JP4366790B2 - Battery electrolyte and non-aqueous electrolyte secondary battery - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電池の電解液に用いることのできる電池用電解液、および電気自動車や携帯用電子機器のバッテリーとして用いることのできる非水電解液二次電池に関する。
【0002】
【従来の技術】
エネルギー問題及び環境問題を背景に、電力をより有効に活用する技術が求められている。そのためには、多量の電気を蓄え、かつ効率的にその蓄えた電気を取り出すことができる電気貯蔵手段が必要である。こうした電気の貯蔵手段としては、大きな放電容量と高い放電電圧をもち、かつ繰り返し充放電を行うことができる二次電池が最適である。
【0003】
このような二次電池として、充電時にはリチウムイオンが正極から放出されて負極に吸蔵される充電反応が生じ、放電時には負極から放出されて正極に吸蔵される放電反応が生じるリチウム二次電池がある。リチウム二次電池では、そのエネルギー密度および出力密度がいずれも高いため、大きな放電容量と高い放電電圧とが得られる。そのなかでも、負極に炭素材料もしくはリチウム含有金属を使用したリチウムイオン二次電池は、高エネルギー密度化が期待され、活発に研究が行われている。
【0004】
しかしながら、炭素材料を負極に用いる二次電池では、過充電時に負極表面にデンドライト状のリチウムが発生し、リチウム含有金属を負極に用いる二次電池では、充電の際の負極表面に、デンドライト状のリチウムが発生する。このデンドライト状のリチウムは表面積が非常に大きく、電解液とリチウムとの副反応が生起しやすいので、その副反応によりリチウムが消費されたり、電池が高温にさらされた場合などの異常時にデンドライト状のリチウムと電解液とが爆発的に反応する場合がある。また、デンドライト状のリチウムが負極表面から遊離することによりサイクル特性が悪化する。そのために安全性と信頼性とに優れたリチウム二次電池の開発が望まれている。近年、デンドライト状リチウムの生成を抑制し、サイクル特性等を向上する目的で、電解液中に種々の物質を添加する試みが行われている。
【0005】
特開平6−349523号公報は、ベンゾトリアゾールもしくはその誘導体を電解液中に添加し、サイクル特性の向上を図っている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平6−349523号公報に示されたベンゾトリアゾール等の物質は、たとえば、ベンゾトリアゾールを添加した電解液を用いてニッケル基板上にリチウムの析出をさせようとしても、ベンゾトリアゾールが還元されるので、リチウムが析出しないことからもわかるように、耐還元性に劣るのでデンドライト状リチウムの発生を充分に抑制できないという不都合があった。
【0007】
したがって、本発明では、安全性と信頼性とに優れた電池特性を達成できる電池用電解液を提供することを解決すべき課題とする。
【0008】
また、安全性と信頼性とに優れた電池特性をもつ非水電解液二次電池を提供することを解決すべき課題とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する目的で本発明者らは鋭意研究を行った結果、窒素含有環状物質のリチウム塩を電解液に加えることで、デンドライト状リチウムが発生することを抑制できることを発見し、以下の発明をした。
【0010】
すなわち、上記課題を解決する本発明の電池用電解液は、リチウムイオンの吸蔵および放出が可能な正極並びに負極とを用いた非水電解液電池用の有機溶媒に支持塩を溶解させてなる電池用電解液であって、その支持塩は、窒素含有環状化合物のリチウム塩を含有することを特徴とする。
【0011】
つまり、本発明の電池用電解液は、耐還元性に優れた窒素含有環状化合物のリチウム塩を電池用電解液に含有させることによって、窒素含有環状化合物のリチウム塩が負極表面に耐還元性の高い安定な皮膜を形成し、負極上の電流集中や副反応を抑制するので、デンドライト生成が抑制されサイクル特性の向上が図られると同時に、リチウムと電解液との反応面積を低減して安全性が向上する。
【0013】
そして、前記窒素含有環状化合物のリチウム塩は、デンドライト生成を抑制する効果の高さを考慮し、1,2,3−ベンゾトリアゾール、1,2,4−トリアゾール、3−アミノ−1,2,4−トリアゾール、ピラゾール、イミダゾールから選ばれる少なくとも1種以上の化合物のリチウム塩を含ませる。
【0014】
また、前記有機溶媒には、前記窒素含有環状化合物のリチウム塩が5〜100mmol/dm3添加されている。これより少ないと本発明の効果が低下し、また、これより多くても添加剤が電池用電解液中で晶出(もしくは溶解しない)するのみで、効果の向上が少ないからである。
【0015】
したがって、本発明の電池用電解液によれば、安全性と信頼性とに優れた電池特性を達成できる電池を得ることができる。
【0016】
また、前記課題を解決する本発明の非水電解液二次電池は、リチウムイオンの放出および吸蔵が可能な正極並びに負極と、その正極およびその負極の間に介在し有機溶媒に支持塩を溶解させてなる非水電解液とを備える非水電解液二次電池であって、前記非水電解液は、前述した本発明の電池用電解液であることを特徴とする。
【0017】
本発明の非水電解液二次電池では、使用される非水電解液が負極の表面に耐還元性に優れた安定な被膜を形成するので、安全性と信頼性とに優れた電池性能を達成できる。
【0018】
したがって、本発明の非水電解液二次電池によれば、携帯用電子機器や自動車などを高機能で駆動させることができるようになる上、長期にわたって繰り返し使用できるようになるなど電池性能が極めて高いものとなる。
【0019】
【発明の実施の形態】
(電池用電解液)
本発明の電池用電解液は、用いられる電池の種類で特に限定されるものではなく、公知の種類の電池に用いることができる。また、その電池は一次電池であっても二次電池であってもよい。
【0020】
本実施形態の電池用電解液は、リチウムイオンの吸蔵および放出が可能な正極並びに負極とを用いた非水電解液電池用の有機溶媒に支持塩を溶解させてなる電池用電解液であって、その支持塩は、窒素含有環状化合物のリチウム塩を含有する。
【0021】
窒素含有環状化合物のリチウム塩は、本実施形態の電池用電解液において、支持塩の作用を発揮する。
【0022】
窒素含有環状化合物のリチウム塩における窒素含有環状化合物は、1,2,3−ベンゾトリアゾール、1,2,4−トリアゾール、3−アミノ−1,2,4−トリアゾール、ピラゾール、イミダゾールを用いる。
【0023】
窒素含有環状化合物のリチウム塩は、それらの窒素含有環状化合物のイミド水素をリチウムに置換した物質から選ばれる少なくとも1種以上の化合物である。そして、窒素含有環状化合物のリチウム塩は、複数の化合物の混合物であってもかまわない。
【0024】
窒素含有環状化合物のリチウム塩を電解液に添加する濃度は、有機溶媒に対して、5〜100mmol/dm3 であり、好ましくは、10〜50mmol/dm3である。これより少ないと本発明の効果が低下し、また、これより多くても添加剤が電池用電解液中で晶出するのみで効果の向上が少ないからである。つまり、負極表面の活性点に吸着できるだけの添加量があれば、充分に本発明の効果が得られる。なお、窒素含有環状化合物のリチウム塩を過剰に添加することで電解液内に晶出する結晶は、電解液内で窒素含有環状化合物のリチウム塩が消費されて濃度が低くなった場合に、電解液中へ補充的に溶解できるので、電解液中の窒素含有環状化合物のリチウム塩濃度を一定以上に保つ働きがある。
