(57)【要約】【課題】フロート特性に優れた非水電解質二次電池を提供すること。【解決手段】正極活物質層が正極集電体上に設けられた正極、負極活物質層が負極集電体上に設けられた負極、および非水電解質を備えた非水電解質二次電池であって、前記正極活物質層は、正極活物質であるリチウムコバルト酸化物（ＬｉＣｏＯ２）、或いは異種原子を含有するリチウムコバルト複合酸化物（ＬｉＣｏｘＭ１−ｘＯ２：Ｍは１種類以上の金属、ｘは０＜ｘ＜１である。）を主体として含有し、前記負極活物質層は、負極活物質である炭素系材料を主体として含有し、前記非水電解質は、式（１）および式（２）のスルホン化合物のうちの少なくとも１種を含有する非水電解質二次電池である。（Ｒ１：ＣｍＨ２ｍ−ｎＸｎ、Ｘ：ハロゲン。ただし、ｍは２〜４の整数、ｎは０〜２ｍの整数。Ｒ２：ＣｊＨ２ｊ−ｋＺｋ、Ｚ：ハロゲン。ただし、ｊは２〜４の整数、ｋは０〜２ｊの整数。）【化１】2010135115.tif 000014【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極活物質層が正極集電体上に設けられた正極、負極活物質層が負極集電体上に設けられた負極、および非水電解質を備えた非水電解質二次電池であって、前記正極活物質層は、正極活物質であるリチウムコバルト酸化物（ＬｉＣｏＯ２）、或いは異種原子を含有するリチウムコバルト複合酸化物（ＬｉＣｏｘＭ１−ｘＯ２：Ｍは１種類以上の金属、ｘは０＜ｘ＜１である。）を主体として含有し、前記負極活物質層は、負極活物質である炭素系材料を主体として含有し、前記非水電解質は、式（１）および式（２）のスルホン化合物のうちの少なくとも１種を含有する非水電解質二次電池。
【化１】
2010135115.tif 000012
（Ｒ１はＣｍＨ２ｍ−ｎＸｎであり、Ｘはハロゲンである。ただし、ｍは２〜４の整数であり、ｎは０〜２ｍの整数である。Ｒ２はＣｊＨ２ｊ−ｋＺｋであり、Ｚはハロゲンである。ただし、ｊは２〜４の整数であり、ｋは０〜２ｊの整数である。）
【請求項２】
式（１）のスルホン化合物は、式（１−１）の化合物である請求項１の非水電解質二次電池。
【化２】
2010135115.tif 000013
【請求項３】
非電解質中における請求項１又は２のスルホン化合物の含有量は、０．０５〜５質量％である請求項１の非水電解質二次電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非水電解質二次電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
非水電解質電池のなかでもリチウムイオン二次電池は、携帯電話、携帯パソコン等の携帯電子機器の電源として急速に発達している。これら携帯機器用の電源において、最も必要とされる特性はエネルギー密度、即ち、単位体積当たりのエネルギー貯蔵量であり、いかに長時間携帯機器が使用できるかに関心が持たれている。リチウムイオン二次電池の正極材料としては、リチウム・コバルト複合酸化物、リチウムニッケルコバルト複合酸化物やリチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物等が開発されてきたが、何れもエネルギー密度向上を目的としたものである。
特許文献１には、非プロトン性有機溶媒にスルホン酸無水物が含まれる電解液を用いて優れたエネルギー密度、起電力等の特性を有するとともに、サイクル寿命、安全性に優れたリチウム二次電池を得る旨の記載がある。
特許文献２には、コバルトを含有する正極活物質を用いた非水電解液二次電池において、電解液にコバルトと錯体を形成する化合物を添加することにより、電解液中に溶出したコバルトイオンを安定化し、負極への析出を抑制することにより負極の反応面積低減やコバルトの触媒反応によるガス発生を抑制し、高温保存特性、高温充放電サイクル特性に優れた非水電解液二次電池を提供できる旨の記載がある。
しかしながら、例えば携帯パソコンに電源を継続して接続された状態で放置しておくと、バッテリーパック内の電池が充電状態（フロート状態）にさらされることとなり、電池容量が急激に劣化する。これは、正極活物質に含有するコバルトが酸化環境下において容易に溶出し、界面抵抗が増加するのと同時に層状構造変化により容量低下するためである。さらに携帯パソコン駆動に伴う周辺温度上昇が劣化を加速する要因となっている。
改善策として、リチウムコバルト複合酸化物からＣｏが溶出しても、電解液添加剤により安定化させ、負極への悪影響を回避する技術がある。しかし、Ｃｏ溶出による負極への悪影響は回避できるが、正極構造変化により、正極抵抗が上昇し、容量劣化する。つまり、Ｃｏの溶出自体を抑えなければ、高信頼性の電池は得られない。
