JP5259996B2 - Electrolytic solution for lithium secondary battery and lithium secondary battery - Google Patents
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Description
本発明は、初期の不可逆容量を低減し、放電容量損失を抑制したリチウム二次電池用電解液及びそれを用いたリチウム二次電池に関するものである。 The present invention relates to an electrolyte for a lithium secondary battery in which an initial irreversible capacity is reduced and a discharge capacity loss is suppressed, and a lithium secondary battery using the same.
近年、リチウム二次電池の応用分野は、携帯電話やパソコン、デジタルカメラ等の電子機器から車載への用途拡大に伴い、出力密度やエネルギー密度の向上ならびに容量損失の抑制等、さらなる高性能化が進められている。車載用途では使用環境温度が高温側、低温側ともに従来以上の耐久性が求められている。特に高温環境については、セルが大型化されるため、使用環境のみならず自己発熱によって定常的に比較的高い温度にさらされることになり、高温耐久性の向上は非常に重要である。 In recent years, the application field of lithium secondary batteries has been further improved in performance, such as improvement of output density and energy density, and suppression of capacity loss, along with the expansion of applications from electronic devices such as mobile phones, personal computers and digital cameras. It is being advanced. For in-vehicle use, durability higher than conventional is required on both the high temperature side and low temperature side of the use environment temperature. Particularly in a high temperature environment, since the cell is increased in size, the cell is constantly exposed to a relatively high temperature not only by the use environment but also by self-heating, and improvement of the high temperature durability is very important.
従来の一般的なリチウム二次電池には、正極活物質及び負極活物質にLiイオンを可逆的に挿入できる材料が用いられている。例えば、正極活物質には、LiNiO2、LiCoO2、LiMn2O4、又はLiFePO4等の化合物が使用されている。また、負極活物質には、リチウム金属、その合金、炭素材料、又は黒鉛材料等が使用されている。更に、リチウム二次電池に用いられる電解液には、エチレンカーボネート、ジエチルカーボネート、プロピレンカーボネート等の混合溶媒にLiPF6、LiBF4等の電解質を溶解させたものが使用されている。 A conventional general lithium secondary battery uses a material capable of reversibly inserting Li ions into a positive electrode active material and a negative electrode active material. For example, a compound such as LiNiO 2 , LiCoO 2 , LiMn 2 O 4 , or LiFePO 4 is used for the positive electrode active material. As the negative electrode active material, lithium metal, an alloy thereof, a carbon material, a graphite material, or the like is used. Further, as an electrolytic solution used for a lithium secondary battery, a solution obtained by dissolving an electrolyte such as LiPF 6 or LiBF 4 in a mixed solvent such as ethylene carbonate, diethyl carbonate, or propylene carbonate is used.
ここで、従来のリチウム二次電池であると、負極では、電解液の間にリチウムイオン伝導性はあるが電子導電性のない安定界面(Solid Electrolyte Interface:SEI)が形成される。Liイオンの挿入過程は可逆性に優れているが、高温環境下に於いてはその安定界面に亀裂や溶解が生じ、これにより充放電サイクルが長期にわたるにつれて、リチウムの漸減やインピーダンスが増加する傾向がある。この結果、例えば、充放電サイクル数が増加するに従って、容量出力が漸減することになる。 Here, in the case of the conventional lithium secondary battery, in the negative electrode, a stable interface (Solid Electrolyte Interface: SEI) that has lithium ion conductivity but no electronic conductivity is formed between the electrolytes. The insertion process of Li ions is excellent in reversibility, but cracks and dissolution occur at the stable interface under high temperature environment, and as a result, the gradual decrease in lithium and the impedance increase over a long charge / discharge cycle. There is. As a result, for example, the capacity output gradually decreases as the number of charge / discharge cycles increases.
こうした問題点に対し、特許文献1には、五酸化リン(P2O5)を粉末として正極に分散配合し、これを電解液に暴露することにより、長期の充放電サイクル反復後の電池の容量出力低下の防止を図るリチウム二次電池が開示されている。しかし、P2O5は、電解液に使用される代表的な有機溶媒に対して、その溶解性が低い。
In order to deal with such problems,
また、特許文献2には、非水系電解質に、BF3、BF3錯体、HBF4及びHBF4錯体からなる群より選択したフッ素化ホウ素化合物を含有した容量減衰率抑制添加剤を添加する旨の開示がある。当該特許文献2によれば、前記容量減衰率抑制添加剤を添加することにより、容量減衰率を改善した再充電可能な非水系リチウム電池を提供することを課題としている。しかし、特許文献2では、クーロン効率に関する考慮がなされておらず、当該添加剤を加えることにより容量減衰率は抑制できるものの、初期の不可逆容量が高くなってしまうという問題がある。
本発明は前記課題に鑑みてなされたもので、その目的は、熱的安定性に優れ、初期の不可逆容量の低減及び放電容量損失の低減が可能なリチウム二次電池用電解液、及びそれを用いたリチウム二次電池を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and its object is to provide an electrolytic solution for a lithium secondary battery that is excellent in thermal stability and can reduce initial irreversible capacity and discharge capacity loss, and It is in providing the used lithium secondary battery.
