JP4701599B2 - Nonaqueous electrolyte secondary battery - Google Patents
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Description
本発明は非水電解質二次電池に関するものである。 The present invention relates to a non-aqueous electrolyte secondary battery.
近年、民生用の携帯電話、ポータブル機器や携帯情報端末などの急速な小型軽量化・多様化に伴い、その電源である電池に対して、小型で軽量かつ高エネルギー密度で、さらに長期間繰り返し充放電が実現できる二次電池の開発が強く要求されている。なかでも、水溶液系電解液を使用する鉛電池やニッケルカドミウム電池と比較して、これらの欲求を満たす二次電池としてリチウムイオン二次電池などの非水電解質二次電池が最も有望であり、活発な研究がおこなわれている。 In recent years, with the rapid miniaturization and diversification of consumer mobile phones, portable devices and personal digital assistants, etc., the batteries used as the power source are compact, lightweight, high energy density, and repeatedly charged for a long time. There is a strong demand for the development of secondary batteries capable of discharging. Among them, non-aqueous electrolyte secondary batteries such as lithium ion secondary batteries are the most promising and active as secondary batteries that satisfy these needs compared to lead batteries and nickel cadmium batteries that use aqueous electrolytes. Research has been conducted.
非水電解質二次電池の正極活物質には、二硫化チタン、五酸化バナジウムおよび三酸化モリブデンをはじめとしてリチウムコバルト複合酸化物、リチウムニッケル複合酸化物およびスピネル型マンガン酸化物等の一般式LixMO2(ただし、Mは一種以上の遷移金属)で表される種々の化合物が検討されている。なかでも、リチウムコバルト複合酸化物、リチウムニッケル複合酸化物およびスピネル型リチウムマンガン酸化物などは、4V(vs Li/Li+)以上の極めて貴な電位で充放電をおこなうため、正極として用いることで高い放電電圧を有する電池を実現できる。 The positive electrode active material of the nonaqueous electrolyte secondary battery includes general formula Li x such as titanium disulfide, vanadium pentoxide and molybdenum trioxide, lithium cobalt composite oxide, lithium nickel composite oxide and spinel type manganese oxide. Various compounds represented by MO 2 (where M is one or more transition metals) have been studied. Among them, lithium cobalt composite oxide, lithium nickel composite oxide, spinel-type lithium manganese oxide, etc. are charged and discharged at an extremely noble potential of 4 V (vs Li / Li + ) or higher. A battery having a high discharge voltage can be realized.
非水電解質二次電池の負極活物質には、金属リチウム、リチウム合金、リチウムの吸蔵・放出が可能な炭素材料などの種々のものが検討されているが、なかでも炭素材料を使用すると、サイクル寿命の長い電池が得られ、かつ安全性が高いという利点がある。 Various negative electrode active materials for non-aqueous electrolyte secondary batteries, such as metallic lithium, lithium alloys, and carbon materials capable of occluding / releasing lithium, have been studied. There is an advantage that a battery having a long life can be obtained and safety is high.
非水電解質二次電池の電解質には、一般にエチレンカーボネートやプロピレンカーボネートなどの高誘電率溶媒とジメチルカーボネートやジエチルカーボネートなどの低粘度溶媒との混合系溶媒にLiPF6やLiBF4等の支持塩を溶解させた電解液が使用されている。 For the electrolyte of a non-aqueous electrolyte secondary battery, a supporting salt such as LiPF 6 or LiBF 4 is generally mixed with a mixed solvent of a high dielectric constant solvent such as ethylene carbonate or propylene carbonate and a low viscosity solvent such as dimethyl carbonate or diethyl carbonate. A dissolved electrolyte is used.
非水電解質二次電池は、高エネルギー密度であり、また、可燃性の有機溶媒を使用しているため、異常な使用がなされることによって、内部短絡が引き起こされたり過充電されたりした場合には、電池部材の分解によって電池温度が急上昇し、安全弁が開口して有機溶媒やその他の分解ガスが噴出したり、発煙が生じたりすることがある。 Non-aqueous electrolyte secondary batteries have a high energy density and use flammable organic solvents, so if they are used abnormally, an internal short circuit is caused or they are overcharged. In some cases, the battery temperature rapidly rises due to the decomposition of the battery member, the safety valve is opened, and an organic solvent or other decomposition gas is ejected or smoke may be generated.
そのために、電池性能を損なうことなく電池の安全性を向上させる技術が模索されており、例えば、電池の内部短絡や高温での安全性を確保するために、高温で融解して孔が閉塞するシャットダウンセパレータや、抵抗が温度上昇と共に増大するPTC素子を取り付けるといった技術が採用されている。 Therefore, a technique for improving the safety of the battery without impairing the battery performance has been sought. For example, in order to ensure the safety of the battery at an internal short circuit or high temperature, the hole is closed by melting at a high temperature. Technologies such as a shutdown separator and a PTC element whose resistance increases with increasing temperature are used.
また、過充電時に重合反応性を有する低分子量の化合物を非水電解質に添加する方法等が提案されており、過充電時に重合反応性を有する低分子量の化合物を非水電解質に添加する方法としては、例えば特許文献1、特許文献2および特許文献3にビフェニルを始めとする化合物について記載されている。
In addition, a method of adding a low molecular weight compound having polymerization reactivity during overcharge to a nonaqueous electrolyte has been proposed, and a method for adding a low molecular weight compound having polymerization reactivity during overcharge to a nonaqueous electrolyte. Are described for compounds such as biphenyl in
これらは、ビフェニルを始めとする芳香族化合物が過充電時に正極で重合反応をおこして内部抵抗を上昇させて充電反応を抑制することや、重合時に導電性高分子を形成して内部短絡を生じさせて過充電を防止すること、あるいは重合時にガス発生して内部電気遮断装置を作動させるなど、種々の効果を説明している。 These include aromatic compounds such as biphenyl that undergo a polymerization reaction at the positive electrode during overcharge to increase the internal resistance and suppress the charge reaction, or form a conductive polymer during polymerization to cause an internal short circuit. Various effects such as preventing overcharging or generating gas during polymerization to activate the internal electric circuit breaker are described.
