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CN111342127A - 锂二次电池用电解液和锂二次电池 - Google Patents

锂二次电池用电解液和锂二次电池 Download PDF

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CN111342127A
CN111342127A CN201911278764.6A CN201911278764A CN111342127A CN 111342127 A CN111342127 A CN 111342127A CN 201911278764 A CN201911278764 A CN 201911278764A CN 111342127 A CN111342127 A CN 111342127A
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CN
China
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lithium secondary
secondary battery
electrolyte
electrolyte solution
mass
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Application number
CN201911278764.6A
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浅野洋人
近藤亲平
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Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
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Publication date
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Abstract

本发明提供能够使锂二次电池低电阻化、并且抑制高温下的锂二次电池的特性劣化的锂二次电池用电解液。在此公开的锂二次电池用电解液、含有下述式(1)所表示的化合物0.05质量%以上且2.0质量%以下(式中,M+表示季铵阳离子或含氮杂芳香环阳离子,R1表示可以插入醚氧的碳原子数为1~5的烷基。)。
Figure DDA0002316086890000011

Description

锂二次电池用电解液和锂二次电池
技术领域
本发明涉及锂二次电池用电解液。本发明此外还涉及具有该电解液的锂二次电池。
背景技术
近年来锂二次电池被很好地用于笔记本电脑、便携终端等的可移动电源、电动汽车(EV)、混合动力汽车(HV)、插电式混合动力汽车(PHV)等的车辆驱动用电源、电力存储用电源等。
锂二次电池,随着其普及,期待进一步高性能化。作为高性能化的一对策,可以列举出电解液的改良。作为例子,在专利文献1中记载了,通过在电解液中添加氟磺酸四乙基铵等氟磺酸盐,初期充电容量和输入输出特性提高。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本专利申请公开第2011-187440号公报
发明内容
但是,本发明人进行了深入研究,结果发现,上述现有技术有以下问题:初期电阻的低电阻化不充分,而且如果长期间高温下放置,则电池特性降低。
鉴于上述情况,本发明的目的是提供使锂二次电池低电阻化、并且能够抑制高温下锂二次电池的特性劣化的锂二次电池用电解液。
这里公开的锂二次电池用电解液含有下述式(1)所表示的化合物0.05质量%以上且2.0质量%以下。
Figure BDA0002316086870000021
