JP7544641B2 - Nonaqueous electrolyte and power storage device using same - Google Patents
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Description
本発明は、サイクル試験後の容量維持率を向上できる非水電解液およびそれを用いた蓄電デバイスに関する。 The present invention relates to a non-aqueous electrolyte that can improve the capacity retention rate after cycle testing and an electricity storage device using the same.
近年、蓄電デバイス、特にリチウム電池は、携帯電話やノート型パソコン等の小型電子機器、電気自動車や電力貯蔵用として広く使用されている。これらの電子機器や自動車は、長期の使用により電池が劣化するため電池の交換が必要となる。それゆえ充放電の繰り返しによる劣化が抑えられる、つまりはサイクル特性の良好なリチウム電池が求められている。尚、本明細書において、リチウム電池という用語は、いわゆるリチウムイオン二次電池も含む概念として用いる。 In recent years, power storage devices, particularly lithium batteries, have been widely used in small electronic devices such as mobile phones and laptop computers, electric vehicles, and for power storage. The batteries in these electronic devices and vehicles deteriorate over long periods of use, making it necessary to replace them. For this reason, there is a demand for lithium batteries that can suppress deterioration due to repeated charging and discharging, in other words, have good cycle characteristics. In this specification, the term lithium battery is used as a concept that also includes so-called lithium ion secondary batteries.
リチウム電池は、主にリチウムを吸蔵および放出可能な材料を含む正極および負極、ならびにリチウム塩と非水溶媒からなる非水電解液から構成され、非水溶媒としては、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)等のカーボネートが使用されている。
また、負極としては、金属リチウム、リチウムを吸蔵および放出可能な金属化合物(金属単体、酸化物、リチウムとの合金等)や炭素材料が知られており、特にリチウムを吸蔵および放出することが可能なコークス、人造黒鉛、天然黒鉛等の炭素材料やケイ素材料を用いたリチウム電池が広く実用化されている。
A lithium battery is mainly composed of a positive electrode and a negative electrode containing a material capable of absorbing and releasing lithium, and a non-aqueous electrolyte solution made of a lithium salt and a non-aqueous solvent, and carbonates such as ethylene carbonate (EC) and propylene carbonate (PC) are used as the non-aqueous solvent.
In addition, as the negative electrode, metallic lithium, metal compounds (such as simple metals, oxides, and alloys with lithium) capable of absorbing and releasing lithium, and carbon materials are known. In particular, lithium batteries using carbon materials such as coke, artificial graphite, and natural graphite, and silicon materials capable of absorbing and releasing lithium, have been widely put to practical use.
例えば、天然黒鉛や人造黒鉛等の高結晶化した炭素材料を負極材料として用いたリチウム電池は、非水電解液中の溶媒が充電時に負極表面で還元分解することにより発生した分解物やガスが電池の望ましい電気化学的反応を阻害するため、サイクル特性の低下を生じる。また、リチウム金属やその合金、スズまたはケイ素等の金属単体や酸化物を負極材料として用いたリチウム電池は、初期の容量は高いがサイクル中に微粉化が進むため、炭素材料の負極に比べて非水溶媒の還元分解が加速的に起こり、電池容量やサイクル特性のような電池性能が大きく低下する。これらの非水溶媒の分解物がさらに蓄積すると負極へのリチウムの吸蔵および放出がスムーズにできなくなりサイクル特性が低下しやすくなる。 For example, in lithium batteries that use highly crystallized carbon materials such as natural graphite or artificial graphite as the negative electrode material, the solvent in the nonaqueous electrolyte is reduced and decomposed on the surface of the negative electrode during charging, generating decomposition products and gases that inhibit the desired electrochemical reactions of the battery, resulting in a decrease in cycle characteristics. In addition, lithium batteries that use lithium metal or its alloys, or metal elements or oxides such as tin or silicon as the negative electrode material have a high initial capacity, but become pulverized during cycling, which accelerates the reduction and decomposition of the nonaqueous solvent compared to negative electrodes made of carbon materials, resulting in a significant decrease in battery performance such as battery capacity and cycle characteristics. If these decomposition products of the nonaqueous solvent further accumulate, lithium cannot be smoothly absorbed and released into the negative electrode, and cycle characteristics are likely to decrease.
負極を表面処理することによるサイクル特性の改善は試みられている。例えば炭素前駆体となる化合物を化学気相蒸着法やゾルゲル法を用いて被覆する方法は、負極表面の被覆の均一性が低い、もしくは被覆するために使用した廃液の環境負荷が高いなどの課題があり、特許文献1には液体二酸化炭素に炭素前駆体となる化合物を溶解させ、数百度の高温で負極材料を焼結させるという比較的環境負荷の小さい方法で負極表面被覆の均一性を向上させることが記載されている。 Attempts have been made to improve cycle characteristics by surface treating the negative electrode. For example, methods of coating the negative electrode surface with a carbon precursor compound using chemical vapor deposition or the sol-gel method have problems such as low uniformity of coating on the negative electrode surface or high environmental impact of waste liquid used for coating. Patent Document 1 describes a method that improves the uniformity of the negative electrode surface coating with a relatively low environmental impact, in which a carbon precursor compound is dissolved in liquid carbon dioxide and the negative electrode material is sintered at a high temperature of several hundred degrees.
本発明は、蓄電デバイスにおいてサイクル試験後の容量維持率を向上できる非水電解液およびそれを用いた蓄電デバイスを提供することを目的とする。 The present invention aims to provide a non-aqueous electrolyte that can improve the capacity retention rate after cycle testing in an electricity storage device, and an electricity storage device using the same.
本発明者らは、特許文献1に記載の高温焼結処理も不要な負極表面被覆法について鋭意研究を重ね、非水溶媒に電解質塩が溶解されている非水電解液を用いて負極表面を被覆し蓄電デバイスのサイクル試験後の容量維持率を向上させることを見出し、本発明を完成した。 The inventors of the present invention have conducted extensive research into a method for coating the surface of a negative electrode that does not require the high-temperature sintering process described in Patent Document 1, and have discovered that coating the surface of the negative electrode with a non-aqueous electrolyte solution in which an electrolyte salt is dissolved in a non-aqueous solvent can improve the capacity retention rate of an electricity storage device after cycle testing, thus completing the present invention.
すなわち、本発明は、下記の(1)または(2)を提供するものである。 That is, the present invention provides the following (1) or (2).
(1)非水溶媒に電解質塩が溶解されている非水電解液において、下記一般式(I)で表される化合物を含有する蓄電デバイス用非水電解液。 (1) A nonaqueous electrolyte for an electricity storage device, in which an electrolyte salt is dissolved in a nonaqueous solvent, the nonaqueous electrolyte containing a compound represented by the following general formula (I):
(2)非水溶媒に電解質塩が溶解されている非水電解液において、該非水電解液が前記(1)に記載の非水電解液であることを特徴とする蓄電デバイス。 (2) An electricity storage device comprising a nonaqueous electrolyte solution in which an electrolyte salt is dissolved in a nonaqueous solvent, the nonaqueous electrolyte solution being the nonaqueous electrolyte solution described in (1) above.
本発明によれば、蓄電デバイスにおいてサイクル試験後の容量維持率を向上できる非水電解液およびそれを用いた蓄電デバイスを提供することができる。 The present invention provides a nonaqueous electrolyte that can improve the capacity retention rate after cycle testing in an electricity storage device, and an electricity storage device using the same.
本発明は、非水電解液およびそれを用いた蓄電デバイスに関する。 The present invention relates to a non-aqueous electrolyte and an electricity storage device using the same.
〔非水電解液〕
本発明の非水電解液は、非水溶媒に電解質塩が溶解されている非水電解液において、非水電解液中に前記一般式(I)で表される化合物を含有することを特徴とする蓄電デバイス用非水電解液である。
[Non-aqueous electrolyte]
The nonaqueous electrolyte of the present invention is a nonaqueous electrolyte for an electricity storage device, which is characterized in that the nonaqueous electrolyte contains an electrolyte salt dissolved in a nonaqueous solvent and contains a compound represented by general formula (I) above.
本発明の非水電解液が、蓄電デバイスのサイクル特性を向上させる理由は必ずしも明確ではないが、以下のように考えられる。
蓄電デバイスのサイクル特性が低下する要因のひとつとして、負極上で非水溶媒の分解物が蓄積し負極へのリチウムの吸蔵および放出がスムーズにできなくなることが挙げられる。本発明の前記一般式(I)で表される化合物由来の被膜が負極上に形成されることで、負極上の非水溶媒との反応を抑制するため、サイクル特性が向上すると考えられる。またケイ素を負極活物質として含む負極(Si負極)を用いた系では、Siと酸素原子は相互作用が強いため、前記一般式(I)で表される化合物は分子内に複数の酸素原子を有しており、糖由来の酸素原子が負極表面上のSiと強く相互作用し被膜を形成することで、サイクル特性が向上すると考えられる。
The reason why the nonaqueous electrolyte of the present invention improves the cycle characteristics of an electricity storage device is not necessarily clear, but is thought to be as follows.
One of the factors that cause the cycle characteristics of the power storage device to decrease is that the decomposition products of the non-aqueous solvent accumulate on the negative electrode, making it difficult to smoothly absorb and release lithium into and from the negative electrode. It is believed that the formation of a coating derived from the compound represented by the general formula (I) of the present invention on the negative electrode suppresses the reaction with the non-aqueous solvent on the negative electrode, thereby improving the cycle characteristics. In addition, in a system using a negative electrode (Si negative electrode) containing silicon as a negative electrode active material, since Si and oxygen atoms have a strong interaction, the compound represented by the general formula (I) has multiple oxygen atoms in the molecule, and the oxygen atoms derived from sugar strongly interact with Si on the surface of the negative electrode to form a coating, which is believed to improve the cycle characteristics.
本発明の非水電解液に含まれる化合物は、下記一般式(I)で表される。 The compound contained in the nonaqueous electrolyte of the present invention is represented by the following general formula (I).
前記一般式(I)において、Gは単糖残基または2~10個の単糖単位を含む多糖類残基を表すが、Gは糖由来の水酸基を含有しない。Gの具体例としては、以下の単糖残基または多糖類残基が好適に挙げられる。
なお、以下の具体例において、括弧内の数字は前記一般式(I)における、m+nの数を表す。
In the general formula (I), G represents a monosaccharide residue or a polysaccharide residue containing 2 to 10 monosaccharide units, but does not contain a hydroxyl group derived from a sugar. Specific examples of G include the following monosaccharide residues or polysaccharide residues.
In the following specific examples, the numbers in parentheses represent the sum of m and n in the above general formula (I).
〔単糖残基〕
単糖残基の具体例としては、アルドトリオ―ス(2)、ケトトリオ―ス(2)、イソソルビド(2)、イソマンニド(2)、エリトルロース(3)、エリトロース(3)、デオキシリボース(3)、リボース(4)、アラビノース(4)、アピオース(4)、キシロース(4)、リキソース(4)、リブロース(4)、キシルロース(4)、フコース(4)、ラムノース(4)、アロース(5)、アルトロース(5)、グルコース(5)、マンノース(5)、グロース(5)、イドース(5)、ガラクトース(5)、タロース(5)、プシコース(5)、フルクトース(5)、ソルボース(5)、タガトース(5)、セドヘプツロース(6)等の残基が挙げられる。
[Monosaccharide residue]
Specific examples of monosaccharide residues include aldotriose (2), ketotriose (2), isosorbide (2), isomannide (2), erythrulose (3), erythrose (3), deoxyribose (3), ribose (4), arabinose (4), apiose (4), xylose (4), lyxose (4), ribulose (4), xylulose (4), fucose (4), rhamnose (4), allose (5), altrose (5), glucose (5), mannose (5), gulose (5), idose (5), galactose (5), talose (5), psicose (5), fructose (5), sorbose (5), tagatose (5), and sedoheptulose (6) residues.
