JPH11111332A - 非水電解質電池 - Google Patents

非水電解質電池

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JPH11111332A
JPH11111332A JP9265307A JP26530797A JPH11111332A JP H11111332 A JPH11111332 A JP H11111332A JP 9265307 A JP9265307 A JP 9265307A JP 26530797 A JP26530797 A JP 26530797A JP H11111332 A JPH11111332 A JP H11111332A
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Japan
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aqueous electrolyte
piperazine
electrolyte battery
battery
examples
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JP9265307A
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English (en)
Inventor
Taeko Sakaguchi
妙子 阪口
Nobumichi Nishida
伸道 西田
Hiroshi Watanabe
浩志 渡辺
Toshiyuki Noma
俊之 能間
Koji Nishio
晃治 西尾
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Sanyo Electric Co Ltd
Original Assignee
Sanyo Electric Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 正極と、負極と、非水電解液とを備えた非水
電解質電池において、非水系電解液が高温での保存時や
充放電時に分解するのを抑制し、高温での保存特性やサ
イクル特性に優れた非水電解質電池が得られるようにす
る。 【解決手段】 正極1と、負極2と、非水系電解液とを
備えた非水電解質電池において、上記の非水系電解液中
にR1 −NC4 8 N−R2 (R1 ,R2 はH,F,C
l,Br,I,CF3 ,CCl3 ,CBr3 ,CI3
OCF3 ,OCCl3 ,OCBr3 ,OCI3 から選択
される少なくとも一つの置換基である。)で示されるピ
ペラジン類を含有させるようにした。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、正極と、負極と、非
水系電解液とを備えてなる非水電解質電池に係り、特
に、非水系電解液を改良して、高温での保存特性を向上
させると共に、充放電サイクル特性を向上させた非水電
解質電池に関するものである。
【0002】
【従来の技術】近年、高出力,高エネルギー密度の新型
電池として、非水系電解液を用いてリチウムの酸化,還
元を利用した高起電力の非水電解質電池が利用されるよ
うになった。
【0003】ここで、このような非水電解質電池におい
ては、その非水系電解液として、プロピレンカーボネー
トやジメチルカーボネート等の溶媒に、ヘキサフルオロ
リン酸リチウムLiPF6 や過塩素酸リチウムLiCl
4 等の電解質を溶解させたものが一般に使用されてい
た。
【0004】しかし、このような非水電解質電池の場
合、上記の非水系電解液が正極や負極等と反応して劣化
しやすく、特に高温下において、この非水系電解液が正
極や負極と反応して分解する等により、非水電解質電池
における高温での保存特性が著しく低下するという問題
があった。
【0005】このため、近年においては、特開平6−2
15775号公報に示されるように、非水系電解液中に
有機アニオンの金属塩を添加させて、非水系電解液の安
定性を向上させることが提案された。
【0006】しかし、同公報に示されるように、非水系
電解液中に有機アニオンの金属塩を添加させた非水電解
