JP4993159B2 - Secondary battery - Google Patents
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Description
本発明は、電解質にハロゲン化合物を含む二次電池に関する。 The present invention relates to a secondary battery containing a halogen compound in an electrolyte.
近年、携帯電話,PDA(Personal DigitalAssistant ;個人用携帯型情報端末機器)あるいはノート型コンピュータに代表される携帯型電子機器の小型化、軽量化が精力的に進められ、その一環として、それらの駆動電源である電池、特に二次電池のエネルギー密度の向上が強く望まれている。高エネルギー密度を得ることができる二次電池としては、負極に炭素材料などのリチウム(Li)を吸蔵および放出することが可能な材料を用いたリチウムイオン二次電池が商品化され、市場が拡大している。 In recent years, mobile electronic devices such as mobile phones, PDAs (Personal Digital Assistants) or notebook computers have been energetically reduced in size and weight, and as part of that, driving them Improvement of the energy density of a battery as a power source, particularly a secondary battery is strongly desired. As a secondary battery capable of obtaining a high energy density, a lithium-ion secondary battery using a material capable of inserting and extracting lithium (Li) such as a carbon material into the negative electrode has been commercialized, and the market has expanded. is doing.
また、高エネルギー密度を得ることができる二次電池としては、負極にリチウム金属を用い、負極反応にリチウム金属の析出および溶解反応のみを利用したリチウム金属二次電池がある。リチウム金属二次電池は、リチウム金属の理論電気化学当量が2054mAh/cm3 と大きく、リチウムイオン二次電池で用いられる黒鉛の2.5倍にも相当するので、リチウムイオン二次電池を上回る高いエネルギー密度を得られるものと期待されている。これまでも、多くの研究者等によりリチウム金属二次電池の実用化に関する研究開発がなされている(例えば、非特許文献1参照。)。 As a secondary battery capable of obtaining a high energy density, there is a lithium metal secondary battery that uses lithium metal for the negative electrode and uses only precipitation and dissolution reactions of lithium metal for the negative electrode reaction. Lithium metal secondary batteries have a large theoretical electrochemical equivalent of 2054 mAh / cm 3 of lithium metal, which is equivalent to 2.5 times that of graphite used in lithium ion secondary batteries, so it is higher than lithium ion secondary batteries. The energy density is expected to be obtained. Until now, research and development regarding practical application of lithium metal secondary batteries has been made by many researchers and the like (for example, see Non-Patent Document 1).
更に、最近では負極の容量がリチウムの吸蔵および放出による容量成分と、リチウムの析出および溶解による容量成分とを含み、かつその和により表される二次電池が開発されている(例えば、特許文献1参照。)。これは、負極にリチウムを吸蔵および放出することが可能な炭素材料を用い、充電の途中においてその炭素材料の表面にリチウムを析出させるようにしたものである。この二次電池によれば、リチウム金属二次電池と同様に高エネルギー密度を達成させることが期待できる。 Furthermore, recently, a secondary battery has been developed in which the capacity of the negative electrode includes a capacity component due to insertion and extraction of lithium and a capacity component due to precipitation and dissolution of lithium, and is represented by the sum thereof (for example, Patent Documents). 1). In this method, a carbon material capable of inserting and extracting lithium is used for the negative electrode, and lithium is deposited on the surface of the carbon material during charging. According to this secondary battery, it can be expected to achieve a high energy density as in the case of the lithium metal secondary battery.
これらのリチウム二次電池では、従来より、サイクル特性などの電池特性を向上させる目的で、電解質に2種以上の溶媒を混合して用いたり、またはハロゲン化した化合物などを用いることが検討されていた(例えば、特許文献2,3参照。)。
しかしながら、リチウム金属二次電池、または負極の容量がリチウムの吸蔵および放出による容量成分と、リチウムの析出および溶解による容量成分とを含み、かつその和により表される二次電池においては、負極の反応性が高いので、従来の手段ではその効果が必ずしも十分とはいえず、更なる改善が望まれていた。 However, in a secondary battery in which the capacity of a lithium metal secondary battery or a negative electrode includes a capacity component due to insertion and extraction of lithium and a capacity component due to lithium precipitation and dissolution, and is represented by the sum thereof, Since the reactivity is high, the effect is not always sufficient by the conventional means, and further improvement has been desired.
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、充放電効率を向上させることによりサイクル特性を向上させることができる二次電池を提供することにある。 This invention is made | formed in view of this problem, The objective is to provide the secondary battery which can improve cycling characteristics by improving charging / discharging efficiency.
本発明による第1の二次電池は、正極および負極と共に電解質を備えたものであって、負極活物質としてリチウム金属を用い、電解質は、4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンと、化1に示したハロゲン化炭酸エステルとを含む溶媒を含有し、溶媒におけるハロゲン化炭酸エステルの含有量は、0.1体積%以上30体積%以下の範囲内であるものである。 A first secondary battery according to the present invention includes an electrolyte together with a positive electrode and a negative electrode, uses lithium metal as a negative electrode active material, and the electrolyte includes 4-fluoro-1,3-dioxolan-2-one. In addition, a solvent containing a halogenated carbonate represented by Chemical Formula 1 is contained , and the content of the halogenated carbonate in the solvent is in the range of 0.1% by volume to 30% by volume .
本発明による第2の二次電池は、正極および負極と共に電解質を備えたものであって、負極の容量は、軽金属の吸蔵および放出による容量成分と、軽金属の析出および溶解による容量成分とを含み、かつその和で表され、電解質は、4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンと、化2に示したハロゲン化炭酸エステルとを含む溶媒を含有し、溶媒におけるハロゲン化炭酸エステルの含有量は、0.1体積%以上30体積%以下の範囲内であるものである。 A second secondary battery according to the present invention includes an electrolyte together with a positive electrode and a negative electrode, and the capacity of the negative electrode includes a capacity component due to insertion and extraction of light metal and a capacity component due to precipitation and dissolution of light metal. And the electrolyte contains a solvent containing 4-fluoro-1,3-dioxolan-2-one and the halogenated carbonate shown in Chemical Formula 2, and the electrolyte of the halogenated carbonate in the solvent The content is within the range of 0.1 volume% or more and 30 volume% or less .
本発明の第1あるいは第2の二次電池によれば、電解質に4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンと、化1,化2に示したハロゲン化炭酸エステルとを含み、溶媒におけるハロゲン化炭酸エステルの含有量を0.1体積%以上30体積%以下の範囲内にしたので、負極における溶媒の分解反応を抑制することができる。よって、負極における充放電効率が向上し、サイクル特性を向上させることができる。 According to the first or the second secondary battery of the present invention, viewed contains a 4-fluoro-1,3-dioxolan-2-one in the electrolyte, of 1, and a halogenated carbonate represented by Chemical Formula 2, Since the content of the halogenated carbonate in the solvent is in the range of 0.1 volume% or more and 30 volume% or less, the decomposition reaction of the solvent in the negative electrode can be suppressed. Therefore, the charge / discharge efficiency in the negative electrode is improved, and the cycle characteristics can be improved.
また、溶媒における化1,化2に示したハロゲン化炭酸エステルの含有量を0.1体積%以上20体積%以下の範囲内にするようにすれば、より高い効果を得ることができる。 Further, if the content of the halogenated carbonate shown in Chemical Formula 1 and Chemical Formula 2 in the solvent is within the range of 0.1% by volume or more and 20% by volume or less, a higher effect can be obtained.
更に、電解質にLiPF6 と、LiBF4 ,LiClO4 ,LiAsF6 ,LiB(OCOCF3 )4 ,LiB(OCOC2 F5 )4 ,LiN(Cm F2m+1SO2 )(Cn F2n+1SO2 )で表されるリチウム塩(m,nは1以上の整数である。)および LiC(Cp F2p+1SO2 )(Cq F2q+1SO2 )(Cr F2r+1SO2 )で表されるリチウム塩(p,q,rは1以上の整数である。)からなる群のうちの少なくとも1種とを含むようにしても、より高い効果を得ることができる。 Further, LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiAsF 6 , LiB (OCOCF 3 ) 4 , LiB (OCOC 2 F 5 ) 4 , LiN (C m F 2m + 1 SO 2 ) (C n F 2n + 1 SO 2 ) (m and n are integers of 1 or more) and LiC (C p F 2p + 1 SO 2 ) (C q F 2q + 1 SO 2 ) (C r F 2r Even if it includes at least one selected from the group consisting of lithium salts represented by +1 SO 2 (p, q, r are integers of 1 or more), a higher effect can be obtained.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(第1の実施の形態)
図1は、第1の実施の形態に係る二次電池の断面構造を表すものである。この二次電池は、負極の容量が電極反応物質であるリチウムの析出および溶解による容量成分により表される、いわゆるリチウム金属二次電池である。この二次電池は、いわゆる円筒型といわれるものであり、ほぼ中空円柱状の電池缶11の内部に、帯状の正極21と帯状の負極22とがセパレータ23を介して巻回された巻回電極体20を有している。電池缶11は、例えばニッケル(Ni)のめっきがされた鉄(Fe)により構成されており、一端部が閉鎖され他端部が開放されている。電池缶11の内部には、巻回電極体20を挟むように巻回周面に対して垂直に一対の絶縁板12,13がそれぞれ配置されている。
(First embodiment)
FIG. 1 shows a cross-sectional structure of the secondary battery according to the first embodiment. This secondary battery is a so-called lithium metal secondary battery in which the capacity of the negative electrode is represented by a capacity component due to precipitation and dissolution of lithium as an electrode reactant. This secondary battery is a so-called cylindrical type, and is a wound electrode in which a strip-shaped
電池缶11の開放端部には、電池蓋14と、この電池蓋14の内側に設けられた安全弁機構15および熱感抵抗素子(Positive Temperature Coefficient;PTC素子)16とが、ガスケット17を介してかしめられることにより取り付けられており、電池缶11の内部は密閉されている。電池蓋14は、例えば、電池缶11と同様の材料により構成されている。安全弁機構15は、熱感抵抗素子16を介して電池蓋14と電気的に接続されており、内部短絡あるいは外部からの加熱などにより電池の内圧が一定以上となった場合にディスク板15Aが反転して電池蓋14と巻回電極体20との電気的接続を切断するようになっている。熱感抵抗素子16は、温度が上昇すると抵抗値の増大により電流を制限し、大電流による異常な発熱を防止するものである。ガスケット17は、例えば、絶縁材料により構成されており、表面にはアスファルトが塗布されている。
At the open end of the battery can 11, a
巻回電極体20は、例えば、センターピン24を中心に巻回されている。巻回電極体20の正極21にはアルミニウム(Al)などよりなる正極リード25が接続されており、負極22にはニッケルなどよりなる負極リード26が接続されている。正極リード25は安全弁機構15に溶接されることにより電池蓋14と電気的に接続されており、負極リード26は電池缶11に溶接され電気的に接続されている。
The
図2は図1に示した巻回電極体20の一部を拡大して表すものである。正極21は、例えば、対向する一対の面を有する正極集電体21Aの両面に正極活物質層21Bが設けられた構造を有している。なお、図示はしないが、正極集電体21Aの片面のみに正極活物質層21Bを設けるようにしてもよい。正極集電体21Aは、例えば、厚みが5μm〜50μm程度であり、アルミニウム箔,ニッケル箔あるいはステンレス箔などの金属箔により構成されている。正極活物質層21Bは、例えば、正極活物質として、電極反応物質であるリチウムを吸蔵および放出することが可能な正極材料の1種または2種以上を含んでおり、必要に応じて導電剤および結着剤を含んで構成されている。正極活物質層21Bの厚みは、例えば、60μm〜250μmである。なお、正極活物質層21Bの厚みは、正極活物質層21Bが正極集電体21Aの両面に設けられている場合には、その合計の厚みである。
FIG. 2 shows an enlarged part of the spirally
リチウムを吸蔵および放出することが可能な正極材料としては、例えば、エネルギー密度を高くするために、リチウムと遷移金属元素と酸素(O)とを含むリチウム含有化合物が好ましく、中でも、遷移金属元素として、コバルト(Co),ニッケル,マンガン(Mn)および鉄からなる群のうちの少なくとも1種を含むものであればより好ましい。このようなリチウム含有化合物としては、例えば、LiCoO2 ,LiNi0.5 Co0.5 O2 ,LiMn2 O4 あるいはLiFePO4 が挙げられる。 As a positive electrode material capable of inserting and extracting lithium, for example, a lithium-containing compound containing lithium, a transition metal element, and oxygen (O) is preferable in order to increase energy density. It is more preferable if it contains at least one selected from the group consisting of cobalt (Co), nickel, manganese (Mn) and iron. Examples of such a lithium-containing compound include LiCoO 2 , LiNi 0.5 Co 0.5 O 2 , LiMn 2 O 4, and LiFePO 4 .
