CN106133988B - 电解液和电化学器件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种电解液,其能够对应电化学器件的高电压化,并且与现有的电解液相比,能够提高电化学器件的高温保存特性,能够抑制高温保存时的气体发生。该电解液的特征在于,包含:含有含氟率为33~70质量%的氟化链状碳酸酯的溶剂、磺内酯衍生物和电解质盐。
Description
技术领域
本发明涉及电解液和电化学器件。
背景技术
伴随近年来的电气制品的轻量化、小型化,进行着具有高能量密度的锂离子二次电池等电化学器件的开发。另外,随着锂离子二次电池等电化学器件的适用领域扩大,迫切希望特性的改善。特别是今后在车载用途中使用锂离子二次电池的情况下,电池特性的改善变得越来越重要。
专利文献1记载了含有R1OCOOR2(式中R1表示烷基或卤原子取代烷基,R2表示在β位置不具有氢的烷基或卤原子取代烷基。)所示的碳酸酯的非水电解液。另外,记载了如果取代碳酸酯的至少一方的烷基的β位氢,则碳酸酯的化学的稳定性提高,与金属锂的反应性降低,另外抗氧化性也提高;使用含有取代了至少一方的烷基的β位氢的碳酸酯的电解液的电池的安全性提高,而且充放电循环寿命提高。
专利文献2记载了在由含有氟化碳酸酯、环状碳酸酯和链状碳酸酯的非水溶剂以及电解质构成的非水电解液中,作为氟化碳酸酯,可以使用R1OCOOR2(式中,R1和R2可以互相相同也可以不同,一方为1个以上的氢原子被氟原子取代的碳原子数为1~4的烃基,另一方为碳原子数1~4的烃基、或1个以上的氢原子被氟原子取代的碳原子数1~4的烃基。)所示的化合物。
专利文献3记载了一种非水系电解质二次电池,其特征在于,具备正极、以锂金属或能够吸留、释放锂的物质为主材的负极、和非水系电解质,在该非水系电解质二次电池中,上述非水系电解质含有以下的通式(I)所示的γ-磺内酯化合物。另外,由于上述γ-磺内酯化合物被添加到非水系电解质中,所以能够抑制充放电循环时发生的放电容量的降低,能够使充放电循环特性提高。
(式中,R1、R2、R3、R4、R5和R6分别独立地表示氢原子、碳原子数1~6的烷基或碳原子数1~6的氟原子取代烷基。)
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开平07-006786号公报
专利文献2:日本特开平11-307120号公报
专利文献3:日本特开2000-235866号公报
发明内容
发明所要解决的课题
在将锂离子二次电池等电化学器件应用于车辆等需要大容量电源的用途的情况下,为了实现更高的能量密度,需要高电压化。因此,要求对应于高电压化且能够使电化学器件的各种特性提高的电解液。
本发明是鉴于上述现状作出的,其课题在于提供一种电解液,其能够对应电化学器件的高电压化,并且与现有的电解液相比,能够提高电化学器件的高温保存特性,能够抑制高温保存时的气体发生。
用于解决课题的方法
本发明的发明人发现包含含有具有特定的含氟率的氟化链状碳酸酯的溶剂以及磺内酯衍生物的电解液能够使电化学器件的高温保存特性提高,而且能够抑制电化学器件的高温保存时的气体发生,从而完成了本发明。
即本发明是一种电解液,其特征在于,包含含有含氟率为33~70质量%的氟化链状碳酸酯的溶剂、磺内酯衍生物以及电解质盐。
磺内酯衍生物优选为通式(1)所示的磺内酯衍生物:
(式中,m为0~6的整数,n为0~6的整数。其中,m+n为1~8的整数。另外,X为烷基或包含氧原子的烷基。)。
优选相对于溶剂,氟化链状碳酸酯为5~85体积%。
溶剂优选含有氟化饱和环状碳酸酯。
优选相对于溶剂,氟化饱和环状碳酸酯为10~95体积%。
优选相对于溶剂,氟化饱和环状碳酸酯和氟化链状碳酸酯的合计量为40~100体积%。
优选相对于电解液,磺内酯衍生物为0.001~30质量%。
本发明还为以具备上述电解液为特征的电化学器件。
本发明还为以具备上述电解液为特征的锂离子二次电池。
本发明还为以具备上述电化学器件或者上述锂离子二次电池为特征的组件。
发明的效果
根据本发明的电解液,能够对应电化学器件的高电压化,能够使电化学器件的高温保存特性提高,能够抑制高温保存时的气体发生。具备上述电解液的电化学器件具有优异的高温保存特性,高温保存时的气体的发生少,所以适于车载用等用途。
具体实施方式
以下,具体说明本发明。
本发明的电解液包含溶剂。
上述溶剂优选含有氟化饱和环状碳酸酯。
氟化饱和环状碳酸酯为具有氟原子的饱和环状碳酸酯。具体而言,可以列举下述通式(A)所示的氟化饱和环状碳酸酯(A):
(式中,X1~X4相同或不同,分别表示-H、-CH3、-F、可以具有醚键的氟化烷基或可以具有醚键的氟化烷氧基。其中,X1~X4的至少1个为-F、可以具有醚键的氟化烷基或可以具有醚键的氟化烷氧基。)。
如果包含上述氟化饱和环状碳酸酯(A),则在将本发明的电解液适用于锂离子二次电池等的情况下,能够在负极形成稳定的覆膜,能够充分抑制负极处的电解液的副反应。其结果,可以得到极为稳定且优异的充放电特性。
其中,在本说明书中“醚键”是由-O-所示的键。
在上述通式(A)中,从介电常数、抗氧化性良好的观点考虑,优选X1~X4的1个或2个为-F、可以具有醚键的氟化烷基或可以具有醚键的氟化烷氧基。
在上述通式(A)中,从能够期待低温时的粘性的降低、闪点的上升、进而电解质盐的溶解性的提高考虑,X1~X4优选为-H、-F、氟化烷基(a)、具有醚键的氟化烷基(b)、或氟化烷氧基(c)。其中,优选列举X1~X4中,-H为1个、-F为3个的化合物。
上述氟化烷基(a)为烷基所具有的氢原子的至少1个被氟原子取代的基团。氟化烷基(a)的碳原子数优选为1~20,更优选为1~17,更加优选为1~7,特别优选为1~3。
如果碳原子数过大,则有可能低温特性降低,或电解质盐的溶解性降低。
上述氟化烷基(a)中,作为碳原子数为1的基团,可以列举CFH2-、CF2H-和CF3-。
上述氟化烷基(a)中,作为碳原子数为2以上的基团,从电解质盐的溶解性良好的观点考虑,能够优选例示下述通式(a-1)所示的氟化烷基:
R1-R2- (a-1)
(式中,R1为可以具有氟原子的碳原子数1以上的烷基;R2为可以具有氟原子的碳原子数1~3的亚烷基;其中,R1和R2的至少一方具有氟原子)。
此外,R1和R2还可以具有碳原子、氢原子和氟原子以外的其他原子。
R1为可以具有氟原子的碳原子数1以上的烷基。作为R1,优选碳原子数1~16的直链状或支链状的烷基。作为R1的碳原子数,更优选为1~6,更加优选为1~3。
作为R1,具体而言,作为直链状或支链状的烷基,可以列举CH3-、CH3CH2-、CH3CH2CH2-、CH3CH2CH2CH2-、
等。
另外,在R1为具有氟原子的直链状的烷基的情况下,可以列举CF3-、CF3CH2-、CF3CF2-、CF3CH2CH2-、CF3CF2CH2-、CF3CF2CF2-、CF3CH2CF2-、CF3CH2CH2CH2-、CF3CF2CH2CH2-、CF3CH2CF2CH2-、CF3CF2CF2CH2-、CF3CF2CF2CF2-、CF3CF2CH2CF2-、CF3CH2CH2CH2CH2-、CF3CF2CH2CH2CH2-、CF3CH2CF2CH2CH2-、CF3CF2CF2CH2CH2-、CF3CF2CF2CF2CH2-、CF3CF2CH2CF2CH2-、CF3CF2CH2CH2CH2CH2-、CF3CF2CF2CF2CH2CH2-、CF3CF2CH2CF2CH2CH2-、HCF2-、HCF2CH2-、HCF2CF2-、HCF2CH2CH2-、HCF2CF2CH2-、HCF2CH2CF2-、HCF2CF2CH2CH2-、HCF2CH2CF2CH2-、HCF2CF2CF2CF2-、HCF2CF2CH2CH2CH2-、HCF2CH2CF2CH2CH2-、HCF2CF2CF2CF2CH2-、HCF2CF2CF2CF2CH2CH2-、FCH2-、FCH2CH2-、FCH2CF2-、FCH2CF2CH2-、FCH2CF2CF2-、CH3CF2CH2-、CH3CF2CF2-、CH3CH2CH2-、CH3CF2CH2CF2-、CH3CF2CF2CF2-、CH3CH2CF2CF2-、CH3CF2CH2CF2CH2-、CH3CF2CF2CF2CH2-、CH3CF2CF2CH2CH2-、CH3CH2CF2CF2CH2-、CH3CF2CH2CF2CH2CH2-、HCFClCF2CH2-、HCF2CFClCH2-、HCF2CFClCF2CFClCH2-、HCFClCF2CFClCF2CH2-等。
另外,R1为具有氟原子的支链状的烷基的情况下,优选列举:
等。其中,如果具有-CH3、-CF3这样的支链,则粘性容易升高,因此更优选其数量少(1个)或为零。
R2为可以具有氟原子的碳原子数1~3的亚烷基。R2可以为直链状,也可以为支链状。下述表示构成这样的直链状或支链状的亚烷基的最小结构单元的一例。R2由这些的单独或组合构成。
(i)直链状的最小结构单元:
-CH2-、-CHF-、-CF2-、-CHCl-、-CFCl-、-CCl2-
(ii)支链状的最小结构单元:
此外,在以上的例示中,由于不发生通过碱的脱HCl反应,更加稳定,所以优选由不含Cl的结构单元构成。
R2为直链状的情况下,为仅由上述直链状的最小结构单元构成,其中优选-CH2-、-CH2CH2-或CF2-。从能够使电解质盐的溶解性进一步提高的观点考虑,更优选-CH2-或-CH2CH2-。
R2为支链状的情况下,至少含有1个上述的支链状的最小结构单元,能够优选例示通式:-(CXaXb)-(Xa为H、F、CH3或CF3;Xb为CH3或CF3。其中,Xb为CF3时,Xa为H或CH3)所示的结构。这些特别能够使电解质盐的溶解性更进一步提高。
作为优选的氟化烷基(a),可以列举例如:CF3CF2-、HCF2CF2-、H2CFCF2-、CH3CF2-、CF3CF2CF2-、HCF2CF2CF2-、H2CFCF2CF2-、CH3CF2CF2-、
等。
上述具有醚键的氟化烷基(b)为具有醚键的烷基所具有的氢原子的至少1个被氟原子取代的基团。上述具有醚键的氟化烷基(b)优选碳原子数为2~17。如果碳原子数过多,则氟化饱和环状碳酸酯(A)的粘性升高,另外,由于含氟基变多,所以有时可以看到由介电常数的降低引起的电解质盐的溶解性降低、与其他溶剂的相溶性的降低。从该观点考虑,上述具有醚键的氟化烷基(b)的碳原子数更优选为2~10,更加优选为2~7。
构成上述具有醚键的氟化烷基(b)的醚部分的亚烷基可以为直链状或支链状的亚烷基。下述表示构成这样的直链状或支链状的亚烷基的最小结构单元的一例。
(i)直链状的最小结构单元:
-CH2-、-CHF-、-CF2-、-CHCl-、-CFCl-、-CCl2-
(ii)支链状的最小结构单元:
亚烷基可以由这些最小结构单元单独构成,也可以由直链状(i)彼此、支链状(ii)彼此或者直链状(i)和支链状(ii)的组合构成。优选的具体例在后面说明。
此外,在以上的例示中,由于不发生通过碱的脱HCl反应,更加稳定,所以优选由不含Cl的结构单元构成。
作为更优选的具有醚键的氟化烷基(b),可以列举通式(b-1)所示的基团:
R3-(OR4)n1- (b-1)
(式中,R3为可以具有氟原子的、优选碳原子数1~6的烷基;R4为可以具有氟原子的、优选碳原子数1~4的亚烷基;n1为1~3的整数;其中,R3和R4的至少1个具有氟原子)。
作为R3和R4能够例示以下的例子,可以将它们适当组合,构成上述通式(b-1)所示的具有醚键的氟化烷基(b),但不仅仅限定于这些。
(1)作为R3,优选通式:Xc 3C-(R5)n2-所示的烷基(3个Xc相同或不同,均为H或F;R5为碳原子数1~5的可以具有氟原子的亚烷基;n2为0或1)。
n2为0时,作为R3,可以列举CH3-、CF3-、HCF2-和H2CF-。
作为n2为1时的具体例,作为R3为直链状的基团,可以例示:CF3CH2-、CF3CF2-、CF3CH2CH2-、CF3CF2CH2-、CF3CF2CF2-、CF3CH2CF2-、CF3CH2CH2CH2-、CF3CF2CH2CH2-、CF3CH2CF2CH2-、CF3CF2CF2CH2-、CF3CF2CF2CF2-、CF3CF2CH2CF2-、CF3CH2CH2CH2CH2-、CF3CF2CH2CH2CH2-、CF3CH2CF2CH2CH2-、CF3CF2CF2CH2CH2-、CF3CF2CF2CF2CH2-、CF3CF2CH2CF2CH2-、CF3CF2CH2CH2CH2CH2-、CF3CF2CF2CF2CH2CH2-、CF3CF2CH2CF2CH2CH2-、HCF2CH2-、HCF2CF2-、HCF2CH2CH2-、HCF2CF2CH2-、HCF2CH2CF2-、HCF2CF2CH2CH2-、HCF2CH2CF2CH2-、HCF2CF2CF2CF2-、HCF2CF2CH2CH2CH2-、HCF2CH2CF2CH2CH2-、HCF2CF2CF2CF2CH2-、HCF2CF2CF2CF2CH2CH2-、FCH2CH2-、FCH2CF2-、FCH2CF2CH2-、CH3CF2-、CH3CH2-、CH3CF2CH2-、CH3CF2CF2-、CH3CH2CH2-、CH3CF2CH2CF2-、CH3CF2CF2CF2-、CH3CH2CF2CF2-、CH3CH2CH2CH2-、CH3CF2CH2CF2CH2-、CH3CF2CF2CF2CH2-、CH3CF2CF2CH2CH2-、CH3CH2CF2CF2CH2-、CH3CF2CH2CF2CH2CH2-、CH3CH2CF2CF2CH2CH2-等。
