JP6934941B2 - リチウムイオン二次電池、電池パック、電動車両、電力貯蔵システム、電動工具および電子機器 - Google Patents

リチウムイオン二次電池、電池パック、電動車両、電力貯蔵システム、電動工具および電子機器 Download PDF

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Description

関連出願の相互参照
この出願は、2016年12月22日に出願された米国出願番号62/438109および2017年8月14日に出願された米国出願番号15/676493の利益を主張するものであり、それらの全ての内容を参照によって本出願に援用する。
本技術は、チタン含有化合物を含む負極を備えた二次電池、ならびにその二次電池を用いた電池パック、電動車両、電力貯蔵システム、電動工具および電子機器に関する。
携帯電話機などの多様な電子機器が広く普及しており、その電子機器の小型化、軽量化および長寿命化が要望されている。そこで、電子機器の電源として、小型かつ軽量であると共に高エネルギー密度を得ることが可能な二次電池の開発が進められている。
なお、二次電池は、電子機器に限らず、他の用途への適用も検討されている。一例を挙げると、電子機器などに着脱可能に搭載される電池パック、電気自動車などの電動車両、家庭用電力サーバなどの電力貯蔵システム、および電動ドリルなどの電動工具である。
この二次電池は、正極および負極と共に電解液を備えている。二次電池の構成は、電池特性に大きな影響を及ぼすため、その二次電池の構成に関しては、さまざまな検討がなされている。
具体的には、サイクル特性などを向上させるために、負極の活物質としてリチウムチタン複合酸化物(Li4/3 Ti5/3 4 )が用いられていると共に、電解液の添加剤として無水マレイン酸が用いられている(国際公開第2013/058235号パンフレットおよび国際公開第2013/168821号パンフレット)。
二次電池の電池特性を向上させるために具体的な提案がなされているが、その二次電池の電池特性は未だ十分でないため、改善の余地がある。
そこで、優れた電池特性を得ることが可能であるリチウムイオン二次電池、電池パック、電動車両、電力貯蔵システム、電動工具および電子機器を提供することが望まれている。
本技術のリチウムイオン二次電池は、正極と、チタン含有化合物を含む負極と、下記の式(4)で表されるジカルボニル化合物を含むと共にそのジカルボニル化合物の含有量が0.01重量%以上5重量%以下である電解液とを備えたものである。
Figure 0006934941
(R109およびR112のそれぞれは、アルキレン基である。R110およびR111のそれぞれは、水素基、アルキル基、カルボキシル基およびアルキルカルボキシル基のうちのいずれかである。ただし、R109およびR112のそれぞれは、なくてもよい。n1は、2以上の整数である。)
本技術の電池パック、電動車両、電力貯蔵システム、電動工具および電子機器のそれぞれは、リチウムイオン二次電池を備え、そのリチウムイオン二次電池が上記した本技術のリチウムイオン二次電池と同様の構成を有するものである。
本技術のリチウムイオン二次電池によれば、負極がチタン含有化合物を含んでいると共に、電解液が上記した所定量のジカルボニル化合物を含んでいるので、優れた電池特性を得ることができる。また、本技術の電池パック、電動車両、電力貯蔵システム、電動工具および電子機器のそれぞれにおいても、同様の効果を得ることができる。
なお、ここに記載された効果は、必ずしも限定されるわけではなく、本技術中に記載されたいずれの効果であってもよい。
上記した一般的な説明および下記の詳細な説明は一例であることが理解されるはずであると共に、それらの説明は特許請求の範囲に記載されている本技術のさらなる説明を提供するために用いられる。
添付の図面は、本技術のさらなる理解をもたらすために含まれていると共に、この明細書に組み込まれると共にその明細書の一部を構成する。図面は、一実施形態を示していると共に、明細書と一緒に本技術の原理を説明する役割を果たす。
図1は、本技術の一実施形態の二次電池(円筒型)の構成を表す断面図である。 図2は、図1に示した巻回電極体の構成のうちの一部を拡大して表す断面図である。 図3は、本技術の一実施形態の他の二次電池(ラミネートフィルム型)の構成を表す斜視図である。 図4は、図3に示したIV−IV線に沿った巻回電極体の構成を拡大して表す断面図である。 図5は、二次電池の適用例(電池パック:単電池)の構成を表す斜視図である。 図6は、図5に示した電池パックの構成を表すブロック図である。 図7は、二次電池の適用例(電池パック:組電池)の構成を表すブロック図である。 図8は、二次電池の適用例(電動車両)の構成を表すブロック図である。 図9は二次電池の適用例(電力貯蔵システム)の構成を表すブロック図である。 図10は、二次電池の適用例(電動工具)の構成を表すブロック図である。 図11は、試験用の二次電池(コイン型)の構成を表す断面図である。
以下、本技術の一実施形態に関して、図面を参照して詳細に説明する。なお、説明する順序は、下記の通りである。

1.二次電池(円筒型)
1−1.構成
1−2.動作
1−3.製造方法
1−4.作用および効果
2.二次電池(ラミネートフィルム型)
2−1.構成
2−2.動作
2−3.製造方法
2−4.作用および効果
3.二次電池の用途
3−1.電池パック(単電池)
3−2.電池パック(組電池)
3−3.電動車両
3−4.電力貯蔵システム
3−5.電動工具
<1.二次電池(円筒型)>
本技術の一実施形態の二次電池に関して説明する。
ここで説明する二次電池は、電極反応物質としてリチウムを用いた二次電池である。この電極反応物質は、充放電反応に関与する物質である。より具体的には、二次電池は、例えば、リチウムの吸蔵現象およびリチウムの放出現象を利用して電池容量(負極の容量)が得られるリチウムイオン二次電池である。
<1−1.構成>
まず、二次電池の構成に関して説明する。
図1は、二次電池の断面構成を表している。図2は、図1に示した巻回電極体20の断面構成のうちの一部を拡大している。
この二次電池は、例えば、図1から明らかなように、中空円筒状の電池缶11の内部に、電池素子である巻回電極体20が収納された円筒型の二次電池である。
[全体構成]
具体的には、二次電池は、例えば、図1に示したように、電池缶11の内部に、一対の絶縁板12,13と、巻回電極体20とを備えている。巻回電極体20は、例えば、セパレータ23を介して正極21と負極22とが積層されたのち、その正極21、負極22およびセパレータ23が巻回されることにより形成されている。この巻回電極体20には、例えば、液状の電解質である電解液が含浸されている。
電池缶11は、例えば、一端部が閉鎖されると共に他端部が開放された中空構造を有しており、例えば、鉄、アルミニウムおよびそれらの合金などのうちのいずれか1種類または2種類以上を含んでいる。電池缶11の表面には、例えば、ニッケルなどの金属材料が鍍金されていてもよい。なお、絶縁板12,13は、例えば、巻回電極体20の巻回周面に対して垂直な方向に延在していると共に、互いに巻回電極体20を挟むように配置されている。
電池缶11の開放端部には、電池蓋14と、安全弁機構15と、熱感抵抗素子(PTC素子)16とがガスケット17を介してかしめられている。これにより、電池缶11は密閉されている。電池蓋14の形成材料は、例えば、電池缶11の形成材料と同様である。安全弁機構15および熱感抵抗素子16のそれぞれは、電池蓋14の内側に設けられており、その安全弁機構15は、熱感抵抗素子16を介して電池蓋14と電気的に接続されている。この安全弁機構15では、内部短絡および外部加熱などに起因して電池缶11の内圧が一定以上になると、ディスク板15Aが反転するため、電池蓋14と巻回電極体20との電気的接続が切断される。大電流に起因する異常な発熱を防止するために、熱感抵抗素子16の抵抗は、温度の上昇に応じて増加する。ガスケット17は、例えば、絶縁性料を含んでおり、そのガスケット17の表面には、例えば、アスファルトなどが塗布されていてもよい。
巻回電極体20の巻回中心に設けられた空間には、例えば、センターピン24が挿入されている。ただし、センターピン24は省略されてもよい。
正極21には、正極リード25が取り付けられており、その正極リード25は、例えば、アルミニウムなどの導電性材料のうちのいずれか1種類または2種類以上を含んでいる。この正極リード25は、例えば、安全弁機構15に取り付けられているため、電池蓋14と電気的に接続されている。
負極22には、負極リード26が取り付けられており、その負極リード26は、例えば、ニッケルなどの導電性材料のうちのいずれか1種類または2種類以上を含んでいる。この負極リード26は、例えば、電池缶11に取り付けられているため、その電池缶11と電気的に接続されている。
[正極]
正極21は、例えば、図2に示したように、正極集電体21Aと、その正極集電体21Aの両面に設けられた2つの正極活物質層21Bとを含んでいる。ただし、正極集電体21Aの片面に1つの正極活物質層21Bだけが設けられていてもよい。
(正極集電体)
正極集電体21Aは、例えば、導電性材料のうちのいずれか1種類または2種類以上を含んでいる。導電性材料の種類は、特に限定されないが、例えば、アルミニウム、ニッケルおよびステンレスなどの金属材料である。この正極集電体21Aは、単層でもよいし、多層でもよい。
(正極活物質層)
正極活物質層21Bは、正極活物質として、リチウムを吸蔵および放出することが可能である正極材料のうちのいずれか1種類または2種類以上を含んでいる。ただし、正極活物質層21Bは、さらに、正極結着剤および正極導電剤などの他の材料のうちのいずれか1種類または2種類以上を含んでいてもよい。
(正極材料:リチウム含有化合物)
正極材料は、例えば、リチウム含有化合物である。高いエネルギー密度が得られるからである。リチウム含有化合物の種類は、特に限定されないが、例えば、リチウム含有複合酸化物およびリチウム含有リン酸化合物などである。
リチウム含有複合酸化物は、リチウム(Li)と1種類または2種類以上の他元素とを構成元素として含む酸化物の総称である。このリチウム含有複合酸化物は、例えば、層状岩塩型およびスピネル型などのうちのいずれかの結晶構造を有している。
リチウム含有リン酸化合物は、リチウムと1種類または2種類以上の他元素とを構成元素として含むリン酸化合物の総称である。このリチウム含有リン酸化合物は、例えば、オリビン型などの結晶構造を有している。
上記した他元素は、リチウム以外の元素である。他元素の種類は、特に限定されないが、例えば、長周期型周期表における2族〜15族に属する元素などである。具体的には、他元素は、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)、マンガン(Mn)および鉄(Fe)などである。高い電圧が得られるからである。
層状岩塩型の結晶構造を有するリチウム含有複合酸化物は、例えば、下記の式(21)〜式(23)のそれぞれで表される化合物などである。
Lia Mn(1-b-c) Nib M1c (2-d) e ・・・(21)
(M1は、コバルト(Co)、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、ホウ素(B)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、鉄(Fe)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、ジルコニウム(Zr)、モリブデン(Mo)、スズ(Sn)、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)およびタングステン(W)のうちの少なくとも1種である。a〜eは、0.8≦a≦1.2、0<b<0.5、0≦c≦0.5、(b+c)<1、−0.1≦d≦0.2および0≦e≦0.1を満たす。ただし、リチウムの組成は充放電状態に応じて異なり、aは完全放電状態の値である。)
Lia Ni(1-b) M2b (2-c) d ・・・(22)
(M2は、コバルト(Co)、マンガン(Mn)、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、ホウ素(B)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、鉄(Fe)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、モリブデン(Mo)、スズ(Sn)、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)およびタングステン(W)のうちの少なくとも1種である。a〜dは、0.8≦a≦1.2、0.005≦b≦0.5、−0.1≦c≦0.2および0≦d≦0.1を満たす。ただし、リチウムの組成は充放電状態に応じて異なり、aは完全放電状態の値である。)
Lia Co(1-b) M3b (2-c) d ・・・(23)
(M3は、ニッケル(Ni)、マンガン(Mn)、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、ホウ素(B)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、鉄(Fe)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、モリブデン(Mo)、スズ(Sn)、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)およびタングステン(W)のうちの少なくとも1種である。a〜dは、0.8≦a≦1.2、0≦b<0.5、−0.1≦c≦0.2および0≦d≦0.1を満たす。ただし、リチウムの組成は充放電状態に応じて異なり、aは完全放電状態の値である。)
層状岩塩型の結晶構造を有するリチウム含有複合酸化物の具体例は、LiNiO2 、LiCoO2 、LiCo0.98Al0.01Mg0.012 、LiNi0.5 Co0.2 Mn0.3 2 、LiNi0.8 Co0.15Al0.052 、LiNi0.33Co0.33Mn0.332 、Li1.2 Mn0.52Co0.175 Ni0.1 2 およびLi1.15(Mn0.65Ni0.22Co0.13)O2 などである。
なお、層状岩塩型の結晶構造を有するリチウム含有複合酸化物がニッケル、コバルト、マンガンおよびアルミニウムを構成元素として含んでいる場合には、そのニッケルの原子比率は、50原子%以上であることが好ましい。高いエネルギー密度が得られるからである。
スピネル型の結晶構造を有するリチウム含有複合酸化物は、例えば、下記の式(24)で表される化合物などである。
Lia Mn(2-b) M4b c d ・・・(24)
(M4は、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、ホウ素(B)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、鉄(Fe)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、モリブデン(Mo)、スズ(Sn)、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)およびタングステン(W)のうちの少なくとも1種である。a〜dは、0.9≦a≦1.1、0≦b≦0.6、3.7≦c≦4.1および0≦d≦0.1を満たす。ただし、リチウムの組成は充放電状態に応じて異なり、aは完全放電状態の値である。)
スピネル型の結晶構造を有するリチウム含有複合酸化物の具体例は、LiMn2 4 などである。
オリビン型の結晶構造を有するリチウム含有リン酸化合物は、例えば、下記の式(25)で表される化合物などである。
Lia M5PO4 ・・・(25)
(M5は、コバルト(Co)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、ニッケル(Ni)、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、ホウ素(B)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、ニオブ(Nb)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、モリブデン(Mo)、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)、タングステン(W)およびジルコニウム(Zr)のうちの少なくとも1種である。aは、0.9≦a≦1.1を満たす。ただし、リチウムの組成は充放電状態に応じて異なり、aは完全放電状態の値である。)
オリビン型の結晶構造を有するリチウム含有リン酸化合物の具体例は、LiFePO4 、LiMnPO4 、LiFe0.5 Mn0.5 PO4 およびLiFe0.3 Mn0.7 PO4 などである。
なお、リチウム含有複合酸化物は、下記の式(26)で表される化合物などでもよい。
(Li2 MnO3 x (LiMnO2 1-x ・・・(26)
(xは、0≦x≦1を満たす。ただし、リチウムの組成は充放電状態に応じて異なり、xは完全放電状態の値である。)
