JP7594909B2 - Nonaqueous electrolyte, nonaqueous electrolyte storage element, method for producing nonaqueous electrolyte storage element, and method for using nonaqueous electrolyte storage element - Google Patents
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Description
本発明は、非水電解質、非水電解質蓄電素子、非水電解質蓄電素子の製造方法、及び非水電解質蓄電素子の使用方法に関する。The present invention relates to a non-aqueous electrolyte, a non-aqueous electrolyte storage element, a method for manufacturing a non-aqueous electrolyte storage element, and a method for using a non-aqueous electrolyte storage element.
リチウムイオン二次電池に代表される非水電解質二次電池は、エネルギー密度の高さから、パーソナルコンピュータ、通信端末等の電子機器、自動車等に多用されている。上記非水電解質二次電池は、一般的には、セパレータで電気的に隔離された一対の電極と、この電極間に介在する非水電解質とを有し、両電極間でイオンの受け渡しを行うことで充放電するよう構成される。また、非水電解質二次電池以外の非水電解質蓄電素子として、リチウムイオンキャパシタや電気二重層キャパシタ等のキャパシタも広く普及している。Non-aqueous electrolyte secondary batteries, such as lithium ion secondary batteries, are widely used in electronic devices such as personal computers and communication terminals, automobiles, etc., due to their high energy density. The non-aqueous electrolyte secondary batteries generally have a pair of electrodes electrically isolated by a separator and a non-aqueous electrolyte interposed between the electrodes, and are configured to charge and discharge by transferring ions between the two electrodes. In addition to non-aqueous electrolyte secondary batteries, capacitors such as lithium ion capacitors and electric double layer capacitors are also widely used as non-aqueous electrolyte storage elements.
このような非水電解質蓄電素子に用いられる非水電解質について様々な検討がなされている。Various studies have been conducted on the non-aqueous electrolytes used in such non-aqueous electrolyte storage elements.
例えば、特開2009-289414号公報(特許文献1)には「4-フルオロエチレンカーボネート(4-FEC)と、プロピレンカーボネート(PC)と・・・フッ素化鎖状カルボン酸エステルであるCF3CH2COOCH3とを20:5:75の体積比で混合させた混合溶媒を用い・・・」た「非水電解液二次電池」が記載されている(段落0063、実施例7)。また、特許文献1には「実施例7の非水電解液二次電池においては、保存後の容量残存率及び容量復帰率がさらに向上していた。」ことが記載されている(段落0077)。
For example, Japanese Patent Laid-Open Publication No. 2009-289414 (Patent Document 1) describes a "non-aqueous electrolyte secondary battery" that "uses a mixed solvent in which 4-fluoroethylene carbonate (4-FEC), propylene carbonate (PC), and CF 3 CH 2 COOCH 3 , a fluorinated chain carboxylate, are mixed in a volume ratio of 20:5:75" (paragraph 0063, Example 7).
特開2017-168375号公報(特許文献2)には「非水溶媒と電解質塩を含む非水電解液二次電池用非水電解液であって、前記非水溶媒が、4-フルオロエチレンカーボネート(FEC)と、3,3,3-トリフルオロプロピオン酸メチル(FMP)とを含み、さらに・・・ホウ酸エステルを含むことを特徴とする非水電解液二次電池用非水電解液」と記載がある(請求項1)。また、特許文献2には、「FEC:FMP=10:90のFEC及びFMPを混合した非水溶媒に」「ホウ酸トリエタノールアミン(BTR)を0.5質量%添加した」非水電解液を用いた電池が記載されており(段落0078及び0079)、「FECとFMPを含む非水電解液である点で共通し、BTRの有無で相違する実施例電池1-1と比較例電池1-1とを対比すると、BTRを添加した実施例電池1-1において、高温保存後の直流抵抗(以下、「保存後抵抗」という。)が顕著に低いことがわかる。」と記載されている(段落0089)。
JP 2017-168375 A (Patent Document 2) describes a "non-aqueous electrolyte for a non-aqueous electrolyte secondary battery comprising a non-aqueous solvent and an electrolyte salt, the non-aqueous solvent comprising 4-fluoroethylene carbonate (FEC) and
国際公開第2014/165748号(特許文献3)には「フッ素化非環式カルボン酸エステル」、「フッ素化非環式カーボネート」、および「フッ素化非環式エーテルからなる群から選択される少なくとも1つのフッ素化溶媒」と、「エチレンカーボネート、フルオロオエチレンカーボネート、およびプロピレンカーボネートからなる群から選択される少なくとも1つの共溶媒」と、「フィルム形成化合物」と、「電解質塩」とを含む電解質組成物が記載されている(請求項1)。また、特許文献3には、「70重量%のDFEA/30重量%のEC溶媒比/1MのLiPF6 2重量%のFEC、2重量%のLiBOB、96重量%の共溶媒およびLiPF6」を用いた電池が記載されている(段落0201、実施例51)。ここで、DFEAとは「2,2-ジフルオロエチルアセテート」のことで、その組成式は「CH3-COO-CH2CF2H」と記載されている(段落0085及び0024)。
International Publication No. WO 2014/165748 (Patent Document 3) describes an electrolyte composition including "fluorinated acyclic carboxylic acid ester", "fluorinated acyclic carbonate", and "at least one fluorinated solvent selected from the group consisting of fluorinated acyclic ethers", "at least one cosolvent selected from the group consisting of ethylene carbonate, fluoroethylene carbonate, and propylene carbonate", "film-forming compound", and "electrolyte salt" (Claim 1).
国際公開第2016/044088号(特許文献4)には、「2,2-ジフルオロエチルアセテートと・・・フルオロエチレンカーボネートとを・・・組み合わせた。・・・1モル濃度の電解質組成物を作るのに十分なLiPF6を添加した」電解質組成物Bを「リチウムビス(オキサラト)ボレートと組み合わせて電解質組成物Cを形成した。」と記載されている(段落0056及び0057)。 WO 2016/044088 (Patent Document 4) describes that "2,2-difluoroethyl acetate and...fluoroethylene carbonate were combined.... Sufficient LiPF6 was added to make a 1 molar electrolyte composition" and electrolyte composition B was "combined with lithium bis(oxalato)borate to form electrolyte composition C" (paragraphs 0056 and 0057).
例えば特許文献1に記載された非水電解質を用いた蓄電素子は、高温環境下(例えば、45℃)で高電圧(例えば、充電終止時の正極電位として4.4V(vs.Li/Li+))で保存された場合でも、高い放電容量維持率を示す。しかし、このような蓄電素子では、0℃のような低温環境下における充放電サイクル性能が低下するという問題を有することを発明者らは新たに見出した。
For example, an electricity storage element using a nonaqueous electrolyte described in
本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであり、その目的は、低温環境下における充放電サイクル性能に優れた非水電解質、並びにこのような非水電解質を備える非水電解質蓄電素子及びその製造方法を提供することである。The present invention has been made based on the above circumstances, and its object is to provide a nonaqueous electrolyte having excellent charge-discharge cycle performance in a low-temperature environment, as well as a nonaqueous electrolyte storage element including such a nonaqueous electrolyte and a method for manufacturing the same.
上記課題を解決するためになされた本発明の一態様は、非水溶媒と、電解質塩と、ホウ素原子にジカルボキシレート基が結合したアニオンとを含有し、上記非水溶媒が、フッ素化環状カーボネート、及びトリフルオロメチル基を含む基を有するフッ素化カルボン酸エステルを含む非水電解質である。One aspect of the present invention, which has been made to solve the above problems, is a non-aqueous electrolyte that contains a non-aqueous solvent, an electrolyte salt, and an anion in which a dicarboxylate group is bonded to a boron atom, wherein the non-aqueous solvent contains a fluorinated cyclic carbonate and a fluorinated carboxylate ester having a group including a trifluoromethyl group.
本発明の他の一態様は、当該非水電解質を備える非水電解質蓄電素子である。Another aspect of the present invention is a non-aqueous electrolyte storage element comprising the non-aqueous electrolyte.
本発明の他の一態様は、当該非水電解質を非水電解質蓄電素子用容器に入れる工程を備える非水電解質蓄電素子の製造方法である。Another aspect of the present invention is a method for producing a nonaqueous electrolyte storage element, comprising the step of placing the nonaqueous electrolyte in a container for the nonaqueous electrolyte storage element.
本発明の他の一態様は、通常使用時の充電終止電圧における正極電位が4.4V(vs.Li/Li+)以上である当該非水電解質蓄電素子の使用方法である。 Another embodiment of the present invention is a method for using the nonaqueous electrolyte storage element having a positive electrode potential of 4.4 V (vs. Li/Li + ) or higher at an end-of-charge voltage during normal use.
本発明によれば、低温環境下における充放電サイクル性能に優れた非水電解質、このような非水電解質を備える非水電解質蓄電素子、非水電解質蓄電素子の製造方法及び非水電解質蓄電素子の使用方法を提供することができる。The present invention provides a nonaqueous electrolyte having excellent charge/discharge cycle performance in a low-temperature environment, a nonaqueous electrolyte storage element including such a nonaqueous electrolyte, a method for manufacturing a nonaqueous electrolyte storage element, and a method for using a nonaqueous electrolyte storage element.
本発明の構成及び作用効果について、技術思想を交えて説明する。但し、作用機構については推定を含んでおり、その正否は、本発明を制限するものではない。なお、本発明は、その主要な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形で実施することができる。そのため、後述の実施形態又は実施例は、あらゆる点で単なる例示に過ぎず、限定的に解釈してはならない。さらに、請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、すべて本発明の範囲内のものである。The configuration and effects of the present invention will be explained together with technical ideas. However, the mechanism of action includes assumptions, and the correctness or incorrectness of such assumptions does not limit the present invention. The present invention can be embodied in various other forms without departing from its main characteristics. Therefore, the embodiments and examples described below are merely illustrative in all respects and should not be interpreted in a restrictive manner. Furthermore, all modifications and changes within the scope of the claims are within the scope of the present invention.
当該非水電解質は、非水溶媒と、電解質塩と、ホウ素原子にジカルボキシレート基が結合したアニオンとを含有し、上記非水溶媒が、フッ素化環状カーボネート、及びトリフルオロメチル基を含む基を有するフッ素化カルボン酸エステルを含む非水電解質である。The non-aqueous electrolyte contains a non-aqueous solvent, an electrolyte salt, and an anion in which a dicarboxylate group is bonded to a boron atom, and the non-aqueous solvent is a non-aqueous electrolyte containing a fluorinated cyclic carbonate and a fluorinated carboxylate ester having a group including a trifluoromethyl group.
当該非水電解質は、フッ素化環状カーボネート及びトリフルオロメチル基を含む基を有するフッ素化カルボン酸エステルを含む非水溶媒と、ホウ素原子にジカルボキシレート基が結合したアニオンとを含有することで、低温環境下において優れた充放電サイクル性能を発揮することができる。この理由は定かではないが、以下の理由が推測される。フッ素化環状カーボネート、トリフルオロメチル基を含む基を有するフッ素化カルボン酸エステル、及びホウ素原子にジカルボキシレート基が結合したアニオンはいずれも負極上で分解され、被膜を形成する。ここで、フッ素化環状カーボネート及びホウ素原子にジカルボキシレート基が結合したアニオンが貴な電位で先に分解され、その後、トリフルオロメチル基を含む基を有するフッ素化カルボン酸エステルが分解され、被膜を形成する。このとき、まずホウ素原子にジカルボキシレート基が結合したアニオンが負極上のわずかな電荷の偏りに好適に吸着し、分解されることで良好な被膜が形成される。その上にフッ素原子を含む被膜が形成されることになる。すなわち、ホウ素原子とフッ素原子とが近接する均質な被膜が形成されることで、低温環境下において優れた充放電サイクル性能を発揮するものと考えられる。The non-aqueous electrolyte contains a non-aqueous solvent containing a fluorinated cyclic carbonate and a fluorinated carboxylate ester having a group containing a trifluoromethyl group, and an anion having a dicarboxylate group bonded to a boron atom, and can exhibit excellent charge-discharge cycle performance in a low-temperature environment. The reason for this is unclear, but the following reason is speculated. The fluorinated cyclic carbonate, the fluorinated carboxylate ester having a group containing a trifluoromethyl group, and the anion having a dicarboxylate group bonded to a boron atom are all decomposed on the negative electrode to form a coating. Here, the fluorinated cyclic carbonate and the anion having a dicarboxylate group bonded to a boron atom are decomposed first at a noble potential, and then the fluorinated carboxylate ester having a group containing a trifluoromethyl group is decomposed to form a coating. At this time, the anion having a dicarboxylate group bonded to a boron atom is first adsorbed to the slight charge bias on the negative electrode and decomposed to form a good coating. A coating containing fluorine atoms is formed on top of it. That is, it is believed that the formation of a homogeneous coating in which boron atoms and fluorine atoms are in close proximity results in excellent charge-discharge cycle performance in a low-temperature environment.
