下面将对本发明的实施方式进行详细描述。
首先,将对本发明的用于二次电池的非水性电解液进行描述。
本发明的非水性电解液含有以通式(I)表示的化合物:
在上述通式(I)中,X代表具有1~3个氟原子的全氟烃基或碳原子, 2n个X可以彼此相同或不同。n是大于或等于1的整数。
在通式(I)中,全氟烃基X可以是三氟甲基、五氟乙基、正七氟丙 基或异七氟丙基。
在通式(I)中,虽然X可以彼此相同或不同,但从实用的
角度考虑, 它们是相同的以便于合成。
取代基X优选是氟、三氟甲基或四氟乙基,更优选是氟。当全氟烃 基具有过多的碳原子时,以通式(I)表示的化合物的耐还原性会降低, 且化合物在电解液中的溶解性会因氟的性质而下降。
此外,在通式(I)中,n是大于或等于1的整数。对n的数值不作 具体限定,但优选是小于或等于5的整数,更优选是小于或等于3的整 数。像全氟烃基团X中具有过多碳原子的情况那样,当n过大时,即, 环上有过多的碳原子时,会产生诸如以通式(I)表示的化合物在电解液 中的溶解性下降或电解液
粘度增加等其它问题。优选地,n大于或等于2。 当n是1从而以通式(I)表示的化合物是四元环时,化合物在结构上是 不稳定的。
以通式(I)表示的化合物可以是,例如,具有丁二酸酐骨架或戊二 酸酐骨架的化合物。
以通式(I)表示的化合物的具体离子包括四氟丁二酸酐、2-三氟甲 基-2,3,3-三氟代四氟丁二酸酐、2,3-二(三氟甲基)-2,3-二氟代四氟丁二酸 酐、2,2-二(三氟甲基)-3,3-二氟代四氟丁二酸酐、2-五氟乙基-2,3,3-三氟代 四氟丁二酸酐、六氟
戊二酸酐、2-三氟甲基五氟戊二酸酐、3-三氟甲基五 氟戊二酸酐、2,3-二(三氟甲基)-2,3,4,4-四氟戊二酸酐、2,4-二(三氟甲 基)-2,3,3,4-四氟戊二酸酐、2,2-二(三氟甲基)-3,3,4,4-四氟戊二酸酐、3,3- 二(三氟甲基)-2,2,4,4-四氟戊二酸酐、2,3,4-三(三氟甲基)-2,3,4-三氟戊二酸 酐和2-五氟乙基五氟戊二酸酐。
当以通式(I)表示的化合物的环中和全氟烃基中的总碳原子数很大 时,以通式(I)表示的化合物在电解液中的溶解性下降或电解液的粘度 增加。以通式(I)表示的化合物的环中和全氟烃基中的总碳原子数优选 小于或等于10,更优选小于或等于7。优选地,总碳原子数至少为4。当 总碳原子数是3时,通式(I)的结构与n=1时相同,即,以通式(I)表 示的化合物为四元环并倾向于不稳定。
最优选地,以通式(I)表示的化合物是四氟丁二酸酐或六氟戊二酸 酐。
如上所述,这些以通式(I)表示的化合物可以从初期充电时起,就 有效地在负极上的活性物质薄膜的各个柱状物的前面和侧面上产生稳定 且优异的对锂离子具有高度渗透性的保护膜。该保护膜减少了电解液的 过度分解,稳定了活性物质薄膜的柱状结构,防止了柱状物的劣化或破 碎。因而,可以改善锂二次电池的充放电循环性能。
当电解液中以通式(I)表示的化合物的量过少时,不能完全形成该 保护膜。因而,在初期充电时无法充分获得保护膜的效果。另一方面, 当电解液中以通式(I)表示的化合物的量过多时,在初期充电时未参与 形成保护膜的部分化合物分子会对电池性能产生有害影响。因而,以通 式(I)表示的化合物优选以这样的量使用,即使得在化合物具有最大效 果的初期充电时消耗大多数化合物分子以形成保护膜。