さらに、特許文献4では、類似の構造をもつアルキルベンゼン誘導体やシクロアルキルベンゼン誘導体について記述されており、過充電時の電池の安全性が向上することが記載されている。
Furthermore,
また、自己消火性性ないし難燃性に優れた溶媒として、ホスファゼン化合物を含有した非水電解質を用いる方法により電池の安全性を向上させる方法が、特許文献5などに記載されている。 Patent Document 5 describes a method for improving battery safety by using a non-aqueous electrolyte containing a phosphazene compound as a solvent having excellent self-extinguishing properties or flame retardancy.
この対策として、例えばこれら従来の非水電解質中に、ホスファゼン化合物を含有させることにより、そのホスファゼン化合物が分解して放出される窒素ガスや、ハロゲンを含む場合はハロゲンガス等の作用によって、前記非水電解質が自己消火性ないし難燃性を発現して、前述のような安全弁の開口および発煙を防ぐことが期待されている。 As a countermeasure for this, for example, by containing a phosphazene compound in these conventional non-aqueous electrolytes, the above-mentioned non-aqueous electrolyte is decomposed by the action of nitrogen gas released by decomposition of the phosphazene compound, or halogen gas when halogen is contained. It is expected that the water electrolyte exhibits self-extinguishing properties or flame retardancy and prevents the opening of the safety valve and smoke generation as described above.
また、ホスファゼン化合物の構造中に含まれているリンには電池を構成する高分子材料の連鎖分解を抑制する作用があるため、効果的に自己消化性や難燃性を付与できるとされている。 In addition, phosphorus contained in the structure of the phosphazene compound has an action of suppressing chain decomposition of the polymer material constituting the battery, and is therefore said to be able to effectively impart self-digestibility and flame retardancy. .
ホスファゼン化合物を含有した非水電解質は、難燃性もしくは不燃性になることから、これを用いることにより電池の安全性が向上することが期待されるが、この化合物のみを非水電解質の溶媒として使用すると放電特性を始めとした電池性能を維持できないため、支持塩を溶解した環状カーボネートや鎖状カーボネートなどの従来の非水電解質に混合して用いることが提案されている。 A non-aqueous electrolyte containing a phosphazene compound is flame retardant or non-flammable, and it is expected that the safety of the battery will be improved by using this. However, only this compound is used as a solvent for the non-aqueous electrolyte. When used, battery performance such as discharge characteristics cannot be maintained, and therefore, it has been proposed to use it mixed with a conventional non-aqueous electrolyte such as a cyclic carbonate or a chain carbonate in which a supporting salt is dissolved.
このように、ホスファゼン化合物と従来の非水電解質を混合して使用することによって、電解液の燃焼性が抑制されて、電池の安全弁の開口や発煙の発生を抑制でき、かつ良好な放電性能を得ることが期待される。 In this way, by mixing and using a phosphazene compound and a conventional non-aqueous electrolyte, the flammability of the electrolyte is suppressed, the opening of the safety valve of the battery and the generation of smoke can be suppressed, and good discharge performance is achieved. Expected to get.
すなわち、ビフェニルなどの芳香族化合物は過充電時に正極上で重合反応をおこし、その結果として内部抵抗の上昇、マイルドな内部短絡による過充電の保護、ガス発生による内部電流遮断装置の作動など、電池の安全性が向上する効果が得られ、ホスファゼン化合物は、リンの作用や、構造中にハロゲンを含む場合はハロゲンの作用によって非水電解質に難燃性を付与し、有機物の連鎖的な分解を抑制することにより,電池の安全性が向上する効果が得られるとされていた. In other words, aromatic compounds such as biphenyl undergo a polymerization reaction on the positive electrode during overcharge, resulting in an increase in internal resistance, protection of overcharge due to a mild internal short circuit, operation of an internal current interruption device due to gas generation, etc. The phosphazene compound imparts flame retardancy to the non-aqueous electrolyte by the action of phosphorus and, when a halogen is included in the structure, by the action of phosphorus. By suppressing it, it was said that the effect of improving the safety of the battery was obtained.
しかしながら、過充電時の安全性向上のために非水電解質中に芳香族系の化合物を添加した場合、電池が過充電状態に置かれたときに芳香族系化合物の分解によって水素ガスを主成分とするガスが発生し、主に角形もしくは長円筒形の電池では、電池ケースの変形が容易に起こり、それが原因となって電池ケース内の電極群が変形を起こして、セパレータの破膜や、極板同士のショートなどを発生させる原因となっている。 However, when an aromatic compound is added to the non-aqueous electrolyte to improve safety during overcharging, hydrogen gas is the main component due to decomposition of the aromatic compound when the battery is placed in an overcharged state. In the case of a battery of mainly rectangular or long cylindrical shape, deformation of the battery case occurs easily, which causes deformation of the electrode group in the battery case, This causes a short circuit between the electrode plates.
また、添加剤の効果を大きくするために芳香族化合物の添加量を増やした場合、放電容量を始めとする放電特性が低下したり、高温放置時の電池の膨れが大きくなることがあった。 Further, when the amount of the aromatic compound added is increased in order to increase the effect of the additive, the discharge characteristics such as the discharge capacity may be deteriorated, or the battery may swell when left at high temperature.
また、ホスファゼン化合物を非水電解質中に混合した場合においては、非水電解質を難燃化、不燃化させる効果はあるものの、ホスファゼン化合物自身に、過充電時に正負極で分解して活物質の充電レベルを下げるなどの過充電防止作用がないために、大電流での過充電においては正負極の充電反応が進行して、最終的に電解液の分解がおこる。その結果、内圧が上昇して安全弁が開口してガスが噴出して破損することがあった。 In addition, when the phosphazene compound is mixed in the non-aqueous electrolyte, there is an effect of making the non-aqueous electrolyte incombustible and non-combustible, but the phosphazene compound itself is decomposed at the positive and negative electrodes during overcharge to charge the active material. Since there is no overcharge prevention action such as lowering the level, in overcharge with a large current, the charge reaction of the positive and negative electrodes proceeds, and the electrolyte solution is finally decomposed. As a result, the internal pressure increased, the safety valve was opened, and gas was blown out to break.