なお、このような正極材料は、例えば、リチウムの炭酸塩,硝酸塩,酸化物あるいは水酸化物と、遷移金属の炭酸塩,硝酸塩,酸化物あるいは水酸化物とを所望の組成になるように混合し、粉砕した後、酸素雰囲気中において600℃〜1000℃の範囲内の温度で焼成することにより調製される。 Such a positive electrode material is prepared by, for example, mixing lithium carbonate, nitrate, oxide or hydroxide with transition metal carbonate, nitrate, oxide or hydroxide so as to have a desired composition. And then pulverized and then fired at a temperature in the range of 600 ° C. to 1000 ° C. in an oxygen atmosphere.
導電剤としては、例えば、黒鉛,カーボンブラックあるいはケッチェンブラックなどの炭素材料が挙げられ、そのうちの1種または2種以上が混合して用いられる。また、炭素材料の他にも、導電性を有する材料であれば金属材料あるいは導電性高分子材料などを用いるようにしてもよい。結着剤としては、例えば、スチレンブタジエン系ゴム,フッ素系ゴムあるいはエチレンプロピレンジエンゴムなどの合成ゴム、またはポリフッ化ビニリデンなどの高分子材料が挙げられ、そのうちの1種または2種以上が混合して用いられる。例えば、図1に示したように正極21および負極22が巻回されている場合には、結着剤として柔軟性に富むスチレンブタジエン系ゴムあるいはフッ素系ゴムなどを用いることが好ましい。
Examples of the conductive agent include carbon materials such as graphite, carbon black, and ketjen black, and one or more of them are used in combination. In addition to the carbon material, a metal material or a conductive polymer material may be used as long as it is a conductive material. Examples of the binder include synthetic rubbers such as styrene butadiene rubber, fluorine rubber or ethylene propylene diene rubber, or polymer materials such as polyvinylidene fluoride, and one or more of them are mixed. Used. For example, when the
負極22は、例えば、対向する一対の面を有する負極集電体22Aの両面に負極活物質層22Bが設けられた構造を有している。なお、図示はしないが、負極集電体22Aの片面のみに負極活物質層22Bを設けるようにしてもよい。負極集電体22Aは、例えば、良好な電気化学的安定性、電気伝導性および機械的強度を有する銅箔,ニッケル箔あるいはステンレス箔などの金属箔により構成されている。特に、銅箔は高い電気伝導性を有するので最も好ましい。負極集電体22Aの厚みは、例えば、5μm〜40μm程度であることが好ましい。5μmよりも薄いと機械的強度が低下し、製造工程において負極集電体22Aが断裂しやすく、生産効率が低下してしまうからであり、40μmよりも厚いと電池内における負極集電体22Aの体積比が必要以上に大きくなり、エネルギー密度を高くすることが難しくなるからである。
The
負極活物質層22Bは、例えば、負極活物質であるリチウム金属により形成されており、これにより高いエネルギー密度を得ることができるようになっている。負極活物質層22Bは、組み立て時から既に有するように構成してもよいが、組み立て時には存在せず、充電時に析出したリチウム金属により構成するようにしてもよい。また、負極活物質層22Bを集電体としても利用し、負極集電体22Aを削除するようにしてもよい。 The negative electrode active material layer 22B is made of, for example, lithium metal that is a negative electrode active material, so that a high energy density can be obtained. The negative electrode active material layer 22B may be configured to be already provided from the time of assembly, but may be configured by lithium metal which is not present at the time of assembly and is deposited during charging. Alternatively, the negative electrode active material layer 22B may be used as a current collector, and the negative electrode current collector 22A may be deleted.
セパレータ23は、例えば、ポリテトラフルオロエチレン,ポリプロピレンあるいはポリエチレンなどの合成樹脂製の多孔質膜、またはセラミック製の多孔質膜により構成されており、これら2種以上の多孔質膜を積層した構造とされていてもよい。中でも、ポリオレフィン製の多孔質膜はショート防止効果に優れ、かつシャットダウン効果による電池の安全性向上を図ることができるので好ましい。特に、ポリエチレンは、100℃以上160℃以下の範囲内においてシャットダウン効果を得ることができ、かつ電気化学的安定性にも優れているので、セパレータ23を構成する材料として好ましい。また、ポリプロピレンも好ましく、他にも化学的安定性を備えた樹脂であればポリエチレンあるいはポリプロピレンと共重合させたり、またはブレンド化することで用いることができる。
The
セパレータ23には、液状の電解質である電解液が含浸されている。この電解液は、例えば、溶媒と、この溶媒に溶解された電解質塩とを含んでいる。
The
溶媒は、化3に示した4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンと、化4に示したハロゲン化炭酸エステルとを含んでいる。負極22の表面に良好な被膜を形成することにより、電解質の分解反応を抑制することができるからである。化4に示したハロゲン化炭酸エステルは1種を単独で用いてもよいが、複数種を混合して用いてもよい。
The solvent contains 4-fluoro-1,3-dioxolan-2-one shown in Chemical formula 3 and a halogenated carbonate shown in Chemical formula 4. This is because the decomposition reaction of the electrolyte can be suppressed by forming a good film on the surface of the
化4において、R1,R2,R3およびR4は、それぞれ独立的に、水素,アルキル基,アリール基,ハロゲン化アリール基またはハロゲンであり、R1,R2,R3およびR4のうちの1つ以上はハロゲンであり、他の1つ以上はアルキル基またはアリール基である。なお、R1,R2,R3およびR4は互いに異なっていても、一部に同一のものがあってもよい。 In Formula 4, R1, R2, R3 and R4 are each independently hydrogen, an alkyl group, an aryl group, a halogenated aryl group or a halogen, and one or more of R1, R2, R3 and R4 are halogen And the other one or more is an alkyl group or an aryl group. R1, R2, R3, and R4 may be different from each other or may be partially the same.
また、アルキル基としては、炭素数が1以上6以下のものが好ましく、鎖状でも環状でもよい。具体的には、メチル基、エチル基、n−プロピル基、i−プロピル基、n−ブチル基、i−ブチル基、t−ブチル基、n−ペンチル基、i−ペンチル基、t−ペンチル基、ネオペンチル基、n−ヘキシル基またはシクロヘキシル基などが挙げられる。アリール基あるいはハロゲン化アリール基としては、例えば、フェニル基あるいはハロゲン置換フェニル基が挙げられる。ハロゲンとしては、フッ素、塩素または臭素が挙げられる。 Moreover, as an alkyl group, a C1-C6 thing is preferable and may be linear or cyclic. Specifically, methyl group, ethyl group, n-propyl group, i-propyl group, n-butyl group, i-butyl group, t-butyl group, n-pentyl group, i-pentyl group, t-pentyl group , Neopentyl group, n-hexyl group, cyclohexyl group and the like. Examples of the aryl group or the halogenated aryl group include a phenyl group and a halogen-substituted phenyl group. Halogen includes fluorine, chlorine or bromine.
よって、化4に示したハロゲン化炭酸エステルの具体例としては、4−フルオロ−4−メチル−1,3−ジオキソラン−2−オン、シス−4−フルオロ−5−メチル−1,3−ジオキソラン−2−オン、トランス−4−フルオロ−5−メチル−1,3−ジオキソラン−2−オン、4−フルオロ−4−エチル−1,3−ジオキソラン−2−オン、シス−4−フルオロ−5−エチル−1,3−ジオキソラン−2−オン、トランス−4−フルオロ−5−エチル−1,3−ジオキソラン−2−オン、4−フルオロ−4−プロピル−1,3−ジオキソラン−2−オン、シス−4−フルオロ−5−プロピル−1,3−ジオキソラン−2−オン、トランス−4−フルオロ−5−プロピル−1,3−ジオキソラン−2−オン、4−フルオロ−4−ブチル−1,3−ジオキソラン−2−オン、シス−4−フルオロ−5−ブチル−1,3−ジオキソラン−2−オン、トランス−4−フルオロ−5−ブチル−1,3−ジオキソラン−2−オン、4−フルオロ−4−ペンチル−1,3−ジオキソラン−2−オン、シス−4−フルオロ−5−ペンチル−1,3−ジオキソラン−2−オン、トランス−4−フルオロ−5−ペンチル−1,3−ジオキソラン−2−オン、4−フルオロ−4−ヘキシル−1,3−ジオキソラン−2−オン、シス−4−フルオロ−5−ヘキシル−1,3−ジオキソラン−2−オン、トランス−4−フルオロ−5−ヘキシル−1,3−ジオキソラン−2−オン、4−フルオロ−4−フェニル−1,3−ジオキソラン−2−オン、シス−4−フルオロ−5−フェニル−1,3−ジオキソラン−2−オン、トランス−4−フルオロ−5−フェニル−1,3−ジオキソラン−2−オン、または4−フルオロ−4,5−ジメチル−1,3−ジオキソラン−2−オンなどが挙げられる。 Therefore, specific examples of the halogenated carbonate represented by Chemical Formula 4 include 4-fluoro-4-methyl-1,3-dioxolan-2-one, cis-4-fluoro-5-methyl-1,3-dioxolane. 2-one, trans-4-fluoro-5-methyl-1,3-dioxolan-2-one, 4-fluoro-4-ethyl-1,3-dioxolan-2-one, cis-4-fluoro-5 -Ethyl-1,3-dioxolan-2-one, trans-4-fluoro-5-ethyl-1,3-dioxolan-2-one, 4-fluoro-4-propyl-1,3-dioxolan-2-one Cis-4-fluoro-5-propyl-1,3-dioxolan-2-one, trans-4-fluoro-5-propyl-1,3-dioxolan-2-one, 4-fluoro-4-butyl-1 , -Dioxolan-2-one, cis-4-fluoro-5-butyl-1,3-dioxolan-2-one, trans-4-fluoro-5-butyl-1,3-dioxolan-2-one, 4-fluoro -4-pentyl-1,3-dioxolan-2-one, cis-4-fluoro-5-pentyl-1,3-dioxolan-2-one, trans-4-fluoro-5-pentyl-1,3-dioxolane 2-one, 4-fluoro-4-hexyl-1,3-dioxolan-2-one, cis-4-fluoro-5-hexyl-1,3-dioxolan-2-one, trans-4-fluoro-5 -Hexyl-1,3-dioxolan-2-one, 4-fluoro-4-phenyl-1,3-dioxolan-2-one, cis-4-fluoro-5-phenyl-1,3-dioxolane 2-one, trans-4-fluoro-5-phenyl-1,3-dioxolan-2-one, or a 4-fluoro-4,5-dimethyl-1,3-dioxolan-2-one and the like.
