JP7188168B2 - Electrolyte and secondary battery - Google Patents
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Description
本発明は、二次電池に用いられる電解液、及び、当該電解液を備える二次電池に関するものである。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to an electrolytic solution used in a secondary battery and a secondary battery provided with the electrolytic solution.
一般に、二次電池は、主な構成要素として、正極、負極及び電解液を備える。正極には、充放電に関与する正極活物質が具備されており、負極には、充放電に関与する負極活物質が具備されている。そして、電解液としては、電解質を非水溶媒に溶解した溶液が採用されるのが一般的である。 Generally, a secondary battery includes a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte as main components. The positive electrode is equipped with a positive electrode active material that participates in charging and discharging, and the negative electrode is equipped with a negative electrode active material that participates in charging and discharging. As the electrolytic solution, a solution obtained by dissolving an electrolyte in a non-aqueous solvent is generally used.
ここで、非水溶媒としてはエチルメチルカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネートなどの鎖状カーボネート及びエチレンカーボネートなどの環状カーボネートを併用するのが一般的である。実際に、特許文献1~特許文献3には、非水溶媒としてエチルメチルカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネートなどの鎖状カーボネート及び環状カーボネートであるエチレンカーボネートを併用した電解液を備えるリチウムイオン二次電池が具体的に記載されている。 Here, as the non-aqueous solvent, chain carbonates such as ethyl methyl carbonate, dimethyl carbonate and diethyl carbonate and cyclic carbonates such as ethylene carbonate are generally used together. In fact, in Patent Documents 1 to 3, a lithium ion secondary battery equipped with an electrolytic solution using both a linear carbonate such as ethylmethyl carbonate, dimethyl carbonate, and diethyl carbonate as a non-aqueous solvent and ethylene carbonate as a cyclic carbonate. are specifically described.
また、非水溶媒の一部として、フルオロエチレンカーボネートやジフルオロエチレンカーボネートなどのフッ素含有環状カーボネートを採用することも知られている。実際に特許文献4には、二次電池における電解液の非水溶媒として、フルオロエチレンカーボネートやジフルオロエチレンカーボネートなどのフッ素含有環状カーボネートを用いることで、二次電池の容量維持率が好適化したことが記載されている(表17を参照。)。 It is also known to employ fluorine-containing cyclic carbonates such as fluoroethylene carbonate and difluoroethylene carbonate as part of the non-aqueous solvent. In fact, Patent Document 4 describes that the capacity retention rate of the secondary battery is optimized by using a fluorine-containing cyclic carbonate such as fluoroethylene carbonate or difluoroethylene carbonate as a non-aqueous solvent for the electrolyte in the secondary battery. is described (see Table 17).
上述のとおり、二次電池に用いられる電解液についての研究が精力的に行われている。そして、産業界からは、電池特性に優れる二次電池が求められている。
本発明はかかる事情に鑑みて為されたものであり、電池特性に優れる二次電池を提供するために、好適な電解液を提供することを目的とする。
As described above, research on electrolytes used in secondary batteries has been vigorously conducted. In addition, the industry is demanding a secondary battery with excellent battery characteristics.
The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a suitable electrolytic solution for providing a secondary battery having excellent battery characteristics.
本発明者は、二次電池の電池特性をさらに向上させるための技術について検討した。二次電池の電池特性を向上させるためには、正極、負極及び電解液のそれぞれの充放電条件下での特性を理解することが重要である。
本発明者は、まず、負極と電解液との関係について検討を行った。
The inventors have studied techniques for further improving the battery characteristics of secondary batteries. In order to improve the battery characteristics of a secondary battery, it is important to understand the characteristics of the positive electrode, the negative electrode, and the electrolyte under respective charge/discharge conditions.
The inventors first examined the relationship between the negative electrode and the electrolytic solution.
従来、一般的に使用されていたカーボネート系の溶媒は、負極表面での還元分解にて、負極の表面にSEI(Solid Electrolyte Interphase)被膜を形成することが知られている。SEI被膜は、負極活物質と電解液との直接接触を防止できるが、カーボネート系の溶媒を原料として生成されたSEI被膜には、CO3基が存在すると考えられる。 Conventionally, commonly used carbonate-based solvents are known to form an SEI (Solid Electrolyte Interphase) film on the surface of the negative electrode by reductive decomposition on the surface of the negative electrode. The SEI coating can prevent direct contact between the negative electrode active material and the electrolytic solution, but it is believed that the SEI coating formed using a carbonate-based solvent as a raw material contains 3 groups of CO 2 .
ここで、例えば、酸化に対して比較的耐性の低いSi含有負極活物質を備える二次電池の場合には、SEI被膜におけるCO3基の酸素がSi含有負極活物質を酸化すると推定される。また、Si含有負極活物質は、充放電時の膨張及び収縮の程度が大きいため、SEI被膜が破壊されて、SEI被膜で被覆されていない新たな箇所(以下、かかる箇所を「新生面」という。)が生じ得る。ここで、新生面におけるSi含有負極活物質がカーボネート系の溶媒と接触することで、Si含有負極活物質が酸化することが懸念される。 Here, for example, in the case of a secondary battery including a Si-containing negative electrode active material that has relatively low resistance to oxidation, it is presumed that the oxygen of the CO 3 group in the SEI coating oxidizes the Si-containing negative electrode active material. In addition, since the Si-containing negative electrode active material expands and contracts greatly during charging and discharging, the SEI coating is destroyed and a new portion not covered with the SEI coating (hereinafter, such a portion is referred to as a “new surface”. ) can occur. Here, there is a concern that the Si-containing negative electrode active material on the new surface may be oxidized due to contact with the carbonate-based solvent.
そこで、本発明者は、電解液の非水溶媒として、負極表面での還元分解が生じ難く、酸化能力も低いと考えられるエーテルを採用することを指向した。しかし、具体的なエーテルとしてテトラヒドロフランを採用したところ、リチウムイオン二次電池の容量維持率は悪化した。 Therefore, the inventors of the present invention aimed to use ether as the non-aqueous solvent for the electrolytic solution, which is unlikely to undergo reductive decomposition on the surface of the negative electrode and is considered to have low oxidizing ability. However, when tetrahydrofuran was used as a specific ether, the capacity retention rate of the lithium ion secondary battery deteriorated.
本発明者は、テトラヒドロフランによる不具合は、テトラヒドロフランにおけるラジカル発生に関連があるのではないかと考えた。一般に、酸素とアルキル鎖で挟まれたCH2基においては、隣接する酸素と隣接するアルキル鎖が及ぼす隣接基相互作用に因り、ラジカルが安定化されるため、ラジカルが生じ易いと考えられている。テトラヒドロフランにおいては、2位のCH2基が最もラジカルが生じ易い箇所である。 The present inventors suspected that the problems caused by tetrahydrofuran may be related to radical generation in tetrahydrofuran. In general, in CH2 groups sandwiched between oxygen and alkyl chains, radicals are stabilized due to adjacent group interactions exerted by adjacent oxygen and adjacent alkyl chains, so it is believed that radicals are likely to occur. . In tetrahydrofuran, the CH2 group at the 2-position is the most likely site for radical formation.
そこで、本発明者は、テトラヒドロフランよりもラジカル発生し難いと考えられるエーテルを探索したところ、6員環の環状エーテルである4-メチルテトラヒドロピランにたどり着いた。そして、電解液の非水溶媒として4-メチルテトラヒドロピランを採用したリチウムイオン二次電池を製造し、試験したところ、好適な電池特性を示すことが確認された。 Accordingly, the present inventor searched for an ether that is considered to be less likely to generate radicals than tetrahydrofuran, and arrived at 4-methyltetrahydropyran, which is a 6-membered cyclic ether. Then, a lithium ion secondary battery employing 4-methyltetrahydropyran as a non-aqueous solvent for the electrolytic solution was manufactured and tested, and it was confirmed that the battery exhibited suitable battery characteristics.
電解液は、正負極間をリチウムイオンなどの電荷担体が移動する際の媒体となる。円滑に電荷担体が移動するためには、イオン伝導度に優れる電解液を採用するのが好ましいといえる。 The electrolyte solution serves as a medium for charge carriers such as lithium ions to move between the positive and negative electrodes. In order for the charge carriers to move smoothly, it is preferable to employ an electrolytic solution having excellent ionic conductivity.
本発明者が非水溶媒として6員環の環状エーテルである4-メチルテトラヒドロピランを採用した電解液のイオン伝導度を測定したところ、そのイオン伝導度が比較的低いことを知見した。そこで、非水溶媒として4-メチルテトラヒドロピランを含有する電解液に、他の非水溶媒を添加して、電解液のイオン伝導度を向上させることを指向した。
ただし、他の非水溶媒としては、電荷担体との配位能力が高い多座配位子である特定のエーテル(以下、第2エーテルということがある。)を選定した。その理由は、第2エーテルが電荷担体と優先的に錯体を形成することで、充放電時における電解液の化学的な安定性が向上すると考えたからである。
The present inventor measured the ionic conductivity of an electrolytic solution employing 4-methyltetrahydropyran, which is a 6-membered cyclic ether, as a non-aqueous solvent, and found that the ionic conductivity was relatively low. Therefore, the present inventors aimed to improve the ionic conductivity of the electrolytic solution by adding another non-aqueous solvent to the electrolytic solution containing 4-methyltetrahydropyran as the non-aqueous solvent.
However, as the other non-aqueous solvent, a specific ether (hereinafter sometimes referred to as a second ether) which is a multidentate ligand having a high ability to coordinate with charge carriers was selected. The reason for this is that the second ether preferentially forms a complex with the charge carrier, which is thought to improve the chemical stability of the electrolytic solution during charging and discharging.
そこで、本発明者が、6員環の環状エーテルである4-メチルテトラヒドロピラン及び第2エーテルを含有する電解液について分析を行ったところ、電解液のイオン伝導度が向上することを知見した。
ここで、本発明者は、電解液のイオン伝導度をさらに向上させるために、鎖状の第3エーテルを加えることを想起した。そして、本発明者の鋭意検討の結果、6員環の環状エーテルである4-メチルテトラヒドロピラン、第2エーテル及び第3エーテルの配合割合には、好適な比率が存在することを知見した。
Therefore, the present inventors analyzed an electrolytic solution containing 4-methyltetrahydropyran, which is a 6-membered cyclic ether, and a secondary ether, and found that the ionic conductivity of the electrolytic solution was improved.
Here, the present inventor thought of adding a chain-like tertiary ether in order to further improve the ionic conductivity of the electrolytic solution. As a result of intensive studies by the present inventors, the present inventors have found that there is a suitable mixing ratio of 4-methyltetrahydropyran, which is a 6-membered cyclic ether, the secondary ether and the tertiary ether.
これらの知見に基づき、本発明は完成された。 Based on these findings, the present invention was completed.
本発明の電解液は、
電解質と、アルキル基で置換されていてもよい6員環の環状エーテルと、下記一般式(A)で表される第2エーテルと、下記一般式(B)で表される鎖状の第3エーテルと、を含有し、
前記環状エーテルの体積、前記第2エーテルの体積及び前記第3エーテルの体積の合計に対して、前記環状エーテルの体積が30~80体積%であり、前記第2エーテルの体積が15~60体積%であり、前記第3エーテルの体積が1~15体積%であることを特徴とする。
一般式(A) R1(OCH2CH2)nOR2
R1及びR2はそれぞれ独立にフッ素で置換されていてもよい炭素数1~6のアルキル基である。R1及びR2は互いに結合して環を形成していてもよい。nは2以上の整数である。
一般式(B) R3OR4
R3及びR4はそれぞれ独立にフッ素で置換されていてもよい炭素数1~6のアルキル基である。
The electrolytic solution of the present invention is
An electrolyte, a 6-membered cyclic ether optionally substituted with an alkyl group, a second ether represented by the following general formula (A), and a chain-like third ether represented by the following general formula (B) containing an ether and
The volume of the cyclic ether is 30 to 80% by volume, and the volume of the second ether is 15 to 60%, based on the total volume of the cyclic ether, the volume of the second ether, and the volume of the third ether. %, and the volume of the third ether is 1 to 15% by volume.
General formula (A) R 1 (OCH 2 CH 2 ) n OR 2
R 1 and R 2 are each independently an optionally fluorine-substituted alkyl group having 1 to 6 carbon atoms. R 1 and R 2 may combine with each other to form a ring. n is an integer of 2 or more.
General formula (B) R 3 OR 4
R 3 and R 4 are each independently an optionally fluorine-substituted alkyl group having 1 to 6 carbon atoms.
本発明の電解液を備える二次電池は電池特性に優れる。 A secondary battery comprising the electrolytic solution of the present invention has excellent battery characteristics.
以下に、本発明を実施するための形態を説明する。なお、特に断らない限り、本明細書に記載された数値範囲「a~b」は、下限a及び上限bをその範囲に含む。そして、これらの上限値及び下限値、ならびに実施例中に列記した数値も含めてそれらを任意に組み合わせることで数値範囲を構成し得る。さらに、これらの数値範囲内から任意に選択した数値を、新たな上限や下限の数値とすることができる。 EMBODIMENT OF THE INVENTION Below, the form for implementing this invention is demonstrated. Unless otherwise specified, the numerical range "a to b" described in this specification includes the lower limit a and the upper limit b. Further, a numerical range can be configured by arbitrarily combining these upper and lower limits and the numerical values listed in the examples. Furthermore, a numerical value arbitrarily selected from within these numerical ranges can be used as the new upper and lower numerical values.
本発明の電解液は、
電解質と、アルキル基で置換されていてもよい6員環の環状エーテル(以下、単に「6員環の環状エーテル」ということがある。)と、下記一般式(A)で表される第2エーテルと、下記一般式(B)で表される鎖状の第3エーテルと、を含有し、
前記環状エーテルの体積、前記第2エーテルの体積及び前記第3エーテルの体積の合計に対して、前記環状エーテルの体積が30~80体積%であり、前記第2エーテルの体積が15~60体積%であり、前記第3エーテルの体積が1~15体積%であることを特徴とする。
一般式(A) R1(OCH2CH2)nOR2
R1及びR2はそれぞれ独立にフッ素で置換されていてもよい炭素数1~6のアルキル基である。R1及びR2は互いに結合して環を形成していてもよい。nは2以上の整数である。
一般式(B) R3OR4
R3及びR4はそれぞれ独立にフッ素で置換されていてもよい炭素数1~6のアルキル基である。
The electrolytic solution of the present invention is
An electrolyte, a 6-membered cyclic ether optionally substituted with an alkyl group (hereinafter sometimes simply referred to as “6-membered cyclic ether”), and a second containing an ether and a chain tertiary ether represented by the following general formula (B),
The volume of the cyclic ether is 30 to 80% by volume, and the volume of the second ether is 15 to 60%, based on the total volume of the cyclic ether, the volume of the second ether, and the volume of the third ether. %, and the volume of the third ether is 1 to 15% by volume.
General formula (A) R 1 (OCH 2 CH 2 ) n OR 2
R 1 and R 2 are each independently an optionally fluorine-substituted alkyl group having 1 to 6 carbon atoms. R 1 and R 2 may combine with each other to form a ring. n is an integer of 2 or more.
General formula (B) R 3 OR 4
R 3 and R 4 are each independently an optionally fluorine-substituted alkyl group having 1 to 6 carbon atoms.
電解質としては、リチウムイオン二次電池などの二次電池に用いられるものを採用すればよい。電解質は、1種類を用いてもよいし、複数種類を併用してもよい。
リチウムイオン二次電池に用いられる電解質としては、ホウ酸リチウム塩、スルホンイミドリチウム塩、スルホン酸リチウム塩、リン酸リチウム塩、過塩素酸リチウム塩などのリチウム塩を例示できる。リチウム塩としては、分子内にフッ素を含有するものが好ましい。
As the electrolyte, those used in secondary batteries such as lithium ion secondary batteries may be adopted. One type of electrolyte may be used, or a plurality of types may be used in combination.
Examples of electrolytes used in lithium ion secondary batteries include lithium salts such as lithium borate, lithium sulfonimide, lithium sulfonate, lithium phosphate, and lithium perchlorate. As the lithium salt, one containing fluorine in the molecule is preferable.
6員環の環状エーテルの化学的安定性の観点から、リチウム塩としては、ホウ酸リチウム塩、スルホンイミドリチウム塩及びスルホン酸リチウム塩が好ましい。 From the viewpoint of the chemical stability of the 6-membered cyclic ether, the lithium salt is preferably lithium borate, lithium sulfonimide, or lithium sulfonate.
ホウ酸リチウム塩として、一般式(1)のホウ酸リチウム塩を例示できる。
一般式(1) LiBF4-mRm
一般式(1)において、mは0、1、2、3、4のいずれかである。RはCnHaFbである。n、a、bはそれぞれ独立に0以上の整数であり、2n+1=a+bを満たす。
As the lithium borate salt, the lithium borate salt of the general formula (1) can be exemplified.
General formula (1) LiBF 4-m R m
In general formula (1), m is either 0, 1, 2, 3 or 4. R is CnHaFb . n, a, and b are each independently an integer of 0 or greater and satisfy 2n+1=a+b.
スルホンイミドリチウム塩として一般式(2)のスルホンイミドリチウム塩を例示できる。
一般式(2) (RSO2)2NLi
一般式(2)において、Rは、それぞれ独立に、CnHaFbである。n、a、bはそれぞれ独立に0以上の整数であり、2n+1=a+bを満たす。また、2つのRは、互いに結合して環を形成しても良く、その場合は、2n=a+bを満たす。
As the sulfonimide lithium salt, the sulfonimide lithium salt of general formula (2) can be exemplified.
General formula ( 2 ) (RSO2) 2NLi
In general formula (2 ) , each R is independently CnHaFb . n, a, and b are each independently an integer of 0 or greater and satisfy 2n+1=a+b. Also, two R's may combine with each other to form a ring, in which case 2n=a+b is satisfied.