具体地,基于电解液,电解液中所含有的以通式(I)表示的化合物, 通常为大于或等于0.01重量%,优选为大于或等于0.1重量%,更优选为 大于或等于0.5重量%,通常为小于或等于10重量%,优选为小于或等 于5重量%,更优选为小于或等于3重量%。
本发明的电解液中所使用的非水性溶剂的离子包括环状碳酸酯、链 状碳酸酯、内酯化合物(环状
羧酸酯)、链状羧酸酯、环醚、链醚和含硫 有机溶剂。这些溶剂可以单独使用或组合使用。
其中,电解液优选含有各自总共具有3~9个碳原子的环状碳酸酯、 内酯化合物、链状碳酸酯、链状羧酸酯或链醚。更优选地,电解液含有 各自总共具有3~9个碳原子的环状碳酸酯和/或链状碳酸酯。
具体地,各自总共具有3~9个碳原子的环状碳酸酯、内酯化合物、 链状碳酸酯、链状羧酸酯和链醚可以是如下i)至v)所描述的化合物。
i)总共具有3~9个碳原子的环状碳酸酯:碳酸亚乙酯、碳酸亚丙酯、 碳酸亚丁酯、碳酸亚乙烯酯、碳酸乙烯基亚乙酯。碳酸亚乙酯和碳酸亚 丙酯是更优选的。
ii)总共具有3~9个碳原子的内酯化合物:γ-丁内酯、γ-戊内酯、δ- 戊内酯。γ-丁内酯是更优选的。
iii)总共具有3~9个碳原子的链状碳酸酯:碳酸二甲酯、碳酸二乙 酯、碳酸二正丙酯、碳酸二异丙酯、碳酸正丙基·异丙基酯、碳酸二正丁 酯、碳酸二异丙酯、碳酸二叔丁酯、碳酸正丁基·异丁基酯、碳酸正丁基 ·叔丁基酯、碳酸异丁基·叔丁基酯、碳酸乙基·甲基酯、碳酸甲基·正丙 基酯、碳酸正丁基·甲基酯、碳酸异丁基·甲基酯、碳酸叔丁基·甲基酯、 碳酸乙基·正丙基酯、碳酸正丁基·乙基酯、碳酸异丁基·乙基酯、碳酸叔 丁基·乙基酯、碳酸正丁基·正丙基酯、碳酸异丁基·正丙基酯、碳酸叔丁 基·正丙基酯、碳酸正丁基·异丙基酯、碳酸异丁基·异丙基酯、碳酸叔丁 基·异丙基酯。其中,碳酸二甲酯、碳酸二乙酯和碳酸乙基·甲基酯是更 优选的。
iv)总共具有3~9个碳原子的链状羧酸酯:乙酸甲酯、乙酸乙酯、 乙酸正丙酯、乙酸异丙酯、
乙酸正丁酯、乙酸异丁酯、乙酸叔丁酯、丙 酸甲酯、丙酸乙酯、丙酸正丙酯、丙酸异丙酯、丙酸正丁酯、丙酸异丁 酯和丙酸叔丁酯。其中,乙酸乙酯、丙酸甲酯和丙酸乙酯是更优选的。
v)总共具有3~9个碳原子的链醚和优选总共具有3~6个碳原子的 链醚:二甲氧基甲烷、二甲氧基乙烷、二乙氧基甲烷、二乙氧基乙烷、 乙氧基甲氧基甲烷和乙氧基甲氧基乙烷。其中,二甲氧基乙烷和二乙氧 基乙烷是更优选的。
在本发明中,优选至少70体积%的非水性溶剂为选自各自总共具有 3~9个碳原子的内酯化合物、环状碳酸酯、链状碳酸酯、链醚和链状羧 酸酯中的至少一种溶剂,优选至少20体积%的非水性溶剂为总共具有3~ 9个碳原子的内酯化合物和/或总共具有3~9个碳原子的环状碳酸酯。
本发明的电解液中的锂盐溶质可以是任何盐类,只要其能够用作溶 质即可。该锂盐可为无机盐或有机盐。
无机锂盐可以为无机氟化物,诸如LiPF6、LiAsF6、LiBF4或LiAiF4; 或高卤酸盐,诸如LiCIO4、LiBrO4或LiIO4。