作为n2为1、且R3为支链状的基团,可以列举:
等。
其中,如果具有-CH3、-CF3这样的支链,则粘性容易升高,因此更优选R3为直链状的基团。
(2)在上述通式(b-1)的-(OR4)n1-中,n1为1~3的整数,优选为1或2。其中,n1=2或3时,R4可以相同也可以不同。
作为R4的优选具体例,能够例示如下的直链状或支链状的基团。
作为直链状的基团,可以例示:-CH2-、-CHF-、-CF2-、-CH2CH2-、-CF2CH2-、-CF2CF2-、-CH2CF2-、-CH2CH2CH2-、-CH2CH2CF2-、-CH2CF2CH2-、-CH2CF2CF2-、-CF2CH2CH2-、-CF2CF2CH2-、-CF2CH2CF2-、-CF2CF2CF2-等。
作为支链状的基团,可以列举:
等。
上述氟化烷氧基(c)为烷氧基具有的氢原子的至少1个被氟原子取代的基团。上述氟化烷氧基(c)优选碳原子数为1~17。更优选碳原子数为1~6。
作为上述氟化烷氧基(c),特别优选通式:Xd 3C-(R6)n3-O-所示的氟化烷氧基(3个Xd相同或不同均为H或F;R6优选为碳原子数1~5的可以具有氟原子的亚烷基;n3为0或1;其中,3个Xd的任意个含有氟原子)。
作为上述氟化烷氧基(c)的具体例,可以列举在上述通式(a-1)中作为R1例示的烷基的末端结合有氧原子的氟化烷氧基。
氟化饱和环状碳酸酯(A)中的氟化烷基(a)、具有醚键的氟化烷基(b)和氟化烷氧基(c)的含氟率优选为10质量%以上。如果含氟率过低,则有可能无法充分得到低温的粘性降低效果或闪点的上升效果。从该观点考虑,上述含氟率更优选为20质量%以上,更加优选为30质量%以上。上限通常为85质量%。
氟化烷基(a)、具有醚键的氟化烷基(b)以及氟化烷氧基(c)的含氟率是根据各基团的结构式,通过{(氟原子的个数×19)/各基团的式量}×100(%)算出的值。
另外,氟化饱和环状碳酸酯(A)全体的含氟率优选为5质量%以上,更优选为10质量%以上。上限通常为76质量%。从介电常数、抗氧化性良好的观点考虑,氟化饱和环状碳酸酯(A)全体的含氟率优选为10~70质量%,更优选为15~60质量%。
此外,氟化饱和环状碳酸酯(A)的含氟率是根据氟化饱和环状碳酸酯(A)的结构式,通过{(氟原子的个数×19)/氟化饱和环状碳酸酯(A)的分子量}×100(%)算出的值。
作为上述氟化饱和环状碳酸酯(A),具体而言,例如可以列举以下情况。
在上述通式(A)中,作为X1~X4的至少1个为-F的氟化饱和环状碳酸酯(A)的具体例,可以列举:
等。这些化合物的耐电压高,电解质盐的溶解性也良好。
还能够使用:
等。
在上述通式(A)中,作为X1~X4的至少1个为氟化烷基(a)、且剩余全部为-H的氟化饱和环状碳酸酯(A)的具体例,可以列举:
等。
在上述通式(A)中,作为X1~X4的至少1个为具有醚键的氟化烷基(b)或氟化烷氧基(c)、且剩余的全部为-H的氟化饱和环状碳酸酯(A)的具体例,可以列举:
等。
此外,上述氟化饱和环状碳酸酯(A)不仅仅限定于上述的具体例。另外,上述氟化饱和环状碳酸酯(A)可以单独使用1种,也可以以任意的组合和比率并用2种以上。
作为上述氟化饱和环状碳酸酯(A),其中优选氟代碳酸亚乙酯、二氟代碳酸亚乙酯。
上述溶剂含有氟化饱和环状碳酸酯的情况下,优选相对于溶剂,氟化饱和环状碳酸酯为0.01~95体积%。由此,能够使电解液的抗氧化性提高。另外,能够充分溶解电解质盐。下限相对于溶剂,更优选为10体积%,更加优选为15体积%,特别优选为20体积%。上限相对于溶剂,更优选为80体积%,更加优选为70体积%。
本发明的溶剂含有含氟率为33~70质量%的氟化链状碳酸酯。
氟化链状碳酸酯为具有氟原子的链状碳酸酯,含氟率为33~70质量%。含有含氟率在上述范围内的氟化链状碳酸酯的电解液能够使电化学器件的高温保存特性进一步提高,能够抑制气体的发生。上述含氟率的下限更优选为34质量%,更加优选为36质量%。上述含氟率的上限更优选为60质量%,更加优选为55质量%。
上述含氟率是根据氟化链状碳酸酯的结构式,通过{(氟原子的个数×19)/氟化链状碳酸酯的分子量}×100(%)算出的值。
作为上述氟化链状碳酸酯,从阻燃性高、且倍率特性和抗氧化性良好的观点考虑优选例如通式(B)所示的含氟碳酸酯:
Rf1OCOORf2 (B)
(式中,Rf1和Rf2相同或不同,为可以具有氟原子、可以具有醚键的碳原子数1~11的烷基。其中,Rf1和Rf2的至少一方为可以具有醚键的碳原子数1~11的含氟烷基。)。Rf1和Rf2的碳原子数优选为1~5。
作为Rf1和Rf2,可以例示例如:CF3-、CF3CH2-、HCF2CH2-、HCF2CF2-、HCF2CF2CH2-、CF3CF2CH2-、(CF3)2CH-、H(CF2CF2)2CH2-、CF3-CF2-等含氟烷基、C3F7OCF(CF3)CH2-、C3F7OCF(CF3)CF2OCF(CF3)CH2-、C2F5OCF(CF3)CH2-、CF3OCF(CF3)CH2-、C2F5OC(CF3)2CH2-等具有醚键的含氟烷基、CH3-、C2H5-、C3H7-、C4H5-等非含氟烷基。
从这些基团中,选择氟化链状碳酸酯的含氟率在上述范围内的组合即可。
作为上述氟化链状碳酸酯,具体而言可以例示(CF3CH2O)2CO、(HCF2CF2CH2O)2CO、(CF3CF2CH2O)2CO、((CF3)2CHO)2CO、(H(CF2CF2)2CH2O)2CO、(C3F7OCF(CF3)CF2OCF(CF3)CH2O)2CO、(C3F7OCF(CF3)CH2O)2CO、CH3OCOOCH2CF2CF3、CH3OCOOCH2CF2CF2H、C2H5OCOOCH2CF2CF2H、CH3OCOOCH2CF3、C2H5OCOOCH2CF3、CF3CF2CH2OCOOCH2CF2CF2H、C3F7OCF(CF3)CH2OCOOC3H7、HCF2CF2CH2OCOOC3H7、(CF3)2CHOCOOCH3、CH3OCOOCF3等。
作为上述氟化链状碳酸酯,优选选自(CF3CH2O)2CO、(HCF2CF2CH2O)2CO、(CF3CF2CH2O)2CO、((CF3)2CHO)2CO、(H(CF2CF2)2CH2O)2CO、(C3F7OCF(CF3)CF2OCF(CF3)CH2O)2CO、(C3F7OCF(CF3)CH2O)2CO、CH3OCOOCH2CF2CF3、CH3OCOOCH2CF2CF2H、C2H5OCOOCH2CF2CF2H、CH3OCOOCH2CF3、C2H5OCOOCH2CF3、CF3CF2CH2OCOOCH2CF2CF2H、C3F7OCF(CF3)CH2OCOOC3H7、HCF2CF2CH2OCOOC3H7、(CF3)2CHOCOOCH3和CH3OCOOCF3中的至少1种。
在本发明的电解液中,优选相对于溶剂,氟化链状碳酸酯为5~85体积%。由此,能够使电解液的抗氧化性提高。另外,能够充分溶解电解质盐。下限相对于溶剂更优选为15体积%,更加优选为20体积%。上限相对于溶剂更优选为80体积%,更加优选为75体积%。
在上述溶剂含有氟化饱和环状碳酸酯和氟化链状碳酸酯的情况下,优选相对于溶剂,氟化饱和环状碳酸酯和氟化链状碳酸酯的合计量为40~100体积%。如果氟化饱和环状碳酸酯和氟化链状碳酸酯的合计量在上述范围内,则电解液会变得更加适合于高电压电化学器件。氟化饱和环状碳酸酯和氟化链状碳酸酯的合计量更优选为60~100体积%,更加优选为70~100体积%。
本发明中的溶剂还可以含有非氟化饱和环状碳酸酯和/或非氟化链状碳酸酯。
作为非氟化饱和环状碳酸酯,可以列举具有碳原子数2~4的亚烷基的非氟化饱和环状碳酸酯。
作为具有碳原子数2~4的亚烷基的非氟化饱和环状碳酸酯的具体的例子,可以列举碳酸亚乙酯、碳酸亚丙酯、碳酸亚丁酯。其中,碳酸亚乙酯和碳酸亚丙酯从提高锂离子解离度和提高负载特性的观点考虑特别优选。
非氟化饱和环状碳酸酯可以单独使用1种,也可以以任意的组合和比率并用2种以上。
作为非氟化链状碳酸酯,可以列举例如:碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸二正丙酯、碳酸二异丙酯、碳酸正丙基异丙酯、碳酸甲乙酯、碳酸甲基正丙酯、碳酸正丁基甲酯、碳酸异丁基甲酯、碳酸叔丁基甲酯、碳酸乙基正丙酯、碳酸正丁基乙酯、碳酸异丁基乙酯、碳酸叔丁基乙酯等。
其中,优选碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸二正丙酯、碳酸二异丙酯、碳酸正丙基异丙酯、碳酸甲乙酯、碳酸甲基正丙酯,特别优选碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯。
非氟化链状碳酸酯可以单独使用1种,也可以以任意的组合和比率并用2种以上。
在使用非氟化饱和环状碳酸酯和/或非氟化链状碳酸酯的情况下,相对于溶剂,优选合计设为0.01~60体积%。其他成分的含量的下限可以为0.1体积%,也可以为10体积%。上限可以为40体积%,也可以为30体积%。此时的氟化饱和环状碳酸酯和氟化链状碳酸酯的含量的上限相对于溶剂为99.99体积%,优选为99.9体积%。
上述溶剂优选为非水溶剂,本发明的电解液优选为非水电解液。
本发明的电解液含有磺内酯衍生物。上述磺内酯衍生物为磺内酯(1,3-丙磺内酯)的衍生物,与磺内酯不同。
作为上述磺内酯衍生物,优选通式(1)所示的磺内酯衍生物:
(式中,m为0~6的整数,n为0~6的整数。其中,m+n为1~8的整数。另外,X为烷基或包含氧原子的烷基。上述烷基为非氟化烷基。)。
如果包含上述磺内酯衍生物,则能够使电化学器件的高温保存特性提高,还能够抑制高温保存时的气体发生。
在上述通式(1)中,X优选为选自-CH3、-CH2CH3、-CH2CH2CH3、-CH2CH2CH2CH3、-CH(CH3)2、-CH(CH3)CH2CH3、-OCH3、-OCH2CH3和-OCH(CH3)2中的基团,更优选为选自-CH3和-CH2CH3中的基团。它们在均为供电子基团的方面是共通的,推测有助于提高电化学器件的高温保存特性、抑制高温保存时的气体发生的效果。
在上述通式(1)中,m优选为0~3的整数,更优选为0~1的整数。在通式(1)中,n优选为0~3的整数,更优选为1~2的整数。在通式(1)中,m+n优选为1~5的整数,更优选为2~3的整数。
作为通式(1)所示的磺内酯衍生物,可以列举2,4-丁磺内酯、3,5-戊磺内酯、2,5-戊磺内酯、2-甲基-1,3-丙磺内酯、1,3-丁磺内酯、2-乙基-1,3-丙磺内酯、3-乙基-1,3-丙磺内酯、2,3-丙磺内酯等。
上述磺内酯衍生物的含量相对于电解液优选为0.001~30质量%。由此,能够使电化学器件的高温保存特性进一步提高,能够进一步抑制高温保存时的气体发生。上述磺内酯衍生物的含量的下限更优选为0.1质量%,更加优选为0.3质量%。上限更优选为20质量%,更加优选为10质量%,进一步优选为8质量%,特别优选为6质量%,最优选为1质量%。
本发明的电解液含有电解质盐。
作为上述电解质盐,除了能够使用锂盐、铵盐、金属盐以外,还能够使用液体状的盐(离子性液体)、无机高分子型的盐、有机高分子型的盐等能够在电解液中使用的任意的盐。
作为锂离子二次电池用电解液的电解质盐,优选锂盐。可以列举例如:LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAlF4、LiSbF6、LiTaF6、LiWF7等无机锂盐;
LiWOF5等钨酸锂类;
HCO2Li、CH3CO2Li、CH2FCO2Li、CHF2CO2Li、CF3CO2Li、CF3CH2CO2Li、CF3CF2CO2Li、CF3CF2CF2CO2Li、CF3CF2CF2CF2CO2Li等羧酸锂盐类;FSO3Li、CH3SO3Li、CH2FSO3Li、CHF2SO3Li、CF3SO3Li、CF3CF2SO3Li、CF3CF2CF2SO3Li、CF3CF2CF2CF2SO3Li等磺酸锂盐类;
LiN(FCO)2、LiN(FCO)(FSO2)、LiN(FSO2)2、LiN(FSO2)(CF3SO2)、LiN(CF3SO2)2、LiN(C2F5SO2)2、环状1,2-全氟乙烷二磺酰亚胺锂、环状1,3-全氟丙烷二磺酰亚胺锂、LiN(CF3SO2)(C4F9SO2)等酰亚胺锂盐类;
LiC(FSO2)3、LiC(CF3SO2)3、LiC(C2F5SO2)3等的甲基锂盐类;
二氟草酸硼酸锂、双(草酸)硼酸锂等草酸硼酸锂盐类;
四氟草酸磷酸锂、二氟双(草酸)磷酸锂、三(草酸)磷酸锂等草酸磷酸锂盐类;