質電池の場合、充放電を繰り返した際における放電容量
の低下が大きくなり、非水電解質電池におけるサイクル
寿命が短くなるという問題があった。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】この発明は、正極と、
負極と、非水系電解液とを備えた非水電解質電池におけ
る上記のような問題を解決することを課題とするもので
あり、非水系電解液が正極や負極等と反応して劣化する
ということが少なく、保存特性、特に高温での保存特性
に優れると共に、充放電を繰り返した場合に放電容量が
低下するということも少なく、サイクル特性に優れた非
水電解質電池が得られるようにすることを課題とするも
のである。
【0008】
【課題を解決するための手段】この発明の請求項1にお
ける非水電解質電池においては、上記のような課題を解
決するため、正極と、負極と、非水系電解液とを備えて
なる非水電解質電池において、上記の非水系電解液に前
記の化1に示されるピペラジン類を含有させるようにし
たのである。
【0009】ここで、この請求項1に示す非水電解質電
池のように、非水系電解液に前記の化1に示したピペラ
ジン類を含有させると、このピペラジン類が非水系電解
液中におけるリチウムイオン等とキレートを形成して配
位し、これにより非水系電解液中における溶媒等がリチ
ウムイオン等と接触するのが抑制され、非水系電解液が
リチウムイオン等と反応して劣化するのを防止すると考
えられる。
【0010】そして、このように非水系電解液がリチウ
ムイオン等と反応して劣化するのが防止されることによ
り、非水電解質電池における保存特性が向上されると共
に、充放電による放電容量の低下も抑制されて、非水電
解質電池におけるサイクル特性も向上されるようにな
る。
【0011】ここで、非水系電解液に前記のピペラジン
類を含有させるにあたり、その量が少ないと、非水電解
質電池における高温での保存特性や、サイクル特性を十
分に向上させることができなくなる。一方、その量が多
くなり過ぎると、非水系電解液の粘度が高くなってその
イオン導電性が悪くなり、非水電解質電池におけるサイ
クル特性が低下する。従って、請求項2に示すように、
非水系電解液に含有させる前記のピペラジン類の量を
0.01〜1.5mol/lの範囲にすることが好まし
い。
【0012】そして、非水系電解液に含有させる前記の
ピペラジン類は、上記のように前記の化1に示されるも
のであって、この化1中におけるR1 ,R2 が、H,
F,Cl,Br,I,CF3 ,CCl3 ,CBr3 ,C
3 ,OCF3 ,OCCl3 ,OCBr3 ,OCI3
ら選択される少なくとも一つの置換基であればよいが、
請求項4に示すように、このR1 とR2 とがH以外の同
じ置換基になった1,4−ジフルオロピペラジンC4
2 8 2 、1,4−ジクロロピペラジンC4 2 8
Cl2 、1,4−ジブロモピペラジンC4 2 8 Br
2 、1,4−ジヨ−ドピペラジンC4 2 8 2
1,4−ジ(トリフルオロメチル)ピペラジンC4 2
8 (CF3 2 、1,4−ジ(トリクロロメチル)ピ
ペラジンC42 8 (CCl3 2 、1,4−ジ(ト
リブロモメチル)ピペラジンC4 28 (CBr3
2 、1,4−ジ(トリヨ−ドメチル)ピペラジンC4
2 8(CI3 2 、1,4−ジ(トリフルオロメトキ
シ)ピペラジンC4 2 8 (OCF3 2 、1,4−
ジ(トリクロロメトキシ)ピペラジンC4 2 8 (O
CCl3 2 、1,4−ジ(トリブロモメトキシ)ピペ
ラジンC4 2 8 (OCBr3 2 、1,4−ジ(ト
リヨ−ドメトキシ)ピペラジンC4 2 8 (OCCl
3 2 を用いることが好ましい。
【0013】これは、前記の化1中におけるR1 とR2
とがH以外の同じ置換基になったピペラジン類を用いる
と、上記のようにリチウムイオン等とキレートを形成し
た場合に、安定したキレートが形成されるようになり、
これによりリチウムイオン等と非水系電解液中における
溶媒等と接触するのがより確実に抑制され、より高温で
の保存特性やサイクル特性に優れた非水電解質電池が得
られるようになるためである。
【0014】なお、この発明の非水電解質電池は、上記
のように非水系電解液中に上記のピペラジン類を含有さ