〔多糖類残基〕
多糖類残基の具体例としては、スクラロース(5)、ラクトースジアミン(6)、ヒアロビウロン酸(6)、トレハロサミン(7)、ラクトサミン(7)、プリメベロース(7)、ルチノース(7)、シラビオース(7)、ビシアノース(7)、トレハロース(8)、イソトレハロース(8)、ネオトレハロース(8)、コウジビオース(8)、ニゲロース(8)、マルトース(8)、マルツロース(8)、イソマルトース(8)、イソマルツロース(8)、ソホロース(8)、ラミナラビオース(8)、セロビオース(8)、セロビオン酸(8)、ゲンチオビオース(8)、ラクトース(8)、ラクトビオン酸(8)、ラクツロース(8)、メリビオース(8)、ネオラクトース(8)、スクロース(サッカロース)(8)、ツラノース(8)、ガラクトスクロース(8)、マルチトール(9)、ラクチトール(9)等の二糖類の残基、カコトリオース(9)、ソラトリオース(10)、セロトリオース(11)、ゲンチアノース(11)、イソマルトトリオース(11)、イソパノース(11)、マルトトリオース(11)、マンニノトリオース(11)、メレジトース(11)、パノース(11)、プランテオース(11)、ラフィノース(11)、ウンベリフェロース(11)等の三糖類の残基、リコテトラオース(13)、マルトテトラオース(14)、スタキオース(14)等の四糖類の残基、マルトペンタオース(17)、ベルバスコース(17)等の五糖類の残基、マルトヘキサオース(20)等の六糖類の残基およびα-シクロアワオドリン(12)、β-シクロアワオドリン(14)、α-シクロデキストリン(18)、β-シクロデキストリン(21)、γ-シクロデキストリン(24)、δ-シクロデキストリン(27)等の環状オリゴ糖の残基が挙げられる。
[Polysaccharide residue]
Specific examples of polysaccharide residues include sucralose (5), lactosediamine (6), hyalobiuronic acid (6), trehalosamine (7), lactosamine (7), primeverose (7), rutinose (7), scillabiose (7), vicianose (7), trehalose (8), isotrehalose (8), neotrehalose (8), kojibiose (8), nigerose (8), maltose (8), maltulose (8), and isomaltose. Residues of disaccharides such as sucrose (8), isomaltulose (8), sophorose (8), laminarabiose (8), cellobiose (8), cellobionic acid (8), gentiobiose (8), lactose (8), lactobionic acid (8), lactulose (8), melibiose (8), neolactose (8), sucrose (saccharose) (8), turanose (8), galactosucrose (8), maltitol (9), and lactitol (9); trisaccharide residues such as maltotriose (9), solatriose (10), cellotriose (11), gentianose (11), isomaltotriose (11), isopanose (11), maltotriose (11), manninotriose (11), melezitose (11), panose (11), planteose (11), raffinose (11), and umbelliferose (11); lycotetraose (13), maltotetraose (14), Examples of such saccharides include tetrasaccharide residues such as stachyose (14), pentasaccharide residues such as maltopentaose (17) and verbascose (17), hexasaccharide residues such as maltohexaose (20), and cyclic oligosaccharide residues such as α-cycloadenosine (12), β-cycloadenosine (14), α-cyclodextrin (18), β-cyclodextrin (21), γ-cyclodextrin (24), and δ-cyclodextrin (27).
中でもGは単糖残基、または2~4個の単糖単位を含む多糖類残基であることが好ましく、単糖残基または二糖類残基がより好ましく、炭素数4~12である単糖残基または二糖類残基が更に好ましく、グルコース残基、リボース残基、スクロース残基またはイソマンニド残基であることが最も好ましい。 Among these, G is preferably a monosaccharide residue or a polysaccharide residue containing 2 to 4 monosaccharide units, more preferably a monosaccharide residue or a disaccharide residue, even more preferably a monosaccharide residue or a disaccharide residue having 4 to 12 carbon atoms, and most preferably a glucose residue, a ribose residue, a sucrose residue, or an isomannide residue.
式中、R1は炭素数1~8のアルキル基を表す。炭素数1~8のアルキル基の具体例としては、メチル基、エチル基、n-プロピル基、n-ブチル基、n-ペンチル基、n-ヘキシル基、n-ヘプチル基もしくはn-オクチル基等の直鎖アルキル基、iso-プロピル基、iso-ブチル基、sec-ブチル基、tert-ブチル基、tert-アミル基もしくは2-エチルヘキシル基等の分枝アルキル基またはシクロプロピル基、シクロブチル基、シクロペンチル基もしくはシクロヘキシル基等のシクロアルキル基が好適に挙げられ、中でもメチル基、エチル基、n-プロピル基、n-ブチル基、n-ペンチル基、n-ヘキシル基、n-ヘプチル基、n-オクチル基またはiso-プロピル基が好ましく、メチル基、エチル基、n-プロピル基またはiso-プロピル基が最も好ましい。 In the formula, R 1 represents an alkyl group having 1 to 8 carbon atoms. Specific examples of the alkyl group having 1 to 8 carbon atoms include linear alkyl groups such as methyl, ethyl, n-propyl, n-butyl, n-pentyl, n-hexyl, n-heptyl, and n-octyl groups, branched alkyl groups such as isopropyl, isobutyl, sec-butyl, tert-butyl, tert-amyl, and 2-ethylhexyl groups, and cycloalkyl groups such as cyclopropyl, cyclobutyl, cyclopentyl, and cyclohexyl groups. Among these, methyl, ethyl, n-propyl, n-butyl, n-pentyl, n-hexyl, n-heptyl, n-octyl, and isopropyl groups are preferred, and methyl, ethyl, n-propyl, and isopropyl groups are most preferred.
R2は少なくとも1つの水素原子がフッ素原子で置換されていても良い炭素数1~8のアルキル基を表す。少なくとも1つの水素原子がフッ素原子で置換されていても良い炭素数1~8のアルキル基の具体例としては、メチル基、エチル基、n-プロピル基、n-ブチル基、n-ペンチル基、n-ヘキシル基、n-ヘプチル基もしくはn-オクチル基等の直鎖アルキル基、iso-プロピル基、iso-ブチル基、sec-ブチル基、tert-ブチル基、tert-アミル基もしくは2-エチルヘキシル基等の分枝アルキル基、シクロプロピル基、シクロブチル基、シクロペンチル基もしくはシクロヘキシル基等のシクロアルキル基またはフルオロメチル基、ジフルオロメチル基、トリフルオロメチル基、2-フルオロエチル基、2,2-ジフルオロエチル基、2,2,2-トリフルオロエチル基、3-フルオロプロピル基、3,3-ジフルオロプロピル基、3,3,3-トリフルオロプロピル基、2,2,3,3-テトラフルオロプロピル基もしくは2,2,3,3,3-ペンタフルオロプロピル基等の水素原子の一部がフッ素原子で置換されたアルキル基が好適に挙げられ、中でも、メチル基、エチル基、n-プロピル基、n-ブチル基、トリフルオロメチル基、2,2-ジフルオロエチル基、2,2,2-トリフルオロエチル基、iso-プロピル基、iso-ブチル基、sec-ブチル基およびtert-ブチル基から選ばれる、少なくとも1つの水素原子がフッ素原子で置換されていても良い炭素数1~4のアルキル基が好ましく、メチル基、エチル基、n-プロピル基、n-ブチル基、iso-プロピル基、iso-ブチル基、sec-ブチル基およびtert-ブチル基から選ばれる炭素数1~4のアルキル基またはトリフルオロメチル基がより好ましく、メチル基、エチル基またはトリフルオロメチル基が最も好ましい。 R 2 represents an alkyl group having 1 to 8 carbon atoms in which at least one hydrogen atom may be substituted with a fluorine atom. Specific examples of the alkyl group having 1 to 8 carbon atoms in which at least one hydrogen atom may be substituted with a fluorine atom include linear alkyl groups such as methyl, ethyl, n-propyl, n-butyl, n-pentyl, n-hexyl, n-heptyl, and n-octyl groups, branched alkyl groups such as isopropyl, isobutyl, sec-butyl, tert-butyl, tert-amyl, and 2-ethylhexyl groups, cycloalkyl groups such as cyclopropyl, cyclobutyl, cyclopentyl, and cyclohexyl groups, and fluoromethyl, difluoromethyl, trifluoromethyl, 2-fluoroethyl, 2,2-difluoroethyl, 2,2,2-trifluoroethyl, 3-fluoropropyl, 3,3-difluoropropyl, 3,3,3-trifluoropropyl, 2,2,3,3-tetrafluoropropyl, and tetrafluoropropyl groups. Preferred examples of the alkyl group include those in which a portion of the hydrogen atoms has been substituted with a fluorine atom, such as a trifluoropropyl group or a 2,2,3,3,3-pentafluoropropyl group. Among these, an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms in which at least one hydrogen atom may be substituted with a fluorine atom and selected from a methyl group, an ethyl group, an n-propyl group, an n-butyl group, a trifluoromethyl group, a 2,2-difluoroethyl group, a 2,2,2-trifluoroethyl group, an isopropyl group, an isobutyl group, a sec-butyl group and a tert-butyl group is preferred, an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms selected from a methyl group, an ethyl group, an n-propyl group, an n-butyl group, an isopropyl group, an isobutyl group, a sec-butyl group and a tert-butyl group or a trifluoromethyl group is more preferred, and a methyl group, an ethyl group or a trifluoromethyl group is most preferred.
mは0または1を表し、nは1以上の整数を表し、m+n≧2であり、mが0かつnが2~10またはmが1かつnが2~9が好ましい。なお、mが2以上の整数である場合には、2以上のR2は、同じものであっても、また、異なるものであってもよいが、2以上のR2の全てが同じものであることが好ましい。 m represents 0 or 1, n represents an integer of 1 or more, m+n≧2, and it is preferable that m is 0 and n is 2 to 10, or m is 1 and n is 2 to 9. When m is an integer of 2 or more, two or more R 2 may be the same or different, but it is preferable that all of the two or more R 2 are the same.
前記一般式(I)として具体例を記載するが、本発明はこれらに限定されるものではない。アノマー炭素については立体配置がα、βの混合物でもよい。 Specific examples of the general formula (I) are described above, but the present invention is not limited to these. The anomeric carbon may have a mixture of α and β configurations.
上記化合物の中でもA1~A72が好ましく、A1~A60がより好ましく、A1~A12およびA37~A60が特に好ましい。なお、上記において、たとえば、A1の化合物は、一般式(I)において、Gがα-D-グルコース残基であり、R2=CH3、m=0、n=5である化合物であり、A2の化合物は、一般式(I)において、Gがα-D-グルコース残基であり、R2=CH2CH3、m=0、n=5である化合物である。 Among the above compounds, A1 to A72 are preferable, A1 to A60 are more preferable, and A1 to A12 and A37 to A60 are particularly preferable. In the above, for example, compound A1 is a compound in which G is an α-D-glucose residue, R 2 = CH 3 , m = 0, and n = 5 in general formula (I), and compound A2 is a compound in which G is an α-D-glucose residue, R 2 = CH 2 CH 3 , m = 0, and n = 5 in general formula (I).
一般式(I)で表される化合物は、たとえば、対応する単糖または多糖類に対し、酸性環境下で、R1OHで表される化合物を反応させることで、R1-O-で表される基を導入する方法や、対応する単糖または多糖類に対し、R2COOHや(R2CO)2Oで表される化合物を反応させることでエステル化し、R2-C(=O)O-で表される基を導入する方法、さらにはこれらの方法を適宜組み合わせる方法により合成することができる。 The compound represented by general formula (I) can be synthesized, for example, by a method in which a compound represented by R 1 OH is reacted with a corresponding monosaccharide or polysaccharide in an acidic environment to introduce a group represented by R 1 -O-; a method in which a compound represented by R 2 COOH or (R 2 CO) 2 O is reacted with a corresponding monosaccharide or polysaccharide to esterify the monosaccharide or polysaccharide and introduce a group represented by R 2 -C(═O)O-; or a method in which these methods are appropriately combined.