(他の正極材料)
また、正極材料は、例えば、酸化物、二硫化物、カルコゲン化物および導電性高分子化合物などでもよい。
酸化物は、例えば、酸化チタン、酸化バナジウムおよび二酸化マンガンなどである。二硫化物は、例えば、二硫化チタンおよび硫化モリブデンなどである。カルコゲン化物は、例えば、セレン化ニオブなどである。導電性高分子化合物は、例えば、硫黄、ポリアニリンおよびポリチオフェンなどである。
(正極結着剤)
正極結着剤は、例えば、合成ゴムおよび高分子化合物などのうちのいずれか1種類または2種類以上を含んでいる。合成ゴムは、例えば、スチレンブタジエン系ゴム、フッ素系ゴムおよびエチレンプロピレンジエンなどである。高分子化合物は、例えば、ポリフッ化ビニリデンおよびポリイミドなどである。
(正極導電剤)
正極導電剤は、例えば、炭素材料などの導電性材料のうちのいずれか1種類または2種類以上を含んでいる。この炭素材料は、例えば、黒鉛、カーボンブラック、アセチレンブラックおよびケッチェンブラックなどである。ただし、正極導電剤は、導電性材料であれば、金属材料および導電性高分子などでもよい。
[負極]
負極22は、例えば、図2に示したように、負極集電体22Aと、その負極集電体22Aの両面に設けられた2つの負極活物質層22Bとを含んでいる。ただし、負極集電体22Aの片面に1つの負極活物質層22Bだけが設けられていてもよい。
(負極集電体)
負極集電体22Aは、例えば、導電性材料のうちのいずれか1種類または2種類以上を含んでいる。導電性材料の種類は、特に限定されないが、例えば、銅、アルミニウム、ニッケルおよびステンレスなどの金属材料である。この負極集電体22Aは、単層でもよいし、多層でもよい。
負極集電体22Aの表面は、粗面化されていることが好ましい。いわゆるアンカー効果を利用して、負極集電体22Aに対する負極活物質層22Bの密着性が向上するからである。この場合には、少なくとも負極活物質層22Bと対向する領域において、負極集電体22Aの表面が粗面化されていればよい。粗面化の方法は、例えば、電解処理を利用して微粒子を形成する方法などである。電解処理では、電解槽中において電解法を用いて負極集電体22Aの表面に微粒子が形成されるため、その負極集電体22Aの表面に凹凸が設けられる。電解法を用いて作製された銅箔は、一般的に、電解銅箔と呼ばれている。
(負極活物質層)
負極活物質層22Bは、負極活物質として、リチウムを吸蔵および放出することが可能である負極材料のうちのいずれか1種類または2種類以上を含んでいる。ただし、負極活物質層22Bは、さらに、負極結着剤および負極導電剤などの他の材料のうちのいずれか1種類または2種類以上を含んでいてもよい。
充電途中において意図せずにリチウム金属が負極22の表面に析出することを防止するために、負極材料の充電可能な容量は、正極21の放電容量よりも大きいことが好ましい。すなわち、リチウムを吸蔵および放出することが可能である負極材料の電気化学当量は、正極21の電気化学当量よりも大きいことが好ましい。
(負極材料:チタン含有化合物)
負極材料は、チタン含有化合物のうちのいずれか1種類または2種類以上を含んでいる。チタン含有化合物の種類は、特に限定されないが、例えば、チタン酸化物、リチウムチタン複合酸化物および水素チタン化合物などである。チタン含有化合物は後述する炭素材料などと比較して電気化学的に安定(低反応性)であるため、負極22の反応性に起因する電解液の分解反応が抑制されるからである。
チタン酸化物は、チタン(Ti)と酸素(O)との化合物の総称である。リチウムチタン複合酸化物は、チタンと1種類または2種類以上の他元素とを構成元素として含んでいる酸化物の総称であり、その他元素に関する詳細は、上記した通りである。水素チタン化合物は、水素(H)とチタンとを構成元素として含んでいる化合物の総称である。ただし、ここで説明する水素チタン化合物は、上記したリチウムチタン複合酸化物から除かれる。
具体的には、チタン酸化物は、例えば、下記の式(11)で表される化合物を含んでいる。すなわち、チタン酸化物は、例えば、ブロンズ型酸化チタンなどである。
TiOw ・・・(11)
(wは、1.85≦w≦2.15を満たす。)
チタン酸化物の具体例は、アナターゼ型、ルチル型またはブルッカイト型の酸化チタン(TiO2 )などである。
ただし、チタン酸化物は、チタンと共にリン(P)、バナジウム(V)、スズ(Sn)、銅(Cu)、ニッケル(Ni)、鉄(Fe)およびコバルト(Co)などのうちのいずれか1種類または2種類以上を構成元素として含む複合酸化物でもよい。この複合酸化物の具体例は、TiO2 −P2 5 、TiO2 −V2 5 、TiO2 −P2 5 −SnO2 およびTiO2 −P2 5 −MeOなどである。このMeは、例えば、銅、ニッケル、鉄およびコバルトなどのうちのいずれか1種類または2種類以上の元素である。
これらのチタン酸化物がリチウムを吸蔵および放出する電位は、例えば、1V〜2V(vs Li/Li+ )である。
リチウムチタン複合酸化物は、例えば、下記の式(12)〜式(14)のそれぞれで表される化合物のうちのいずれか1種類または2種類以上を含んでいる。すなわち、リチウムチタン複合酸化物は、例えば、ラムスデライト型チタン酸リチウムなどである。式(12)に示したM1は、2価イオンになり得る金属元素である。式(13)に示したM2は、3価イオンになり得る金属元素である。式(14)に示したM3は、4価イオンになり得る金属元素である。
Li[Lix M1(1-3x)/2Ti(3+x)/2 ]O4 ・・・(12)
(M1は、マグネシウム(Mg)、カルシウム(Ca)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)およびストロンチウム(Sr)のうちの少なくとも1種である。xは、0≦x≦1/3を満たす。)
Li[Liy M21-3yTi1+2y]O4 ・・・(13)
(M2は、アルミニウム(Al)、スカンジウム(Sc)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、ゲルマニウム(Ga)およびイットリウム(Y)のうちの少なくとも1種である。yは、0≦y≦1/3を満たす。)
Li[Li1/3 M3z Ti(5/3)-z ]O4 ・・・(14)
(M3は、バナジウム(V)、ジルコニウム(Zr)およびニオブ(Nb)のうちの少なくとも1種である。zは、0≦z≦2/3を満たす。)
リチウムチタン複合酸化物の結晶構造は、特に限定されないが、中でも、スピネル型であることが好ましい。充放電時において結晶構造が変化しにくいため、安定した電池特性が得られるからである。
式(12)に示した化合物の具体例は、Li3.75Ti4.875 Mg0.375 12などである。式(13)に示した化合物の具体例は、LiCrTiO4 などである。式(14)に示した化合物の具体例は、Li4 Ti5 12およびLi4 Ti4.95Nb0.0512などである。
水素チタン化合物の具体例は、H2 Ti3 7 (3TiO2 ・1H2 O)、H6 Ti1227(3TiO2 ・0.75H2 O)、H2 Ti6 13(3TiO2 ・0.5H2 O)、H2 Ti7 15(3TiO2 ・0.43H2 O)およびH2 Ti1225(3TiO2 ・0.25H2 O)などである。
もちろん、式(12)〜式(14)のそれぞれに示した化合物のうちの2種類以上を併用してもよい。また、チタン酸化物、リチウムチタン複合酸化物および水素チタン化合物のうちの2種類以上を併用してもよい。
(他の負極材料)
なお、負極材料は、上記したチタン含有化合物と共に、他の負極材料のうちのいずれか1種類または2種類以上を含んでいてもよい。他の負極材料の種類は、特に限定されないが、例えば、炭素材料および金属系材料などである。
炭素材料は、炭素を構成元素として含む材料の総称である。リチウムの吸蔵時およびリチウムの放出時において炭素材料の結晶構造が変化しにくいため、高いエネルギー密度が安定に得られるからである。また、炭素材料は負極導電剤としても機能するため、負極活物質層22Bの導電性が向上するからである。
炭素材料は、例えば、易黒鉛化性炭素、難黒鉛化性炭素および黒鉛などである。ただし、難黒鉛化性炭素に関する(002)面の面間隔は、0.37nm以上であることが好ましいと共に、黒鉛に関する(002)面の面間隔は、0.34nm以下であることが好ましい。より具体的には、炭素材料は、例えば、熱分解炭素類、コークス類、ガラス状炭素繊維、有機高分子化合物焼成体、活性炭およびカーボンブラック類などである。このコークス類は、例えば、ピッチコークス、ニードルコークスおよび石油コークスなどを含む。有機高分子化合物焼成体は、フェノール樹脂およびフラン樹脂などの高分子化合物が適当な温度で焼成(炭素化)された焼成物である。この他、炭素材料は、約1000℃以下の温度で熱処理された低結晶性炭素でもよいし、非晶質炭素でもよい。なお、炭素材料の形状は、繊維状、球状、粒状および鱗片状のうちのいずれでもよい。
金属系材料は、金属元素および半金属元素のうちのいずれか1種類または2種類以上を構成元素として含む材料の総称である。高いエネルギー密度が得られるからである。ただし、上記したリチウムチタン複合酸化物は、ここで説明する金属系材料から除かれる。
金属系材料は、単体でもよいし、合金でもよいし、化合物でもよいし、それらのうちの2種類以上でもよいし、それらのうちの1種類または2種類以上の相を少なくとも一部に含む材料でもよい。ただし、合金は、2種類以上の金属元素からなる材料でもよいし、1種類または2種類以上の金属元素と1種類または2種類以上の半金属元素とを含む材料でもよいし、1種類または2種類以上の非金属元素を含んでいてもよい。この金属系材料の組織は、例えば、固溶体、共晶(共融混合物)、金属間化合物およびそれらの2種類以上の共存物などである。
金属元素は、例えば、リチウムと合金を形成することが可能である金属元素であると共に、半金属元素は、例えば、リチウムと合金を形成することが可能である半金属元素である。具体的には、金属元素および半金属元素は、例えば、マグネシウム(Mg)、ホウ素(B)、アルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)、インジウム(In)、ケイ素(Si)、ゲルマニウム(Ge)、スズ(Sn)、鉛(Pb)、ビスマス(Bi)、カドミウム(Cd)、銀(Ag)、亜鉛、ハフニウム(Hf)、ジルコニウム、イットリウム(Y)、パラジウム(Pd)および白金(Pt)などである。
中でも、ケイ素およびスズのうちの一方または双方が好ましい。リチウムを吸蔵すると共にリチウムを放出する能力が優れているため、著しく高いエネルギー密度が得られるからである。
ケイ素およびスズのうちの一方または双方を構成元素として含む材料は、ケイ素の単体でもよいし、ケイ素の合金でもよいし、ケイ素の化合物でもよいし、スズの単体でもよいし、スズの合金でもよいし、スズの化合物でもよいし、それらのうちの2種類以上でもよいし、それらのうちの1種類または2種類以上の相を少なくとも一部に含む材料でもよい。ここで説明する単体は、あくまで一般的な意味合いでの単体であるため、微量の不純物を含んでいてもよい。すなわち、単体の純度は、必ずしも100%に限られない。
ケイ素の合金は、例えば、ケイ素以外の構成元素として、スズ、ニッケル、銅、鉄、コバルト、マンガン、亜鉛、インジウム、銀、チタン、ゲルマニウム、ビスマス、アンチモンおよびクロムなどのうちのいずれか1種類または2種類以上を含んでいる。ケイ素の化合物は、例えば、ケイ素以外の構成元素として、炭素および酸素などのうちのいずれか1種類または2種類以上を含んでいる。なお、ケイ素の化合物は、例えば、ケイ素以外の構成元素として、ケイ素の合金に関して説明した一連の元素のうちのいずれか1種類または2種類以上を含んでいてもよい。
ケイ素の合金の具体例およびケイ素の化合物の具体例は、SiB4 、SiB6 、Mg2 Si、Ni2 Si、TiSi2 、MoSi2 、CoSi2 、NiSi2 、CaSi2 、CrSi2 、Cu5 Si、FeSi2 、MnSi2 、NbSi2 、TaSi2 、VSi2 、WSi2 、ZnSi2 、SiC、Si3 4 、Si2 2 O、SiOv (0<v≦2)、およびLiSiOなどである。なお、SiOv におけるvは、0.2<v<1.4でもよい。
スズの合金は、例えば、スズ以外の構成元素として、ケイ素、ニッケル、銅、鉄、コバルト、マンガン、亜鉛、インジウム、銀、チタン、ゲルマニウム、ビスマス、アンチモンおよびクロムなどのうちのいずれか1種類または2種類以上を含んでいる。スズの化合物は、例えば、スズ以外の構成元素として、炭素および酸素などのうちのいずれか1種類または2種類以上を含んでいる。なお、スズの化合物は、例えば、スズ以外の構成元素として、スズの合金に関して説明した一連の元素のうちのいずれか1種類または2種類以上を含んでいてもよい。
スズの合金およびスズの化合物の具体例は、SnOw (0<w≦2)、SnSiO3 、LiSnOおよびMg2 Snなどである。
特に、スズを構成元素として含む材料は、例えば、第1構成元素であるスズと共に第2構成元素および第3構成元素を含むスズ含有材料であることが好ましい。第2構成元素は、例えば、コバルト、鉄、マグネシウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、ニッケル、銅、亜鉛、ガリウム、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、銀、インジウム、セシウム(Ce)、ハフニウム(Hf)、タンタル、タングステン、ビスマスおよびケイ素などのうちのいずれか1種類または2種類以上を含んでいる。第3構成元素は、例えば、ホウ素、炭素、アルミニウムおよびリンなどのうちのいずれか1種類または2種類以上を含んでいる。高い電池容量および優れたサイクル特性などが得られるからである。
中でも、スズ含有材料は、スズとコバルトと炭素とを構成元素として含むスズコバルト炭素含有材料であることが好ましい。このスズコバルト炭素含有材料では、例えば、炭素の含有量が9.9質量%〜29.7質量%、スズおよびコバルトの含有量の割合(Co/(Sn+Co))が20質量%〜70質量%である。高いエネルギー密度が得られるからである。
スズコバルト炭素含有材料は、スズとコバルトと炭素とを含む相を有しており、その相は、低結晶性または非晶質であることが好ましい。この相は、リチウムと反応することが可能な相(反応相)であるため、その反応相の存在に起因して優れた特性が得られる。この反応相のX線回折により得られる回折ピークの半値幅(回折角2θ)は、特定X線としてCuKα線を用いると共に挿引速度を1°/minとした場合において、1°以上であることが好ましい。リチウムがより円滑に吸蔵および放出されると共に、電解液との反応性がより低減するからである。なお、スズコバルト炭素含有材料は、低結晶性または非晶質の相に加えて、各構成元素の単体または一部が含まれている相を含んでいてもよい。
X線回折により得られた回折ピークがリチウムと反応することが可能である反応相に対応するか否かに関しては、リチウムとの電気化学的反応の前後におけるX線回折チャートを比較することにより、容易に判断できる。例えば、リチウムとの電気化学的反応の前後において回折ピークの位置が変化すれば、その回折ピークは、リチウムと反応可能である反応相に対応する回折ピークである。この場合には、例えば、低結晶性または非晶質の反応相の回折ピークが2θ=20°〜50°の範囲に検出される。この反応相は、例えば、上記した一連の構成元素を含んでおり、主に、炭素の存在に起因して低結晶化または非晶質化していると考えられる。
スズコバルト炭素含有材料では、構成元素である炭素のうちの少なくとも一部が他の構成元素である金属元素または半金属元素と結合していることが好ましい。スズなどの凝集が抑制されると共に、スズなどの結晶化も抑制されるからである。元素の結合状態に関しては、例えば、X線光電子分光法(XPS)を用いて確認可能である。市販の装置では、例えば、軟X線としてAl−Kα線またはMg−Kα線などが用いられる。炭素のうちの一部または全部が金属元素または半金属元素などと結合している場合には、炭素の1s軌道(C1s)の合成波のピークが284.5eVよりも低いエネルギー領域に検出される。なお、金原子の4f軌道(Au4f)のピークは、84.0eVに得られるようにエネルギー較正されていることとする。通常、物質の表面には表面汚染炭素が存在しているため、その表面汚染炭素のC1sのピークのエネルギーを284.8eVとして、そのピークをエネルギー基準とする。XPS測定において、C1sのピークの波形は、表面汚染炭素に対応するピークとスズコバルト炭素含有材料中の炭素に対応するピークとを含んだ状態で得られる。このため、例えば、市販のソフトウエアを用いてピークを解析することにより、両者のピークを分離する。波形の解析では、最低束縛エネルギー側に存在する主ピークの位置をエネルギー基準(284.8eV)とする。
このスズコバルト炭素含有材料は、構成元素がスズ、コバルトおよび炭素だけである材料に限られない。このスズコバルト炭素含有材料は、例えば、スズ、コバルトおよび炭素に加えて、さらに、ケイ素、鉄、ニッケル、クロム、インジウム、ニオブ、ゲルマニウム、チタン、モリブデン、アルミニウム、リン、ガリウムおよびビスマスなどのうちのいずれか1種類または2種類以上を構成元素として含んでいてもよい。