【0025】
トリアゾール類のリチウム塩は、トリアゾール類のリチウム金属による脱水素反応によって合成することができる。
【0026】
たとえば、テトラヒドロフランに1mol/dm3 のベンゾトリアゾールを溶解し、これをテトラヒドロフラン浴中にゆっくりと滴下する。このテトラヒドロフラン浴中に当量のリチウム金属を少量ずつ加え、攪拌しながら穏やかにベンゾトリアゾールと作用させると、黄白色のベンゾトリアゾールのリチウム塩が沈澱する。得られた沈澱物をろ過、乾燥後、メタノールとアセトンとの混合溶媒で再結晶して精製した。これを150℃で24時間真空乾燥してベンゾトリアゾールのリチウム塩を得た。
【0027】
同様にしてその他のトリアゾール類のリチウム塩を合成することができる。
【0028】
支持塩は、本発明の窒素含有環状化合物のリチウム塩を単独で使用することもできるが、電池特性を向上させる観点を考慮すると、他の公知の支持塩を併せて用いることが好ましい。
【0029】
本実施形態の電池用電解液に、前述の窒素含有環状化合物のリチウム塩と併せて用いることができる支持塩は、LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiCF3SO3などの無機リチウム塩あるいは、LiN(SO2CxF2x+1)(SO2CyF2y+1)で表される有機リチウム塩である。ここで、xおよびyは1〜4の整数を表し、また、x+yは3〜8である。具体的には、LiN(SO2CF3)(SO2C2F6)、LiN(SO2CF3)(SO2C3F7)、LiN(SO2CF3)(SO2C4F9)、LiN(SO2C2F6)(SO2C2F6)、LiN(SO2C2F6)(SO2C3F7)、LiN(SO2C2F6)(SO2C4F6)等があげられている。なかでも、LiN(SO2CF3)(SO2C4F9)、LiN(SO2C2F6)(SO2C2F6)などを支持塩に使用すると、電気特性に優れるので好ましい。また、有機リチウム塩は、4V以上の高電位で、正極集電体であるアルミニウムを破壊する場合があるので、これを抑制するための添加剤として、LiPF6などを支持塩として添加してもよい。
【0030】
上記支持塩は、その電解液中の濃度が、0.1〜3.0mol/dm3 、特に0.5〜2.0mol/dm3 となるように有機溶媒に溶媒することが好ましい。電解液中の濃度が0.1mol/dm3 より小さいと充分な電流密度が得られないことがあり、3.0mol/dm3 より大きいと粘度を増加させ、電解液の導電性がかえって低下する恐れがある。
【0031】
有機溶媒としては、通常の非水電解液二次電池に電解液として用いられる有機溶媒であれば特に限定されるものではなく、例えば、カーボネート化合物、ラクトン化合物、エーテル化合物、スルホラン化合物、ジオキソラン化合物、ケトン化合物、ニトリル化合物、ハロゲン化炭化水素化合物等を挙げることができる。
【0032】
具体的には、ジメチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、エチレングリコールジメチルカーボネート、プロピレングリコールジメチルカーボネート、エチレングリコールジエチルカーボネート、ビニレンカーボネート等のカーボネート類、γ−ブチルラクトン等のラクトン類、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、テトラヒドロピラン、1,4−ジオキサンなどのエーテル類、スルホラン、3−メチルスルホラン等のスルホラン類、1,3−ジオキソラン等のジオキソラン類、4−メチル−2−ペンタノン等のケトン類、アセトニトリル、ピロピオニトリル、パレロニトリル、ベンソニトリル等のニトリル類、1,2−ジクロロエタン等のハロゲン化炭化水素類、その他のメチルフォルメート、ジメチルホルムアミド、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド等が挙げられ、これらを単独で、または、これらから選ばれる複数の有機溶媒を混合した混合物であっても良い。例に挙げたこれらの有機溶媒のうち、特に、カーボネート類、エーテル類からなる群より選ばれた一種以上の非水溶媒を用いることにより、支持塩の溶解性、誘電率および粘度において優れ、電池の充放電効率も高いので、好ましい。
(非水電解液二次電池)
本発明の非水電解液二次電池は、その形状には特に制限を受けず、コイン型、円筒型、角型等、種々の形状の電池として使用できる。
【0033】
本実施形態では、とりあえず、図1に示すようなコイン型の非水電解液二次電池に基づいて説明を行う。本実施形態の非水電解液二次電池は、ガスケット7を介して接合された正極ケース4と負極ケース5との内部にセパレータ6を介して接合された正極1と負極2と空隙を満たす電解液3とからなる。正極1と正極ケース4とについて、そして負極2と負極ケース5とについては、それぞれ電気的に接合されている。
【0034】
正極1については、リチウムイオンを充電時には放出し、かつ放電時には吸蔵することができれば、その材料構成で特に限定されるものではなく、公知の材料構成のものを用いることができる。特に、正極活物質、導電材および結着材を混合して得られた合材が集電体に塗布されてなるものを用いることが好ましい。
【0035】
正極活物質には、その活物質の種類で特に限定されるものではなく、公知の活物質を用いることができる。たとえば、TiS2 、TiS3 、MoS3 、FeS2 、Li(1-X) MnO2 、Li(1-X) Mn2 O4 、Li(1-X) CoO2 、Li(1-X) NiO2 、V2 O3 等が挙げられる。なお、正極活物質の例示におけるXは0〜1の数を示す。
【0036】
そのなかでも、LiCoO2や、LiNiO2、LiMn2O4などのリチウムおよび遷移金属の複合酸化物は、電子とリチウムイオンの拡散性能に優れるなど活物質の性能に優れる。そのため、このようなリチウムおよび遷移金属の複合酸化物を正極活物質に用いれば、高い充放電効率と良好なサイクル特性とが得られる。特に、LiMn2O4を用いれば、そのマンガンの資源が豊富であることから低コスト化を図ることができる。
【0037】
また、負極2については、リチウムイオンを充電時には吸蔵し、かつ放電時には放出することができれば、その材料構成で特に限定されるものではなく、公知の材料構成のものを用いることができる。特に、負極活物質、導電材および結着剤を混合して得られた合材が集電体に塗布されてなるものを用いることが好ましい。負極活物質としては、その活物質の種類で特に限定されるものではなく、公知の負極活物質を用いることができる。そのなかでも、結晶性の高い天然黒鉛や人造黒鉛などの炭素材料は、リチウムイオンの吸蔵性能および拡散性能に優れるなど活物質の性能に優れる。そのため、このような炭素材料を負極活物質に用いれば、高い充放電効率と良好なサイクル特性とが得られる。さらには、負極2としてリチウム含有金属を使用することが電池容量の観点からは、より好ましい。
【0038】
電解液3には、本発明の電池用電解液と同じ形態の電解液を使用することができる。
【0039】
正極ケース4、および負極ケース5は、特に限定されるものではなく、公知の材料、形態で作成することができる。
