロパルギルジブチルホスフェート及びプロパルギルジペンチルホスフェート等のプロパルギル基を有する化合物;
2−アクリロイルオキシメチルジメチルホスフェート、2−アクリロイルオキシメチルジエチルホスフェート、2−アクリロイルオキシメチルジプロピルホスフェート、2−アクリロイルオキシメチルジブチルホスフェート及び2−アクリロイルオキシメチルジペンチルホスフェート等の2−アクリロイルオキシメチル基を有する化合物;
2−アクリロイルオキシエチルジメチルホスフェート、2−アクリロイルオキシエチルジエチルホスフェート、2−アクリロイルオキシエチルジプロピルホスフェート、2−アクリロイルオキシエチルジブチルホスフェート及び2−アクリロイルオキシエチルジペンチルホスフェート等の2−アクリロイルオキシエチル基を有する化合物;
<炭素−炭素不飽和結合を2つ有する化合物>
メチルジビニルホスフェート、エチルジビニルホスフェート、プロピルジビニルホスフェート、ブチルジビニルホスフェート及びペンチルジビニルホスフェート等のビニル基を有する化合物;
ジアリルメチルホスフェート、ジアリルエチルホスフェート、ジアリルプロピルホスフェート、ジアリルブチルホスフェート及びジアリルペンチルホスフェート等のアリル基を有する化合物;
ジプロパルギルメチルホスフェート、ジプロパルギルエチルホスフェート、ジプロパルギルプロピルホスフェート、ジプロパルギルブチルホスフェート及びジプロパルギルペンチルホスフェート等のプロパルギル基を有する化合物;
ビス(2−アクリロイルオキシメチル)メチルホスフェート、ビス(2−アクリロイルオキシメチル)エチルホスフェート、ビス(2−アクリロイルオキシメチル)プロピルホスフェート、ビス(2−アクリロイルオキシメチル)ブチルホスフェート及びビス(2−アクリロイルオキシメチル)ペンチルホスフェート等の2−アクリロイルオキシメチル基を有する化合物;
ビス(2−アクリロイルオキシエチル)メチルホスフェート、ビス(2−アクリロイルオキシエチル)エチルホスフェート、ビス(2−アクリロイルオキシエチル)プロピルホスフェート、ビス(2−アクリロイルオキシエチル)ブチルホスフェート及びビス(2−アクリロイルオキシエチル)ペンチルホスフェート等の2−アクリロイルオキシエチル基を有する化合物;
<炭素−炭素不飽和結合を3つ有する化合物>
トリビニルホスフェート、トリアリルホスフェート、トリプロパルギルホスフェート、トリス(2−アクリロイルオキシメチル)ホスフェート及びトリス(2−アクリロイルオキシエチル)ホスフェート等
これらのうち、電池特性向上の観点から炭素−炭素不飽和結合を3つ有する化合物が好ましく、トリアリルホスフェート及びトリス(2−アクリロイルオキシエチル)ホスフェートがより好ましい。
1−2−3−2.式(3−2)で表されるホスホン酸エステル
Figure 0005811311

(式中、
、A10及びA11は、独立して、非置換又はハロゲン置換の、炭素数1〜5のアルキル基、アルケニル基又はアルキニル基であり、
32は、0〜6の整数である。)
炭素数1〜5のアルキル基、アルケニル基又はアルキニル基としては、メチル基、エチル基、n−プロピル基、i−プロピル基、n−ブチル基、sec−ブチル基、i−ブチル基、tert−ブチル基、n−ペンチル基、イソペンチル基、sec−ペンチル基、ネオペンチル基、1−メチルブチル基、2−メチルブチル基、1,1−ジメチルプロピル基、1,2−ジメチルプロピル基等のアルキル基;ビニル基、1−プロペニル基、2−プロペニル基(アリル基)、イソプロペニル基、1−ブテニル基、2−ブテニル基、3−ブテニル基、1−ペンテニル基、2−ペンテニル基、3−ペンテニル基、4−ペンテニル基等のアルケニル基;エチニル基、1−プロピニル基、2−プロピニル基(プロパルギル基)、1−ブチニル基、2−ブチニル基、3−ブチニル基、1−ペンチニル基、2−ペンチニル基、3−ペンチニル基、4−ペンチニル基等のアルキニル基が挙げられ、メチル基、エチル基、n−プロピル基、n−ブチル基、n−ペンチル基、ビニル基、2−プロペニル基(アリル基)、3−ブテニル基、4−ペンテニル基、2−プロピニル基(プロパルギル基)、3−ブチニル基及び4−ペンチニル基が好ましく、メチル基、エチル基、2−プロペニル基(アリル基)及び2−プロピニル基(プロパルギル基)がより好ましく、メチル基、エチル基及び2−プロピニル基(プロパルギル基)が更に好ましい。
式(3−2)で表されるホスホン酸エステルとしては以下の化合物を挙げることができる。
<式(3−2)においてn32=0の化合物>
トリメチル ホスホノフォルメート、メチル ジエチルホスホノフォルメート、メチル ジプロピルホスホノフォルメート、メチル ジブチルホスホノフォルメート、トリエチル ホスホノフォルメート、エチル ジメチルホスホノフォルメート、エチル ジプロピルホスホノフォルメート、エチル ジブチルホスホノフォルメート、トリプロピル ホスホノフォルメート、プロピル ジメチルホスホノフォルメート、プロピル ジエチルホスホノフォルメート、プロピル ジブチルホスホノフォルメート、トリブチル ホスホノフォルメート、ブチル ジメチルホスホノフォルメート、ブチル ジエチルホスホノフォルメート、ブチル ジプロピルホスホノフォルメート、メチル ビス(2,2,2−トリフルオロエチル)ホスホノフォルメート、エチル ビス(2,2,2−トリフルオロエチル)ホスホノフォルメート、プロピル ビス(2,2,2−トリフルオロエチル)ホスホノフォルメート、ブチル ビス(2,2,2−トリフルオロエチル)ホスホノフォルメート等。
<式(3−2)においてn32=1の化合物>
トリメチル ホスホノアセテート、メチル ジエチルホスホノアセテート、メチル ジプロピルホスホノアセテート、メチル ジブチルホスホノアセテート、トリエチル ホスホノアセテート、エチル ジメチルホスホノアセテート、エチル ジプロピルホスホノアセテート、エチル ジブチルホスホノアセテート、トリプロピル ホスホノアセテート、プロピル ジメチルホスホノアセテート、プロピル ジエチルホスホノアセテート、プロピル ジブチルホスホノアセテート、トリブチル ホスホノアセテート、ブチル ジメチルホスホノアセテート、ブチル ジエチルホスホノアセテート、ブチル ジプロピルホスホノアセテート、メチル ビス(2,2,2−トリフルオロエチル)ホスホノアセテート、エチル ビス(2,2,2−トリフルオロエチル)ホスホノアセテート、プロピル ビス(2,2,2−トリフルオロエチル)ホスホノアセテート、ブチル ビス(2,2,2−トリフルオロエチル)ホスホノアセテート、アリル ジメチルホスホノアセテート、アリル ジエチルホスホノアセテート、2−プロピニル ジメチルホスホノアセテート、2−プロピニル ジエチルホスホノアセテート等。
<式(3−2)においてn32=2の化合物>
トリメチル 3−ホスホノプロピオネート、メチル 3−(ジエチルホスホノ)プロピオネート、メチル 3−(ジプロピルホスホノ)プロピオネート、メチル 3−(ジブチルホスホノ)プロピオネート、トリエチル 3−ホスホノプロピオネート、エチル 3−(ジメチルホスホノ)プロピオネート、エチル 3−(ジプロピルホスホノ)プロピオネート、エチル 3−(ジブチルホスホノ)プロピオネート、トリプロピル 3−ホスホノプロピオネート、プロピル 3−(ジメチルホスホノ)プロピオネート、プロピル 3−(ジエチルホスホノ)プロピオネート、プロピル 3−(ジブチルホスホノ)プロピオネート、トリブチル 3−ホスホノプロピオネート、ブチル 3−(ジメチルホスホノ)プロピオネート、ブチル 3−(ジエチルホスホノ)プロピオネート、ブチル 3−(ジプロピルホスホノ)プロピオネート、メチル 3−(ビス(2,2,2−トリフルオロエチル)ホスホノ)プロピオネート、エチル 3−(ビス(2,2,2−トリフルオロエチル)ホスホノ)プロピオネート、プロピル 3−(ビス(2,2,2−トリフルオロエチル)ホスホノ)プロピオネート、ブチル 3−(ビス(2,2,2−トリフルオロエチル)ホスホノ)プロピオネート等。
<式(3−2)においてn32=3の化合物>
トリメチル 4−ホスホノブチレート、メチル 4−(ジエチルホスホノ)ブチレート、メチル 4−(ジプロピルホスホノ)ブチレート、メチル 4−(ジブチルホスホノ)ブチレート、トリエチル 4−ホスホノブチレート、エチル 4−(ジメチルホスホノ)ブチレート、エチル 4−(ジプロピルホスホノ)ブチレート、エチル 4−(ジブチルホスホノ)ブチレート、トリプロピル 4−ホスホノブチレート、プロピル 4−(ジメチルホスホノ)ブチレート、プロピル 4−(ジエチルホスホノ)ブチレート、プロピル 4−(ジブチルホスホノ)ブチレート、トリブチル 4−ホスホノブチレート、ブチル 4−(ジメチルホスホノ)ブチレート、ブチル 4−(ジエチルホスホノ)ブチレート、ブチル 4−(ジプロピルホスホノ)ブチレート等。
電池特性向上の観点からn32=0、1、2の化合物が好ましく、n32=0、1の化合物がより好ましく、n32=1の化合物が更に好ましく、n32=1の化合物の中でも、A〜A11が飽和炭化水素基である化合物が好ましい。
特にトリメチル ホスホノアセテート、トリエチル ホスホノアセテート、2−プロピニル ジメチルホスホノアセテート、2−プロピニル ジエチルホスホノアセテートが好ましい。
リン含有有機化合物は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併有してもよい。
リン含有有機化合物(2種以上の場合は合計量)は、電解液100質量%中、0.001質量%以上であることができ、好ましくは0.01質量%以上、より好ましくは0.1質量%以上、また、10質量%以下であることができ、好ましくは5質量%以下、より好ましくは3質量%以下、更に好ましくは2質量%以下、特に好ましくは1質量%以下、最も好ましくは0.5質量%以下である。この範囲であると、出力特性、負荷特性、低温特性、サイクル特性、高温保存特性等を制御しやすい。
上記式(I)で表される芳香族化合物とリン含有有機化合物の質量比は、1:99〜99:1が好ましく、10:90〜90:10がより好ましく、20:80〜80:20が特に好ましい。この範囲で配合した場合、各添加剤の正負極での副反応を効率よく抑制でき、電池特性が向上する。特に、高温保存特性の向上に有用である。
1−2−4.シアノ基を有する有機化合物
本発明の電解液は、シアノ基を有する有機化合物を含むことができる。シアノ基を有する本発明の電解液を用いた電池は、初期容量ロスが小さく、高温保存後のガス発生が抑制される。シアノ基を有する有機化合物としては、分子内にシアノ基を少なくとも1つ有している有機化合物であれば、特に制限されないが、好ましくは式(4−1)、式(4−2)及び式(4−3)で表される化合物であり、より好ましくは式(4−1)及び式(4−2)で表される化合物であり、更に好ましくは、式(4−2)で表される化合物である。
1−2−4−1.式(4−1)で表される化合物
−CN (4−1)
(式中、Aは炭素数2以上20以下の炭化水素基を示す。)
式(4−1)で表される化合物の分子量は、特に制限されない。分子量は、好ましくは55以上であり、より好ましくは65以上、更に好ましくは80以上であり、また、好ましくは310以下であり、より好ましくは185以下であり、更に好ましくは155以下である。この範囲であれば、非水系電解液に対する式(4−1)で表される化合物の溶解性を確保しやすく、本発明の効果が発現されやすい。式(4−1)で表される化合物の製造方法は、特に制限されず、公知の方法を任意に選択して製造することが可能である。
式(4−1)中、炭素数2以上20以下の炭化水素基としては、アルキル基、アルケニル基、アルキニル基及びアリール基等が挙げられ、エチル基、n−プロピル基、iso−プロピル基、iso−プロピル基、n−ブチル基、sec−ブチル基、iso−ブチル基、tert−ブチル基、n−ペンチル基、tert−アミル基、ヘキシル基、ヘプチル基、オクチル基、ノニル基、デシル基、ウンデシル基、ドデシル基、トリデシル基、テトラデシル基、ペンタデシル基、ヘキサデシ基、ヘプタデシル基、オクタデシル基、ノナデシル基、イコシル基等のアルキル基;ビニル基、1−プロペニル基、イソプロペニル基、1−ブテニル、1−ペンテニル基等のアルケニル基;エチニル基、1−プロピニル基、1−ブチニル基、1−ペンチニル基等のアルキニル基;フェニル基、トリル基、エチルフェニル基、n−プロピルフェニル基、i−プロピルフェニル基、n−ブチルフェニル基、sec−ブチルフェニル基、i−ブチルフェニル基、tert−ブチルフェニル基、トリフルオロメチルフェニル基、キシリル基、ベンジル基、フェネチル基、メトキシフェニル基、エトキシフェニル基、トリフルオロメトキシフェニル基等のアリール基等が好ましい。
中でも、分子全体に対するシアノ基の割合が多く、電池特性向上効果が高いという観点から、炭素数2以上15以下の直鎖又は分岐状のアルキル基及び炭素数2以上4以下のアルケニル基がより好ましく、炭素数2以上12以下の直鎖又は分岐状のアルキル基が更に好ましく、炭素数4以上11以下の直鎖又は分岐状のアルキル基が特に好ましい。
式(4−1)で表される化合物としては、プロピオニトリル、ブチロニトリル、ペンタンニトリル、ヘキサンニトリル、ヘプタンニトリル、オクタンニトリル、ペラルゴノニトリル、デカンニトリル、ウンデカンニトリル、ドデカンニトリル、シクロペンタンカルボニトリル、シクロヘキサンカルボニトリル、アクリロニトリル、メタクリロニトリル、クロトノニトリル、3−メチルクロトノニトリル、2−メチル−2−ブテン二トリル、2−ペンテンニトリル、2−メチル−2−ペンテンニトリル、3−メチル−2−ペンテンニトリル及び2−ヘキセンニトリル等が挙げられる。
中でも、化合物の安定性、電池特性、製造面の観点から、ペンタンニトリル、オクタンニトリル、デカンニトリル、ドデカンニトリル及びクロトノニトリルが好ましく、ペンタンニトリル、デカンニトリル、ドデカンニトリル及びクロトノニトリルがより好ましく、ペンタンニトリル、デカンニトリル及びクロトノニトリルが好ましい。
式(4−1)で表される化合物は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併有してもよい。式(4−1)で表される化合物の量(2種以上の場合は合計量)は、非水系電解液100質量%中、0.001質量%以上であることができ、好ましくは0.01質量%以上、より好ましくは0.1質量%以上、また、10質量%以下であることができ、好ましくは5質量%以下、より好ましくは3質量%以下、更に好ましくは2質量%以下、特に好ましくは1質量%以下、最も好ましくは0.5質量%以下である。上記範囲であれば、出力特性、負荷特性、低温特性、サイクル特性、高温保存特性等を制御しやすい。
1−2−4−2.式(4−2)で表される化合物
NC−A−CN (4−2)
(式中、
は、水素原子、炭素原子、窒素原子、酸素原子、硫黄原子、リン原子及びハロゲン原子からなる群より選ばれる1種以上の原子で構成された炭素数1以上10以下の有機基である。)
水素原子、炭素原子、窒素原子、酸素原子、硫黄原子、リン原子及びハロゲン原子からなる群より選ばれる1種以上の原子で構成された炭素数1以上10以下の有機基とは、炭素原子及び水素原子から構成される有機基の他に、窒素原子、酸素原子、硫黄原子、リン原子、又はハロゲン原子を含んでいてもよい有機基を包含する。窒素原子、酸素原子、硫黄原子、リン原子又はハロゲン原子を含んでいてもよい有機基には、炭素原子及び水素原子から構成される基における骨格の炭素原子の一部が、これらの原子に置換されている有機基、又はこれらの原子で構成された置換基を有する有機基を包含する。
式(4−2)で表される化合物の分子量は、特に制限されない。分子量は、好ましくは、65以上であり、より好ましくは80以上、更に好ましくは90以上であり、また、好ましくは270以下であり、より好ましくは160以下であり、更に好ましくは135以下である。この範囲であれば、非水系電解液に対する式(4−2)で表される化合物の溶解性を確保しやすく、本発明の効果が発現されやすい。式(4−2)で表される化合物の製造方法は、特に制限されず、公知の方法を任意に選択して製造することが可能である。
式(4−2)で表される化合物におけるAとしては、アルキレン基又はその誘導体、アルケニレン基又はその誘導体、シクロアルキレン基又はその誘導体、アルキニレン基又はその誘導体、シクロアルケニレン基又はその誘導体、アリーレン基又はその誘導体、カルボニル基又はその誘導体、スルホニル基又はその誘導体、スルフィニル基又はその誘導体、ホスホニル基又はその誘導体、ホスフィニル基又はその誘導体、アミド基又はその誘導体、イミド基又はその誘導体、エーテル基又はその誘導体、チオエーテル基又はその誘導体、ボリン酸基又はその誘導体、ボラン基又はその誘導体等が挙げられる。
中でも、電池特性向上の点から、アルキレン基又はその誘導体、アルケニレン基又はその誘導体、シクロアルキレン基又はその誘導体、アルキニレン基又はその誘導体、アリーレン基又はその誘導体が好ましい。また、Aが置換基を有してもよい炭素数2以上5以下のアルキレン基であることがより好ましい。
式(4−2)で表される化合物としては、マロノニトリル、スクシノニトリル、グルタロニトリル、アジポニトリル、ピメロニトリル、スベロニトリル、アゼラニトリル、セバコニトリル、ウンデカンジニトリル、ドデカンジニトリル、メチルマロノニトリル、エチルマロノニトリル、イソプロピルマロノニトリル、tert−ブチルマロノニトリル、メチルスクシノニトリル、2,2−ジメチルスクシノニトリル、2,3−ジメチルスクシノニトリル、2,3,3−トリメチルスクシノニトリル、2,2,3,3−テトラメチルスクシノニトリル、2,3−ジエチル−2,3−ジメチルスクシノニトリル、2,2−ジエチル−3,3−ジメチルスクシノニトリル、ビシクロヘキシル−1,1−ジカルボニトリル、ビシクロヘキシル−2,2−ジカルボニトリル、ビシクロヘキシル−3,3−ジカルボニトリル、2,5−ジメチル−2,5−ヘキサンジカルボニトリル、2,3−ジイソブチル−2,3−ジメチルスクシノニトリル、2,2−ジイソブチル−3,3−ジメチルスクシノニトリル、2−メチルグルタロニトリル、2,3−ジメチルグルタロニトリル、2,4−ジメチルグルタロニトリル、2,2,3,3−テトラメチルグルタロニトリル、2,2,4,4−テトラメチルグルタロニトリル、2,2,3,4−テトラメチルグルタロニトリル、2,3,3,4−テトラメチルグルタロニトリル、マレオニトリル、フマロニトリル、1,4−ジシアノペンタン、2,6−ジシアノヘプタン、2,7−ジシアノオクタン、2,8−ジシアノノナン、1,6−ジシアノデカン、1,2−ジジアノベンゼン、1,3−ジシアノベンゼン、1,4−ジシアノベンゼン、3,3’−(エチレンジオキシ)ジプロピオニトリル、3,3’−(エチレンジチオ)ジプロピオニトリル及び3,9−ビス(2−シアノエチル)−2,4,8,10−テトラオキサスピロ[5,5]ウンデカン等が挙げられる。
これらのうち、マロノニトリル、スクシノニトリル、グルタロニトリル、アジポニトリル、ピメロニトリル、スベロニトリル、アゼラニトリル、セバコニトリル、ウンデカンジニトリル、ドデカンジニトリル及び3,9−ビス(2−シアノエチル)−2,4,8,10−テトラオキサスピロ[5,5]ウンデカン、フマロニトリルが保存特性向上の点から好ましい。更に、スクシノニトリル、グルタロニトリル、アジポニトリル、ピメロニトリル、スベロニトリル、グルタロニトリル及び3,9−ビス(2−シアノエチル)−2,4,8,10−テトラオキサスピロ[5,5]ウンデカンは、保存特性向上効果が特に優れ、また電極での副反応による劣化が少ないためにより好ましい。通常、ジニトリル化合物は、分子量が小さいほど一分子におけるシアノ基の量割合が大きくなり、分子の粘度が上昇する一方、分子量が大きくなるほど、化合物の沸点が上昇する。よって、作業効率の向上の点から、スクシノスクシノニトリル、グルタロニトリル、アジポニトリル及びピメロニトリルが更に好ましい。
式(4−2)で表される化合物は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併有してもよい。式(4−2)で表される化合物の量(2種以上の場合は合計量)は、電解液100質量%中、0.001質量%以上であることができ、好ましくは0.01質量%以上、より好ましくは0.1質量%以上、特に好ましくは0.3質量%以上であり、また、10質量%以下であることができ、好ましくは5質量%以下、より好ましくは3質量%以下の濃度で含有させる。上記範囲を満たした場合は、出力特性、負荷特性、低温特性、サイクル特性、高温保存特性等の効果がより向上する。
1−2−4−3.式(4−3)で表される化合物
Figure 0005811311

(式中、
は、水素原子、炭素原子、窒素原子、酸素原子、硫黄原子、リン原子及びハロゲン原子からなる群より選ばれる1種以上の原子で構成された炭素数1以上12以下の有機基であり、n43は0以上5以下の整数である。)
水素原子、炭素原子、窒素原子、酸素原子、硫黄原子、リン原子、及びハロゲン原子からなる群より選ばれる1種以上の原子で構成された炭素数1以上12以下の有機基とは、炭素原子及び水素原子から構成される有機基の他に、窒素原子、酸素原子、硫黄原子、リン原子又はハロゲン原子を含んでいてもよい有機基を包含する。窒素原子、酸素原子、硫黄原子、リン原子又はハロゲン原子を含んでいてもよい有機基には、炭素原子及び水素原子から構成される基における骨格の炭素原子の一部が、これらの原子に置換されている有機基、又はこれらの原子で構成された置換基を有する有機基を包含する。
上記n43は0以上5以下、好ましくは0以上3以下、より好ましくは0以上1以下の整数であり、特に好ましくは0である。
また、上記Aは、水素原子、炭素原子、窒素原子、酸素原子及び硫黄原子からなる群より選ばれる1種以上の原子で構成された炭素数1以上12以下の有機基であることが好ましく、水素原子、炭素原子及び酸素原子からなる群より選ばれる1種以上の原子で構成された炭素数1以上12以下の有機基であることがより好ましく、置換基を有していてもよい炭素数1以上12以下の脂肪族炭化水素基であることが更に好ましい。
ここで置換基とは、炭素原子、水素原子、窒素原子、酸素原子、硫黄原子、リン原子及びハロゲン原子からなる群より選ばれる1以上の原子で構成された基のことを表す。
置換基としては、ハロゲン原子;非置換又はハロゲン置換の、アルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アリール基、アルコキシ基;イソシアナト基;アルコキシカルボニルオキシ基;アシル基;カルボキシル基;アルコキシカルボニル基;アシルオキシ基;アルキルスルホニル基;アルコキシスルホニル基;ジアルコキシホスファントリイル基;ジアルコキシホスホリル基及びジアルコキシホスホリルオキシ基等が挙げられ、好ましくはハロゲン原子;アルコキシ基又は非置換もしくはハロゲン置換のアルキル基であり、より好ましくはハロゲン原子又は非置換もしくはハロゲン置換のアルキル基であり、更に好ましくは非置換のアルキル基である。
上記脂肪族炭化水素基は、特に制限されないが、炭素数は1以上であることができ、好ましくは2以上、より好ましくは3以上であり、また、12以下であることができ、好ましくは8以下、より好ましくは6以下である。
脂肪族炭化水素基としては、n43に応じて、アルカントリイル基、アルカンテトライル基、アルカンペンタイル基、アルカンテトライル基、アルケントリイル基、アルケンテトライル基、アルケンペンタイル基、アルケンテトライル基、アルキントリイル基、アルキンテトライル基、アルキンペンタイル基及びアルキンテトライル基等が挙げられる。
これらのうち、アルカントリイル基、アルカンテトライル基、アルカンペンタイル基及びアルカンテトライル基等の飽和炭化水素基がより好ましく、アルカントリイル基が更に好ましい。
更に、上記式(4−3)で表される化合物は式(4−3’)で示される化合物であることがより好ましい。
Figure 0005811311

(式中、A及びAは、上記Aと同義である。)
また、上記A及びAは、置換基を有していていもよい炭素数1以上5以下の炭化水素基であることがより好ましい。
炭化水素基としては、メチレン基、エチレン基、トリメチレン基、テトラエチレン基、ペンタメチレン基、ビニレン基、1−プロペニレン基、2−プロペニレン基、1−ブテニレン基、2−ブテニレン基、1−ペンテニレン基、2−ペンテニレン基、エチニレン基、プロピニレン基、1−ブチニレン基、2−ブチニレン基、1−ペンチニレン基及び2−ペンチニレン基等が挙げられる。
これらのうち、メチレン基、エチレン基、トリメチレン基、テトラエチレン基、ペンタメチレン基が好ましく、メチレン基、エチレン基、トリメチレン基がより好ましい。
上記A及びAは、互いに同一でなく、異なることが好ましい。
式(4−3)で表される化合物の分子量は、特に制限されない。分子量は、好ましくは、90以上であり、より好ましくは120以上、更に好ましくは150以上であり、また、好ましくは450以下であり、より好ましくは300以下であり、更に好ましくは250以下である。この範囲であれば、非水系電解液に対する式(4−3)で表される化合物の溶解性を確保しやすく、本発明の効果が発現されやすい。式(4−3)で表される化合物の製造方法は、特に制限されず、公知の方法を任意に選択して製造することが可能である。
式(4−3)で表される化合物としては、以下の化合物が挙げられる。
Figure 0005811311

Figure 0005811311

Figure 0005811311

Figure 0005811311

Figure 0005811311

Figure 0005811311

Figure 0005811311
これらのうち、
Figure 0005811311

が保存特性向上の点から好ましい。
シアノ基を有する有機化合物は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併有してもよい。
式(4−3)で表される化合物の量(2種以上の場合は合計量)は、電解液100質量%中、0.001質量%以上であることができ、好ましくは0.01質量%以上、より好ましくは0.1質量%以上、特に好ましくは0.3質量%以上であり、また、10質量%以下であることができ、好ましくは5質量%以下、より好ましくは3質量%以下、特に好ましくは2質量%以下の濃度で含有させる。この範囲にあると、出力特性、負荷特性、低温特性、サイクル特性、高温保存特性等を制御しやすい。
式(I)で表される芳香族化合物とシアノ基を有する有機化合物の質量比は、シアノ基を有する有機化合物:式(I)で表される芳香族化合物が、50:50以上であることができ、好ましくは40:60以上、更に好ましくは35:65以上であり、また、1:99以下であることができ、好ましくは10:90以下、より好ましくは20:80以下である。この範囲であれば、電池特性、特に保存特性を著しく向上させることができる。この原理については定かではないが、この比率で混合させることで、電極上での添加剤の副反応を最小限に抑えられるためと考えられる。
1−2−5.イソシアネート基を有する有機化合物
本発明の電解液は、イソシアネート基を有する有機化合物を含むことができる。イソシアネート基を有する有機化合物は、分子内に少なくとも1つのイソシアネート基を有する有機化合物であれば、特に制限されない。イソシアネート基の数は、一分子中、好ましくは1以上4以下、より好ましくは2以上3以下、更に好ましくは2である。
本発明の電解液において、式(I)で表される芳香族化合物とイソシアネート基を有する化合物とを併用することによって、この電解液を用いた電池において、負荷特性を維持しつつ、高温保存時のガス発生が抑制できる一方で、過充電時にガスを発生させ安全性を確保することができる。イソシアネート基を有する有機化合物は、好ましくは、直鎖状もしくは分岐状のアルキレン基、シクロアルキレン基、シクロアルキレン基とアルキレン基が連結した構造、芳香族炭化水素基、芳香族炭化水素基とアルキレン基が連結した構造、エーテル構造(−O−)、エーテル構造(−O−)とアルキレン基が連結した構造、カルボニル基(−C(=O)−)、カルボニル基とアルキレン基とが連結した構造、スルホニル基(−S(=O)−)、スルホニル基とアルキレン基とが連結した構造又はこれらがハロゲン化された構造等を有する化合物にイソシアネート基が結合した化合物であり、より好ましくは、直鎖状或いは分岐状のアルキレン基、シクロアルキレン基、シクロアルキレン基とアルキレン基が連結した構造、芳香族炭化水素基又は芳香族炭化水素基とアルキレン基が連結した構造にイソシアネート基が結合した化合物であり、更に好ましくは、シクロアルキレン基とアルキレン基が連結した構造にイソシアネート基が結合した化合物である。イソシアネート基を有する有機化合物の分子量は特に制限されない。分子量は、好ましくは80以上であり、より好ましくは115以上、更に好ましくは170以上であり、また、300以下であり、より好ましくは230以下である。この範囲であれば、非水系電解液に対するイソシアネート基を有する有機化合物の溶解性を確保しやすく、本発明の効果が発現されやすい。イソシアネート基を有する有機化合物の製造方法は、特に制限されず、公知の方法を任意に選択して製造することが可能である。また、市販品を用いてもよい。
イソシアネート基を有する有機化合物としては、メチルイソシアネート、エチルイソシアネート、プロピルイソシアネート、イソプロピルイソシアネート、ブチルイソシアネート、ターシャルブチルイソシアネート、ペンチルイソシアネートヘキシルイソシアネート、シクロヘキシルイソシアネート、ビニルイソシアネート、アリルイソシアネート、エチニルイソシアネート、プロパルギルイソシアネート、フェニルイソシアネート、フロロフェニルイソシアネート等のイソシアネート基を1個有する有機化合物;
モノメチレンジイソシアネート、ジメチレンジイソシアネート、トリメチレンジイソシアネート、テトラメチレンジイソシアネート、ペンタメチ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、ヘプタメチレンジイソシアネート、オクタメチレンジイソシアネート、ノナメチレンジイソシアネート、デカメチレンジイソシアネート、ドデカメチレンジイソシアネート、1,3−ジイソシアナトプロパン、1,4−ジイソシアナト−2−ブテン、1,4−ジイソシアナト−2−フルオロブタン、1,4−ジイソシアナト−2,3−ジフルオロブタン、1,5−ジイソシアナト−2−ペンテン、1,5−ジイソシアナト−2−メチルペンタン、1,6−ジイソシアナト−2−ヘキセン、1,6−ジイソシアナト−3−ヘキセン、1,6−ジイソシアナト−3−フルオロヘキサン、1,6−ジイソシアナト−3,4−ジフルオロヘキサン、トルエンジイソシアネート、キシレンジイソシアネート、トリレンジイソシアネート、1,2−ビス(イソシアナトメチル)シクロヘキサン、1,3−ビス(イソシアナトメチル)シクロヘキサン、1,4−ビス(イソシアナトメチル)シクロヘキサン、1,2−ジイソシアナトシクロヘキサン、1,3−ジイソシアナトシクロヘキサン、1,4−ジイソシアナトシクロヘキサン、ジシクロヘキシルメタン−1,1’−ジイソシアネート、ジシクロヘキシルメタン−2,2’−ジイソシアネート、ジシクロヘキシルメタン−3,3’−ジイソシアネート、ジシクロヘキシルメタン−4,4’−ジイソシアネート、ビシクロ[2.2.1]ヘプタン−2,5−ジイルビス(メチルイソシアネート)、ビシクロ[2.2.1]ヘプタン−2,6−ジイルビス(メチルイソシアネート)、ジイソシアン酸イソホロン、カルボニルジイソシアネート、1,4−ジイソシアナトブタン−1,4−ジオン、1,5−ジイソシアナトペンタン−1,5−ジオン、2,2,4−トリメチルヘキサメチレンジイソシアナート、2,4,4−トリメチルヘキサメチレンジイソシアナート等のイソシアネート基を2個有する有機化合物;
等が挙げられる。
これらのうち、モノメチレンジイソシアネート、ジメチレンジイソシアネート、トリメチレンジイソシアネート、テトラメチレンジイソシアネート、ペンタメチ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、ヘプタメチレンジイソシアネート、オクタメチレンジイソシアネート、ノナメチレンジイソシアネート、デカメチレンジイソシアネート、ドデカメチレンジイソシアネート、1,3−ビス(イソシアナトメチル)シクロヘキサン、ジシクロヘキシルメタン−4,4’−ジイソシアネート、ビシクロ[2.2.1]ヘプタン−2,5−ジイルビス(メチルイソシアネート)、ビシクロ[2.2.1]ヘプタン−2,6−ジイルビス(メチルイソシアネート)、ジイソシアン酸イソホロン、2,2,4−トリメチルヘキサメチレンジイソシアナート、2,4,4−トリメチルヘキサメチレンジイソシアナート等のイソシアネート基を2個有する有機化合物が保存特性向上の点から好ましく、ヘキサメチレンジイソシアネート、1,3−ビス(イソシアナトメチル)シクロヘキサン、ジシクロヘキシルメタン−4,4’−ジイソシアネート、ビシクロ[2.2.1]ヘプタン−2,5−ジイルビス(メチルイソシアネート)、ビシクロ[2.2.1]ヘプタン−2,6−ジイルビス(メチルイソシアネート)、ジイソシアン酸イソホロン、2,2,4−トリメチルヘキサメチレンジイソシアナート、2,4,4−トリメチルヘキサメチレンジイソシアナートがより好ましく、1,3−ビス(イソシアナトメチル)シクロヘキサン、ジシクロヘキシルメタン−4,4’−ジイソシアネート、ビシクロ[2.2.1]ヘプタン−2,5−ジイルビス(メチルイソシアネート)、ビシクロ[2.2.1]ヘプタン−2,6−ジイルビス(メチルイソシアネート)が更に好ましい。
イソシアネート基を有する有機化合物は、分子内に少なくとも2個のイソシアネート基を有する化合物から誘導される三量体化合物、又はそれに多価アルコールを付加した脂肪族ポリイソシアネートであってもよい。例えば、下記式(5−1)〜(5−4)の基本構造で示されるビウレット、イソシアヌレート、アダクト及び二官能のタイプの変性ポリイソシアネート等が挙げられる。
Figure 0005811311