スズコバルト炭素含有材料の他、スズとコバルトと鉄と炭素とを構成元素として含むスズコバルト鉄炭素含有材料も好ましい。このスズコバルト鉄炭素含有材料の組成は、任意である。一例を挙げると、鉄の含有量を少なめに設定する場合は、炭素の含有量が9.9質量%〜29.7質量%、鉄の含有量が0.3質量%〜5.9質量%、スズおよびコバルトの含有量の割合(Co/(Sn+Co))が30質量%〜70質量%である。また、鉄の含有量を多めに設定する場合は、炭素の含有量が11.9質量%〜29.7質量%、スズ、コバルトおよび鉄の含有量の割合((Co+Fe)/(Sn+Co+Fe))が26.4質量%〜48.5質量%、コバルトおよび鉄の含有量の割合(Co/(Co+Fe))が9.9質量%〜79.5質量%である。このような組成範囲において、高いエネルギー密度が得られるからである。なお、スズコバルト鉄炭素含有材料の物性(半値幅など)は、上記したスズコバルト炭素含有材料の物性と同様である。
この他、他の負極材料は、例えば、金属酸化物および高分子化合物などでもよい。金属酸化物は、例えば、酸化鉄、酸化ルテニウムおよび酸化モリブデンなどである。高分子化合物は、例えば、ポリアセチレン、ポリアニリンおよびポリピロールなどである。
負極結着剤に関する詳細は、例えば、上記した正極結着剤に関する詳細と同様である。また、負極導電剤に関する詳細は、例えば、上記した負極導電剤に関する詳細と同様である。
なお、負極活物質層22Bは、例えば、塗布法、気相法、液相法、溶射法および焼成法(焼結法)などのうちのいずれか1種類または2種類以上の方法を用いて形成されている。塗布法は、例えば、粒子(粉末)状の負極活物質および負極結着剤などが溶媒に溶解または分散された溶液を調製したのち、その溶液を負極集電体22Aに塗布する方法である。気相法は、例えば、物理堆積法および化学堆積法などであり、より具体的には、真空蒸着法、スパッタ法、イオンプレーティング法、レーザーアブレーション法、熱化学気相成長、化学気相成長(CVD)法およびプラズマ化学気相成長法などである。液相法は、例えば、電解鍍金法および無電解鍍金法などである。溶射法は、溶融状態または半溶融状態の負極活物質を負極集電体22Aに噴き付ける方法である。焼成法は、例えば、上記した溶液を負極集電体22Aに塗布したのち、負極結着剤などの融点よりも高い温度で溶液を熱処理する方法である。この焼成法は、例えば、雰囲気焼成法、反応焼成法およびホットプレス焼成法などである。
この二次電池では、上記したように、充電途中において負極22の表面にリチウム金属が意図せずに析出することを防止するために、リチウムを吸蔵および放出することが可能である負極材料の電気化学当量は、正極の電気化学当量よりも大きいことが好ましい。この場合には、完全充電時の開回路電圧(すなわち電池電圧)が4.25V以上であると、4.20Vである場合と比較して、同じ正極活物質を用いても単位質量当たりのリチウムの放出量が多くなることを考慮して、正極活物質の量と負極活物質の量とが互いに調整されている。これにより、高いエネルギー密度が得られる。
[セパレータ]
セパレータ23は、例えば、図2に示したように、正極21と負極22との間に介在することにより、正極21と負極22との接触に起因する電流の短絡を防止しながらリチウムイオンを通過させる。
具体的には、セパレータ23は、例えば、合成樹脂およびセラミックなどの多孔質膜のうちのいずれか1種類または2種類以上を含んでおり、2種類以上の多孔質膜の積層膜でもよい。合成樹脂は、例えば、ポリテトラフルオロエチレン、ポリプロピレンおよびポリエチレンなどである。
特に、セパレータ23は、例えば、上記した多孔質膜(基材層)と、その基材層の片面または両面に設けられた高分子化合物層とを含んでいてもよい。正極21に対するセパレータ23の密着性が向上すると共に、負極22に対するセパレータ23の密着性が向上するため、巻回電極体20の歪みが抑制されるからである。これにより、電解液の分解反応が抑制されると共に、基材層に含浸された電解液の漏液も抑制されるため、充放電を繰り返しても電気抵抗が上昇しにくくなると共に二次電池が膨れにくくなる。
高分子化合物層は、例えば、ポリフッ化ビニリデンなどの高分子化合物のうちのいずれか1種類または2種類以上を含んでいる。物理的強度に優れていると共に、電気化学的に安定だからである。ただし、高分子化合物の種類は、ポリフッ化ビニリデンに限定されない。この高分子化合物層を形成する場合には、例えば、有機溶剤などに高分子化合物が溶解または分散された溶液を基材層に塗布したのち、その基材層を乾燥させる。または、溶液中に基材層を浸漬させたのち、その基材層を乾燥させてもよい。
なお、高分子化合物層は、例えば、無機粒子などの絶縁性粒子のうちのいずれか1種類または2種類以上を含んでいてもよい。セパレータ23が酸化されにくくなることに起因して短絡が発生しにくくなるため、二次電池の安全性が向上するからである。無機粒子の種類は、例えば、酸化アルミニウムおよび窒化アルミニウムなどである。
[電解液]
巻回電極体20には、上記したように、電解液が含浸されている。すなわち、電解液は、例えば、正極21、負極22およびセパレータ23のそれぞれに含浸されている。
(ジカルボニル化合物)
この電解液は、ジカルボニル化合物のうちのいずれか1種類または2種類以上を含んでいる。このジカルボニル化合物は、後述するように、2個のカルボニル基(−C(=O)−)を有する環状または鎖状の化合物の総称である。
具体的には、ジカルボニル化合物は、下記の式(1)〜式(6)のそれぞれで表される化合物である。特に、電解液中におけるジカルボニル化合物の含有量は、0.01重量%〜5重量%である。ここで説明するジカルボニル化合物の含有量とは、電解液が2種類以上のジカルボニル化合物を含んでいる場合には、その2種類以上のジカルボニル化合物のそれぞれの含有量の総和である。
Figure 0006934941
(R101、R104、R109およびR112のそれぞれは、アルキレン基である。R102、R103、R106、R107、R110およびR111のそれぞれは、水素基、アルキル基、カルボキシル基およびアルキルカルボキシル基のうちのいずれかである。R105およびR108のそれぞれは、水素基、1価の炭化水素基、シリル基(−SiR3 )およびアルカリ金属のうちのいずれかである。R113およびR114のそれぞれは、3価の炭化水素基である。ただし、R101はなくてもよいと共に、R109およびR112のそれぞれはなくてもよい。R102およびR103は互いに結合されていてもよく、R106およびR107は互いに結合されていてもよく、R110およびR111は互いに結合されていてもよい。3つのRのそれぞれは、水素基および1価の炭化水素基のうちのいずれかである。n1、n2およびn3のそれぞれは、2以上の整数である。)
電解液がジカルボニル化合物を含んでいるのは、充放電時においてジカルボニル化合物に由来する被膜が負極22の表面に形成されるからである。特に、上記したように負極22がチタン含有化合物を含んでいる場合において、電解液が上記した所定(適正)量のジカルボニル化合物を含んでいると、そのジカルボニル化合物に由来する被膜により負極22の表面が十分かつ安定に保護されるため、初回の充放電時における不可逆容量が特異的に減少する。これにより、初回の充放電時から高い放電容量が得られると共に、充放電を繰り返しても放電容量が減少しにくくなる。
以下では、ジカルボニル化合物の種類を区別するために、式(1)に示した化合物を「第1ジカルボニル化合物」、式(2)に示した化合物を「第2ジカルボニル化合物」、式(3)に示した化合物を「第3ジカルボニル化合物」、式(4)に示した化合物を「第4ジカルボニル化合物」、式(5)に示した化合物を「第5ジカルボニル化合物」、式(6)に示した化合物を「第6ジカルボニル化合物」とそれぞれ呼称する。
また、随時、第1ジカルボニル化合物、第2ジカルボニル化合物、第3ジカルボニル化合物、第4ジカルボニル化合物、第5ジカルボニル化合物および第6ジカルボニル化合物をまとめて「ジカルボニル化合物」と総称する。
(第1ジカルボニル化合物)
第1ジカルボニル化合物は、式(1)に示したように、環がジカルボン酸無水物結合(−C(=O)−O−C(=O)−)および炭素間二重結合(−C(−R102)=C(−R103)−)を含んでいる環状の化合物である。
R101の種類は、上記したように、アルキレン基であれば、特に限定されない。このアルキレン基は、例えば、メチレン基、エチレン基、プロピレン基およびブチレン基などである。このため、第1ジカルボニル化合物のうちの環は、六員環でもよいし、七員環以上の環でもよい。なお、アルキレン基は、例えば、直鎖状でもよいし、1個または2個以上の側鎖を有する分岐状でもよい。
アルキレン基の炭素数は、特に限定されないが、中でも、1〜6であることが好ましい。第1ジカルボニル化合物の溶解性および相溶性などが向上するからである。
ただし、R101は、なくてもよい。R101がない場合には、式(1)から明らかなように、R101を挟むように配置されている2個の炭素原子が互いに結合される。2個の炭素原子のうちの一方の炭素原子は、カルボニル基を形成している炭素原子であると共に、その2個の炭素原子のうちの他方の炭素原子は、R102が結合されている炭素原子である。このため、第1ジカルボニル化合物のうちの環は、上記した六員環以上の環に限られず、五員環でもよい。
R102およびR103のそれぞれの種類は、上記したように、水素基、アルキル基、カルボキシル基およびアルキルカルボキシル基のうちのいずれかであれば、特に限定されない。R102およびR103のそれぞれは、互いに同じ基でもよいし、互いに異なる基でもよい。
アルキル基は、例えば、メチル基、エチル基、プロピル基およびブチル基などである。なお、アルキル基は、例えば、直鎖状でもよいし、1個または2個以上の側鎖を有する分岐状でもよい。
アルキル基の炭素数は、特に限定されないが、中でも、1〜6であることが好ましい。第1ジカルボニル化合物の溶解性および相溶性などが向上するからである。
アルキルカルボキシル基は、アルキル基とカルボキシル基とが互いに結合された1価の基である。すなわち、アルキルカルボキシル基は、アルキレン基とカルボキシル基とが互いに結合された基である。アルキレン基に関する詳細は、上記した通りである。このアルキルカルボキシル基は、例えば、メチルカルボキシル基、エチルカルボキシル基、プロピルカルボキシル基およびブチルカルボキシル基などである。
アルキルカルボキシル基のうち、カルボキシル基以外の部分(アルキレン基)の炭素数は、特に限定されないが、中でも、1〜6であることが好ましい。第1ジカルボニル化合物の溶解性および相溶性などが向上するからである。
ただし、R102およびR103は、互いに結合されていてもよい。この場合には、R102とR103とが互いに結合されることにより、環が形成される。R103と結合されるR102中の位置は、特に限定されないため、R102の末端でもよいし、R102の途中でもよい。同様に、R102と結合されるR103中の位置は、特に限定されないため、R103の末端でもよいし、R103の途中でもよい。
(第2ジカルボニル化合物)
第2ジカルボニル化合物は、式(2)に示したように、環がジカルボン酸無水物結合を含んでいると共にその環にメチレン基(=CH2 )が結合されている環状の化合物である。
R104の種類および炭素数などに関する詳細は、上記したR101の種類および炭素数などに関する詳細と同様である。このため、第2ジカルボニル化合物のうちの環は、五員環でもよいし、六員環以上の環でもよい。
(第3ジカルボニル化合物)
第3ジカルボニル化合物は、式(3)に示したように、炭素間二重結合(−C(−R106)=C(−R107)−)に2個のカルボキシル型基(−C(=O)−OR105および−C(=O)−OR108)が結合されている鎖状の化合物である。
R105およびR108のそれぞれの種類は、上記したように、水素基、1価の炭化水素基、シリル基およびアルカリ金属のうちのいずれかであれば、特に限定されない。
1価の炭化水素基は、炭素および水素により形成されている1価の基の総称であり、直鎖状でもよいし、1個または2個以上の側鎖を有する分岐状でもよいし、環状でもよい。また、1価の炭化水素基は、1個または2個以上の炭素間不飽和結合を含んでいてもよいし、その炭素間不飽和結合を含んでいなくてもよい。この炭素間不飽和結合は、炭素間二重結合(>C=C<)および炭素間三重結合(−C≡C−)のうちの一方または双方である。
具体的には、1価の炭化水素基は、例えば、アルキル基、アルケニル基、アルキニル基、シクロアルキル基、アリール基および結合基のうちのいずれかである。負極22の表面に十分に強固な被膜が形成されやすくなるからです。この結合基は、アルキル基、アルケニル基、アルキニル基、シクロアルキル基およびアリール基のうちの2種類以上が互いに結合された1価の基である。
アルキル基の種類は、特に限定されないが、例えば、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基、ヘプチル基、オクチル基、ノニル基およびデシル基などである。アルケニル基の種類は、特に限定されないが、例えば、エテニル基、プロペニル基、ブテニル基、ペンテニル基、ヘキセニル基、ヘプテニル基、オクテニル基、ノネニル基およびデセニル基などである。アルキニル基の種類は、特に限定されないが、例えば、エチニル基、プロピニル基、ブチニル基、ペンチニル基、ヘキシニル基、ヘプチニル基、オクチニル基、ノニリル基およびデシニル基などである。シクロアルキル基の種類は、特に限定されないが、例えば、シクロプロピル基、シクロブチル基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基およびシクロデシル基などである。アリール基の種類は、特に限定されないが、例えば、フェニル基およびナフチル基などである。
結合基の種類は、アルキル基、アルケニル基、アルキニル基、シクロアルキル基およびアリール基のうちの2種類以上が互いに結合された1価の基であれば、特に限定されない。
アルキル基の炭素数は、特に限定されないが、中でも、1〜6であることが好ましい。アルケニル基およびアルキニル基のそれぞれの炭素数は、特に限定されないが、中でも、2〜6であることが好ましい。シクロアルキル基およびアリール基のそれぞれの炭素数は、特に限定されないが、中でも、6〜18であることが好ましい。第3ジカルボニル化合物の溶解性および相溶性などが向上するからである。
シリル基に含まれる3つのR(1価の炭化水素基およびその炭素数)に関する詳細は、上記した通りである。3つのRは、互いに同じ基でもよいし、互いに異なる基でもよい。もちろん、3つのRのうちの2つだけが互いに同じ基でもよい。
アルカリ金属は、長周期型周期表における1族に属する元素である。具体的には、アルカリ金属は、例えば、リチウム(Li)、ナトリウム(Na)、カリウム(K)、ルビジウム(Rb)、セシウム(Cs)およびフランシウム(Fr)のうちのいずれかである。
R106およびR107のそれぞれの種類および炭素数などに関する詳細は、上記したR102の種類および炭素数などに関する詳細と同様である。
ただし、R106およびR107は、互いに結合されていてもよい。この場合には、R106とR107とが互いに結合されることにより、環が形成される。R106中の結合位置およびR107中の結合位置のそれぞれに関する詳細は、上記したR102中の結合位置に関する詳細と同様である。
ここで説明する第3ジカルボニル化合物には、幾何異性体が含まれる。すなわち、第3ジカルボニル化合物は、シス異性体でもよいし、トランス異性体でもよい。
(第4ジカルボニル化合物)
第4ジカルボニル化合物は、式(4)に示したように、繰り返し単位を含む高分子化合物であり、その繰り返し単位は、ジカルボン酸無水物結合を有する五員環(無水コハク酸)を含んでいる。
R109およびR112のそれぞれの種類および炭素数などに関する詳細は、上記したR101の種類および炭素数などに関する詳細と同様である。また、R110およびR111のそれぞれの種類および炭素数などに関する詳細は、上記したR102の種類および炭素数などに関する詳細と同様である。
ただし、R110およびR111は、互いに結合されていてもよい。この場合には、R110とR111とが互いに結合されることにより、環が形成される。R110中の結合位置およびR111中の結合位置のそれぞれに関する詳細は、上記したR102中の結合位置に関する詳細と同様である。
n1の値は、上記したように、2以上の整数であれば、特に限定されない。具体的には、第4ジカルボニル化合物の重量平均分子量は、特に限定されないが、中でも、1000〜5000000であることが好ましい。負極22の表面により強固な被膜が形成されやすくなるからである。
(第5ジカルボニル化合物)
第5ジカルボニル化合物は、式(5)に示したように、繰り返し単位を含む高分子化合物であり、その繰り返し単位は、ジカルボン酸無水物結合を有する五員環(無水コハク酸)を含んでいる。
R113の種類は、上記したように、3価の炭化水素基であれば、特に限定されない。この3価の炭化水素基は、炭素および水素により形成されている3価の基の総称であり、直鎖状でもよいし、1個または2個以上の側鎖を有する分岐状でもよいし、環状でもよい。また、3価の炭化水素基は、1個または2個以上の炭素間不飽和結合を含んでいてもよいし、その炭素間不飽和結合を含んでいなくてもよい。この炭素間不飽和結合は、炭素間二重結合(>C=C<)および炭素間三重結合(−C≡C−)のうちの一方または双方である。