其他、式:LiPFa(CnF2n+1)6-a(式中,a为0~5的整数,n为1~6的整数)所示的盐(例如LiPF4(CF3)2、LiPF4(C2F5)2)、LiPF4(CF3SO2)2、LiPF4(C2F5SO2)2、LiBF3CF3、LiBF3C2F5、LiBF3C3F7、LiBF2(CF3)2、LiBF2(C2F5)2、LiBF2(CF3SO2)2、LiBF2(C2F5SO2)2等含氟有机锂盐类;等。
其中,LiPF6、LiBF4、LiSbF6、LiTaF6、FSO3Li、CF3SO3Li、LiC(FSO2)3、LiC(CF3SO2)3、LiC(C2F5SO2)3、双(草酸)硼酸锂、二氟草酸硼酸锂、四氟草酸磷酸锂、二氟双(草酸)磷酸锂、LiBF3CF3、LiBF3C2F5、LiPF3(CF3)3、LiPF3(C2F5)3等在具有使输出特性、高倍率充放电特性、高温保存特性、循环特性等提高的效果的方面特别优选。
这些锂盐既可以单独使用,也可以并用2种以上。并用2种以上时的优选一例为LiPF6与LiBF4、LiPF6与FSO3Li等的并用,具有使负载特性、循环特性提高的效果。
此时,LiBF4或者FSO3Li相对于电解液全体100质量%的配合量没有限制,只要不明显损害本发明的效果则为任意,相对于本发明的电解液,通常为0.01质量%以上,优选为0.1质量%以上,另外,通常为30质量%以下,优选为20质量%以下。
另外,其他的一例为无机锂盐与有机锂盐的并用,该两者的并用具有抑制由高温保存导致的劣化的效果。作为有机锂盐,优选为CF3SO3Li、LiN(FSO2)2、LiN(FSO2)(CF3SO2)、LiN(CF3SO2)2、LiN(C2F5SO2)2、环状1,2-全氟乙烷二磺酰亚胺锂、环状1,3-全氟丙烷二磺酰亚胺锂、LiC(FSO2)3、LiC(CF3SO2)3、LiC(C2F5SO2)3、双草酸硼酸锂、二氟草酸硼酸锂、四氟草酸磷酸锂、二氟双草酸磷酸锂、LiBF3CF3、LiBF3C2F5、LiPF3(CF3)3、LiPF3(C2F5)3等。此时,有机锂盐相对于电解液全体100质量%的比例优选为0.1质量%以上,特别优选为0.5质量%以上,另外,优选为30质量%以下,特别优选为20质量%以下。
电解液中的这些锂盐的浓度只要不损害本发明的效果则没有特别限制。从使电解液的电导率在良好的范围、确保良好的电池性能的方面,电解液中的锂的总摩尔浓度优选为0.3mol/L以上,更优选为0.4mol/L以上,更加优选为0.5mol/L以上,另外,优选为3mol/L以下,更优选为2.5mol/L以下,更加优选为2.0mol/L以下。
如果锂的总摩尔浓度过低,则存在电解液的电导率不充分的情况,而如果浓度过高,则存在由于粘度上升而电导度降低的情况,存在电池性能降低的情况。
作为双电荷层电容器用电解液的电解质盐,优选铵盐。
作为上述铵盐,可以列举以下(IIa)~(IIe)。
(IIa)四烷基季铵盐
能够优选例示通式(IIa)所示的四烷基季铵盐,
(式中,R1a、R2a、R3a和R4a相同或不同,均为碳原子数1~6的可以包含醚键的烷基;X-为阴离子)。另外,该铵盐的氢原子的一部分或全部被氟原子和/或碳原子数1~4的含氟烷基取代的盐从抗氧化性提高的观点考虑为优选。
作为具体例,可以列举通式(IIa-1)所示的四烷基季铵盐、通式(IIa-2)所示的含烷基醚基的三烷基铵盐等。
通式(IIa-1):
(式中,R1a、R2a和X-与上述相同;x和y相同或不同为0~4的整数且x+y=4),
通式(IIa-2):
(式中,R5a为碳原子数1~6的烷基;R6a为碳原子数1~6的2价的烃基;R7a为碳原子数1~4的烷基;z为1或2;X-为阴离子)。通过导入烷基醚基,能够实现粘性的降低。
阴离子X-可以为无机阴离子也可以为有机阴离子。作为无机阴离子,可以列举例如AlCl4 -、BF4 -、PF6 -、AsF6 -、TaF6 -、I-、SbF6 -。作为有机阴离子,可以列举例如CF3COO-、CF3SO3 -、(CF3SO2)2N-、(C2F5SO2)2N-等。
这些之中,从抗氧化性、离子解离性良好的观点出发,优选BF4 -、PF6 -、AsF6 -、SbF6 -。
作为四烷基季铵盐的优选的具体例,使用Et4NBF4、Et4NClO4、Et4NPF6、Et4NAsF6、Et4NSbF6、Et4NCF3SO3、Et4N(CF3SO2)2N、Et4NC4F9SO3、Et3MeNBF4、Et3MeNClO4、Et3MeNPF6、Et3MeNAsF6、Et3MeNSbF6、Et3MeNCF3SO3、Et3MeN(CF3SO2)2N、Et3MeNC4F9SO3即可,特别是可以列举Et4NBF4、Et4NPF6、Et4NSbF6、Et4NAsF6、Et3MeNBF4、N,N-二乙基-N-甲基-N-(2-甲氧基乙基)铵盐等。
(IIb)螺环双吡咯烷鎓盐
优选列举通式(IIb-1)所示的螺环双吡咯烷鎓盐、通式(IIb-2)所示的螺环双吡咯烷鎓盐或通式(IIb-3)所示的螺环双吡咯烷鎓盐。
通式(IIb-1):
(式中,R8a和R9a相同或不同,均为碳原子数1~4的烷基;X-为阴离子;n1为0~5的整数;n2为0~5的整数),
通式(IIb-2):
(式中,R10a和R11a相同或不同,均为碳原子数1~4的烷基;X-为阴离子;n3为0~5的整数;n4为0~5的整数),
通式(IIb-3):
(式中,R12a和R13a相同或不同,均为碳原子数1~4的烷基;X-为阴离子;n5为0~5的整数;n6为0~5的整数)。另外,该螺环双吡咯烷鎓盐的氢原子的一部分或全部被氟原子和/或碳原子数1~4的含氟烷基取代的盐在抗氧化性提高的方面也为优选。
阴离子X-的优选的具体例与(IIa)时相同。其中,从解离性高、高电压下的内部电阻低的观点考虑,优选BF4-、PF6-、(CF3SO2)2N-或(C2F5SO2)2N-。
作为螺环双吡咯烷鎓盐的优选的具体例,可以列举例如:
等。
该螺环双吡咯烷鎓盐在溶剂中的溶解性、抗氧化性、离子传导性的方面优异。
(IIc)咪唑鎓盐
可以优选例示通式(IIc)所示的咪唑鎓盐:
(式中,R14a和R15a相同或不同,均为碳原子数1~6的烷基;X-为阴离子)。另外,该咪唑鎓盐的氢原子的一部分或全部被氟原子和/或碳原子数1~4的含氟烷基取代的盐在抗氧化性提高的方面也为优选。
阴离子X-的优选的具体例与(IIa)相同。
作为优选的具体例,可以列举例如:
等。
该咪唑鎓盐在粘性低、另外溶解性良好的方面优异。
(IId):N-烷基吡啶嗡盐
可以优选例示通式(IId)所示的N-烷基吡啶嗡盐:
(式中,R16a为碳原子数1~6的烷基;X-为阴离子)。另外,该N-烷基吡啶嗡盐的氢原子的一部分或全部被氟原子和/或碳原子数1~4的含氟烷基取代的盐在抗氧化性提高的方面也为优选。
阴离子X-的优选的具体例与(IIa)相同。
作为优选的具体例,可以列举例如:
等。
该N-烷基吡啶嗡盐在粘性低、另外溶解性良好的方面优异。
(IIe)N,N-二烷基吡咯烷鎓盐
可以优选例示通式(IIe)所示的N,N-二烷基吡咯烷鎓盐:
(式中,R17a和R18a相同或不同,均为碳原子数1~6的烷基;X-为阴离子)。另外,该N,N-二烷基吡咯烷鎓盐的氢原子的一部分或全部被氟原子和/或碳原子数1~4的含氟烷基取代的盐从抗氧化性提高方面也为优选。
阴离子X-的优选的具体例与(IIa)相同。
作为优选的具体例,可以列举例如:
等。
该N,N-二烷基吡咯烷鎓盐在粘性低、另外溶解性良好的方面优异。
这些铵盐中,(IIa)、(IIb)和(IIc)在溶解性、抗氧化性、离子传导性良好的方面为优选,更优选:
(式中,Me为甲基;Et为乙基;X-、x、y与式(IIa-1)中相同)。
另外,作为双电荷层电容器用电解质盐,可以使用锂盐。作为锂盐,例如优选LiPF6、LiBF4、LiAsF6、LiSbF6、LiN(SO2C2H5)2。
进而为了使容量提高,也可以使用镁盐。作为镁盐,例如优选Mg(ClO4)2、Mg(OOC2H5)2等。
电解质盐为上述铵盐的情况下,浓度优选为0.6摩尔/升以上。如果低于0.6摩尔/升,则不仅低温特性变差,而且初期内部电阻会变高。上述电解质盐的浓度更优选为0.9摩尔/升以上。
上述浓度的上限在低温特性的方面,优选为3.0摩尔/升以下,更优选为2摩尔/升以下。
上述铵盐为4氟化硼酸三乙基甲基铵(TEMABF4)时,其浓度在低温特性优异的方面优选为0.8~1.9摩尔/升。
另外,4氟化硼酸螺双吡咯烷鎓(SBPBF4)时,优选为0.7~2.0摩尔/升。
本发明的电解液优选还含有重均分子量为2000~4000、末端具有-OH、-OCOOH或-COOH的聚氧化乙烯。
通过含有这样的化合物,电极界面的稳定性提高,能够使电化学器件的特性提高。
作为上述聚氧化乙烯,可以列举例如:聚氧化乙烯单醇、聚氧化乙烯羧酸、聚氧化乙烯二醇、聚氧化乙烯二羧酸、聚氧化乙烯三醇、聚氧化乙烯三羧酸等。它们可以单独使用,也可以并用2种以上。
其中,在电化学器件的特性变得更良好的方面,优选聚氧化乙烯单醇和聚氧化乙烯二醇的混合物、以及聚乙烯羧酸和聚乙烯二羧酸的混合物。
如果上述聚氧化乙烯的重均分子量过小,则有可能容易被氧化分解。上述重均分子量更优选为3000~4000。
上述重均分子量能够通过利用凝胶渗透色谱(GPC)法的聚苯乙烯换算来测定。
上述聚氧化乙烯的含量在电解液中优选为1×10-6~1×10-2mol/kg。如果上述聚氧化乙烯的含量过多,则有可能会损害电化学器件的特性。
上述聚氧化乙烯的含量更优选为5×10-6mol/kg以上。
本发明的电解液还可以含有不饱和环状碳酸酯、过充电防止剂、其他的公知的助剂等。由此,能够抑制电化学器件的特性的降低。
作为不饱和环状碳酸酯,可以列举碳酸亚乙烯酯类、被具有芳香环或碳-碳双键或碳-碳三键的取代基取代的碳酸亚乙酯类、碳酸苯基酯类、碳酸乙烯酯类、碳酸烯丙酯类、碳酸邻苯二酚酯类等。
作为碳酸亚乙烯酯类,可以列举碳酸亚乙烯酯、甲基碳酸亚乙烯酯、4,5-二甲基碳酸亚乙烯酯、苯基碳酸亚乙烯酯、4,5-二苯基碳酸亚乙烯酯、乙烯基碳酸亚乙烯酯、4,5-二乙烯基碳酸亚乙烯酯、烯丙基碳酸亚乙烯酯、4,5-二烯丙基碳酸亚乙烯酯、4-氟碳酸亚乙烯酯、4-氟-5-甲基碳酸亚乙烯酯、4-氟-5-苯基碳酸亚乙烯酯、4-氟-5-乙烯基碳酸亚乙烯酯、4-烯丙基-5-氟碳酸亚乙烯酯等。
作为被具有芳香环或碳-碳双键或碳-碳三键的取代基取代的碳酸亚乙酯类的具体例,可以列举乙烯基碳酸亚乙酯、4,5-二乙烯基碳酸亚乙酯、4-甲基-5-乙烯基碳酸亚乙酯、4-烯丙基-5-乙烯基碳酸亚乙酯、乙炔基碳酸亚乙酯、4,5-二乙炔基碳酸亚乙酯、4-甲基-5-乙炔基碳酸亚乙酯、4-乙烯基-5-乙炔基碳酸亚乙酯、4-烯丙基-5-乙炔基碳酸亚乙酯、苯基碳酸亚乙酯、4,5-二苯基碳酸亚乙酯、4-苯基-5-乙烯基碳酸亚乙酯、4-烯丙基-5-苯基碳酸亚乙酯、烯丙基碳酸亚乙酯、4,5-二烯丙基碳酸亚乙酯、4-甲基-5-烯丙基碳酸亚乙酯等。
其中,作为不饱和环状碳酸酯,优选碳酸亚乙烯酯、甲基碳酸亚乙烯酯、4,5-二甲基碳酸亚乙烯酯、乙烯基碳酸亚乙烯酯、4,5-乙烯基碳酸亚乙烯酯、烯丙基碳酸亚乙烯酯、4,5-二烯丙基碳酸亚乙烯酯、乙烯基碳酸亚乙酯、4,5-二乙烯基碳酸亚乙酯、4-甲基-5-乙烯基碳酸亚乙酯、烯丙基碳酸亚乙酯、4,5-二烯丙基碳酸亚乙酯、4-甲基-5-烯丙基碳酸亚乙酯、4-烯丙基-5-乙烯基碳酸亚乙酯、乙炔基碳酸亚乙酯、4,5-二乙炔基碳酸亚乙酯、4-甲基-5-乙炔基碳酸亚乙酯、4-乙烯基-5-乙炔基碳酸亚乙酯。另外,碳酸亚乙烯酯、乙烯基碳酸亚乙酯、乙炔基碳酸亚乙酯由于形成更稳定的界面保护覆膜,所以特别优选。
不饱和环状碳酸酯的分子量没有特别限制,只要不明显损害本发明的效果则为任意。分子量优选为80以上、250以下。在该范围,容易确保不饱和环状碳酸酯对于非水系电解液的溶解性,容易充分表现出本发明的效果。不饱和环状碳酸酯的分子量更优选为85以上,另外,更优选为150以下。
不饱和环状碳酸酯的制造方法没有特别限制,能够任意选择公知的方法进行制造。
不饱和环状碳酸酯既可以单独使用1种,也可以以任意的组合和比率并用2种以上。
上述不饱和环状碳酸酯的含量没有特别限制,只要不明显损害本发明的效果则为任意。上述不饱和环状碳酸酯的含量在本发明的溶剂100质量%中优选为0.001质量%以上,更优选为0.1质量%以上,更加优选为0.5质量%以上。另外,上述含量优选为5质量%以下,更优选为3质量%以下,更加优选为2质量%以下。如果在上述范围内,则使用电解液的电化学器件容易表现充分的循环特性提高效果,另外,容易避免高温保存特性降低、气体发生量变多、放电容量维持率降低这样的情况。
作为不饱和环状碳酸酯,除了如上所述的非氟化不饱和环状碳酸酯以外,也可以适合使用氟化不饱和环状碳酸酯。
氟化不饱和环状碳酸酯为具有不饱和键和氟原子的环状碳酸酯。只要氟化不饱和环状碳酸酯具有的氟原子的数目为1个以上,则没有特别限制。其中,氟原子通常为6以下,优选为4以下,最优选为1个或2个。
作为氟化不饱和环状碳酸酯,可以列举氟化碳酸亚乙烯酯衍生物、被具有芳香环或碳-碳双键的取代基取代的氟化碳酸亚乙酯衍生物等。