(式中、R51〜R54及びR54’は、独立して、2価の炭化水素基(例えば、テトラメチレン基、ヘキサメチレン基)であり、R53’は、独立して、3価の炭化水素基である。)
分子内に少なくとも2個のイソシアネート基を有する有機化合物には、ブロック剤でブロックして保存安定性を高めた、いわゆるブロックイソシアネートも含まれる。ブロック剤には、アルコール類、フェノール類、有機アミン類、オキシム類、ラクタム類を挙げることができ、具体的には、n−ブタノール、フェノール、トリブチルアミン、ジエチルエタノールアミン、メチルエチルケトキシム、ε−カプロラクタム等を挙げることができる。
イソシアネート基を有する有機化合物に基づく反応を促進し、より高い効果を得る目的で、ジブチルスズジラウレート等のような金属触媒や、1,8-ジアザビシクロ[5.4.0]ウンデセン-7のようなアミン系触媒等を併用することも好ましい。
イソシアネート基を有する有機化合物は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併有してもよい。
イソシアネート基を有する有機化合物の量(2種以上の場合は合計量)は、電解液100質量%中、0.001質量%以上であることができ、好ましくは0.1質量%以上、より好ましくは0.3質量%以上であり、また、10質量%以下であることができ、好ましくは5質量%以下、より好ましくは3質量%以下である。この範囲であれば、出力特性、負荷特性、低温特性、サイクル特性、高温保存特性等を制御しやすい。
上記式(I)で表される芳香族化合物とイソシアネート基を有する有機化合物の質量比は、イソシアネート基を有する有機化合物:式(I)で表される芳香族化合物が、50:50以上であることができ、好ましくは40:60以上、更に好ましくは25:75以上であり、また、1:99以下であることができ、好ましくは5:95以下、より好ましくは10:90以下である。この範囲であれば、電池特性、特に保存特性を著しく向上させることができる。この原理については定かではないが、この比率で混合させることで、電極上での添加剤の副反応を最小限に抑えられるためと考えられる。
1−2−6.ケイ素含有化合物
本発明の電解液は、ケイ素含有化合物を含むことができる。ケイ素含有化合物は、分子内に少なくとも1つのケイ素原子を有する化合物であれば、特に制限されない。本発明の電解液において、式(I)で表される芳香族化合物とケイ素含有化合物を併用することによって、初期体積変化率を一層小さくし、高温保存後のレート容量率及び過充電時安全性を向上させることができる。
ケイ素含有化合物としては、下記式(6)で表される化合物が好ましい。
Figure 0005811311
(式中、
61、R62及びR63は、独立して、水素原子、ハロゲン原子又は炭素数10以下の炭化水素基であり、
61は、酸素原子、窒素原子及びケイ素原子からなる群より選ばれる少なくとも1個の原子を含む有機基である。)
炭化水素基については、式(I)における炭化水素基の例示及び好ましい例が適用される。R61、R62及びR63は、好ましくは水素原子、フッ素原子、メチル基、エチル基、n−プロピル基、i−プロピル基、n−ブチル基、sec−ブチル基、i−ブチル基、tertert−ブチル基、フェニル基であり、より好ましくはメチル基である。
61は、酸素原子、窒素原子及びケイ素原子からなる群より選ばれる少なくとも1個の原子を含む有機基であり、好ましくは、酸素原子又はケイ素原子を少なくとも含む有機基である。ここで、有機基とは、炭素原子、水素原子、窒素原子、酸素原子、ケイ素原子、硫黄原子、リン原子及びハロゲン原子からなる群より選ばれる1個以上の原子で構成された基のことを表す。有機基としては、アルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アリール基、アルコキシ基、CN基、イソシアナト基、フルオロ基、アルキルスルホン酸基及びトリアルキルシリル基等が挙げられる。なお、1価の有機基の一部はハロゲン原子で置換されていてもよい。また、有機基の炭素数は、1以上であることができ、好ましくは3以上、より好ましくは5以上であり、また、15以下であることができ、好ましくは12以下、より好ましくは8以下である。
これらのうち、アルキルスルホン酸基、トリアルキルシリル基、ホウ酸基、リン酸基及び亜リン酸基が好ましい。
ケイ素含有化合物としては、以下の化合物が挙げられる。
ホウ酸トリス(トリメチルシリル)、ホウ酸トリス(トリメトキシシリル)、ホウ酸トリス(トリエチルシリル)、ホウ酸トリス(トリエトキシシリル)、ホウ酸トリス(ジメチルビニルシリル)及びホウ酸トリス(ジエチルビニルシリル)等のホウ酸化合物; リン酸トリス(トリメチルシリル)、リン酸トリス(トリエチルシリル)、リン酸トリス(トリプロピルシリル)、リン酸トリス(トリフェニルシリル)、リン酸トリス(トリメトキシシリル)、リン酸トリス(トリエトキシシリル)、リン酸トリス(トリフエノキシシリル)、リン酸トリス(ジメチルビニルシリル)及びリン酸トリス(ジエチルビニルシリル)等のリン酸化合物;
亜リン酸トリス(トリメチルシリル)、亜リン酸トリス(トリエチルシリル)、亜リン酸トリス(トリプロピルシリル)、亜リン酸トリス(トリフェニルシリル)、亜リン酸トリス(トリメトキシシリル)、亜リン酸トリス(トリエトキシシリル)、亜リン酸トリス(トリフエノキシシリル)、亜リン酸トリス(ジメチルビニルシリル)及び亜リン酸トリス(ジエチルビニルシリル)等の亜リン酸化合物;
メタンスルホン酸トリメチルシリル、テトラフルオロメタンスルホン酸トリメチルシリル等のスルホン酸化合物;
ヘキサメチルジシラン、ヘキサエチルジシラン、1,1,2,2−テトラメチルジシラン、1,1,2,2−テトラエチルジシラン、1,2−ジフェニルテトラメチルジシラン及び1,1,2,2−テトラフェニルジシラン等のジシラン化合物;
等が挙げられる。
これらのうち、ホウ酸トリス(トリメチルシリル)、リン酸トリス(トリメチルシリル)、亜リン酸トリス(トリメチルシリル)、メタンスルホン酸トリメチルシリル、テトラフルオロメタンスルホン酸トリメチルシリル、ヘキサメチルジシラン、ヘキサエチルジシラン、1,2−ジフェニルテトラメチルジシラン及び1,1,2,2−テトラフェニルジシランが好ましく、ホウ酸トリス(トリメチルシリル)、リン酸トリス(トリメチルシリル)、亜リン酸トリス(トリメチルシリル)及びヘキサメチルジシランがより好ましい。
なお、これらケイ素含有化合物は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。
ケイ素含有化合物(2種以上の場合は合計量)は、電解液100質量%中、0.001質量%以上であることができ、好ましくは0.1質量%以上、より好ましくは0.3質量%以上であり、また、10質量%以下であることができ、好ましくは5質量%以下、より好ましくは3質量%以下である。この範囲であれば、出力特性、負荷特性、低温特性、サイクル特性、高温保存特性等を制御しやすい。
上記式(I)で表される芳香族化合物とケイ素含有化合物(2種以上の場合は合計量)の質量比は、99:1〜1:99が好ましく、10:90〜90:10がより好ましく、20:80〜80:20が特に好ましい。この範囲であると、出力特性、高温耐久性等のバランスを保ちやすい。
1−2−7.式(I)以外の芳香族化合物
本発明の電解液は、式(I)以外の芳香族化合物を含むことができる。
式(I)以外の芳香族化合物としては、分子内に芳香族環を有している式(I)以外の有機化合物であれば特にその種類は限定されないが、好ましくは下記式(7)で表される少なくとも1つの置換基を有する芳香族化合物である。本発明の電解液に、式(I)以外の芳香族化合物を含有させることによって、電解液を用いた電池の過充電時安全性を一層向上させ、良好な高温保存特性を付与することができる。
Figure 0005811311

(式中、
置換基X71はハロゲン原子、ハロゲン原子又はヘテロ原子を有していてもよい有機基を表す。ヘテロ原子を有していてもよい有機基とは、炭素数1以上12以下の直鎖又は分岐鎖又は環状の飽和炭化水素基、カルボン酸エステル構造を有する基、カーボネート構造を有する基、リン原子を有する基、硫黄原子を有する基、ケイ素原子を有する基を示す。また、それぞれの置換基は更にハロゲン原子、炭化水素基、芳香族基、ハロゲン含有炭化水素基、ハロゲン含有芳香族基などで置換されていてもよい。また置換基X71の数n71は1以上6以下であり、複数の置換基を有する場合それぞれの置換基は同一でも異なっていてもよく、また環を形成していてもよい。)
中でも、炭素数1以上12以下の直鎖又は分岐鎖又は環状の飽和炭化水素基、カルボン酸エステル構造を有する基、カーボネート構造を有する基が電池特性の観点から好ましい。より好ましくは炭素数3以上12以下の直鎖又は分岐鎖又は環状の飽和炭化水素基、カルボン酸エステル構造を有する基である。
置換基X71の数n71は好ましくは1以上5以下であり、より好ましくは1以上3以下であり、更に好ましくは1以上2以下であり、特に好ましくは1である。
71はハロゲン原子、ハロゲン原子又はヘテロ原子を有していてもよい有機基を表す。
ハロゲン原子として、塩素、フッ素等が挙げられ、好ましくはフッ素である。
ヘテロ原子を有さない有機基として、炭素数3以上12以下の直鎖状、分岐状、環状の飽和炭化水素基が挙げられ、直鎖状、分岐状のものは環構造を持つものも含まれる。炭素数1以上12以下の直鎖状、分岐状、環状の飽和炭化水素基として具体的には、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、イソブチル基、tert−ブチル基、ペンチル基、tert−ペンチル基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基、ブチルシクロヘキシル基、等が挙げられる。炭素数は好ましくは3以上12以下、より好ましくは3以上10以下、更に好ましくは3以上8以下、更により好ましくは3以上6以下、最も好ましくは3以上5以下である。
ヘテロ原子を有する有機基を構成するヘテロ原子として、酸素原子、硫黄原子、リン原子、ケイ素原子等が挙げられる。酸素原子を有するものとして、カルボン酸エステル構造を有する基、カーボネート構造を有する基等が挙げられる。硫黄原子を有するものとして、スルホン酸エステル構造を有する基等が挙げられる。リン原子を有するものとして、リン酸エステル構造を有する基、ホスホン酸エステル構造を有する基等が挙げられる。ケイ素原子を有するものとして、ケイ素―炭素構造を有する基等が挙げられる。
式(7)で表される芳香族化合物としては、例えば以下の具体例が挙げられる。
71がハロゲン原子又はハロゲン原子を有していてもよい有機基であるものとして、
クロロベンゼン、フルオロベンゼン、ジフルオロベンゼン、トリフルオロベンゼン、テトラフルオロベンゼン、ペンタフルオロベンゼン、ヘキサフルオロベンゼン、ベンゾトリフルオライド等が挙げられ、好ましくはフルオロベンゼン、ヘキサフルオロベンゼンである。より好ましくはフルオロベンゼンである。
71が炭素数1〜12の炭化水素基であるものとして、
2,2−ジフェニルプロパン、1,4−ジフェニルシクロヘキサン、シクロペンチルベンゼン、シクロヘキシルベンゼン、シス−1−プロピル−4−フェニルシクロヘキサン、トランス−1−プロピル−4−フェニルシクロヘキサン、シス−1−ブチル−4−フェニルシクロヘキサン、トランス−1−ブチル−4−フェニルシクロヘキサン、プロピルベンゼン、ブチルベンゼン、tert−ブチルベンゼン、tert−アミルベンゼン等が挙げられ、好ましくは2,2−ジフェニルプロパン、1,4−ジフェニルシクロヘキサン、シクロペンチルベンゼン、シクロヘキシルベンゼン、シス−1−プロピル−4−フェニルシクロヘキサン、トランス−1−プロピル−4−フェニルシクロヘキサン、シス−1−ブチル−4−フェニルシクロヘキサン、トランス−1−ブチル−4−フェニルシクロヘキサン、トルエン、エチルベンゼン、プロピルベンゼン、ブチルベンゼン、tert−ブチルベンゼン、tert−アミルベンゼンであり、より好ましくは2,2−ジフェニルプロパン、シクロペンチルベンゼン、シクロヘキシルベンゼン、1,1−ジフェニルシクロヘキサン、tert−ブチルベンゼン、tert−アミルベンゼンであり、更に好ましくはシクロヘキシルベンゼン、tert−ブチルベンゼン、tert−アミルベンゼンである。
71がカルボン酸エステル構造を有する基であるものとして、
酢酸フェニル、酢酸ベンジル、酢酸2−フェニルエチル、酢酸3−フェニルプロピル、酢酸4−フェニルブチル、プロピオン酸フェニル、プロピオン酸ベンジル、プロピオン酸2−フェニルエチル、プロピオン酸3−フェニルプロピル、プロピオン酸4−フェニルブチル、酪酸フェニル、酪酸ベンジル、酪酸2−フェニルエチル、酪酸3−フェニルプロピル、酪酸4−フェニルブチル、2,2−ビス(4−アセトキシフェニル)プロパン等が挙げられ、好ましくは酢酸2−フェニルエチル、酢酸3−フェニルプロピル、プロピオン酸2−フェニルエチル、プロピオン酸3−フェニルプロピル、2,2−ビス(4−アセトキシフェニル)プロパンであり、より好ましくは酢酸2−フェニルエチル、酢酸3−フェニルプロピルである。
71がカーボネート構造を有する基であるものとして、
2,2−ビス(4−メトキシカルボニルオキシフェニル)プロパン、1,1−ビス(4−メトキシカルボニルオキシフェニル)シクロヘキサン、ジフェニルカーボネート、メチルフェニルカーボネート、エチルフェニルカーボネート、
2−tert−ブチルフェニルメチルカーボネート、2−tert−ブチルフェニルエチルカーボネート、ビス(2−tert−ブチルフェニル)カーボネート、4−tert−ブチルフェニルメチルカーボネート、4−tert−ブチルフェニルエチルカーボネート、ビス(4−tert−ブチルフェニル)カーボネート、ベンジルメチルカーボネート、ベンジルエチルカーボネート、ジベンジルカーボネート等が挙げられ、好ましくは2,2−ビス(4−メトキシカルボニルオキシフェニル)プロパン、1,1−ビス(4−メトキシカルボニルオキシフェニル)シクロヘキサン体、ジフェニルカーボネート、メチルフェニルカーボネートであり、より好ましくはジフェニルカーボネート、メチルフェニルカーボネートであり、更に好ましくはメチルフェニルカーボネートである。
71がスルホン酸エステル構造を有する基であるものとして、
メチルフェニルスルホネート、エチルフェニルスルホネート、ジフェニルスルホネート、
フェニルメチルスルホネート、2−tert−ブチルフェニルメチルスルホネート、4−tert−ブチルフェニルメチルスルホネート、シクロヘキシルフェニルメチルスルホネート等が挙げられ、好ましくはメチルフェニルスルホネート、ジフェニルスルホネート、2−tert−ブチルフェニルメチルスルホネート、4−tert−ブチルフェニルメチルスルホネート、シクロヘキシルフェニルメチルスルホネートであり、より好ましくはメチルフェニルスルホネート、2−tert−ブチルフェニルメチルスルホネート、4−tert−ブチルフェニルメチルスルホネート、シクロヘキシルフェニルメチルスルホネートである。
71がケイ素−炭素構造を有する基であるものとして、
トリメチルフェニルシラン、ジフェニルシラン、ジフェニルテトラメチルジシラン等が挙げられ、好ましくはトリメチルフェニルシランである。
71がリン酸エステル構造を有する基であるものとして、
トリフェニルホスフェート、トリス(2−tert−ブチルフェニル)ホスフェート、トリス(3−tert−ブチルフェニル)ホスフェート、トリス(4−tert−ブチルフェニル)ホスフェート、トリス(2−tert−アミルフェニル)ホスフェート、トリス(3−tert−アミルフェニル)ホスフェート、トリス(4−tert−アミルフェニル)ホスフェート、トリス(2−シクロヘキシルフェニル)ホスフェート、トリス(3−シクロヘキシルフェニル)ホスフェート、トリス(4−シクロヘキシルフェニル)ホスフェート、ジエチル(4−メチルベンジル)ホスホネート等が挙げられ、好ましくはトリフェニルホスフェート、トリス(2−tert−ブチルフェニル)ホスフェート、トリス(3−tert−ブチルフェニル)ホスフェート、トリス(4−tert−ブチルフェニル)ホスフェート、トリス(2−tert−アミルフェニル)ホスフェート、トリス(3−tert−アミルフェニル)ホスフェート、トリス(4−tert−アミルフェニル)ホスフェート、トリス(2−シクロヘキシルフェニル)ホスフェート、トリス(3−シクロヘキシルフェニル)ホスフェート、トリス(4−シクロヘキシルフェニル)ホスフェート、であり、より好ましくはトリス(2−tert−ブチルフェニル)ホスフェート、トリス(4−tert−ブチルフェニル)ホスフェート、トリス(2−シクロヘキシルフェニル)ホスフェート、トリス(4−シクロヘキシルフェニル)ホスフェートである。
71がホスホン酸エステル構造を有する基であるものとして、
ジメチルフェニルホスホネート、ジエチルフェニルホスホネート、メチルフェニルフェニルホスホネート、エチルフェニルフェニルホスホネート、ジフェニルフェニルホスホネート、ジメチル−(4−フルオロフェニル)−ホスホネート、ジメチルベンジルホスホネート、ジエチルベンジルホスホネート、メチルフェニルベンジルホスホネート、エチルフェニルベンジルホスホネート、ジフェニルベンジルホスホネート、ジメチル−(4−フルオロベンジル)ホスホネート、ジエチル−(4−フルオロベンジル)ホスホネート等が挙げられ、好ましくはジメチルフェニルホスホネート、ジエチルフェニルホスホネート、ジメチル−(4−フルオロフェニル)-ホスホネート、ジメチルベンジルホスホネート、ジエチルベンジルホスホネート、ジメチル−(4−フルオロベンジル)ホスホネート、ジエチル−(4−フルオロベンジル)ホスホネートであり、より好ましくはジメチルフェニルホスホネート、ジエチルフェニルホスホネート、ジメチルベンジルホスホネート、ジエチルベンジルホスホネート、ジメチル−(4−フルオロベンジル)ホスホネート、ジエチル−(4−フルオロベンジル)ホスホネートである。
また、式(I)以外の芳香族化合物としては、上記芳香族化合物のフッ素化体も含まれる。具体的には、
トリフルオロメチルベンゼン、2−フルオロトルエン、3−フルオロトルエン、4−フルオロトルエン、トリフルオロメチルベンゼン、o−シクロヘキシルフルオロベンゼン、p−シクロヘキシルフルオロベンゼン等の炭化水素基を有するものの部分フッ素化物;2−フルオロフェニルアセテート、4−フルオロフェニルアセテート等のカルボン酸エステル構造を有するものの部分フッ素化物;トリフルオロメトキシベンゼン、2−フルオロアニソール、3−フルオロアニソール、4−フルオロアニソール、2,4−ジフルオロアニソール、2,5−ジフルオロアニソール、2,6−ジフルオロアニソール、3,5−ジフルオロアニソール、4−トリフルオロメトキシアニソール等のエーテル構造を有するものの部分フッ素化物等が挙げられ、好ましくはトリフルオロメチルベンゼン、2−フルオロトルエン、3−フルオロトルエン、4−フルオロトルエン、o−シクロヘキシルフルオロベンゼン、p−シクロヘキシルフルオロベンゼン等の炭化水素基を有するものの部分フッ素化物;2−フルオロフェニルアセテート、4−フルオロフェニルアセテート等のカルボン酸エステル構造を有するものの部分フッ素化物;トリフルオロメトキシベンゼン2−フルオロアニソール、4−フルオロアニソール、2,4−ジフルオロアニソール、4−トリフルオロメトキシアニソール等のエーテル構造を有するものの部分フッ素化物等であり、より好ましくは2−フルオロトルエン、3−フルオロトルエン、4−フルオロトルエン、等の炭化水素基を有するものの部分フッ素化物;2−フルオロフェニルアセテート、4−フルオロフェニルアセテート等のカルボン酸エステル構造を有するものの部分フッ素化物;トリフルオロメトキシベンゼン、2−フルオロアニソール、4−フルオロアニソール、2,4−ジフルオロアニソール、4−トリフルオロメトキシアニソール等のエーテル構造を有するものの部分フッ素化物等である。
式(I)以外の芳香族化合物は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併有してもよい。式(I)以外の芳香族化合物の量(2種以上の場合は合計量)は、電解液100質量%中、0.001質量%以上であることができ、好ましくは0.01質量%以上、より好ましくは0.1質量%以上、更に好ましくは0.5質量%以上、更により好ましくは1質量%以上、特に好ましくは2質量%以上、特により好ましくは3質量%以上であり、また、10質量%以下であることができ、好ましくは8質量%以下、より好ましくは5質量%以下、更に好ましくは4質量%以下である。上記範囲内にあることにより、本発明の効果が発現しやすく、また、電池の抵抗増大を防ぎやすい。
上記式(I)で表される芳香族化合物と式(I)以外の芳香族化合物(2種以上の場合は合計量)の質量比は、1:99〜99:1が好ましく、10:90〜90:10がより好ましく、20:80〜80:20が特に好ましい。この範囲であると、電池特性が低下せずに過充電特性を向上させることができる。
1−2−8.炭素−炭素不飽和結合を有する環状カーボネート
炭素−炭素不飽和結合を有する環状カーボネート(以下、「不飽和環状カーボネート」ともいう)としては、炭素−炭素二重結合又は炭素−炭素三重結合を有する環状カーボネートであれば、特に制限はない。芳香環を有する環状カーボネートも、不飽和環状カーボネートに包含されることとする。不飽和環状カーボネートを含有する本発明の電解液を用いた電池は、初期不可逆容量及び放電保存後OCVに優れている。フッ素化された炭素−炭素不飽和結合を有する環状カーボネートは、フッ素含有環状カーボネートに包含されることとする。
不飽和環状カーボネートとしては、炭素−炭素不飽和結合を有し、かつ五員環構造を有する環状カーボネート、炭素−炭素不飽和結合を有し、かつ六員環構造を有する環状カーボネートが挙げられ、好ましくは炭素−炭素不飽和結合を有し、かつ五員環構造を有する環状カーボネートである。
炭素−炭素不飽和結合を有し、かつ五員環構造を有する環状カーボネートとしては、ビニレンカーボネート類、芳香環もしくは炭素−炭素二重結合又は炭素−炭素三重結合を有する置換基で置換されたエチレンカーボネート類、カテコールカーボネート類が挙げられ、炭素−炭素不飽和結合を有し、かつ六員環構造を有する環状カーボネートとしては、4H−1,3−ジオキシン−2−オン類、等が挙げられる。
ビニレンカーボネート類としては、ビニレンカーボネート、メチルビニレンカーボネート、4,5−ジメチルビニレンカーボネート、フェニルビニレンカーボネート、4,5−ジフェニルビニレンカーボネート、ビニルビニレンカーボネート、4,5−ビニルビニレンカーボネート、アリルビニレンカーボネート、4,5−ジアリルビニレンカーボネート等が挙げられる。
芳香環もしくは炭素−炭素二重結合又は炭素−炭素三重結合を有する置換基で置換されたエチレンカーボネート類としては、ビニルエチレンカーボネート、4,5−ジビニルエチレンカーボネート、4−メチル−5−ビニルエチレンカーボネート、4−アリル−5−ビニルエチレンカーボネート、エチニルエチレンカーボネート、4,5−ジエチニルエチレンカーボネート、4−メチル−5−エチニルエチレンカーボネート、4−ビニル−5−エチニルエチレンカーボネート、4−アリル−5−エチニルエチレンカーボネート、フェニルエチレンカーボネート、4,5−ジフェニルエチレンカーボネート、4−フェニル−5−ビニルエチレンカーボネート、4−アリル−5−フェニルエチレンカーボネート、アリルエチレンカーボネート、4,5−ジアリルエチレンカーボネート、4−メチル−5−アリルエチレンカーボネート等が挙げられる。
4H−1,3−ジオキシン−2−オン類の具体例としては、
4H−1,3−ジオキシン−2−オン、4−メチル−4H−1,3−ジオキシン−2−オン、5−メチル−4H−1,3−ジオキシン−2−オン、6−メチル−4H−1,3−ジオキシン−2−オン、4、5−ジメチル−4H−1,3−ジオキシン−2−オン、4、6−ジメチル−4H−1,3−ジオキシン−2−オン、5、6−ジメチル−4H−1,3−ジオキシン−2−オン、4−フェニル−4H−1,3−ジオキシン−2−オン、5−フェニル−4H−1,3−ジオキシン−2−オン、6−フェニル−4H−1,3−ジオキシン−2−オン等が挙げられる。
芳香環又は炭素−炭素二重結合又は炭素−炭素三重結合を有する置換基で置換されたトリメチレンカーボネート類の具体例としては、
4−ビニル−1,3−ジオキサン−2−オン、4,5−ジビニル−1,3−ジオキサン−2−オン、4−メチル−5−ビニル−1,3−ジオキサン−2−オン、4−アリル−5−ビニル−1,3−ジオキサン−2−オン、エチニル−1,3−ジオキサン−2−オン、4,5−ジエチニル−1,3−ジオキサン−2−オン、4−メチル−5−エチニル−1,3−ジオキサン−2−オン、4−ビニル−5−エチニル−1,3−ジオキサン−2−オン、4−アリル−5−エチニル−1,3−ジオキサン−2−オン、4−フェニル−1,3−ジオキサン−2−オン、4,5−ジフェニル−1,3−ジオキサン−2−オン、4−フェニル−5−ビニル−1,3−ジオキサン−2−オン、4−アリル−5−フェニル−1,3−ジオキサン−2−オン、4−アリル−1,3−ジオキサン−2−オン、4,5−ジアリル−1,3−ジオキサン−2−オン、4−メチル−5−アリル−1,3−ジオキサン−2−オン等が挙げられる。
中でも、特に式(I)で表される芳香族化合物と併用するのに好ましい不飽和環状カーボネートとしては、ビニレンカーボネート、メチルビニレンカーボネート、4,5−ジメチルビニレンカーボネート、ビニルビニレンカーボネート、4,5−ビニルビニレンカーボネート、アリルビニレンカーボネート、4,5−ジアリルビニレンカーボネート、ビニルエチレンカーボネート、4,5−ジビニルエチレンカーボネート、4−メチル−5−ビニルエチレンカーボネート、アリルエチレンカーボネート、4,5−ジアリルエチレンカーボネート、4−メチル−5−アリルエチレンカーボネート、4−アリル−5−ビニルエチレンカーボネート、エチニルエチレンカーボネート、4,5−ジエチニルエチレンカーボネート、4−メチル−5−エチニルエチレンカーボネート、4−ビニル−5−エチニルエチレンカーボネートが挙げられる。また、ビニレンカーボネート、ビニルエチレンカーボネート、エチニルエチレンカーボネートは更に安定な界面保護被膜を形成するので、特に好ましい。
不飽和環状カーボネートの分子量は、好ましくは86以上であり、また、好ましくは250以下、より好ましくは150以下である。この範囲であれば、非水系電解液に対する不飽和環状カーボネートの溶解性を確保しやすく、本発明の効果が十分に発現されやすい。不飽和環状カーボネートの製造方法は、特に制限されず、公知の方法を任意に選択して製造することが可能である。
不飽和環状カーボネートは、1種を単独で用いても、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併有してもよい。
不飽和環状カーボネートの量(2種以上の場合は合計量)は、電解液100質量%中、0.001質量%以上であることができ、好ましくは0.01質量%以上、より好ましくは0.1質量%以上であり、また、好ましくは5質量%であることができ、好ましくは4質量%以下、より好ましくは3質量%以下である。この範囲内であれば、非水系電解液電池が十分なサイクル特性向上効果を発現しやすく、また、高温保存特性が低下し、ガス発生量が多くなり、放電容量維持率が低下するといった事態を回避しやすい。
上記式(I)で表される芳香族化合物と不飽和環状カーボネート(2種以上の場合は合計量)の質量比は、1:99〜99:1が好ましく、10:90〜90:10がより好ましく、20:80〜80:20が特に好ましい。この範囲であると、電池特性が低下せずに放電保存後OCVを向上させることができる。
1−2−9.フッ素非含有カルボン酸エステル
本発明の電解液は、フッ素非含有カルボン酸エステルを含むことができる。本発明の電解液において、式(I)で表される芳香族化合物とフッ素非含有カルボン酸エステルを併用することにより、電池の高温保存特性を改善することができる。フッ素非含有カルボン酸エステルは、分子内にフッ素原子を有さないカルボン酸エステルであれば、特に制限されないが、好ましくはフッ素非含有の鎖状カルボン酸エステルである。フッ素非含有の鎖状カルボン酸エステルの総炭素数は、好ましくは3以上7以下、より好ましくは4以上6以下、更に好ましくは5である。
フッ素非含有鎖状カルボン酸エステルとしては、以下が挙げられる。
酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸−n−プロピル、酢酸イソプロピル、酢酸−n−ブチル、酢酸イソブチル、酢酸−tert−ブチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、プロピオン酸−n−プロピル、プロピオン酸イソプロピル、プロピオン酸−n−ブチル、プロピオン酸イソブチル、プロピオン酸−tert−ブチル、酪酸メチル、酪酸エチル、酪酸−n−プロピル、酪酸イソプロピル、イソ酪酸メチル、イソ酪酸エチル、イソ酪酸−n−プロピル、イソ酪酸イソプロピル。
これらのうち、粘度低下によるイオン伝導度の向上の点から、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸−n−プロピル、酢酸−n−ブチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、プロピオン酸−n−プロピル、プロピオン酸イソプロピル、酪酸メチル、酪酸エチル、酪酸−n−プロピル、酪酸−n−ブチル等が好ましく、酢酸メチル、酢酸エチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、プロピオン酸−n−プロピル、プロピオン酸イソプロピルがより好ましく、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチルが更に好ましい。
フッ素非含有カルボン酸エステルは、1種を単独で用いてもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。
フッ素非含有カルボン酸エステルの量(2種以上の場合は合計量)は、0.1質量%以上であることができ、好ましくは0.5質量%以上、より好ましくは1質量%以上であり、また、好ましくは10質量%以下であることができ、好ましくは5質量%以下であり、より好ましくは3質量%以下である。非水溶媒100体積%中、1体積%以上で含有させることができ、好ましくは5体積%以上、より好ましくは10体積%以上、さら好ましくは20体積%以上であり、また、50体積%以下で含有させることができ、より好ましくは45体積%以下、更に好ましくは40体積%以下である。このような範囲であれば、負極抵抗の増大を抑制し、出力特性、負荷特性、低温特性、サイクル特性、高温保存特性を制御しやすい。
1−2−10.環状エーテル
環状エーテルとしては、分子内に環状構造を有するエーテルであれば、特に限定されないが、好ましくは式(10)で表される化合物である。環状エーテルは、電池の高温保存特性の向上に寄与するものであり、本発明の電解液においては、式(I)で表される芳香族化合物と併用することで、良好な初期特性をも保持することができる。
Figure 0005811311

(式中、
15〜A20は、独立して、水素原子、フッ素原子又は置換基を有していてもよい炭素数1以上5以下の炭化水素基を表す。n101は1以上4以下の整数であり、n101が2以上の整数の場合は、複数のA17及びA18は同一であっても異なっていてもよい。)
尚、A15〜A20から選ばれる2つが互いに結合して環を形成してもよい。この場合、A17及びA18で環構造を形成することが好ましい。また、A15〜A20の炭素数の総和が、好ましくは0以上8以下、より好ましくは0以上4以下、更に好ましくは0以上2以下、特に好ましくは0以上1以下である。
置換基の具体例としては、ハロゲン原子、ハロゲン原子で置換されていてもよい、アルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アリール基、アルコキシ基、そして、シアノ基、イソシアナト基、エーテル基、カーボネート基、カルボニル基、カルボキシ基、アルコキシカルボニル基、アシルオキシ基、スルホニル基、ホスファントリイル基及びホスホリル基などが挙げられる。これらのうち、好ましくはハロゲン原子、アルコキシ基、ハロゲン原子で置換されていてもよい、アルキル基、アルケニル基、アルキニル基、そして、イソシアナト基、シアノ基、エーテル基、カルボニル基、アルコキシカルボニル基、アシルオキシ基であり、より好ましくは、ハロゲン原子で置換されていないアルキル基、シアノ基及びエーテル基である。
式(10)中、n101は1以上3以下の整数であることが好ましく、1以上2以下の整数であることがより好ましく、n101が2であることが更に好ましい。
15〜A20における炭素数1以上5以下の炭化水素基としては、アルキル基、アルケニル基、アルキニル基及びアリール基等の1価の炭化水素基;
アルキレン基、アルケニレン基、アルキニレン基及びアリーレン基等の2価の炭化水素基;等が挙げられる。これらのうち、アルキル基、アルキレン基が好ましく、アルキル基がより好ましい。
炭素数1以上5以下の炭化水素基の具体例としては、
メチル基、エチル基、n−プロピル基、i−プロピル基、n−ブチル基、sec−ブチル基、i−ブチル基、tert−ブチル基、n−ペンチル基、イソペンチル基、sec−ペンチル基、ネオペンチル基、1−メチルブチル基、2−メチルブチル基、1,1−ジメチルプロピル基、1,2−ジメチルプロピル基等の炭素数1以上5以下のアルキル基;
ビニル基、1−プロペニル基、2−プロペニル基、イソプロペニル基、1−ブテニル基、2−ブテニル基、3−ブテニル基、1−ペンテニル基、2−ペンテニル基、3−ペンテニル基、4−ペンテニル基等の炭素数2以上5以下のアルケニル基;
エチニル基、1−プロピニル基、2−プロピニル基、1−ブチニル基、2−ブチニル基、3−ブチニル基、1−ペンチニル基、2−ペンチニル基、3−ペンチニル基、4−ペンチニル基等の炭素数2以上5以下のアルキニル基;
メチレン基、エチレン基、トリメチレン基、テトラメチレン基、ペンタメチレン基等の炭素数1以上5以下のアルキレン基;
ビニレン基、1−プロペニレン基、2−プロペニレン基、1−ブテニレン基、2−ブテニレン基、1−ペンテニレン基、2−ペンテニレン基等の炭素数2以上5以下のアルケニレン基;
エチニレン基、プロピニレン基、1−ブチニレン基、2−ブチニレン基、1−ペンチニレン基及び2−ペンチニレン基等の炭素数2以上5以下のアルキニレン基等が挙げられる。これらのうち、好ましくはメチレン基、エチレン基、トリメチレン基、テトラメチレン基、ペンタメチレン基等の炭素数1以上5以下のアルキレン基であり、より好ましくはエチレン基、トリメチレン基、テトラメチレン基、ペンタメチレン基等の炭素数2以上5以下のアルキレン基であり、更に好ましくはトリメチレン基、テトラメチレン基、ペンタメチレン基等の炭素数3以上5以下のアルキレン基である。
15〜A20における水素原子、フッ素原子又は炭素数1以上5以下の炭化水素基とは、水素原子、フッ素原子又は上記置換基と上記炭素数1以上5以下の炭化水素基を組み合わせた基のことを表し、好ましくは水素原子、置換基を有さない炭素数1以上5以下の炭化水素基及びアルキレン基の炭素鎖の一部がエーテル基で置換されたエーテル構造を有するアルキレン基であり、より好ましくは水素原子である。
式(10)で表される化合物としては、例えば以下の化合物を挙げることができる。
Figure 0005811311

