説明

非水電解液及び該電解液を用いた非水電解液二次電池

【課題】高温保存においても、小さな内部抵抗と高い電気容量が維持することが出来る電池用非水電解液及び該非水電解液を用いた非水電解液二次電池を提供すること。
【解決手段】電解質塩、下記一般式(1)で表わされる化合物、及び下記一般式(2)で表わされる化合物を有機溶媒に溶解させた二次電池用非水電解液であって、下記一般式(1)で表わされる化合物と下記一般式(2)で表わされる化合物との合計に対する下記一般式(2)で表わされる化合物の含有量が0.1〜8質量%である二次電池用非水電解液。


(式中、R1〜R4はそれぞれ独立して炭素数1〜8のアルキル基を表わす。)

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、特定の構造を有するジカーボネート化合物を含有する非水電解液及び該電解液を用いた非水電解液二次電池に関する。
【背景技術】
【0002】
近年の携帯用パソコン、ハンディビデオカメラ、情報端末等の携帯電子機器の普及に伴い、高電圧、高エネルギー密度を有する非水電解液二次電池が電源として広く用いられるようになった。また、環境問題の観点から、電池自動車や電力を動力の一部に利用したハイブリッド車の実用化が行われている。
【0003】
非水電解液二次電池では、非水電解液電池の安定性や電気特性の向上のために、電解液用の種々の添加剤が提案されている。例えば、1,3−プロパンスルトン(例えば、特許文献1を参照)、ビニルエチレンカーボネート(例えば、特許文献2を参照)、ビニレンカーボネート(例えば、特許文献3を参照)、1,3−プロパンスルトン、ブタンスルトン(例えば、特許文献4を参照)、ビニレンカーボネート(例えば、特許文献5を参照)、ビニルエチレンカーボネート(例えば、特許文献6を参照)等は、負極の表面にSEI(Solid Electrolyte Interface:固体電解質膜)と呼ばれる安定な被膜を形成し、この被膜が負極の表面を覆うことにより、電解液の還元分解を抑制するものと考えられている。また、ビニル基等不飽和基を含有するジシロキサン(例えば、特許文献7を参照)、アルケニル基が結合したフルオロシラン(例えば、特許文献8を参照)、アルキレンビスフルオロシラン(例えば、特許文献9を参照)、エーテル基が結合したフルオロシラン(例えば、特許文献10を参照)等は、正極表面に吸着することで正極を保護し、非水電解液の酸化分解を抑制すると考えられている。しかしながら、このような添加剤は、高温においては電極表面への吸着と脱離が繰り返されるために、高温保存における保護効果が十分なものではなかった。
【0004】
一方、特許文献11では、1,2−ビス(ジフルオロメチルシリル)エタンがリチウム電池用添加剤として使用できることが開示されている。しかし、特許文献11では、電池としての試験結果が開示されておらず、1,2−ビス(ジフルオロメチルシリル)エタンと相乗効果を有する化合物についても開示されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開昭63−102173号公報
【特許文献2】特開平04−87156号公報
【特許文献3】特開平05−74486号公報
【特許文献4】特開平10−50342号公報
【特許文献5】特開平08−045545号公報
【特許文献6】特開2001−6729号公報
【特許文献7】特開2002−134169号公報
【特許文献8】特開2004−39510号公報
【特許文献9】特開2007−12595号公報
【特許文献10】特開2007−287491号公報
【特許文献11】特表2009−512148号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
従って、本発明の目的は、高温保存においても、小さな内部抵抗と高い電気容量が維持することが出来る二次電池用非水電解液及び該非水電解液を用いた非水電解液二次電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明者は、鋭意検討を行なった結果、特定の構造のフルオロシラン化合物を含有する非水電解液を使用することで前記目的を達成することを見出し、本発明を完成させた。
すなわち、本発明は、電解質塩、下記一般式(1)で表わされる化合物、及び下記一般式(2)で表わされる化合物を有機溶媒に溶解させた二次電池用非水電解液であって、下記一般式(1)で表わされる化合物と下記一般式(2)で表わされる化合物との合計に対する下記一般式(2)で表わされる化合物の含有量が0.1〜8質量%である二次電池用非水電解液を提供するものである。
【化1】

(式中、R1及びR2はそれぞれ独立して炭素数1〜8のアルキル基を表わす。)
【化2】

(式中、R3及びR4はそれぞれ独立して炭素数1〜8のアルキル基を表わす。)
【発明の効果】
【0008】
本発明の二次電池用非水電解液を使用することによって、高温保存を経ても高い電気容量と低い内部抵抗を維持する非水電解液二次電池が提供可能になった。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【図1】図1は、本発明の非水電解液二次電池のコイン型電池の構造の一例を概略的に示す縦断面図である。
【図2】図2は、本発明の非水電解液二次電池の円筒型電池の基本構成を示す概略図である。
【図3】図3は、本発明の非水電解液二次電池の円筒型電池の内部構造を断面として示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下、本発明の二次電池用非水電解液及び該電解液を用いた非水電解液二次電池について、好ましい実施形態に基づき詳細に説明する。
本発明の二次電池用非水電解液は、電解質塩、前記一般式(1)で表わされる化合物、及び前記一般式(2)で表わされる化合物を有機溶媒に溶解させた二次電池用非水電解液であって、前記一般式(1)で表わされる化合物と前記一般式(2)で表わされる化合物との合計に対する前記一般式(2)で表わされる化合物の含有量が0.1〜8質量%であることを特徴とする。
先ず、前記一般式(1)で表される化合物について説明する。一般式(1)において、R1及びR2はそれぞれ独立して炭素数1〜8のアルキル基を表わす。炭素数1〜8のアルキル基としては、メチル、エチル、プロピル、イソプロピル、ブチル、イソブチル、2級ブチル、t−ブチル、ペンチル、イソペンチル、2級ペンチル、t−ペンチル、ヘキシル、2級ヘキシル、ヘプチル、2級ヘプチル、オクチル、2級オクチル、2−メチルペンチル、2−エチルヘキシル等が挙げられる。R1及びR2としては、リチウムイオンの移動への悪影響が少なく充電特性が良好であることから、メチル及びエチルが好ましく、メチルが更に好ましい。R1とR2とは、同一の基でも、異なる基でもよいが、同様の理由から、少なくとも一方がメチルであることが好ましい。
【0011】
前記一般式(1)で表される化合物のうち好ましい化合物の具体例としては、1,2−ビス(ジフルオロメチルシリル)エタン、1,2−ビス(ジフルオロエチルシリル)エタン、1−ジフルオロメチルシリル−2−ジフルオロエチルシリルエタン、1−ジフルオロメチルシリル−2−ジフルオロプロピルシリルエタン等が挙げられる。
【0012】
前記一般式(1)で表される化合物は、下記一般式(1a)で表される化合物の塩素原子又は炭素数1〜3のアルコキシル基をフッ素原子に置換することにより得ることができる。
【化3】