具体的には、3価の炭化水素基は、例えば、アルカン、アルケン、アルキン、脂環式炭化水素、芳香族炭化水素および結合化合物のそれぞれから3個の水素基が脱離した基のうちのいずれかである。負極22の表面に十分に強固な被膜が形成されやすくなるからです。この結合化合物は、アルカン、アルケン、アルキン、脂環式炭化水素、芳香族炭化水素のうちの2種類以上が互いに結合された化合物である。なお、水素基が脱離される位置は、特に限定されない。
アルカンの種類は、特に限定されないが、例えば、メタン、エタン、プロパン、ブタン、ペンタン、ヘキサン、ヘプタン、オクタン、ノナンおよびデカンなどである。アルケンの種類は、特に限定されないが、例えば、エチレン(エテン)、プロペン(プロピレン)、ブテン、ペンテン、ヘキセン、ヘプテン、オクテン、ノネンおよびデセンなどである。アルキンの種類は、特に限定されないが、例えば、エチン(アセチレン)、プロピン、ブチン、ペンチン、ヘキシン、ヘプチン、オクチン、ノニンおよびデシンなどである。脂環式炭化水素の種類は、特に限定されないが、例えば、シクロプロパン、シクロブタン、シクロペンタン、シクロヘキサン、シクロヘプタン、シクロオクタン、シクロノナンおよびシクロデカンなどである。芳香族炭化水素の種類は、特に限定されないが、例えば、ベンゼン、ナフタレン、アントラセン、ビフェニルおよびターフェニルなどである。
結合化合物の種類は、アルカン、アルケン、アルキン、脂環式炭化水素、芳香族炭化水素のうちの2種類以上が互いに結合された化合物から3個の水素基が脱離した基であれば、特に限定されない。
なお、R113は、全体として3価の炭化水素基であれば、1個または2個以上の繰り返し単位を含んでいてもよい。ここで説明する繰り返し単位は、例えば、2価の炭化水素基であり、その2価の炭化水素基に関する詳細は、3個の水素基の代わりに2個の水素基が脱離した基であることを除いて、上記した3価の炭化水素基に関する詳細と同様である。
n2に関する詳細は、上記したn1に関する詳細と同様である。すなわち、第5ジカルボニル化合物の重量平均分子量は、特に限定されないが、中でも、1000〜5000000であることが好ましい。負極22の表面により強固な被膜が形成されやすくなるからである。
(第6ジカルボニル化合物)
第6ジカルボニル化合物は、式(6)に示したように、繰り返し単位を含む高分子化合物であり、その繰り返し単位は、ジカルボン酸無水物結合を有する五員環(無水マレイン酸)を含んでいる。
R114の種類に関する詳細は、上記したR113の種類に関する詳細と同様である。
n3に関する詳細は、上記したn1に関する詳細と同様である。すなわち、第6ジカルボニル化合物の重量平均分子量は、特に限定されないが、中でも、1000〜5000000であることが好ましい。負極22の表面により強固な被膜が形成されやすくなるからである。
(好適なジカルボニル化合物)
中でも、ジカルボニル化合物は、以下で説明する化合物であることが好ましい。
(好適な第1ジカルボニル化合物)
第1ジカルボニル化合物は、下記の式(7)および式(8)のそれぞれで表される化合物のうちの一方または双方であることが好ましい。負極22の表面により強固な被膜が形成されやすくなるからである。
Figure 0006934941
(R115、R116、R117、R118、R119およびR120のそれぞれは、水素基、アルキル基、カルボキシル基およびアルキルカルボキシル基のうちのいずれかである。ただし、R115およびR116は互いに結合されていてもよいと共に、R117〜R120のうちの任意の2つは互いに結合されていてもよい。)
式(7)に示した化合物は、五員環を含む化合物である。R115およびR116のそれぞれに関する詳細は、上記したR102およびR103のそれぞれに関する詳細と同様である。このため、R115およびR116は、互いに結合されていてもよい。
式(8)に示した化合物は、六員環を含む化合物である。R117〜R120のそれぞれに関する詳細は、上記したR102およびR103のそれぞれに関する詳細と同様である。このため、R117〜R120のうちの任意の2つは、互いに結合されていてもよい。
(好適な第2ジカルボニル化合物)
第2ジカルボニル化合物は、下記の式(9)で表される化合物であることが好ましい。負極22の表面により強固な被膜が形成されやすくなるからである。
Figure 0006934941
(R121およびR122のそれぞれは、水素基、アルキル基、カルボキシル基およびアルキルカルボキシル基のうちのいずれかである。ただし、R121およびR122は互いに結合されていてもよい。)
式(9)に示した化合物は、五員環を含む化合物である。R121およびR122のそれぞれに関する詳細は、上記したR102およびR103のそれぞれに関する詳細と同様である。このため、R121およびR122は、互いに結合されていてもよい。
(好適な第4ジカルボニル化合物)
第4ジカルボニル化合物は、下記の式(10)で表される化合物であることが好ましい。負極22の表面により強固な被膜が形成されやすくなるからである。
Figure 0006934941
(R123は、アルキレン基である。n4は、2以上の整数である。)
R123に関する詳細は、上記したR109に関する詳細と同様であると共に、n3に関する詳細は、上記したn1に関する詳細と同様である。
(ジカルボニル化合物の具体例)
第1ジカルボニル化合物の具体例は、下記の式(1−1)〜式(1−6)のそれぞれで表される化合物などである。第2ジカルボニル化合物の具体例は、下記の式(1−7)で表される化合物などである。第3ジカルボニル化合物の具体例は、下記の式(1−8)〜式(1−13)のそれぞれで表される化合物などである。第4ジカルボニル化合物の具体例は、下記の式(1−14)で表される化合物などである。第5ジカルボニル化合物の具体例は、下記の式(1−15)で表される化合物などである。第6ジカルボニル化合物の具体例は、下記の式(1−16)で表される化合物などである。式(1−14)に示した化合物は、PEMA(ポリ(エチレン−alt−マレイン酸無水物))である。なお、n5〜n11のそれぞれに関する詳細は、上記したn1に関する詳細と同様である。
Figure 0006934941
(n5、n6、n7、n8、n9、n10およびn11のそれぞれは、2以上の整数である。)
中でも、第1ジカルボニル化合物、第2ジカルボニル化合物、第3ジカルボニル化合物、第4ジカルボニル化合物、第5ジカルボニル化合物および第6ジカルボニル化合物のうち、第4ジカルボニル化合物、第5ジカルボニル化合物および第6ジカルボニル化合物が好ましい。負極22の表面に高分子化合物を含む被膜が形成されるため、その被膜の強度が著しく高くなるからである。
(他の材料)
なお、電解液は、上記したジカルボニル化合物と共に、他の材料のうちのいずれか1種類または2種類以上を含んでいてもよい。他の材料の種類は、特に限定されないが、例えば、溶媒および電解質塩などである。
(溶媒)
溶媒は、例えば、非水溶媒(有機溶剤)などのうちのいずれか1種類または2種類以上である。非水溶媒を含む電解液は、いわゆる非水電解液である。
非水溶媒は、例えば、環状炭酸エステル、鎖状炭酸エステル、ラクトン、鎖状カルボン酸エステルおよびニトリル(モノニトリル)化合物などである。優れた電池容量、サイクル特性および保存特性などが得られるからである。
環状炭酸エステルの具体例は、炭酸エチレン、炭酸プロピレンおよび炭酸ブチレンなどである。鎖状炭酸エステルの具体例は、炭酸ジメチル、炭酸ジエチル、炭酸エチルメチルおよび炭酸メチルプロピルなどである。ラクトンの具体例は、γ−ブチロラクトンおよびγ−バレロラクトンなどである。鎖状カルボン酸エステルの具体例は、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、プロピオン酸プロピル、酪酸メチル、イソ酪酸メチル、トリメチル酢酸メチルおよびトリメチル酢酸エチルなどである。ニトリル化合物の具体例は、アセトニトリル、メトキシアセトニトリルおよび3−メトキシプロピオニトリルなどである。
この他、非水溶媒は、例えば、1,2−ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、テトラヒドロピラン、1,3−ジオキソラン、4−メチル−1,3−ジオキソラン、1,3−ジオキサン、1,4−ジオキサン、N,N−ジメチルホルムアミド、N−メチルピロリジノン、N−メチルオキサゾリジノン、N,N’−ジメチルイミダゾリジノン、ニトロメタン、ニトロエタン、スルホラン、燐酸トリメチルおよびジメチルスルホキシドなどでもよい。同様の利点が得られるからである。
中でも、非水溶媒は、炭酸エチレン、炭酸プロピレン、炭酸ジメチル、炭酸ジエチルおよび炭酸エチルメチルなどのうちのいずれか1種類または2種類以上を含んでいることが好ましい。高い電池容量、優れたサイクル特性および優れた保存特性などが得られるからである。
この場合には、炭酸エチレンおよび炭酸プロピレンなどの高粘度(高誘電率)溶媒(例えば比誘電率ε≧30)と、炭酸ジメチル、炭酸エチルメチルおよび炭酸ジエチルなどの低粘度溶媒(例えば粘度≦1mPa・s)との組み合わせがより好ましい。電解質塩の解離性およびイオンの移動度が向上するからである。
また、非水溶媒は、例えば、不飽和環状炭酸エステル、ハロゲン化炭酸エステル、スルホン酸エステル、酸無水物、ジニトリル化合物、ジイソシアネート化合物およびリン酸エステルなどである。電解液の化学的安定性がより向上するからである。
不飽和環状炭酸エステルは、1個または2個以上の不飽和炭素結合(炭素間二重結合)を有する環状炭酸エステルの総称である。具体的には、不飽和環状炭酸エステルは、下記の式(11)〜式(13)のそれぞれで表される化合物などである。非水溶媒中における不飽和環状炭酸エステルの含有量は、特に限定されないが、例えば、0.01重量%〜10重量%である。
Figure 0006934941
(R11およびR12のそれぞれは、水素基およびアルキル基のうちのいずれかである。R13〜R16のそれぞれは、水素基、アルキル基、ビニル基およびアリル基のうちのいずれかであり、R13〜R16のうちの少なくとも1つは、ビニル基およびアリル基のうちのいずれかである。R17は、>CR171R172で表される基であり、R171およびR172のそれぞれは、水素基およびアルキル基のうちのいずれかである。)
式(11)に示した化合物は、炭酸ビニレン系化合物である。R11およびR12のそれぞれは、上記したように、水素基およびアルキル基のうちのいずれかであれば、特に限定されない。アルキル基の炭素数は、特に限定されない。アルキル基の具体例は、メチル基、エチル基およびプロピル基などである。なお、R11およびR12のそれぞれは、互いに同じ基でもよいし、互いに異なる基でもよい。また、R11およびR12は、互いに結合されていてもよい。
炭酸ビニレン系化合物の具体例は、炭酸ビニレン(1,3−ジオキソール−2−オン)、炭酸メチルビニレン(4−メチル−1,3−ジオキソール−2−オン)、炭酸エチルビニレン(4−エチル−1,3−ジオキソール−2−オン)、4,5−ジメチル−1,3−ジオキソール−2−オンおよび4,5−ジエチル−1,3−ジオキソール−2−オンなどである。
式(12)に示した化合物は、炭酸ビニルエチレン系化合物である。R13〜R16のそれぞれは、上記したように、水素基、アルキル基、ビニル基およびアリル基のうちのいずれかであれば、特に限定されない。ただし、R13〜R16のうちの1つ以上がビニル基およびアリル基のうちのいずれかであることを条件とする。アルキル基に関する詳細は、上記した通りである。なお、R13〜R16のそれぞれは、互いに同じ基でもよいし、互いに異なる基でもよい。もちろん、R13〜R16のうちの一部が互いに同じ基でもよい。R13〜R16のうちの2つ以上は、互いに結合されていてもよい。
炭酸ビニルエチレン系化合物の具体例は、炭酸ビニルエチレン(4−ビニル−1,3−ジオキソラン−2−オン)、4−メチル−4−ビニル−1,3−ジオキソラン−2−オン、4−エチル−4−ビニル−1,3−ジオキソラン−2−オン、4−n−プロピル−4−ビニル−1,3−ジオキソラン−2−オン、5−メチル−4−ビニル−1,3−ジオキソラン−2−オン、4,4−ジビニル−1,3−ジオキソラン−2−オンおよび4,5−ジビニル−1,3−ジオキソラン−2−オンなどである。
式(13)に示した化合物は、炭酸メチレンエチレン系化合物である。R171およびR172のそれぞれは、上記したように、水素基およびアルキル基のうちのいずれかであれば、特に限定されない。なお、R171およびR172のそれぞれは、互いに同じ基でもよいし、互いに異なる基でもよい。R171およびR172は、互いに結合されていてもよい。
炭酸メチレンエチレン系化合物の具体例は、炭酸メチレンエチレン(4−メチレン−1,3−ジオキソラン−2−オン)、4,4−ジメチル−5−メチレン−1,3−ジオキソラン−2−オンおよび4,4−ジエチル−5−メチレン−1,3−ジオキソラン−2−オンなどである。
この他、不飽和環状炭酸エステルは、例えば、ベンゼン環を有する炭酸カテコール(カテコールカーボネート)などでもよい。
ハロゲン化炭酸エステルは、1個または2個以上のハロゲン元素を構成元素として含んでいる環状または鎖状の炭酸エステルの総称である。具体的には、ハロゲン化炭酸エステルは、例えば、下記の式(14)および式(15)のそれぞれで表される化合物などである。水溶媒中におけるハロゲン化炭酸エステルの含有量は、特に限定されないが、例えば、0.01重量%〜10重量%である。
Figure 0006934941
(R18〜R21のそれぞれは、水素基、ハロゲン基、アルキル基およびハロゲン化アルキル基のうちのいずれかであり、R18〜R21のうちの少なくとも1つは、ハロゲン基およびハロゲン化アルキル基のうちのいずれかである。R22〜R27のそれぞれは、水素基、ハロゲン基、アルキル基およびハロゲン化アルキル基のうちのいずれかであり、R22〜R27のうちの少なくとも1つは、ハロゲン基およびハロゲン化アルキル基のうちのいずれかである。)
式(14)に示した化合物は、ハロゲン化環状炭酸エステルである。R18〜R21のそれぞれは、上記したように、水素基、ハロゲン基、アルキル基およびハロゲン化アルキル基のうちのいずれかであれば、特に限定されない。ただし、R18〜R21のうちの1つ以上がハロゲン基およびハロゲン化アルキル基のうちのいずれかであることを条件とする。なお、R18〜R21のそれぞれは、互いに同じ基でもよいし、互いに異なる基でもよい。もちろん、R18〜R21のうちの一部が互いに同じ基でもよい。また、R18〜R21のうちの任意の2つ以上は、互いに結合されていてもよい。
ハロゲン基は、例えば、フッ素基、塩素基、臭素基およびヨウ素基などである。中でも、フッ素基が好ましい。ハロゲン基の数は、1個だけでもよいし、2個以上でもよい。ハロゲン基の種類は、1種類だけでもよいし、2種類以上でもよい。アルキル基に関する詳細は、上記した通りである。ハロゲン化アルキル基は、アルキル基のうちの1個または2個以上の水素基がハロゲン基により置換(ハロゲン化)された基の総称であり、そのハロゲン基に関する詳細は、上記した通りである。
ハロゲン化環状炭酸エステルの具体例は、下記の式(14−1)〜式(14−21)のそれぞれで表される化合物などである。ただし、ここで説明するハロゲン化環状炭酸エステルの具体例には、幾何異性体も含まれる。中でも、式(14−1)に示した4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンおよび式(14−3)に示した4,5−ジフルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンなどが好ましい。
Figure 0006934941
式(15)に示した化合物は、ハロゲン化鎖状炭酸エステルである。R22〜R27のそれぞれは、上記したように、水素基、ハロゲン基、アルキル基およびハロゲン化アルキル基のうちのいずれかであれば、特に限定されない。ただし、R22〜R27のうちの1つ以上がハロゲン基およびハロゲン化アルキル基のうちのいずれかであることを条件とする。ハロゲン基、アルキル基およびハロゲン化アルキル基のそれぞれに関する詳細は、上記した通りである。なお、R22〜R27のそれぞれは、互いに同じ基でもよいし、互いに異なる基でもよい。もちろん、R22〜R27のうちの一部が互いに同じ基でもよい。また、R22〜R27のうちの2つ以上は、互いに結合されていてもよい。
ハロゲン化鎖状炭酸エステルの具体例は、炭酸フルオロメチルメチル、炭酸ビス(フルオロメチル)および炭酸ジフルオロメチルメチルなどである。
スルホン酸エステルは、例えば、モノスルホン酸エステルおよびジスルホン酸エステルである。非水溶媒中におけるスルホン酸エステルの含有量は、特に限定されないが、例えば、0.01重量%〜10重量%である。
モノスルホン酸エステルは、環状モノスルホン酸エステルでもよいし、鎖状モノスルホン酸エステルでもよい。環状モノスルホン酸エステルの具体例は、1,3−プロパンスルトンおよび1,3−プロペンスルトンなどのスルトンである。鎖状モノスルホン酸エステルの具体例は、環状モノスルホン酸エステルが途中で切断された化合物などである。