このように、非水電解質に難燃性、不燃性を付与するホスファゼンを用いても、過充電時のように活物質の充電が進行した場合は熱安定性が低下すると共に溶媒の分解が進行して、電池の安全性を十分向上させることができなかった。また、非水電解質に難燃性、不燃性を付与する目的でホスファゼン化合物の混合量を増やした場合は、放電容量を始めとする放電特性が低下するなどの問題があった。 Thus, even when using phosphazene that imparts flame retardancy and incombustibility to the non-aqueous electrolyte, if the charging of the active material proceeds as in overcharging, the thermal stability decreases and the decomposition of the solvent proceeds. Thus, the safety of the battery could not be sufficiently improved. Moreover, when the mixing amount of the phosphazene compound is increased for the purpose of imparting flame retardancy and nonflammability to the nonaqueous electrolyte, there are problems such as deterioration of discharge characteristics such as discharge capacity.
本願発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、非水電解質中に芳香族化合物とホスファゼン化合物とを含有させることによって過充電時の安全性を飛躍的に向上できることを見出した。 As a result of intensive studies to solve the above-mentioned problems, the present inventors have found that the safety during overcharge can be drastically improved by including an aromatic compound and a phosphazene compound in the non-aqueous electrolyte. I found it.
請求項1の発明は、非水電解質二次電池に関するもので、リチウムを吸蔵・放出する正極と、負極と、非水電解質とを備えた非水電解質二次電池において、前記非水電解質には、前記非水電解質の総重量に対して、ビフェニル誘導体、ナフタレン誘導体およびベンゼン誘導体から選択される少なくとも一種以上の芳香族化合物が0.5wt%以上6.0wt%以下含まれ、かつ、ホスファゼン化合物が0.5wt%以上30wt%以下含まれることを特徴とする。
The invention according to
請求項2の発明は、請求項1の非水電解質二次電池において、前記非水電解質には、前記非水電解質の総重量に対して、前記芳香族化合物が1.0wt%以上4.0wt%以下含まれ、かつ、ホスファゼン化合物が1.0wt%以上20wt%以下含まれることを特徴とする。
According to a second aspect of the present invention, in the nonaqueous electrolyte secondary battery according to the first aspect, the nonaqueous electrolyte contains 1.0 wt% or more and 4.0 wt% of the aromatic compound with respect to the total weight of the nonaqueous electrolyte. %, And the phosphazene compound is contained in an amount of 1.0 wt% to 20 wt% .
請求項1の発明によれば、非水電解質中に芳香族化合物とホスファゼン化合物とを含有させることにより、過充電時の安全性に優れた非水電解質二次電池を得ることができる。 According to the first aspect of the present invention, a nonaqueous electrolyte secondary battery excellent in safety during overcharge can be obtained by including an aromatic compound and a phosphazene compound in the nonaqueous electrolyte.
また、請求項2の発明によれば、芳香族化合物の添加量を1〜4wt%とし、ホスファゼン化合物の添加量を1〜20wt%の範囲とすることで、これらの化合物を非水電解質中に添加することによる、放電容量を始めとした放電特性の低下や高温放置時の電池膨れの増大を伴うことなく、過充電時の安全性が飛躍的に優れた非水電解質二次電池を得ることができる。
Further, according to the invention of
本発明に用いられる芳香族化合物としては、通常使用される電池の満充電時の電圧における正極の電位より貴な電位に酸化電位を有するものが使用上好ましく、例えばビフェニル、ハロゲン化ビフェニル、アルキルビフェニル等のビフェニル誘導体、ハロゲン化ナフタレンのようなナフタレン誘導体、ハロゲン化ベンゼン、アルキルベンゼン、シクロアルキルベンゼン、アニソール等のベンゼン誘導体などが好適に用いられる。 As the aromatic compound used in the present invention, those having an oxidation potential at a potential nobler than the potential of the positive electrode at the time of full charge of a normally used battery are preferable in use, for example, biphenyl, halogenated biphenyl, alkylbiphenyl. And the like, naphthene derivatives such as halogenated naphthalene, benzene derivatives such as halogenated benzene, alkylbenzene, cycloalkylbenzene, and anisole are preferably used.
また、ホスファゼン化合物の例としては、化1で示される鎖状ホスファゼン誘導体および化2で示される環状ホスファゼン誘導体が好適に用いられ、これらを単独でまたは混合して使用することができる。
Moreover, as an example of a phosphazene compound, the chain | strand-shaped phosphazene derivative shown by
非水電解質二次電池において、非水電解質が芳香族化合物のみを含む場合、過充電時に芳香族化合物が正極上で重合して活物質の充電レベルを下げ、活物質の熱安定性が向上する。しかし、発生した水素ガスによって電池内圧が上昇して電池の膨れが大きくなり、正極板と負極板とセパレータからなる発電要素が変形し、電池内部で内部短絡が発生し、電池が破損に至るものと考えられる。 In a non-aqueous electrolyte secondary battery, when the non-aqueous electrolyte contains only an aromatic compound, the aromatic compound is polymerized on the positive electrode during overcharge to lower the charge level of the active material, and the thermal stability of the active material is improved. . However, the generated hydrogen gas increases the internal pressure of the battery and causes the battery to swell, causing the power generation element composed of the positive electrode plate, the negative electrode plate, and the separator to deform, causing an internal short circuit inside the battery, resulting in damage to the battery. it is conceivable that.
一方、非水電解質がホスファゼン化合物のみを含む場合、高温での有機溶媒の分解を抑制する効果があり、また、非水電解質に難燃性および不燃性を付与するものの、正負極活物質の充電反応が進行して正負極の熱安定性が低下し、過充電末期において最終的に有機溶媒が急激に分解することで発熱と電池内圧の上昇がおこり、電池が破損に至るものと考えられる。 On the other hand, when the non-aqueous electrolyte contains only the phosphazene compound, there is an effect of suppressing the decomposition of the organic solvent at a high temperature, and the non-aqueous electrolyte is imparted with flame retardancy and non-flammability, but the positive and negative electrode active materials are charged. It is considered that the reaction proceeds and the thermal stability of the positive and negative electrodes is lowered, and the organic solvent is finally rapidly decomposed at the end of the overcharge, thereby generating heat and increasing the internal pressure of the battery, resulting in damage to the battery.