有机锂盐可以是含氟的有机锂盐,包括有机磺酸盐,诸如LiCF3SO3; 全氟烃基磺酸亚胺盐,诸如LiN(CF3SO2)2、LiN(C2F5SO2)2或 LiN(CF3SO2)(C4F9SO2);全氟烃基磺酸甲基化物盐,诸如LiC(CF3SO2)3; 或无机氟化物,其中部分氟原子被诸如LiPF3(CF3)3、LiPF2(C2F5)4、 LiPF3(C2F5)3、LiB(CF3)4、LiBF(CF3)3、LiBF2(CF3)2、LiBF3(CF3)、LiB(C2F5)4、 LiBF(C2F5)3、LiBF2(C2F5)2或LiBF3(C2F5)等一个或多个全氟烃基所取代。
优选地,锂盐是LiPF6、LiBF4、LiN(CF3SO2)2、LiN(C2F5SO2)2、 LiN(CF3SO2)(C4F9SO2)、LiPF3(CF3)3、LiPF3(C2F5)3或LiBF2(C2F5)2。
这些锂盐可以单独使用或组合使用。
以电解液中所有的锂盐计,希望作为锂盐的LiBF4和/或LiPF6的含量 通常至少为5摩尔%,优选至少为30摩尔%,且通常为小于或等于100 摩尔%。使用LiBF4和/或LiPF6作为锂盐可以提供在内具有高电化学稳定 性和很宽的
温度范围的高电导率的优异的电解液。当LiBF4和/或LiPF6 的含量过低时,这些性能会无法充分获得。
希望电解液中锂盐溶质的浓度为0.5摩尔/升~3摩尔/升。当电解液 中锂盐的浓度过低时,绝对浓度不足会导致电解液的电导率不足。另一 方面,当锂盐浓度过高时,电导率会因电解液粘度的增加而下降,且锂 盐倾向于在低温时沉淀。因而,电池性能恶化。
除了非水性溶剂、以通式(I)表示的化合物和锂盐之外,本发明的 非水性电解液还可以含有过充保护剂、脱水剂和/或
脱氧剂,这些在现有 技术中都是已知的。
第二,下面将描述使用本发明的电解液的本发明的非水性电解液二 次电池。
下面将参考图1对本发明的非水性电解液二次电池中的负极进行描 述。图1是根据本发明的负极表面的示意图。
负极具有集电器1和集电器1上的活性物质薄膜。活性物质薄膜可 以吸纳和释放锂。薄膜通过CVD法、溅射、蒸发、热喷镀或电镀沉积在 集电器1上。活性物质薄膜被在厚度方向上所形成的裂缝(空隙)2分割 成柱状物3。各柱状物3的底部附着在集电器1的表面1a上。通常,裂 缝2是通过第一次或第一次以后的充放电沿着在厚度方向上延展的活性 物质薄膜的低密度区而形成。当负极与电解液
接触时,在柱状物3的表 面上形成保护膜4。
构成薄膜的活性物质优选具有高的理论体积容量。活性物质的例子 包括硅、锗、锡、铅、锌、镁、钠、
铝、
钾和铟。其中,优选硅、锗、 锡和铝。更优选硅和锡。活性物质薄膜可以由无定形硅薄膜、微晶硅薄 膜、或锡和锡与集电器金属的合金构成。
为了稳定柱状物3的结构并改善柱状物3与集电器1间的附着性, 优选集电器1中的成分扩散进入构成柱状物3的活性物质薄膜中且优选 所形成的相结构是稳定的。
当活性物质薄膜由硅构成时,优选扩散进入活性物质薄膜中的集电 器成分不与硅形成金属间化合物,而是与硅形成
固溶体。因而,在该情 况中活性物质薄膜优选为无定形硅薄膜或微晶硅薄膜。
当活性物质薄膜由锡构成时,优选在集电器和由活性物质构成的薄 膜之间形成集电器成分与锡的混合相。该混合相可以由锡与集电器成分 的金属间化合物或固溶体构成。该混合相可以通