(式中,M+表示季铵阳离子或含氮杂芳香环阳离子,R1表示可以插入醚氧的碳原子数为1~5的烷基。)
通过这样的构造,能够提供使锂二次电池低电阻化、并且抑制高温下的锂二次电池的特性劣化的锂二次电池用电解液。
这里公开的锂二次电池用电解液的一优选方案,所述式(1)所表示的化合物是选自1-乙基-3-甲基咪唑
Figure BDA0002316086870000022
甲基硫酸盐、1-乙基-3-甲基咪唑
Figure BDA0002316086870000023
乙基硫酸盐、1,3-二甲基咪唑
Figure BDA0002316086870000024
甲基硫酸盐、和1-丁基-3-甲基咪唑
Figure BDA0002316086870000025
甲基硫酸盐中的至少1种。
这样本发明的效果变得更高。
这里公开的锂二次电池用电解液的一优选方案,所述式(1)所表示的化合物的含量是0.5质量%以上且1.0质量%以下。
这样本发明的效果变得更高。
这里公开的锂二次电池具有上述锂二次电池用电解液。
通过这样构造,能够提供初期电阻低、并且高温下特性劣化得到抑制的锂二次电池。
附图说明
图1是使用本发明的一实施方式的锂二次电池用电解液而得到的锂二次电池的内部结构的示意性截面图。
图2是图1的锂二次电池的卷绕电极体的构造的模式图。
附图符号说明
20 卷绕电极体
30 电池壳
36 安全阀
42 正极端子
42a 正极集电板
44 负极端子
44a 负极集电板
50 正极片(正极)
52 正极集电体
52a 正极活性物质层未形成部分
54 正极活性物质层
60 负极片(负极)
62 负极集电体
62a 负极活性物质层未形成部分
64 负极活性物质层
70 隔板片(隔板)
80 电解液
100 锂二次电池
具体实施方式
下面,对本发明的实施方式予以说明。再者,对于本发明的实施所需要的事项,如果没有在本说明书中特别提及(例如,没有给本发明带来特点的非水系电解液的通常的构造和制造工艺),则可以作为本领域技术人员能够基于本领域的现有技术进行设计的事项来理解。本发明可以基于本说明书公开的内容和该领域中的技术常识来实施。
再者,本说明书中“二次电池”是指能够反复充放电的蓄电器件的总称,是包括所谓的蓄电池以及双电层电容器等的蓄电元件的词语。
此外,本说明书中“锂二次电池”是指利用锂离子作为电荷载体,通过电荷在正负极间中随着锂离子而移动来实现充放电的二次电池。
本实施方式的锂二次电池用电解液含下述式(1)所表示的化合物0.05质量%以上且2.0质量%以下。如下述式(1)所示,下述式(1)所表示的化合物是由M+所表示的阳离子和由R1OSO3 -所表示的阳离子形成的盐。
Figure BDA0002316086870000041
式(1)中,M+表示季铵阳离子或含氮杂芳香环阳离子,R1表示可以插入醚氧的碳原子数为1~5的烷基。
上述式(1)所表示的化合物包含被称作离子液体的物质。已经知道了,离子液体可以作为锂二次电池用电解液的非水溶剂使用。但是,本发明人等进行了深入研究,结果发现通过将上述式(1)所表示的化合物作为添加剂少量配合到锂二次电池用电解液中,能够使使用该电解液而得的锂二次电池低电阻化,并且能够抑制高温下的锂二次电池的特性劣化。
能够得到这样显著有利效果的理由尚不确定,但本发明人对使用该电解液的锂二次电池进行了各种分析,结果在XPS测定中确认了、在电极表面形成的被膜中存在来自R1OSO3 -所表示的阴离子的SOx。另一方面,在XPS测定中、没有发现在电极表面形成的被膜中有来自阳离子的元素。由此可以认为,通过将上述式(1)所表示的化合物以添加剂的形式少量用于锂二次电池用电解液中,在电极上适量引进来自R1OSO3 -所表示的阴离子的SOx而形成被改性了的杂化被膜,由此能够使锂二次电池低电阻化,并且抑制高温下的锂二次电池的特性劣化。
在M+是季铵阳离子时,该季铵阳离子表示N(R2)4 +。这里,R2分别优选表示碳原子数为1~12的烷基,或者2个R2彼此结合,与结合的氮原子一起形成杂环。