そこで、非水電解質が芳香族化合物とホスファゼン化合物とを同時に含有する場合には、過充電時に芳香族化合物の重合に伴う作用で活物質の充電反応を抑制して活物質の熱安定性を向上させると共に、ホスファゼン化合物により有機溶媒の分解によるガス発生を抑制し、電池の膨れを抑制することで、内部短絡の発生を防止できるものと推定される。 Therefore, when the non-aqueous electrolyte contains an aromatic compound and a phosphazene compound at the same time, the charging reaction of the active material is suppressed by the action accompanying the polymerization of the aromatic compound during overcharge, and the thermal stability of the active material is improved. In addition, it is presumed that the occurrence of an internal short circuit can be prevented by suppressing gas generation due to decomposition of the organic solvent by the phosphazene compound and suppressing swelling of the battery.
ただし、電解質合計重量に対する芳香族化合物の含有量が1wt%より小さい場合には、活物質の充電反応を抑制する働きが小さくなり、ホスファゼン化合物の含有量が1wt%より小さい場合には、有機溶媒の分解によるガス発生を抑制する働きが小さくなるものと考えられる。 However, when the content of the aromatic compound relative to the total weight of the electrolyte is less than 1 wt%, the action of suppressing the charge reaction of the active material is reduced, and when the content of the phosphazene compound is less than 1 wt%, the organic solvent It is considered that the function of suppressing the gas generation due to decomposition of the water becomes small.
また、電解質合計重量に対する芳香族化合物の含有量が4wt%を越える場合には、80℃高温放置時に正極で酸化されて重合しやすくなり、電池の膨れが大きくなり、ホスファゼン化合物の含有量が20wt%を越える場合には、電解質自身のイオン伝導度の低下により充放電時の分極が大きくなり、放電容量が大きく低下するものと考えられる。 Further, when the content of the aromatic compound with respect to the total weight of the electrolyte exceeds 4 wt%, it is easily oxidized at the positive electrode when left at a high temperature of 80 ° C., and the swelling of the battery increases, and the content of the phosphazene compound is 20 wt. In the case of exceeding%, it is considered that the polarization during charge / discharge increases due to a decrease in the ionic conductivity of the electrolyte itself, and the discharge capacity greatly decreases.
したがって、本願発明においては、電解質合計重量に対して、芳香族化合物を1wt%〜4wt%含有し、ホスファゼン誘導体を1〜20wt%含有することが好ましい。 Therefore, in this invention, it is preferable to contain 1 wt%-4 wt% of aromatic compounds, and 1-20 wt% of phosphazene derivatives with respect to electrolyte total weight.
化1で示される鎖状ホスファゼン誘導体におけるRとしては、一価の置換基であれば特に制限はなく、一価の置換基としては、水素原子、ハロゲン、アルコキシ基、アルキル基、カルボキシル基、アシル基、アリール基や、硫黄、リン,窒素などを含む官能基等が挙げられ、nは3〜15である。
R in the chain phosphazene derivative represented by
ここで、ハロゲン元素としては、例えばフッ素、塩素、臭素等が好適に挙げられる。Rは、総て同一の種類の置換基でもよく、それらのうちのいくつかが異なる種類の置換基でもよい。 Here, preferable examples of the halogen element include fluorine, chlorine, bromine and the like. R may be all the same type of substituents, and some of them may be different types of substituents.
アルコキシ基としては、例えばメトキシ基、エトキシ基、プロポキシ基、ブトキシ基等や、メトキシエトキシ基、メトキシエトキシエトキシ基等のアルコキシ置換アルコキシ基の他、フェノキシ基や置換基を有するフェノキシ基等が挙げられる。また。アルコキシ基中の水素をフッ素などのハロゲン元素に置換してもかまわない。 Examples of the alkoxy group include methoxy group, ethoxy group, propoxy group, butoxy group, and alkoxy-substituted alkoxy groups such as methoxyethoxy group and methoxyethoxyethoxy group, as well as phenoxy groups and substituted phenoxy groups. . Also. Hydrogen in the alkoxy group may be substituted with a halogen element such as fluorine.
アルキル基としては、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、ペンチル基等が挙げられる。前記アシル基としては、ホルミル基、アセチル基、プロピオニル基、ブチリル基、イソブチリル基、バレリル基等が挙げられる。前記アリール基としては、フェニル基、トリル基、ナフチル基等が挙げられる。 Examples of the alkyl group include a methyl group, an ethyl group, a propyl group, a butyl group, and a pentyl group. Examples of the acyl group include formyl group, acetyl group, propionyl group, butyryl group, isobutyryl group, valeryl group and the like. Examples of the aryl group include a phenyl group, a tolyl group, and a naphthyl group.
上記の一価の置換基としては、ハロゲン元素を含むことがさらに好ましい。前記ホスファゼン誘導体の分子構造中のハロゲン元素を含む置換基の数が多いものほど、電解液の燃焼性を低く抑えることができる。 The monovalent substituent further preferably contains a halogen element. The more the number of substituents containing halogen elements in the molecular structure of the phosphazene derivative, the lower the flammability of the electrolyte solution.
非水電解質としては、電解液または固体電解質のいずれも使用することができる。電解液を用いる場合には、電解液溶媒として、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、トリフルオロプロピレンカーボネート、γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン、スルホラン、1、2−ジメトキシエタン、1、2−ジエトキシエタン、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、3−メチル−1、3−ジオキソラン、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸プロピル、酢酸ブチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、プロピオン酸プロピル、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジプロピルカーボネート、メチルプロピルカーボネート、ジブチルカーボネート、ビニレンカーボネート、N-メチルオキサゾリジノン、N-エチルオキサゾリジノン等の非水溶媒を、単独でまたはこれらの混合溶媒を使用することができる。 As the non-aqueous electrolyte, either an electrolytic solution or a solid electrolyte can be used. In the case of using an electrolytic solution, as an electrolytic solution solvent, ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, trifluoropropylene carbonate, γ-butyrolactone, γ-valerolactone, sulfolane, 1,2-dimethoxyethane, 1,2-di- Ethoxyethane, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, 3-methyl-1,3-dioxolane, methyl acetate, ethyl acetate, propyl acetate, butyl acetate, methyl propionate, ethyl propionate, propyl propionate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, Non-ethyl ethyl carbonate, dipropyl carbonate, methyl propyl carbonate, dibutyl carbonate, vinylene carbonate, N-methyloxazolidinone, N-ethyloxazolidinone, etc. The solvent, alone or can be used mixed solvents thereof.