即ち、更にフロート特性に優れた非水電解質二次電池が要望されている。
【０００３】
【特許文献１】特表２００２−２２３３６号公報
【特許文献２】特開２００２−１３４１７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、フロート特性に優れた非水電解質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】
【０００５】
本発明は、正極活物質層が正極集電体上に設けられた正極、負極活物質層が負極集電体上に設けられた負極、および非水電解質を備えた非水電解質二次電池であって、前記正極活物質層は、正極活物質であるリチウムコバルト酸化物（ＬｉＣｏＯ２）、或いは異種原子を含有するリチウムコバルト複合酸化物（ＬｉＣｏｘＭ１−ｘＯ２：Ｍは１種類以上の金属、ｘは０＜ｘ＜１である。）を主体として含有し、前記負極活物質層は、負極活物質である炭素系材料を主体として含有し、前記非水電解質は、式（１）および式（２）のスルホン化合物のうちの少なくとも１種を含有する非水電解質二次電池である。
【化１】
2010135115.tif 000002
（Ｒ１はＣｍＨ２ｍ−ｎＸｎであり、Ｘはハロゲンである。ただし、ｍは２〜４の整数であり、ｎは０〜２ｍの整数である。Ｒ２はＣｊＨ２ｊ−ｋＺｋであり、Ｚはハロゲンである。ただし、ｊは２〜４の整数であり、ｋは０〜２ｊの整数である。）
本願明細書において、非水電解質とは、液状、ゲル状を含む。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、非水電解質に上記スルホン化合物を含むようにしたので、正極にコバルトを含む酸化物を用いた電池であっても、初回の充電で正極活物質表面に良好な保護皮膜を形成し、充電環境下でさらされたとしても、コバルトの溶出そのものを抑制できる。これにより、実携帯パソコン等の実使用環境にて劣化の小さなリチウムイオン二次電池を得ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、本発明について詳述する。なお、本願明細書において、「％」は特記しない限り、質量％を意味する。
本発明において、正極活物質層は、正極活物質であるリチウムコバルト酸化物（ＬｉＣｏＯ２）、或いは異種原子を含有するリチウムコバルト複合酸化物（ＬｉＣｏｘＭ１−ｘＯ２：Ｍは１種類以上の金属、ｘは０＜ｘ＜１である。）を主体として含有する。ここで、「主体」とは、正極活物質層の正極活物質総質量の５０％以上を意味する。また、Ｍが２種以上の場合は、各々の下付数字の総和が１−ｘとなるように選定される。Ｍとしては、遷移元素、ＩＩＡ族元素、ＩＩＩＡ族元素、ＩＩＩＢ族元素、ＩＶＢ族元素等が挙げられるが、特に遷移金属元素としてコバルト（Ｃｏ），ニッケル，マンガン（Ｍｎ），鉄，アルミニウム，バナジウム（Ｖ），およびチタン（Ｔｉ）のうちの少なくとも１種を含むものが好ましい。
正極活物質は、リチウムコバルト酸化物またはリチウムコバルト複合酸化物の表面に、該酸化物とは異なる組成の金属酸化物（例えば、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｌｉなどから選択されるもの）やリン酸化合物（例えば、リン酸リチウム等）等を含む被覆層が施されていてもよい。
本発明において、正極活物質とは、電極反応物質であるリチウムを吸蔵および放出することが可能な正極材料を意味する。
本願明細書において、上述のリチウムコバルト酸化物粒子、及び異種原子を含有するリチウムコバルト複合酸化物粒子を総称して、「複合酸化物粒子」ともいう。
【０００８】
本発明において、負極活物質層は、負極活物質である炭素系材料を主体として含有する。ここで、「主体」とは、負極活物質層の負極活物質総質量の５０％以上を意味する。炭素系材料とは、炭素を９０質量％以上含む材料を意味する。炭素系材料としては、黒鉛、難黒鉛化性炭素および易黒鉛化性炭素などが挙げられる。これらの炭素系材料は、充放電時に生じる結晶構造の変化が非常に少なく、高い充放電容量を得ることができると共に、良好な充放電サイクル特性を得ることができるので好ましい。黒鉛は、天然黒鉛でも人造黒鉛でもよい。
難黒鉛化性炭素としては、（００２）面の面間隔が０．３７ｎｍ以上、真密度が１．７０ｇ／ｃｍ３未満であると共に、空気中での示差熱分析（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ  ｔｈｅｒｍａｌ  ａｎａｌｙｓｉｓ；ＤＴＡ）において、７００℃以上に発熱ピークを示さないものが好ましい。