R2所表示的碳原子数为1~12的烷基可以是直链状、支化状和环状中的任一种,作为例子,可以列举出甲基、乙基、丙基、异丙基、丁基、异丁基、叔丁基、戊基、异戊基、叔戊基、己基、环己基、庚基、2-乙基己基、辛基、壬基、异壬基、癸基、十一烷基、十二烷基等。其中,R2优选碳原子数为1~6的烷基,更优选碳原子数为1~4的烷基。
在2个R2彼此结合,与所结合的氮原子一起形成杂环的情况,作为该杂环的例子可以列举出亚乙基亚胺环、氮杂环丁环、吡咯烷环、哌啶环、六亚甲基亚胺环、七亚甲基亚胺环、八亚甲基亚胺环等,尤其优选吡咯烷环和哌啶环,更优选吡咯烷环。该杂环可以形成2个,优选形成1个该杂环,剩下的2个R2是碳原子数为1~6(特别是碳原子数为1~4)的烷基。
在M+是含氮杂芳香环阳离子时,作为该含氮杂芳香环的例子,可以列举出吡咯环、吡啶环、嘧啶环、吡嗪环、N被取代的咪唑环、N被取代的吡唑环、N被取代的三唑环等。在含氮杂芳香环的N被取代时,优选用碳原子数为1~6的烷基取代N,更优选用碳原子数为1~4的烷基取代N。该碳原子数为1~6的烷基可以是直链状、支化状和环状中的任一种,作为例子,可以列举出甲基、乙基、丙基、异丙基、丁基、异丁基、叔丁基、戊基、异戊基、叔戊基、己基、环己基等。
M+优选是具有4个碳原子数为1~4的烷基的铵阳离子、具有2个碳原子数为1~4的烷基的吡咯烷
Figure BDA0002316086870000061
阳离子、和被碳原子数为1~6的烷基取代的咪唑
Figure BDA0002316086870000062
阳离子。尤其是由于锂二次电池的低电阻化效果特别高,更优选是被碳原子数为1~6的烷基取代的咪唑
Figure BDA0002316086870000063
阳离子,进而优选是被碳原子数为1~4的烷基取代的咪唑
Figure BDA0002316086870000064
阳离子。
插入到R1所表示的碳原子数为1~5的烷基中的醚氧的个数,没有特殊限定,优选是2个以下。该碳原子数为1~5的烷基可以是直链状,也可以是支化状,作为例子可以列举出甲基、乙基、丙基、异丙基、丁基、异丁基、叔丁基、戊基、异戊基、叔戊基、甲氧基甲基、甲氧基乙基、乙氧基甲基、乙氧基乙基、二甲氧基甲基、甲基二(氧亚乙基)基等。由于本发明的效果特别高,R1优选是甲基或乙基,更优选是甲基。
本实施方式的锂二次电池用电解液,可以含有上述式(1)的范围内的化合物1种,也可以含有2种以上。由于可以特别高水平地发挥本发明的效果,特别优选上述式(1)所表示的化合物是选自1-乙基-3-甲基咪唑
Figure BDA0002316086870000065
甲基硫酸盐、1-乙基-3-甲基咪唑
Figure BDA0002316086870000066
乙基硫酸盐、1,3-二甲基咪唑
Figure BDA0002316086870000067
甲基硫酸盐、和1-丁基-3-甲基咪唑
Figure BDA0002316086870000068
甲基硫酸盐中的至少1种。
本实施方式的锂二次电池用电解液中的上述式(1)所表示的化合物的含量是0.05质量%以上且2.0质量%以下。该含量小于0.05质量%时,锂二次电池的初期电阻变高,此外,变得不能充分抑制高温下电池特性的劣化。该含量优选为0.5质量%以上。另一方面,在该含量高于2.0质量%时,锂二次电池的初期电阻变大,此外,变得不能充分抑制高温下容量的劣化。该含量优选为1.0质量%以下。
本实施方式的锂二次电池用电解液通常含有非水溶剂和支持电解质。
非水溶剂,可以使用作为锂二次电池用电解液的非水溶剂使用的公知的非水溶剂,作为其具体例可以列举出碳酸酯类、醚类、酯类、腈类、砜类、内酯类等。其中优选碳酸酯类。作为碳酸酯类的例子,可以列举出碳酸亚乙酯(EC)、碳酸亚丙酯(PC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸甲乙酯(EMC)等。这些可以1种单独使用,或2种以上组合使用。