过热处理形成。
热处理 的条件取决于活性物质的成分、活性物质薄膜的厚度和集电器。当在
铜 制集电器上形成厚度为1μm的锡膜时,锡膜和集电器优选在
真空中在 100℃~240℃的温度下进行热处理。
活性物质薄膜的厚度并不作限于具体值,但优选至少为1μm以获得 高充放电容量。优选地,厚度小于或等于20μm。
在活性物质薄膜能够以高
附着力形成在集电器上和该材料不能与锂 形成合金的条件下,集电器可以由任何金属材料制成。集电器优选由选 自铜、镍、不锈
钢、钼、钨和钽中的至少一种金属制成,更优选由易得 的铜或镍制成,进一步优选由铜制成。
当负极集电器过厚时,它会不利地在电池结构中占据较大的空间。 因而,负极集电器的厚度优选小于或等于30μm,更优选小于或等于20 μm。因为过薄的负极集电器的机械强度不足,因此优选其厚度至少为1 μm,更优选其厚度至少为5μm。
优选地,集电器1由经表面粗糙化的箔制成,诸如经表面粗糙化的 铜箔,以在活性物质薄膜的表面上形成与集电器表面1a上的凸起和凹陷 相对应的凸起和凹陷。该箔可以是电解箔。例如,通过将金属鼓浸渍在 含有
金属离子的电解液中,在旋转金属鼓的同时施加
电流以使金属沉积 在金属鼓上,并从金属鼓上剥离所得到的金属来制备电解箔。可以对电 解箔的一面或两面进行粗糙化或
表面处理。另外,经粗糙化的表面也可 以通过在压延箔的一面或两面上
电沉积金属而制备。集电器的表面粗糙 度Ra优选至少为0.01μm,更优选至少为0.1μm。优选地,集电器的表 面粗糙度Ra小于或等于1μm。表面粗糙度Ra由日本工业标准(JIS B 0601-1994)来定义,并且例如用表面粗糙度测试仪来进行测定。
活性物质薄膜也可以用已经吸纳了锂的材料在集电器上形成。另外, 也可以当在集电器上形成活性物质薄膜时将锂添加至活性物质薄膜中。 另外,也可以在形成活性物质薄膜之后,将锂添加至活性物质薄膜中。
优选地,本发明的电池中的正极可以由可以吸纳和释放锂的材料制 成,诸如锂过渡金属氧化物,包括锂钴氧化物、锂镍氧化物、锂锰氧化 物及含这些氧化物的复合氧化物等。这些用于正极的材料可以单独使用 或组合使用。
正极可以通过各种方法制造。例如,可以通过将根据需要的
粘合剂、
增稠剂、导电材料和/或溶剂添加至
正极材料中以制备浆料,将该浆料涂 布至正极集电器上,并将其干燥来制造正极。此外,可以直接对正极材 料进行辊轧成型以形成板状电极,可以将正极材料压制成片状电极(pellet electrode),或可以通过CVD法、溅射、蒸发或热喷镀等将正极材料在集 电器上形成薄膜。
当在正极的制造中使用粘合剂时,粘合剂可以是
对电极制造中所使 用的溶剂、电解液或电池中所使用的其它材料稳定的任何材料。粘合剂 的具体例子包括聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯、苯乙烯-丁二烯
橡胶、异戊 二烯橡胶和丁二烯橡胶。
当在正极的制造中使用增稠剂时,该试剂可以是对电极制造中所使 用的溶剂、电解液或电池中所使用的其它材料稳定的任何材料。增稠剂 的具体例子包括羧甲基
纤维素、甲基