非水電解質は、これらの非水溶媒に支持塩を溶解して使用する。支持塩としては、LiClO4、LiPF6、LiBF4、LiAsF6、LiCF3CO2、LiCF3SO3、LiCF3CF2SO3、LiCF3CF2CF2SO3、LiN(SO2CF3)2、LiN(SO2CF2CF3)2、LiN(COCF3)2、LiN(COCF2CF3)2およびLiPF3(CF2CF3)3などの塩もしくはこれらの混合物を使用することができる。 The nonaqueous electrolyte is used by dissolving the supporting salt in these nonaqueous solvents. Examples of the supporting salt include LiClO 4 , LiPF 6 , LiBF 4 , LiAsF 6 , LiCF 3 CO 2 , LiCF 3 SO 3 , LiCF 3 CF 2 SO 3 , LiCF 3 CF 2 CF 2 SO 3 , LiN (SO 2 CF 3 ). 2 , salts such as LiN (SO 2 CF 2 CF 3 ) 2 , LiN (COCF 3 ) 2 , LiN (COCF 2 CF 3 ) 2 and LiPF 3 (CF 2 CF 3 ) 3 or mixtures thereof may be used. it can.
固体電解質を用いる場合は,高分子固体電解質として有孔性高分子固体電解質膜を用い、高分子固体電解質にさらに電解液を含有させることで良い。また、ゲル状の高分子固体電解質を用いる場合には、ゲルを構成する電解液と、細孔中等に含有されている電解液とは異なっていてもよい。このような高分子固体電解質を用いる場合には、本願発明の芳香族化合物、およびホスファゼン化合物を電解液中に含有させれば良い。 In the case of using a solid electrolyte, a porous polymer solid electrolyte membrane may be used as the polymer solid electrolyte, and an electrolyte solution may be further contained in the polymer solid electrolyte. Moreover, when using a gel-like polymer solid electrolyte, the electrolyte solution which comprises gel and the electrolyte solution contained in the pore etc. may differ. When such a polymer solid electrolyte is used, the aromatic compound and the phosphazene compound of the present invention may be contained in the electrolytic solution.
正極活物質としては、組成式LixMO2、LiyM2O4、(ただし、Mは一種類以上の遷移金属、0≦x≦1、0≦y≦2)で表される複合酸化物、トンネル構造または層状構造の金属カルコゲン化物または金属酸化物を用いることができる。その具体例としては、LiCoO2、LiCoxNi1−xO2、LiMn2O4、Li2Mn2O4、MnO2、FeO2、V2O5、V6O13、TiO2、TiS2等が挙げられる。また、有機化合物としては、例えばポリアニリン等の導電性ポリマー等が挙げられる。さらに、無機化合物、有機化合物を問わず、上記各種活物質を混合して用いてもよい。 As the positive electrode active material, a composite oxide represented by a composition formula Li x MO 2 , Li y M 2 O 4 (where M is one or more transition metals, 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 2). A metal chalcogenide or metal oxide having a tunnel structure or a layered structure can be used. Specific examples thereof include LiCoO 2 , LiCo x Ni 1-x O 2 , LiMn 2 O 4 , Li 2 Mn 2 O 4 , MnO 2 , FeO 2 , V 2 O 5 , V 6 O 13 , TiO 2 , TiS. 2 etc. are mentioned. Examples of the organic compound include conductive polymers such as polyaniline. Furthermore, the above various active materials may be mixed and used regardless of whether they are inorganic compounds or organic compounds.
さらに、負極材料たる化合物としては、Al、Si、Pb、Sn、Zn、Cd等とリチウムとの合金、LiFe2O3、WO2、MoO2、SiO、CuO等の金属酸化物、グラファイト、カーボン等の炭素質材料、Li3N等の窒化リチウム、もしくは金属リチウム、又はこれらの混合物を用いてもよい。 Further, as the negative electrode material compound, Al, Si, Pb, Sn, Zn, Cd, etc. and lithium alloys, LiFe 2 O 3 , WO 2 , MoO 2 , SiO, CuO, etc. metal oxides, graphite, carbon A carbonaceous material such as Li 3 N, lithium nitride such as Li 3 N, or metallic lithium, or a mixture thereof may be used.
また、本発明に係る非水電解質電池の隔離体としては、織布、不織布、合成樹脂微多孔膜等を用いることができ、特に、合成樹脂微多孔膜を好適に用いることができる。中でもポリエチレン及びポリプロピレン製微多孔膜、またはこれらを複合した微多孔膜等のポリオレフィン系微多孔膜が、厚さ、膜強度、膜抵抗等の面で好適に用いられる。 Moreover, as a separator of the nonaqueous electrolyte battery according to the present invention, a woven fabric, a non-woven fabric, a synthetic resin microporous membrane, or the like can be used, and a synthetic resin microporous membrane can be particularly preferably used. Among these, polyolefin microporous membranes such as polyethylene and polypropylene microporous membranes, or microporous membranes composed of these are preferably used in terms of thickness, membrane strength, membrane resistance, and the like.
さらに、高分子固体電解質等の固体電解質を用いることで、セパレータを兼ねさせることもできる。さらに、合成樹脂微多孔膜と高分子固体電解質等を組み合わせて使用してもよい。この場合、高分子固体電解質として有孔性高分子固体電解質膜を用い、高分子固体電解質にさらに電解液を含有させることで良い。 Furthermore, a separator can also be used by using a solid electrolyte such as a polymer solid electrolyte. Further, a synthetic resin microporous membrane and a polymer solid electrolyte may be used in combination. In this case, a porous polymer solid electrolyte membrane may be used as the polymer solid electrolyte, and the polymer solid electrolyte may further contain an electrolytic solution.