支持电解质可以使用作为锂二次电池用电解液的支持电解质使用的公知的支持电解质,作为具体例可以列举出LiPF6、LiBF4、双(氟磺酰)亚胺锂(LiFSI)、双(三氟甲磺酰)亚胺锂(LiTFSI)等。电解液中的支持电解质的浓度,没有特殊限定,为例如0.5mol/L以上且5mol/L以下,优选为0.7mol/L以上且2.5mol/L以下,更优选为0.7mol/L以上且1.5mol/L以下。
本实施方式的锂二次电池用非水电解液,在不显著破坏本发明的效果的限度内可以含有其他成分。作为其他成分的例子,可以列举出联苯(BP)、环己基苯(CHB)等的气体发生剂;被膜形成剂;分散剂;增稠剂等。
本实施方式的锂二次电池用电解液,可以通过将上述成分按照公知方法混合来调制。
本实施方式的锂二次电池用电解液可以按照公知方法用于锂二次电池。
根据本实施方式公开的锂二次电池用电解液,能够使锂二次电池低电阻化,并且抑制高温下的锂二次电池的特性劣化。
在此从另一个侧面,本公开的锂二次电池是具有上述本实施方式的锂二次电池用电解液的二次电池。
作为一个例子,下面参照附图来说明具有本实施方式的锂二次电池用电解液的锂二次电池的概略构造。以下附图中,对于发挥相同作用的零件和部位标记相同的符号进行说明。此外,各图中的尺寸关系(长度、宽度、厚度等)并不反映实际的尺寸关系。
图1所示的锂二次电池100是通过将扁平形状的卷绕电极体20和电解液80装入扁平方形的电池壳(即外装容器)30中而构建的密闭型电池。电池壳30上设置了外部连接用的正极端子42和负极端子44,以及为了在电池壳30的内压提高到规定水平以上时将该内压释放出去而设定的薄薄的安全阀36。此外,电池壳30上设置了用于注入电解液80的注入口(图中未示出)。正极端子42与正极集电板42a电连接。负极端子44与负极集电板44a电连接。作为电池壳30的材质,可以使用例如,铝等重量轻且热传导性好的金属材料。
卷绕电极体20,如图1和图2所示,具有以下形态:在长条状的正极集电体52的一面或两面(这里是两面)沿着长度方向形成正极活性物质层54而得的正极片50、以及在长条状的负极集电体62的一面或两面(这里是两面)沿着长度方向形成负极活性物质层64而得的负极片60隔着2枚长条状的隔板片70重合,并沿着长度方向卷绕。再者,在从卷绕电极体20的卷绕轴向(即、与上述长度方向正交的片宽度方向)的两端向外伸出而形成的正极活性物质层未形成部分52a(即、没有形成正极活性物质层54而使得正极集电体52露出的部分)和负极活性物质层未形成部分62a(即、没有形成负极活性物质层64而使得负极集电体62露出的部分)上分别接合了正极集电板42a和负极集电板44a。
正极片50和负极片60,可以使用在现有的锂二次电池中使用的同样的,没有特殊限定。下面示出了一个典型方案。
作为构建正极片50的正极集电体52,可以列举出例如铝箔等。作为正极活性物质层54中含有的正极活性物质可以列举出例如锂过渡金属氧化物(例如LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2、LiNiO2、LiCoO2、LiFeO2、LiMn2O4、LiNi0.5Mn1.5O4等)、锂过渡金属磷酸化合物(例如LiFePO4等)等。正极活性物质层54中可以含有活性物质以外的成分,例如导电剂、粘合剂等。作为导电剂可以很好地使用例如乙炔黑(AB)等的炭黑、或其他碳材料(例如石墨等)。作为粘合剂可以使用例如聚1,1-二氟乙烯(PVDF)等。
作为构成负极片60的负极集电体62,可以列举出例如铜箔等。作为负极活性物质层64中含有的负极活性物质,可以使用例如石墨、硬碳、软碳等碳材料。其中优选石墨。石墨可以是天然石墨,也可以是人工石墨,也可以由非晶质碳材料包覆。负极活性物质层64中可以含有活性物质以外的成分,例如粘合剂、增稠剂等。作为粘合剂,可以使用例如苯乙烯丁二烯橡胶(SBR)等。作为增稠剂,可以使用例如羧甲基纤维素(CMC)等。