【0040】
セパレータ6は、正極1および負極2を電気的に絶縁し、電解液3を保持する役割を果たすものである。たとえば、ポリエチレン等の微多孔質膜を用いればよい。なおセパレータ6は、正極1と負極2との絶縁を担保するため、正極1および負極2よりもさらに大きいものとするのが好ましい。
【0041】
ガスケット7は、ケース4、5の間の電気的な絶縁と、ケース4、5内の密閉性とを担保するものである。たとえば、ポリプロピレン等の電解液3にたいして、化学的、電気的に安定な高分子等から構成できる。
【0042】
上記構成からなる本発明の非水電池の製造方法について説明する。
【0043】
図1に示すコイン型電池の作製方法の例を以下に述べる。正極1としては、正極活物質としてのLiMn2O4と導電材としてのグラファイトと結着材としてのポリフッ化ビニリデンとを混合して、正極材料とする。この正極材料を分散材としてのN−メチル−2−ピロリドンに分散させ、スラリー状とする。このスラリーをアルミニウム製の正極集電体に塗布し、乾燥後、プレス成型して、正極1とする。
【0044】
負極2は、負極活物質としての黒鉛材料と、結着剤としてのポリフッ化ビニリデンとを混合して、負極材料とする。この負極材料を分散剤としてのNーメチルー2ーピロリドンに分散させ、スラリー状とする。このスラリーを銅製の負極集電体に塗布し、乾燥後、プレス成型して、負極2とする。
【0045】
この正極1と負極2とをポリエチレン製のセパレータ6を介し、ケース4、5内に内設し、前述の電池用電解液を満たした後、ケース4、5を圧接・接合して、コイン型電池を作製することができる。
【0046】
図2は、本実施形態における円筒型の非水電解液二次電池の概念図であり、図2aは電池の断面斜視模式図であり、図2bは電極部分を示す説明模式図図を示す。図2に示す円筒型の非水電解液二次電池についての製造方法について、さらに、説明する。
【0047】
円筒型非水電解液二次電池10は、コイン型で製造したのと同じ正極および負極を、シート形状として、両者をセパレータを介して積層し、渦巻き型に多数回巻き回して巻回体として、所定の円筒状のケース内に収納したものである。
【0048】
すなわち、電極の構成は、図2bに示すように負極集電体12に形成された負極合材11と、正極集電体14に形成された正極合材13とが合材面が相対するように配置され、その間にセパレータ16と電解液15が介在して巻き回して巻回体とし絶縁板を介して図2aに示す電池缶の中に収納されて構成される。
【0049】
この巻回体の負極集電体12端部には負極リード12’が溶接され端部にニッケル製の負極端子18が電流遮断用薄板22を介してを介してケース21に溶接される。一方、正極集電体14に溶接された正極リード14’には端部にアルミニウム製の正極端子17が取り付けられ、電流遮断用薄板22を介して電池蓋として固定される。その結果、ケース21の底部が負極端子部18となり、ケースの蓋部分が正極の端子部17となる。ケース21に収納された巻回体には、上記の非水電解液15が注入されガスケット23で密封され安全蓋24を配備され、大きさが直径18mm、高さ65mmの円筒型非水電解液二次電池が形成できる。
【0050】
なお、円筒型電池の作製方法は、上述と同様の方法で、正極、負極、電解液を作製し、厚さ25μmの微孔ポリエチレン製フィルムをセパレータとし、前述の正極および負極を順々積層してから渦巻き型に多数回巻回すことにより巻回体を形成する。次に電池缶の底部に絶縁体を挿入し、上記巻回体を収納した。そして、負極、正極の端子を電池缶の底および蓋に接続させ上述の非水電解液を、上述のようにして作製した電池缶に注入し、密封することで円筒型非水電解液二次電池を作製できる。
【0051】
【実施例】
以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明する。しかしながら、本発明は下記の実施例に限定されるものではない。
【0052】
(実施例1)
有機溶媒としてのエチレンカーボネートとジメトキシエタンの等体積混合溶媒に、支持塩としてのLiPF6 を1mol/dm3 の濃度に溶解させ、さらに窒素含有環状化合物のリチウム塩として1,2,3−ベンゾトリアゾールリチウム塩を3mmol/dm3 となるように、溶解させたものを非水電解液として、以下の方法で安全性評価用コイン型電池およびリチウム充放電効率測定用セルをそれぞれ作製した。
【0053】
〈安全性評価用コイン型電池の作成方法〉
コイン型電池の作製方法を以下に述べる。正極1としては、LiMn2O4を90重量部、グラファイト6重量部およびポリフッ化ビニリデン4重量部を混合して、正極材料とする。この正極材料にN−メチル−2−ピロリドンに分散させ、スラリー状とする。このスラリーをアルミニウム製の正極集電体に塗布し、乾燥後、プレス成型して、正極1とした。負極2は、黒鉛材料を92重量部、ポリフッ化ビニリデン8重量部を混合して、負極材料とする。この負極材料にN−メチル−2−ピロリドンに分散させ、スラリー状とする。このスラリーを銅製の負極集電体に塗布し、乾燥後、プレス成型して、負極2とした。
【0054】
この正負極1、2を厚さ25μmのポリエチレン製のセパレータ6を介して接合し、それぞれ正極ケース4および負極ケース5に溶接する。正極ケース4および負極ケース5は、ガスケット7を介して接合され、内部に非水電解液3を満たした。このコイン型電池を安全性評価用コイン型電池とした。
【0055】
〈リチウム充放電効率測定用セルの作製方法〉
リチウム充放電効率測定には、図3のコイン型セルを使用する。作用極60には、厚さ100μmのリチウム箔を直径15mmに打ち抜いて使用し、対極50には、厚さ400μmのリチウム箔を直径15mmに打ち抜いて使用した。これらリチウム箔をケースに圧着し、厚さ40μmのポリエチレン製のフィルム70を介し、非水電解液を含有させてリチウム充放電効率測定用セルとした。
【0056】
(実施例2)
有機溶媒としてのエチレンカーボネートとジメトキシエタンの等体積混合溶媒に、支持塩としてのLiPF6 を1mol/dm3 の濃度に溶解させ、さらに窒素含有環状化合物のリチウム塩として1,2,3−ベンゾトリアゾールのリチウム塩を10mmol/dm3 の濃度に溶解させたものを非水電解液として、実施例1と同様の作成方法で図1に示す安全性評価用コイン型電池および図3に示すリチウム充放電効率測定用セルをそれぞれ作製した。
【0057】
(実施例3)
有機溶媒としてのエチレンカーボネートとジメトキシエタンの等体積混合溶媒に、支持塩としてのLiPF6 を1mol/dm3 の濃度に溶解させ、さらに窒素含有環状化合物のリチウム塩として1,2,3−ベンゾトリアゾールのリチウム塩を50mmol/dm3 の濃度に溶解させたものを非水電解液として、実施例1と同様の作成方法で図1に示す安全性評価用コイン型電池および図3に示すリチウム充放電効率測定用セルをそれぞれ作製した。
【0058】
(実施例4)
有機溶媒としてのエチレンカーボネートとジメトキシエタンの等体積混合溶媒に、支持塩としてのLiPF6 を1mol/dm3 の濃度に溶解させ、さらに窒素含有環状化合物のリチウム塩として1,2,3−ベンゾトリアゾールのリチウム塩を100mmol/dm3 の濃度に溶解させたものを非水電解液として、実施例1と同様の作成方法で図1に示す安全性評価用コイン型電池および図3に示すリチウム充放電効率測定用セルをそれぞれ作製した。