作为氟化碳酸亚乙烯酯衍生物,可以列举4-氟碳酸亚乙烯酯、4-氟-5-甲基碳酸亚乙烯酯、4-氟-5-苯基碳酸亚乙烯酯、4-烯丙基-5-氟碳酸亚乙烯酯、4-氟-5-乙烯基碳酸亚乙烯酯等。
作为被具有芳香环或碳-碳双键的取代基取代的氟化碳酸亚乙酯衍生物,可以列举4-氟-4-乙烯基碳酸亚乙酯、4-氟-4-烯丙基碳酸亚乙酯、4-氟-5-乙烯基碳酸亚乙酯、4-氟-5-烯丙基碳酸亚乙酯、4,4-二氟-4-乙烯基碳酸亚乙酯、4,4-二氟-4-烯丙基碳酸亚乙酯、4,5-二氟-4-乙烯基碳酸亚乙酯、4,5-二氟-4-烯丙基碳酸亚乙酯、4-氟-4,5-二乙烯基碳酸亚乙酯、4-氟-4,5-二烯丙基碳酸亚乙酯、4,5-二氟-4,5-二乙烯基碳酸亚乙酯、4,5-二氟-4,5-二烯丙基碳酸亚乙酯、4-氟-4-苯基碳酸亚乙酯、4-氟-5-苯基碳酸亚乙酯、4,4-二氟-5-苯基碳酸亚乙酯、4,5-二氟-4-苯基碳酸亚乙酯等。
其中,作为氟化不饱和环状碳酸酯,4-氟碳酸亚乙烯酯、4-氟-5-甲基碳酸亚乙烯酯、4-氟-5-乙烯基碳酸亚乙烯酯、4-烯丙基-5-氟碳酸亚乙烯酯、4-氟-4-乙烯基碳酸亚乙酯、4-氟-4-烯丙基碳酸亚乙酯、4-氟-5-乙烯基碳酸亚乙酯、4-氟-5-烯丙基碳酸亚乙酯、4,4-二氟-4-乙烯基碳酸亚乙酯、4,4-二氟-4-烯丙基碳酸亚乙酯、4,5-二氟-4-乙烯基碳酸亚乙酯、4,5-二氟-4-烯丙基碳酸亚乙酯、4-氟-4,5-二乙烯基碳酸亚乙酯、4-氟-4,5-二烯丙基碳酸亚乙酯、4,5-二氟-4,5-二乙烯基碳酸亚乙酯、4,5-二氟-4,5-二烯丙基碳酸亚乙酯由于形成稳定的界面保护覆膜,所以更适合使用。
氟化不饱和环状碳酸酯的分子量没有特别限制,只要不明显损害本发明的效果则为任意。分子量优选为50以上,另外为250以下。在该范围,则容易确保氟化不饱和环状碳酸酯对于电解液的溶解性,容易表现出本发明的效果。
氟化不饱和环状碳酸酯的制造方法没有特别限制,能够任意选择公知的方法进行制造。分子量更优选为100以上,另外,更优选为200以下。
氟化不饱和环状碳酸酯可以单独使用1种,也可以以任意的组合和比率并有2种以上。另外,氟化不饱和环状碳酸酯的含量,没有特别限制,只要不明显损害本发明的效果则为任意。氟化不饱和环状碳酸酯的含量通常在电解液100质量%中,优选为0.01质量%以上,更优选为0.1质量%以上,更加优选为0.5质量%以上,另外,优选为5质量%以下,更优选为3质量%以下,更加优选为2质量%以下。在该范围内,则使用电解液的电化学器件容易表现出充分的循环特性提高效果,还容易避免高温保存特性降低、气体发生量变多、放电容量维持率降低这样的情况。
在本发明的电解液中,为了有效地抑制使用电解液的电化学器件在达到过充电等的状态时的电池的破裂、起火,能够使用过充电防止剂。
作为过充电防止剂,可以列举联苯、烷基联苯、三联苯、三联苯的部分氢化体、环己基苯、叔丁基苯、叔戊基苯、二苯基醚、二苯呋喃等的芳香族化合物;2-氟联苯、邻环己基氟苯、对环己基氟苯等的上述芳香族化合物的部分氟化物;2,4-二氟苯甲醚、2,5-二氟苯甲醚、2,6-二氟苯甲醚、3,5-二氟苯甲醚等的含氟苯甲醚化合物等。其中,优选联苯、烷基联苯、三联苯、三联苯的部分氢化体、环己基苯、叔丁基苯、叔戊基苯、二苯基醚、二苯呋喃等的芳香族化合物。它们可以单独使用1种,也可以并用2种以上。在并用2种以上时,特别是并用选自环己基苯与叔丁基苯或叔戊基苯的组合、联苯、烷基联苯、三联苯、三联苯的部分氢化体、环己基苯、叔丁基苯、叔戊基苯等的不含氧的芳香族化合物中的至少1种、以及选自二苯基醚、二苯呋喃等的含氧芳香族化合物中的至少1种,从过充电防止特性和高温保存特性的平衡的观点考虑为优选。
本发明的电解液中能够使用公知的其他助剂。作为其他助剂,可以列举脱水赤藓醇碳酸酯、螺-双-二亚甲基碳酸酯、甲氧基乙基-甲基碳酸酯等的碳酸酯化合物;琥珀酸酐、戊二酸酐、马来酸酐、柠康酸酐、戊烯二酸酐、衣康酸酐、二甘醇酸酐、环己烷二羧酸酐、环戊烷四羧酸二酐和苯基琥珀酸酐等的羧酸酐;2,4,8,10-四氧杂螺[5.5]十一烷、3,9-二乙烯基-2,4,8,10-四氧杂螺[5.5]十一烷等的螺化合物;亚硫酸乙烯酯、氟磺酸甲酯、氟磺酸乙酯、甲磺酸甲酯、甲磺酸乙酯、二甲磺酸丁酯(Busulfan)、环丁烯砜、二苯基砜、N,N-二甲基甲磺酰胺、N,N-二乙基甲磺酰胺、乙烯基磺酸甲酯、乙烯基磺酸乙酯、乙烯基磺酸烯丙酯、乙烯基磺酸炔丙酯、烯丙基磺酸甲酯、烯丙基磺酸乙酯、烯丙基磺酸烯丙酯、烯丙基磺酸炔丙酯、1,2-双(乙烯基磺酰氧基)乙烷等的含硫化合物;1-甲基-2-吡咯烷酮、1-甲基-2-哌啶酮、3-甲基-2-噁唑烷酮、1,3-二甲基-2-咪唑啉酮和N-甲基琥珀酰亚胺等的含氮化合物;亚磷酸三甲酯、亚磷酸三乙酯、亚磷酸三苯酯、磷酸三甲酯、磷酸三乙酯、磷酸三苯酯、甲基膦酸二甲酯、乙基膦酸二乙酯、乙烯基膦酸二甲酯、乙烯基膦酸二乙酯、二乙基膦酰基乙酸乙酯、二甲基次膦酸甲酯、二乙基次膦酸乙酯、三甲基氧膦、三乙基氧膦等的含磷化合物;庚烷、辛烷、壬烷、癸烷、环庚烷等的烃化合物、氟苯、二氟苯、六氟苯、三氟甲苯等的含氟芳香族化合物等。它们可以单独使用1种,也可以并用2种以上。通过添加这些助剂,能够使高温保存后的容量维持特性、循环特性提高。
其他助剂的配合量没有特别限制、只要不明显损害本发明的效果则为任意。其他助剂在电解液100质量%中优选为0.01质量%以上,另外为5质量%以下。在该范围,则容易使得其他助剂的效果充分表现,还容易避免高负载放电特性等的电池的特性降低的情况。其他助剂的配合量更优选为0.1质量%以上,更加优选为0.2质量%以上,另外,更优选为3质量%以下,更加优选为1质量%以下。
本发明的电解液在不损害本发明的效果的范围内,还可以含有环状和链状羧酸酯、醚化合物、含氮化合物、含硼化合物、含有机硅化合物、不燃(阻燃)化剂、表面活性剂、高介电化添加剂、循环特性以及倍率特性改善剂等。
作为上述环状羧酸酯,可以列举其结构式中的全部碳原子数为3~12的环状羧酸酯。具体而言,可以列举γ-丁内酯、γ-戊内酯、γ-己内酯、ε-己内酯等。其中,γ-丁内酯从由于锂离子解离度的提高带来的电化学器件的特性提高的方面考虑特别优选。
环状羧酸酯的配合量通常在溶剂100质量%中,优选为0.1质量%以上,更优选为1质量%以上。如果在该范围,则容易改善电解液的电导率,使电化学器件的大电流放电特性提高。另外,环状羧酸酯的配合量优选为10质量%以下,更优选为5质量%以下。通过这样设定上限,使电解液的粘度在适当的范围,避免电导率的降低,抑制负极电阻的增大,容易使电化学器件的大电流放电特性在良好的范围。
另外,作为上述环状羧酸酯,还能够适合使用氟化环状羧酸酯(含氟内酯)。作为含氟内酯,可以列举例如下述式(C)所示的含氟内酯:
(式中,X15~X20相同或不同,均为-H、-F、-Cl、-CH3或氟化烷基;其中,X15~X20的至少1个为氟化烷基)。
作为X15~X20中的氟化烷基,可以列举例如-CFH2、-CF2H、-CF3、-CH2CF3、-CF2CF3、-CH2CF2CF3、-CF(CF3)2等,从抗氧化性高、具有安全性提高效果的方面考虑,优选-CH2CF3、-CH2CF2CF3。
只要X15~X20的至少1个为氟化烷基,则-H、-F、-Cl、-CH3或氟化烷基既可以仅在X15~X20的1处取代,也可以在多处取代。优选从电解质盐的溶解性良好的观点考虑,为1~3处,更加优选为1~2处。
氟化烷基的取代位置没有特别限定,但从合成收率良好来看,X17和/或X18、特别是X17或X18优选为氟化烷基,其中优选为-CH2CF3、-CH2CF2CF3。氟化烷基以外的X15~X20为-H、-F、-Cl或CH3,特别从电解质盐的溶解性良好的观点出发,优选-H。
作为含氟内酯,上述式所示的物质以外,还可以例如下述式(D)所示的含氟内酯等,
(式中,A和B的任意一方为CX26X27(X26和X27相同或不同,均为-H、-F、-Cl、-CF3、-CH3或者氢原子可以被卤原子取代且链中可以含有杂原子的亚烷基),另一方为氧原子;Rf12为可以具有醚键的氟化烷基或氟化烷氧基;X21和X22相同或不同,均为-H、-F、-Cl、-CF3或CH3;X23~X25相同或不同,均为-H、-F、-Cl或者氢原子可以被卤原子取代且链中可以含有杂原子的烷基;n=0或1)。
作为式(D)所示的含氟内酯,从合成容易的方面、化学稳定性良好的方面优选列举下述式(E)所示的5元环结构:
(式中,A、B、Rf12、X21、X22和X23与式(D)中相同),进而,通过A和B的组合,有下述式(F):
(式中,Rf12、X21、X22、X23、X26和X27与式(D)中相同)所示的含氟内酯和下述式(G):
(式中,Rf12、X21、X22、X23、X26和X27与式(D)中相同)所示的含氟内酯。
这些之中,从特别能够发挥高的介电常数、高的耐电压这样的优异特性的观点、此外在电解质盐的溶解性、内部电阻的降低良好的方面作为本发明的电解液的特性提高的观点考虑,可以列举:
等。
通过含有氟化环状羧酸酯,可以得到离子传导度的提高、安全性的提高、高温时的稳定性提高的效果。
作为上述链状羧酸酯,可以列举其结构式中的全部碳原子数为3~7的链状羧酸酯。具体而言,可以列举:乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸-正丙酯、乙酸异丙酯、乙酸-正丁酯、乙酸异丁酯、乙酸-叔丁酯、丙酸甲酯、丙酸乙酯、丙酸-正丙酯、丙酸异丙酯、丙酸-正丁酯、丙酸异丁酯、丙酸-叔丁酯、丁酸甲酯、丁酸乙酯、丁酸-正丙酯、丁酸异丙酯、异丁酸甲酯、异丁酸乙酯、异丁酸-正丙酯、异丁酸异丙酯等。
其中,乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸-正丙酯、乙酸-正丁酯、丙酸甲酯、丙酸乙酯、丙酸-正丙酯、丙酸异丙酯、丁酸甲酯、丁酸乙酯等从由粘度降低引起的离子传导度的提高的方面考虑为优选。
另外,也能够适合使用氟化链状羧酸酯。作为含氟酯,下述式(H):
Rf10COORf11 (H)
(式中,Rf10为碳原子数1~2的氟化烷基、Rf11为碳原子数1~4的氟化烷基)所示的氟化链状羧酸酯从阻燃性高、且与其他溶剂的相溶性、抗氧化性良好的方面考虑为优选。
作为Rf10,能够例示例如CF3-、CF3CF2-、HCF2CF2-、HCF2-、CH3CF2-、CF3CH2-等,其中,CF3-、CF3CF2-从倍率特性良好的方面考虑特别优选。
作为Rf11,能够例示例如-CF3、-CF2CF3、-CH(CF3)2、-CH2CF3、-CH2CH2CF3、-CH2CF2CFHCF3、-CH2C2F5、-CH2CF2CF2H、-CH2CH2C2F5、-CH2CF2CF3、-CH2CF2CF2CF3等,其中-CH2CF3、-CH(CF3)2、-CH2C2F5、-CH2CF2CF2H从与其他溶剂的相溶性良好的方面考虑特别优选。
作为氟化链状羧酸酯的具体例,能够例示例如CF3C(=O)OCH2CF3、CF3C(=O)OCH2CH2CF3、CF3C(=O)OCH2C2F5、CF3C(=O)OCH2CF2CF2H、CF3C(=O)OCH(CF3)2等的1种或2种以上,其中,CF3C(=O)OCH2C2F5、CF3C(=O)OCH2CF2CF2H、CF3C(=O)OCH2CF3、CF3C(=O)OCH(CF3)2从与其他溶剂的相溶性和倍率特性良好的方面考虑特别优选。
作为上述醚化合物,优选碳原子数3~10的链状醚和碳原子数3~6的环状醚。
作为碳原子数3~10的链状醚,可以列举二乙基醚、二正丁基醚、二甲氧基甲烷、甲氧基乙氧基甲烷、二乙氧基甲烷、二甲氧基乙烷、甲氧基乙氧基乙烷、二乙氧基乙烷、乙二醇二正丙基醚、乙二醇二正丁基醚、二乙二醇二甲基醚等。
另外,作为上述醚化合物,也能够适合使用氟化醚。
作为上述氟化醚,可以列举下述通式(I)所示的氟化醚(I):
Rf3-O-Rf4 (I)
(式中,Rf3和Rf4相同或不同,为碳原子数1~10的烷基或碳原子数1~10的氟化烷基。其中,Rf3和Rf4的至少一方为氟化烷基。)。通过含有氟化醚(I),电解液的阻燃性提高,并且高温高电压下的稳定性、安全性提高。
在上述通式(I)中,Rf3和Rf4的至少一方为碳原子数1~10的氟化烷基即可,但从使电解液的阻燃性和高温高电压下的稳定性、安全性进一步提高的观点考虑,Rf3和Rf4优选均为碳原子数1~10的氟化烷基。此时,Rf3和Rf4可以相同,也可以互相不同。
其中,更优选Rf3和Rf4相同或不同,Rf3为碳原子数3~6的氟化烷基,且Rf4为碳原子数2~6的氟化烷基。
如果Rf3和Rf4的合计碳原子数过少,则氟化醚的沸点变得过低,另外,如果Rf3或Rf4的碳原子数过多,则电解质盐的溶解性降低,对与其他溶剂的相溶性也开始有不良影响,另外粘度上升,因此倍率特性降低。Rf3的碳原子数为3或4、Rf4的碳原子数为2或3时,在沸点和倍率特性优异的方面有利。
上述氟化醚(I)优选含氟率为40~75质量%。具有该范围的含氟率时,不燃性和相溶性的平衡特别优异。另外,从抗氧化性、安全性良好的观点考虑也优选。
上述含氟率的下限更优选为45质量%,更加优选为50质量%,特别优选为55质量%。上限更优选为70质量%,更加优选为66质量%。
