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JP2003297418A - 非水電解質二次電池 - Google Patents

非水電解質二次電池

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Publication number
JP2003297418A
JP2003297418A JP2002099166A JP2002099166A JP2003297418A JP 2003297418 A JP2003297418 A JP 2003297418A JP 2002099166 A JP2002099166 A JP 2002099166A JP 2002099166 A JP2002099166 A JP 2002099166A JP 2003297418 A JP2003297418 A JP 2003297418A
Authority
JP
Japan
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aqueous electrolyte
battery
electrolyte secondary
secondary battery
negative electrode
Prior art date
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Pending
Application number
JP2002099166A
Other languages
English (en)
Inventor
Toru Tabuchi
田渕  徹
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Japan Storage Battery Co Ltd
Original Assignee
Japan Storage Battery Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Japan Storage Battery Co Ltd filed Critical Japan Storage Battery Co Ltd
Priority to JP2002099166A priority Critical patent/JP2003297418A/ja
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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries

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Abstract

(57)【要約】 【課題】非水電解質二次電池の放置劣化を抑制すること
により、保存性能に優れた非水電解質二次電池を提供す
る。 【解決手段】リチウムイオンを吸蔵・放出する物質を含
む正極と、リチウムイオンを吸蔵・放出する物質を含む
負極と、非水電解質とから構成される非水電解質二次電
池において、前記非水電解質がフッ素化アルキル基をも
つラクトン誘導体を含む。

Description

【発明の詳細な説明】 【0001】 【発明の属する技術分野】本発明は、主に保存性能に優
れた非水電解質二次電池に関するものである。 【0002】 【従来の技術】近年、民生用の携帯電話、ポータブル電
子機器や携帯情報端末などの急速な小形軽量化・多様化
に伴い、その電源である電池に対して、小形で軽量かつ
高エネルギー密度で、さらに長期間くり返し充放電が実
現できる二次電池の開発が強く要求されている。なかで
も、水溶液系電解液を使用する鉛電池やニッケルカドミ
ウム電池と比較して、これらの要求を満たす二次電池と
してリチウムイオン二次電池などの非水電解質二次電池
が最も有望であり、活発な研究がおこなわれている。 【0003】このような非水電解質二次電池は、例えば
リチウムイオンを吸蔵・放出する正極活物質が集電体に
保持してなる正極板、リチウムイオンを吸蔵・放出する