Figure 0005811311

Figure 0005811311

Figure 0005811311

Figure 0005811311

Figure 0005811311
中でも、
Figure 0005811311

等の化合物が好ましい。
Figure 0005811311

がより好ましい。
環状エーテルは、1種を単独で用いてもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併有してもよい。環状エーテルの量(2種以上の場合は合計量)は、電解液100質量%中、0.001質量%以上であることができ、好ましくは0.01質量%以上、より好ましくは0.1質量%以上、特に好ましくは0.3質量%以上であり、また、10質量%以下であることができ、好ましくは5質量%以下、より好ましくは3質量%以下、更に好ましくは2質量%以下である。上記範囲を満たした場合は、出力特性、負荷特性、低温特性、サイクル特性、高温保存特性等を制御しやすい。
1−2−11.イソシアヌル酸骨格を有する化合物
イソシアヌル酸骨格を有する化合物は、イソシアヌル酸骨格を有していれば、特に限定されないが、好ましくは下記式(11)で表される化合物である。
Figure 0005811311
(式中、
111〜R113は、それぞれ独立して水素原子、炭素原子、窒素原子、酸素原子、硫黄原子、リン原子、ケイ素原子及びハロゲン原子からなる群より選ばれる1種以上の原子で構成された炭素数1以上12以下の有機基を表す。)
なお、R111〜R113は互いに結合して環を形成しない。
ここで、水素原子、炭素原子、窒素原子、酸素原子、硫黄原子、リン原子、ケイ素原子及びハロゲン原子からなる群より選ばれる1種以上の原子で構成された炭素数1以上12以下の有機基とは、炭素原子及び水素原子から構成される有機基の他に、窒素原子、酸素原子、硫黄原子、リン原子、ケイ素原子又はハロゲン原子を含んでいてもよい有機基を意味する。窒素原子、酸素原子、硫黄原子、リン原子、ケイ素原子又はハロゲン原子を含んでいてもよい有機基とは、骨格の炭素原子の一部がこれらの原子に置換されている有機基、或いはこれらの原子で構成された置換基を有する有機基を含むことを意味する。
また、R111〜R113は、好ましくは、置換基を有していてもよい炭素数1以上10以下の炭化水素基であり、より好ましくは、置換基を有していてもよい炭素数1以上5以下の炭化水素基である。
上記置換基の具体例としては、ハロゲン原子、ハロゲン原子で置換されていてもよい、アルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アリール基、アルコキシ基、そして、シアノ基、イソシアナト基、エーテル基、カーボネート基、カルボニル基、カルボキシ基、アルコキシカルボニル基、アルコキシカルボニル基、アシルオキシ基、スルホニル基、ホスファントリイル基及びホスホリル基などが挙げられる。これらのうち、好ましくはハロゲン原子、アルキル基、シアノ基、エーテル基、カーボネート基、カルボニル基、カルボキシル基及びアシルオキシ基などが挙げられ、より好ましくはハロゲン原子、アルキル基、シアノ基及びアシルオキシ基であり、更に好ましくはアルキル基、シアノ基およりアシルオキシ基であり、特に好ましくはアルキル基である。
また、好ましくはR111〜R113のうち少なくとも1つは炭素−炭素不飽和結合あるいはシアノ基を有する有機基であり、更に好ましくは、R111〜R113のうち少なくとも1つは炭素−炭素不飽和結合を有する有機基である。
上記炭化水素基としては、好ましくは、アルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アリール基であり、より好ましくはアルキル基、アルケニル基である。
上記炭素数1以上10以下の炭化水素基の具体例としては、
メチル基、エチル基、n−プロピル基、n−ブチル基、n−ペンチル基、シクロプロピル基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基等のアルキル基;
ビニル基、1−プロペニル基、2−プロペニル基(アリル基)、1−ブテニル基、2−ブテニル基、3−ブテニル基、、1−ペンテニル基、2−ペンテニル基、3−ペンテニル基、4−ペンテニル基等のアルケニル基;
エチニル基、1−プロピニル基、2−プロピニル基、1−ブチニル基、2−ブチニル基、3−ブチニル基、1−ペンチニル基、2−ペンチニル基、3−ペンチニル基、4−ペンチニル基等のアルキニル基;
フェニル基、トリル基、ベンジル基、フェネチル基等のアリール基;
等が挙げられる。
これらのうち、好ましくは、メチル基、エチル基、n−プロピル基、n−ブチル基、n−ペンチル基、シクロプロピル基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基等のアルキル基、又は、ビニル基、1−プロペニル基、2−プロペニル基(アリル基)、1−ブテニル基、2−ブテニル基、3−ブテニル基、1−ペンテニル基、2−ペンテニル基、3−ペンテニル基、4−ペンテニル基等のアルケニル基であり、より好ましくは、メチル基、エチル基、n−プロピル基、n−ブチル基、ビニル基、1−プロペニル基、2−プロペニル基(アリル基)、1−ブテニル基、2−ブテニル基、3−ブテニル基であり、更に好ましくは、エチル基、n−プロピル基、2−プロペニル基(アリル基)である。
なお、置換基を有していてもよい炭素数1以上10以下の炭化水素基とは、上記置換基と上記炭素数1以上10以下の炭化水素基を組み合わせた基のことを表し、例えば、2−メチルアリル基(メタリル基)、2−シアノエチル基、2−アクリロイルオキシエチル基、2−メタクリロイルオキシエチル基などが挙げられ、好ましくは、2−メチルアリル基(メタリル基)、2−アクリロイルオキシエチル基であり、より好ましくは、2−プロペニル基(アリル基)である。ただし、置換基を有さない炭素数1以上10以下の炭化水素基が好ましい。
本発明に用いる化合物は、式(11)で表される化合物が使用されるが、具体的な例としては以下の構造の化合物が挙げられる。
Figure 0005811311

Figure 0005811311

Figure 0005811311
好ましくは、以下の構造の化合物が挙げられる。
Figure 0005811311

Figure 0005811311
更に好ましくは、以下の構造の化合物が挙げられる。
Figure 0005811311
特に好ましくは、以下の構造の化合物が挙げられる。
Figure 0005811311
最も好ましくは、以下の構造の化合物が挙げられる。
Figure 0005811311

また、これら最も好ましい化合物の中でも、負極被膜形成能の観点から以下の構造の化合物が好ましい。
Figure 0005811311
イソシアヌル酸骨格を有する化合物に関して、製造方法にも特に制限はなく、公知の方法を任意に選択して製造することが可能である。
イソシアヌル酸骨格を有する化合物で表される化合物は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併有してもよい。イソシアヌル酸骨格を有する化合物の量(2種以上の場合合計量)は、電解液100質量%中、0.001質量%以上であることができ、好ましくは0.01質量%以上、より好ましくは0.1質量%以上、更に好ましくは0.2質量%以上であり、また、10質量%以下であることができ、好ましくは5質量%以下、より好ましくは3質量%以下、更に好ましくは2質量%以下、特に好ましくは1質量%以下、最も好ましくは0.5質量%以下である。上記範囲内にあると、還元生成物が負極表面を過剰に覆ってしまうことによる、電極反応の阻害を防ぐ。また、電極界面での作用がより好適に進行するため、電池特性を最適にすることが可能となる。
イソシアヌル酸骨格を有する化合物は、非水系電解液に含有させ実際に非水系電解液二次電池の作製に供すると、その電池を解体して再び非水系電解液を抜き出しても、その中の含有量が著しく低下している場合が多い。従って、電池から抜き出した非水系電解液から、イソシアヌル酸骨格を有する化合物が極少量でも検出できるものは本発明に含まれるとみなされる。また、イソシアヌル酸骨格を有する化合物は、非水系電解液として実際に非水系電解液二次電池の作製に供すると、その電池を解体して再び抜き出した非水系電解液にはイソシアヌル酸骨格を有する化合物が極少量しか含有されていなかった場合であっても、非水系電解液二次電池の他の構成部材である正極、負極若しくはセパレータ上で検出される場合も多い。従って、正極、負極、セパレータからイソシアヌル酸骨格を有する化合物が検出された場合は、その合計量を非水系電解液に含まれていたと仮定することができる。この仮定の下、特定化合物は上記範囲になるように含まれていることが好ましい。
1−3.電解質
電解質は特に制限なく、電解質として公知のものを任意に用いることができる。リチウム二次電池の場合は、通常リチウム塩が用いられる。具体的には、LiPF、LiBF4、LiClO、LiAlF、LiSbF、LiTaF、LiWF等の無機リチウム塩;LiWOF等のタングステン酸リチウム類;HCOLi、CHCOLi、CHFCOLi、CHFCOLi、CFCOLi、CFCHCOLi、CFCFCOLi、CFCFCFCOLi、CFCFCFCFCOLi等のカルボン酸リチウム塩類;FSOLi、CHSOLi、CHFSOLi、CHFSOLi、CFSOLi、CFCFSOLi、CFCFCFSOLi、CFCFCFCFSOLi等のスルホン酸リチウム塩類;LiN(FCO)、LiN(FCO)(FSO)、LiN(FSO、LiN(FSO)(CFSO)、LiN(CFSO、LiN(CSO、リチウム環状1,2−パーフルオロエタンジスルホニルイミド、リチウム環状1,3−パーフルオロプロパンジスルホニルイミド、LiN(CFSO)(CSO)等のリチウムイミド塩類;LiC(FSO、LiC(CFSO、LiC(CSO等のリチウムメチド塩類;リチウムビス(マロナト)ボレート、リチウムジフルオロ(マロナト)ボレート等のリチウム(マロナト)ボレート塩類;リチウムトリス(マロナト)ホスフェート、リチウムジフルオロビス(マロナト)ホスフェート、リチウムテトラフルオロ(マロナト)ホスフェート等のリチウム(マロナト)ホスフェート塩類;その他、LiPF(CF、LiPF(C、LiPF(CFSO、LiPF(CSO、LiBFCF、LiBF、LiBF、LiBF(CF、LiBF(C、LiBF(CFSO、LiBF(CSO等の含フッ素有機リチウム塩類;リチウムジフルオロオキサラトボレート、リチウムビス(オキサラト)ボレート等のリチウムオキサラトボレート塩類;
リチウムテトラフルオロオキサラトホスフェート、リチウムジフルオロビス(オキサラト)ホスフェート、リチウムトリス(オキサラト)ホスフェート等のリチウムオキサラトホスフェート塩類;等が挙げられる。
中でも、LiPF、LiSbF、LiTaF、FSOLi、CFSOLi、LiN(FSO、LiN(FSO)(CFSO)、LiN(CFSO、LiN(CSO、リチウム環状1,2−パーフルオロエタンジスルホニルイミド、リチウム環状1,3−パーフルオロプロパンジスルホニルイミド、LiC(FSO、LiC(CFSO、LiC(CSO、LiBFCF、LiBF、LiPF(CF、LiPF(C3、リチウムジフルオロオキサラトボレート、リチウムビス(オキサラト)ボレート、リチウムジフルオロビス(オキサラト)ホスフェート、等が出力特性やハイレート充放電特性、高温保存特性、サイクル特性等を向上させる効果がある点から特に好ましい。
非水系電解液中のこれらの電解質の濃度は、本発明の効果を損なわない限り、その含有量は特に制限されないが、電解液の電気伝導率を良好な範囲とし、良好な電池性能を確保する点から、非水系電解液中のリチウムの総モル濃度は、好ましくは0.3mol/L以上、より好ましくは0.4mol/L以上、更に好ましくは0.5mol/L以上であり、また、好ましくは3mol/L以下、より好ましくは2.5mol/L以下、更に好ましくは2.0mol/L以下である。この範囲であれば、荷電粒子であるリチウムが少なすぎず、また粘度を適切な範囲とすることができるため、良好な電気伝導度を確保しやすくなる。
2種以上の電解質を併用する場合、少なくとも1種は、モノフルオロリン酸塩、ジフルオロリン酸塩、ホウ酸塩、シュウ酸塩及びフルオロスルホン酸塩からなる群より選ばれる塩であることも好ましい。これらのうちリチウム塩が好ましい。モノフルオロリン酸塩、ジフルオロリン酸塩、ホウ酸塩、シュウ酸塩及びフルオロスルホン酸塩からなる群より選ばれる塩は、0.01質量%以上であることができ、好ましくは0.1質量%以上であり、また、20質量%以下であることができ、好ましくは10質量%以下である。
電解質として、モノフルオロリン酸塩、ジフルオロリン酸塩、ホウ酸塩、シュウ酸塩及びフルオロスルホン酸塩からなる群より選ばれる1種以上と、それ以外の塩の1種以上を含むことが好ましい。それ以外の塩としては、上記で例示したリチウム塩が挙げられ、特に、LiPF、LiN(FSO)(CFSO)、LiN(CFSO、LiN(CSO、リチウム環状1,2−パーフルオロエタンジスルホニルイミド、リチウム環状1,3−パーフルオロプロパンジスルホニルイミド、LiC(FSO、LiC(CFSO、LiC(CSO、LiBFCF、LiBF、LiPF(CF、LiPF(Cが好ましく、LiPFが更に好ましい。それ以外の塩は、電解液の電導度と粘度の適切なバランスを確保する観点から0.01質量%以上であることができ、好ましくは0.1質量%以上であり、また、20質量%以下であることができ、好ましくは15質量%以下、より好ましくは10質量%以下である。
電解質の合計量は、良好な電池性能を確保する点から、非水系電解液中、好ましくは0.3mol/L以上、より好ましくは0.4mol/L以上、更に好ましくは0.5mol/L以上であり、また、好ましくは3mol/L以下、より好ましくは2.5mol/L以下、更に好ましくは2.0mol/L以下、特に好ましくは1.5mol/L以下である。
1−3−1.モノフルオロリン酸塩、ジフルオロリン酸塩
モノフルオロリン酸塩及びジフルオロリン酸塩は、それぞれ、分子内に少なくとも1つのモノフルオロリン酸又はジフルオロリン酸構造を有する塩であれば、特に制限されない。本発明の電解液において、上記式(I)で表される芳香族化合物とモノフルオロリン酸塩及びジフルオロリン酸塩から選ばれる1種以上とを併用することにより、電池の初期充放電後の体積変化を著しく抑制し、過充電時安全性の一層の向上を図ることができる。また、併用によって、電池の初期不可逆容量を小さくし、放電保存特性を向上させることもできる。これと同時に、電池は優れた高温サイクル特性を有することができる。
モノフルオロリン酸塩及びジフルオロリン酸塩におけるカウンターカチオンは、特に制限されず、リチウム、ナトリウム、カリウム、マグネシウム、カルシウム、NR121122123124(式中、R121〜R124は、独立して、水素原子又は炭素数1以上12以下の有機基である)で表されるアンモニウム等が挙げられる。上記アンモニウムのR121〜R124で表わされる炭素数1以上12以下の有機基は特に制限されず、例えば、ハロゲン原子で置換されていてもよいアルキル基、ハロゲン原子又はアルキル基で置換されていてもよいシクロアルキル基、ハロゲン原子又はアルキル基で置換されていてもよいアリール基、置換基を有していてもよい窒素原子含有複素環基等が挙げられる。中でもR121〜R124は、独立して、水素原子、アルキル基、シクロアルキル基又は窒素原子含有複素環基等が好ましい。カウンターカチオンとしては、リチウム、ナトリウム、カリウムが好ましく、中でもリチウムが好ましい。
モノフルオロリン酸塩及びジフルオロリン酸塩としては、モノフルオロリン酸リチウム、モノフルオロリン酸ナトリウム、モノフルオロリン酸カリウム、ジフルオロリン酸リチウム、ジフルオロリン酸ナトリウム、ジフルオロリン酸カリウム等が挙げられ、モノフルオロリン酸リチウム、ジフルオロリン酸リチウムが好ましく、ジフルオロリン酸リチウムがより好ましい。
モノフルオロリン酸塩及びジフルオロリン酸塩は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。
モノフルオロリン酸塩及びジフルオロリン酸塩から選ばれる1種以上の量(2種以上の場合は合計量)は、0.001質量%以上であることができ、好ましくは0.01質量%以上、より好ましくは0.1質量%以上、更に好ましくは0.2質量%以上、特に好ましくは0.3質量%以上であり、また、5質量%以下であることができ、好ましくは3質量%以下、より好ましくは2質量%以下、更に好ましくは1.5質量%以下、特に好ましくは1質量%以下である。この範囲内であると、初期不可逆容量向上の効果が顕著に発現される。
上記式(I)で表される芳香族化合物とモノフルオロリン酸塩及び塩から選ばれる1種以上(2種以上の場合は合計量)の質量比は、1:99〜99:1が好ましく、10:90〜90:10がより好ましく、20:80〜80:20が特に好ましい。この範囲であると、他の電池特性を低下せずに目的である特性を向上させることができる。
1−3−2.ホウ酸塩
ホウ酸塩は、分子内にホウ素原子を少なくとも1つ有している塩であれば、特に制限されない。ただしシュウ酸塩に該当するものは、1−3−2.ホウ酸塩ではなく、後述する1−3−3.シュウ酸塩に包含されるものとする。
本発明の電解液において、式(I)で表される芳香族化合物とホウ酸塩とを併用することによって、初期充放電後の体積変化が抑制され、良好な高温サイクル特性を有する電池が得られる。これと同時に、電池は良好な過充電時安全性を有することができる。
ホウ酸塩におけるカウンターカチオンとしては、リチウム、ナトリウム、カリウム、マグネシウム、カルシウム、ルビジウム、セシウム、バリウム等が挙げられ、中でもリチウムが好ましい。
ホウ酸塩としては、リチウム塩が好ましく、含ホウ酸リチウム塩も好適に使用することができる。例えばLiBF、LiBFCF、LiBF、LiBF、LiBF(CF、LiBF(C、LiBF(CFSO、LiBF(CSO等が挙げられる。中でも、LiBFが初期充放電効率と高温サイクル特性等を向上させる効果がある点からより好ましい。
ホウ酸塩は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。
ホウ酸塩の量(2種以上の場合は合計量)は、0.05質量%以上であることができ、好ましくは0.1質量%以上、より好ましくは0.2質量%以上、更に好ましくは0.3質量%以上、特に好ましくは0.5質量%以上であり、また、10.0質量%以下であることができ、好ましくは5.0質量%以下、より好ましくは3.0質量%以下、更に好ましくは2.0質量%以下、特に好ましくは1.0質量%以下である。この範囲内であると、電池負極の副反応が抑制され抵抗を上昇させにくい。
上記式(I)で表される芳香族化合物とホウ酸塩の質量比は、1:99〜99:1が好ましく、10:90〜90:10がより好ましく、20:80〜80:20が特に好ましい。この範囲であると、電池中での正負極上副反応を抑制し、電池の抵抗を上昇させにくい。
1−3−3.シュウ酸塩
シュウ酸塩は、分子内に少なくとも1つのシュウ酸構造を有する化合物であれば、特に制限されない。シュウ酸塩を含有する本発明の電解液を用いた電池は、初期充放電体積変化率が小さく、高温サイクル後の電池の膨れが抑制される
シュウ酸塩としては、下記式(9)で表される金属塩が好ましい。この塩は、オキサラト錯体をアニオンとする塩である。
Figure 0005811311