ジスルホン酸エステルは、環状ジスルホン酸エステルでもよいし、鎖状ジスルホン酸エステルでもよい。環状ジスルホン酸エステルの具体例は、下記の式(16−1)〜式(16−3)のそれぞれで表される化合物などである。鎖状ジスルホン酸エステルの具体例は、環状ジスルホン酸エステルが途中で切断された化合物などである。
Figure 0006934941
酸無水物は、例えば、カルボン酸無水物、ジスルホン酸無水物およびカルボン酸スルホン酸無水物などである。非水溶媒中における酸無水物の含有量は、特に限定されないが、例えば、0.01重量%〜10重量%である。
カルボン酸無水物の具体例は、無水コハク酸、無水グルタル酸および無水マレイン酸などである。ジスルホン酸無水物の具体例は、無水エタンジスルホン酸および無水プロパンジスルホン酸などである。カルボン酸スルホン酸無水物の具体例は、無水スルホ安息香酸、無水スルホプロピオン酸および無水スルホ酪酸などである。
ジニトリル化合物は、例えば、NC−R28−CN(R28は、アルキレン基およびアリーレン基のうちのいずれかである。)で表される化合物である。非水溶媒中におけるジニトリル化合物の含有量は、特に限定されないが、例えば、0.5重量%〜5重量%である。
アルキレン基は、例えば、メチレン基、エチレン基およびプロピレン基などであると共に、アリーレン基は、例えば、フェニレン基およびナフチレン基などである。アルキレン基の炭素数は、特に限定されないが、例えば、1〜18であると共に、アリーレン基の炭素数は、特に限定されないが、例えば、6〜18である。
ジニトリル化合物の具体例は、スクシノニトリル(NC−C2 4 −CN)、グルタロニトリル(NC−C3 6 −CN)、アジポニトリル(NC−C4 8 −CN)、セバコニトリル(NC−C8 10−CN)およびフタロニトリル(NC−C6 4 −CN)などである。
ジイソシアネート化合物は、例えば、OCN−R29−NCO(R29は、アルキレン基およびアリーレン基のうちのいずれかである。)で表される化合物である。アルキレン基およびアリーレン基のそれぞれに関する詳細は、例えば、上記した通りである。非水溶媒中におけるジイソシアネート化合物の含有量は、特に限定されないが、例えば、0.1重量%〜10重量%である。ジイソシアネート化合物の具体例は、OCN−C6 12−NCOなどである。
リン酸エステルの具体例は、リン酸トリメチル、リン酸トリエチルおよびリン酸トリアリルなどである。なお、非水溶媒中におけるリン酸エステルの含有量は、特に限定されないが、例えば、0.5重量%〜5重量%である。
(電解質塩)
電解質塩は、例えば、リチウム塩などのうちのいずれか1種類または2種類以上である。ただし、電解質塩は、例えば、リチウム塩以外の塩を含んでいてもよい。リチウム塩以外の塩とは、例えば、リチウム以外の軽金属の塩などである。
リチウム塩の具体例は、六フッ化リン酸リチウム(LiPF6 )、四フッ化ホウ酸リチウム(LiBF4 )、過塩素酸リチウム(LiClO4 )、六フッ化ヒ酸リチウム(LiAsF6 )、テトラフェニルホウ酸リチウム(LiB(C6 5 4 )、メタンスルホン酸リチウム(LiCH3 SO3 )、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム(LiCF3 SO3 )、テトラクロロアルミン酸リチウム(LiAlCl4 )、六フッ化ケイ酸二リチウム(Li2 SiF6 )、塩化リチウム(LiCl)、および臭化リチウム(LiBr)である。
中でも、六フッ化リン酸リチウム、四フッ化ホウ酸リチウム、過塩素酸リチウムおよび六フッ化ヒ酸リチウムが好ましく、六フッ化リン酸リチウムがより好ましい。内部抵抗が低下するからである。
また、電解質塩は、例えば、下記の式(17)〜式(19)のそれぞれで表される化合物などである。R41およびR43のそれぞれは、互いに同じ基でもよいし、互いに異なる基でもよい。R51〜R53のそれぞれは、互いに同じ基でもよいし、互いに異なる基でもよい。もちろん、R51〜R53のうちの一部が互いに同じ基でもよい。R61およびR62のそれぞれは、互いに同じ基でもよいし、互いに異なる基でもよい。
Figure 0006934941
(X41は、長周期型周期表における1族元素および2族元素、ならびにアルミニウム(Al)のうちのいずれかである。M41は、遷移金属、ならびに長周期型周期表における13族元素、14族元素および15族元素のうちのいずれかである。R41は、ハロゲン基である。Y41は、−C(=O)−R42−C(=O)−、−C(=O)−CR432 −および−C(=O)−C(=O)−のうちのいずれかである。ただし、R42は、アルキレン基、ハロゲン化アルキレン基、アリーレン基およびハロゲン化アリーレン基のうちのいずれかである。R43は、アルキル基、ハロゲン化アルキル基、アリール基およびハロゲン化アリール基のうちのいずれかである。a4は1〜4の整数であり、b4は0、2または4の整数であり、c4、d4、m4およびn4のそれぞれは1〜3の整数である。)
Figure 0006934941
(X51は、長周期型周期表における1族元素および2族元素のうちのいずれかである。M51は、遷移金属、ならびに長周期型周期表における13族元素、14族元素および15族元素のうちのいずれかである。Y51は、−C(=O)−(CR512 b5−C(=O)−、−R532 C−(CR522 c5−C(=O)−、−R532 C−(CR522 c5−CR532 −、−R532 C−(CR522 c5−S(=O)2 −、−S(=O)2 −(CR522 d5−S(=O)2 −および−C(=O)−(CR522 d5−S(=O)2 −のうちのいずれかである。R51およびR53のそれぞれは、水素基、アルキル基、ハロゲン基およびハロゲン化アルキル基のうちのいずれかである。ただし、R51のうちの少なくとも1つは、ハロゲン基およびハロゲン化アルキル基のうちのいずれかであり、R53のうちの少なくとも1つは、ハロゲン基およびハロゲン化アルキル基のうちのいずれかである。R52は、水素基、アルキル基、ハロゲン基およびハロゲン化アルキル基のうちのいずれかである。a5、e5およびn5のそれぞれは1または2の整数であり、b5およびd5のそれぞれは1〜4の整数であり、c5は0〜4の整数であり、f5およびm5のそれぞれは1〜3の整数である。)
Figure 0006934941
(X61は、長周期型周期表における1族元素および2族元素のうちのいずれかである。M61は、遷移金属、ならびに長周期型周期表における13族元素、14族元素および15族元素のうちのいずれかである。Rfは、フッ素化アルキル基およびフッ素化アリール基のうちのいずれかであり、フッ素化アルキル基およびフッ素化アリール基のそれぞれの炭素数は、1〜10である。Y61は、−C(=O)−(CR612 d6−C(=O)−、−R622 C−(CR612 d6−C(=O)−、−R622 C−(CR612 d6−CR622 −、−R622 C−(CR612 d6−S(=O)2 −、−S(=O)2 −(CR612 e6−S(=O)2 −および−C(=O)−(CR612 e6−S(=O)2 −のうちのいずれかである。ただし、R61は、水素基、アルキル基、ハロゲン基およびハロゲン化アルキル基のうちのいずれかである。R62は、水素基、アルキル基、ハロゲン基およびハロゲン化アルキル基のうちのいずれかであり、R62のうちの少なくとも1つは、ハロゲン基およびハロゲン化アルキル基のうちのいずれかである。a6、f6およびn6のそれぞれは1または2の整数であり、b6、c6およびe6のそれぞれは1〜4の整数であり、d6は0〜4の整数であり、g6およびm6のそれぞれは1〜3の整数である。)
なお、1族元素とは、水素(H)、リチウム(Li)、ナトリウム(Na)、カリウム(K)、ルビジウム(Rb)、セシウム(Cs)およびフランシウム(Fr)である。2族元素とは、ベリリウム(Be)、マグネシウム(Mg)、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)、バリウム(Ba)およびラジウム(Ra)である。13族元素とは、ホウ素(B)、アルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)、インジウム(In)およびタリウム(Tl)である。14族元素とは、炭素(C)、ケイ素(Si)、ゲルマニウム(Ge)、スズ(Sn)および鉛(Pb)である。15族元素とは、窒素(N)、リン(P)、ヒ素(As)、アンチモン(Sb)およびビスマス(Bi)である。
式(17)に示した化合物の具体例は、下記の式(17−1)〜式(17−6)のそれぞれで表される化合物などである。式(18)に示した化合物の具体例は、下記の式(18−1)〜式(18−8)のそれぞれで表される化合物などである。式(19)に示した化合物の具体例は、下記の式(19−1)で表される化合物などである。
Figure 0006934941
Figure 0006934941
Figure 0006934941
また、電解質塩は、下記の式(20)〜式(22)のそれぞれで表される化合物などである。mおよびnのそれぞれは、互いに同じ値でもよいし、互いに異なる値でもよい。p、qおよびrのそれぞれは、互いに同じ値でもよいし、互いに異なる値でもよい。もちろん、p、qおよびrのうちの一部が互いに同じ値でもよい。
LiN(Cm 2m+1SO2 )(Cn 2n+1 SO2 ) …(20)
(mおよびnのそれぞれは、1以上の整数である。)
Figure 0006934941
(R71は、炭素数が2〜4である直鎖状のパーフルオロアルキレン基または炭素数が2〜4である分岐状のパーフルオロアルキレン基である。)
LiC(Cp 2p+1SO2 )(Cq 2q+1SO2 )(Cr 2r+1SO2 ) …(22)
(p、qおよびrのそれぞれは、1以上の整数である。)
式(20)に示した化合物は、鎖状アミド化合物である。鎖状アミド化合物の具体例は、ビス(フルオロスルホニル)アミドリチウム(LiN(SO2 F)2 )、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミドリチウム(LiN(CF3 SO2 2 )、ビス(ペンタフルオロエタンスルホニル)アミドリチウム(LiN(C2 5 SO2 2 )、(トリフルオロメタンスルホニル)(ペンタフルオロエタンスルホニル)アミドリチウム(LiN(CF3 SO2 )(C2 5 SO2 ))、(トリフルオロメタンスルホニル)(ヘプタフルオロプロパンスルホニル)アミドリチウム(LiN(CF3 SO2 )(C3 7 SO2 ))および(トリフルオロメタンスルホニル)(ノナフルオロブタンスルホニル)アミドリチウム(LiN(CF3 SO2 )(C4 9 SO2 ))などである。
式(21)に示した化合物は、環状アミド化合物である。環状アミド化合物の具体例は、下記の式(21−1)〜式(21−4)のそれぞれで表される化合物などである。
Figure 0006934941
式(22)に示した化合物は、鎖状メチド化合物である。鎖状メチド化合物の具体例は、リチウムトリス(トリフルオロメタンスルホニル)メチド(LiC(CF3 SO2 3 )などである。
また、電解質塩は、ジフルオロリン酸リチウム(LiPF2 2 )およびフルオロリン酸リチウム(Li2 PFO3 )などのリンフッ素含有塩である。
なお、電解質塩の含有量は、特に限定されないが、中でも、溶媒に対して0.3mol/kg〜3.0mol/kgであることが好ましい。高いイオン伝導性が得られるからである。
<1−2.動作>
次に、二次電池の動作に関して説明する。この二次電池は、例えば、以下のように動作する。
充電時には、正極21からリチウムイオンが放出されると共に、そのリチウムイオンが電解液を介して負極22に吸蔵される。一方、放電時には、負極22からリチウムイオンが放出されると共に、そのリチウムイオンが電解液を介して正極21に吸蔵される。
<1−3.製造方法>
次に、二次電池の製造方法に関して説明する。この二次電池は、例えば、以下の手順により製造される。
[正極の作製]
正極21を作製する場合には、最初に、正極活物質と、必要に応じて正極結着剤および正極導電剤などとを混合することにより、正極合剤とする。続いて、有機溶剤などに正極合剤を溶解または分散させることにより、ペースト状の正極合剤スラリーを調製する。最後に、正極集電体21Aの両面に正極合剤スラリーを塗布したのち、その正極合剤スラリーを乾燥させることにより、正極活物質層21Bを形成する。こののち、必要に応じて、ロールプレス機などを用いて正極活物質層21Bを圧縮成型してもよい。この場合には、正極活物質層21Bを加熱してもよいし、圧縮成型を複数回繰り返してもよい。
[負極の作製]
負極22を作製する場合には、上記した正極21の作製手順と同様の手順により、負極集電体22Aの両面に負極活物質層22Bを形成する。すなわち、負極活物質と、負正極結着剤および負極導電剤などとを混合することにより、負極合剤としたのち、有機溶剤などに負極合剤を溶解または分散させることにより、ペースト状の負極合剤スラリーを調製する。続いて、負極集電体22Aの両面に負極合剤スラリーを塗布したのち、その負極合剤スラリーを乾燥させることにより、負極活物質層22Bを形成する。
[電解液の調製]
電解液を調製する場合には、溶媒に電解質塩を加えたのち、その溶媒を撹拌する。これにより、電解質塩が溶媒中に溶解または分散される。続いて、電解質塩を含む溶媒にジカルボニル化合物を加えたのち、その溶媒を撹拌する。これにより、ジカルボニル化合物が溶媒中に溶解または分散されるため、そのジカルボニル化合物を含む電解液が得られる。
[二次電池の組み立て]
二次電池を組み立てる場合には、最初に、溶接法などを用いて正極集電体21Aに正極リード25を接続すると共に、溶接法などを用いて負極集電体22Aに負極リード26を接続する。続いて、セパレータ23を介して正極21と負極22とを積層させたのち、その正極21、負極22およびセパレータ23を巻回させることにより、巻回体を形成する。続いて、巻回体の巻回中心に設けられた空間にセンターピン24を挿入する。
続いて、一対の絶縁板12,13で巻回体を挟みながら、その巻回体を電池缶11の内部に収納する。この場合には、溶接法などを用いて正極リード25を安全弁機構15に接続すると共に、溶接法などを用いて負極リード26を電池缶11に接続する。続いて、電池缶11の内部に電解液を注入することにより、その電解液を巻回体に含浸させる。これにより、正極21、負極22およびセパレータ23のそれぞれに電解液が含浸されるため、巻回電極体20が形成される。
最後に、ガスケット17を介して電池缶11の開口端部に電池蓋14、安全弁機構15および熱感抵抗素子16をかしめる。これにより、電池缶11の内部に巻回電極体20が封入されるため、二次電池が完成する。
<1−4.作用および効果>
この円筒型の二次電池によれば、負極22がチタン含有化合物を含んでいると共に、電解液が適正量(=0.01重量%〜5重量%)のジカルボニル化合物を含んでいる。この場合には、上記したように、充放電時においてジカルボニル化合物に由来する被膜が負極22の表面に形成されるため、初回の充放電時における不可逆容量が特異的に減少する。よって、初回の充放電時から高い放電容量が得られると共に、充放電を繰り返しても放電容量が減少しにくくなるため、優れた電池特性を得ることができる。
特に、1価の炭化水素基がアルキル基などであり、アルカリ金属がリチウムなどであり、3価の炭化水素基がアルカンから3個の水素基が脱離した基などであれば、負極22の表面に十分に強固な被膜が形成されやすくなるため、より高い効果を得ることができる。
また、アルキレン基の炭素数が1〜6であり、アルキル基の炭素数が1〜6であり、アルキルカルボキシル基のうちのカルボキシル基以外の部分(アルキレン基)の炭素数が1〜6であれば、ジカルボニル化合物の溶解性および相溶性などが向上するため、より高い効果を得ることができる。
また、第1ジカルボニル化合物が式(7)および式(8)のそれぞれに示した化合物のうちの一方または双方であれば、負極22の表面により強固な被膜が形成されやすくなるため、より高い効果を得ることができる。
また、第2ジカルボニル化合物が式(9)に示した化合物であれば、負極22の表面により強固な被膜が形成されやすくなるため、より高い効果を得ることができる。
また、第4ジカルボニル化合物が式(10)に示した化合物であれば、負極22の表面により強固な被膜が形成されやすくなるため、より高い効果を得ることができる。
また、チタン含有化合物がチタン酸化物およびリチウムチタン複合酸化物のうちの一方または双方を含んでいれば、負極22の反応性に起因する電解液の分解反応が抑制されるため、より高い効果を得ることができる。
<2.二次電池(ラミネートフィルム型)>
次に、本技術の一実施形態の他の二次電池に関して説明する。以下の説明では、随時、既に説明した円筒型の二次電池の構成要素を引用する。
<2−1.構成>
図3は、他の二次電池の斜視構成を表している。図4は、図3に示したIV−IV線に沿った巻回電極体30の断面構成を拡大している。なお、図3では、巻回電極体30と外装部材40とを互いに離間させた状態を示している。
この二次電池は、例えば、図3から明らかなように、フィルム状の外装部材40の内部に、電池素子である巻回電極体30が収納されたラミネートフィルム型の二次電池(リチウムイオン二次電池)である。