負極活物質が集電体に保持してなる負極板、非プロトン
性の有機溶媒にLiBFやLiPF等のリチウム塩
が溶解された電解液を保持するとともに、正極板と負極
板との間に介在されて両極の短絡を防止するセパレータ
とから構成されている。 【0004】非水電解質二次電池の電解質には、一般に
エチレンカーボネート(EC)やプロピレンカーボネー
ト(PC)などの高誘電率溶媒とジメチルカーボネート
(DMC)やジエチルカーボネート(DEC)などの低
粘度溶媒との混合系溶媒に、LiBFやLiPF
の支持塩を溶解させたものが使用されている。 【0005】このような電解液は、リチウム負極に対し
て安定であることが必要であるが、熱力学的にリチウム
に対して安定な溶媒は存在しないといわれており、実際
には初期充電時に負極上で電解液溶媒が分解し、この反
応生成物がリチウム表面にイオン伝導性の保護膜、いわ
ゆるSEI(Solid ElectrolyteIn
terface)を形成して電極と電解液との反応が抑
制されるために、安定化するものと考えられている。 【0006】しかし、SEIが充分に形成されていない
場合は、電解液溶媒が電極と反応してSEIの形成がく
り返される。このSEIの形成時には電解液溶媒が分解
し、電池内にガスが生成し、これが原因で高温保存した
後に電池厚みの増加を伴うことがある。したがって、安
定なSEIを形成することが特に長期保存時において良
好な保存性能を維持する上で重要である。 【0007】また、高温保存時では電解液そのものの蒸
気圧に伴う電池厚みの増加が生じ、特に、電解液溶媒と
して沸点が低い鎖状カーボネート類などの低粘度溶媒を
混合して用いる場合には、鎖状カーボネート類の分解に
よるガス発生が原因で電池厚みの増加が顕著であった。 【0008】そこで近年では、プロピレンカーボネート
(PC)やγ-ブチロラクトン(γ−BL)などの高沸
点溶媒を主として、蒸気圧に伴う電池厚みの増加を抑制
する試みもおこなわれている。特にγ-ブチロラクトン
類を電解液の主溶媒とした場合、高温保存時の電池厚み
の増加を著しく抑制することが可能となるが、電極と電
解液との反応を抑制して充分に安定化するまでには至ら
ないため、電池内に分解ガスが生成して、結果として保
存性能を損なうことがあった。 【0009】 【発明が解決しようとする課題】上記のようにリチウム
イオン二次電池などの非水電解質二次電池が充電状態で
高温条件下や長期にわたって保存される場合において
は、電解質が電気的・化学的に充分に安定でなければ分
解反応が進行し、生成したガスが電池内に充満すること
が原因となって、電池厚みの増加や放置後の放電容量の
減少、すなわち放置劣化を引き起こすといった問題があ
った。 【0010】本発明は、新規な電解液溶媒を使用するこ
とにより、非水電解質二次電池の放置劣化を抑制するこ
とにより、保存性能に優れた非水電解質二次電池を提供
することを目的とする。 【0011】 【課題を解決するための手段】本発明の請求項1の発明
は、リチウムイオンを吸蔵・放出する物質を含む正極
と、リチウムイオンを吸蔵・放出する物質を含む負極
と、非水電解質とから構成される非水電解質二次電池に
おいて、前記非水電解質がフッ素化アルキル基をもつラ
クトン誘導体を含むことを特徴とする。 【0012】請求項1の発明によれば、非水電解質中に
含まれるラクトン誘導体が、特に負極上に吸着するか、
あるいは負極上で分解反応することにより、負極表面に
良好なSEIが形成され、負極表面でのさらなる電解液
溶媒の還元分解の進行を低減し、負極上でのガス生成反
応が抑制されることにより、電池の厚みの増加を抑え、
保存性能に優れた非水電解質二次電池を得ることができ
る。 【0013】 【発明の実施の形態】本発明は、リチウムイオンを吸蔵
・放出する物質を含む正極と、リチウムイオンを吸蔵・
放出する物質を含む負極と、非水電解質とから構成され
る非水電解質二次電池において、前記非水電解質がフッ
素化アルキル基をもつラクトン誘導体を含むことを特徴
とするものである。 【0014】本発明で使用するフッ素化アルキル基をも
つラクトン誘導体は、環内にエステル基(−CO−O
−)をもつ環状化合物であるラクトンの、分子内の少な