残基とは化合物の部分構造を指し示す用語であり、糖残基とは糖の化学構造から水酸基を除いた部分構造を示す。例えばβ-D-グルコースの単糖残基は下記式(II)の水酸基(-OH)を除く構造で表される。この場合において、下記式(II)の水酸基(-OH)のうち、酸素原子は、通常、単糖または多糖類に由来の酸素原子であるが、このような場合でも、本明細書では、水酸基(-OH)を除く構造を、糖残基とするものとする。 The term "residue" refers to a partial structure of a compound, and a sugar residue refers to a partial structure obtained by removing a hydroxyl group from the chemical structure of a sugar. For example, the monosaccharide residue of β-D-glucose is represented by the structure excluding the hydroxyl group (-OH) in the following formula (II). In this case, the oxygen atom in the hydroxyl group (-OH) in the following formula (II) is usually an oxygen atom derived from a monosaccharide or polysaccharide, but even in such cases, the structure excluding the hydroxyl group (-OH) is considered to be the sugar residue in this specification.
本発明の非水電解液において、非水電解液に含有される前記一般式(I)で表される化合物の含有量は、非水電解液中に非水電解液全量に対して、0.01~10質量%であると、サイクル試験後の容量維持率が向上するため好ましい。また、0.05質量%以上がより好ましく、0.1質量%以上がさらに好ましく、0.5質量%以上が特に好ましい。また、3質量%以下がより好ましく、2質量%以下がさらに好ましく、1.5質量%以下が特に好ましい。 In the non-aqueous electrolyte of the present invention, the content of the compound represented by the general formula (I) contained in the non-aqueous electrolyte is preferably 0.01 to 10% by mass relative to the total amount of the non-aqueous electrolyte, since this improves the capacity retention rate after cycle testing. Also, 0.05% by mass or more is more preferable, 0.1% by mass or more is even more preferable, and 0.5% by mass or more is particularly preferable. Also, 3% by mass or less is more preferable, 2% by mass or less is even more preferable, and 1.5% by mass or less is particularly preferable.
本発明の非水電解液において、前記一般式(I)で表される化合物を以下に述べる非水溶媒、電解質塩、さらにその他の添加剤を組み合わせることにより、サイクル試験後の容量維持率がより向上する。 In the non-aqueous electrolyte of the present invention, the capacity retention rate after cycle testing is further improved by combining the compound represented by the general formula (I) with the non-aqueous solvent, electrolyte salt, and other additives described below.
〔非水溶媒〕
本明細書において、「溶媒」とは溶質を溶解するための物質を示す。
本発明の非水電解液に使用される非水溶媒としては、環状カーボネート、鎖状エステル、ラクトン、エーテルおよびアミドから選ばれる1種または2種以上が好適に挙げられる。サイクル特性が相乗的に向上するため、鎖状エステルが含まれることが好ましく、鎖状カーボネートが含まれることが更に好ましく、環状カーボネートと鎖状カーボネートの両方が含まれることが最も好ましい。
[Non-aqueous solvent]
As used herein, the term "solvent" refers to a substance for dissolving a solute.
The non-aqueous solvent used in the non-aqueous electrolyte of the present invention is preferably one or more selected from cyclic carbonates, chain esters, lactones, ethers and amides. In order to synergistically improve cycle characteristics, it is preferable to include a chain ester, more preferably to include a chain carbonate, and most preferably to include both a cyclic carbonate and a chain carbonate.
なお、「鎖状エステル」なる用語は、鎖状カーボネートおよび鎖状カルボン酸エステルを含む概念として用いる。 The term "chain ester" is used as a concept that includes chain carbonates and chain carboxylic acid esters.
環状カーボネートとしては、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、1,2-ブチレンカーボネート、2,3-ブチレンカーボネート、4-フルオロ-1,3-ジオキソラン-2-オン(FEC)、トランスもしくはシス-4,5-ジフルオロ-1,3-ジオキソラン-2-オン(以下、両者を総称して「DFEC」という)、ビニレンカーボネート(VC)、ビニルエチレンカーボネート(VEC)および4-エチニル-1,3-ジオキソラン-2-オン(EEC)から選ばれる1種または2種以上が挙げられ、EC、PC、FEC、VCおよびEECから選ばれる1種または2種以上がより好適である。 The cyclic carbonate may be one or more selected from ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), 1,2-butylene carbonate, 2,3-butylene carbonate, 4-fluoro-1,3-dioxolan-2-one (FEC), trans- or cis-4,5-difluoro-1,3-dioxolan-2-one (hereinafter collectively referred to as "DFEC"), vinylene carbonate (VC), vinylethylene carbonate (VEC) and 4-ethynyl-1,3-dioxolan-2-one (EEC), and more preferably one or more selected from EC, PC, FEC, VC and EEC.
前記環状カーボネートの含有量は、特に制限されないが、非水電解液全量に対して、好ましくは5質量%以上、より好ましくは10質量%以上、更に好ましくは20質量%以上であり、また、好ましくは90質量%以下、より好ましくは70質量%以下、更に好ましくは50質量%以下、最も好ましくは40質量%以下であると、Liイオン透過性を損なうことなく一段とサイクル試験後の容量維持率が向上するので好ましい。 The content of the cyclic carbonate is not particularly limited, but is preferably 5% by mass or more, more preferably 10% by mass or more, and even more preferably 20% by mass or more, based on the total amount of the nonaqueous electrolyte, and is preferably 90% by mass or less, more preferably 70% by mass or less, even more preferably 50% by mass or less, and most preferably 40% by mass or less, since this further improves the capacity retention rate after cycle testing without impairing Li-ion permeability.
また、前記環状カーボネートのうち、炭素-炭素二重結合もしくは炭素-炭素三重結合の不飽和結合またはフッ素原子を有する環状カーボネートのうち少なくとも1種を使用するとサイクル特性が高まるので好ましく、炭素-炭素二重結合もしくは炭素-炭素三重結合等の不飽和結合を含む環状カーボネートとフッ素原子を有する環状カーボネートを両方含むことがより好ましい。炭素-炭素二重結合もしくは炭素-炭素三重結合等の不飽和結合を有する環状カーボネートとしては、VC、VECまたはEECが更に好ましく、フッ素原子を有する環状カーボネートとしては、FECまたはDFECが更に好ましい。 In addition, among the cyclic carbonates, it is preferable to use at least one of cyclic carbonates having an unsaturated bond such as a carbon-carbon double bond or a carbon-carbon triple bond, or a fluorine atom, since this improves cycle characteristics, and it is more preferable to use both a cyclic carbonate having an unsaturated bond such as a carbon-carbon double bond or a carbon-carbon triple bond, and a cyclic carbonate having a fluorine atom. As the cyclic carbonate having an unsaturated bond such as a carbon-carbon double bond or a carbon-carbon triple bond, VC, VEC, or EEC is more preferable, and as the cyclic carbonate having a fluorine atom, FEC or DFEC is more preferable.
炭素-炭素二重結合もしくは炭素-炭素三重結合の不飽和結合を有する環状カーボネートの含有量は、非水電解液全量に対して、好ましくは0.05質量%以上、より好ましくは0.1質量%以上、更に好ましくは0.5質量%以上であり、また、好ましくは8質量%以下、より好ましくは5質量%以下、更に好ましくは3質量%以下であると、Liイオン透過性を損なうことなく一段とサイクル試験後の容量維持率が向上するので好ましい。 The content of the cyclic carbonate having an unsaturated bond of a carbon-carbon double bond or a carbon-carbon triple bond is preferably 0.05% by mass or more, more preferably 0.1% by mass or more, and even more preferably 0.5% by mass or more, based on the total amount of the nonaqueous electrolyte, and is preferably 8% by mass or less, more preferably 5% by mass or less, and even more preferably 3% by mass or less, since this further improves the capacity retention rate after cycle testing without impairing Li ion permeability.
フッ素原子を有する環状カーボネートの含有量は、非水電解液全量に対して好ましくは0.05質量%以上、より好ましくは1質量%以上、更に好ましくは3質量%以上であり、また、好ましくは40質量%以下、より好ましくは30質量%以下、更に20質量%以下であり、最も好ましくは15質量%以下であると、Liイオン透過性を損なうことなく一段とサイクル試験後の容量維持率が向上するので好ましい。 The content of the cyclic carbonate having fluorine atoms is preferably 0.05% by mass or more, more preferably 1% by mass or more, and even more preferably 3% by mass or more, based on the total amount of the nonaqueous electrolyte, and is preferably 40% by mass or less, more preferably 30% by mass or less, even more preferably 20% by mass or less, and most preferably 15% by mass or less, which is preferable because it further improves the capacity retention rate after cycle testing without impairing Li-ion permeability.
これらの溶媒は1種類で使用してもよく、また2種類以上を組み合わせて使用した場合は、サイクル試験後の容量維持率が更に向上するので好ましく、3種類以上を組み合わせて使用することが特に好ましい。これらの環状カーボネートの好適な組合せとしては、ECとPC、ECとVC、PCとVC、VCとFEC、ECとFEC、PCとFEC、FECとDFEC、ECとDFEC、PCとDFEC、VCとDFEC、VECとDFEC、VCとEEC、ECとEEC、ECとPCとVC、ECとPCとFEC、ECとVCとFEC、ECとVCとVEC、ECとVCとEEC、ECとEECとFEC、PCとVCとFEC、ECとVCとDFEC、PCとVCとDFEC、ECとPCとVCとFECまたはECとPCとVCとDFEC等が好ましい。前記の組合せのうち、ECとVC、ECとFEC、PCとFEC、ECとPCとVC、ECとPCとFEC、ECとVCとFEC、ECとVCとEEC、ECとEECとFEC、PCとVCとFECまたはECとPCとVCとFECの組合せがより好ましい。 These solvents may be used alone, or in combination of two or more, the capacity retention rate after cycle testing is further improved, and it is particularly preferable to use three or more in combination. Suitable combinations of these cyclic carbonates include EC and PC, EC and VC, PC and VC, VC and FEC, EC and FEC, PC and FEC, FEC and DFEC, EC and DFEC, PC and DFEC, VC and DFEC, VEC and DFEC, VC and EEC, EC and EEC, EC and PC and VC, EC and PC and FEC, EC and VC and FEC, EC and VC and VEC, EC and EEC and FEC, PC and VC and FEC, EC and VC and DFEC, PC and VC and DFEC, EC and PC and VC and FEC, or EC and PC and VC and DFEC. Of the above combinations, the combinations of EC and VC, EC and FEC, PC and FEC, EC and PC and VC, EC and PC and FEC, EC and VC and FEC, EC and VC and EEC, EC and EEC and FEC, PC and VC and FEC, or EC and PC and VC and FEC are more preferred.
鎖状エステルとしては、メチルエチルカーボネート(MEC)、メチルプロピルカーボネート(MPC)、メチルイソプロピルカーボネート(MIPC)、メチルブチルカーボネートおよびエチルプロピルカーボネートから選ばれる1種または2種以上の非対称鎖状カーボネート、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、ジプロピルカーボネートおよびジブチルカーボネートから選ばれる1種または2種以上の対称鎖状カーボネート、ピバリン酸メチル、ピバリン酸エチル、ピバリン酸プロピル等のピバリン酸エステル、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、酢酸メチルおよび酢酸エチル(EA)から選ばれる1種または2種以上の鎖状カルボン酸エステルが好適に挙げられる。 Suitable examples of the chain ester include one or more asymmetric chain carbonates selected from methyl ethyl carbonate (MEC), methyl propyl carbonate (MPC), methyl isopropyl carbonate (MIPC), methyl butyl carbonate, and ethyl propyl carbonate; one or more symmetric chain carbonates selected from dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), dipropyl carbonate, and dibutyl carbonate; pivalic acid esters such as methyl pivalate, ethyl pivalate, and propyl pivalate; and one or more chain carboxylic acid esters selected from methyl propionate, ethyl propionate, propyl propionate, methyl acetate, and ethyl acetate (EA).
