JP7700924B2 - Nonaqueous electrolyte storage element, its manufacturing method and nonaqueous electrolyte - Google Patents
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Description
本発明は、非水電解質蓄電素子、その製造方法及び非水電解質に関する。 The present invention relates to a non-aqueous electrolyte storage element, a manufacturing method thereof, and a non-aqueous electrolyte.
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。非水電解質蓄電素子に用いられる高エネルギー密度を有する負極活物質として、金属リチウムが知られている(特許文献1、2参照)。 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. Metallic lithium is known as a negative electrode active material with high energy density used in non-aqueous electrolyte storage elements (see Patent Documents 1 and 2).
リチウム電池等、負極活物質に金属リチウムが用いられた非水電解質蓄電素子においては、充電の際に負極表面で金属リチウムが樹枝状に析出することがある(以下、樹枝状の形態をした金属リチウムを「デンドライト」という。)。このデンドライトが成長しセパレータを貫通して正極と接触すると、微短絡を引き起こす。このため、負極活物質として金属リチウムを含有する非水電解質蓄電素子は、充放電の繰り返しによって微短絡が発生しやすいという不都合を有する。 In non-aqueous electrolyte storage elements that use metallic lithium as the negative electrode active material, such as lithium batteries, metallic lithium may precipitate in a dendritic form on the surface of the negative electrode during charging (hereinafter, metallic lithium in a dendritic form will be referred to as "dendrites"). When these dendrites grow and penetrate the separator to come into contact with the positive electrode, they cause a micro-short circuit. For this reason, non-aqueous electrolyte storage elements that contain metallic lithium as the negative electrode active material have the disadvantage that they are prone to micro-short circuits due to repeated charging and discharging.
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、負極が金属リチウムを含有する場合において充放電の繰り返しに伴う微短絡の発生が抑制された非水電解質蓄電素子、このような非水電解質蓄電素子の製造方法、及び微短絡の発生を抑制することができるリチウム電池用の非水電解質を提供することである。 The present invention was made based on the above circumstances, and its purpose is to provide a nonaqueous electrolyte storage element in which the occurrence of micro-short circuits due to repeated charging and discharging is suppressed when the negative electrode contains metallic lithium, a method for manufacturing such a nonaqueous electrolyte storage element, and a nonaqueous electrolyte for lithium batteries that can suppress the occurrence of micro-short circuits.
本発明の一態様は、金属リチウムを含有する負極、並びに多価金属カチオン及びイミドアニオンを含む非水電解質を備える非水電解質蓄電素子である。 One aspect of the present invention is a non-aqueous electrolyte storage element that includes a negative electrode containing metallic lithium and a non-aqueous electrolyte containing a polyvalent metal cation and an imide anion.
本発明の他の一態様は、金属リチウムを含有する負極を準備すること、並びに多価金属カチオン及びイミドアニオンを含む非水電解質を準備すること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 preparing a negative electrode containing metallic lithium and preparing a nonaqueous electrolyte containing a polyvalent metal cation and an imide anion.
本発明の他の一態様は、多価金属カチオン及びイミドアニオンを含むリチウム電池用の非水電解質である。 Another aspect of the present invention is a non-aqueous electrolyte for a lithium battery that contains a polyvalent metal cation and an imide anion.
本発明の一態様によれば、負極が金属リチウムを含有する場合において充放電の繰り返しに伴う微短絡の発生が抑制された非水電解質蓄電素子、このような非水電解質蓄電素子の製造方法、及び微短絡の発生を抑制することができるリチウム電池用の非水電解質を提供することができる。 According to one aspect of the present invention, it is possible to provide a nonaqueous electrolyte storage element in which the occurrence of micro-short circuits due to repeated charging and discharging is suppressed when the negative electrode contains metallic lithium, a method for manufacturing such a nonaqueous electrolyte storage element, and a nonaqueous electrolyte for a lithium battery that can suppress the occurrence of micro-short circuits.
初めに、本明細書によって開示され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の概要について説明する。 First, we will provide an overview of the nonaqueous electrolyte storage element, the method for manufacturing the nonaqueous electrolyte storage element, and the nonaqueous electrolyte disclosed in this specification.
本発明の一態様に係る非水電解質蓄電素子は、金属リチウムを含有する負極、並びに多価金属カチオン及びイミドアニオンを含む非水電解質を備える非水電解質蓄電素子である。 A nonaqueous electrolyte storage element according to one embodiment of the present invention is a nonaqueous electrolyte storage element that includes a negative electrode containing metallic lithium and a nonaqueous electrolyte that includes a polyvalent metal cation and an imide anion.
当該非水電解質蓄電素子は、負極が金属リチウムを含有するにもかかわらず、充放電の繰り返しに伴う微短絡の発生が抑制されている。すなわち、当該非水電解質蓄電素子においては、充放電の繰り返しによって生じる微短絡の発生が遅延化されている。この理由は定かではないが、以下の理由が推測される。第一に、多価金属カチオンは、多価であるため、非水電解質中でカチオンとアニオンとが完全には解離しておらず、多価金属カチオンとイミドアニオン等のアニオンとがイオン対や部分解離した多重イオンを形成し、そのイオン対や多重イオンが溶媒和した状態となっていると推測される。このため、負極表面で多価金属カチオンが還元されて被膜が形成される際にイミドアニオンの分解も生じ、形成される被膜中に多価金属と共にイミドアニオンに由来する成分が含まれる結果、被膜が低抵抗で且つ良質なものとなることが考えられる。第二に、負極表面でデンドライトが成長する際、デンドライトの樹枝状の先端において多価金属カチオンが還元されることで先端方向へのデンドライトの成長が抑制される。この結果、デンドライトの形状は樹枝状から塊状になり、充放電の繰り返しに伴う微短絡の発生が抑制されると考えられる。このようなことから、金属リチウムを含有する負極、並びに多価金属カチオン及びイミドアニオンを含む非水電解質を備える本発明の一実施形態に係る非水電解質蓄電素子においては、充放電の繰り返しに伴う微短絡の発生が抑制されているものと推測される。 In this nonaqueous electrolyte storage element, even though the negative electrode contains metallic lithium, the occurrence of micro-short circuits due to repeated charging and discharging is suppressed. That is, in this nonaqueous electrolyte storage element, the occurrence of micro-short circuits caused by repeated charging and discharging is delayed. The reason for this is unclear, but the following reasons are presumed. First, since the polyvalent metal cation is polyvalent, the cation and the anion are not completely dissociated in the nonaqueous electrolyte, and it is presumed that the polyvalent metal cation and the anion such as the imide anion form an ion pair or a partially dissociated multiple ion, and the ion pair or the multiple ion is in a solvated state. For this reason, when the polyvalent metal cation is reduced on the surface of the negative electrode to form a coating, the imide anion also decomposes, and the coating formed contains components derived from the imide anion together with the polyvalent metal, so that the coating has low resistance and is of good quality. Secondly, when dendrites grow on the surface of the negative electrode, the polyvalent metal cation is reduced at the dendritic tip of the dendrite, thereby suppressing the growth of the dendrite toward the tip. As a result, the shape of the dendrite changes from dendritic to clumpy, which is thought to suppress the occurrence of micro-short circuits caused by repeated charging and discharging. For this reason, it is presumed that the occurrence of micro-short circuits caused by repeated charging and discharging is suppressed in a nonaqueous electrolyte storage element according to one embodiment of the present invention, which includes a negative electrode containing metallic lithium and a nonaqueous electrolyte containing a polyvalent metal cation and an imide anion.
上記多価金属カチオンが、第2族元素、第11族元素又は第12族元素のカチオンであることが好ましい。非水電解質にこれらの元素のカチオンが含有されていることにより、充放電の繰り返しに伴う微短絡の発生がより抑制される。 The polyvalent metal cation is preferably a cation of a Group 2, Group 11, or Group 12 element. By containing cations of these elements in the nonaqueous electrolyte, the occurrence of micro-short circuits due to repeated charging and discharging is further suppressed.
上記多価金属カチオンが、マグネシウム又は銅のカチオンであることが好ましい。非水電解質にこれらの元素のカチオンが含有されている場合、充放電の繰り返しに伴う微短絡の発生がよりさらに抑制される。 The polyvalent metal cation is preferably a magnesium or copper cation. When the nonaqueous electrolyte contains cations of these elements, the occurrence of micro-short circuits caused by repeated charging and discharging is further suppressed.
上記多価金属カチオンが、典型元素のカチオンであることも好ましい。非水電解質に含まれる多価金属カチオンが典型元素のカチオンである場合も、充放電の繰り返しに伴う微短絡の発生を十分に抑制することができる。 It is also preferable that the polyvalent metal cation is a cation of a typical element. Even when the polyvalent metal cation contained in the nonaqueous electrolyte is a cation of a typical element, the occurrence of micro-short circuits due to repeated charging and discharging can be sufficiently suppressed.
上記非水電解質が、フッ素化溶媒を含むことが好ましい。非水電解質がフッ素化溶媒を含むことにより、形成される被膜がより良質なものとなることなどにより、充放電の繰り返しに伴う微短絡の発生がより抑制される。 It is preferable that the non-aqueous electrolyte contains a fluorinated solvent. When the non-aqueous electrolyte contains a fluorinated solvent, the coating formed is of better quality, and the occurrence of micro-short circuits caused by repeated charging and discharging is further suppressed.
本発明の一態様に係る非水電解質蓄電素子の製造方法は、金属リチウムを含有する負極を準備すること、並びに多価金属カチオン及びイミドアニオンを含む非水電解質を準備することを備える非水電解質蓄電素子の製造方法である。 A method for producing a nonaqueous electrolyte storage element according to one embodiment of the present invention includes preparing a negative electrode containing metallic lithium, and preparing a nonaqueous electrolyte containing a polyvalent metal cation and an imide anion.
当該製造方法によれば、負極が金属リチウムを含有するにもかかわらず、充放電の繰り返しに伴う微短絡の発生が抑制さ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 manufacture a nonaqueous electrolyte storage element in which the occurrence of micro-short circuits caused by repeated charging and discharging is suppressed, even though the negative electrode contains metallic lithium.
本発明の一態様に係る非水電解質は、多価金属カチオン及びイミドアニオンを含むリチウム電池用の非水電解質である。 The nonaqueous electrolyte according to one embodiment of the present invention is a nonaqueous electrolyte for a lithium battery that contains a polyvalent metal cation and an imide anion.
当該非水電解質によれば、リチウム電池における充放電の繰り返しに伴う微短絡の発生を抑制することができる。 This non-aqueous electrolyte can suppress the occurrence of micro-short circuits that occur during repeated charging and discharging in lithium batteries.
以下、本発明の一実施形態に係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について、順に説明する。 The nonaqueous electrolyte storage element according to one embodiment of the present invention, the manufacturing method of the nonaqueous electrolyte storage element, and the nonaqueous electrolyte will be described below.
<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、正極、負極及び非水電解質を有する。以下、非水電解質蓄電素子の一例として、非水電解質二次電池(以下、単に「二次電池」ともいう。)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。この電極体は容器に収納され、この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 has a positive electrode, a negative electrode, and a nonaqueous electrolyte. Hereinafter, a nonaqueous electrolyte secondary battery (hereinafter, simply referred to as a "secondary battery") will be described as an example of a nonaqueous electrolyte storage element. The positive electrode and the negative electrode are usually stacked or wound alternately with a separator interposed therebetween to form an electrode body. This electrode body is housed in a container, and the container is filled with a nonaqueous electrolyte. The nonaqueous electrolyte is interposed between the positive electrode and the negative electrode. In addition, as the container, a known metal container, a resin container, or the like that is usually used as a container for a secondary battery can be used.
(正極)
正極は、正極基材、及びこの正極基材に直接又は中間層を介して配される正極活物質層を有する。
(positive electrode)
The positive electrode has a positive electrode substrate and a positive electrode active material layer disposed on the positive electrode substrate directly or via an intermediate layer.
正極基材は、導電性を有する。「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。正極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及び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 has electrical conductivity. Having "electrical conductivity" means that the volume resistivity measured in accordance with JIS-H-0505 (1975) is 10 7 Ω·cm or less, and "non-electrically conductive" means that the volume resistivity is more than 10 7 Ω·cm. As the material of the positive electrode substrate, metals such as aluminum, titanium, tantalum, stainless steel, etc., or alloys thereof are used. Among these, aluminum and aluminum alloys are preferred in terms of the balance between potential resistance, high electrical conductivity, and cost. In addition, examples of the formation form of the positive electrode substrate include foil, vapor deposition film, etc., and foil is preferred in terms of cost. In other words, aluminum foil is preferred as the positive electrode substrate. In addition, examples of aluminum or aluminum alloys include A1085P, A3003P, etc., as specified in JIS-H-4000 (2014).