(式中、R1及びR2は前記一般式(1)と同義であり、X1は塩素原子又は炭素数1〜3のアルコキシル基を表わす。)
【0013】
前記一般式(1a)で表される化合物のX1をフッ素原子に置換する方法は、公知の方法、例えば、三フッ化アンチモンを用いる方法(J. Amer. Chem. Soc.,68,2655(1946年)を参照)、フッ化カルシウムを用いる方法(米国特許3646092号を参照)、フッ化水素酸水溶液を用いる方法(J. Amer. Chem. Soc.,73,5127(1951年)を参照)等の方法によればよい。
【0014】
次に、前記一般式(2)で表される化合物について説明する。一般式(2)において、R3及びR4はそれぞれ独立して炭素数1〜8のアルキル基を表わす。炭素数1〜8のアルキル基としては、一般式(1)のR1及びR2の説明で例示した基が挙げられる。R3及びR4としては、リチウムイオンの移動への悪影響が少なく充電特性が良好であることから、メチル及びエチルが好ましく、メチルが更に好ましい。R3とR4とは、同一の基でも、異なる基でもよいが、同様の理由から、少なくとも一方がメチルであることが好ましい。
【0015】
前記一般式(2)で表される化合物のうち好ましい化合物の具体例としては、1,1−ビス(ジフルオロメチルシリル)エタン、1,1−ビス(ジフルオロエチルシリル)エタン、1−ジフルオロメチルシリル−1−ジフルオロエチルシリルエタン、1−ジフルオロメチルロシリル−1−ジフルオロプロピルシリルエタン等が挙げられる。
【0016】
本発明の二次電池用非水電解液において、前記一般式(1)で表わされる化合物と前記一般式(2)で表わされる化合物との合計に対する前記一般式(2)で表わされる化合物の含有量は0.1〜8質量%であり、高温保存における電池性能の低下が少ないことから、0.3〜7質量%であることが好ましく、0.5〜6質量%であることが更に好ましい。
【0017】
本発明の二次電池用非水電解液において、前記一般式(1)で表わされる化合物と前記一般式(2)で表わされる化合物の合計の含有量があまりに少ない場合には、十分な効果が得られず、またあまりに多い場合には、配合量に見合う増量効果は得られないばかりか、却って電池性能に悪影響を及ぼすことがあることから、非水電解液に対して、前記一般式(1)で表わされる化合物と前記一般式(2)で表わされる化合物の合計の含有量が、0.01〜3質量%であることが好ましく、0.02〜2質量%であることが更に好ましく、0.03〜1質量%であることが最も好ましい。
【0018】
前記一般式(2)で表される化合物は、前記一般式(1)で表される化合物と同様に、下記一般式(2a)で表される化合物の塩素原子又は炭素数1〜3のアルコキシル基をフッ素原子に置換することにより得ることができる。
【化4】

(式中、R3及びR4は前記一般式(2)と同義であり、X2は塩素原子又は炭素数1〜3のアルコキシル基を表わす。)
【0019】
前記一般式(2a)で表される化合物のうち、X2がメトキシル基である化合物(下記一般式(2d)で表わされる化合物)は、例えば、下記一般式(2b)で表わされるビニルシラン化合物と下記一般式(2c)で表わされるヒドロシラン化合物との白金触媒によるヒドロシリル化反応により、下記一般式(2e)で表わされる化合物との混合物として得ることができる。下記一般式(2d)で表わされる化合物の生成割合は白金触媒の種類によっても異なるが、白金−ジビニルテトラメチルジシロキサン錯体(Karstedt触媒)の場合15〜25%、塩化白金酸の場合25〜35%である。
【化5】