さらに、当該非水電解質は、高温環境下において保存した場合であっても高い容量維持率を発揮する。すなわち、当該非水電解質は、高温保存性能を維持しつつ、低温環境下において優れた充放電サイクル性能を発揮することができる。Furthermore, the non-aqueous electrolyte exhibits high capacity retention even when stored in a high-temperature environment. In other words, the non-aqueous electrolyte can exhibit excellent charge-discharge cycle performance in a low-temperature environment while maintaining high-temperature storage performance.
当該非水電解質蓄電素子は、上述の当該非水電解質を備える非水電解質蓄電素子(以下、単に「蓄電素子」ともいう)である。当該蓄電素子は、低温環境下において優れた充放電サイクル性能を発揮する。The nonaqueous electrolyte storage element is a nonaqueous electrolyte storage element (hereinafter, simply referred to as "storage element") that includes the nonaqueous electrolyte described above. The storage element exhibits excellent charge/discharge cycle performance in a low-temperature environment.
当該非水電解質蓄電素子の製造方法は、上述の当該非水電解質を非水電解質蓄電素子用容器に入れる工程を備える非水電解質蓄電素子の製造方法である。The method for manufacturing the nonaqueous electrolyte storage element includes a step of placing the nonaqueous electrolyte described above into a container for the nonaqueous electrolyte storage element.
当該製造方法によれば、低温環境下における充放電サイクル性能に優れた非水電解質蓄電素子を製造することができる。This manufacturing method makes it possible to produce a non-aqueous electrolyte storage element that has excellent charge/discharge cycle performance in a low-temperature environment.
当該非水電解質蓄電素子の使用方法は、通常使用時の充電終止電圧における正極電位が、4.4V(vs.Li/Li+)以上である。当該非水電解質蓄電素子は、高温環境下での保存後の容量維持率が高いため、このように通常使用時の充電終止電圧における正極電位が比較的高い充電条件で用いられる蓄電素子である場合に、この効果を特に十分に発揮することができる。ここで、通常使用時とは、当該非水電解質蓄電素子について推奨され、又は指定される充電条件を採用して当該非水電解質蓄電素子を使用する場合であり、当該非水電解質蓄電素子のための充電器が用意されている場合は、その充電器を適用して当該非水電解質蓄電素子を使用する場合をいう。なお、例えば、黒鉛を負極活物質とする蓄電素子では、設計にもよるが、充電終止電圧が5.0Vのとき、正極電位は約5.1V(vs.Li/Li+)である。 The method of using the nonaqueous electrolyte storage element is such that the positive electrode potential at the end of charge voltage during normal use is 4.4 V (vs. Li/Li + ) or more. The nonaqueous electrolyte storage element has a high capacity retention rate after storage in a high temperature environment, and therefore can particularly fully exhibit this effect when the storage element is used under charging conditions in which the positive electrode potential at the end of charge voltage during normal use is relatively high. Here, normal use refers to the case where the nonaqueous electrolyte storage element is used by adopting charging conditions recommended or specified for the nonaqueous electrolyte storage element, and when a charger for the nonaqueous electrolyte storage element is prepared, the charger is used to use the nonaqueous electrolyte storage element. For example, in a storage element using graphite as the negative electrode active material, the positive electrode potential is about 5.1 V (vs. Li/Li + ) when the end of charge voltage is 5.0 V, depending on the design.
以下、本発明の実施形態に係る非水電解質、非水電解質蓄電素子、非水電解質蓄電素子の製造方法及び非水電解質素子の使用方法について詳説する。The following provides a detailed description of the nonaqueous electrolyte, nonaqueous electrolyte storage element, manufacturing method for the nonaqueous electrolyte storage element, and method of using the nonaqueous electrolyte element according to embodiments of the present invention.
<非水電解質>
当該非水電解質は、非水溶媒と、電解質塩と、ホウ素原子にジカルボキシレート基が結合したアニオン(以下、単に「アニオン」ともいう)とを含有する。以下、当該非水電解質が含有する各成分について説明する。
<Non-aqueous electrolyte>
The non-aqueous electrolyte contains a non-aqueous solvent, an electrolyte salt, and an anion in which a dicarboxylate group is bonded to a boron atom (hereinafter, simply referred to as an anion). Each component contained in the non-aqueous electrolyte will be described below.
[非水溶媒]
上記非水溶媒は、フッ素化環状カーボネート、及びトリフルオロメチル基を含む基を有するフッ素化カルボン酸エステル(以下、単に「フッ素化カルボン酸エステル」ともいう)を含む。
[Non-aqueous solvent]
The non-aqueous solvent contains a fluorinated cyclic carbonate and a fluorinated carboxylate having a group containing a trifluoromethyl group (hereinafter, also simply referred to as a "fluorinated carboxylate").
(フッ素化環状カーボネート)
「フッ素化環状カーボネート」とは、環状カーボネートが有する水素原子の一部又は全部がフッ素原子で置換された化合物をいう。
(Fluorinated cyclic carbonates)
The term "fluorinated cyclic carbonate" refers to a compound in which some or all of the hydrogen atoms of a cyclic carbonate have been substituted with fluorine atoms.
上記フッ素化環状カーボネートとしては、例えばフルオロエチレンカーボネート(以下、「FEC」ともいう)、ジフルオロエチレンカーボネート、トリフルオロエチレンカーボネート、テトラフルオロエチレンカーボネート、(フルオロメチル)エチレンカーボネート、(ジフルオロメチル)エチレンカーボネート、(トリフルオロメチル)エチレンカーボネート、ビス(フルオロメチル)エチレンカーボネート、ビス(ジフルオロメチル)エチレンカーボネート、ビス(トリフルオロメチル)エチレンカーボネート、(フルオロエチル)エチレンカーボネート、(ジフルオロエチル)エチレンカーボネート、(トリフルオロエチル)エチレンカーボネート、4-フルオロ-4-メチルエチレンカーボネート、4,4-ジフルオロ-5-メチルエチレンカーボネート、4,5-ジフルオロ-4,5-ジメチルエチレンカーボネート等が挙げられる。フッ素化環状カーボネートとしては、FECが好ましい。上記フッ素化環状カーボネートがFECである場合には、特に高電圧下において、負極に安定な被膜を形成し、充放電サイクル性能を向上させることができる。上記フッ素化環状カーボネートは、1種を単独で、又は2種以上を混合して用いることができる。Examples of the fluorinated cyclic carbonate include fluoroethylene carbonate (hereinafter also referred to as "FEC"), difluoroethylene carbonate, trifluoroethylene carbonate, tetrafluoroethylene carbonate, (fluoromethyl)ethylene carbonate, (difluoromethyl)ethylene carbonate, (trifluoromethyl)ethylene carbonate, bis(fluoromethyl)ethylene carbonate, bis(difluoromethyl)ethylene carbonate, bis(trifluoromethyl)ethylene carbonate, (fluoroethyl)ethylene carbonate, (difluoroethyl)ethylene carbonate, (trifluoroethyl)ethylene carbonate, 4-fluoro-4-methylethylene carbonate, 4,4-difluoro-5-methylethylene carbonate, 4,5-difluoro-4,5-dimethylethylene carbonate, etc. FEC is preferred as the fluorinated cyclic carbonate. When the fluorinated cyclic carbonate is FEC, a stable coating can be formed on the negative electrode, particularly under high voltage, and the charge-discharge cycle performance can be improved. The fluorinated cyclic carbonate can be used alone or in combination of two or more.
上記非水溶媒における上記フッ素化環状カーボネートの含有割合の下限としては、1体積%が好ましく、3体積%がより好ましく、5体積%がさらに好ましい。フッ素化環状カーボネートの含有割合を上記下限以上とすることで、蓄電素子の高温環境下での保存後の容量維持率をより高めることができる。一方、上記含有割合の上限としては、例えば50体積%が好ましく、30体積%がより好ましく、20体積%がさらに好ましく、15体積%が特に好ましい。フッ素化環状カーボネートの含有割合を上記上限以下とすることで、非水電解質蓄電素子の低温環境下での充放電サイクル性能をより十分なものとすることができる。The lower limit of the content of the fluorinated cyclic carbonate in the non-aqueous solvent is preferably 1% by volume, more preferably 3% by volume, and even more preferably 5% by volume. By setting the content of the fluorinated cyclic carbonate to the lower limit or more, the capacity retention rate of the storage element after storage in a high-temperature environment can be further increased. On the other hand, the upper limit of the content is preferably 50% by volume, more preferably 30% by volume, even more preferably 20% by volume, and particularly preferably 15% by volume. By setting the content of the fluorinated cyclic carbonate to the upper limit or less, the charge/discharge cycle performance of the non-aqueous electrolyte storage element in a low-temperature environment can be made more sufficient.
(フッ素化カルボン酸エステル)
上記フッ素化カルボン酸エステルは、トリフルオロメチル基(-CF3)を含む基を有するフッ素化カルボン酸エステルである。
(Fluorinated carboxylate ester)
The fluorinated carboxylate is a fluorinated carboxylate having a group containing a trifluoromethyl group (-CF 3 ).
上記トリフルオロメチル基を含む基としては、例えばトリフルオロメチル基そのもの、炭素数1から3の1価の炭化水素基が有する水素原子の一部又は全部をトリフルオロメチル基で置換した基などが挙げられる。Examples of groups containing the above-mentioned trifluoromethyl group include the trifluoromethyl group itself and groups in which some or all of the hydrogen atoms of a monovalent hydrocarbon group having 1 to 3 carbon atoms have been substituted with trifluoromethyl groups.
本明細書において「炭化水素基」は、鎖状炭化水素基及び分岐鎖状炭化水素基を包含する。In this specification, "hydrocarbon group" includes linear hydrocarbon groups and branched hydrocarbon groups.
炭素数1から3の1価の炭化水素基が有する水素原子の一部又は全部をトリフルオロメチル基で置換した基としては、例えば2,2,2-トリフルオロエチル基、3,3,3-トリフルオロプロピル基、2,2,3,3,3-ペンタフルオロプロピル基、4,4,4-トリフルオロブチル基、2,2,3,3,4,4,4-ヘプタフルオロブチル基などが挙げられる。Examples of groups in which some or all of the hydrogen atoms in a monovalent hydrocarbon group having 1 to 3 carbon atoms have been substituted with trifluoromethyl groups include a 2,2,2-trifluoroethyl group, a 3,3,3-trifluoropropyl group, a 2,2,3,3,3-pentafluoropropyl group, a 4,4,4-trifluorobutyl group, and a 2,2,3,3,4,4,4-heptafluorobutyl group.