溶媒における化4に示したハロゲン化炭酸エステルの含有量は、0.1体積%以上20体積%以下の範囲内であることが好ましい。この範囲内でより高い効果が得られるからである。 The content of the halogenated carbonate shown in Chemical Formula 4 in the solvent is preferably in the range of 0.1% by volume to 20% by volume. This is because a higher effect can be obtained within this range.
これらの溶媒は、また、従来より使用されている種々の溶媒と混合して用いてもよい。このような溶媒について具体例を挙げれば、炭酸エチレン、炭酸プロピレン、炭酸ブチレン、炭酸ビニレン、γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン、1,2−ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、1,3−ジオキソラン、4−メチル−1,3−ジオキソラン、酢酸メチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、炭酸ジメチル、炭酸エチルメチル、炭酸ジエチル、アセトニトリル、グルタロニトリル、アジポニトリル、メトキシアセトニトリル、3−メトキシプロピロニトリル、N,N−ジメチルフォルムアミド、N−メチルピロリジノン、N−メチルオキサゾリジノン、N,N’−ジメチルイミダゾリジノン、ニトロメタン、ニトロエタン、スルホラン、ジメチルスルフォキシド、燐酸トリメチルなどがある。中でも、優れた充放電容量特性および充放電サイクル特性を実現するためには、炭酸エチレン、炭酸プロピレン、炭酸ビニレン、炭酸ジメチルおよび炭酸エチルメチルからなる群のうちの少なくとも1種を用いることが好ましい。これらの溶媒は、単独で混合してもよく、複数種を混合して用いてもよい。 These solvents may also be used by mixing with various conventionally used solvents. Specific examples of such solvents include ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, vinylene carbonate, γ-butyrolactone, γ-valerolactone, 1,2-dimethoxyethane, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, 1,3- Dioxolane, 4-methyl-1,3-dioxolane, methyl acetate, methyl propionate, ethyl propionate, dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, diethyl carbonate, acetonitrile, glutaronitrile, adiponitrile, methoxyacetonitrile, 3-methoxypropironitrile N, N-dimethylformamide, N-methylpyrrolidinone, N-methyloxazolidinone, N, N′-dimethylimidazolidinone, nitromethane, nitroethane, sulfolane, dimethyl sulfoxide, trimethyl phosphate There are. Among these, in order to realize excellent charge / discharge capacity characteristics and charge / discharge cycle characteristics, it is preferable to use at least one selected from the group consisting of ethylene carbonate, propylene carbonate, vinylene carbonate, dimethyl carbonate, and ethyl methyl carbonate. These solvents may be mixed alone or in combination of two or more.
電解質塩としては、例えば、LiB(C6 H5 )4 、LiCH3 SO3 、LiCF3 SO3 、LiAlCl4 、LiSiF6 、LiCl、LiBr、LiPF6 、LiBF4 、LiB(OCOCF3 )4 、LiB(OCOC2 F5 )4 、LiClO4 、LiAsF6 、またはLiN(CF3 SO2 )2 ,LiN(C2 F5 SO2 )2 あるいはLiN(C4 F9 SO2)( CF3 SO2 )などの化5に示したリチウム塩、またはLiC(CF3 SO2 )3 などの化6に示したリチウム塩が挙げられる。 Examples of the electrolyte salt include LiB (C 6 H 5 ) 4 , LiCH 3 SO 3 , LiCF 3 SO 3 , LiAlCl 4 , LiSiF 6 , LiCl, LiBr, LiPF 6 , LiBF 4 , LiB (OCOCF 3 ) 4 , LiB. (OCOC 2 F 5 ) 4 , LiClO 4 , LiAsF 6 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , LiN (C 2 F 5 SO 2 ) 2 or LiN (C 4 F 9 SO 2 ) (CF 3 SO 2 ) And the lithium salt shown in Chemical Formula 6 such as LiC (CF 3 SO 2 ) 3 .
中でも、LiPF6 、LiBF4 、LiClO4 、LiAsF6 、LiB(OCOCF3 )4 、LiB(OCOC2 F5 )4 、化5に示したリチウム塩および化6に示したリチウム塩からなる群のうちの少なくとも1種を含むようにすれば、保存特性などの電池特性を向上させることができると共に内部抵抗の低減が図られ重負荷特性を向上させることができ、更に高い導電率を得ることができるので好ましく、特に、LiPF6 と、LiBF4 、LiClO4 ,LiAsF6 、LiB(OCOCF3 )4 、LiB(OCOC2 F5 )4 、化5に示したリチウム塩および化6に示したリチウム塩からなる群のうちの少なくとも1種とを混合して用いるようにすれば、更に好ましい。 Among them, among the group consisting of LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiAsF 6 , LiB (OCOCF 3 ) 4 , LiB (OCOC 2 F 5 ) 4 , the lithium salt shown in Chemical Formula 5 and the lithium salt shown in Chemical Formula 6 If at least one of these is included, battery characteristics such as storage characteristics can be improved, internal resistance can be reduced, heavy load characteristics can be improved, and higher electrical conductivity can be obtained. In particular, from LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiAsF 6 , LiB (OCOCF 3 ) 4 , LiB (OCOC 2 F 5 ) 4 , the lithium salt shown in Chemical Formula 5 and the lithium salt shown in Chemical Formula 6 It is more preferable to use a mixture of at least one member of the group.
電解質塩の含有量(濃度)は、溶媒に対して、0.3mol/kg以上3.0mol/kg以下の範囲内であることが好ましい。この範囲外ではイオン伝導度の極端な低下により十分な電池特性が得られなくなる場合があるからである。 The content (concentration) of the electrolyte salt is preferably in the range of 0.3 mol / kg or more and 3.0 mol / kg or less with respect to the solvent. This is because, outside this range, sufficient battery characteristics may not be obtained due to an extreme decrease in ionic conductivity.
この二次電池は、例えば、次のようにして製造することができる。 For example, the secondary battery can be manufactured as follows.
まず、例えば、リチウムを吸蔵および放出することが可能な正極材料と、導電剤と、結着剤とを混合して正極合剤を調製し、この正極合剤をN−メチル−2−ピロリドンなどの溶剤に分散させてペースト状の正極合剤スラリーとする。次いで、この正極合剤スラリーを正極集電体21Aに塗布し溶剤を乾燥させたのち、ロールプレス機などにより圧縮成型して正極活物質層21Bを形成し、正極21を作製する。
First, for example, a positive electrode material capable of inserting and extracting lithium, a conductive agent, and a binder are mixed to prepare a positive electrode mixture, and this positive electrode mixture is mixed with N-methyl-2-pyrrolidone or the like. To make a paste-like positive electrode mixture slurry. Next, the positive electrode mixture slurry is applied to the positive electrode current collector 21A, and the solvent is dried. Then, the positive electrode active material layer 21B is formed by compression molding using a roll press or the like, and the
また、例えば、負極22として、負極集電体22Aを用意する。なお、負極22には、リチウム金属をそのまま用いてもよいし、負極集電体22Aにリチウム金属を貼り付けて負極活物質層22Bを形成したものを用いてもよい。
For example, a negative electrode
続いて、正極集電体21Aに正極リード25を溶接などにより取り付けると共に、負極集電体22Aに負極リード26を溶接などにより取り付ける。そののち、正極21と負極22とをセパレータ23を介して巻回し、正極リード25の先端部を安全弁機構15に溶接すると共に、負極リード26の先端部を電池缶11に溶接して、巻回した正極21および負極22を一対の絶縁板12,13で挟み電池缶11の内部に収納する。正極21および負極22を電池缶11の内部に収納したのち、電解液を電池缶11の内部に注入し、セパレータ23に含浸させる。そののち、電池缶11の開口端部に電池蓋14,安全弁機構15および熱感抵抗素子16をガスケット17を介してかしめることにより固定する。これにより、図1に示した二次電池が形成される。
Subsequently, the positive electrode lead 25 is attached to the positive electrode current collector 21A by welding or the like, and the
この二次電池では、充電を行うと、例えば、正極21からリチウムイオンが放出され、電解液を介して、負極集電体22Aの表面にリチウム金属となって析出し、図2に示したように、負極活物質層22Bを形成する。放電を行うと、例えば、負極活物質層22Bからリチウム金属がリチウムイオンとなって溶出し、電解液を介して正極21に吸蔵される。このようにこの二次電池では、負極22においてリチウム金属の析出および溶解が繰り返されるので、負極22の活性が非常に高くなっているが、電解液に4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンと、化4に示したハロゲン化炭酸エステルとが含まれているので、負極22の表面に良好な被膜が形成され、溶媒の分解反応が抑制される。よって、負極22におけるリチウムの充放電効率が向上する。
In this secondary battery, when charged, for example, lithium ions are released from the
このように本実施の形態では、電解液に4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンと、化4に示したハロゲン化炭酸エステルとを含むようにしたので、負極22における溶媒の分解反応を抑制することができる。よって、負極22における充放電効率が向上し、サイクル特性を向上させることができる。
As described above, in this embodiment, since the electrolytic solution contains 4-fluoro-1,3-dioxolan-2-one and the halogenated carbonate shown in Chemical formula 4, decomposition of the solvent in the
また、溶媒における化4に示したハロゲン化炭酸エステルの含有量を0.1体積%以上20体積%以下の範囲内にするようにすれば、より高い効果を得ることができる。 Further, if the content of the halogenated carbonate shown in Chemical formula 4 in the solvent is in the range of 0.1% by volume or more and 20% by volume or less, a higher effect can be obtained.