本願発明者等は、前記従来の問題点を解決すべく、リチウム二次電池用電解液の性能改善について種々検討した。その結果、PF5錯体を添加したリチウム二次電池用電解液は、熱的安定性に優れ、初期の不可逆容量の低減及び放電容量損失の低減が図れることを見出し、本発明を完成させるに至った。 The inventors of the present application have made various studies on improving the performance of the electrolyte solution for lithium secondary batteries in order to solve the conventional problems. As a result, it has been found that the electrolyte solution for lithium secondary batteries to which the PF 5 complex is added is excellent in thermal stability and can reduce the initial irreversible capacity and the discharge capacity loss, thereby completing the present invention. It was.
即ち、本発明のリチウム二次電池用電解液は、前記の課題を解決する為に、有機溶媒にリチウム塩が溶解されているリチウム二次電池用電解液であって、PF5錯体が添加されていることを特徴とする。 That is, the electrolytic solution for a lithium secondary battery of the present invention is an electrolytic solution for a lithium secondary battery in which a lithium salt is dissolved in an organic solvent in order to solve the above-described problem, and a PF5 complex is added. It is characterized by being.
リチウム二次電池に於いては、初期の充電の際に電解液の還元分解という不可逆反応が負極で生じる。その結果、正極からのリチウムの一部が負極内で不活性化し、充放電に利用されなくなり、最初の充電容量と最初の放電容量との容量差(不可逆容量)が生じる。この様な不可逆容量の問題に関し、本発明はリチウム塩が溶解された有機溶媒にPF5錯体を添加する。これにより、例えば、BF3、BF3錯体、HBF4及びHBF4錯体からなる群より選択したフッ素化ホウ素化合物を添加した従来の電解液と比較して、不可逆容量の低減に優れたリチウム二次電池用電解液を提供することができる。更に、60℃の高温環境下に暴露した後も放電容量の損失を抑制できると共に、熱的安定性も向上させることができる。 In a lithium secondary battery, an irreversible reaction called reductive decomposition of an electrolyte occurs at the negative electrode during initial charging. As a result, a part of lithium from the positive electrode is inactivated in the negative electrode and is not used for charging / discharging, and a capacity difference (irreversible capacity) between the initial charging capacity and the initial discharging capacity occurs. With regard to such a problem of irreversible capacity, the present invention adds a PF 5 complex to an organic solvent in which a lithium salt is dissolved. Thereby, for example, a lithium secondary excellent in reduction of irreversible capacity as compared with a conventional electrolytic solution to which a fluorinated boron compound selected from the group consisting of BF 3 , BF 3 complex, HBF 4 and HBF 4 complex is added. A battery electrolyte can be provided. Furthermore, the loss of discharge capacity can be suppressed even after exposure to a high temperature environment of 60 ° C., and the thermal stability can be improved.
前記の構成に於いては、前記有機溶媒に、BF3錯体が更に添加されていてもよい。これにより、放電容量の損失を一層抑制することができる。
In the above configuration, a
前記構成に於いて、前記PF5錯体の含有量は、前記有機溶媒に対し0.1〜5重量%の範囲内であることが好ましい。添加量を0.1重量%以上にすることにより、初期の充放電に於ける不可逆容量の低減、放電容量の損失の抑制、及び熱的安定性の向上を十分に行うことができる。また、添加量を5重量%未満にすることにより、リチウム塩の有機溶媒に対する溶解性が低下するのを防止することができる。 In the above configuration, the content of the PF5 complex is preferably in the range of 0.1 to 5% by weight with respect to the organic solvent. By making the addition amount 0.1% by weight or more, it is possible to sufficiently reduce the irreversible capacity in the initial charge / discharge, suppress the loss of the discharge capacity, and improve the thermal stability. Moreover, it can prevent that the solubility with respect to the organic solvent of lithium salt falls by making addition amount less than 5 weight%.
前記構成に於いて、前記PF5錯体及びBF3錯体の含有量は、前記有機溶媒に対し1〜5重量%の範囲内であることが好ましい。添加量を1重量%以上にすることにより、初期の充放電に於ける不可逆容量の低減、放電容量の損失の抑制、及び熱的安定性の向上を十分に行うことができる。また、添加量を5重量%未満にすることにより、リチウム塩の有機溶媒に対する溶解性が低下するのを防止することができる。
In the above configuration, the content of the PF5 complex and the BF3 complex is preferably in the range of 1 to 5% by weight with respect to the organic solvent. By making the
また、前記PF5錯体及びBF3錯体は、直鎖状又は環状の炭酸エステルを有することが好ましい。直鎖状又は環状の炭酸エステルであると、PF5錯体及びBF3錯体の形成を容易にすることができる。 Moreover, it is preferable that the said PF5 complex and BF3 complex have linear or cyclic carbonate. Formation of a PF 5 complex and a BF 3 complex can be facilitated by being a linear or cyclic carbonate.
更に、前記リチウム塩は、フッ素を含有するアニオンを有することが好ましい。 Furthermore, the lithium salt preferably has an anion containing fluorine.