【０００９】
次に非水電解質について説明する。
非水電解質は、式（１）および式（２）のスルホン化合物のうちの少なくとも１種を含有する。即ち、非水電解質は、式（１）のスルホン化合物のみを含有するものでもよいし、式（２）のスルホン化合物のみを含有するものでもよいし、それら両者を含有するものでもよく、各々の場合、構造基準で１種以上を用いることができる。式（１）のスルホン化合物をスルホン化合物（１）ともいう。式（２）等についても同様である。また、両者を含む意味で用いる場合は、単に、スルホン化合物ともいう。非水電解質中におけるスルホン化合物の含有量は、０．０５〜５質量％であることが好ましい。５質量％を超えると、正極皮膜が厚くなり、皮膜抵抗が大きくなりすぎるからであり、０．０５質量％未満では本発明の効果が期待できない。
以下、式（１）のスルホン化合物をスルホン化合物（１）ともいう。式（２）等についても同様である。
スルホン化合物（１）について説明する。
Ｒ１はＣｍＨ２ｍ−ｎＸｎであり、ｍは２〜４の整数、好ましくは、2〜3の整数であり、ｎは０〜２ｍの整数、好ましくは、4〜6の整数である。Ｘはハロゲンであり、好ましくはフッ素又は塩素である。
スルホン化合物（１）としては、式（１−１）の化合物が好ましい。
【００１０】
【化２】
2010135115.tif 000003
【００１１】
以下にスルホン化合物（１）の具体例を挙げるが、本発明はこれらに限定されない。
【００１２】
【化３】
2010135115.tif 000004
【００１３】
スルホン化合物（２）について説明する。
Ｒ２はＣｊＨ２ｊ−ｋＺｋであり、ｊは２〜４の整数、好ましくは、2〜3の整数であり、ｋは０〜２ｊの整数、好ましくは、4〜６の整数である。Ｚはハロゲンであり、好ましくはフッ素又は塩素である。
以下にスルホン化合物（２）の具体例を挙げるが、本発明はこれらに限定されない。
【００１４】
【化４】
2010135115.tif 000005
【００１５】
非水電解質は、溶媒と電解質塩とを含んでいる。溶媒としては、例えば、４−フルオロ−１，３−ジオキソラン−２−オン（ＦＥＣ）、炭酸エチレン、炭酸プロピレン、炭酸ブチレン、炭酸ビニレン、炭酸ジメチル、炭酸ジエチル、炭酸エチルメチル、γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン、１，２−ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン、２−メチルテトラヒドロフラン、１，３−ジオキソラン、４−メチル−１，３−ジオキソラン、酢酸メチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、アセトニトリル、グルタロニトリル、アジポニトリル、メトキシアセトニトリル、３−メトキシプロピロニトリル、Ｎ，Ｎ−ジメチルフォルムアミド、Ｎ−メチルピロリジノン、Ｎ−メチルオキサゾリジノン、ニトロメタン、ニトロエタン、スルホラン、ジメチルスルフォキシド、リン酸トリメチル、リン酸トリエチル、エチレンスルフィド、およびビストリフルオロメチルスルホニルイミドトリメチルヘキシルアンモニウムなどの常温溶融塩が挙げられる。中でも、４−フルオロ−１，３−ジオキソラン−２−オン、炭酸エチレン、炭酸プロピレン、炭酸ビニレン、炭酸ジメチル、炭酸エチルメチルおよびエチレンスルフィトからなる群のうちの少なくとも１種を混合して用いるようにすれば、優れた充放電容量特性および充放電サイクル特性を得ることができるので好ましい。
【００１６】
非水電解質に含まれる電解質塩は、１種または２種以上の材料を混合して含んでいてもよい。電解質塩としては、例えば、六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ６）、ビス（ペンタフルオロエタンスルホニル）イミドリチウム（Ｌｉ（Ｃ２Ｆ５ＳＯ２）２Ｎ）、過塩素酸リチウム（ＬｉＣｌＯ４）、六フッ化ヒ酸リチウム（ＬｉＡｓＦ６）、四フッ化ホウ酸リチウム（ＬｉＢＦ４）、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム（ＬｉＳＯ３ＣＦ３）、ビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミドリチウム（Ｌｉ（ＣＦ３ＳＯ２）２Ｎ）、トリス（トリフルオロメタンスルホニル）メチルリチウム（ＬｉＣ（ＳＯ２ＣＦ３）３）、塩化リチウム（ＬｉＣｌ）および臭化リチウム（ＬｉＢｒ）が挙げられる。