更に、電解質塩としてLiPF6 と、LiBF4 ,LiClO4 ,LiAsF6 ,LiB(OCOCF3 )4 ,LiB(OCOC2 F5 )4 ,化5に示したリチウム塩および化6に示したリチウム塩からなる群のうちの少なくとも1種とを含むようにしても、より高い効果を得ることができる。 Furthermore, LiPF 6 as an electrolyte salt, LiBF 4 , LiClO 4 , LiAsF 6 , LiB (OCOCF 3 ) 4 , LiB (OCOC 2 F 5 ) 4 , lithium salt shown in Chemical Formula 5 and lithium salt shown in Chemical Formula 6 Even if it includes at least one member of the group, higher effects can be obtained.
(第2の実施の形態)
本発明の第2の実施の形態に係る二次電池は、負極の容量が電極反応物質であるリチウムの吸蔵および放出による容量成分と、リチウムの析出および溶解による容量成分とを含み、かつその和により表されるものである。
(Second Embodiment)
The secondary battery according to the second embodiment of the present invention includes a capacity component due to insertion and extraction of lithium, which is an electrode reactant, and a capacity component due to precipitation and dissolution of lithium. It is represented by.
この二次電池は、負極活物質層の構成が異なることを除き、他は第1の実施の形態に係る二次電池と同様の構成および効果を有しており、同様にして製造することができる。よって、ここでは、図1および図2を参照し、同一の符号を用いて説明する。なお、同一部分についての詳細な説明は省略する。 This secondary battery has the same configuration and effects as those of the secondary battery according to the first embodiment except that the configuration of the negative electrode active material layer is different, and can be manufactured in the same manner. it can. Therefore, here, description will be made with reference to FIGS. 1 and 2 using the same reference numerals. Detailed descriptions of the same parts are omitted.
負極活物質層22Bは、例えば、負極活物質として、電極反応物質であるリチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料を含んで構成されており、必要に応じて正極活物質層21Bと同様の結着剤を含んでいてもよい。 The negative electrode active material layer 22B includes, for example, a negative electrode material capable of inserting and extracting lithium as an electrode reactant as a negative electrode active material, and is similar to the positive electrode active material layer 21B as necessary. The binder may be included.
リチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料としては、例えば、黒鉛,難黒鉛化性炭素あるいは易黒鉛化性炭素などの炭素材料が挙げられる。このような炭素材料は、充放電時に生じる結晶構造の変化が非常に少なく、高エネルギー密度を得ることができると共に、優れたサイクル特性を得ることができるからである。特に黒鉛は、電気化学当量が大きく、高いエネルギー密度を得ることができ好ましい。 Examples of the negative electrode material capable of inserting and extracting lithium include carbon materials such as graphite, non-graphitizable carbon, and graphitizable carbon. This is because such a carbon material has very little change in the crystal structure that occurs during charge and discharge, can obtain a high energy density, and can obtain excellent cycle characteristics. In particular, graphite is preferable because it has a high electrochemical equivalent and can provide a high energy density.
黒鉛としては、例えば、真密度が2.10g/cm3 以上のものが好ましく、2.18g/cm3 以上のものであればより好ましい。なお、このような真密度を得るには、(002)面のC軸結晶子厚みが14.0nm以上であることが必要である。また、(002)面の面間隔は0.340nm未満であることが好ましく、0.335nm以上0.337nm以下の範囲内であればより好ましい。 As the graphite, for example, the true density is preferably 2.10 g / cm 3 or more, and more preferably 2.18 g / cm 3 or more. In order to obtain such a true density, it is necessary that the (002) plane C-axis crystallite thickness is 14.0 nm or more. Further, the (002) plane spacing is preferably less than 0.340 nm, and more preferably in the range of 0.335 nm to 0.337 nm.
難黒鉛化性炭素としては、(002)面の面間隔が0.37nm以上、真密度が1.70g/cm3 未満であると共に、空気中での示差熱分析(differential thermal analysis ;DTA)において700℃以上に発熱ピークを示さないものが好ましい。 As non-graphitizable carbon, (002) plane spacing is 0.37 nm or more, true density is less than 1.70 g / cm 3 , and in differential thermal analysis (DTA) in air What does not show an exothermic peak at 700 ° C. or higher is preferable.
リチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料としては、また、金属元素および半金属元素のうちの少なくとも1種を構成元素として含む材料も挙げられる。このような負極材料を用いれば、高いエネルギー密度を得ることができるので好ましく、特に上述した炭素材料と共に用いるようにすれば、高いエネルギー密度を得ることができると共に、優れたサイクル特性を得ることができるのでより好ましい。 Examples of the negative electrode material capable of inserting and extracting lithium also include a material including at least one of a metal element and a metalloid element as a constituent element. If such a negative electrode material is used, it is preferable because a high energy density can be obtained. In particular, if it is used together with the carbon material described above, a high energy density can be obtained and excellent cycle characteristics can be obtained. It is more preferable because it is possible.
この負極材料は金属元素あるいは半金属元素の単体でも合金でも化合物でもよく、またこれらの1種または2種以上の相を少なくとも一部に有するようなものでもよい。なお、本発明において、合金には2種以上の金属元素からなるものに加えて、1種以上の金属元素と1種以上の半金属元素とを含むものも含める。また、非金属元素を含んでいてもよい。その組織には固溶体,共晶(共融混合物),金属間化合物あるいはそれらのうちの2種以上が共存するものがある。 The negative electrode material may be a single element, alloy or compound of a metal element or metalloid element, or may have at least a part of one or more of these phases. In the present invention, alloys include those containing one or more metal elements and one or more metalloid elements in addition to those composed of two or more metal elements. Moreover, the nonmetallic element may be included. There are structures in which a solid solution, a eutectic (eutectic mixture), an intermetallic compound, or two or more of them coexist.
この負極材料を構成する金属元素あるいは半金属元素としては、例えば、リチウムと合金を形成可能なマグネシウム(Mg),ホウ素(B),アルミニウム,ガリウム(Ga),インジウム(In),ケイ素(Si),ゲルマニウム(Ge),スズ(Sn),鉛(Pb),ビスマス(Bi),カドミウム(Cd),銀(Ag),亜鉛(Zn),ハフニウム(Hf),ジルコニウム(Zr),イットリウム(Y),パラジウム(Pd)あるいは白金(Pt)が挙げられる。これらは結晶質のものでもアモルファスのものでもよい。 Examples of metal elements or metalloid elements constituting the negative electrode material include magnesium (Mg), boron (B), aluminum, gallium (Ga), indium (In), and silicon (Si) that can form an alloy with lithium. , Germanium (Ge), tin (Sn), lead (Pb), bismuth (Bi), cadmium (Cd), silver (Ag), zinc (Zn), hafnium (Hf), zirconium (Zr), yttrium (Y) , Palladium (Pd) or platinum (Pt). These may be crystalline or amorphous.
中でも、この負極材料としては、短周期型周期表における4B族の金属元素あるいは半金属元素を構成元素として含むものが好ましく、特に好ましいのはケイ素およびスズの少なくとも一方を構成元素として含むものである。ケイ素およびスズは、リチウムを吸蔵および放出する能力が大きく、高いエネルギー密度を得ることができるからである。 Among these, as the negative electrode material, a material containing a 4B group metal element or a semimetal element in the short-period type periodic table as a constituent element is preferable, and at least one of silicon and tin is particularly preferable as a constituent element. This is because silicon and tin have a large ability to occlude and release lithium, and a high energy density can be obtained.
スズの合金としては、例えば、スズ以外の第2の構成元素として、ケイ素,ニッケル,銅(Cu),鉄,コバルト,マンガン,亜鉛,インジウム,銀,チタン(Ti),ゲルマニウム,ビスマス,アンチモン(Sb),およびクロム(Cr)からなる群のうちの少なくとも1種を含むものが挙げられる。ケイ素の合金としては、例えば、ケイ素以外の第2の構成元素として、スズ,ニッケル,銅,鉄,コバルト,マンガン,亜鉛,インジウム,銀,チタン,ゲルマニウム,ビスマス,アンチモンおよびクロムからなる群のうちの少なくとも1種を含むものが挙げられる。 Examples of tin alloys include silicon, nickel, copper (Cu), iron, cobalt, manganese, zinc, indium, silver, titanium (Ti), germanium, bismuth, and antimony (second constituent elements other than tin). Sb) and those containing at least one selected from the group consisting of chromium (Cr). As an alloy of silicon, for example, as a second constituent element other than silicon, among the group consisting of tin, nickel, copper, iron, cobalt, manganese, zinc, indium, silver, titanium, germanium, bismuth, antimony and chromium The thing containing at least 1 sort (s) of these is mentioned.
スズの化合物あるいはケイ素の化合物としては、例えば、酸素あるいは炭素(C)を含むものが挙げられ、スズまたはケイ素に加えて、上述した第2の構成元素を含んでいてもよい。 Examples of the tin compound or silicon compound include those containing oxygen or carbon (C), and may contain the second constituent element described above in addition to tin or silicon.
負極活物質層22Bは、例えば、リチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料の充電容量を正極21の充電容量よりも小さくすることにより、充電の過程において、開回路電圧(すなわち電池電圧)が過充電電圧よりも低い時点で負極22にリチウム金属が析出し始めるようになっている。従って、この二次電池では、リチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料とリチウム金属との両方が負極活物質として機能し、リチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料はリチウム金属が析出する際の基材となっている。
For example, the negative electrode active material layer 22B has an open circuit voltage (that is, a battery voltage) in the charging process by making the charge capacity of the negative electrode material capable of occluding and releasing lithium smaller than the charge capacity of the
なお、過充電電圧というのは、電池が過充電状態になった時の開回路電圧を指し、例えば、日本蓄電池工業会(電池工業会)の定めた指針の一つである「リチウム二次電池安全性評価基準ガイドライン」(SBA G1101)に記載され定義される「完全充電」された電池の開回路電圧よりも高い電圧を指す。また換言すれば、各電池の公称容量を求める際に用いた充電方法、標準充電方法、もしくは推奨充電方法を用いて充電した後の開回路電圧よりも高い電圧を指す。 The overcharge voltage refers to the open circuit voltage when the battery is overcharged. For example, the “lithium secondary battery” is one of the guidelines established by the Japan Storage Battery Industry Association (Battery Industry Association). Refers to a voltage that is higher than the open circuit voltage of a “fully charged” battery as defined and defined in the “Safety Evaluation Criteria Guidelines” (SBA G1101). In other words, it refers to a voltage higher than the open circuit voltage after charging using the charging method, standard charging method, or recommended charging method used when determining the nominal capacity of each battery.