また、前記リチウム塩は、LiBF4、LiPF6及びLiN(CF3SO2)2からなる群より選択される少なくとも1つであることが好ましい。 The lithium salt is preferably at least one selected from the group consisting of LiBF4, LiPF6, and LiN (CF3SO2) 2.
また、前記有機溶媒は、炭酸エステルであることが好ましい。 The organic solvent is preferably a carbonate ester.
本発明に係るリチウム二次電池は、前記に記載のリチウム二次電池用電解液を備えたことを特徴とする。 A lithium secondary battery according to the present invention includes the above-described electrolyte for a lithium secondary battery.
前記構成のリチウム二次電池であると、初期の充放電に於ける不可逆容量を低減できると共に、高温環境下に於いても放電容量の損失を抑制し、熱的安定性も向上させることができる。 The lithium secondary battery having the above structure can reduce the irreversible capacity in the initial charge / discharge, suppress the loss of the discharge capacity even in a high temperature environment, and improve the thermal stability. .
本発明は、前記手段により、次に述べる効果を奏する。即ち、本発明は、リチウム塩が溶解された有機溶媒にPF5錯体を添加するので、初期の充放電に於ける不可逆容量を低減できると共に、高温環境下に於いても放電容量の損失を抑制し、熱的安定性も向上させることができる。 The present invention has the following effects by the above means. That is, according to the present invention, since the PF 5 complex is added to the organic solvent in which the lithium salt is dissolved, the irreversible capacity in the initial charge / discharge can be reduced, and the loss of the discharge capacity is suppressed even in a high temperature environment. In addition, thermal stability can be improved.
本発明の実施の形態について、以下に説明する。
本発明のリチウム二次電池用電解液(以下、「電解液」という。)は、リチウム塩を溶解させた有機溶媒に、少なくともPF5錯体を添加したものである。また、本発明の電解液は、更にBF3錯体を添加してもよい。
Embodiments of the present invention will be described below.
The electrolyte solution for a lithium secondary battery of the present invention (hereinafter referred to as “electrolyte solution”) is obtained by adding at least a PF 5 complex to an organic solvent in which a lithium salt is dissolved. Further, the electrolytic solution of the present invention may be further added BF 3 complex.
前記PF5錯体又はBF3錯体は、分子内に求核部位を有した化合物がPF5又はBF3の求電子力と結合した錯化合物である。前記PF5錯体又はBF3錯体としては、正極、負極、及び有機溶媒に対して比較的不活性で、リチウム二次電池の正常動作を妨げないものであれば特に限定されない。更に、前記分子内に求核部位を有した化合物としては、PF5又はBF3に対して安定であり、かつ、リチウム二次電池の性能に悪影響を及ぼさないものであれば特に限定しない。具体的には、例えば、環状炭酸エステル、鎖状炭酸エステル、リン酸エステル、環状エーテル、鎖状エーテル、ラクトン化合物、鎖状エステル、ニトリル化合物、アミド化合物、スルホン化合物等が挙げられる。 The PF 5 complex or BF 3 complex is a complex compound in which a compound having a nucleophilic site in the molecule is combined with the electrophilic force of PF 5 or BF 3 . The PF 5 complex or BF 3 complex is not particularly limited as long as it is relatively inert to the positive electrode, the negative electrode, and the organic solvent and does not hinder the normal operation of the lithium secondary battery. Furthermore, the compound having a nucleophilic moiety in the molecule is not particularly limited as long as it is stable to PF 5 or BF 3 and does not adversely affect the performance of the lithium secondary battery. Specific examples include cyclic carbonates, chain carbonates, phosphate esters, cyclic ethers, chain ethers, lactone compounds, chain esters, nitrile compounds, amide compounds, and sulfone compounds.
前記環状炭酸エステルとしては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート等が挙げられる。これらのうち、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート等の環状カーボネートが好ましい。前記鎖状炭酸エステルとしては、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルプロピルカーボネート、メチルブチルカーボネート等が挙げられる。これらのうち、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネートが好ましい。前記リン酸エステルとしては、リン酸トリメチル、リン酸トリエチル、リン酸エチルジメチル、リン酸ジエチルメチル等が挙げられる。前記環状エーテルとしては、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン等が挙げられる。前記鎖状エーテルとしては、ジメトキシエタン等が挙げられる。前記ラクトン化合物としては、γ−ブチロラクトン等が挙げられる。前記鎖状エステルとしては、メチルプロピオネート、メチルアセテート、エチルアセテート、メチルホルメート等が挙げられる。ニトリル化合物としては、アセトニトリル等が挙げられる。前記アミド化合物としては、ジメチルホルムアミド等が挙げられる。スルホン化合物としては、スルホラン、メチルスルホラン等が挙げられる。また、前記有機溶媒分子中に含まれる炭化水素基の水素を少なくとも一部フッ素で置換したものを好適に用いることもできる。 Examples of the cyclic carbonate include ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, and the like. Of these, cyclic carbonates such as ethylene carbonate and propylene carbonate are preferred. Examples of the chain carbonate include dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, diethyl carbonate, methyl propyl carbonate, and methyl butyl carbonate. Of these, dimethyl carbonate and ethyl methyl carbonate are preferred. Examples of the phosphate ester include trimethyl phosphate, triethyl phosphate, ethyldimethyl phosphate, and diethylmethyl phosphate. Examples of the cyclic ether include tetrahydrofuran and 2-methyltetrahydrofuran. Examples of the chain ether include dimethoxyethane. Examples of the lactone compound include γ-butyrolactone. Examples of the chain ester include methyl propionate, methyl acetate, ethyl acetate, and methyl formate. Examples of the nitrile compound include acetonitrile. Examples of the amide compound include dimethylformamide. Examples of the sulfone compound include sulfolane and methyl sulfolane. Moreover, what substituted at least partially the hydrogen of the hydrocarbon group contained in the said organic-solvent molecule | numerator with the fluorine can also be used suitably.
