JP6066464B2 - 非水電解質二次電池用の電解液及びこれを用いた非水電解質二次電池 - Google Patents
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電子機器に実装された非水電解質二次電池は、電子機器から発せられた熱により、50℃以上に加熱されることがある。非水電解質二次電池は、長期間加熱されると放電容量が低くなる傾向にある。
加えて、電子機器等の小型化に伴い、非水電解質二次電池は、基板上への面実装化が行われており、その実装方法としては、リフローハンダ付けによる実装化(リフロー処理)が主流となっている。リフロー処理では、非水電解質二次電池を250〜260℃程度で加熱することから、非水電解質二次電池には大きな熱量がかかる。このため、非水電解質二次電池は、リフロー処理が施されることで、放電容量が著しく低くなることがある。
従来、このような高温でのリフローはんだ付けに対応するために、有機エーテル化合物を溶媒とするリチウム二次電池用電解液が提案されている(例えば、特許文献1)。
そこで、本発明は、保存特性の向上が図られる非水電解質二次電池用の電解液、及びそれを備えた非水電解質二次電池を提供する。
本発明の非水電解質二次電池用の電解液は、非水溶媒と支持塩とを含有し、前記非水溶媒としては、ビニレンカーボネート、及び融点−20℃以下で沸点205℃以上のグリコールエーテルからなり、前記ビニレンカーボネートの割合が5〜50体積%であり、前記グリコールエーテルの割合が50〜95体積%であることを特徴とする。
本発明の非水電解質二次電池用の電解液は、ビニレンカーボネートと、融点−20℃以下で沸点205℃以上の環状カーボネートと、スルホンと、支持塩とを含有し、前記ビニレンカーボネートの割合が20〜40体積%であり、前記環状カーボネートの割合が30〜40体積%であり、前記スルホンの割合が30〜50体積%であることを特徴とする。
非水電解質二次電池1は、いわゆるコイン型構造のものである。
図1中、符号2は、有底円筒状の本体部(正極缶)12と、正極缶12の開口部を塞ぐ有蓋円筒状の蓋部(負極缶)22と、正極缶12の内周面に沿って設けられたガスケット40とからなり、正極缶12の開口部周縁を内側にかしめて密封された収納容器である。非水電解質二次電池1は、収納容器2内に、正極10と負極20とがセパレータ30を介して対向配置され、電解液50が充填されたものである。そして、正極10、負極20及びセパレータ30には、収納容器2内に充填された電解液50が含浸している。
電解液50は、溶媒Aと溶媒Bとを併用することで、高い保存特性を発揮する。
融点は、JIS K0064に準拠して測定される値であり、室温以下の場合にはJIS K3331に準拠して測定される値である。
なお、粘度は、B型粘度計を用いJIS K7117−1に準拠して測定される値である。
上記下限値以上であれば、電極表面に良好な膜を形成し、電池特性の低下を良好に防止できる。上記上限値以下であれば、リフロー耐性の向上が図れる。
溶媒Bを含有することで、溶媒Aによる電極への被膜形成をより良好なものとできる。
上記範囲内であれば、保存特性がより高まり、リフロー耐性の向上が図れる。
上記範囲内であれば、保存特性がより高まり、リフロー耐性の向上が図れる。
ここでいうスルホンは、スルホニル基(−SO2−)の硫黄原子に結合している2つのアルキル基等が互いに結合して、これらアルキル基と前記S原子とで、環構造を形成していてもよい。
上記下限値未満であれば、リフロー耐性が十分に高まらないおそれがあり、上記上限値超では、保存特性が低下するおそれがある。
負極缶22の材質は、正極缶12の材質と同様である。
正極活物質としては、例えば、モリブデン酸化物、リチウムマンガン酸化物、リチウム鉄リン酸化合物、リチウムコバルト酸化物、リチウムニッケル酸化物、バナジウム酸化物が挙げられ、モリブデン酸化物、リチウムマンガン酸化物が好ましい。正極10がこれら例示の正極活物質を含有することで、非水電解質二次電池1の耐熱性が高まり、リフロー処理又は使用中の加熱による放電容量の低下が抑制される。
モリブデン酸化物としては、例えば、MoO3、MoO2等が挙げられ、中でも、MoO3が好ましい。