スルホン酸リチウム塩として一般式(3)のスルホン酸リチウム塩を例示できる。
一般式(3) RSO3Li
一般式(3)において、RはCnHaFbである。n、a、bはそれぞれ独立に0以上の整数であり、2n+1=a+bを満たす。
As the lithium sulfonate, the lithium sulfonate of general formula (3) can be exemplified.
General formula ( 3 ) RSO3Li
In general formula ( 3 ) , R is CnHaFb . n, a, and b are each independently an integer of 0 or greater and satisfy 2n+1=a+b.
一般式(1)、一般式(2)及び一般式(3)において、nは0、1、2、3、4、5、6のいずれかが好ましい。また、aは0、1、2のいずれかが好ましい。 In general formula (1), general formula (2) and general formula (3), n is preferably 0, 1, 2, 3, 4, 5 or 6. Further, a is preferably 0, 1 or 2.
ホウ酸リチウム塩としては、具体的に、LiBF4、LiBF2(C2O4)、LiB(C2O4)2、LiBF3(CHF2)、LiBF3(CF3)、LiBF3(C2F5)、LiBF3(C3F7)、LiBF2(CF3)2を例示できる。 Specific examples of lithium borate salts include LiBF 4 , LiBF 2 (C 2 O 4 ), LiB(C 2 O 4 ) 2 , LiBF 3 (CHF 2 ), LiBF 3 (CF 3 ), LiBF 3 (C 2 F 5 ), LiBF 3 (C 3 F 7 ), LiBF 2 (CF 3 ) 2 can be exemplified.
スルホンイミドリチウム塩としては、具体的に、(FSO2)2NLi、(CF3SO2)2NLi、(C2F5SO2)2NLi、FSO2(CF3SO2)NLi、FSO2(C2F5SO2)NLi、(SO2CF2CF2SO2)NLi、(SO2CF2CF2CF2SO2)NLi、FSO2(CH3SO2)NLi、FSO2(C2H5SO2)NLiを例示できる。 Specific examples of sulfonimide lithium salts include (FSO 2 ) 2 NLi, (CF 3 SO 2 ) 2 NLi, (C 2 F 5 SO 2 ) 2 NLi, FSO 2 (CF 3 SO 2 )NLi, FSO 2 ( C2F5SO2 ) NLi , ( SO2CF2CF2SO2 )NLi, ( SO2CF2CF2CF2SO2 ) NLi , FSO2 ( CH3SO2 ) NLi , FSO2 ( C 2 H 5 SO 2 )NLi can be exemplified.
スルホン酸リチウム塩としては、具体的に、FSO3Li、CF3SO3Li、C2F5SO3Li、C3F7SO3Li、C4F9SO3Li、C5F11SO3Li、C6F13SO3Li、CH3SO3Li、C2H5SO3Li、C3H7SO3Li、CF3CH2SO3Li、CF3C2H4SO3Liを例示できる。 Specific examples of sulfonic acid lithium salts include FSO 3 Li, CF 3 SO 3 Li, C 2 F 5 SO 3 Li, C 3 F 7 SO 3 Li, C 4 F 9 SO 3 Li, C 5 F 11 SO 3Li , C6F13SO3Li , CH3SO3Li , C2H5SO3Li , C3H7SO3Li , CF3CH2SO3Li , CF3C2H4SO3Li _ _ _ _ _ _ can be exemplified.
本発明の電解液における電解質全体、又は、ホウ酸リチウム塩、スルホンイミドリチウム塩若しくはスルホン酸リチウム塩それぞれの濃度としては、0.3~4mol/L、0.5~3mol/L、1~2.5mol/L、1.5~2mol/L、1.6~1.9mol/Lを例示できる。 The concentration of the entire electrolyte in the electrolytic solution of the present invention, or the concentration of lithium borate, lithium sulfonimide, or lithium sulfonate is 0.3 to 4 mol/L, 0.5 to 3 mol/L, 1 to 2 .5 mol/L, 1.5 to 2 mol/L, and 1.6 to 1.9 mol/L can be exemplified.
本発明の電解液に含有される、6員環の環状エーテルは、ラジカルを発生し難いため、充放電時の負極での還元分解に対する耐性が高いと考えられる。その理由は以下のとおりである。 The six-membered ring cyclic ether contained in the electrolytic solution of the present invention is less likely to generate radicals, and thus is considered to have high resistance to reductive decomposition at the negative electrode during charging and discharging. The reason is as follows.
6員環の環状エーテルにおいて最もラジカルを発生しやすい箇所、換言すれば、最も水素ラジカルが離脱しやすい炭素は、6員環の環状エーテルを構成する炭素のうち、エーテルの酸素に隣接する炭素であるといえる。 The site where radicals are most likely to be generated in the 6-membered cyclic ether, in other words, the carbon on which the hydrogen radical is most likely to leave is the carbon adjacent to the oxygen of the ether among the carbons constituting the 6-membered cyclic ether. It can be said that there is.
6員環の環状エーテルには、熱エネルギー的に安定なchair-formやboat-formなどの立体配座が存在する。そして、各立体配座を相互に変換することもできる。かかる立体配座は、環を構成する炭素がsp3混成軌道を有していることにより、形成される。
しかし、ラジカルが生じた炭素は、それまでのsp3混成軌道から、sp2混成軌道へと変換する。sp2混成軌道における3つの結合は、同一の平面上に存在するのが理想的である。
Six-membered cyclic ethers have thermally stable conformations such as chair-form and boat-form. And each conformation can also be mutually converted. Such a conformation is formed by having an sp 3 -hybridized orbital at the carbons forming the ring.
However, the carbon from which the radical is generated is converted from the sp 3 hybridized orbital so far to the sp 2 hybridized orbital. Ideally, the three bonds in the sp 2 hybrid orbital lie on the same plane.
そうすると、6員環の環状エーテルにラジカルが発生した場合には、ラジカルを有する炭素がsp2混成軌道を有することになるため、熱エネルギー的に安定なchair-formやboat-formなどの立体配座をとることが出来ず、熱エネルギー的に不安定な立体構造にならざるを得ない。
かかる熱エネルギー的に不安定な立体構造が、6員環の環状エーテルをラジカル化するためのエネルギー障壁となっていると考えられる。
Then, when a radical is generated in a 6-membered cyclic ether, the carbon having the radical has an sp 2 hybridized orbital, so that the steric configuration such as chair-form or boat-form that is thermally stable It cannot take a seat, so it has to have a three-dimensional structure that is thermally unstable.
It is considered that such a thermally unstable steric structure serves as an energy barrier for radicalizing the 6-membered cyclic ether.
アルキル基で置換されていてもよい6員環の環状エーテルとしては、環を構成する6元素のうち5つが炭素であり、1つが酸素のものが好ましい。
6員環の炭素に結合し得るアルキル基としては、炭素数1~6のものが好ましく、炭素数1~4のものがより好ましく、炭素数1~2のものがさらに好ましい。
As the 6-membered cyclic ether which may be substituted with an alkyl group, one in which five of the six elements constituting the ring are carbon and one is oxygen is preferred.
The alkyl group that can be bonded to the carbon atoms of the 6-membered ring preferably has 1 to 6 carbon atoms, more preferably 1 to 4 carbon atoms, and even more preferably 1 to 2 carbon atoms.
6員環の炭素に結合し得るアルキル基は、エーテルの酸素に隣接しない炭素に結合するのが好ましい。
エーテルの酸素に隣接する炭素にアルキル基が結合した場合には、当該炭素はO-CH(アルキル基)-CH2との構造になる。ここで、酸素とアルキル鎖で挟まれたCH基においては、隣接する酸素と隣接するアルキル鎖が及ぼす隣接基相互作用に因り、ラジカルが安定化されるため、ラジカルが生じ易いと考えられている。よって、エーテルの酸素に隣接する炭素にアルキル基が結合した6員環の環状エーテルは、比較的ラジカルが発生しやすいと推定される。
An alkyl group that can be attached to a carbon of a 6-membered ring is preferably attached to a carbon that is not adjacent to the oxygen of the ether.
When an alkyl group is attached to the carbon adjacent to the oxygen of the ether, the carbon has the structure O--CH ( alkyl group)--CH.sub.2. Here, in a CH group sandwiched between oxygen and an alkyl chain, radicals are stabilized due to adjacent group interactions between adjacent oxygen and adjacent alkyl chains, so it is believed that radicals are likely to occur. . Therefore, it is presumed that a six-membered cyclic ether in which an alkyl group is bonded to the carbon adjacent to the oxygen of the ether is relatively likely to generate radicals.
本発明の電解液において、6員環の環状エーテルの体積、第2エーテルの体積及び第3エーテルの体積の合計に対する6員環の環状エーテルの体積は、35~75体積%が好ましく、35~70体積%がより好ましく、40~65体積%がさらに好ましく、40~60体積%が特に好ましい。
なお、6員環の環状エーテルとしては、1種類を用いてもよいし、複数種類を併用してもよい。
In the electrolytic solution of the present invention, the volume of the six-membered ring cyclic ether with respect to the sum of the volume of the six-membered ring cyclic ether, the volume of the second ether and the volume of the third ether is preferably 35 to 75% by volume, and 35 to 70% by volume is more preferable, 40 to 65% by volume is more preferable, and 40 to 60% by volume is particularly preferable.
As the 6-membered cyclic ether, one type may be used, or a plurality of types may be used in combination.
第2エーテルは、3以上の酸素を1分子内に有するエーテルであり、電荷担体との錯体形成能力が高いものである。第2エーテルは、電解液のイオン伝導度向上の点と、電解液内で優先的にリチウムイオンなどの電荷担体と錯体を形成し得る点から、電解液に配合される。そして、イオン伝導度の観点、及び、充放電条件下における安定性確保の観点などを鑑みて、その配合量が規定されている。 The second ether is an ether having 3 or more oxygens in one molecule and has a high ability to form a complex with charge carriers. The second ether is blended in the electrolytic solution because it improves the ionic conductivity of the electrolytic solution and preferentially forms a complex with charge carriers such as lithium ions in the electrolytic solution. The blending amount is defined from the viewpoint of ionic conductivity and the viewpoint of ensuring stability under charging/discharging conditions.
第2エーテルに関する一般式(A)において、第2エーテルが鎖状エーテルの場合のnとしては、2~5の整数を例示できる。
R1及びR2が互いに結合して環を形成する場合、すなわち、いわゆるクラウンエーテルの場合のnとしては、3~5の整数を例示できる。
In the general formula (A) relating to the second ether, an integer of 2 to 5 can be exemplified as n when the second ether is a chain ether.
When R 1 and R 2 combine to form a ring, that is, in the case of a so-called crown ether, n can be an integer of 3-5.
R1及びR2の炭素数としては、1~4が好ましく、1~2がより好ましい。 The number of carbon atoms in R 1 and R 2 is preferably 1-4, more preferably 1-2.
本発明の電解液において、6員環の環状エーテルの体積、第2エーテルの体積及び第3エーテルの体積の合計に対する第2エーテルの体積は、20~60体積%が好ましく、25~55体積%がより好ましく、30~55体積%がさらに好ましい。
なお、第2エーテルとしては、1種類を用いてもよいし、複数種類を併用してもよい。
In the electrolytic solution of the present invention, the volume of the second ether with respect to the sum of the volume of the six-membered ring cyclic ether, the volume of the second ether and the volume of the third ether is preferably 20 to 60% by volume, and 25 to 55% by volume. is more preferred, and 30 to 55% by volume is even more preferred.
In addition, as a 2nd ether, one type may be used and multiple types may be used together.
第3エーテルは、電解液のさらなるイオン伝導度向上を期待して配合される鎖状のエーテルである。第3エーテルとしては、第2エーテルよりも低粘度のものが好ましい。第3エーテルに関する一般式(B)において、R3及びR4の炭素数としては、2~6が好ましく、2~4がより好ましい。 The tertiary ether is a chain ether that is blended with the expectation of further improving the ionic conductivity of the electrolytic solution. As the tertiary ether, one having a viscosity lower than that of the second ether is preferable. In general formula (B) for the third ether, the number of carbon atoms in R 3 and R 4 is preferably 2-6, more preferably 2-4.
本発明の電解液において、6員環の環状エーテルの体積、第2エーテルの体積及び第3エーテルの体積の合計に対する第3エーテルの体積は、3~12体積%が好ましく、5~10体積%がより好ましい。
なお、第3エーテルとしては、1種類を用いてもよいし、複数種類を併用してもよい。
In the electrolytic solution of the present invention, the volume of the third ether with respect to the sum of the volume of the six-membered ring cyclic ether, the volume of the second ether and the volume of the third ether is preferably 3 to 12% by volume, and 5 to 10% by volume. is more preferred.
In addition, as a tertiary ether, one type may be used, and multiple types may be used together.
参考までに、6員環の環状エーテル、第2エーテル及び第3エーテルの具体例の粘度を、表1に示す。 For reference, Table 1 shows the viscosities of specific examples of the 6-membered ring cyclic ether, the secondary ether, and the tertiary ether.
本発明の電解液には、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、6員環の環状エーテル、第2エーテル及び第3エーテル以外の公知の非水溶媒を併用してもよい。本発明の電解液に含まれる非水溶媒全体に対する6員環の環状エーテル、第2エーテル及び第3エーテルの総量の割合として、50~100体積%、70~100体積%、90~100体積%、50~100質量%、70~100質量%、90~100質量%、50~100モル%、70~100モル%、90~100モル%を例示できる。 The electrolytic solution of the present invention may be used in combination with a known non-aqueous solvent other than the six-membered cyclic ether, secondary ether and tertiary ether within the scope of the present invention. 50 to 100% by volume, 70 to 100% by volume, 90 to 100% by volume as a total ratio of the six-membered ring cyclic ether, the second ether and the third ether to the total non-aqueous solvent contained in the electrolytic solution of the present invention , 50 to 100 mass %, 70 to 100 mass %, 90 to 100 mass %, 50 to 100 mol %, 70 to 100 mol %, and 90 to 100 mol %.
本発明の電解液には、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、公知の添加剤を配合してもよい。 The electrolytic solution of the present invention may contain known additives within the scope of the present invention.
本発明の電解液を備える二次電池を本発明の二次電池といい、本発明の電解液を備えるリチウムイオン二次電池を本発明のリチウムイオン二次電池という。以下、本発明の二次電池の代表例として、本発明のリチウムイオン二次電池についての説明を行う。 A secondary battery provided with the electrolytic solution of the present invention is referred to as a secondary battery of the present invention, and a lithium ion secondary battery provided with the electrolytic solution of the present invention is referred to as a lithium ion secondary battery of the present invention. The lithium-ion secondary battery of the present invention will be described below as a typical example of the secondary battery of the present invention.
本発明のリチウムイオン二次電池は、具体的には、本発明の電解液と、正極と、負極と、セパレータを備える。 The lithium-ion secondary battery of the present invention specifically includes the electrolytic solution of the present invention, a positive electrode, a negative electrode, and a separator.
正極は、集電体と集電体の表面に形成された正極活物質層とを具備する。 The positive electrode includes a current collector and a positive electrode active material layer formed on the surface of the current collector.
集電体は、リチウムイオン二次電池の放電又は充電の間、電極に電流を流し続けるための化学的に不活性な電子伝導体をいう。集電体の材料は、使用する活物質に適した電圧に耐え得る金属であれば特に制限はない。集電体の材料としては、銀、銅、金、アルミニウム、タングステン、コバルト、亜鉛、ニッケル、鉄、白金、錫、インジウム、チタン、ルテニウム、タンタル、クロム、モリブデンから選ばれる少なくとも一種、並びにステンレス鋼などの金属材料を例示することができる。集電体は公知の保護層で被覆されていても良い。集電体の表面を公知の方法で処理したものを集電体として用いても良い。 A current collector refers to a chemically inert electronic conductor for continuing current flow to an electrode during discharge or charge of a lithium ion secondary battery. The material of the current collector is not particularly limited as long as it is a metal that can withstand a voltage suitable for the active material used. The material of the current collector is at least one selected from silver, copper, gold, aluminum, tungsten, cobalt, zinc, nickel, iron, platinum, tin, indium, titanium, ruthenium, tantalum, chromium, molybdenum, and stainless steel. can be exemplified by metal materials such as The current collector may be covered with a known protective layer. A current collector whose surface has been treated by a known method may be used as the current collector.
集電体は箔、シート、フィルム、線状、棒状、メッシュなどの形態をとることができる。そのため、集電体として、例えば、銅箔、ニッケル箔、アルミニウム箔、ステンレス箔などの金属箔を好適に用いることができる。集電体が箔、シート、フィルム形態の場合は、その厚みが1μm~100μmの範囲内であることが好ましい。 The current collector can take the form of foil, sheet, film, wire, rod, mesh, and the like. Therefore, metal foils such as copper foil, nickel foil, aluminum foil, and stainless steel foil can be preferably used as the current collector. When the current collector is in the form of foil, sheet or film, the thickness is preferably in the range of 1 μm to 100 μm.
正極の電位をリチウム基準で4V以上とする場合には、正極用集電体としてアルミニウムを採用するのが好ましい。 When the potential of the positive electrode is 4 V or more based on lithium, it is preferable to employ aluminum as the current collector for the positive electrode.
具体的には、正極用集電体として、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるものを用いるのが好ましい。ここでアルミニウムは、純アルミニウムを指し、純度99.0%以上のアルミニウムを純アルミニウムと称する。純アルミニウムに種々の元素を添加して合金としたものをアルミニウム合金と称する。アルミニウム合金としては、Al-Cu系、Al-Mn系、Al-Fe系、Al-Si系、Al-Mg系、Al-Mg-Si系、Al-Zn-Mg系が挙げられる。 Specifically, it is preferable to use aluminum or an aluminum alloy as the positive electrode current collector. Here, aluminum refers to pure aluminum, and aluminum with a purity of 99.0% or more is called pure aluminum. An alloy obtained by adding various elements to pure aluminum is called an aluminum alloy. Aluminum alloys include Al--Cu, Al--Mn, Al--Fe, Al--Si, Al--Mg, Al--Mg--Si and Al--Zn--Mg.