前記鎖状エステルの中でも、ジメチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、メチルプロピルカーボネート、メチルイソプロピルカーボネート、メチルブチルカーボネート、プロピオン酸メチル、酢酸メチルおよび酢酸エチルから選ばれるメチル基を有する鎖状エステルが好ましく、特にメチル基を有する鎖状カーボネートが好ましい。 Among the chain esters, chain esters having a methyl group selected from dimethyl carbonate, methyl ethyl carbonate, methyl propyl carbonate, methyl isopropyl carbonate, methyl butyl carbonate, methyl propionate, methyl acetate, and ethyl acetate are preferred, and chain carbonates having a methyl group are particularly preferred.
本発明の非水電解液に用いる非水溶媒における鎖状エステルの含有量は、特に制限されないが、非水電解液全量に対して、5~90質量%の範囲で用いるのが好ましい。該含有量が5質量%以上であれば非水電解液の粘度が高くなりすぎず、より好ましくは10質量%以上であり、さらに好ましくは30質量%以上であり、特に好ましくは50質量%以上である。また、好ましくは90質量%以下、より好ましくは85質量%以下であれば非水電解液の電気伝導度が低下してサイクル試験後の容量維持率が低下するおそれが少ないので上記範囲であることが好ましい。 The content of the chain ester in the nonaqueous solvent used in the nonaqueous electrolyte of the present invention is not particularly limited, but is preferably in the range of 5 to 90 mass% based on the total amount of the nonaqueous electrolyte. If the content is 5 mass% or more, the viscosity of the nonaqueous electrolyte does not become too high, and it is more preferably 10 mass% or more, even more preferably 30 mass% or more, and particularly preferably 50 mass% or more. In addition, if the content is preferably 90 mass% or less, more preferably 85 mass% or less, the electrical conductivity of the nonaqueous electrolyte is reduced, and there is little risk of a decrease in the capacity retention rate after cycle testing, so the above range is preferable.
環状カーボネートと鎖状エステルの割合は、サイクル試験後の容量維持率向上の観点から、環状カーボネート:鎖状エステル(質量比)が10:90~50:50が好ましく、30:70~40:60が特に好ましい。 From the viewpoint of improving the capacity retention rate after cycle testing, the ratio of cyclic carbonate to chain ester is preferably 10:90 to 50:50 (mass ratio), and particularly preferably 30:70 to 40:60.
その他の非水溶媒としては、テトラヒドロフラン、2-メチルテトラヒドロフラン、1,4-ジオキサン等の環状エーテル、1,2-ジメトキシエタン、1,2-ジエトキシエタンおよび1,2-ジブトキシエタン等の鎖状エーテル、ジメチルホルムアミド等のアミドおよびスルホラン等のスルホン、並びにγ-ブチロラクトン(GBL)、γ-バレロラクトンおよびα-アンゲリカラクトン等のラクトンから選ばれる1種または2種以上が好適に挙げられる。 Other non-aqueous solvents include one or more selected from cyclic ethers such as tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, and 1,4-dioxane; chain ethers such as 1,2-dimethoxyethane, 1,2-diethoxyethane, and 1,2-dibutoxyethane; amides such as dimethylformamide; sulfones such as sulfolane; and lactones such as γ-butyrolactone (GBL), γ-valerolactone, and α-angelicalactone.
上記その他の非水溶媒は通常、適切な物性を達成するために、混合して使用される。その組合せは、例えば、環状カーボネートと鎖状エステルとラクトンとの組合せまたは環状カーボネートと鎖状エステルとエーテルとの組合せ等が好適に挙げられ、環状カーボネートと鎖状エステルとラクトンとの組合せがより好ましく、ラクトンの中でもGBLを用いると更に好ましい。 The above-mentioned other non-aqueous solvents are usually used in combination to achieve appropriate physical properties. Suitable combinations include, for example, a combination of a cyclic carbonate, a chain ester, and a lactone, or a combination of a cyclic carbonate, a chain ester, and an ether, and the combination of a cyclic carbonate, a chain ester, and a lactone is more preferred, and among lactones, it is even more preferred to use GBL.
その他の非水溶媒の含有量は、非水電解液全量に対して、通常1質量%以上が好ましく、より好ましくは2質量%以上であり、また通常40質量%以下が好ましく、また、より好ましくは30質量%以下、特に好ましくは20質量%以下である。当該濃度範囲中であれば電気伝導度が低下するおそれや、溶媒の分解によってサイクル試験後の容量維持率が低下するおそれが少ない。 The content of other non-aqueous solvents is preferably 1% by mass or more, more preferably 2% by mass or more, and is preferably 40% by mass or less, more preferably 30% by mass or less, and particularly preferably 20% by mass or less, based on the total amount of the non-aqueous electrolyte. Within this concentration range, there is little risk of a decrease in electrical conductivity or a decrease in the capacity retention rate after cycle testing due to decomposition of the solvent.
一段とサイクル試験後の容量維持率を向上させる目的で、非水電解液中にさらにその他の添加剤を加えることが好ましい。
その他の添加剤の具体例としては、以下の(A)~(J)の化合物が挙げられる。
For the purpose of further improving the capacity retention rate after cycle testing, it is preferable to further add other additives to the non-aqueous electrolyte.
Specific examples of the other additives include the following compounds (A) to (J).
(A)アセトニトリル、プロピオニトリル、スクシノニトリル、グルタロニトリル、アジポニトリル、ピメロニトリル、スベロニトリルおよびセバコニトリルから選ばれる1種または2種以上のニトリル。 (A) One or more nitriles selected from acetonitrile, propionitrile, succinonitrile, glutaronitrile, adiponitrile, pimelonitrile, suberonitrile and sebaconitrile.
(B)tert-ブチルベンゼン、tert-アミルベンゼンもしくは1-フルオロ-4-tert-ブチルベンゼン等の分枝アルキル基を有する芳香族化合物またはシクロヘキシルベンゼン、ビフェニル、ターフェニル(o-、m-、p-体)、フルオロベンゼン、メチルフェニルカーボネート、エチルフェニルカーボネートもしくはジフェニルカーボネート等の芳香族化合物。 (B) Aromatic compounds having a branched alkyl group, such as tert-butylbenzene, tert-amylbenzene, or 1-fluoro-4-tert-butylbenzene, or aromatic compounds such as cyclohexylbenzene, biphenyl, terphenyl (o-, m-, or p-isomer), fluorobenzene, methyl phenyl carbonate, ethyl phenyl carbonate, or diphenyl carbonate.
(C)メチルイソシアネート、エチルイソシアネート、ブチルイソシアネート、フェニルイソシアネート、テトラメチレンジイソシアネート、ヘキサメチレンジイソシアネート、オクタメチレンジイソシアネート、1,4-フェニレンジイソシアネート、2-イソシアナトエチル アクリレートおよび2-イソシアナトエチル メタクリレートから選ばれる1種または2種以上のイソシアネート化合物。 (C) One or more isocyanate compounds selected from methyl isocyanate, ethyl isocyanate, butyl isocyanate, phenyl isocyanate, tetramethylene diisocyanate, hexamethylene diisocyanate, octamethylene diisocyanate, 1,4-phenylene diisocyanate, 2-isocyanatoethyl acrylate, and 2-isocyanatoethyl methacrylate.
(D)2-プロピニル メチル カーボネート、酢酸 2-プロピニル、ギ酸 2-プロピニル、メタクリル酸 2-プロピニル、メタンスルホン酸 2-プロピニル、ビニルスルホン酸 2-プロピニル、2-(メタンスルホニルオキシ)プロピオン酸2-プロピニル、ジ(2-プロピニル)オギザレート、2-ブチン-1,4-ジイル ジメタンスルホネートおよび2-ブチン-1,4-ジイル ジホルメートから選ばれる1種または2種以上の三重結合含有化合物。 (D) One or more triple bond-containing compounds selected from 2-propynyl methyl carbonate, 2-propynyl acetate, 2-propynyl formate, 2-propynyl methacrylate, 2-propynyl methanesulfonate, 2-propynyl vinylsulfonate, 2-propynyl 2-(methanesulfonyloxy)propionate, di(2-propynyl)oxalate, 2-butyne-1,4-diyl dimethanesulfonate, and 2-butyne-1,4-diyl diformate.
(E)1,3-プロパンスルトン(PS)、1,3-ブタンスルトン、2,4-ブタンスルトン、1,4-ブタンスルトン、1,3-プロペンスルトンもしくは2,2-ジオキシド-1,2-オキサチオラン-4-イル アセテート等のスルトン、エチレンサルファイト等の環状サルファイト、ブタン-2,3-ジイル ジメタンスルホネート、ブタン-1,4-ジイル ジメタンスルホネートもしくはメチレンメタンジスルホネート等のスルホン酸エステルおよびジビニルスルホンおよび1,2-ビス(ビニルスルホニル)エタンもしくはビス(2-ビニルスルホニルエチル)エーテル等のビニルスルホン化合物から選ばれる1種または2種以上のS=O基含有化合物。 (E) One or more S=O group-containing compounds selected from sultones such as 1,3-propane sultone (PS), 1,3-butane sultone, 2,4-butane sultone, 1,4-butane sultone, 1,3-propene sultone, or 2,2-dioxide-1,2-oxathiolane-4-yl acetate, cyclic sulfites such as ethylene sulfite, sulfonic acid esters such as butane-2,3-diyl dimethanesulfonate, butane-1,4-diyl dimethanesulfonate, or methylenemethane disulfonate, and vinyl sulfone compounds such as divinyl sulfone and 1,2-bis(vinylsulfonyl)ethane or bis(2-vinylsulfonylethyl)ether.
(F)環状アセタール化合物としては、分子内に「アセタール基」を有する化合物であれば、その種類は特に限定されない。その具体例としては、1,3-ジオキソラン、1,3-ジオキサンまたは1,3,5-トリオキサン等の環状アセタール化合物。 (F) The cyclic acetal compound is not particularly limited as long as it has an "acetal group" in the molecule. Specific examples include cyclic acetal compounds such as 1,3-dioxolane, 1,3-dioxane, and 1,3,5-trioxane.
(G)リン酸トリメチル、リン酸トリブチル、リン酸トリオクチル、リン酸トリス(2,2,2-トリフルオロエチル)、エチル 2-(ジエトキシホスホリル)アセテートおよび2-プロピニル 2-(ジエトキシホスホリル)アセテートから選ばれる1種または2種以上のリン含有化合物。 (G) One or more phosphorus-containing compounds selected from trimethyl phosphate, tributyl phosphate, trioctyl phosphate, tris(2,2,2-trifluoroethyl) phosphate, ethyl 2-(diethoxyphosphoryl)acetate, and 2-propynyl 2-(diethoxyphosphoryl)acetate.
(H)カルボン酸無水物としては、分子内に「C(=O)-O-C(=O)基」を有する化合物であれば特にその種類は限定されない。その具体例としては、無水酢酸もしくは無水プロピオン酸等の鎖状のカルボン酸無水物または無水コハク酸、無水マレイン酸、3-アリル無水コハク酸、無水グルタル酸、無水イタコン酸もしくは3-スルホ-プロピオン酸無水物等の環状酸無水物。 The type of (H) carboxylic acid anhydride is not particularly limited as long as it is a compound having a "C(=O)-O-C(=O) group" in the molecule. Specific examples include chain carboxylic acid anhydrides such as acetic anhydride or propionic anhydride, or cyclic acid anhydrides such as succinic anhydride, maleic anhydride, 3-allyl succinic anhydride, glutaric anhydride, itaconic anhydride, or 3-sulfo-propionic anhydride.
