JPH0652886A - 非水電解液二次電池 - Google Patents

非水電解液二次電池

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JPH0652886A
JPH0652886A JP3248992A JP24899291A JPH0652886A JP H0652886 A JPH0652886 A JP H0652886A JP 3248992 A JP3248992 A JP 3248992A JP 24899291 A JP24899291 A JP 24899291A JP H0652886 A JPH0652886 A JP H0652886A
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JP
Japan
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lithium
aqueous electrolyte
secondary battery
electrolyte secondary
solvent
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JP3248992A
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English (en)
Inventor
Hiromi Okuno
博美 奥野
Hide Koshina
秀 越名
Takayuki Kawahara
隆幸 川原
Katsuaki Hasegawa
勝昭 長谷川
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Chemical Corp
Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Mitsubishi Petrochemical Co Ltd
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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  • Secondary Cells (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 電解液の溶媒の改良によって、サイクル寿命
特性と低温特性に優れた非水電解液二次電池を提供す
る。 【構成】 リチウムイオンを吸蔵・放出できる炭素材か
らなる負極と、非水電解液と、リチウム含有酸化物から
なる正極とを備え、非水電解液の溶媒はエステル類より
なり、プロピオン酸メチルを含むこととした。これによ
り、サイクル寿命と低温特性に優れた非水電解液二次電
池が提供できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は非水電解液二次電池に関
し、さらに詳しくはこの電池のサイクル寿命および低温
における容量特性の改良に関するものである。
【0002】
【従来の技術】近年、電子機器のポータブル化,コード
レス化が急速に進んでおり、これらの駆動用電源として
小形・軽量で、高エネルギー密度を有する二次電池への
要望が高い。このような点で非水電解液系の二次電池、
特にリチウム二次電池はとりわけ高電圧・高エネルギー
密度を有する電池として期待が大きい。
【0003】非水電解液電池を二次電池化する場合、正
極活物質としては高容量かつ高電圧のものが望まれる。
この要望を満たすものとしてLiCoO2やLiMn2
4系の4Vの高電圧を示す材料が挙げられる。
【0004】一方、負極材料としては金属リチウムをは
じめ、リチウム合金やリチウムイオンを吸蔵・放出でき
る炭素材などが検討されている。しかし金属リチウムに
は充放電に伴う樹枝状生成物(デンドライト)による短
絡の問題があり、リチウム合金には充放電に伴う膨脹収
縮に起因した電極の崩れなどの問題がある。従って、最
近ではこれらの問題の生じない炭素材がリチウム二次電
池の負極材料として有望視されている。
【0005】一般に、負極材料に金属リチウムを用いた
場合、充電時に負極表面に生成される活性なデンドライ
トと非水溶媒とが反応して一部溶媒の分解反応を引き起
こし、それが充電効率を下げることは良く知られてい
る。これを解消するものとして特開昭57−17046
3号公報では、エチレンカーボネートが充電効率に優れ
ていることに着目し、このエチレンカーボネートとプロ
ピレンカーボネートとの混合溶媒を用いることが提案さ
れている。さらに特開平3−55770号公報では電池