また、アルミニウム又はアルミニウム合金として、具体的には、例えばJIS A1085、A1N30等のA1000系合金(純アルミニウム系)、JIS A3003、A3004等のA3000系合金(Al-Mn系)、JIS A8079、A8021等のA8000系合金(Al-Fe系)が挙げられる。 Further, as aluminum or aluminum alloy, specifically, for example, A1000 series alloys (pure aluminum series) such as JIS A1085 and A1N30, A3000 series alloys (Al--Mn series) such as JIS A3003 and A3004, JIS A8079, A8021 and the like. A8000 series alloy (Al--Fe series).
正極活物質層は、リチウムイオンを吸蔵及び放出し得る正極活物質、並びに必要に応じて結着剤及び導電助剤を含む。正極活物質層には、正極活物質が正極活物質層全体の質量に対して、60~99質量%で含まれるのが好ましく、70~95質量%で含まれるのがより好ましい。結着剤及び導電助剤としては、負極で説明するものを適宜適切な量で採用すればよい。 The positive electrode active material layer contains a positive electrode active material capable of intercalating and deintercalating lithium ions, and optionally a binder and a conductive aid. The positive electrode active material layer preferably contains 60 to 99% by mass, more preferably 70 to 95% by mass, of the positive electrode active material with respect to the total mass of the positive electrode active material layer. As the binder and conductive aid, those described for the negative electrode may be used in appropriate amounts.
正極活物質としては、層状岩塩構造の一般式:LiaNibCocMdDeOf(MはMn及びAlから選択される。DはW、Mo、Re、Pd、Ba、Cr、B、Sb、Sr、Pb、Ga、Nb、Mg、Ta、Ti、La、Zr、Cu、Ca、Ir、Hf、Rh、Fe、Ge、Zn、Ru、Sc、Sn、In、Y、Bi、S、Si、Na、K、P、Vから選ばれる少なくとも1の元素である。a、b、c、d、e、fは0.2≦a≦2、b+c+d+e=1、0≦e<1、1.7≦f≦3を満足する。)で表されるリチウム複合金属酸化物、Li2MnO3を挙げることができる。また、正極活物質として、LiMn2O4等のスピネル構造の金属酸化物、スピネル構造の金属酸化物と層状化合物の混合物で構成される固溶体、LiMPO4、LiMVO4又はLi2MSiO4(式中のMはCo、Ni、Mn、Feのうちの少なくとも一種から選択される)などで表されるポリアニオン系化合物を挙げることができる。さらに、正極活物質として、LiFePO4FなどのLiMPO4F(Mは遷移金属)で表されるタボライト系化合物、LiFeBO3などのLiMBO3(Mは遷移金属)で表されるボレート系化合物を挙げることができる。正極活物質として用いられるいずれの金属酸化物も上記の組成式を基本組成とすればよく、基本組成に含まれる金属元素を他の金属元素で置換したものも使用可能である。また、正極活物質として、リチウムイオンを含まないものを用いても良い。例えば、硫黄単体、硫黄と炭素を複合化した化合物、TiS2などの金属硫化物、V2O5、MnO2などの酸化物、ポリアニリン及びアントラキノン並びにこれら芳香族を化学構造に含む化合物、共役二酢酸系有機物などの共役系材料、その他公知の材料を用いることもできる。さらに、ニトロキシド、ニトロニルニトロキシド、ガルビノキシル、フェノキシルなどの安定なラジカルを有する化合物を正極活物質として採用してもよい。リチウムイオンを含まない正極活物質材料を用いる場合には、正極及び/又は負極に、公知の方法により、予めリチウムを添加しておくのが好ましい。 As the positive electrode active material, a general formula of layered rock salt structure : LiaNibCocMdDeOf ( M is selected from Mn and Al, D is W, Mo, Re, Pd, Ba, Cr, B, Sb, Sr, Pb, Ga, Nb, Mg, Ta, Ti, La, Zr, Cu, Ca, Ir, Hf, Rh, Fe, Ge, Zn, Ru, Sc, Sn, In, Y, Bi, at least one element selected from S, Si, Na, K, P, and V. a, b, c, d, e, and f are 0.2≦a≦2, b+c+d+e=1, 0≦e<1 , 1.7≦f≦3.) and Li 2 MnO 3 . Further, as the positive electrode active material, a spinel-structured metal oxide such as LiMn 2 O 4 , a solid solution composed of a mixture of a spinel-structured metal oxide and a layered compound, LiMPO 4 , LiMVO 4 or Li 2 MSiO 4 (in the formula is selected from at least one of Co, Ni, Mn and Fe). Furthermore, examples of the positive electrode active material include taborite compounds represented by LiMPO 4 F (M is a transition metal) such as LiFePO 4 F, and borate compounds represented by LiMBO 3 (M is a transition metal) such as LiFeBO 3 . be able to. Any metal oxide used as a positive electrode active material may have the above compositional formula as a basic composition, and those in which the metal elements contained in the basic composition are replaced with other metal elements can also be used. Moreover, you may use the thing which does not contain a lithium ion as a positive electrode active material. Examples include elemental sulfur, compounds of sulfur and carbon, metal sulfides such as TiS2 , oxides such as V2O5 and MnO2 , polyaniline and anthraquinone, and compounds containing these aromatics in their chemical structures. Conjugated materials such as acetic acid-based organic substances and other known materials can also be used. Furthermore, compounds having stable radicals such as nitroxide, nitronyl nitroxide, galvinoxyl, and phenoxyl may be employed as positive electrode active materials. When using a positive electrode active material that does not contain lithium ions, it is preferable to previously add lithium to the positive electrode and/or the negative electrode by a known method.
高容量及び耐久性などに優れる点から、正極活物質として、層状岩塩構造の一般式:LiaNibCocMdDeOf(MはMn及びAlから選択される。DはW、Mo、Re、Pd、Ba、Cr、B、Sb、Sr、Pb、Ga、Nb、Mg、Ta、Ti、La、Zr、Cu、Ca、Ir、Hf、Rh、Fe、Ge、Zn、Ru、Sc、Sn、In、Y、Bi、S、Si、Na、K、P、Vから選ばれる少なくとも1の元素である。a、b、c、d、e、fは0.2≦a≦2、b+c+d+e=1、0≦e<1、1.7≦f≦3を満足する。) で表されるリチウム複合金属酸化物を採用することが好ましい。 From the viewpoint of high capacity and excellent durability, the positive electrode active material has a layered rock salt structure with a general formula: Li a Ni b Co c M d De Of (M is selected from Mn and Al. D is W, Mo, Re, Pd, Ba, Cr, B, Sb, Sr, Pb, Ga, Nb, Mg, Ta, Ti, La, Zr, Cu, Ca, Ir, Hf, Rh, Fe, Ge, Zn, Ru, at least one element selected from Sc, Sn, In, Y, Bi, S, Si, Na, K, P, and V. a, b, c, d, e, and f are 0.2≦a≦2 , b+c+d+e=1, 0≦e<1, and 1.7≦f≦3.).
上記一般式において、b、c、dの値は、上記条件を満足するものであれば特に制限はないが、0<b<1、0<c<1、0<d<1であるものが良く、また、b、c、dの少なくともいずれか一つが0.1≦b≦0.95、0.01≦c≦0.5、0.01≦d≦0.5の範囲であることが好ましく、0.3≦b≦0.9、0.03≦c≦0.3、0.03≦d≦0.3の範囲であることがより好ましく、0.5≦b≦0.9、0.05≦c≦0.2、0.05≦d≦0.2の範囲であることがさらに好ましい。 In the above general formula, the values of b, c, and d are not particularly limited as long as they satisfy the above conditions. Also, at least one of b, c, and d should be in the range of 0.1 ≤ b ≤ 0.95, 0.01 ≤ c ≤ 0.5, and 0.01 ≤ d ≤ 0.5. preferably 0.3≤b≤0.9, 0.03≤c≤0.3, more preferably 0.03≤d≤0.3, 0.5≤b≤0.9, More preferably, the ranges are 0.05≦c≦0.2 and 0.05≦d≦0.2.
a、e、fについては、上記一般式で規定する範囲内の数値であればよく、好ましくは0.5≦a≦1.5、0≦e<0.2、1.8≦f≦2.5、より好ましくは0.8≦a≦1.3、0≦e<0.1、1.9≦f≦2.1をそれぞれ例示することができる。 The values of a, e, and f may be within the ranges defined by the above general formulas, preferably 0.5≤a≤1.5, 0≤e<0.2, 1.8≤f≤2. .5, more preferably 0.8≦a≦1.3, 0≦e<0.1, and 1.9≦f≦2.1.
高容量及び耐久性などに優れる点から、正極活物質として、スピネル構造のLixMn2―yAyO4(Aは、Ca、Mg、S、Si、Na、K、Al、P、Ga、Geから選ばれる少なくとも1の元素、及び、Niなどの遷移金属元素から選ばれる少なくとも1種の金属元素から選択される。0<x≦2.2、0≦y≦1)を例示できる。xの値の範囲としては、0.5≦x≦1.8、0.7≦x≦1.5、0.9≦x≦1.2を例示でき、yの値の範囲としては、0≦y≦0.8、0≦y≦0.6を例示できる。具体的なスピネル構造の化合物として、LiMn2O4、LiMn1.5Ni0.5O4を例示できる。 Li x Mn 2-y A y O 4 (A is Ca, Mg, S, Si, Na, K, Al, P, Ga , Ge, and at least one metal element selected from transition metal elements such as Ni, 0<x≦2.2, 0≦y≦1). Examples of the range of values of x are 0.5≦x≦1.8, 0.7≦x≦1.5, and 0.9≦x≦1.2, and the range of values of y is 0. ≤y≤0.8 and 0≤y≤0.6 can be exemplified. Specific spinel structure compounds include LiMn 2 O 4 and LiMn 1.5 Ni 0.5 O 4 .
具体的な正極活物質として、LiFePO4、Li2FeSiO4、LiCoPO4、Li2CoPO4、Li2MnPO4、Li2MnSiO4、Li2CoPO4Fを例示できる。他の具体的な正極活物質として、Li2MnO3-LiCoO2を例示できる。 LiFePO4 , Li2FeSiO4 , LiCoPO4 , Li2CoPO4 , Li2MnPO4 , Li2MnSiO4 , and Li2CoPO4F can be exemplified as specific positive electrode active materials. Another specific positive electrode active material is Li 2 MnO 3 —LiCoO 2 .
後述する評価例4などの結果からみて、正極活物質としては、リチウム基準で4V以上の電位にて充放電を行うものであるのが好ましい。そのような正極活物質として、上記の層状岩塩構造の一般式:LiaNibCocMdDeOfで表されるリチウム複合金属酸化物、スピネル構造のLixMn2―yAyO4などを例示できる。 In view of the results of Evaluation Example 4, which will be described later, it is preferable that the positive electrode active material is charged and discharged at a potential of 4 V or higher with respect to lithium. As such a positive electrode active material, the lithium mixed metal oxide represented by the general formula of the layered rock salt structure : LiaNibCocMdDeOf , LixMn2 - yAy with a spinel structure , O 4 and the like can be exemplified.
負極は、集電体と集電体の表面に形成された負極活物質層とを具備する。
集電体としては、正極で説明したものを適宜適切に採用すればよい。
The negative electrode includes a current collector and a negative electrode active material layer formed on the surface of the current collector.
As the current collector, the one described for the positive electrode may be appropriately employed.
負極活物質層は、リチウムイオンを吸蔵及び放出し得る負極活物質、並びに必要に応じて結着剤及び導電助剤を含む。 The negative electrode active material layer contains a negative electrode active material capable of intercalating and deintercalating lithium ions, and optionally a binder and a conductive aid.
負極活物質としては、リチウムイオン二次電池に使用可能なものを採用すればよい。後述する評価例1の結果で示された6員環の環状エーテルの還元条件下での好適な耐久性を鑑みると、好適な負極活物質として、黒鉛やSi含有負極活物質を例示できる。 As the negative electrode active material, a material that can be used in a lithium ion secondary battery may be adopted. In view of the favorable durability under reducing conditions of the six-membered cyclic ether shown in the results of Evaluation Example 1 described later, graphite and Si-containing negative electrode active materials can be exemplified as suitable negative electrode active materials.
Si含有負極活物質としては、リチウムイオンを吸蔵及び放出し得るSi含有材料が使用可能である。 As the Si-containing negative electrode active material, a Si-containing material capable of intercalating and deintercalating lithium ions can be used.
Si含有材料の具体例として、Si単体や、SiOx(0.3≦x≦1.6)を例示できる。SiOxのxが下限値未満であると、Siの比率が過大になるため、充放電時の体積変化が大きくなりすぎてリチウムイオン二次電池のサイクル特性が低下する場合がある。一方、xが上限値を超えると、Si比率が過小になってエネルギー密度が低下する。xの範囲は0.5≦x≦1.5であるのがより好ましく、0.7≦x≦1.2であるのがさらに好ましい。 Specific examples of the Si-containing material include simple Si and SiO x (0.3≦x≦1.6). When x in SiO 2 x is less than the lower limit, the ratio of Si becomes excessive, so that the volume change during charging and discharging becomes too large, and the cycle characteristics of the lithium ion secondary battery may deteriorate. On the other hand, if x exceeds the upper limit, the Si ratio becomes too small and the energy density decreases. The range of x is more preferably 0.5≤x≤1.5, more preferably 0.7≤x≤1.2.
Si含有材料の具体例として、国際公開第2014/080608号などに開示されるシリコン材料(以下、単に「シリコン材料」という。)を挙げることができる。 Specific examples of Si-containing materials include silicon materials (hereinafter simply referred to as “silicon materials”) disclosed in International Publication No. 2014/080608 and the like.
シリコン材料は、複数枚の板状シリコン体が厚さ方向に積層されてなる構造を有するものである。シリコン材料は、例えば、CaSi2と酸とを反応させてポリシランを主成分とする層状シリコン化合物を合成する工程、さらに、当該層状シリコン化合物を300℃以上で加熱して水素を離脱させる工程を経て製造されるものである。 The silicon material has a structure in which a plurality of plate-like silicon bodies are laminated in the thickness direction. The silicon material is prepared, for example, by reacting CaSi 2 with an acid to synthesize a layered silicon compound containing polysilane as a main component, and further by heating the layered silicon compound at 300° C. or higher to release hydrogen. It is manufactured.
シリコン材料の製造方法を、酸として塩化水素を用いた場合の理想的な反応式で示すと以下のとおりとなる。
3CaSi2+6HCl → Si6H6+3CaCl2
Si6H6 → 6Si+3H2↑
The method for producing a silicon material is represented by an ideal reaction formula using hydrogen chloride as an acid as follows.
3CaSi2 + 6HCl→ Si6H6 + 3CaCl2
Si 6 H 6 → 6Si+3H 2 ↑
ただし、ポリシランであるSi6H6を合成する上段の反応では、副生物や不純物除去の観点から、通常、反応溶媒として水が用いられる。そして、Si6H6は水と反応し得るため、上段の反応を含む層状シリコン化合物を合成する工程において、層状シリコン化合物がSi6H6のみを含むものとして製造されることはほとんどなく、層状シリコン化合物はSi6Hs(OH)tXu(Xは酸のアニオン由来の元素若しくは基、s+t+u=6、0<s<6、0<t<6、0<u<6)で表されるものとして製造される。なお、上記の化学式においては、残存し得るCaなどの不可避不純物については、考慮していない。そして、当該層状シリコン化合物を加熱して得られるシリコン材料も、酸素や酸のアニオン由来の元素を含む。 However, in the upper reaction for synthesizing polysilane Si 6 H 6 , water is usually used as a reaction solvent from the viewpoint of removing by-products and impurities. In addition, since Si 6 H 6 can react with water, in the process of synthesizing the layered silicon compound including the reaction in the upper stage, the layered silicon compound is rarely produced as containing only Si 6 H 6 . The silicon compound is represented by Si 6 H s (OH) t X u (X is an element or group derived from an acid anion, s+t+u=6, 0<s<6, 0<t<6, 0<u<6). manufactured as In the above chemical formula, unavoidable impurities such as Ca that may remain are not taken into consideration. A silicon material obtained by heating the layered silicon compound also contains elements derived from oxygen and acid anions.
既述のとおり、シリコン材料は、複数枚の板状シリコン体が厚さ方向に積層されてなる構造を有する。リチウムイオンが効率的に吸蔵及び放出されるためには、板状シリコン体は厚さが10nm~100nmの範囲内のものが好ましく、20nm~50nmの範囲内のものがより好ましい。板状シリコン体の長手方向の長さは、0.1μm~50μmの範囲内のものが好ましい。また、板状シリコン体は、(長手方向の長さ)/(厚さ)が2~1000の範囲内であるのが好ましい。板状シリコン体の積層構造は走査型電子顕微鏡などによる観察で確認できる。また、この積層構造は、原料のCaSi2におけるSi層の名残りであると考えられる。 As described above, the silicon material has a structure in which a plurality of plate-like silicon bodies are laminated in the thickness direction. For efficient absorption and release of lithium ions, the thickness of the plate-shaped silicon body is preferably in the range of 10 nm to 100 nm, more preferably in the range of 20 nm to 50 nm. The longitudinal length of the plate-shaped silicon body is preferably within the range of 0.1 μm to 50 μm. In addition, it is preferable that (longitudinal length)/(thickness) of the plate-like silicon body is within the range of 2 to 1,000. The lamination structure of the plate-shaped silicon bodies can be confirmed by observation with a scanning electron microscope or the like. It is also believed that this layered structure is a remnant of the Si layer in the CaSi 2 raw material.