くとも一つ以上の水素をフッ素化アルキル基で置換した
ものである。 【0015】ラクトンの環の員数は3以上のものが多数
合成されており、本発明において使用するラクトンの環
の員数は特に限定されるものではないが、下記の式
(1)、(2)および(3)に示すような5、6および
7員環を使用することが好ましい。 【0016】 【化1】 【0017】なお、化学式(1)、(2)および(3)
において、R〜R10はそれぞれ、H、−C
2n−2、−C2n−1、−C2n
から選ばれるものとする。但し、R〜R10のすべて
がHであるものを除く。なお、フッ素化アルキル基の炭
素数は1〜5とするものが溶媒の粘度などの観点から望
ましい。 【0018】本発明において、フッ素化アルキル基をも
つラクトン誘導体は、非水電解質中に少なくとも一種類
存在していればよく、複数種が混在していてもよい。 【0019】これまで、γ−ブチロラクトン(γ−B
L)のようなラクトン誘導体を電解液として使用した場
合、高温保存後の電池の膨れを抑制できることはわかっ
ていたが、電気化学的な保存性能が劣ることが認められ
ていた。本発明はフッ素化アルキル基をもつラクトン誘
導体を電解液に含有することによって、高温保存後の電
池の膨れを抑制し、かつ良好な保存性能を確保するもの
である。 【0020】ここで「保存性能」とは、非水電解質二次
電池をある温度で一定期間保存した場合、保存後の放電
容量がどれだけ減少したのかを意味し、(保存後の放電
容量)/(保存前の放電容量)=容量保持率(%)で表
すものとする。 【0021】非水電解質二次電池の保存性能が向上する
理由は明確には解明できていないが、電解質中のフッ素
化アルキル基をもつラクトン誘導体は、特に、負極上に
吸着するか、あるいは負極上で分解反応することによ
り、負極表面に良好なSEIが形成され、負極表面での
鎖状カーボネート類などの低粘度溶媒のさらなる還元分
解の進行を速度論的に低減し、負極上でのガス生成反応
が抑制されるものと考えられる。その結果、電池の厚み
の増加を抑え、保存性能に優れた非水電解質二次電池を
得ることができる。 【0022】本発明における非水電解質二次電池の正極
活物質としては、無機化合物としては、組成式Li
、またはLi(ただしMは一種以上の遷
移金属、0≦x≦1、0≦y≦2)で表される複合酸化
物、トンネル構造または層状構造の金属カルコゲン化
物、金属酸化物または金属硫化物を単独でまたは二種以
上を混合して使用することができる。その具体例として
は、LiCoO、Li 1+xNiO、LiCo
1−x、LiNiMn2−x、LiMnO
、LiMn、LiFePO、MnO、Mn
、V、TiO、TiS、FeS等が挙
げられる。特に放電電圧の高さから遷移金属MとしてC
o、Ni、Mnを使用することが望ましい。また、有機
化合物としては、例えばポリアニリン等の導電性ポリマ
ーや硫黄化合物が挙げられる。 【0023】負極活物質はコークス類、ガラス状炭素
類、グラファイト類、難黒鉛化性炭素類、熱分解炭素
類、炭素繊維、あるいはAl、Si、Pb、Sn、Z
n、Cd、Sb等を主体とした活物質またはこれらとリ
チウムとの合金、LiFe、WO、MoO
SiO、SiO、CuO、SnO、SnO、Nb
、LiTi2−x(0≦x≦1)、Pb
、PbO等の金属酸化物、SnSやFeS等の
金属硫化物、金属リチウム、リチウム合金、ポリアセ
ン、ポリチオフェン、Li(LiN)、LiMn
、LiFeN、Li 2.5Co0.5N、Li
CoN等の窒化リチウム化合物等、またはこれらと炭
素の複合体を単独でまたは二種以上を混合して使用する
ことができるが、特に、安全性の高さから炭素質材料を
用いるのが望ましい。 【0024】非水電解質の溶媒には、エチレンカーボネ
ート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネー
ト、ビニレンカーボネート、トリフルオロプロピレンカ
ーボネート、γ−ブチロラクトン、2−メチル−γ−ブ
チロラクトン、アセチル−γ−ブチロラクトン、γ−バ
レロラクトン、スルホラン、1,2−ジメトキシエタ
ン、1,2−ジエトキシエタン、テトラヒドロフラン、
2−メチルテトラヒドロフラン、ジメチルテトラヒドロ