(J)ホスファゼン化合物としては、分子内に「N=P-N基」を有する化合物であれば、その種類は特に限定されない。その具体例としては、メトキシペンタフルオロシクロトリホスファゼン、エトキシペンタフルオロシクロトリホスファゼン、フェノキシペンタフルオロシクロトリホスファゼンまたはエトキシヘプタフルオロシクロテトラホスファゼン等の環状ホスファゼン化合物。 (J) The phosphazene compound is not particularly limited as long as it is a compound having an "N=P-N group" in the molecule. Specific examples include cyclic phosphazene compounds such as methoxypentafluorocyclotriphosphazene, ethoxypentafluorocyclotriphosphazene, phenoxypentafluorocyclotriphosphazene, and ethoxyheptafluorocyclotetraphosphazene.
上記の中でも、(A)ニトリル、(B)芳香族化合物および(C)イソシアネート化合物から選ばれる少なくとも1種以上を含むと一段とサイクル試験後の容量維持率が向上するので好ましい。 Among the above, it is preferable to include at least one selected from (A) nitrile, (B) aromatic compound, and (C) isocyanate compound, since this further improves the capacity retention rate after cycle testing.
(A)ニトリルの中では、スクシノニトリル、グルタロニトリル、アジポニトリル、およびピメロニトリルから選ばれる1種または2種以上がより好ましい。 Of the (A) nitriles, one or more selected from succinonitrile, glutaronitrile, adiponitrile, and pimelonitrile are more preferred.
(B)芳香族化合物の中では、ビフェニル、ターフェニル(o-、m-、p-体)、フルオロベンゼン、シクロヘキシルベンゼン、tert-ブチルベンゼンおよびtert-アミルベンゼンから選ばれる1種または2種以上がより好ましく、ビフェニル、o-ターフェニル、フルオロベンゼン、シクロヘキシルベンゼンおよびtert-アミルベンゼンから選ばれる1種または2種以上が特に好ましい。 (B) Among the aromatic compounds, one or more selected from biphenyl, terphenyl (o-, m-, p-isomer), fluorobenzene, cyclohexylbenzene, tert-butylbenzene, and tert-amylbenzene are more preferred, and one or more selected from biphenyl, o-terphenyl, fluorobenzene, cyclohexylbenzene, and tert-amylbenzene are particularly preferred.
(C)イソシアネート化合物の中では、ヘキサメチレンジイソシアネート、オクタメチレンジイソシアネート、2-イソシアナトエチル アクリレートおよび2-イソシアナトエチル メタクリレートから選ばれる1種または2種以上がより好ましい。 (C) Of the isocyanate compounds, one or more selected from hexamethylene diisocyanate, octamethylene diisocyanate, 2-isocyanatoethyl acrylate, and 2-isocyanatoethyl methacrylate are more preferred.
前記(A)~(C)の化合物の含有量は、非水電解液全量に対して0.01~7質量%であることが好ましい。この範囲では、被膜が厚くなり過ぎずに十分に形成され、サイクル試験後の容量維持率を向上させることができる。該含有量は、非水電解液全量に対して0.05質量%以上であることがより好ましく、0.1質量%以上が特に好ましく、また、5質量%以下であることがより好ましく、3質量%以下が特に好ましい。 The content of the compounds (A) to (C) is preferably 0.01 to 7 mass% based on the total amount of the non-aqueous electrolyte. In this range, the coating is formed sufficiently without becoming too thick, and the capacity retention rate after cycle testing can be improved. The content is more preferably 0.05 mass% or more based on the total amount of the non-aqueous electrolyte, particularly preferably 0.1 mass% or more, and more preferably 5 mass% or less, particularly preferably 3 mass% or less.
また、(D)三重結合含有化合物、(E)スルトン、環状サルファイト、スルホン酸エステルおよびビニルスルホンから選ばれる環状または鎖状のS=O基含有化合物、(F)環状アセタール化合物、(G)リン含有化合物、(H)環状酸無水物および(J)環状ホスファゼン化合物から選ばれる少なくとも1種以上を含むとサイクル試験後の容量維持率を向上させることができるので好ましい。 In addition, it is preferable to include at least one selected from (D) a triple bond-containing compound, (E) a cyclic or chain-like S=O group-containing compound selected from sultones, cyclic sulfites, sulfonic acid esters, and vinyl sulfones, (F) a cyclic acetal compound, (G) a phosphorus-containing compound, (H) a cyclic acid anhydride, and (J) a cyclic phosphazene compound, since this can improve the capacity retention rate after cycle testing.
(D)三重結合含有化合物としては、2-プロピニル メチル カーボネート、メタクリル酸 2-プロピニル、メタンスルホン酸 2-プロピニル、ビニルスルホン酸 2-プロピニル、ジ(2-プロピニル)オギザレートおよび2-ブチン-1,4-ジイル ジメタンスルホネートから選ばれる1種または2種以上が好ましく、メタンスルホン酸 2-プロピニル、ビニルスルホン酸 2-プロピニル、ジ(2-プロピニル)オギザレートおよび2-ブチン-1,4-ジイル ジメタンスルホネートから選ばれる1種または2種以上がより好ましい。 (D) As the triple bond-containing compound, one or more selected from 2-propynyl methyl carbonate, 2-propynyl methacrylate, 2-propynyl methanesulfonate, 2-propynyl vinylsulfonate, di(2-propynyl)oxalate, and 2-butyne-1,4-diyl dimethanesulfonate are preferred, and one or more selected from 2-propynyl methanesulfonate, 2-propynyl vinylsulfonate, di(2-propynyl)oxalate, and 2-butyne-1,4-diyl dimethanesulfonate are more preferred.
(E)環状のS=O基含有化合物としては、1,3-プロパンスルトン(PS)、1,3-ブタンスルトン、1,4-ブタンスルトン、2,4-ブタンスルトン、1,3-プロペンスルトン、2,2-ジオキシド-1,2-オキサチオラン-4-イル アセテート、メチレン メタンジスルホネートおよびエチレンサルファイトから選ばれる1種または2種以上が好適に挙げられる。 (E) Suitable examples of cyclic S=O group-containing compounds include one or more selected from 1,3-propane sultone (PS), 1,3-butane sultone, 1,4-butane sultone, 2,4-butane sultone, 1,3-propene sultone, 2,2-dioxido-1,2-oxathiolan-4-yl acetate, methylene methane disulfonate, and ethylene sulfite.
また、(E)鎖状のS=O基含有化合物としては、ブタン-2,3-ジイル ジメタンスルホネート、ブタン-1,4-ジイル ジメタンスルホネート、ジメチル メタンジスルホネート、ペンタフルオロフェニル メタンスルホネート、ジビニルスルホンおよびビス(2-ビニルスルホニルエチル)エーテルから選ばれる1種または2種以上が好適に挙げられる。 As the (E) chain-like S=O group-containing compound, one or more selected from butane-2,3-diyl dimethanesulfonate, butane-1,4-diyl dimethanesulfonate, dimethyl methanedisulfonate, pentafluorophenyl methanesulfonate, divinyl sulfone, and bis(2-vinylsulfonylethyl)ether are preferred.
前記環状または鎖状のS=O基含有化合物の中でも、1,3-プロパンスルトン、1,4-ブタンスルトン、2,4-ブタンスルトン、2,2-ジオキシド-1,2-オキサチオラン-4-イル アセテート、ペンタフルオロフェニル メタンスルホネートおよびジビニルスルホンから選ばれる1種または2種以上が更に好ましい。 Among the cyclic or chain-like S=O group-containing compounds, one or more selected from 1,3-propane sultone, 1,4-butane sultone, 2,4-butane sultone, 2,2-dioxido-1,2-oxathiolan-4-yl acetate, pentafluorophenyl methanesulfonate, and divinyl sulfone are more preferred.
(F)環状アセタール化合物としては、1,3-ジオキソランまたは1,3-ジオキサンが好ましく、1,3-ジオキサンが更に好ましい。 (F) As the cyclic acetal compound, 1,3-dioxolane or 1,3-dioxane is preferred, and 1,3-dioxane is more preferred.
(G)リン含有化合物としては、エチル 2-(ジエトキシホスホリル)アセテートまたは2-プロピニル 2-(ジエトキシホスホリル)アセテートが好ましく、2-プロピニル 2-(ジエトキシホスホリル)アセテートが更に好ましい。 (G) As the phosphorus-containing compound, ethyl 2-(diethoxyphosphoryl)acetate or 2-propynyl 2-(diethoxyphosphoryl)acetate is preferred, with 2-propynyl 2-(diethoxyphosphoryl)acetate being more preferred.
(H)環状酸無水物としては、無水コハク酸、無水マレイン酸または3-アリル無水コハク酸が好ましく、無水コハク酸または3-アリル無水コハク酸が更に好ましい。 (H) As the cyclic acid anhydride, succinic anhydride, maleic anhydride, or 3-allyl succinic anhydride is preferred, and succinic anhydride or 3-allyl succinic anhydride is more preferred.
(J)環状ホスファゼン化合物としては、メトキシペンタフルオロシクロトリホスファゼン、エトキシペンタフルオロシクロトリホスファゼンまたはフェノキシペンタフルオロシクロトリホスファゼン等の環状ホスファゼン化合物が好ましく、メトキシペンタフルオロシクロトリホスファゼンまたはエトキシペンタフルオロシクロトリホスファゼンが更に好ましい。 (J) As the cyclic phosphazene compound, a cyclic phosphazene compound such as methoxypentafluorocyclotriphosphazene, ethoxypentafluorocyclotriphosphazene, or phenoxypentafluorocyclotriphosphazene is preferred, and methoxypentafluorocyclotriphosphazene or ethoxypentafluorocyclotriphosphazene is more preferred.
前記(D)~(J)の化合物のそれぞれの含有量は、非水電解液全量に対して0.001~5質量%であることが好ましい。この範囲では、被膜が厚くなり過ぎずに十分に形成され、一段とサイクル試験後の容量維持率を向上させることができる。該含有量は、非水電解液全量に対して0.01質量%以上であることがより好ましく、0.1質量%以上が特に好ましく、また、3質量%以下であることがより好ましく、2質量%以下が特に好ましい。 The content of each of the compounds (D) to (J) is preferably 0.001 to 5 mass% based on the total amount of the non-aqueous electrolyte. Within this range, the coating is formed sufficiently without becoming too thick, and the capacity retention rate after cycle testing can be further improved. The content is more preferably 0.01 mass% or more based on the total amount of the non-aqueous electrolyte, particularly preferably 0.1 mass% or more, and more preferably 3 mass% or less, particularly preferably 2 mass% or less.
また、一段とサイクル試験後の容量維持率を向上させる目的で、非水電解液中にさらに、シュウ酸骨格を有するリチウム塩、リン酸骨格を有するリチウム塩およびS=O基を有するリチウム塩の中から選ばれる1種以上のリチウム塩を含むことが好ましい。
前記リチウム塩の具体例としては、リチウム ビス(オキサラト)ボレート〔LiBOB〕、リチウム ジフルオロ(オキサラト)ボレート〔LiDFOB〕、リチウム テトラフルオロ(オキサラト)ホスフェート〔LiTFOP〕およびリチウム ジフルオロビス(オキサラト)ホスフェート〔LiDFOP〕から選ばれる少なくとも1種のシュウ酸骨格を有するリチウム塩、LiPO2F2やLi2PO3F等のリン酸骨格を有するリチウム塩またはリチウム トリフルオロ((メタンスルホニル)オキシ)ボレート〔LiTFMSB〕、リチウム ペンタフルオロ((メタンスルホニル)オキシ)ホスフェート〔LiPFMSP〕、リチウム メチルサルフェート〔LMS〕、リチウムエチルサルフェート〔LES〕、リチウム 2,2,2-トリフルオロエチルサルフェート〔LFES〕およびFSO3Liから選ばれる1種以上のS=O基を有するリチウム塩が好適に挙げられ、LiBOB、LiDFOB、LiTFOP、LiDFOP、LiPO2F2、LiTFMSB、LMS、LES、LFESおよびFSO3Liから選ばれる1種以上のリチウム塩を含むことがより好ましい。
In addition, for the purpose of further improving the capacity retention rate after the cycle test, it is preferable that the nonaqueous electrolyte solution further contains one or more lithium salts selected from the group consisting of lithium salts having an oxalic acid skeleton, lithium salts having a phosphate skeleton, and lithium salts having an S═O group.