【0059】
(実施例5)
有機溶媒としてのエチレンカーボネートとジメトキシエタンの等体積混合溶媒に、支持塩としてのLiPF6 を1mol/dm3 の濃度に溶解させ、さらに窒素含有環状化合物のリチウム塩として1,2,4−ベンゾトリアゾールのリチウム塩を50mmol/dm3 の濃度に溶解させたものを非水電解液として、実施例1と同様の作成方法で図1に示す安全性評価用コイン型電池および図3に示すリチウム充放電効率測定用セルをそれぞれ作製した。
【0060】
(実施例6)
有機溶媒としてのエチレンカーボネートとジメトキシエタンの等体積混合溶媒に、支持塩としてのLiPF6 を1mol/dm3 の濃度に溶解させ、さらに窒素含有環状化合物のリチウム塩として3−アミノ−1,2,4−ベンゾトリアゾールのリチウム塩を50mmol/dm3 の濃度に溶解させたものを非水電解液として、実施例1と同様の作成方法で図1に示す安全性評価用コイン型電池および図3に示すリチウム充放電効率測定用セルをそれぞれ作製した。
【0061】
(比較例1)
有機溶媒としてのエチレンカーボネートとジメトキシエタンの等体積混合溶媒に、支持塩としてのLiPF6 を1mol/dm3 の濃度に溶解させたものを非水電解液として、実施例1と同様の作成方法で図1に示す安全性評価用コイン型電池および図3に示すリチウム充放電効率測定用セルをそれぞれ作製した。
【0062】
(比較例2)
有機溶媒としてのエチレンカーボネートとジメトキシエタンの等体積混合溶媒に、支持塩としてのLiPF6 を1mol/dm3 の濃度に溶解させ、さらに1,2,3−ベンゾトリアゾールを50mmol/dm3 の濃度に溶解させたものを非水電解液として、実施例1と同様の作成方法で図1に示す安全性評価用コイン型電池および図3に示すリチウム充放電効率測定用セルをそれぞれ作製した。
【0063】
(トリアゾール類のリチウム塩を合成する方法)
テトラヒドロフランにベンゾトリアゾールを1mol/dm3 の濃度に溶解する。このテトラヒドロフラン溶液中に当量の金属リチウムを少量ずつ加え、攪拌しながら穏やかにベンゾトリアゾールと作用させると、黄白色のベンゾトリアゾールのリチウム塩が沈澱する。得られた沈澱物を濾過、乾燥後、メタノールとアセトンとの混合溶媒で再結晶して精製した。これを150℃で24時間真空乾燥してベンゾトリアゾールのリチウム塩を得た。
【0064】
同様にしてその他のトリアゾール類のリチウム塩を合成することができる。
【0065】
(安全性評価試験)
各実施例および各比較例の試験用電池を充電電流密度0.5mA/cm2 および2.5mA/cm2 で電池容量の200%まで過充電し、負極上に金属リチウムが析出した状態にし、その後200℃の高温槽で保存し、外観の変化を観察する。
【0066】
(リチウム充放電効率測定試験)
各実施例および各比較例の試験用セルについて、まず、作用極から0.5mA/cm2の定電流密度で、電荷量7.5C/cm2 のリチウムを溶出(放電)させた。次に、対極から作用極に対して、電流密度を0.5mA/cm2 、2.5mA/cm2 の2種類について定電流密度で電荷量7.5C/cm2 のリチウムを析出(充電)させた。
【0067】
この充放電を20サイクル繰り返した後に、0.5mA/cm2 に定電流密度、終止電圧を1Vとして、作用極上に残った電気化学的に活性なリチウム容量を測定した。
【0068】
次式を用いてリチウム充放電効率を測定した。
【0069】
リチウム充放電効率(%)=100×(1−1/FOM)
FOM=(充放電を繰り返した場合の充電容量の総和)/{(充電したリチウム容量)−(残った電気化学的に活性なリチウム容量)}
(結果)
実施例1〜6、比較例1〜2のリチウム充放電効率測定結果を表1に、安全性評価結果を表2に示す。
【0070】
【表1】
【0071】
【表2】
【0072】
比較例1では、本発明の窒素含有環状化合物のリチウム塩を含有していないので、充電時の電流密度が大きい場合に、リチウム充放電効率の低下が大きかった。また、比較例2では、窒素含有環状化合物がリチウム塩でない1,2,3−ベンゾトリアゾールであるので、比較例1と同様に、充電時の電流密度が大きい場合のリチウム充放電効率が低下が大きかった。これは、充電時の電流密度が高くなることで負極の近傍がより還元雰囲気になり、1,2,3−ベンゾトリアゾールが還元されて消費されたためと考えられる。
【0073】
実施例1では、3mmol/dm3 の1,2,3−ベンゾトリアゾールのリチウム塩を添加しているものの添加量が少ないために効果が少なかった。
【0074】
これに対し、トリアゾール類のリチウム塩を10〜50mmol/dm3 添加した実施例2〜3では、効果が発現され、比較例1よりもリチウム充放電効率が高く、充電電流密度が高くても、リチウム充放電効率の低下が少なかった。しかし、実施例4では1,2,3−ベンゾトリアゾールのリチウム塩の溶解度が低いために1,2,3−ベンゾトリアゾールのリチウム塩が電解液中に晶出しており、過剰に添加しても効果のさらなる向上は見られなかった。
【0075】
また、コイン型電池における安全性評価においては、比較例1では、過充電時の電流密度にかかわらず液漏れを生じた。比較例2では、効果が少なく過充電電流密度が高い場合に液漏れをおこした。
【0076】
実施例1では効果が現れているが添加量が少ないため過充電電流密度が高い場合に液漏れをおこした。これに対し、実施例2から4ではいずれの電流密度においても液漏れは見られず、安定した効果が見られた。
【0077】
以上の結果より、窒素含有環状化合物のリチウム塩を電解液に添加することによって、リチウム充放電効率を向上させ、かつ、安全性を向上することができることが明らかとなった。また、安定した効果を発揮するための窒素含有環状化合物のリチウム塩の添加量は、5mmol/dm3 より多くすることが好ましい。
【0078】
また、実施例5、6では、実施例2と同様に、比較例1よりも充放電効率が高く、定電流密度が増加しても、リチウム充放電効率の低下が少なく、安全性評価においても変化がみられなかった。
【0079】
【図面の簡単な説明】
【図1】本実施形態の非水電解液二次電池を概略的に示す電池の縦断面図である。
【図2】本実施形態の非水電解液二次電池の概略を示す円筒型電池の説明図であり、2aは筒型電池の断面斜視図であり、2bは電極部分を説明する説明模式図である。
【図3】本実施例の充放電効率試験に用いたセルの縦断面図である。
【符号の説明】
1:正極 2:負極 3:非水電解液 4:正極ケース 5:負極ケース 6:セパレータ 7:ガスケット
10:円筒型電池 11:負極合材 12:負極集電体 12’:負極リード 13:正極合材 14:正極集電体 14’:正極リード 15:電解液 16:セパレータ 17:正極端子 18:負極端子部
50:対極 60:作用極 70:ポリエチレン製フィルム(セパレータ)[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a battery electrolyte that can be used as a battery electrolyte, and a non-aqueous electrolyte secondary battery that can be used as a battery for electric vehicles and portable electronic devices.