作为隔板70可以很好的使用聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)等聚烯烃制的多孔性片(膜)。该多孔性片可以是单层结构,也可以是二层以上的层叠结构(例如,在PE层的两面层叠PP层而成的三层结构)。隔板70的表面上可以设置耐热层(HRL)。
隔板70的通过格雷法(gurley)试验法得到的透气度,没有特殊限定,优选为350秒/100cc以下。
电解液80使用上述本实施方式的锂二次电池用电解液。再者,图1并没有严格地示出注入到电池壳30内的电解液80的量。
以上那样构成的锂二次电池100能够用于各种用途。作为优选的用途,可以列举出电动汽车(EV)、混合动力汽车(HV)、插电式混合动力汽车(PHV)等车辆上搭载的驱动用电源。锂二次电池100典型地、可以以多个串联和/或并联连接而成的电池组的形态使用。
再者,作为例子,对具有扁平形状的卷绕电极体20的方形的锂二次电池100予以说明。但是,锂二次电池可以构建为具有层叠型电极体的锂二次电池。此外,锂二次电池可以构建为圆筒形锂二次电池、层压型锂二次电池等。
下面对本发明的实施例予以说明,但本发明不受这些实施例限定。
<电解液的制作>
作为非水溶剂准备将碳酸亚乙酯(EC)、碳酸二甲酯(DMC)和碳酸甲乙酯(EMC)以30:40:30的体积比含有而成的混合溶剂。在该混合溶剂中以1.0mol/L的浓度溶解支持电解质LiPF6,进而以表1所示含量溶解表1所述的添加剂,从而制作各实施例和各比较例的电解液。
<评价用锂二次电池的制作>
将作为正极活性物质粉末的LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2(LNCM)、作为导电剂的乙炔黑(AB)、作为粘合剂的聚1,1-二氟乙烯(PVdF)以LNCM:AB:PVdF=87:10:3的质量比与N-甲基吡咯烷酮(NMP)混合而调制正极活性物质层形成用浆液。将该浆液涂布在铝箔上干燥而制作正极片。
将作为负极活性物质的平均粒径20μm的天然石墨系碳材(C)、作为粘合剂的苯乙烯丁二烯橡胶(SBR)、作为增稠剂的羧甲基纤维素(CMC)以C:SBR:CMC=98:1:1的质量比与离子交换水混合而调制负极活性物质层形成用浆液。将该浆液涂布在铜箔上干燥而制作负极片。
此外,作为隔板,准备通过格雷试验法得到的透气度为300秒/100cc的、具有PP/PE/PP的三层结构的聚烯烃多孔质膜。
使制作的正极片和负极片隔着隔板而对置,制作出电极体。
在该制作的电极体上安装集电体,然后与上述制作的电解液一起装入层压壳中密封。像这样制作出具有各实施例和各比较例的电解液的评价用锂二次电池。
<活化处理>
将上述制作的各评价用锂二次电池放入25℃的恒温槽内。将各评价用锂二次电池以0.3C的电流值恒流充电到4.10V,然后以0.3C的电流值恒流放电到3.00V。反复进行3次该充放电。
<初期特性评价>
将该上述活化后的各评价用锂二次电池放入25℃的恒温槽内。将各评价用锂二次电池以0.2C的电流值恒流充电到4.10V,然后恒压充电到电流值为1/50C,成为满充电状态(SOC100%)。然后以0.2C的电流值恒流放电到3.00V。测定此时的放电容量,将其作为初期容量。
此外,将上述活化后的各评价用锂二次电池放入25℃的恒温槽内,以0.3C的电流值恒流充电到SOC50%。然后以5C、15C、30C、45C的电流值放电10秒,测定各电池电压。以电流值作为横轴、电压值作为纵轴,将各电流值和各电压值作图,根据一次近似直线的斜率求出IV电阻。将该IV电阻作为初期电阻。计算出将比较例1的初期电阻作为100时的、各实施例和其它比较例的初期电阻的比值。将得到的比值示于表1。
<高温保存试验>
将上述各评价用锂二次电池以0.3C的电流值充电到SOC100%,然后在60℃的恒温槽内保存1个月。然后用与上述同样的方法测定各评价用锂二次电池的放电容量,求出此时的放电容量作为高温保存后的电池容量。根据(高温保存后的电池容量/初期容量)×100求出容量维持率(%)。