の低温特性を改良するためエチレンカーボネートとジエ
チルカーボネートとの混合溶媒に2メチルテトラヒドロ
フラン、1,2−ジメトキシエタン、4メチル1,3−
ジオキソランなどを混合し、非水電解液の溶媒として用
いることが提案されている。
【0006】しかしながら、これらの系を用いても充電
効率は最大でも98〜99%程度にとどまり、依然とし
て充電効率を十分に高めるまでには至っていない。これ
は負極にリチウム合金を用いた場合でも同様である。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】負極材料に炭素材を用
いた場合、充電反応は電解液中のリチウムイオンが炭素
材の層間にインターカレートするという反応であるた
め、リチウムのデンドライトは生成されず、上記のよう
な負極表面での溶媒の分解反応は生じないはずである。
しかし、実際には充電効率は100%に満たず、負極に
リチウムもしくはリチウム合金を用いた場合と同様の課
題が残る。
【0008】本発明者等は、この現象はリチウム金属を
負極に用いた場合のような負極表面における溶媒の分解
反応によるものではなく、負極炭素材の層間にリチウム
がインターカレートするときに、リチウムのみならずリ
チウムを配位した溶媒も共に層間に引きこまれ、その
際、一部溶媒の分解反応を引き起こすことによると考え
た。つまり、分子半径が大きい溶媒は負極炭素材の層間
にスムーズにインターカレートされずに負極材料の層間
の入口で分解されるということである。
【0009】一般的にリチウム電池の電解液の優れた溶
媒に求められる要件として、誘電率が大、すなわち溶質
である無機塩を多量に溶解できることが挙げられる。プ
ロピレンカーボネート,エチレンカーボネートなどの環
状エステル類はこの要件を満たす優れた溶媒であると言
われているが、これらはいずれもその環状構造ゆえ分子
半径が大きいため、負極に炭素材を用いた場合、上述し
た如く充電時に溶媒の分解反応を伴うという問題点を持
つ。また、これらの溶媒は高粘性であるため、単独で用
いると電解液の粘度が高く高率充放電に難があると共
に、低温時の容量が小さいという欠点も持つ。特にエチ
レンカーボネートは凝固点が36.4℃と高く、単独で
用いることはできない。この欠点を補うものとして上述
した如く、2メチルテトラヒドロフラン、1,2ジメト
キシエタン、4メチル1,3ジオキソラン等のエーテル
類を混合するという方法が一般的に取られているが、反
面これらのエーテル類は酸化分解電圧が低く、二次電池
に用いた場合、充電時に分解反応が起きるためサイクル
寿命が短いという結果となる。
【0010】一方、鎖状エステル類はその構造上、炭素
材の層間に入り易く、充電時の分解反応は起こりにく
い。中でも酢酸メチル,蟻酸メチルが優れた溶媒である
ことは既に米国特許第4,804,596号で知られて
いるが、逆にこれらの溶媒は比較的リチウムとの反応性
が高く、負極材料として炭素材を用いた場合でも、その
層間に入った際、一部リチウムと反応し、充放電サイク
ルを繰り返すと徐々に消耗されていくという欠点を持
つ。また比較的低沸点のものが多く、電池を構成する際
にその取扱いが難しいなどの課題をもつ。
【0011】本発明は、このような課題を解決するもの
で、長寿命であって、しかも低温での容量保持率に優れ
た非水電解液二次電池を提供することを主たる目的とし
たものである。
【0012】
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決し、先
に述べた目的を達成するため、本発明はプロピオン酸メ
チルを含むエステル類からなる溶媒を電解液の溶媒に用
いるものである。
【0013】
【作用】本発明者等は、酢酸メチル,蟻酸メチルなどの
鎖状エステルのリチウムとの反応性が比較的高いのは、
その官能基がカルボキシル基もしくはメチルカルボキシ
ル基であってその鎖状構造が比較的短いためであり、よ
り長い鎖状構造のエステルはリチウムに対し安定である
が、一方あまりに長鎖であると逆に、上述したように炭
素材の層間に引き込まれる際、溶媒の分解反応を起こし
やすく、その意味から官能基がエチルカルボキシル基で
あるプロピオン酸メチルが優れた溶媒であることを見出
した。
【0014】同時にこのプロピオン酸メチルは低凝固点
を有するため、酸化分解電圧の低いエーテル類を混合し
て用いる必要もなく、優れた低温特性を示すとともに、
酢酸メチル,蟻酸メチルに比べ高沸点であるため取扱い
にも優れることを見出した。
【0015】
【実施例】以下、図面とともに本発明の実施例を説明す
る。実施例においては円筒形の電池を構成して評価を行
った。
【0016】(実施例1)図1に円筒形電池の縦断面図