正極基材の平均厚さは、3μm以上50μm以下が好ましく、5μm以上40μm以下がより好ましく、8μm以上30μm以下がさらに好ましく、10μm以上25μm以下が特に好ましい。正極基材の平均厚さを上記の範囲とすることで、正極基材の強度を高めつつ、二次電池の体積当たりのエネルギー密度を高めることができる。「平均厚さ」とは、所定の面積の基材を打ち抜いた際の打ち抜き質量を、基材の真密度及び打ち抜き面積で除した値をいう。以下、後述する負極基材及び負極活物質層の「平均厚さ」についても同様である。 The average thickness of the positive electrode substrate is preferably 3 μm to 50 μm, more preferably 5 μm to 40 μm, even more preferably 8 μm to 30 μm, and particularly preferably 10 μm to 25 μm. By setting the average thickness of the positive electrode substrate within the above range, the strength of the positive electrode substrate can be increased while increasing the energy density per volume of the secondary battery. The "average thickness" refers to the value obtained by dividing the punched mass when a substrate of a given area is punched out by the true density and punched area of the substrate. The same applies to the "average thickness" of the negative electrode substrate and the negative electrode active material layer described below.
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活物質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ー及び導電性粒子を含有する組成物により形成できる。 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 active material layer. The composition 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.
正極活物質層は、正極活物質を含むいわゆる正極合剤から形成される層である。正極活物質層を形成する正極合剤は、必要に応じて導電剤、バインダー、増粘剤、フィラー等の任意成分を含んでいてもよい。 The positive electrode active material layer is a layer formed from a so-called positive electrode mixture that contains a positive electrode active material. The positive electrode mixture that forms the positive electrode active material layer may contain optional components such as a conductive agent, a binder, a thickener, and a filler as necessary.
正極活物質としては、公知の正極活物質の中から適宜選択できる。リチウム二次電池用の正極活物質としては、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料が用いられる。正極活物質としては、例えば、α-NaFeO2型結晶構造を有するリチウム遷移金属複合酸化物、スピネル型結晶構造を有するリチウム遷移金属複合酸化物、ポリアニオン化合物、カルコゲン化合物、硫黄等が挙げられる。α-NaFeO2型結晶構造を有するリチウム遷移金属複合酸化物として、例えば、Li[LixNi1-x]O2(0≦x<0.5)、Li[LixNiγCo1-x-γ]O2(0≦x<0.5、0<γ<1)、Li[LixCo1-x]O2(0≦x<0.5)、Li[LixNiγMn1-x-γ]O2(0≦x<0.5、0<γ<1)、Li[LixNiγMnβCo1-x-γ-β]O2(0≦x<0.5、0<γ、0<β、0.5<γ+β<1)、Li[LixNiγCoβAl1-x-γ-β]O2(0≦x<0.5、0<γ、0<β、0.5<γ+β<1)等が挙げられる。スピネル型結晶構造を有するリチウム遷移金属複合酸化物として、LixMn2O4、LixNiγMn2-γO4等が挙げられる。ポリアニオン化合物として、LiFePO4、LiMnPO4、LiNiPO4、LiCoPO4、Li3V2(PO4)3、Li2MnSiO4、Li2CoPO4F等が挙げられる。カルコゲン化合物として、二硫化チタン、二硫化モリブデン、二酸化モリブデン等が挙げられる。これらの材料中の原子又はポリアニオンは、他の元素からなる原子又はアニオン種で一部が置換されていてもよい。これらの材料は表面が他の材料で被覆されていてもよい。正極活物質層においては、これら材料の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。 The positive electrode active material can be appropriately selected from known positive electrode active materials. A material capable of absorbing and releasing lithium ions is usually used as the positive electrode active material for a lithium secondary battery. Examples of the positive electrode active material include lithium transition metal composite oxides having an α-NaFeO 2 type crystal structure, lithium transition metal composite oxides having a spinel type crystal structure, polyanion compounds, chalcogen compounds, sulfur, and the like. Examples of lithium transition metal composite oxides having α-NaFeO 2 type crystal structure include Li[Li x Ni 1-x ]O 2 (0≦x<0.5), Li[Li x Ni γ Co 1-x-γ ]O 2 (0≦x<0.5, 0<γ<1), Li[Li x Co 1-x ]O 2 (0≦x<0.5), Li[Li x Ni γ Mn 1-x-γ ]O 2 (0≦x<0.5, 0<γ<1), Li[Li x Ni γ Mn β Co 1-x-γ-β ]O 2 (0≦x<0.5, 0<γ, 0<β, 0.5<γ+β<1), Li[Li x Ni γ Co β Al 1-x-γ-β ]O 2 (0≦x<0.5, 0<γ, 0<β, 0.5<γ+β<1), etc. Examples of lithium transition metal composite oxides having a spinel crystal structure include Li x Mn 2 O 4 and Li x Ni γ Mn 2-γ O 4 , etc. Examples of polyanion compounds include LiFePO 4 , LiMnPO 4 , LiNiPO 4 , LiCoPO 4 , Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 , Li 2 MnSiO 4 , and Li 2 CoPO 4 F, etc. Examples of chalcogen compounds include titanium disulfide, molybdenum disulfide, and molybdenum dioxide, etc. Atoms or polyanions in these materials may be partially substituted with atoms or anion species consisting of other elements. The surface of these materials may be covered with another material. In the positive electrode active material layer, these materials may be used alone or in combination of two or more.
正極活物質としては、リチウム遷移金属複合酸化物が好ましく、α-NaFeO2型結晶構造を有するリチウム遷移金属複合酸化物がより好ましい。リチウム遷移金属複合酸化物は、遷移金属としてニッケル又はマンガンを含むことが好ましく、ニッケル及びマンガンの双方を含むことがより好ましい。リチウム遷移金属複合酸化物は、コバルト等の他の遷移金属をさらに含んでいてもよい。α-NaFeO2型結晶構造を有するリチウム遷移金属複合酸化物においては、遷移金属(Me)に対するリチウム(Li)のモル比(Li/Me)が1超であることが好ましく、1.1以上さらには1.2以上であることがより好ましく、1.3以上であることがさらに好ましい。このようなリチウム遷移金属複合酸化物を用いることで、電気容量を大きくすることができる。また、このような正極活物質を用いた非水電解質蓄電素子の場合、高い電流密度で使用される傾向にあり、通常、デンドライトは成長しやすい。従って、上記リチウム遷移金属複合酸化物を有する正極を備える非水電解質蓄電素子の場合、微短絡の発生を抑制するという効果がより顕著に享受できる。なお、遷移金属に対するリチウムのモル比(Li/Me)の上限としては、1.6が好ましく、1.5がより好ましい。 As the positive electrode active material, a lithium transition metal composite oxide is preferable, and a lithium transition metal composite oxide having an α-NaFeO 2 type crystal structure is more preferable. The lithium transition metal composite oxide preferably contains nickel or manganese as a transition metal, and more preferably contains both nickel and manganese. The lithium transition metal composite oxide may further contain other transition metals such as cobalt. In the lithium transition metal composite oxide having an α-NaFeO 2 type crystal structure, the molar ratio (Li/Me) of lithium (Li) to the transition metal (Me) is preferably more than 1, more preferably 1.1 or more, and even more preferably 1.2 or more, and even more preferably 1.3 or more. By using such a lithium transition metal composite oxide, the electric capacity can be increased. In addition, in the case of a nonaqueous electrolyte storage element using such a positive electrode active material, it tends to be used at a high current density, and dendrites are usually easy to grow. Therefore, in the case of a nonaqueous electrolyte storage element having a positive electrode having the above-mentioned lithium transition metal composite oxide, the effect of suppressing the occurrence of a micro-short circuit can be more significantly enjoyed. The upper limit of the molar ratio of lithium to the transition metal (Li/Me) is preferably 1.6, and more preferably 1.5.
α-NaFeO2型結晶構造を有するリチウム遷移金属複合酸化物としては、下記式(1)で表される化合物が好ましい。
Li1+αMe1-αO2 ・・・(1)
式(1)中、MeはNi又はMnを含む遷移金属である。0<α<1である。
As the lithium transition metal composite oxide having an α- NaFeO2 type crystal structure, a compound represented by the following formula (1) is preferable.
Li 1+α Me 1-α O 2 ...(1)
In formula (1), Me is a transition metal including Ni or Mn, and 0<α<1.
式(1)中のMeは、Ni及びMnを含むことが好ましい。Meは、実質的にNi及びMnの二元素、又はNi、Mn及びCoの三元素から構成されていることが好ましい。Meは、その他の遷移金属が含有されていてもよい。 In formula (1), Me preferably contains Ni and Mn. Me preferably consists essentially of two elements, Ni and Mn, or three elements, Ni, Mn, and Co. Me may contain other transition metals.
式(1)中、Meに対するNiのモル比(Ni/Me)の下限としては、0.1が好ましく、0.2がより好ましい。一方、このモル比(Ni/Me)の上限としては、0.5が好ましく、0.45がより好ましい。モル比(Ni/Me)を上記範囲とすることにより、エネルギー密度が向上する。 In formula (1), the lower limit of the molar ratio of Ni to Me (Ni/Me) is preferably 0.1, and more preferably 0.2. On the other hand, the upper limit of this molar ratio (Ni/Me) is preferably 0.5, and more preferably 0.45. By setting the molar ratio (Ni/Me) within the above range, the energy density is improved.
式(1)中、Meに対するMnのモル比(Mn/Me)の下限としては、0.5が好ましく、0.55がより好ましく、0.6がさらに好ましい。一方、このモル比(Mn/Me)の上限としては、0.75が好ましく、0.7がより好ましい。モル比(Mn/Me)を上記範囲とすることにより、エネルギー密度が向上する。 In formula (1), the lower limit of the molar ratio of Mn to Me (Mn/Me) is preferably 0.5, more preferably 0.55, and even more preferably 0.6. On the other hand, the upper limit of this molar ratio (Mn/Me) is preferably 0.75, and more preferably 0.7. By setting the molar ratio (Mn/Me) within the above range, the energy density is improved.
式(1)中、Meに対するCoのモル比(Co/Me)の上限としては、0.3が好ましく、0.2がより好ましく、0.1がさらに好ましい。このモル比(Co/Me)又はこのモル比(Co/Me)の下限は0であってよい。 In formula (1), the upper limit of the molar ratio of Co to Me (Co/Me) is preferably 0.3, more preferably 0.2, and even more preferably 0.1. This molar ratio (Co/Me) or the lower limit of this molar ratio (Co/Me) may be 0.
式(1)中、Meに対するLiのモル比(Li/Me)、即ち、(1+α)/(1-α)は、1.0超(α>0)が好ましく、1.1以上がより好ましく、1.2以上がさらに好ましく、1.3以上がよりさらに好ましい。一方、このモル比(Li/Me)の上限としては、1.6が好ましく、1.5がより好ましい。モル比(Li/Me)を上記範囲とすることで、電気容量が大きくなる。 In formula (1), the molar ratio of Li to Me (Li/Me), i.e., (1+α)/(1-α), is preferably greater than 1.0 (α>0), more preferably 1.1 or greater, even more preferably 1.2 or greater, and even more preferably 1.3 or greater. On the other hand, the upper limit of this molar ratio (Li/Me) is preferably 1.6, and more preferably 1.5. By setting the molar ratio (Li/Me) within the above range, the electrical capacity is increased.
上記遷移金属(Me)に対するリチウム(Li)のモル比(Li/Me)が1超であるリチウム遷移金属複合酸化物は、CuKα線を用いたエックス線回折図において20°以上22°以下の範囲に回折ピークが存在しないものであることが好ましい。遷移金属(Me)に対するリチウム(Li)のモル比(Li/Me)が1超であるリチウム遷移金属複合酸化物は、一般的に正極電位が例えば4.5V vs.Li/Li+以上に至るまでの初期充放電を経ることにより電気容量が大きくなる。また、このような初期充放電の際の結晶構造の変化により、初期充放電前に上記20°以上22°以下の範囲に存在した回折ピークが消失する。すなわち、遷移金属(Me)に対するリチウム(Li)のモル比(Li/Me)が1超であるリチウム遷移金属複合酸化物であって、上記エックス線回折図において20°以上22°以下の範囲に回折ピークが存在しない活物質は、電気容量が大きい。 The lithium transition metal composite oxide having a molar ratio (Li/Me) of lithium (Li) to the transition metal (Me) of more than 1 is preferably one having no diffraction peak in the range of 20° to 22° in the X-ray diffraction diagram using CuKα radiation. The lithium transition metal composite oxide having a molar ratio (Li/Me) of lithium (Li) to the transition metal (Me) of more than 1 generally has a large electric capacity through initial charging and discharging until the positive electrode potential reaches, for example, 4.5 V vs. Li/Li + or more. In addition, due to the change in the crystal structure during such initial charging and discharging, the diffraction peak that existed in the range of 20° to 22° before the initial charging and discharging disappears. That is, a lithium transition metal composite oxide having a molar ratio (Li/Me) of lithium (Li) to the transition metal (Me) of more than 1 and having no diffraction peak in the range of 20° to 22° in the X-ray diffraction diagram has a large electric capacity.