(式(2b)〜(2e)中、R3及びR4は前記一般式(2)と同義である。)
【0020】
前記一般式(2d)で表わされる化合物と前記一般式(2e)で表わされる化合物との混合物から、前記一般式(2d)で表わされる化合物を単離し、メトキシ基をフッ素原子に置換してもよいが、前記一般式(2e)で表わされる化合物は前記一般式(1a)で表される化合物に該当する化合物であることから、混合物のまま置換してもよい。
【0021】
次に、本発明の二次電池用非水電解液に用いられる有機溶媒について説明する。本発明の二次電池用非水電解液に用いられる有機溶媒としては、非水電解液に通常用いられているものを1種又は2種以上組み合わせて用いることができる。具体的には、飽和環状カーボネート化合物、飽和環状エステル化合物、スルホキシド化合物、スルホン化合物、アマイド化合物、飽和鎖状カーボネート化合物、鎖状エーテル化合物、環状エーテル化合物、飽和鎖状エステル化合物等が挙げられる。
【0022】
前記有機溶媒のうち、飽和環状カーボネート化合物、飽和環状エステル化合物、スルホキシド化合物、スルホン化合物及びアマイド化合物は、比誘電率が高いため、二次電池用非水電解液の誘電率を上げる役割を果たし、特に飽和環状カーボネート化合物が好ましい。斯かる飽和環状カーボネート化合物としては、例えば、エチレンカーボネート、1,2−プロピレンカーボネート、1,3−プロピレンカーボネート、1,2−ブチレンカーボネート、1,3−ブチレンカーボネート、1,1,−ジメチルエチレンカーボネート等が挙げられる。前記飽和環状エステル化合物としては、γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン、γ−カプロラクトン、δ−ヘキサノラクトン、δ−オクタノラクトン等が挙げられる。前記スルホキシド化合物としては、ジメチルスルホキシド、ジエチルスルホキシド、ジプロピルスルホキシド、ジフェニルスルホキシド、チオフェン等が挙げられる。前記スルホン化合物としては、ジメチルスルホン、ジエチルスルホン、ジプロピルスルホン、ジフェニルスルホン、スルホラン(テトラメチレンスルホンともいう)、3−メチルスルホラン、3,4−ジメチルスルホラン、3,4−ジフェニメチルスルホラン、スルホレン、3−メチルスルホレン、3−エチルスルホレン、3−ブロモメチルスルホレン等が挙げられ、スルホラン、テトラメチルスルホランが好ましい。前記アマイド化合物としては、N−メチルピロリドン、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド等が挙げられる。
【0023】
前記有機溶媒のうち、飽和鎖状カーボネート化合物、鎖状エーテル化合物、環状エーテル化合物及び飽和鎖状エステル化合物は、二次電池用非水電解液の粘度を低くすることができ、電解質イオンの移動性を高くすることができる等、出力密度等の電池特性を優れたものにすることができる。また、低粘度であるため、低温での二次電池用非水電解液の性能を高くすることができ、中でも、飽和鎖状カーボネート化合物が好ましい。斯かる飽和鎖状カーボネート化合物としては、例えば、ジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、エチルブチルカーボネート、メチル−t−ブチルカーボネート、ジイソプロピルカーボネート、t−ブチルプロピルカーボネート等が挙げられる。前記鎖状又は環状エーテル化合物としては、例えば、ジメトキシエタン(DME)、エトキシメトキシエタン、ジエトキシエタン、テトラヒドロフラン、ジオキソラン、ジオキサン、1,2−ビス(メトキシカルボニルオキシ)エタン、1,2−ビス(エトキシカルボニルオキシ)エタン、1,2−ビス(エトキシカルボニルオキシ)プロパン、エチレングリコールビス(トリフルオロエチル)エーテル、プロピレングリコールビス(トリフルオロエチル)エーテル、エチレングリコールビス(トリフルオロメチル)エーテル、ジエチレングリコールビス(トリフルオロエチル)エーテル等が挙げられ、これらの中でもジオキソランが好ましい。
【0024】
前記飽和鎖状エステル化合物としては、分子中の炭素数の合計が2〜8であるモノエステル化合物及びジエステル化合物が好ましく、具体的な化合物としては、ギ酸メチル、ギ酸エチル、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸プロピル、酢酸イソブチル、酢酸ブチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、酪酸メチル、イソ酪酸メチル、トリメチル酢酸メチル、トリメチル酢酸エチル、マロン酸メチル、マロン酸エチル、コハク酸メチル、コハク酸エチル、3−メトキシプロピオン酸メチル、3−メトキシプロピオン酸エチル、エチレングリコールジアセチル、プロピレングリコールジアセチル等が挙げられ、ギ酸メチル、ギ酸エチル、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸プロピル、酢酸イソブチル、酢酸ブチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチルが好ましい。
【0025】
その他、有機溶媒としてアセトニトリル、プロピオニトリル、ニトロメタンやこれらの誘導体を用いることもできる。
【0026】
本発明の二次電池用非水電解液の電解質塩について説明する。本発明の二次電池用非水電解液に用いられる電解質塩としては、従来公知の電解質塩が用いられ、例えば、LiPF6、LiBF4、LiAsF6、LiCF3SO3、LiCF3CO2、LiN(CF3SO22、LiC(CF3SO23、LiB(CF3SO34、LiB(C242、LiBF2(C24)、LiSbF6、LiSiF5、LiAlF4、LiSCN、LiClO4、LiCl、LiF、LiBr、LiI、LiAlF4、LiAlCl4、NaClO4、NaBF4、NaI、及びこれらの誘導体等が挙げられ、これらの中でも、LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAsF6、LiCF3SO3、及びLiC(CF3SO23並びにLiCF3SO3の誘導体、及びLiC(CF3SO23の誘導体からなる群から選ばれる1種以上を用いるのが、電気特性に優れるので好ましい。
【0027】
前記電解質塩は、本発明の二次電池用非水電解液の濃度が、0.1〜3.0mol/L、特に0.5〜2.0mol/Lとなるように、前記有機溶媒に溶解することが好ましい。前記電解質塩の濃度が0.1mol/Lより小さいと、充分な電流密度を得られないことがあり、3.0mol/Lより大きいと、非水電解液の安定性を損なう恐れがある。
【0028】
本発明の二次電池用非水電解液は、前記一般式(1)で表わされる化合物及び前記一般式(2)で表わされる化合物との相乗効果が高いことから、更に、下記一般式(3)で表わされる化合物を含有することが好ましい。
【化6】