せることを特徴とするものであり、非水系電解液におけ
る溶媒や電解質、また正極や負極を構成する材料等につ
いては特に限定されず、非水電解質電池において従来よ
り使用されているものを用いることができる。
【0015】ここで、上記の非水系電解液における溶媒
としては、例えば、エチレンカーボネート(EC)、プ
ロピレンカーボネート(PC)、ビニレンカーボネート
(VC)、ブチレンカーボネート(BC)等の環状炭酸
エステルや、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチ
ルカーボネート(DEC)、メチルエチルカーボート
(EMC)等の鎖状炭酸エステルや、1,2−ジエトキ
シエタン(DEE)、1,2−ジメトキシエタン(DM
E)、エトキシメトキシエタン(EME)等の溶媒を単
独若しくは2種以上混合させて用いることができ、特
に、サイクル特性をさらに向上させるためには、1種又
は2種以上の環状炭酸エステルと、1種又は2種以上の
鎖状炭酸エステルとを体積比1:4〜4:1の範囲で混
合させた混合溶媒を用いることが好ましい。
【0016】また、非水系電解液において、上記の溶媒
に溶解させる電解質としては、例えば、LiPF6 、L
iBF4 、LiN(C2 5 SO2 2 、LiAs
6 、LiSbF6 、LiBiF4 、LiAlF4 、L
iGaF4 、LiInF4 、LiClO4 、LiN(C
3 SO2 2 、LiCF3 SO3 等のリチウム化合物
を使用することができ、特に、サイクル特性をさらに向
上させるためには、請求項3に示すように、LiP
6 、LiBF4 、LiN(C2 5 SO2 2 を使用
することが好ましい。
【0017】また、この発明の非水電解質電池におい
て、その正極を構成する正極材料としては、例えば、二
酸化マンガン、リチウム含有マンガン酸化物、リチウム
含有コバルト酸化物、リチウム含有バナジウム酸化物、
リチウム含有ニッケル酸化物、リチウム含有鉄酸化物、
リチウム含有クロム酸化物、リチウム含有チタン酸化物
等が使用される。
【0018】また、この発明の非水電解液電池におい
て、その負極を構成する負極材料としては、金属リチウ
ム、Li−Al,Li−In,Li−Sn,Li−P
b,Li−Bi,Li−Ga,Li−Sr,Li−S
i,Li−Zn,Li−Cd,Li−Ca,Li−Ba
等のリチウム合金、リチウムイオンの吸蔵,放出が可能
な黒鉛,コークス,有機物焼成体等の炭素材料、SnO
2 ,SnO,TiO2 ,Nb 2 3 等の電位が正極材料
よりも低い金属酸化物等が使用される。
【0019】
【実施例】以下、この発明に係る非水電解質電池につい
て実施例を挙げて具体的に説明すると共に、この実施例
における非水電解液電池においては、高温での保存特性
やサイクル特性が向上されることを比較例を挙げて明ら
かにする。なお、この発明に係る非水電解質電池は下記
の実施例に示したものに限定されるものではなく、その
要旨を変更しない範囲において適宜変更して実施できる
ものである。
【0020】(実施例1〜15)これらの実施例におい
ては、正極と負極を下記のようにして作製すると共に、
非水系電解液を下記のようにして調製し、図1に示すよ
うな円筒型の非水電解質二次電池を作製した。
【0021】[正極の作製]正極を作製するにあたって
は、正極材料にLiCoO2 粉末を用い、このLiCo
2 粉末と人造黒鉛粉末とポリフッ化ビニリデンとが9
0:5:5の重量比になるようにして、LiCoO2
末に人造黒鉛粉末とポリフッ化ビニリデンのN−メチル
−2−ピロリドン(NMP)溶液とを加え、これらを混
合してスラリーを調整した。そして、このスラリーをア
ルミニウム箔からなる正極集電体の両面にドクターブレ
ード法により塗布し、これを150℃で2時間真空乾燥
させて正極を作製した。
【0022】[負極の作製]負極を作製するにあたって
は、負極材料として天然黒鉛を用い、この天然黒鉛とポ
リフッ化ビニリデンとが90:5の重量比になるように
して、この天然黒鉛にポリフッ化ビニリデンのNMP溶
液を加え、これらを混合してスラリーを調整し、このス
ラリーを負極集電体である銅箔の両面にドクターブレー
ド法により塗布し、これを150℃で2時間真空乾燥さ