PF5錯体のみを使用する場合、その添加量は、有機溶媒の重量に対し、0.1〜5重量%の範囲内であることが好ましく、1〜3重量%の範囲内であることがより好ましい。添加量の下限については、期待する効果の程度や使用条件等によっても異なるが、0.1重量%未満であると、放電容量の損失の抑制、及び熱的安定性の向上が不十分となる場合がある。また、添加量が5重量%を超えると、リチウム塩の有機溶媒に対する溶解性が低下する等の影響が生じ、不可逆容量の低減も不十分になる場合がある。尚、前記放電容量とは、電気量で表示したリチウム二次電池の能力を示すものであり、放電電流(A)と放電終了電圧までの放電持続時間(h)の積で表される。 When only the PF 5 complex is used, the addition amount thereof is preferably in the range of 0.1 to 5% by weight, more preferably in the range of 1 to 3% by weight, based on the weight of the organic solvent. preferable. The lower limit of the amount added varies depending on the expected effect level and usage conditions, but if it is less than 0.1% by weight, the suppression of the discharge capacity loss and the improvement of the thermal stability are insufficient. There is a case. On the other hand, when the addition amount exceeds 5% by weight, there is an effect that the solubility of the lithium salt in the organic solvent is lowered, and the reduction of the irreversible capacity may be insufficient. In addition, the said discharge capacity shows the capability of the lithium secondary battery represented with the quantity of electricity, and is represented by the product of a discharge current (A) and the discharge duration (h) to discharge end voltage.
PF5錯体とBF3錯体を混合使用する場合、両者を合計した添加量は、有機溶媒の重量に対し、1〜5重量%の範囲内であることが好ましく、2〜5重量%の範囲内であることがより好ましい。添加量の下限については、期待する効果の程度や使用条件等によっても異なるが、1重量%未満であると、不可逆容量の低減が不十分となり、放電容量の損失の抑制、及び熱的安定性の向上が不十分となる場合がある。また、添加量が5重量%を超えると、リチウム塩の有機溶媒に対する溶解性が低下する等の影響が生じ、また、不可逆容量の低減が不十分になる場合がある。尚、PF5錯体とBF3錯体の混合比は、重量比で90:10〜10:90が好ましく、より好ましくは70:30〜50:50である。 When a PF 5 complex and a BF 3 complex are mixed and used, the total amount added is preferably in the range of 1 to 5% by weight, and in the range of 2 to 5% by weight, based on the weight of the organic solvent. It is more preferable that The lower limit of the amount added varies depending on the expected effect level and use conditions, but if it is less than 1% by weight, the reduction of the irreversible capacity becomes insufficient, the loss of the discharge capacity is suppressed, and the thermal stability. Improvement may be insufficient. On the other hand, when the addition amount exceeds 5% by weight, there is an effect that the solubility of the lithium salt in the organic solvent is lowered, and the reduction of the irreversible capacity may be insufficient. In addition, the mixing ratio of the PF 5 complex and the BF 3 complex is preferably 90:10 to 10:90, more preferably 70:30 to 50:50 in terms of weight ratio.
前記PF5錯体又はBF3錯体の製造方法は特に限定されず、例えば、PF5ガス又はBF3ガスを、分子内に求核部位を有した化合物に吹き込むことによって得られる。PF5ガス又はBF3ガスを前記化合物に吸収させる際には、過剰な反応を抑制するために冷却しながら行うのが有用である。吸収後の錯体は窒素フローにより未反応ガスを除去できる。また、生成物であるPF5錯体又はBF3錯体が固体である場合は、PF5ガス又はBF3ガスの吸収後にろ過することにより得られる。 The method for producing the PF 5 complex or BF 3 complex is not particularly limited, and for example, it can be obtained by blowing PF 5 gas or BF 3 gas into a compound having a nucleophilic site in the molecule. When the PF 5 gas or BF 3 gas is absorbed by the compound, it is useful to carry out cooling while suppressing excessive reaction. The complex after absorption can remove unreacted gas by nitrogen flow. Also, if the PF 5 complex or BF 3 complex is a product is a solid, obtained by filtration after absorption of PF 5 gas or BF 3 gas.