また、電池の形状は特に限定されるものではなく、角形、長円筒形、コイン形、ボタン形、シート形、円筒型電池等の様々な形状の非水電解質二次電池に適用可能であり、角形、長円筒形、コイン形、ボタン形、シート形など、電池内圧の上昇により電池ケースが変形しやすい電池でその効果は特に大きい。 In addition, the shape of the battery is not particularly limited, and can be applied to non-aqueous electrolyte secondary batteries having various shapes such as a rectangular shape, a long cylindrical shape, a coin shape, a button shape, a sheet shape, and a cylindrical battery, The effect is particularly great in batteries such as a rectangular shape, a long cylindrical shape, a coin shape, a button shape, and a sheet shape, in which the battery case is easily deformed due to an increase in the battery internal pressure.
以下、本発明を適用した具体的な実施例について説明するが、本発明は本実施例により何ら限定されるものではなく、その主旨を変更しない範囲において適宜変更して実施することが可能である。 Hereinafter, specific embodiments to which the present invention is applied will be described. However, the present invention is not limited to the embodiments, and can be appropriately modified and implemented without departing from the scope of the present invention. .
[実施例1]
図1は、本実施例の角形非水電解質二次電池の概略断面図である。この角形非水電解質二次電池1は、アルミニウム集電体に正極合材を塗布してなる正極3と、銅集電体に負極合材を塗布してなる負極4とがセパレータ5を介して巻回された扁平巻状電極群2と、非水電解液とを電池ケース6に収納してなる、幅30mm×高さ48mm×厚さ4.0mmのものである。
[Example 1]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a prismatic nonaqueous electrolyte secondary battery of the present example. In this rectangular nonaqueous electrolyte
電池ケース6には、安全弁8を設けた電池蓋7がレーザー溶接によって取り付けられ、負極端子9は負極リード11を介して負極4と接続され、正極3は正極リード10を介して電池蓋と接続されている。
A
正極板は、結着剤であるポリフッ化ビニリデン5重量%と導電剤であるアセチレンブラック4重量%とリチウムコバルト複合酸化物である正極活物質87重量%とを混合してなる正極合材に、N−メチルピロリドンを加えてペースト状に調製した後、これを厚さ15μmのアルミニウム箔集電体両面に塗布、乾燥することによって製作した。 The positive electrode plate is a positive electrode mixture formed by mixing 5% by weight of polyvinylidene fluoride as a binder, 4% by weight of acetylene black as a conductive agent, and 87% by weight of a positive electrode active material as a lithium cobalt composite oxide. N-methylpyrrolidone was added to prepare a paste, which was then applied on both sides of a 15 μm thick aluminum foil current collector and dried.
負極板は、グラファイト(黒鉛)95重量%とカルボキシメチルセルロース2重量%およびスチレンブタジエンゴム3重量%を適度な水分を加えてペースト状に調製した後、これを厚さ10μmの銅箔集電体両面に塗布、乾燥することによって製作した。 A negative electrode plate was prepared by adding 95% by weight of graphite (graphite), 2% by weight of carboxymethyl cellulose and 3% by weight of styrene butadiene rubber to a paste form by adding appropriate moisture, and then preparing a 10 μm thick copper foil current collector on both sides. It was manufactured by coating and drying.
セパレータには、ポリエチレン微多孔膜を用い、また、電解液には、エチレンカーボネート(EC):エチルメチルカーボネート(EMC)=3:7(体積比)の混合溶媒に、化3で示される芳香族化合物の一つであるシクロヘキシルベンゼン(CHB)を、電解液全量に対して0.5wt%となるように溶解した。また、化2のホスファゼン化合物において、n=3で、6つのRのうち5つがF、1つがエトキシ基である、化4で示されるエトキシペンタフルオロシクロトリホスファゼン(ECP)を、電解液全量に対して0.5wt%となるように溶解し、更にLiPF6を調整後に1mol/Lとなるように溶解した非水電解液を用いた。
A polyethylene microporous membrane is used for the separator, and the electrolyte is an aromatic compound represented by Chemical Formula 3 in a mixed solvent of ethylene carbonate (EC): ethyl methyl carbonate (EMC) = 3: 7 (volume ratio). One of the compounds, cyclohexylbenzene (CHB), was dissolved so as to be 0.5 wt% with respect to the total amount of the electrolytic solution. Moreover, in the phosphazene compound of
以上の構成・手順で実施例1の非水電解質二次電池を12セル作製した。 Twelve cells of the nonaqueous electrolyte secondary battery of Example 1 were produced by the above configuration and procedure.
[実施例2〜25および比較例1〜11]
実施例2〜25および比較例1〜11の35種類の電池については、表1に示すように、電解質に含有するCHBおよびECPの量を変化させた以外は、実施例1とまったく同様にして、非水電解質二次電池を各12セルずつ作製した。
[Examples 2 to 25 and Comparative Examples 1 to 11]
As for the 35 types of batteries of Examples 2 to 25 and Comparative Examples 1 to 11, as shown in Table 1, except that the amounts of CHB and ECP contained in the electrolyte were changed, they were exactly the same as Example 1. A non-aqueous electrolyte secondary battery was prepared for each 12 cells.
実施例1〜25および比較例1〜11の電池における、電解質中に含有するCHBおよびECPの量(電解液全量に対する重量%)を表1に示した。 Table 1 shows the amounts of CHB and ECP contained in the electrolyte (% by weight with respect to the total amount of the electrolytic solution) in the batteries of Examples 1 to 25 and Comparative Examples 1 to 11.
以上のようにして作製した実施例1〜25および比較例1〜11の角形非水電解質二次電池について、25℃における初期放電容量を測定した。なお、放電容量は、25℃において、充電電流650mA、充電電圧4.20Vの定電流−定電圧充電で2.5時間充電した後、放電電流650mA、終止電圧2.8Vの条件で放電をおこなうことにより測定した。 The initial discharge capacity at 25 ° C. was measured for the prismatic nonaqueous electrolyte secondary batteries of Examples 1 to 25 and Comparative Examples 1 to 11 produced as described above. In addition, after discharging for 2.5 hours with a constant current-constant voltage charge with a charge current of 650 mA and a charge voltage of 4.20 V at 25 ° C., the discharge capacity is discharged under conditions of a discharge current of 650 mA and a final voltage of 2.8 V. Was measured.