これにより、この二次電池では、負極22にリチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料を用いるという点では従来のリチウムイオン二次電池と同様であり、また、負極22にリチウム金属を析出させるという点では従来のリチウム金属二次電池と同様であるが、リチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料にリチウム金属を析出するようにしたことにより、高いエネルギー密度を得ることができると共に、サイクル特性および急速充電特性を向上させることができるようになっている。
Accordingly, this secondary battery is the same as the conventional lithium ion secondary battery in that a negative electrode material capable of inserting and extracting lithium is used for the
これらの特性をより効果的に得るためには、例えば、開回路電圧が過充電電圧になる前の最大電圧時において負極22に析出するリチウム金属の最大析出容量は、リチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料の充電容量能力の0.05倍以上3.0倍以下であることが好ましい。リチウム金属の析出量が多過ぎると従来のリチウム金属二次電池と同様の問題が生じてしまい、少な過ぎると充放電容量を十分に大きくすることができないからである。また、例えば、リチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料の放電容量能力は、150mAh/g以上であることが好ましい。リチウムの吸蔵および放出する能力が大きいほどリチウム金属の析出量は相対的に少なくなるからである。なお、負極材料の充電容量能力は、例えば、リチウム金属を対極として、この負極材料を負極活物質とした負極について0Vまで定電流・定電圧法で充電した時の電気量から求められる。負極材料の放電容量能力は、例えば、これに引き続き、定電流法で10時間以上かけて2.5Vまで放電した時の電気量から求められる。
In order to obtain these characteristics more effectively, for example, the maximum deposition capacity of the lithium metal deposited on the
この二次電池では、充電を行うと、正極21からリチウムイオンが放出され、電解液を介して、まず、負極22に含まれるリチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料に吸蔵される。更に充電を続けると、開回路電圧が過充電電圧よりも低い状態において、リチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料の表面にリチウム金属が析出し始める。そののち、充電を終了するまで負極22にはリチウム金属が析出し続ける。次いで、放電を行うと、まず、負極22に析出したリチウム金属がイオンとなって溶出し、電解液を介して、正極21に吸蔵される。更に放電を続けると、負極22中のリチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料に吸蔵されたリチウムイオンが放出され、電解液を介して正極21に吸蔵される。このようにこの二次電池でも、負極22においてリチウム金属の析出および溶解が繰り返されるので、負極22の活性が非常に高くなっているが、電解液に4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンと、化4に示したハロゲン化炭酸エステルとが含まれているので、負極22の表面に良好な被膜が形成され、溶媒の分解反応が抑制される。よって、負極22におけるリチウムの充放電効率が向上する。
In this secondary battery, when charged, lithium ions are released from the
(第3の実施の形態)
図3は、第3の実施の形態に係る二次電池の構成を表すものである。この二次電池は、正極リード31および負極リード32が取り付けられた巻回電極体30をフィルム状の外装部材40の内部に収容したものであり、小型化,軽量化および薄型化が可能となっている。
(Third embodiment)
FIG. 3 shows the configuration of the secondary battery according to the third embodiment. In this secondary battery, a
正極リード31および負極リード32は、それぞれ、外装部材40の内部から外部に向かい例えば同一方向に導出されている。正極リード31および負極リード32は、例えば、アルミニウム,銅,ニッケルあるいはステンレスなどの金属材料によりそれぞれ構成されており、それぞれ薄板状または網目状とされている。
The
外装部材40は、例えば、ナイロンフィルム,アルミニウム箔およびポリエチレンフィルムをこの順に貼り合わせた矩形状のアルミラミネートフィルムにより構成されている。外装部材40は、例えば、ポリエチレンフィルム側と巻回電極体30とが対向するように配設されており、各外縁部が融着あるいは接着剤により互いに密着されている。外装部材40と正極リード31および負極リード32との間には、外気の侵入を防止するための密着フィルム41が挿入されている。密着フィルム41は、正極リード31および負極リード32に対して密着性を有する材料、例えば、ポリエチレン,ポリプロピレン,変性ポリエチレンあるいは変性ポリプロピレンなどのポリオレフィン樹脂により構成されている。
The
なお、外装部材40は、上述したアルミラミネートフィルムに代えて、他の構造を有するラミネートフィルム,ポリプロピレンなどの高分子フィルムあるいは金属フィルムにより構成するようにしてもよい。
The
図4は、図3に示した巻回電極体30のI−I線に沿った断面構造を表すものである。巻回電極体30は、正極33と負極34とをセパレータ35および電解質層36を介して積層し、巻回したものであり、最外周部は保護テープ37により保護されている。
FIG. 4 shows a cross-sectional structure taken along line II of the spirally
正極33は、正極集電体33Aの片面あるいは両面に正極活物質層33Bが設けられた構造を有している。負極34は、負極集電体34Aの片面あるいは両面に負極活物質層34Bが設けられた構造を有しており、負極活物質層34Bの側が正極活物質層33Bと対向するように配置されている。正極集電体33A,正極活物質層33B,負極集電体34A,負極活物質層34Bおよびセパレータ35の構成は、それぞれ第1あるいは第2の実施の形態で説明した正極集電体21A,正極活物質層21B,負極集電体22A,負極活物質層22Bおよびセパレータ23と同様である。
The
電解質層36は、電解液と、この電解液を保持する保持体となる高分子化合物とを含み、いわゆるゲル状となっている。ゲル状の電解質層36は電池の漏液を防止することができるので好ましい。ゲル状の電解質は、イオン伝導度が室温で1mS/cm以上であるものであればよく、組成および高分子化合物の構造に特に限定はない。電解液(すなわち溶媒および電解質塩など)の構成は、第1あるいは第2の実施の形態と同様である。高分子化合物としては、例えば、ポリアクリロニトリル、ポリフッ化ビニリデン、フッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンとの共重合体、ポリテトラフルオロエチレン、ポリヘキサフルオロプロピレン、ポリエチレンオキサイド、ポリプロピレンオキサイド、ポリフォスファゼン、ポリシロキサン、ポリ酢酸ビニル、ポリビニルアルコール、ポリメタクリル酸メチル、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸、スチレン−ブタジエンゴム、ニトリル−ブタジエンゴム、ポリスチレンあるいはポリカーボネートが挙げられる。特に、電気化学的安定性の点からは、ポリアクリロニトリル、ポリフッ化ビニリデン、ポリヘキサフルオロプロピレンあるいはポリエチレンオキサイドの構造を持つ高分子化合物を用いることが望ましい。電解液に対する高分子化合物の添加量は、両者の相溶性によっても異なるが、通常、電解液の5質量%〜50質量%に相当する高分子化合物を添加することが好ましい。
The
この二次電池は、例えば、次のようにして製造することができる。 For example, the secondary battery can be manufactured as follows.
まず、正極33および負極34のそれぞれに、電解液と、高分子化合物と、混合溶剤とを含む前駆溶液を塗布し、混合溶剤を揮発させて電解質層36を形成する。そののち、正極集電体33Aの端部に正極リード31を溶接により取り付けると共に、負極集電体34Aの端部に負極リード32を溶接により取り付ける。次いで、電解質層36が形成された正極33と負極34とをセパレータ35を介して積層し積層体としたのち、この積層体をその長手方向に巻回して、最外周部に保護テープ37を接着して巻回電極体30を形成する。最後に、例えば、外装部材40の間に巻回電極体30を挟み込み、外装部材40の外縁部同士を熱融着などにより密着させて封入する。その際、正極リード31および負極リード32と外装部材40との間には密着フィルム41を挿入する。これにより、図3および図4に示した二次電池が完成する。
First, a precursor solution containing an electrolytic solution, a polymer compound, and a mixed solvent is applied to each of the
また、この二次電池は、次のようにして作製してもよい。まず、正極33および負極34に正極リード31および負極リード32を取り付けたのち、正極33と負極34とをセパレータ35を介して積層して巻回し、最外周部に保護テープ37を接着して、巻回電極体30の前駆体である巻回体を形成する。次いで、この巻回体を外装部材40に挟み、一辺を除く外周縁部を熱融着して袋状とし、外装部材40の内部に収納する。続いて、電解液と、高分子化合物の原料であるモノマーと、重合開始剤と、必要に応じて重合禁止剤などの他の材料とを含む電解質用組成物を用意し、外装部材40の内部に注入する。
Further, this secondary battery may be manufactured as follows. First, after attaching the
電解質用組成物を注入したのち、外装部材40の開口部を真空雰囲気下で熱融着して密封する。次いで、熱を加えてモノマーを重合させて高分子化合物とすることによりゲル状の電解質層36を形成し、図3および図4に示した二次電池が完成する。
After injecting the electrolyte composition, the opening of the
この二次電池は、第1あるいは第2の実施の形態に係る二次電池と同様の作用および効果を有している。 This secondary battery has the same operations and effects as the secondary battery according to the first or second embodiment.
なお、ゲル状の電解質に代えて、液状の電解質である電解液を用いてもよい。電解液の構成は上述した通りである。この二次電池は、例えば、次のようにして製造することができる。 Note that an electrolytic solution that is a liquid electrolyte may be used instead of the gel electrolyte. The configuration of the electrolytic solution is as described above. For example, the secondary battery can be manufactured as follows.
まず、上述したように正極33および負極34に正極リード31および負極リード32を取り付けたのち、正極33と負極34とをセパレータ35を介して積層して巻回し、最外周部に保護テープ37を接着して、巻回電極体30の前駆体である巻回体を形成する。次いで、この巻回体を外装部材40に挟み、一辺を除く外周縁部を熱融着して袋状とし、外装部材40の内部に収納する。続いて、電解液を外装部材40の内部に注入する。そののち、外装部材40の開口部を真空雰囲気下で熱融着して密封する。これにより図3に示した二次電池が完成する。
First, after attaching the
更に、本発明の具体的な実施例について、詳細に説明する Furthermore, specific examples of the present invention will be described in detail.
(実施例1−1〜1−28)
負極22の容量が、リチウムの析出および溶解による容量成分により表される電池、いわゆるリチウム金属二次電池を作製した。その際、電池は、図1に示したものとした。
(Examples 1-1 to 1-28)
A battery in which the capacity of the
まず、炭酸リチウム(Li2 CO3 )と炭酸コバルト(CoCO3 )とを、Li2 CO3 :CoCO3 =0.5:1(モル比)の割合で混合し、空気中において900℃で5時間焼成して、正極材料としてのリチウム・コバルト複合酸化物(LiCoO2 )を得た。次いで、このリチウム・コバルト複合酸化物91質量部と、導電剤としてグラファイト6質量部と、結着剤としてポリフッ化ビニリデン3質量部とを混合して正極合剤を調製した。続いて、この正極合剤を溶剤であるN−メチル−2−ピロリドンに分散させて正極合剤スラリーとし、厚み20μmの帯状アルミニウム箔よりなる正極集電体21Aの両面に均一に塗布して乾燥させ、ロールプレス機で圧縮成型して正極活物質層21Bを形成し正極21を作製した。そののち、正極集電体21Aの一端にアルミニウム製の正極リード25を取り付けた。
First, lithium carbonate (Li 2 CO 3 ) and cobalt carbonate (CoCO 3 ) are mixed at a ratio of Li 2 CO 3 : CoCO 3 = 0.5: 1 (molar ratio), and 5 ° C. in air at 900 ° C. After firing for a time, lithium-cobalt composite oxide (LiCoO 2 ) as a positive electrode material was obtained. Next, 91 parts by mass of this lithium / cobalt composite oxide, 6 parts by mass of graphite as a conductive agent, and 3 parts by mass of polyvinylidene fluoride as a binder were mixed to prepare a positive electrode mixture. Subsequently, this positive electrode mixture is dispersed in N-methyl-2-pyrrolidone as a solvent to form a positive electrode mixture slurry, which is uniformly applied to both surfaces of a positive electrode current collector 21A made of a strip-shaped aluminum foil having a thickness of 20 μm and dried. Then, the cathode active material layer 21B was formed by compression molding with a roll press machine, and the
また、厚み10μmの帯状銅箔よりなる負極集電体22Aに、厚み30μmのリチウム金属箔を貼り付けて負極活物質層22Bを形成し、負極22を作製した。 Further, a negative electrode active material layer 22B was formed on a negative electrode current collector 22A made of a strip-shaped copper foil having a thickness of 10 μm, and a lithium metal foil having a thickness of 30 μm was formed.