(式中、
は、周期表における1族、2族及びアルミニウム(Al)からなる群より選ばれる元素であり、
は、遷移金属、周期表の13族、14族及び15族からなる群より選ばれる元素であり、
91は、ハロゲン、炭素数1以上11以下のアルキル基及び炭素数1以上11以下のハロゲン置換アルキル基からなる群より選ばれる基であり、
a及びbは正の整数であり、
cは0又は正の整数であり、
dは1〜3の整数である。)
は、本発明の電解液をリチウム二次電池に用いたときの電池特性の点から、リチウム、ナトリウム、カリウム、マグネシウム、カルシウムが好ましく、リチウムが特に好ましい。
は、リチウム二次電池に用いる場合の電気化学的安定性の点で、ホウ素及びリンが特に好ましい。
91としては、フッ素、塩素、メチル基、トリフルオロメチル基、エチル基、ペンタフルオロエチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、sec−ブチル基、tert−ブチル基等が挙げられ、フッ素、トリフルオロメチル基が好ましい。
式(9)で表される金属塩としては、以下が挙げられる。
リチウムジフルオロオキサラトボレート及びリチウムビス(オキサラト)ボレート等のリチウムオキサラトボレート塩類;
リチウムテトラフルオロオキサラトホスフェート、リチウムジフルオロビス(オキサラト)ホスフェート、リチウムトリス(オキサラト)ホスフェート等のリチウムオキサラトホスフェート塩類;
これらのうち、リチウムビス(オキサラト)ボレート及びリチウムジフルオロビス(オキサラト)ホスフェートが好ましく、リチウムビス(オキサラト)ボレートがより好ましい。
シュウ酸塩は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。
シュウ酸塩の量(2種以上の場合は合計量)は、0.001質量%以上であることができ、好ましくは0.01質量%以上、より好ましくは0.1質量%以上、特に好ましくは0.3質量%以上であり、また、10質量%以下であることができ、好ましくは5質量%以下、より好ましくは3質量%以下、更に好ましくは2質量%以下、特に好ましくは1質量%以下である。この範囲にあると、出力特性、負荷特性、低温特性、サイクル特性、高温保存特性等を制御しやすい。
上記式(I)で表される芳香族化合物とシュウ酸塩の質量比は、1:99〜99:1が好ましく、10:90〜90:10がより好ましく、20:80〜80:20が特に好ましい。この範囲であると、電池の正負極上での副反応をバランスよく抑制し、電池特性を向上させやすい。
1−3−4.フルオロスルホン酸塩
フルオロスルホン酸塩としては、分子内に少なくとも1つのフルオロスルホン酸構造を有している塩であれば、特に制限されない。本発明の電解液において、上記式(I)で表される芳香族化合物とフルオロスルホン酸塩とを併用することにより、電池の初期不可逆容量を小さくし、高温サイクル特性を向上させることができる。この電池は、過充電時安全性も確保されている。
フルオロスルホン酸塩におけるカウンターカチオンは、特に制限されず、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、マグネシウム、カルシウム、バリウム及び、NR131132133134(式中、R131〜R134は、各々独立に、水素原子又は炭素数1以上12以下の有機基である)で表されるアンモニウム等が挙げられる。R131〜R134に関する例示及び好ましい例については、上記1−2−2におけるR131〜R134が適用される。カウンターカチオンとしては、リチウム、ナトリウム、カリウムが好ましく、中でもリチウムが好ましい。
フルオロスルホン酸塩としては、フルオロスルホン酸リチウム、フルオロスルホン酸ナトリウム、フルオロスルホン酸カリウム、フルオロスルホン酸ルビジウム、フルオロスルホン酸セシウム等が挙げられ、フルオロスルホン酸リチウムが好ましい。リチウムビス(フルオロスルホニル)イミド等のフルオロスルホン酸構造を有するイミド塩もフルオロスルホン酸塩として使用することができる。
フルオロスルホン酸塩は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。
フルオロスルホン酸塩の含有量(2種以上の場合は合計量)は、0.05質量%以上であることができ、好ましくは0.1質量%以上、より好ましくは0.2質量%以上、更に好ましくは0.3質量%以上、特に好ましくは0.5質量%以上であり、また、10質量%以下であることができ、好ましくは8質量%以下、より好ましくは5質量%以下、更に好ましくは2質量%以下、特に好ましくは1質量%以下である。この範囲内であると、電池中での副反応が少なく、抵抗を上昇させにくい。
上記式(I)で表される芳香族化合物とフルオロスルホン酸塩の質量比は、1:99〜99:1が好ましく、10:90〜90:10がより好ましく、20:80〜80:20が特に好ましい。この範囲であると、電池中での副反応を適切に抑制し、高温耐久特性を低下させにくい。
1−4.非水溶媒
本発明における非水溶媒について特に制限はなく、公知の有機溶媒を用いることが可能である。具体的には、フッ素原子を有していない環状カーボネート、鎖状カーボネート、環状及び鎖状カルボン酸エステル、エーテル系化合物、スルホン系化合物等が挙げられる。
また、本明細書において、非水溶媒の体積は25℃での測定値であるが、エチレンカーボネートのように25℃で固体のものは融点での測定値を用いる。
1−4−1.フッ素原子を有していない環状カーボネート
フッ素原子を有していない環状カーボネートとしては、炭素数2〜4のアルキレン基を有する環状カーボネートが挙げられる。
炭素数2〜4のアルキレン基を有する、フッ素原子を有していない環状カーボネートの具体的な例としては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネートが挙げられる。中でも、エチレンカーボネートとプロピレンカーボネートがリチウムイオン解離度の向上に由来する電池特性向上の点から特に好ましい。
フッ素原子を有していない環状カーボネートは、1種を単独で用いてもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。
フッ素原子を有していない環状カーボネートの配合量は、特に制限されず、本発明の効果を著しく損なわない限り任意であるが、1種を単独で用いる場合の配合量は、非水溶媒100体積%中、5体積%以上、より好ましくは10体積%以上である。この範囲とすることで、非水系電解液の誘電率の低下に由来する電気伝導率の低下を回避し、非水系電解液電池の大電流放電特性、負極に対する安定性、サイクル特性を良好な範囲としやすくなる。また、95体積%以下、より好ましくは90体積%以下、更に好ましくは85体積%以下である。この範囲とすることで、非水系電解液の粘度を適切な範囲とし、イオン伝導度の低下を抑制し、ひいては非水系電解液電池の負荷特性を良好な範囲としやすくなる。
1−4−2.鎖状カーボネート
鎖状カーボネートとしては、炭素数3〜7の鎖状カーボネートが好ましく、炭素数3〜7のジアルキルカーボネートがより好ましい。
鎖状カーボネートとしては、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、ジ−n−プロピルカーボネート、ジイソプロピルカーボネート、n−プロピルイソプロピルカーボネート、エチルメチルカーボネート、メチル−n−プロピルカーボネート、n−ブチルメチルカーボネート、イソブチルメチルカーボネート、tert−ブチルメチルカーボネート、エチル−n−プロピルカーボネート、n−ブチルエチルカーボネート、イソブチルエチルカーボネート、tert−ブチルエチルカーボネート等が挙げられる。
中でも、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、ジ−n−プロピルカーボネート、ジイソプロピルカーボネート、n−プロピルイソプロピルカーボネート、エチルメチルカーボネート、メチル−n−プロピルカーボネートが好ましく、特に好ましくはジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネートである。
また、フッ素原子を有する鎖状カーボネート類(以下、「フッ素化鎖状カーボネート」と記載する場合がある)も好適に用いることができる。
フッ素化鎖状カーボネートが有するフッ素原子の数は、1以上であれば特に制限されないが、通常6以下であり、好ましくは4以下である。フッ素化鎖状カーボネートが複数のフッ素原子を有する場合、それらは互いに同一の炭素に結合していてもよく、異なる炭素に結合していてもよい。
フッ素化鎖状カーボネートとしては、フッ素化ジメチルカーボネート及びその誘導体、フッ素化エチルメチルカーボネート及びその誘導体、フッ素化ジエチルカーボネート及びその誘導体等が挙げられる。
フッ素化ジメチルカーボネート及びその誘導体としては、フルオロメチルメチルカーボネート、ジフルオロメチルメチルカーボネート、トリフルオロメチルメチルカーボネート、ビス(フルオロメチル)カーボネート、ビス(ジフルオロ)メチルカーボネート、ビス(トリフルオロメチル)カーボネート等が挙げられる。
フッ素化エチルメチルカーボネート及びその誘導体としては、2−フルオロエチルメチルカーボネート、エチルフルオロメチルカーボネート、2,2−ジフルオロエチルメチルカーボネート、2−フルオロエチルフルオロメチルカーボネート、エチルジフルオロメチルカーボネート、2,2,2−トリフルオロエチルメチルカーボネート、2,2−ジフルオロエチルフルオロメチルカーボネート、2−フルオロエチルジフルオロメチルカーボネート、エチルトリフルオロメチルカーボネート等が挙げられる。
フッ素化ジエチルカーボネート及びその誘導体としては、エチル−(2−フルオロエチル)カーボネート、エチル−(2,2−ジフルオロエチル)カーボネート、ビス(2−フルオロエチル)カーボネート、エチル−(2,2,2−トリフルオロエチル)カーボネート、2,2−ジフルオロエチル−2’−フルオロエチルカーボネート、ビス(2,2−ジフルオロエチル)カーボネート、2,2,2−トリフルオロエチル−2’−フルオロエチルカーボネート、2,2,2−トリフルオロエチル−2’,2’−ジフルオロエチルカーボネート、ビス(2,2,2−トリフルオロエチル)カーボネート等が挙げられる。
鎖状カーボネートは、1種を単独で用いてもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。鎖状カーボネートの配合量は、非水溶媒100体積%中、好ましくは5体積%以上、より好ましくは10体積%以上、更に好ましくは15体積%以上である。このように下限を設定することにより、非水系電解液の粘度を適切な範囲とし、イオン伝導度の低下を抑制し、ひいては非水系電解液電池の大電流放電特性を良好な範囲としやすくなる。また、鎖状カーボネートは、非水溶媒100体積%中、90体積%以下、より好ましくは85体積%以下であることが好ましい。このように上限を設定することにより、非水系電解液の誘電率の低下に由来する電気伝導率の低下を回避し、非水系電解液電池の大電流放電特性を良好な範囲としやすくなる。
1−4−3.環状カルボン酸エステル
環状カルボン酸エステルとしては、炭素数が3〜12のものが好ましい。
具体的には、ガンマブチロラクトン、ガンマバレロラクトン、ガンマカプロラクトン、イプシロンカプロラクトン等が挙げられる。中でも、ガンマブチロラクトンがリチウムイオン解離度の向上に由来する電池特性向上の点から特に好ましい。
環状カルボン酸エステルは、1種を単独で用いてもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。
環状カルボン酸エステルの配合量は、通常、非水溶媒100体積%中、好ましくは5体積%以上、より好ましくは10体積%以上である。この範囲であれば、非水系電解液の電気伝導率を改善し、非水系電解液電池の大電流放電特性を向上させやすくなる。また、環状カルボン酸エステルの配合量は、好ましくは50体積%以下、より好ましくは40体積%以下である。このように上限を設定することにより、非水系電解液の粘度を適切な範囲とし、電気伝導率の低下を回避し、負極抵抗の増大を抑制し、非水系電解液二次電池の大電流放電特性を良好な範囲としやすくなる。
1−4−4.エーテル系化合物
エーテル系化合物としては、一部の水素がフッ素にて置換されていてもよい炭素数3〜10の鎖状エーテル、及び炭素数3〜6の環状エーテルが好ましい。
炭素数3〜10の鎖状エーテルとしては、
ジエチルエーテル、ジ(2−フルオロエチル)エーテル、ジ(2,2−ジフルオロエチル)エーテル、ジ(2,2,2−トリフルオロエチル)エーテル、エチル(2−フルオロエチル)エーテル、エチル(2,2,2−トリフルオロエチル)エーテル、エチル(1,1,2,2−テトラフルオロエチル)エーテル、(2−フルオロエチル)(2,2,2−トリフルオロエチル)エーテル、(2−フルオロエチル)(1,1,2,2−テトラフルオロエチル)エーテル、(2,2,2−トリフルオロエチル)(1,1,2,2−テトラフルオロエチル)エーテル、エチル−n−プロピルエーテル、エチル(3−フルオロ−n−プロピル)エーテル、エチル(3,3,3−トリフルオロ−n−プロピル)エーテル、エチル(2,2,3,3−テトラフルオロ−n−プロピル)エーテル、エチル(2,2,3,3,3−ペンタフルオロ−n−プロピル)エーテル、2−フルオロエチル−n−プロピルエーテル、(2−フルオロエチル)(3−フルオロ−n−プロピル)エーテル、(2−フルオロエチル)(3,3,3−トリフルオロ−n−プロピル)エーテル、(2−フルオロエチル)(2,2,3,3−テトラフルオロ−n−プロピル)エーテル、(2−フルオロエチル)(2,2,3,3,3−ペンタフルオロ−n−プロピル)エーテル、2,2,2−トリフルオロエチル−n−プロピルエーテル、(2,2,2−トリフルオロエチル)(3−フルオロ−n−プロピル)エーテル、(2,2,2−トリフルオロエチル)(3,3,3−トリフルオロ−n−プロピル)エーテル、(2,2,2−トリフルオロエチル)(2,2,3,3−テトラフルオロ−n−プロピル)エーテル、(2,2,2−トリフルオロエチル)(2,2,3,3,3−ペンタフルオロ−n−プロピル)エーテル、1,1,2,2−テトラフルオロエチル−n−プロピルエーテル、(1,1,2,2−テトラフルオロエチル)(3−フルオロ−n−プロピル)エーテル、(1,1,2,2−テトラフルオロエチル)(3,3,3−トリフルオロ−n−プロピル)エーテル、(1,1,2,2−テトラフルオロエチル)(2,2,3,3−テトラフルオロ−n−プロピル)エーテル、(1,1,2,2−テトラフルオロエチル)(2,2,3,3,3−ペンタフルオロ−n−プロピル)エーテル、ジ−n−プロピルエーテル、(n−プロピル)(3−フルオロ−n−プロピル)エーテル、(n−プロピル)(3,3,3−トリフルオロ−n−プロピル)エーテル、(n−プロピル)(2,2,3,3−テトラフルオロ−n−プロピル)エーテル、(n−プロピル)(2,2,3,3,3−ペンタフルオロ−n−プロピル)エーテル、ジ(3−フルオロ−n−プロピル)エーテル、(3−フルオロ−n−プロピル)(3,3,3−トリフルオロ−n−プロピル)エーテル、(3−フルオロ−n−プロピル)(2,2,3,3−テトラフルオロ−n−プロピル)エーテル、(3−フルオロ−n−プロピル)(2,2,3,3,3−ペンタフルオロ−n−プロピル)エーテル、ジ(3,3,3−トリフルオロ−n−プロピル)エーテル、(3,3,3−トリフルオロ−n−プロピル)(2,2,3,3−テトラフルオロ−n−プロピル)エーテル、(3,3,3−トリフルオロ−n−プロピル)(2,2,3,3,3−ペンタフルオロ−n−プロピル)エーテル、ジ(2,2,3,3−テトラフルオロ−n−プロピル)エーテル、(2,2,3,3−テトラフルオロ−n−プロピル)(2,2,3,3,3−ペンタフルオロ−n−プロピル)エーテル、ジ(2,2,3,3,3−ペンタフルオロ−n−プロピル)エーテル、ジ−n−ブチルエーテル、ジメトキシメタン、メトキシエトキシメタン、メトキシ(2−フルオロエトキシ)メタン、メトキシ(2,2,2−トリフルオロエトキシ)メタンメトキシ(1,1,2,2−テトラフルオロエトキシ)メタン、ジエトキシメタン、エトキシ(2−フルオロエトキシ)メタン、エトキシ(2,2,2−トリフルオロエトキシ)メタン、エトキシ(1,1,2,2−テトラフルオロエトキシ)メタン、ジ(2−フルオロエトキシ)メタン、(2−フルオロエトキシ)(2,2,2−トリフルオロエトキシ)メタン、(2−フルオロエトキシ)(1,1,2,2−テトラフルオロエトキシ)メタンジ(2,2,2−トリフルオロエトキシ)メタン、(2,2,2−トリフルオロエトキシ)(1,1,2,2−テトラフルオロエトキシ)メタン、ジ(1,1,2,2−テトラフルオロエトキシ)メタン、ジメトキシエタン、メトキシエトキシエタン、メトキシ(2−フルオロエトキシ)エタン、メトキシ(2,2,2−トリフルオロエトキシ)エタン、メトキシ(1,1,2,2−テトラフルオロエトキシ)エタン、ジエトキシエタン、エトキシ(2−フルオロエトキシ)エタン、エトキシ(2,2,2−トリフルオロエトキシ)エタン、エトキシ(1,1,2,2−テトラフルオロエトキシ)エタン、ジ(2−フルオロエトキシ)エタン、(2−フルオロエトキシ)(2,2,2−トリフルオロエトキシ)エタン、(2−フルオロエトキシ)(1,1,2,2−テトラフルオロエトキシ)エタン、ジ(2,2,2−トリフルオロエトキシ)エタン、(2,2,2−トリフルオロエトキシ)(1,1,2,2−テトラフルオロエトキシ)エタン、ジ(1,1,2,2−テトラフルオロエトキシ)エタン、エチレングリコールジ−n−プロピルエーテル、エチレングリコールジ−n−ブチルエーテル、ジエチレングリコールジメチルエーテル等が挙げられる。
炭素数3〜6の環状エーテルとしては、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、3−メチルテトラヒドロフラン、1,3−ジオキサン、2−メチル−1,3−ジオキサン、4−メチル−1,3−ジオキサン、1,4−ジオキサン等、及びこれらのフッ素化化合物が挙げられる。
中でも、ジメトキシメタン、ジエトキシメタン、エトキシメトキシメタン、エチレングリコールジ−n−プロピルエーテル、エチレングリコールジ−n−ブチルエーテル、ジエチレングリコールジメチルエーテルが、リチウムイオンへの溶媒和能力が高く、イオン解離性を向上させる点で好ましく、特に好ましくは、粘性が低く、高いイオン伝導度を与えることから、ジメトキシメタン、ジエトキシメタン、エトキシメトキシメタンである。
エーテル系化合物は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。
エーテル系化合物の配合量は、通常、非水溶媒100体積%中、好ましくは5体積%以上、より好ましくは10体積%以上、更に好ましくは15体積%以上、また、好ましくは70体積%以下、より好ましくは60体積%以下、更に好ましくは50体積%以下である。この範囲であれば、鎖状エーテルのリチウムイオン解離度の向上と粘度低下に由来するイオン伝導度の向上効果を確保しやすく、負極活物質が炭素質材料の場合、鎖状エーテルがリチウムイオンと共に共挿入されて容量が低下するといった事態を回避しやすい。
1−4−5.スルホン系化合物
スルホン系化合物としては、炭素数3〜6の環状スルホン、及び炭素数2〜6の鎖状スルホンが好ましい。1分子中のスルホニル基の数は、1又は2であることが好ましい。
炭素数3〜6の環状スルホンとしては、モノスルホン化合物であるトリメチレンスルホン類、テトラメチレンスルホン類、ヘキサメチレンスルホン類;
ジスルホン化合物であるトリメチレンジスルホン類、テトラメチレンジスルホン類、ヘキサメチレンジスルホン類等が挙げられる。
中でも誘電率と粘性の観点から、テトラメチレンスルホン類、テトラメチレンジスルホン類、ヘキサメチレンスルホン類、ヘキサメチレンジスルホン類がより好ましく、テトラメチレンスルホン類(スルホラン類)が特に好ましい。
スルホラン類としては、スルホラン及び/又はスルホラン誘導体(以下、スルホランも含めて「スルホラン類」と記載する場合がある)が好ましい。スルホラン誘導体としては、スルホラン環を構成する炭素原子上に結合した水素原子の1以上がフッ素原子やアルキル基で置換されたものが好ましい。
中でも、2−メチルスルホラン、3−メチルスルホラン、2−フルオロスルホラン、3−フルオロスルホラン、2,2−ジフルオロスルホラン、2,3−ジフルオロスルホラン、2,4−ジフルオロスルホラン、2,5−ジフルオロスルホラン、3,4−ジフルオロスルホラン、2−フルオロ−3−メチルスルホラン、2−フルオロ−2−メチルスルホラン、3−フルオロ−3−メチルスルホラン、3−フルオロ−2−メチルスルホラン、4−フルオロ−3−メチルスルホラン、4−フルオロ−2−メチルスルホラン、5−フルオロ−3−メチルスルホラン、5−フルオロ−2−メチルスルホラン、2−フルオロメチルスルホラン、3−フルオロメチルスルホラン、2−ジフルオロメチルスルホラン、3−ジフルオロメチルスルホラン、2−トリフルオロメチルスルホラン、3−トリフルオロメチルスルホラン、2−フルオロ−3−(トリフルオロメチル)スルホラン、3−フルオロ−3−(トリフルオロメチル)スルホラン、4−フルオロ−3−(トリフルオロメチル)スルホラン、5−フルオロ−3−(トリフルオロメチル)スルホラン等が、イオン伝導度が高く、入出力特性が高い点で好ましい。
また、炭素数2〜6の鎖状スルホンとしては、
ジメチルスルホン、エチルメチルスルホン、ジエチルスルホン、n−プロピルメチルスルホン、n−プロピルエチルスルホン、ジ−n−プロピルスルホン、イソプロピルメチルスルホン、イソプロピルエチルスルホン、ジイソプロピルスルホン、n−ブチルメチルスルホン、n−ブチルエチルスルホン、tert−ブチルメチルスルホン、tert−ブチルエチルスルホン、モノフルオロメチルメチルスルホン、ジフルオロメチルメチルスルホン、トリフルオロメチルメチルスルホン、モノフルオロエチルメチルスルホン、ジフルオロエチルメチルスルホン、トリフルオロエチルメチルスルホン、ペンタフルオロエチルメチルスルホン、エチルモノフルオロメチルスルホン、エチルジフルオロメチルスルホン、エチルトリフルオロメチルスルホン、パーフルオロエチルメチルスルホン、エチルトリフルオロエチルスルホン、エチルペンタフルオロエチルスルホン、ジ(トリフルオロエチル)スルホン、パーフルオロジエチルスルホン、フルオロメチル−n−プロピルスルホン、ジフルオロメチル−n−プロピルスルホン、トリフルオロメチル−n−プロピルスルホン、フルオロメチルイソプロピルスルホン、ジフルオロメチルイソプロピルスルホン、トリフルオロメチルイソプロピルスルホン、トリフルオロエチル−n−プロピルスルホン、トリフルオロエチルイソプロピルスルホン、ペンタフルオロエチル−n−プロピルスルホン、ペンタフルオロエチルイソプロピルスルホン、トリフルオロエチル−n−ブチルスルホン、トリフルオロエチル−tert−ブチルスルホン、ペンタフルオロエチル−n−ブチルスルホン、ペンタフルオロエチル−tert−ブチルスルホン等が挙げられる。
中でも、ジメチルスルホン、エチルメチルスルホン、ジエチルスルホン、n−プロピルメチルスルホン、イソプロピルメチルスルホン、n−ブチルメチルスルホン、tert−ブチルメチルスルホン、モノフルオロメチルメチルスルホン、ジフルオロメチルメチルスルホン、トリフルオロメチルメチルスルホン、モノフルオロエチルメチルスルホン、ジフルオロエチルメチルスルホン、トリフルオロエチルメチルスルホン、ペンタフルオロエチルメチルスルホン、エチルモノフルオロメチルスルホン、エチルジフルオロメチルスルホン、エチルトリフルオロメチルスルホン、エチルトリフルオロエチルスルホン、エチルペンタフルオロエチルスルホン、トリフルオロメチル−n−プロピルスルホン、トリフルオロメチルイソプロピルスルホン、トリフルオロエチル−n−ブチルスルホン、トリフルオロエチル−tert−ブチルスルホン、トリフルオロメチル−n−ブチルスルホン、トリフルオロメチル−tert−ブチルスルホン等がイオン伝導度が高く、入出力特性が高い点で好ましい。
スルホン系化合物は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。
スルホン系化合物の配合量は、通常、非水溶媒100体積%中、好ましくは0.3体積%以上、より好ましくは1体積%以上、更に好ましくは5体積%以上であり、また、好ましくは40体積%以下、より好ましくは35体積%以下、更に好ましくは30体積%以下である。この範囲であれば、サイクル特性や保存特性等の耐久性の向上効果が得られやすく、また、非水系電解液の粘度を適切な範囲とし、電気伝導率の低下を回避することができ、非水系電解液電池の充放電を高電流密度で行う場合に、充放電容量維持率が低下するといった事態を回避しやすい。
1−4−6.非水溶媒の組成
本発明の非水溶媒として、上記例示した非水溶媒1種を単独で用いてもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。
例えば、非水溶媒の好ましい組合せの1つとして、フッ素原子を有していない環状カーボネートと鎖状カーボネートを主体とする組合せが挙げられる。
中でも、非水溶媒に占めるフッ素原子を有していない環状カーボネートと鎖状カーボネートとの合計が、好ましくは70体積%以上、より好ましくは80体積%以上、更に好ましくは90体積%以上であり、かつ環状カーボネートと鎖状カーボネートとの合計に対するフッ素原子を有していない環状カーボネートの割合が好ましくは5体積%以上、より好ましくは10体積%以上、更に好ましくは15体積%以上であり、また、好ましくは50体積%以下、より好ましくは35体積%以下、更に好ましくは30体積%以下、特に好ましくは25体積%以下である。
これらの非水溶媒の組み合わせを用いると、これを用いて作製された電池のサイクル特性と高温保存特性(特に、高温保存後の残存容量及び高負荷放電容量)のバランスが良くなることがある。
例えば、フッ素原子を有していない環状カーボネートと鎖状カーボネートの好ましい組み合わせとしては、
エチレンカーボネートとジメチルカーボネート、エチレンカーボネートとジエチルカーボネート、エチレンカーボネートとエチルメチルカーボネート、エチレンカーボネートとジメチルカーボネートとジエチルカーボネート、エチレンカーボネートとジメチルカーボネートとエチルメチルカーボネート、エチレンカーボネートとジエチルカーボネートとエチルメチルカーボネート、エチレンカーボネートとジメチルカーボネートとジエチルカーボネートとエチルメチルカーボネート等が挙げられる。
フッ素原子を有していない環状カーボネートと鎖状カーボネートとの組み合わせの中で、鎖状カーボネートとして非対称鎖状アルキルカーボネート類を含有するものが更に好ましく、特に、エチレンカーボネートとジメチルカーボネートとエチルメチルカーボネート、エチレンカーボネートとジエチルカーボネートとエチルメチルカーボネート、エチレンカーボネートとジメチルカーボネートとジエチルカーボネートとエチルメチルカーボネートといったエチレンカーボネートと対称鎖状カーボネート類と非対称鎖状カーボネート類を含有するものが、サイクル特性と大電流放電特性のバランスが良いので好ましい。
中でも、非対称鎖状カーボネート類がエチルメチルカーボネートであるのが好ましく、又、鎖状カーボネートのアルキル基は炭素数1〜2が好ましい。
これらのエチレンカーボネートと鎖状カーボネート類との組み合わせに、更にプロピレンカーボネートを加えた組み合わせも、好ましい組み合わせとして挙げられる。
プロピレンカーボネートを含有する場合には、エチレンカーボネートとプロピレンカーボネートの体積比は、99:1〜40:60が好ましく、特に好ましくは95:5〜50:50である。更に、非水溶媒全体に占めるプロピレンカーボネートの割合は、好ましくは0.1体積%以上、より好ましくは1体積%以上、更に好ましくは2体積%以上、また、好ましくは20体積%以下、より好ましくは8体積%以下、更に好ましくは5体積%以下である。
この濃度範囲でプロピレンカーボネートを含有すると、エチレンカーボネートと鎖状カーボネートとの組み合わせの特性を維持したまま、更に低温特性が優れることがあるので好ましい。
非水溶媒中にジメチルカーボネートを含有する場合は、全非水溶媒中に占めるジメチルカーボネートの割合が、好ましくは10体積%以上、より好ましくは20体積%以上、更に好ましくは25体積%以上、特に好ましくは30体積%以上であり、また、好ましくは90体積%以下、より好ましくは80体積%以下、更に好ましくは75体積%以下、特に好ましくは、70体積%以下となる範囲で含有させると、電池の負荷特性が向上することがある。
中でも、ジメチルカーボネートとエチルメチルカーボネートを含有し、ジメチルカーボネートの含有割合をエチルメチルカーボネートの含有割合よりも多くすることにより、電解液の電気伝導度を維持できながら、高温保存後の電池特性が向上することがあり好ましい。
全非水溶媒中に占めるジメチルカーボネートのエチルメチルカーボネートに対する体積比(ジメチルカーボネート/エチルメチルカーボネート)は、電解液の電気伝導度の向上と保存後の電池特性を向上させる点で、1.1以上が好ましく、1.5以上がより好ましく、2.5以上が更に好ましい。上記体積比(ジメチルカーボネート/エチルメチルカーボネート)は、低温での電池特性を向上の点で、40以下が好ましく、20以下がより好ましく、10以下が更に好ましく、8以下が特に好ましい。
上記フッ素原子を有していない環状カーボネートと鎖状カーボネートを主体とする組合せにおいては、環状カルボン酸エステル類、鎖状カルボン酸エステル類、環状エーテル類、鎖状エーテル類、含硫黄有機溶媒、含燐有機溶媒、芳香族含フッ素溶媒等、他の溶媒を混合してもよい。
1−5.助剤
本発明の電解液電池において、上記化合物以外に、目的に応じて適宜助剤を用いてもよい。助剤としては、以下に示される助剤等が挙げられる。
本発明の電解液には、公知の助剤を用いることができる。助剤としては、エリスリタンカーボネート、スピロ−ビス−ジメチレンカーボネート、メトキシエチル−メチルカーボネート等のカーボネート化合物;無水コハク酸、無水グルタル酸、無水マレイン酸、無水シトラコン酸、無水グルタコン酸、無水イタコン酸、無水ジグリコール酸、シクロヘキサンジカルボン酸無水物、シクロペンタンテトラカルボン酸二無水物及びフェニルコハク酸無水物等のカルボン酸無水物;2,4,8,10−テトラオキサスピロ[5.5]ウンデカン、3,9−ジビニル−2,4,8,10−テトラオキサスピロ[5.5]ウンデカン等のスピロ化合物;N,N−ジメチルメタンスルホンアミド、N,N−ジエチルメタンスルホンアミド等の含硫黄化合物;亜リン酸トリメチル、亜リン酸トリエチル、亜リン酸トリフェニル、リン酸トリメチル、リン酸トリエチル、リン酸トリフェニル、メチルホスホン酸ジメチル、エチルホスホン酸ジエチル、ビニルホスホン酸ジメチル、ビニルホスホン酸ジエチル、ジエチルホスホノ酢酸エチル、ジメチルホスフィン酸メチル、ジエチルホスフィン酸エチル、トリメチルホスフィンオキシド、トリエチルホスフィンオキシド等の含燐化合物;1−メチル−2−ピロリジノン、1−メチル−2−ピペリドン、3−メチル−2−オキサゾリジノン、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン及びN−メチルスクシンイミド等の含窒素化合物;ヘプタン、オクタン、ノナン、デカン、シクロヘプタン等の炭化水素化合物等が挙げられる。これらは1種を単独で用いても、2種以上を併用してもよい。これらの助剤を添加することにより、高温保存後の容量維持特性やサイクル特性を向上させることができる。
その他助剤の配合量は、特に制限されず、本発明の効果を著しく損なわない限り任意である。その他の助剤は、非水系電解液100質量%中、好ましくは、0.01質量%以上であり、また、5質量%以下である。この範囲であれば、その他助剤の効果が十分に発現させやすく、高負荷放電特性等の電池の特性が低下するといった事態も回避しやすい。その他の助剤の配合量は、より好ましくは0.1質量%以上、更に好ましくは0.2質量%以上であり、また、より好ましくは3質量%以下、更に好ましくは1質量%以下である。
2.電池構成
本発明の電解液電池は、非水系電解液電池の中でも二次電池用、例えばリチウム
二次電池用の電解液として用いるのに好適である。以下、本発明の電解液を用いた非水系電解液電池について説明する。
本発明の電解液電池は、公知の構造を採ることができ、典型的には、イオン(例えば、リチウムイオン)を吸蔵・放出可能な負極及び正極と、上記の本発明の電解液とを備える。
2−1.負極
以下に負極に使用される負極活物質について述べる。負極活物質としては、電気化学的にリチウムイオンを吸蔵・放出可能なものであれば、特に制限はない。具体例としては、炭素質材料、合金系材料、リチウム含有金属複合酸化物材料等が挙げられる。これらは1種を単独で用いてもよく、また2種以上を任意に組み合わせて併用してもよい。
<負極活物質>
負極活物質としては、炭素質材料、合金系材料、リチウム含有金属複合酸化物材料等が
挙げられる。
負極活物質として用いられる炭素質材料としては、
(1)天然黒鉛、
(2)人造炭素質物質ならびに人造黒鉛質物質を400〜3200℃の範囲で1回以上熱処
理した炭素質材料、
(3)負極活物質層が少なくとも2種以上の異なる結晶性を有する炭素質からなり、かつ
/又はその異なる結晶性の炭素質が接する界面を有している炭素質材料、
(4)負極活物質層が少なくとも2種以上の異なる配向性を有する炭素質からなり、かつ
/又はその異なる配向性の炭素質が接する界面を有している炭素質材料、
から選ばれるものが、初期不可逆容量、高電流密度充放電特性のバランスがよく好ましい。また、(1)〜(4)の炭素質材料は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。
上記(2)の人造炭素質物質ならびに人造黒鉛質物質としては、天然黒鉛、石炭系コークス、石油系コークス、石炭系ピッチ、石油系ピッチ及びこれらピッチを酸化処理したもの、ニードルコークス、ピッチコークス及びこれらを一部黒鉛化した炭素材、ファーネスブラック、アセチレンブラック、ピッチ系炭素繊維等の有機物の熱分解物、炭化可能な有機物及びこれらの炭化物、又は炭化可能な有機物をベンゼン、トルエン、キシレン、キノリン、n−へキサン等の低分子有機溶媒に溶解させた溶液及びこれらの炭化物等が挙げられる。
負極活物質として用いられる合金系材料としては、リチウムを吸蔵・放出可能であれば、リチウム単体、リチウム合金を形成する単体金属及び合金、又はそれらの酸化物、炭化物、窒化物、ケイ化物、硫化物若しくはリン化物等の化合物のいずれであってもよく、特に制限されない。リチウム合金を形成する単体金属及び合金としては、13族及び14族の金属・半金属元素(即ち炭素を除く)を含む材料であることが好ましく、より好ましくはアルミニウム、ケイ素及びスズ(以下、「特定金属元素」と略記する場合がある)の単体金属及びこれら原子を含む合金又は化合物である。これらは、1種を単独で用いてもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。
特定金属元素から選ばれる少なくとも1種の原子を有する負極活物質としては、いずれか1種の特定金属元素の金属単体、2種以上の特定金属元素からなる合金、1種又は2種以上の特定金属元素とその他の1種又は2種以上の金属元素とからなる合金、ならびに、1種又は2種以上の特定金属元素を含有する化合物、及びその化合物の酸化物、炭化物、窒化物、ケイ化物、硫化物若しくはリン化物等の複合化合物が挙げられる。負極活物質としてこれらの金属単体、合金又は金属化合物を用いることで、電池の高容量化が可能である。
また、これらの複合化合物が、金属単体、合金又は非金属元素等の数種の元素と複雑に結合した化合物も挙げられる。具体的には、例えばケイ素やスズでは、これらの元素と負極として動作しない金属との合金を用いることができる。例えば、スズの場合、スズとケイ素以外で負極として作用する金属と、更に負極として動作しない金属と、非金属元素との組み合わせで5〜6種の元素を含むような複雑な化合物も用いることができる。
これらの負極活物質の中でも、電池にしたときに単位質量当りの容量が大きいことから、いずれか1種の特定金属元素の金属単体、2種以上の特定金属元素の合金、特定金属元素の酸化物、炭化物、窒化物等が好ましく、特に、ケイ素及び/又はスズの金属単体、合金、酸化物や炭化物、窒化物等が、単位質量当りの容量及び環境負荷の観点から好ましい。
負極活物質として用いられるリチウム含有金属複合酸化物材料としては、リチウムを吸蔵・放出可能であれば、特に制限されないが、高電流密度充放電特性の点からチタン及びリチウムを含有する材料が好ましく、より好ましくはチタンを含むリチウム含有複合金属酸化物材料が好ましく、更にリチウムとチタンの複合酸化物(以下、「リチウムチタン複合酸化物」と略記する場合がある)である。即ちスピネル構造を有するリチウムチタン複合酸化物を、非水系電解液電池用負極活物質に含有させて用いると、出力抵抗が大きく低減するので特に好ましい。
また、リチウムチタン複合酸化物のリチウムやチタンが、他の金属元素、例えば、Na、K、Co、Al、Fe、Ti、Mg、Cr、Ga、Cu、Zn及びNbからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素で置換されているものも好ましい。
上記金属酸化物が、式(A)で表されるリチウムチタン複合酸化物であり、式(A)中、0.7≦x≦1.5、1.5≦y≦2.3、0≦z≦1.6であることが、リチウムイオンのドープ・脱ドープの際の構造が安定であることから好ましい。
LiTi (A)
[式(A)中、Mは、Na、K、Co、Al、Fe、Ti、Mg、Cr、Ga、Cu、Zn及びNbからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を表わす。]
上記の式(A)で表される組成の中でも、
(a)1.2≦x≦1.4、1.5≦y≦1.7、z=0
(b)0.9≦x≦1.1、1.9≦y≦2.1、z=0
(c)0.7≦x≦0.9、2.1≦y≦2.3、z=0
の構造が、電池性能のバランスが良好なため特に好ましい。
上記化合物の特に好ましい代表的な組成は、(a)ではLi4/3Ti5/3、(b)ではLiTi、(c)ではLi4/5Ti11/5である。また、Z≠0の構造については、例えば、Li4/3Ti4/3Al1/3が好ましいものとして挙げられる。
<炭素質材料の物性>
負極活物質として炭素質材料を用いる場合、以下の物性を有するものであることが望ましい。
(X線パラメータ)
炭素質材料の学振法によるX線回折で求めた格子面(002面)のd値(層間距離)が、0.335nm以上であることが好ましく、また、通常0.360nm以下であり、0.350nm以下が好ましく、0.345nm以下が更に好ましい。また、学振法によるX線回折で求めた炭素質材料の結晶子サイズ(Lc)は、1.0nm以上であることが好ましく、中でも1.5nm以上であることが更に好ましい。
(体積基準平均粒径)
炭素質材料の質量基準平均粒径は、レーザー回折・散乱法により求めた体積基準の平均粒径(メジアン径)であり、通常1μm以上であり、3μm以上が好ましく、5μm以上が更に好ましく、7μm以上が特に好ましく、また、通常100μm以下であり、50μm以下が好ましく、40μm以下がより好ましく、30μm以下が更に好ましく、25μm以下が特に好ましい。
体積基準平均粒径が上記範囲を下回ると、不可逆容量が増大して、初期の電池容量の損失を招くことになる場合がある。また、上記範囲を上回ると、塗布により電極を作製する際に、不均一な塗面になりやすく、電池製作工程上望ましくない場合がある。
体積基準平均粒径の測定は、界面活性剤であるポリオキシエチレン(20)ソルビタンモノラウレートの0.2質量%水溶液(約10mL)に炭素粉末を分散させて、レーザー回折・散乱式粒度分布計(堀場製作所社製LA−700)を用いて行なう。
(ラマンR値、ラマン半値幅)
炭素質材料のラマンR値は、アルゴンイオンレーザーラマンスペクトル法を用いて測定した値であり、通常0.01以上であり、0.03以上が好ましく、0.1以上が更に好ましく、また、通常1.5以下であり、1.2以下が好ましく、1以下が更に好ましく、0.5以下が特に好ましい。
また、炭素質材料の1580cm−1付近のラマン半値幅は特に制限されないが、通常10cm−1以上であり、15cm−1以上が好ましく、また、通常100cm−1以下であり、80cm−1以下が好ましく、60cm−1以下が更に好ましく、40cm−1以下が特に好ましい。