[0002]
[Prior art]
With the background of energy problems and environmental problems, there is a need for technologies that make more effective use of electric power. For this purpose, there is a need for an electric storage means that can store a large amount of electricity and efficiently extract the stored electricity. As such electricity storage means, a secondary battery having a large discharge capacity and a high discharge voltage and capable of repeated charge and discharge is optimal.
[0003]
As such a secondary battery, there is a lithium secondary battery that undergoes a charging reaction in which lithium ions are released from the positive electrode and stored in the negative electrode during charging, and a discharging reaction that is released from the negative electrode and stored in the positive electrode during discharging. . Since the lithium secondary battery has both high energy density and high output density, a large discharge capacity and a high discharge voltage can be obtained. Among these, lithium ion secondary batteries using a carbon material or a lithium-containing metal for the negative electrode are expected to have a higher energy density, and are actively researched.
[0004]
However, in a secondary battery using a carbon material for the negative electrode, dendritic lithium is generated on the negative electrode surface during overcharge, and in a secondary battery using a lithium-containing metal for the negative electrode, a dendrite-like lithium is formed on the negative electrode surface during charging. Lithium is generated. This dendrite-like lithium has a very large surface area, and side reactions between the electrolyte and lithium are likely to occur. Therefore, the dendrite-like lithium is consumed in abnormal situations such as when lithium is consumed by the side reaction or when the battery is exposed to high temperatures. Lithium and the electrolyte may react explosively. Further, the cycle characteristics deteriorate due to the release of dendritic lithium from the negative electrode surface. Therefore, development of a lithium secondary battery excellent in safety and reliability is desired. In recent years, attempts have been made to add various substances to the electrolytic solution for the purpose of suppressing the formation of dendritic lithium and improving cycle characteristics and the like.
[0005]
In JP-A-6-349523, benzotriazole or a derivative thereof is added to an electrolytic solution to improve cycle characteristics.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, substances such as benzotriazole disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-349523, for example, reduce benzotriazole even if lithium is deposited on a nickel substrate using an electrolytic solution to which benzotriazole is added. Therefore, as can be seen from the fact that lithium does not precipitate, since the reduction resistance is poor, there is a disadvantage that generation of dendritic lithium cannot be sufficiently suppressed.
[0007]
Therefore, in this invention, it is set as the problem which should be solved to provide the electrolyte solution for batteries which can achieve the battery characteristic excellent in safety | security and reliability.
[0008]
It is another object of the present invention to provide a non-aqueous electrolyte secondary battery having excellent battery characteristics with safety and reliability.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
As a result of diligent research, the present inventors have found that by adding a lithium salt of a nitrogen-containing cyclic substance to the electrolyte, it is possible to suppress the generation of dendritic lithium, and the following Invented.
[0010]
That is, the battery electrolyte of the present invention that solves the above problems is a battery in which a supporting salt is dissolved in an organic solvent for a non-aqueous electrolyte battery using a positive electrode and a negative electrode capable of occluding and releasing lithium ions. The supporting salt contains a lithium salt of a nitrogen-containing cyclic compound.
[0011]
In other words, the battery electrolyte of the present invention contains a lithium salt of a nitrogen-containing cyclic compound having excellent reduction resistance in the battery electrolyte so that the lithium salt of the nitrogen-containing cyclic compound is reduced on the negative electrode surface. Forms a highly stable film and suppresses current concentration and side reactions on the negative electrode, so that dendrite formation is suppressed and cycle characteristics are improved, and at the same time, the reaction area between lithium and electrolyte is reduced and safety is improved. Will improve.
[0013]
The lithium salt of the nitrogen-containing cyclic compound takes into account the high effect of suppressing dendrite formation.ShiA lithium salt of at least one compound selected from 1,2,3-benzotriazole, 1,2,4-triazole, 3-amino-1,2,4-triazole, pyrazole and imidazole.
[0014]
The organic solvent contains 5 to 100 mmol / dm of lithium salt of the nitrogen-containing cyclic compound.ThreeAddedTheIf the amount is less than this, the effect of the present invention is reduced, and if the amount is more than this, the additive is only crystallized (or does not dissolve) in the battery electrolyte, and the effect is not improved.
[0015]
Therefore, according to the battery electrolyte of the present invention, a battery capable of achieving battery characteristics excellent in safety and reliability can be obtained.
[0016]
Further, the non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention that solves the above-mentioned problems is a positive and negative electrodes capable of releasing and occluding lithium ions, and a supporting salt dissolved in an organic solvent interposed between the positive and negative electrodes. A nonaqueous electrolyte secondary battery comprising the nonaqueous electrolyte solution, wherein the nonaqueous electrolyte solution is the above-described battery electrolyte solution of the present invention.
[0017]
In the non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention, since the non-aqueous electrolyte used forms a stable film with excellent reduction resistance on the surface of the negative electrode, the battery performance is excellent in safety and reliability. Can be achieved.
[0018]
Therefore, according to the non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention, it is possible to drive portable electronic devices, automobiles, etc. with high functions, and battery performance is extremely high such as being able to be used repeatedly over a long period of time. It will be expensive.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(Battery electrolyte)
The battery electrolyte of the present invention is not particularly limited by the type of battery used, and can be used for known types of batteries. The battery may be a primary battery or a secondary battery.