(式中、R5及びR6はそれぞれ独立に炭素数1〜8のアルキル基、炭素数1〜8のハロゲン化アルキル基、炭素数2〜8のアルケニル基、炭素数2〜8のアルキニル基又は炭素数6〜8のアリール基を表わし、Qは酸素原子又は炭素数1〜6の2価の炭化水素基を表わす。)
【0029】
前記一般式(3)において、R5及びR6はそれぞれ独立して炭素数1〜8のアルキル基、炭素数1〜8のハロゲン化アルキル基、炭素数2〜8のアルケニル基、炭素数2〜8のアルキニル基又は炭素数6〜8のアリール基を表わす。炭素数1〜8のアルキル基としては、前記一般式(1)のR1及びR2で例示した基が挙げられる。炭素数1〜8のハロゲン化アルキル基としては、トリフルオロメチル、2−フルオロエチル、2,2,2−トリフルオロエチル、1,1,2,2−テトラフルオロエチル、ペンタフルオロエチル、3−フルオロプロピル、3,3,3−トリフルオロプロピル、2,2,3,3−テトラフルオロプロピル、ヘプタフルオロプロピル、クロロメチル、1−クロロエチル、2−クロロエチル、3−クロロプロピル、4−クロロブチル、5−クロロペンチル、6−クロロヘキシル、8−クロロオクチルが挙げられる。炭素数2〜8のアルケニル基としては、ビニル、アリル、3−ブテニル、4−プロペニル、5−ヘキセニル、7−オクテニル等が挙げられる。炭素数2〜8のアルキニル基としては、エチニル、2−プロピニル、3−ブチニル、4−ペンチニル、5−ヘキシニル、7−オクチニル等が挙げられる。炭素数6〜8のアリール基としては、フェニル、トルイル、キシリル、エチルフェニル、フルオロフェニル、ジフルオロフェニル、クロロフェニル、ジクロロフェニル等が挙げられる。R5及びR6としては、リチウムイオンの移動への悪影響が少なく充電特性が良好であることから、メチル、エチル、プロピル、イソプロピル、ブチル、ペンチル、3−クロロプロピル、及び4−クロロブチルが好ましく、メチル、エチル、及びプロピルが好ましく、メチル及びエチルが最も好ましい。
【0030】
前記一般式(3)において、Qは酸素原子又は炭素数1〜6の2価の炭化水素基を表わす。炭素数1〜6の2価の炭化水素基としては、メチレン、エチレン、トリメチレン、テトラメチレン、ペンタメチレン、ヘキサメチレン、2−メチルブタン−1,4−ジイル、1,2−エチニル、2−ブテン−1,4−ジイル、2−ブテン−2,3−ジイル、ビニレン、エチニレン、フェニレン等が挙げられる。Qとしては、高い電池性能が得られることから、酸素原子、エチレン及びトリメチレンが好ましく、酸素原子及びエチレンが更に好ましい。
【0031】
前記一般式(3)で表わされる化合物の中で好ましい化合物としては、例えば、1,3−ジフルオロ−1,1,3,3−テトラメチルジシロキサン、1,3−ジフルオロ−1,1,3,3−テトラエチルジシロキサン、1,3−ジフルオロ−1,1,3,3−テトラプロピルジシロキサン、1,3−ジフルオロ−1,1,3,3−テトラブチルジシロキサン、1,3−ジフルオロ−1,1,3,3−テトラペンチルジシロキサン、1,3−ジフルオロ−1,1,3,3−テトラヘキシルジシロキサン、1,2−ビス(フルオロジメチルシリル)エタン、1,2−ビス(フルオロジエチルシリル)エタン、1、2−ビス(フルオロジプロピルシリル)エタン、1,2−ビス(フルオロジブチルシリル)エタン、1−フルオロジメチルシリル−2−フルオロエチルシリルエタン、1,3−ビス(フルオロジメチルシリル)プロパン、1,3−ビス(フルオロジエチルシリル)プロパン、1,3−ビス(フルオロジプロピルシリル)プロパン、1,3−ビス(フルオロジブチルシリル)プロパン等が挙げられる。
【0032】
本発明の非水電解液において、前記一般式(3)で表される化合物の含有量が、あまりに少ない場合には、十分な効果を発揮できず、またあまりに多い場合には、配合量に見合う増量効果は得られないばかりか、却って非水電解液の特性に悪影響を及ぼすことがあることから、前記一般式(3)で表される化合物の含有量は、非水電解液に対して0.01〜5質量%が好ましく、0.03〜4質量%が更に好ましく、0.05〜3質量%が最も好ましい。前記一般式(3)で表される化合物は1種のみを使用してもよいし、2種以上を組合せて使用してもよい。
【0033】
本発明の非水電解液は、電池性能が向上することから、更に、不飽和基を有する環状カーボネート化合物、不飽和基を有する鎖状カーボネート化合物、不飽和ジエステル化合物、ハロゲン化環状カーボネート化合物、環状亜硫酸エステル及び環状硫酸エステルからなる群より選ばれた1種以上の化合物を含有することが好ましい。
【0034】
前記不飽和基を有する環状カーボネート化合物としては、ビニレンカーボネート、ビニルエチレン力−ボネート、プロピリデンカーボネート、エチレンエチリデンカーボネート、エチレンイソプロピリデンカーボンート等が挙げられる。前記不飽和基を有する鎖状カーボネート化合物としては、ジプロパルギルカーボネート、プロパルギルメチルカーボネート、エチルプロパルギルカーボネート、ビス(1−メチルプロパルギル)カーボネート、ビス(1−ジメチルプロパルギル)カーボネート等が挙げられる。前記不飽和ジエステル化合物としては、マレイン酸ジメチル、マレイン酸ジエチル、マレイン酸ジプロピル、マレイン酸ジブチル、マレイン酸ジペンチル、マレイン酸ジヘキシル、マレイン酸ジヘプチル、マレイン酸ジオクチル、フマル酸ジメチル、フマル酸ジエチル、フマル酸ジプロピル、フマル酸ジブチル、フマル酸ジペンチル、フマル酸ジヘキシル、フマル酸ジヘプチル、フマル酸ジオクチル、アセチレンジカルボン酸ジメチル、アセチレンジカルボン酸ジエチル、アセテレンジカルボン酸ジプロピル、アセチレンジカルボン酸ジブチル、アセテレンジカルボン酸ジペンジル、アセチレンジカルボン酸ジヘキシル、アセチレンジカルボン酸ジヘプチル、アセチレンジカルボン酸ジオクチル等が挙げられる。前記ハロゲン化環状カーボネート化合物としては、クロロエチレンカーボネート、ジ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、ジフルオロエチレンカーボネート等が挙げられる。前記環状亜硫酸エステルとしては、エチレンサルファイト等が挙げられる。前記環状硫酸エステルとしては、プロパンスルトン、ブタンスルトン等が挙げられる。これらの化合物の中では、ビニレンカーボネート、ビニルエチレンカーボネート、ジプロパルギルカーボネート、アセチレンジカルボン酸ジメチル、アセチレンジカルボン酸ジエチル、クロロエチレンカーボネート、ジ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、エチレンサルファイト、プロパンスルトン、及びブタンスルトンが好ましく、ビニレンカーボネート、ジプロパルギルカーボネート、アセチレンジカルボン酸ジメテル、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、エチレンサルファイト、及びプロパンスルトンが更に好ましく、ビニレンカーボネート、ジプロパルギルカーボネート、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、エチレンサルファイト、及びプロパンスルトンが最も好ましい。