ラマンR値及びラマン半値幅は、炭素質材料表面の結晶性を示す指標であるが、炭素質材料は、化学的安定性の観点から適度な結晶性が有し、かつ充放電によってLiが入り込む層間のサイトを消失しない、即ち充電受入性が低下しない程度の結晶性であることが好ましい。なお、集電体に塗布した後のプレスによって負極を高密度化する場合には、電極板と平行方向に結晶が配向しやすくなるため、それを考慮することが好ましい。ラマンR値又はラマン半値幅が上記範囲であると、負極表面に好適な被膜を形成して保存特性やサイクル特性、負荷特性を向上させることができるとともに、非水系電解液との反応に伴う効率の低下やガス発生を抑制することができる。
ラマンスペクトルの測定は、ラマン分光器(日本分光社製ラマン分光器)を用いて、試料を測定セル内へ自然落下させて充填し、セル内のサンプル表面にアルゴンイオンレーザー光を照射しながら、セルをレーザー光と垂直な面内で回転させることにより行なう。得られるラマンスペクトルについて、1580cm−1付近のピークPAの強度IAと、1360cm−1付近のピークPBの強度IBとを測定し、その強度比R(R=IB/IA)を算出する。
また、上記のラマン測定条件は、次の通りである。
・アルゴンイオンレーザー波長 :514.5nm
・試料上のレーザーパワー :15〜25mW
・分解能 :10〜20cm−1
・測定範囲 :1100cm−1〜1730cm−1
・ラマンR値、ラマン半値幅解析:バックグラウンド処理
・スムージング処理 :単純平均、コンボリューション5ポイント
(BET比表面積)
炭素質材料のBET比表面積は、BET法を用いて測定した比表面積の値であり、通常0.1m・g−1以上であり、0.7m・g−1以上が好ましく、1.0m・g−1以上が更に好ましく、1.5m・g−1以上が特に好ましく、また、通常100m・g−1以下であり、25m・g−1以下が好ましく、15m・g−1以下が更に好ましく、10m・g−1以下が特に好ましい。
BET比表面積の値が上記範囲であると、電極表面へのリチウムの析出を抑制することができる一方、非水系電解液との反応によるガス発生を抑制することができる。
BET法による比表面積の測定は、表面積計(大倉理研製全自動表面積測定装置)を用いて、試料に対して窒素流通下350℃で15分間、予備乾燥を行なった後、大気圧に対する窒素の相対圧の値が0.3となるように正確に調製した窒素ヘリウム混合ガスを用いて、ガス流動法による窒素吸着BET1点法によって行なう。
(円形度)
炭素質材料の球形の程度として円形度を測定した場合、以下の範囲に収まることが好ましい。なお、円形度は、「円形度=(粒子投影形状と同じ面積を持つ相当円の周囲長)/(粒子投影形状の実際の周囲長)」で定義され、円形度が1のときに理論的真球となる。炭素質材料の粒径が3〜40μmの範囲にある粒子の円形度は1に近いほど望ましく、また、0.1以上が好ましく、中でも0.5以上が好ましく、0.8以上がより好ましく、0.85以上が更に好ましく、0.9以上が特に好ましい。高電流密度充放電特性は、円形度が大きいほど、充填性が向上し、粒子間の抵抗を抑えることができるため、高電流密度充放電特性は向上する。従って、円形度が上記範囲のように高いほど好ましい。
円形度の測定は、フロー式粒子像分析装置(シスメックス社製FPIA)を用いて行う。試料約0.2gを、界面活性剤であるポリオキシエチレン(20)ソルビタンモノラウレートの0.2質量%水溶液(約50mL)に分散させ、28kHzの超音波を出力60Wで1分間照射した後、検出範囲を0.6〜400μmに指定し、粒径が3〜40μmの範囲の粒子について測定する。
円形度を向上させる方法は、特に制限されないが、球形化処理を施して球形にしたものが、電極体にしたときの粒子間空隙の形状が整うので好ましい。球形化処理の例としては、せん断力、圧縮力を与えることによって機械的に球形に近づける方法、複数の微粒子をバインダーもしくは、粒子自身の有する付着力によって造粒する機械的・物理的処理方法等が挙げられる。
(タップ密度)
炭素質材料のタップ密度は、通常0.1g・cm−3以上であり、0.5g・cm−3以上が好ましく、0.7g・cm−3以上が更に好ましく、1g・cm−3以上が特に好ましく、また、2g・cm−3以下が好ましく、1.8g・cm−3以下が更に好ましく、1.6g・cm−3以下が特に好ましい。タップ密度が上記範囲であると、電池容量を確保することができるとともに、粒子間の抵抗の増大を抑制することができる。
タップ密度の測定は、目開き300μmの篩を通過させて、20cmのタッピングセルに試料を落下させてセルの上端面まで試料を満たした後、粉体密度測定器(例えば、セイシン企業社製タップデンサー)を用いて、ストローク長10mmのタッピングを1000回行なって、その時の質量と試料の質量からタップ密度を算出する。
(配向比)
炭素質材料の配向比は、通常0.005以上であり、0.01以上が好ましく、0.015以上が更に好ましく、また、通常0.67以下である。配向比が、上記範囲であると、優れた高密度充放電特性を確保することができる。なお、上記範囲の上限は、炭素質材料の配向比の理論上限値である。
配向比は、試料を加圧成型してからX線回折により測定する。試料0.47gを直径17mmの成型機に充填し58.8MN・m−2で圧縮して得た成型体を、粘土を用いて測定用試料ホルダーの面と同一面になるようにセットしてX線回折を測定する。得られた炭素の(110)回折と(004)回折のピーク強度から、(110)回折ピーク強度/(004)回折ピーク強度で表わされる比を算出する。
X線回折測定条件は次の通りである。なお、「2θ」は回折角を示す。
・ターゲット:Cu(Kα線)グラファイトモノクロメーター
・スリット :
発散スリット=0.5度
受光スリット=0.15mm
散乱スリット=0.5度
・測定範囲及びステップ角度/計測時間:
(110)面:75度≦2θ≦80度 1度/60秒
(004)面:52度≦2θ≦57度 1度/60秒
(アスペクト比(粉))
炭素質材料のアスペクト比は、通常1以上、また、通常10以下であり、8以下が好ましく、5以下が更に好ましい。上記範囲であると、極板化時のスジ引きを抑制し、更に均一な塗布が可能となるため、優れた高電流密度充放電特性を確保することができる。なお、上記範囲の下限は、炭素質材料のアスペクト比の理論下限値である。
アスペクト比の測定は、炭素質材料の粒子を走査型電子顕微鏡で拡大観察して行う。厚さ50μm以下の金属の端面に固定した任意の50個の黒鉛粒子を選択し、それぞれについて試料が固定されているステージを回転、傾斜させて、3次元的に観察した時の炭素質材料粒子の最長となる径Aと、それと直交する最短となる径Bを測定し、A/Bの平均値を求める。
<負極の構成と作製法>
電極の製造は、本発明の効果を著しく損なわない限り、公知のいずれの方法を用いることができる。例えば、負極活物質に、バインダー、溶媒、必要に応じて、増粘剤、導電材、充填材等を加えてスラリーとし、これを集電体に塗布、乾燥した後にプレスすることによって形成することができる。
また、合金系材料を用いる場合には、蒸着法、スパッタ法、メッキ法等の手法により、上述の負極活物質を含有する薄膜層(負極活物質層)を形成する方法も用いられる。
(集電体)
負極活物質を保持させる集電体としては、公知のものを任意に用いることができる。負極の集電体としては、アルミニウム、銅、ニッケル、ステンレス鋼、ニッケルメッキ鋼等の金属材料が挙げられるが、加工し易さとコストの点から特に銅が好ましい。
また、集電体の形状は、集電体が金属材料の場合は、例えば、金属箔、金属円柱、金属コイル、金属板、金属薄膜、エキスパンドメタル、パンチメタル、発泡メタル等が挙げられる。中でも、好ましくは金属薄膜、より好ましくは銅箔であり、更に好ましくは圧延法による圧延銅箔と、電解法による電解銅箔があり、どちらも集電体として用いることができる。
集電体の厚さは、電池容量の確保、取扱い性の観点から、通常1μm以上、好ましくは5μm以上であり、通常100μm以下、好ましくは50μm以下である。
(集電体と負極活物質層との厚さの比)
集電体と負極活物質層の厚さの比は特に制限されないが、「(非水系電解液注液直前の片面の負極活物質層厚さ)/(集電体の厚さ)」の値が、150以下が好ましく、20以下が更に好ましく、10以下が特に好ましく、また、0.1以上が好ましく、0.4以上が更に好ましく、1以上が特に好ましい。集電体と負極活物質層の厚さの比が、上記範囲であると、電池容量を確保することができるとともに、高電流密度充放電時における集電体の発熱を抑制することができる。
(結着剤)
負極活物質を結着するバインダーとしては、非水系電解液や電極製造時に用いる溶媒に対して安定な材料であれば、特に制限されない。
具体例としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリメチルメタクリレート、芳香族ポリアミド、ポリイミド、セルロース、ニトロセルロース等の樹脂系高分子;SBR(スチレン・ブタジエンゴム)、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、フッ素ゴム、NBR(アクリロニトリル・ブタジエンゴム)、エチレン・プロピレンゴム等のゴム状高分子;スチレン・ブタジエン・スチレンブロック共重合体又はその水素添加物;EPDM(エチレン・プロピレン・ジエン三元共重合体)、スチレン・エチレン・ブタジエン・スチレン共重合体、スチレン・イソプレン・スチレンブロック共重合体又はその水素添加物等の熱可塑性エラストマー状高分子;シンジオタクチック−1,2−ポリブタジエン、ポリ酢酸ビニル、エチレン・酢酸ビニル共重合体、プロピレン・α−オレフィン共重合体等の軟質樹脂状高分子;ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、フッ素化ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン・エチレン共重合体等のフッ素系高分子;アルカリ金属イオン(特にリチウムイオン)のイオン伝導性を有する高分子組成物等が挙げられる。これらは、1種を単独で用いても、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。
負極活物質に対するバインダーの割合は、0.1質量%以上が好ましく、0.5質量%以上が更に好ましく、0.6質量%以上が特に好ましく、また、20質量%以下が好ましく、15質量%以下がより好ましく、10質量%以下が更に好ましく、8質量%以下が特に好ましい。負極活物質に対するバインダーの割合が、上記範囲であると、電池容量と負極電極の強度を十分に確保することができる。
特に、SBRに代表されるゴム状高分子を主要成分に含有する場合には、負極活物質に対するバインダーの割合は、通常0.1質量%以上であり、0.5質量%以上が好ましく、0.6質量%以上が更に好ましく、また、通常5質量%以下であり、3質量%以下が好ましく、2質量%以下が更に好ましい。また、ポリフッ化ビニリデンに代表されるフッ素系高分子を主要成分に含有する場合には負極活物質に対する割合は、通常1質量%以上であり、2質量%以上が好ましく、3質量%以上が更に好ましく、また、通常15質量%以下であり、10質量%以下が好ましく、8質量%以下が更に好ましい。
(スラリー形成溶媒)
スラリーを形成するための溶媒としては、負極活物質、バインダー、ならびに必要に応じて使用される増粘剤及び導電材を溶解又は分散することが可能な溶媒であれば、その種類に特に制限はなく、水系溶媒と有機系溶媒のどちらを用いてもよい。
水系溶媒としては、水、アルコール等が挙げられ、有機系溶媒としてはN−メチルピロリドン(NMP)、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、メチルエチルケトン、シクロヘキサノン、酢酸メチル、アクリル酸メチル、ジエチルトリアミン、N,N−ジメチルアミノプロピルアミン、テトラヒドロフラン(THF)、トルエン、アセトン、ジエチルエーテル、ヘキサメチルホスファルアミド、ジメチルスルホキシド、ベンゼン、キシレン、キノリン、ピリジン、メチルナフタレン、ヘキサン等が挙げられる。
特に水系溶媒を用いる場合、増粘剤に併せて分散剤等を含有させ、SBR等のラテックスを用いてスラリー化することが好ましい。なお、これらの溶媒は、1種を単独で用いても、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。
(増粘剤)
増粘剤は、通常、スラリーの粘度を調製するために使用される。増粘剤としては、特に制限されないが、具体的には、カルボキシメチルセルロース、メチルセルロース、ヒドロキシメチルセルロース、エチルセルロース、ポリビニルアルコール、酸化スターチ、リン酸化スターチ、カゼイン及びこれらの塩等が挙げられる。これらは、1種を単独で用いても、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。
更に増粘剤を用いる場合には、負極活物質に対する増粘剤の割合は、通常0.1質量%以上であり、0.5質量%以上が好ましく、0.6質量%以上が更に好ましく、また、通常5質量%以下であり、3質量%以下が好ましく、2質量%以下が更に好ましい。負極活物質に対する増粘剤の割合が、上記範囲であると、電池容量の低下や抵抗の増大を抑制できるとともに、良好な塗布性を確保することができる。
(電極密度)
負極活物質を電極化した際の電極構造は特に制限されないが、集電体上に存在している負極活物質の密度は、1g・cm−3以上が好ましく、1.2g・cm−3以上が更に好ましく、1.3g・cm−3以上が特に好ましく、また、2.2g・cm−3以下が好ましく、2.1g・cm−3以下がより好ましく、2.0g・cm−3以下が更に好ましく、1.9g・cm−3以下が特に好ましい。集電体上に存在している負極活物質の密度が、上記範囲であると、負極活物質粒子の破壊を防止して、初期不可逆容量の増加や、集電体/負極活物質界面付近への非水系電解液の浸透性低下による高電流密度充放電特性悪化を抑制することができる一方、電池容量の低下や抵抗の増大を抑制することができる。
(負極板の厚さ)
負極板の厚さは用いられる正極板に合わせて設計されるものであり、特に制限されないが、芯材の金属箔厚さを差し引いた合材層の厚さは通常15μm以上、好ましくは20μm以上、より好ましくは30μm以上、また、通常300μm以下、好ましくは280μm以下、より好ましくは250μm以下が望ましい。
(負極板の表面被覆)
また、上記負極板の表面に、これとは異なる組成の物質が付着したものを用いてもよい。表面付着物質としては酸化アルミニウム、酸化ケイ素、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化ホウ素、酸化アンチモン、酸化ビスマス等の酸化物、硫酸リチウム、硫酸ナトリウム、硫酸カリウム、硫酸マグネシウム、硫酸カルシウム、硫酸アルミニウム等の硫酸塩、炭酸リチウム、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム等の炭酸塩等が挙げられる。
2−2.正極
<正極活物質>
以下に正極に使用される正極活物質について述べる。
(組成)
正極活物質としては、電気化学的にリチウムイオンを吸蔵・放出可能なものであれば特に制限されないが、例えば、リチウムと少なくとも1種の遷移金属を含有する物質が好ましい。具体例としては、リチウム遷移金属複合酸化物、リチウム含有遷移金属リン酸化合物が挙げられる。
リチウム遷移金属複合酸化物の遷移金属としてはV、Ti、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu等が好ましく、具体例としては、LiCoO等のリチウム・コバルト複合酸化物、LiNiO等のリチウム・ニッケル複合酸化物、LiMnO、LiMn、LiMnO等のリチウム・マンガン複合酸化物、LiNi1/3Mn1/3Co1/3、LiNi0.5Mn0.3Co0.2等のリチウム・ニッケル・マンガン・コバルト複合酸化物、これらのリチウム遷移金属複合酸化物の主体となる遷移金属原子の一部をNa、K、B、F、Al、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Li、Ni、Cu、Zn、Mg、Ga、Zr、Si、Nb、Mo、Sn、W等の他の元素で置換したもの等が挙げられる。置換されたものとしては、LiNi0.5Mn0.5、LiNi0.85Co0.10Al0.05、LiNi0.33Co0.33Mn0.33、LiNi0.45Co0.10Al0.45、LiMn1.8Al0.2、LiMn1.5Ni0.5等が挙げられる。
リチウム含有遷移金属リン酸化合物の遷移金属としては、V、Ti、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu等が好ましく、具体例としては、LiFePO、LiFe(PO、LiFeP等のリン酸鉄類、LiCoPO等のリン酸コバルト類、これらのリチウム遷移金属リン酸化合物の主体となる遷移金属原子の一部をAl、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Li、Ni、Cu、Zn、Mg、Ga、Zr、Nb、Si等の他の元素で置換したもの等が挙げられる。
また、正極活物質にリン酸リチウムを含ませると、連続充電特性が向上するので好ましい。リン酸リチウムの使用に制限はないが、上記の正極活物質とリン酸リチウムを混合して用いることが好ましい。使用するリン酸リチウムの量は上記正極活物質とリン酸リチウムの合計に対し、下限が、好ましくは0.1質量%以上、より好ましくは0.3質量%以上、更に好ましくは0.5質量%以上であり、上限が、好ましくは10質量%以下、より好ましくは8質量%以下、更に好ましくは5質量%以下である。
(表面被覆)
また、上記正極活物質の表面に、これとは異なる組成の物質が付着したものを用いてもよい。表面付着物質としては酸化アルミニウム、酸化ケイ素、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化ホウ素、酸化アンチモン、酸化ビスマス等の酸化物、硫酸リチウム、硫酸ナトリウム、硫酸カリウム、硫酸マグネシウム、硫酸カルシウム、硫酸アルミニウム等の硫酸塩、炭酸リチウム、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム等の炭酸塩、炭素等が挙げられる。
これら表面付着物質は、例えば、溶媒に溶解又は懸濁させて該正極活物質に含浸添加、乾燥する方法、表面付着物質前駆体を溶媒に溶解又は懸濁させて該正極活物質に含浸添加後、加熱等により反応させる方法、正極活物質前駆体に添加して同時に焼成する方法等により該正極活物質表面に付着させることができる。なお、炭素を付着させる場合には、炭素質を、例えば、活性炭等の形で後から機械的に付着させる方法も用いることもできる。
表面付着物質の量としては、該正極活物質に対して質量で、下限として好ましくは0.1ppm以上、より好ましくは1ppm以上、更に好ましくは10ppm以上、上限として、好ましくは20%以下、より好ましくは10%以下、更に好ましくは5%以下で用いられる。表面付着物質により、正極活物質表面での電解液の酸化反応を抑制することができ、電池寿命を向上させることができるが、その付着量が少なすぎる場合その効果は十分に発現せず、多すぎる場合には、リチウムイオンの出入りを阻害するため抵抗が増加する場合がある。
本発明においては、正極活物質の表面に、これとは異なる組成の物質が付着したものも「正極活物質」という。
(形状)
正極活物質の粒子の形状は、従来用いられるような、塊状、多面体状、球状、楕円球状、板状、針状、柱状等が挙げられる。また、一次粒子が凝集して、二次粒子を形成していてもよい。
(タップ密度)
正極活物質のタップ密度は、好ましくは0.5g/cm以上、より好ましくは0.8g/cm以上、更に好ましくは1.0g/cm以上である。該正極活物質のタップ密度が上記範囲であると、正極活物質層形成時に必要な分散媒量及び導電材や結着剤の必要量を抑えることができ、結果正極活物質の充填率及び電池容量を確保することができる。タップ密度の高い複合酸化物粉体を用いることにより、高密度の正極活物質層を形成することができる。タップ密度は一般に大きいほど好ましく、特に上限はないが、好ましくは4.0g/cm以下、より好ましくは3.7g/cm以下、更に好ましくは3.5g/cm以下である。上記範囲であると負荷特性の低下を抑制することができる。
なお、本発明では、タップ密度は、正極活物質粉体5〜10gを10mlのガラス製メスシリンダーに入れ、ストローク約20mmで200回タップした時の粉体充填密度(タップ密度)g/ccとして求める。
(メジアン径d50)
正極活物質の粒子のメジアン径d50(一次粒子が凝集して二次粒子を形成している場合には二次粒子径)は好ましくは0.3μm以上、より好ましくは0.5μm以上、更に好ましくは0.8μm以上、最も好ましくは1.0μm以上であり、上限は、好ましくは30μm以下、より好ましくは27μm以下、更に好ましくは25μm以下、最も好ましくは22μm以下である。上記範囲であると、高タップ密度品が得られ、電池性能の低下を抑制できる一方、電池の正極作製、即ち活物質と導電材やバインダー等を溶媒でスラリー化して薄膜状に塗布する際に、スジ引き等の問題を防止することができる。ここで、異なるメジアン径d50をもつ該正極活物質を2種以上混合することで、正極作製時の充填性を更に向上させることができる。
なお、本発明では、メジアン径d50は、公知のレーザー回折/散乱式粒度分布測定装置によって測定される。粒度分布計としてHORIBA社製LA−920を用いる場合、測定の際に用いる分散媒として、0.1質量%ヘキサメタリン酸ナトリウム水溶液を用い、5分間の超音波分散後に測定屈折率1.24を設定して測定される。
(平均一次粒子径)
一次粒子が凝集して二次粒子を形成している場合には、該正極活物質の平均一次粒子径としては、好ましくは0.05μm以上、より好ましくは0.1μm以上、更に好ましくは0.2μm以上であり、上限は、好ましくは5μm以下、より好ましくは4μm以下、更に好ましくは3μm以下、最も好ましくは2μm以下である。上記範囲であると、粉体充填性及び比表面積を確保し、電池性能の低下を抑制することができる一方、適度な結晶性が得られることによって、充放電の可逆性を確保することができる。
なお、本発明では、一次粒子径は、走査電子顕微鏡(SEM)を用いた観察により測定される。具体的には、10000倍の倍率の写真で、水平方向の直線に対する一次粒子の左右の境界線による切片の最長の値を、任意の50個の一次粒子について求め、平均値をとることにより求められる。
(BET比表面積)
正極活物質のBET比表面積は、好ましくは0.1m/g以上、より好ましくは0.2m/g以上、更に好ましくは0.3m/g以上であり、上限は50m/g以下、好ましくは40m/g以下、更に好ましくは30m/g以下である。BET比表面積が上記範囲であると、電池性能を確保できるとともに、正極活性物質の塗布性を良好に保つことができる。
なお、本発明では、BET比表面積は、表面積計(例えば、大倉理研製全自動表面積測定装置)を用い、試料に対して窒素流通下150℃で30分間、予備乾燥を行なった後、大気圧に対する窒素の相対圧の値が0.3となるように正確に調製した窒素ヘリウム混合ガスを用い、ガス流動法による窒素吸着BET1点法によって測定した値で定義される。
(正極活物質の製造法)
正極活物質の製造法としては、無機化合物の製造法として一般的な方法が用いられる。特に球状ないし楕円球状の活物質を作製するには種々の方法が考えられるが、例えば、遷移金属の原料物質を水等の溶媒中に溶解ないし粉砕分散して、攪拌をしながらpHを調節して球状の前駆体を作製回収し、これを必要に応じて乾燥した後、LiOH、LiCO、LiNO等のLi源を加えて高温で焼成して活物質を得る方法等が挙げられる。
正極の製造のために、上記の正極活物質を単独で用いてもよく、異なる組成の1種以上とを、任意の組み合わせ又は比率で併用してもよい。この場合の好ましい組み合わせとしては、LiCoOとLiNi0.33Co0.33Mn0.33等のLiMn若しくはこのMnの一部を他の遷移金属等で置換したものとの組み合わせ、あるいは、LiCoO若しくはこのCoの一部を他の遷移金属等で置換したものとの組み合わせが挙げられる。
<正極の構成と作製法>
以下に、正極の構成について述べる。本発明において、正極は、正極活物質と結着剤とを含有する正極活物質層を、集電体上に形成して作製することができる。正極活物質を用いる正極の製造は、常法により行うことができる。即ち、正極活物質と結着剤、ならびに必要に応じて導電材及び増粘剤等を乾式で混合してシート状にしたものを正極集電体に圧着するか、又はこれらの材料を液体媒体に溶解又は分散させてスラリーとして、これを正極集電体に塗布し、乾燥することにより、正極活物質層を集電体上に形成されることにより正極を得ることができる。
正極活物質の、正極活物質層中の含有量は、好ましくは80質量%以上、より好ましくは82質量%以上、特に好ましくは84質量%以上である。また上限は、好ましくは99質量%以下、より好ましくは98質量%以下である。上記範囲であると、正極活物質層中の正極活物質の電気容量を確保できるとともに、正極の強度を保つことができる。塗布、乾燥によって得られた正極活物質層は、正極活物質の充填密度を上げるために、ハンドプレス、ローラープレス等により圧密化することが好ましい。正極活物質層の密度は、下限として好ましくは1.5g/cm以上、より好ましくは2g/cm、更に好ましくは2.2g/cm以上であり、上限としては、好ましくは5g/cm以下、より好ましくは4.5g/cm以下、更に好ましくは4g/cm以下の範囲である。上記範囲であると、良好な充放電特性が得られるとともに、電気抵抗の増大を抑制することができる。
(導電材)
導電材としては、公知の導電材を任意に用いることができる。具体例としては、銅、ニッケル等の金属材料;天然黒鉛、人造黒鉛等の黒鉛(グラファイト);アセチレンブラック等のカーボンブラック;ニードルコークス等の無定形炭素等の炭素材料等が挙げられる。なお、これらは、1種を単独で用いてもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。導電材は、正極活物質層中に、通常0.01質量%以上、好ましくは0.1質量%以上、より好ましくは1質量%以上であり、また上限は、通常50質量%以下、好ましくは30質量%以下、より好ましくは15質量%以下含有するように用いられる。上記範囲であると、十分な導電性と電池容量を確保することができる。
(結着剤)
正極活物質層の製造に用いる結着剤としては、特に限定されず、塗布法の場合は、電極製造時に用いる液体媒体に対して溶解又は分散される材料であればよいが、具体例としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリメチルメタクリレート、ポリイミド、芳香族ポリアミド、セルロース、ニトロセルロース等の樹脂系高分子;SBR(スチレン−ブタジエンゴム)、NBR(アクリロニトリル−ブタジエンゴム)、フッ素ゴム、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、エチレン−プロピレンゴム等のゴム状高分子;スチレン・ブタジエン・スチレンブロック共重合体又はその水素添加物、EPDM(エチレン・プロピレン・ジエン三元共重合体)、スチレン・エチレン・ブタジエン・エチレン共重合体、スチレン・イソプレン・スチレンブロック共重合体又はその水素添加物等の熱可塑性エラストマー状高分子;シンジオタクチック−1,2−ポリブタジエン、ポリ酢酸ビニル、エチレン・酢酸ビニル共重合体、プロピレン・α−オレフィン共重合体等の軟質樹脂状高分子;ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリテトラフルオロエチレン、フッ素化ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン・エチレン共重合体等のフッ素系高分子;アルカリ金属イオン(特にリチウムイオン)のイオン伝導性を有する高分子組成物等が挙げられる。なお、これらの物質は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。
正極活物質層中の結着剤の割合は、通常0.1質量%以上、好ましくは1質量%以上、更に好ましくは1.5質量%以上であり、上限は、通常80質量%以下、好ましくは60質量%以下、更に好ましくは40質量%以下、最も好ましくは10質量%以下である。結着剤の割合が低すぎると、正極活物質を十分保持できずに正極の機械的強度が不足し、サイクル特性等の電池性能を悪化させてしまう場合がある。一方で、高すぎると、電池容量や導電性の低下につながる場合がある。
(スラリー形成溶媒)
スラリーを形成するための溶媒としては、正極活物質、導電材、結着剤、ならびに必要に応じて使用される増粘剤を溶解又は分散することが可能な溶媒であれば、その種類に特に制限はなく、水系溶媒と有機系溶媒のどちらを用いてもよい。水系媒体としては、水、アルコールと水との混合媒等が挙げられる。有機系媒体としては、ヘキサン等の脂肪族炭化水素類;ベンゼン、トルエン、キシレン、メチルナフタレン等の芳香族炭化水素類;キノリン、ピリジン等の複素環化合物;アセトン、メチルエチルケトン、シクロヘキサノン等のケトン類;酢酸メチル、アクリル酸メチル等のエステル類;ジエチレントリアミン、N,N−ジメチルアミノプロピルアミン等のアミン類;ジエチルエーテル、プロピレンオキシド、テトラヒドロフラン(THF)等のエーテル類;N−メチルピロリドン(NMP)、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド等のアミド類;ヘキサメチルホスファルアミド、ジメチルスルホキシド等の非プロトン性極性溶媒等が挙げられる。
特に水系媒体を用いる場合、増粘剤と、スチレン−ブタジエンゴム(SBR)等のラテックスを用いてスラリー化するのが好ましい。増粘剤は、通常、スラリーの粘度を調製するために使用される。増粘剤としては、特に制限はないが、具体的には、カルボキシメチルセルロース、メチルセルロース、ヒドロキシメチルセルロース、エチルセルロース、ポリビニルアルコール、酸化スターチ、リン酸化スターチ、カゼイン及びこれらの塩等が挙げられる。これらは、1種を単独で用いても、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。更に増粘剤を添加する場合には、活物質に対する増粘剤の割合は、0.1質量%以上、好ましくは0.2質量%以上、より好ましくは0.3質量%以上であり、また、上限としては5質量%以下、好ましくは3質量%以下、より好ましくは2質量%以下の範囲である。上記範囲であると、良好な塗布性が得られるとともに、電池容量の低下や抵抗の増大を抑制することができる。
(集電体)
正極集電体の材質としては特に制限されず、公知のものを任意に用いることができる。具体例としては、アルミニウム、ステンレス鋼、ニッケルメッキ、チタン、タンタル等の金属材料;カーボンクロス、カーボンペーパー等の炭素材料が挙げられる。中でも金属材料、特にアルミニウムが好ましい。
集電体の形状としては、金属材料の場合、金属箔、金属円柱、金属コイル、金属板、金属薄膜、エキスパンドメタル、パンチメタル、発泡メタル等が挙げられ、炭素材料の場合、炭素板、炭素薄膜、炭素円柱等が挙げられる。これらのうち、金属薄膜が好ましい。なお、薄膜は適宜メッシュ状に形成してもよい。薄膜の厚さは任意であるが、集電体としての強度及び取扱い性の観点から、通常1μm以上、好ましくは3μm以上、より好ましくは5μm以上、また上限は、通常1mm以下、好ましくは100μm以下、より好ましくは50μm以下である。
また、集電体の表面に導電助剤が塗布されていることも、集電体と正極活物質層の電子接触抵抗を低下させる観点で好ましい。導電助剤としては、炭素や、金、白金、銀等の貴金属類が挙げられる。
集電体と正極活物質層の厚さの比は特には限定されないが、(電解液注液直前の片面の正極活物質層の厚さ)/(集電体の厚さ)の値が20以下であることが好ましく、より好ましくは15以下、最も好ましくは10以下であり、下限は、0.5以上が好ましく、より好ましくは0.8以上、最も好ましくは1以上の範囲である。この範囲を上回ると、高電流密度充放電時に集電体がジュール熱による発熱を生じる場合がある。上記範囲であると、高電流密度充放電時の集電体の発熱を抑制し、電池容量を確保することができる。
(電極面積)
本発明の電解液を用いる場合、高出力かつ高温時の安定性を高める観点から、正極活物質層の面積は、電池外装ケースの外表面積に対して大きくすることが好ましい。具体的には、二次電池の外装の表面積に対する正極の電極面積の総和が面積比で15倍以上とすることが好ましく、更に40倍以上とすることがより好ましい。外装ケースの外表面積とは、有底角型形状の場合には、端子の突起部分を除いた発電要素が充填されたケース部分の縦と横と厚さの寸法から計算で求める総面積をいう。有底円筒形状の場合には、端子の突起部分を除いた発電要素が充填されたケース部分を円筒として近似する幾何表面積である。正極の電極面積の総和とは、負極活物質を含む合材層に対向する正極合材層の幾何表面積であり、集電体箔を介して両面に正極合材層を形成してなる構造では、それぞれの面を別々に算出する面積の総和をいう。
(正極板の厚さ)
正極板の厚さは特に限定されないが、高容量かつ高出力の観点から、芯材の金属箔厚さを差し引いた合材層の厚さは、集電体の片面に対して下限として、好ましくは10μm以上、より好ましくは20μm以上で、上限としては、好ましくは500μm以下、より好ましくは450μm以下である。
(正極板の表面被覆)
また、上記正極板の表面に、これとは異なる組成の物質が付着したものを用いてもよい。表面付着物質としては酸化アルミニウム、酸化ケイ素、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化ホウ素、酸化アンチモン、酸化ビスマス等の酸化物、硫酸リチウム、硫酸ナトリウム、硫酸カリウム、硫酸マグネシウム、硫酸カルシウム、硫酸アルミニウム等の硫酸塩、炭酸リチウム、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム等の炭酸塩、炭素等が挙げられる。
2−3.セパレータ
正極と負極との間には、短絡を防止するために、通常はセパレータを介在させる。この場合、本発明の電解液は、通常はこのセパレータに含浸させて用いる。
セパレータの材料や形状については特に制限されず、本発明の効果を著しく損なわない限り、公知のものを任意に採用することができる。中でも、本発明の電解液に対し安定な材料で形成された、樹脂、ガラス繊維、無機物等が用いられ、保液性に優れた多孔性シート又は不織布状の形態の物等を用いるのが好ましい。
樹脂、ガラス繊維セパレータの材料としては、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン、芳香族ポリアミド、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエーテルスルホン、ガラスフィルター等を用いることができる。中でも好ましくはガラスフィルター、ポリオレフィンであり、更に好ましくはポリオレフィンである。これらの材料は1種を単独で用いてもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用したり、積層されたものを使用してもよい。2種以上を任意の組み合わせで積層したものの具体例としては、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリプロピレンの順で積層された三層セパレータなどが挙げられる。
セパレータの厚さは任意であるが、通常1μm以上であり、5μm以上が好ましく、8μm以上が更に好ましく、また、通常50μm以下であり、40μm以下が好ましく、30μm以下が更に好ましい。上記範囲であると、絶縁性及び機械的強度を確保できる一方、レート特性等の電池性能及びエネルギー密度を確保することができる。
更に、セパレータとして多孔性シートや不織布等の多孔質のものを用いる場合、セパレータの空孔率は任意であるが、通常20%以上であり、35%以上が好ましく、45%以上が更に好ましく、また、通常90%以下であり、85%以下が好ましく、75%以下が更に好ましい。空孔率が、上記範囲であると、絶縁性及び機械的強度を確保できる一方、膜抵抗を抑え良好なレート特性を得ることができる。
また、セパレータの平均孔径も任意であるが、通常0.5μm以下であり、0.2μm以下が好ましく、また、通常0.05μm以上である。平均孔径が、上記範囲を上回ると、短絡が生じ易くなる。平均孔径が、上記範囲であると、短絡を防止ししつつ、膜抵抗を抑え良好なレート特性を得ることができる。一方、無機物の材料としては、アルミナや二酸化ケイ素等の酸化物、窒化アルミや窒化ケイ素等の窒化物、硫酸バリウムや硫酸カルシウム等の硫酸塩が用いられ、粒子形状もしくは繊維形状のものが用いられる。
形態としては、不織布、織布、微多孔性フィルム等の薄膜形状のものが用いられる。薄膜形状では、孔径が0.01〜1μm、厚さが5〜50μmのものが好適に用いられる。上記の独立した薄膜形状以外に、樹脂製の結着剤を用いて上記無機物の粒子を含有する複合多孔層を正極及び/又は負極の表層に形成させてなるセパレータを用いることができる。例えば、正極の両面に90%粒径が1μm未満のアルミナ粒子を、フッ素樹脂を結着剤として多孔層を形成させることが挙げられる。
2−4.電池設計
<電極群>
電極群は、上記の正極板と負極板とを上記のセパレータを介してなる積層構造のもの、及び上記の正極板と負極板とを上記のセパレータを介して渦巻き状に捲回した構造のもののいずれでもよい。電極群の質量が電池内容積に占める割合(以下、電極群占有率と称する)は、通常40%以上であり、50%以上が好ましく、また、通常90%以下であり、80%以下が好ましい。電極群占有率が、上記範囲であると、電池容量を確保できるとともに内部圧力の上昇に伴う充放電繰り返し性能や高温保存等の特性低下を抑制し、更にはガス放出弁の作動を防止することができる。
<集電構造>
集電構造は、特に制限されないが、配線部分や接合部分の抵抗を低減する構造にすることが好ましい。電極群が上記の積層構造のものでは、各電極層の金属芯部分を束ねて端子に溶接して形成される構造が好適に用いられる。一枚の電極面積が大きくなる場合には、内部抵抗が大きくなるので、電極内に複数の端子を設けて抵抗を低減することも好適に用いられる。電極群が上記の捲回構造のものでは、正極及び負極にそれぞれ複数のリード構造を設け、端子に束ねることにより、内部抵抗を低くすることができる。
<外装ケース>
外装ケースの材質は用いられる非水系電解液に対して安定な物質であれば特に制限されない。具体的には、ニッケルめっき鋼板、ステンレス、アルミニウム又はアルミニウム合金、マグネシウム合金等の金属類、又は、樹脂とアルミ箔との積層フィルム(ラミネートフィルム)が用いられる。軽量化の観点から、アルミニウム又はアルミニウム合金の金属、ラミネートフィルムが好適に用いられる。
金属類を用いる外装ケースでは、レーザー溶接、抵抗溶接、超音波溶接により金属同士を溶着して封止密閉構造とするもの、若しくは、樹脂製ガスケットを介して上記金属類を用いてかしめ構造とするものが挙げられる。上記ラミネートフィルムを用いる外装ケースでは、樹脂層同士を熱融着することにより封止密閉構造とするもの等が挙げられる。シール性を上げるために、上記樹脂層の間にラミネートフィルムに用いられる樹脂と異なる樹脂を介在させてもよい。特に、集電端子を介して樹脂層を熱融着して密閉構造とする場合には、金属と樹脂との接合になるので、介在する樹脂として極性基を有する樹脂や極性基を導入した変成樹脂が好適に用いられる。また、外装体の形状も任意であり、例えば円筒型、角形、ラミネート型、コイン型、大型等のいずれであってもよい。
<保護素子>
保護素子として、異常発熱や過大電流が流れた時に抵抗が増大するPTC(PositiveTemperature Coefficient)、温度ヒューズ、サーミスター、異常発熱時に電池内部圧力や内部温度の急激な上昇により回路に流れる電流を遮断する弁(電流遮断弁)等を使用することができる。上記保護素子は高電流の通常使用で作動しない条件のものを選択することが好ましく、保護素子がなくても異常発熱や熱暴走に至らない設計にすることがより好ましい。
以下に、実施例及び比較例を挙げて本発明を更に具体的に説明するが、本発明は、その要旨を超えない限りこれらの実施例に限定されるものではない。
本実施例に使用した一部の化合物を以下に示す。
Figure 0005811311