なお、本明細書におけるリチウム遷移金属複合酸化物の組成比は、次の方法により完全放電状態としたときの組成比をいう。まず、非水電解質蓄電素子を、0.05Cの電流で通常使用時の充電終止電圧となるまで定電流充電し、満充電状態とする。30分の休止後、0.05Cの電流で通常使用時の下限電圧まで定電流放電する。解体し、正極を取り出し、金属リチウム電極を対極とした試験電池を組み立て、正極合剤1gあたり10mAの電流値で、正極電位が2.0V vs.Li/Li+となるまで定電流放電を行い、正極を完全放電状態に調整する。ここでの金属リチウム電極には、リチウム合金ではなく、純金属リチウムを用いる。再解体し、正極を取り出す。ジメチルカーボネートを用いて、取り出した正極に付着した非水電解質を十分に洗浄し、室温にて一昼夜乾燥後、正極活物質のリチウム遷移金属複合酸化物を採取する。採取したリチウム遷移金属複合酸化物を測定に供する。非水電解質蓄電素子の解体から測定までの作業は露点-60℃以下のアルゴン雰囲気中で行う。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、又は指定される充放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。 In this specification, the composition ratio of the lithium transition metal composite oxide refers to the composition ratio when the lithium transition metal composite oxide is fully discharged by the following method. First, the nonaqueous electrolyte storage element is charged at a constant current of 0.05C until the charge end voltage during normal use is reached, and the element is fully charged. After a 30-minute pause, the element is discharged at a constant current of 0.05C to the lower limit voltage during normal use. The element is disassembled, the positive electrode is removed, and a test battery is assembled with a metallic lithium electrode as the counter electrode. A constant current discharge is performed at a current value of 10 mA per 1 g of the positive electrode mixture until the positive electrode potential reaches 2.0 V vs. Li/Li + , and the positive electrode is adjusted to a fully discharged state. For the metallic lithium electrode here, pure metallic lithium is used, not a lithium alloy. The element is disassembled again, and the positive electrode is removed. The nonaqueous electrolyte attached to the removed positive electrode is thoroughly washed using dimethyl carbonate, and the positive electrode is dried overnight at room temperature, and then the lithium transition metal composite oxide of the positive electrode active material is collected. The collected lithium transition metal composite oxide is subjected to measurement. The operations from disassembly of the nonaqueous electrolyte storage element to measurement are performed in an argon atmosphere with a dew point of −60° C. or lower. Here, normal use refers to a case where the nonaqueous electrolyte storage element is used by adopting charge/discharge conditions recommended or specified for the nonaqueous electrolyte storage element, and in the case where a charger for the nonaqueous electrolyte storage element is prepared, the charger is used to use the nonaqueous electrolyte storage element.
リチウム遷移金属複合酸化物に対するエックス線回折測定は、上記方法により完全放電状態としたリチウム遷移金属複合酸化物に対して行う。具体的には、エックス線回折測定は、エックス回折装置(Rigaku社の「MiniFlex II」)を用いた粉末エックス線回折測定によって、線源はCuKα線、管電圧は30kV、管電流は15mAとして行う。このとき、回折エックス線は、厚さ30μmのKβフィルターを通り、高速一次元検出器(D/teX Ultra 2)にて検出される。また、サンプリング幅は0.02°、スキャンスピードは5°/min、発散スリット幅は0.625°、受光スリット幅は13mm(OPEN)、散乱スリット幅は8mmとする。 X-ray diffraction measurements of lithium transition metal composite oxides are performed on lithium transition metal composite oxides that have been fully discharged by the above method. Specifically, X-ray diffraction measurements are performed by powder X-ray diffraction measurements using an X-ray diffractometer (Rigaku's "MiniFlex II") with a CuKα radiation source, a tube voltage of 30 kV, and a tube current of 15 mA. At this time, the diffracted X-rays pass through a Kβ filter with a thickness of 30 μm and are detected by a high-speed one-dimensional detector (D/teX Ultra 2). The sampling width is 0.02°, the scan speed is 5°/min, the divergence slit width is 0.625°, the receiving slit width is 13 mm (OPEN), and the scattering slit width is 8 mm.
全ての正極活物質に対する上記リチウム遷移金属複合酸化物の含有量の下限は、50質量%が好ましく、80質量%がより好ましく、95質量%がさらに好ましい。全ての正極活物質に対する上記リチウム遷移金属複合酸化物の含有量は、100質量%であってよい。 The lower limit of the content of the lithium transition metal composite oxide relative to all the positive electrode active materials is preferably 50% by mass, more preferably 80% by mass, and even more preferably 95% by mass. The content of the lithium transition metal composite oxide relative to all the positive electrode active materials may be 100% by mass.
正極活物質の平均粒径は、例えば、0.1μm以上20μm以下とすることが好ましい。正極活物質の平均粒径を上記下限以上とすることで、正極活物質の製造又は取り扱いが容易になる。正極活物質の平均粒径を上記上限以下とすることで、正極活物質層の電子伝導性が向上する。ここで、「平均粒径」とは、JIS-Z-8825(2013年)に準拠し、粒子を溶媒で希釈した希釈液に対しレーザ回折・散乱法により測定した粒径分布に基づき、JIS-Z-8819-2(2001年)に準拠し計算される体積基準積算分布が50%となる値を意味する。 The average particle size of the positive electrode active material is preferably, for example, 0.1 μm or more and 20 μm or less. By setting the average particle size of the positive electrode active material to the above lower limit or more, the positive electrode active material can be easily manufactured or handled. By setting the average particle size of the positive electrode active material to the above upper limit or less, the electronic conductivity of the positive electrode active material layer is improved. Here, "average particle size" refers to the value at which the volume-based cumulative distribution calculated in accordance with JIS-Z-8819-2 (2001) is 50% based on the particle size distribution measured by a laser diffraction/scattering method for a diluted solution in which particles are diluted with a solvent in accordance with JIS-Z-8825 (2013).
正極活物質の粒子を所定の形状で得るためには粉砕機や分級機等が用いられる。粉砕方法として、例えば、乳鉢、ボールミル、サンドミル、振動ボールミル、遊星ボールミル、ジェットミル、カウンタージェットミル、旋回気流型ジェットミル又は篩等を用いる方法が挙げられる。粉砕時には水、あるいはヘキサン等の有機溶剤を共存させた湿式粉砕を用いることもできる。分級方法としては、篩や風力分級機等が、乾式、湿式ともに必要に応じて用いられる。 In order to obtain particles of the positive electrode active material in a predetermined shape, a grinder, a classifier, etc. are used. Examples of grinding methods include methods using a mortar, a ball mill, a sand mill, a vibrating ball mill, a planetary ball mill, a jet mill, a counter jet mill, a swirling airflow type jet mill, or a sieve. When grinding, wet grinding in the presence of water or an organic solvent such as hexane can also be used. As a classification method, a sieve or an air classifier can be used as necessary for both dry and wet methods.
正極活物質層における正極活物質の含有量としては、70質量%以上98質量%以下が好ましく、80質量%以上97質量%以下がより好ましく、90質量%以上96質量%以下がさらに好ましい。正極活物質の含有量を上記範囲とすることで、二次電池の電気容量を大きくすることができる。 The content of the positive electrode active material in the positive electrode active material layer is preferably 70% by mass or more and 98% by mass or less, more preferably 80% by mass or more and 97% by mass or less, and even more preferably 90% by mass or more and 96% by mass or less. By setting the content of the positive electrode active material within the above range, the electrical capacity of the secondary battery can be increased.
導電剤としては、導電性を有する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、例えば、炭素質材料;金属;導電性セラミックス等が挙げられる。炭素質材料としては、黒鉛やカーボンブラックが挙げられる。カーボンブラックの種類としては、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が挙げられる。これらの中でも、導電性及び塗工性の観点より、炭素質材料が好ましい。なかでも、アセチレンブラックやケッチェンブラックが好ましい。導電剤の形状としては、粉状、シート状、繊維状等が挙げられる。 The conductive agent is not particularly limited as long as it is a material having electrical conductivity. Examples of such conductive agents include carbonaceous materials, metals, and conductive ceramics. Examples of carbonaceous materials include graphite and carbon black. Examples of carbon black include furnace black, acetylene black, and ketjen black. Among these, carbonaceous materials are preferred from the viewpoint of electrical conductivity and coatability. Of these, acetylene black and ketjen black are preferred. The conductive agent may be in the form of a powder, a sheet, or a fiber.
正極活物質層における導電剤の含有量は、1質量%以上40質量%以下が好ましく、2質量%以上10質量%以下がより好ましい。導電剤の含有量を上記の範囲とすることで、二次電池のエネルギー密度を高めることができる。 The content of the conductive agent in the positive electrode active material layer is preferably 1% by mass or more and 40% by mass or less, and more preferably 2% by mass or more and 10% by mass or less. By setting the content of the conductive agent in the above range, the energy density of the secondary battery can be increased.
バインダーとしては、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;多糖類高分子などが挙げられる。 Examples of binders include thermoplastic resins such as fluororesins (polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), etc.), polyethylene, polypropylene, and polyimide; elastomers such as ethylene-propylene-diene rubber (EPDM), sulfonated EPDM, styrene butadiene rubber (SBR), and fluororubber; and polysaccharide polymers.
正極活物質層におけるバインダーの含有量は、0.5質量%以上10質量%以下が好ましく、1質量%以上6質量%以下がより好ましい。バインダーの含有量を上記の範囲とすることで、活物質を安定して保持することができる。 The binder content in the positive electrode active material layer is preferably 0.5% by mass or more and 10% by mass or less, and more preferably 1% by mass or more and 6% by mass or less. By keeping the binder content within the above range, the active material can be stably maintained.
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。本発明の一態様においては、増粘剤は正極活物質層に含有されていないことが好ましい場合もある。 Examples of thickeners include polysaccharide polymers such as carboxymethyl cellulose (CMC) and methyl cellulose. In addition, when 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. In one aspect of the present invention, it may be preferable that the thickener is not contained in the positive electrode active material layer.
フィラーは、特に限定されない。フィラーとしては、ポリプロピレン、ポリエチレン等のポリオレフィン、二酸化ケイ素、酸化アルミニウム、二酸化チタン、酸化カルシウム、酸化ストロンチウム、酸化バリウム、酸化マグネシウム、アルミノケイ酸塩等の無機酸化物、水酸化マグネシウム、水酸化カルシウム、水酸化アルミニウム等の水酸化物、炭酸カルシウム等の炭酸塩、フッ化カルシウム、フッ化バリウム、硫酸バリウム等の難溶性のイオン結晶、窒化アルミニウム、窒化ケイ素等の窒化物、タルク、モンモリロナイト、ベーマイト、ゼオライト、アパタイト、カオリン、ムライト、スピネル、オリビン、セリサイト、ベントナイト、マイカ等の鉱物資源由来物質又はこれらの人造物等が挙げられる。本発明の一態様においては、フィラーは正極活物質層に含有されていないことが好ましい場合もある。 The filler is not particularly limited. Examples of the filler include polyolefins such as polypropylene and polyethylene, inorganic oxides such as silicon dioxide, aluminum oxide, titanium dioxide, calcium oxide, strontium oxide, barium oxide, magnesium oxide, and aluminosilicates, hydroxides such as magnesium hydroxide, calcium hydroxide, and aluminum hydroxide, carbonates such as calcium carbonate, poorly soluble ion crystals such as calcium fluoride, barium fluoride, and barium sulfate, nitrides such as aluminum nitride and silicon nitride, mineral resource-derived substances such as talc, montmorillonite, boehmite, zeolite, apatite, kaolin, mullite, spinel, olivine, sericite, bentonite, and mica, and artificial products thereof. In one aspect of the present invention, it may be preferable that the filler is not contained in the positive electrode active material layer.
正極活物質層は、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、Sn、Sr、Ba等の典型金属元素、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Mo、Zr、Nb、W等の遷移金属元素を正極活物質、導電剤、バインダー、増粘剤、フィラー以外の成分として含有してもよい。 The positive electrode active material layer may contain typical nonmetallic elements such as B, N, P, F, Cl, Br, and I, typical metallic elements such as Li, Na, Mg, Al, K, Ca, Zn, Ga, Ge, Sn, Sr, and Ba, and transition metallic elements such as Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Mo, Zr, Nb, and W as components other than the positive electrode active material, conductive agent, binder, thickener, and filler.