フラン、3−メチル−1,3−ジオキソラン、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、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、
エチルメチルカーボネート、ジプロピルカーボネート、
メチルプロピルカーボネート、エチルイソプロピルカー
ボネート、ジブチルカーボネート、ジメチルホルムアミ
ド、ジメチルアセトアミド、メチルアセテート、アセト
ニトリル等を単独でまたは二種以上を混合して使用する
ことができる。特に、酸化還元下における安定性から環
状炭酸エステルと鎖状炭酸エステルとの混合系が好まし
い。 【0025】電解質はこれらの非水溶媒に支持塩を溶解
して使用する。支持塩としてLiClO、LiAsF
、LiPF、LiBF、LiCFSO、Li
CF CFSO、LiCFCFCFSO
LiN(CFSO、LiN(CSO
、LiPF(CF、LiCl、LiBr、L
iSCN等のリチウム塩を単独でまたは二種以上を混合
して使用することができる。これらの中では、支持塩と
してはLiPFを用いるのが好ましい。 【0026】また、電解液の濡れ性を改善するために、
界面活性剤を添加していてもよい。界面活性剤としてリ
ン酸エステル類やジノルマルブチルカーボネートやブチ
ルペンチルカーボネートなどの比較的分子量の大きい炭
酸エステル等が好ましい。 【0027】また、このような液状の電解質の代わりに
イオン伝導性ポリマー電解質と有機電解液とを組み合わ
せて使用することができる。イオン伝導性ポリマー電解
質は、具体的にポリエチレンオキシド、ポリプロピレン
オキシド等のポリエーテル、ポリエチレンやポリプロピ
レン等のポリオレフィン、ポリビニリデンフロロライ
ド、ポリテトラフルオロエチレン、ポリビニルフルオラ
イド、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリメチ
ルメタクリレート、ポリメチルアクリレート、ポリビニ
ルアルコール、ポリメタクリロニトリル、ポリビニルア
セテート、ポリビニルピロリドン、ポリカーボネート、
ポリエチレンテレフタレート、ポリヘキサメチレンアシ
パミド、ポリカプロラクタム、ポリウレタン、ポリエチ
レンイミン、ポリブタジエン、ポリスチレン、ポリイソ
プレンおよびこれらの誘導体を単独であるいは混合して
用いることができる。 【0028】また、上記ポリマーを構成する各種モノマ
ーを含むポリマーを用いてもよい。また、ポリマー電解
質以外に、無機固体電解質あるいは有機ポリマー電解質
と無機固体電解質との混合材料、もしくは有機バインダ
ーによって結着された無機固体粉末などを使用すること
ができる。 【0029】また、本発明の非水電解質二次電池は、そ
の構成として、正極、負極およびセパレータと非水電解
質との組み合わせからなっているが、セパレータとして
は、織布、不織布、ポリエチレンやポリプロピレンなど
のポリオレフィン系、ポリイミド、多孔性ポリフッ化ビ
ニリデン膜などの多孔性ポリマー膜やイオン伝導性ポリ
マー電解質膜を単独または組み合わせで使用することが
できる。 【0030】さらに電池の形状としては円筒形、角形、
コイン型、ボタン型、ラミネート型などの種々の形状に
することができる。電池ケースの材質としてはステンレ
ス、ニッケルメッキを施した鉄、アルミニウム、チタン
もしくはこれらの合金およびメッキ加工のものを使用す
ることができる。ラミネート樹脂フィルムの材質として
は、アルミニウム、アルミニウム合金、チタン箔などを
使用することができる。金属ラミネート樹脂フィルムの
熱溶着部の材質としてはポリエチレン、ポリプロピレ
ン、ポリエチレンテレフタレートなどの熱可塑性高分子
材料であればどのような材質でもよい。また、金属ラミ
ネート樹脂層や金属箔層はそれぞれ1層に限定されるも
のではなく2層以上であっても構わない。 【0031】 【実施例】本発明を適用した具体的な実施例について説
明するが、本実施例に限定されるものではなく、その主
旨を超えない範囲において適宜変更して実施することが
可能である。 【0032】[実施例1]本発明に用いた角形非水電解