前記有機溶媒には、リチウム塩が溶解されている。これにより、電解液中でのリチウムイオンを移動物質とすることができ、電池特性を向上させることができる。前記リチウム塩としては特に限定されないが、フッ素を含有するアニオンを有するものが好ましい。当該フッ素含有のアニオンを有するリチウム塩としては、例えばLiBF4、LiPF6、LiBF3CF3、LiBF3C2F5、LiCF3SO3、LiC2F5SO3、LiC3F7SO3、LiC4F9SO3、LiN(SO2F)2、LiN(CF3SO2)2、LiN(C2F5SO2)2、LiN(CF3SO2)(CF3CO)、LiN(CF3SO2)(C2F5SO2)、LiC(CF3SO2)3等が挙げられる。これらのうち、電解液の安全性・安定性の向上、リチウム塩の電気伝導率やリチウム二次電池のサイクル特性の向上の観点からは、LiBF4、LiPF6、LiN(CF3SO2)2が好ましく、LiBF4、LiPF6が特に好ましい。また、これらのリチウム塩は1種単独で又は2種以上を混合して使用可能である。 A lithium salt is dissolved in the organic solvent. Thereby, the lithium ion in electrolyte solution can be made into a mobile substance, and a battery characteristic can be improved. Although it does not specifically limit as said lithium salt, What has an anion containing a fluorine is preferable. Examples of the lithium salt having a fluorine-containing anion include LiBF 4 , LiPF 6 , LiBF 3 CF 3 , LiBF 3 C 2 F 5 , LiCF 3 SO 3 , LiC 2 F 5 SO 3 , LiC 3 F 7 SO 3 , LiC 4 F 9 SO 3 , LiN (SO 2 F) 2 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , LiN (C 2 F 5 SO 2 ) 2 , LiN (CF 3 SO 2 ) (CF 3 CO), LiN ( CF 3 SO 2 ) (C 2 F 5 SO 2 ), LiC (CF 3 SO 2 ) 3 and the like. Among these, LiBF 4 , LiPF 6 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 from the viewpoint of improving the safety and stability of the electrolytic solution, and improving the electrical conductivity of the lithium salt and the cycle characteristics of the lithium secondary battery. Are preferable, and LiBF 4 and LiPF 6 are particularly preferable. Moreover, these lithium salts can be used individually by 1 type or in mixture of 2 or more types.
リチウム塩の有機溶媒に対する濃度としては、通常0.1〜2M、好ましくは0.15〜1.5M、より好ましくは0.2〜1.2M、特に好ましいくは0.3〜1Mである。濃度が0.1M未満であると、電解液の電気伝導率が不十分となる場合がある。その一方、濃度が2Mを超えると、電解液の粘度上昇のため電気伝導率が低下し、電池性能が低下する場合がある。 The concentration of the lithium salt with respect to the organic solvent is usually 0.1 to 2M, preferably 0.15 to 1.5M, more preferably 0.2 to 1.2M, and particularly preferably 0.3 to 1M. If the concentration is less than 0.1M, the electrical conductivity of the electrolytic solution may be insufficient. On the other hand, if the concentration exceeds 2M, the electrical conductivity may decrease due to an increase in the viscosity of the electrolytic solution, and the battery performance may decrease.
前記有機溶媒としては特に限定されず、例えば、環状炭酸エステル、鎖状炭酸エステル、リン酸エステル、環状エーテル、鎖状エーテル、ラクトン化合物、鎖状エステル、ニトリル化合物、アミド化合物、スルホン化合物等が挙げられる。これらの有機溶媒のうち、リチウム二次電池用有機溶媒として一般的に使用される点からは、炭酸エステルが好ましい。 The organic solvent is not particularly limited, and examples thereof include cyclic carbonate ester, chain carbonate ester, phosphate ester, cyclic ether, chain ether, lactone compound, chain ester, nitrile compound, amide compound, sulfone compound and the like. It is done. Of these organic solvents, carbonates are preferred from the point of being generally used as an organic solvent for a lithium secondary battery.