【0035】
これらの化合物は1種のみを使用してもよいし、2種以上を組合せて使用してもよい。本発明の二次電池用非水電解液において、これらの化合物の含有量が、あまりに少ない場合には十分な効果を発揮できず、またあまりに多い場合には、配合量に見合う増量効果は得られないばかりか、却って非水電解液の特性に悪影響を及ぼすことがあることから、これらの化合物の含有量は、合計で非水電解液に対して0.005〜10質量%が好ましく、0.02〜5質量%が更に好ましく、0.05〜3質量%が最も好ましい。
【0036】
以上説明した本発明の二次電池用非水電解液は、特にリチウムイオン二次電池を構成する二次電池用非水電解液として好適に使用できる。
【0037】
次に、本発明の非水電解液二次電池について説明する。
本発明の非水電解液二次電池は、負極活物質を含有する負極、正極活物質を含有する正極、及び非水電解液を有し、該非水電解液として本発明の二次電池用非水電解液を用いた点に特徴を有するものであり、負極と正極の間にセパレーターを有してもよい。
【0038】
本発明の非水電解液二次電池の正極としては、正極活物質、結着剤及び導電材等の正極材料を有機溶媒又は水でスラリー化したものを集電体に塗布・乾燥し、必要に応じて圧延してシート状にしたものが使用される。
前記正極活物質としては、TiS2、TiS3、MoS3、FeS2、Li(1-x)MnO2、Li(1-x)Mn24、Li(1-x)CoO2、Li(1-x)NiO2、LiV23、V25等が挙げられる。尚、これらの正極活物質におけるXは0〜1の数を示す。これらの正極活物質は、各々にLi、Mg、Al、又はCo、Ti、Nb、Cr等の遷移金属を添加又は置換した材料等であってもよい。また、これらのリチウム−金属複合酸化物を単独で用いるばかりでなくこれらを複数種類混合して用いることもできる。この中でも、リチウム−金属複合酸化物としては、層状構造又はスピネル構造のリチウムマンガン含有複合酸化物、リチウムニッケル含有複合酸化物及びリチウムコバルト含有複合酸化物のうちの1種以上であることが好ましい。
前記正極活物質の結着剤としては、例えば、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、EPDM、SBR、NBR、フッ素ゴム、ポリアクリル酸等が挙げられるが、これらに限定されない。
前記結着剤の使用量は、前記正極活物質100質量部に対し、0.1〜20質量部が好ましく、0.5〜10質量部が更に好ましい。
【0039】
前記正極の導電材としては、黒鉛の微粒子、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、ニードルコークス等の無定形炭素の微粒子等、カーボンナノファイバー等が使用されるが、これらに限定されない。
前記導電材の使用量は、前記正極活物質100質量部に対し、0.01〜20質量部が好ましく、0.1〜10質量部が更に好ましい。
前記スラリー化する溶媒としては、結着剤を溶解する有機溶剤又は水が使用される。該有機溶剤としては、例えば、N−メチルピロリドン、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、メチルエチルケトン、シクロヘキサノン、酢酸メチル、アクリル酸メチル、ジエチルトリアミン、N−N−ジメチルアミノプロピルアミン、ポリエチレンオキシド、テトラヒドロフラン等が挙げられるが、これに限定されない。
前記溶媒の使用量は、前記正極活物質100質量部に対し、30〜300質量部が好ましく、50〜200質量部が更に好ましい。
前記正極の集電体には、通常、アルミニウム、ステンレス鋼、ニッケルメッキ鋼等が使用される。
【0040】
本発明の非水電解液二次電池の負極としては、負極活物質、結着剤及び導電材等の負極材料を有機溶媒又は水でスラリー化したものを集電体に塗布・乾燥し、必要に応じて圧延してシート状にしたものが使用される。
前記負極活物質としては、人造黒鉛、天然黒鉛等の結晶性炭素材料のほか、リチウム、スズ、亜鉛、アルミニウム等の金属単体や合金が挙げられ、特に、結晶性炭素材料が好ましい。
前記負極活物質の結着剤としては、例えば、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、EPDM、SBR、NBR、フッ素ゴム、ポリアクリル酸等が挙げられるが、これらに限定されない。
前記結着剤の使用量は、前記負極活物質100質量部に対し、0.001〜5質量部が好ましく、0.05〜3質量部が更に好ましく、0.01〜2質量部が最も好ましい。
【0041】
前記負極の導電材としては、黒鉛の微粒子、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、ニードルコークス等の無定形炭素の微粒子等、カーボンナノファイバー等が使用されるが、これらに限定されない。
前記導電材の使用量は、前記負極活物質100質量部に対し、0.01〜20質量部が好ましく、0.05〜15質量部が更に好ましい。
スラリー化する溶媒としては、結着剤を溶解する有機溶剤もしくは水が使用される。該有機溶剤としては、例えば、N−メチルピロリドン、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、メチルエチルケトン、シクロヘキサノン、酢酸メチル、アクリル酸メチル、ジエチルトリアミン、N−N−ジメチルアミノプロピルアミン、ポリエチレンオキシド、テトラヒドロフラン等が挙げられるが、これに限定されない。
前記溶媒の使用量は、前記負極活物質100質量部に対し、30〜300質量部が好ましく、50〜200質量部が更に好ましい。
負極には電極内の導電性を向上させる目的で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、気相成長炭素繊維(VGCF)、カーボンナノファーバー等の導電剤等が使用される。
前記負極の集電体には、通常、銅、ニッケル、ステンレス鋼、ニッケルメッキ鋼等が使用される。
【0042】