[0020]
The battery electrolyte of this embodiment is a battery electrolyte obtained by dissolving a supporting salt in an organic solvent for a non-aqueous electrolyte battery using a positive electrode and a negative electrode capable of occluding and releasing lithium ions. The supporting salt contains a lithium salt of a nitrogen-containing cyclic compound.
[0021]
The lithium salt of the nitrogen-containing cyclic compound exhibits the action of the supporting salt in the battery electrolyte solution of the present embodiment.
[0022]
The nitrogen-containing cyclic compound in the lithium salt of the nitrogen-containing cyclic compound is1, 2,3-benzotriazole, 1,2,4-triazole, 3-amino-1,2,4-triazole, pyrazole, imidazoleThe
[0023]
The lithium salt of the nitrogen-containing cyclic compound is at least one compound selected from substances obtained by substituting lithium for the imide hydrogen of the nitrogen-containing cyclic compound. The lithium salt of the nitrogen-containing cyclic compound may be a mixture of a plurality of compounds.
[0024]
The concentration of the lithium salt of the nitrogen-containing cyclic compound added to the electrolyte isAnd5-100 mmol / dmThree And goodPreferably, 10-50 mmol / dmThreeIt is. If the amount is less than this, the effect of the present invention is lowered, and if it is more than this, the additive is crystallized in the battery electrolyte, and the improvement in the effect is small. That is, the effect of the present invention can be sufficiently obtained if there is an addition amount sufficient to adsorb on the active sites on the negative electrode surface. Note that crystals that crystallize in the electrolyte by adding an excessive amount of the lithium salt of the nitrogen-containing cyclic compound are electrolyzed when the lithium salt of the nitrogen-containing cyclic compound is consumed in the electrolyte and the concentration decreases. Since it can be replenished in the solution, it functions to keep the lithium salt concentration of the nitrogen-containing cyclic compound in the electrolyte at a certain level or higher.
[0025]
Lithium salts of triazoles can be synthesized by a dehydrogenation reaction of triazoles with lithium metal.
[0026]
For example, 1 mol / dm in tetrahydrofuranThreeOf benzotriazole is slowly dropped into a tetrahydrofuran bath. When an equivalent amount of lithium metal is added little by little in the tetrahydrofuran bath and allowed to act gently with benzotriazole with stirring, a yellowish white benzotriazole lithium salt precipitates. The obtained precipitate was filtered and dried, and then purified by recrystallization from a mixed solvent of methanol and acetone. This was vacuum dried at 150 ° C. for 24 hours to obtain a lithium salt of benzotriazole.
[0027]
Similarly, lithium salts of other triazoles can be synthesized.
[0028]
As the supporting salt, the lithium salt of the nitrogen-containing cyclic compound of the present invention can be used alone, but it is preferable to use another known supporting salt in consideration of improving the battery characteristics.
[0029]
The supporting salt that can be used in combination with the lithium salt of the aforementioned nitrogen-containing cyclic compound in the battery electrolyte of this embodiment is LiPF.6, LiBFFourLiClOFour, LiCFThreeSOThreeInorganic lithium salt such as LiN (SO2CxF2x + 1) (SO2CyF2y + 1) Is an organic lithium salt. Here, x and y represent an integer of 1 to 4, and x + y is 3 to 8. Specifically, LiN (SO2CFThree) (SO2C2F6), LiN (SO2CFThree) (SO2CThreeF7), LiN (SO2CFThree) (SO2CFourF9), LiN (SO2C2F6) (SO2C2F6), LiN (SO2C2F6) (SO2CThreeF7), LiN (SO2C2F6) (SO2CFourF6) Etc. Among them, LiN (SO2CFThree) (SO2CFourF9), LiN (SO2C2F6) (SO2C2F6) Or the like is preferably used for the supporting salt because of its excellent electrical characteristics. Moreover, since an organic lithium salt may destroy aluminum which is a positive electrode current collector at a high potential of 4 V or higher, LiPF is used as an additive for suppressing this.6Etc. may be added as a supporting salt.
[0030]
The supporting salt has a concentration in the electrolyte of 0.1 to 3.0 mol / dm.ThreeIn particular, 0.5 to 2.0 mol / dmThreeIt is preferable to use an organic solvent. The concentration in the electrolyte is 0.1 mol / dmThreeIf it is smaller, sufficient current density may not be obtained, and it may be 3.0 mol / dm.ThreeIf it is larger, the viscosity is increased and the conductivity of the electrolytic solution may be lowered.
[0031]
The organic solvent is not particularly limited as long as it is an organic solvent used as an electrolyte in a normal nonaqueous electrolyte secondary battery. For example, a carbonate compound, a lactone compound, an ether compound, a sulfolane compound, a dioxolane compound, A ketone compound, a nitrile compound, a halogenated hydrocarbon compound, etc. can be mentioned.
[0032]
Specifically, dimethyl carbonate, methyl ethyl carbonate, diethyl carbonate, ethylene carbonate, propylene carbonate, ethylene glycol dimethyl carbonate, propylene glycol dimethyl carbonate, ethylene glycol diethyl carbonate, vinylene carbonate and other carbonates, γ-butyl lactone and other lactones , Ethers such as dimethoxyethane, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, tetrahydropyran, 1,4-dioxane, sulfolanes such as sulfolane and 3-methylsulfolane, dioxolanes such as 1,3-dioxolane, 4-methyl- Ketones such as 2-pentanone, nitriles such as acetonitrile, pyropionitrile, pareronitrile, benzonitrile, 1,2- Halogenated hydrocarbons such as chloroethane, other methyl formate, dimethylformamide, dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, etc. are mentioned, and these are used alone or as a mixture of a plurality of organic solvents selected from these. Also good. Among these organic solvents mentioned in the examples, in particular, by using one or more non-aqueous solvents selected from the group consisting of carbonates and ethers, the solubility of the supporting salt, the dielectric constant and the viscosity are excellent, and the battery The charge / discharge efficiency is also preferable.
(Non-aqueous electrolyte secondary battery)
The shape of the non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention is not particularly limited, and can be used as a battery having various shapes such as a coin shape, a cylindrical shape, and a square shape.
[0033]
In the present embodiment, a description will be given based on a coin-type non-aqueous electrolyte secondary battery as shown in FIG. The non-aqueous electrolyte secondary battery of the present embodiment is an electrolysis that fills the gap between the positive electrode 1 and the
[0034]
The positive electrode 1 is not particularly limited in its material configuration as long as lithium ions can be released during charging and occluded during discharging, and those having a known material configuration can be used. In particular, it is preferable to use a material obtained by applying a mixture obtained by mixing a positive electrode active material, a conductive material, and a binder to a current collector.
[0035]
The positive electrode active material is not particularly limited by the type of the active material, and a known active material can be used. For example, TiS2TiSThree, MoSThree, FeS2, Li(1-X)MnO2, Li(1-X)Mn2OFour, Li(1-X)CoO2, Li(1-X)NiO2, V2OThreeEtc. In addition, X in the illustration of a positive electrode active material shows the number of 0-1.