(負極)
負極は、負極基材、及びこの負極基材に直接又は中間層を介して配される負極活物質層を有する。負極の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 has a negative electrode substrate and a negative electrode active material layer disposed on the negative electrode substrate directly or via an intermediate layer. The intermediate layer of the negative electrode may have the same structure as the intermediate layer of the positive electrode.
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、炭素質材料等が用いられ、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 of the same construction 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, or a carbonaceous material, and copper or a copper alloy is 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.
負極基材の平均厚さは、2μm以上35μm以下が好ましく、3μm以上30μm以下がより好ましく、4μm以上25μm以下がさらに好ましく、5μm以上20μm以下が特に好ましい。負極基材の平均厚さを上記の範囲とすることで、負極基材の強度を高めつつ、二次電池の体積当たりのエネルギー密度を高めることができる。 The average thickness of the negative electrode substrate is preferably 2 μm or more and 35 μm or less, more preferably 3 μm or more and 30 μm or less, even more preferably 4 μm or more and 25 μm or less, and particularly preferably 5 μm or more and 20 μm or less. By setting the average thickness of the negative electrode substrate within the above range, it is possible to increase the strength of the negative electrode substrate while increasing the energy density per volume of the secondary battery.
負極活物質層は、金属リチウムを含有する。すなわち、本実施形態の二次電池は、リチウム電池である。金属リチウムは、負極活物質として機能する成分である。金属リチウムは、実質的にリチウム元素のみからなる純金属リチウムとして存在してもよいし、他の金属元素を含むリチウム合金として存在してもよい。リチウム合金としては、リチウム銀合金、リチウム亜鉛合金、リチウムカルシウム合金、リチウムアルミニウム合金、リチウムマグネシウム合金、リチウムインジウム合金等が挙げられる。リチウム合金は、リチウム以外の複数の金属元素を含有していてもよい。 The negative electrode active material layer contains metallic lithium. That is, the secondary battery of this embodiment is a lithium battery. Metallic lithium is a component that functions as a negative electrode active material. Metallic lithium may exist as pure metallic lithium consisting essentially of lithium element alone, or as a lithium alloy containing other metal elements. Examples of lithium alloys include lithium silver alloys, lithium zinc alloys, lithium calcium alloys, lithium aluminum alloys, lithium magnesium alloys, and lithium indium alloys. The lithium alloy may contain multiple metal elements other than lithium.
負極活物質層は、実質的に金属リチウムのみからなる層であってよい。負極活物質層における金属リチウムの含有量は、90質量%以上であってよく、99質量%以上であってよく、100質量%であってよい。 The negative electrode active material layer may be a layer consisting essentially of metallic lithium. The content of metallic lithium in the negative electrode active material layer may be 90% by mass or more, may be 99% by mass or more, or may be 100% by mass.
負極活物質層は、金属リチウム箔又はリチウム合金箔であってよい。負極活物質層は、無孔質の層(中実の層)であってよい。負極活物質層の平均厚さは、5μm以上1,000μm以下が好ましく、10μm以上500μm以下がより好ましく、30μm以上300μm以下がさらに好ましい。 The negative electrode active material layer may be a metallic lithium foil or a lithium alloy foil. The negative electrode active material layer may be a non-porous layer (solid layer). The average thickness of the negative electrode active material layer is preferably 5 μm or more and 1,000 μm or less, more preferably 10 μm or more and 500 μm or less, and even more preferably 30 μm or more and 300 μm or less.
(セパレータ)
セパレータは、公知のセパレータの中から適宜選択できる。セパレータとして、例えば、基材層のみからなるセパレータ、基材層の一方の面又は双方の面に耐熱粒子とバインダーとを含む耐熱層が形成されたセパレータ等を使用することができる。セパレータの基材層が耐熱粒子を含んでいてもよい。セパレータの基材層の材質としては、例えば、織布、不織布、多孔質樹脂フィルム等が挙げられる。これらの材質の中でも、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。セパレータの基材層の材料としては、シャットダウン機能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。セパレータの基材層として、これらの樹脂を複合した材料を用いてもよい。
(Separator)
The separator can be appropriately selected from known separators. For example, a separator consisting of only a base layer, a separator in which a heat-resistant layer containing heat-resistant particles and a binder is formed on one or both sides of the base layer, etc. can be used as the separator. The base layer of the separator may contain heat-resistant particles. Examples of the material of the base layer of the separator include woven fabric, nonwoven fabric, and porous resin film. Among these materials, porous resin film is preferable from the viewpoint of strength, and nonwoven fabric is preferable from the viewpoint of non-aqueous electrolyte retention. As the material of the base layer of the separator, polyolefin such as polyethylene and polypropylene is preferable from the viewpoint of shutdown function, and polyimide and aramid are preferable from the viewpoint of oxidation decomposition resistance. A material obtained by combining these resins may be used as the base layer of the separator.
耐熱層及び基材層に含まれる耐熱粒子は、大気下で室温から500℃に加熱したときの質量減少が5%以下であるものが好ましく、大気下で室温から800℃に加熱したときの質量減少が5%以下であるものがさらに好ましい。加熱したときの質量減少が所定以下である材料として無機化合物が挙げられる。無機化合物として、例えば、酸化鉄、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化チタン、チタン酸バリウム、酸化ジルコニウム、酸化カルシウム、酸化ストロンチウム、酸化バリウム、酸化マグネシウム、アルミノケイ酸塩等の酸化物;水酸化マグネシウム、水酸化カルシウム、水酸化アルミニウム等の水酸化物;窒化アルミニウム、窒化ケイ素等の窒化物;炭酸カルシウム等の炭酸塩;硫酸バリウム等の硫酸塩;フッ化カルシウム、フッ化バリウム等の難溶性のイオン結晶;シリコン、ダイヤモンド等の共有結合性結晶;タルク、モンモリロナイト、ベーマイト、ゼオライト、アパタイト、カオリン、ムライト、スピネル、オリビン、セリサイト、ベントナイト、マイカ等の鉱物資源由来物質又はこれらの人造物等が挙げられる。無機化合物として、これらの物質の単体又は複合体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。これらの無機化合物の中でも、蓄電素子の安全性の観点から、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、又はアルミノケイ酸塩が好ましい。 The heat-resistant particles contained in the heat-resistant layer and the base material layer preferably have a mass loss of 5% or less when heated from room temperature to 500°C in air, and more preferably have a mass loss of 5% or less when heated from room temperature to 800°C in air. Examples of materials that have a mass loss of a specified amount or less when heated include inorganic compounds. Examples of inorganic compounds include oxides such as iron oxide, silicon oxide, aluminum oxide, titanium oxide, barium titanate, zirconium oxide, calcium oxide, strontium oxide, barium oxide, magnesium oxide, and aluminosilicates; hydroxides such as magnesium hydroxide, calcium hydroxide, and aluminum hydroxide; nitrides such as aluminum nitride and silicon nitride; carbonates such as calcium carbonate; sulfates such as barium sulfate; poorly soluble ion crystals such as calcium fluoride and barium fluoride; covalent crystals such as silicon and diamond; mineral resource-derived substances such as talc, montmorillonite, boehmite, zeolite, apatite, kaolin, mullite, spinel, olivine, sericite, bentonite, and mica, or artificial products thereof. As inorganic compounds, these substances may be used alone or in combination of two or more. Among these inorganic compounds, silicon oxide, aluminum oxide, and aluminosilicate are preferred from the viewpoint of the safety of the storage element.
セパレータの空孔率は、強度の観点から80体積%以下が好ましく、放電性能の観点から20体積%以上が好ましい。ここで、「空孔率」とは、体積基準の値であり、水銀ポロシメータでの測定値を意味する。 The porosity of the separator is preferably 80% by volume or less from the viewpoint of strength, and 20% by volume or more from the viewpoint of discharge performance. Here, "porosity" refers to a volume-based value measured using a mercury porosimeter.
セパレータとして、ポリマーと非水電解質とで構成されるポリマーゲルを用いてもよい。ポリマーとして、例えば、ポリアクリロニトリル、ポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシド、ポリエチレンカーボネート、ポリプロピレンカーボネート、ポリビニルカーボネート、ポリメチルメタアクリレート等のポリアルキルメタアクリレート類、ポリメチルアクリレート等のポリアルキルアクリレート類、ポリビニルエチレンカーボネート、ポリビニルアセテート、ポリビニルピロリドン、ポリマレイン酸及びその誘導体、ポリフッ化ビニリデン、フッ化ビニリデン-ヘキサフルオロプロピレン共重合体、ポリテトラフルオロエチレン等、及びこれらのポリマーを構成するモノマーの共重合体、並びにこれらのポリマーの混合体が挙げられる。また、これらポリマーは、無機塩やイオン液体と複合させてもよい。ポリマーゲルを用いると、漏液を抑制する効果がある。セパレータとして、上述したような多孔質樹脂フィルム又は不織布等とポリマーゲルを併用してもよい。 As the separator, a polymer gel composed of a polymer and a non-aqueous electrolyte may be used. Examples of the polymer include polyacrylonitrile, polyethylene oxide, polypropylene oxide, polyethylene carbonate, polypropylene carbonate, polyvinyl carbonate, polyalkyl methacrylates such as polymethyl methacrylate, polyalkyl acrylates such as polymethyl acrylate, polyvinyl ethylene carbonate, polyvinyl acetate, polyvinylpyrrolidone, polymaleic acid and its derivatives, polyvinylidene fluoride, vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer, polytetrafluoroethylene, and copolymers of monomers constituting these polymers, as well as mixtures of these polymers. These polymers may also be combined with inorganic salts or ionic liquids. The use of a polymer gel has the effect of suppressing leakage. As the separator, a polymer gel may be used in combination with the porous resin film or nonwoven fabric described above.
(非水電解質)
非水電解質は、多価金属カチオン及びイミドアニオンを含む。非水電解質は、通常、非水溶媒と、この非水溶媒に溶解された電解質塩とをさらに含む。上記多価金属カチオンとイミドアニオンとは、これらから構成される添加剤(多価金属イミド塩)として非水電解質に添加又は含有されていてもよい。また、上記多価金属カチオンとイミドアニオンとは、一部又は全部がイオン対を形成した状態で存在していてもよく、部分解離した多重イオンの状態で存在していてもよく、完全解離した状態で存在していてもよい。上記イミドアニオンには、電解質塩由来のものが含まれていてもよい。非水電解質は、その他の添加剤等をさらに含んでいてもよい。
(Non-aqueous electrolyte)
The non-aqueous electrolyte includes a polyvalent metal cation and an imide anion. The non-aqueous electrolyte usually further includes a non-aqueous solvent and an electrolyte salt dissolved in the non-aqueous solvent. The polyvalent metal cation and the imide anion may be added to or contained in the non-aqueous electrolyte as an additive (polyvalent metal imide salt) composed of them. In addition, the polyvalent metal cation and the imide anion may exist in a state in which a part or all of them form an ion pair, may exist in a state of partially dissociated multiple ions, or may exist in a state of complete dissociation. The imide anion may include one derived from the electrolyte salt. The non-aqueous electrolyte may further include other additives, etc.
(多価金属カチオン)
多価金属カチオンとしては、例えば第2族から第14族の元素のうちの金属元素の多価カチオンを挙げることができる。多価金属カチオンの価数は、2価、3価又は4価以上であってよいが、2価又は3価であることが好ましく、2価であることがより好ましい。多価金属カチオンは、1種又は2種以上含有されていてもよい。
(polyvalent metal cation)
Examples of polyvalent metal cations include polyvalent cations of metal elements from Group 2 to Group 14. The valence of the polyvalent metal cation may be divalent, trivalent, or tetravalent or more, preferably divalent or trivalent, and more preferably divalent. One or more types of polyvalent metal cations may be contained.
具体的な多価金属カチオンとしては、第2族元素の多価カチオン(Mg2+、Ca2+、Sr2+、Ba2+等)、第3族元素の多価カチオン(Sc3+、La3+等)、第4族元素の多価カチオン(Ti3+等)、第5族元素の多価カチオン(V3+等)、第6族元素の多価カチオン(Cr3+等)、第7族元素の多価カチオン(Mn2+等)、第8族元素の多価カチオン(Fe2+、Fe3+等)、第9族元素の多価カチオン(Co2+等)、第10族元素の多価カチオン(Ni2+等)、第11族元素の多価カチオン(Cu2+等)、第12族元素の多価カチオン(Zn2+、Cd2+等)、第13族元素のうちの金属元素の多価カチオン(Al3+等)、第14族元素のうちの金属元素の多価カチオン(Sn2+、Pb2+等)等が挙げられる。 Specific examples of polyvalent metal cations include polyvalent cations of Group 2 elements (Mg 2+ , Ca 2+ , Sr 2+ , Ba 2+ , etc.), polyvalent cations of Group 3 elements (Sc 3+ , La 3+ , etc.), polyvalent cations of Group 4 elements (Ti 3+ , etc.), polyvalent cations of Group 5 elements (V 3+ , etc.), polyvalent cations of Group 6 elements (Cr 3+ , etc.), polyvalent cations of Group 7 elements (Mn 2+ , etc.), polyvalent cations of Group 8 elements (Fe 2+ , Fe 3+ , etc.), polyvalent cations of Group 9 elements (Co 2+ , etc.), polyvalent cations of Group 10 elements (Ni 2+ , etc.), polyvalent cations of Group 11 elements (Cu 2+ , etc.), polyvalent cations of Group 12 elements (Zn 2+ , Cd 2+ , etc.), and polyvalent cations of metal elements of Group 13 elements (Al 3+ , etc.), and polyvalent cations of metal elements in Group 14 elements (Sn 2+ , Pb 2+ , etc.).