上記トリフルオロメチル基を含む基としては、2,2,2-トリフルオロエチル基が好ましい。As the group containing the above trifluoromethyl group, a 2,2,2-trifluoroethyl group is preferred.
上記フッ素化カルボン酸エステルとしては、例えば下記式(2)で表される化合物などが挙げられる。Examples of the fluorinated carboxylic acid ester include compounds represented by the following formula (2):
上記式(2)中、R4及びR5は、それぞれ独立して、炭素数1から4の1価の炭化水素基又は炭素数1から4の1価のフッ素化炭化水素基である。但し、R4及びR5の少なくとも一方は、トリフルオロメチル基を含む基である。 In the above formula (2), R4 and R5 are each independently a monovalent hydrocarbon group having 1 to 4 carbon atoms or a monovalent fluorinated hydrocarbon group having 1 to 4 carbon atoms, provided that at least one of R4 and R5 is a group containing a trifluoromethyl group.
本明細書において「フッ素化炭化水素基」とは、炭化水素基が有する水素原子の一部又は全部をフッ素原子で置換した基を意味する。また、「フッ素化炭化水素基」は「トリフルオロメチル基を含む基」を包含する。In this specification, the term "fluorinated hydrocarbon group" refers to a group in which some or all of the hydrogen atoms in a hydrocarbon group have been replaced with fluorine atoms. In addition, "fluorinated hydrocarbon group" includes "groups containing a trifluoromethyl group."
炭素数1から4の1価の炭化水素基としては、例えばメチル基、エチル基、n-プロピル基、i-プロピル基、n-ブチル基、i-ブチル基、s-ブチル基、t-ブチル基などが挙げられる。炭素数1から4の1価のフッ素化炭化水素基としては、例えばフルオロメチル基、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、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、2,2,3,3,3-ペンタフルオロプロピル基、4,4,4-トリフルオロブチル基、2,2,3,3,4,4-ヘキサフルオロブチル基、2,2,3,3,4,4,4-ヘプタフルオロブチル基などが挙げられる。Examples of monovalent hydrocarbon groups having 1 to 4 carbon atoms include methyl, ethyl, n-propyl, i-propyl, n-butyl, i-butyl, s-butyl, and t-butyl groups. Examples of monovalent fluorinated hydrocarbon groups having 1 to 4 carbon atoms include fluoromethyl, difluoromethyl, trifluoromethyl, 2-fluoroethyl, 2,2-difluoroethyl, 3-fluoropropyl, 3,3-difluoropropyl, 3,3,3-trifluoropropyl, 2,2,3,3-tetrafluoropropyl, 2,2,3,3,3-pentafluoropropyl, 4,4,4-trifluorobutyl, 2,2,3,3,4,4-hexafluorobutyl, and 2,2,3,3,4,4,4-heptafluorobutyl groups.
上記フッ素化カルボン酸エステルとしては、低温環境下での充放電サイクル性能の観点から、下記式(2-1)で表される酢酸-2,2,2-トリフルオロエチル(以下、「FEA」ともいう)、下記式(2-2)で表される3,3,3-トリフルオロプロピオン酸メチル(以下、「FMP」ともいう)、又はこれらの組み合わせが好ましい。From the viewpoint of charge/discharge cycle performance in a low-temperature environment, the fluorinated carboxylate is preferably 2,2,2-trifluoroethyl acetate (hereinafter also referred to as "FEA") represented by the following formula (2-1), 3,3,3-methyl trifluoropropionate (hereinafter also referred to as "FMP") represented by the following formula (2-2), or a combination thereof.
上記非水溶媒における上記フッ素化カルボン酸エステルの含有割合の下限としては、20体積%が好ましく、30体積%がより好ましく、40体積%がさらに好ましい。上記含有割合を上記下限以上とすることで、低温環境下での充放電サイクル性能を向上させることができる。上記含有割合の上限としては、95体積%が好ましく、90体積%がより好ましい。上記含有割合を上記上限以下とすることで、抵抗増加を抑制することができる。The lower limit of the content of the fluorinated carboxylate in the non-aqueous solvent is preferably 20% by volume, more preferably 30% by volume, and even more preferably 40% by volume. By setting the content to the lower limit or more, the charge/discharge cycle performance in a low-temperature environment can be improved. The upper limit of the content is preferably 95% by volume, and more preferably 90% by volume. By setting the content to the upper limit or less, an increase in resistance can be suppressed.
(他の非水溶媒)
当該非水電解質は、上記フッ素化環状カーボネート及び上記フッ素化カルボン酸エステル以外の他の非水溶媒を含むことができる。他の非水溶媒としては、一般的な蓄電素子用非水電解質の非水溶媒として通常用いられる公知の非水溶媒を用いることができる。上記他の非水溶媒としては、上記フッ素化環状カーボネート以外の環状カーボネート(以下、単に「環状カーボネート」ともいう)、鎖状カーボネート、フッ素化鎖状カーボネート、エステル、エーテル、アミド、スルホン、ラクトン、ニトリル等を挙げることができる。これらの中でも、環状カーボネート又は鎖状カーボネートが好ましく、環状カーボネートと鎖状カーボネートとを併用することがより好ましい。
(Other non-aqueous solvents)
The non-aqueous electrolyte may contain a non-aqueous solvent other than the fluorinated cyclic carbonate and the fluorinated carboxylate. As the other non-aqueous solvent, a known non-aqueous solvent that is generally used as a non-aqueous solvent for a general non-aqueous electrolyte for a storage element may be used. As the other non-aqueous solvent, a cyclic carbonate other than the fluorinated cyclic carbonate (hereinafter, also simply referred to as "cyclic carbonate"), a chain carbonate, a fluorinated chain carbonate, an ester, an ether, an amide, a sulfone, a lactone, a nitrile, etc. may be mentioned. Among these, a cyclic carbonate or a chain carbonate is preferred, and it is more preferred to use a cyclic carbonate and a chain carbonate in combination.
上記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)、ブチレンカーボネート(BC)、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)、スチレンカーボネート、1-フェニルビニレンカーボネート、1,2-ジフェニルビニレンカーボネート等が挙げられる。環状カーボネートは、水素原子の一部又は全部がフッ素原子以外の原子又は置換基で置換されたものであってもよいが、置換されていないものが好ましい。環状カーボネートとしては、EC、PC又はBCが好ましく、PC又はBCがより好ましく、PCがさらに好ましい。Examples of the cyclic carbonate include ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), butylene carbonate (BC), vinylene carbonate (VC), vinylethylene carbonate (VEC), styrene carbonate, 1-phenylvinylene carbonate, 1,2-diphenylvinylene carbonate, and the like. The cyclic carbonate may be one in which some or all of the hydrogen atoms are substituted with atoms or substituents other than fluorine atoms, but is preferably one in which no substitutions are made. As the cyclic carbonate, EC, PC, or BC are preferred, PC or BC are more preferred, and PC is even more preferred.
上記鎖状カーボネートとしては、ジエチルカーボネート(DEC)、ジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、ジフェニルカーボネート等を挙げることができる。鎖状カーボネートは、水素原子の一部又は全部が他の原子又は置換基で置換されたものであってもよいが、置換されていないものが好ましい。鎖状カーボネートとしては、DEC、DMC又はEMCが好ましく、EMCがより好ましい。Examples of the chain carbonate include diethyl carbonate (DEC), dimethyl carbonate (DMC), ethyl methyl carbonate (EMC), diphenyl carbonate, etc. The chain carbonate may be one in which some or all of the hydrogen atoms are replaced with other atoms or substituents, but it is preferable that the chain carbonate is not replaced. As the chain carbonate, DEC, DMC or EMC is preferable, and EMC is more preferable.
上記非水溶媒が上記環状カーボネートや上記鎖状カーボネートを含む場合、上記非水溶媒における上記環状カーボネート及び上記鎖状カーボネートの合計含有量の上限としては、イオン伝導度と低温環境下での充放電サイクル性能の観点から10体積%が好ましく、5体積%がさらに好ましい。When the non-aqueous solvent contains the cyclic carbonate or the chain carbonate, the upper limit of the total content of the cyclic carbonate and the chain carbonate in the non-aqueous solvent is preferably 10% by volume, and more preferably 5% by volume, from the viewpoints of ionic conductivity and charge/discharge cycle performance in a low-temperature environment.
上記非水溶媒の組成を上記のようにすることで、誘電率、粘度等が適度になることなどにより、蓄電素子の容量維持率等をさらに改善することなどができる。By configuring the non-aqueous solvent as described above, the dielectric constant, viscosity, etc. become appropriate, thereby further improving the capacity retention rate, etc. of the storage element.
[電解質塩]
当該非水電解質は、通常、非水溶媒に溶解している電解質塩を含有する。上記電解質塩としては、リチウム塩、ナトリウム塩、カリウム塩、マグネシウム塩、オニウム塩などが挙げられる。これらの中でもリチウム塩が好ましい。
[Electrolyte salt]
The non-aqueous electrolyte generally contains an electrolyte salt dissolved in a non-aqueous solvent. Examples of the electrolyte salt include lithium salts, sodium salts, potassium salts, magnesium salts, onium salts, etc. Among these, lithium salts are preferred.
上記リチウム塩としては、LiPF6、LiPO2F2、LiBF4、LiPF2(C2O4)2、LiClO4、LiN(SO2F)2等の無機リチウム塩、LiSO3CF3、LiN(SO2CF3)2、LiN(SO2C2F5)2、LiN(SO2CF3)(SO2C4F9)、LiC(SO2CF3)3、LiC(SO2C2F5)3等のフッ素化炭化水素基を有するリチウム塩などが挙げられる。これらの中でも、無機リチウム塩が好ましく、LiPF6がより好ましい。 Examples of the lithium salt include inorganic lithium salts such as LiPF6 , LiPO2F2 , LiBF4 , LiPF2 ( C2O4 ) 2 , LiClO4 , and LiN( SO2F ) 2 , and lithium salts having a fluorinated hydrocarbon group such as LiSO3CF3 , LiN( SO2CF3 ) 2 , LiN (SO2C2F5)2, LiN(SO2CF3)(SO2C4F9), LiC(SO2CF3)3, and LiC(SO2C2F5)3 . Among these , inorganic lithium salts are preferred , and LiPF6 is more preferred.
当該非水電解質における上記電解質塩の含有割合の下限としては、0.1mol/Lが好ましく、0.3mol/Lがより好ましく、0.5mol/Lがさらに好ましく、0.8mol/Lが特に好ましい。上記含有割合の上限としては、特に限定されないが、2.5mol/Lが好ましく、2mol/Lがより好ましく、1.5mol/Lがさらに好ましい。The lower limit of the content of the electrolyte salt in the nonaqueous electrolyte is preferably 0.1 mol/L, more preferably 0.3 mol/L, even more preferably 0.5 mol/L, and particularly preferably 0.8 mol/L. The upper limit of the content is not particularly limited, but is preferably 2.5 mol/L, more preferably 2 mol/L, and even more preferably 1.5 mol/L.
[アニオン]
上記アニオンは、ホウ素原子にジカルボキシレート基が結合したアニオンである。
[anion]
The anion is an anion in which a dicarboxylate group is bonded to a boron atom.
本明細書において「ジカルボキシレート基」とは、ジカルボン酸が有する2つのカルボキシ基からそれぞれ1個の水素原子を除いた基を意味する。As used herein, the term "dicarboxylate group" refers to a group in which one hydrogen atom has been removed from each of the two carboxy groups of a dicarboxylic acid.
ジカルボキシレート基を与えるジカルボン酸としては、例えばシュウ酸、マロン酸、コハク酸、グルタル酸、アジピン酸などが挙げられる。これらの中でも、シュウ酸又はマロン酸が好ましく、シュウ酸がより好ましい。Examples of dicarboxylic acids that provide dicarboxylate groups include oxalic acid, malonic acid, succinic acid, glutaric acid, adipic acid, etc. Among these, oxalic acid or malonic acid is preferred, and oxalic acid is more preferred.