せて負極を作製した。
【0023】[非水系電解液の調製]非水系電解液を調
製するにあたっては、エチレンカーボネートとジエチル
カーボネートとを1:1の体積比で混合させた混合溶媒
に、電解質としてヘキサフルオロリン酸リチウムLiP
6 を0.5mol/lの割合で溶解させ、さらにピペ
ラジン類として、下記の表1に示すように、実施例1で
は1,4−ジフルオロピペラジンC4 2 8 2 を、
実施例2では1,4−ジクロロピペラジンC42 8
Cl2 を、実施例3では1,4−ジブロモピペラジンC
4 2 8 Br 2 を、実施例4では1,4−ジヨ−ドピ
ペラジンC4 2 8 2 を、実施例5では1,4−ジ
(トリフルオロメチル)ピペラジンC4 2 8 (CF
3 2 、実施例6では1,4−ジ(トリクロロメチル)
ピペラジンC4 2 8 (CCl 3 2 を、実施例7で
は1,4−ジ(トリブロモメチル)ピペラジンC4 2
8 (CBr3 2 を、実施例8では1,4−ジ(トリ
ヨ−ドメチル)ピペラジンC4 2 8 (CI3
2 を、実施例9では1,4−ジ(トリフルオロメトキ
シ)ピペラジンC4 2 8 (OCF3 2 を、実施例
10では1,4−ジ(トリクロロメトキシ)ピペラジン
4 2 8 (OCCl3 2 を、実施例11では1,
4−ジ(トリブロモメトキシ)ピペラジンC4 2 8
(OCBr3 2 を、実施例12では1,4−ジ(トリ
ヨ−ドメトキシ)ピペラジンC4 2 8 (OCC
3 2 を、実施例13では1−フルオロピペラジンC
4 2 9 F、実施例14では1−クロロ−4−フルオ
ロピペラジンC4 2 8 ClF、実施例15ではピペ
ラジンC4 2 10をそれぞれ0.5mol/lの割合
で添加させて各非水系電解液を調製した。
【0024】[電池の作製]電池を作製するにあたって
は、図1に示すように、上記のようにして作製した正極
1と負極2との間に、セパレータ3としてポリプロピレ
ン製の多孔膜を介在させ、これらをスパイラル状に巻い
て各電池缶4内に収容させた後、この各電池缶4内に上
記のようにして調製した各非水系電解液を注液して封口
した。そして、前記の正極1は正極リード5を介して正
極外部端子6に接続させており、また負極2は負極リー
ド7を介して電池缶4に接続させ、正極外部端子6と電
池缶4とを絶縁パッキン8により電気的に分離させて、
外径14mm、高さ50mmの円筒状になった各非水電
解質二次電池を得た。
【0025】(比較例1,2)これらの比較例において
は、上記の実施例1〜15における非水系電解液の調製
において、比較例1の場合には、非水系電解液中にピペ
ラジン類を添加せず、また比較例2の場合には、ピペラ
ジン類に代えて、非水系電解液中にリチウムテトラキス
[3,5−ビス(トリフルオロメチル)フェニル]ボレ
ートLiTFPBを0.5mol/lの割合で添加させ
るようにし、それ以外は、上記の実施例1〜15の場合
と同様にして非水電解質二次電池を作製した。
【0026】次に、上記のようにして作製した実施例1
〜15及び比較例1,2の各非水電解質二次電池を用
い、それぞれ室温(25℃)において、200mAの定
電流で4.2Vまで充電した後、200mAの定電流で
2.75Vまで放電させ、これを1サイクルとして充放
電を繰り返して行ない、初期及び500サイクル後にお
ける放電容量を求めると共に、500サイクル後におけ
る容量残存率を求め、これらの結果を下記の表1に示し
た。
【0027】
【表1】
【0028】この結果から明らかなように、非水系電解
液中にピペラジン類を添加した実施例1〜15の各非水
電解質二次電池は、非水系電解液中にピペラジン類を添
加しなかった比較例1の非水電解質二次電池や、非水系
電解液中にピペラジン類に代えてLiTFPBを添加し
た比較例2の非水電解質二次電池に比べて、500サイ
クル後における容量残存率が高く、サイクル特性が向上
していた。
【0029】また、実施例1〜15の非水電解質二次電
池を比較した場合、非水系電解液中に添加するピペラジ
ン類として、前記の化1に示される置換基R1 ,R
2 が、F,Cl,Br,I,CF3 ,CCl3 ,CBr
3 ,CI3 ,OCF3 ,OCCl 3 ,OCBr3 ,OC