正極21および負極22をそれぞれ作製したのち、厚み25μmの微孔性ポリプロピレンフィルムよりなるセパレータ23を用意し、負極22,セパレータ23,正極21,セパレータ23の順に積層してこの積層体を渦巻状に多数回巻回し、巻回電極体20を作製した。
After preparing the
巻回電極体20を作製したのち、巻回電極体20を一対の絶縁板12,13で挟み、負極リード26を電池缶11に溶接すると共に、正極リード25を安全弁機構15に溶接して、巻回電極体20をニッケルめっきした鉄製の電池缶11の内部に収納した。そののち、電池缶11の内部に電解液を減圧方式により注入した。
After producing the
電解液には、4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オン(FEC)と、化4に示したフッ素化炭酸エステルと、炭酸ジメチル(DMC)とを、表1に示した体積比で混合した溶媒に、電解質塩としてLiPF6 を1.0mol/kgとなるように溶解させたものを用いた。化4に示したフッ素化炭酸エステルは、実施例1−1〜1−7,1−21〜1−28では、化7(A)に示した4−フルオロ−4−メチル−1,3−ジオキソラン−2−オンと、化7(B)に示したシス−4−フルオロ−5−メチル−1,3−ジオキソラン−2−オンと、化7(C)に示したトランス−4−フルオロ−5−メチル−1,3−ジオキソラン−2−オンとを、この順に3:1:1のモル比で含む異性体混合物(以下、FPCと言う)とし、実施例1−8〜1−14では、化8(A)に示した4−フルオロ−4−エチル−1,3−ジオキソラン−2−オンと、化8(B)に示したシス−4−フルオロ−5−エチル−1,3−ジオキソラン−2−オンと、化8(C)に示したトランス−4−フルオロ−5−エチル−1,3−ジオキソラン−2−オンとを、この順に5:1:1のモル比で含む異性体混合物(以下、FBCと言う)とし、実施例1−15〜1−20では、化9(A)に示した4−フルオロ−4−フェニル−1,3−ジオキソラン−2−オンと、化9(B)に示したシス−4−フルオロ−5−フェニル−1,3−ジオキソラン−2−オンと、化9(C)に示したトランス−4−フルオロ−5−フェニル−1,3−ジオキソラン−2−オンとを、この順に3:1:1のモル比で含む異性体混合物(以下、FPhECと言う)とした。 In the electrolytic solution, 4-fluoro-1,3-dioxolan-2-one (FEC), the fluorinated carbonate shown in Chemical Formula 4, and dimethyl carbonate (DMC) were mixed at the volume ratio shown in Table 1. the mixed solvent was used as the LiPF 6 as an electrolyte salt was dissolved at a 1.0 mol / kg. In Examples 1-1 to 1-7 and 1-21 to 1-28, the fluorinated carbonate shown in Chemical formula 4 is 4-fluoro-4-methyl-1,3- Dioxolan-2-one, cis-4-fluoro-5-methyl-1,3-dioxolan-2-one shown in Chemical Formula 7 (B), and trans-4-fluoro-shown in Chemical Formula 7 (C) An isomer mixture (hereinafter referred to as FPC) containing 5-methyl-1,3-dioxolan-2-one in this order at a molar ratio of 3: 1: 1, and in Examples 1-8 to 1-14, 4-fluoro-4-ethyl-1,3-dioxolan-2-one represented by Chemical Formula 8 (A) and cis-4-fluoro-5-ethyl-1,3- represented by Chemical Formula 8 (B) Dioxolan-2-one and trans-4-fluoro-5-ethyl-1,3-dioxo shown in Chemical Formula 8 (C) Is an isomer mixture (hereinafter referred to as FBC) containing N-2-one in this order at a molar ratio of 5: 1: 1. In Examples 1-15 to 1-20, 4-fluoro-4-phenyl-1,3-dioxolan-2-one and cis-4-fluoro-5-phenyl-1,3-dioxolan-2-one shown in Chemical Formula 9 (B) An isomer mixture (hereinafter referred to as FPhEC) containing trans-4-fluoro-5-phenyl-1,3-dioxolan-2-one shown in 9 (C) in this order at a molar ratio of 3: 1: 1. ).
電池缶11の内部に電解液を注入したのち、表面にアスファルトを塗布したガスケット17を介して電池蓋14を電池缶11にかしめることにより、実施例1−1〜1−28について直径14mm、高さ65mmの円筒型二次電池を得た。
After injecting the electrolyte into the battery can 11, the
実施例1−1〜1−28に対する比較例1−1として、4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンと化4に示したハロゲン化炭酸エステルを用いなかったことを除き、具体的には、炭酸エチレン(EC)と炭酸ジメチルとを、炭酸エチレン:炭酸ジメチル=30:70の体積比で混合した溶媒を用いたことを除き、他は実施例1−1〜1−28と同様にして二次電池を作製した。また、比較例1−2として、化4に示したハロゲン化炭酸エステルを用いなかったことを除き、具体的には、4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンと炭酸ジメチルとを、4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オン:炭酸ジメチル=30:70の体積比で混合した溶媒を用いたことを除き、他は実施例1−1〜1−28と同様にして二次電池を作製した。更に、比較例1−3として、4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンを用いなかったことを除き、具体的には、FPCと、炭酸ジメチルとを、FPC:炭酸ジメチル=30:70の体積比で混合した溶媒を用いたことを除き、他は実施例1−1〜1−28と同様にして二次電池を作製した。 As Comparative Example 1-1 for Examples 1-1 to 1-28, except that 4-fluoro-1,3-dioxolan-2-one and the halogenated carbonate shown in Chemical Formula 4 were not used, The same as in Examples 1-1 to 1-28, except that a solvent obtained by mixing ethylene carbonate (EC) and dimethyl carbonate in a volume ratio of ethylene carbonate: dimethyl carbonate = 30: 70 was used. Thus, a secondary battery was produced. Further, as Comparative Example 1-2, except that the halogenated carbonate shown in Chemical Formula 4 was not used, specifically, 4-fluoro-1,3-dioxolan-2-one and dimethyl carbonate were used. Except that a solvent mixed in a volume ratio of 4-fluoro-1,3-dioxolan-2-one: dimethyl carbonate = 30: 70 was used, the same procedure was followed as in Examples 1-1 to 1-28. A secondary battery was produced. Furthermore, as Comparative Example 1-3, except that 4-fluoro-1,3-dioxolan-2-one was not used, specifically, FPC and dimethyl carbonate were used, and FPC: dimethyl carbonate = 30: A secondary battery was fabricated in the same manner as in Examples 1-1 to 1-28, except that a solvent mixed at a volume ratio of 70 was used.
更にまた、比較例1−4〜1−6として、負極材料に人造黒鉛を用い、電解液の組成を変えたことを除き、他は実施例1−1〜1−28と同様にして二次電池を作製した。その際、負極は、人造黒鉛粉末90質量部と、結着剤であるポリフッ化ビニリデン10質量部とを混合し、溶剤であるN−メチル−2−ピロリドンを添加して厚み15μmの帯状銅箔よりなる負極集電体22Aの両面に均一に塗布して乾燥させ、ロールプレス機で圧縮成型して負極活物質層22Bを形成することにより作製した。また、溶媒は、炭酸エチレンと炭酸ジメチルとを、炭酸エチレン:炭酸ジメチル=30:70の体積で混合した溶媒、または4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンと、炭酸ジメチルとを、4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オン:炭酸ジメチル=30:70の体積比で混合した溶媒、または4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンと、FPCと、炭酸ジメチルとを、4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オン:FPC:炭酸ジメチル=20:10:70の体積比で混合した溶媒とした。なお、負極22の容量がリチウムの吸蔵および放出による容量成分により表されるように、正極21と負極22との面積密度比を設計した。
Furthermore, as Comparative Examples 1-4 to 1-6, secondary graphite was used in the same manner as in Examples 1-1 to 1-28 except that artificial graphite was used as the negative electrode material and the composition of the electrolytic solution was changed. A battery was produced. At that time, the negative electrode was prepared by mixing 90 parts by mass of artificial graphite powder and 10 parts by mass of polyvinylidene fluoride as a binder, adding N-methyl-2-pyrrolidone as a solvent, and forming a strip-shaped copper foil having a thickness of 15 μm. The negative electrode current collector 22A was uniformly coated on both surfaces, dried, and compression molded with a roll press to form the negative electrode active material layer 22B. The solvent is a solvent in which ethylene carbonate and dimethyl carbonate are mixed in a volume of ethylene carbonate: dimethyl carbonate = 30: 70, or 4-fluoro-1,3-dioxolan-2-one and dimethyl carbonate. 4-fluoro-1,3-dioxolan-2-one: dimethyl carbonate = 30: 70 mixed solvent or 4-fluoro-1,3-dioxolan-2-one, FPC, dimethyl carbonate Were mixed in a volume ratio of 4-fluoro-1,3-dioxolan-2-one: FPC: dimethyl carbonate = 20: 10: 70. In addition, the area density ratio between the
得られた実施例1−1〜1−28および比較例1−1〜1−6の二次電池について、次のようにしてサイクル特性を測定した。 For the obtained secondary batteries of Examples 1-1 to 1-28 and Comparative examples 1-1 to 1-6, cycle characteristics were measured as follows.
まず、100mAの定電流で電池電圧が4.2Vに達するまで定電流充電を行ったのち、4.2Vの定電圧で電流が1mAに達するまで定電圧充電を行い、引き続き、300mAの定電流で電池電圧が3.0Vに達するまで定電流放電を行った。この充放電を繰返し、サイクル特性は、初回放電容量(1サイクル目の放電容量)に対する100サイクル目の放電容量維持率(100サイクル目の放電容量/初回放電容量)×100(%)として求めた。結果を表1,2に示す。 First, constant current charging was performed at a constant current of 100 mA until the battery voltage reached 4.2 V, then constant voltage charging was performed at a constant voltage of 4.2 V until the current reached 1 mA, and then at a constant current of 300 mA. The constant current discharge was performed until the battery voltage reached 3.0V. This charging / discharging was repeated, and the cycle characteristics were determined as the discharge capacity retention rate at the 100th cycle (discharge capacity at the 100th cycle / initial discharge capacity) × 100 (%) with respect to the initial discharge capacity (discharge capacity at the first cycle). . The results are shown in Tables 1 and 2.