これらの中でも、第2族元素、第3族元素、第11族元素又は第12族元素の多価カチオンが好ましく、第2族元素、第11族元素又は第12族元素の多価カチオンがより好ましく、第2族元素又は第11族元素の多価カチオンがさらに好ましく、マグネシウムイオン(Mg2+)及び銅イオン(Cu2+)がよりさらに好ましい。また、第3周期又は第4周期の元素の多価金属カチオンであることも好ましい。このような多価金属カチオンが非水電解質に含有されていることで、充放電の繰り返しに伴う微短絡の発生抑制効果が高まる。 Among these, polyvalent cations of Group 2, Group 3, Group 11 or Group 12 elements are preferred, polyvalent cations of Group 2, Group 11 or Group 12 elements are more preferred, polyvalent cations of Group 2 or Group 11 elements are even more preferred, and magnesium ion (Mg 2+ ) and copper ion (Cu 2+ ) are even more preferred. Polyvalent metal cations of elements of Period 3 or Period 4 are also preferred. By containing such polyvalent metal cations in the non-aqueous electrolyte, the effect of suppressing the occurrence of micro-short circuit caused by repeated charging and discharging is enhanced.
多価金属カチオンは、典型元素のカチオンであることも好ましい。典型元素とは、遷移金属元素(第3族から第11族元素)以外の元素をいう。すなわち、典型元素のカチオンである多価金属カチオンとしては、第2族元素及び第12族元素の多価カチオン、並びに第13族元素、第14族元素及び第15族元素のうちの金属元素の多価カチオンなどが挙げられる。 It is also preferable that the polyvalent metal cation is a cation of a typical element. A typical element refers to an element other than a transition metal element (elements of groups 3 to 11). In other words, examples of polyvalent metal cations that are cations of typical elements include polyvalent cations of elements of groups 2 and 12, and polyvalent cations of metal elements of groups 13, 14, and 15.
非水電解質における多価金属カチオンの含有量は、0.0001質量%以上1質量%以下が好ましく、0.001質量%以上0.1質量%以下がより好ましく、0.002質量%以上0.03質量%以下がさらに好ましい。また、非水電解質における多価金属カチオンの含有量は、0.01mmol/kg以上100mmol/kg以下が好ましく、0.1mmol/kg以上10mmol/kg以下がより好ましく、0.5mmol/kg以上4mmol/kg以下がさらに好ましい。多価カチオンの含有量が上記下限以上であることで、十分な量及び質の被膜が形成され、充放電の繰り返しに伴う微短絡の発生抑制効果が高まる。一方、多価カチオンの含有量が上記上限以下であることで、リチウムイオンの溶解性や伝導性を十分な状態に保つことができ、充放電の繰り返しに伴う微短絡の発生抑制効果が高まると共に充放電性能も向上する。 The content of polyvalent metal cations in the non-aqueous electrolyte is preferably 0.0001% by mass to 1% by mass, more preferably 0.001% by mass to 0.1% by mass, and even more preferably 0.002% by mass to 0.03% by mass. The content of polyvalent metal cations in the non-aqueous electrolyte is preferably 0.01 mmol/kg to 100 mmol/kg, more preferably 0.1 mmol/kg to 10 mmol/kg, and even more preferably 0.5 mmol/kg to 4 mmol/kg. By having the content of polyvalent cations equal to or greater than the lower limit, a coating of sufficient quantity and quality is formed, and the effect of suppressing the occurrence of micro-short circuits due to repeated charging and discharging is enhanced. On the other hand, by having the content of polyvalent cations equal to or less than the upper limit, the solubility and conductivity of lithium ions can be maintained in a sufficient state, and the effect of suppressing the occurrence of micro-short circuits due to repeated charging and discharging is enhanced, and the charge and discharge performance is also improved.
(イミドアニオン)
イミドアニオンとしては、N(SO2F)2
-(ビス(フルオロスルホニル)イミドアニオン:FSI-)、N(CF3SO2)2
-(ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドアニオン:TFSI-)、N(C2F5SO2)2
-(ビス(ペンタフルオロエタンスルホニル)イミドアニオン:BETI-)、N(C4F9SO2)2
-(ビス(ノナフルオロブタンスルホニル)イミドアニオン)、CF3-SO2-N-SO2-N-SO2-CF3
-、CF3-SO2-N-SO2-CF2-SO2-N-SO2-CF3
2-等の対称スルホニルイミドアニオン、N(SO2F)(SO2CF3)-((フルオロスルホニル)(トリフルオロメタンスルホニル)イミドアニオン)、N(SO2F)(SO2C2F5)-((フルオロスルホニル)(ペンタフルオロエタンスルホニル)イミドアニオン)、N(SO2F)(SO2C4F9)-((フルオロスルホニル)(ノナフルオロブタンスルホニル)イミドアニオン)、N(SO2CF3)(SO2C4F9)-((トリフルオロメタンスルホニル)(ノナフルオロブタンスルホニル)イミドアニオン)、FSO2-N-SO2-C4F9
-、CF3-SO2-N-SO2-C4F9
-、CF3-SO2-N-SO2-CF2-SO3
2-、CF3-SO2-N-SO2-CF2-SO2-C(-SO2CF3)2
2-等の非対称スルホニルイミドアニオン;N(POF2)2
-(ビス(ジフルオロホスホニル)イミドアニオン)等のホスホニルイミドアニオン等を挙げることができ、スルホニルイミドアニオン(対称スルホニルイミドアニオン及び非対称スルホニルイミドアニオン)が好ましい。イミドアニオンは、1種又は2種以上を用いることができる。
(imide anion)
Examples of the imide anion include symmetric sulfonylimide anions such as N(SO 2 F) 2 − (bis(fluorosulfonyl)imide anion: FSI − ), N(CF 3 SO 2 ) 2 − (bis(trifluoromethanesulfonyl)imide anion: TFSI − ), N(C 2 F 5 SO 2 ) 2 − (bis(pentafluoroethanesulfonyl)imide anion: BETI − ), N(C 4 F 9 SO 2 ) 2 − (bis(nonafluorobutanesulfonyl)imide anion), CF 3 —SO 2 —N—SO 2 —N—SO 2 —CF 3 − , and CF 3 —SO 2 —N —SO 2 —CF 2 —SO 2 —N—SO 2 —CF 3 2- ; F)(SO 2 CF 3 ) -- ((fluorosulfonyl)(trifluoromethanesulfonyl)imide anion), N(SO 2 F)(SO 2 C 2 F 5 ) -- ((fluorosulfonyl)(pentafluoroethanesulfonyl)imide anion), N(SO 2 F)(SO 2 C 4 F 9 ) -- ((fluorosulfonyl)(nonafluorobutanesulfonyl)imide anion), N(SO 2 CF 3 )(SO 2 C 4 F 9 ) -- ((trifluoromethanesulfonyl)(nonafluorobutanesulfonyl)imide anion), FSO 2 --N--SO 2 --C 4 F 9 -- , CF 3 --SO 2 --N--SO 2 --C 4 F 9 -- , CF 3 --SO 2 --N--SO 2 Examples of the imide anion include asymmetric sulfonylimide anions such as --CF2 -- SO32- , CF3 -- SO2 -- N --SO2-- CF2--SO2--C(--SO2CF3)22- , and phosphonylimide anions such as N( POF2 ) 2-- ( bis(difluorophosphonyl)imide anion), and sulfonylimide anions (symmetric sulfonylimide anions and asymmetric sulfonylimide anions) are preferred. One or more types of imide anions can be used.
イミドアニオンは、フッ素原子を有することが好ましく、具体的には例えばフルオロスルホニル基、ジフルオロホスホニル基、フルオロアルキル基等を有することが好ましい。また、イミドアニオンとしては、フッ素原子を有するスルホニルイミドアニオンがより好ましく、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドアニオン(TFSI-)が特に好ましい。このようなイミドアニオンを用いることで、形成される被膜がより良質になることなどにより、微短絡の発生をより抑制することができる。 The imide anion preferably has a fluorine atom, specifically, for example, a fluorosulfonyl group, a difluorophosphonyl group, a fluoroalkyl group, or the like. As the imide anion, a sulfonylimide anion having a fluorine atom is more preferable, and bis(trifluoromethanesulfonyl)imide anion (TFSI − ) is particularly preferable. By using such an imide anion, the formed coating film has better quality, and the occurrence of micro-short circuit can be further suppressed.
非水電解質におけるイミドアニオンの含有量は、0.001質量%以上50質量%以下が好ましく、0.005質量%以上10質量%以下がより好ましく、0.01質量%以上3質量%以下がさらに好ましく、0.02質量%以上1質量%以下がよりさらに好ましく、0.03質量%以上0.2質量%以下が特に好ましい。また、非水電解質におけるイミドアニオンの含有量は、0.02mmol/kg以上3mol/kg以下が好ましく、0.1mmol/kg以上1mol/kg以下がより好ましく、0.2mmol/kg以上200mmol/kg以下がさらに好ましく、0.5mmol/kg以上20mmol/kg以下がよりさらに好ましく、1mmol/kg以上8mmol/kg以下が特に好ましい。イミドアニオンの含有量が上記下限以上であることで、十分な量及び質の被膜が形成され、充放電の繰り返しに伴う微短絡の発生抑制効果が高まる。一方、イミドアニオンの含有量が上記上限以下であることで、伝導性を十分な状態に保つことができ、充放電の繰り返しに伴う微短絡の発生抑制効果が高まると共に充放電性能も向上する。なお、非水電解質におけるイミドアニオンが、例えば、多価金属イミド塩として非水電解質に添加又は含有されているものと電解質塩として非水電解質に含有されているものとがある場合は、これらの多価金属イミド塩由来のイミドアニオンの含有量と電解質塩由来のイミドアニオンの含有量との合計である。 The content of imide anions in the non-aqueous electrolyte is preferably 0.001% by mass or more and 50% by mass or less, more preferably 0.005% by mass or more and 10% by mass or less, even more preferably 0.01% by mass or more and 3% by mass or less, even more preferably 0.02% by mass or more and 1% by mass or less, and particularly preferably 0.03% by mass or more and 0.2% by mass or less. The content of imide anions in the non-aqueous electrolyte is preferably 0.02 mmol/kg or more and 3 mol/kg or less, more preferably 0.1 mmol/kg or more and 1 mol/kg or less, even more preferably 0.2 mmol/kg or more and 200 mmol/kg or less, even more preferably 0.5 mmol/kg or more and 20 mmol/kg or less, and particularly preferably 1 mmol/kg or more and 8 mmol/kg or less. By having the content of imide anions be equal to or more than the above lower limit, a coating of sufficient quantity and quality is formed, and the effect of suppressing the occurrence of micro-short circuits due to repeated charging and discharging is enhanced. On the other hand, by having the content of imide anions be equal to or less than the upper limit, the conductivity can be maintained in a sufficient state, the effect of suppressing the occurrence of micro-short circuits due to repeated charging and discharging is enhanced, and the charge and discharge performance is also improved. Note that, in the case where the imide anions in the non-aqueous electrolyte are, for example, those added or contained in the non-aqueous electrolyte as a polyvalent metal imide salt and those contained in the non-aqueous electrolyte as an electrolyte salt, the content of the imide anions derived from these polyvalent metal imide salts and the content of the imide anions derived from the electrolyte salt are the sum of these.
(多価金属イミド塩)
上記のように、多価金属カチオンとイミドアニオンとは、これらから構成される添加剤、すなわち多価金属イミド塩として非水電解質に添加又は含有されていてよい。多価金属イミド塩は1種又は2種以上を用いることができる。
(Polyvalent metal imide salt)
As described above, the polyvalent metal cation and the imide anion may be added to or contained in the nonaqueous electrolyte as an additive composed of them, i.e., a polyvalent metal imide salt. One or more types of polyvalent metal imide salts can be used.