具体的には、二次電池は、例えば、図3に示したように、外装部材40の内部に巻回電極体30を備えている。この巻回電極体30は、例えば、セパレータ35および電解質層36を介して正極33と負極34とが積層されたのち、その正極33、負極34、セパレータ35および電解質層36が巻回されることにより形成されている。巻回電極体30の最外周部は、保護テープ37により保護されている。電解質層36は、例えば、正極33とセパレータ35との間に介在していると共に、負極34とセパレータ35との間に介在している。正極33には、正極リード31が取り付けられていると共に、負極34には、負極リード32が取り付けられている。
正極リード31および負極リード32のそれぞれは、例えば、外装部材40の内部から外部に導出されている。正極リード31は、例えば、アルミニウム(Al)などの導電性材料のうちのいずれか1種類または2種類以上を含んでおり、その正極リード31の状態は、例えば、薄板状または網目状である。負極リード32は、例えば、銅(Cu)、ニッケル(Ni)およびステンレスなどの導電性材料のうちのいずれか1種類または2種類以上を含んでおり、その負極リード32の状態は、例えば、正極リード31の状態と同様である。
[外装部材]
外装部材40は、例えば、図3に示した矢印Rの方向に折り畳み可能な1枚のフィルムであり、その外装部材40には、例えば、巻回電極体30を収納するための窪みが設けられている。この外装部材40は、例えば、外側から、表面保護層と、金属層と、融着層とがこの順に積層されたラミネートフィルムである。二次電池の製造工程では、融着層同士が巻回電極体30を介して対向するように外装部材40が折り畳まれたのち、その融着層の外周縁部同士が融着される。ただし、2枚のラミネートフィルムが接着剤などを介して貼り合わされていてもよい。
表面保護層は、例えば、ナイロンおよびポリエチレンテレフタレートなどのフィルムのうちのいずれか1種類または2種類以上である。金属層は、例えば、アルミニウム箔などのうちのいずれか1種類または2種類以上である。融着層は、例えば、ポリエチレンおよびポリプロピレンなどのフィルムのうちのいずれか1種類または2種類以上である。
中でも、外装部材40は、外側から、ナイロンフィルムと、アルミニウム箔と、ポリエチレンフィルムとがこの順に積層されたアルミラミネートフィルムであることが好ましい。ただし、外装部材40は、他の積層構造を有するラミネートフィルムでもよいし、ポリプロピレンなどの高分子フィルムでもよいし、金属フィルムでもよい。
外装部材40と正極リード31との間には、例えば、外気の侵入を防止するために密着フィルム41が挿入されている。また、外装部材40と負極リード32との間には、例えば、上記した密着フィルム41が挿入されている。この密着フィルム41は、正極リード31および負極リード32のそれぞれに対して密着性を有する材料を含んでいる。この密着性を有する材料は、例えば、ポリオレフィン樹脂などであり、より具体的には、ポリエチレン、ポリプロピレン、変性ポリエチレンおよび変性ポリプロピレンなどのうちのいずれか1種類または2種類以上である。
[正極、負極およびセパレータ]
正極33は、例えば、図4に示したように、正極集電体33Aおよび正極活物質層33Bを含んでいる。負極34は、例えば、図4に示したように、負極集電体34Aおよび負極活物質層34Bを含んでいる。正極集電体33A、正極活物質層33B、負極集電体34Aおよび負極活物質層34Bのそれぞれの構成は、例えば、正極集電体21A、正極活物質層21B、負極集電体22Aおよび負極活物質層22Bのそれぞれの構成と同様である。すなわち、負極34は、チタン含有化合物を含んでいる。セパレータ35の構成は、例えば、セパレータ23の構成と同様である。
[電解質層]
電解質層36は、電解液と、高分子化合物とを含んでおり、その電解液は、上記した円筒型の二次電池に用いられた電解液と同様の構成を有している。すなわち、電解液は、ジカルボニル化合物を含んでいる。
ここで説明する電解質層36は、いわゆるゲル状の電解質であるため、その電解質層36中では、高分子化合物により電解液が保持されている。高いイオン伝導率(例えば、室温で1mS/cm以上)が得られると共に、電解液の漏液が防止されるからである。なお、電解質層36は、さらに、添加剤などの他の材料のうちのいずれか1種類または2種類以上を含んでいてもよい。
高分子化合物は、例えば、ポリアクリロニトリル、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリヘキサフルオロプロピレン、ポリエチレンオキサイド、ポリプロピレンオキサイド、ポリフォスファゼン、ポリシロキサン、ポリフッ化ビニル、ポリ酢酸ビニル、ポリビニルアルコール、ポリメタクリル酸メチル、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸、スチレン−ブタジエンゴム、ニトリル−ブタジエンゴム、ポリスチレンおよびポリカーボネートなどのうちのいずれか1種類または2種類以上を含んでいる。この他、高分子化合物は、共重合体でもよい。この共重合体は、例えば、フッ化ビニリデンとヘキサフルオロピレンとの共重合体などである。中でも、単独重合体は、ポリフッ化ビニリデンであることが好ましいと共に、共重合体は、フッ化ビニリデンとヘキサフルオロピレンとの共重合体であることが好ましい。電気化学的に安定だからである。
ゲル状の電解質である電解質層36において、電解液に含まれる溶媒は、液状の材料だけでなく、電解質塩を解離させることが可能なイオン伝導性を有する材料まで含む広い概念である。よって、イオン伝導性を有する高分子化合物を用いる場合には、その高分子化合物も非水溶媒に含まれる。
なお、電解質層36の代わりに電解液を用いてもよい。この場合には、電解液が巻回電極体30に含浸される。
<2−2.動作>
この二次電池は、例えば、以下のように動作する。
充電時には、正極33からリチウムイオンが放出されると共に、そのリチウムイオンが電解質層36を介して負極34に吸蔵される。一方、放電時には、負極34からリチウムイオンが放出されると共に、そのリチウムイオンが電解質層36を介して正極33に吸蔵される。
<2−3.製造方法>
ゲル状の電解質層36を備えた二次電池は、例えば、以下の3種類の手順により製造される。
[第1手順]
最初に、正極21および負極22のそれぞれの作製手順と同様の手順により、正極33および負極34を作製する。すなわち、正極33を作製する場合には、正極集電体33Aの両面に正極活物質層33Bを形成すると共に、負極34を作製する場合には、負極集電体34Aの両面に負極活物質層34Bを形成する。
続いて、電解液と、高分子化合物と、有機溶剤などとを混合することにより、ゾル状の前駆溶液を調製する。続いて、正極33に前駆溶液を塗布したのち、その前駆溶液を乾燥させることにより、ゲル状の電解質層36を形成する。また、負極34に前駆溶液を塗布したのち、その前駆溶液を乾燥させることにより、ゲル状の電解質層36を形成する。続いて、溶接法などを用いて正極集電体33Aに正極リード31を接続すると共に、溶接法などを用いて負極集電体34Aに負極リード32を接続する。続いて、電解質層36が形成された正極33と電解質層36が形成された負極34とをセパレータ35を介して互いに積層させたのち、その正極33、負極34、セパレータ35および電解質層36を巻回させることにより、巻回電極体30を形成する。こののち、巻回電極体30の最外周部に、保護テープ37を貼り付ける。
最後に、巻回電極体30を挟むように外装部材40を折り畳んだのち、熱融着法などを用いて外装部材40の外周縁部同士を接着させることにより、その外装部材40の内部に巻回電極体30を封入する。この場合には、正極リード31と外装部材40との間に密着フィルム41を挿入すると共に、負極リード32と外装部材40との間に密着フィルム41を挿入する。これにより、外装部材40の内部に巻回電極体30が封入されるため、二次電池が完成する。
[第2手順]
最初に、第1手順と同様の手順により、正極33および負極34のそれぞれを作製したのち、正極33に正極リード31を接続すると共に、負極34に負極リード32を接続する。続いて、セパレータ35を介して正極33と負極34とを積層させたのち、その正極33、負極34およびセパレータ35を巻回させることにより、巻回電極体30の前駆体である巻回体を形成する。こののち、巻回体の最外周部に保護テープ37を貼り付ける。続いて、巻回体を挟むように外装部材40を折り畳んだのち、熱融着法などを用いて外装部材40のうちの一辺の外周縁部を除いた残りの外周縁部を接着させることにより、袋状の外装部材40の内部に巻回体を収納する。続いて、電解液と、高分子化合物の原料であるモノマーと、重合開始剤と、必要に応じて重合禁止剤などの他の材料とを混合することにより、電解質用組成物を調製する。続いて、袋状の外装部材40の内部に電解質用組成物を注入したのち、熱融着法などを用いて外装部材40を密封する。続いて、モノマーを熱重合させることにより、高分子化合物を形成する。これにより、電解液が高分子化合物により保持されるため、ゲル状の電解質層36が形成される。よって、二次電池が完成する。
[第3手順]
最初に、高分子化合物層が形成されたセパレータ35を用いることを除いて、第2手順と同様の手順により、巻回体を作製したのち、袋状の外装部材40の内部に巻回体を収納する。続いて、外装部材40の内部に電解液を注入したのち、熱融着法などを用いて外装部材40の開口部を密封する。続いて、外装部材40に加重をかけながら、その外装部材40を加熱することにより、高分子化合物層を介してセパレータ35を正極33に密着させると共に、高分子化合物層を介してセパレータ35を負極34に密着させる。この加熱処理により、電解液が高分子化合物層に含浸すると共に、その高分子化合物層がゲル化するため、電解質層36が形成される。よって、二次電池が完成する。
この第3手順では、第1手順と比較して、二次電池の膨れが抑制される。また、第3手順では、第2手順と比較して、非水溶媒およびモノマー(高分子化合物の原料)などが電解質層36中に残存しにくくなるため、高分子化合物の形成工程が良好に制御される。このため、正極33、負極34およびセパレータ35のそれぞれと電解質層36とが互いに十分に密着する。
<2−4.作用および効果>
このラミネートフィルム型の二次電池によれば、負極34がチタン含有化合物を含んでいると共に、電解質層36(電解液)がジカルボニル化合物を含んでいる。これにより、円筒型の二次電池に関して説明した場合と同様の理由により、初回の充放電時における不可逆容量が特異的に減少するため、優れた電池特性を得ることができる。
ラミネートフィルム型の二次電池に関するこれ以外の作用および効果は、円筒型の二次電池と同様である。
<3.二次電池の用途>
次に、上記した二次電池の適用例に関して説明する。
二次電池の用途は、駆動用の電源または電力蓄積用の電力貯蔵源などとして二次電池を利用可能である機械、機器、器具、装置およびシステム(複数の機器などの集合体)などであれば、特に限定されない。電源として用いられる二次電池は、主電源でもよいし、補助電源でもよい。主電源とは、他の電源の有無に関係なく、優先的に用いられる電源である。補助電源は、例えば、主電源の代わりに用いられる電源でもよいし、必要に応じて主電源から切り替えられる電源でもよい。二次電池を補助電源として用いる場合には、主電源の種類は二次電池に限られない。
二次電池の用途は、例えば、以下の通りである。ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ、携帯電話機、ノート型パソコン、コードレス電話機、ヘッドホンステレオ、携帯用ラジオ、携帯用テレビおよび携帯用情報端末などの電子機器(携帯用電子機器を含む)である。電気シェーバなどの携帯用生活器具である。バックアップ電源およびメモリーカードなどの記憶用装置である。電動ドリルおよび電動鋸などの電動工具である。着脱可能な電源としてノート型パソコンなどに搭載される電池パックである。ペースメーカおよび補聴器などの医療用電子機器である。電気自動車(ハイブリッド自動車を含む)などの電動車両である。非常時などに備えて電力を蓄積しておく家庭用バッテリシステムなどの電力貯蔵システムである。もちろん、二次電池の用途は、上記以外の用途でもよい。
中でも、二次電池は、電池パック、電動車両、電力貯蔵システム、電動工具および電子機器などに適用されることが有効である。これらの用途では優れた電池特性が要求されるため、本技術の二次電池を用いることにより、有効に性能向上を図ることができるからである。なお、電池パックは、二次電池を用いた電源である。この電池パックは、後述するように、単電池を用いてもよいし、組電池を用いてもよい。電動車両は、二次電池を駆動用電源として作動(走行)する車両であり、上記したように、二次電池以外の駆動源を併せて備えた自動車(ハイブリッド自動車など)でもよい。電力貯蔵システムは、二次電池を電力貯蔵源として用いるシステムである。例えば、家庭用の電力貯蔵システムでは、電力貯蔵源である二次電池に電力が蓄積されているため、その電力を利用して家庭用の電気製品などを使用可能である。電動工具は、二次電池を駆動用の電源として可動部(例えばドリルなど)が可動する工具である。電子機器は、二次電池を駆動用の電源(電力供給源)として各種機能を発揮する機器である。
ここで、二次電池のいくつかの適用例に関して具体的に説明する。なお、以下で説明する適用例の構成は、あくまで一例であるため、その適用例の構成は、適宜変更可能である。
<3−1.電池パック(単電池)>
図5は、単電池を用いた電池パックの斜視構成を表している。図6は、図5に示した電池パックのブロック構成を表している。なお、図5では、電池パックが分解された状態を示している。
ここで説明する電池パックは、1個の二次電池を用いた簡易型の電池パック(いわゆるソフトパック)であり、例えば、スマートフォンに代表される電子機器などに搭載される。この電池パックは、例えば、図5に示したように、ラミネートフィルム型の二次電池である電源111と、その電源111に接続された回路基板116とを備えている。この電源111には、正極リード112および負極リード113が接続されている。
電源111の両側面には、一対の粘着テープ118,119が貼り付けられている。回路基板116には、保護回路(PCM:Protection・Circuit・Module )が形成されている。この回路基板116は、タブ114を介して正極112に接続されていると共に、タブ115を介して負極リード113に接続されている。また、回路基板116は、外部接続用のコネクタ付きリード線117に接続されている。なお、回路基板116が電源111に接続された状態において、その回路基板116は、ラベル120および絶縁シート121により保護されている。このラベル120を利用して、回路基板116および絶縁シート121などは固定されている。
また、電池パックは、例えば、図8に示したように、電源111と、回路基板116とを備えている。回路基板116は、例えば、制御部121と、スイッチ部122と、PTC素子123と、温度検出部124とを含んでいる。電源111は、正極端子125および負極端子127を介して外部と接続可能であるため、その電源111は、正極端子125および負極端子127を介して充放電される。温度検出部124は、温度検出端子(いわゆるT端子)126を用いて温度を検出する。
制御部121は、電池パック全体の動作(電源111の使用状態を含む)を制御する。この制御部121は、例えば、中央演算処理装置(CPU)およびメモリなどを含んでいる。
この制御部121は、例えば、電池電圧が過充電検出電圧に到達すると、スイッチ部122を切断させることにより、電源111の電流経路に充電電流が流れないようにする。また、制御部121は、例えば、充電時において大電流が流れると、スイッチ部122を切断させることにより、充電電流を遮断する。
一方、制御部121は、例えば、電池電圧が過放電検出電圧に到達すると、スイッチ部122を切断させることにより、電源111の電流経路に放電電流が流れないようにする。また、制御部121は、例えば、放電時において大電流が流れると、スイッチ部122を切断させることにより、放電電流を遮断する。
なお、過充電検出電圧は、特に限定されないが、例えば、4.2V±0.05Vであると共に、過放電検出電圧は、特に限定されないが、例えば、2.4V±0.1Vである。
スイッチ部122は、制御部121の指示に応じて、電源111の使用状態、すなわち電源111と外部機器との接続の有無を切り換える。このスイッチ部122は、例えば、充電制御スイッチおよび放電制御スイッチなどを含んでいる。充電制御スイッチおよび放電制御スイッチのそれぞれは、例えば、金属酸化物半導体を用いた電界効果トランジスタ(MOSFET)などの半導体スイッチである。なお、充放電電流は、例えば、スイッチ部122のON抵抗に基づいて検出される。
温度検出部124は、電源111の温度を測定すると共に、その温度の測定結果を制御部121に出力する。この温度検出部124は、例えば、サーミスタなどの温度検出素子を含んでいる。なお、温度検出部124により測定される温度の測定結果は、異常発熱時において制御部121が充放電制御を行う場合には、残容量の算出時において制御部121が補正処理を行う場合などに用いられる。
なお、回路基板116は、PTC素子123を備えていなくてもよい。この場合には、別途、回路基板116にPTC素子が付設されていてもよい。