本発明の非水電解液二次電池では、正極と負極との間にセパレータを用いることが好ましく、該セパレータとしては、通常用いられる高分子の微多孔フィルムを特に限定なく使用できる。該フィルムとしては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリ塩化ビニリデン、ポリアクリロニトリル、ポリアクリルアミド、ポリテトラフルオロエチレン、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリカーボネート、ポリアミド、ポリイミド、ポリエチレンオキシドやポリプロピレンオキシド等のポリエーテル類、カルボキシメチルセルロースやヒドロキシプロピルセルロース等の種々のセルロース類、ポリ(メタ)アクリル酸及びその種々のエステル類等を主体とする高分子化合物やその誘導体、これらの共重合体や混合物からなるフィルム等が挙げられる。これらのフィルムは、単独で用いてもよいし、これらのフィルムを重ね合わせて複層フィルムとして用いてもよい。さらに、これらのフィルムには、種々の添加剤を用いてもよく、その種類や含有量は特に制限されない。これらのフィルムの中でも、本発明の非水電解液二次電池には、ポリエチレンやポリプロピレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリスルホンからなるフィルムが好ましく用いられる。
【0043】
これらのフィルムは、電解液がしみ込んでイオンが透過し易いように、微多孔化がなされている。この微多孔化の方法としては、高分子化合物と溶剤の溶液をミクロ相分離させながら製膜し、溶剤を抽出除去して多孔化する「相分離法」と、溶融した高分子化合物を高ドラフトで押し出し製膜した後に熱処理し、結晶を一方向に配列させ、さらに延伸によって結晶間に間隙を形成して多孔化をはかる「延伸法」等が挙げられ、用いられるフィルムによって適宜選択される。
【0044】
本発明の非水電解液二次電池において、電極材料、非水電解液及びセパレータには、より安全性を向上する目的で、フェノール系酸化防止剤、リン系酸化防止剤、チオエーテル系酸化防止剤、ヒンダードアミン化合物等を添加してもよい。
【0045】
前記構成からなる本発明の非水電解液二次電池は、その形状には特に制限を受けず、コイン型、円筒型、角型等、種々の形状とすることができる。図1は、本発明の非水電解液二次電池のコイン型電池の一例を、図2及び図3は円筒型電池の一例をそれぞれ示したものである。
【0046】
図1に示すコイン型の非水電解液二次電池10において、1はリチウムイオンを放出できる正極、1aは正極集電体、2は正極から放出されたリチウムイオンを吸蔵、放出できる炭素質材料よりなる負極、2aは負極集電体、3は本発明の二次電池用非水電解液、4はステンレス製の正極ケース、5はステンレス製の負極ケース、6はポリプロピレン製のガスケット、7はポリエチレン製のセパレータである。
【0047】
また、図2及び図3に示す円筒型の非水電解液二次電池10'において、11は負極、12は負極集電体、13は正極、14は正極集電体、15は本発明の二次電池用非水電解液、16はセパレータ、17は正極端子、18は負極端子、19は負極板、20は負極リード、21は正極板、22は正極リード、23はケース、24は絶縁板、25はガスケット、26は安全弁、27はPTC素子である。
【実施例】
【0048】
以下、実施例により本発明を具体的に説明するが、これらは本発明の範囲を限定するものではない。尚、実施例中の「部」や「%」は、特にことわらないかぎり質量によるものである。
【0049】
下記製造例1は、前記一般式(1)で表わされる化合物の合成例であり、下記製造例2は、前記一般式(1)で表わされる化合物と前記一般式(2)で表わされる化合物の混合物の合成例であり、下記実施例1〜9及び比較例1〜8は、本発明の非水電解液及びこれを用いた非水電解液二次電池の実施例並びにその比較例である。
【0050】
製造例1:1,2−ビス(ジフルオロメチルシリル)エタンの合成
温度計、攪拌装置及び冷却管を備えたガラス製反応容器に、三フッ化アンチモン76.8g(0.43モル)を仕込み、0〜10℃になるように水冷しながら、2−ビス(ジクロロメチルシリル)エタン76.8g(0.3モル)を滴下した。2−ビス(ジクロロメチルシリル)エタンは純度99.5%で、1,1−ビス(ジフルオロメチルフルオロシリル)エタンの含有量が0.1%であるものを用いた。滴下終了後、30℃で2時間撹拌を続けて反応を完了させた。反応溶液から2回蒸留を繰り返すことで1,1−ビス(ジフルオロメチルシリル)エタンを含まない1,2−ビス(ジフルオロメチルシリル)エタン(化合物A1)40.2gを得た。1,2−ビス(ジフルオロメチルシリル)エタンは前記一般式(1)において、R1及びR2がメチルの化合物である。
【0051】
製造例2:1,2−ビス(ジフルオロメチルシリル)エタンと1,1−ビス(ジフルオロメチルシリル)エタンとの混合物の合成
温度計、攪拌装置及び冷却管を備えたステンレス製の耐圧容器にジメトキシメチルシラン53.6g(0.4モル)、ジメトキシメチルビニルシラン67.2g(0.42モル)、及び塩化白金酸の0.1モル/Lのイソプロパノール溶液0.5mlを仕込み、容器を密閉した。撹拌しながら加熱し、80℃で30分間反応を行なった。反応後、反応液を蒸留し、1,2−ビス(ジメトキシメチルシリル)エタンと1,1−ビス(ジメトキシメチルシリル)エタンとの混合物88.4gを得た。
温度計、攪拌装置及び冷却管を備えたPFA製反応容器に、前記混合物76.8g(合計で0.3モル)及び溶媒としてシクロペンタン50gを仕込み、0〜10℃になるように水冷しながら、46%フッ化水素水58.7g(1.35モル)を滴下した。滴下終了後、30℃で2時間撹拌を続けて反応を完了させた。反応溶液を静置し、分離した水層を除去し、有機層を飽和食塩水で洗浄した。有機層を蒸留することで、1、2−ビス(ジフルオロメチルシリル)エタン70%、1、1−ビス(ジフルオロメチルシリル)エタン30%からなる混合物(混合物A2)44.7gを得た。混合物の組成はガスクロ分析により求めた。尚、1、2−ビス(ジフルオロメチルシリル)エタンは前記一般式(1)において、R1及びR2がメチルの化合物であり、1、1−ビス(ジフルオロメチルシリル)エタンは前記一般式(2)において、R3及びR4がメチルの化合物である。
【0052】
実施例1〜9及び比較例1〜9:非水電解液の調製及びこれを用いた非水電解液二次電池の作製
〔非水電解液の調製〕
電解液添加剤として下記の化合物A1、混合物A2、B1、B2、C1及びC2を〔表1〕に示す割合で下記の電解質溶液Aに溶解し、本発明の非水電解液及び比較の非水電解液を調製した。尚、〔表1〕中の( )内の数字は、非水電解液における濃度(質量%)を表す。
【0053】
〔化合物A1〕
1,2−ビス(ジフルオロメチルシリル)エタン
〔混合物A2〕
1,2−ビス(ジフルオロメチルシリル)エタン(70%)と1,1−ビス(ジフルオロメチルシリル)エタン(30%)との混合物
〔化合物B1〕
1,2−ビス(フルオロジメチルシリル)エタン
〔化合物B2〕
1,3−ジフルオロ−1,1,3,3−テトラメチルジシロキサン
〔化合物C1〕
ビニレンカーボネート
〔化合物C2〕
プロパンスルトン
〔電解質溶液A〕
エチレンカーボネート30体積%、エチルメチルカーボネート40体積%、ジメチルカーボネート25体積%及び酢酸プロピル5体積%からなる混合溶媒にLiPF6を1mol/Lの濃度になるよう溶解したもの。
【0054】
【表1】