ジカルボキシレート基としては、上述のジカルボン酸が有する2つのカルボキシ基からそれぞれ1個の水素原子を除いた基が挙げられ、例えばオキサレート基、マロネート基、スクシネート基、グルタレート基、アジピネート基などが挙げられる。これらの中でも、オキサレート基又はマロネート基が好ましく、オキサレート基がより好ましい。Dicarboxylate groups include groups in which one hydrogen atom has been removed from each of the two carboxy groups of the dicarboxylic acid described above, such as an oxalate group, a malonate group, a succinate group, a glutarate group, an adipinate group, etc. Among these, an oxalate group or a malonate group is preferred, and an oxalate group is more preferred.
上記アニオンは、フッ素原子をさらに含むことが好ましい。上記アニオンがフッ素原子をさらに含むことにより、良好な被膜を形成することができる。より詳細には、上記アニオンは、フッ素原子がホウ素原子に結合していることが好ましい。It is preferable that the anion further contains a fluorine atom. By the anion further containing a fluorine atom, a good coating film can be formed. More specifically, it is preferable that the anion has a fluorine atom bonded to a boron atom.
上記アニオンとしては、下記式(1)で表されるアニオンが好ましい。The anion is preferably an anion represented by the following formula (1):
上記式(1)中、R1は、単結合又は炭素数1から4の2価の炭化水素基である。nは、1又は2である。nが2の場合、2つのR1は互いに同一又は異なる。R2及びR3は、それぞれ独立して、フッ素原子又は炭素数1から3の1価のフッ素化炭化水素基である。 In the above formula (1), R1 is a single bond or a divalent hydrocarbon group having 1 to 4 carbon atoms. n is 1 or 2. When n is 2, the two R1s are the same or different. R2 and R3 are each independently a fluorine atom or a monovalent fluorinated hydrocarbon group having 1 to 3 carbon atoms.
R1で表される炭素数1から4の2価の炭化水素基としては、例えばメタン、エタン、n-プロパン、n-ブタン等の鎖状炭化水素から2個の水素原子を除いた基が挙げられる。 Examples of the divalent hydrocarbon group having 1 to 4 carbon atoms represented by R 1 include groups in which two hydrogen atoms have been removed from a chain hydrocarbon such as methane, ethane, n-propane, or n-butane.
R2及びR3で表される炭素数1から3の1価のフッ素化炭化水素基としては、例えばメチル基、エチル基、n-プロピル基等の1価の炭化水素基の水素原子の一部又は全部をフッ素原子で置換した基などが挙げられる。 Examples of the monovalent fluorinated hydrocarbon group having 1 to 3 carbon atoms represented by R2 and R3 include groups in which some or all of the hydrogen atoms of a monovalent hydrocarbon group such as a methyl group, an ethyl group, or an n-propyl group have been substituted with fluorine atoms.
R1としては、単結合又はメチル基から2個の水素原子を除いた基が好ましく、単結合がより好ましい。 R 1 is preferably a single bond or a group in which two hydrogen atoms have been removed from a methyl group, and more preferably a single bond.
R2及びR3としては、フッ素原子が好ましい。 R2 and R3 are preferably a fluorine atom.
nとしては、1が好ましい。 n is preferably 1.
上記式(1)で表されるアニオンとしては、例えば下記式(1-1)で表されるジフルオロオキサレートボレートアニオン、下記式(1-2)で表されるビスオキサレートボレートアニオン、下記式(1-3)で表されるジフルオロマロネートボレートアニオン、下記式(1-4)で表されるビスマロネートボレートアニオン、下記式(1-5)で表されるマロネートオキサレートボレートアニオンなどが挙げられる。Examples of the anion represented by the above formula (1) include a difluorooxalate borate anion represented by the following formula (1-1), a bisoxalate borate anion represented by the following formula (1-2), a difluoromalonate borate anion represented by the following formula (1-3), a bismalonate borate anion represented by the following formula (1-4), and a malonate oxalate borate anion represented by the following formula (1-5).
上記アニオンとしては、上記式(1-1)で表されるジフルオロオキサレートボレートアニオン又は上記式(1-2)で表されるビス(オキサレート)ボレートアニオンが好ましく、上記式(1-1)で表されるジフルオロオキサレートボレートアニオンがより好ましい。上記アニオンとしてこれらのものを用いることにより、良好な被膜を形成することができる。As the above anion, the difluorooxalate borate anion represented by the above formula (1-1) or the bis(oxalate)borate anion represented by the above formula (1-2) is preferred, and the difluorooxalate borate anion represented by the above formula (1-1) is more preferred. By using these as the above anion, a good coating film can be formed.
上記アニオンは、通常、カチオンとの塩の形態で当該非水電解質に含有される。カチオンとしては、例えばアルカリ金属カチオン、アルカリ土類金属カチオン、オニウムカチオンなどが挙げられる。これらの中でも、アルカリ金属カチオンが好ましく、リチウムイオンがより好ましい。The anion is usually contained in the non-aqueous electrolyte in the form of a salt with a cation. Examples of the cation include an alkali metal cation, an alkaline earth metal cation, and an onium cation. Among these, an alkali metal cation is preferred, and a lithium ion is more preferred.
上記アニオンを与える化合物としては、例えば下記式(1-1-1)で表されるリチウムジフルオロオキサレートボレート(以下、「LiDFOB」ともいう)、下記式(1-2-1)で表されるリチウムビスオキサレートボレート(以下、「LiBOB」ともいう)などが挙げられる。Examples of compounds that provide the above anion include lithium difluorooxalate borate (hereinafter also referred to as "LiDFOB") represented by the following formula (1-1-1) and lithium bis(oxalate borate) (hereinafter also referred to as "LiBOB") represented by the following formula (1-2-1).
上記アニオンを与える化合物としては、上記式(1-1-1)で表されるリチウムジフルオロオキサレートが好ましい。The compound that provides the above anion is preferably lithium difluorooxalate represented by the above formula (1-1-1).
当該非水電解質における上記アニオンの非水電解質への含有割合の下限としては、当該非水電解質の総質量に対して、0.01質量%が好ましく、0.05質量%がより好ましく、0.1質量%がさらに好ましく、0.3質量%がよりさらに好ましく、0.5質量%がよりさらに好ましい。上記アニオンの含有割合を上記下限以上とすることで、蓄電素子を低温環境下で充放電サイクルした後の容量維持率を高くすることができる。上記含有割合の上限としては、5質量%が好ましく、3質量%がより好ましく、2質量%がさらに好ましく、1質量%がよりさらに好ましく、0.8質量%が特に好ましい。上記アニオンの含有量を上記上限以下とすることで、抵抗の増加を抑制できる。The lower limit of the content ratio of the anion in the nonaqueous electrolyte is preferably 0.01% by mass, more preferably 0.05% by mass, even more preferably 0.1% by mass, even more preferably 0.3% by mass, and even more preferably 0.5% by mass, based on the total mass of the nonaqueous electrolyte. By setting the content ratio of the anion to the lower limit or more, the capacity retention rate after the charge/discharge cycle of the storage element in a low-temperature environment can be increased. The upper limit of the content ratio is preferably 5% by mass, more preferably 3% by mass, even more preferably 2% by mass, even more preferably 1% by mass, and particularly preferably 0.8% by mass. By setting the content of the anion to the upper limit or less, an increase in resistance can be suppressed.
[その他の添加剤]
当該非水電解質は、必要に応じて、上記非水溶媒、上記電解質塩及び上記アニオン以外のその他の添加剤を含有していてもよい。その他の添加剤としては、例えばビフェニル、アルキルビフェニル、ターフェニル、ターフェニルの部分水素化体、シクロヘキシルベンゼン、t-ブチルベンゼン、t-アミルベンゼン、ジフェニルエーテル、ジベンゾフラン等の芳香族化合物;2-フルオロビフェニル、o-シクロヘキシルフルオロベンゼン、p-シクロヘキシルフルオロベンゼン等の前記芳香族化合物の部分ハロゲン化物;2,4-ジフルオロアニソール、2,5-ジフルオロアニソール、2,6-ジフルオロアニソール、3,5-ジフルオロアニソール等のハロゲン化アニソール化合物;無水コハク酸、無水グルタル酸、無水マレイン酸、無水シトラコン酸、無水グルタコン酸、無水イタコン酸、シクロヘキサンジカルボン酸無水物;亜硫酸エチレン、亜硫酸プロピレン、亜硫酸ジメチル、硫酸ジメチル、硫酸エチレン、チオアニソール、ジフェニルジスルフィド、ジピリジニウムジスルフィド、パーフルオロオクタン、ホウ酸トリストリメチルシリル、リン酸トリストリメチルシリル、チタン酸テトラキストリメチルシリル、モノフルオロリン酸リチウム、ジフルオロリン酸リチウム等が挙げられる。当該非水電解質がその他の添加剤を含む場合、その他の添加剤の含有割合の上限としては、当該非水電解質の総質量に対して、5質量%が好ましく、1質量%がより好ましく、0.1質量%がさらに好ましい。
[Other additives]
The nonaqueous electrolyte may contain additives other than the nonaqueous solvent, the electrolyte salt, and the anion, as necessary. Examples of the additives include aromatic compounds such as biphenyl, alkylbiphenyl, terphenyl, partially hydrogenated terphenyl, cyclohexylbenzene, t-butylbenzene, t-amylbenzene, diphenyl ether, and dibenzofuran; partial halides of the aromatic compounds such as 2-fluorobiphenyl, o-cyclohexylfluorobenzene, and p-cyclohexylfluorobenzene; halogen compounds such as 2,4-difluoroanisole, 2,5-difluoroanisole, 2,6-difluoroanisole, and 3,5-difluoroanisole. Examples of the anisole compounds include succinic anhydride, glutaric anhydride, maleic anhydride, citraconic anhydride, glutaconic anhydride, itaconic anhydride, cyclohexanedicarboxylic anhydride, ethylene sulfite, propylene sulfite, dimethyl sulfite, dimethyl sulfate, ethylene sulfate, thioanisole, diphenyl disulfide, dipyridinium disulfide, perfluorooctane, tristrimethylsilyl borate, tristrimethylsilyl phosphate, tetrakistrimethylsilyl titanate, lithium monofluorophosphate, lithium difluorophosphate, etc. When the non-aqueous electrolyte contains other additives, the upper limit of the content of the other additives is preferably 5% by mass, more preferably 1% by mass, and even more preferably 0.1% by mass, based on the total mass of the non-aqueous electrolyte.
<非水電解質蓄電素子>
本発明の一実施形態に係る非水電解質蓄電素子は、非水電解質を備える。また、当該非水電解質蓄電素子は、通常、正極及び負極を備える。以下、当該非水電解質蓄電素子の一例として、二次電池について説明する。上記正極及び負極は、通常、セパレータを介して積層又は巻回により交互に重畳された電極体を形成する。この電極体は非水電解質蓄電素子用容器に収納され、この非水電解質蓄電素子用容器内に非水電解質が充填される。上記非水電解質は、正極と負極との間に介在する。また、上記非水電解質蓄電素子用容器としては、二次電池の容器として通常用いられる公知の金属容器、樹脂容器等を用いることができる。
<Non-aqueous electrolyte electricity storage element>
The nonaqueous electrolyte storage element according to one embodiment of the present invention includes a nonaqueous electrolyte. The nonaqueous electrolyte storage element usually includes a positive electrode and a negative electrode. Hereinafter, a secondary battery will be described as an example of the nonaqueous electrolyte storage element. The positive electrode and the negative electrode are usually stacked or wound with a separator between them to form an electrode body. The electrode body is housed in a container for the nonaqueous electrolyte storage element, and the container for the nonaqueous electrolyte storage element is filled with a nonaqueous electrolyte. The nonaqueous electrolyte is interposed between the positive electrode and the negative electrode. The container for the nonaqueous electrolyte storage element may be a known metal container, a resin container, or the like that is usually used as a container for a secondary battery.