多価金属イミド塩としては、Mg(TFSI)2、Ca(TFSI)2、La(TFSI)3、Ti(TFSI)3、Mn(TFSI)2、Cu(TFSI)2、Zn(TFSI)2、Al(TFSI)3、Mg(FSI)2、Ca(FSI)2、La(FSI)3、Ti(FSI)3、Mn(FSI)2、Cu(FSI)2、Zn(FSI)2、Al(FSI)3、Mg(BETI)2、Mg(N(POF2)2)2等が挙げられる。 Examples of polyvalent metal imide salts include Mg(TFSI) 2 , Ca(TFSI) 2 , La(TFSI) 3 , Ti(TFSI) 3 , Mn(TFSI) 2 , Cu(TFSI) 2 , Zn(TFSI) 2 , Al(TFSI) 3 , Mg(FSI) 2 , Ca(FSI) 2 , La(FSI) 3 , Ti(FSI) 3 , Mn(FSI) 2 , Cu(FSI) 2 , Zn(FSI) 2 , Al(FSI) 3 , Mg(BETI) 2 , Mg(N(POF2) 2 ) 2 , and the like.
非水電解質への多価金属イミド塩の添加量としては、0.001質量%以上3質量%以下が好ましく、0.01質量%以上0.5質量%以下がより好ましく、0.03質量%以上0.2質量%以下がさらに好ましい。また、非水電解質への多価金属イミド塩の添加量は、0.01mmol/kg以上100mmol/kg以下が好ましく、0.1mmol/kg以上10mmol/kg以下がより好ましく、0.5mmol/kg以上4mmol/kg以下がさらに好ましい。 The amount of polyvalent metal imide salt added to the non-aqueous electrolyte is preferably 0.001% by mass to 3% by mass, more preferably 0.01% by mass to 0.5% by mass, and even more preferably 0.03% by mass to 0.2% by mass. The amount of polyvalent metal imide salt added to the non-aqueous electrolyte is preferably 0.01 mmol/kg to 100 mmol/kg, more preferably 0.1 mmol/kg to 10 mmol/kg, and even more preferably 0.5 mmol/kg to 4 mmol/kg.
(非水溶媒)
非水溶媒としては、公知の非水溶媒の中から適宜選択できる。非水溶媒としては、環状カーボネート、鎖状カーボネート、カルボン酸エステル、リン酸エステル、スルホン酸エステル、エーテル、アミド、ニトリル等が挙げられる。非水溶媒として、これらの化合物に含まれる水素原子の一部がハロゲンに置換されたものを用いてもよい。
(Non-aqueous solvent)
The non-aqueous solvent can be appropriately selected from known non-aqueous solvents. Examples of the non-aqueous solvent include cyclic carbonates, chain carbonates, carboxylates, phosphates, sulfonates, ethers, amides, and nitriles. As the non-aqueous solvent, those in which some of the hydrogen atoms contained in these compounds are substituted with halogens may be used.
非水溶媒として、環状カーボネート及び鎖状カーボネートの少なくとも一方を用いることが好ましく、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。環状カーボネートを用いることで、電解質塩の解離を促進して非水電解質のイオン伝導度を向上させることができる。鎖状カーボネートを用いることで、非水電解質の粘度を低く抑えることができる。環状カーボネートと鎖状カーボネートとを併用する場合、環状カーボネートと鎖状カーボネートとの体積比率(環状カーボネート:鎖状カーボネート)としては、例えば、5:95から50:50の範囲とすることが好ましい。 As the non-aqueous solvent, it is preferable to use at least one of a cyclic carbonate and a chain carbonate, and it is more preferable to use a combination of a cyclic carbonate and a chain carbonate. By using a cyclic carbonate, it is possible to promote dissociation of the electrolyte salt and improve the ionic conductivity of the non-aqueous electrolyte. By using a chain carbonate, it is possible to keep the viscosity of the non-aqueous electrolyte low. When a cyclic carbonate and a chain carbonate are used in combination, it is preferable that the volume ratio of the cyclic carbonate to the chain carbonate (cyclic carbonate:chain carbonate) is, for example, in the range of 5:95 to 50:50.
環状カーボネートとしては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ビニレンカーボネート、ビニルエチレンカーボネート、クロロエチレンカーボネート、フルオロエチレンカーボネート(FEC)、ジフルオロエチレンカーボネート(trans体、cis体及びそれらの混合物を含む)、4-(フルオロメチル)-1,3-ジオキソラン-2-オン、4-(ジフルオロメチル)-1,3-ジオキソラン-2-オン、トリフルオロプロピルカーボネート、4-(トリフルオロエチル)-1,3-ジオキソラン-2-オン、スチレンカーボネート、カテコールカーボネート、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。環状カーボネートの炭素数としては、例えば3以上13以下であってよく、7以下又は5以下であってもよい。 Examples of cyclic carbonates include ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, vinylene carbonate, vinylethylene carbonate, chloroethylene carbonate, fluoroethylene carbonate (FEC), difluoroethylene carbonate (including trans isomer, cis isomer, and mixtures thereof), 4-(fluoromethyl)-1,3-dioxolan-2-one, 4-(difluoromethyl)-1,3-dioxolan-2-one, trifluoropropyl carbonate, 4-(trifluoroethyl)-1,3-dioxolan-2-one, styrene carbonate, catechol carbonate, phenylvinylene carbonate, and 1,2-diphenylvinylene carbonate. The number of carbon atoms in the cyclic carbonate may be, for example, 3 or more and 13 or less, or 7 or less, or 5 or less.
環状カーボネートとしては、耐酸化性等の点から、フルオロエチレンカーボネート(FEC)、ジフルオロエチレンカーボネート、4-(フルオロメチル)-1,3-ジオキソラン-2-オン、4-(ジフルオロメチル)-1,3-ジオキソラン-2-オン、トリフルオロプロピルカーボネート、4-(トリフルオロエチル)-1,3-ジオキソラン-2-オン等、フッ素化環状カーボネートが好ましい。 As the cyclic carbonate, from the viewpoint of oxidation resistance, etc., fluorinated cyclic carbonates such as fluoroethylene carbonate (FEC), difluoroethylene carbonate, 4-(fluoromethyl)-1,3-dioxolan-2-one, 4-(difluoromethyl)-1,3-dioxolan-2-one, trifluoropropyl carbonate, and 4-(trifluoroethyl)-1,3-dioxolan-2-one are preferred.
鎖状カーボネートとしては、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、フェニルメチルカーボネート、ジフェニルカーボネート、トリフルオロメチルエチルカーボネート、2,2,2-トリフルオロエチルメチルカーボネート(TFEMC)、ビス(トリフルオロメチル)カーボネート、ビス(2,2,2-トリフルオロエチル)カーボネート、エチル-2,2,2-トリフルオロエチルカーボネート等が挙げられる。鎖状カーボネートの炭素数としては、例えば3以上13以下であってよく、7以下又は5以下であってもよい。 Examples of chain carbonates include diethyl carbonate, dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, phenyl methyl carbonate, diphenyl carbonate, trifluoromethyl ethyl carbonate, 2,2,2-trifluoroethyl methyl carbonate (TFEMC), bis(trifluoromethyl)carbonate, bis(2,2,2-trifluoroethyl)carbonate, and ethyl-2,2,2-trifluoroethyl carbonate. The number of carbon atoms in the chain carbonate may be, for example, 3 or more and 13 or less, or 7 or less, or 5 or less.
鎖状カーボネートとしては、耐酸化性等の点から、2,2,2-トリフルオロエチルメチルカーボネート(TFEMC)、ビス(2,2,2-トリフルオロエチル)カーボネート、エチル-2,2,2-トリフルオロエチルカーボネート等、フッ素化鎖状カーボネートが好ましい。 As the chain carbonate, from the viewpoint of oxidation resistance, etc., fluorinated chain carbonates such as 2,2,2-trifluoroethyl methyl carbonate (TFEMC), bis(2,2,2-trifluoroethyl) carbonate, and ethyl-2,2,2-trifluoroethyl carbonate are preferred.
全非水溶媒に対するカーボネートの含有量は、50体積%以上100体積%以下が好ましく、80体積%以上がより好ましく、90体積%以上、95体積%以上又は99体積%以上がさらに好ましい場合もある。 The carbonate content relative to the total non-aqueous solvent is preferably 50% by volume or more and 100% by volume or less, more preferably 80% by volume or more, and in some cases even more preferably 90% by volume or more, 95% by volume or more, or 99% by volume or more.
非水溶媒は、フッ素化溶媒を含むことが好ましい。全非水溶媒に対するフッ素化溶媒の合計含有量は、60体積%以上が好ましく、90体積%以上がより好ましく、99体積%以上がさらに好ましく、100体積%が特に好ましい。なお、フッ素化溶媒とは、フッ素化カーボネート(フッ素化鎖状カーボネート及びフッ素化環状カーボネート)、フッ素化エーテル等、分子内にフッ素原子を有する溶媒(非水溶媒)をいう。このようにフッ素化溶媒を含有させること、好ましくは上記下限以上で含有させることにより、微短絡の抑制性、耐酸化性等をより高めることなどができる。 The non-aqueous solvent preferably contains a fluorinated solvent. The total content of the fluorinated solvent relative to the total non-aqueous solvent is preferably 60% by volume or more, more preferably 90% by volume or more, even more preferably 99% by volume or more, and particularly preferably 100% by volume. The fluorinated solvent refers to a solvent (non-aqueous solvent) having a fluorine atom in the molecule, such as a fluorinated carbonate (a fluorinated linear carbonate and a fluorinated cyclic carbonate), a fluorinated ether, etc. In this way, by including a fluorinated solvent, preferably including it at the above-mentioned lower limit or more, it is possible to further improve the suppression of micro-short circuits, oxidation resistance, etc.
(電解質塩)
電解質塩は、通常、リチウム塩である。リチウム塩としては、LiPF6、LiPO2F2、LiBF4、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等の有機リチウム塩等が挙げられる。無機リチウム塩はアニオンに炭素原子を含まないリチウム塩をいい、有機リチウム塩はアニオンに炭素原子を含むリチウム塩をいう。有機リチウム塩は、ハロゲン化炭化水素基を有することが好ましく、フッ素化炭化水素基を有することがより好ましく、フルオロアルキル基を有することがさらに好ましい。電解質塩は、イミド塩であってもよく、イミド塩以外の電解質塩であってもよい。電解質塩としては、無機リチウム塩又はアニオンにリン原子を含む塩が好ましく、LiPF6がより好ましい。また、耐酸化性や良好な被膜形成等の点から、電解質塩は、フッ素原子を含むものが好ましい。
(Electrolyte Salt)
The electrolyte salt is usually a lithium salt. Examples of the lithium salt include inorganic lithium salts such as LiPF6 , LiPO2F2 , LiBF4 , LiClO4 , and LiN( SO2F ) 2, and organic lithium salts such as LiSO3CF3 , LiN ( SO2CF3 ) 2 , LiN ( SO2C2F5 ) 2 , LiN( SO2CF3 ) ( SO2C4F9 ) , LiC( SO2CF3 ) 3 , and LiC( SO2C2F5 ) 3 . The inorganic lithium salt refers to a lithium salt whose anion does not contain a carbon atom, and the organic lithium salt refers to a lithium salt whose anion contains a carbon atom. The organic lithium salt preferably has a halogenated hydrocarbon group, more preferably has a fluorinated hydrocarbon group, and further preferably has a fluoroalkyl group. The electrolyte salt may be an imide salt or an electrolyte salt other than an imide salt. As the electrolyte salt, inorganic lithium salts or salts containing phosphorus atoms in the anion are preferred, and LiPF 6 is more preferred. In addition, from the viewpoints of oxidation resistance and good film formation, the electrolyte salt is preferably one containing a fluorine atom.
非水電解質における電解質塩(多価金属イミド塩を除く)の含有量は、0.1mol/dm3以上2.5mol/dm3以下が好ましく、0.3mol/dm3以上2.0mol/dm3以下がより好ましく、0.5mol/dm3以上1.7mol/dm3以下がさらに好ましく、0.7mol/dm3以上1.5mol/dm3以下が特に好ましい。電解質塩の含有量を上記の範囲とすることで、非水電解質のイオン伝導度を高めることができる。 The content of the electrolyte salt (excluding polyvalent metal imide salt) in the nonaqueous electrolyte is preferably 0.1 mol/dm 3 or more and 2.5 mol/dm 3 or less, more preferably 0.3 mol/dm 3 or more and 2.0 mol/dm 3 or less, still more preferably 0.5 mol/dm 3 or more and 1.7 mol/dm 3 or less, and particularly preferably 0.7 mol/dm 3 or more and 1.5 mol/dm 3 or less. By setting the content of the electrolyte salt within the above range, the ionic conductivity of the nonaqueous electrolyte can be increased.