<3−2.電池パック(組電池)>
図7は、組電池を用いた電池パックのブロック構成を表している。
この電池パックは、例えば、筐体60の内部に、制御部61と、電源62と、スイッチ部63と、電流測定部64と、温度検出部65と、電圧検出部66と、スイッチ制御部67と、メモリ68と、温度検出素子69と、電流検出抵抗70と、正極端子71および負極端子72とを備えている。この筐体60は、例えば、プラスチック材料などを含んでいる。
制御部61は、電池パック全体の動作(電源62の使用状態を含む)を制御する。この制御部61は、例えば、CPUなどを含んでいる。電源62は、2個以上の二次電池を含む組電池であり、その2個以上の二次電池の接続形式は、直列でもよいし、並列でもよいし、双方の混合型でもよい。一例を挙げると、電源62は、2並列3直列となるように接続された6個の二次電池を含んでいる。
スイッチ部63は、制御部61の指示に応じて、電源62の使用状態、すなわち電源62と外部機器との接続の有無を切り換える。このスイッチ部63は、例えば、充電制御スイッチ、放電制御スイッチ、充電用ダイオードおよび放電用ダイオードなどを含んでいる。充電制御スイッチおよび放電制御スイッチのそれぞれは、例えば、金属酸化物半導体を用いた電界効果トランジスタ(MOSFET)などの半導体スイッチである。
電流測定部64は、電流検出抵抗70を用いて電流を測定すると共に、その電流の測定結果を制御部61に出力する。温度検出部65は、温度検出素子69を用いて温度を測定すると共に、その温度の測定結果を制御部61に出力する。この温度の測定結果は、例えば、異常発熱時において制御部61が充放電制御を行う場合、残容量の算出時において制御部61が補正処理を行う場合などに用いられる。電圧検出部66は、電源62中における二次電池の電圧を測定すると共に、アナログ−デジタル変換された電圧の測定結果を制御部61に供給する。
スイッチ制御部67は、電流測定部64および電圧検出部66のそれぞれから入力される信号に応じて、スイッチ部63の動作を制御する。
このスイッチ制御部67は、例えば、電池電圧が過充電検出電圧に到達すると、スイッチ部63(充電制御スイッチ)を切断することにより、電源62の電流経路に充電電流が流れないようにする。これにより、電源62では、放電用ダイオードを介して放電だけが可能になる。なお、スイッチ制御部67は、例えば、充電時に大電流が流れると、充電電流を遮断する。
また、スイッチ制御部67は、例えば、電池電圧が過放電検出電圧に到達すると、スイッチ部63(放電制御スイッチ)を切断することにより、電源62の電流経路に放電電流が流れないようにする。これにより、電源62では、充電用ダイオードを介して充電だけが可能になる。なお、スイッチ制御部67は、例えば、放電時に大電流が流れると、放電電流を遮断する。
なお、過充電検出電圧は、特に限定されないが、例えば、4.2V±0.05Vであると共に、過放電検出電圧は、特に限定されないが、例えば、2.4V±0.1Vである。
メモリ68は、例えば、不揮発性メモリであるEEPROMなどを含んでいる。このメモリ68には、例えば、制御部61により演算された数値、製造工程段階において測定された二次電池の情報(例えば、初期状態の内部抵抗など)などが記憶されている。なお、メモリ68に二次電池の満充電容量を記憶させておけば、制御部61が残容量などの情報を把握できる。
温度検出素子69は、電源62の温度を測定すると共に、その温度の測定結果を制御部61に出力する。この温度検出素子69は、例えば、サーミスタなどを含んでいる。
正極端子71および負極端子72のそれぞれは、電池パックを用いて稼働される外部機器(例えばノート型のパーソナルコンピュータなど)、電池パックを充電するために用いられる外部機器(例えば充電器など)などに接続される端子である。電源62は、正極端子71および負極端子72を介して充放電される。
<3−3.電動車両>
図8は、電動車両の一例であるハイブリッド自動車のブロック構成を表している。
この電動車両は、例えば、金属製の筐体73の内部に、制御部74と、エンジン75と、電源76と、駆動用のモータ77と、差動装置78と、発電機79と、トランスミッション80およびクラッチ81と、インバータ82,83と、各種センサ84とを備えている。この他、電動車両は、例えば、差動装置78およびトランスミッション80に接続された前輪用駆動軸85および前輪86と、後輪用駆動軸87および後輪88とを備えている。
この電動車両は、例えば、エンジン75およびモータ77のうちのいずれか一方を駆動源として用いて走行可能である。エンジン75は、主要な動力源であり、例えば、ガソリンエンジンなどである。エンジン75を動力源とする場合には、例えば、駆動部である差動装置78、トランスミッション80およびクラッチ81を介して、エンジン75の駆動力(回転力)が前輪86および後輪88に伝達される。なお、エンジン75の回転力が発電機79に伝達されるため、その回転力を利用して発電機79が交流電力を発生すると共に、その交流電力がインバータ83を介して直流電力に変換されるため、その直流電力が電源76に蓄積される。一方、変換部であるモータ77を動力源とする場合には、電源76から供給された電力(直流電力)がインバータ82を介して交流電力に変換されるため、その交流電力を利用してモータ77が駆動する。このモータ77により電力から変換された駆動力(回転力)は、例えば、駆動部である差動装置78、トランスミッション80およびクラッチ81を介して前輪86および後輪88に伝達される。
なお、制動機構を介して電動車両が減速すると、その減速時の抵抗力がモータ77に回転力として伝達されるため、その回転力を利用してモータ77が交流電力を発生させるようにしてもよい。この交流電力はインバータ82を介して直流電力に変換されるため、その直流回生電力は電源76に蓄積されることが好ましい。
制御部74は、電動車両全体の動作を制御する。この制御部74は、例えば、CPUなどを含んでいる。電源76は、1個または2個以上の二次電池を含んでいる。この電源76は、外部電源と接続されていると共に、その外部電源から電力供給を受けることにより、電力を蓄積させてもよい。各種センサ84は、例えば、エンジン75の回転数を制御すると共に、スロットルバルブの開度(スロットル開度)を制御するために用いられる。この各種センサ84は、例えば、速度センサ、加速度センサおよびエンジン回転数センサなどのうちのいずれか1種類または2種類以上を含んでいる。
なお、電動車両がハイブリッド自動車である場合を例に挙げたが、その電動車両は、エンジン75を用いずに電源76およびモータ77だけを用いて作動する車両(電気自動車)でもよい。
<3−4.電力貯蔵システム>
図9は、電力貯蔵システムのブロック構成を表している。
この電力貯蔵システムは、例えば、一般住宅および商業用ビルなどの家屋89の内部に、制御部90と、電源91と、スマートメータ92と、パワーハブ93とを備えている。
ここでは、電源91は、例えば、家屋89の内部に設置された電気機器94に接続されていると共に、家屋89の外部に停車された電動車両96に接続可能である。また、電源91は、例えば、家屋89に設置された自家発電機95にパワーハブ93を介して接続されていると共に、スマートメータ92およびパワーハブ93を介して外部の集中型電力系統97に接続可能である。
なお、電気機器94は、例えば、1種類または2種類以上の家電製品を含んでおり、その家電製品は、例えば、冷蔵庫、エアコン、テレビおよび給湯器などである。自家発電機95は、例えば、太陽光発電機および風力発電機などのうちのいずれか1種類または2種類以上を含んでいる。電動車両96は、例えば、電気自動車、電気バイクおよびハイブリッド自動車などのうちのいずれか1種類または2種類以上を含んでいる。集中型電力系統97は、例えば、火力発電所、原子力発電所、水力発電所および風力発電所などのうちのいずれか1種類または2種類以上を含んでいる。
制御部90は、電力貯蔵システム全体の動作(電源91の使用状態を含む)を制御する。この制御部90は、例えば、CPUなどを含んでいる。電源91は、1個または2個以上の二次電池を含んでいる。スマートメータ92は、例えば、電力需要側の家屋89に設置されるネットワーク対応型の電力計であり、電力供給側と通信可能である。これに伴い、スマートメータ92は、例えば、外部と通信しながら、家屋89における電力の需要と供給とのバランスを制御することにより、高効率で安定したエネルギー供給を可能とする。
この電力貯蔵システムでは、例えば、外部電源である集中型電力系統97からスマートメータ92およびパワーハブ93を介して電源91に電力が蓄積されると共に、独立電源である自家発電機95からパワーハブ93を介して電源91に電力が蓄積される。この電源91に蓄積された電力は、制御部90の指示に応じて電気機器94および電動車両96に供給されるため、その電気機器94が稼働可能になると共に、その電動車両96が充電可能になる。すなわち、電力貯蔵システムは、電源91を用いて、家屋89内における電力の蓄積および供給を可能にするシステムである。
電源91に蓄積された電力は、必要に応じて使用可能である。このため、例えば、電気使用料が安い深夜において、集中型電力系統97から電源91に電力を蓄積しておき、電気使用料が高い日中において、その電源91に蓄積された電力を用いることができる。
なお、上記した電力貯蔵システムは、1戸(1世帯)ごとに設置されていてもよいし、複数戸(複数世帯)ごとに設置されていてもよい。
また、電力貯蔵システムは、上記した一般住宅などの民生用途に適用される場合に限られず、例えば、上記した集中型電力系統97、すなわち火力発電所、原子力発電所、水力発電所および風力発電所に代表される電力供給源などの業務用用途に適用されてもよい。より具体的には、ここでは電力貯蔵システムが家庭用途に適用される場合に関して説明したが、例えば、電力貯蔵システムが系統電力用の電力網(いわゆるグリッド)などの工業用途に適用されることにより、その電力貯蔵システムが蓄電装置として用いられてもよい。
<3−5.電動工具>
図10は、電動工具のブロック構成を表している。
ここで説明する電動工具は、例えば、電動ドリルである。この電動工具は、例えば、工具本体98の内部に、制御部99と、電源100とを備えている。この工具本体98には、例えば、可動部であるドリル部101が稼働(回転)可能に取り付けられている。
工具本体98は、例えば、プラスチック材料などを含んでいる。制御部99は、電動工具全体の動作(電源100の使用状態を含む)を制御する。この制御部99は、例えば、CPUなどを含んでいる。電源100は、1個または2個以上の二次電池を含んでいる。この制御部99は、動作スイッチの操作に応じて、電源100からドリル部101に電力を供給する。
本技術の実施例に関して説明する。なお、説明する順序は、下記の通りである。

1.二次電池(コイン型)の作製
2.二次電池(ラミネートフィルム型)の作製
3.電池特性の評価
4.考察
(実験例1−1〜1−13)
以下で説明する手順により、二次電池を作製したのち、その二次電池の電池特性を評価した。
<1.二次電池(コイン型)の作製>
試験用の二次電池として、図11に示したコイン型の二次電池を作製した。この二次電池では、図11に示したように、外装缶52の内部に試験極51が収容されていると共に、外装カップ54の内部に対極53が収容されている。試験極51および対極53は、セパレータ55を介して互いに積層されていると共に、外装缶52および外装カップ54は、ガスケット56を介してかしめられている。電解液は、試験極51、対極53およびセパレータ55のそれぞれに含浸されている。
対極53を作製する場合には、最初に、正極活物質(リチウム含有リン酸化合物であるLiFePO4 )90質量部と、正極結着剤(ポリフッ化ビニリデン)5質量部と、正極導電剤(カーボンブラック)5質量部とを混合することにより、正極合剤とした。続いて、有機溶剤(N−メチル−2−ピロリドン)に正極合剤を投入したのち、その有機溶剤を撹拌することにより、ペースト状の正極合剤スラリーを調製した。続いて、コーティング装置を用いて正極集電体(アルミニウム箔,厚さ=12μm)の片面に正極合剤スラリーを塗布したのち、その正極合剤スラリーを乾燥させることにより、正極活物質層を形成した。最後に、ロールプレス機を用いて正極活物質層を圧縮成型した。
試験極51を作製する場合には、最初に、負極活物質(リチウムチタン複合酸化物であるLi4 Ti5 12)90質量部と、負極結着剤(ポリフッ化ビニリデン)5質量部と、負極導電剤(カーボンブラック)5質量部とを混合することにより、負極合剤とした。続いて、有機溶剤(N−メチル−2−ピロリドン)に負極合剤を投入したのち、その有機溶剤を撹拌することにより、ペースト状の負極合剤スラリーを調製した。続いて、コーティング装置を用いて負極集電体(帯状の銅箔,厚さ=15μm)の片面に負極合剤スラリーを塗布したのち、その負極合剤スラリーを乾燥させることにより、負極活物質層を形成した。最後に、ロールプレス機を用いて負極活物質層を圧縮成型した。
電解液を調製する場合には、溶媒(炭酸プロピレン、炭酸ジメチルおよび炭酸エチルメチル)に電解質塩(六フッ化リン酸リチウム(LiPF6 ))を加えることにより、その溶媒を撹拌した。こののち、さらに溶媒にジカルボニル化合物を加えることにより、その溶媒を撹拌した。この場合には、溶媒の混合比(重量比)を炭酸プロピレン:炭酸ジメチル:炭酸エチルメチル=40:30:30とすると共に、電解質塩の含有量を溶媒に対して1mol/kgとした。ジカルボニル化合物の種類および含有量(重量%)は、表1に示した通りである。ここでは、ジカルボニル化合物として、第1ジカルボニル化合物である式(1−1)に示した化合物と、第4ジカルボニル化合物である式(1−14)に示した化合物とを用いた。
なお、比較のために、ジカルボニル化合物を用いないことを除いて同様の手順により、電解液を調製すると共に、ジカルボニル化合物の代わりに他の化合物(不飽和環状炭酸エステルである炭酸ビニレン(VC))を用いたことを除いて同様の手順により、電解液を調製した。ジカルボニル化合物の有無と、他の化合物の種類および含有量(重量%)とは、表1に示した通りである。
二次電池を組み立てる場合には、最初に、試験極51をペレット状(直径=16mm)に打ち抜いたのち、その試験極51を外装缶52の内部に収容した。続いて、対極53をペレット状(直径=15mm)に打ち抜いたのち、その対極53を外装カップ54の内部に収容した。続いて、電解液が含浸されたセパレータ55(多孔性ポリオレフィンフィルム,厚さ=16μm)を介して、外装缶52に収容された試験極51と外装カップ54に収容された対極53とを互いに積層させた。最後に、ガスケット56を介して外装缶52および外装カップ54をかしめた。これにより、コイン型の二次電池が完成した。
<2.二次電池(ラミネートフィルム型)の作製>
また、図3および図4に示したラミネートフィルム型の二次電池を作製した。
正極33を作製する場合には、上記した対極53の作製手順と同様の手順により、正極集電体33Aの両面に正極活物質層33Bを形成した。この場合には、正極活物質層33Bの体積密度を1.7g/cm3 とした。負極34を作製する場合には、上記した試験極51の作製手順と同様の手順により、負極集電体34Aの両面に負極活物質層34Bを形成した。この場合には、負極活物質層34Bの体積密度を1.7g/cm3 とした。
二次電池を組み立てる場合には、最初に、正極集電体33Aにアルミニウム製の正極リード31を溶接すると共に、負極集電体34Aに銅製の負極リード32を溶接した。続いて、セパレータ35(微多孔性ポリエチレンフィルム,厚さ=12μm)を介して正極33と負極34とを積層させることにより、積層体を得た。続いて、長手方向において積層体を巻回させたのち、その積層体の最外周部に保護テープ37を貼り付けることにより、巻回電極体30を作製した。続いて、巻回電極体30を挟むように外装部材40を折り畳んだのち、その外装部材40のうちの3辺の外周縁部同士を熱融着した。外装部材40としては、ナイロンフィルム(厚さ=25μm)と、アルミニウム箔(厚さ=40μm)と、ポリプロピレンフィルム(厚さ=30μmとが外側からこの順に積層されたアルミラミネートフィルムを用いた。この場合には、正極リード31と外装部材40との間に密着フィルム41を挿入すると共に、負極リード32と外装部材40との間に密着フィルム41を挿入した。
最後に、上記した組成を有する電解液を外装部材40の内部に注入することにより、その電解液を巻回電極体30に含浸させたのち、減圧環境中において外装部材40の残りの1辺の外周縁部同士を熱融着した。これにより、外装部材40の内部に巻回電極体30が封入されたため、ラミネートフィルム型の二次電池が完成した。
<3.電池特性の評価>
二次電池の電池特性を評価するために、サイクル特性および膨れ特性を調べたところ、表1に示した結果が得られた。
[サイクル特性]
サイクル特性を調べる場合には、コイン型の二次電池を用いてサイクル試験を行うことにより、容量維持率(%)を求めた。
具体的には、最初に、電池状態を安定化するために、常温環境中(温度=23℃)において二次電池を充放電させた。続いて、同環境中において二次電池を充放電させることにより、1サイクル目の放電容量を測定した。続いて、高温環境中(温度=45℃)において二次電池の充放電を500回繰り返した。続いて、常温環境中(温度=23℃)において二次電池を充放電させることにより、502サイクル目の放電容量を測定した。最後に、容量維持率(%)=(502サイクル目の放電容量/1サイクル目の放電容量)×100を算出した。