纤维素、羟甲基纤维素、乙基纤维 素、聚乙烯醇、氧化
淀粉、磷
酸化淀粉和
酪蛋白。
当在正极的制造中使用导电材料时,导电材料可以是对电极制造中 所使用的溶剂、电解液或其它电池中所使用的材料稳定的任何材料。导 电材料的具体例子包括诸如铜或镍等金属材料和诸,如石墨或
炭黑等碳 材料。
用于正极集电器的材料可以是金属,诸如铝、
钛和钽。其中,铝箔 是优选的,这是因为它易于加工成薄膜且不贵。正极集电器的厚度并不 限于具体值,但优选小于或等于50μm,更优选小于或等于30μm,其原 因与负极集电器相同,正极集电器的厚度优选至少为1μm,更优选至少 为5μm。
在本发明的电池中所使用的隔板可以由各种材料制成并且可以具有 各种形状。优选地,该材料是选自那些对电解液保持稳定并具有优异保 液性的材料。因而,隔板优选为由诸如聚乙烯或聚丙烯等聚烯烃制成的 多孔板或
无纺布。
用于制造本发明的至少包括负极、正极和非水性电解液的电池的方 法并不局限于任何具体的方法,可以从广泛采用的方法中适当地选取。
此外,电池的形状没有特别限定,可以是以下形状:圆柱型,其中 的板式电极和隔板呈螺旋形;圆柱型,其中的片状电极和隔板组合为内 外结构;或纽扣型,其中将片状电极和隔板叠层设置。
在本发明中,通过使用含有以通式(I)表示的化合物的非水性电解 液,可以从初期充电时开始就在负极活性物质薄膜的各个柱状物3的前 面和侧面上有效地产生保护膜,这种保护膜不但
稳定性优异,而且对锂 离子具有高度渗透性。该保护膜4防止了在负极中活性物质上电解液的 分解。因而,稳定了集电器1上的活性物质薄膜的柱状结构3,防止了柱 状物的劣化或破碎。由此提供了展示出高充放电效率和优异的充放电循 环性能的非水性电解液二次电池。
实施例和比较例
尽管将参考实施例和比较例对本发明作进一步的描述,但本发明并 不局限于这些实施例,而且在本发明的范围内都是有效的。
在这些实施例和比较例中,用于制造和评价非水性电解液二次电池 的方法如下。
硅薄膜负极的制造
在下述条件下对电解铜箔(厚度为18μm,表面粗糙度为Ra=0.188 μm)进行RF溅射以形成厚度约为5μm的硅薄膜:溅射气体(Ar)的流 量=100sccm,基材温度=室温(未加热),反应压力=0.133Pa(1.0× 10-3乇),高频
电能=200W。通过对如此制得的硅薄膜进行拉曼
光谱分 析,在480cm-1的
波长附近检测到峰,而在520cm-1的波长附近未检测到 峰。因而,经鉴定硅薄膜为无定形硅薄膜。将具有无定形硅薄膜的电解 铜箔在真空中在100℃干燥2小时,并
冲压成直径为10.0mm的盘状物, 以作为负极。
锡薄膜负极的制造
在含有40g·dm-3的
硫酸锡、150g·dm-3的98%的硫酸、5cm3·dm-3的 甲
醛和40cm3·dm-3的
镀锡添加剂(上村工业(株))的电解浴中用锡作为
阳极对电解铜箔(厚度为18μm,表面粗糙度Ra=0.29μm)进行电沉积。 在电解铜箔上形成厚度为1μm的锡薄膜。将该电极在140℃热处理6小 时,在真空中在100℃干燥2小时,冲压成直径为10.0mm的盘状物,以 作为负极。
正极的制造
将6重量%的炭黑(电
气化学工业社制造,商标名为DENKA BLACK) 和9重量%的聚偏二氟乙烯KF-1000(吴