前記環状炭酸エステルとしては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート等が挙げられる。これらのうち、リチウム二次電池の充電効率を向上させる点からは、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート等の環状カーボネートが好ましい。鎖状炭酸エステルとしては、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジエチルカーボネート等が挙げられる。これらのうち、リチウム二次電池の充電効率を向上させる点からは、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネートが好ましい。リン酸エステルとしては、リン酸トリメチル、リン酸トリエチル、リン酸エチルジメチル、リン酸ジエチルメチル等が挙げられる。環状エーテルとしては、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン等が挙げられる。鎖状エーテルとしては、ジメトキシエタン等が挙げられる。ラクトン化合物としては、γ−ブチロラクトン等が挙げられる。鎖状エステルとしては、メチルプロピオネート、メチルアセテート、エチルアセテート、メチルホルメート等が挙げられる。ニトリル化合物としては、アセトニトリル等が挙げられる。アミド化合物としては、ジメチルホルムアミド等が挙げられる。スルホン化合物としては、スルホラン、メチルスルホラン等が挙げられる。これらの有機溶媒は一種単独で又は二種以上を混合して用いてもよい。また、前記有機溶媒分子中に含まれる炭化水素基の水素を少なくとも一部フッ素で置換したものも好適に用いることができる。 Examples of the cyclic carbonate include ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, and the like. Among these, cyclic carbonates such as ethylene carbonate and propylene carbonate are preferable from the viewpoint of improving the charging efficiency of the lithium secondary battery. Examples of the chain carbonate include dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, diethyl carbonate and the like. Among these, dimethyl carbonate and ethyl methyl carbonate are preferable from the viewpoint of improving the charging efficiency of the lithium secondary battery. Examples of the phosphate ester include trimethyl phosphate, triethyl phosphate, ethyldimethyl phosphate, diethylmethyl phosphate, and the like. Examples of the cyclic ether include tetrahydrofuran and 2-methyltetrahydrofuran. Examples of the chain ether include dimethoxyethane. Examples of the lactone compound include γ-butyrolactone. Examples of the chain ester include methyl propionate, methyl acetate, ethyl acetate, and methyl formate. Examples of the nitrile compound include acetonitrile. Examples of the amide compound include dimethylformamide. Examples of the sulfone compound include sulfolane and methyl sulfolane. These organic solvents may be used alone or in combination of two or more. Moreover, what substituted at least partially the hydrogen of the hydrocarbon group contained in the said organic-solvent molecule | numerator with the fluorine can be used suitably.
以上に説明した電解液は、リチウム二次電池に好適に用いることができる。次に、前記電解液を用いた本実施の形態に係るリチウム二次電池について説明する。 The electrolytic solution described above can be suitably used for a lithium secondary battery. Next, a lithium secondary battery according to the present embodiment using the electrolytic solution will be described.
本実施の形態に係るリチウム二次電池は、図1に示すように、正極缶4と負極缶5とで形成される内部空間に、正極缶4側から正極1、セパレータ3、負極2、スペーサー7の順に積層された積層体が収納された構造を有している。負極缶5とスペーサー7との間にスプリング8を介在させることによって、正極1と負極2を適度に圧着固定している。PF5錯体、又はPF5錯体及びBF3錯体を含有する電解液は、正極1、セパレータ3及び負極2の間に含浸されている。正極缶4及び負極缶5の間にガスケット6を介在させた状態で、正極缶4及び負極缶5を挟持させることによって両者を結合し、前記積層体を密閉状態にしている。
As shown in FIG. 1, the lithium secondary battery according to the present embodiment has a
前記正極1における正極活物質層の材料としては特に限定されず、例えば、リチウムイオンが拡散可能な構造を持つ遷移金属化合物、又はその専科金属化合物とリチウムの酸化物が挙げられる。具体的には、LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4、LiFePO4等が挙げられる。
The material of the positive electrode active material layer in the
正極は、前記に列挙した正極活物質を、公知の導電助剤や結着剤と共に加圧成型することにより、又は正極活物質を公知の導電助剤や結着剤と共にピロリドン等の有機溶剤に混合し、ペースト状にしたものをアルミニウム箔等の集電体に塗工後、乾燥することにより得ることができる。 The positive electrode is formed by press-molding the positive electrode active material listed above together with a known conductive auxiliary agent or binder, or the positive electrode active material together with a known conductive auxiliary agent or binder into an organic solvent such as pyrrolidone. It can be obtained by applying a mixture and pasting it to a current collector such as an aluminum foil, followed by drying.
前記負極2における負極活物質層の材料としては、リチウムを吸蔵、放出することが可能な材料であれば特に限定されず、例えば、リチウム金属、Sn−Cu、Sn−Co、Sn−Fe又はSn−Ni等の合金、Li4Ti5O12又はLi5Fe2O3等の金属酸化物、天然黒鉛、人造黒鉛、ホウ素化黒鉛、メソカーボンマイクロビーズ、ピッチ系炭素繊維黒鉛化物又はカーボンナノチューブ等の炭素材料等が挙げられる。
The material of the negative electrode active material layer in the
負極は、前記電極材料の箔状のものや粉末状のものを使用できる。粉末状の場合は、公知の導電助剤及び結着剤と共に加圧成型することにより、又は公知の導電助剤及び結着剤と共にピロリドン等の有機溶剤に混合し、ペースト状にしたものを銅箔等の集電体に塗工後、乾燥することにより得ることができる。 The negative electrode can be a foil or powder of the electrode material. In the case of powder, copper paste is formed by pressure molding with a known conductive aid and binder, or mixed with pyrrolidone and other organic solvents together with a known conductive aid and binder. It can be obtained by coating a current collector such as a foil and then drying.
本実施の形態に係るリチウム二次電池には、正極と負極の短絡を防止するために、正極と負極との間に通常、セパレータ3が介在される。セパレータ3の材質や形状は特に制限されないが、上述の有機電解液が通過しやすく、絶縁体で、化学的に安定な材質であるものが好ましい。例えば、各種の高分子材料からなる微多孔性のフィルム、シート等が挙げられる。高分子材料の具体例としては、ナイロン(登録商標)、ニトロセルロース、ポリアクリロニトリル、ポリフッ化ビニリデン、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン高分子が用いられる。電気化学的な安定性・化学的安定性の観点からは、ポリオレフィン系高分子が好ましい。
In the lithium secondary battery according to the present embodiment, a
本発明のリチウム二次電池の最適使用電圧は正極と負極の組み合わせによって特に限定されないが、2.4〜4.5Vの平均放電電圧にて使用できる。 The optimum working voltage of the lithium secondary battery of the present invention is not particularly limited by the combination of the positive electrode and the negative electrode, but can be used at an average discharge voltage of 2.4 to 4.5V.