リチウムマンガン酸化物としては、例えば、Li4Mn5−wM1 wO12(0≦w<1、M1はNi、Co、Ti、Fe、Cr、Al、Mo、V、Cu、Nb、Zn、Ca、Mgのうちの少なくとも1種類)、LiMn2−yM2 yO4(0≦y<1、M2はM1と同じである)、Li2Mn4−zM3 zO9(0≦z<1、M3はM1と同じである)等が挙げられ、中でも、w=0であるLi4Mn5O12が好ましい。
リチウム鉄リン酸化合物としては、例えば、LiFe1−pM4 pPO4(0≦p≦1、M4はMn、Ni、Co、Ti、Al、Cr、V、Nbのうちの少なくとも1種類)、Li3Fe2―qM5 q(PO4)3(0≦q≦1、M5はM4と同じである)等が挙げられ、中でも、LiFePO4が好ましい。
リチウムコバルト酸化物としては、例えば、LiCo1−rM6 rO2(0≦r<1、M6はMn、Ti、Fe、Cr、Al、Mo、V、Cu、Nb、Zn、Ca、Mgのうちの少なくとも1種類)等が挙げられ、中でも、LiCoO2が好ましい。
リチウムニッケル酸化物としては、例えば、LiNi1−sM7 sO2(0≦s<1、M7はMn、Co、Ti、Fe、Cr、Al、Mo、V、Cu、Nb、Zn、Ca、Mgのうちの少なくとも1種類)等が挙げられ、中でも、LiNiO2が好ましい。
バナジウム酸化物としては、例えば、V2O5、V3O8、V6O13等が挙げられ、中でも、V2O5が好ましい。
正極活物質は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
正極10中の正極導電助剤の含有量は、例えば、4〜40質量%が好ましく、10〜20質量%がより好ましい。上記下限値未満では、十分な導電性を得にくく、正極10をペレット状に成形する場合に成形しにくく、上記上限値超では正極10の放電容量が不十分になるおそれがある。
正極10中の正極バインダの含有量は、例えば、1〜20質量%とされる。
正極10の厚さは、非水電解質二次電池1の大きさに応じて決定され、非水電解質二次電池1が、バックアップ用のボタン型の非水電解質二次電池であれば、300〜1000μmとされる。
加圧成形時の圧力は、正極導電助剤の種類等を勘案して決定され、例えば、0.2〜5ton/cm2とされる。
負極20中の負極活物質の含有量は、特に限定されないが、例えば、40〜85質量%とされる。含有量は、主に負極活物質の導電性により決まり、導電性の低い負極活物質であっても表面を炭素で被覆する等して導電性を高めたものであれば、含有量を高められる。
負極20は、バインダ(負極20に用いられるバインダを負極バインダということがある)を含有できる。負極バインダは、従来公知の物質を用いることができ、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、スチレンブタジエンゴム(SBR)、ポリアクリル酸(PA)、カルボキシメチルセルロース(CMC)、ポリイミド(PI)、ポリアミドイミド(PAI)等が挙げられ、中でも、ポリアクリル酸が好ましく、架橋型のポリアクリル酸がより好ましい。これらの負極バインダは、1種単独で用いられてもよいし、2種以上が組み合わされて用いられてもよい。なお、ポリアクリル酸を用いる場合には、ポリアクリル酸を予めpH3〜10に調整しておくことが好ましい。pHの調整には、水酸化リチウム等のアルカリ金属水酸化物や水酸化マグネシウム等のアルカリ土類金属水酸化物を用いることができる。
負極20中の負極バインダの含有量は、例えば、1〜20質量%とされる。
これは、溶媒Aにより電極表面に電解液との過剰反応を抑制する被膜を電極に形成することができ、上記、溶媒(B)により、電解液が電池反応に適した粘度に調整されると共に、溶媒Aによる被膜形成をより良好なものとし、保存による劣化を抑制することができると考えられる。
なお、表中の溶媒は、以下の略号にて示す。
VC:ビニレンカーボネート、EC:エチレンカーボネート、PC:プロピレンカーボネート、BC:ブチレンカーボネート、MTG:メチルテトラグライム、SL:スルホラン、MSL:3−メチルスルホラン、GBL:γ―ブチロラクトン
<保存特性>
得られた非水電解質二次電池6個について、予備加熱温度180℃で10分間加熱し、加熱温度240℃で20秒間の加熱によるリフローテストを3回行った。この処理を施した後、24℃の環境下、定電流5μA(放電電流)で電圧2.0Vになるまで放電した。そして、24℃の環境下、電圧3.3Vで48時間印加した。その後24℃の環境下、定電流5μA(放電電流)で電圧2.0Vになるまで放電した際の容量を測定し、この値をV1´とし、V1´が50%に減少する期間を測定した。比較例1のV1´が50%に減少する期間を100とし、表1〜4の実施例1〜22、比較例1〜19のV1´が同様に50%に減少する相対期間を求め、それを保存特性の指標とした。