3 であって、R1 とR2 とが同じ置換基になったピペ
ラジン類を添加した実施例1〜12の非水電解質二次電
池は、前記の化1に示される置換基R1 ,R2 が異なっ
たピペラジン類を添加した実施例13,14の非水電解
質二次電池や、置換基R1 ,R2 がともにHからなるピ
ペラジンを添加した実施例15の非水電解質二次電池に
比べて、500サイクル後における容量残存率が高くな
って、サイクル特性がさらに向上していた。
【0030】(実施例16〜21)これらの実施例にお
いては、上記の実施例1〜15における非水系電解液の
調製において、非水系電解液中に添加するピペラジン類
として、上記の実施例1の場合と同じ1,4−ジフルオ
ロピペラジンC4 2 8 2 を用いた。そして、この
1,4−ジフルオロピペラジンC4 2 8 2 の添加
量を、下記の表2に示すように0.001〜2mol/
lの範囲で変更し、それ以外は、上記の実施例1〜15
の場合と同様にして非水電解質二次電池を作製した。
【0031】そして、このようにして作製した実施例1
6〜21の各非水電解質二次電池についても、上記の場
合と同様にして初期及び500サイクル後における放電
容量を求めると共に、500サイクル後における容量残
存率を求め、これらの結果を下記の表2に合わせて示し
た。
【0032】
【表2】
【0033】この結果、非水系電解液中に1,4−ジフ
ルオロピペラジンC4 2 8 2を添加するにあた
り、その添加量を0.01〜1.5mol/lの範囲に
した場合に、500サイクル後における容量残存率が高
くなってサイクル特性が向上した。特に、その添加量を
0.5mol/lにした場合に、さらに500サイクル
後における容量残存率が高くなって、よりサイクル特性
に優れた非水電解質二次電池が得られた。なお、非水系
電解液に含有させるピペラジン類として、前記の実施例
2〜15において使用した各ピペラジン類を用いた場合
においても、同様の結果が得られた。
【0034】(実施例22〜28)これらの実施例にお
いては、上記の実施例1〜15における非水系電解液の
調製において、エチレンカーボネートとジエチルカーボ
ネートとを1:1の体積比で混合させた混合溶媒に溶解
させる電解質の種類を下記の表3に示すように変更し、
実施例22ではLiBF4 を、実施例23ではLiN
(C2 5 SO2 2を、実施例24ではLiAsF6
を、実施例25ではLiSbF6 を、実施例26ではL
iAlF4 を、実施例27ではLiClO4 を、実施例
28ではLiN(CF3 SO2 2 をそれぞれ0.5m
ol/lの割合で溶解させると共に、上記の実施例1の
場合と同様に、1,4−ジフルオロピペラジンC4 2
8 2を0.5mol/l添加して各非水系電解液を
調製し、それ以外は、上記の実施例1〜15の場合と同
様にして各非水電解質二次電池を作製した。
【0035】そして、このようにして作製した実施例2
2〜28の各非水電解質二次電池についても、上記の場
合と同様にして初期及び500サイクル後における放電
容量を求めると共に、500サイクル後における容量残
存率を求め、これらの結果を下記の表3に合わせて示し
た。
【0036】
【表3】
【0037】この結果、非水系電解液の電解質にLiP
6 、LiBF4 、LiN(C2 5 SO2 2 を用い
た実施例1,22,23の各非水電解質二次電池は、他
の溶質を用いた実施例24〜28の各非水電解質二次電
池よりも500サイクル後における容量残存率が高くな
っており、サイクル特性に優れた非水電解質二次電池が
得られた。なお、非水系電解液に含有させるピペラジン
類として、前記の実施例2〜15において使用した各ピ
ペラジン類を用いた場合においても、同様の結果が得ら
れた。
【0038】また、上記の実施例1〜28及び比較例
1,2の各非水電解質二次電池について、上記の場合と
同様にして充放電を行ない、充放電サイクル数と放電容
量との関係を調べ、その結果を図2に示した。
【0039】この結果、実施例1〜28の各非水電解質
二次電池は、比較例1,2の各非水電解質二次電池に比
べて、充放電サイクル数の増加に伴う放電容量の低下が
少なくなっていた。
【0040】次に、上記の実施例1〜28及び比較例
1,2の各非水電解質二次電池を作製した後、1サイク