[非水電解質]
当該非水電解質蓄電素子に用いられる非水電解質は、上述した本発明の実施形態に係る非水電解質である。
[Non-aqueous electrolyte]
The nonaqueous electrolyte used in the nonaqueous electrolyte storage element is the nonaqueous electrolyte according to the embodiment of the present invention described above.
[正極]
上記正極は、正極基材、及び当該正極基材に直接又は中間層を介して配される正極合材層を有することが好ましい。
[Positive electrode]
The positive electrode preferably has a positive electrode substrate and a positive electrode mixture layer disposed on the positive electrode substrate directly or via an intermediate layer.
上記正極基材は、導電性を有する。基材の材質としては、アルミニウム、チタン、タンタル、ステンレス鋼等の金属又はそれらの合金が用いられる。これらの中でも、耐電位性、導電性の高さ及びコストのバランスからアルミニウム又はアルミニウム合金が好ましい。また、正極基材の形成形態としては、箔、蒸着膜等が挙げられ、コストの面から箔が好ましい。つまり、正極基材としてはアルミニウム箔又はアルミニウム合金箔が好ましい。なお、アルミニウム又はアルミニウム合金としては、JIS-H-4000(2014年)に規定されるA1085P、A3003P等が例示できる。The positive electrode substrate is conductive. Metals such as aluminum, titanium, tantalum, and stainless steel, or alloys thereof, are used as the material of the substrate. Among these, aluminum or aluminum alloys are preferred in terms of the balance between potential resistance, high conductivity, and cost. Examples of the positive electrode substrate include foil and vapor deposition film, with foil being preferred in terms of cost. In other words, aluminum foil or aluminum alloy foil is preferred as the positive electrode substrate. Examples of aluminum or aluminum alloys include A1085P and A3003P as specified in JIS-H-4000 (2014).
上記中間層は、正極基材の表面の被覆層であり、炭素粒子等の導電性粒子を含むことで正極基材と正極合材層との接触抵抗を低減する。中間層の構成は特に限定されず、例えば樹脂バインダ及び導電性粒子を含有する組成物により形成できる。なお、「導電性を有する」とは、JIS-H-0505(1975年)に準拠して測定される体積抵抗率が107Ω・cm以下であることを意味し、「非導電性」とは、上記体積抵抗率が107Ω・cm超であることを意味する。 The intermediate layer is a coating layer on the surface of the positive electrode substrate, and contains conductive particles such as carbon particles to reduce the contact resistance between the positive electrode substrate and the positive electrode composite layer. The configuration of the intermediate layer is not particularly limited, and it can be formed, for example, from a composition containing a resin binder and conductive particles. Note that "conductive" means that the volume resistivity measured in accordance with JIS-H-0505 (1975) is 10 7 Ω·cm or less, and "non-conductive" means that the volume resistivity is more than 10 7 Ω·cm.
上記正極合材層は、正極活物質を含むいわゆる正極合材から形成される層である。正極合材層は、必要に応じて導電剤、バインダ、増粘剤、フィラー等の任意成分を含む。The positive electrode mixture layer is a layer formed from a so-called positive electrode mixture containing a positive electrode active material. The positive electrode mixture layer contains optional components such as a conductive agent, a binder, a thickener, and a filler as necessary.
上記正極活物質としては、通常、金属酸化物が使用される。具体的な正極活物質としては、例えばLixMOy(Mは少なくとも一種の遷移金属を表す)で表される複合酸化物(層状のα-NaFeO2型結晶構造を有するLixCoO2、LixNiO2、LixMnO3、LixNiαCo(1-α)O2、LixNiαMnβCo(1-α-β)O2等、スピネル型結晶構造を有するLixMn2O4、LixNiαMn(2-α)O4等)、LiwMex(AOy)z(Meは少なくとも一種の遷移金属を表し、Aは例えばP、Si、B、V等を表す)で表されるポリアニオン化合物(LiFePO4、LiMnPO4、LiNiPO4、LiCoPO4、Li3V2(PO4)3、Li2MnSiO4、Li2CoPO4F等)が挙げられる。これらの化合物中の元素又はポリアニオンは、他の元素又はアニオン種で一部が置換されていてもよい。正極合材層においては、これら化合物の1種を単独で用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよい。
As the positive electrode active material, a metal oxide is usually used. Specific examples of the positive electrode active material include composite oxides represented by Li x MO y (M represents at least one transition metal) (such as Li x CoO 2 , Li x NiO 2 , Li x MnO 3 , Li x Ni α Co (1-α) O 2 , and Li x Ni α Mn β Co (1-α-β) O 2 having a layered α-
上記導電剤としては、蓄電素子性能に悪影響を与えない導電性材料であれば特に限定されない。このような導電剤としては、天然又は人造の黒鉛、ファーネスブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック等のカーボンブラック、金属、導電性セラミックス等が挙げられ、アセチレンブラックが好ましい。導電剤の形状としては、粉状、繊維状等が挙げられる。The conductive agent is not particularly limited as long as it is a conductive material that does not adversely affect the performance of the storage element. Examples of such conductive agents include natural or artificial graphite, carbon black such as furnace black, acetylene black, and ketjen black, metals, conductive ceramics, etc., with acetylene black being preferred. The conductive agent may be in the form of a powder, fiber, etc.
上記バインダとしては、フッ素樹脂(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)等)、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリイミド等の熱可塑性樹脂;エチレン-プロピレン-ジエンゴム(EPDM)、スルホン化EPDM、スチレンブタジエンゴム(SBR)、フッ素ゴム等のエラストマー;多糖類高分子等が挙げられる。 Examples of the binder include thermoplastic resins such as fluororesins (polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), etc.), polyethylene, polypropylene, polyimide, etc.; elastomers such as ethylene-propylene-diene rubber (EPDM), sulfonated EPDM, styrene butadiene rubber (SBR), fluororubber, etc.; polysaccharide polymers, etc.
上記増粘剤としては、カルボキシメチルセルロース(CMC)、メチルセルロース等の多糖類高分子が挙げられる。また、増粘剤がリチウムと反応する官能基を有する場合、予めメチル化等によりこの官能基を失活させておくことが好ましい。Examples of the thickener include polysaccharide polymers such as carboxymethylcellulose (CMC) and methylcellulose. In addition, if the thickener has a functional group that reacts with lithium, it is preferable to deactivate this functional group in advance by methylation or the like.
上記フィラーとしては、電池性能に悪影響を与えないものであれば特に限定されない。フィラーの主成分としては、ポリプロピレン、ポリエチレン等のポリオレフィン、シリカ、アルミナ、ゼオライト、ガラス等が挙げられる。The filler is not particularly limited as long as it does not adversely affect the battery performance. Examples of the main components of the filler include polyolefins such as polypropylene and polyethylene, silica, alumina, zeolite, glass, etc.
[負極]
上記負極は、負極基材、及び当該負極基材に直接又は中間層を介して配される負極合材層を有することが好ましい。上記中間層は正極の中間層と同様の構成とすることができる。
[Negative electrode]
The negative electrode preferably has a negative electrode substrate and a negative electrode mixture layer disposed on the negative electrode substrate directly or via an intermediate layer. The intermediate layer may have the same structure as the intermediate layer of the positive electrode.
上記負極基材は、正極基材と同様の構成とすることができるが、材質としては、銅、ニッケル、ステンレス鋼、ニッケルメッキ鋼等の金属又はそれらの合金が用いられ、銅又は銅合金が好ましい。つまり、負極基材としては銅箔が好ましい。銅箔としては、圧延銅箔、電解銅箔等が例示される。The negative electrode substrate can be constructed in the same manner as the positive electrode substrate, but the material used is a metal such as copper, nickel, stainless steel, or nickel-plated steel, or an alloy thereof, with copper or a copper alloy being preferred. In other words, copper foil is preferred as the negative electrode substrate. Examples of copper foil include rolled copper foil and electrolytic copper foil.
上記負極合材層は、負極活物質を含むいわゆる負極合材から形成される。また、負極合材層は、必要に応じて導電剤、バインダ、増粘剤、フィラー等の任意成分を含む。導電剤、結着剤、増粘剤、フィラー等の任意成分は、正極合材層と同様のものを用いることができる。The negative electrode mixture layer is formed from a so-called negative electrode mixture containing a negative electrode active material. The negative electrode mixture layer also contains optional components such as a conductive agent, a binder, a thickener, and a filler as necessary. The optional components such as a conductive agent, a binder, a thickener, and a filler can be the same as those used in the positive electrode mixture layer.
上記負極活物質としては、通常、リチウムイオンを吸蔵及び放出することができる材質が用いられる。具体的な負極活物質としては、例えばSi、Sn等の金属又は半金属;Si酸化物、Sn酸化物等の金属酸化物又は半金属酸化物;ポリリン酸化合物;黒鉛(グラファイト)、非黒鉛質炭素(易黒鉛化性炭素又は難黒鉛化性炭素)等の炭素材料等が挙げられる。As the negative electrode active material, a material capable of absorbing and releasing lithium ions is usually used. Specific negative electrode active materials include, for example, metals or semi-metals such as Si and Sn; metal oxides or semi-metal oxides such as Si oxide and Sn oxide; polyphosphate compounds; and carbon materials such as graphite and non-graphitic carbon (easily graphitizable carbon or non-graphitizable carbon).
さらに、負極合材層は、B、N、P、F、Cl、Br、I等の典型非金属元素、Li、Na、Mg、Al、K、Ca、Zn、Ga、Ge等の典型金属元素、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Mo、Zr、Ta、Hf、Nb、W等の遷移金属元素を含有してもよい。 Furthermore, the negative electrode composite layer may contain typical non-metallic elements such as B, N, P, F, Cl, Br, and I, typical metallic elements such as Li, Na, Mg, Al, K, Ca, Zn, Ga, and Ge, and transition metal elements such as Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Mo, Zr, Ta, Hf, Nb, and W.
[セパレータ]
上記セパレータの材質としては、例えば織布、不織布、多孔質樹脂フィルム等が用いられる。これらの中でも、強度の観点から多孔質樹脂フィルムが好ましく、非水電解質の保液性の観点から不織布が好ましい。上記セパレータの主成分としては、強度の観点から例えばポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィンが好ましく、耐酸化分解性の観点から例えばポリイミドやアラミド等が好ましい。また、これらの樹脂を複合してもよい。
[Separator]
The separator may be made of a material such as woven fabric, nonwoven fabric, or porous resin film. Among these, a porous resin film is preferred from the viewpoint of strength, and a nonwoven fabric is preferred from the viewpoint of nonaqueous electrolyte retention. The separator may be made mainly of a polyolefin such as polyethylene or polypropylene from the viewpoint of strength, or of polyimide or aramid from the viewpoint of oxidation and decomposition resistance. These resins may be combined.
なお、セパレータと電極(通常、正極)との間に、無機層が配設されていても良い。この無機層は、耐熱層等とも呼ばれる多孔質の層である。また、多孔質樹脂フィルムの一方の面に無機層が形成されたセパレータを用いることもできる。上記無機層は、通常、無機粒子及びバインダとで構成され、その他の成分が含有されていてもよい。無機粒子としては、Al2O3、SiO2、アルミノシリケート等が好ましい。 An inorganic layer may be disposed between the separator and the electrode (usually, the positive electrode). This inorganic layer is a porous layer also called a heat-resistant layer. A separator having an inorganic layer formed on one side of a porous resin film may also be used. The inorganic layer is usually composed of inorganic particles and a binder, and may contain other components. As the inorganic particles, Al 2 O 3 , SiO 2 , aluminosilicate, etc. are preferred.