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明の実施の形態に係る二次電池の断面構造を表すものである。この二次電池は、いわゆる円筒型といわれるものであり、ほぼ中空円柱状の電池缶１１の内部に、帯状の正極２１と負極２２とがセパレータ２３を介して巻回された巻回電極体２０を有している。電池缶１１は、例えばニッケル（Ｎｉ）のめっきがされた鉄（Ｆｅ）により構成されており、一端部が閉鎖され他端部が開放されている。電池缶１１の内部には、巻回電極体２０を挟むように巻回周面に対して垂直に一対の絶縁板１２，１３がそれぞれ配置されている。
【００１８】
電池缶１１の開放端部には、電池蓋１４と、この電池蓋１４の内側に設けられた安全弁機構１５および熱感抵抗素子（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ；ＰＴＣ素子）１６とが、ガスケット１７を介してかしめられることにより取り付けられており、電池缶１１の内部は密閉されている。電池蓋１４は、例えば、電池缶１１と同様の材料により構成されている。安全弁機構１５は、熱感抵抗素子１６を介して電池蓋１４と電気的に接続されており、内部短絡あるいは外部からの加熱などにより電池の内圧が一定以上となった場合にディスク板１５Ａが反転して電池蓋１４と巻回電極体２０との電気的接続を切断するようになっている。熱感抵抗素子１６は、温度が上昇すると抵抗値の増大により電流を制限し、大電流による異常な発熱を防止するものである。ガスケット１７は、例えば、絶縁材料により構成されており、表面にはアスファルトが塗布されている。
【００１９】
巻回電極体２０の中心には例えばセンターピン２４が挿入されている。巻回電極体２０の正極２１にはアルミニウム（Ａｌ）などよりなる正極リード２５が接続されており、負極２２にはニッケルなどよりなる負極リード２６が接続されている。正極リード２５は安全弁機構１５に溶接されることにより電池蓋１４と電気的に接続されており、負極リード２６は電池缶１１に溶接され電気的に接続されている。
【００２０】
図２は図１に示した巻回電極体２０の一部を拡大して表すものである。
正極２１は、例えば、対向する一対の面を有する正極集電体２１Ａの両面に正極活物質層２１Ｂが設けられた構造を有している。なお、図示はしないが、正極集電体２１Ａの片面のみに正極活物質層２１Ｂを設けるようにしてもよい。正極集電体２１Ａは、例えば、アルミニウム箔，ニッケル箔あるいはステンレス箔などの金属箔により構成されている。
【００２１】
正極活物質層２１Ｂは、正極活物質として、前記特定のコバルト（Ｃｏ）を含有するリチウム酸化物を含むことは必須であるが、電極反応物質であるリチウムを吸蔵および放出することが可能な正極材料を他に含んでいても良い。また、必要に応じて導電剤を含んでいてもよい。結着材としては、例えば、ポリフッ化ビニリデンを含むことが好ましいが、ポリアクリロニトリル、ゴム系バインダー等をさらに含有してもよい。ポリフッ化ビニリデンは、例えば、ＰＶＤＦ-ＣＴＦＥ共重合体（フッ化ビニリデン−クロロトリフルオロエチレン共重合体）、ＰＶＤＦ-ＰＴＦＥ（フッ化ビニリデン−ポリトリフルオロエチレン共重合体）、ポリフッ化ビニリデンマレイン酸変性体などであってもよい。
【００２２】
リチウムを吸蔵および放出することが可能な正極材料としては、例えば、リチウム酸化物、リチウム硫化物、リチウムを含む層間化合物、あるいはリチウムリン酸化合物などのリチウム含有化合物が挙げられる。中でも、リチウムと遷移金属元素とを含む複合酸化物、またはリチウムと遷移金属元素とを含むリン酸化合物が好ましく、特に遷移金属元素としてコバルト（Ｃｏ）、ニッケル、マンガン（Ｍｎ）、鉄、アルミニウム、バナジウム（Ｖ）およびチタン（Ｔｉ）のうちの少なくとも１種を含むものが好ましい。その化学式は、例えば、Ｌｉｘ１Ｍ１Ｏ２およびＬｉｙＭ２ＰＯ４で表される。式中、Ｍ１およびＭ２は１種類以上の遷移金属元素を含み、ｘおよびｙの値は電池の充放電状態によって異なり、通常、０．０５≦ｘ１≦１．１０、０．０５≦ｙ≦１．１０である。
【００２３】
リチウムと遷移金属元素とを含む複合酸化物の具体例としては、リチウム・コバルト複合酸化物（Ｌｉｘ１ＣｏＯ２）、リチウムニッケル複合酸化物（Ｌｉｘ１ＮｉＯ２）、リチウムニッケルコバルト複合酸化物（Ｌｉｘ１Ｎｉ１−ｚＣｏｚＯ２（ｚ＜１））、リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物（Ｌｉｘ１Ｎｉ（１−ｖ−ｗ）ＣｏｖＭｎｗＯ２（ｖ＋ｗ＜１））、およびスピネル型構造を有するリチウムマンガン複合酸化物（ＬｉＭｎ２Ｏ４）などが挙げられる。リチウムと遷移金属元素とを含むリン酸化合物の具体例としては、例えばリチウム鉄リン酸化合物（ＬｉＦｅＰＯ４ ）およびリチウム鉄マンガンリン酸化合物（ＬｉＦｅ１−ｕＭｎｕＰＯ４ （ｕ＜１））が挙げられる。