此外,用与上述相同的方法测定各评价用锂二次电池的IV电阻(高温保存后的电池电阻)。根据{(高温保存后的电阻/初期电阻)-1}×100求出电阻增加率(%)。将这些结果示于表1。
表1
Figure BDA0002316086870000121
·电解液添加剂的阳离子种类
EMIm:1-乙基-3-甲基咪唑
Figure BDA0002316086870000122
DMIm:l,3-二甲基咪唑
Figure BDA0002316086870000123
BMIm:1-丁基-3-甲基咪唑
Figure BDA0002316086870000124
PYR13:N-甲基-N-丙基吡咯烷
Figure BDA0002316086870000125
TEA:四乙基铵
·电解液添加剂的阳离子种类
MSfa:CH3OSO3 -
ESfa:CH3CH2OSO3 -
MEESfa:CH3(OCH2CH2)2OSO3 -
FSI:(FSO2)2N-
PF6:PF6 -
HSfa:HSO4 -
MS:CH3SO3 -
TFMS:CF3SO3 -
比较例1是不含添加剂的以往通常使用的电解液的例子。相对于比较例1,作为添加剂含有上述式(1)所表示的化合物0.05质量%以上且2.0质量%以下的各实施例的电解液,初期电阻和高温保存后的电阻增加率低,高温保存后的容量维持率高。
比较例2~4,在电解液中配合了阳离子种类不是上述式(1)的阳离子(R1OSO3 -)的添加剂。比较例2和3的电解液,与各实施例的电解液相比,初期电阻和高温保存后的电阻增加率高、高温保存后的容量维持率低。此外,与比较例1相比,初期电阻和高温下的特性劣化耐性恶化。比较例4,阳离子的结构与上述式(1)的阳离子(R1OSO3 -)类似,尽管可以抑制高温保存后的电阻增加,但容量维持率低、不能改善高温下的容量劣化耐性。比较例5~6也同样,尽管能够抑制高温保存后的电阻增加,但容量维持率低、不能改善高温下的容量劣化耐性。
此外,比较例7,减少了上述式(1)所表示的化合物的添加量,不能改善初期电阻和高温下的特性劣化耐性。与实施例1~5的结果一起总结就可以知道,上述式(1)所表示的化合物仅仅在特定的含量范围时才能发挥所希望的效果。
此外,通过实施例6~11的结果可以知道,在上述式(1)所表示的化合物的范围内改变添加剂的种类,也能够得到所希望的效果。
根据以上实验可以知道,通过本实施方式的锂二次电池用电解液,能够使锂二次电池低电阻化、并且抑制高温下的锂二次电池的特性劣化。
以上对本发明的具体例进行了具体说明,但这些仅是举例,并不用来限定权利要求的保护范围。权利要求中记载的技术包括对以上的具体例的变形、改变。

Claims (4)

1.一种锂二次电池用电解液,其特征在于,含有下述式(1)所表示的化合物0.05质量%以上且2.0质量%以下,
Figure FDA0002316086860000011
式中,M+表示季铵阳离子或含氮杂芳香环阳离子,R1表示可以插入醚氧的碳原子数为1~5的烷基。
2.如权利要求1所述的锂二次电池用电解液,所述式(1)所表示的化合物是选自1-乙基-3-甲基咪唑
Figure FDA0002316086860000012
甲基硫酸盐、1-乙基-3-甲基咪唑
Figure FDA0002316086860000013
乙基硫酸盐、1,3-二甲基咪唑
Figure FDA0002316086860000014
甲基硫酸盐、和1-丁基-3-甲基咪唑
Figure FDA0002316086860000015
甲基硫酸盐中的至少1种。
3.如权利要求1或2所述的锂二次电池用电解液,所述式(1)所表示的化合物的含量是0.5质量%以上且1.0质量%以下。
4.一种锂二次电池,其特征在于,具有权利要求1~3中任一项所述的锂二次电池用电解液。
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