得られた非水電解質二次電池6個について、24℃の環境下、電圧3.6Vで48時間印加した。その後、24℃の環境下、定電流5μA(放電電流)で電圧2.0Vになるまで放電した際の容量を測定し、この値をV1とした。次いで、前記の処理を施した非水電解質二次電池6個について、260℃の環境下、リフローはんだ付け処理を2回行い、24℃の環境下、定電流5μA(放電電流)で電圧2.0Vになるまで放電した際の容量を測定し、この値をV2とし、下記(a)式により容量維持率(%)を算出した。算出した値を容量維持率とした。容量維持率の値が大きいほど、リフロー耐性に優れる。
図1に示す非水電解質二次電池1と同様の非水電解質二次電池を次のように作製した。
表1〜4に従い、正極活物質70質量部と、正極導電助剤である炭素28質量部と、バインダである架橋型のポリアクリル酸2質量部とを混合して正極合剤とした。この正極合剤7mgを2ton/cm2で加圧成形し、直径2mm、厚さ600μmの円盤型の正極を得た。
表1〜4に記載の負極活物質を粉砕し、この粉砕物45質量部と、炭素40質量部と、架橋型のポリアクリル酸15質量部とを混合して負極合剤とした。この負極合剤1.0mgを2ton/cm2で加圧成形し、直径2.0mm、厚さ200μmの円盤型のペレット状の負極を得た。
表1〜4に従い、各溶媒を混合して非水溶媒とし、得られた非水溶媒に支持塩を溶解して電解液を得た。
次いで、正極ユニットの正極缶の開口部の内側面にシール剤を塗布した。
ステンレス鋼製の負極缶の内面に、炭素を導電性フィラーとする導電性樹脂接着剤からなる負極集電体を用いて負極を接着し、負極上にリチウムフォイル(直径:2mm、厚さ:200μm)を載置した。
次いで、ホウ珪酸ガラス製繊維を原料とする不織布を乾燥後、直径3mm、厚さ200μmの円盤型に打ち抜いてセパレータとした。このセパレータを負極上に載置し、負極缶の開口部にガスケットを設け、負極ユニットを得た。
正極缶及び負極缶に計5μLの電解液を充填した。
リチウムフォイルがセパレータに当接するように、負極ユニットを正極ユニットに嵌めた。次いで、正極缶の開口部をかしめて正極缶と負極缶とを密封した後、25℃で7日間静置して、各例の非水電解質二次電池を得た。
得られた非水電解質二次電池について、前述した保存特性を評価し、その結果を表1〜4に示す。表2の比較例4〜8は、放電しないため、測定ができなかった。
表5に従い、実施例1と同様にして非水電解質二次電池を作製した。
得られた非水電解質二次電池について、前述した容量維持率を評価し、その結果を表中に示した。
2収納容器
10正極
12正極缶
14正極集電体
20負極
22負極缶
24負極集電体
30セパレータ
40ガスケット
50電解液
Claims (4)
- 非水溶媒と支持塩とを含有し、
前記非水溶媒としては、ビニレンカーボネート、及び融点−20℃以下で沸点205℃以上の環状カーボネートからなり、前記ビニレンカーボネートの割合が20〜40体積%であり、前記環状カーボネートの割合が60〜80体積%であることを特徴とする非水電解質二次電池用の電解液。 - 非水溶媒と支持塩とを含有し、
前記非水溶媒としては、ビニレンカーボネート、及び融点−20℃以下で沸点205℃以上のグリコールエーテルからなり、前記ビニレンカーボネートの割合が5〜50体積%であり、前記グリコールエーテルの割合が50〜95体積%であることを特徴とする非水電解質二次電池用の電解液。 - ビニレンカーボネートと、融点−20℃以下で沸点205℃以上の環状カーボネートと、スルホンと、支持塩とを含有し、前記ビニレンカーボネートの割合が20〜40体積%であり、前記環状カーボネートの割合が30〜40体積%であり、前記スルホンの割合が30〜50体積%であることを特徴とする非水電解質二次電池用の電解液。
- 請求項1〜3のいずれか一項に記載の電解液を備えることを特徴とする、非水電解質二次電池。
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