【００２４】
リチウムを吸蔵および放出することが可能な正極材料としては、また、他の金属化合物および高分子材料も挙げられる。他の金属化合物としては、例えば、酸化チタン、酸化バナジウムおよび二酸化マンガンなどの酸化物、または硫化チタンおよび硫化モリブデンなどの二硫化物が挙げられる。高分子材料としては、例えば、ポリアニリンおよびポリチオフェンが挙げられる。
【００２５】
正極活物質の比表面積は、Ｎ２ガスＢＥＴ（Brunauer,Emmett,Teller）法による測定で、０．０５〜２．０ｍ２／ｇ、好ましくは０．２〜０．７ｍ２／ｇの範囲となるように構成されている。この範囲で、より効果的な皮膜を形成できるからである。
【００２６】
正極活物質層２１Ｂは、必要に応じて導電材を含んでいてもよい。導電材としては、例えば、黒鉛，カーボンブラックおよびケッチェンブラックなどの炭素材料が挙げられ、１種または２種以上が混合して用いられる。また、炭素材料の他にも、導電性を有する材料であれば金属材料および導電性高分子材料などを用いるようにしてもよい。
【００２７】
負極２２は、例えば、対向する一対の面を有する負極集電体２２Ａの両面に負極活物質層２２Ｂが設けられた構成を有している。なお、図示はしないが、負極集電体２２Ａの片面のみに負極活物質層２２Ｂを設けるようにしてもよい。負極集電体２２Ａは、例えば、銅箔，ニッケル箔あるいはステンレス箔などの金属箔により構成されている。
負極活物質層２２Ｂは、負極活物質として、電極反応物質であるリチウムを吸蔵および放出することが可能な炭素系材料を主体に含むが、他の負極活物質を併用してもよい。また、負極活物質層は、必要に応じて、例えば正極活物質層２１Ｂと同様の導電剤を含んでいてもよい。
【００２８】
セパレータ２３は、正極２１と負極２２とを隔離し、両極の接触による電流の短絡を防止しつつ、リチウムイオンを通過させるものである。セパレータ２３は、例えば、ポリテトラフルオロエチレン、ポリプロピレンまたはポリエチレンなどよりなる合成樹脂製の多孔質膜、あるいはセラミック製の多孔質膜により構成されており、これらの２種以上の多孔質膜を積層した構造とされていてもよい。中でも、ポリオレフィン製の多孔質膜は短絡防止効果に優れ、かつシャットダウン効果による電池の安全性向上を図ることができるので好ましい。特に、ポリエチレンは、１００〜１６０℃においてシャットダウン効果を得ることができ、かつ電気化学的安定性にも優れているので、セパレータ２３を構成する材料として好ましい。また、ポリプロピレンも好ましく、他にも、化学的安定性を備えた樹脂であればポリエチレンもしくはポリプロピレンと共重合させたり、またはブレンド化することで用いることができる。
セパレータ２３には、非水電解質が含浸されている。
【００２９】
この二次電池は、例えば、次のようにして製造することができる。
まず、正極は、例えば、ポリフッ化ビニリデンをＮ−メチル−２−ピロリドンなどの溶剤に分散させる。次にこの混合液に、コバルトを含む正極活物質と導電剤とを混合し、ペースト状の正極合剤スラリーとした正極合剤塗液を調製する。続いて、この正極合剤塗液を正極集電体２１Ａに塗布し溶剤を乾燥させたのち、ロールプレス機などにより圧縮成型して正極活物質層２１Ｂを形成し、正極２１を作製する。また、正極活物質層２１Ｂは、正極合剤を正極集電体２１Ａに張り付けることにより形成してもよい。
【００３０】
また、例えば、負極活物質である炭素系材料と、結着材とを混合して負極合剤を調製し、この負極合剤をＮ−メチル−２−ピロリドンなどの溶剤に分散させてペースト状の負極合剤スラリーした負極合剤塗液を調製する。続いて、この負極合剤塗液を負極集電体２２Ａに塗布し溶剤を乾燥させたのち、ロールプレス機などにより圧縮成型して負極活物質層２２Ｂを形成し、負極２２を作製する。また、負極活物質層２２Ｂは、負極合剤を負極集電体２２Ａに張り付けることにより形成してもよい。
【００３１】
次いで、正極集電体２１Ａに正極リード２５を溶接などにより取り付けると共に、負極集電体２２Ａに負極リード２６を溶接などにより取り付ける。そののち、正極２１と負極２２とをセパレータ２３を介して巻回し、正極リード２５の先端部を安全弁機構１５に溶接すると共に、負極リード２６の先端部を電池缶１１に溶接して、巻回した正極２１および負極２２を一対の絶縁板１２、１３で挟み電池缶１１の内部に収納する。正極２１および負極２２を電池缶１１の内部に収納したのち、スルホン化合物を含む電解液を電池缶１１の内部に注入し、セパレータ２３に含浸させる。そののち、電池缶１１の開口端部に電池蓋１４、安全弁機構１５および熱感抵抗素子１６をガスケット１７を介してかしめることにより固定する。これにより、図１に示した二次電池が完成する。