シリコン材料には、アモルファスシリコン及び/又はシリコン結晶子が含まれるのが好ましい。特に、上記板状シリコン体において、アモルファスシリコンをマトリックスとし、シリコン結晶子が当該マトリックス中に点在している状態が好ましい。シリコン結晶子のサイズは、0.5nm~300nmの範囲内が好ましく、1nm~100nmの範囲内がより好ましく、1nm~50nmの範囲内がさらに好ましく、1nm~10nmの範囲内が特に好ましい。なお、シリコン結晶子のサイズは、シリコン材料に対してX線回折測定を行い、得られたX線回折チャートのSi(111)面の回折ピークの半値幅を用いたシェラーの式から算出される。 Preferably, the silicon material includes amorphous silicon and/or silicon crystallites. In particular, in the plate-like silicon body, a state in which amorphous silicon is used as a matrix and silicon crystallites are scattered in the matrix is preferable. The size of the silicon crystallites is preferably in the range of 0.5 nm to 300 nm, more preferably in the range of 1 nm to 100 nm, even more preferably in the range of 1 nm to 50 nm, and particularly preferably in the range of 1 nm to 10 nm. The size of the silicon crystallite is calculated from Scherrer's formula using the half width of the diffraction peak of the Si (111) plane of the X-ray diffraction chart obtained by performing X-ray diffraction measurement on the silicon material. .
シリコン材料に含まれる板状シリコン体、アモルファスシリコン及びシリコン結晶子の存在量や大きさは、主に加熱温度や加熱時間に左右される。加熱温度は、350℃~950℃の範囲内が好ましく、400℃~900℃の範囲内がより好ましい。 The amount and size of the plate-shaped silicon bodies, amorphous silicon and silicon crystallites contained in the silicon material are mainly affected by the heating temperature and heating time. The heating temperature is preferably within the range of 350°C to 950°C, more preferably within the range of 400°C to 900°C.
Si含有負極活物質は、粒子の集合体である粉末状のものが好ましい。Si含有負極活物質の平均粒子径は、1~30μmの範囲内が好ましく、2~20μmの範囲内がより好ましい。平均粒子径が小さすぎるSi含有負極活物質を用いると、製造作業が困難になる場合がある。他方、平均粒子径が大きすぎるSi含有負極活物質を用いた負極を具備するリチウムイオン二次電池は、好適な充放電ができない場合がある。
なお、本明細書における平均粒子径とは、一般的なレーザー回折式粒度分布測定装置で試料を測定した場合におけるD50を意味する。
The Si-containing negative electrode active material is preferably in the form of powder, which is an aggregate of particles. The average particle size of the Si-containing negative electrode active material is preferably in the range of 1-30 μm, more preferably in the range of 2-20 μm. If a Si-containing negative electrode active material with too small an average particle size is used, the manufacturing operation may become difficult. On the other hand, a lithium ion secondary battery having a negative electrode using a Si-containing negative electrode active material with an excessively large average particle size may not be able to be charged and discharged appropriately.
The average particle size in this specification means D50 when a sample is measured with a general laser diffraction particle size distribution analyzer.
Si含有負極活物質として、Si含有負極活物質を炭素層で被覆した炭素層被覆-Si含有負極活物質を採用してもよい。炭素層被覆-Si含有負極活物質は、炭素層とSi含有負極活物質とが一体化しているものが好ましい。そのような炭素層被覆-Si含有負極活物質の製造方法としては、Si含有負極活物質及び炭素粉末の混合物に対して、強い圧力を付した上で撹拌して一体化するメカニカルミリング法や、炭素源から生じる炭素をSi含有負極活物質に蒸着させるCVD(chemical vapor deposition)法を例示できる。 As the Si-containing negative electrode active material, a carbon layer-coated Si-containing negative electrode active material obtained by coating the Si-containing negative electrode active material with a carbon layer may be employed. The carbon layer-coated-Si-containing negative electrode active material is preferably one in which the carbon layer and the Si-containing negative electrode active material are integrated. As a method for producing such a carbon layer-coated Si-containing negative electrode active material, there is a mechanical milling method in which a mixture of a Si-containing negative electrode active material and carbon powder is stirred and integrated after applying strong pressure, A CVD (chemical vapor deposition) method in which carbon generated from a carbon source is deposited on a Si-containing negative electrode active material can be exemplified.
Si含有負極活物質の表面を薄い炭素層で均一に被覆できる点から、CVD法が好ましい。そして、CVD法のうち、炭素源である気体状態の有機物を熱で分解して炭素を発生させる熱CVD法が好ましい。 The CVD method is preferable because the surface of the Si-containing negative electrode active material can be uniformly coated with a thin carbon layer. Of the CVD methods, a thermal CVD method is preferred in which gaseous organic matter, which is a carbon source, is thermally decomposed to generate carbon.
熱CVD法を用いて炭素層被覆-Si含有負極活物質を製造する、熱CVD工程について具体的に説明する。詳細に述べると、熱CVD工程は、非酸化性雰囲気下及び加熱条件下にて、Si含有負極活物質を有機物と接触させて、Si含有負極活物質の表面に有機物が炭素化してなる炭素層を形成させる工程である。熱CVD工程を行う場合には、ホットウォール型、コールドウォール型、横型、縦型などの型式の、流動層反応炉、回転炉、トンネル炉、バッチ式焼成炉、ロータリーキルンなどの公知のCVD装置を用いればよい。 A thermal CVD process for producing a carbon layer-coated Si-containing negative electrode active material using a thermal CVD method will be specifically described. Specifically, in the thermal CVD process, the Si-containing negative electrode active material is brought into contact with an organic substance under a non-oxidizing atmosphere and under heating conditions, and a carbon layer formed by carbonizing the organic substance on the surface of the Si-containing negative electrode active material. It is a step of forming When performing a thermal CVD process, a known CVD apparatus such as a hot wall type, cold wall type, horizontal type, vertical type, fluidized bed reactor, rotary furnace, tunnel furnace, batch firing furnace, rotary kiln, etc. is used. You can use it.
有機物としては、非酸化性雰囲気下での加熱によって熱分解して炭化し得るものが用いられ、例えば、メタン、エタン、プロパン、ブタン、イソブタン、ペンタン、ヘキサンなどの飽和脂肪族炭化水素、エチレン、プロピレン、アセチレンなどの不飽和脂肪族炭化水素、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノールなどのアルコール類、ベンゼン、トルエン、キシレン、スチレン、エチルベンゼン、ジフェニルメタン、ナフタレン、フェノール、クレゾール、ニトロベンゼン、クロルベンゼン、インデン、ベンゾフラン、ピリジンなどの芳香族炭化水素、酢酸エチル、酢酸ブチル、酢酸アミルなどのエステル類、脂肪酸類などから選択される一種又は混合物が挙げられる。 As the organic matter, those that can be thermally decomposed and carbonized by heating in a non-oxidizing atmosphere are used. Examples include saturated aliphatic hydrocarbons such as methane, ethane, propane, butane, isobutane, pentane, hexane, ethylene, Unsaturated aliphatic hydrocarbons such as propylene and acetylene, alcohols such as methanol, ethanol, propanol, and butanol, benzene, toluene, xylene, styrene, ethylbenzene, diphenylmethane, naphthalene, phenol, cresol, nitrobenzene, chlorobenzene, indene, and benzofuran. , aromatic hydrocarbons such as pyridine, esters such as ethyl acetate, butyl acetate, and amyl acetate, fatty acids, and the like, or a mixture thereof.
熱CVD工程における処理温度は、有機物の種類によって異なるが、有機物が熱分解する温度より50℃以上高い温度とすることが望ましい。しかし、加熱温度が過度に高いと、系内に遊離炭素(煤)が発生する場合があるので、遊離炭素(煤)が発生しない条件を選択することが好ましい。形成される炭素層の厚さは、処理時間によって制御することができる。 The processing temperature in the thermal CVD process varies depending on the type of organic substance, but is preferably 50° C. or more higher than the temperature at which the organic substance thermally decomposes. However, if the heating temperature is excessively high, free carbon (soot) may be generated in the system, so it is preferable to select conditions that do not generate free carbon (soot). The thickness of the carbon layer formed can be controlled by the treatment time.
熱CVD工程は、Si含有負極活物質を流動状態にして行うことが望ましい。このようにすることで、Si含有負極活物質の全表面を有機物と接触させることができ、より均一な炭素層を形成することができる。Si含有負極活物質を流動状態にするには、流動床を用いるなど各種方法があるが、Si含有負極活物質を撹拌しながら有機物と接触させるのが好ましい。例えば、内部に邪魔板をもつ回転炉を用いれば、邪魔板に留まったSi含有負極活物質が回転炉の回転に伴って所定高さから落下することで撹拌され、その際に有機物と接触して炭素層が形成されるので、Si含有負極活物質の全体にいっそう均一な炭素層を形成することができる。 The thermal CVD process is desirably performed while the Si-containing negative electrode active material is in a fluid state. By doing so, the entire surface of the Si-containing negative electrode active material can be brought into contact with the organic matter, and a more uniform carbon layer can be formed. There are various methods for making the Si-containing negative electrode active material fluid, such as using a fluidized bed, but it is preferable to bring the Si-containing negative electrode active material into contact with the organic substance while stirring. For example, if a rotary furnace with a baffle inside is used, the Si-containing negative electrode active material remaining on the baffle is stirred by falling from a predetermined height as the rotary furnace rotates, and at that time comes into contact with the organic matter. Since the carbon layer is formed in the Si-containing negative electrode active material, a more uniform carbon layer can be formed over the entire Si-containing negative electrode active material.
炭素層被覆-Si含有負極活物質の炭素層は非晶質及び/又は結晶質であり、そして、当該炭素層はSi含有負極活物質粒子の表面全体を被覆しているのが好ましい。炭素層の厚みは、1nm~100nmの範囲内が好ましく、5~50nmの範囲内がより好ましく、10~30nmの範囲内がさらに好ましい。 Carbon layer coating--The carbon layer of the Si-containing negative electrode active material is amorphous and/or crystalline, and the carbon layer preferably covers the entire surface of the Si-containing negative electrode active material particles. The thickness of the carbon layer is preferably in the range of 1 nm to 100 nm, more preferably in the range of 5 to 50 nm, and even more preferably in the range of 10 to 30 nm.
負極活物質層には、負極活物質が負極活物質層全体の質量に対して、60~99質量%で含まれるのが好ましく、70~95質量%で含まれるのがより好ましい。 The negative electrode active material layer preferably contains 60 to 99% by mass, more preferably 70 to 95% by mass, of the negative electrode active material with respect to the total mass of the negative electrode active material layer.
結着剤としては、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、フッ素ゴム等の含フッ素樹脂、ポリプロピレン、ポリエチレン等の熱可塑性樹脂、ポリイミド、ポリアミドイミド等のイミド系樹脂、アルコキシシリル基含有樹脂、カルボキシメチルセルロース、スチレンブタジエンゴムなどの公知のものを採用すればよい。 Binders include fluorine-containing resins such as polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, and fluororubber, thermoplastic resins such as polypropylene and polyethylene, imide resins such as polyimide and polyamideimide, alkoxysilyl group-containing resins, and carboxymethyl cellulose. , styrene-butadiene rubber, etc. may be employed.
また、国際公開第2016/063882号に開示される、ポリアクリル酸やポリメタクリル酸などのカルボキシル基含有ポリマーをジアミンなどのポリアミンで架橋した架橋ポリマーを、結着剤として用いてもよい。 Also, a crosslinked polymer obtained by crosslinking a carboxyl group-containing polymer such as polyacrylic acid or polymethacrylic acid with a polyamine such as diamine disclosed in International Publication No. 2016/063882 may be used as a binder.
架橋ポリマーに用いられるジアミンとしては、エチレンジアミン、プロピレンジアミン、ヘキサメチレンジアミン等のアルキレンジアミン、1,4-ジアミノシクロヘキサン、1,3-ジアミノシクロヘキサン、イソホロンジアミン、ビス(4-アミノシクロヘキシル)メタン等の含飽和炭素環ジアミン、m-フェニレンジアミン、p-フェニレンジアミン、4,4’-ジアミノジフェニルメタン、4,4’-ジアミノジフェニルエーテル、ビス(4-アミノフェニル)スルホン、ベンジジン、o-トリジン、2,4-トリレンジアミン、2,6-トリレンジアミン、キシリレンジアミン、ナフタレンジアミン等の芳香族ジアミンが挙げられる。 Diamines used in the crosslinked polymer include alkylenediamines such as ethylenediamine, propylenediamine and hexamethylenediamine, 1,4-diaminocyclohexane, 1,3-diaminocyclohexane, isophoronediamine, bis(4-aminocyclohexyl)methane and the like. saturated carbocyclic diamine, m-phenylenediamine, p-phenylenediamine, 4,4'-diaminodiphenylmethane, 4,4'-diaminodiphenyl ether, bis(4-aminophenyl)sulfone, benzidine, o-tolidine, 2,4- Aromatic diamines such as tolylenediamine, 2,6-tolylenediamine, xylylenediamine and naphthalenediamine are included.
負極活物質層中の結着剤の配合割合は、質量比で、負極活物質:結着剤=1:0.005~1:0.3であるのが好ましい。結着剤が少なすぎると電極の成形性が低下し、また、結着剤が多すぎると電極のエネルギー密度が低くなるためである。 The mixing ratio of the binder in the negative electrode active material layer is preferably negative electrode active material:binder=1:0.005 to 1:0.3 in mass ratio. This is because if the amount of the binder is too small, the formability of the electrode will deteriorate, and if the amount of the binder is too large, the energy density of the electrode will be low.
導電助剤は、電極の導電性を高めるために添加される。そのため、導電助剤は、電極の導電性が不足する場合に任意に加えればよく、電極の導電性が十分に優れている場合には加えなくても良い。導電助剤としては化学的に不活性な電子高伝導体であれば良く、炭素質微粒子であるカーボンブラック、黒鉛、気相法炭素繊維(Vapor Grown Carbon Fiber)、および各種金属粒子などが例示される。カーボンブラックとしては、アセチレンブラック、ケッチェンブラック(登録商標)、ファーネスブラック、チャンネルブラックなどが例示される。これらの導電助剤を単独又は二種以上組み合わせて活物質層に添加することができる。 A conductive aid is added to increase the conductivity of the electrode. Therefore, the conductive aid may be added arbitrarily when the conductivity of the electrode is insufficient, and may not be added when the conductivity of the electrode is sufficiently excellent. The conductive aid may be a chemically inert high electron conductor, and examples include carbon black, graphite, vapor grown carbon fiber, and various metal particles, which are carbonaceous fine particles. be. Examples of carbon black include acetylene black, Ketjenblack (registered trademark), furnace black, and channel black. These conductive aids can be added to the active material layer singly or in combination of two or more.
負極活物質層中の導電助剤の配合割合は、質量比で、負極活物質:導電助剤=1:0.01~1:0.5であるのが好ましい。導電助剤が少なすぎると効率のよい導電パスを形成できず、また、導電助剤が多すぎると活物質層の成形性が悪くなるとともに電極のエネルギー密度が低くなるためである。 The mixing ratio of the conductive aid in the negative electrode active material layer is preferably negative electrode active material:conductive aid=1:0.01 to 1:0.5 in mass ratio. This is because if the amount of the conductive aid is too small, an efficient conductive path cannot be formed, and if the amount of the conductive aid is too large, the formability of the active material layer is deteriorated and the energy density of the electrode is lowered.
集電体の表面に正極活物質層又は負極活物質層を形成させるには、ロールコート法、ダイコート法、ディップコート法、ドクターブレード法、スプレーコート法、カーテンコート法などの従来から公知の方法を用いて、集電体の表面に正極活物質又は負極活物質を塗布すればよい。具体的には、正極活物質又は負極活物質、結着剤、溶剤、並びに必要に応じて導電助剤を混合してスラリーにしてから、当該スラリーを集電体の表面に塗布後、乾燥する。溶剤としては、N-メチル-2-ピロリドン、メタノール、メチルイソブチルケトン、水を例示できる。電極密度を高めるべく、乾燥後のものを圧縮しても良い。 Conventionally known methods such as a roll coating method, a die coating method, a dip coating method, a doctor blade method, a spray coating method, and a curtain coating method are used to form the positive electrode active material layer or the negative electrode active material layer on the surface of the current collector. can be used to apply the positive electrode active material or the negative electrode active material to the surface of the current collector. Specifically, a positive electrode active material or negative electrode active material, a binder, a solvent, and, if necessary, a conductive aid are mixed to form a slurry, which is then applied to the surface of a current collector and then dried. . Examples of solvents include N-methyl-2-pyrrolidone, methanol, methyl isobutyl ketone, and water. In order to increase the electrode density, it may be compressed after drying.
セパレータは、正極と負極とを隔離し、両極の接触による短絡を防止しつつ、リチウムイオンを通過させるものである。セパレータとしては、公知のものを採用すればよく、ポリテトラフルオロエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリイミド、ポリアミド、ポリアラミド(Aromatic polyamide)、ポリエステル、ポリアクリロニトリル等の合成樹脂、セルロース、アミロース等の多糖類、フィブロイン、ケラチン、リグニン、スベリン等の天然高分子、セラミックスなどの電気絶縁性材料を1種若しくは複数用いた多孔体、不織布、織布などを挙げることができる。また、セパレータは多層構造としてもよい。 The separator separates the positive electrode from the negative electrode and allows lithium ions to pass through while preventing short circuits due to contact between the two electrodes. As the separator, a known one may be adopted, and synthetic resins such as polytetrafluoroethylene, polypropylene, polyethylene, polyimide, polyamide, polyaramid (aromatic polyamide), polyester, polyacrylonitrile, polysaccharides such as cellulose and amylose, and fibroin. , natural polymers such as keratin, lignin and suberin, and porous bodies, non-woven fabrics, and woven fabrics using one or a plurality of electrically insulating materials such as ceramics. Also, the separator may have a multilayer structure.
本発明のリチウムイオン二次電池の具体的な製造方法について述べる。
例えば、正極と負極とでセパレータを挟持して電極体とする。電極体は、正極、セパレータ及び負極を重ねた積層型、又は、正極、セパレータ及び負極の積層体を捲いた捲回型のいずれの型にしても良い。正極の集電体および負極の集電体から外部に通ずる正極端子および負極端子までを、集電用リード等を用いて接続した後に、電極体に本発明の電解液を加えてリチウムイオン二次電池とするとよい。
A specific method for manufacturing the lithium ion secondary battery of the present invention will be described.