非水電解質は、その他の添加剤を含んでもよい。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上記芳香族化合物の部分ハロゲン化物;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、スルホラン、ジメチルスルホン、ジエチルスルホン、ジメチルスルホキシド、ジエチルスルホキシド、テトラメチレンスルホキシド、ジフェニルスルフィド、4,4’-ビス(2,2-ジオキソ-1,3,2-ジオキサチオラン)、4-メチルスルホニルオキシメチル-2,2-ジオキソ-1,3,2-ジオキサチオラン、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、亜リン酸トリス(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等が挙げられる。これら添加剤は、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。 The non-aqueous electrolyte may contain other additives. Examples of other additives include aromatic compounds such as biphenyl, alkylbiphenyl, terphenyl, partially hydrogenated terphenyl, cyclohexylbenzene, t-butylbenzene, t-amylbenzene, and dibenzofuran; partial halides of the above aromatic compounds such as 2-fluorobiphenyl, o-cyclohexylfluorobenzene, and p-cyclohexylfluorobenzene; succinic anhydride, glutaric anhydride, maleic anhydride, citraconic anhydride, glutaconic anhydride, itaconic anhydride, and cyclohexanedicarboxylic anhydride; ethylene sulfite, propylene sulfite, dimethyl sulfite, dimethyl sulfate, and ethylene sulfate. Examples of such additives include ethylene, sulfolane, dimethyl sulfone, diethyl sulfone, dimethyl sulfoxide, diethyl sulfoxide, tetramethylene sulfoxide, diphenyl sulfide, 4,4'-bis(2,2-dioxo-1,3,2-dioxathiolane), 4-methylsulfonyloxymethyl-2,2-dioxo-1,3,2-dioxathiolane, thioanisole, diphenyl disulfide, dipyridinium disulfide, perfluorooctane, tristrimethylsilyl borate, tris(trimethylsilyl) phosphite, tris(trimethylsilyl) phosphate, and tetrakistrimethylsilyl titanate. These additives may be used alone or in combination of two or more.
非水電解質に含まれるその他の添加剤(多価金属イミド塩を除く)の含有量は、非水電解質全体に対して0.01質量%以上10質量%以下が好ましく、0.1質量%以上7質量%以下がより好ましく、0.2質量%以上5質量%以下がさらに好ましく、0.3質量%以上3質量%以下が特に好ましい。添加剤の含有量を上記の範囲とすることで、高温保存後の容量維持性能又は充放電サイクル性能を向上させたり、安全性をより向上させたりすることができる。 The content of other additives (excluding polyvalent metal imide salts) contained in the non-aqueous electrolyte is preferably 0.01% by mass to 10% by mass, more preferably 0.1% by mass to 7% by mass, even more preferably 0.2% by mass to 5% by mass, and particularly preferably 0.3% by mass to 3% by mass. By setting the content of the additives within the above range, it is possible to improve the capacity retention performance or charge/discharge cycle performance after high-temperature storage, and to further improve safety.
当該二次電池(非水電解質蓄電素子)においては、通常使用時の充電終止電圧における正極電位が4.30V vs.Li/Li+以上であることが好ましく、4.35V vs.Li/Li+以上であることがより好ましく、4.40V vs.Li/Li+以上であることがさらに好ましい場合もある。通常使用時の充電終止電圧における正極電位を上記下限以上とすることで、放電容量を大きくし、エネルギー密度を高めることができる。 In the secondary battery (nonaqueous electrolyte storage element), the positive electrode potential at the end of charge voltage during normal use is preferably 4.30 V vs. Li/Li + or more, more preferably 4.35 V vs. Li/Li + or more, and in some cases even more preferably 4.40 V vs. Li/Li + or more. By setting the positive electrode potential at the end of charge voltage during normal use to the above lower limit or more, the discharge capacity can be increased and the energy density can be increased.
なお、「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をいう。例えば、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。 The term "normal use" refers to a case where the nonaqueous electrolyte storage element is used under the charging conditions recommended or specified for the nonaqueous electrolyte storage element. For example, if a charger is provided for the nonaqueous electrolyte storage element, it refers to a case where the nonaqueous electrolyte storage element is used using the charger.
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の上限としては、例えば5.0V vs.Li/Li+であり、4.8V vs.Li/Li+であってもよく、4.7V vs.Li/Li+であってもよく、4.6V vs.Li/Li+であってもよい。 The upper limit of the positive electrode potential at the end-of-charge voltage during normal use of the secondary battery is, for example, 5.0 V vs. Li/Li + , or may be 4.8 V vs. Li/Li + , 4.7 V vs. Li/Li + , or 4.6 V vs. Li/ Li + .
デンドライトは、充電の際の電流密度が高い場合に成長しやすい傾向にある。従って、本発明の一実施形態に係る非水電解質蓄電素子は、電流密度が高い充電が行われる用途に好適に適用できる。このような用途としては、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、回生電力充電用電源などが挙げられる。 Dendrites tend to grow easily when the current density during charging is high. Therefore, the nonaqueous electrolyte storage element according to one embodiment of the present invention can be suitably used in applications where charging is performed at a high current density. Examples of such applications include power sources for automobiles such as electric vehicles (EVs), hybrid vehicles (HEVs), and plug-in hybrid vehicles (PHEVs), and power sources for charging regenerative power.
本実施形態の非水電解質蓄電素子の形状については特に限定されるものではなく、例えば、円筒型電池、ラミネートフィルム型電池、角型電池、扁平型電池、コイン型電池、ボタン型電池等が挙げられる。 The shape of the nonaqueous electrolyte storage element of this embodiment is not particularly limited, and examples include cylindrical batteries, laminated film batteries, square batteries, flat batteries, coin batteries, button batteries, etc.
図1に角型電池の一例としての非水電解質蓄電素子1を示す。なお、同図は、容器内部を透視した図としている。セパレータを挟んで巻回された正極及び負極を有する電極体2が角型の容器3に収納される。正極は正極リード41を介して正極端子4と電気的に接続されている。負極は負極リード51を介して負極端子5と電気的に接続されている。 Figure 1 shows a nonaqueous electrolyte storage element 1 as an example of a square battery. Note that this figure is a see-through view of the inside of the container. An electrode body 2 having a positive electrode and a negative electrode wound with a separator sandwiched between them is housed in a square container 3. The positive electrode is electrically connected to a positive electrode terminal 4 via a positive electrode lead 41. The negative electrode is electrically connected to a negative electrode terminal 5 via a negative electrode lead 51.
<非水電解質蓄電装置の構成>
本実施形態の非水電解質蓄電素子は、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、パーソナルコンピュータ、通信端末等の電子機器用電源、又は電力貯蔵用電源等に、複数の非水電解質蓄電素子を集合して構成した蓄電ユニット(バッテリーモジュール)として搭載することができる。この場合、蓄電ユニットに含まれる少なくとも一つの非水電解質蓄電素子に対して、本発明の一実施形態に係る技術が適用されていればよい。
<Configuration of Nonaqueous Electrolyte Electricity Storage Device>
The nonaqueous electrolyte storage element of the present embodiment can be mounted as an electricity storage unit (battery module) comprising a plurality of nonaqueous electrolyte storage elements assembled together in an automobile power source such as an electric vehicle (EV), a hybrid electric vehicle (HEV), a plug-in hybrid electric vehicle (PHEV), etc., a power source for electronic devices such as a personal computer or a communication terminal, or a power storage power source, etc. In this case, it is sufficient that the technique according to one embodiment of the present invention is applied to at least one of the nonaqueous electrolyte storage elements included in the electricity storage unit.
図2に、電気的に接続された二以上の非水電解質蓄電素子1が集合した蓄電ユニット20をさらに集合した蓄電装置30の一例を示す。蓄電装置30は、二以上の非水電解質蓄電素子1を電気的に接続するバスバ(図示せず)、二以上の蓄電ユニット20を電気的に接続するバスバ(図示せず)等を備えていてもよい。蓄電ユニット20又は蓄電装置30は、一以上の非水電解質蓄電素子の状態を監視する状態監視装置(図示せず)を備えていてもよい。 Figure 2 shows an example of an energy storage device 30 in which an energy storage unit 20, which is an assembly of two or more electrically connected nonaqueous electrolyte energy storage elements 1, is further assembled. The energy storage device 30 may include a bus bar (not shown) that electrically connects two or more nonaqueous electrolyte energy storage elements 1, a bus bar (not shown) that electrically connects two or more energy storage units 20, and the like. The energy storage unit 20 or the energy storage device 30 may include a status monitoring device (not shown) that monitors the status of one or more nonaqueous electrolyte energy storage elements.
<非水電解質蓄電素子の製造方法>
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、金属リチウムを含有する負極を準備すること、並びに多価金属カチオン及びイミドアニオンを含む非水電解質を準備することを備える。
<Method of Manufacturing Nonaqueous Electrolyte Storage Element>
A method for producing a nonaqueous electrolyte storage element according to one embodiment of the present invention includes preparing a negative electrode containing metallic lithium, and preparing a nonaqueous electrolyte containing a polyvalent metal cation and an imide anion.
金属リチウムを含有する負極を準備することは、金属リチウムを含有する負極を作製することであってよい。負極の作製は、負極基材に直接又は中間層を介して金属リチウムを含有する負極活物質層を積層し、プレス等することなどにより行うことができる。金属リチウムを含有する負極活物質層は、金属リチウム箔又はリチウム合金箔であってよい。準備される負極の具体的形態及び好適形態は、非水電解質蓄電素子に備わる負極として上述した形態を適用できる。 Preparing a negative electrode containing metallic lithium may be preparing a negative electrode containing metallic lithium. The negative electrode can be prepared by laminating a negative electrode active material layer containing metallic lithium directly or via an intermediate layer on a negative electrode substrate, and pressing or the like. The negative electrode active material layer containing metallic lithium may be metallic lithium foil or lithium alloy foil. The specific and preferred forms of the prepared negative electrode can be those described above as a negative electrode provided in a nonaqueous electrolyte storage element.
多価金属カチオン及びイミドアニオンを含む非水電解質を準備することは、多価金属カチオン及びイミドアニオンを含む非水電解質を調製することであってよい。非水電解質の調製は、例えば、多価金属カチオンとイミドアニオンとから構成される多価金属イミド塩、電解質塩等の非水溶媒以外の成分を非水溶媒に添加し、混合することなどによって行うことができる。準備される非水電解質の具体的形態及び好適形態は、非水電解質蓄電素子に備わる非水電解質として上述した形態を適用できる。 Preparing a nonaqueous electrolyte containing a polyvalent metal cation and an imide anion may mean preparing a nonaqueous electrolyte containing a polyvalent metal cation and an imide anion. The preparation of the nonaqueous electrolyte can be performed, for example, by adding components other than the nonaqueous solvent, such as a polyvalent metal imide salt composed of a polyvalent metal cation and an imide anion, an electrolyte salt, etc., to the nonaqueous solvent and mixing them. The specific form and preferred form of the prepared nonaqueous electrolyte can be the form described above as the nonaqueous electrolyte provided in the nonaqueous electrolyte storage element.
例えば、当該非水電解質蓄電素子の製造方法は、正極を準備又は作製すること、負極を準備又は作製すること、非水電解質を準備又は調製すること、セパレータを準備又は作製すること、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こと、正極及び負極(電極体)を容器に収容すること、並びに上記容器に上記非水電解質を注入することを備える。注入後、注入口を封止することにより当該非水電解質蓄電素子を得ることができる。 For example, a method for manufacturing the nonaqueous electrolyte storage element includes preparing or producing a positive electrode, preparing or producing a negative electrode, preparing or preparing a nonaqueous electrolyte, preparing or producing a separator, forming an electrode body in which the positive electrode and the negative electrode are alternately stacked by stacking or rolling the separator between them, housing the positive electrode and the negative electrode (electrode body) in a container, and injecting the nonaqueous electrolyte into the container. After injection, the nonaqueous electrolyte storage element can be obtained by sealing the injection port.