【００３２】
この二次電池では、充電を行うと、例えば、正極活物質層２１Ｂからリチウムイオンが放出され、電解液を介して負極活物質層２２Ｂに吸蔵される。また、放電を行うと、例えば、負極活物質層２２Ｂからリチウムイオンが放出され、電解液を介して正極活物質層２１Ｂに吸蔵される。
【００３３】
また、上記実施の形態では、巻回構造を有する円筒型の二次電池について具体的に挙げて説明したが、本発明は、巻回構造を有する楕円型あるいは多角形型の二次電池、または、正極および負極を折り畳んだり、あるいは複数積層した他の形状を有する二次電池についても同様に適用することができる。加えて、本発明は、コイン型、ボタン型、角形あるいはラミネートフィルム型などの他の形状を有する二次電池についても同様に適用することができる。
【００３４】
更にまた、上記実施の形態では、非水電解質として液状の電解液を用いる場合について説明したが、電解液を高分子化合物などの保持体に保持させたゲル状の非水電解質を用いるようにしてもよい。このような高分子化合物としては、例えば、ポリアクリロニトリル、ポリフッ化ビニリデン、フッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンとの共重合体、ポリテトラフルオロエチレン、ポリヘキサフルオロプロピレン、ポリエチレンオキサイド、ポリプロピレンオキサイド、ポリフォスファゼン、ポリシロキサン、ポリ酢酸ビニル、ポリビニルアルコール、ポリメタクリル酸メチル、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸、スチレン−ブタジエンゴム、ニトリル−ブタジエンゴム、ポリスチレンおよびポリカーボネートが挙げられる。特に電気化学的安定性の点からはポリアクリロニトリル、ポリフッ化ビニリデン、ポリヘキサフルオロプロピレンおよびポリエチレンオキサイドが好ましい。電解液に対する高分子化合物の割合は、これらの相溶性によっても異なるが、通常、電解液中において５質量％以上５０質量％以下に相当する高分子化合物を添加することが好ましい。
【実施例】
【００３５】
本発明の具体的な実施例について詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
（実施例１−１〜１−３、比較例１−１）
図１、２に示した円筒型の二次電池を作製した。
正極活物質には、レーザー回折法で得られる累積５０％粒径（メジアン粒径）が１２μｍのコバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ２）を用いた。続いて、正極は、ポリフッ化ビニリデン３．０質量％をＮ−メチル−２−ピロリドンによく分散させた混合液に、コバルト酸リチウム粉末９４質量％と、導電材としてケッチェンブラック３質量％を混合して正極合剤を調製し、正極合剤塗液とした。
【００３６】
次いで、この正極合剤塗液を厚み２０μｍの帯状のアルミニウム箔よりなる正極集電体２１Ａの両面に均一に塗布して乾燥させ、圧縮成型して正極活物質層２１Ｂを形成し正極２１を作製した。その際、正極活物質層２１Ｂの片面における厚みは８０μｍ とした。そののち、正極集電体２１Ａの一端にアルミニウム製の正極リード２５を取り付けた。
【００３７】
また、負極活物質としてＸ線回折におけるＣ軸方向の格子面間隔ｄ００２ が０．３３６ｎｍ、メジアン粒径１５．６μｍのメソフェーズ小球体からなる粒状黒鉛粉末９５質量％と、結着材であるポリフッ化ビニリデン５．０質量％とを混合し、溶剤であるＮ−メチル−２−ピロリドンに分散させて負極合剤塗液とした。
【００３８】
次いで、この負極合剤塗液を厚み１５μｍの帯状銅箔よりなる負極集電体２２Ａの両面に均一に塗布して乾燥させ、圧縮成型して負極活物質層２２Ｂを形成し負極２２を作製した。その際、負極活物質層２２Ｂの片面における厚みは７０μｍ とした。続いて、負極集電体２２Ａの一端にニッケル製の負極リード２６を３箇所に取り付けた。
【００３９】
正極２１および負極２２をそれぞれ作製したのち、正極２１と負極２２とを厚み１８μｍの微多孔性ポリエチレン延伸フィルムよりなるセパレータ２３を介して、負極２２、セパレータ２３、正極２１、セパレータ２３の順に積層し、多数回巻回することによりジェリーロール型の巻回電極体２０を作製した。次いで、巻回電極体２０を一対の絶縁板１２，１３で挟み、負極リード２６を電池缶１１に溶接すると共に、正極リード２５を安全弁機構１５に溶接して、巻回電極体２０を電池缶１１の内部に収納した。続いて、電池缶１１の内部に電解液を注入し、ガスケット１７を介して電池蓋１４を電池缶１１にかしめることにより円筒型の二次電池を作製した。