当該二次電池(蓄電素子)は、高温環境下での保存後の容量維持率が高いため、高い作動電圧で用いることができる。例えば、当該二次電池の通常使用時の充電終止電圧における正極電位は、例えば4.0V(vs.Li/Li+)以上であってもよいが、4.4V(vs.Li/Li+)以上が好ましい。一方、この通常使用時の充電終止電圧における正極電位の上限は、5.1V(vs.Li/Li+)である。 The secondary battery (electric storage element) has a high capacity retention rate after storage in a high temperature environment, and can be used at a high operating voltage. For example, the positive electrode potential at the end-of-charge voltage during normal use of the secondary battery may be, for example, 4.0 V (vs. Li/Li + ) or more, but is preferably 4.4 V (vs. Li/Li + ) or more. On the other hand, the upper limit of the positive electrode potential at the end-of-charge voltage during normal use is 5.1 V (vs. Li/Li + ).
<非水電解質蓄電素子の製造方法>
当該非水電解質蓄電素子は、以下の方法により製造することが好ましい。すなわち、本発明の一実施形態に係る非水電解質蓄電素子の製造方法は、非水電解質を非水電解質蓄電素子用容器に入れる工程(以下、「非水電解質注入工程」ともいう)を備える。
<Method of Manufacturing Nonaqueous Electrolyte Storage Element>
The nonaqueous electrolyte storage element is preferably produced by the following method: That is, the method for producing a nonaqueous electrolyte storage element according to one embodiment of the present invention includes a step of putting a nonaqueous electrolyte into a container for the nonaqueous electrolyte storage element (hereinafter also referred to as a "nonaqueous electrolyte injection step").
(非水電解質注入工程)
上記非水電解質注入工程は、非水電解質として、上述した本発明の実施形態に係る非水電解質を用いること以外は、公知の方法により行うことができる。すなわち、当該非水電解質を準備し、準備した非水電解質を非水電解質蓄電素子用容器に注入すればよい。
(Nonaqueous electrolyte injection process)
The nonaqueous electrolyte injection step can be performed by a known method, except that the nonaqueous electrolyte according to the embodiment of the present invention described above is used as the nonaqueous electrolyte. That is, the nonaqueous electrolyte is prepared, The prepared non-aqueous electrolyte may be poured into a container for a non-aqueous electrolyte storage element.
当該製造方法は、上記非水電解質注入工程の他、以下の工程等を有していてもよい。すなわち、当該製造方法は、例えば、正極を作製する工程、負極を作製する工程、正極及び負極を、セパレータを介して積層又は巻回することにより交互に重畳された電極体を形成する工程、並びに正極及び負極(電極体)を非水電解質蓄電素子用容器に収容する工程を備えることができる。通常、電極体を非水電解質蓄電素子用容器に収容した後、非水電解質を非水電解質蓄電素子用容器に注入するが、この順番は逆であってもよい。これらの工程の後、注入口を封止することにより二次電池(非水電解質蓄電素子)を得ることができる。In addition to the non-aqueous electrolyte injection step, the manufacturing method may include the following steps. That is, the manufacturing method may include, for example, a step of preparing a positive electrode, a step of preparing a negative electrode, a step of forming an electrode body in which the positive electrode and the negative electrode are alternately stacked by stacking or rolling them with a separator interposed therebetween, and a step of housing the positive electrode and the negative electrode (electrode body) in a container for a non-aqueous electrolyte storage element. Usually, after housing the electrode body in a container for a non-aqueous electrolyte storage element, the non-aqueous electrolyte is injected into the container for a non-aqueous electrolyte storage element, but this order may be reversed. After these steps, a secondary battery (non-aqueous electrolyte storage element) can be obtained by sealing the injection port.
<非水電解質蓄電素子の使用方法>
当該非水電解質蓄電素子の使用方法は、通常使用時の充電終止電圧における正極電位が、4.4V(vs.Li/Li+)以上である。当該非水電解質蓄電素子は、高温環境下での保存後の容量維持率が高いため、このように通常使用時の充電終止電圧における正極電位が比較的高い充電条件で用いられる蓄電素子である場合に、この効果を特に十分に発揮することができる。なお、例えば、黒鉛を負極活物質とする蓄電素子では、設計にもよるが、充電終止電圧が5.0Vのとき、正極電位は約5.1V(vs.Li/Li+)である。
<Method of using non-aqueous electrolyte electricity storage element>
The method of using the nonaqueous electrolyte storage element is such that the positive electrode potential at the end-of-charge voltage during normal use is 4.4 V (vs. Li/Li + ) or more. The nonaqueous electrolyte storage element has a high capacity retention rate after storage in a high-temperature environment, and therefore can particularly fully exhibit this effect when the storage element is used under charging conditions in which the positive electrode potential at the end-of-charge voltage during normal use is relatively high. For example, in a storage element using graphite as the negative electrode active material, the positive electrode potential is about 5.1 V (vs. Li/Li + ) when the end-of-charge voltage is 5.0 V, although this depends on the design.
<その他の実施形態>
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、上記態様の他、種々の変更、改良を施した態様で実施することができる。例えば、上記正極又は負極において、中間層を設けなくてもよい。また、当該非水電解質蓄電素子の正極及び負極は、明確な層構造を有していなくてもよい。例えば上記正極は、メッシュ状の正極基材に正極合材が担持された構造などであってもよい。
<Other embodiments>
The present invention is not limited to the above embodiment, and can be embodied in various modified and improved forms in addition to the above embodiment. For example, the positive electrode or the negative electrode does not need to have an intermediate layer. In addition, the positive electrode and the negative electrode of the nonaqueous electrolyte storage element do not need to have a clear layer structure. For example, the positive electrode may have a structure in which a positive electrode composite is supported on a mesh-shaped positive electrode base material.
また、上記実施の形態においては、非水電解質蓄電素子が非水電解質二次電池である形態を中心に説明したが、その他の非水電解質蓄電素子であってもよい。その他の非水電解質蓄電素子としては、キャパシタ(電気二重層キャパシタ、リチウムイオンキャパシタ)等が挙げられる。In the above embodiment, the nonaqueous electrolyte storage element is mainly a nonaqueous electrolyte secondary battery, but other nonaqueous electrolyte storage elements may be used. Examples of other nonaqueous electrolyte storage elements include capacitors (electric double layer capacitors, lithium ion capacitors), etc.
図1に、本発明に係る非水電解質蓄電素子の一実施形態である矩形状の非水電解質蓄電素子1(非水電解質二次電池)の概略図を示す。なお、同図は、容器内部を透視した図としている。図1に示す非水電解質蓄電素子1は、電極体2が非水電解質蓄電素子用容器3に収納されている。電極体2は、正極合材層を備える正極と、負極合材層を備える負極とが、セパレータを介して捲回されることにより形成されている。正極は、正極リード4’を介して正極端子4と電気的に接続され、負極は、負極リード5’を介して負極端子5と電気的に接続されている。また、非水電解質蓄電素子用容器3には、本発明の一実施形態に係る非水電解質が注入されている。1 shows a schematic diagram of a rectangular nonaqueous electrolyte storage element 1 (nonaqueous electrolyte secondary battery) which is one embodiment of the nonaqueous electrolyte storage element according to the present invention. The figure is a perspective view of the inside of the container. In the nonaqueous
本発明に係る非水電解質蓄電素子の構成については特に限定されるものではなく、円筒型電池、角型電池(矩形状の電池)、扁平型電池等が一例として挙げられる。本発明は、上記の非水電解質蓄電素子を複数備える蓄電装置としても実現することができる。蓄電装置の一実施形態を図2に示す。図2において、蓄電装置30は、複数の蓄電ユニット20を備えている。それぞれの蓄電ユニット20は、複数の非水電解質蓄電素子1を備えている。上記蓄電装置30は、電気自動車(EV)、ハイブリッド自動車(HEV)、プラグインハイブリッド自動車(PHEV)等の自動車用電源として搭載することができる。The configuration of the nonaqueous electrolyte storage element according to the present invention is not particularly limited, and examples include a cylindrical battery, a square battery (rectangular battery), and a flat battery. The present invention can also be realized as an electricity storage device having a plurality of the above-mentioned nonaqueous electrolyte storage elements. One embodiment of the electricity storage device is shown in FIG. 2. In FIG. 2, the
以下、実施例によって本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。The present invention will be explained in more detail below with reference to examples, but the present invention is not limited to the following examples.
実施例、比較例及び参考例で用いた非水溶媒及び添加剤の略称を以下に示す。 The abbreviations for the non-aqueous solvents and additives used in the examples, comparative examples, and reference examples are shown below.
[非水溶媒]
EMC:エチルメチルカーボネート
FEC:フルオロエチレンカーボネート
FMP:3,3,3-トリフルオロプロピオン酸メチル
FEA:酢酸-2,2,2-トリフルオロエチル
DFEA:酢酸-2,2-ジフルオロエチル
[Non-aqueous solvent]
EMC: Ethyl methyl carbonate FEC: Fluoroethylene carbonate FMP:
[添加剤]
LiDFOB:リチウムジフルオロオキサレートボレート
LiBOB:リチウムビスオキサレートボレート
VEC:ビニルエチレンカーボネート
[Additives]
LiDFOB: Lithium difluorooxalate borate LiBOB: Lithium bis(oxalate) borate VEC: Vinyl ethylene carbonate
[実施例1]
(非水電解質の調製)
FECとFMPとを体積比10:90で混合し、非水溶媒とした。この非水溶媒に、電解質塩としてヘキサフルオロリン酸リチウム(LiPF6)を1.2mol/Lの含有量となるように、また、添加剤としてLiDFOBを非水溶媒と電解質の総質量に対して0.2質量%となるように溶解させ、非水電解質を調製した。
[Example 1]
(Preparation of non-aqueous electrolyte)
FEC and FMP were mixed in a volume ratio of 10:90 to prepare a non-aqueous solvent. Lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) as an electrolyte salt was dissolved in the non-aqueous solvent at a content of 1.2 mol/L, and LiDFOB as an additive was dissolved at a content of 0.2 mass% relative to the total mass of the non-aqueous solvent and the electrolyte to prepare a non-aqueous electrolyte.
(正極の作製)
正極活物質として、LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2を用いた。質量比で、正極活物質:ポリフッ化ビニリデン(PVdF):アセチレンブラック(AB)=94:3:3の割合(固形物換算)で含み、N-メチルピロリドンを分散媒とする正極ペーストを作製した。この正極ペーストを正極活物質が単位電極面積あたり18.6mg/cm2含まれるように、正極基材としての帯状のアルミニウム箔の両面に塗布し、乾燥することにより分散媒であるN-メチルピロリドンを除去した。これをローラープレス機により加圧して正極合材層を成型した後、100℃で14時間減圧乾燥して、正極合材層中の水分を除去した。このようにして正極を得た。
(Preparation of Positive Electrode)
LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 was used as the positive electrode active material. A positive electrode paste containing the positive electrode active material: polyvinylidene fluoride (PVdF): acetylene black (AB) = 94: 3: 3 (solid equivalent) by mass ratio and N-methylpyrrolidone as a dispersion medium was prepared. This positive electrode paste was applied to both sides of a strip-shaped aluminum foil as a positive electrode substrate so that the positive electrode active material was contained at 18.6 mg / cm 2 per unit electrode area, and the dispersion medium N-methylpyrrolidone was removed by drying. This was pressed by a roller press machine to form a positive electrode mixture layer, and then dried under reduced pressure at 100 ° C. for 14 hours to remove moisture in the positive electrode mixture layer. In this way, a positive electrode was obtained.