For example, an electrode body is formed by sandwiching a separator between a positive electrode and a negative electrode. The electrode body may be of either a laminated type in which a positive electrode, a separator and a negative electrode are laminated, or a wound type in which a laminated body of a positive electrode, a separator and a negative electrode is wound. After connecting the current collector of the positive electrode and the current collector of the negative electrode to the positive electrode terminal and the negative electrode terminal leading to the outside using a current collecting lead or the like, the electrolyte solution of the present invention is added to the electrode body to form a lithium ion secondary. A battery may be used.
本発明のリチウムイオン二次電池の形状は特に限定されるものでなく、円筒型、角型、コイン型、ラミネート型等、種々の形状を採用することができる。 The shape of the lithium-ion secondary battery of the present invention is not particularly limited, and various shapes such as cylindrical, square, coin-shaped, and laminate-shaped can be employed.
本発明のリチウムイオン二次電池は、高電位条件下での充放電に対する耐久性に優れる。よって、本発明のリチウムイオン二次電池は、高電位まで充電されるのが好ましい。ここでの高電位とは、リチウム基準で4V以上の電位を意味する。高電位の範囲としては、リチウム基準で4~5.5V、4.1~5V、4.15~4.8V、4.2~4.7Vを例示できる。 The lithium ion secondary battery of the present invention is excellent in durability against charging and discharging under high potential conditions. Therefore, the lithium ion secondary battery of the present invention is preferably charged to a high potential. A high potential here means a potential of 4 V or higher with respect to lithium. Examples of the high potential range include 4 to 5.5 V, 4.1 to 5 V, 4.15 to 4.8 V, and 4.2 to 4.7 V relative to lithium.
本発明のリチウムイオン二次電池は、車両に搭載してもよい。車両は、その動力源の全部あるいは一部にリチウムイオン二次電池による電気エネルギーを使用している車両であればよく、例えば、電気車両、ハイブリッド車両などであるとよい。車両にリチウムイオン二次電池を搭載する場合には、リチウムイオン二次電池を複数直列に接続して組電池とするとよい。リチウムイオン二次電池を搭載する機器としては、車両以外にも、パーソナルコンピュータ、携帯通信機器など、電池で駆動される各種の家電製品、オフィス機器、産業機器などが挙げられる。さらに、本発明のリチウムイオン二次電池は、風力発電、太陽光発電、水力発電その他電力系統の蓄電装置及び電力平滑化装置、船舶等の動力及び/又は補機類の電力供給源、航空機、宇宙船等の動力及び/又は補機類の電力供給源、電気を動力源に用いない車両の補助用電源、移動式の家庭用ロボットの電源、システムバックアップ用電源、無停電電源装置の電源、電動車両用充電ステーションなどにおいて充電に必要な電力を一時蓄える蓄電装置に用いてもよい。 The lithium ion secondary battery of the present invention may be mounted on a vehicle. The vehicle may be any vehicle that uses electrical energy from a lithium-ion secondary battery as a power source in whole or in part, and may be, for example, an electric vehicle or a hybrid vehicle. When a lithium ion secondary battery is mounted on a vehicle, it is preferable to connect a plurality of lithium ion secondary batteries in series to form an assembled battery. Devices equipped with lithium ion secondary batteries include, in addition to vehicles, personal computers, mobile communication devices, various home electric appliances driven by batteries, office equipment, industrial equipment, and the like. Furthermore, the lithium ion secondary battery of the present invention is used for wind power generation, solar power generation, hydraulic power generation, and other power storage devices and power smoothing devices for power systems, power sources for ships and/or auxiliary equipment, aircraft, power source for spacecraft and/or auxiliary equipment, auxiliary power source for vehicles that do not use electricity as a power source, power source for mobile home robots, power source for system backup, power source for uninterruptible power supply, It may be used as a power storage device that temporarily stores electric power required for charging in a charging station for an electric vehicle.
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲において、当業者が行い得る変更、改良等を施した種々の形態にて実施することができる。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above embodiments. Various modifications, improvements, etc. that can be made by those skilled in the art can be implemented without departing from the scope of the present invention.
以下に、実施例及び比較例などを示し、本発明をより具体的に説明する。なお、本発明は、これらの実施例によって限定されるものではない。 EXAMPLES The present invention will be described more specifically below with reference to examples, comparative examples, and the like. It should be noted that the present invention is not limited by these examples.
(参考例1)
4-メチルテトラヒドロピランにLiBF4を溶解して、LiBF4の濃度が1.5mol/Lである参考例1の電解液を製造した。
(Reference example 1)
LiBF 4 was dissolved in 4-methyltetrahydropyran to prepare an electrolytic solution of Reference Example 1 having a LiBF 4 concentration of 1.5 mol/L.
参考例1の電解液を用いて、参考例1のリチウムイオン二次電池を以下のとおり製造した。 Using the electrolytic solution of Reference Example 1, a lithium ion secondary battery of Reference Example 1 was manufactured as follows.
撹拌条件下の0℃の濃塩酸溶液に、CaSi2を加えて1時間反応させた。反応液に水を加え、濾過を行い、黄色の粉体を濾取した。黄色の粉体を水洗し、さらにエタノール洗浄した後に、減圧乾燥して、層状ポリシランを含有する層状シリコン化合物を得た。次いで、層状シリコン化合物をアルゴン雰囲気下、800℃で加熱して、水素を離脱させて、シリコン材料を製造した。プロパンガス雰囲気下、シリコン材料を880℃で加熱することで、炭素層被覆-Si含有負極活物質である炭素被覆シリコン材料を製造した。 CaSi 2 was added to a concentrated hydrochloric acid solution at 0° C. under stirring conditions and allowed to react for 1 hour. Water was added to the reaction solution and the mixture was filtered to collect a yellow powder. The yellow powder was washed with water, further washed with ethanol, and dried under reduced pressure to obtain a layered silicon compound containing a layered polysilane. Next, the layered silicon compound was heated at 800° C. in an argon atmosphere to desorb hydrogen to produce a silicon material. By heating the silicon material at 880° C. in a propane gas atmosphere, a carbon-coated silicon material, which is a carbon layer-coated-Si-containing negative electrode active material, was produced.
重量平均分子量80万のポリアクリル酸をN-メチル-2-ピロリドンに溶解して、ポリアクリル酸が10質量%で含有されるポリアクリル酸溶液を製造した。また、4,4’-ジアミノジフェニルメタン0.2g(1.0mmol)を0.4mLのN-メチル-2-ピロリドンに溶解して、4,4’-ジアミノジフェニルメタン溶液を製造した。撹拌条件下、ポリアクリル酸溶液7mL(アクリル酸モノマー換算で、9.5mmolに該当する。)に、4,4’-ジアミノジフェニルメタン溶液の全量を滴下して、得られた混合物を室温で30分間撹拌した。その後、ディーンスターク装置を用いて、混合物を130℃で3時間撹拌して脱水反応を進行させることで、結着剤溶液を製造した。 A polyacrylic acid solution containing 10% by weight of polyacrylic acid was prepared by dissolving polyacrylic acid having a weight average molecular weight of 800,000 in N-methyl-2-pyrrolidone. Also, 0.2 g (1.0 mmol) of 4,4'-diaminodiphenylmethane was dissolved in 0.4 mL of N-methyl-2-pyrrolidone to prepare a 4,4'-diaminodiphenylmethane solution. Under stirring conditions, the total amount of the 4,4′-diaminodiphenylmethane solution was added dropwise to 7 mL of the polyacrylic acid solution (corresponding to 9.5 mmol in terms of acrylic acid monomer), and the resulting mixture was allowed to stand at room temperature for 30 minutes. Stirred. Then, using a Dean-Stark apparatus, the mixture was stirred at 130° C. for 3 hours to allow the dehydration reaction to proceed, thereby producing a binder solution.
Si含有負極活物質として炭素被覆シリコン材料72.5質量部、導電助剤としてアセチレンブラック13.5質量部、結着剤として固形分が14質量部となる量の上記結着剤溶液、及び、適量のN-メチル-2-ピロリドンを混合して、スラリーを製造した。負極用集電体として厚み10μmの銅箔を準備した。この銅箔の表面に、ドクターブレードを用いて、上記スラリーを膜状に塗布した。スラリーが塗布された銅箔を80℃、15分間乾燥することで、N-メチル-2-ピロリドンを除去した。その後、プレスすることで、厚み25μmの負極活物質層が形成された負極を製造した。 72.5 parts by mass of a carbon-coated silicon material as a Si-containing negative electrode active material, 13.5 parts by mass of acetylene black as a conductive aid, the binder solution in an amount such that the solid content is 14 parts by mass as a binder, and A suitable amount of N-methyl-2-pyrrolidone was mixed to prepare a slurry. A copper foil having a thickness of 10 μm was prepared as a negative electrode current collector. A doctor blade was used to apply the slurry to the surface of this copper foil in the form of a film. The copper foil coated with the slurry was dried at 80° C. for 15 minutes to remove N-methyl-2-pyrrolidone. Then, by pressing, a negative electrode having a negative electrode active material layer with a thickness of 25 μm was manufactured.
負極を径11mmに裁断し、評価極とした。厚さ500μmの金属リチウム箔を径13mmに裁断し対極とした。セパレータとしてガラスフィルター(ヘキストセラニーズ社)及び単層ポリプロピレンであるcelgard2400(ポリポア株式会社)を準備した。対極、ガラスフィルター、celgard2400、評価極の順に、2種のセパレータを対極と評価極で挟持し電極体とした。この電極体をコイン型電池ケースCR2032(宝泉株式会社)に収容し、さらに参考例1の電解液を注入して、コイン型電池を得た。これを参考例1のリチウムイオン二次電池とした。 The negative electrode was cut to a diameter of 11 mm and used as an evaluation electrode. A metallic lithium foil having a thickness of 500 μm was cut into a diameter of 13 mm to form a counter electrode. A glass filter (Hoechst Celanese) and celgard 2400 (Polypore Co., Ltd.), which is a single-layer polypropylene, were prepared as separators. Two types of separators were sandwiched between the counter electrode and the evaluation electrode in the order of the counter electrode, the glass filter, celgard2400, and the evaluation electrode to form an electrode assembly. This electrode body was housed in a coin-shaped battery case CR2032 (Hosen Co., Ltd.), and the electrolytic solution of Reference Example 1 was further injected to obtain a coin-shaped battery. This was used as a lithium ion secondary battery of Reference Example 1.
(参考例2)
4-メチルテトラヒドロピランに(FSO2)2NLiを溶解して、(FSO2)2NLiの濃度が1.5mol/Lである参考例2の電解液を製造した。
参考例2の電解液を用いた以外は、参考例1と同様の方法で、参考例2のリチウムイオン二次電池を製造した。
(Reference example 2)
(FSO 2 ) 2 NLi was dissolved in 4-methyltetrahydropyran to prepare an electrolytic solution of Reference Example 2 having a concentration of (FSO 2 ) 2 NLi of 1.5 mol/L.
A lithium ion secondary battery of Reference Example 2 was manufactured in the same manner as in Reference Example 1, except that the electrolytic solution of Reference Example 2 was used.
(参考例3)
4-メチルテトラヒドロピランに(CF3SO2)2NLiを溶解して、(CF3SO2)2NLiの濃度が1.5mol/Lである参考例3の電解液を製造した。
参考例3の電解液を用いた以外は、参考例1と同様の方法で、参考例3のリチウムイオン二次電池を製造した。
(Reference example 3)
(CF 3 SO 2 ) 2 NLi was dissolved in 4-methyltetrahydropyran to prepare an electrolytic solution of Reference Example 3 having a (CF 3 SO 2 ) 2 NLi concentration of 1.5 mol/L.
A lithium-ion secondary battery of Reference Example 3 was manufactured in the same manner as in Reference Example 1, except that the electrolytic solution of Reference Example 3 was used.
(参考例4)
4-メチルテトラヒドロピランに(C2F5SO2)2NLiを溶解して、(C2F5SO2)2NLiの濃度が1.5mol/Lである参考例4の電解液を製造した。
参考例4の電解液を用いた以外は、参考例1と同様の方法で、参考例4のリチウムイオン二次電池を製造した。
(Reference example 4)
(C 2 F 5 SO 2 ) 2 NLi was dissolved in 4-methyltetrahydropyran to prepare an electrolytic solution of Reference Example 4 having a concentration of (C 2 F 5 SO 2 ) 2 NLi of 1.5 mol/L. .
A lithium ion secondary battery of Reference Example 4 was manufactured in the same manner as in Reference Example 1, except that the electrolytic solution of Reference Example 4 was used.
(参考例5)
4-メチルテトラヒドロピランにCF3SO3Liを溶解して、CF3SO3Liの濃度が1.5mol/Lである参考例5の電解液を製造した。
参考例5の電解液を用いた以外は、参考例1と同様の方法で、参考例5のリチウムイオン二次電池を製造した。
(Reference example 5)
CF 3 SO 3 Li was dissolved in 4-methyltetrahydropyran to prepare an electrolytic solution of Reference Example 5 having a CF 3 SO 3 Li concentration of 1.5 mol/L.
A lithium-ion secondary battery of Reference Example 5 was manufactured in the same manner as in Reference Example 1, except that the electrolytic solution of Reference Example 5 was used.
(参考例6)
4-メチルテトラヒドロピランにC4F9SO3Liを溶解して、C4F9SO3Liの濃度が1.5mol/Lである参考例6の電解液を製造した。
参考例6の電解液を用いた以外は、参考例1と同様の方法で、参考例6のリチウムイオン二次電池を製造した。
(Reference example 6)
C 4 F 9 SO 3 Li was dissolved in 4-methyltetrahydropyran to prepare an electrolytic solution of Reference Example 6 having a C 4 F 9 SO 3 Li concentration of 1.5 mol/L.
A lithium ion secondary battery of Reference Example 6 was manufactured in the same manner as in Reference Example 1, except that the electrolytic solution of Reference Example 6 was used.
(参考例7)
LiBF4を含有する参考例1の電解液に対して、LiBF4と等モルの(ジフルオロメチル)トリメチルシランを加えて反応液とし、これを室温で12時間撹拌した後に、50℃で8時間撹拌した。反応液を冷却して、LiBF3(CHF2)を濃度1.5mol/Lで含有する参考例7の電解液とした。
参考例7の電解液を用いた以外は、参考例1と同様の方法で、参考例7のリチウムイオン二次電池を製造した。
なお、上記の反応における反応式は以下のとおりである。副生するFSiMe3は低沸点なので反応系外に移動する。
LiBF4+(CHF2)SiMe3 → LiBF3(CHF2)+FSiMe3↑
(Reference example 7)
To the electrolytic solution of Reference Example 1 containing LiBF 4 , (difluoromethyl)trimethylsilane in an equimolar amount to LiBF 4 was added to prepare a reaction solution, which was stirred at room temperature for 12 hours and then at 50° C. for 8 hours. did. The reaction solution was cooled to obtain an electrolytic solution of Reference Example 7 containing LiBF 3 (CHF 2 ) at a concentration of 1.5 mol/L.
A lithium ion secondary battery of Reference Example 7 was manufactured in the same manner as in Reference Example 1, except that the electrolytic solution of Reference Example 7 was used.
In addition, the reaction formula in said reaction is as follows. FSiMe 3 , which is a by-product, has a low boiling point and moves out of the reaction system.
LiBF 4 + (CHF 2 )SiMe 3 → LiBF 3 (CHF 2 ) + FSiMe 3 ↑
(参考例8)
LiBF4を含有する参考例1の電解液に対して、LiBF4と等モルの(トリフルオロメチル)トリメチルシランを加えて反応液とし、これを室温で12時間撹拌した後に、50℃で8時間撹拌した。反応液を冷却して、LiBF3(CF3)を濃度1.5mol/Lで含有する参考例8の電解液とした。
参考例8の電解液を用いた以外は、参考例1と同様の方法で、参考例8のリチウムイオン二次電池を製造した。
なお、上記の反応における反応式は以下のとおりである。副生するFSiMe3は低沸点なので反応系外に移動する。
LiBF4+(CF3)SiMe3 → LiBF3(CF3)+FSiMe3↑
(Reference example 8)
To the electrolytic solution of Reference Example 1 containing LiBF 4 , an equimolar amount of (trifluoromethyl)trimethylsilane was added to LiBF 4 to prepare a reaction solution, which was stirred at room temperature for 12 hours and then at 50° C. for 8 hours. Stirred. The reaction solution was cooled to obtain an electrolytic solution of Reference Example 8 containing LiBF 3 (CF 3 ) at a concentration of 1.5 mol/L.
A lithium-ion secondary battery of Reference Example 8 was manufactured in the same manner as in Reference Example 1, except that the electrolytic solution of Reference Example 8 was used.
In addition, the reaction formula in said reaction is as follows. FSiMe 3 , which is a by-product, has a low boiling point and moves out of the reaction system.
LiBF 4 + (CF 3 )SiMe 3 → LiBF 3 (CF 3 ) + FSiMe 3 ↑
(参考例9)
LiBF4を含有する参考例1の電解液に対して、LiBF4と等モルの(ペンタフルオロエチル)トリメチルシランを加えて反応液とし、これを室温で6時間撹拌した後に、60℃で8時間撹拌した。反応液を冷却して、LiBF3(C2F5)を濃度1.5mol/Lで含有する参考例9の電解液とした。
参考例9の電解液を用いた以外は、参考例1と同様の方法で、参考例9のリチウムイオン二次電池を製造した。
なお、上記の反応における反応式は以下のとおりである。副生するFSiMe3は低沸点なので反応系外に移動する。
LiBF4+(C2F5)SiMe3 → LiBF3(C2F5)+FSiMe3↑
(Reference example 9)
To the electrolytic solution of Reference Example 1 containing LiBF 4 , an equimolar amount of (pentafluoroethyl)trimethylsilane was added to LiBF 4 to obtain a reaction solution, which was stirred at room temperature for 6 hours and then at 60° C. for 8 hours. Stirred. The reaction solution was cooled to obtain an electrolytic solution of Reference Example 9 containing LiBF 3 (C 2 F 5 ) at a concentration of 1.5 mol/L.