【００４０】
電解液には、炭酸エチレン（ＥＣ）と、炭酸ジメチル（ＤＭＣ）と、炭酸プロピレン（ＰＣ）とを、２０／７０／１０（質量）の割合で混合した溶媒に、電解質塩として六フッ化リン酸リチウムを１．２８ｍｏｌ／ｋｇの割合で溶解させたものを用いた。その際、添加剤としてスルホン化合物を全電解液に対して１．０重量％入れた。実施例１−１〜１−３ではスルホン化合物を下記化合物１〜化合物３に変えた。比較例１−１ではスルホン化合物を用いなかった。
【００４１】
【化５】
2010135115.tif 000006
【００４２】
（容量維持率の測定）
作製した実施例１−１〜１−３、比較例１−１のそれぞれのリチウムイオン二次電池について４５℃フロート試験を行い、２０００時間後の容量維持率を調べた。まず、１Ｃの定電流で、電池電圧が４．２Ｖに達するまで充電を行なった後、４．２Ｖの定電圧充電に切り替え、フロート状態とした。容量維持率は、１時間後と２０００時間後の電池に対して、それぞれ１Ｃの定電流で放電を行い、電池電圧が３．０Ｖに達した時点で放電を終了し、放電容量を測定した。｛（２０００時間後の電池容量）／（１時間後の電池容量）｝×１００から、２０００時間後の容量維持率を求めた。
【００４３】
【表１】
2010135115.tif 000007
【００４４】
表１に示したように、実施例１−１〜１−３では、スルホン化合物を添加していない比較例１−１よりも、容量維持率を顕著に向上させることができた。また、化合物１の構造が特に効果を発現できることが分かった。
【００４５】
（実施例２−１〜２−６）
実施例２−１〜２−６では、スルホン化合物（化合物１）の添加量を変化させた以外は実施例１−１と同様に円筒型二次電池を作製した。
【００４６】
【表２】
2010135115.tif 000008
【００４７】
実施例２−１〜２−６では、スルホン化合物（化合物１）の添加によって良好な容量維持率の向上が確認できた。添加量が少ないと、正極表面に十分な皮膜を形成する効果が少なく、添加量が多いと、正極表面の皮膜が厚くなりすぎるために、コバルト溶出による容量維持率低下よりも、界面抵抗増加による容量維持率低下の影響が大きくなる。これより、最適な添加量は、０．０５重量％〜５．０重量％の範囲であることが分かった。
【００４８】
（実施例３−１〜３−１１、比較例３−１〜３−１１）
正極活物質の種類を変えた以外は実施例１−１と同様に円筒型二次電池を作製した。
なお、実施例３−１０及び比較例３−１０の正極活物質は以下により作製した。
まず、複合酸化物粒子として、平均組成がＬｉＣｏＯ２であり、レーザー散乱法により測定した平均粒子径が１３μｍのコバルト酸リチウム粉末を用意すると共に、被覆層の原料として、炭酸リチウム（Ｌｉ２ＣＯ３）粉末と、水酸化ニッケル（Ｎｉ（ＯＨ）２）粉末と、炭酸マンガン（ＭｎＣＯ３）粉末とを、Ｌｉ２ＣＯ３：Ｎｉ（ＯＨ）２：ＭｎＣＯ３＝１．０８：１：１のモル比で混合した前駆粉末を、ボールミル装置により平均粒径が１μｍ以下となるまで粉砕した。
複合酸化物粒子１００質量部に対して、前駆粉末を平均粒径が１μｍ以下となるまで粉砕したものをＬｉ１．０８Ｎｉ０．５Ｍｎ０．５Ｏ２に換算して１０質量部となるように添加し、メカノフュージョン装置により処理して複合酸化物粒子の表面に前駆層を形成した。
続いて、これを３℃／ｍｉｎの速度で昇温し、８００℃で３時間保持したのち徐冷することにより、被覆層を形成し、正極活物質を得た。
作製した実施例の正極活物質を、走査電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ；ＳＥＭ）とエネルギー分散型蛍光Ｘ線分析装置（Ｅｎｅｒｇｙ  Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ  Ｘ−ｒａｙ  Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ  ；ＥＤＸ）とを併用して観察したところ、複合酸化物粒子の表面に、粒径０．１μｍ程度のニッケルとマンガンとを含有する酸化物粒子が被着しており、ニッケルとマンガンとは複合酸化物粒子の表面にほぼ均一に存在している様子が見られた。
また、実施例３−１１及び比較例３−１１の正極活物質は以下により作製した。