(負極の作製)
負極活物質として、黒鉛を用いた。質量比で、負極活物質(黒鉛):スチレンブタジエンゴム(SBR):カルボキシメチルセルロース(CMC)=97:2:1の割合(固形分換算)で含み、水を分散媒とする負極ペーストを作製した。この負極ペーストを、負極活物質が単位電極面積あたり9.9mg/cm2含まれるように、負極基材としての帯状の銅箔集電体の両面に塗布し、乾燥することにより分散媒である水を除去した。これをローラープレス機により加圧して負極合材層を成型した後、100℃で12時間減圧乾燥して、負極合材層中の水分を除去した。このようにして負極を得た。
(Preparation of negative electrode)
Graphite was used as the negative electrode active material. A negative electrode paste containing negative electrode active material (graphite): styrene butadiene rubber (SBR): carboxymethyl cellulose (CMC) = 97: 2: 1 (solid content equivalent) was prepared using water as a dispersion medium. This negative electrode paste was applied to both sides of a strip-shaped copper foil current collector as a negative electrode substrate so that the negative electrode active material was contained at 9.9 mg / cm 2 per unit electrode area, and the water, which was the dispersion medium, was removed by drying. This was pressed with a roller press machine to form a negative electrode mixture layer, and then dried under reduced pressure at 100 ° C for 12 hours to remove the moisture in the negative electrode mixture layer. In this way, a negative electrode was obtained.
(非水電解質蓄電素子の作製)
セパレータとして、無機層が塗工されたポリオレフィン製微多孔膜を用いた。このセパレータを介して、上記正極と上記負極とを積層することにより電極体を作製した。この電極体をアルミニウム製の角形の非水電解質蓄電素子用容器に収納し、正極端子及び負極端子を取り付けた。この非水電解質蓄電素子用容器内部に上記非水電解質を注入した後、封口し、実施例1の非水電解質蓄電素子(二次電池)を得た。
(Preparation of non-aqueous electrolyte storage element)
A polyolefin microporous film coated with an inorganic layer was used as the separator. The positive electrode and the negative electrode were laminated with the separator interposed therebetween to prepare an electrode body. The electrode body was housed in an aluminum rectangular container for a nonaqueous electrolyte storage element, and a positive electrode terminal and a negative electrode terminal were attached. The nonaqueous electrolyte was poured into the container for a nonaqueous electrolyte storage element, and the container was sealed to obtain a nonaqueous electrolyte storage element (secondary battery) of Example 1.
(実施例2から6及び比較例1から3)
電解質塩の種類と含有量、非水溶媒の種類と体積比あるいは添加剤の種類と添加量を表1、2に示すとおりとしたこと以外は、実施例1と同様にして、実施例2から6及び比較例1から3の非水電解質蓄電素子を得た。なお、表中の「-」は相当する非水溶媒あるいは添加剤を用いていないことを示す。
(Examples 2 to 6 and Comparative Examples 1 to 3)
Nonaqueous electrolyte storage elements of Examples 2 to 6 and Comparative Examples 1 to 3 were obtained in the same manner as in Example 1, except that the type and content of the electrolyte salt, the type and volume ratio of the nonaqueous solvent, or the type and amount of additive were as shown in Tables 1 and 2. In the tables, "-" indicates that the corresponding nonaqueous solvent or additive was not used.
(実施例7)
電解質塩としてヘキサフルオロリン酸リチウム(LiPF6)を0.4mol/L及び、リチウムビス(フルオロスルホニル)アミド(LiFSA)を0.8mol/Lの含有量としたこと以外は、実施例2と同様にして、実施例7の非水電解質蓄電素子を得た。なお、表の「-」は相当する非水溶媒あるいは添加剤を用いていないことを示す。
(Example 7)
A nonaqueous electrolyte storage element of Example 7 was obtained in the same manner as in Example 2, except that the electrolyte salt contents were 0.4 mol/L of lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) and 0.8 mol/L of lithium bis(fluorosulfonyl)amide (LiFSA). Note that "-" in the table indicates that the corresponding nonaqueous solvent or additive was not used.
(参考例1から3)
非水溶媒として、FMPの代わりにDFEAを用いた以外は、比較例1、実施例5及び実施例2と同様にしてそれぞれ、参考例1から3の非水電解質蓄電素子を得た。なお、表の中の「-」は相当する非水溶媒あるいは添加剤を用いていないことを示す。ここで、「DFEA」は下記式(3)で表される。「DFEA」は、「FEA」と類似の構造ではあるが、カルボニルオキシ基のオキシ酸素原子に結合する基の末端がトリフルオロメチル基(-CF3)ではなく、ジフルオロメチル基(-CF2H)である化合物である。
(Reference Examples 1 to 3)
Non-aqueous electrolyte storage elements of Reference Examples 1 to 3 were obtained in the same manner as Comparative Example 1, Example 5, and Example 2, respectively, except that DFEA was used instead of FMP as the non-aqueous solvent. In the table, "-" indicates that the corresponding non-aqueous solvent or additive was not used. Here, "DFEA" is represented by the following formula (3). "DFEA" is a compound having a similar structure to "FEA", but in which the terminal of the group bonded to the oxyoxy atom of the carbonyloxy group is a difluoromethyl group (-CF 2 H) rather than a trifluoromethyl group (-CF 3 ).
上述の手順で作製した非水電解質蓄電素子のうち、比較例1、2及び実施例2に係る非水電解質蓄電素子は複数用意し、下記「初期充放電」に供したものを、「45℃保存試験」あるいは「0℃充放電サイクル試験」にそれぞれ供した。比較例3、実施例1、3から7及び参考例1から3に係る非水電解質蓄電素子は「初期充放電」に供したものを、「0℃充放電サイクル試験」に供した。Among the nonaqueous electrolyte storage elements prepared by the above-mentioned procedure, multiple nonaqueous electrolyte storage elements according to Comparative Examples 1 and 2 and Example 2 were prepared, and those subjected to the "initial charge/discharge" described below were subjected to a "45°C storage test" or a "0°C charge/discharge cycle test." The nonaqueous electrolyte storage elements according to Comparative Example 3, Examples 1, 3 to 7, and Reference Examples 1 to 3 were subjected to the "initial charge/discharge" and then subjected to a "0°C charge/discharge cycle test."
[評価]
<初期充放電>
得られた非水電解質蓄電素子について、25℃で以下(1)から(4)の工程にて初期充放電を行った。
(1)充電工程
0.2Cの電流値で4.3Vまで定電流充電を行う。4.3Vに到達後、その電圧を維持し、充電の開始から8時間経過したときを充電の終わりとし(いわゆる定電流定電圧充電)、10分間の休止を行う。
(2)放電工程
0.2Cの電流値で2.75Vまで定電流放電を行う。2.75Vに到達したときを放電の終わりとし、10分間の休止を行う。
(3)充電工程
1Cの電流値で4.3Vまで定電流充電を行う。4.3Vに到達後、その電圧を維持し、充電の開始から3時間経過したときを充電の終わりとし、10分間の休止を行う。
(4)放電工程
1Cの電流値で2.75Vまで定電流放電を行う。2.75Vに到達したときを放電の終わりとし、10分間の休止を行う。
上記(4)の工程における放電容量を「初期充放電試験における2回目の放電容量」として記録した。
[evaluation]
<Initial charge/discharge>
The obtained nonaqueous electrolyte storage element was initially charged and discharged at 25° C. in accordance with the following steps (1) to (4).
(1) Charging step: Constant current charging is performed at a current value of 0.2 C up to 4.3 V. After reaching 4.3 V, the voltage is maintained, and charging is completed 8 hours after the start of charging (so-called constant current constant voltage charging), followed by a 10-minute break.
(2) Discharge step: Discharge the battery at a constant current of 0.2 C down to 2.75 V. When the battery voltage reaches 2.75 V, the battery is discharged to the end, and a 10-minute break is then performed.
(3) Charging step: Constant current charging is performed at a current value of 1 C up to 4.3 V. After reaching 4.3 V, the voltage is maintained, and charging is terminated when 3 hours have elapsed since the start of charging, followed by a 10-minute break.
(4) Discharge step: Discharge at a constant current of 1 C down to 2.75 V. When 2.75 V is reached, discharge is terminated, and a 10-minute pause is performed.
The discharge capacity in the above step (4) was recorded as the "second discharge capacity in the initial charge/discharge test."
<45℃保存試験>
上記初期充放電後の非水電解質蓄電素子を、下記の工程にて45℃保存試験を行った。
(1’)充電工程
25℃の恒温槽中にて1Cの電流値で4.3Vまで定電流充電を行う。4.3Vに到達後、その電圧を維持し、充電の開始から3時間経過したときを充電の終わりとし、10分間の休止を行う。
(2’)45℃保存工程
非水電解質蓄電素子を開回路状態とし、45℃の恒温槽中に静置(保存)した。保存開始から30日経過した時点で、保存工程終了とし、蓄電素子を取り出し、5時間以上室温にて静置した。
(3’)放電工程
25℃の恒温槽中にて1Cの電流値で2.75Vまで定電流放電を行う。2.75Vに到達したときを放電の終わりとし、10分間の休止を行う。
(1’)、(2’)、(3’)の工程後、上記初期充放電における(3)、(4)の工程を25℃の恒温槽中で行い、そのときの放電容量を「保存後の放電容量」として記録した。初期充放電試験における2回目の放電容量に対する保存後の放電容量の百分率を「45℃保存試験後容量維持率/%」として求めた。
<45°C storage test>
The nonaqueous electrolyte storage element after the above initial charge/discharge was subjected to a storage test at 45° C. in the following manner.
(1') Charging step: The battery is charged at a constant current of 1 C in a thermostatic chamber at 25° C. up to 4.3 V. After the voltage reaches 4.3 V, the voltage is maintained, and charging is terminated when 3 hours have elapsed since the start of charging, followed by a 10-minute break.
(2') 45° C. storage step The nonaqueous electrolyte storage element was placed in an open circuit state and left to stand (store) in a thermostatic chamber at 45° C. After 30 days had passed since the start of storage, the storage step was terminated, and the storage element was taken out and left to stand at room temperature for 5 hours or more.
(3') Discharging Step: In a thermostatic chamber at 25° C., constant current discharge is performed at a current value of 1 C down to 2.75 V. When 2.75 V is reached, the discharge ends, and a 10-minute pause is performed.
After steps (1'), (2'), and (3'), steps (3) and (4) in the initial charge and discharge were performed in a thermostatic chamber at 25° C., and the discharge capacity at that time was recorded as "discharge capacity after storage." The percentage of the discharge capacity after storage to the second discharge capacity in the initial charge and discharge test was calculated as "capacity retention rate after 45° C. storage test/%."
<0℃充放電サイクル試験>
上記初期充放電後の非水電解質蓄電素子を、0℃の恒温槽中に5時間静置したのち下記の工程にて0℃充放電サイクル試験を行った。
(1’’)充電工程
1Cの電流値で4.3Vまで定電流充電を行う。4.3Vに到達後、その電圧を維持し、充電の開始から3時間経過したときを充電の終わりとし、10分間の休止を行う。
(2’’)放電工程
1Cの電流値で2.75Vまで定電流放電を行う。2.75Vに到達したときを放電の終わりとし、10分間の休止を行う。
上記(1’’)、(2’’)の工程を1回の充放電とし、350回の充放電サイクルを行った。1サイクル目の放電容量に対する350サイクル目の放電容量の百分率を「0℃サイクル試験後容量維持率/%」として求めた。また、添加剤を用いていない比較例1又は参考例1に対する0℃サイクル試験後容量維持率の差分を「0℃サイクル試験後容量維持率の未添加品との差分/%」として求めた。参考例2から3に関しては、参考例1に対する差分を、比較例3及び実施例1から7に関しては、比較例1に対する差分を求めた。この値はすなわち、添加剤を用いることで、低温環境下における充放電サイクル性能が改善された効果の大きさを表す指標である。
試験前後で、非水電解質蓄電素子の厚さを測定し、0℃充放電サイクル試験前後の厚さ変化を求めた。添加剤を用いていない比較例1又は参考例1に対する0℃充放電サイクル試験前後の厚さ変化の差分を「0℃サイクル試験後電池厚み変化の未添加品との差分/mm」として求めた。参考例2から3に関しては、参考例1に対する差分を、比較例3及び実施例1から7に関しては、比較例1に対する差分を求めた。この値が負の値であれば、添加剤を用いることで、0℃サイクル試験後の電池厚さの増加が抑制できていることを意味する。
<0°C charge/discharge cycle test>
The nonaqueous electrolyte storage element after the above initial charge and discharge was left to stand in a thermostatic chamber at 0° C. for 5 hours, and then a 0° C. charge and discharge cycle test was carried out in the following manner.