Specific examples of the lithium salt include at least one lithium salt having an oxalic acid skeleton selected from lithium bis(oxalato)borate [LiBOB], lithium difluoro(oxalato)borate [LiDFOB], lithium tetrafluoro(oxalato)phosphate [LiTFOP], and lithium difluorobis(oxalato)phosphate [LiDFOP], lithium salts having a phosphoric acid skeleton such as LiPO 2 F 2 and Li 2 PO 3 F, and lithium trifluoro((methanesulfonyl)oxy)borate [LiTFMSB], lithium pentafluoro((methanesulfonyl)oxy)phosphate [LiPFMSP], lithium methylsulfate [LMS], lithium ethylsulfate [LES], lithium 2,2,2-trifluoroethylsulfate [LFES], and FSO 3 Li having one or more S=O groups, and more preferably one or more lithium salts selected from LiBOB, LiDFOB, LiTFOP, LiDFOP , LiPO2F2 , LiTFMSB, LMS, LES, LFES, and FSO3Li .
前記リチウム塩が非水電解液中に占めるそれぞれの割合は、非水電解液全量に対して0.01質量%以上8質量%以下である場合が好ましい。この範囲にあると一段とサイクル試験後の容量維持率を向上させることができる。より好ましくは0.1質量%以上、更に好ましくは0.3質量%以上、特に好ましくは0.4質量%以上であり、また、より好ましくは6質量%以下、更に好ましくは3質量%以下である。 The proportion of each of the lithium salts in the non-aqueous electrolyte is preferably 0.01% by mass or more and 8% by mass or less with respect to the total amount of the non-aqueous electrolyte. If it is in this range, the capacity retention rate after cycle testing can be further improved. It is more preferably 0.1% by mass or more, even more preferably 0.3% by mass or more, particularly preferably 0.4% by mass or more, and more preferably 6% by mass or less, even more preferably 3% by mass or less.
(電解質塩)
本発明に使用される電解質塩としては、下記のリチウム塩が好適に挙げられる。
前記リチウム塩の具体例としては、LiPF6、LiBF4もしくはLiClO4等の無機リチウム塩、LiN(SO2F)2〔LiFSI〕、LiN(SO2CF3)2、LiN(SO2C2F5)2、LiCF3SO3、LiC(SO2CF3)3、LiPF4(CF3)2、LiPF3(C2F5)3、LiPF3(CF3)3、LiPF3(iso-C3F7)3もしくはLiPF5(iso-C3F7)等の鎖状のフッ化アルキル基を含有するリチウム塩または(CF2)2(SO2)2NLiもしくは(CF2)3(SO2)2NLi等の環状のフッ化アルキレン鎖を有するリチウム塩等が好適に挙げられ、これらの中から選ばれる少なくとも1種のリチウム塩が好適に挙げられ、これらの1種または2種以上を混合して使用することができる。
これらの中でも、LiPF6、LiBF4、LiN(SO2CF3)2、LiN(SO2C2F5)2およびLiN(SO2F)2〔LiFSI〕から選ばれる1種または2種以上が好ましく、LiPF6を用いることがもっとも好ましい。電解質塩のそれぞれの濃度は、前記の非水電解液全量に対して、通常4質量%以上であることが好ましく、8質量%以上がより好ましく、11質量%以上が更に好ましい。また、28質量%以下であることが好ましく、23質量%以下がより好ましく、20質量%以下が更に好ましい。
また、これらの電解質塩の好適な組み合わせとしては、LiPF6を含み、更にLiBF4、LiN(SO2CF3)2およびLiN(SO2F)2〔LiFSI〕から選ばれる少なくとも1種のリチウム塩が非水電解液中に含まれている場合が好ましく、LiPF6を含み更にLiFSIを含む組み合わせがより好ましく、LiPF6以外のリチウム塩が非水電解液全量に占めるそれぞれの割合は、0.01質量%以上であると、サイクル試験後の容量維持率が向上するため好ましい。また、非水電解液全量に対して15質量%以下であるとサイクル試験後の容量維持率が低下する懸念が少ないので好ましい。より好ましくは0.1質量%以上、特に好ましくは非水電解液全量に対して0.3質量%以上、最も好ましくは0.6質量%以上であり、より好ましくは13質量%以下、特に好ましくは11質量%以下、最も好ましくは9質量%以下である。
(Electrolyte Salt)
As the electrolyte salt used in the present invention, the following lithium salts are preferably mentioned.
Specific examples of the lithium salt include inorganic lithium salts such as LiPF 6 , LiBF 4 , and LiClO 4 , lithium salts containing a chain-like fluorinated alkyl group such as LiN(SO 2 F) 2 [LiFSI], LiN(SO 2 CF 3 ) 2 , LiN(SO 2 C 2 F 5 ) 2 , LiCF 3 SO 3 , LiC(SO 2 CF 3 ) 3 , LiPF 4 (CF 3 ) 2 , LiPF 3 (C 2 F 5 ) 3 , LiPF 3 (CF 3 ) 3 , LiPF 3 (iso-C 3 F 7 ) 3 , and LiPF 5 (iso-C 3 F 7 ), and (CF 2 ) 2 . Preferred examples of the lithium salt include lithium salts having a cyclic fluorinated alkylene chain, such as (SO 2 ) 2 NLi or (CF 2 ) 3 (SO 2 ) 2 NLi. Preferred examples of the lithium salt include at least one type of lithium salt selected from these. These may be used alone or in combination of two or more types.
Among these, one or more selected from LiPF 6 , LiBF 4 , LiN(SO 2 CF 3 ) 2 , LiN(SO 2 C 2 F 5 ) 2 and LiN(SO 2 F) 2 [LiFSI] are preferred, and LiPF 6 is most preferred. The concentration of each electrolyte salt is usually preferably 4 mass% or more, more preferably 8 mass% or more, and even more preferably 11 mass% or more, based on the total amount of the nonaqueous electrolyte. Also, it is preferably 28 mass% or less, more preferably 23 mass% or less, and even more preferably 20 mass% or less.
In addition, as a suitable combination of these electrolyte salts, it is preferable that the non-aqueous electrolyte contains LiPF 6 and further contains at least one lithium salt selected from LiBF 4 , LiN(SO 2 CF 3 ) 2 and LiN(SO 2 F) 2 [LiFSI], and a combination containing LiPF 6 and further containing LiFSI is more preferable, and the ratio of each lithium salt other than LiPF 6 to the total amount of the non-aqueous electrolyte is preferably 0.01% by mass or more, since the capacity retention rate after the cycle test is improved. In addition, it is preferable that the ratio is 15% by mass or less with respect to the total amount of the non-aqueous electrolyte, since there is little concern that the capacity retention rate after the cycle test will decrease. More preferably, it is 0.1% by mass or more, particularly preferably 0.3% by mass or more with respect to the total amount of the non-aqueous electrolyte, most preferably 0.6% by mass or more, more preferably 13% by mass or less, particularly preferably 11% by mass or less, and most preferably 9% by mass or less.
〔非水電解液の製造〕
本発明の非水電解液は、例えば、前記の非水溶媒を混合し、これに前記の電解質塩および該非水電解液に対して前記一般式(I)で表される化合物を添加することにより得ることができる。
この際、用いる非水溶媒および非水電解液に加える化合物は、生産性を著しく低下させない範囲内で、予め精製して、不純物が極力少ないものを用いることが好ましい。
[Production of non-aqueous electrolyte]
The non-aqueous electrolyte of the present invention can be obtained, for example, by mixing the non-aqueous solvent and adding thereto the electrolyte salt and the compound represented by the general formula (I) to the non-aqueous electrolyte.
In this case, it is preferable that the compounds to be added to the non-aqueous solvent and non-aqueous electrolyte used are previously purified to have as few impurities as possible, within the range that does not significantly reduce productivity.
本発明の非水電解液は、下記の第1~第3の蓄電デバイスに使用することができ、非水電解質として、液体状のものだけでなくゲル化されているものも使用し得る。更に本発明の非水電解液は固体高分子電解質用としても使用できる。中でも電解質塩にリチウム塩を使用する第1の蓄電デバイス用(即ち、リチウム電池用)または第3の蓄電デバイス用(即ち、リチウムイオンキャパシタ用)として用いることが好ましく、リチウム電池用として用いることが更に好ましく、リチウム二次電池用として用いることが最も適している。 The nonaqueous electrolyte of the present invention can be used in the first to third electricity storage devices described below, and not only liquid but also gelled nonaqueous electrolytes can be used. Furthermore, the nonaqueous electrolyte of the present invention can also be used for solid polymer electrolytes. In particular, it is preferable to use it for the first electricity storage device (i.e., for lithium batteries) or the third electricity storage device (i.e., for lithium ion capacitors) that use lithium salt as the electrolyte salt, more preferably for lithium batteries, and most preferably for lithium secondary batteries.
〔第1の蓄電デバイス(リチウム電池)〕
本明細書においてリチウム電池とは、リチウム一次電池およびリチウム二次電池の総称である。また、本明細書において、リチウム二次電池という用語は、いわゆるリチウムイオン二次電池も含む概念として用いる。本発明の第1の蓄電デバイスであるリチウム電池は、正極、負極および非水溶媒に電解質塩が溶解されている前記非水電解液からなる。非水電解液以外の正極、負極等の構成部材は特に制限なく使用できる。
例えば、リチウム二次電池用正極活物質としては、コバルト、マンガン、およびニッケルからなる群より選ばれる1種または2種以上を含有するリチウムとの複合金属酸化物が使用される。これらの正極活物質は、1種単独で用いるかまたは2種以上を組み合わせて用いることができる。
このようなリチウム複合金属酸化物としては、例えば、LiCoO2、LiCo1-xMxO2(但し、MはSn、Mg、Fe、Ti、Al、Zr、Cr、V、Ga、Zn、およびCuから選ばれる1種または2種以上の元素、0.001≦x≦0.05)、LiMn2O4、LiNiO2、LiCo1-xNixO2(0.01<x<1)、LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2、LiNi0.5Mn0.3Co0.2O2、LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2、LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2、LiNi0.8Co0.15Al0.05O2、Li2MnO3とLiMO2(Mは、Co、Ni、Mn、Fe等の遷移金属)との固溶体およびLiNi1/2Mn3/2O4から選ばれる1種以上が好適に挙げられ、2種以上がより好適である。また、LiCoO2とLiMn2O4、LiCoO2とLiNiO2、LiMn2O4とLiNiO2のように併用してもよい。
[First power storage device (lithium battery)]
In this specification, the term "lithium battery" is a general term for lithium primary batteries and lithium secondary batteries. In addition, in this specification, the term "lithium secondary battery" is used as a concept including so-called lithium ion secondary batteries. The lithium battery, which is the first power storage device of the present invention, is composed of a positive electrode, a negative electrode, and the non-aqueous electrolyte in which an electrolyte salt is dissolved in a non-aqueous solvent. The components such as the positive electrode and the negative electrode other than the non-aqueous electrolyte can be used without any particular limitation.
For example, a composite metal oxide containing one or more elements selected from the group consisting of cobalt, manganese, and nickel and lithium is used as a positive electrode active material for a lithium secondary battery. These positive electrode active materials can be used alone or in combination of two or more.