本発明のリチウム二次電池の形状に特に限定はないが、図1に示すコイン型セルの他に、例えば、円筒型、角型、ラミネート型等が挙げられる。 The shape of the lithium secondary battery of the present invention is not particularly limited, and examples thereof include a cylindrical type, a square type, and a laminate type in addition to the coin type cell shown in FIG.
以下に、この発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但し、この実施例に記載されている材料や配合量等は、特に限定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではなく、単なる説明例に過ぎない。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail by way of example. However, the materials, blending amounts, and the like described in the examples are not intended to limit the scope of the present invention only to them, but are merely illustrative examples, unless otherwise specified.
(実施例1)
<電解液の作成>
LiPF6を、エチレンカーボネート(EC)及びエチルメチルカーボネート(EMC)からなる混合溶媒(体積比率でEC:EMC=1:3、キシダ化学株式会社製、リチウムバッテリーグレード)に対し、露点が−80℃以下のアルゴン雰囲気ドライボックス内で溶解させ、電解質濃度が1.0モル/リットルとなる様に調製した。次に、この有機溶媒に対してPF5−EMC錯体を3重量%添加し、本実施例に係る電解液を作製した。この電解液の水分をカールフィッシャー水分計(平沼産業株式会社製、平沼微量水分測定装置AQ−7)で測定したところ、30ppm以下であることを確認した。
Example 1
<Creation of electrolyte>
LiPF 6 has a dew point of −80 ° C. with respect to a mixed solvent composed of ethylene carbonate (EC) and ethyl methyl carbonate (EMC) (volume ratio of EC: EMC = 1: 3, manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd., lithium battery grade). It was dissolved in the following argon atmosphere dry box to prepare an electrolyte concentration of 1.0 mol / liter. Next, 3% by weight of PF 5 -EMC complex was added to the organic solvent to prepare an electrolytic solution according to this example. When the water content of this electrolyte was measured with a Karl Fischer moisture meter (Hiranuma Sangyo Co., Ltd., Hiranuma trace moisture measuring device AQ-7), it was confirmed that it was 30 ppm or less.
<リチウム二次電池の組み立て>
図2に示す構造の試験セル(有限会社日本トムセル製、商品名;トムセルTJ−AC)を用いて、リチウム二次電池を作成した。図2に於いてボルト9、カシメワッシャー10、容器体11、蓋部14、ナット16、丸板20、スプリング21は共にステンレス鋼製であり、セパレータ18はポリプロピレン製で円形状に切り出したものを使用した。リチウム二次電池の組み立ては露点が−80℃以下のアルゴンドライボックス内で行った。
<Assembly of lithium secondary battery>
A lithium secondary battery was prepared using a test cell having the structure shown in FIG. 2 (trade name: Tomcell TJ-AC, manufactured by Nippon Tomcell Co., Ltd.). In FIG. 2, the
先ず、ボルト9、カシメワッシャー10、容器体11、スペーサー12、オーリング13、蓋部14、ブッシュ15、ナット16、負極17、丸板20、スプリング21は120℃の加熱下、24時間真空乾燥した後、ドライボックス内に持ち込んだ。また、セパレータ18は60℃の加熱下、24時間真空乾燥した。負極には天然黒鉛シート(パイオニクス株式会社製、商品名;ピオクセルA100)を用い、円形状に切り出して12時間真空乾燥した後、ドライボックス内に持ち込んだ。尚、正極にはリチウムフォイル箔(本城金属株式会社製、バッテリーグレード)を用いた。
First, the
次に、前記電解液を負極17及びセパレータ18に減圧下にて含浸させた後、容器体11に負極17、セパレータ18及びスペーサー12を図1に記載の順で載置し、前記電解液を適量注いだ。続いて正極19、丸板20及びスプリング21を図1の順で設置した後、蓋部14を上からかぶせ、ボルト9とナット16により容器体内を密閉状態にして、リチウム二次電池を作製した。
Next, after impregnating the
(実施例2)
PF5−EMC錯体の有機溶媒に対する添加量を1.5重量%に変更したこと以外は、前記実施例1と同様にして、電解液及びそれを用いたリチウム二次電池を作製した。
(Example 2)
An electrolytic solution and a lithium secondary battery using the same were prepared in the same manner as in Example 1 except that the amount of the PF 5 -EMC complex added to the organic solvent was changed to 1.5% by weight.