1サイクル目および502サイクル目のそれぞれの充電時には、0.2Cの電流で電圧が2.4Vに到達するまで定電流充電したのち、2.4Vの電圧で電流が初期の電流(=0.2C)の1/30に相当するまで定電圧充電した。1サイクル目および502サイクル目のそれぞれの放電時には、0.2Cの電流で電圧が0.5Vに到達するまで定電流放電した。0.2Cとは、電池容量(理論容量)を5時間で放電しきる電流値である。
2サイクル目〜501サイクル目の充放電条件は、充電時の電流および放電時の電流のそれぞれを1Cに変更したことを除いて、1サイクル目および502サイクル目のそれぞれの充放電条件と同様の条件にした。1Cとは、電池容量を1時間で放電しきる電流値である。
なお、二次電池の電池状態を安定化するための充放電条件は、1サイクル目の充放電条件と同様の条件にした。
[膨れ特性]
膨れ特性を調べる場合には、ラミネートフィルム型の二次電池を用いてフロート試験を行うことにより、体積変化率(%)を求めた。
具体的には、最初に、上記した手順により電池状態が安定化された二次電池を用いて、常温環境中(温度=23℃)において二次電池を充放電させることにより、放電容量を測定した。充放電条件は、サイクル特性を調べた場合の充放電条件(1サイクル目)と同様にした。
続いて、二次電池を再び充電させたのち、その充電状態の二次電池の体積(連続充電前の体積)を測定した。この場合には、上記した放電容量を100%とした場合において、その放電容量の50%に相当する放電容量が得られるまで0.2Cの電流で定電流充電した。
なお、二次電池の体積を測定する手順は、以下の通りである。最初に、水が収容されたビーカーを電子天秤の上に置いた。この場合には、水の容量をビーカーの収容量の8割程度とした。続いて、ビーカーに収容された水中に二次電池を完全に浸漬させた。最後に、二次電池の浸漬後の重量増加分に基づいて、その二次電池の体積を求めた。この体積の測定手順は、以降においても同様である。
こののち、常温環境中(温度=23℃)において二次電池を引き続き充電させることにより、放電容量を測定した。この場合には、0.2Cの電流で電圧が2.4Vに到達するまで定電流充電した。すなわち、上記したように、50%に相当する放電容量が得られるまで定電流充電したのち、引き続き100%に相当する放電容量が得られるまで定電流充電した。
続いて、高温環境中(温度=45℃)において二次電池を連続充電させた。この場合には、2.4Vの電圧で充電時間が500時間に到達するまで定電圧充電した。こののち、常温環境中(温度=23℃)において二次電池を放電させた。この場合には、0.2Cの電流で電圧が0.5Vに到達するまで定電流放電した。
続いて、同環境中において二次電池を充放電させた。充放電条件は、サイクル特性を調べた場合の充放電条件(1サイクル目)と同様にした。
続いて、二次電池を再び充電させたのち、その充電状態の二次電池の体積(連続充電後の体積)を測定した。この場合には、上記した放電容量を100%とした場合において、その放電容量の50%に相当する放電容量が得られるまで0.2Cの電流で定電流充電した。
最後に、体積変化率(%)=[(連続充電後の体積−連続充電前の体積)/連続充電前の体積]×100を算出した。
Figure 0006934941
<4.考察>
表1に示したように、負極活物質としてチタン含有化合物(リチウムチタン複合酸化物)を用いた場合には、容量維持率および体積変化率のそれぞれが電解液の組成に応じて大きく変動した。以下では、電解液がジカルボニル化合物も他の化合物も含んでいない場合(実験例1−8)における容量維持率および体積変化率のそれぞれを比較基準とする。
詳細には、電解液が他の化合物(不飽和環状炭酸エステル)を含んでいる場合(実験例1−9〜1−12)には、場合によっては体積変化率がやや減少したが、容量維持率が減少した。
これに対して、電解液がジカルボニル化合物を含んでいる場合(実験例1−1〜1−7,1−13)には、電解液中におけるジカルボニル化合物の含有量に応じて容量維持率および体積変化率のそれぞれが異なる傾向を示した。
具体的には、電解液がジカルボニル化合物を含んでいても、その電解液中におけるジカルボニル化合物の含有量が5重量%よりも大きい場合(実験例1−13)には、容量維持率が減少すると共に、体積変化率が増加した。
しかしながら、電解液がジカルボニル化合物を含んでおり、しかも電解液中におけるジカルボニル化合物の含有量が5重量%以下、より具体的には、0.01重量%〜5重量%である場合(実験例1−1〜1−7)には、ジカルボニル化合物の種類に依存せずに、容量維持率が増加すると共に、体積変化率が大幅に減少した。この場合には、特に、電解液が第4ジカルボニル化合物を含んでいると(実験例1−7)、容量維持率がより増加すると共に、体積変化率がより減少した。
表1に示した結果から、負極がチタン含有化合物を含んでいると共に電解液が適正量(=0.01重量%〜5重量%)のジカルボニル化合物を含んでいると、サイクル特性および膨れ特性がいずれも改善された。よって、二次電池において優れた電池特性が得られた。
以上、一実施形態および実施例を挙げながら本技術を説明したが、その本技術に関しては、一実施形態および実施例において説明した態様に限定されず、種々の変形が可能である。
具体的には、円筒型の二次電池、ラミネートフィルム型の二次電池およびコイン型の二次電池に関して説明したが、これに限られない。例えば、角型の二次電池などでもよい。
また、電池素子が巻回構造を有する場合に関して説明したが、これに限られない。例えば、電池素子が積層構造などの他の構造を有していてもよい。
また、リチウムイオン二次電池に関して説明したが、これに限られない。例えば、リチウムを吸蔵および放出することが可能な負極活物質の容量を正極の容量よりも小さくすることにより、リチウムの吸蔵現象およびリチウムの放出現象に起因する容量とリチウムの析出現象およびリチウムの溶解現象に起因する容量との和に基づいて負極の容量が得られる二次電池でもよい。
また、電極反応物質としてリチウムを用いた二次電池に関して説明したが、これに限られない。電極反応物質は、例えば、ナトリウムおよびカリウムどの長周期型周期表における他の1族の元素でもよいし、マグネシウムおよびカルシウムなどの長周期型周期表における2族の元素でもよいし、アルミニウムなどの他の軽金属でもよい。
なお、本明細書中に記載された効果はあくまで例示であって限定されるものではなく、また、他の効果があってもよい。
なお、本技術は、以下のような構成を取ることも可能である。
(1)
正極と、
チタン含有化合物を含む負極と、
下記の式(1)、式(2)、式(3)、式(4)、式(5)および式(6)のそれぞれで表されるジカルボニル化合物のうちの少なくとも1種を含むと共に、前記ジカルボニル化合物の含有量が0.01重量%以上5重量%以下である電解液と
を備えた、二次電池。
Figure 0006934941
(R101、R104、R109およびR112のそれぞれは、アルキレン基である。R102、R103、R106、R107、R110およびR111のそれぞれは、水素基、アルキル基、カルボキシル基およびアルキルカルボキシル基のうちのいずれかである。R105およびR108のそれぞれは、水素基、1価の炭化水素基、シリル基(−SiR3 )およびアルカリ金属のうちのいずれかである。R113およびR114のそれぞれは、3価の炭化水素基である。ただし、R101はなくてもよいと共に、R109およびR112のそれぞれはなくてもよい。R102およびR103は互いに結合されていてもよく、R106およびR107は互いに結合されていてもよく、R110およびR111は互いに結合されていてもよい。3つのRのそれぞれは、水素基および1価の炭化水素基のうちのいずれかである。n1、n2およびn3のそれぞれは、2以上の整数である。)
(2)
前記1価の炭化水素基は、アルキル基、アルケニル基、アルキニル基、シクロアルキル基、アリール基およびそれらの2種類以上が互いに結合された1価の基のうちのいずれかであり、
前記アルカリ金属は、リチウム(Li)、ナトリウム(Na)、カリウム(K)、ルビジウム(Rb)、セシウム(Cs)およびフランシウム(Fr)のうちのいずれかであり、
前記3価の炭化水素基は、アルカン、アルケン、アルキン、脂環式炭化水素、芳香族炭化水素およびそれらの2種類以上が互いに結合された化合物のそれぞれから3個の水素基が脱離した基のうちのいずれかである、
上記(1)に記載の二次電池。
(3)
前記アルキレン基の炭素数は、1以上6以下であり、
前記アルキル基の炭素数は、1以上6以下であり、
前記アルキルカルボキシル基のうち、カルボキシル基以外の部分の炭素数は、1以上6以下である、
上記(1)または(2)に記載の二次電池。
(4)
前記式(1)に示したジカルボニル化合物は、下記の式(7)および式(8)のそれぞれで表される化合物のうちの少なくとも一方を含む、
上記(1)ないし(3)のいずれかにに記載の二次電池。
Figure 0006934941
(R115、R116、R117、R118、R119およびR120のそれぞれは、水素基、アルキル基、カルボキシル基およびアルキルカルボキシル基のうちのいずれかである。ただし、R115およびR116は互いに結合されていてもよいと共に、R117〜R120のうちの任意の2つは互いに結合されていてもよい。)
(5)
前記式(2)に示したジカルボニル化合物は、下記の式(9)で表される化合物を含む、
上記(1)ないし(4)のいずれかに記載の二次電池。
Figure 0006934941
(R121およびR122のそれぞれは、水素基、アルキル基、カルボキシル基およびアルキルカルボキシル基のうちのいずれかである。ただし、R121およびR122は互いに結合されていてもよい。)
(6)
前記式(4)に示したジカルボニル化合物は、下記の式(10)で表される化合物を含む、
上記(1)ないし(5)のいずれかに記載の二次電池。
Figure 0006934941
(R123は、アルキレン基である。n4は、2以上の整数である。)
(7)
前記チタン含有化合物は、下記の式(11)で表されるチタン酸化物および下記の式(12)、式(13)および式(14)のそれぞれで表されるリチウムチタン複合酸化物のうちの少なくとも1種を含む、
上記(1)ないし(5)のいずれかに記載の二次電池。
TiOw ・・・(11)
(wは、1.85≦w≦2.15を満たす。)
Li[Lix M1(1-3x)/2Ti(3+x)/2 ]O4 ・・・(12)
(M1は、マグネシウム(Mg)、カルシウム(Ca)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)およびストロンチウム(Sr)のうちの少なくとも1種である。xは、0≦x≦1/3を満たす。)
Li[Liy M21-3yTi1+2y]O4 ・・・(13)
(M2は、アルミニウム(Al)、スカンジウム(Sc)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、ゲルマニウム(Ga)およびイットリウム(Y)のうちの少なくとも1種である。yは、0≦y≦1/3を満たす。)
Li[Li1/3 M3z Ti(5/3)-z ]O4 ・・・(14)
(M3は、バナジウム(V)、ジルコニウム(Zr)およびニオブ(Nb)のうちの少なくとも1種である。zは、0≦z≦2/3を満たす。)
(8)
リチウムイオン二次電池である、
上記(1)ないし(7)のいずれかに記載の二次電池。
(9)
上記(1)ないし(8)のいずれかに記載の二次電池と、
前記二次電池の動作を制御する制御部と、
前記制御部の指示に応じて前記二次電池の動作を切り換えるスイッチ部と
を備えた、電池パック。
(10)
上記(1)ないし(8)のいずれかに記載の二次電池と、
前記二次電池から供給された電力を駆動力に変換する変換部と、
前記駆動力に応じて駆動する駆動部と、
前記二次電池の動作を制御する制御部と
を備えた、電動車両。
(11)
上記(1)ないし(8)のいずれかに記載の二次電池と、
前記二次電池から電力を供給される1または2以上の電気機器と、
前記二次電池からの前記電気機器に対する電力供給を制御する制御部と
を備えた、電力貯蔵システム。
(12)
上記(1)ないし(8)のいずれかに記載の二次電池と、
前記二次電池から電力を供給される可動部と
を備えた、電動工具。
(13)
上記(1)ないし(8)のいずれかに記載の二次電池を電力供給源として備えた、電子機器。
当業者であれば、設計上の要件や他の要因に応じて、種々の修正、コンビネーション、サブコンビネーションおよび変更を想到し得るが、それらは添付の請求の範囲の趣旨やその均等物の範囲に含まれるものであることが理解される。

Claims (9)

  1. 正極と、
    チタン含有化合物を含む負極と、
    下記の式(4)で表されるジカルボニル化合物を含むと共に、前記ジカルボニル化合物の含有量が0.01重量%以上5重量%以下である電解液と
    を備えた、リチウムイオン二次電池。
    Figure 0006934941
    (R109およびR112のそれぞれは、アルキレン基である。R110およびR111のそれぞれは、水素基、アルキル基、カルボキシル基およびアルキルカルボキシル基のうちのいずれかである。ただし、R109およびR112のそれぞれは、なくてもよい。n1は、2以上の整数である。)
  2. 前記アルキレン基の炭素数は、1以上6以下であり、
    前記アルキル基の炭素数は、1以上6以下であり、
    前記アルキルカルボキシル基のうち、カルボキシル基以外の部分の炭素数は、1以上6以下である、
    請求項1記載のリチウムイオン二次電池。
  3. 前記式(4)に示したジカルボニル化合物は、下記の式(10)で表される化合物を含む、
    請求項1または請求項2に記載のリチウムイオン二次電池。
    Figure 0006934941
    (R123は、アルキレン基である。n4は、2以上の整数である。)
  4. 前記チタン含有化合物は、下記の式(11)で表されるチタン酸化物ならびに下記の式(12)、式(13)および式(14)のそれぞれで表されるリチウムチタン複合酸化物のうちの少なくとも1種を含む、
    請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池。
    TiOw ・・・(11)
    (wは、1.85≦w≦2.15を満たす。)
    Li[Lix M1(1-3x)/2Ti(3+x)/2 ]O4 ・・・(12)
    (M1は、マグネシウム(Mg)、カルシウム(Ca)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)およびストロンチウム(Sr)のうちの少なくとも1種である。xは、0≦x≦1/3を満たす。)
    Li[Liy M21-3yTi1+2y]O4 ・・・(13)
    (M2は、アルミニウム(Al)、スカンジウム(Sc)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、ゲルマニウム(Ga)およびイットリウム(Y)のうちの少なくとも1種である。yは、0≦y≦1/3を満たす。)
    Li[Li1/3 M3z Ti(5/3)-z ]O4 ・・・(14)
    (M3は、バナジウム(V)、ジルコニウム(Zr)およびニオブ(Nb)のうちの少なくとも1種である。zは、0≦z≦2/3を満たす。)
  5. 請求項1ないし請求項4のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池と、
    前記リチウムイオン二次電池の動作を制御する制御部と、
    前記制御部の指示に応じて前記リチウムイオン二次電池の動作を切り換えるスイッチ部と
    を備えた、電池パック。
  6. 請求項1ないし請求項4のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池と、
    前記リチウムイオン二次電池から供給された電力を駆動力に変換する変換部と、
    前記駆動力に応じて駆動する駆動部と、
    前記リチウムイオン二次電池の動作を制御する制御部と
    を備えた、電動車両。
  7. 請求項1ないし請求項4のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池と、
    前記リチウムイオン二次電池から電力を供給される1または2以上の電気機器と、
    前記リチウムイオン二次電池からの前記電気機器に対する電力供給を制御する制御部と
    を備えた、電力貯蔵システム。
  8. 請求項1ないし請求項4のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池と、
    前記リチウムイオン二次電池から電力を供給される可動部と
    を備えた、電動工具。
  9. 請求項1ないし請求項4のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池を電力供給源として備えた、電子機器。
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