初期放電容量確認試験後の12セルの内、3セルについて高温放置試験をおこなった。高温放置試験は、初期放電容量確認試験時の充電条件で充電し、充電状態の電池を80℃の恒温槽中で48時間放置して、冷却後の電池厚みを測定することによりおこなった。
初期放電容量確認試験が終わった12セルのうち9セルについて、充電電流1A、充電電圧12Vの定電流―定電圧充電で3時間充電して過充電試験をおこない、試験後の電池について電池の破損の有無を確認した。
Of the 12 cells after the initial discharge capacity confirmation test, 3 cells were subjected to a high temperature storage test. The high temperature storage test was performed by charging the battery under the charging conditions during the initial discharge capacity confirmation test, leaving the charged battery in a constant temperature bath at 80 ° C. for 48 hours, and measuring the battery thickness after cooling.
9 out of 12 cells after the initial discharge capacity confirmation test was overcharged by charging for 3 hours with a constant current-constant voltage charge of 1A and charge voltage of 12V, and the batteries after the test were damaged. The presence or absence was confirmed.
実施例1〜25および比較例1〜11の電池の試験結果を表2に示す。なお、表2において、「放電容量」は各電池の初期放電容量の平均値を示し、「電池厚み」は高温放置試験後の各電池の電池厚みの平均値を示し、「破損数」は過充電試験結果における9セル中破損したセル数を示す。 Table 2 shows the test results of the batteries of Examples 1 to 25 and Comparative Examples 1 to 11. In Table 2, “Discharge capacity” indicates the average value of the initial discharge capacity of each battery, “Battery thickness” indicates the average value of the battery thickness of each battery after the high-temperature storage test, and “Number of breaks” indicates an excessive value. The number of cells damaged in 9 cells in the charge test result is shown.
表4より、非水電解質中にCHBとECPとを同時に含んだ実施例1〜25の電池は、非水電解質中にCHBやECPをそれぞれ単独で含んだ比較例1〜11の電池と比較して、過充電試験において破損数が減少し、良好な過充電時における安全性を確保することができた。 From Table 4, the batteries of Examples 1 to 25 containing CHB and ECP at the same time in the nonaqueous electrolyte were compared with the batteries of Comparative Examples 1 to 11 each containing CHB and ECP alone in the nonaqueous electrolyte. As a result, the number of breaks in the overcharge test decreased, and good safety during overcharge could be ensured.
さらに、非水電解質中にCHBを1wt%〜4wt%とECPを1wt%〜20wt%とを同時に含有した実施例7〜9,12〜14、17〜19および22〜24の電池は、実施例6、10、11、15、16、20、21および25の電池と比較して、放電容量を低下させることなく高温放置時の電池の膨れを抑制し、かつ、過充電時に高い安全性が得られることがわかった。 Further, the batteries of Examples 7 ~9,12~14,17~19 and 22 to 24 of 1 wt% to 4 wt% and ECP a CHB in the nonaqueous electrolyte containing a 1 wt% 20 wt% at the same time, examples Compared with 6 , 10, 11, 15, 16, 20, 21, and 25 batteries, it suppresses battery swelling when left at high temperatures without reducing the discharge capacity, and provides high safety during overcharge. I found out that
このような結果が得られた原因については明らかになっていないが、芳香族化合物であるCHBを単独で用いた場合、過充電時に添加剤自体が正極上で重合して活物質の充電レベルを下げることにより、活物質の熱安定性が向上するものの、発生した水素ガスによって電池内圧が上昇して電池の膨れが大きくなり、エレメントが変形して電池内部で内部短絡が発生したため電池が破損に至ったものと考えられる。また、添加量が6wt%と多い場合、80℃高温放置時に正極で酸化されて重合しやすくなり、電池の膨れが大きくなったものと考えられる。 Although the reason why such a result was obtained has not been clarified, when CHB, which is an aromatic compound, is used alone, the additive itself polymerizes on the positive electrode during overcharge, thereby reducing the charge level of the active material. Lowering the temperature improves the thermal stability of the active material, but the generated hydrogen gas increases the internal pressure of the battery, causing the battery to swell, causing the element to deform and causing an internal short circuit, resulting in damage to the battery. It is thought that it reached. Further, when the addition amount is as large as 6 wt%, it is considered that the battery is oxidized and easily polymerized when left at a high temperature of 80 ° C., and the swelling of the battery is increased.
また、EPZを単独で使用した場合、非水電解質への添加によって有機溶媒の高温での分解を抑制する効果があり、また、非水電解質に難燃性および不燃性を付与するものの、正負極活物質の充電反応が進行して正負極の熱安定性が低下し、過充電末期において最終的に有機溶媒が急激に分解することで発熱と電池内圧の上昇がおこり、電池が破損に至ったものと考えられる。また,添加量が40wt%まで増加すると,電解液自身のイオン伝導度の低下により充放電時の分極が大きくなり,放電容量が大きく低下したものと考えられる。 In addition, when EPZ is used alone, it has an effect of suppressing decomposition of the organic solvent at a high temperature by addition to the non-aqueous electrolyte, and imparts flame retardancy and non-flammability to the non-aqueous electrolyte. Charging reaction of the active material progresses, and the thermal stability of the positive and negative electrodes decreases. Finally, the organic solvent suddenly decomposes at the end of overcharging, resulting in heat generation and increase in battery internal pressure, leading to damage to the battery. It is considered a thing. Further, when the addition amount is increased to 40 wt%, it is considered that the polarization during charge / discharge increases due to the decrease in the ionic conductivity of the electrolyte itself, and the discharge capacity greatly decreases.