(1'') Charging step: Constant current charging is performed at a current value of 1 C up to 4.3 V. After reaching 4.3 V, the voltage is maintained, and charging is terminated when 3 hours have elapsed since the start of charging, followed by a 10-minute break.
(2'') Discharge step: Discharge at a constant current of 1 C down to 2.75 V. When 2.75 V is reached, discharge is terminated and a 10-minute break is performed.
The above steps (1'') and (2'') were counted as one charge and discharge, and 350 charge and discharge cycles were performed. The percentage of the discharge capacity at the 350th cycle relative to the discharge capacity at the first cycle was calculated as "capacity maintenance rate after 0°C cycle test/%". In addition, the difference in the capacity maintenance rate after 0°C cycle test with respect to Comparative Example 1 or Reference Example 1, which did not use an additive, was calculated as "difference in capacity maintenance rate after 0°C cycle test from non-additive product/%". For Reference Examples 2 and 3, the difference with respect to Reference Example 1 was calculated, and for Comparative Example 3 and Examples 1 to 7, the difference with respect to Comparative Example 1 was calculated. This value is an index showing the magnitude of the effect of improving the charge and discharge cycle performance in a low temperature environment by using the additive.
The thickness of the nonaqueous electrolyte storage element was measured before and after the test, and the thickness change before and after the 0°C charge-discharge cycle test was obtained. The difference in thickness change before and after the 0°C charge-discharge cycle test for Comparative Example 1 or Reference Example 1, which did not use an additive, was obtained as "difference in battery thickness change after 0°C cycle test from non-additive product/mm". For Reference Examples 2 and 3, the difference from Reference Example 1 was obtained, and for Comparative Example 3 and Examples 1 to 7, the difference from Comparative Example 1 was obtained. If this value is a negative value, it means that the use of the additive can suppress the increase in battery thickness after the 0°C cycle test.
上記の試験では、非水電解質蓄電素子の電圧が4.3Vであるとき、正極の電位は4.4V(vs.Li/Li+)であった。 In the above test, when the voltage of the nonaqueous electrolyte storage element was 4.3 V, the potential of the positive electrode was 4.4 V (vs. Li/Li + ).
実施例2、比較例1及び比較例2に係る非水電解質蓄電素子について、上述の「45℃保存試験」にて得られた「45℃保存試験後容量維持率/%」及び、「0℃充放電サイクル試験」によって得られた「0℃サイクル試験後容量維持率/%」を表1にまとめた。For the nonaqueous electrolyte storage elements of Example 2, Comparative Example 1, and Comparative Example 2, the "Capacity retention rate/% after 45°C storage test" obtained in the above-mentioned "45°C storage test" and the "Capacity retention rate/% after 0°C cycle test" obtained in the "0°C charge-discharge cycle test" are summarized in Table 1.
比較例1と比較例2を比べると、非水溶媒としてFECとFMPとを用いることで、FECとEMCとを用いたときと比べて、「45℃保存試験後容量維持率」が向上するが、一方で「0℃サイクル試験後容量維持率」(以下、低温特性と呼ぶこともある)が、低下することがわかる。
実施例2と比較例1を比べると、添加剤としてLiDFOBを加えることで、「45℃保存試験後容量維持率」が向上し、さらに「0℃サイクル試験後容量維持率」が大きく向上していることがわかる。
これらの結果から、本発明の非水電解質は、高温保存性能を維持しつつ、低温環境下における充放電サイクル性能に優れることがわかった。
Comparing Comparative Example 1 and Comparative Example 2, it can be seen that by using FEC and FMP as the nonaqueous solvent, the "capacity retention rate after 45°C storage test" is improved compared to when FEC and EMC are used, but on the other hand, the "capacity retention rate after 0°C cycle test" (hereinafter sometimes referred to as low-temperature characteristics) is decreased.
Comparing Example 2 with Comparative Example 1, it can be seen that by adding LiDFOB as an additive, the "capacity retention rate after a 45°C storage test" is improved, and further the "capacity retention rate after a 0°C cycle test" is greatly improved.
These results demonstrate that the nonaqueous electrolyte of the present invention maintains high-temperature storage performance while exhibiting excellent charge-discharge cycle performance in a low-temperature environment.
実施例1から7、比較例1、3及び参考例1から3に係る非水電解質蓄電素子について、「0℃充放電サイクル試験」によって得られた「0℃サイクル試験後容量維持率の未添加品との差分/%」、「0℃サイクル試験後電池厚み変化の未添加品との差分/mm」を表2にまとめた。 For the nonaqueous electrolyte storage elements of Examples 1 to 7, Comparative Examples 1 and 3, and Reference Examples 1 to 3, the "difference in capacity retention rate after 0°C cycle test from an unadded product (% difference)" and "difference in battery thickness change after 0°C cycle test from an unadded product (mm difference)" obtained by the "0°C charge-discharge cycle test" are summarized in Table 2.
実施例1から4と、比較例1を比較すると、添加剤としてLiDFOBを用いることで、添加量によらず、低温特性が改善し、0℃充放電サイクル試験後の電池厚さの増加も抑制できていた。 Comparing Examples 1 to 4 with Comparative Example 1, it was found that by using LiDFOB as an additive, the low-temperature characteristics were improved regardless of the amount added, and the increase in battery thickness after the 0°C charge-discharge cycle test was also suppressed.
実施例5と、比較例1及び3を比較すると、添加剤としてLiBOBを用いた場合でも、低温特性の改善効果が見られることがわかる。しかしながら、VECを用いた場合では、顕著に低下することがわかる。 Comparing Example 5 with Comparative Examples 1 and 3, it can be seen that the low-temperature properties are improved even when LiBOB is used as an additive. However, when VEC is used, the properties are significantly reduced.
実施例7と、比較例1を比較すると、電解質塩としてLiFSAを用いた場合でも、低温特性の改善効果が見られることがわかる。 Comparing Example 7 with Comparative Example 1, it can be seen that the improvement in low-temperature characteristics is observed even when LiFSA is used as the electrolyte salt.
実施例6と、比較例1を比較すると、非水溶媒としてFEAを用いた場合でも、低温特性の改善効果が見られることがわかる。また、0℃充放電サイクル試験後の電池厚さの増加も抑制されていた。 Comparing Example 6 with Comparative Example 1, it can be seen that even when FEA was used as a non-aqueous solvent, the effect of improving low-temperature characteristics was observed. In addition, the increase in battery thickness after the 0°C charge-discharge cycle test was also suppressed.
参考例1と、参考例2及び3を比較すると、非水溶媒としてDFEAを用いた場合では、LiDFOBを添加しても低温特性の改善効果は小さく、また、0℃充放電サイクル試験後の電池厚さの増加の抑制効果もないことがわかる。すなわち、非水溶媒としてFEA又はFMPを用いたときのほうが、低温特性の改善効果が顕著であることがわかる。
このメカニズムに関しては以下のような理由が考えられる。PM3(Parameterized Model number 3)法によるLUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbital)計算の結果、LUMOは、DFEA、FEA及びFMPの中では、DFEAが最も大きく、FMPが最も小さかった。LUMOの値が大きいほど、耐還元性に優れるといわれている。すなわち、FEA及びFMPはDFEAと比較して還元されやすいといえ、「ジフルオロメチル基を含む基を有するフッ素化カルボン酸エステル」と「トリフルオロメチル基を含む基を有するフッ素化カルボン酸エステル」とを比較すると、「トリフルオロメチル基を含む基を有するフッ素化カルボン酸エステル」のほうが還元されやすい傾向にあるといえる。そのため、DFEAと比べて還元されやすいFEA又はFMPを非水溶媒として用いた非水電解質蓄電素子は、FEA又はFMPが添加剤として含有されているLiDFOBと共に負極上で分解され、ホウ素原子とフッ素原子とが近接する均質な被膜が形成されることで、低温環境下において優れた充放電サイクル性能を発揮すると考えられる。
Comparing Reference Example 1 with Reference Examples 2 and 3, it can be seen that when DFEA is used as the non-aqueous solvent, the effect of improving low-temperature characteristics is small even when LiDFOB is added, and there is no effect of suppressing the increase in battery thickness after a charge-discharge cycle test at 0° C. That is, it can be seen that the effect of improving low-temperature characteristics is more remarkable when FEA or FMP is used as the non-aqueous solvent.
The following reasons are considered for this mechanism. As a result of LUMO (Lowest Unoccupied Molecular Orbital) calculation by PM3 (Parameterized Model number 3) method, DFEA had the largest LUMO and FMP had the smallest LUMO among DFEA, FEA and FMP. It is said that the larger the LUMO value, the better the reduction resistance. That is, FEA and FMP are more easily reduced than DFEA, and when comparing "fluorinated carboxylate having a group containing a difluoromethyl group" and "fluorinated carboxylate having a group containing a trifluoromethyl group", it can be said that "fluorinated carboxylate having a group containing a trifluoromethyl group" tends to be more easily reduced. Therefore, in a non-aqueous electrolyte storage element using FEA or FMP as a non-aqueous solvent, which are more easily reduced than DFEA, it is believed that FEA or FMP is decomposed on the negative electrode together with LiDFOB containing the additive, and a homogeneous coating is formed in which boron atoms and fluorine atoms are in close proximity, thereby exhibiting excellent charge-discharge cycle performance in a low-temperature environment.
本発明は、パーソナルコンピュータ、通信端末等の電子機器、自動車等の電源として使用される非水電解質蓄電素子等に適用できる。The present invention can be applied to nonaqueous electrolyte storage elements used as power sources for electronic devices such as personal computers and communication terminals, and automobiles.
1 非水電解質蓄電素子
2 電極体
3 非水電解質蓄電素子用容器
4 正極端子
4’ 正極リード
5 負極端子
5’ 負極リード
20 蓄電ユニット
30 蓄電装置
Claims (6)
電解質塩と、
ホウ素原子にジカルボキシレート基が結合したアニオンと
を含有し、
上記非水溶媒が、フッ素化環状カーボネート、及びトリフルオロメチル基を含む基を有するフッ素化カルボン酸エステルを含み、
上記フッ素化環状カーボネートがフルオロエチレンカーボネートであり、
上記フッ素化カルボン酸エステルが3,3,3-トリフルオロプロピオン酸メチル又は3,3,3-トリフルオロプロピオン酸メチルと酢酸-2,2,2-トリフルオロエチルとの組み合わせであり、
上記アニオンがジフルオロオキサレートボレートアニオンである非水電解質。 A non-aqueous solvent;
An electrolyte salt;
and an anion having a dicarboxylate group bonded to a boron atom;
the non-aqueous solvent contains a fluorinated cyclic carbonate and a fluorinated carboxylate having a group containing a trifluoromethyl group,
the fluorinated cyclic carbonate is fluoroethylene carbonate,
the fluorinated carboxylate is methyl 3,3,3-trifluoropropionate or a combination of methyl 3,3,3-trifluoropropionate and 2,2,2-trifluoroethyl acetate;
The non-aqueous electrolyte , wherein the anion is a difluorooxalatoborate anion .
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