A lithium ion secondary battery of Reference Example 9 was manufactured in the same manner as in Reference Example 1, except that the electrolytic solution of Reference Example 9 was used.
In addition, the reaction formula in said reaction is as follows. FSiMe 3 , which is a by-product, has a low boiling point and moves out of the reaction system.
LiBF 4 + (C 2 F 5 )SiMe 3 → LiBF 3 (C 2 F 5 ) + FSiMe 3 ↑
(参考例10)
LiBF4を含有する参考例1の電解液に対して、LiBF4と等モルの(ヘプタフルオロプロピル)トリメチルシランを加えて反応液とし、これを室温で6時間撹拌した後に、60℃で8時間撹拌した。反応液を冷却して、LiBF3(C3F7)を濃度1.5mol/Lで含有する参考例10の電解液とした。
参考例10の電解液を用いた以外は、参考例1と同様の方法で、参考例10のリチウムイオン二次電池を製造した。
なお、上記の反応における反応式は以下のとおりである。副生するFSiMe3は低沸点なので反応系外に移動する。
LiBF4+(C3F7)SiMe3 → LiBF3(C3F7)+FSiMe3↑
(Reference example 10)
To the electrolytic solution of Reference Example 1 containing LiBF 4 , (heptafluoropropyl)trimethylsilane in an equimolar amount to LiBF 4 was added to prepare a reaction solution, which was stirred at room temperature for 6 hours and then at 60° C. for 8 hours. Stirred. The reaction solution was cooled to obtain an electrolytic solution of Reference Example 10 containing LiBF 3 (C 3 F 7 ) at a concentration of 1.5 mol/L.
A lithium ion secondary battery of Reference Example 10 was manufactured in the same manner as in Reference Example 1, except that the electrolytic solution of Reference Example 10 was used.
In addition, the reaction formula in said reaction is as follows. FSiMe 3 , which is a by-product, has a low boiling point and moves out of the reaction system.
LiBF 4 + (C 3 F 7 )SiMe 3 → LiBF 3 (C 3 F 7 ) + FSiMe 3 ↑
(参考例11)
LiBF4を含有する参考例1の電解液に対して、LiBF4の2倍モルに相当する(トリフルオロメチル)トリメチルシランを加えて反応液とし、これを室温で12時間撹拌した後に、50℃で8時間撹拌した。反応液を冷却して、LiBF2(CF3)2を濃度1.5mol/Lで含有する参考例11の電解液とした。
参考例11の電解液を用いた以外は、参考例1と同様の方法で、参考例11のリチウムイオン二次電池を製造した。
なお、上記の反応における反応式は以下のとおりである。副生するFSiMe3は低沸点なので反応系外に移動する。
LiBF4+2(CF3)SiMe3 → LiBF2(CF3)2+2FSiMe3↑
(Reference example 11)
To the electrolytic solution of Reference Example 1 containing LiBF 4 , (trifluoromethyl)trimethylsilane corresponding to twice the molar amount of LiBF 4 was added to prepare a reaction solution, which was stirred at room temperature for 12 hours, and then heated to 50°C. and stirred for 8 hours. The reaction solution was cooled to obtain an electrolytic solution of Reference Example 11 containing LiBF 2 (CF 3 ) 2 at a concentration of 1.5 mol/L.
A lithium ion secondary battery of Reference Example 11 was manufactured in the same manner as in Reference Example 1, except that the electrolytic solution of Reference Example 11 was used.
In addition, the reaction formula in said reaction is as follows. FSiMe 3 , which is a by-product, has a low boiling point and moves out of the reaction system.
LiBF 4 +2(CF 3 )SiMe 3 →LiBF 2 (CF 3 ) 2 +2FSiMe 3 ↑
(参考比較例1)
フルオロエチレンカーボネート及びジエチルカーボネートを体積比1:9で混合して混合溶媒とした。混合溶媒にLiPF6を混合して、LiPF6の濃度が2mol/Lである参考比較例1の電解液を製造した。
参考比較例1の電解液を用いた以外は、参考例1と同様の方法で、参考比較例1のリチウムイオン二次電池を製造した。
(Reference Comparative Example 1)
A mixed solvent was prepared by mixing fluoroethylene carbonate and diethyl carbonate at a volume ratio of 1:9. LiPF 6 was mixed with the mixed solvent to prepare an electrolytic solution of Reference Comparative Example 1 in which the concentration of LiPF 6 was 2 mol/L.
A lithium ion secondary battery of Reference Comparative Example 1 was manufactured in the same manner as in Reference Example 1, except that the electrolytic solution of Reference Comparative Example 1 was used.
(参考比較例2)
テトラヒドロフランにLiBF4を溶解して、LiBF4の濃度が1.5mol/Lである参考比較例2の電解液を製造した。
参考比較例2の電解液を用いた以外は、参考例1と同様の方法で、参考比較例2のリチウムイオン二次電池を製造した。
(Reference Comparative Example 2)
LiBF 4 was dissolved in tetrahydrofuran to prepare an electrolytic solution of Reference Comparative Example 2 having a LiBF 4 concentration of 1.5 mol/L.
A lithium ion secondary battery of Reference Comparative Example 2 was manufactured in the same manner as in Reference Example 1 except that the electrolytic solution of Reference Comparative Example 2 was used.
(参考比較例3)
シクロペンチルメチルエーテルにLiBF4を溶解して、LiBF4の濃度が2mol/Lである参考比較例3の電解液を製造した。
参考比較例3の電解液を用いた以外は、参考例1と同様の方法で、参考比較例3のリチウムイオン二次電池を製造した。
(Reference Comparative Example 3)
LiBF 4 was dissolved in cyclopentyl methyl ether to prepare an electrolytic solution of Reference Comparative Example 3 having a LiBF 4 concentration of 2 mol/L.
A lithium ion secondary battery of Reference Comparative Example 3 was manufactured in the same manner as in Reference Example 1 except that the electrolytic solution of Reference Comparative Example 3 was used.
(参考比較例4)
テトラヒドロフランに(FSO2)2NLiを溶解して、(FSO2)2NLiの濃度が2mol/Lである参考比較例4の電解液を製造した。
参考比較例4の電解液を用いた以外は、参考例1と同様の方法で、参考比較例4のリチウムイオン二次電池を製造した。
(Reference Comparative Example 4)
(FSO 2 ) 2 NLi was dissolved in tetrahydrofuran to prepare an electrolytic solution of Reference Comparative Example 4 having a concentration of (FSO 2 ) 2 NLi of 2 mol/L.
A lithium ion secondary battery of Reference Comparative Example 4 was manufactured in the same manner as in Reference Example 1 except that the electrolytic solution of Reference Comparative Example 4 was used.
(参考比較例5)
1,2-ジメトキシエタンに(FSO2)2NLiを溶解して、(FSO2)2NLiの濃度が2mol/Lである参考比較例5の電解液を製造した。
参考比較例5の電解液を用いた以外は、参考例1と同様の方法で、参考比較例5のリチウムイオン二次電池を製造した。
(Reference Comparative Example 5)
(FSO 2 ) 2 NLi was dissolved in 1,2-dimethoxyethane to prepare an electrolytic solution of Reference Comparative Example 5 having a concentration of (FSO 2 ) 2 NLi of 2 mol/L.
A lithium ion secondary battery of Reference Comparative Example 5 was manufactured in the same manner as in Reference Example 1 except that the electrolytic solution of Reference Comparative Example 5 was used.
(評価例1)
各リチウムイオン二次電池に対して、0.2mAで0.01Vまで充電し、0.2mAで1.0Vまで放電を行うとの初回充放電を行った。さらに、各リチウムイオン二次電池に対して、0.5mAで0.01Vまで充電し、0.5mAで1.0Vまで放電を行うとの充放電サイクルを20回繰り返した。
なお、本評価例では、Si含有負極活物質がリチウムを吸蔵する印加を充電といい、Si含有負極活物質がリチウムを放出する印加を放電という。
(Evaluation example 1)
Each lithium ion secondary battery was charged to 0.01 V at 0.2 mA and discharged to 1.0 V at 0.2 mA for the initial charge/discharge. Further, each lithium ion secondary battery was charged to 0.01 V at 0.5 mA and discharged to 1.0 V at 0.5 mA, and this charge/discharge cycle was repeated 20 times.
Note that in this evaluation example, the application in which the Si-containing negative electrode active material absorbs lithium is called charging, and the application in which the Si-containing negative electrode active material releases lithium is called discharging.
以下の式で、初期効率と容量維持率を算出した。結果を表2に示す。
初期効率(%)=100×(初回放電容量)/(初回充電容量)
容量維持率(%)=100×(20サイクル目の放電容量)/(1サイクル目の放電容量)
なお、以下の表において、MTHPとは4-メチルテトラヒドロピランの略称であり、FECとはフルオロエチレンカーボネートの略称であり、DECとはジエチルカーボネートの略称であり、THFとはテトラヒドロフランの略称であり、CPMEとはシクロペンチルメチルエーテルの略称であり、DMEとは1,2-ジメトキシエタンの略称である。
The initial efficiency and the capacity retention rate were calculated by the following formulas. Table 2 shows the results.
Initial efficiency (%) = 100 x (initial discharge capacity) / (initial charge capacity)
Capacity retention rate (%) = 100 × (discharge capacity at 20th cycle) / (discharge capacity at 1st cycle)
In the tables below, MTHP is an abbreviation for 4-methyltetrahydropyran, FEC is an abbreviation for fluoroethylene carbonate, DEC is an abbreviation for diethyl carbonate, THF is an abbreviation for tetrahydrofuran, CPME is an abbreviation for cyclopentyl methyl ether, and DME is an abbreviation for 1,2-dimethoxyethane.
参考比較例1のリチウムイオン二次電池の容量維持率の結果と他の参考比較例の結果からみて、参考比較例1のリチウムイオン二次電池は、主にフルオロエチレンカーボネートの分解物で形成されるSEI被膜の存在に因り、他の参考比較例のリチウムイオン二次電池よりも優れた容量維持率を示したと考えられる。
しかしながら、参考例のリチウムイオン二次電池の方が参考比較例1のリチウムイオン二次電池よりも優れた容量維持率を示したことから、参考比較例1のリチウムイオン二次電池においては、SEI被膜がSi含有負極活物質と電解液との直接接触を防止したものの、SEI被膜に含まれるCO3基などの酸化性の成分に因り、Si含有負極活物質が酸化して、劣化したと推定される。
From the results of the capacity retention rate of the lithium ion secondary battery of Reference Comparative Example 1 and the results of other Reference Comparative Examples, it can be seen that the lithium ion secondary battery of Reference Comparative Example 1 is formed mainly of decomposition products of fluoroethylene carbonate. It is considered that the presence of the SEI coating on the secondary battery exhibited a better capacity retention rate than the lithium ion secondary batteries of the other reference comparative examples.
However, since the lithium ion secondary battery of Reference Example showed a better capacity retention rate than the lithium ion secondary battery of Reference Comparative Example 1, in the lithium ion secondary battery of Reference Comparative Example 1, SEI Although the film prevented direct contact between the Si-containing negative electrode active material and the electrolyte, it is assumed that the Si-containing negative electrode active material was oxidized and deteriorated due to oxidizing components such as CO 3 groups contained in the SEI film. be done.
電解質がLiBF4である参考例1、参考比較例2及び参考比較例3、並びに、電解質が(FSO2)2NLiである参考例2、参考比較例4及び参考比較例5の結果からみて、エーテルであっても、その化学構造の違いに因り、電池性能に大きな影響を与えることがわかる。 From the results of Reference Example 1, Reference Comparative Example 2 and Reference Comparative Example 3 in which the electrolyte is LiBF 4 and Reference Example 2, Reference Comparative Example 4 and Reference Comparative Example 5 in which the electrolyte is (FSO 2 ) 2 NLi, It can be seen that even ether has a great effect on battery performance due to the difference in its chemical structure.
以上の結果から、6員環の環状エーテルは、還元条件下での耐久性に優れるといえる。 From the above results, it can be said that the six-membered cyclic ether has excellent durability under reducing conditions.
(参考例12)
6員環の環状エーテルである4-メチルテトラヒドロピラン及び第2エーテルであるCH3(OCH2CH2)2OCH3を、体積比95:5で混合して混合溶媒とした。混合溶媒に(FSO2)2NLi及びLiBF2(C2O4)を溶解して、(FSO2)2NLiの濃度が1mol/Lであり、LiBF2(C2O4)の濃度が0.05mol/Lである参考例12の電解液を製造した。
(Reference example 12)
4-methyltetrahydropyran, which is a 6-membered cyclic ether, and CH 3 (OCH 2 CH 2 ) 2 OCH 3 , which is a secondary ether, were mixed at a volume ratio of 95:5 to prepare a mixed solvent. (FSO 2 ) 2 NLi and LiBF 2 (C 2 O 4 ) are dissolved in a mixed solvent so that the concentration of (FSO 2 ) 2 NLi is 1 mol/L and the concentration of LiBF 2 (C 2 O 4 ) is 0. An electrolytic solution of Reference Example 12 having a concentration of 0.05 mol/L was prepared.
(参考例13)
6員環の環状エーテルである4-メチルテトラヒドロピラン及び第2エーテルであるCH3(OCH2CH2)2OCH3を、体積比90:10で混合して混合溶媒とした。混合溶媒に(FSO2)2NLi及びLiBF2(C2O4)を溶解して、(FSO2)2NLiの濃度が1mol/Lであり、LiBF2(C2O4)の濃度が0.05mol/Lである参考例13の電解液を製造した。
(Reference example 13)
4-methyltetrahydropyran, which is a 6-membered cyclic ether, and CH 3 (OCH 2 CH 2 ) 2 OCH 3 , which is a secondary ether, were mixed at a volume ratio of 90:10 to prepare a mixed solvent. (FSO 2 ) 2 NLi and LiBF 2 (C 2 O 4 ) are dissolved in a mixed solvent so that the concentration of (FSO 2 ) 2 NLi is 1 mol/L and the concentration of LiBF 2 (C 2 O 4 ) is 0. An electrolytic solution of Reference Example 13 having a concentration of 0.05 mol/L was prepared.
(参考例14)
6員環の環状エーテルである4-メチルテトラヒドロピラン及び第2エーテルであるCH3(OCH2CH2)2OCH3を、体積比80:20で混合して混合溶媒とした。混合溶媒に(FSO2)2NLi及びLiBF2(C2O4)を溶解して、(FSO2)2NLiの濃度が1mol/Lであり、LiBF2(C2O4)の濃度が0.05mol/Lである参考例14の電解液を製造した。
(Reference example 14)
4-methyltetrahydropyran, which is a 6-membered cyclic ether, and CH 3 (OCH 2 CH 2 ) 2 OCH 3 , which is a secondary ether, were mixed at a volume ratio of 80:20 to prepare a mixed solvent. (FSO 2 ) 2 NLi and LiBF 2 (C 2 O 4 ) are dissolved in a mixed solvent so that the concentration of (FSO 2 ) 2 NLi is 1 mol/L and the concentration of LiBF 2 (C 2 O 4 ) is 0. An electrolytic solution of Reference Example 14 having a concentration of 0.05 mol/L was produced.
(参考例15)
6員環の環状エーテルである4-メチルテトラヒドロピラン及び第2エーテルである12-クラウン-4を、体積比90:10で混合して混合溶媒とした。混合溶媒に(FSO2)2NLi及びLiBF2(C2O4)を溶解して、(FSO2)2NLiの濃度が1mol/Lであり、LiBF2(C2O4)の濃度が0.05mol/Lである参考例15の電解液を製造した。
(Reference example 15)
4-methyltetrahydropyran, which is a 6-membered cyclic ether, and 12-crown-4, which is a secondary ether, were mixed at a volume ratio of 90:10 to prepare a mixed solvent. (FSO 2 ) 2 NLi and LiBF 2 (C 2 O 4 ) are dissolved in a mixed solvent so that the concentration of (FSO 2 ) 2 NLi is 1 mol/L and the concentration of LiBF 2 (C 2 O 4 ) is 0. An electrolytic solution of Reference Example 15 having a concentration of 0.05 mol/L was produced.
(参考例16)
6員環の環状エーテルである4-メチルテトラヒドロピランに(FSO2)2NLi及びLiBF2(C2O4)を溶解して、(FSO2)2NLiの濃度が1mol/Lであり、LiBF2(C2O4)の濃度が0.05mol/Lである参考例16の電解液を製造した。
(Reference example 16)
(FSO 2 ) 2 NLi and LiBF 2 (C 2 O 4 ) were dissolved in 4-methyltetrahydropyran, which is a 6-membered cyclic ether, and the concentration of (FSO 2 ) 2 NLi was 1 mol/L, and LiBF An electrolytic solution of Reference Example 16 having a concentration of 2 (C 2 O 4 ) of 0.05 mol/L was prepared.
(評価例2)
参考例12~参考例16の電解液につき、以下の条件で、イオン伝導度と、粘度を測定した。結果を表3に示す。
<イオン伝導度>
白金極を備えたセルに電解液を封入し、25℃、10kHzでのインピーダンスを測定した。インピーダンスの測定結果から、イオン伝導度を算出した。測定機器はSolartron 147055BEC(ソーラトロン社)を使用した。
<粘度>
B型粘度計(Brookfield社、DV2T)にて、コーン型スピンドルを用い、スピンドル回転速度20rpm、25℃の条件で測定した。
(Evaluation example 2)
The ionic conductivity and viscosity of the electrolytic solutions of Reference Examples 12 to 16 were measured under the following conditions. Table 3 shows the results.
<Ionic conductivity>
An electrolytic solution was sealed in a cell equipped with a platinum electrode, and impedance was measured at 25° C. and 10 kHz. Ionic conductivity was calculated from the impedance measurement results. Solartron 147055BEC (Solartron) was used as a measuring instrument.