此外,氟化醚(I)的含氟率是根据氟化醚(I)的结构式、由{(氟原子的个数×19)/氟化醚(I)的分子量}×100(%)算出的值。
作为Rf3,可以列举例如CF3CF2CH2-、CF3CFHCF2-、HCF2CF2CF2-、HCF2CF2CH2-、CF3CF2CH2CH2-、CF3CFHCF2CH2-、HCF2CF2CF2CF2-、HCF2CF2CF2CH2-、HCF2CF2CH2CH2-、HCF2CF(CF3)CH2-等。另外,作为Rf4,可以列举例如-CH2CF2CF3、-CF2CFHCF3、-CF2CF2CF2H、-CH2CF2CF2H、-CH2CH2CF2CF3、-CH2CF2CFHCF3、-CF2CF2CF2CF2H、-CH2CF2CF2CF2H、-CH2CH2CF2CF2H、-CH2CF(CF3)CF2H、-CF2CF2H、-CH2CF2H、-CF2CH3等。
作为上述氟化醚(I)的具体例,可以列举例如HCF2CF2CH2OCF2CF2H、CF3CF2CH2OCF2CF2H、HCF2CF2CH2OCF2CFHCF3、CF3CF2CH2OCF2CFHCF3、C6F13OCH3、C6F13OC2H5、C8F17OCH3、C8F17OC2H5、CF3CFHCF2CH(CH3)OCF2CFHCF3、HCF2CF2OCH(C2H5)2、HCF2CF2OC4H9、HCF2CF2OCH2CH(C2H5)2、HCF2CF2OCH2CH(CH3)2等。
其中,在单末端或两末端含有HCF2-或CF3CFH-的氟化醚极化性优异,能够提供沸点高的氟化醚(I)。氟化醚(I)的沸点优选为67~120℃。更优选为80℃以上,更加优选为90℃以上。
作为这样的氟化醚(I),可以列举例如CF3CH2OCF2CFHCF3、CF3CF2CH2OCF2CFHCF3、HCF2CF2CH2OCF2CFHCF3、HCF2CF2CH2OCH2CF2CF2H、CF3CFHCF2CH2OCF2CFHCF3、HCF2CF2CH2OCF2CF2H、CF3CF2CH2OCF2CF2H等的1种或2种以上。
其中,从在高沸点、与其他溶剂的相溶性、电解质盐的溶解性良好的方面有利考虑,优选为选自HCF2CF2CH2OCF2CFHCF3(沸点106℃)、CF3CF2CH2OCF2CFHCF3(沸点82℃)、HCF2CF2CH2OCF2CF2H(沸点92℃)和CF3CF2CH2OCF2CF2H(沸点68℃)中的至少1种,更优选为选自HCF2CF2CH2OCF2CFHCF3(沸点106℃)和HCF2CF2CH2OCF2CF2H(沸点92℃)中的至少1种。
作为碳原子数3~6的环状醚,可以列举1,3-二噁烷、2-甲基-1,3-二噁烷、4-甲基-1,3-二噁烷、1,4-二噁烷等和它们的氟化化合物。其中,二甲氧基甲烷、二乙氧基甲烷、乙氧基甲氧基甲烷、乙二醇-正丙基醚、乙二醇二正丁基醚、二乙二醇二甲基醚在对锂离子的溶剂化能力高、使离子解离度提高的方面为优选,由于粘性低、赋予高的离子传导度,所以特别优选为二甲氧基甲烷、二乙氧基甲烷、乙氧基甲氧基甲烷。
作为上述含氮化合物,可以列举腈、含氟腈、羧酸酰胺、含氟羧酸酰胺、磺酸酰胺和含氟磺酸酰胺等。另外,也能够使用1-甲基-2-吡咯烷酮、1-甲基-2-哌啶酮、3-甲基-2-噁唑烷酮、1,3-二甲基-2-咪唑啉酮和N-甲基琥珀酰亚胺等。
作为上述含硼化合物,可以列举例如硼酸三甲酯、硼酸三乙酯等的硼酸酯、硼酸醚和硼酸烷基酯等。
作为上述含有机硅化合物,可以列举例如(CH3)4-Si、(CH3)3-Si-Si(CH3)3等。
作为上述不燃(阻燃)化剂,可以列举磷酸酯、磷腈系化合物。作为上述磷酸酯,可以列举例如:含氟烷基磷酸酯、非氟系烷基磷酸酯、芳基磷酸酯等。其中,在能够以少量发挥不燃效果的点上,优选为含氟烷基磷酸酯。
作为上述含氟烷基磷酸酯。具体而言,可以列举日本特开平11-233141号公报所记载的含氟二烷基磷酸酯、日本特开平11-283669号公报所记载的环状的烷基磷酸酯或含氟三烷基磷酸酯等。
作为上述不燃(阻燃)化剂,优选(CH3O)3P=O、(CF3CH2O)3P=O、(HCF2CH2O)3P=O、(CF3CF2CH2)3P=O、(HCF2CF2CH2)3P=O等。
作为上述表面活性剂,可以为阳离子性表面活性剂、阴离子性表面活性剂、非离子性表面活性剂、两性表面活性剂的任意一种,从循环特性、倍率特性良好的观点考虑,优选为含有氟原子的表面活性剂。
作为这样的含有氟原子的表面活性剂,例如优选下述式(3):
Rf5COO-M+ (3)
(式中,Rf5为碳原子数3~10的可以包含醚键的含氟烷基;M+为Li+、Na+、K+或NHR’3 +(R’相同或不同,均为H或碳原子数为1~3的烷基))所示的含氟羧酸盐、下述式(4):
Rf6SO3 -M+ (4)
(式中,Rf6为碳原子数3~10的可以包含醚键的含氟烷基;M+为Li+、Na+、K+或NHR’3 +(R’相同或不同,均为H或碳原子数为1~3的烷基))所示的含氟磺酸盐等。
上述表面活性剂的含量从能够在不使充放电循环特性降低的情况下使电解液的表面张力降低的观点考虑,优选在电解液中为0.01~2质量%。
作为上述高介电化添加剂,可以列举例如:环丁砜、甲基环丁砜、γ-丁内酯、γ-戊内酯、乙腈、丙腈等。
作为上述循环特性和倍率特性改善剂,可以列举例如:乙酸甲酯、乙酸乙酯、四氢呋喃、1,4-二噁烷等。
另外,本发明的电解液还可以与高分子材料组合制成凝胶状(塑化的)的凝胶电解液。
作为这样的高分子材料,可以列举现有公知的聚氧化乙烯、聚氧化丙烯、它们的改性体(日本特开平8-222270号公报、日本特开2002-100405号公报);聚丙烯酸酯系聚合物、聚丙烯腈、聚偏氟乙烯、偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物等的氟树脂(日本特表平4-506726号公报、日本特表平8-507407号公报、日本特开平10-294131号公报);这些氟树脂与烃系树脂的复合体(日本特开平11-35765号公报、日本特开平11-86630号公报)等。特别希望使用聚偏氟乙烯、偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物作为凝胶电解质用高分子材料。
此外,本发明的电解液还可以包含日本特愿2004-301934号说明书所记载的离子传导性化合物。
该离子传导性化合物为式(1-1)所示的在侧链具有含氟基的非晶性含氟聚醚化合物:
A-(D)-B (1-1)
[式中,D为式(2-1):
-(D1)n-(FAE)m-(AE)p-(Y)q- (2-1)
(式中,D1为式(2a)所示的在侧链具有含氟醚基的醚单元:
(式中,Rf为可以具有交联性官能团的含氟醚基;R10为将Rf和主链结合的基团或价键);
FAE为式(2b)所示的在侧链具有氟化烷基醚单元:
(式中,Rfa为氢原子、可以具有交联性官能团的氟化烷基;R11为将Rfa和主链结合的基团或价键);
AE为式(2c)所示的醚单元:
(式中,R13为氢原子、可以具有交联性官能团的烷基、可以具有交联性官能团的脂肪族环式烃基或可以具有交联性官能团的芳香族烃基;R12为将R13和主链结合的基团或价键);
Y为包括式(2d-1)~(2d-3)中的至少1种的单元:
n为0~200的整数;m为0~200的整数;p为0~10000的整数;q为1~100的整数;其中,n+m不为0,D1、FAE、AE和Y的结合顺序没有特别规定);
A和B相同或不同,为氢原子、可以包含氟原子和/或交联性官能团的烷基、可以包含氟原子和/或交联性官能团的苯基、-COOH基、-OR(R为氢原子或可以包含氟原子和/或交联性官能团的烷基)、酯基或碳酸酯基(其中,D的末端为氧原子时,不为-COOH基、-OR、酯基和碳酸酯基)]。
在本发明的电解液中根据需要还可以进一步配合其他添加剂。作为其他添加剂,可以列举例如金属氧化物、玻璃等。
本发明的电解液使用上述成分以任意的方法制备即可。
本发明的电解液含有包含氟化链状碳酸酯的溶剂以及磺内酯衍生物。因此,使用本发明的电解液,能够制造循环特性优异、高温保存时难以产生气体的电化学器件。本发明的电解液例如能够适合利用于锂离子二次电池、双电荷层电容器等电化学器件。具备本发明的电解液的电化学器件也是本发明之一。
作为电化学器件,可以列举锂离子二次电池、电容器(双电荷层电容器)、自由基电池、太阳能电池(特别是色素增感型太阳能电池)、燃料电池、各种电化学传感器、电致变色元件、电化学开关元件、铝电解电容器、钽电解电容器等,适合为锂离子二次电池、双电荷层电容器。
具备上述电化学器件的组件也是本发明之一。
本发明还为具备本发明的电解液的锂离子二次电池。本发明的锂离子二次电池具备正极、负极和上述的电解液。
<负极>
首先,对于负极所使用的负极活性物质进行阐述。作为负极活性物质,只要是电化学上能够吸留、释放锂离子,则没有特别限制。作为具体例,可以列举碳质材料、合金系材料、含锂的金属复合氧化物材料等。它们可以单独使用1种,另外也可以任意组合并用2种以上。
(负极活性物质)
作为负极活性物质,可以列举碳质材料、合金系材料、含锂的金属复合氧化物材料等。
作为用作负极活性物质的碳质材料,选自
(1)天然石墨、
(2)将人造碳质物质以及人造石墨质物质在400~3200℃的范围热处理1次以上得到的碳质材料、
(3)负极活性物质层包含至少2种以上的具有不同的结晶性的碳质,且/或具有该不同的结晶性的碳质相接的界面的碳质材料、
(4)负极活性物质层包含至少2种以上的具有不同的取向性的碳质,且/或具有该不同的取向性的碳质相接的界面的碳质材料中的材料的初期不可逆容量、高电流密度充放电特性的平衡好而被优选。另外,(1)~(4)的碳质材料可以单独使用1种,也可以以任意的组合和比率并用2种以上。
作为上述(2)的人造碳质物质以及人造石墨质物质,可以列举将天然石墨用煤系焦炭、石油系焦炭、煤系沥青、石油系沥青等包覆表面并热处理得到的物质;将天然石墨、和煤系焦炭、石油系焦炭、煤系沥青、石油系沥青针状焦、沥青焦炭以及将它们一部分或全部石墨化得到的碳材;炉黑、乙炔黑、沥青系碳纤维等的有机物的热分解物;能够碳化的有机物以及它们的碳化物;或使能够碳化的有机物溶解于苯、甲苯、二甲苯、喹啉、正己烷等低分子有机溶剂得到的溶液以及这些的碳化物等。
作为用作负极活性物质的合金系材料,只要能够吸留、释放锂,则可以为锂单质、形成锂合金的单质金属以及合金、或它们的氧化物、碳化物、氮化物、硅化物、硫化物或磷化物等的化合物的任意种,没有特别限制。作为形成锂合金的单质金属和合金,优选为包含IIIA族和IVA族的金属、半金属元素(即除碳以外)的材料,更优选为铝、硅和锡(以下,有时简称为“特定金属元素”)的单质金属以及包含这些原子的合金或化合物。它们可以单独使用1种,也可以以任意的组合和比率并用2种以上。
作为具有选自特定金属元素中的至少1种的原子的负极活性物质,可以列举任意1种特定金属元素的金属单质、由2种以上的特定金属元素构成的合金、由1种或2种以上的特定金属元素和其他1种或2种以上的金属元素构成的合金、以及含有1种或2种以上的特定金属元素的化合物、及该化合物的氧化物、碳化物、氮化物、硅化物、硫化物或磷化物等的复合化合物。作为负极活性物质,使用这些金属单质、合金或金属化合物,由此能够使电池高容量化。
另外,这些复合化合物还可以列举与金属单质、合金或非金属元素等的数种元素复杂地结合的化合物。具体而言,例如在硅、锡时,能够使用这些元素与不作为负极工作的金属的合金。例如锡的情况下,还能够使用锡和硅以外作为负极发挥作用的金属、进而不作为负极工作的金属、和非金属元素的组合包含5~6种元素这样的复杂的化合物。
在这些负极活性物质中,从制成电池时,每单位质量的容量大考虑,优选任意1种特定金属元素的金属单质、2种以上的特定金属元素的合金、特定金属元素的氧化物、碳化物、氮化物等,特别是硅和/或锡的金属单质、合金、氧化物或碳化物、氮化物等从每单位质量的容量和环境负载的观点来看为优选。
作为用作负极活性物质的含锂的金属复合氧化物材料,只要能够吸留、释放锂,则没有特别限制,从高电流密度充放电特性的观点考虑,优选含有钛和锂的材料,更优选含钛的含锂的复合金属氧化物材料,进一步为锂和钛的复合氧化物(以下,有时简称为“锂钛复合氧化物”)。即如果使具有尖晶石结构的锂钛复合氧化物在电化学器件用负极活性物质中含有来使用,则输出电阻大幅降低,因此特别优选。
另外,还优选锂钛复合氧化物的锂、钛被其他金属元素例如选自Na、K、Co、Al、Fe、Ti、Mg、Cr、Ga、Cu、Zn和Nb中的至少1种元素取代。
上述金属氧化物为通式(J)所示的锂钛复合氧化物,通式(J)中,0.7≤x≤1.5、1.5≤y≤2.3、0≤z≤1.6,锂离子的掺杂、脱掺杂时的结构稳定,因此优选。
LixTiyMzO4 (J)
[通式(J)中,M表示选自Na、K、Co、Al、Fe、Ti、Mg、Cr、Ga、Cu、Zn和Nb中的至少1种元素。]
上述的通式(J)所示的组成中,
(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