Figure 0005811311

Figure 0005811311
比較例に使用した一部の化合物の構造式を以下に示す。
Figure 0005811311

Figure 0005811311
<実施例1−1〜1−4及び比較例1−1〜1−7>
実施例1−1〜1−4及び比較例1−1〜1−7の電池の製造方法及び評価方法を以下に示す。
[初期特性評価]
シート状非水系電解液二次電池を、エタノール浴中に浸して浮力を測定した。電極間の密着性を高めるためにガラス板で挟んだ状態で、25℃において、0.3Cに相当する定電流で4.1Vまで充電した後、0.3Cの定電流で3Vまで放電した。この時の充電容量と放電容量の差を初期不可逆容量、充電容量と放電容量の比を初期効率とした。充放電を3サイクル行って電池を安定させた後、また0.3Cの定電流で4.2Vまで充電後、4.2Vの定電圧で電流値が0.05Cになるまで充電を実施し、0.3Cの定電流で3Vまで放電したときの放電容量を初期0.3C容量とした。次に同様に充電後、3.0Cの定電流で3Vまで放電して、初期3C容量とした。更に同様に充電後、5.0Cの定電流で3Vまで放電し初期5C容量とした。1Cとは電池の基準容量を1時間で放電する電流値を表し、例えば、0.3Cとはその0.3倍の電流値を表す。
[過充電特性評価]
上記の方法で作成したシート状非水系電解液二次電池を0.3Cの定電流で4.2Vまで充電後、電流値が0.05Cになるまで充電を実施しこの電池を45℃の恒温槽中で3時間温度が安定するまで放置した後、1.0Cに相当する電流値で48分過充電した。20分放置後、電池のOCVを測定し、電池を取り出して再びエタノール浴中に浸して浮力を測定し、初期特性評価前の電池と過充電後電池の体積変化を測定し、過充電ガス量とした。
過充電試験後の電池のOCVが低い方が、過充電深度が低く、過充電時の安全性が高い。また、過充電後のガス発生量が多いほど、過充電等の異常により内圧が異常に上昇したときにこれを感知して安全弁を作動させる電池では、安全弁を早めに作動させることができるので好ましい。
(実施例1−1)
[正極の製造]
正極活物質としてリチウム・ニッケル・コバルト・マンガン複合酸化物(LiNi1/3Mn1/3Co1/3)90質量%と、導電材としてアセチレンブラック7質量%と、結着材としてポリフッ化ビニリデン(PVdF)3質量%とを、N−メチルピロリドン溶媒中で、ディスパーザーで混合してスラリー化した。これを厚さ15μmのアルミニウム箔の片面に均一に塗布、乾燥した後、プレスして正極とした。
[負極の製造]
負極活物質として非晶質被覆黒鉛粉末、増粘剤としてカルボキシメチルセルロースナトリウムの水性ディスパージョン(カルボキシメチルセルロースナトリウムの濃度1質量%)、結着材としてスチレンブタジエンゴムの水性ディスパージョン(スチレンブタジエンゴムの濃度50質量%)を加え、ディスパーザーで混合してスラリー化した。このスラリーを厚さ10μmの銅箔の片面に均一に塗布、乾燥した後、プレスして負極とした。なお、乾燥後の負極において、非晶質被覆黒鉛:カルボキシメチルセルロースナトリウム:スチレンブタジエンゴム=97.5:1.5:1の質量比となるように作製した。
[電解液の製造]
乾燥アルゴン雰囲気下、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)とジメチルカーボネート(DMC)の混合物(容量比3:4:3)に非水系電解液中の含有量として2.99質量%となるようにジフェニルシクロヘキサンを添加し、次いで十分に乾燥したLiPFを1.0mol/Lの割合となるように溶解して電解液とした。
[二次電池の製造]
上記の正極、負極、及びポリプロピレン製のセパレータを、負極、セパレータ、正極、の順に積層して電池要素を作製した。この電池要素をアルミニウム(厚さ40μm)の両面を樹脂層で被覆したラミネートフィルムからなる袋内に正極負極の端子を突設させながら挿入した後、上記電解液を袋内に注入し、真空封止を行い、非水系電解液二次電池を作製し、初期特性評価、過充電特性評価を行った。評価結果を表1に示す。
(実施例1−2)
実施例1の電解液において、ジフェニルシクロヘキサンに代わり1,3−ビス(1−メチル−1−フェニルエチル)―ベンゼンを2.6質量%添加した以外、実施例1−1と同様にして非水系電解液二次電池を作製し、初期特性評価、過充電特性評価を行った。評価結果を表1に示す。
(実施例1−3)
実施例1の電解液において、ジフェニルシクロヘキサンに代わり1,4−ビス(1−メチル−1−フェニルエチル)―ベンゼンを2.6質量%添加した以外、実施例1−1と同様にして非水系電解液二次電池を作製し、初期特性評価、過充電特性評価を行った。評価結果を表1に示す。
(実施例1−4)
実施例1の電解液において、ジフェニルシクロヘキサンに代わり1−フェニル−1,3,3−トリメチルインダンを3.0質量%添加した以外、実施例1−1と同様にして非水系電解液二次電池を作製し、初期特性評価、過充電特性評価を行った。評価結果を表1に示す。
(比較例1−1)
実施例1−1の電解液において、ジフェニルシクロヘキサンを添加しなかった以外、実施例1−1と同様にして非水系電解液二次電池を作製し、初期特性評価、過充電特性評価を行った。評価結果を表1に示す。
(比較例1−2)
実施例1−1の電解液において、ジフェニルシクロヘキサンに代わりシクロヘキシルベンゼンを2.0質量%添加した以外、実施例1−1と同様にして非水系電解液二次電池を作製し、初期特性評価、過充電特性評価を行った。評価結果を表1に示す。
(比較例1−3)
実施例1−1の電解液において、ジフェニルシクロヘキサンに代わり2,2−ジフェニルプロパンを2.5質量%添加した以外、実施例1−1と同様にして非水系電解液二次電池を作製し、初期特性評価、過充電特性評価を行った。評価結果を表1に示す。
(比較例1−4)
実施例1−1の電解液において、ジフェニルシクロヘキサンに代わり2,2−ビス(4−アセトキシフェニル)プロパンを2.0質量%添加した以外、実施例1−1と同様にして非水系電解液二次電池を作製し、初期特性評価、過充電特性評価を行った。評価結果を表1に示す。
(比較例1−5)
実施例1−1の電解液において、ジフェニルシクロヘキサンに代わりジフェニルメタンを2.5質量%添加した以外、実施例1−1と同様にして非水系電解液二次電池を作製し、初期特性評価、過充電特性評価を行った。評価結果を表1に示す。
(比較例1−6)
実施例1−1の電解液において、ジフェニルシクロヘキサンに代わり水素化ターフェニル(水素化率52.8%)
(内訳 1,3−ジシクロヘキシルベンゼン 28.3質量%
3−フェニルジシクロヘキシル 30.7質量%
1,3−ジフェニルシクロヘキサン 22.8質量%
3−シクロヘキシルビフェニル 18.2質量%)
を3.0質量%添加した以外、実施例1−1と同様にして非水系電解液二次電池を作製し、初期特性評価、過充電特性評価を行った。評価結果を表1に示す。
(比較例1−7)
実施例1−1の電解液において、ジフェニルシクロヘキサンに代わり2,2−ビス−(4−tert−ブチルフェニル)−プロパンを3.9質量%添加した以外、実施例1と同様にして非水系電解液二次電池を作製し、初期特性評価、過充電特性評価を行った。評価結果を表1に示す。
Figure 0005811311
表1から明らかなように、添加剤を添加していない比較例1の電池と比べて、実施例1−1〜1−4の電池は初期効率が同等以上で電池特性が優れる。また、過充電特性は比較例1−1より著しく良好である。また比較例1−2、1−3、1−7の添加剤と比べて、実施例1−1〜1−4の電池は初期効率、過充電特性の両方が優れていることがわかる。これは、添加剤の芳香族環に結合する置換基が適切であると、初期効率と過充電特性について、高いバランスを保つ電池が得られると考えられる。
よって本発明は、第4級炭素に直接芳香族環が2つ結合し、更に芳香族環に結合している炭化水素基の炭素数が一定数である特定の化合物を添加した非水系電解液を用ることにより、電池の過充電時安全性を高めながらも、初期効率が高く、優れた性能を電池に与えることがわかる。
<実施例1−5、比較例1−8〜1−10>
実施例1−5及び比較例1−8〜1−10の電池の製造方法及び評価方法を以下に示す。
[高温連続充電特性評価]
シート状非水系電解液二次電池を、電極間の密着性を高めるためにガラス板で挟んだ状態で、25℃において、0.05Cに相当する定電流で6時間充電を行い、その後0.2Cの定電流で4.1Vまで充電し、0.2Cの定電流で3Vまで放電した。更に0.2Cで4.4Vまで定電流−定電圧充電(0.05Cカット)した後、0.2Cの定電流で3Vまで放電することを2回繰り返して、電池を安定させた。ここで、1Cとは電池の基準容量を1時間で放電する電流値を表し、0.05Cとはその1/20倍の電流値を、また0.2Cとはその1/5の電流値を表す。
上述のように電池を安定させた後、25℃において0.2Cで4.4Vまで定電流−定電圧充電(0.05Cカット)した後、60℃において0.2Cで4.4Vの定電流−定電圧充電を68時間行った。68時間時点での電流値を高温連続充電の電流値として評価した。
(実施例1−5)
[正極の製造]
正極活物質としてリチウム・ニッケル・コバルト・マンガン複合酸化物(LiNi0.5Mn0.3Co0.2)90質量%と、導電材としてアセチレンブラック7質量%と、結着材としてポリフッ化ビニリデン(PVdF)3質量%とを、N−メチルピロリドン溶媒中で、ディスパーザーで混合してスラリー化した。これを厚さ15μmのアルミニウム箔の片面に均一に塗布、乾燥した後、プレスして正極とした。
[負極の製造]
負極活物質として天然黒鉛粉末、増粘剤としてカルボキシメチルセルロースナトリウムの水性ディスパージョン(カルボキシメチルセルロースナトリウムの濃度1質量%)、結着材としてスチレンブタジエンゴムの水性ディスパージョン(スチレンブタジエンゴムの濃度50質量%)を加え、ディスパーザーで混合してスラリー化した。このスラリーを厚さ10μmの銅箔の片面に均一に塗布、乾燥した後、プレスして負極とした。なお、乾燥後の負極において、天然黒鉛:カルボキシメチルセルロースナトリウム:スチレンブタジエンゴム=98:1:1の質量比となるように作製した。
[電解液の製造]
乾燥アルゴン雰囲気下、エチレンカーボネート(EC)とエチルメチルカーボネート(MEC)とジメチルカーボネート(DMC)の混合物(容量比3:4:3)に非水系電解液中の含有量として4質量%となるように1−フェニル−1,3,3−トリメチルインダンを添加した。次いで十分に乾燥したLiPFを1mol/Lの割合となるように溶解して電解液とした。
[二次電池の製造]
上記の正極、負極、及びポリプロピレン製のセパレータを、負極、セパレータ、正極の順に積層して電池要素を作製した。この電池要素をアルミニウム(厚さ40μm)の両面を樹脂層で被覆したラミネートフィルムからなる袋内に正極負極の端子を突設させながら挿入した後、上記電解液を袋内に注入し、真空封止を行い、非水系電解液二次電池を作製し、高温連続充電特性評価を行った。評価結果を表2に示す。
(比較例1−8)
実施例1−5の電解液において、1−フェニル−1,3,3−トリメチルインダンに代わりシクロヘキシルベンゼン(CHB)を添加した以外、実施例1−5と同様にして非水系電解液二次電池を作製し、評価を行った。評価結果を表2に示す。
(比較例1−9)
実施例1−5の電解液において、1−フェニル−1,3,3−トリメチルインダンに代わりtert−アミルベンゼン(TAB)を添加した以外、実施例1−5と同様にして非水系電解液二次電池を作製し、評価を行った。評価結果を表2に示す。
(比較例1−10)
実施例1−5の電解液において、1−フェニル−1,3,3−トリメチルインダンを添加しなかった以外、実施例1−5と同様にして非水系電解液二次電池を作製し、評価を行った。評価結果を表2に示す。
Figure 0005811311
表2から明らかなように、1−フェニル−1,3,3−トリメチルインダンを添加していない比較例1−8〜1−10の電池と比べて、実施例1−5の電池は高温連続充電特性を向上させる点で優れていることが明らかである。
<実施例2−1〜2−2及び比較例2−1〜2−2>
実施例2−1〜2−2及び比較例2−1〜2−2の電池の製造方法及び評価方法を以下に示す。
(実施例2−1)
[電解液の製造]
乾燥アルゴン雰囲気下、エチレンカーボネート(EC)、エチルメチルカーボネート(EMC)及びジエチルカーボネート(DEC)からなる混合溶媒(混合体積比3:4:3)に、電解質であるLiPFを1.2mol/Lの割合で溶解させて基本電解液とした。更に、かかる基本電解液に対して、添加剤として1−フェニル−1,3,3−トリメチルインダン1.0質量%を添加して実施例2−1の非水系電解液を調製した。
[正極の製造]
正極活物質としてコバルト酸リチウム(LiCoO)97質量%と、導電材としてアセチレンブラック1.5質量%と、結着材としてポリフッ化ビニリデン(PVdF)1.5質量%とを、N−メチルピロリドン溶媒中で、ディスパーザーで混合してスラリー化した。これを厚さ15μmのアルミニウム箔の両面に均一に塗布、乾燥した後、プレスして正極とした。
[負極の製造]
負極活物質として天然黒鉛粉末、増粘剤としてカルボキシメチルセルロースナトリウムの水性ディスパージョン(カルボキシメチルセルロースナトリウムの濃度1質量%)、結着材としてスチレンブタジエンゴムの水性ディスパージョン(スチレンブタジエンゴムの濃度50質量%)を加え、ディスパーザーで混合してスラリー化した。このスラリーを厚さ10μmの銅箔の片面に均一に塗布、乾燥した後、プレスして負極とした。なお、乾燥後の負極において、天然黒鉛:カルボキシメチルセルロースナトリウム:スチレンブタジエンゴム=98:1:1の質量比となるように作製した。
[二次電池の製造]
上記の正極、負極、及びポリプロピレン製のセパレータを、負極、セパレータ、正極、セパレータ、負極の順に積層して電池要素を作製した。この電池要素をアルミニウム(厚さ40μm)の両面を樹脂層で被覆したラミネートフィルムからなる袋内に正・負極の端子を突設させながら挿入した後、非水系電解液を袋内に注入し、真空封止を行ない、シート状の非水系電解液電池を作製した。
[初期容量評価]
非水系電解液電池を、ガラス板で挟んで加圧した状態で、25℃において、0.05Cに相当する電流で6時間定電流充電した後、0.2Cで3.0Vまで定電流放電を行った。その後、0.2Cに相当する電流で4.1Vまで定電流―定電圧充電(以下適宜「CC−CV充電」という)(0.05Cカット)した後、45℃、72時間の条件下で放置した。その後、0.2Cの定電流で3Vまで放電した。次いで、0.2Cで4.35VまでCC−CV充電(0.05Cカット)した後、0.2Cで3Vまで再度放電した。これを二度繰り返し、二度目の放電容量を初期0.2C容量とした。更に、0.2Cで4.35VまでCC−CV充電(0.05Cカット)した後、0.5Cで3Vまで再度放電し、初期0.5C容量を求めた。そして、(初期0.5C容量)÷(初期0.2C容量)×100の計算式から、初期レート特性を求めた。
ここで、1Cとは電池の基準容量を1時間で放電する電流値を表し、例えば、0.2Cとはその1/5の電流値を表す。
[高温保存特性評価]
初期容量評価を行った後の非水系電解液電池を、25℃において、0.2Cで4.35VまでCC−CV充電(0.05Cカット)を行った後、60℃、7日間の条件で高温保存を行った。電池を十分に冷却させた後、25℃において0.2Cで3Vまで放電させ、高温保存特性評価後に残存している容量を測定し、初期容量に対する容量の割合を求め、これを残存率(%)とした。更に、0.2Cで4.35VまでCC−CV充電(0.05Cカット)した後、0.2Cで3Vまで再度放電し、初期容量に対する容量の割合を求め、これを回復率(%)とした。
上記作製した非水系電解液電池を用いて、初期容量評価ならびに高温保存特性評価を実施した。評価結果を、比較例2−1を100.0%としたときの相対値で表3に示す。以下も同様とする。
(実施例2−2)
実施例2−1の電解液において、1−フェニル−1,3,3−トリメチルインダン1.0質量%の代わりに、1−フェニル−1,3,3−トリメチルインダン1.0量%及びモノフルオロエチレンカーボネート5.0質量%を添加した電解液を用いた以外、実施例2−1と同様にして非水系電解液電池を作製し、評価を実施した。
(比較例2−1)
実施例2−1の電解液において、1−フェニル−1,3,3−トリメチルインダンを含まない電解液を用いた以外、実施例2−1と同様にして非水系電解液電池を作製し、評価を実施した。
(比較例2−2)
実施例2−2の電解液において、1−フェニル−1,3,3−トリメチルインダンを含まない電解液を用いた以外、実施例2−2と同様にして非水系電解液電池を作製し、評価を実施した。
Figure 0005811311
表3より、本発明に係る実施例2−1及び実施例2−2の非水系電解液を用いることにより、式(I)で表される芳香族化合物が添加されていない場合(比較例2−1及び比較例2−2)に比べ、初期レート特性、残存率ならびに回復率に優れていることが分かる。なお、実施例2−2の結果より、式(I)で表される芳香族化合物とフッ素含有環状カーボネートであるモノフルオロエチレンカーボネートを併用することで、より顕著な改善効果がもたらされることがわかる。
<実施例3−1〜3−2及び比較例3−1〜3−2>
実施例3−1〜3−2及び比較例3−1〜3−2の電池の製造方法及び評価方法を以下に示す。
[初期特性評価]
シート状非水系電解液二次電池を、電極間の密着性を高めるためにガラス板で挟んだ状態で、25℃において、0.2Cに相当する定電流で1時間半充電を行い、0.2Cの定電流で3Vまで放電した。この時の充電容量と放電容量の差を初期不可逆容量とした。更に0.2Cで4.2Vまで定電流−定電圧充電(0.05Cカット)した後、0.2Cの定電流で3Vまで放電することを2回繰り返して、電池を安定させた。ここで、1Cとは電池の基準容量を1時間で放電する電流値を表し、0.5Cとはその1/2倍の電流値を、また0.2Cとはその1/5の電流値を表す。
[放電保存特性評価]
上述のように電池を安定させた後、25℃において、3Vまで定電流−定電圧充電(2時間カット)を行った後、60℃で140時間保存し、開回路電圧(OCV)を測定した。
(実施例3−1)
[正極の製造]
正極活物質としてのリチウムコバルト酸化物(LiCoO)90質量%と、導電材としてアセチレンブラック5質量%と、結着剤としてのポリフッ化ビニリデン(PVdF)5質量%とを、N−メチルピロリドン溶媒中で、ディスパーザーで混合してスラリー化した。これを厚さ15μmのアルミニウム箔の両面に均一に塗布、乾燥した後、プレスして正極とした。
[負極の製造]
負極活物質として天然黒鉛粉末、増粘剤としてカルボキシメチルセルロースナトリウムの水性ディスパージョン(カルボキシメチルセルロースナトリウムの濃度1質量%)、結着材としてスチレンブタジエンゴムの水性ディスパージョン(スチレンブタジエンゴムの濃度50質量%)を加え、ディスパーザーで混合してスラリー化した。このスラリーを厚さ10μmの銅箔の片面に均一に塗布、乾燥した後、プレスして負極とした。なお、乾燥後の負極において、天然黒鉛:カルボキシメチルセルロースナトリウム:スチレンブタジエンゴム=98:1:1の質量比となるように作製した。
[電解液の製造]
乾燥アルゴン雰囲気下、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)の混合物(容量比3:7)に非水系電解液中の含有量として1.5質量%となるように1−フェニル−1,3,3−トリメチルインダンと1質量%となるようにジフルオロリン酸リチウム(LiPO)を添加し、次いで十分に乾燥したLiPFを1.0mol/Lの割合となるように溶解して電解液とした。
[二次電池の製造]
上記の正極、負極、及びポリエチレン製のセパレータを、負極、セパレータ、正極、セパレータ、負極の順に積層して電池要素を作製した。この電池要素をアルミニウム(厚さ40μm)の両面を樹脂層で被覆したラミネートフィルムからなる袋内に正極負極の端子を突設させながら挿入した後、上記電解液を袋内に注入し、真空封止を行い、非水系電解液二次電池を作製し、初期特性評価、放電保存特性評価を行った。評価結果を表4に示す。
(実施例3−2)
実施例1の電解液において、LiPOを添加しなかった以外、実施例3−1と同様にして非水系電解液二次電池を作製し、評価を行った。評価結果を表4に示す。
(比較例3−1)
実施例3−1の電解液において、1−フェニル−1,3,3−トリメチルインダンを添加しなかった以外、実施例3−1と同様にして非水系電解液二次電池を作製し、評価を行った。評価結果を表4に示す。
(比較例3−2)
実施例3−1の電解液において、1−フェニル−1,3,3−トリメチルインダンとLiPOともに添加しなかった以外、実施例3−1と同様にして非水系電解液二次電池を作製し、評価を行った。評価結果を表4に示す。
Figure 0005811311
表4から明らかなように、式(I)で表される芳香族化合物を添加していない比較例3−1〜3−2の電池と比べて、実施例3−1〜3−2の電池は初期不可逆容量低下抑制と放電保存後OCV低下抑制の両方を同時に向上させる点で優れていることが明らかである。また、式(I)で表される芳香族化合物と共に電解質を2種以上含む実施例3−1の電池は、式(I)で表される芳香族化合物のみを添加した実施例3−2の電池と比べて、放電保存後OCV抑制ならびに初期不可逆容量低下抑制を同時に達成できる点で優れていることが明らかである。
<実施例4−1〜4−2及び比較例4−1>
実施例4−1〜4−2及び比較例4−1の電池の製造方法及び評価方法を以下に示す。
[初期特性評価]
シート状非水系電解液二次電池を、エタノール浴中に浸して浮力を測定した。次に電極間の密着性を高めるためにガラス板で挟んだ状態で、25℃において、0.2Cの定電流で4.2Vまで充電し、0.3Cの定電流で3Vまで放電した。この時の充電容量と放電容量の比を初期充放電効率とした。更に0.3Cで4.2Vまで定電流−定電圧充電(0.05Cカット)した後、0.3Cの定電流で3Vまで放電することを2回繰り返して、電池を安定させた。ここで、1Cとは電池の基準容量を1時間で放電する電流値を表し、0.05Cとはその1/20倍の電流値を、また0.2Cとはその1/5の電流値を、0.3Cとはその3/10の電流値を表す。
[高温サイクル特性評価]
上述のように電池を安定させた後、60℃において2Cの定電流で4.2Vまでの充電と3Vまでの放電を300サイクル繰り返した。その後、25℃で電池をエタノール浴中に浸して浮力を測定した。初期充放電前と300サイクル後の浮力の差を300サイクルガス量とした。
(実施例4−1)
[正極の製造]
正極活物質としてリチウム・ニッケル・コバルト・マンガン複合酸化物(LiNi1/3Mn1/3Co1/3)90質量%と、導電材としてアセチレンブラック7質量%と、結着材としてポリフッ化ビニリデン(PVdF)3質量%とを、N−メチルピロリドン溶媒中で、ディスパーザーで混合してスラリー化した。これを厚さ15μmのアルミニウム箔の片側に均一に塗布、乾燥した後、プレスして正極とした。
[負極の製造]
負極活物質として非晶質被覆黒鉛粉末、増粘剤としてカルボキシメチルセルロースナトリウムの水性ディスパージョン(カルボキシメチルセルロースナトリウムの濃度1質量%)、結着材としてスチレンブタジエンゴムの水性ディスパージョン(スチレンブタジエンゴムの濃度50質量%)を加え、ディスパーザーで混合してスラリー化した。このスラリーを厚さ10μmの銅箔の片面に均一に塗布、乾燥した後、プレスして負極とした。なお、乾燥後の負極において、非晶質被覆黒鉛:カルボキシメチルセルロースナトリウム:スチレンブタジエンゴム=97.5:1.5:1の質量比となるように作製した。
[電解液の製造]
乾燥アルゴン雰囲気下、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)とジメチルカーボネート(DMC)の混合物(容量比3:3:4)に非水系電解液中の含有量として3.0質量%となるように1−フェニル−1,3,3−トリメチルインダンと、0.5質量%となるようにリチウムテトラフルオロボレート(LiBF)を添加した。次いで十分に乾燥したLiPFを1mol/Lの割合となるように溶解して電解液とした。
[二次電池の製造]
上記の正極、負極、及びポリプロピレン製のセパレータを、負極、セパレータ、正極の順に積層して電池要素を作製した。この電池要素をアルミニウム(厚さ40μm)の両面を樹脂層で被覆したラミネートフィルムからなる袋内に正極負極の端子を突設させながら挿入した後、上記電解液を袋内に注入し、真空封止を行い、非水系電解液二次電池を作製し、初期特性評価、高温サイクル特性評価、過充電評価を行った。評価結果を表5に示す。
(実施例4−2)
実施例4−1の電解液において、LiBFを添加しなかった以外、実施例4−1と同様にして非水系電解液二次電池を作製し、評価を行った。評価結果を表5に示す。
(比較例4−1)
実施例4−1の電解液において、1−フェニル−1,3,3−トリメチルインダンとLiBFを添加しなかった以外、実施例4−1と同様にして非水系電解液二次電池を作製し、評価、過充電評価を行った。評価結果を表5に示す。
Figure 0005811311
表5から明らかなように、式(I)で表される芳香族化合物を添加していない比較例4−1の電池と比べて、実施例4−1〜4−2の電池は、初期充放電効率と300サイクルガス量を同時に向上させる点で優れていることが明らかである。また、、式(I)で表される芳香族化合物とホウ酸塩を添加した実施例4−1の電池は、式(I)で表される芳香族化合物のみを添加した実施例4−2の電池と比べて、初期充放電効率と300サイクル後ガス量を更に同時に向上させる点で優れていることが明らかである。
<実施例5−1〜5−3及び比較例5−1〜5−2>
実施例5−1〜5−3及び比較例5−1〜5−2の電池の製造方法及び評価方法を以下に示す。
[初期特性評価]
シート状非水系電解液二次電池を、電極間の密着性を高めるためにガラス板で挟んだ状態で、25℃において、0.2Cの定電流で4.2Vまで充電し、0.3Cの定電流で3Vまで放電した。更に0.3Cで4.2Vまで定電流−定電圧充電(0.05Cカット)した後、0.3Cの定電流で3Vまで放電することを2回繰り返して、電池を安定させた。この電池を、エタノール浴中に浸して浮力を測定した。ここで、1Cとは電池の基準容量を1時間で放電する電流値を表し、0.05Cとはその1/20倍の電流値を、また0.2Cとはその1/5の電流値を、0.3Cとはその3/10の電流値を表す。
[高温サイクル特性評価]
上述のように電池を安定させた後、60℃において2Cの定電流で4.2Vまでの充電と3Vまでの放電を300サイクル繰り返した。その後、25℃で電池をエタノール浴中に浸して浮力を測定した。初期充放電後と300サイクル後の浮力の変化率を300サイクル後体積変化率とした。
[過充電特性評価]
上述の評価後の電池を4.2Vに充電した後、電池をエタノール浴中に浸して浮力を測定した。その後、45℃において0.5Cの定電流で1.6時間の過充電を行った。その後、25℃で電池をエタノール浴中に浸して浮力を測定した。初期充放電後の浮力と過充電後の浮力の差を過充電ガス量とした。
(実施例5−1)
[正極の製造]
正極活物質としてリチウム・ニッケル・コバルト・マンガン複合酸化物(LiNi1/3Mn1/3Co1/3)90質量%と、導電材としてアセチレンブラック7質量%と、結着材としてポリフッ化ビニリデン(PVdF)3質量%とを、N−メチルピロリドン溶媒中で、ディスパーザーで混合してスラリー化した。これを厚さ15μmのアルミニウム箔の片面に均一に塗布、乾燥した後、プレスして正極とした。
[負極の製造]
負極活物質として非晶質被覆黒鉛粉末、増粘剤としてカルボキシメチルセルロースナトリウムの水性ディスパージョン(カルボキシメチルセルロースナトリウムの濃度1質量%)、結着材としてスチレンブタジエンゴムの水性ディスパージョン(スチレンブタジエンゴムの濃度50質量%)を加え、ディスパーザーで混合してスラリー化した。このスラリーを厚さ10μmの銅箔の片面に均一に塗布、乾燥した後、プレスして負極とした。なお、乾燥後の負極において、非晶質被覆黒鉛:カルボキシメチルセルロースナトリウム:スチレンブタジエンゴム=97.5:1.5:1の質量比となるように作製した。
[電解液の製造]
乾燥アルゴン雰囲気下、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)とジメチルカーボネート(DMC)の混合物(容量比3:3:4)に非水系電解液中の含有量として3.0質量%となるように1−フェニル−1,3,3−トリメチルインダンと、0.5質量%となるようにフルオロスルホン酸リチウム(LiFSO)を添加した。次いで十分に乾燥したLiPFを1mol/Lの割合となるように溶解して電解液とした。
[二次電池の製造]
上記の正極、負極、及びポリプロピレン製のセパレータを、負極、セパレータ、正極の順に積層して電池要素を作製した。この電池要素をアルミニウム(厚さ40μm)の両面を樹脂層で被覆したラミネートフィルムからなる袋内に正極負極の端子を突設させながら挿入した後、上記電解液を袋内に注入し、真空封止を行い、非水系電解液二次電池を作製し、初期特性評価、高温サイクル特性評価、過充電評価を行った。評価結果を表6に示す。
(実施例5−2)
実施例5−1の電解液において、LiFSOに代わりリチウム ビス(フルオロスルホニル)イミド(LiFSI)を添加した以外、実施例5−1と同様にして非水系電解液二次電池を作製し、評価を行った。評価結果を表6に示す。
(実施例5−3)
実施例5−1の電解液において、LiFSOを添加しなかった以外、実施例5−1と同様にして非水系電解液二次電池を作製し、評価を行った。評価結果を表6に示す。
(比較例5−1)
実施例5−1の電解液において、1−フェニル−1,3,3−トリメチルインダンとLiFSOを添加しなかった以外、実施例5−1と同様にして非水系電解液二次電池を作製し、評価を行った。評価結果を表6に示す。
(比較例5−2)
実施例5−1の電解液において、1−フェニル−1,3,3−トリメチルインダンを添加しなかった以外、実施例5−1と同様にして非水系電解液二次電池を作製し、評価を行った。評価結果を表6に示す。
Figure 0005811311
表6から明らかなように、式(I)で表される芳香族化合物を添加していない比較例5−1〜5−2の電池と比べて、実施例5−1〜5−3の電池は初期不可逆容量とサイクル後電池体積変化率、また過充電時安全性の全てを同時に向上させる点で優れていることが明らかである。また、式(I)で表される芳香族化合物とフルオロスルホン酸塩を添加した実施例5−1〜5−2の電池は、式(I)で表される芳香族化合物のみを添加した実施例5−3の電池と比べて、初期不可逆容量、300サイクル後電池体積変化率を同時に向上させる点で優れていることが明らかである。
<実施例6−1〜6−2及び比較例6−1〜6−2>
実施例6−1〜6−2及び比較例6−1〜6−2の電池の製造方法及び評価方法を以下に示す。
[初期特性評価]
シート状非水系電解液二次電池を、エタノール浴中に浸して浮力を測定した。次に電極間の密着性を高めるためにガラス板で挟んだ状態で、25℃において、0.05Cに相当する定電流で6時間充電を行い、その後0.2Cの定電流で4.1Vまで充電し、0.2Cの定電流で3Vまで放電した。更に0.2Cで4.25Vまで定電流−定電圧充電(0.05Cカット)した後、0.2Cの定電流で3Vまで放電することを2回繰り返して、電池を安定させた。再び電池をエタノール浴中に浸して浮力を測定した。初期充放電前後の浮力の差を初期膨れとした。ここで、1Cとは電池の基準容量を1時間で放電する電流値を表し、0.05Cとはその1/20倍の電流値を、また0.2Cとはその1/5の電流値を表す。
[高温保存特性評価]
上述のように電池を安定させた後、25℃において0.2Cで4.25Vまで定電流−定電圧充電(0.05Cカット)した後、60℃の恒温槽において10日間高温保存を行った。高温保存試験後の電池を、25℃においてエタノール浴中に浸して浮力を測定した。初期充放電前と高温保存試験後の浮力の差を保存膨れとした。
(実施例6−1)
[正極の製造]
正極活物質としてリチウム・ニッケル・コバルト・マンガン複合酸化物(LiNi0.5Mn0.3Co0.2)90質量%と、導電材としてアセチレンブラック7質量%と、結着材としてポリフッ化ビニリデン(PVdF)3質量%とを、N−メチルピロリドン溶媒中で、ディスパーザーで混合してスラリー化した。これをアルミニウム箔に均一に塗布、乾燥した後、プレスして正極とした。
[負極の製造]
負極活物質として天然黒鉛粉末、増粘剤としてカルボキシメチルセルロースナトリウムの水性ディスパージョン(カルボキシメチルセルロースナトリウムの濃度1質量%)、結着材としてスチレンブタジエンゴムの水性ディスパージョン(スチレンブタジエンゴムの濃度50質量%)を加え、ディスパーザーで混合してスラリー化した。このスラリーを厚さ10μmの銅箔の片面に均一に塗布、乾燥した後、プレスして負極とした。なお、乾燥後の負極において、天然黒鉛:カルボキシメチルセルロースナトリウム:スチレンブタジエンゴム=98:1:1の質量比となるように作製した。
[電解液の製造]
乾燥アルゴン雰囲気下、エチレンカーボネート(EC)とプロピレンカーボネート(PC)とエチルメチルカーボネート(EMC)とジメチルカーボネート(DMC)の混合物(容量比28:5:38:29)に非水系電解液中の含有量として0.5質量%となるようにビニレンカーボネートを添加した。
次いで、非水系電解液中の含有量として2.0質量%となるように1−フェニル−1,3,3−トリメチルインダンと、0.5質量%となるように1,4−ブタンジスルホン酸1−メトキシカルボニルエチルを添加した。次いで十分に乾燥したLiPFを1.0mol/Lの割合となるように溶解して電解液とした。
[二次電池の製造]
上記の正極、負極、及びポリプロピレン製のセパレータを、負極、セパレータ、正極の順に積層して電池要素を作製した。この電池要素をアルミニウム(厚さ40μm)の両面を樹脂層で被覆したラミネートフィルムからなる袋内に正極負極の端子を突設させながら挿入した後、上記電解液を袋内に注入し、真空封止を行い、非水系電解液二次電池を作製し、初期特性評価、高温保存特性評価を行った。評価結果を表7に示す。
(実施例6−2)
実施例6−1の電解液において1,4−ブタンジスルホン酸1−メトキシカルボニルエチルを添加しなかった以外、実施例6−1と同様にして非水系電解液二次電池を作製し、評価を行った。評価結果を表7に示す。
(比較例6−1)
実施例6−1の電解液において、1−フェニル−1,3,3−トリメチルインダンと1,4−ブタンジスルホン酸1−メトキシカルボニルエチルを添加しなかった以外、実施例6−1と同様にして非水系電解液二次電池を作製し、評価を行った。評価結果を表7に示す。
(比較例6−2)
実施例6−1の電解液において、1−フェニル−1,3,3−トリメチルインダンを添加しなかった以外、実施例6−1と同様にして非水系電解液二次電池を作製し、評価を行った。評価結果を表7に示す。
Figure 0005811311
表7から明らかなように、式(I)で表される芳香族化合物を添加していない比較例6−1〜6−2の電池と比べて、実施例6−1〜6−2の電池は初期膨れと保存膨れの両方を同時に向上させる点で優れていることが明らかである。また、式(I)で表される芳香族化合物と硫黄含有有機化合物を添加した実施例6−1の電池は、式(I)で表される芳香族化合物のみを添加した実施例6−2の電池と比べて、初期膨れを向上させる点で優れていることが明らかである。
<実施例6−3〜6−4及び比較例6−3〜6−4>
実施例6−3〜6−4及び比較例6−3〜6−4の電池の製造方法及び評価方法を以下に示す。
(実施例6−3)
[電解液の製造]
乾燥アルゴン雰囲気下、エチレンカーボネート(EC)、エチルメチルカーボネート(EMC)及びジエチルカーボネート(DEC)からなる混合溶媒(混合体積比3:4:3)に、電解質であるLiPFを1.2mol/Lの割合で溶解させた。更にかかる電解液に対して、モノフルオロエチレンカーボネート(MFEC」という)5.0質量%を添加し基本電解液とした。この基本電解液に対して、添加剤として1−フェニル−1,3,3−トリメチルインダン1.0質量%を添加して実施例6−3の非水系電解液を調製した。
[正極の製造]
正極活物質としてコバルト酸リチウム(LiCoO)97質量%と、導電材としてアセチレンブラック1.5質量%と、結着材としてポリフッ化ビニリデン(PVdF)1.5質量%とを、N−メチルピロリドン溶媒中で、ディスパーザーで混合してスラリー化した。これを厚さ15μmのアルミニウム箔の両面に均一に塗布、乾燥した後、プレスして正極とした。
[負極の製造]
負極活物質として天然黒鉛粉末、増粘剤としてカルボキシメチルセルロースナトリウムの水性ディスパージョン(カルボキシメチルセルロースナトリウムの濃度1質量%)、結着材としてスチレンブタジエンゴムの水性ディスパージョン(スチレンブタジエンゴムの濃度50質量%)を加え、ディスパーザーで混合してスラリー化した。このスラリーを厚さ10μmの銅箔の片面に均一に塗布、乾燥した後、プレスして負極とした。なお、乾燥後の負極において、天然黒鉛:カルボキシメチルセルロースナトリウム:スチレンブタジエンゴム=98:1:1の質量比となるように作製した。
[二次電池の製造]
上記の正極、負極、及びポリプロピレン製のセパレータを、負極、セパレータ、正極、セパレータ、負極の順に積層して電池要素を作製した。この電池要素をアルミニウム(厚さ40μm)の両面を樹脂層で被覆したラミネートフィルムからなる袋内に正・負極の端子を突設させながら挿入した後、非水系電解液を袋内に注入し、真空封止を行ない、シート状の非水系電解液電池を作製した。
[初期特性評価]
非水系電解液電池を、ガラス板で挟んで加圧した状態で、25℃において、0.05Cに相当する電流で6時間定電流充電した後、0.2Cで3.0Vまで定電流放電を行った。この時の充電容量と放電容量の差分を初回充放電ロスとした。その後、0.2Cに相当する電流で4.1VまでCC−CV充電(0.05Cカット)した後、45℃、72時間の条件下で放置しエージングを実施した。その後、0.2Cの定電流で3Vまで放電した。この時のエージング前充電容量とエージング後放電容量の差分をエージングロスとし、上記初回充放電ロスとの和分を初期容量ロスとした。次いで、0.2Cで4.40VまでCCCV充電(0.05Cカット)した後、0.2Cで3Vまで再度放電した。これを二度繰り返し、二度目の放電容量を初期0.2C容量とした。
ここで、1Cとは電池の基準容量を1時間で放電する電流値を表し、例えば、0.2Cとはその1/5の電流値を表す。
[高温保存特性評価]
初期容量評価を行った後の非水系電解液電池を、25℃において、0.2Cで4.40VまでCC−CV充電(0.05Cカット)を行った後、60℃、7日間の条件で高温保存を行った。電池を十分に冷却させた後、25℃において0.2Cで3Vまで放電させた。更に、0.2Cで4.40VまでCC−CV充電(0.05Cカット)した後、0.052Cで3Vまで再度放電し、初期容量に対する容量の割合を求め、これを回復率(0.05C)(%)とした。
[過充電特性評価試験]
高温保存特性評価を行った後の非水系電解液電池を、再度25℃において1/3Cの定電流で4.4VまでCCCV充電(0.05Cカット)した後、エタノール浴中に浸して体積を測定した。その後、45℃において0.5Cで7Vまでまで定電流放電を行った。電池を十分に冷却させた後、エタノール浴中に浸して体積を測定し、過充電特性評価試験の前後の体積変化から発生した過充電ガス量を求めた。
なお、過充電ガス量が多いほど、過充電等の異常により内圧が異常に上昇したときにこれを感知して安全弁を作動させる電池では、安全弁を早めに作動させることができる。その結果、過充電時の電池安全性を担保できる。
上記作製した非水系電解液電池を用いて、初期特性評価、高温保存特性評価ならびに過充電特性評価試験を実施した。評価結果を、比較例6−3を100.0%としたときの相対値で表8に示す。以下も同様とする。
(実施例6−4)
実施例6−3の電解液において、1−フェニル−1,3,3−トリメチルインダン1.0質量%の代わりに、1−フェニル−1,3,3−トリメチルインダン1.0量%及び1,3−プロパンスルトン2.0質量%を添加した電解液を用いた以外、実施例6−3と同様にして非水系電解液電池を作製し、評価を実施した。評価結果を表8に示す。
(比較例6−3)
実施例6−3の電解液において、1−フェニル−1,3,3−トリメチルインダンを含まない電解液を用いた以外、実施例6−3と同様にして非水系電解液電池を作製し、評価を実施した。評価結果を表8に示す。
(比較例6−4)
実施例6−4の電解液において、1−フェニル−1,3,3−トリメチルインダンを含まない電解液を用いた以外、実施例6−4と同様にして非水系電解液電池を作製し、評価を実施した。評価結果を表8に示す。
Figure 0005811311
表8より、本発明にかかる実施例6−3及び実施例6−4の非水系電解液を用いると、式(I)で表される芳香族化合物が添加されていない場合(比較例6−3及び比較例6−4)に比べ、初期容量ロス、初期0.2C容量、回復率ならびに過充電ガス量に優れていることが分かる。なお、実施例6−4の結果より、式(I)で表される芳香族化合物と硫黄含有有機化合物を併用することで、初期容量ロス、初期0.2C容量ならびに回復率を低下させずに過充電ガス量を確保でき、電池安全性を著しく向上する電池を提供することができる。
<実施例7−1〜7−2及び比較例7−1〜7−2>
実施例7−1〜7−2及び比較例7−1〜7−2の電池の製造方法及び評価方法を以下に示す。
(実施例7−1)
[電解液の製造]
乾燥アルゴン雰囲気下、エチレンカーボネート(EC)、エチルメチルカーボネート(以下、適宜、「EMC)及びジエチルカーボネート(DEC)からなる混合溶媒(混合体積比3:4:3)に、電解質であるLiPFを1.2mol/Lの割合で溶解させた。更にかかる電解液に対して、モノフルオロエチレンカーボネート(MFEC)5.0質量%を添加し基本電解液とした。この基本電解液に対して、添加剤として1−フェニル−1,3,3−トリメチルインダン1.0質量%を添加して実施例7−1の非水系電解液を調製した。
[正極の製造]
正極活物質としてコバルト酸リチウム(LiCoO)97質量%と、導電材としてアセチレンブラック1.5質量%と、結着材としてポリフッ化ビニリデン(PVdF)1.5質量%とを、N−メチルピロリドン溶媒中で、ディスパーザーで混合してスラリー化した。これを厚さ15μmのアルミニウム箔の両面に均一に塗布、乾燥した後、プレスして正極とした。
[負極の製造]
負極活物質として天然黒鉛粉末、増粘剤としてカルボキシメチルセルロースナトリウムの水性ディスパージョン(カルボキシメチルセルロースナトリウムの濃度1質量%)、結着材としてスチレンブタジエンゴムの水性ディスパージョン(スチレンブタジエンゴムの濃度50質量%)を加え、ディスパーザーで混合してスラリー化した。このスラリーを厚さ10μmの銅箔の片面に均一に塗布、乾燥した後、プレスして負極とした。なお、乾燥後の負極において、天然黒鉛:カルボキシメチルセルロースナトリウム:スチレンブタジエンゴム=98:1:1の質量比となるように作製した。
[二次電池の製造]
上記の正極、負極、及びポリプロピレン製のセパレータを、負極、セパレータ、正極、セパレータ、負極の順に積層して電池要素を作製した。この電池要素をアルミニウム(厚さ40μm)の両面を樹脂層で被覆したラミネートフィルムからなる袋内に正・負極の端子を突設させながら挿入した後、非水系電解液を袋内に注入し、真空封止を行ない、シート状の非水系電解液電池を作製した。
[初期特性評価]
非水系電解液電池を、ガラス板で挟んで加圧した状態で、25℃において、0.05Cに相当する電流で6時間定電流充電した後、0.2Cで3.0Vまで定電流放電を行った。その後、0.2Cに相当する電流で4.1VまでCC−CV充電(0.05Cカット)した後、45℃、72時間の条件下で放置しエージングを実施した。その後、0.2Cの定電流で3Vまで放電した。次いで、0.2Cで4.40VまでCCCV充電(0.05Cカット)した後、0.2Cで3Vまで再度放電した。これを二度繰り返し、二度目の放電容量を初期容量とした。また、この時の充電容量に対する放電容量の割合を初期充放電効率(%)とした。
ここで、1Cとは電池の基準容量を1時間で放電する電流値を表し、例えば、0.2Cとはその1/5の電流値を表す。
[高温保存特性評価]
初期容量評価を行った後の非水系電解液電池を、25℃において、0.2Cで4.40VまでCC−CV充電(0.05Cカット)を行った後、60℃、7日間の条件で高温保存を行った。電池を十分に冷却させた後、エタノール浴中に浸して体積を測定し、保存前後の体積変化から発生ガス量を求めた。次に25℃において0.2Cで3Vまで放電させた。更に、0.2Cで4.40VまでCC−CV充電(0.05Cカット)した後、0.05Cで3Vまで再度放電し、初期容量に対する容量の割合を求め、これを回復率(%)とした。
上記作製した非水系電解液電池を用いて、初期特性評価ならびに高温保存特性評価を実施した。評価結果を、比較例7−1を100.0%としたときの相対値で表9に示す。以下も同様に相対値で示す。以下も同様とする。
(実施例7−2)
実施例7−1の電解液において、1−フェニル−1,3,3−トリメチルインダン1.0質量%の代わりに、1−フェニル−1,3,3−トリメチルインダン1.0量%及びジエチルホスホノ酢酸エチル0.5質量%を添加した電解液を用いた以外、実施例7−1と同様にして非水系電解液電池を作製し、評価を実施した。評価結果を表9に示す。
(比較例7−1]
実施例7−1の電解液において、1−フェニル−1,3,3−トリメチルインダンを含まない電解液を用いた以外、実施例7−1と同様にして非水系電解液電池を作製し、評価を実施した。評価結果を表9に示す。
(比較例7−2)
実施例7−2の電解液において、1−フェニル−1,3,3−トリメチルインダンを含まない電解液を用いた以外、実施例7−2と同様にして非水系電解液電池を作製し、評価を実施した。評価結果を表9に示す。
Figure 0005811311
表9より、本発明にかかる実施例7−1〜実施例7−2の非水系電解液を用いると、式(I)で表される芳香族化合物が添加されていない場合(比較例7−1〜比較例7−2)に比べ、保存ガス抑制ならびに回復率に優れていることが分かる。また、比較例7−2より、リン含有有機化合物を添加すると初期充放電効率や回復率が大幅に低下するが、式(I)で表される芳香族化合物と同時に用いた場合(実施例7−2)、初期充放電効率ならびに回復率の低下が抑制され、添加剤を用いなかった場合(比較例7−1)と同等水準にまで特性が向上することがわかる。なお、実施例7−2の結果より、式(I)で表される芳香族化合物と、リン含有有機化合物を併用することで、初期充放電効率ならびに回復率を低下させずに保存ガスを抑制することができ、より顕著に改善された保存特性改善効果がもたらされていることがわかる。
<実施例8−1〜8−3及び比較例8−1〜8−3>
実施例8−1〜8−3及び比較例8−1〜8−3の電池の製造方法及び評価方法を以下に示す。
(実施例8−1)
[電解液の製造]
乾燥アルゴン雰囲気下、エチレンカーボネート(EC)、エチルメチルカーボネート(EMC)及びジエチルカーボネート(DEC)からなる混合溶媒(混合体積比3:4:3)に、電解質であるLiPFを1.2mol/Lの割合で溶解させた。更にかかる電解液に対して、モノフルオロエチレンカーボネート(MFEC)5.0質量%を添加し基本電解液とした。この基本電解液に対して、添加剤として1−フェニル−1,3,3−トリメチルインダン1.0質量%を添加して実施例8−1の非水系電解液を調製した。
[正極の製造]
正極活物質としてコバルト酸リチウム(LiCoO)97質量%と、導電材としてアセチレンブラック1.5質量%と、結着材としてポリフッ化ビニリデン(PVdF)1.5質量%とを、N−メチルピロリドン溶媒中で、ディスパーザーで混合してスラリー化した。これを厚さ15μmのアルミニウム箔の両面に均一に塗布、乾燥した後、プレスして正極とした。
[負極の製造]
負極活物質として天然黒鉛粉末、増粘剤としてカルボキシメチルセルロースナトリウムの水性ディスパージョン(カルボキシメチルセルロースナトリウムの濃度1質量%)、結着材としてスチレンブタジエンゴムの水性ディスパージョン(スチレンブタジエンゴムの濃度50質量%)を加え、ディスパーザーで混合してスラリー化した。このスラリーを厚さ10μmの銅箔の片面に均一に塗布、乾燥した後、プレスして負極とした。なお、乾燥後の負極において、天然黒鉛:カルボキシメチルセルロースナトリウム:スチレンブタジエンゴム=98:1:1の質量比となるように作製した。
[二次電池の製造]
上記の正極、負極、及びポリプロピレン製のセパレータを、負極、セパレータ、正極、セパレータ、負極の順に積層して電池要素を作製した。この電池要素をアルミニウム(厚さ40μm)の両面を樹脂層で被覆したラミネートフィルムからなる袋内に正・負極の端子を突設させながら挿入した後、非水系電解液を袋内に注入し、真空封止を行ない、シート状の非水系電解液電池を作製した。
[初期容量評価]
非水系電解液電池を、ガラス板で挟んで加圧した状態で、25℃において、0.05Cに相当する電流で6時間定電流充電した後、0.2Cで3.0Vまで定電流放電を行った。この時の充電容量と放電容量の差分を初回充放電ロスとした。その後、0.2Cに相当する電流で4.1VまでCC−CV充電(0.05Cカット)した後、45℃、72時間の条件下で放置しエージングを実施した。その後、0.2Cの定電流で3Vまで放電した。この時のエージング前充電容量とエージング後放電容量の差分をエージングロスとし、上記初回充放電ロスとの和分を初期容量ロスとした。次いで、0.2Cで4.40VまでCCCV充電(0.05Cカット)した後、0.2Cで3Vまで再度放電した。これを二度繰り返し、二度目の放電容量を初期容量とした。
ここで、1Cとは電池の基準容量を1時間で放電する電流値を表し、例えば、0.2Cとはその1/5の電流値を表す。
[高温保存特性評価]
初期容量評価を行った後の非水系電解液電池を、25℃において、0.2Cで4.40VまでCC−CV充電(0.05Cカット)を行った後、60℃、7日間の条件で高温保存を行った。電池を十分に冷却させた後、エタノール浴中に浸して体積を測定し、保存前後の体積変化から発生ガス量を求めた。