質二次電池(電池厚み6.0mm)の概略断面を図1に
示す。図1において、1は非水電解質二次電池、2は巻
回型電極群、3は正極、4は負極、5はセパレータ、6
は電池ケース、7は電池蓋、8は安全弁、9は正極端
子、10は正極リードである。 【0033】図1において、非水電解質二次電池1は、
アルミ集電体に正極活物質を塗布してなる正極3と、銅
集電体に負極活物質を塗布してなる負極4と、非水電解
液を注入したセパレータ5を介して巻回した巻回型電極
群2を、鉄にニッケルメッキした電池ケース6に収納し
てなるものである。電池ケース6には、安全弁8を設け
た電池蓋7をレーザー溶接することによって取り付けら
れ、正極端子9は正極リード10を介して正極3と接続
され、負極4は電池ケース6の内壁と接触により接続さ
れている。 【0034】正極は次のようにして作製した。活物質の
LiCoO90wt%と、導電材のアセチレンブラッ
ク5wt%と、結着剤のポリフッ化ビニリデン(PVd
F)5wt%とを混合して正極合剤とし、N−メチル−
2−ピロリドン(NMP)に分散させることにより、正
極スラリーを調製した。この正極スラリーを、厚さ20
μmのアルミニウム集電体の両面に均一に、厚み180
μmとなるように塗布して、乾燥させた後、ロールプレ
スで圧縮成型した。得られた正極板は、幅19mm、長
さ650mmであった。 【0035】負極は次のようにして作製した。活物質の
炭素材料90wt%と、PVdF10wt%とを混合し
て負極合剤とし、NMPに分散させることにより、負極
スラリーを調製した。この負極スラリーを、厚さ10μ
mの銅集電体の両面に均一に、厚み180μmになるよ
うに塗布して乾燥させた後、ロールプレスで圧縮成型し
た。得られた負極板は、幅20mm、長さ690mmで
あった。セパレータには、厚さ25μmの微多孔性ポリ
エチレンフィルムを用いた。 【0036】電解質にはエチレンカーボネート(EC)
とエチルメチルカーボネート(EMC))を体積比1:
1の割合で混合し、リチウム塩としてLiPFを1.
0mol/l溶解し、界面活性剤としてジノルマルブチ
ルカーボネート(DNBC)を2%添加した電解液に、
下記の式(1)、(2)および(3)で表された、種々
のフッ素化アルキル基をもつラクトン誘導体を、合計電
解液溶媒重量に対して10wt%添加して、実施例1〜
12および比較例1および2の非水電解質二次電池を作
製した。作製した非水電解質二次電池の公称容量は60
0mAhとした。 【0037】 【化2】 【0038】ここで作製した非水電解質二次電池の電解
質に添加したフッ素化アルキル基をもつラクトン誘導体
を表1にまとめた。 【0039】 【表1】【0040】実施例1〜12、比較例1および2の非水
電解質二次電池について、保存試験をおこなった。ま
ず、作製した各電池を、25℃において、1Cの定電流
で4.2Vまで、さらに4.2V定電圧で、合計3時間
の定電流定電圧充電をおこない、続いて25℃において
1Cの定電流で2.7Vまで放電し、初期放電容量を求
めた。つぎに、各電池を25℃において、1Cの定電流
で4.2Vまで、さらに4.2V定電圧で、合計3時間
の定電流定電圧充電をおこない、充電状態で、60℃で
5日間保存し、その後、電池の温度を25℃に戻し、2
5℃において1Cの定電流で2.7Vまで放電し、60
℃保存後の放電容量を求めた。また、60℃保存し、放
電した後の電池厚みを求めた。 【0041】ここで、容量保持率(%)=(保存後の放
電容量)/(初期放電容量)とする。保存試験の結果を
表2に示す。 【0042】 【表2】 【0043】表2の結果から、つぎのようなことが明ら
かとなった。非水電解質中にフッ素化アルキル基をもつ
ラクトン誘導体を含む実施例1〜12の電池では、60
℃で5日間保存後の電池厚みは、すべて6.32mm以
下であり、膨れは5%以下であり、また、容量維持率は
すべて80%以上となった。このように、本発明になる
非水電解質電池は、高温における保存性能が、大きく改
善されていることが示された。 【0044】これに対して、非水電解質中にフッ素化ア
ルキル基をもつラクトン誘導体を含まない比較例1の電