的结构由于电池性能的平衡良好,所以特别优选。
上述化合物的特别优选的代表性组成在(a)时为Li4/3Ti5/3O4,(b)时为Li1Ti2O4,(c)时为Li4/5Ti11/5O4。
另外,关于Z≠0的结构,可以列举例如Li4/3Ti4/3Al1/3O4作为优选的结构。
<负极的构成和制作方法>
电极的制造只要不明显损害本发明的效果,则能够使用公知的任意方法。例如,可以在负极活性物质中,加入粘合剂(粘结剂)、溶剂、根据需要的增粘剂、导电材料、填充材料等,制成浆料,将其涂布于集电体,干燥后,进行压制,由此形成负极。
另外,在使用合金系材料的情况下,也可以利用通过蒸镀法、溅射法、镀敷法等方法形成含有上述负极活性物质的薄膜层(负极活性物质层)的方法。
(粘结剂)
作为将负极活性物质粘结的粘合剂,只要对于在电解液、电极制造时使用的溶剂稳定的材料,则没有特别限制。
作为具体例,可以列举:聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯、芳香族聚酰胺、聚酰亚胺、纤维素、硝基纤维素等树脂系高分子;SBR(苯乙烯-丁二烯橡胶)、异戊二烯橡胶、丁二烯橡胶、氟橡胶、NBR(丙烯腈-丁二烯橡胶)、乙烯-丙烯橡胶等橡胶状高分子;苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物或其加氢物;EPDM(乙烯-丙烯-二烯三元共聚物)、苯乙烯-乙烯-丁二烯-苯乙烯共聚物、苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物或其加氢物等的热塑性弹性体状高分子;间规立构-1,2-聚丁二烯、聚乙酸乙烯酯、乙烯-乙酸乙烯酯共聚物、丙烯-α-烯烃共聚物等软质树脂状高分子;聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、氟化聚偏氟乙烯、四氟乙烯-乙烯共聚物等氟系高分子;具有碱金属离子(特别是锂离子)的离子传导性的高分子组合物等。它们可以单独使用1种,也可以以任意的组合和比率并用2种以上。
粘合剂相对于负极活性物质的比例优选为0.1质量%以上,更优选为0.5质量%以上,特别优选为0.6质量%以上,另外,优选为20质量%以下,更优选为15质量%以下,更加优选为10质量%以下,特别优选为8质量%以下。粘合剂相对于负极活性物质的比例如果超过上述范围,则粘合剂量不参与电池容量的粘合剂比例增加,有时会导致电池容量的降低。另外,如果低于上述范围,则有时会导致负极电极的强度降低。
特别是在含有以SBR为代表的橡胶状高分子作为主要成分的情况下,粘合剂相对于负极活性物质的比例通常为0.1质量%以上,优选为0.5质量%以上,更优选为0.6质量%以上,另外,通常为5质量%以下,优选为3质量%以下,更优选为2质量%以下。另外,在主要成分中含有以聚偏氟乙烯为代表的氟系高分子的情况下,相对于负极活性物质的比例通常为1质量%以上,优选2质量%以上,更优选3质量%以上,另外,通常为15质量%以下,优选为10质量%以下,更优选为8质量%以下。
(浆料形成溶剂)
作为用于形成浆料的溶剂,只要是能够将负极活性物质、粘合剂、以及根据需要使用的增粘剂及导电材料溶解或分散的溶剂,其种类则没有特别限制,可以使用水系溶剂和有机系溶剂的任意一种。
作为水系溶剂,可以列举水、醇等,作为有机系溶剂,可以列举N-甲基吡咯烷酮(NMP)、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、甲基乙基酮、环己酮、乙酸甲酯、丙烯酸甲酯、二乙基三胺、N,N-二甲基氨基丙基胺、四氢呋喃(THF)、甲苯、丙酮、二乙醚、二甲基乙酰胺、六甲基磷酰胺、二甲基亚砜、苯、二甲苯、喹啉、吡啶、甲基萘、己烷等。
特别是在使用水系溶剂的情况下,优选与增粘剂一起含有分散剂等,使用SBR等的乳液进行浆料化。此外,这些溶剂可以单独使用1种,也可以以任意的组合和比率并用2种以上。
(集电体)
作为保持负极活性物质的集电体,能够任意使用公知的物质。作为负极的集电体,可以列举例如铝、铜、镍、不锈钢、镀镍钢等金属材料,从容易加工和成本的方面考虑特别优选铜。
另外,集电体的形状在集电体为金属材料时,可以列举例如金属箔、金属圆柱、金属线圈、金属板、金属薄膜、网形金属、冲孔金属、发泡金属等。其中,优选为金属薄膜,更优选为铜箔,更加优选为利用轧制法得到的轧制铜箔和利用电解法得到的电解铜箔,均可以作为集电体使用。
集电体的厚度通常为1μm以上,优选为5μm以上,通常为100μm以下,优选为50μm以下。这是因为如果负极集电体的厚度过厚,则有时电池全体的容量会过于降低,相反如果过薄,则有时会操作困难。
(集电体与负极活性物质层的厚度之比)
集电体与负极活性物质层的厚度之比没有特别限制,“(电解液即将注液前的单面的负极活性物质层厚度)/(集电体的厚度)”的值优选为150以下,更优选为20以下,特别优选10以下,另外,优选0.1以上,更优选0.4以上,特别优选1以上。集电体与负极活性物质层的厚度之比如果超过上述范围,则高电流密度充放电时有时集电体会产油由于焦耳热的发热。另外,如果低于上述范围,则集电体相对于负极活性物质的体积比增加,有时电池的容量会减少。
<正极>
(正极活性物质)
以下,对于正极所使用的正极活性物质进行叙述。本发明所使用的正极活性物质优选为满足以下的3个条件中的任意条件的具有能够使锂离子嵌入、脱离的功能的锂过渡金属化合物粉体。
1.pH10.8以上的锂过渡金属化合物粉体。
2.含有具有选自Mo、W、Nb、Ta和Re中的至少1种以上的元素的化合物和具有B元素和/或Bi元素的化合物的锂过渡金属化合物粉体。
3.在细孔半径80nm以上且小于800nm具有峰值的锂过渡金属化合物粉体。
(锂过渡金属化合物)
锂过渡金属化合物是指具有能够使Li离子脱离、嵌入的结构的化合物,可以列举例如硫化物、磷酸盐化合物、锂过渡金属复合氧化物等。作为硫化物,可以列举TiS2或MoS2等具有二维层状结构的化合物、通式MexMo6S8(Me为以Pb、Ag、Cu为代表的各种过渡金属)所示的具有牢固的三维骨架结构的Chevrel化合物等。作为磷酸盐化合物,可以列举属于橄榄石结构的化合物,通常由LiMePO4(Me为至少1种以上的过渡金属)表示,具体而言可以列举LiFePO4、LiCoPO4、LiNiPO4、LiMnPO4等。作为锂过渡金属复合氧化物,可以列举能够三维扩散的尖晶石结构、或属于能够使锂离子二维扩散的层状结构。具有尖晶石结构的锂过渡金属复合氧化物通常由LiMe2O4(Me为至少1种以上的过渡金属)表示,具体而言可以列举LiMn2O4、LiCoMnO4、LiNi0.5Mn1.5O4、LiCoVO4等。具有层状结构的锂过渡金属复合氧化物通常由LiMeO2(Me为至少1种以上的过渡金属)表示,具体而言可以列举LiCoO2、LiNiO2、LiNi1- xCoxO2、LiNi1-x-yCoxMnyO2、LiNi0.5Mn0.5O2、Li1.2Cr0.4Mn0.4O2、Li1.2Cr0.4Ti0.4O2、LiMnO2等。
其中,优选锂镍锰钴系复合氧化物或LiCoO2。
上述锂过渡金属化合物粉体从锂离子扩散的观点考虑优选具有橄榄石结构、尖晶石结构、层状结构的粉体。其中,特别优选具有层状结构的粉体。
另外,上述锂过渡金属化合物粉体也可以导入异种元素。作为异种元素,选自B、Na、Mg、Al、K、Ca、Ti、V、Cr、Fe、Cu、Zn、Sr、Y、Zr、Nb、Ru、Rh、Pd、Ag、In、Sb、Te、Ba、Ta、Mo、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Pb、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Bi、N、F、S、Cl、Br、I的任意1种以上中。这些异种元素可以导入锂镍锰钴系复合氧化物的结晶结构内,或者可以不导入锂镍锰钴系复合氧化物的结晶结构内,而作为单质或化合物局部存在于其颗粒表面、晶界等。
(添加剂)
在本发明中,可以使用具有选自Mo、W、Nb、Ta和Re中的至少1种以上的元素(以下,也称为“添加元素1”。)的化合物(以下,也称为“添加剂1”。)、以及具有选自B和Bi中的至少1种元素(以下,也称为“添加元素2”。)的化合物(以下,也称为“添加剂2”。)。
这些添加元素1中,从效果大的点考虑,优选添加元素1为Mo或W,最优选为W。另外,这些添加元素2中,从作为工业原料能够廉价地获得、且为轻元素的观点考虑,优选添加元素2为B。
作为具有添加元素1的化合物(添加剂1)的种类,只要表现本发明的效果,则其种类没有特别限制,通常使用氧化物。
作为添加剂1的例示化合物,可以列举MoO、MoO2、MoO3、MoOx、Mo2O3、Mo2O5、Li2MoO4、WO、WO2、WO3、WOx、W2O3、W2O5、W18O49、W20O58、W24O70、W25O73、W40O118、Li2WO4、NbO、NbO2、Nb2O3、Nb2O5、Nb2O5·nH2O、LiNbO3、Ta2O、Ta2O5、LiTaO3、ReO2、ReO3、Re2O3、Re2O7等,从作为工业原料比较容易获得或包含锂的观点考虑,优选列举MoO3、Li2MoO4、WO3、Li2WO4,特别优选列举WO3。这些进一步的添加剂1既可以单独使用1种,也可以混合2种以上使用。
作为含有添加元素2的化合物(添加剂2)的种类,只要表现本发明的效果,则其种类没有特别限制,通常使用硼酸、含氧酸的盐类、氧化物、氢氧化物等。这些添加剂2中,从能够作为工业原料廉价地获得的观点考虑,优选为硼酸、氧化物,特别优选为硼酸。
作为添加剂2的例示化合物,可以列举BO、B2O2、B2O3、B4O5、B6O、B7O、B13O2、LiBO2、LiB5O8、Li2B4O7、HBO2、H3BO3、B(OH)3、B(OH)4、BiBO3、Bi2O3、Bi2O5、Bi(OH)3等,从能够作为工业原料廉价地获得的观点考虑,优选列举B2O3、H3BO3、Bi2O3,特别优选列举H3BO3。这些添加剂2既可以单独使用1种,也可以混合2种以上使用。
另外,作为添加剂1和添加剂2的合计的添加量的范围,相对于构成主成分的过渡金属元素的合计摩尔量,作为下限,通常为0.1摩尔%以上,优选为0.3摩尔%以上,更优选为0.5摩尔%以上,特别优选为1.0摩尔%以上,作为上限,通常低于8摩尔%,优选为5摩尔%以下,更优选为4摩尔%以下,特别优选为3摩尔%以下。如果低于下限,则存在得不到上述效果的可能性,如果超过上限,则存在导致电池性能降低的可能性。
(正极活性物质的制造方法)
作为正极活性物质的制造方法,可以使用作为无机化合物的制造方法通常的方法。特别是为了制成球状或椭圆球状的活性物质可以考虑各种方法,例如可以列举将过渡金属的原料物质在水等溶剂中溶解或粉碎分散,一边搅拌,一边调节pH,制成球状的前体并回收,将其根据需要干燥后,加入LiOH、Li2CO3、LiNO3等Li源在高温烧制,得到活性物质的方法等。
为了制造正极,上述正极活性物质可以单独使用,也可以将不同组成的2种以上以任意的组合或比率并用。作为此时优选的组合,可以列举LiCoO2与LiNi0.33Co0.33Mn0.33O2等的LiMn2O4或将其Mn的一部分用其他过渡金属等取代后的物质的组合、或者与LiCoO2或其Co的一部分被其他过渡金属等取代后的物质的组合。
(锂过渡金属系化合物粉体的制法)
制造上述锂过渡金属系化合物粉体的方法不限于特定的制法,适合通过如下制造方法制造,其包括:将锂化合物、选自Mn、Co和Ni中的至少1种过渡金属化合物和上述添加剂在液体介质中粉碎,得到使这些均匀分散的浆料的浆料制备工序;将所得到的浆料进行喷雾干燥的喷雾干燥工序;和对所得到的喷雾干燥体进行烧制的烧制工序。
例如,如果以锂镍锰钴系复合氧化物粉体为例进行说明,则能够将锂化合物、镍化合物、锰化合物、钴化合物以及上述的添加剂分散在液体介质中得到的浆料进行喷雾干燥,对所得到的喷雾干燥体在含氧气体气氛中进行烧制来制造。
以下,以本发明的优选方式的锂镍锰钴系复合氧化物粉体的制造方法为例,对于锂过渡金属系化合物粉体的制造方法进行详细说明。
I)浆料制备工序
在制造上述锂过渡金属系化合物粉体时,在用于浆料的制备的原料化合物中,作为锂化合物,可以列举Li2CO3、LiNO3、LiNO2、LiOH、LiOH·H2O、LiH、LiF、LiCl、LiBr、LiI、CH3OOLi、Li2O、Li2SO4、二羧酸Li、柠檬酸Li、脂肪酸Li、烷基锂等。这些锂化合物中在烧制处理时不产生SOX、NOX等的有害物质的方面,优选的是不含氮原子或硫原子、卤原子的锂化合物,另外,为在烧制时产生分解气体等、在喷雾干燥粉体的二次颗粒内产生分解气体等而容易形成空隙的化合物,考虑这些点,优选Li2CO3、LiOH、LiOH·H2O,特别优选Li2CO3。这些锂化合物可以单独使用1种,也可以并用2种以上。