表1から分かるように、4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンと、FPC,FBCまたはFPhECとを用いた実施例1−1〜1−28によれば、これらの双方を用いていない比較例1−1、あるいはFPC,FBCおよびFPhECのうちのいずれも用いていない比較例1−2、あるいは4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンを用いていない比較例1−3よりも、放電容量維持率が向上した。一方、負極材料として人造黒鉛を用いた比較例1−4〜6によれば、これらを混合する効果は観られなかった。 As can be seen from Table 1, according to Examples 1-1 to 1-28 using 4-fluoro-1,3-dioxolan-2-one and FPC, FBC or FPhEC, both of these were used. Comparative Example 1-1 having no FPC, FBC and FPhEC, or Comparative Example 1-3 having no 4-fluoro-1,3-dioxolan-2-one As a result, the discharge capacity retention rate was improved. On the other hand, according to Comparative Examples 1-4 to 6 using artificial graphite as the negative electrode material, the effect of mixing these was not observed.
更に、放電容量維持率は、FPC,FBCまたはFPhECの含有量が増加するに伴い上昇し、極大値を示したのち低下する傾向が観られた。 Furthermore, the discharge capacity retention rate increased as the content of FPC, FBC or FPhEC increased, and showed a tendency to decrease after showing a maximum value.
すなわち、負極活物質にリチウム金属を用いた場合に、4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンと、化4に示したハロゲン化炭酸エステルとを用いるようにすれば、サイクル特性を向上させることができ、溶媒における化4に示したハロゲン化炭酸エステルの含有量を0.1体積%以上20体積%以下の範囲内とするようにすれば好ましいことが分かった。 That is, when lithium metal is used as the negative electrode active material, cycle characteristics can be improved by using 4-fluoro-1,3-dioxolan-2-one and the halogenated carbonate shown in Chemical formula 4. It was found that the content of the halogenated carbonate shown in Chemical formula 4 in the solvent is preferably in the range of 0.1% by volume to 20% by volume.
(実施例2−1〜2−4)
電解質塩としてLiPF6 に加えて、更にLiBF4 またはLiB(OCOCF3 )4 を用いたことを除き、他は実施例1−4,1−11と同様にしてリチウム金属二次電池を作製した。その際、実施例2−1,2−3では、電解液におけるLiPF6 およびLiBF4 の濃度をそれぞれ0.8mol/kg、0.2mol/kgとした。また、実施例2−2,2−4では、電解液におけるLiPF6 およびLiB(OCOCF3 )4 の濃度をそれぞれ0.8mol/kg、0.2mol/kgとした。
(Examples 2-1 to 2-4)
A lithium metal secondary battery was fabricated in the same manner as in Examples 1-4 and 1-11 except that LiBF 4 or LiB (OCOCF 3 ) 4 was further used in addition to LiPF 6 as the electrolyte salt. At that time, in Examples 2-1 and 2-3, the concentrations of LiPF 6 and LiBF 4 in the electrolytic solution were 0.8 mol / kg and 0.2 mol / kg, respectively. In Examples 2-2 and 2-4, the concentrations of LiPF 6 and LiB (OCOCF 3 ) 4 in the electrolytic solution were 0.8 mol / kg and 0.2 mol / kg, respectively.
作製した実施例2−1〜2−4の二次電池について、実施例1−1〜1−28と同様にしてサイクル特性を調べた。結果を実施例1−4,1−11の結果と共に表3に示す。 For the fabricated secondary batteries of Examples 2-1 to 2-4, cycle characteristics were examined in the same manner as in Examples 1-1 to 1-28. The results are shown in Table 3 together with the results of Examples 1-4 and 1-11.
表3から分かるように、LiPF6 に加えてLiBF4 またはLiB(OCOCF3 )4 を用いた実施例2−1,2−2または実施例2−3,2−4によれば、LiPF6 のみを用いた実施例1−4,1−11よりもそれぞれ放電容量維持率が向上した。 As can be seen from Table 3, according to the LiBF 4 or LiB (OCOCF 3) 4 Example 2-1 or Example 2-3 and 2-4 were used in addition to LiPF 6, only LiPF 6 The discharge capacity retention rate was improved over Examples 1-4 and 1-11, respectively.
すなわち、LiPF6 に加えて、他の電解質塩を用いるようにすれば、サイクル特性をより向上させることができることが分かった。 That is, it has been found that the cycle characteristics can be further improved by using another electrolyte salt in addition to LiPF 6 .
(実施例3−1〜3−10)
リチウムの吸蔵および放出による容量成分と、リチウムの析出および溶解による容量成分とを含み、かつその和により表される二次電池を作製した。その際、負極材料に人造黒鉛を用い、比較例1−4〜1−6と同様にして負極22を作製したことを除き、他は実施例1−1〜1−28と同様にして二次電池を作製した。また、溶媒は、4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンと、FPCと、炭酸ジメチルとを表4に示した体積比で混合したものとした。更に、電解質塩にはLiPF6 を用い、電解液における濃度を1.0mol/kgとした。なお、負極22の容量がリチウムの吸蔵および放出による容量成分と、リチウムの析出および溶解による容量成分とを含み、かつその和により表されるように、正極材料と負極材料との充填量を設計した。
(Examples 3-1 to 3-10)
A secondary battery including a capacity component due to insertion and extraction of lithium and a capacity component due to precipitation and dissolution of lithium and represented by the sum thereof was manufactured. At that time, artificial graphite was used as a negative electrode material, and the
実施例3−1〜3−10に対する比較例1−1として、4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンと化4に示したハロゲン化炭酸エステルとを用いなかったことを除き、具体的には、炭酸エチレン(EC)と炭酸ジメチルとを、炭酸エチレン:炭酸ジメチル=30:70の体積比で混合した溶媒を用いたことを除き、他は実施例3−1〜1−10と同様にして二次電池を作製した。また、比較例3−2として、FPCを用いなかったことを除き、具体的には、4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンと炭酸ジメチルとを、4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オン:炭酸ジメチル=30:70の体積比で混合した溶媒を用いたことを除き、他は実施例3−1〜3−10と同様にして二次電池を作製した。更に、比較例3−3として、4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンを用いなかったことを除き、具体的には、FPCと、炭酸ジメチルとを、FPC:炭酸ジメチル=30:70の体積比で混合した溶媒を用いたことを除き、他は実施例3−1〜3−10と同様にして二次電池を作製した。 As Comparative Example 1-1 with respect to Examples 3-1 to 3-10, except that 4-fluoro-1,3-dioxolan-2-one and the halogenated carbonate shown in Chemical Formula 4 were not used, Specifically, except that a solvent obtained by mixing ethylene carbonate (EC) and dimethyl carbonate at a volume ratio of ethylene carbonate: dimethyl carbonate = 30: 70 was used, the other examples were as in Examples 3-1 to 1-10. Similarly, a secondary battery was produced. Further, as Comparative Example 3-2, except that FPC was not used, specifically, 4-fluoro-1,3-dioxolan-2-one and dimethyl carbonate were combined with 4-fluoro-1,3- A secondary battery was fabricated in the same manner as in Examples 3-1 to 3-10, except that a solvent mixed in a volume ratio of dioxolan-2-one: dimethyl carbonate = 30: 70 was used. Furthermore, as Comparative Example 3-3, except that 4-fluoro-1,3-dioxolan-2-one was not used, specifically, FPC and dimethyl carbonate, FPC: dimethyl carbonate = 30: A secondary battery was fabricated in the same manner as in Examples 3-1 to 3-10, except that a solvent mixed at a volume ratio of 70 was used.
得られた実施例3−1〜3−10および比較例3−1〜3−3の二次電池について、実施例1−1〜1−28と同様にしてサイクル特性を測定した。それらの結果を表4に示す。 For the obtained secondary batteries of Examples 3-1 to 3-10 and Comparative examples 3-1 to 3-3, cycle characteristics were measured in the same manner as in Examples 1-1 to 1-28. The results are shown in Table 4.
また、実施例3−1〜3−10および比較例3−1〜3−3の二次電池について、目視および7 Li核磁気共鳴分光法により負極22にリチウム金属およびリチウムイオンが存在しているか否かを調べた。
Further, regarding the secondary batteries of Examples 3-1 to 3-10 and Comparative Examples 3-1 to 3-3, whether lithium metal and lithium ions are present on the
7 Li核磁気共鳴分光法による結果、実施例3−1〜3−10および比較例4−1〜4−3の二次電池では、完全充電状態において265ppm付近にリチウム金属に帰属されるピークが確認され、また、44ppm付近にリチウムイオンに帰属されるピークが確認された。これらのピーク位置は外部標準塩化リチウムに対する数値である。一方、完全放電状態においては、リチウム金属に帰属されるピークが確認されなかった。また、目視によっても、完全充電状態においてのみリチウム金属が確認された。すなわち、負極22の容量は、リチウムの吸蔵および放出による容量成分と、リチウムの析出および溶解による容量成分とを含み、かつその和により表されることが確認された。
As a result of 7 Li nuclear magnetic resonance spectroscopy, in the secondary batteries of Examples 3-1 to 3-10 and Comparative examples 4-1 to 4-3, a peak attributed to lithium metal is present in the vicinity of 265 ppm in the fully charged state. In addition, a peak attributed to lithium ions was observed around 44 ppm. These peak positions are values relative to external standard lithium chloride. On the other hand, no peak attributed to lithium metal was observed in the fully discharged state. Moreover, the lithium metal was also confirmed by visual inspection only in the fully charged state. That is, it was confirmed that the capacity of the
表4から分かるように、実施例1−1〜1−28と同様に、4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンと、FPCとを用いた実施例3−1〜3−10によれば、放電容量維持率が向上した。 As can be seen from Table 4, in Examples 3-1 to 3-10 using 4-fluoro-1,3-dioxolan-2-one and FPC, as in Examples 1-1 to 1-28. According to this, the discharge capacity maintenance rate was improved.