当該非水電解質蓄電素子の製造方法は、組み立てた未充放電蓄電素子に対して初期充放電することをさらに備えていてよい。例えば当該非水電解質蓄電素子の正極活物質に遷移金属(Me)に対するリチウム(Li)のモル比(Li/Me)が1超であるリチウム遷移金属複合酸化物が用いられている場合、初期充放電を経ることで容量が大きくなる。初期充放電における充放電の回数は1回又は2回であってもよく、3回以上であってもよい。当該非水電解質蓄電素子の正極活物質に遷移金属(Me)に対するリチウム(Li)のモル比(Li/Me)が1超であるリチウム遷移金属複合酸化物が用いられている場合、初期充放電における充電終止電圧における正極電位(正極到達電位)は、4.5V vs.Li/Li+以上4.7V vs.Li/Li+以下であることが好ましい。 The manufacturing method of the nonaqueous electrolyte storage element may further include initially charging and discharging the assembled uncharged storage element. For example, when a lithium transition metal composite oxide having a molar ratio (Li/Me) of lithium (Li) to transition metal (Me) exceeding 1 is used as the positive electrode active material of the nonaqueous electrolyte storage element, the capacity increases through the initial charging and discharging. The number of charging and discharging in the initial charging and discharging may be one or two, or may be three or more. When a lithium transition metal composite oxide having a molar ratio (Li/Me) of lithium (Li) to transition metal (Me) exceeding 1 is used as the positive electrode active material of the nonaqueous electrolyte storage element, the positive electrode potential (positive electrode reaching potential) at the end-of-charge voltage in the initial charging and discharging is preferably 4.5 V vs. Li/Li + or more and 4.7 V vs. Li/Li + or less.
<非水電解質>
本発明の一実施形態に係る非水電解質は、多価金属カチオン及びイミドアニオンを含むリチウム電池用の非水電解質である。リチウム電池とは、負極活物質として金属リチウム(純金属リチウム又はリチウム合金)が用いられた二次電池である。すなわち、当該非水電解質の具体的形態及び好適形態は、上述した本発明の一実施形態に係る非水電解質蓄電素子を構成する非水電解質として上記したものが挙げられる。
<Non-aqueous electrolyte>
The nonaqueous electrolyte according to one embodiment of the present invention is a nonaqueous electrolyte for a lithium battery containing a polyvalent metal cation and an imide anion. A lithium battery is a secondary battery in which metallic lithium (pure metallic lithium or a lithium alloy) is used as a negative electrode active material. That is, specific and preferred forms of the nonaqueous electrolyte include those described above as the nonaqueous electrolyte constituting the nonaqueous electrolyte storage element according to one embodiment of the present invention.
<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、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加えてもよい。例えば、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を追加することができ、また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成又は周知技術に置き換えることができる。さらに、ある実施形態の構成の一部を削除することができる。また、ある実施形態の構成に対して周知技術を付加することができる。
<Other embodiments>
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications may be made without departing from the scope of the present invention. For example, the configuration of one embodiment may be added to the configuration of another embodiment, and part of the configuration of one embodiment may be replaced with the configuration of another embodiment or a well-known technique. Furthermore, part of the configuration of one embodiment may be deleted. Also, a well-known technique may be added to the configuration of one embodiment.
上記実施形態では、非水電解質蓄電素子が充放電可能な非水電解質二次電池(リチウム電池)として用いられる場合について説明したが、非水電解質蓄電素子の種類、形状、寸法、容量等は任意である。本発明の非水電解質蓄電素子は、種々の非水電解質二次電池、電気二重層キャパシタ又はリチウムイオンキャパシタ等のキャパシタにも適用できる。 In the above embodiment, the nonaqueous electrolyte storage element is used as a chargeable and dischargeable nonaqueous electrolyte secondary battery (lithium battery), but the type, shape, size, capacity, etc. of the nonaqueous electrolyte storage element are arbitrary. The nonaqueous electrolyte storage element of the present invention can also be applied to various nonaqueous electrolyte secondary batteries, electric double layer capacitors, lithium ion capacitors, and other capacitors.
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 described in more detail below with reference to examples, but the present invention is not limited to the following examples.
[実施例1]
(正極の作製)
正極活物質として、α-NaFeO2型結晶構造を有し、Li1+αMe1-αO2(Meは遷移金属)で表されるリチウム遷移金属複合酸化物を用いた。ここで、LiとMeのモル比Li/Meは1.33であり、Meは、Ni及びMnからなり、Ni:Mn=1:2のモル比で含んでいるものであった。
[Example 1]
(Preparation of Positive Electrode)
The positive electrode active material used was a lithium transition metal composite oxide having an α-NaFeO 2 type crystal structure and expressed as Li 1+α Me 1-α O 2 (Me is a transition metal), where the molar ratio Li/Me of Li to Me was 1.33, and Me was composed of Ni and Mn in a molar ratio of Ni:Mn=1:2.
N-メチルピロリドン(NMP)を分散媒とし、上記正極活物質、導電剤であるアセチレンブラック(AB)、及びバインダーであるポリフッ化ビニリデン(PVDF)を94:4.5:1.5の質量比率で含有する正極ペーストを作製した。正極基材であるアルミニウム箔の片面に、上記正極ペーストを塗布し、乾燥後プレスし、正極基材の片面に正極活物質層が配置された正極を作製した。 A positive electrode paste was prepared using N-methylpyrrolidone (NMP) as a dispersion medium, containing the above positive electrode active material, acetylene black (AB) as a conductive agent, and polyvinylidene fluoride (PVDF) as a binder in a mass ratio of 94:4.5:1.5. The above positive electrode paste was applied to one side of an aluminum foil as a positive electrode substrate, and after drying, the substrate was pressed to prepare a positive electrode in which a positive electrode active material layer was disposed on one side of the positive electrode substrate.
(負極の作製)
負極基材である銅箔の片面に、負極活物質層として金属リチウム箔(金属リチウム100質量%の純金属リチウム)を積層後プレスし、負極を作製した。
なお、正極及び負極は、1Cでの電流密度が5.0mA/cm2となるように設計して作製した。
(Preparation of negative electrode)
A metallic lithium foil (pure metallic lithium containing 100% by mass of metallic lithium) was laminated as a negative electrode active material layer on one side of a copper foil as a negative electrode substrate, and then pressed to prepare a negative electrode.
The positive and negative electrodes were designed and fabricated so that the current density at 1 C was 5.0 mA/cm 2 .
(非水電解質の調製)
フルオロエチレンカーボネート(FEC)及び2,2,2-トリフルオロエチルメチルカーボネート(TFEMC)を30:70の体積比で混合した混合溶媒にLiPF6を1mol/dm3の濃度で溶解させ、さらに添加剤としてMg(TFSI)2を0.1質量%(Mg2+:0.0042質量%、1.7mmol/kg、TFSI-:0.096質量%、3.4mmol/kg)添加して溶解させ、非水電解質とした。
(Preparation of non-aqueous electrolyte)
LiPF6 was dissolved at a concentration of 1 mol/ dm3 in a mixed solvent prepared by mixing fluoroethylene carbonate (FEC) and 2,2,2-trifluoroethyl methyl carbonate (TFEMC) in a volume ratio of 30:70, and 0.1 mass% of Mg(TFSI) 2 (Mg2 + : 0.0042 mass%, 1.7 mmol/kg, TFSI- : 0.096 mass%, 3.4 mmol/kg) was further added and dissolved as an additive to prepare a nonaqueous electrolyte.
(非水電解質蓄電素子の作製)
ポリオレフィン製微多孔膜である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。この電極体を金属樹脂複合フィルム製の容器に収納し、内部に上記の非水電解質を注入した後、熱溶着により封口し、実施例1の非水電解質蓄電素子(ラミネート型のリチウム電池)を得た。
(Preparation of non-aqueous electrolyte storage element)
The positive electrode and the negative electrode were laminated with a separator made of a microporous polyolefin membrane interposed therebetween to produce an electrode assembly, which was then housed in a container made of a metal resin composite film, the nonaqueous electrolyte was poured into the container, and the container was sealed by heat welding to obtain a nonaqueous electrolyte storage element (laminate-type lithium battery) of Example 1.
[実施例2から5及び比較例1から4]
添加剤としてMg(TFSI)2に替えて表1に記載の添加剤を0.1質量%したこと、又は添加剤を添加しなかったこと以外は、実施例1と同様にして、実施例2から5及び比較例1から4の各非水電解質蓄電素子を得た。
[Examples 2 to 5 and Comparative Examples 1 to 4]
Each of the nonaqueous electrolyte storage elements of Examples 2 to 5 and Comparative Examples 1 to 4 was obtained in the same manner as in Example 1, except that the additive listed in Table 1 was used in place of Mg(TFSI) 2 in an amount of 0.1 mass%, or no additive was added.
(初期充放電)
得られた各非水電解質蓄電素子について、以下の条件にて初期充放電を行った。25℃において、充電電量0.1C、充電終止電圧4.6Vとして定電流定電圧充電した。充電の終了条件は、充電電流が0.05Cとなるまでとした。その後、10分間の休止期間を設けた。その後、放電電流0.1C、放電終止電圧2.0Vとして定電流放電を行い、その後、10分間の休止期間を設けた。この充放電サイクルを2サイクル行った。
(Initial charge/discharge)
The obtained nonaqueous electrolyte storage elements were initially charged and discharged under the following conditions. At 25° C., constant current and constant voltage charging was performed with a charge amount of 0.1 C and a charge end voltage of 4.6 V. The charge end condition was that the charge current was until it reached 0.05 C. Then, a rest period of 10 minutes was provided. Then, constant current discharging was performed with a discharge current of 0.1 C and a discharge end voltage of 2.0 V, and then a rest period of 10 minutes was provided. This charge and discharge cycle was performed for two cycles.
(充放電サイクル試験)
次いで、以下の充放電サイクル試験を行った。25℃において、充電電流0.2C、充電終止電圧4.6Vとして定電流定電圧充電した。充電の終了条件は、充電電流が0.05Cとなるまでとした。その後、10分間の休止期間を設けた。その後、放電電流0.1C、放電終止電圧2.0Vとして定電流放電を行い、その後、10分間の休止期間を設けた。この充放電のサイクルを繰り返し、微短絡が生じるまでのサイクル数を記録した。結果(微短絡が生じるまでのサイクル数)を表1に示す。
(Charge-discharge cycle test)
Next, the following charge-discharge cycle test was performed. At 25°C, constant current and constant voltage charging was performed with a charging current of 0.2C and a charging end voltage of 4.6V. The charging end condition was that the charging current was until 0.05C. Then, a rest period of 10 minutes was provided. Then, constant current discharging was performed with a discharging current of 0.1C and a discharging end voltage of 2.0V, and then a rest period of 10 minutes was provided. This charging and discharging cycle was repeated, and the number of cycles until a micro-short circuit occurred was recorded. The results (the number of cycles until a micro-short circuit occurred) are shown in Table 1.
表1に示されるように、多価金属イミド塩を添加した、すなわち多価金属カチオンとイミドアニオンを含む非水電解質が用いられた実施例1から5の各非水電解質蓄電素子は、微短絡が生じるまでのサイクル数が70回を超え、優れた充放電の繰り返しに伴う微短絡の発生抑制効果が確認できた。一方、一価の金属のイミド塩を添加した比較例2、3や、他の塩を添加した比較例4の各非水電解質蓄電素子においては、十分な充放電の繰り返しに伴う微短絡の発生抑制効果が確認できなかった。 As shown in Table 1, the nonaqueous electrolyte storage elements of Examples 1 to 5, which contained a polyvalent metal imide salt, i.e., a nonaqueous electrolyte containing a polyvalent metal cation and an imide anion, exceeded 70 cycles before a micro-short circuit occurred, confirming an excellent effect of suppressing the occurrence of micro-short circuits with repeated charging and discharging. On the other hand, the nonaqueous electrolyte storage elements of Comparative Examples 2 and 3, which contained an imide salt of a monovalent metal, and Comparative Example 4, which contained another salt, were not able to sufficiently suppress the occurrence of micro-short circuits with repeated charging and discharging.
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、自動車などの電源として使用される非水電解質蓄電素子などに適用できる。 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 容器
4 正極端子
41 正極リード
5 負極端子
51 負極リード
20 蓄電ユニット
30 蓄電装置
Reference Signs List 1 Non-aqueous electrolyte storage element 2 Electrode body 3 Container 4 Positive electrode terminal 41 Positive electrode lead 5 Negative electrode terminal 51 Negative electrode lead 20 Storage unit 30 Storage device
Claims (2)
金属リチウムを含有する負極、並びに
多価金属カチオン及びイミドアニオンを含む非水電解質
を備える非水電解質蓄電素子。 A positive electrode containing a lithium transition metal composite oxide having an α-NaFeO2 type crystal structure;
A non-aqueous electrolyte storage element comprising: a negative electrode containing metallic lithium; and a non-aqueous electrolyte containing a polyvalent metal cation and an imide anion.
金属リチウムを含有する負極を準備すること、並びに
多価金属カチオン及びイミドアニオンを含む非水電解質を準備すること
を備える非水電解質蓄電素子の製造方法。
Providing a positive electrode containing a lithium transition metal composite oxide having an α-NaFeO2 type crystal structure;
A method for producing a nonaqueous electrolyte storage element, comprising: preparing a negative electrode containing metallic lithium; and preparing a nonaqueous electrolyte containing a polyvalent metal cation and an imide anion.
Priority Applications (1)
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