池では、60℃で5日間保存後の電池厚みが6.92m
mで、膨れは15%以上と大きくなり、容量維持率も7
2%と、本発明になる実施例1〜12の電池に比べて、
かなり小さくなった。 【0045】また、フッ素化アルキル基をもたないラク
トンを添加した比較例2の電池では、60℃で5日間保
存後の電池厚みは6.31mmとなり、膨れはかなり抑
制されているが、容量維持率は59%と、極端に悪くな
った。 【0046】[実施例2]非水電解質中のフッ素化アル
キル基をもつラクトン誘導体の添加量と、電池の高温で
の保存性能との関係を検討した。 【0047】フッ素化アルキル基をもつラクトン誘導体
の種類および添加量を変化させた以外は、すべて実施例
1と同様の電池を用い、実施例1と同様の条件で保存試
験をおこなった。 【0048】フッ素化アルキル基をもつラクトン誘導体
として、電池Aでは実施例1で用いたもの、電池Bでは
実施例10で用いたもの、電池Cでは実施例12で用い
たものを使用し、合計電解液溶媒重量に対する添加量を
変えた電池を作製した。作製した電池の、フッ素化アル
キル基をもつラクトン誘導体の添加量および保存試験結
果を、電池Aについては表3に、電池Bについては表4
に、電池Cについては表5にまとめた。 【0049】 【表3】 【0050】 【表4】 【0051】 【表5】【0052】表3〜表5から、つぎのようなことが明ら
かとなった。電池A、BおよびCのいずれの場合も、フ
ッ素化アルキル基をもつラクトン誘導体の添加量を0.
1wt%以上とした場合に、60℃で5日間保存後の電
池厚みは6.30mm以下、すなわち電池の膨れは5%
以下となり、容量保持率も80%以上となり、優れた高
温における保存性能を示すことがわかった。しかし、フ
ッ素化アルキル基をもつラクトン誘導体の添加量が0.
05wt%の場合には、電池の膨れが15%以上と大き
く、また、容量保持率も73%以下となり、フッ素化ア
ルキル基をもつラクトン誘導体の添加の効果が小さいこ
とがわかった。 【0053】また、フッ素化アルキル基をもつラクトン
誘導体の添加量が80wt%の場合には、保存性能は優
れていたが、添加量が70wt%以下の場合と比べて、
初期放電容量はかなり小さくなった。 【0054】このことから、フッ素化アルキル基をもつ
ラクトン誘導体の含有量は0.1〜70wt%の範囲と
することが好ましい。 【0055】 【発明の効果】本発明になる非水電解質二次電池は、前
記非水電解質がフッ素化アルキル基をもつラクトン誘導
体を含むことを特徴とする。このことにより、非水電解
質中に含まれるラクトン誘導体が、特に負極上に吸着す
るか、あるいは負極上で分解反応することにより、負極
表面に良好なSEIが形成され、負極表面でのさらなる
電解液溶媒の還元分解の進行を低減し、負極上でのガス
生成反応が抑制されることにより、電池の厚みの増加を
抑え、保存性能に優れた非水電解質二次電池を提供する
ことができる。
【図面の簡単な説明】 【図1】実施例および比較例で使用する角形電池の概略
断面を示す図。 【符号の説明】 1 非水電解質二次電池 2 巻回型電極群 3 正極 4 負極 5 セパレータ 6 電池ケース

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 【請求項1】 リチウムイオンを吸蔵・放出する物質を
    含む正極と、リチウムイオンを吸蔵・放出する物質を含
    む負極と、非水電解質とから構成される非水電解質二次
    電池において、前記非水電解質がフッ素化アルキル基を
    もつラクトン誘導体を含むことを特徴とする非水電解質
    二次電池。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005322610A (ja) * 2004-04-05 2005-11-17 Mitsubishi Chemicals Corp リチウム二次電池
JP2006318761A (ja) * 2005-05-12 2006-11-24 Sony Corp 電解質および電池

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