を示す。図において1は正極を示し、活物質であるLi
CoO2に導電材としてカーボンブラックを、結着剤と
してポリ四フッ化エチレンの水性ディスパージョンを重
量比で100:3:10の割合で混合したものをアルミ
ニウム箔の両面に塗着,乾燥し、圧延した後所定の大き
さに切断したものである。これには2のチタン製リード
板をスポット溶接している。なお結着剤のポリ四フッ化
エチレンの水性ディスパージョンの混合比率は、その固
形分で計算している。3は負極で、炭素質材料を主材料
とし、これとアクリル系結着剤とを重量比で100:5
の割合で混合したものをニッケル箔の両面に塗着,乾燥
し、圧延した後所定の大きさに切断したものである。こ
れにも4のニッケル製の負極リード板をスポット溶接し
ている。5はポリプロピレン製の微孔性フィルムからな
るセパレータで、正極1と負極3との間に介在し、全体
が渦巻状に捲回されて極板群を構成している。この極板
群の上下の端にはそれぞれポリプロピレン製の絶縁板
6,7を配して鉄にニッケルメッキしたケース8に挿入
する。そして正極リード2をチタン製の封口板10に、
負極リード4をケース8の底部にそれぞれスポット溶接
した後、所定量の電解液をケース内に注入し、ガスケッ
ト9を介して電池を封口板10で封口して完成電池とす
る。この電池の寸法は直径14mm,高さ50mmである。
なお、11は電池の正極端子であり、負極端子は電池ケ
ース8がこれを兼ねている。
【0017】電解液の溶媒には環状エステルであるプロ
ピレンカーボネート(以下PCという)と鎖状エステル
である蟻酸メチル(以下MFという)、酢酸メチル(以
下MAという),プロピオン酸メチル(以下MPとい
う)の4種類を単独で用いた系と、エチレンカーボネー
ト(以下ECという)、鎖状エステルであるジエチルカ
ーボネート(以下DECという)、鎖状エーテルである
ジメトキシエタン(以下DMEという)を用いた環状エ
ステル・鎖状エステル・鎖状エーテル混合系(体積比で
示す)について、以下に示した円筒形電池A〜Eの試作
を行った。なお電解液の溶質には六フッ化リン酸リチウ
ムを用い、それぞれ1モル/lの濃度になるように調整
した。
【0018】 電池A……PC=100 電池B……MF=100 電池C……MA=100 電池D……MP=100 電池E……EC:DEC:DME=20:40:40 評価した電池特性はサイクル寿命特性と低温特性であ
る。
【0019】試験条件は、充放電電流100mA,充電終
止電圧4.2V,放電終止電圧3.0Vとし、初期10
サイクルの充放電を20℃で行った後、充電状態で試験
を停止し、温度を−10℃に変えて放電し、その放電容
量の大きさで低温特性を評価した。その後温度を20℃
に戻し、同様の電圧,電流条件で充放電を繰り返し、放
電容量が初期の50%に劣化した時点で試験を終了し、
そのサイクル数をサイクル寿命とした。
【0020】電池A〜Eのサイクル寿命特性を図2に示
す。図2よりサイクル寿命特性のよい順にD−C−B−
E−Aとなった。中でも環状エステルを単独で用いたA
は特にサイクル寿命が短い。これは充電時に、負極では
炭素材の層間へリチウムイオンがインターカレートする
が、その際にリチウムイオンに配位した溶媒分子も共に
層間に引き込まれるため、環状構造を持ち、分子の大き
い溶媒は一部分解するためと考えられる。次にEのサイ
クル寿命が短いのは、上述した如く充電時にエーテル系
溶媒であるDMEが分解するためと考えられる。また、
鎖状エステルの単独系においてサイクル寿命特性はMP
−MA−MFの順に良いという結果となった。このこと
から鎖状エステルはその官能基の鎖状構造が長いほうが
安定であり、リチウムとの反応性が抑えられて良好なサ
イクル特性を与えると考えられる。
【0021】以上の結果からサイクル寿命特性が良好で
あったのは、鎖状エステルの単独溶媒系であり、特に鎖
状エステルが本発明のプロピオン酸メチルの場合に最も
寿命が長かった。
【0022】次に図3より低温特性のよい順としては
B,C,Dがほとんど変わらず、次にE,Aという順序
となった。
【0023】以上の結果からサイクル寿命特性,低温特
性共に良好であったのは本発明によるプロピオン酸メチ
ル単独系であった。
【0024】なお、実施例では正極活物質にリチウムと
コバルトの複合酸化物を用いたが、他のたとえばリチウ
ムとニッケルの複合酸化物、リチウムとマンガンの複合
酸化物、リチウムと鉄の複合酸化物などのリチウム含有
酸化物、もしくは上記複合酸化物のそれぞれコバルト,
ニッケル,マンガン,鉄を他の遷移金属で一部置換した
ものでもほぼ同様の結果が得られた。
【0025】また本実施例では電解液の溶質に六フッ化