上記作製した非水系電解液電池を用いて、高温保存特性評価を実施した。評価結果を、比較例8−1を100.0%としたときの相対値で表10に示す。以下も同様とする。
(実施例8−2)
実施例8−1の電解液において、1−フェニル−1,3,3−トリメチルインダン1.0質量%の代わりに、1−フェニル−1,3,3−トリメチルインダン1.0量%及びスクシノニトリル3.0質量%を添加した電解液を用いた以外、実施例8−1と同様にして非水系電解液電池を作製し、評価を実施した。評価結果を表10に示す。
(実施例8−3)
実施例8−1の電解液において、1−フェニル−1,3,3−トリメチルインダン1.0質量%の代わりに、1−フェニル−1,3,3−トリメチルインダン1.0量%及び1,2,3−プロパントリカルボニトリル3.0質量%を添加した電解液を用いた以外、実施例8−1と同様にして非水系電解液電池を作製し、評価を実施した。評価結果を表10に示す。
(比較例8−1)
実施例8−1の電解液において、1−フェニル−1,3,3−トリメチルインダンを含まない電解液を用いた以外、実施例8−1と同様にして非水系電解液電池を作製し、評価を実施した。評価結果を表10に示す。
(比較例8−2)
実施例8−2の電解液において、1−フェニル−1,3,3−トリメチルインダンを含まない電解液を用いた以外、実施例8−2と同様にして非水系電解液電池を作製し、評価を実施した。評価結果を表10に示す。
(比較例8−3)
実施例8−3の電解液において、1−フェニル−1,3,3−トリメチルインダンを含まない電解液を用いた以外、実施例8−3と同様にして非水系電解液電池を作製し、評価を実施した。評価結果を表10に示す。
Figure 0005811311
表10より、本発明にかかる実施例8−1〜実施例8−3の非水系電解液を用いると、式(I)で表される芳香族化合物が添加されていない場合(比較例8−1〜比較例8−3)に比べ、保存ガス抑制に優れていることが分かる。また、比較例8−2〜比較例8−3より、シアノ基を有する有機化合物を添加すると初期容量ロスが大幅に低下するが、式(I)で表される芳香族化合物と同時に用いた場合(実施例8−2〜実施例8−3)、初期容量ロスの低下が抑制され、添加剤を用いなかった場合(比較例8−1)と同等水準にまで特性が向上することがわかる。なお、実施例8−2〜実施8−3の結果より、式(I)で表される芳香族化合物と、シアノ基を有する有機化合物を併用することで、初期容量ロスを低下させずに保存ガスを抑制することができ、より顕著に改善された保存特性改善効果がもたらされていることがわかる。
<実施例9−1及び比較例9−1〜9−2>
実施例9−1及び比較例9−1〜9−2の電池の製造方法及び評価方法を以下に示す。
[初期特性評価]
シート状非水系電解液二次電池を、電極間の密着性を高めるためにガラス板で挟んだ状態で、25℃において、0.2Cの定電流で4.2Vまで充電し、0.3Cの定電流で3Vまで放電した。更に0.3Cで4.2Vまで定電流−定電圧充電(0.05Cカット)した後、0.3Cの定電流で3Vまで放電することを2回繰り返して、電池を安定させた。この時の、2回目の充電電流と放電電流の比を高温サイクル前0.3C充放電効率とした。この後、エタノール浴中に浸して浮力を測定し、初期充放電後の浮力とした。ここで、1Cとは電池の基準容量を1時間で放電する電流値を表し、0.05Cとはその1/20倍の電流値を、また0.2Cとはその1/5の電流値を、0.3Cとはその3/10の電流値を表す。
[高温サイクル特性評価]
上述のように電池を安定させた後、60℃において2Cの定電流で4.2Vまでの充電と3Vまでの放電を300サイクル繰り返した。
[過充電特性評価]
上述の高温サイクル特性評価後の電池を4.2Vに充電した後、45℃において0.5Cの定電流で1.6時間の過充電を行った。その後、25℃で電池をエタノール浴中に浸して浮力を測定した。初期充放電後の浮力と過充電後の浮力の差を高温サイクル後過充電ガス量とした。
(実施例9−1)
[正極の製造]
正極活物質としてリチウム・ニッケル・コバルト・マンガン複合酸化物(LiNi1/3Mn1/3Co1/3)90質量%と、導電材としてアセチレンブラック7質量%と、結着材としてポリフッ化ビニリデン(PVdF)3質量%とを、N−メチルピロリドン溶媒中で、ディスパーザーで混合してスラリー化した。これを厚さ15μmのアルミニウム箔の片面に均一に塗布、乾燥した後、プレスして正極とした。
[負極の製造]
負極活物質として非晶質被覆黒鉛粉末、増粘剤としてカルボキシメチルセルロースナトリウムの水性ディスパージョン(カルボキシメチルセルロースナトリウムの濃度1質量%)、結着材としてスチレンブタジエンゴムの水性ディスパージョン(スチレンブタジエンゴムの濃度50質量%)を加え、ディスパーザーで混合してスラリー化した。このスラリーを厚さ10μmの銅箔の片面に均一に塗布、乾燥した後、プレスして負極とした。なお、乾燥後の負極において、非晶質被覆黒鉛:カルボキシメチルセルロースナトリウム:スチレンブタジエンゴム=97.5:1.5:1の質量比となるように作製した。
[電解液の製造]
乾燥アルゴン雰囲気下、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)とジメチルカーボネート(DMC)の混合物(容量比3:3:4)に非水系電解液中の含有量として3.0質量%となるように1−フェニル−1,3,3−トリメチルインダンと、0.5質量%となるようにリチウム ビスオキサラートボレート(LiBOB)を添加した。次いで十分に乾燥したLiPFを1mol/Lの割合となるように溶解して電解液とした。
[二次電池の製造]
上記の正極、負極、及びポリプロピレン製のセパレータを、負極、セパレータ、正極の順に積層して電池要素を作製した。この電池要素をアルミニウム(厚さ40μm)の両面を樹脂層で被覆したラミネートフィルムからなる袋内に正極負極の端子を突設させながら挿入した後、上記電解液を袋内に注入し、真空封止を行い、非水系電解液二次電池を作製し、初期特性評価、高温サイクル特性評価、過充電評価を行った。評価結果を表11に示す。
(比較例9−1)
実施例9−1の電解液において、1−フェニル−1,3,3−トリメチルインダンとLiBOBを添加しなかった以外、実施例9−1と同様にして非水系電解液二次電池を作製し、評価を行った。評価結果を表11に示す。
(比較例9−2)
実施例9−1の電解液において、1−フェニル−1,3,3−トリメチルインダンを添加しなかった以外、実施例9−1と同様にして非水系電解液二次電池を作製し、評価を行った。評価結果を表11に示す。
Figure 0005811311
表11から明らかなように、式(I)で表される芳香族化合物を添加していない比較例9−1〜9−2の電池と比べて、実施例9−1の電池は高温サイクル前0.3C充放電効率と高温サイクル後過充電ガス量、つまり高温サイクル後過充電時安全性を同時に向上させる点で優れていることが明らかである。
<実施例10−1〜10−2、比較例10−1〜10−2>
実施例10−1〜10−2及び比較例10−1〜10−2の電池の製造方法及び評価方法を以下に示す。
[正極の製造]
正極活物質としてリチウムコバルトニッケルマンガン酸化物(LiNi1/3Co1/3Mn1/32)85質量%と、導電材としてアセチレンブラック10質量%と、結着材としてポリフッ化ビニリデン(PVdF)5質量%とを、N−メチルピロリドン溶媒中で、ディスパーザーで混合してスラリー化した。これを厚さ21μmのアルミニウム箔の片面に均一に塗布、乾燥した後、プレスして正極とした。
[負極の製造]
平均粒子径0.2μmのSi微粒子50gを平均粒径35μmの鱗片状黒鉛2000g中に分散させ、ハイブリダイゼーションシステム(奈良機械製作所製)に投入し、ローター回転数7000rpm、180秒装置内を循環又は滞留させて処理し、Siと黒鉛粒子の複合体を得た。得られた複合体を、焼成後の被覆率が7.5%になるように炭素質物となる有機化合物としてコールタールピッチを混合し、2軸混練機により混練・分散させた。得られた分散物を、焼成炉に導入し、窒素雰囲気下1000℃、3時間焼成した。得られた焼成物は、更にハンマーミルで粉砕後、篩(45μm)を実施し、負極活物質を作製した。上記測定法で測定した、珪素元素の含有量、平均粒径d50、タップ密度、比表面積はそれぞれ、2.0質量%、20μm、1.0g/cm、7.2m/gであった。
上記負極活物質を97.5質量部、増粘剤、バインダーとしてそれぞれ、カルボキシメチルセルロースナトリウムの水性ディスパージョン(カルボキシメチルセルロースナトリウムの濃度1質量%)、及び、スチレン−ブタジエンゴムの水性ディスパージョン(スチレン−ブタジエンゴムの濃度50質量%)を加え、ディスパーザーで混合してスラリー化した。このスラリーを厚さ10μmの銅箔の片面に均一に塗布、乾燥した後、プレスして負極とした。なお、乾燥後の負極において、負極活物質:カルボキシメチルセルロースナトリウム:スチレンブタジエンゴム=97.5:1:1.5の質量比となるように作製した。
[電解液の製造]
乾燥アルゴン雰囲気下、エチレンカーボネート(EC)とジエチルカーボネート(DEC)との混合物(体積容量比3:7)に、十分に乾燥させたLiPF6を1モル/L(非水系電解液中の濃度として)溶解させ、更に、ビニレンカーボネート(VC)とフルオロエチレンカーボネート(MFEC)をそれぞれ2.0質量%添加した(これを基準電解液1と呼ぶ)。実施例10−1〜1−2、比較例10−1〜10−2は基準電解液1全体に対して、下記表12に記載の割合で化合物を加えて電解液を調製した。ただし、比較例10−1は基準電解液1そのものである。
[非水系電解液電池(ラミネート型)の製造]
上記の正極、負極、及びポリプロピレン製セパレータを、負極、セパレータ、正極の順に積層した。こうして得られた電池要素をアルミニウムラミネートフィルムで包み込み、後述する電解液を注入した後で真空封止し、シート状の非水系電解液二次電池を作製した。
<非水系電解液二次電池の評価>
[高温保存試験]
25℃の恒温槽中、ラミネート型セルの非水系電解液二次電池を0.05Cに相当する電流で4.0Vまで定電流−定電圧充電を行った。その後、0.05Cで2.5Vまで放電した。続いて0.2Cで4.0VまでCC−CV充電した後、0.2Cで2.5Vまで放電し、0.2Cで4.2VまでCC−CV充電した後、0.2Cで2.5Vまで放電し非水系電解液二次電池を安定させた。その後、0.2Cで4.3VまでCC−CV充電を行った後、0.2Cで2.5Vまで放電させ初期のコンディショニングを行った。続いて0.2Cで4.2VまでCC−CV充電した後、0.2C・0.5Cで2.5Vまで放電し、得られた0.2C・0.5C容量の比(0.5C/0.2C)の百分率を「0.5C/0.2C負荷」とした。
下記表12に、比較例10−1の値で規格化した、0.5C/0.2C負荷を示す。
初期コンディショニング後のセルを0.2Cで4.3VまでCC−CV充電を行った後、60℃、168時間の条件で高温保存を行った。電池を十分に冷却させた後、エタノール浴中に浸して体積を測定し、保存試験前後の体積変化から発生ガス量を求め、これを「保存ガス量」とした。
下記表12に、比較例10−1の値で規格化した、保存ガス量を示す。
[過充電特性評価]
上述の評価後の電池を4.2Vに充電した後、45℃において0.5Cの定電流で1.6時間の過充電を行った。電池を十分に冷却させた後、エタノール浴中に浸して体積を測定し、過充電試験前後の体積変化から発生ガス量を求め、これを「過充電ガス量」とした。
なお、過充電ガス量が多いほど、過充電等の異常により内圧が異常に上昇したときにこれを感知して安全弁を作動させる電池では、安全弁を早めに作動させることができる。その結果、過充電時の電池安全性を担保できる。
下記表12に、比較例10−1の値で規格化した、過充電ガス量を示す。
Figure 0005811311
表12より、本発明にかかる実施例10−1〜実施例10−2の非水系電解液を用いると、式(I)で表される芳香族化合物が添加されていない場合(比較例10−1〜比較例10−2)に比べ、0.5C/0.2C負荷、保存ガス抑制ならびに過充電ガス量に優れていることが分かる。また、比較例10−2より、イソシアネート基を有する有機化合物を添加すると0.5C/0.2C負荷が大幅に低下するが、式(I)で表される芳香族化合物と同時に用いた場合(実施例10−2)、0.5C/0.2C負荷の低下が抑制され、添加剤を用いなかった場合(比較例10−1)と同等水準以上にまで特性が向上することがわかる。なお、実施例10−2の結果より、式(I)で表される芳香族化合物と、イソシアネート基を有する有機化合物を併用することで、0.5C/0.2C負荷を低下させずに保存ガスを抑制することができ、更に顕著な過充電特性向上効果を確認することができ、電池安全性を著しく向上することがわかる。
<実施例10−3〜10−4、比較例10−3〜10−4>
実施例10−3〜10−4及び比較例10−3〜10−4の電池の製造方法及び評価方法を以下に示す。
[初期特性評価]
シート状非水系電解液二次電池を、電極間の密着性を高めるためにガラス板で挟んだ状態で、25℃において、0.05Cに相当する定電流で10時間充電を行い、その後0.2Cの定電流で4.1Vまで充電し、0.3Cの定電流で3Vまで放電した。更に0.3Cで4.2Vまで定電流−定電圧充電(0.05Cカット)した後、0.3Cの定電流で3Vまで放電することを2回繰り返して、電池を安定させた。この時の2回目の放電容量を初期容量とした。ここで、1Cとは電池の基準容量を1時間で放電する電流値を表し、0.05Cとはその1/20倍の電流値を、また0.2Cとはその1/5の電流値を、0.3Cとはその3/10の電流値を表す。
[高温サイクル特性評価]
上述のように電池を安定させた後、60℃において2Cの定電流で4.2Vまでの充電と3Vまでの放電を100サイクル繰り返した。その後、0.3Cの定電流で3Vまで放電し、0.3Cで4.2Vまで定電流−定電圧充電(0.05Cカット)した後、0.3Cの定電流で3Vまで放電することを2回繰り返して、2回目の放電容量を高温サイクル後容量として評価した。
(実施例10−3)
[正極の製造]
正極活物質としてリチウム・ニッケル・コバルト・マンガン複合酸化物(LiNi1/3Mn1/3Co1/3)90質量%と、導電材としてアセチレンブラック7質量%と、結着材としてポリフッ化ビニリデン(PVdF)3質量%とを、N−メチルピロリドン溶媒中で、ディスパーザーで混合してスラリー化した。これを厚さ15μmのアルミニウム箔の片面に均一に塗布、乾燥した後、プレスして正極とした。
[負極の製造]
負極活物質として非晶質被覆黒鉛粉末、増粘剤としてカルボキシメチルセルロースナトリウムの水性ディスパージョン(カルボキシメチルセルロースナトリウムの濃度1質量%)、結着材としてスチレンブタジエンゴムの水性ディスパージョン(スチレンブタジエンゴムの濃度50質量%)を加え、ディスパーザーで混合してスラリー化した。このスラリーを厚さ10μmの銅箔の片面に均一に塗布、乾燥した後、プレスして負極とした。なお、乾燥後の負極において、非晶質被覆黒鉛:カルボキシメチルセルロースナトリウム:スチレンブタジエンゴム=97.5:1.5:1の質量比となるように作製した。
[電解液の製造]
乾燥アルゴン雰囲気下、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)とジメチルカーボネート(DMC)の混合物(容量比3:3:4)に非水系電解液中の含有量として0.5質量%となるようにビニレンカーボネートと、0.5質量%となるようにジフルオロリン酸リチウムを添加した。
更に0.5質量%となるようにトリアリルイソシアヌレート(TAIC)と、3.5質量%となるように1−フェニル−1,3,3−トリメチルインダンを添加した。次いで十分に乾燥したLiPFを1mol/Lの割合となるように溶解して電解液とした。
[二次電池の製造]
上記の正極、負極、及びポリプロピレン製のセパレータを、負極、セパレータ、正極の順に積層して電池要素を作製した。この電池要素をアルミニウム(厚さ40μm)の両面を樹脂層で被覆したラミネートフィルムからなる袋内に正極負極の端子を突設させながら挿入した後、上記電解液を袋内に注入し、真空封止を行い、非水系電解液二次電池を作製し、初期特性評価、高温サイクル特性評価を行った。評価結果を表13に示す。
(実施例10−4)
実施例10−3の電解液において、TAICを添加しなかった以外、実施例10−3と同様にして非水系電解液二次電池を作製し、評価を行った。評価結果を表13に示す。
(比較例10−3)
実施例10−3の電解液において、1−フェニル−1,3,3−トリメチルインダンを添加しなかった以外、実施例10−3と同様にして非水系電解液二次電池を作製し、評価を行った。評価結果を表13に示す。
(比較例10−4)
実施例10−3の電解液において、TAICと1−フェニル−1,3,3−トリメチルインダンを添加しなかった以外、実施例10−3と同様にして非水系電解液二次電池を作製し、評価を行った。評価結果を表13に示す。
Figure 0005811311
表13から明らかなように、式(I)で表される芳香族化合物を添加していない比較例10−3〜10−4の電池と比べて、実施例10−3〜10−4の電池は初期容量と高温サイクル後容量の両方を同時に向上させる点で優れていることが明らかである。
また、1−フェニル−1,3,3−トリメチルインダンと共にイソシアヌル酸骨格を有する化合物を添加した実施例10−4の電池は、1−フェニル−1,3,3−トリメチルインダンのみを添加した実施例10−3の電池と比べて、初期容量に優れながら、高温サイクル後容量を劣化させない点で優れていることが明らかである。
<実施例11−1〜11−2、比較例11−1〜11−2>
実施例11−1〜11−2及び比較例11−1〜11−2の電池の製造方法及び評価方法を以下に示す。
[初期特性評価]
シート状非水系電解液二次電池を、エタノール浴中に浸して浮力を測定した。次に電極間の密着性を高めるためにガラス板で挟んだ状態で、25℃において、0.05Cに相当する定電流で6時間充電を行い、その後0.2Cの定電流で4.1Vまで充電し、0.2Cの定電流で3Vまで放電した。更に0.2Cで4.25Vまで定電流−定電圧充電(0.05Cカット)した後、0.2Cの定電流で3Vまで放電することを2回繰り返して、電池を安定させた。再び電池をエタノール浴中に浸して浮力を測定した。初期充放電前後の浮力の変化率を初期体積変化率とした。ここで、1Cとは電池の基準容量を1時間で放電する電流値を表し、0.05Cとはその1/20倍の電流値を、また0.2Cとはその1/5の電流値を表す。
[高温保存特性評価]
上述のように電池を安定させた後、25℃において0.2Cで4.25Vまで定電流−定電圧充電(0.05Cカット)した後、60℃の恒温槽において10日間高温保存を行った。その後、25℃において0.3Cの定電流で3Vまで放電し、0.3Cで4.25Vまで定電流−定電圧充電(0.05Cカット)した後、0.3Cの定電流で3Vまで放電することを2回繰り返して、2回目の放電容量を高温保存後0.3C容量として評価した。次に0.3Cで4.25Vまで定電流−定電圧充電(0.05Cカット)した後、1Cの定電流で3Vまで放電し、放電容量を高温保存後1C容量とした。高温保存後の0.3C容量に対する1C容量を高温保存後1Cレート容量率とした。
[過充電特性評価]
上述の評価後の電池を0.3Cで4.25Vに定電流−定電圧充電(0.05Cカット)した後、45℃において0.5Cの定電流で1.6時間の過充電を行い、過充電終了後の電池電圧を過充電後OCVとした。
なお、過充電後OCVが低いほど、過充電等の異常により電圧が異常に上昇したときに正極が自己崩壊する電位に到達しにくく、その結果、過充電時の電池安全性を担保できる。
(実施例11−1)
[正極の製造]
正極活物質としてリチウム・ニッケル・コバルト・マンガン複合酸化物(LiNi0.5Mn0.3Co0.2)90質量%と、導電材としてアセチレンブラック7質量%と、結着材としてポリフッ化ビニリデン(PVdF)3質量%とを、N−メチルピロリドン溶媒中で、ディスパーザーで混合してスラリー化した。これを厚さ15μmのアルミニウム箔の片面に均一に塗布、乾燥した後、プレスして正極とした。
[負極の製造]
負極活物質として天然黒鉛粉末、増粘剤としてカルボキシメチルセルロースナトリウムの水性ディスパージョン(カルボキシメチルセルロースナトリウムの濃度1質量%)、結着材としてスチレンブタジエンゴムの水性ディスパージョン(スチレンブタジエンゴムの濃度50質量%)を加え、ディスパーザーで混合してスラリー化した。このスラリーを厚さ10μmの銅箔の片面に均一に塗布、乾燥した後、プレスして負極とした。なお、乾燥後の負極において、天然黒鉛:カルボキシメチルセルロースナトリウム:スチレンブタジエンゴム=98:1:1の質量比となるように作製した。
[電解液の製造]
乾燥アルゴン雰囲気下、エチレンカーボネート(EC)とプロピレンカーボネート(PC)とエチルメチルカーボネート(EMC)とジメチルカーボネート(DMC)の混合物(容量比28:5:38:29)に非水系電解液中の含有量として0.5質量%となるようにビニレンカーボネートを添加した。次いで、非水系電解液中の含有量として2質量%となるように1−フェニル−1,3,3−トリメチルインダンと、0.5質量%となるようにヘキサメチルジシランを添加した。次いで十分に乾燥したLiPFを1mol/Lの割合となるように溶解して電解液とした。
[二次電池の製造]
上記の正極、負極、及びポリプロピレン製のセパレータを、負極、セパレータ、正極の順に積層して電池要素を作製した。この電池要素をアルミニウム(厚さ40μm)の両面を樹脂層で被覆したラミネートフィルムからなる袋内に正極負極の端子を突設させながら挿入した後、上記電解液を袋内に注入し、真空封止を行い、非水系電解液二次電池を作製し、初期特性評価、高温保存特性評価を行った。評価結果を表14に示す。
(実施例11−2)
実施例11−1の電解液においてヘキサメチルジシランを添加しなかった以外、実施例11−1と同様にして非水系電解液二次電池を作製し、評価を行った。評価結果を表14に示す。
(比較例11−1)
実施例11−1の電解液において、1−フェニル−1,3,3−トリメチルインダンとヘキサメチルジシランを添加しなかった以外、実施例11−1と同様にして非水系電解液二次電池を作製し、評価を行った。評価結果を表14に示す。
(比較例11−2)
実施例11−1の電解液において、1−フェニル−1,3,3−トリメチルインダンを添加しなかった以外、実施例11−1と同様にして非水系電解液二次電池を作製し、評価を行った。評価結果を表14に示す。
Figure 0005811311
表14から明らかなように、式(I)で表される芳香族化合物を添加していない比較例11−1〜11−2の電池と比べて、実施例11−1〜11−2の電池は初期体積変化率抑制、高温保存後1Cレート容量率、過充電時安全性を全て同時に向上させる点で優れていることが明らかである。また、式(I)で表される芳香族化合物とケイ素含有化合物を添加した実施例11−1の電池は、式(I)で表される芳香族化合物のみを添加した実施例11−2の電池と比べて、初期体積変化率、高温保存後1Cレート容量率、過充電時安全性を全て向上させる点で優れていることが明らかである。
<実施例12−1〜12−6及び比較例12−1〜12−6>
実施例12−1〜12−6及び比較例12−1〜12−6の電池の製造方法及び評価方法を以下に示す。
(実施例12−1)
[電解液の製造]
乾燥アルゴン雰囲気下、エチレンカーボネート(EC)、エチルメチルカーボネート(EMC)及びジメチルカーボネート(DMC)からなる混合溶媒(混合体積比3:4:3)に、電解質であるLiPFを1.0mol/Lの割合で溶解させて基本電解液とした。更に、かかる基本電解液に対して、添加剤として1−フェニル−1,3,3−トリメチルインダン3.0質量%を添加して実施例12−1の非水系電解液を調製した。
[正極の製造]
正極活物質としてリチウムコバルトニッケルマンガン酸化物(LiNi1/3Co1/3Mn1/3)90質量%と、導電材としてアセチレンブラック7質量%と、結着剤としてのポリフッ化ビニリデン(PVdF)3質量%とを、N−メチルピロリドン溶媒中で、ディスパーザーで混合してスラリー化した。これを厚さ15μmのアルミニウム箔の片面に均一に塗布、乾燥した後、プレスして正極とした。
[負極の製造]
負極活物質として非晶質被覆黒鉛粉末、増粘剤としてカルボキシメチルセルロースナトリウムの水性ディスパージョン(カルボキシメチルセルロースナトリウムの濃度1質量%)、結着材としてスチレンブタジエンゴムの水性ディスパージョン(スチレンブタジエンゴムの濃度50質量%)を加え、ディスパーザーで混合してスラリー化した。このスラリーを厚さ10μmの銅箔の片面に均一に塗布、乾燥した後、プレスして負極とした。なお、乾燥後の負極において、非晶質被覆黒鉛:カルボキシメチルセルロースナトリウム:スチレンブタジエンゴム=97.5:1.5:1の質量比となるように作製した。
[二次電池の製造]
上記の正極、負極、及びポリプロピレン製のセパレータを、負極、セパレータ、正極の順に積層して電池要素を作製した。この電池要素をアルミニウム(厚さ40μm)の両面を樹脂層で被覆したラミネートフィルムからなる袋内に正・負極の端子を突設させながら挿入した後、非水系電解液を袋内に注入し、真空封止を行ない、シート状の非水系電解液電池を作製した。
[初期コンディショニング]
非水系電解液電池を、ガラス板で挟んで加圧した状態で、25℃において、0.2Cに相当する電流で4.1Vまで定電流―定電圧充電(以下適宜「CC−CV充電)(0.05Cカット)した後、1/3Cで3.0Vまで定電流放電を行った。その後、1/3Cに相当する電流で4.1VまでCC−CV充電(0.05Cカット)した後、60℃、12時間の条件下で放置した。電池を十分に冷却させた後、1/3Cの定電流で3Vまで放電した。次いで、1/3Cで4.2VまでCC−CV充電(0.05Cカット)した後、1/3Cで3Vまで再度放電し、電池の初期コンディショニングを行った。
ここで、1Cとは電池の基準容量を1時間で放電する電流値を表し、例えば、0.2Cとはその1/5の電流値を表す。
[過充電特性評価試験]
初期コンディショニングの終了した電池を、再度25℃において1/3Cの定電流で4.2VまでCCCV充電(0.05Cカット)した後、エタノール浴中に浸して体積を測定した。その後、45℃において1C電流を0.8時間印加した。電池を十分に冷却させた後、エタノール浴中に浸して体積を測定し、過充電特性評価試験の前後の体積変化から発生した過充電ガス量を求めた。
なお、過充電ガス量が多いほど、過充電等の異常により内圧が異常に上昇したときにこれを感知して安全弁を作動させる電池では、安全弁を早めに作動させることができる。その結果、過充電時の電池安全性を担保できる。
上記作製した非水系電解液二次電池を用いて、過充電特性評価試験を実施した。評価結果を、比較例12−1を100.0%としたときの相対値で表15に示す。以下も同様とする。
(実施例12−2)
実施例12−1の電解液において、1−フェニル−1,3,3−トリメチルインダン3.0質量%の代わりに、1−フェニル−1,3,3−トリメチルインダン3.0量%及びシクロヘキシルベンゼン(CHB)1.0質量%を添加した電解液を用いた以外、実施例12−1と同様にして非水系電解液電池を作製し、評価を実施した。評価結果を表15に示す。
(実施例12−3)
実施例12−1の電解液において、1−フェニル−1,3,3−トリメチルインダン3.0質量%の代わりに、1−フェニル−1,3,3−トリメチルインダン3.0量%及び酢酸2−フェニルエチル1.0質量%を添加した電解液を用いた以外、実施例12−1と同様にして非水系電解液電池を作製し、評価を実施した。評価結果を表15に示す。
(実施例12−4)
実施例12−1の電解液において、1−フェニル−1,3,3−トリメチルインダン3.0質量%の代わりに、1−フェニル−1,3,3−トリメチルインダン3.0量%及び酢酸3−フェニルプロピル1.0質量%を添加した電解液を用いた以外、実施例12−1と同様にして非水系電解液電池を作製し、評価を実施した。評価結果を表15に示す。
(実施例12−5)
実施例12−1の電解液において、1−フェニル−1,3,3−トリメチルインダン3.0質量%の代わりに、1−フェニル−1,3,3−トリメチルインダン3.0量%及びジフェニルカーボネート1.0質量%を添加した電解液を用いた以外、実施例12−1と同様にして非水系電解液電池を作製し、評価を実施した。評価結果を表15に示す。
(実施例12−6)
実施例12−1の電解液において、1−フェニル−1,3,3−トリメチルインダン3.0質量%の代わりに、1−フェニル−1,3,3−トリメチルインダン3.0量%及びジフルオロベンゼン1.0質量%を添加した電解液を用いた以外、実施例12−1と同様にして非水系電解液電池を作製し、評価を実施した。評価結果を表15に示す。
(比較例12−1)
実施例12−1の電解液において、1−フェニル−1,3,3−トリメチルインダンを含まない電解液を用いた以外、実施例12−1と同様にして非水系電解液電池を作製し、評価を実施した。評価結果を表15に示す。
(比較例12−2)
実施例12−2の電解液において、1−フェニル−1,3,3−トリメチルインダンを含まない電解液を用いた以外、実施例12−2と同様にして非水系電解液電池を作製し、評価を実施した。評価結果を表15に示す。
(比較例12−3)
実施例12−3の電解液において、1−フェニル−1,3,3−トリメチルインダンを含まない電解液を用いた以外、実施例12−3と同様にして非水系電解液電池を作製し、評価を実施した。評価結果を表15に示す。
(比較例12−4)
実施例12−4の電解液において、1−フェニル−1,3,3−トリメチルインダンを含まない電解液を用いた以外、実施例12−4と同様にして非水系電解液電池を作製し、評価を実施した。評価結果を表15に示す。
(比較例12−5)
実施例12−5の電解液において、1−フェニル−1,3,3−トリメチルインダンを含まない電解液を用いた以外、実施例12−5と同様にして非水系電解液電池を作製し、評価を実施した。評価結果を表15に示す。
(比較例12−6)
実施例12−6の電解液において、1−フェニル−1,3,3−トリメチルインダンを含まない電解液を用いた以外、実施例12−6と同様にして非水系電解液電池を作製し、評価を実施した。評価結果を表15に示す。
Figure 0005811311
表15より、本発明にかかる実施例12−1〜12−6の非水系電解液を用いると、添加剤を用いていない場合(比較例12−1)に比べ、過充電ガス量に優れていることが分かる。
また、式(I)以外の芳香族化合物が単独で添加されている場合(比較例12−2〜12−6)には、過充電ガス量の増加は見られるものの、その量は少なく、過充電特性としては不十分であることがわかる。なお、実施例12−1〜12−6の結果より、式(I)で表される芳香族化合物と式(I)以外の芳香族化合物を併用することで、顕著な過充電特性向上効果を確認することができ、電池安全性を著しく向上することがわかる。
<実施例12−7〜12−9及び比較例12−7〜12−9>
実施例12−7〜12−9及び比較例12−7〜12−9の電池の製造方法及び評価方法を以下に示す。
(実施例12−7)
[電解液の製造]
乾燥アルゴン雰囲気下、EC、EMC及びジエチルカーボネート(DEC)からなる混合溶媒(混合体積比3:4:3)に、電解質であるLiPFを1.2mol/Lの割合で溶解させた。更にかかる電解液に対して、モノフルオロエチレンカーボネート(MFEC)5.0質量%を添加し基本電解液とした。この基本電解液に対して、添加剤として1−フェニル−1,3,3−トリメチルインダン3.0質量%を添加して実施例12−7の非水系電解液を調製した。
[正極の製造]
正極活物質としてコバルト酸リチウム(LiCoO)97質量%と、導電材としてアセチレンブラック1.5質量%と、結着材としてポリフッ化ビニリデン(PVdF)1.5質量%とを、N−メチルピロリドン溶媒中で、ディスパーザーで混合してスラリー化した。これを厚さ15μmのアルミニウム箔の両面に均一に塗布、乾燥した後、プレスして正極とした。
[負極の製造]
負極活物質として天然黒鉛粉末、増粘剤としてカルボキシメチルセルロースナトリウムの水性ディスパージョン(カルボキシメチルセルロースナトリウムの濃度1質量%)、結着材としてスチレンブタジエンゴムの水性ディスパージョン(スチレンブタジエンゴムの濃度50質量%)を加え、ディスパーザーで混合してスラリー化した。このスラリーを厚さ10μmの銅箔の片面に均一に塗布、乾燥した後、プレスして負極とした。なお、乾燥後の負極において、天然黒鉛:カルボキシメチルセルロースナトリウム:スチレンブタジエンゴム=98:1:1の質量比となるように作製した。
[二次電池の製造]
上記の正極、負極、及びポリプロピレン製のセパレータを、負極、セパレータ、正極、セパレータ、負極の順に積層して電池要素を作製した。この電池要素をアルミニウム(厚さ40μm)の両面を樹脂層で被覆したラミネートフィルムからなる袋内に正・負極の端子を突設させながら挿入した後、非水系電解液を袋内に注入し、真空封止を行ない、シート状の非水系電解液電池を作製した。
[初期容量評価]
非水系電解液電池を、ガラス板で挟んで加圧した状態で、25℃において、0.05Cに相当する電流で6時間定電流充電した後、0.2Cで3.0Vまで定電流放電を行った。その後、0.2Cに相当する電流で4.1VまでCC−CV充電(0.05Cカット)した後、45℃、72時間の条件下で放置した。その後、0.2Cの定電流で3Vまで放電した。次いで、0.2Cで4.35VまでCCCV充電(0.05Cカット)した後、0.2Cで3Vまで再度放電し、これを初期0,2C容量とした。
ここで、1Cとは電池の基準容量を1時間で放電する電流値を表し、例えば、0.2Cとはその1/5の電流値を表す。
[高温保存特性評価]
初期容量評価を行った後の非水系電解液電池を、25℃において、0.2Cで4.35VまでCC−CV充電(0.05Cカット)を行った後、60℃、7日間の条件で高温保存を行った。電池を十分に冷却させた後、25℃において0.2Cで3Vまで放電させ、更に、0.2Cで4.35VまでCC−CV充電(0.05Cカット)した後、0.2Cで3Vまで再度放電し、初期容量に対する容量の割合を求め、これを回復率(%)とした。
上記作製した非水系電解液電池を用いて、初期容量評価ならびに高温保存特性評価を実施した。評価結果を、比較例12−7を100.0%としたときの相対値で表16に示す。以下も同様とする。
(実施例12−8)
実施例12−7の電解液において、1−フェニル−1,3,3−トリメチルインダン3.0質量%の代わりに、1−フェニル−1,3,3−トリメチルインダン3.0量%及びCHB1.0質量%を添加した電解液を用いた以外、実施例12−7と同様にして非水系電解液電池を作製し、評価を実施した。評価結果を表16に示す。
(実施例12−9)
実施例12−7の電解液において、1−フェニル−1,3,3−トリメチルインダン3.0質量%の代わりに、1−フェニル−1,3,3−トリメチルインダン3.0量%及び酢酸2−フェニルエチル1.0質量%を添加した電解液を用いた以外、実施例12−7と同様にして非水系電解液電池を作製し、評価を実施した。評価結果を表16に示す。
(比較例12−7)
実施例12−7の電解液において、1−フェニル−1,3,3−トリメチルインダンを含まない電解液を用いた以外、実施例12−7と同様にして非水系電解液電池を作製し、評価を実施した。評価結果を表16に示す。
(比較例12−8)
実施例12−8の電解液において、1−フェニル−1,3,3−トリメチルインダンを含まない電解液を用いた以外、実施例12−8と同様にして非水系電解液電池を作製し、評価を実施した。評価結果を表16に示す。
(比較例12−9)
実施例12−9の電解液において、1−フェニル−1,3,3−トリメチルインダンを含まない電解液を用いた以外、実施例12−9と同様にして非水系電解液電池を作製し、評価を実施した。評価結果を表16に示す。
Figure 0005811311
表16より、本発明にかかる実施例12−7〜実施例12−9の非水系電解液を用いると、式(I)で表される芳香族化合物が添加されていない場合(比較例12−7〜比較例12−9)に比べ、初期0.2C容量ならびに回復率に優れていることが分かる。なお、実施例12−8〜実施例12−9の結果より、式(I)で表される芳香族化合物と式(I)以外の芳香族化合物を併用することで、より顕著な改善効果がもたらされていることがわかる。
<実施例13−1及び比較例13−1〜13−2>
実施例13−1及び比較例13−1〜13−2の電池の製造方法及び評価方法を以下に示す。
[初期特性評価]
シート状非水系電解液二次電池を、電極間の密着性を高めるためにガラス板で挟んだ状態で、25℃において、0.2Cに相当する定電流で1時間半充電を行い、0.2Cの定電流で3Vまで放電した。この時の充電容量と放電容量の差を初期不可逆容量とした。更に0.2Cで4.2Vまで定電流−定電圧充電(0.05Cカット)した後、0.2Cの定電流で3Vまで放電することを2回繰り返して、電池を安定させた。ここで、1Cとは電池の基準容量を1時間で放電する電流値を表し、0.5Cとはその1/2倍の電流値を、また0.2Cとはその1/5の電流値を表す。
[放電保存特性評価]
上述のように電池を安定させた後、25℃において、3Vまで定電流−定電圧充電(2時間カット)を行った後、60℃で140時間保存し、開回路電圧(OCV)を測定した。
(実施例13−1)
[正極の製造]
正極活物質としてのリチウムコバルト酸化物(LiCoO)90質量%と、導電材としてアセチレンブラック5質量%と、結着剤としてのポリフッ化ビニリデン(PVdF)5質量%とを、N−メチルピロリドン溶媒中で、ディスパーザーで混合してスラリー化した。これをアルミニウム箔の両面に均一に塗布、乾燥した後、プレスして正極とした。
[負極の製造]
負極活物質として天然黒鉛粉末、増粘剤としてカルボキシメチルセルロースナトリウムの水性ディスパージョン(カルボキシメチルセルロースナトリウムの濃度1質量%)、結着材としてスチレンブタジエンゴムの水性ディスパージョン(スチレンブタジエンゴムの濃度50質量%)を加え、ディスパーザーで混合してスラリー化した。このスラリーを厚さ10μmの銅箔の片面に均一に塗布、乾燥した後、プレスして負極とした。なお、乾燥後の負極において、天然黒鉛:カルボキシメチルセルロースナトリウム:スチレンブタジエンゴム=98:1:1の質量比となるように作製した。
[電解液の製造]
乾燥アルゴン雰囲気下、エチレンカーボネートとエチルメチルカーボネートの混合物(容量比3:7)に非水系電解液中の含有量として1.5質量%となるように1−フェニル−1,3,3−トリメチルインダンと1質量%となるようにビニレンカーボネート(VC)を添加し、次いで十分に乾燥したLiPFを1.0mol/Lの割合となるように溶解して電解液とした。
[二次電池の製造]
上記の正極、負極、及びポリエチレン製のセパレータを、負極、セパレータ、正極、セパレータ、負極の順に積層して電池要素を作製した。この電池要素をアルミニウム(厚さ40μm)の両面を樹脂層で被覆したラミネートフィルムからなる袋内に正極負極の端子を突設させながら挿入した後、上記電解液を袋内に注入し、真空封止を行い、非水系電解液二次電池を作製し、初期特性評価、放電保存特性評価を行った。評価結果を表17に示す。
(比較例13−1)
実施例13−1の電解液において、1−フェニル−1,3,3−トリメチルインダンを添加しなかったこと以外、実施例13−1と同様にして非水系電解液二次電池を作製し、評価を行った。評価結果を表17に示す。
(比較例13−2)
実施例13−1の電解液において、1−フェニル−1,3,3−トリメチルインダンとビニレンカーボネートをともに添加しなかった以外、実施例13−1と同様にして非水系電解液二次電池を作製し、評価を行った。評価結果を表17に示す。
Figure 0005811311
表17から明らかなように、1−フェニル−1,3,3−トリメチルインダンを添加していない比較例13−1の電池と比べて、実施例13−1の電池は初期不可逆容量低下抑制と放電保存後OCV低下抑制の両方を同時に向上させる点で優れており、式(I)で表される芳香族化合物と炭素‐炭素不飽和結合を有する環状カーボネートを併用することによる特性向上の特異性が明らかである。
<実施例14−1〜14−2及び比較例14−1〜14−2>
実施例14−1〜14−2及び比較例14−1〜14−2の電池の製造方法及び評価方法を以下に示す。
(実施例14−1)
[電解液の製造]
乾燥アルゴン雰囲気下、エチレンカーボネート(EC)、エチルメチルカーボネート(EMC)及びジエチルカーボネート(DEC)からなる混合溶媒(混合体積比3:4:3)に、電解質であるLiPFを1.2mol/Lの割合で溶解させた。更にかかる電解液に対して、モノフルオロエチレンカーボネート(MFEC)5.0質量%を添加し基本電解液とした。この基本電解液に対して、添加剤として1−フェニル−1,3,3−トリメチルインダン1.0質量%を添加して実施例14−1の非水系電解液を調製した。
[正極の製造]
正極活物質としてコバルト酸リチウム(LiCoO)97質量%と、導電材としてアセチレンブラック1.5質量%と、結着材としてポリフッ化ビニリデン(PVdF)1.5質量%とを、N−メチルピロリドン溶媒中で、ディスパーザーで混合してスラリー化した。これを厚さ15μmのアルミニウム箔の両面に均一に塗布、乾燥した後、プレスして正極とした。
[負極の製造]
負極活物質として天然黒鉛粉末、増粘剤としてカルボキシメチルセルロースナトリウムの水性ディスパージョン(カルボキシメチルセルロースナトリウムの濃度1質量%)、結着材としてスチレンブタジエンゴムの水性ディスパージョン(スチレンブタジエンゴムの濃度50質量%)を加え、ディスパーザーで混合してスラリー化した。このスラリーを厚さ10μmの銅箔の片面に均一に塗布、乾燥した後、プレスして負極とした。なお、乾燥後の負極において、天然黒鉛:カルボキシメチルセルロースナトリウム:スチレンブタジエンゴム=98:1:1の質量比となるように作製した。
[二次電池の製造]
上記の正極、負極、及びポリプロピレン製のセパレータを、負極、セパレータ、正極、セパレータ、負極の順に積層して電池要素を作製した。この電池要素をアルミニウム(厚さ40μm)の両面を樹脂層で被覆したラミネートフィルムからなる袋内に正・負極の端子を突設させながら挿入した後、非水系電解液を袋内に注入し、真空封止を行ない、シート状の非水系電解液電池を作製した。
[初期特性評価]
非水系電解液電池を、ガラス板で挟んで加圧した状態で、25℃において、0.05Cに相当する電流で6時間定電流充電した後、0.2Cで3.0Vまで定電流放電を行った。この時の充電容量と放電容量の差分を初回充放電ロスとした。その後、0.2Cに相当する電流で4.1VまでCC−CV充電(0.05Cカット)した後、45℃、72時間の条件下で放置しエージングを実施した。その後、0.2Cの定電流で3Vまで放電した。この時のエージング前充電容量とエージング後放電容量の差分をエージングロスとし、上記初回充放電ロスとの和分を初期容量ロスとした。次いで、0.2Cで4.40VまでCCCV充電(0.05Cカット)した後、0.2Cで3Vまで再度放電し、これを初期容量とした。
ここで、1Cとは電池の基準容量を1時間で放電する電流値を表し、例えば、0.2Cとはその1/5の電流値を表す。
[高温保存特性評価]
初期容量評価を行った後の非水系電解液電池を、25℃において、0.2Cで4.40VまでCC−CV充電(0.05Cカット)を行った後、60℃、7日間の条件で高温保存を行った。電池を十分に冷却させた後、25℃において0.2Cで3Vまで放電させた。更に、0.2Cで4.40VまでCC−CV充電(0.05Cカット)した後、0.2Cで3Vまで再度放電し、初期容量に対する容量の割合を求め、これを回復率(0.2C)(%)とした。次いで、0.2Cで4.40VまでCC−CV充電(0.05Cカット)した後、0.5Cで3Vまで再度放電し、初期容量に対する容量の割合を求め、これを回復率(0.5C)(%)とした。
上記作製した非水系電解液電池を用いて、初期特性評価ならびに高温保存特性評価を実施した。評価結果を、比較例14−1を100.0%としたときの相対値で表18に示す。以下も同様とする。
(実施例14−2)
実施例14−1の電解液において、EMCの代わりに、プロピオン酸エチル(EP)を溶媒として基本電解液を作成した以外、実施例14−1と同様にして非水系電解液電池を作製し、評価を実施した。評価結果を表18に示す。
(比較例14−1)
実施例14−1の電解液において、1−フェニル−1,3,3−トリメチルインダンを含まない電解液を用いた以外、実施例14−1と同様にして非水系電解液電池を作製し、評価を実施した。評価結果を表18に示す。
(比較例14−2)
実施例14−2の電解液において、1−フェニル−1,3,3−トリメチルインダンを含まない電解液を用いた以外、実施例14−2と同様にして非水系電解液電池を作製し、評価を実施した。評価結果を表18に示す。
Figure 0005811311
表18より、本発明にかかる実施例14−1及び実施例14−2の非水系電解液を用いると、式(I)で表される芳香族化合物が添加されていない場合(比較例14−1及び比較例14−2)に比べ、初期容量ロス、回復率(0.2C)ならびに回復率(0.5C)に優れていることが分かる。なお、実施例14−2の結果より、式(I)で表される芳香族化合物とカルボン酸エステルであるプロピオン酸エチルを併用することで、より顕著な改善効果がもたらされていることがわかる。
<実施例15−1〜15−2及び比較例15−1〜15−2>
実施例15−1〜15−2及び比較例15−1〜15−2の電池の製造方法及び評価方法を以下に示す。
[初期特性評価]
シート状非水系電解液二次電池を、電極間の密着性を高めるためにガラス板で挟んだ状態で、25℃において、0.05Cに相当する定電流で6時間充電を行い、その後0.2Cの定電流で4.1Vまで充電し、0.2Cの定電流で3Vまで放電した。この時の充電容量と放電容量の差を初期不可逆容量とした。更に0.2Cで4.25Vまで定電流−定電圧充電(0.05Cカット)した後、0.2Cの定電流で3Vまで放電することを2回繰り返して、電池を安定させた。ここで、1Cとは電池の基準容量を1時間で放電する電流値を表し、0.05Cとはその1/20倍の電流値を、また0.2Cとはその1/5の電流値を表す。
(実施例15−1)
[正極の製造]
正極活物質としてリチウム・ニッケル・コバルト・マンガン複合酸化物(LiNi0.5Mn0.3Co0.2)90質量%と、導電材としてアセチレンブラック7質量%と、結着材としてポリフッ化ビニリデン(PVdF)3質量%とを、N−メチルピロリドン溶媒中で、ディスパーザーで混合してスラリー化した。これをアルミニウム箔に均一に塗布、乾燥した後、プレスして正極とした。
[負極の製造]
負極活物質として天然黒鉛粉末、増粘剤としてカルボキシメチルセルロースナトリウムの水性ディスパージョン(カルボキシメチルセルロースナトリウムの濃度1質量%)、結着材としてスチレンブタジエンゴムの水性ディスパージョン(スチレンブタジエンゴムの濃度50質量%)を加え、ディスパーザーで混合してスラリー化した。このスラリーを厚さ10μmの銅箔の片面に均一に塗布、乾燥した後、プレスして負極とした。なお、乾燥後の負極において、天然黒鉛:カルボキシメチルセルロースナトリウム:スチレンブタジエンゴム=98:1:1の質量比となるように作製した。
[電解液の製造]
乾燥アルゴン雰囲気下、エチレンカーボネート(EC)とプロピレンカーボネート(PC)とエチルメチルカーボネート(EMC)とジメチルカーボネート(DMC)の混合物(容量比28:5:38:29)に非水系電解液中の含有量として0.5質量%となるようにビニレンカーボネートを添加した。
次いで、非水系電解液中の含有量として2.0質量%となるように1−フェニル−1,3,3−トリメチルインダンと、0.5質量%となるように1,3−ジオキサンを添加した。
次いで十分に乾燥したLiPFを1mol/Lの割合となるように溶解して電解液とした。
[二次電池の製造]
上記の正極、負極、及びポリプロピレン製のセパレータを、負極、セパレータ、正極の順に積層して電池要素を作製した。この電池要素をアルミニウム(厚さ40μm)の両面を樹脂層で被覆したラミネートフィルムからなる袋内に正極負極の端子を突設させながら挿入した後、上記電解液を袋内に注入し、真空封止を行い、非水系電解液二次電池を作製し、初期特性評価を行った。評価結果を表19に示す。
(実施例15−2)
実施例15−1の電解液において1,3−ジオキサンを添加しなかった以外、実施例15−1と同様にして非水系電解液二次電池を作製し、評価を行った。評価結果を表19に示す。
(比較例15−1)
実施例15−1の電解液において、1−フェニル−1,3,3−トリメチルインダンと1,3−ジオキサンを添加しなかった以外、実施例15−1と同様にして非水系電解液二次電池を作製し、評価を行った。評価結果を表19に示す。
(比較例15−2)
実施例15−1の電解液において、1−フェニル−1,3,3−トリメチルインダンを添加しなかった以外、実施例15−1と同様にして非水系電解液二次電池を作製し、評価を行った。評価結果を表19に示す。
Figure 0005811311
表19から明らかなように、式(I)で表される芳香族化合物及び環状エーテルのいずれも使用していない比較例15−1の電池と比べて、式(I)で表される芳香族化合物を使用している実施例15−2の電池は初期不可逆容量に優れていることがわかる。比較例15−2と実施例15−1との対比から、式(I)で表される芳香族化合物の併用により、良好な初期特性を保持できることがわかる。
本発明の電解液を用いた非水系電解液電池は、過充電時の安全性を高めながら、高容量で、高温連続充電特性に優れているため、公知の各種の用途に用いることが可能である。具体例としては、ノートパソコン、ペン入力パソコン、モバイルパソコン、電子ブックプレーヤー、携帯電話、携帯ファックス、携帯コピー、携帯プリンター、ヘッドフォンステレオ、ビデオムービー、液晶テレビ、ハンディークリーナー、ポータブルCD、ミニディスク、トランシーバー、電子手帳、電卓、メモリーカード、携帯テープレコーダー、ラジオ、バックアップ電源、モーター、自動車、バイク、原動機付自転車、自転車、照明器具、玩具、ゲーム機器、時計、電動工具、ストロボ、カメラ、負荷平準化用電源、自然エネルギー貯蔵電源、リチウムイオンキャパシタ等を挙げることができる。