Examples of such lithium composite metal oxides include LiCoO2 , LiCo1 - xMxO2 (wherein M is one or more elements selected from Sn, Mg, Fe, Ti, Al, Zr, Cr, V, Ga, Zn, and Cu, 0.001≦x≦ 0.05 ), LiMn2O4 , LiNiO2 , LiCo1 -xNixO2 (0.01< x < 1 ) , LiCo1 / 3Ni1 / 3Mn1 /3O2 , LiNi0.5Mn0.3Co0.2O2 , LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2 , LiNi0.8Mn0.1 Preferred examples of the oxide include one or more selected from Co0.1O2 , LiNi0.8Co0.15Al0.05O2 , a solid solution of Li2MnO3 and LiMO2 (M is a transition metal such as Co, Ni, Mn, Fe, etc.), and LiNi1 / 2Mn3 / 2O4 , and more preferred are two or more selected from these . Also, LiCoO2 and LiMn2O4 , LiCoO2 and LiNiO2 , and LiMn2O4 and LiNiO2 may be used in combination.
更に、正極活物質として、リチウム含有オリビン型リン酸塩を用いることもできる。特に鉄、コバルト、ニッケルおよびマンガンから選ばれる少なくとも1種以上含むリチウム含有オリビン型リン酸塩が好ましい。その具体例としては、LiFePO4、LiCoPO4、LiNiPO4、LiMnPO4等が挙げられる。
これらのリチウム含有オリビン型リン酸塩の一部は他元素で置換してもよく、鉄、コバルト、ニッケル、マンガンの一部をCo、Mn、Ni、Mg、Al、B、Ti、V、Nb、Cu、Zn、Mo、Ca、Sr、WおよびZr等から選ばれる1種以上の元素で置換したり、またはこれらの他元素を含有する化合物や炭素材料で被覆することもできる。これらの中では、LiFePO4またはLiMnPO4が好ましい。
また、リチウム含有オリビン型リン酸塩は、例えば前記の正極活物質と混合して用いることもできる。
Furthermore, a lithium-containing olivine-type phosphate can also be used as the positive electrode active material. In particular, a lithium-containing olivine-type phosphate containing at least one selected from iron, cobalt, nickel, and manganese is preferable. Specific examples thereof include LiFePO4 , LiCoPO4 , LiNiPO4 , and LiMnPO4 .
These lithium-containing olivine-type phosphates may be partially substituted with other elements, and part of the iron, cobalt, nickel, and manganese may be substituted with one or more elements selected from Co, Mn, Ni, Mg, Al, B, Ti, V, Nb, Cu, Zn, Mo, Ca, Sr, W, and Zr, or may be coated with a compound or carbon material containing these other elements. Among these, LiFePO4 or LiMnPO4 is preferred.
The lithium-containing olivine-type phosphate can also be used by mixing with, for example, the above-mentioned positive electrode active material.
正極の導電剤は、化学変化を起こさない電子伝導材料であれば特に制限はない。例えば、天然黒鉛(鱗片状黒鉛等)、人造黒鉛等のグラファイト、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラック等のカーボンブラック等が挙げられる。また、グラファイトとカーボンブラックを適宜混合して用いてもよい。導電剤の正極合剤への添加量は、1~10質量%が好ましく、特に2~5質量%が好ましい。 There are no particular limitations on the conductive agent for the positive electrode, so long as it is an electron-conductive material that does not undergo chemical changes. Examples include graphite such as natural graphite (e.g., flake graphite) and artificial graphite, and carbon black such as acetylene black, ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, and thermal black. Graphite and carbon black may also be mixed appropriately. The amount of conductive agent added to the positive electrode mixture is preferably 1 to 10% by mass, and more preferably 2 to 5% by mass.
正極は、前記の正極活物質をアセチレンブラック、カーボンブラック等の導電剤、およびポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、スチレンとブタジエンの共重合体(SBR)、アクリロニトリルとブタジエンの共重合体(NBR)、カルボキシメチルセルロース(CMC)、エチレンプロピレンジエンターポリマー等の結着剤と混合し、これに1-メチル-2-ピロリドン等の高沸点溶剤を加えて混練して正極合剤とした後、この正極合剤を集電体のアルミニウム箔やステンレス製のラス板等に塗布して、乾燥、加圧成型した後、50℃~250℃程度の温度で、2時間程度真空下で加熱処理することにより作製することができる。
正極の集電体を除く部分の密度は、通常は1.5g/cm3以上であり、電池の容量をさらに高めるため、好ましくは2g/cm3以上であり、より好ましくは、3g/cm3以上であり、更に好ましくは、3.6g/cm3以上であり、また、4g/cm3以下が好ましい。
The positive electrode is prepared by mixing the positive electrode active material with a conductive agent such as acetylene black or carbon black, and a binder such as polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), a copolymer of styrene and butadiene (SBR), a copolymer of acrylonitrile and butadiene (NBR), carboxymethyl cellulose (CMC), or an ethylene propylene diene terpolymer, adding a high boiling point solvent such as 1-methyl-2-pyrrolidone to the mixture and kneading it to form a positive electrode mixture, applying the positive electrode mixture to a collector such as aluminum foil or a stainless steel lath plate, drying, pressurizing, and then heat-treating the mixture at a temperature of about 50° C. to 250° C. for about 2 hours under vacuum.
The density of the positive electrode excluding the current collector is usually 1.5 g/ cm3 or more, and in order to further increase the battery capacity, it is preferably 2 g/ cm3 or more, more preferably 3 g/ cm3 or more, and even more preferably 3.6 g/ cm3 or more, and is preferably 4 g/ cm3 or less.
リチウム二次電池用負極活物質としては、リチウム金属やリチウム合金、およびリチウムを吸蔵および放出することが可能な炭素材料〔易黒鉛化炭素や、(002)面の面間隔が0.37nm(ナノメータ)以上の難黒鉛化炭素や、(002)面の面間隔が0.34nm以下の黒鉛など〕、スズ(単体)、スズ化合物、ケイ素(単体)、ケイ素化合物、Li4Ti5O12などのチタン酸リチウム化合物等を1種単独または2種以上を組み合わせて用いることができる。
これらの中では、リチウムイオンの吸蔵および放出能力において、人造黒鉛や天然黒鉛等の高結晶性の炭素材料を使用することが更に好ましく、格子面(002)の面間隔(d002)が0.340nm以下、特に0.335~0.337nmである黒鉛型結晶構造を有する炭素材料を使用することが特に好ましい。
複数の扁平状の黒鉛質微粒子が互いに非平行に集合或いは結合した塊状構造を有する人造黒鉛粒子や、例えば鱗片状天然黒鉛粒子に圧縮力、摩擦力、剪断力等の機械的作用を繰り返し与え、球形化処理を施した黒鉛粒子を用いることにより、負極の集電体を除く部分の密度を1.5g/cm3以上の密度に加圧成形したときの負極シートのX線回折測定から得られる黒鉛結晶の(110)面のピーク強度I(110)と(004)面のピーク強度I(004)の比I(110)/I(004)が0.01以上となると一段と正極活物質からの金属溶出量の改善と、充電保存特性が向上するので好ましく、0.05以上となることがより好ましく、0.1以上となることが更に好ましい。また、過度に処理し過ぎて結晶性が低下し電池の放電容量が低下する場合があるので、I(110)/I(004)の上限は0.5以下が好ましく、0.3以下がより好ましい。
また、高結晶性の炭素材料(コア材)はコア材よりも低結晶性の炭素材料によって被膜されていると、サイクル試験後の容量維持率が一段と良好となるので好ましい。被覆の炭素材料の結晶性は、TEMにより確認することができる。
高結晶性の炭素材料を使用すると、充電時において非水電解液と反応し、界面抵抗の増加によってサイクル試験後の容量維持率を低下させる傾向があるが、本発明に係るリチウム二次電池ではサイクル試験後の容量維持率が良好となる。
Examples of the negative electrode active material for lithium secondary batteries include lithium metal, lithium alloys, and carbon materials capable of absorbing and releasing lithium (e.g., graphitizable carbon, non-graphitizable carbon with a (002) plane spacing of 0.37 nm (nanometers) or more, and graphite with a (002) plane spacing of 0.34 nm or less), tin (simple substance), tin compounds, silicon (simple substance), silicon compounds, and lithium titanate compounds such as Li4Ti5O12 , which may be used alone or in combination of two or more.
Among these, in terms of the ability to absorb and release lithium ions, it is more preferable to use highly crystalline carbon materials such as artificial graphite and natural graphite, and it is particularly preferable to use carbon materials having a graphite-type crystal structure in which the lattice spacing (d 002 ) of the ( 002 ) lattice plane is 0.340 nm or less, particularly 0.335 to 0.337 nm.
By using artificial graphite particles having a block structure in which a plurality of flat graphitic fine particles are aggregated or bonded to each other non-parallel, or graphite particles obtained by repeatedly applying mechanical actions such as compression force, friction force, shear force, etc. to spheroidized flake-like natural graphite particles, the density of the portion excluding the negative electrode current collector is press-molded to a density of 1.5 g/ cm3 or more, and the ratio I(110)/I(004) of the peak intensity I(110) of the (110) plane of the graphite crystal to the peak intensity I(004) of the (004) plane obtained by X-ray diffraction measurement of the negative electrode sheet is preferably 0.01 or more, since this further improves the amount of metal eluted from the positive electrode active material and improves the charged storage characteristics, and is more preferably 0.05 or more, and even more preferably 0.1 or more. Moreover, since excessive treatment may result in a decrease in crystallinity and a decrease in the discharge capacity of the battery, the upper limit of I(110)/I(004) is preferably 0.5 or less, and more preferably 0.3 or less.
In addition, it is preferable that the highly crystalline carbon material (core material) is coated with a carbon material having a lower crystallinity than the core material, since this leads to a further improved capacity retention rate after cycle testing. The crystallinity of the coating carbon material can be confirmed by TEM.
When a highly crystalline carbon material is used, it tends to react with the non-aqueous electrolyte during charging, increasing the interface resistance and decreasing the capacity retention rate after a cycle test. However, the lithium secondary battery according to the present invention has a good capacity retention rate after a cycle test.
また、負極活物質としてのリチウムを吸蔵および放出可能な金属化合物としては、Si、Ge、Sn、Pb、P、Sb、Bi、Al、Ga、In、Ti、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ag、Mg、Sr、Ba等の金属元素を少なくとも1種含有する化合物が挙げられる。これらの金属化合物は単体、合金、酸化物、窒化物、硫化物、硼化物、リチウムとの合金等、何れの形態で用いてもよいが、単体、合金、酸化物、リチウムとの合金の何れかが高容量化できるので好ましい。中でも、Si、GeおよびSnから選ばれる少なくとも1種の元素を含有するものが好ましく、SiおよびSnから選ばれる少なくとも1種の元素を含むものが電池を高容量化できるので特に好ましい。 Metal compounds capable of absorbing and releasing lithium as the negative electrode active material include compounds containing at least one metal element such as Si, Ge, Sn, Pb, P, Sb, Bi, Al, Ga, In, Ti, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ag, Mg, Sr, and Ba. These metal compounds may be used in any form, such as a simple substance, an alloy, an oxide, a nitride, a sulfide, a boride, or an alloy with lithium, but a simple substance, an alloy, an oxide, or an alloy with lithium is preferred because it can increase the capacity. Among these, compounds containing at least one element selected from Si, Ge, and Sn are preferred, and compounds containing at least one element selected from Si and Sn are particularly preferred because they can increase the capacity of the battery.
また、負極活物質としてのリチウムを吸蔵および放出可能なチタン原子を含有する金属酸化物が挙げられる。これらのチタンを含有する金属酸化物は充放電時の膨張収縮が小さく、難燃性であるため、電池の安全性を高める面では好ましい。中でも、Li4Ti5O12を含有するものが電池特性を向上させるため好ましい。 In addition, metal oxides containing titanium atoms capable of absorbing and releasing lithium as negative electrode active materials can be mentioned. These metal oxides containing titanium have small expansion and contraction during charging and discharging, and are flame retardant, so they are preferable in terms of improving the safety of the battery. Among them, those containing Li 4 Ti 5 O 12 are preferable because they improve the battery characteristics.