リン酸リチウムを用いたが、他のリチウム含有塩、例え
ばホウフッ化リチウム,過塩素酸リチウム,トリフルオ
ロメタンスルホン酸リチウム,六フッ化ヒ酸リチウムな
どでもほぼ同様の結果が得られた。
【0026】なお、本実施例では低温特性の試験を−1
0℃で行ったが、さらに低温が必要な場合は、プロピオ
ン酸メチルに、より低凝固点溶媒を混合して用いる方法
がある。また、より高温で使用する場合も同様に、高沸
点溶媒を混合して用いる方法がある。ただしそれらの場
合、サイクル寿命特性が悪くなる可能性があるが、低温
特性を重視する場合にはそれらの方法を取りうる。
【0027】
【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明に
よれば電解液の溶媒にエステル類を用い、上記エステル
中にプロピオン酸メチルを含むことによって、サイクル
寿命特性,低温特性に優れた非水電解液二次電池を提供
することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例における円筒形電池の縦断面図
【図2】実施例における電池の20℃でのサイクル寿命
を示す図
【図3】実施例における電池の−10℃での放電電圧の
推移を示す図
【符号の説明】
1 正極 2 正極リード板 3 負極 4 負極リード板 5 セパレータ 6 上部絶縁板 7 下部絶縁板 8 ケース 9 ガスケット 10 封口板 11 正極端子
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 川原 隆幸 三重県四日市市東邦町1番地 三菱油化株 式会社四日市総合研究所内 (72)発明者 長谷川 勝昭 三重県四日市市東邦町1番地 三菱油化株 式会社四日市総合研究所内

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】リチウムイオンを吸蔵・放出できる炭素材
    からなる負極と、非水電解液と、リチウム含有酸化物か
    らなる正極とを備え、上記非水電解液の溶媒はエステル
    類からなり、上記エステル中にプロピオン酸メチルを含
    む非水電解液二次電池。
  2. 【請求項2】正極活物質が、リチウムとコバルトの複合
    酸化物、リチウムとニッケルの複合酸化物、リチウムと
    マンガンの複合酸化物、リチウムと鉄の複合酸化物、も
    しくは上記複合酸化物のそれぞれコバルト,ニッケル,
    マンガン,鉄を他の遷移金属で一部置換したもののいず
    れかである請求項1に記載の非水電解液二次電池。
  3. 【請求項3】非水電解液はその溶質として、六フッ化リ
    ン酸リチウム,ホウフッ化リチウム,過塩素酸リチウ
    ム,トリフルオロメタンスルホン酸リチウム,六フッ化
    ヒ酸リチウムのうち少なくとも一つを含む請求項1また
    は2に記載の非水電解液二次電池。
JP3248992A 1991-09-27 1991-09-27 非水電解液二次電池 Pending JPH0652886A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1009057A1 (fr) * 1998-12-10 2000-06-14 Alcatel Générateur électrochimique rechargeable au lithium utilisable à basse temperature
JP2017103240A (ja) * 2012-11-22 2017-06-08 エルジー・ケム・リミテッド リチウム二次電池用電解液及びそれを含むリチウム二次電池

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1009057A1 (fr) * 1998-12-10 2000-06-14 Alcatel Générateur électrochimique rechargeable au lithium utilisable à basse temperature
FR2787243A1 (fr) * 1998-12-10 2000-06-16 Cit Alcatel Generateur electrochimique rechargeable au lithium utilisable a basse temperature
JP2017103240A (ja) * 2012-11-22 2017-06-08 エルジー・ケム・リミテッド リチウム二次電池用電解液及びそれを含むリチウム二次電池

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