另外,作为镍化合物,可以列举Ni(OH)2、NiO、NiOOH、NiCO3、2NiCO3·3Ni(OH)2·4H2O、NiC2O4·2H2O、Ni(NO3)2·6H2O、NiSO4、NiSO4·6H2O、脂肪酸镍、镍卤素化物等。其中,在烧制处理时不产生SOX、NOX等有害物质的方面,优选Ni(OH)2、NiO、NiOOH、NiCO3、2NiCO3·3Ni(OH)2·4H2O、NiC2O4·2H2O这样的镍化合物。另外,进而从能够作为工业原料廉价地获得的观点、以及反应性高这样的观点出发,特别优选为Ni(OH)2、NiO、NiOOH、NiCO3,进而从烧制时产生分解气体等、在喷雾干燥粉体的二次颗粒内容易形成空隙的观点出发,特别优选为Ni(OH)2、NiOOH、NiCO3。这些镍化合物可以单独使用1种,也可以并用2种以上。
另外,作为锰化合物,可以列举Mn2O3、MnO2、Mn3O4等的锰氧化物、MnCO3、Mn(NO3)2、MnSO4、乙酸锰、二羧酸锰、柠檬酸锰、脂肪酸锰等的锰盐、羟基氧化物、氯化锰等的卤化物等。这些锰化合物中,MnO2、Mn2O3、Mn3O4、MnCO3由于在烧制处理时,不产生SOX、NOX等气体,进而能够作为工业原料廉价地获得,因此优选。这些锰化合物可以单独使用1种,也可以并用2种以上。
另外,作为钴化合物,可以列举Co(OH)2、CoOOH、CoO、Co2O3、Co3O4、Co(OCOCH3)2·4H2O、CoCl2、Co(NO3)2·6H2O、Co(SO4)2·7H2O、CoCO3等。其中,在烧制工序时不产生SOX、NOX等有害物质的方面,优选Co(OH)2、CoOOH、CoO、Co2O3、Co3O4、CoCO3,在工业上能够廉价地获得的方面和反应性高的方面,更加优选为Co(OH)2、CoOOH。此外,从烧制时发生分解气体等、在喷雾干燥粉体的二次颗粒内容易形成空隙的观点考虑,特别优选的是Co(OH)2、CoOOH、CoCO3。这些钴化合物可以单独使用1种,也可以并用2种以上。
另外,上述的Li、Ni、Mn、Co原料化合物以外,也可以使用以进行其他元素置换而导入上述异种元素、或使利用后述喷雾干燥所形成的二次颗粒内的空隙有效地形成为目的的化合物群。此外,这里使用的以高效形成二次颗粒的空隙为目的使用的化合物的添加阶段可以根据其性质,选自原料混合前或混合后的任意阶段。特别是通过混合工序施加机械的剪切应力等而容易分解的化合物优选在混合工序后添加。作为添加剂,如上所述。
原料的混合方法没有特别限定,可以为湿式也可以为干式。例如可以列举使用球磨机、振动磨、珠磨机等装置的方法。将原料化合物在水、醇等液体介质中混合的湿式混合能够更均匀地混合,且能够在烧制工序提高混合物的反应性,因此优选。
混合的时间根据混合方法而异,但只要原料以颗粒水平被均匀混合即可,例如球磨机(湿式或干式)时,通常从1小时到2天左右,珠磨机(湿式连续法)时,滞留时间通常从0.1小时到6小时左右。
此外,在原料的混合阶段中,优选与其并行进行原料的粉碎。作为粉碎的程度,以粉碎后的原料颗粒的粒径为指标,作为平均粒径(中位径)通常为0.6μm以下,优选为0.55μm以下,更加优选为0.52μm以下,最优选为0.5μm以下。如果粉碎后的原料颗粒的平均粒径过大,则不仅烧制工序中的反应性降低,而且组成难以均匀化。只是,由于小颗粒化至所需以上,会导致粉碎的成本上升,所以以平均粒径通常为0.01μm以上、优选为0.02μm以上、更加优选为0.05μm以上的方式粉碎即可。作为用于实现这样的粉碎程度的手段,没有特别限定,优选湿式粉碎法。具体而言可以列举DYNO-MILL等。
此外,浆料中的粉碎颗粒的中位径是通过公知的激光衍射/散射式粒度分布测定装置,将折射率设为1.24、将粒径基准设为体积基准测定得到的。作为测定时使用的分散介质,使用0.1重量%六偏磷酸钠水溶液,在5分钟的超声波分散(输出30W、频率22.5kHz)后进行测定。
II)喷雾干燥工序
湿式混合后,接着进行通常干燥工序。干燥方法没有特别限定,从生成的颗粒状物的均匀性、粉体流动性、粉体操作性能、能够高效制造干燥颗粒等的观点出发,优选喷雾干燥。
(喷雾干燥粉体)
在上述锂镍锰钴系复合氧化物粉体等的锂过渡金属系化合物粉体的制造方法中,通过对将原料化合物和上述的添加剂进行湿式粉碎得到的浆料进行喷雾干燥,得到一次颗粒凝集、形成二次颗粒所成的粉体。作为一次颗粒凝集形成二次颗粒所成的喷雾干燥粉体的形状的特征的确认方法,可以列举例如SEM观察、截面SEM观察。
III)烧制工序
上述的喷雾干燥工序得到的喷雾干燥粉体作为烧制前体,接着进行烧制处理。
其烧制条件也依赖于组成和使用的锂化合物原料,但作为倾向,如果烧制温度过高,则一次颗粒过度生长,颗粒间的烧结过度进行,比表面积变得过小。相反如果过低,则混合存在异相,另外结晶结构不发达而晶格变形增大。另外比表面积变得过大。作为烧制温度,通常为1000℃以上,优选为1010℃以上,更优选为1025℃以上,最优选为1050℃以上,优选为1250℃以下,更优选为1200℃以下,更加优选为1175℃以下。
烧制例如能够使用箱形炉、管状炉、隧道炉、旋转炉等。烧制工序通常分为升温-最高温度保持-降温的三部分。第二位的最高温度保持部分并不一定限于一次,根据目的,可以进行二阶段或两个以上的阶段,也可以插有为了以不破坏二次颗粒的程度消除凝集的破碎工序或者,为了粉碎到一次颗粒或粉碎到更微小粉末的粉碎工序,反复两次或两次以上升温-最高温度保持-降温的工序。
在以二阶段进行烧制的情况下,第一阶段优选保持在Li原料开始分解的温度以上、熔化的温度以下,例如在使用碳酸锂的情况下,第一阶段的保持温度优选为400℃以上,更优选为450℃以上,更加优选为500℃以上,最优选为550℃以上,通常为950℃以下,更优选为900℃以下,更加优选为880℃以下,最优选为850℃以下。
达到最高温度保持工序的升温工序通常以1℃/分钟以上20℃/分钟以下的升温速度使炉内升温。该升温速度过于慢时,则耗时在工业上不利,但过快,根据炉的情况,炉内温度会无法追随设定温度。升温速度优选为2℃/分钟以上,更优选为3℃/分钟以上,且优选为18℃/分钟以下,更优选为15℃/分钟以下。
最高温度保持工序中的保持时间根据温度而异,但只要通常在上述温度范围,则为15分钟以上,优选为30分钟以上,更加优选为45分钟以上,最优选为1小时以上且24小时以下,优选为12小时以下,更加优选为9小时以下,最优选为6小时以下。烧制时间如果过短,则难以得到结晶性好的锂过渡金属系化合物粉体,过长,则不实用。如果烧制时间过长,则之后需要破碎,或破碎变得困难,因此是不利的。
在降温工序中,通常以0.1℃/分钟以上20℃/分钟以下的降温速度使炉内降温。降温速度过慢则耗时在工业上不利,过快则目的物缺乏均匀性,存在加速容器的劣化的倾向。降温速度优选为1℃/分钟以上,更优选为3℃/分钟以上,且优选为15℃/分钟以下。
烧制时的气氛,根据想要得到的锂过渡金属系化合物粉体的组成有适当的氧分压区域,因此可以使用为了满足其的适当的各种气体气氛。作为气体气氛,能够列举例如氧、空气、氮、氩、氢、二氧化碳及它们的混合气体等。关于锂镍锰钴系复合氧化物粉体,能够使用空气等含氧气体气氛。通常氧浓度设为1体积%以上、优选为10体积%以上、更优选为15体积%以上且100体积%以下、优选为50体积%以下、更优选为25体积%以下的气氛。
在这样的制造方法中,为了制造锂过渡金属系化合物粉体、例如具有上述特定的组成的锂镍锰钴系复合氧化物粉体,在将制造条件设为一定的情况下,制备使锂化合物、镍化合物、锰化合物和钴化合物与添加剂分散在液体介质中的浆料时,通过调整各化合物的混合比,能够控制作为目的的Li/Ni/Mn/Co的摩尔比。
根据这样得到的锂镍锰钴系复合氧化物粉体等锂过渡金属系化合物粉体,可以提供容量高、低温输出特性、保存特性优异的性能平衡好的锂二次电池用正极材料。
<正极的构成和制作方法>
以下,对于正极的构成进行阐述。正极能够通过将含有正极活性物质和粘结剂的正极活性物质层形成在集电体上来制作。使用正极活性物质的正极的制造能够根据常规方法进行。即,通过将正极活性物质和粘结剂、以及根据需要将导电材料和增粘剂等以干式混合制成片状的物质压接于正极集电体,或者使这些材料在液体介质中溶解或分散制成浆料,将其涂布于正极集电体,进行干燥,由此在集电体上形成正极活性物质层,从而得到正极。
正极活性物质在正极活性物质层中的含量优选为80质量%以上,更优选为82质量%以上,特别优选为84质量%以上。另外,上限优选为99质量%以下,更优选为98质量%以下。如果正极活性物质层中的正极活性物质的含量低,则电容量有时会不充分。相反如果含量过高,则正极的强度有时会不足。
(粘结剂)
作为正极活性物质层的制造中使用的粘结剂,没有特别限定,在涂布法的情况下,可以在电极制造时使用的液体介质中溶解或分散的材料即可,作为具体例,可以列举与上述负极的制造中使用的粘结剂同样的物质。此外,这些物质可以单独使用1种,也可以以任意的组合和比率并用2种以上。
正极活性物质层中的粘结剂的比例通常为0.1质量%以上,优选为1质量%以上,更加优选为1.5质量%以上,通常为80质量%以下,优选为60质量%以下,更加优选为40质量%以下,最优选为10质量%以下。如果粘结剂的比例过低,则无法充分保持正极活性物质,而有时正极的机械强度不足,使循环特性等的电池性能变差。另一方面,如果过高,则有时会导致电池容量或导电性的降低。
(浆料形成溶剂)
作为用于形成浆料的溶剂,只要是能够将正极活性物质、导电材料、粘结剂、以及根据需要使用的增粘剂溶解或分散的溶剂,其种类没有特别限制,可以使用水系溶剂和有机系溶剂的任意一种。作为水系介质,可以列举例如水、醇与水的混合介质等。作为有机系介质,可以列举例如己烷等脂肪族烃类;苯、甲苯、二甲苯、甲基萘等芳香族烃类;喹啉、吡啶等的杂环化合物;丙酮、甲基乙基酮、环己酮等的酮类;乙酸甲酯、丙烯酸甲酯等的酯类;二亚乙基三胺、N,N-二甲基氨基丙基胺等的胺类;二乙基醚、环氧丙烷、四氢呋喃(THF)等的醚类;N-甲基吡咯烷酮(NMP)、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺等的酰胺类;六甲基磷酰胺、二甲基亚砜等的非质子性极性溶剂等。
(集电体)
作为正极集电体的材质没有特别限制,能够任意使用公知的材料。作为具体例,可以列举铝、不锈钢、镀镍、钛、钽等金属材料;碳布、碳纸等的碳材料。其中,优选金属材料,特别优选铝。
作为集电体的形状,金属材料的情况下,可以列举金属箔、金属圆柱、金属线圈、金属板、金属薄膜、网形金属、冲孔金属、发泡金属等,碳材料的情况下,可以列举碳板、碳薄膜、碳圆柱等。
另外,在集电体的表面涂布导电助剂,从使集电体与正极活性物质层的电接触电阻降低的观点考虑为优选。作为导电助剂,可以列举碳或金、铂、银等贵金属类。
集电体与正极活性物质层的厚度之比没有特别限定,(电解液即将注液前的单面的正极活性物质层的厚度)/(集电体的厚度)的值优选为20以下,更优选为15以下,最优选为10以下,下限优选为0.5以上,更优选为0.8以上,最优选为1以上的范围。如果超过该范围,则高电流密度充放电时有时集电体会产生由于焦耳热造成的发热。如果低于该范围,则集电体相对于正极活性物质的体积比增加,有时电池的容量减少。
<隔膜>
在正极与负极之间,为了防止短路,通常中间存在有隔膜。此时,本发明的电解液通常含浸在该隔膜中使用。
关于隔膜的材料、形状没有特别限制,只要不明显损害本发明的效果,则能够任意采用公知的材料、形状。其中,使用由对于本发明的电解液稳定的材料形成的树脂、玻璃纤维、无机物等,优选使用保液性优异的多孔性片或无纺布状形态的物体等。
作为树脂、玻璃纤维隔膜的材料,能够使用例如聚乙烯、聚丙烯等的聚烯烃、芳香族聚酰胺、聚四氟乙烯、聚醚砜、玻璃过滤器等。其中优选为玻璃过滤器、聚烯烃,更加优选为聚烯烃。这些材料可以单独使用1种,也可以以任意的组合和比率并用2种以上。
隔膜的厚度为任意,通常为1μm以上,优选为5μm以上,更优选为8μm以上,另外,通常为50μm以下,优选为40μm以下,更优选为30μm以下。隔膜如果比上述范围过薄,则有时绝缘性、机械强度会下降。另外,如果比上述范围过厚,则不仅有时倍率特性等电池性能会降低,而且作为电化学器件整体的能量密度也会降低。
此外,在作为隔膜使用多孔性片、无纺布等多孔质的物体时,隔膜的孔隙率为任意,通常20%以上,优选为35%以上,更优选为45%以上,另外,通常为90%以下,优选为85%以下,更优选为75%以下。如果孔隙率比上述范围过小,则存在膜电阻变大倍率特性变差的倾向。另外,如果比上述范围过大,则存在隔膜的机械强度降低、绝缘性降低的倾向。
另外,隔膜的平均孔径也为任意,通常为0.5μm以下,优选为0.2μm以下,另外,通常为0.05μm以上。如果平均孔径超过上述范围,则容易发生短路。另外,如果低于上述范围,则有时膜电阻会变大倍率特性降低。
另一方面,作为无机物的材料,可以使用例如氧化铝、二氧化硅等氧化物、氮化铝、氮化硅等氮化物、硫酸钡、硫酸钙等硫酸盐,可以使用颗粒形状或纤维形状的无机物。
作为形态,可以使用无纺布、纺织布、微多孔性膜等的薄膜形状的形态。薄膜形状时,适合使用孔径为0.01~1μm、厚度为5~50μm的薄膜。除了上述的独立的薄膜形状以外,还能够使用利用树脂制的粘结剂在正极和/或负极的表层形成含有上述无机物的颗粒的复合多孔层而成的隔膜。例如,可以列举在正极的两面将90%粒径低于1μm的氧化铝颗粒以氟树脂为粘结剂形成多孔层。