一方、芳香族化合物であるCHBを1wt%〜4wt%含有し、ハロゲンを含有するホスファゼン誘導体ECPを1〜20wt%含有する非水電解質を用いた場合、過充電時に芳香族化合物の重合に伴う作用で活物質の充電反応を抑制して活物質の熱安定性を向上させると共に、ECPにより有機溶媒の分解によるガス発生を抑制して電池の膨れを抑制することで内部短絡の発生を防止したことが考えられる。 On the other hand, when a non-aqueous electrolyte containing 1 wt% to 4 wt% of CHB, which is an aromatic compound, and 1 to 20 wt% of a phosphazene derivative ECP containing a halogen is used, the action accompanying polymerization of the aromatic compound during overcharge In addition to suppressing the charging reaction of the active material to improve the thermal stability of the active material, the generation of internal short circuit was prevented by suppressing the gas generation due to the decomposition of the organic solvent by ECP and suppressing the swelling of the battery Can be considered.
[実施例26〜45および比較例12〜16]
実施例26〜45および比較例12〜16の25種類の電池については、表3に示すように、電解質中に含ませる芳香族化合物として化5で表されるビフェニル(BPh)を用いたこと以外は実施例1とまったく同様にして、非水電解質二次電池を各12セルずつ作製した。
[Examples 26 to 45 and Comparative Examples 12 to 16]
For the 25 types of batteries of Examples 26 to 45 and Comparative Examples 12 to 16, as shown in Table 3, biphenyl (BPh) represented by Chemical Formula 5 was used as an aromatic compound to be included in the electrolyte. Were made in the same manner as in Example 1 to produce 12 nonaqueous electrolyte secondary batteries.
実施例26〜45および比較例12〜16の25種類の電池について、実施例1と同様の試験条件で、初期放電容量、高温放置試験後の電池厚み、過充電試験における破損数を求めた。なお、表4における「放電容量」、「電池厚み」、「破損数」は、表2と同じ内容を示す。 For the 25 types of batteries of Examples 26 to 45 and Comparative Examples 12 to 16, the initial discharge capacity, the battery thickness after the high temperature standing test, and the number of breaks in the overcharge test were determined under the same test conditions as in Example 1. The “discharge capacity”, “battery thickness”, and “number of breaks” in Table 4 have the same contents as in Table 2.
表4の結果は、表2で得られた傾向とほぼ同じであり、芳香族化合物の種類が変わった場合でも、ほぼ同様の効果が得られることがわかった。 The results in Table 4 are almost the same as the trends obtained in Table 2, and it was found that substantially the same effect can be obtained even when the type of aromatic compound is changed.
[実施例46〜65]
実施例46〜65の20種類の電池については、表5に示すように、電解質中に含ませるホスファゼン化合物として化6で表されるペンタフルオロフェノキシシクロトリホスファゼン(PCP)を用いたこと以外は実施例1とまったく同様にして、非水電解質二次電池を各12セルずつ作製した。なお、比較のため、表5には比較例7〜11の電池についても掲載した。
[Examples 46 to 65]
For the 20 types of batteries of Examples 46 to 65, as shown in Table 5, except that pentafluorophenoxycyclotriphosphazene (PCP) represented by
実施例46〜65の20種類の電池について、実施例1と同様の試験条件で、初期放電容量、高温放置試験後の電池厚み、過充電試験における破損数を求めた。なお、表4における「放電容量」、「電池厚み」、「破損数」は、表2と同じ内容を示す。また、比較のため、表6には比較例7〜11の電池のデータについても掲載した。 For the 20 types of batteries of Examples 46 to 65, under the same test conditions as in Example 1, the initial discharge capacity, the battery thickness after the high-temperature storage test, and the number of breaks in the overcharge test were determined. The “discharge capacity”, “battery thickness”, and “number of breaks” in Table 4 have the same contents as in Table 2. For comparison, Table 6 also shows the battery data of Comparative Examples 7-11.
表6の結果は、表2や表4で得られた傾向とほぼ同じであり、ホスファゼン化合物の種類が変わった場合にもほぼ同様の効果が得られることがわかった。 The results in Table 6 are almost the same as the trends obtained in Table 2 and Table 4, and it was found that substantially the same effect can be obtained when the type of phosphazene compound is changed.
また、実施例および比較例では電解液溶媒がEC:EMC系について記述したが、環状カーボネートと鎖状カーボネートの比率を変化させた場合や、電解質塩の濃度を変化させた場合、また、鎖状カーボネートとして、ジメチルカーボネートまたはジエチルカーボネートを用いた場合にも同様の傾向が見られ、さらに、環状および鎖状カーボネートの代わりにプロピレンカーボネートやガンマブチロラクトンを一部使用した場合にも同様の傾向が得られた。 Further, in the examples and comparative examples, the electrolyte solvent is described for the EC: EMC system. However, when the ratio of the cyclic carbonate and the chain carbonate is changed, or when the concentration of the electrolyte salt is changed, the chain solvent is used. The same tendency is observed when dimethyl carbonate or diethyl carbonate is used as the carbonate, and the same tendency is also obtained when propylene carbonate or gamma butyrolactone is partially used instead of cyclic and chain carbonates. It was.
また、芳香族化合物として、2−フルオロビフェニル、4−フルオロビフェニル、メチルビフェニルなどのビフェニル誘導体を用いた場合や、シクロアルキルベンゼン誘導体や、ナフタレン誘導体を用いても同様の効果が得られ、ホスファゼン誘導体として、置換基の種類と数を変化させた場合や鎖状ホスファゼンを用いた場合にも同様の傾向が得られた。 The same effect can be obtained when biphenyl derivatives such as 2-fluorobiphenyl, 4-fluorobiphenyl, and methylbiphenyl are used as aromatic compounds, or when cycloalkylbenzene derivatives and naphthalene derivatives are used as phosphazene derivatives. The same tendency was obtained when the type and number of substituents were changed or when chain phosphazene was used.
1 角型非水電解質二次電池
2 巻回型電極群
3 正極
4 負極
5 セパレータ
6 電池ケース
7 電池蓋
8 安全弁
9 正極端子
10 正極リード
11 負極リード
DESCRIPTION OF
Claims (2)
The non-aqueous electrolyte contains 1.0 to 4.0 wt% of the aromatic compound and 1.0 to 20 wt% of the phosphazene compound with respect to the total weight of the non-aqueous electrolyte. the non-aqueous electrolyte secondary battery according to claim 1, characterized in that it is.
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