【0055】
〔正極の作製〕
正極活物質としてLiCoO290質量部、導電材としてアセチレンブラック5質量部、及び結着剤としてポリフッ化ビニリデン(PVDF)5質量部を混合して、正極材料とした。この正極材料をN−メチル−2−ピロリドン(NMP)140質量部に分散させてスラリー状とし、アルミニウム製の正極集電体に塗布し、乾燥後、プレス成型して、正極板とした。その後、この正極板を所定の大きさにカットして円盤状正極を作製した。
【0056】
〔負極の作製〕
負極活物質として人造黒鉛97.5質量部、及び結着剤としてスチレンブタジエンゴム1.5質量部、増粘剤としてカルボキシメチルセルロース1.0質量部を混合して、負極材料とした。この負極材料を水120質量部に分散させてスラリー状とし、銅製の負極集電体に塗布し、乾燥後、プレス成型して、負極板とした。その後、この負極板を所定の大きさにカットし、円盤状負極を作製した。
【0057】
〔電池の組み立て〕
得られた円盤状正極と円盤状負極を、厚さ25μmのポリエチレン製の微多孔フィルムをはさんでケース内に保持した。その後、本発明の非水電解液又は比較の非水電解液と正極との組合せが〔表1〕となるように、それぞれの非水電解液をケース内に注入し、ケースを密閉、封止して、実施例1〜9及び比較例1〜8のリチウム二次電池(φ20mtn、厚さ3.2mmのコイン型)を製作した。
【0058】
実施例1〜9及び比較例1〜8のリチウム二次電池を用いて、下記試験法により、初期特性試験及びサイクル特性試験を行った。初期特性試験では、放電容量比及び内部抵抗比を求めた。またサイクル特性試験では、放電容量維持率及び内部抵抗増加率を求めた。これらの試験結果を下記〔表2〕に示す。尚、放電容量比が高いほど、内部抵抗比の数値が低いほど初期特性に優れる非水電解液二次電池である。また、放電容量維持率が高いほど、内部増加率が低いほどサイクル特性に優れる非水電解液二次電池である。
【0059】
<初期特性試験方法>
a.放電容量比の測定方法
リチウム二次電池を、20℃の恒温槽内に入れ、充電電流0.3mA/cm2(0.2C相当の電流値)で4.3Vまで定電流定電圧充電し、放電電流0.3mA/cm2(0.2C相当の電流値)で3.0Vまで定電流放電する操作を5回行った。その後、充電電流0.3mA/cm2で4.3Vまで定電流定電圧充電し、放電電流0.3mA/cm2で3.0Vまで定電流放電した。この6回目に測定した放電容量を、電池の初期放電容量とし、下記式に示すように、放電容量比(%)を、実施例1の初期放電容量を100とした場合の初期放電容量の割合として求めた。
放電容量比(%)=[(初期放電容量)/(実施例1における初期放電容量)]×100
【0060】
b.内部抵抗比の測定方法
上記6回目の放電容量を測定後のリチウム二次電池について、先ず、充電電流1.5mA/cm2(1C相当の電流値)でSOC60%になるように定電流充電し、交流インピーダンス測定装置(IVIUM TECHNOLOGIES製、商品名:モバイル型ポテンショスタットCompactStat)を用いて、周波数100kHz〜0.02Hzまで走査し、縦軸に虚数部、横軸に実数部を示すコール−コールプロットを作成した。続いて、このコール−コールプロットにおいて、円弧部分を円でフィッティングして、この円の実数部分と交差する二点のうち、大きい方の値を、電池の初期内部抵抗とし、下記式に示すように、内部抵抗比(%)を、実施例1の初期内部抵抗を100とした場合の初期内部抵抗の割合として求めた。
内部抵抗比(%)=[(初期内部抵抗)/(実施例1における初期内部抵抗)]×100
【0061】
<サイクル特性試験方法>
a.放電容量維持率の測定方法
初期特性試験後のリチウム二次電池を、60℃の恒温槽内に入れ、充電電流1.5mA/cm2(1C相当の電流値、1Cは電池容量を1時間で放電する電流値)で4.3Vまで定電流充電し、放電電流1.5mA/cm2で3.0Vまで定電流放電を行うサイクルを250回繰り返して行った。この250回目の放電容量をサイクル試験後の放電容量とし、下記式に示すように、放電容量維持率(%)を、初期放電容量を100とした場合のサイクル試験後の放電容量の割合として求めた。
放電容量維持率(%)=[(サイクル試験後の放電容量)/(初期放電容量)]×100
【0062】
b.内部抵抗増加率の測定方法
サイクル試験後、雰囲気温度を20℃に戻して、20℃における内部抵抗を、上記内部抵抗比の測定方法と同様にして測定し、この時の内部抵抗を、サイクル試験後の内部抵抗とし、下記式に示すように、内部抵抗増加率(%)を、各電池の初期内部抵抗を100とした場合のサイクル試験後の内部抵抗の増加の割合として求めた。
内部抵抗増加率(%)=[(サイクル試験後の内部抵抗−初期内部抵抗)/(初期内部抵抗)]×100
【0063】
【表2】