Claims (14)

  1. 電解質及び非水溶媒を含む非水系電解液であって、該非水系電解液が、更に式(I):
    Figure 0005811311

    (式中、
    〜Rは、独立して、水素、ハロゲン又は非置換もしくはハロゲン置換の炭素数1以上20以下の炭化水素基であり、
    及びRは、独立して、炭素数1以上12以下の炭化水素基であるが、
    〜R7のうち少なくとも2つは一緒になって環を形成していてもよく、
    ただし、式(I)は、(A)及び(B):
    (A)R〜Rのうち少なくとも1つは、ハロゲン又は非置換もしくはハロゲン置換の炭素数1以上20以下の炭化水素基である、
    (B)R〜Rの炭素数の合計は、3以上20以下である、
    のうち少なくとも一方の条件を満たす)
    で表される芳香族化合物を含有することを特徴とする非水系電解液。
  2. 前記式(I)におけるR、R及びRのうち2つが一緒になって環を形成している、請求項1に記載の非水系電解液。
  3. 前記式(I)におけるRとRが一緒になって環を形成している、請求項2に記載の非水系電解液。
  4. 前記式(I)におけるR〜Rのうち少なくとも1つが、炭素数1以上5以下の炭化水素基である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の非水系電解液。
  5. 前記式(I)で表される芳香族化合物が、1−フェニル−1,3,3−トリメチルインダンである、請求項3又は4に記載の非水系電解液。
  6. 前記式(I)におけるRとRが一緒になって環を形成している、請求項2に記載の非水系電解液。
  7. 前記式(I)で表される芳香族化合物が、1,1−ジフェニルシクロヘキサン、1,1−ジフェニルシクロペンタン又は1,1−ジフェニル−4−メチルシクロヘキサンである、請求項6記載の非水系電解液。
  8. 前記非水系電解液が、式(I)で表される芳香族化合物を、0.001質量%以上10質量%以下で含有する、請求項1〜7のいずれか1項に記載の非水系電解液。
  9. 前記非水系電解液が、2種以上の電解質を含む、請求項1〜8のいずれか1項に記載の非水系電解液。
  10. 2種以上の電解質が、モノフルオロリン酸塩、ジフルオロリン酸塩、ホウ酸塩、シュウ酸塩及びフルオロスルホン酸塩からなる群より選ばれる少なくとも1種の化合物を含む、請求項9に記載の非水系電解液。
  11. 前記非水系電解液が、モノフルオロリン酸塩、ジフルオロリン酸塩、ホウ酸塩、シュウ酸塩及びフルオロスルホン酸塩からなる群より選ばれる少なくとも1種の化合物を、0.001質量%以上20質量%以下で含有する、請求項10に記載の非水系電解液。
  12. 前記非水系電解液が、更に、フッ素含有環状カーボネート、硫黄含有有機化合物、リン含有有機化合物、シアノ基を有する有機化合物、イソシアネート基を有する有機化合物、ケイ素含有化合物、式(I)以外の芳香族化合物、炭素−炭素不飽和結合を有する環状カーボネート、フッ素非含有カルボン酸エステル、環状エーテル及びイソシアヌル酸骨格を有する化合物からなる群より選ばれる少なくとも1種の化合物を含有する、請求項1〜11のいずれか1項に記載の非水系電解液。
  13. 前記非水系電解液が、フッ素含有環状カーボネート、硫黄含有有機化合物、リン含有有機化合物、シアノ基を有する有機化合物、イソシアネート基を有する有機化合物、ケイ素含有化合物、式(I)以外の芳香族化合物、炭素‐炭素不飽和結合を有する環状カーボネート、フッ素非含有カルボン酸エステル、環状エーテル及びイソシアヌル酸骨格を有する化合物からなる群より選ばれる少なくとも1種の化合物を、0.001質量%以上20質量%以下で含有する、請求項1〜11のいずれか1項に記載の非水系電解液。
  14. リチウムイオンを吸蔵・放出可能な負極及び正極、ならびに非水系電解液を含む非水系電解液電池であって、該非水系電解液が請求項1〜13のいずれか1項に記載の非水系電解液である、非水系電解液電池。
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