<Viscosity>
Measurement was performed using a Brookfield viscometer (Brookfield, DV2T) using a cone-shaped spindle at a spindle rotational speed of 20 rpm and 25°C.
表3から、4-メチルテトラヒドロピランに対して、第2エーテルを加えることで、イオン伝導度が向上することがわかる。
参考例12~参考例15の電解液においては、第2エーテルを加えることで電解液の粘度が上昇している。そのため、イオンの移動が物理的に困難になると予想されるにも関わらず、参考例12~参考例15の電解液のイオン伝導度が向上していることは非常に興味深い。
From Table 3, it can be seen that adding the secondary ether to 4-methyltetrahydropyran improves the ionic conductivity.
In the electrolytic solutions of Reference Examples 12 to 15, the addition of the second ether increases the viscosity of the electrolytic solution. Therefore, it is very interesting that the ionic conductivity of the electrolytic solutions of Reference Examples 12 to 15 is improved, although the movement of ions is expected to be physically difficult.
(実施例1)
6員環の環状エーテルである4-メチルテトラヒドロピラン、第2エーテルであるCH3(OCH2CH2)2OCH3、及び、第3エーテルであるCH3CH2CH2OCH2CH2CH3を、体積比60:30:10で混合して混合溶媒とした。混合溶媒に(FSO2)2NLi及びLiBF2(C2O4)を溶解して、(FSO2)2NLiの濃度が1mol/Lであり、LiBF2(C2O4)の濃度が0.05mol/Lである実施例1の電解液を製造した。
(Example 1)
4-methyltetrahydropyran as a 6-membered cyclic ether, CH 3 (OCH 2 CH 2 ) 2 OCH 3 as a secondary ether, and CH 3 CH 2 CH 2 OCH 2 CH 2 CH 3 as a tertiary ether were mixed at a volume ratio of 60:30:10 to obtain a mixed solvent. (FSO 2 ) 2 NLi and LiBF 2 (C 2 O 4 ) are dissolved in a mixed solvent so that the concentration of (FSO 2 ) 2 NLi is 1 mol/L and the concentration of LiBF 2 (C 2 O 4 ) is 0. The electrolyte of Example 1 was prepared with 0.05 mol/L.
実施例1の電解液を用いて、実施例1のリチウムイオン二次電池を、以下のとおり製造した。 Using the electrolytic solution of Example 1, a lithium ion secondary battery of Example 1 was manufactured as follows.
正極活物質としてのLiNi0.8Co0.1Al0.1O2、結着剤としてのポリフッ化ビニリデン及び導電助剤としてのアセチレンブラックを、LiNi0.8Co0.1Al0.1O2とポリフッ化ビニリデンとアセチレンブラックとの質量比が94:3:3となるように混合し、溶剤としてのN-メチル-2-ピロリドンを添加してスラリーとした。このスラリーを、集電体としてのアルミニウム箔の表面にドクターブレードを用いて塗布し、乾燥することで、溶剤を揮発により除去して、正極活物質層を形成した。表面に正極活物質層を形成したアルミニウム箔を、ロ-ルプレス機を用いて圧縮し、アルミニウム箔と正極活物質層とを密着させた接合物を得た。接合物を120℃で6時間、真空乾燥機で加熱して、正極を製造した。 LiNi 0.8 Co 0.1 Al 0.1 O 2 as a positive electrode active material, polyvinylidene fluoride as a binder, and acetylene black as a conductive aid were combined into LiNi 0.8 Co 0.1 Al 0.1 O 2 , polyvinylidene fluoride and acetylene black were mixed at a mass ratio of 94:3:3, and N-methyl-2-pyrrolidone was added as a solvent to prepare a slurry. This slurry was applied to the surface of an aluminum foil as a current collector using a doctor blade and dried to remove the solvent by volatilization to form a positive electrode active material layer. The aluminum foil having the positive electrode active material layer formed on its surface was compressed using a roll press to obtain a bonded product in which the aluminum foil and the positive electrode active material layer were brought into close contact with each other. The bonded product was heated at 120° C. for 6 hours in a vacuum dryer to produce a positive electrode.
正極を評価極とした。厚さ500μmの金属リチウム箔を対極とした。セパレータとしてガラスフィルター(ヘキストセラニーズ社)を準備した。セパレータを対極と評価極で挟持し電極体とした。この電極体をコイン型電池ケースCR2032(宝泉株式会社)に収容し、さらに実施例1の電解液を注入して、コイン型電池を得た。これを実施例1のリチウムイオン二次電池とした。 The positive electrode was used as an evaluation electrode. A metallic lithium foil having a thickness of 500 μm was used as the counter electrode. A glass filter (Hoechst Celanese) was prepared as a separator. A separator was sandwiched between a counter electrode and an evaluation electrode to form an electrode body. This electrode body was housed in a coin-shaped battery case CR2032 (Hosen Co., Ltd.), and the electrolytic solution of Example 1 was further injected to obtain a coin-shaped battery. This was used as the lithium ion secondary battery of Example 1.
(実施例2)
6員環の環状エーテルである4-メチルテトラヒドロピラン、第2エーテルであるCH3(OCH2CH2)2OCH3、及び、第3エーテルであるCH3CH2CH2CH2OCH2CH3を、体積比60:30:10で混合して混合溶媒とした。この混合溶媒を用いたこと以外は、実施例1と同様の方法で、実施例2の電解液を製造した。
実施例2の電解液を用いた以外は、実施例1と同様の方法で、実施例2のリチウムイオン二次電池を製造した。
(Example 2)
4-methyltetrahydropyran as a 6-membered cyclic ether, CH 3 (OCH 2 CH 2 ) 2 OCH 3 as a secondary ether, and CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 OCH 2 CH 3 as a tertiary ether were mixed at a volume ratio of 60:30:10 to obtain a mixed solvent. An electrolytic solution of Example 2 was produced in the same manner as in Example 1, except that this mixed solvent was used.
A lithium ion secondary battery of Example 2 was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the electrolyte solution of Example 2 was used.
(実施例3)
6員環の環状エーテルである4-メチルテトラヒドロピラン、第2エーテルであるCH3(OCH2CH2)2OCH3、及び、第3エーテルであるCHF2CF2OCH2CF2CHF2を、体積比60:30:10で混合して混合溶媒とした。この混合溶媒を用いたこと以外は、実施例1と同様の方法で、実施例3の電解液を製造した。
実施例3の電解液を用いた以外は、実施例1と同様の方法で、実施例3のリチウムイオン二次電池を製造した。
(Example 3)
4-methyltetrahydropyran as a 6-membered cyclic ether, CH 3 (OCH 2 CH 2 ) 2 OCH 3 as a secondary ether, and CHF 2 CF 2 OCH 2 CF 2 CHF 2 as a tertiary ether, A mixed solvent was prepared by mixing at a volume ratio of 60:30:10. An electrolytic solution of Example 3 was produced in the same manner as in Example 1, except that this mixed solvent was used.
A lithium ion secondary battery of Example 3 was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the electrolyte solution of Example 3 was used.
(実施例4)
6員環の環状エーテルである4-メチルテトラヒドロピラン、第2エーテルであるCH3(OCH2CH2)2OCH3、及び、第3エーテルであるCH3CH2CH2OCH2CH2CH3を、体積比50:40:10で混合して混合溶媒とした。この混合溶媒を用いたこと以外は、実施例1と同様の方法で、実施例4の電解液を製造した。
実施例4の電解液を用いた以外は、実施例1と同様の方法で、実施例4のリチウムイオン二次電池を製造した。
(Example 4)
4-methyltetrahydropyran as a 6-membered cyclic ether, CH 3 (OCH 2 CH 2 ) 2 OCH 3 as a secondary ether, and CH 3 CH 2 CH 2 OCH 2 CH 2 CH 3 as a tertiary ether were mixed at a volume ratio of 50:40:10 to obtain a mixed solvent. An electrolytic solution of Example 4 was produced in the same manner as in Example 1, except that this mixed solvent was used.
A lithium ion secondary battery of Example 4 was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the electrolyte solution of Example 4 was used.
(実施例5)
6員環の環状エーテルである4-メチルテトラヒドロピラン、第2エーテルであるCH3(OCH2CH2)2OCH3、及び、第3エーテルであるCH3CH2CH2OCH2CH2CH3を、体積比50:45:5で混合して混合溶媒とした。この混合溶媒を用いたこと以外は、実施例1と同様の方法で、実施例5の電解液を製造した。
実施例5の電解液を用いた以外は、実施例1と同様の方法で、実施例5のリチウムイオン二次電池を製造した。
(Example 5)
4-methyltetrahydropyran as a 6-membered cyclic ether, CH 3 (OCH 2 CH 2 ) 2 OCH 3 as a secondary ether, and CH 3 CH 2 CH 2 OCH 2 CH 2 CH 3 as a tertiary ether were mixed at a volume ratio of 50:45:5 to obtain a mixed solvent. An electrolytic solution of Example 5 was produced in the same manner as in Example 1, except that this mixed solvent was used.
A lithium ion secondary battery of Example 5 was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the electrolyte solution of Example 5 was used.
(実施例6)
6員環の環状エーテルである4-メチルテトラヒドロピラン、第2エーテルであるCH3(OCH2CH2)2OCH3、及び、第3エーテルであるCH3CH2CH2OCH2CH2CH3を、体積比40:55:5で混合して混合溶媒とした。この混合溶媒を用いたこと以外は、実施例1と同様の方法で、実施例6の電解液を製造した。
実施例6の電解液を用いた以外は、実施例1と同様の方法で、実施例6のリチウムイオン二次電池を製造した。
(Example 6)
4-methyltetrahydropyran as a 6-membered cyclic ether, CH 3 (OCH 2 CH 2 ) 2 OCH 3 as a secondary ether, and CH 3 CH 2 CH 2 OCH 2 CH 2 CH 3 as a tertiary ether were mixed at a volume ratio of 40:55:5 to obtain a mixed solvent. An electrolytic solution of Example 6 was produced in the same manner as in Example 1, except that this mixed solvent was used.
A lithium ion secondary battery of Example 6 was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the electrolyte solution of Example 6 was used.
(実施例7)
6員環の環状エーテルである4-メチルテトラヒドロピラン、第2エーテルであるCH3(OCH2CH2)4OCH3、及び、第3エーテルであるCH3CH2CH2OCH2CH2CH3を、体積比60:35:5で混合して混合溶媒とした。この混合溶媒を用いたこと以外は、実施例1と同様の方法で、実施例7の電解液を製造した。
実施例7の電解液を用いた以外は、実施例1と同様の方法で、実施例7のリチウムイオン二次電池を製造した。
(Example 7)
4-methyltetrahydropyran as a 6-membered cyclic ether, CH 3 (OCH 2 CH 2 ) 4 OCH 3 as a secondary ether, and CH 3 CH 2 CH 2 OCH 2 CH 2 CH 3 as a tertiary ether were mixed at a volume ratio of 60:35:5 to obtain a mixed solvent. An electrolytic solution of Example 7 was produced in the same manner as in Example 1, except that this mixed solvent was used.
A lithium ion secondary battery of Example 7 was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the electrolyte solution of Example 7 was used.
(実施例8)
6員環の環状エーテルである4-メチルテトラヒドロピラン、第2エーテルであるCH3(OCH2CH2)4OCH3、及び、第3エーテルであるCH3CH2CH2OCH2CH2CH3を、体積比50:45:5で混合して混合溶媒とした。この混合溶媒を用いたこと以外は、実施例1と同様の方法で、実施例8の電解液を製造した。
実施例8の電解液を用いた以外は、実施例1と同様の方法で、実施例8のリチウムイオン二次電池を製造した。
(Example 8)
4-methyltetrahydropyran as a 6-membered cyclic ether, CH 3 (OCH 2 CH 2 ) 4 OCH 3 as a secondary ether, and CH 3 CH 2 CH 2 OCH 2 CH 2 CH 3 as a tertiary ether were mixed at a volume ratio of 50:45:5 to obtain a mixed solvent. An electrolytic solution of Example 8 was produced in the same manner as in Example 1, except that this mixed solvent was used.
A lithium ion secondary battery of Example 8 was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the electrolyte solution of Example 8 was used.
(比較例1)
6員環の環状エーテルである4-メチルテトラヒドロピラン、及び、1,2-ジメトキシエタンを、体積比70:30で混合して混合溶媒とした。この混合溶媒を用いたこと以外は、実施例1と同様の方法で、比較例1の電解液を製造した。
比較例1の電解液を用いた以外は、実施例1と同様の方法で、比較例1のリチウムイオン二次電池を製造した。
(Comparative example 1)
4-Methyltetrahydropyran, which is a 6-membered cyclic ether, and 1,2-dimethoxyethane were mixed at a volume ratio of 70:30 to prepare a mixed solvent. An electrolytic solution of Comparative Example 1 was produced in the same manner as in Example 1, except that this mixed solvent was used.
A lithium ion secondary battery of Comparative Example 1 was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the electrolytic solution of Comparative Example 1 was used.
(比較例2)
6員環の環状エーテルである4-メチルテトラヒドロピラン、第2エーテルであるCH3(OCH2CH2)2OCH3、及び、第3エーテルであるCH3CH2CH2OCH2CH2CH3を、体積比50:30:20で混合して混合溶媒とした。この混合溶媒を用いたこと以外は、実施例1と同様の方法で、比較例2の電解液を製造した。
比較例2の電解液を用いた以外は、実施例1と同様の方法で、比較例2のリチウムイオン二次電池を製造した。
(Comparative example 2)
4-methyltetrahydropyran as a 6-membered cyclic ether, CH 3 (OCH 2 CH 2 ) 2 OCH 3 as a secondary ether, and CH 3 CH 2 CH 2 OCH 2 CH 2 CH 3 as a tertiary ether were mixed at a volume ratio of 50:30:20 to obtain a mixed solvent. An electrolytic solution of Comparative Example 2 was produced in the same manner as in Example 1, except that this mixed solvent was used.
A lithium ion secondary battery of Comparative Example 2 was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the electrolytic solution of Comparative Example 2 was used.
(比較例3)
6員環の環状エーテルである4-メチルテトラヒドロピラン、第2エーテルであるCH3(OCH2CH2)2OCH3、及び、第3エーテルであるCH3CH2CH2CH2OCH2CH3を、体積比50:30:20で混合して混合溶媒とした。この混合溶媒を用いたこと以外は、実施例1と同様の方法で、比較例3の電解液を製造した。
比較例3の電解液を用いた以外は、実施例1と同様の方法で、比較例3のリチウムイオン二次電池を製造した。
(Comparative Example 3)
4-methyltetrahydropyran as a 6-membered cyclic ether, CH 3 (OCH 2 CH 2 ) 2 OCH 3 as a secondary ether, and CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 OCH 2 CH 3 as a tertiary ether were mixed at a volume ratio of 50:30:20 to obtain a mixed solvent. An electrolytic solution of Comparative Example 3 was produced in the same manner as in Example 1 except that this mixed solvent was used.
A lithium ion secondary battery of Comparative Example 3 was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the electrolytic solution of Comparative Example 3 was used.
(比較例4)
6員環の環状エーテルである4-メチルテトラヒドロピラン、第2エーテルであるCH3(OCH2CH2)2OCH3、及び、第3エーテルであるCHF2CF2OCH2CF2CHF2を、体積比50:30:20で混合して混合溶媒とした。この混合溶媒を用いたこと以外は、実施例1と同様の方法で、比較例4の電解液を製造した。
比較例4の電解液を用いた以外は、実施例1と同様の方法で、比較例4のリチウムイオン二次電池を製造した。
(Comparative Example 4)
4-methyltetrahydropyran as a 6-membered cyclic ether, CH 3 (OCH 2 CH 2 ) 2 OCH 3 as a secondary ether, and CHF 2 CF 2 OCH 2 CF 2 CHF 2 as a tertiary ether, A mixed solvent was prepared by mixing at a volume ratio of 50:30:20. An electrolytic solution of Comparative Example 4 was produced in the same manner as in Example 1, except that this mixed solvent was used.
A lithium ion secondary battery of Comparative Example 4 was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the electrolytic solution of Comparative Example 4 was used.
(比較例5)
6員環の環状エーテルである4-メチルテトラヒドロピラン、第2エーテルであるCH3(OCH2CH2)2OCH3、及び、第3エーテルであるCH3CH2CH2OCH2CH2CH3を、体積比40:30:30で混合して混合溶媒とした。この混合溶媒を用いたこと以外は、実施例1と同様の方法で、比較例5の電解液を製造した。
比較例5の電解液を用いた以外は、実施例1と同様の方法で、比較例5のリチウムイオン二次電池を製造した。
(Comparative Example 5)
4-methyltetrahydropyran as a 6-membered cyclic ether, CH 3 (OCH 2 CH 2 ) 2 OCH 3 as a secondary ether, and CH 3 CH 2 CH 2 OCH 2 CH 2 CH 3 as a tertiary ether were mixed at a volume ratio of 40:30:30 to obtain a mixed solvent. An electrolytic solution of Comparative Example 5 was produced in the same manner as in Example 1, except that this mixed solvent was used.
A lithium ion secondary battery of Comparative Example 5 was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the electrolytic solution of Comparative Example 5 was used.
(比較例6)
第2エーテルであるCH3(OCH2CH2)2OCH3に(FSO2)2NLi及びLiBF2(C2O4)を溶解して、(FSO2)2NLiの濃度が1mol/Lであり、LiBF2(C2O4)の濃度が0.05mol/Lである比較例6の電解液を製造した。
比較例6の電解液を用いた以外は、実施例1と同様の方法で、比較例6のリチウムイオン二次電池を製造した。
(Comparative Example 6)
(FSO 2 ) 2 NLi and LiBF 2 (C 2 O 4 ) were dissolved in CH 3 (OCH 2 CH 2 ) 2 OCH 3 which is the second ether, and the concentration of (FSO 2 ) 2 NLi was 1 mol/L. and the concentration of LiBF 2 (C 2 O 4 ) was 0.05 mol/L.