[0036]
Among them, LiCoO2LiNiO2, LiMn2OFourSuch lithium and transition metal composite oxides have excellent active material performance, such as excellent electron and lithium ion diffusion performance. Therefore, when such a composite oxide of lithium and transition metal is used for the positive electrode active material, high charge / discharge efficiency and good cycle characteristics can be obtained. In particular, LiMn2OFourCan be used to reduce costs because of its abundant manganese resources.
[0037]
The
[0038]
As the
[0039]
The
[0040]
The
[0041]
The
[0042]
A method for producing the non-aqueous battery of the present invention having the above configuration will be described.
[0043]
An example of a method for manufacturing the coin battery shown in FIG. 1 will be described below. As the positive electrode 1, LiMn as a positive electrode active material2OFourAnd graphite as a conductive material and polyvinylidene fluoride as a binder are mixed to obtain a positive electrode material. This positive electrode material is dispersed in N-methyl-2-pyrrolidone as a dispersing material to form a slurry. This slurry is applied to a positive electrode current collector made of aluminum, dried, and press-molded to obtain a positive electrode 1.
[0044]
The
[0045]
The positive electrode 1 and the
[0046]
FIG. 2 is a conceptual diagram of a cylindrical nonaqueous electrolyte secondary battery in the present embodiment, FIG. 2a is a schematic cross-sectional perspective view of the battery, and FIG. 2b is an explanatory schematic diagram showing an electrode portion. The manufacturing method for the cylindrical nonaqueous electrolyte secondary battery shown in FIG. 2 will be further described.
[0047]
Cylindrical non-aqueous electrolyte
[0048]
That is, as shown in FIG. 2b, the electrode structure is such that the
[0049]
A
[0050]
The cylindrical battery was prepared in the same manner as described above by preparing a positive electrode, a negative electrode, and an electrolytic solution, using a 25 μm-thick microporous polyethylene film as a separator, and laminating the positive electrode and the negative electrode in order. After that, the wound body is formed by winding it many times in a spiral mold. Next, an insulator was inserted into the bottom of the battery can, and the wound body was stored. Then, the negative electrode and the positive electrode terminal are connected to the bottom and lid of the battery can, and the non-aqueous electrolyte is injected into the battery can prepared as described above and sealed to form a cylindrical non-aqueous electrolyte secondary. A battery can be produced.
[0051]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. However, the present invention is not limited to the following examples.
[0052]
Example 1
An equal volume mixed solvent of ethylene carbonate and dimethoxyethane as an organic solvent and LiPF as a supporting salt61 mol / dmThreeFurther, 1,2,3-benzotriazole lithium salt is added as a lithium salt of a nitrogen-containing cyclic compound at 3 mmol / dm.ThreeThus, using the dissolved one as a non-aqueous electrolyte, a coin-type battery for safety evaluation and a cell for measuring lithium charge / discharge efficiency were prepared by the following methods.
[0053]
<How to make a coin-type battery for safety evaluation>
A method for manufacturing a coin-type battery will be described below. As the positive electrode 1, LiMn2OFour90 parts by weight, 6 parts by weight of graphite and 4 parts by weight of polyvinylidene fluoride are mixed to obtain a positive electrode material. This positive electrode material is dispersed in N-methyl-2-pyrrolidone to form a slurry. This slurry was applied to an aluminum positive electrode current collector, dried, and press-molded to obtain positive electrode 1. The
[0054]
The positive and
[0055]
<Production method of lithium charge / discharge efficiency measurement cell>
The coin-type cell of FIG. 3 is used for the lithium charge / discharge efficiency measurement. For the working
[0056]
(Example 2)
An equal volume mixed solvent of ethylene carbonate and dimethoxyethane as an organic solvent and LiPF as a supporting salt61 mol / dmThreeFurther, a lithium salt of 1,2,3-benzotriazole as a lithium salt of a nitrogen-containing cyclic compound was added at 10 mmol / dm.Three1 was prepared in the same manner as in Example 1, and the lithium charge / discharge efficiency measurement cell shown in FIG. 3 was prepared by the same production method as in Example 1. .
[0057]
(Example 3)
An equal volume mixed solvent of ethylene carbonate and dimethoxyethane as an organic solvent and LiPF as a supporting salt61 mol / dmThreeFurther, a lithium salt of 1,2,3-benzotriazole as a lithium salt of a nitrogen-containing cyclic compound is 50 mmol / dm.Three1 was prepared in the same manner as in Example 1, and the lithium charge / discharge efficiency measurement cell shown in FIG. 3 was prepared by the same production method as in Example 1. .
[0058]
(Example 4)
An equal volume mixed solvent of ethylene carbonate and dimethoxyethane as an organic solvent and LiPF as a supporting salt61 mol / dmThreeFurther, a lithium salt of 1,2,3-benzotriazole as a lithium salt of a nitrogen-containing cyclic compound was added at 100 mmol / dm.Three1 was prepared in the same manner as in Example 1, and the lithium charge / discharge efficiency measurement cell shown in FIG. 3 was prepared by the same production method as in Example 1. .
[0059]
(Example 5)
An equal volume mixed solvent of ethylene carbonate and dimethoxyethane as an organic solvent and LiPF as a supporting salt61 mol / dmThreeAnd a lithium salt of 1,2,4-benzotriazole as a lithium salt of a nitrogen-containing cyclic compound is 50 mmol / dm.Three1 was prepared in the same manner as in Example 1, and the lithium charge / discharge efficiency measurement cell shown in FIG. 3 was prepared by the same production method as in Example 1. .
[0060]
(Example 6)
An equal volume mixed solvent of ethylene carbonate and dimethoxyethane as an organic solvent and LiPF as a supporting salt61 mol / dmThreeAnd a lithium salt of 3-amino-1,2,4-benzotriazole as a lithium salt of a nitrogen-containing cyclic compound is 50 mmol / dm.Three1 was prepared in the same manner as in Example 1, and the lithium charge / discharge efficiency measurement cell shown in FIG. 3 was prepared by the same production method as in Example 1. .
[0061]
(Comparative Example 1)
An equal volume mixed solvent of ethylene carbonate and dimethoxyethane as an organic solvent and LiPF as a supporting salt61 mol / dmThree1 was prepared in the same manner as in Example 1, and the lithium charge / discharge efficiency measurement cell shown in FIG. 3 was prepared by the same production method as in Example 1. .
[0062]
(Comparative Example 2)
An equal volume mixed solvent of ethylene carbonate and dimethoxyethane as an organic solvent and LiPF as a supporting salt61 mol / dmThreeIn addition, 1,2,3-benzotriazole was dissolved at a concentration of 50 mmol / dm.Three1 was prepared in the same manner as in Example 1, and the lithium charge / discharge efficiency measurement cell shown in FIG. 3 was prepared by the same production method as in Example 1. .