以下,说明电池设计。
<电极组>
电极组可以为上述的正极板和负极板隔着上述隔膜而成的叠层结构、以及上述的正极板和负极板隔着上述的隔膜卷绕成漩涡状的结构中的任意一种。电极组的体积在电池内容积所占的比例(以下,称为电极组占有率)通常为40%以上,优选50%以上,另外,通常为90%以下,优选为80%以下。
电极组占有率如果低于上述范围,则电池容量变小。另外,如果超过上述范围,则空隙空间少、电池达到高温,由此部件膨胀,或电解质的液体成分的蒸气压变高,而内部压力上升,使作为电池的充放电反复性能、高温保存等各项特性降低,进而有时会使将内部压力泄到外部的气体放出阀工作。
<集电结构>
集电结构没有特别限制,为了更有效地实现通过本发明的电解液的高电流密度的充放电特性的提高,优选制成降低配线部分、接合部分的电阻的结构。这样在降低了内部电阻的情况下,使用本发明的电解液的效果得以特别良好的发挥。
电极组为叠层结构时,适合使用将各电极层的金属芯部分束起来焊接于端子所形成的结构。一枚电极的面积变大的情况下,内部电阻变大,因此也适合采用在电极内设置多个端子来降低电阻。电极组为上述卷绕结构时,在正极和负极分别设置多个引线结构,将端子束起来,由此能够降低内部电阻。
<外装壳>
外装壳的材质只要是对于所使用的电解液稳定的物质则没有特别限制。具体而言可以使用镀镍钢板、不锈钢、铝或铝合金、镁合金等的金属类、或者树脂与铝箔的叠层膜(层压膜)。从轻量化的观点出发,适合使用铝或铝合金的金属、层压膜。
在使用金属类的外装壳中,可以列举通过激光焊接、电阻焊接、超声波焊接将金属彼此熔敷制成封装密闭结构的外装壳、或者经由树脂制垫片,使用上述金属类制成铆接结构的外装壳。在使用层压膜的外装壳中,可以列举通过将树脂层彼此热熔合设为封装密闭结构的外装壳等。为了提高密封性,也可以在树脂层之间夹着与用于层压膜的树脂不同的树脂。特别是经由集电端子将树脂层热熔合制成密闭结构的情况下,由于变成金属与树脂接合,所以作为夹着的树脂适合使用具有极性基团的树脂、导入了极性基团的改性树脂。
<保护元件>
作为保护元件,能够使用在异常发热或过大电流流过时电阻增大的PTC(正温度系数,Positive Temperature Coefficient)、温度熔断器、热敏电阻、异常发热时阻断由于电池内部压力、内部温度的急剧上升而在电路中流动的电流的阀(电流阻断阀)等。上述保护元件优选选择在高电流的通常使用时不工作的条件的元件,更优选为即使没有保护元件,也不至于异常发热或热失控的设计。
<外装体>
本发明的电化学器件通常将上述的电解液、负极、正极、隔膜等收纳在外装体内而构成。该外装体没有特别限制,只要不明显损害本发明的效果,则能够任意采用公知的外装体。具体而言,外装体的材质任意,通常可以使用例如实施了镀镍的铁、不锈钢、铝或其合金、镍、钛等。
另外,外装体的形状也为任意,例如可以为圆筒型、方形、层压型、硬币型、大型等任意形状。此外,正极、负极、隔膜的形状和构成能够根据各个电池的形状变更来使用。
如上,本发明的电解液为气体发生被抑制、电池特性优异的电解液。因此,作为混合动力汽车用、分散电源用的大型锂离子二次电池等电化学器件用的电解液特别有用,此外,作为小型的锂离子二次电池等的电化学器件用的电解液也有用。具备本发明的锂离子二次电池的组件也是本发明之一。
本发明还可以是以具备正极、负极和上述的电解液为特征的双电荷层电容器。
在本发明的双电荷层电容器中,正极和负极的至少一方为极化性电极,作为极化性电极和非极化性电极能够使用日本特开平9-7896号公报中详细记载的以下电极。
本发明中使用的以活性炭为主体的极化性电极优选包含大比表面积的不活性炭和赋予导电性的炭黑等导电剂。极化性电极能够由各种方法形成。例如,通过将活性炭粉末、炭黑和酚醛系树脂混合,压制成形后在不活泼气体气氛中和水蒸气气氛中烧制、赋活,由此能够形成包含活性炭和炭黑的极化性电极。优选该极化性电极与集电体由导电性粘接剂等接合。
另外,也能够将活性炭粉末、炭黑和结合剂在醇的存在下混炼并成型为片状,进行干燥制成极化性电极。该结合剂例如使用聚四氟乙烯。另外,也能够将活性炭粉末、炭黑、结合剂和溶剂混合制成浆料,将该浆料涂布于集电体的金属箔,进行干燥,制成与集电体一体化的极化性电极。
也可以将以活性炭为主体的极化性电极用于两极,制成双电荷层电容器,也可以为在单侧使用非极化性电极的构成,例如将以金属氧化物等电池活性物质为主体的正极与以活性炭为主体的极化性电极的负极组合而成的构成;将以能够可逆地吸留、脱嵌锂离子的碳材料为主体的负极或锂金属、锂合金的负极与以活性炭为主体的极化性的正极组合的构成。
另外,也可以代替活性炭,或者与其并用,使用炭黑、石墨、膨胀石墨、多孔碳、碳纳米管、碳纳米角、科琴黑等碳质材料。
作为非极化性电极,优选在电极中使用以能够可逆地吸留、脱嵌锂离子的碳材料为主体且使锂离子吸留在该碳材料中的电极。此时,电解质使用锂盐。根据该构成的双电荷层电容器,可以得到更高的超过4V的耐电压。
用于电极的制作中的浆料的制备的溶剂优选溶解结合剂的溶剂,根据结合剂的种类,适当选择N-甲基吡咯烷酮、二甲基甲酰胺、甲苯、二甲苯、异佛尔酮、甲基乙基酮、乙酸乙酯、乙酸甲酯、邻苯二甲酸二甲酯、乙醇、甲醇、丁醇或水。
作为分极性电极中使用的活性炭,有酚醛树脂系活性炭、椰壳系活性炭、石油焦炭系活性炭等。这些中在可以得到大容量的方面,优选使用石油-焦炭系活性炭或酚醛树脂系活性炭。另外,在活性炭的赋活处理法中有水蒸气赋活处理法、熔融KOH赋活处理法等,在可以得到更大容量的方面,优选使用利用熔融KOH赋活处理法得到的活性炭。
作为优选用于极化性电极的导电剂,可以列举炭黑、科琴黑、乙炔黑、天然石墨、人造石墨、金属纤维、导电性氧化钛、氧化钌。极化性电极中使用的炭黑等导电剂的混合量为了得到良好的导电性(低的内部电阻),另外由于过多则制品的容量降低,所以优选在与活性炭的合计量中设为1~50质量%。
另外,作为用于极化性电极的活性炭,为了得到大容量且低内部电阻的双电荷层电容器,优选使用平均粒径为20μm以下且比表面积为1500~3000m2/g的活性炭。另外,作为用于构成以能够可逆地吸留、脱嵌锂离子的碳材料为主体的电极的优选的碳材料,可以列举天然石墨、人造石墨、石墨化中间相炭微球、石墨化晶须、气相生长碳纤维、糠醇树脂的烧制品或酚醛清漆树脂的烧制品。
集电体只要是具有化学、电化学上的耐腐蚀性即可。作为以活性炭为主体的极化性电极的集电体,能够优选使用不锈钢、铝、钛或钽。这些之中,不锈钢或铝是在所得到的双电荷层电容器的特性和价格的两方面特别优选的材料。作为以能够可逆地吸留、脱嵌锂离子的碳材料为主体的电极的集电体,优选使用不锈钢、铜或镍。
另外,为了使能够可逆地吸留、脱嵌锂离子的碳材料预先吸留锂离子,有如下方法:(1)使粉末状的锂预先与能够可逆地吸留、脱嵌锂离子的碳材料混合的方法;(2)在由能够可逆地吸留、脱嵌锂离子的碳材料和结合剂形成的电极上载持锂箔,在以与电极电接触的状态下,将该电极浸渍在溶解了锂盐的电解液中,由此使锂进行离子化,使锂离子导入碳材料中的方法;(3)将由能够可逆地吸留、脱嵌锂离子的碳材料和结合剂形成的电极置于负极侧,将锂金属置于正极侧,浸渍在以锂盐为电解质的非水系电解液中,流通电流,电化学地在碳材料中将锂以离子化的状态导入的方法。
作为双电荷层电容器,通常已知卷绕型双电荷层电容器、层压型双电荷层电容器、硬币型双电荷层电容器等,本发明的双电荷层电容器也能够设为这些形式。
例如,卷绕型双电荷层电容器通过将由集电体和电极层的叠层体(电极)构成的正极和负极隔着隔膜卷绕制作卷绕元件,将该卷绕元件放入铝制等的壳体,充满电解液、优选充满非水系电解液后,用橡胶制的封口体封装进行密封,由此进行组装。
作为隔膜,在本发明中也能够使用现有公知的材料和构成的膜。例如可以列举聚乙烯多孔质膜、聚丙烯纤维、玻璃纤维、纤维素纤维的无纺布等。
另外,也可以通过公知的方法,制成经由电解液和隔膜将片状的正极和负极叠层得到的层压型双电荷层电容器、用垫片固定且经由电解液和隔膜将正极和负极构成为硬币型的硬币型双电荷层电容器。
这样,本发明的电解液作为混合动力汽车用、分散电源用的大型锂离子二次电池用、双电荷层电容器用的电解液有用。
实施例
接着列举实施例说明本发明,但本发明不仅仅限定于这些实施例。
实施例1~30、比较例1~6
(电解液的制备)
在干燥氩气氛下,将链状碳酸酯和环状碳酸酯以表1所示的比例混合,在该溶液中将干燥的LiPF6以成为1.0摩尔/升的浓度的方式添加,得到非水电解液。在该非水电解液中进一步添加磺内酯衍生物。磺内酯衍生物的配合比例用相对于电解液的质量%表示。
此外,表中的化合物如下所述。
A:CF3CH2OCOOCH3(含氟率:36.1%)
B:CF3CH2OCOOCH2CF3(含氟率:50.4%)
C:CF3CH2OCOOC2H5(含氟率:33.1%)
D:H2CFCH2OCOOCH3(含氟率:13.9%)
E:HCF2CH2OCOOCH3(含氟率27.1%)
FEC:单氟碳酸亚乙酯
EMC:碳酸甲乙酯
DEC:碳酸二乙酯
DMC:碳酸二甲酯
EC:碳酸亚乙酯
PC:碳酸亚丙酯
成分(I):2,4-丁磺内酯
成分(II):3,5-戊磺内酯
成分(III):2-甲基-1,3-丙磺内酯
成分(IV):1,3-丁磺内酯
成分(V):2,5-戊磺内酯
成分(VI):2,3-丙磺内酯
(正极的制作)
作为正极活性物质使用LiNi0.5Mn1.5O4,作为导电材料使用乙炔黑,作为粘结剂使用聚偏氟乙烯(PVdF)的N-甲基-2-吡咯烷酮分散液,准备以活性物质、导电材料、粘结剂的固体成分比为92/3/5(质量%比)的方式混合得到的正极合剂浆料。在厚度20μm的铝箔集电体上,均匀涂布所得到的正极合剂浆料,干燥后,通过压制机进行压缩成形,制成正极。
(负极的制作)
作为负极活性物质使用人造石墨粉末,作为增粘剂使用羧甲基纤维素钠的水性分散液(羧甲基纤维素钠的浓度1质量%),作为粘结剂使用苯乙烯-丁二烯橡胶的水性分散液(苯乙烯-丁二烯橡胶的浓度50质量%),以活性物质、增粘剂、粘结剂的固体成分比为97.6/1.2/1.2(质量%比)在水溶剂中,混合,制成浆料状,准备负极合剂浆料。在厚度20μm的铜箔上均匀涂布,干燥后,通过压制机进行压缩成形,制成负极。
(锂离子二次电池的制作)
将如上所述制造的负极、正极和聚乙烯制隔膜以负极、隔膜、正极的顺序叠层,制作电池元件。
将该电池元件以使正极和负极的端子突出设置的方式插入在由将铝片(厚度40μm)的两面用树脂层包覆得到的层压膜构成的袋内后,将实施例1~26和比较例1~6的电解液分别注入袋内,进行真空封装,制作片状的锂离子二次电池。
<高温保存特性评价试验>
将上述制造的二次电池在用板夹持加压的状态下,在25℃,以相当于0.2C的电流进行恒定电流-恒定电压充电(以下记为CC/CV充电。)到4.9V(0.1C截止)后,以0.2C的恒定电流放电至3V,将其作为1个循环,从第3个循环的放电容量求出初期放电容量。其中,1C是指1小时放电电池的基准容量的电流值,例如,0.2C表示其的1/5的电流值。再次进行CC/CV充电(0.1C截止)直到4.9V后,在85℃36小时的条件下进行高温保存。使电池充分冷却后,通过阿基米德法测定体积,从保存前后的体积变化求出产生的气体量。接着,在25℃以0.2C放电至3V,测定高温保存后的残存容量,求出残存容量相对于初期放电容量的比例,将其作为保存容量维持率(%)。
(残存容量)/(初期放电容量)×100=保存容量维持率(%)
[表1]
Claims (8)
1.一种电解液,其特征在于,包含:
含有含氟率为33~70质量%的氟化链状碳酸酯的溶剂、磺内酯衍生物和电解质盐,
所述氟化链状碳酸酯为通式(B)所示的含氟碳酸酯,
Rf1OCOORf2 (B)
式中,Rf1和Rf2不同,为具有或不具有氟原子、具有或不具有醚键的碳原子数1~11的烷基,其中,Rf1和Rf2的至少一方为具有醚键的碳原子数1~11的含氟烷基,
磺内酯衍生物为通式(1)所示的磺内酯衍生物,
式中,m为0~6的整数,n为0~6的整数,其中,m+n为1~8的整数,另外,X为烷基或含有氧原子的烷基,
相对于溶剂,氟化链状碳酸酯为50~85体积%。
2.如权利要求1所述的电解液,其特征在于:
溶剂含有氟化饱和环状碳酸酯。
3.如权利要求2所述的电解液,其特征在于:
相对于溶剂,氟化饱和环状碳酸酯为10~95体积%。
4.如权利要求2所述的电解液,其特征在于:
相对于溶剂,氟化饱和环状碳酸酯和氟化链状碳酸酯的合计量为40~100体积%。
5.如权利要求1、2、3或4所述的电解液,其特征在于:
相对于电解液,磺内酯衍生物为0.001~30质量%。
6.一种电化学器件,其特征在于:
具备权利要求1、2、3、4或5所述的电解液。
7.一种锂离子二次电池,其特征在于:
具备权利要求1、2、3、4或5所述的电解液。
8.一种组件,其特征在于:
具备权利要求6所述的电化学器件或者权利要求7所述的锂离子二次电池。
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