ルの充放電を行ない、4.2Vまで充電した後、それぞ
れ80℃の雰囲気下において60日間保存し、10日ご
とに各非水電解質二次電池の内部抵抗の変化を調べ、そ
の結果を図3に示した。
【0041】この結果、実施例1〜28の各非水電解質
二次電池は、比較例1,2の各非水電解質二次電池に比
べて、高温で保存した場合における内部抵抗の上昇が少
なくなっており、高温での保存特性も向上していた。
【0042】また、上記の実施例1〜28及び比較例
1,2の各非水電解質二次電池を作製した後、上記の場
合と同様に、1サイクルの充放電を行ない、4.2Vま
で充電した後、それぞれ80℃の雰囲気下において60
日間保存し、10日ごとに各非水電解質二次電池におけ
る開路電圧を調べ、その結果を図4に示した。
【0043】この結果、実施例1〜28の各非水電解質
二次電池は、比較例1,2の各非水電解質二次電池に比
べて、高温で保存した場合における開路電圧の降下が小
さくなっており、非水系電解液へのピペラジン類の添加
によって、高温での保存時における開路電圧の降下も抑
制されることが分かった。
【0044】
【発明の効果】以上詳述したように、この発明における
非水電解質電池においては、非水電解液中に前記の化1
に示すピペラジン類を含有させたため、このピペラジン
類によって高温時や充放電時における非水系電解液の分
解等が抑制され、高温での保存特性及びサイクル特性に
優れた非水電解質電池が得られた。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の実施例及び比較例において作製した
非水電解質二次電池の内部構造を示した断面説明図であ
る。
【図2】この発明の実施例及び比較例の各非水電解質二
次電池を充放電させた場合において、その充放電サイク
ル数と放電容量との関係を示した図である。
【図3】この発明の実施例及び比較例の各非水電解質二
次電池を80℃の雰囲気下で保存した場合において、そ
の保存期間と各非水電解質二次電池の内部抵抗との関係
を示した図である。
【図4】この発明の実施例及び比較例の各非水電解質二
次電池を80℃の雰囲気下で保存した場合において、そ
の保存期間と各非水電解質二次電池における開路電圧と
の関係を示した図である。
【符号の説明】
1 正極 2 負極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 能間 俊之 大阪府守口市京阪本通2丁目5番5号 三 洋電機株式会社内 (72)発明者 西尾 晃治 大阪府守口市京阪本通2丁目5番5号 三 洋電機株式会社内

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 正極と、負極と、非水系電解液とを備え
    てなる非水電解質電池において、上記の非水系電解液に
    下記の化1に示されるピペラジン類が含有されているこ
    とを特徴とする非水電解質電池。 【化1】 (式中、R1 ,R2 はH,F,Cl,Br,I,C
    3 ,CCl3 ,CBr3 ,CI3 ,OCF3 ,OCC
    3 ,OCBr3 ,OCI3 からなる選択される少なく
    とも一つの置換基であって、R1 ,R2 は同一であって
    も、異なっていてもよい。)
  2. 【請求項2】 請求項1に記載した非水電解質電池にお
    いて、前記の非水系電解液に、前記のピペラジン類が
    0.01〜1.5mol/lの範囲で含有することを特
    徴とする請求項1記載の非水電解質電池。
  3. 【請求項3】 請求項1又は2に記載した非水電解質電
    池において、前記の非水系電解液に、LiPF6 ,Li
    BF4 及びLiN(C2 5 SO2 2 から選択される
    少なくとも一種の電解質が含有されていることを特徴と
    する非水電解質電池。
  4. 【請求項4】 請求項1〜3の何れか1項に記載した非
    水電解質電池において、前記の化1に示すピペラジン類
    において、R1 ,R2 がH以外の同一の置換基であるこ
    とを特徴とする非水電解質電池。
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