すなわち、負極22の容量が、軽金属の吸蔵および放出による容量成分と、軽金属の析出および溶解による容量成分とを含み、かつその和で表される二次電池の場合にも、4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンと、化4に示したハロゲン化炭酸エステルとを用いるようにすれば、サイクル特性を向上させることができることが分かった。
That is, in the case of a secondary battery in which the capacity of the
(実施例4−1〜4−8,5−1〜5−8)
負極22の容量が、リチウムの析出および溶解による容量成分により表される電池、すなわちリチウム金属二次電池を作製した。
(Examples 4-1 to 4-8, 5-1 to 5-8)
A battery in which the capacity of the
実施例4−1〜4−8では、実施例1−1〜1−28と同様にして作製した正極33および負極34に、正極リード31および負極リード32を取り付け、これらをセパレータ35を介して積層し巻回したのち、ラミネートフィルムよりなる外装部材40に挟み込み、電解液を注入して密封することにより二次電池を作製した。ラミネートフィルムは、外側からナイロン−アルミニウム−無延伸ポリプロピレンよりなり、厚みをそれぞれ30μm、40μm、30μmとした合計100μmのものを用いた。正極集電体33Aは、厚み12μmの帯状アルミニウム箔とした。
In Examples 4-1 to 4-8, the
また、実施例5−1〜5−8では、幅30mm×高さ48mm×厚み5mmの角型容器を用いたことを除き、他は実施例1−1〜1−28と同様にして二次電池を作製した。正極集電体は、厚み12μmの帯状アルミニウム箔とした。 Moreover, in Examples 5-1 to 5-8, except that a square container having a width of 30 mm, a height of 48 mm, and a thickness of 5 mm was used, other than the secondary, A battery was produced. The positive electrode current collector was a strip-shaped aluminum foil having a thickness of 12 μm.
これらの実施例では、電解液に、4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンと、化4に示したハロゲン化炭酸エステルとしてFPCまたはFBCと、炭酸ジメチルとを、表5,6に示した体積比で混合した溶媒に、電解質塩としてLiPF6 と必要に応じてLiBF4 またはLiB(OCOCF3 )4 を溶解させたものを用いた。電解液における各電解質塩の濃度は表4,5に示したようにした。 In these examples, 4-fluoro-1,3-dioxolan-2-one, FPC or FBC as the halogenated carbonate shown in Chemical Formula 4, and dimethyl carbonate in Table 4 A solvent in which LiPF 6 and LiBF 4 or LiB (OCOCF 3 ) 4 as required were dissolved as an electrolyte salt in a solvent mixed at the indicated volume ratio was used. The concentration of each electrolyte salt in the electrolytic solution was as shown in Tables 4 and 5.
実施例4−1〜4−8,5−1〜5−8に対する比較例4−1,5−1として、4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンと化4に示したハロゲン化炭酸エステルを用いなかったことを除き、具体的には、炭酸エチレン(EC)と炭酸ジメチルとを、炭酸エチレン:炭酸ジメチル=30:70の体積比で混合した溶媒を用いたことを除き、他は実施例4−1〜4−8,5−1〜5−8と同様にして二次電池を作製した。また、比較例4−2,5−2として、化4に示したハロゲン化炭酸エステルを用いなかったことを除き、具体的には、4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンと炭酸ジメチルとを、4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オン:炭酸ジメチル=30:70の体積比で混合した溶媒を用いたことを除き、他は実施例4−1〜4−8,5−1〜5−8と同様にして二次電池を作製した。その際、電解質塩は、LiPF6 とし、電解液における濃度を1mol/kgとした。 As Comparative Examples 4-1 and 5-1 for Examples 4-1 to 4-8 and 5-1 to 5-8, 4-fluoro-1,3-dioxolan-2-one and the halogenation shown in Chemical Formula 4 Specifically, except that the carbonate was not used, specifically, a solvent in which ethylene carbonate (EC) and dimethyl carbonate were mixed in a volume ratio of ethylene carbonate: dimethyl carbonate = 30: 70 was used. Were fabricated in the same manner as in Examples 4-1 to 4-8 and 5-1 to 5-8. Further, as Comparative Examples 4-2 and 5-2, except that the halogenated carbonate shown in Chemical Formula 4 was not used, specifically, 4-fluoro-1,3-dioxolan-2-one and carbonate Except for using a solvent obtained by mixing dimethyl and 4-fluoro-1,3-dioxolan-2-one: dimethyl carbonate = 30: 70 in a volume ratio, other examples 4-1 to 4-8, Secondary batteries were fabricated in the same manner as in 5-1 to 5-8. At that time, the electrolyte salt was LiPF 6 and the concentration in the electrolyte was 1 mol / kg.
作製した実施例4−1〜4−8,5−1〜5−8および比較例4−1,4−2,5−1,5−2の二次電池について、実施例1−1〜1−28と同様にして放電容量維持率を調べた。結果を表5, 6に示す。 Regarding the fabricated secondary batteries of Examples 4-1 to 4-8, 5-1 to 5-8 and Comparative Examples 4-1, 4-2, 5-1, 5-2, Examples 1-1 to 1-1 The discharge capacity retention rate was examined in the same manner as -28. The results are shown in Tables 5 and 6.
表5,6から分かるように、実施例1−1〜1−28と同様に、4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンと、FPCとを用いた実施例4−1〜4−8,5−1〜5−8によれば、放電容量維持率が向上した。 As can be seen from Tables 5 and 6, Examples 4-1 to 4- using 4-fluoro-1,3-dioxolan-2-one and FPC as in Examples 1-1 to 1-28 According to 8,5-1 to 5-8, the discharge capacity retention rate was improved.
すなわち、他の外装部材を用いた場合にも、4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンと、化4に示したハロゲン化炭酸エステルとを用いるようにすれば、サイクル特性を向上させることができることが分かった。 That is, even when other exterior members are used, the cycle characteristics can be improved by using 4-fluoro-1,3-dioxolan-2-one and the halogenated carbonate shown in Chemical formula 4. I found out that I could do it.
以上、実施の形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態および実施例に限定されるものではなく、種々変形可能である。例えば、上記実施の形態および実施例においては、電極反応物質としてリチウムを用いる場合について説明したが、ナトリウム(Na)あるいはカリウム(K)などの他の1A族元素、またはマグネシウムあるいはカルシウム(Ca)などの2A族元素、またはアルミニウムなどの他の軽金属、またはリチウムあるいはこれらの合金を用いる場合についても、本発明を適用することができ、同様の効果を得ることができる。その際、負極活物質には、上記実施の形態で説明したような負極材料を同様にして用いることができる。 Although the present invention has been described with reference to the embodiments and examples, the present invention is not limited to the above embodiments and examples, and various modifications can be made. For example, in the above embodiments and examples, the case where lithium is used as the electrode reactant has been described. However, other Group 1A elements such as sodium (Na) or potassium (K), or magnesium or calcium (Ca), etc. The present invention can also be applied to the case of using the 2A group element, other light metals such as aluminum, lithium, or alloys thereof, and the same effects can be obtained. At that time, as the negative electrode active material, the negative electrode material described in the above embodiment can be used in the same manner.
また、上記実施の形態および実施例においては、電解液または固体状の電解質の1種であるゲル状の電解質を用いる場合について説明したが、他の電解質を用いるようにしてもよい。他の電解質としては、例えば、イオン伝導性セラミックス,イオン伝導性ガラスあるいはイオン性結晶などよりなるイオン伝導性無機化合物と電解液とを混合したもの、またはこれらのイオン伝導性無機化合物とゲル状の電解質とを混合したものが挙げられる。 Moreover, in the said embodiment and Example, although the case where the gel electrolyte which is 1 type of electrolyte solution or solid electrolyte was used, you may make it use another electrolyte. Examples of other electrolytes include, for example, a mixture of an ion conductive inorganic compound made of ion conductive ceramics, ion conductive glass, ionic crystal, or the like and an electrolyte solution, or these ion conductive inorganic compound and a gel-like one. What mixed the electrolyte is mentioned.
更に、上記実施の形態および実施例においては、巻回構造を有する二次電池について説明したが、本発明は、正極および負極を折り畳んだりあるいは積み重ねた構造を有する二次電池についても同様に適用することができる。 Further, in the above embodiments and examples, the secondary battery having a wound structure has been described, but the present invention is similarly applied to a secondary battery having a structure in which the positive electrode and the negative electrode are folded or stacked. be able to.
更にまた、上記実施の形態または実施例では、円筒型,ラミネートフィルム型,コイン型あるいは角型の二次電池を具体的に挙げて説明したが、本発明はボタン型の他の形状を有する二次電池,外装部材に他の金属製容器などを用いた二次電池,あるいは薄型などの種々の大きさを有する二次電池についても同様に適用することができる。 Furthermore, in the above-described embodiment or example, a cylindrical type, a laminate film type, a coin type or a square type secondary battery has been specifically described. However, the present invention is not limited to a button type other shape. next batteries, Ru can be similarly applied to a variety of secondary batteries having a size such as a secondary battery or thin, with such other metal container to the exterior member.
11…電池缶、12,13…絶縁板、14…電池蓋、15…安全弁機構,15A…ディスク板、16…熱感抵抗素子、17…ガスケット、20,30…巻回電極体、21,33…正極、21A,33A…正極集電体、21B,33B…正極活物質層、22,34…負極、22A,34A…負極集電体、22B,34B…負極活物質層、23,35…セパレータ、24…センターピン、25,31…正極リード、26,32…負極リード、36…電解質層、37…保護テープ、40…外装部材、41…密着フィルム。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Battery can, 12, 13 ... Insulation board, 14 ... Battery cover, 15 ... Safety valve mechanism, 15A ... Disc board, 16 ... Heat sensitive resistance element, 17 ... Gasket, 20, 30 ... Winding electrode body, 21, 33 ... Positive electrode, 21A, 33A ... Positive electrode current collector, 21B, 33B ... Positive electrode active material layer, 22, 34 ... Negative electrode, 22A, 34A ... Negative electrode current collector, 22B, 34B ... Negative electrode active material layer, 23, 35 ... Separator , 24 ... Center pin, 25, 31 ... Positive electrode lead, 26, 32 ... Negative electrode lead, 36 ... Electrolyte layer, 37 ... Protective tape, 40 ... Exterior member, 41 ... Adhesion film.
Claims (9)
負極活物質としてリチウム金属を用い、
前記電解質は、4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンと、化1に示したハロゲン化炭酸エステルとを含む溶媒を含有し、
前記溶媒における前記ハロゲン化炭酸エステルの含有量は、0.1体積%以上30体積%以下の範囲内である、二次電池。
Lithium metal is used as the negative electrode active material,
The electrolyte contains a solvent containing 4-fluoro-1,3-dioxolan-2-one and a halogenated carbonate represented by Chemical Formula 1 ,
The secondary battery , wherein the content of the halogenated carbonate in the solvent is in the range of 0.1% by volume to 30% by volume .
前記負極の容量は、軽金属の吸蔵および放出による容量成分と、軽金属の析出および溶解による容量成分とを含み、かつその和で表され、
前記電解質は、4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンと、化2に示したハロゲン化炭酸エステルとを含む溶媒を含有し、
前記溶媒における前記ハロゲン化炭酸エステルの含有量は、0.1体積%以上30体積%以下の範囲内である、二次電池。
The capacity of the negative electrode includes a capacity component due to insertion and extraction of light metal, and a capacity component due to precipitation and dissolution of light metal, and is represented by the sum thereof.
The electrolyte contains a solvent containing 4-fluoro-1,3-dioxolan-2-one and a halogenated carbonate represented by Chemical Formula 2 ,
The secondary battery , wherein the content of the halogenated carbonate in the solvent is in the range of 0.1% by volume to 30% by volume .
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