A lithium ion secondary battery of Comparative Example 6 was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the electrolytic solution of Comparative Example 6 was used.
(比較例7)
第2エーテルであるCH3(OCH2CH2)2OCH3、及び、第3エーテルであるCH3CH2CH2OCH2CH2CH3を、体積比80:20で混合して混合溶媒とした。この混合溶媒を用いたこと以外は、実施例1と同様の方法で、比較例7の電解液を製造した。
比較例7の電解液を用いた以外は、実施例1と同様の方法で、比較例7のリチウムイオン二次電池を製造した。
(Comparative Example 7)
CH 3 (OCH 2 CH 2 ) 2 OCH 3 as the second ether and CH 3 CH 2 CH 2 OCH 2 CH 2 CH 3 as the third ether were mixed at a volume ratio of 80:20 to form a mixed solvent. did. An electrolytic solution of Comparative Example 7 was produced in the same manner as in Example 1, except that this mixed solvent was used.
A lithium ion secondary battery of Comparative Example 7 was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the electrolytic solution of Comparative Example 7 was used.
(比較例8)
6員環の環状エーテルである4-メチルテトラヒドロピラン、及び、第3エーテルであるCH3CH2CH2OCH2CH2CH3を、体積比60:40で混合して混合溶媒とした。この混合溶媒を用いたこと以外は、実施例1と同様の方法で、比較例8の電解液を製造した。
比較例8の電解液を用いた以外は、実施例1と同様の方法で、比較例8のリチウムイオン二次電池を製造した。
(Comparative Example 8)
A mixed solvent was prepared by mixing 4-methyltetrahydropyran, which is a 6-membered cyclic ether, and CH 3 CH 2 CH 2 OCH 2 CH 2 CH 3 , which is a tertiary ether, at a volume ratio of 60:40. An electrolytic solution of Comparative Example 8 was produced in the same manner as in Example 1, except that this mixed solvent was used.
A lithium ion secondary battery of Comparative Example 8 was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the electrolytic solution of Comparative Example 8 was used.
(比較例9)
第2エーテルであるCH3(OCH2CH2)4OCH3に(FSO2)2NLi及びLiBF2(C2O4)を溶解して、(FSO2)2NLiの濃度が1mol/Lであり、LiBF2(C2O4)の濃度が0.05mol/Lである比較例9の電解液を製造した。
比較例9の電解液を用いた以外は、実施例1と同様の方法で、比較例9のリチウムイオン二次電池を製造した。
(Comparative Example 9)
(FSO 2 ) 2 NLi and LiBF 2 (C 2 O 4 ) were dissolved in CH 3 (OCH 2 CH 2 ) 4 OCH 3 which is the second ether, and the concentration of (FSO 2 ) 2 NLi was 1 mol/L. and the concentration of LiBF 2 (C 2 O 4 ) was 0.05 mol/L.
A lithium ion secondary battery of Comparative Example 9 was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the electrolytic solution of Comparative Example 9 was used.
(比較例10)
第2エーテルであるCH3(OCH2CH2)4OCH3、及び、第3エーテルであるCH3CH2CH2OCH2CH2CH3を、体積比80:20で混合して混合溶媒とした。この混合溶媒を用いたこと以外は、実施例1と同様の方法で、比較例10の電解液を製造した。
比較例10の電解液を用いた以外は、実施例1と同様の方法で、比較例10のリチウムイオン二次電池を製造した。
(Comparative Example 10)
CH 3 (OCH 2 CH 2 ) 4 OCH 3 as the second ether and CH 3 CH 2 CH 2 OCH 2 CH 2 CH 3 as the third ether were mixed at a volume ratio of 80:20 to form a mixed solvent. did. An electrolytic solution of Comparative Example 10 was produced in the same manner as in Example 1, except that this mixed solvent was used.
A lithium ion secondary battery of Comparative Example 10 was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the electrolytic solution of Comparative Example 10 was used.
(比較例11)
6員環の環状エーテルである4-メチルテトラヒドロピラン、第2エーテルであるCH3(OCH2CH2)4OCH3、及び、第3エーテルであるCH3CH2CH2OCH2CH2CH3を、体積比85:10:5で混合して混合溶媒とした。この混合溶媒を用いたこと以外は、実施例1と同様の方法で、比較例11の電解液を製造した。
比較例11の電解液を用いた以外は、実施例1と同様の方法で、比較例11のリチウムイオン二次電池を製造した。
(Comparative Example 11)
4-methyltetrahydropyran as a 6-membered cyclic ether, CH 3 (OCH 2 CH 2 ) 4 OCH 3 as a secondary ether, and CH 3 CH 2 CH 2 OCH 2 CH 2 CH 3 as a tertiary ether were mixed at a volume ratio of 85:10:5 to obtain a mixed solvent. An electrolytic solution of Comparative Example 11 was produced in the same manner as in Example 1, except that this mixed solvent was used.
A lithium ion secondary battery of Comparative Example 11 was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the electrolytic solution of Comparative Example 11 was used.
実施例1~実施例8の電解液、及び、比較例1~比較例11の電解液に含まれるエーテルの体積比の一覧を表4に示す。
以下の表において、MTHPとは4-メチルテトラヒドロピランの略称であり、G2とはCH3(OCH2CH2)2OCH3の略称であり、G4とはCH3(OCH2CH2)4OCH3の略称であり、DPEとはCH3CH2CH2OCH2CH2CH3の略称であり、BEEとはCH3CH2CH2CH2OCH2CH3の略称であり、HFEとはCHF2CF2OCH2CF2CHF2の略称であり、DMEとは1,2-ジメトキシエタンの略称である。
Table 4 shows a list of the volume ratios of ether contained in the electrolytic solutions of Examples 1 to 8 and the electrolytic solutions of Comparative Examples 1 to 11.
In the table below, MTHP is an abbreviation for 4 -methyltetrahydropyran, G2 is an abbreviation for CH3 ( OCH2CH2 ) 2OCH3 , and G4 is CH3 ( OCH2CH2 ) 4OCH . 3 , DPE is an abbreviation for CH3CH2CH2OCH2CH2CH3 , BEE is an abbreviation for CH3CH2CH2CH2OCH2CH3 , HFE is an abbreviation for CHF 2CF 2 OCH 2 CF 2 CHF 2 and DME is an abbreviation for 1,2 - dimethoxyethane.
(評価例3)
実施例1~実施例8の電解液、及び、比較例1~比較例11の電解液につき、以下の条件で、イオン伝導度を測定した。結果を表5に示す。
<イオン伝導度>
白金極を備えたセルに電解液を封入し、25℃、10kHzでのインピーダンスを測定した。インピーダンスの測定結果から、イオン伝導度を算出した。測定機器はSolartron 147055BEC(ソーラトロン社)を使用した。
(Evaluation example 3)
The ionic conductivity of the electrolytic solutions of Examples 1 to 8 and the electrolytic solutions of Comparative Examples 1 to 11 was measured under the following conditions. Table 5 shows the results.
<Ionic conductivity>
An electrolytic solution was sealed in a cell equipped with a platinum electrode, and impedance was measured at 25° C. and 10 kHz. Ionic conductivity was calculated from the impedance measurement results. Solartron 147055BEC (Solartron) was used as a measuring instrument.
(評価例4)
実施例1~実施例8のリチウムイオン二次電池、及び、比較例1~比較例11のリチウムイオン二次電池に対して、0.5mAの電流で4.35Vまで充電し、10分間の休止後に0.5mAの電流で3.0Vまで放電を行うとの充放電サイクルを20回繰り返した。
以下の式で容量維持率を算出した。
容量維持率(%)=100×(20サイクル目の放電容量)/(1サイクル目の放電容量)
1サイクル目の放電容量及び容量維持率の結果を、評価例3の結果と共に表5に示す。
(Evaluation example 4)
The lithium ion secondary batteries of Examples 1 to 8 and the lithium ion secondary batteries of Comparative Examples 1 to 11 were charged to 4.35 V with a current of 0.5 mA and rested for 10 minutes. After that, the battery was discharged to 3.0 V at a current of 0.5 mA, and the charge-discharge cycle was repeated 20 times.
The capacity retention rate was calculated by the following formula.
Capacity retention rate (%) = 100 × (discharge capacity at 20th cycle) / (discharge capacity at 1st cycle)
Table 5 shows the results of the first cycle discharge capacity and capacity retention rate together with the results of Evaluation Example 3.
表5から、実施例の電解液及びリチウムイオン二次電池は、イオン伝導度、放電容量及び容量維持率のすべてが高水準であるといえる。 From Table 5, it can be said that the electrolytic solutions and the lithium ion secondary batteries of Examples are all at a high level in ion conductivity, discharge capacity and capacity retention rate.
第2エーテル及び第3エーテルを含有しない比較例1の電解液は、イオン伝導度に優れており、かつ、比較例1のリチウムイオン二次電池は、放電容量に優れていたものの、容量維持率の点で著しく劣っていた。
比較例1で用いた1,2-ジメトキシエタンは、粘度が0.41cPであって、低粘度のエーテルであるものの、リチウムイオンに対する配位能(錯体形成能力)の点において第2エーテルには及ばないといえる。この点が、二次電池の容量維持率に反映されたと考えられる。
The electrolytic solution of Comparative Example 1 containing no secondary ether and tertiary ether was excellent in ionic conductivity, and the lithium ion secondary battery of Comparative Example 1 was excellent in discharge capacity, but the capacity retention rate was was significantly inferior in terms of
1,2-dimethoxyethane used in Comparative Example 1 has a viscosity of 0.41 cP and is a low-viscosity ether. It can be said that it does not reach. It is considered that this point was reflected in the capacity retention rate of the secondary battery.
第3エーテルの量が多い比較例2~比較例5の電解液及びリチウムイオン二次電池は、イオン伝導度、放電容量及び容量維持率の3パラメータのうち、1、2又は3パラメータにおいて、実施例の電解液及びリチウムイオン二次電池よりも、劣っていた。
第3エーテルの量が過大であれば、電池性能に悪影響を与えるといえる。
The electrolytic solutions and lithium-ion secondary batteries of Comparative Examples 2 to 5, which have a large amount of the third ether, were implemented in 1, 2, or 3 parameters out of the 3 parameters of ionic conductivity, discharge capacity, and capacity retention rate. It was inferior to the electrolytic solution and the lithium ion secondary battery of the example.
If the amount of the tertiary ether is excessive, it can be said to have an adverse effect on battery performance.
6員環の環状エーテル及び第3エーテルを含有しない比較例6の電解液は、イオン伝導度に優れていたものの、比較例6のリチウムイオン二次電池は、放電容量及び容量維持率の点で著しく劣っていた。
6員環の環状エーテルを含有しない比較例7の電解液は、イオン伝導度に優れていたものの、比較例7のリチウムイオン二次電池は容量維持率の点で著しく劣っていた。
第2エーテルを含有しない比較例8の電解液及びリチウムイオン二次電池は、イオン伝導度、放電容量及び容量維持率の3パラメータすべてが劣っていた。
6員環の環状エーテル及び第3エーテルを含有しない比較例9の電解液及びリチウムイオン二次電池は、イオン伝導度、放電容量及び容量維持率の3パラメータすべてが劣っていた。
6員環の環状エーテルを含有しない比較例10の電解液及びリチウムイオン二次電池は、イオン伝導度、放電容量及び容量維持率の3パラメータすべてが劣っていた。
Although the electrolytic solution of Comparative Example 6 containing no six-membered ring cyclic ether and tertiary ether was excellent in ionic conductivity, the lithium ion secondary battery of Comparative Example 6 was superior in terms of discharge capacity and capacity retention rate. was significantly inferior.
Although the electrolytic solution of Comparative Example 7 containing no six-membered cyclic ether was excellent in ionic conductivity, the lithium ion secondary battery of Comparative Example 7 was significantly inferior in terms of capacity retention rate.
The electrolytic solution and lithium ion secondary battery of Comparative Example 8 containing no second ether were inferior in all three parameters of ionic conductivity, discharge capacity and capacity retention rate.
The electrolytic solution and the lithium ion secondary battery of Comparative Example 9, which did not contain a 6-membered ring cyclic ether and a tertiary ether, were inferior in all three parameters of ionic conductivity, discharge capacity, and capacity retention rate.
The electrolytic solution and the lithium ion secondary battery of Comparative Example 10 containing no six-membered cyclic ether were inferior in all three parameters of ionic conductivity, discharge capacity and capacity retention rate.
以上の比較例6~比較例10の結果から、電解液における6員環の環状エーテル、第2エーテル及び第3エーテルの存在が、電解液及び二次電池の性能を好適化していることがわかる。 From the results of Comparative Examples 6 to 10 above, it can be seen that the presence of the six-membered ring cyclic ether, secondary ether, and tertiary ether in the electrolytic solution optimizes the performance of the electrolytic solution and the secondary battery. .
6員環の環状エーテルの量が多く、第2エーテルの量が少ない比較例11の電解液を備える比較例11のリチウムイオン二次電池は、放電容量に劣っていた。 The lithium-ion secondary battery of Comparative Example 11, which had the electrolytic solution of Comparative Example 11 in which the amount of the 6-membered ring cyclic ether was large and the amount of the second ether was small, was inferior in discharge capacity.
以上の結果から、電解液における6員環の環状エーテル、第2エーテル及び第3エーテルの割合に因り、電解液及び二次電池の性能が左右されることがわかる。
そして、6員環の環状エーテルの体積、第2エーテルの体積及び第3エーテルの体積の合計に対して、6員環の環状エーテルの体積が30~80体積%であり、第2エーテルの体積が15~60体積%であり、第3エーテルの体積が1~15体積%である電解液を用いることで、好適な二次電池を提供できるといえる。
From the above results, it can be seen that the performance of the electrolyte and the secondary battery is affected by the proportions of the six-membered ring cyclic ether, the secondary ether and the tertiary ether in the electrolyte.
Then, the volume of the 6-membered cyclic ether is 30 to 80% by volume relative to the total volume of the 6-membered cyclic ether, the volume of the second ether, and the volume of the third ether, and the volume of the second ether is 15 to 60% by volume and the volume of the tertiary ether is 1 to 15% by volume, it can be said that a suitable secondary battery can be provided.
Claims (4)
前記環状エーテルの体積、前記第2エーテルの体積及び前記第3エーテルの体積の合計に対して、前記環状エーテルの体積が30~80体積%であり、前記第2エーテルの体積が15~60体積%であり、前記第3エーテルの体積が1~15体積%であることを特徴とする電解液。
一般式(A) R1(OCH2CH2)nOR2
R1及びR2はそれぞれ独立にフッ素で置換されていてもよい炭素数1~6のアルキル基である。R1及びR2は互いに結合して環を形成していてもよい。nは2以上の整数である。
一般式(B) R3OR4
R3及びR4はそれぞれ独立にフッ素で置換されていてもよい炭素数1~6のアルキル基である。 An electrolyte, a 6-membered cyclic ether optionally substituted with an alkyl group, a second ether represented by the following general formula (A), and a chain-like third ether represented by the following general formula (B) containing an ether and
The volume of the cyclic ether is 30 to 80% by volume, and the volume of the second ether is 15 to 60%, based on the total volume of the cyclic ether, the volume of the second ether, and the volume of the third ether. %, and the volume of the third ether is 1 to 15% by volume.
General formula (A) R 1 (OCH 2 CH 2 ) n OR 2
R 1 and R 2 are each independently an optionally fluorine-substituted alkyl group having 1 to 6 carbon atoms. R 1 and R 2 may combine with each other to form a ring. n is an integer of 2 or more.
General formula (B) R 3 OR 4
R 3 and R 4 are each independently an optionally fluorine-substituted alkyl group having 1 to 6 carbon atoms.
前記環状エーテルの体積、前記第2エーテルの体積及び前記第3エーテルの体積の合計に対して、前記環状エーテルの体積が40~60体積%であり、前記第2エーテルの体積が30~55体積%であり、前記第3エーテルの体積が5~10体積%であることを特徴とする電解液。
一般式(A) R1(OCH2CH2)nOR2
R1及びR2はそれぞれ独立にフッ素で置換されていてもよい炭素数1~6のアルキル基である。R1及びR2は互いに結合して環を形成していてもよい。nは2以上の整数である。
一般式(B) R3OR4
R3及びR4はそれぞれ独立にフッ素で置換されていてもよい炭素数1~6のアルキル基である。 An electrolyte, a 6-membered cyclic ether optionally substituted with an alkyl group, a second ether represented by the following general formula (A), and a chain-like third ether represented by the following general formula (B) containing an ether and
With respect to the sum of the volume of the cyclic ether, the volume of the second ether and the volume of the third ether, the volume of the cyclic ether is 40 to 60% by volume, and the volume of the second ether is 30 to 55 volumes. %, and the volume of the third ether is 5 to 10% by volume .
General formula (A) R 1 (OCH 2 CH 2 ) n OR 2
R 1 and R 2 are each independently an optionally fluorine-substituted alkyl group having 1 to 6 carbon atoms. R 1 and R 2 may combine with each other to form a ring. n is an integer of 2 or more.
General formula (B) R 3 OR 4
R 3 and R 4 are each independently an optionally fluorine-substituted alkyl group having 1 to 6 carbon atoms.
前記正極が、正極活物質として、層状岩塩構造のリチウム複合金属酸化物、スピネル構造の金属酸化物、スピネル構造の金属酸化物と層状化合物の混合物で構成される固溶体、ポリアニオン系化合物、タボライト系化合物、又はボレート系化合物を具備する、二次電池。 A positive electrode, a negative electrode, and the electrolytic solution according to claim 1 or 2 ,
The positive electrode includes, as a positive electrode active material, a lithium mixed metal oxide with a layered rock salt structure, a metal oxide with a spinel structure, a solid solution composed of a mixture of a metal oxide with a spinel structure and a layered compound, a polyanion compound, and a taborite compound. , or a secondary battery comprising a borate compound .
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