(実施例3)
有機溶媒に添加する添加剤としてPF5−EMC錯体及びBF3−EMC錯体の混合物を用い、更に、その添加量を3.0重量%に変更したこと以外は、前記実施例1と同様にして、電解液及びそれを用いたリチウム二次電池を作製した。尚、PF5−EMC錯体とBF3−EMC錯体の混合比は、重量比で50:50とした。
(Example 3)
As in Example 1 except that a mixture of PF 5 -EMC complex and BF 3 -EMC complex was used as an additive to be added to the organic solvent, and the addition amount was changed to 3.0% by weight. Then, an electrolytic solution and a lithium secondary battery using the electrolytic solution were produced. The mixing ratio of the PF 5 -EMC complex and the BF 3 -EMC complex was 50:50 by weight.
(比較例1)
電解液として、エチレンカーボネート(EC)及びエチルメチルカーボネート(EMC)からなる混合溶媒にLiPF6を溶解したものを用いたことが以外は、前記実施例1と同様にして、電解液及びそれを用いたリチウム二次電池を作製した。
(Comparative Example 1)
As the electrolytic solution, the electrolytic solution and the same were used in the same manner as in Example 1 except that a solution of LiPF 6 dissolved in a mixed solvent composed of ethylene carbonate (EC) and ethyl methyl carbonate (EMC) was used. A lithium secondary battery was manufactured.
(比較例2)
有機溶媒に添加する添加剤としてBF3−EMC錯体を用いたこと以外は、前記実施例1と同様にして、電解液及びそれを用いたリチウム二次電池を作製した。
(Comparative Example 2)
An electrolyte solution and a lithium secondary battery using the same were prepared in the same manner as in Example 1 except that BF 3 -EMC complex was used as an additive to be added to the organic solvent.
(リチウム二次電池特性の評価)
前記各実施例及び比較例で作製したそれぞれのリチウム二次電池に対し、充放電試験を行った。充放電試験は、25℃に雰囲気に保った恒温機(エスペック株式会社、商品名;TEMPERATURE CARBINET LU−112)内で実施した。即ち、試験セルを恒温機内で2時間保持した後、電流密度が1.0mAcm−2の定電流充電を行い、電圧が5mVに達した時点で定電圧充電に切り替えた。5mVで30分間保持した後、1.0mAcm−2の定電流放電を行い、電圧が1600mVに達した時点で定電圧放電に切り替え、30分間保持した。この充放電サイクルを10回繰り返した。
(Evaluation of lithium secondary battery characteristics)
A charge / discharge test was performed on each lithium secondary battery produced in each of the examples and comparative examples. The charge / discharge test was carried out in a thermostatic chamber (ESPEC Corporation, trade name: TEMPERATURE CARBINET LU-112) kept in an atmosphere at 25 ° C. That is, after holding the test cell in the thermostat for 2 hours, constant current charging with a current density of 1.0 mAcm −2 was performed, and switching to constant voltage charging was performed when the voltage reached 5 mV. After holding at 5 mV for 30 minutes, a constant current discharge of 1.0 mAcm −2 was performed, and when the voltage reached 1600 mV, the voltage was switched to constant voltage discharge and held for 30 minutes. This charge / discharge cycle was repeated 10 times.
その後、リチウム二次電池を60℃の雰囲気に保った乾燥機に7日間放置し、再度25℃に雰囲気に保った恒温機内に移して、前記充放電条件と同様に10サイクルの充放電を繰り返した。 Thereafter, the lithium secondary battery is left in a drier maintained at 60 ° C. for 7 days, transferred to a constant temperature oven maintained at 25 ° C. again, and 10 cycles of charge / discharge are repeated as in the charge / discharge conditions. It was.
表1に60℃保持前の25℃における10サイクル目の放電容量、60℃保持後の25℃における1サイクル目及び10サイクル目の放電容量を示す。尚、各値は60℃保持前の25℃における10サイクル目の比較例1の放電容量を100としたときの相対値を示す。 Table 1 shows the discharge capacity at the 10th cycle at 25 ° C. before holding at 60 ° C., and the discharge capacity at the first and 10th cycles at 25 ° C. after holding at 60 ° C. In addition, each value shows a relative value when the discharge capacity of Comparative Example 1 in the 10th cycle at 25 ° C. before holding at 60 ° C. is 100.
表1から明らかな通り、実施例1〜3に係るリチウム二次電池は、比較例1のリチウム二次電池と比較して、60℃保持後の放電容量の損失が低い。また、比較例2のリチウム二次電池と比較して、60℃保持前の初期の不可逆容量が小さいことも確認された。 As is clear from Table 1, the lithium secondary batteries according to Examples 1 to 3 have a lower discharge capacity loss after holding at 60 ° C. than the lithium secondary battery of Comparative Example 1. It was also confirmed that the initial irreversible capacity before holding at 60 ° C. was smaller than that of the lithium secondary battery of Comparative Example 2.
1 正極
2 負極
3 セパレータ
4 正極缶
5 負極缶
6 ガスケット
7 スペーサー
8 スプリング
9 ボルト
10 カシメワッシャー
11 容器体
12 スペーサー
13 オーリング
14 蓋部
15 ブッシュ
16 ナット
17 負極
18 セパレータ
19 正極
20 丸板
21 スプリング
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Claims (8)
The lithium secondary battery provided with the electrolyte solution for lithium secondary batteries of any one of Claims 1-7 .
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