羽化学社制造,商标名为 KF-1000)与85重量%的正极活性物质LiCoO2(日本化学工业社制造, C5)混合。将该混合物分散在N-甲基-2-吡咯烷
酮中以制备浆料。将该浆 料以相当于约负极理论容量的90%的量涂布在厚度为20μm的作为正极 集电器的铝箔上,在100℃干燥12小时,并冲压成直径为10.0mm的盘 状物,以作为正极。
纽扣型电池的制造
以下列方式使用正极、负极和实施例和比较例中所制备的电解液。 将正极放入同时作为正极导电体的
不锈钢容器中。然后,将浸渍有电解 液的聚乙烯隔板放在正极上。然后,将负极放在隔板上。在该情况中, 将中间绝缘
衬垫和同时作为负极导电体的封口板
铆接以制造纽扣型电 池。
图2是显示如此制造的纽扣型电池的结构的截面图。附图标记11表 示负极容器,附图标记12表示盘形
簧片,附图标记13表示
垫片,附图 标记14表示负极,附图标记15表示隔板,附图标记16表示正极,附图 标记17表示垫片,附图标记18表示正极容器,附图标记19表示
垫圈。
具有硅薄膜负极的纽扣型电池的评价
将电池在3mA的恒流下进行充电直至电池
电压达到4.2V,随后以 4.2V的恒压进行充电直至达到0.15mA,然后在3mA的恒流下进行放 电直至电池电压达到3.0V。该充放电循环在25℃进行30次。容量保持 率用第三十次循环的容量除以第三次循环的容量的比来表示。
具有锡薄膜负极的纽扣型电池的评价
将电池在0.6mA的恒流下进行充电直至电池电压达到4.2V,随后 以4.2V的恒压进行充电直至达到0.03mA,然后在0.6mA的恒流下进行 放电直至电池电压达到3.0V。该充放电循环在25℃进行30次。容量保 持率用第三十次循环的容量除以第三次循环的容量的比来表示。
实施例1~6,比较例1和2
电解液以下述方式制备。将在氩气中充分干燥的1摩尔/升的六氟磷 酸锂(LiPF6)溶质溶解在1∶1(体积/体积)的碳酸亚乙酯和碳酸二乙酯 的溶剂混合物中。然后,将如表1所示的化合物以如表1所示的浓度添 加至各个溶液中(比较例1和2中未添加化合物)。用这些电解液、如表 1所示的负极及正极制造纽扣型电池。表1示出了评价结果。
表1 负极类型 添加至电解液中的化合物 第三次循环的 放电容量 (mAh) 第三十次循环的 放电容量 (mAh) 容量保持率 (%) 化合物名称 在电解液中 的浓度 (重量%) 实施例1 硅薄膜 负极 四氟丁二酸酐 2 2.47 2.01 81.3 实施例2 四氟丁二酸酐 0.5 2.92 2.23 76.4 实施例3 六氟戊二酸酐 2 2.93 2.28 77.8 比较例1 - - 2.84 1.68 59.2 实施例4 锡薄膜 负极 四氟丁二酸酐 2 0.45 0.44 98 实施例5 四氟丁二酸酐 0.5 0.45 0.44 98 实施例6 六氟戊二酸酐 2 0.44 0.42 95 比较例2 - - 0.43 0.41 95
表1表明电解液中的本发明的以通式(I)表示的化合物改善了库仑 效率和充放电循环性能。
如上所述,本发明提供了具有高能量密度的非水性电解液二次电池, 其中有效防止了电解液的分解,提高了库仑效率,并具有优异的充放电 循环性能。