負極は、上記の正極の作製と同様な導電剤、結着剤、高沸点溶剤を用いて混練して負極合剤とした後、この負極合剤を集電体の銅箔等に塗布して、乾燥、加圧成型した後、50℃~250℃程度の温度で2時間程度真空下加熱処理することにより作製することができる。
負極の集電体を除く部分の密度は、通常は1.1g/cm3以上であり、電池の容量をさらに高めるため、好ましくは1.3g/cm3以上であり、特に好ましくは1.5g/cm3以上であり、また、2g/cm3以下が好ましい。
The negative electrode can be produced by kneading a conductive agent, a binder, and a high boiling point solvent in the same manner as in the production of the positive electrode described above to form a negative electrode mixture, applying this negative electrode mixture to a copper foil or the like current collector, drying, pressurizing and molding, and then heat treating the mixture in a vacuum at a temperature of about 50° C. to 250° C. for about 2 hours.
The density of the negative electrode excluding the current collector is usually 1.1 g/ cm3 or more, and in order to further increase the battery capacity, it is preferably 1.3 g/ cm3 or more, particularly preferably 1.5 g/ cm3 or more, and is preferably 2 g/ cm3 or less.
リチウム電池の構造には特に限定はなく、単層または複層のセパレータを有するコイン型電池、円筒型電池、角型電池、ラミネート電池等を適用できる。
電池用セパレータとしては、特に制限はされないが、ポリプロピレン、ポリエチレン等のポリオレフィンの単層または積層の微多孔性フィルム、織布、不織布等を使用できる。
There is no particular limitation on the structure of the lithium battery, and a coin-type battery having a single-layer or multi-layer separator, a cylindrical battery, a square battery, a laminate battery, etc. can be used.
The battery separator is not particularly limited, but may be a single-layer or multi-layer microporous film, woven fabric, nonwoven fabric, or the like, made of polyolefin such as polypropylene or polyethylene.
〔第2の蓄電デバイス(電気二重層キャパシタ)〕
第2の蓄電デバイスは、電解液と電極界面の電気二重層容量を利用してエネルギーを貯蔵する蓄電デバイスである。本発明の一例は、電気二重層キャパシタである。この蓄電デバイスに用いられる好ましい電極材料は、C原子を含む材料やSi原子を含む材料であり、その具体例としては活性炭やシリコンが挙げられる。二重層容量は概ね表面積に比例して増加する。
[Second Electricity Storage Device (Electric Double Layer Capacitor)]
The second electricity storage device is an electricity storage device that stores energy by utilizing the electric double layer capacitance of the electrolyte and the electrode interface. An example of the present invention is an electric double layer capacitor. Preferred electrode materials used in this electricity storage device are materials containing C atoms or materials containing Si atoms, and specific examples thereof include activated carbon and silicon. The double layer capacitance increases roughly in proportion to the surface area.
〔第3の蓄電デバイス(リチウムイオンキャパシタ)〕
第3の蓄電デバイスは、負極であるグラファイト等の炭素材料またはSi原子を含む材料へのリチウムイオンのインターカレーションを利用してエネルギーを貯蔵する蓄電デバイスである。リチウムイオンキャパシタ(LIC)と呼ばれる。正極は、例えば活性炭電極と電解液との間の電気ニ重層を利用したものや、π共役高分子電極のドープ/脱ドープ反応を利用したもの等が挙げられる。電解液には少なくともLiPF6などのリチウム塩が含まれる。
本発明におけるリチウム二次電池は、充電終止電圧が4.2V以上、特に4.3V以上の場合にもサイクル特性に優れ、更に、4.4V以上においても特性は良好である。放電終止電圧は、通常2.8V以上、更には2.5V以上とすることができるが、本願発明におけるリチウム二次電池は、2.0V以上とすることができる。電流値については特に限定されないが、通常0.1~30Cの範囲で使用される。また、本発明におけるリチウム電池は、-40~100℃、好ましくは-10~80℃で充放電することができる。
[Third Power Storage Device (Lithium Ion Capacitor)]
The third type of power storage device is a power storage device that stores energy by utilizing the intercalation of lithium ions into a negative electrode, which is a carbon material such as graphite or a material containing Si atoms. It is called a lithium ion capacitor (LIC). The positive electrode may be, for example, one that utilizes an electric double layer between an activated carbon electrode and an electrolyte, or one that utilizes a doping/dedoping reaction of a π-conjugated polymer electrode. The electrolyte contains at least a lithium salt such as LiPF6 .
The lithium secondary battery of the present invention has excellent cycle characteristics even when the end-of-charge voltage is 4.2 V or more, particularly 4.3 V or more, and further has good characteristics even when the end-of-charge voltage is 4.4 V or more. The end-of-discharge voltage can be usually 2.8 V or more, further 2.5 V or more, but the lithium secondary battery of the present invention can be 2.0 V or more. There is no particular limitation on the current value, but it is usually used in the range of 0.1 to 30 C. Furthermore, the lithium battery of the present invention can be charged and discharged at -40 to 100°C, preferably -10 to 80°C.
本発明においては、リチウム電池の内圧上昇の対策として、電池蓋に安全弁を設ける方法、電池缶やガスケット等の部材に切り込みを入れる方法も採用することができる。また、過充電防止の安全対策として、電池の内圧を感知して電流を遮断する電流遮断機構を電池蓋に設けることができる。 In the present invention, measures to prevent an increase in the internal pressure of a lithium battery can be taken by providing a safety valve to the battery lid or by making cuts in components such as the battery can or gasket. In addition, as a safety measure to prevent overcharging, a current cut-off mechanism that detects the internal pressure of the battery and cuts off the current can be provided on the battery lid.
各溶媒と電解質塩を一定量で混合し、表1記載の基準電解液を調製した。表1記載の電解質塩の濃度の単位Mはmol/Lを示す。基準電解液の質量比で示した組成はECが31.4質量%、MECが56.1質量%、LiPF6が12.5質量%となる。
基準電解液に対して1.0質量%の表1記載の前記一般式(I)で表される化合物を加え非水電解液を調製した。たとえば、実施例1であれば、上記したA1の化合物(すなわち、一般式(I)において、Gがα-D-グルコース残基であり、R2=CH3、m=0、n=5である化合物)を、基準電解液に対して1.0質量%の割合で加えることで、非水電解液を調製した。
Each solvent and electrolyte salt were mixed in a fixed amount to prepare a reference electrolyte solution as shown in Table 1. The unit M of the concentration of the electrolyte salt in Table 1 indicates mol/L. The composition of the reference electrolyte solution as shown in mass ratio is 31.4 mass% EC, 56.1 mass% MEC, and 12.5 mass% LiPF6 .
A non-aqueous electrolyte solution was prepared by adding 1.0% by mass of the compound represented by the general formula (I) shown in Table 1 to the reference electrolyte solution. For example, in Example 1, the non-aqueous electrolyte solution was prepared by adding 1.0% by mass of the above-mentioned compound A1 (i.e., a compound in which G is an α-D-glucose residue, R 2 = CH 3 , m = 0, and n = 5 in the general formula (I)) to the reference electrolyte solution.
実施例1~5、比較例1
〔リチウムイオン二次電池の作製1〕
LiCoO2(LCO);94質量%、アセチレンブラック(導電剤);3質量%を混合し、予めポリフッ化ビニリデン(結着剤);3質量%を1-メチル-2-ピロリドンに溶解させておいた溶液に加えて混合し、正極合剤ペーストを調製した。この正極合剤ペーストをアルミニウム箔(集電体)上の片面に塗布し、乾燥、加圧処理して所定の大きさに切り抜き、正極シートを作製した。正極の集電体を除く部分の密度は3.6g/cm3であった。また、人造黒鉛(負極活物質)85質量%、一酸化ケイ素(負極活物質)10質量%を混合し、カルボキシメチルセルロース(増粘剤);1.7質量%、ブタジエンの共重合体(結着剤);3.3質量%を水に加えて混合し、負極合剤ペーストを調製した。
この負極合剤ペーストを銅箔(集電体)上の両面に塗布し、乾燥、加圧処理して所定の大きさに切り抜き、負極シートを作製した。
負極の集電体を除く部分の密度は1.5g/cm3であった。そして、正極シート、微多孔性ポリエチレンフィルム製セパレータ、負極シートの順に積層し、各成分を常温で混合することにより調製した表1に記載の組成の非水電解液を加えて、ラミネート型電池を作製した。
Examples 1 to 5, Comparative Example 1
[Preparation of lithium ion secondary battery 1]
LiCoO 2 (LCO); 94 mass% and acetylene black (conductive agent); 3 mass% were mixed, and added to a solution in which polyvinylidene fluoride (binder); 3 mass% had been dissolved in 1-methyl-2-pyrrolidone in advance, and mixed to prepare a positive electrode mixture paste. This positive electrode mixture paste was applied to one side of an aluminum foil (current collector), dried, pressurized, and cut out to a predetermined size to prepare a positive electrode sheet. The density of the part excluding the current collector of the positive electrode was 3.6 g / cm 3. In addition, 85 mass% of artificial graphite (negative electrode active material) and 10 mass% of silicon monoxide (negative electrode active material) were mixed, and 1.7 mass% of carboxymethylcellulose (thickener) and 3.3 mass% of butadiene copolymer (binder) were added to water and mixed to prepare a negative electrode mixture paste.
This negative electrode mixture paste was applied to both sides of a copper foil (current collector), dried, pressed, and cut into a predetermined size to prepare a negative electrode sheet.
The density of the negative electrode excluding the current collector was 1.5 g/cm 3. The positive electrode sheet, the microporous polyethylene film separator, and the negative electrode sheet were laminated in this order, and a nonaqueous electrolyte solution having the composition shown in Table 1, which was prepared by mixing the respective components at room temperature, was added to prepare a laminated battery.
〔サイクル特性の評価〕
上記の方法で作製した電池を用いて45℃の恒温槽中、1Cの定電流で終止電圧4.2Vまで充電し、次に1Cの定電流下で、放電電圧2.7Vまで放電することを1サイクルとし、これを200サイクルに達するまで繰り返した。そして、以下の式により200サイクル後の容量維持率を求めた。
容量維持率(%)=(200サイクル目の放電容量/1サイクル目の放電容量)×100
電池特性を表1に示す。
[Evaluation of cycle characteristics]
The battery prepared by the above method was charged in a thermostatic chamber at 45° C. at a constant current of 1 C to a final voltage of 4.2 V, and then discharged at a constant current of 1 C to a discharge voltage of 2.7 V, forming one cycle, and this cycle was repeated until 200 cycles were reached. The capacity retention rate after 200 cycles was calculated using the following formula.
Capacity retention rate (%)=(discharge capacity at 200th cycle/discharge capacity at 1st cycle)×100
The battery characteristics are shown in Table 1.
上記表1において実施例1~5では比較例1にくらべ200サイクル後の容量維持率が向上していた。この結果から本発明の非水電解液は負極表面処理として環境負荷の大きい廃液の排出や高温焼結をすることなくサイクル試験後の容量維持率を向上させることが出来ると言える。 In Table 1 above, the capacity retention rate after 200 cycles was improved in Examples 1 to 5 compared to Comparative Example 1. From this result, it can be said that the nonaqueous electrolyte of the present invention can improve the capacity retention rate after cycle testing without discharging waste liquid or high-temperature sintering, which are environmentally burdensome, as a negative electrode surface treatment.
本発明の非水電解液を使用すればサイクル試験後の容量維持率に優れた蓄電デバイスを、環境負荷を低減しながら得ることが出来る。 By using the nonaqueous electrolyte of the present invention, it is possible to obtain an electricity storage device with excellent capacity retention after cycle testing while reducing the environmental impact.
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