【0064】
表2の結果から明らかなように、本発明の非水電解液のように、上記一般式(1)で表わされる化合物〔1,2−ビス(ジフルオロメチルシリル)エタン〕と上記一般式(2)で表わされる化合物〔1,1−ビス(ジフルオロメチルシリル)エタン〕との割合が特定の範囲である場合に、60℃でのサイクル試験後において、放電容量の低下や内部抵抗上昇が少なく、優れた電池特性を維持できることが確認できた。
【符号の説明】
【0065】
1 正極
1a 正極集電体
2 負極
2a 負極集電体
3 非水電解液
4 正極ケース
5 負極ケース
6 ガスケット
7 セパレータ
10 コイン型の非水電解液二次電池
10' 円筒型の非水電解液二次電池
11 負極
12 負極集電体
13 正極
14 正極集電体
15 非水電解液
16 セパレータ
17 正極端子
18 負極端子
19 負極板
20 負極リード
21 正極
22 正極リード
23 ケース
24 絶縁板
25 ガスケット
26 安全弁
27 PTC素子
【産業上の利用可能性】
【0066】
本発明の二次電池用非水電解液は、小さな内部抵抗と高い放電容量を長期使用及び温度変化の大きい場合においても維持することが出来る非水電解液二次電池を提供できる。斯かる非水電解液二次電池は、ビデオカメラ、デジタルカメラ、携帯音楽プレーヤー、サウンドレコーダー、ポータブルDVDプレーヤー、携帯ゲーム機、ノートパソコン、電子辞書、電子手帳、電子書籍、携帯電話、携帯テレビ、電動アシスト自転車、電池自動車、ハイブリッド車等様々な用途に用いることができ、中でも、高温状態で使用される場合がある、電池自動車、ハイブリッド車等用途に好適に使用できる。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
電解質塩、下記一般式(1)で表わされる化合物、及び下記一般式(2)で表わされる化合物を有機溶媒に溶解させた二次電池用非水電解液であって、下記一般式(1)で表わされる化合物と下記一般式(2)で表わされる化合物との合計に対する下記一般式(2)で表わされる化合物の含有量が0.1〜8質量%である二次電池用非水電解液。
【化1】

(式中、R1及びR2はそれぞれ独立して炭素数1〜8のアルキル基を表わす。)
【化2】

(式中、R3及びR4はそれぞれ独立して炭素数1〜8のアルキル基を表わす。)
【請求項2】
更に、下記一般式(3)で表わされる化合物を含有することを特徴とする請求項1に記載の二次電池用非水電解液。
【化3】

(式中、R5及びR6はそれぞれ独立して炭炭素数1〜8のアルキル基、炭素数1〜8のハロゲン化アルキル基、炭素数2〜8のアルケニル基、炭素数2〜8のアルキニル基又は炭素数6〜8のアリール基を表わし、Qは酸素原子又は炭素数1〜6の2価の炭化水素基を表わす。)
【請求項3】
負極活物質を含有する負極、正極活物質を含有する正極、及び、請求項1又は2に記載の二次電池用非水電解液を有する非水電解液二次電池。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【公開番号】特開2013−105540(P2013−105540A)
【公開日】平成25年5月30日(2013.5.30)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−246808(P2011−246808)
【出願日】平成23年11月10日(2011.11.10)
【出願人】(000000387)株式会社ADEKA (987)
【Fターム(参考)】