[0063]
(Method for synthesizing lithium salt of triazole)
1 mol / dm of benzotriazole in tetrahydrofuranThreeDissolve to a concentration of When an equivalent amount of metallic lithium is added little by little to this tetrahydrofuran solution and gently reacted with benzotriazole with stirring, a yellowish white lithium salt of benzotriazole precipitates. The resulting precipitate was filtered and dried, and then purified by recrystallization from a mixed solvent of methanol and acetone. This was vacuum dried at 150 ° C. for 24 hours to obtain a lithium salt of benzotriazole.
[0064]
Similarly, lithium salts of other triazoles can be synthesized.
[0065]
(Safety evaluation test)
The test batteries of each Example and each Comparative Example were charged with a charging current density of 0.5 mA / cm.2And 2.5 mA / cm2Then, the battery is overcharged to 200% of the battery capacity, the lithium metal is deposited on the negative electrode, and then stored in a high-temperature bath at 200 ° C., and the appearance change is observed.
[0066]
(Lithium charge / discharge efficiency measurement test)
For the test cells of each Example and each Comparative Example, first, 0.5 mA / cm from the working electrode.2With a constant current density of 7.5 C / cm2Of lithium was eluted (discharged). Next, the current density is 0.5 mA / cm from the counter electrode to the working electrode.22.5 mA / cm2A charge amount of 7.5 C / cm at a constant current density for the two types2Of lithium was deposited (charged).
[0067]
After repeating this charge and discharge 20 cycles, 0.5 mA / cm2The electrochemically active lithium capacity remaining on the working electrode was measured at a constant current density and a final voltage of 1V.
[0068]
Lithium charge / discharge efficiency was measured using the following equation.
[0069]
Lithium charge / discharge efficiency (%) = 100 × (1-1 / FOM)
FOM = (total charge capacity when charge and discharge are repeated) / {(charged lithium capacity) − (remaining electrochemically active lithium capacity)}
(result)
The lithium charge / discharge efficiency measurement results of Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 and 2 are shown in Table 1, and the safety evaluation results are shown in Table 2.
[0070]
[Table 1]
[0071]
[Table 2]
[0072]
In Comparative Example 1, since the lithium salt of the nitrogen-containing cyclic compound of the present invention was not contained, the lithium charge / discharge efficiency was greatly reduced when the current density during charging was large. In Comparative Example 2, since the nitrogen-containing cyclic compound is 1,2,3-benzotriazole which is not a lithium salt, the lithium charge / discharge efficiency is reduced when the current density during charging is large, as in Comparative Example 1. It was big. This is presumably because the current density at the time of charging was increased, so that the vicinity of the negative electrode became more reducing atmosphere, and 1,2,3-benzotriazole was reduced and consumed.
[0073]
In Example 1, 3 mmol / dmThreeHowever, since the addition amount of the 1,2,3-benzotriazole lithium salt was small, the effect was small.
[0074]
On the other hand, the lithium salt of triazoles is 10 to 50 mmol / dm.ThreeIn the added Examples 2 to 3, the effects were exhibited, the lithium charge / discharge efficiency was higher than that of Comparative Example 1, and the decrease in the lithium charge / discharge efficiency was small even when the charge current density was high. However, in Example 4, since the solubility of 1,2,3-benzotriazole lithium salt is low, the lithium salt of 1,2,3-benzotriazole crystallizes in the electrolyte, and even if added excessively, There was no further improvement in effect.
[0075]
Further, in the safety evaluation of the coin-type battery, in Comparative Example 1, liquid leakage occurred regardless of the current density during overcharge. In Comparative Example 2, liquid leakage occurred when the effect was small and the overcharge current density was high.
[0076]
In Example 1, although the effect appeared, since the addition amount was small, liquid leakage was caused when the overcharge current density was high. On the other hand, in Examples 2 to 4, no liquid leakage was observed at any current density, and a stable effect was observed.
[0077]
From the above results, it was revealed that the lithium charge / discharge efficiency can be improved and the safety can be improved by adding a lithium salt of a nitrogen-containing cyclic compound to the electrolytic solution. Moreover, the addition amount of the lithium salt of the nitrogen-containing cyclic compound for exhibiting a stable effect is 5 mmol / dm.ThreeMore is preferable.
[0078]
In Examples 5 and 6, as in Example 2, the charge / discharge efficiency is higher than in Comparative Example 1, and even if the constant current density is increased, the decrease in lithium charge / discharge efficiency is small, and the safety evaluation is also performed. There was no change.
[0079]
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a longitudinal sectional view of a battery schematically showing a nonaqueous electrolyte secondary battery according to an embodiment.
FIG. 2 is an explanatory view of a cylindrical battery showing an outline of the nonaqueous electrolyte secondary battery of the present embodiment, 2a is a cross-sectional perspective view of the cylindrical battery, and 2b is an explanatory schematic diagram illustrating an electrode portion. It is.
FIG. 3 is a longitudinal sectional view of a cell used in a charge / discharge efficiency test of the present example.
[Explanation of symbols]
1: Positive electrode 2: Negative electrode 3: Non-aqueous electrolyte 4: Positive electrode case 5: Negative electrode case 6: Separator 7: Gasket
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10: Cylindrical battery 11: Negative electrode compound 12: Negative electrode collector 12 ': Negative electrode lead 13: Positive electrode compound 14: Positive electrode collector 14': Positive electrode lead 15: Electrolytic solution 16: Separator 17: Positive electrode terminal 18: Negative terminal
50: Counter electrode 60: Working electrode 70: Polyethylene film (separator)
Claims (2)
前記支持塩は、窒素含有環状化合物のリチウム塩を含有し、
前記窒素含有環状化合物のリチウム塩は、1,2,3−ベンゾトリアゾール、1,2,4−トリアゾール、3−アミノ−1,2,4−トリアゾール、ピラゾール、イミダゾールから選ばれる少なくとも1種以上の化合物のリチウム塩を含み、
前記有機溶媒には、前記窒素含有環状化合物のリチウム塩が5〜100mmol/dm 3 添加されていることを特徴とする電池用電解液。A battery electrolyte comprising a support salt dissolved in an organic solvent for a non-aqueous electrolyte battery using a positive electrode and a negative electrode capable of occluding and releasing lithium ions,
The supporting salt contains a lithium salt of a nitrogen-containing cyclic compound ,
The lithium salt of the nitrogen-containing cyclic compound is at least one selected from 1,2,3-benzotriazole, 1,2,4-triazole, 3-amino-1,2,4-triazole, pyrazole, and imidazole. A lithium salt of the compound,
5 to 100 mmol / dm 3 of a lithium salt of the nitrogen-containing cyclic compound is added to the organic solvent .
前記非水電解液は、請求項1に記載の電池用電解液であることを特徴とする非水電解液二次電池。 The non-aqueous electrolyte secondary battery according to claim 1, wherein the non-aqueous electrolyte is the battery electrolyte according to claim 1.
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