まず、複合酸化物粒子として、平均組成がＬｉＣｏＯ２であり、レーザー散乱法により測定した平均粒子径が１３μｍのコバルト酸リチウム粉末を用意すると共に、被覆層の原料として、炭酸リチウム（Ｌｉ２ＣＯ３）粉末と、リン酸マンガンＭｎ３（ＰＯ４）２粉末とを、Ｌｉ２ＣＯ３：Ｍｎ３（ＰＯ４）２＝１：１のモル比で混合した前駆粉末を、ボールミル装置により平均粒径が１μｍ以下となるまで粉砕した。
複合酸化物粒子１００質量部に対して、前駆粉末を平均粒径が１μｍ以下となるまで粉砕したものをＬｉ３ＰＯ４に換算して１０質量部となるように添加し、メカノフュージョン装置により処理して複合酸化物粒子の表面に前駆層を形成した。
続いて、これを３℃／ｍｉｎの速度で昇温し、８００℃で３時間保持したのち徐冷することにより、被覆層を形成し、正極活物質を得た。
作製した実施例の正極活物質を、ＳＥＭとＥＤＸとを併用して観察したところ、複合酸化物粒子の表面に、粒径０．１μｍ程度のリン酸化合物を含有する粒子が被着しており、マンガンはコバルト酸リチウムの表面部に固溶していた。
【００４９】
【表３】
2010135115.tif 000009
【００５０】
表３の結果より、ニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ２）やマンガン酸リチウム（ＬｉＭｎ２Ｏ４）を用いた電池においては、充電状態における劣化が極めて少なく、スルホン化合物添加による効果は小さい。また、正極活物質にコバルトが固溶されていたり、混合されていると、スルホン化合物の添加効果が大きく発現することが分かった。
【００５１】
（実施例４−１〜４−２、比較例４−１〜４−２）
電解液溶媒の種類を変えた以外は実施例１−１と同様に円筒型二次電池を作製した。
【００５２】
【表４】
2010135115.tif 000010
【００５３】
表４の結果より、上記のどの電解液を用いても、スルホン化合物の添加により、容量維持率の向上が確認できた。
【００５４】
（比較例５−１〜５−４）
負極活物質の種類を変えた。比較例５−１〜５−２では、第１の構成元素としてスズを含む負極活物質を、メカノケミカル反応を利用して合成した。得られた負極活物質粉末について組成分析を行った。炭素の含有量は、炭素・硫黄分析装置により測定し、他の元素の含有量は、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｍａ：誘導結合プラズマ）発光分析により測定した。得られた結果を表の負極活物質の欄に括弧書きで示す。なお、括弧内においてスラッシュで区切って示した数字は、上に記した元素の含有量（質量％）を順に対応して表している。次いで、得られた負極活物質粉末８０質量部と、導電材としてグラファイト（ロンザ製  ＫＳ−１５  ）１１質量部およびアセチレンブラック１質量部と、結着材としてポリフッ化ビニリデン８質量部とを混合し、溶剤であるＮ−メチル−２−ピロリドンに分散させて負極合剤スラリーとした。続いて、この負極合剤スラリーを厚み１０μｍの帯状銅箔よりなる負極集電体２２Ａの両面に均一に塗布して乾燥させ、一定圧力で圧縮成型して負極活物質層２２Ｂを形成し負極２２を作製した。そののち、負極集電体２２Ａの一端にニッケル製の負極リード２６を取り付けた。
また、比較例５−３〜５−４では、負極集電体２２Ａに電子ビーム蒸着によりケイ素よりなる負極活物質層２２Ｂを形成したのち、加熱処理することにより負極２２を作製した。負極活物質の種類を変えた以外は実施例１−１、比較例１−１と同様に円筒型二次電池を作製した。
【００５５】
（実施例５−１、比較例５−５）
実施例５−１、比較例５−５では、活物質をメソフェーズ小球体からなる粒状黒鉛粉末から、Ｘ線回折におけるＣ軸方向の格子面間隔ｄ００２ が0.3357ｎｍ、メジアン粒径18μｍの天然黒鉛粉末に変更した。天然黒鉛粉末９５質量％と、結着材であるスチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）４．０質量％、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）1．０質量％とを混合し、水に分散させて負極合剤塗液とした。負極活物質の種類と結着材の種類を変えた以外は実施例１−１、比較例１−１と同様に円筒型二次電池を作製した。
【００５６】
【表５】
2010135115.tif 000011
【００５７】
表５の結果より、負極にＳｎ系やＳｉ系のような極めて電解液に対する活性度が強い活物質を用いると、電解液の分解が激しく、正極側の劣化に関係なく、フロート特性の低下が激しい。スルホン化合物を用いても、正極側のコバルト溶出による劣化は抑制できるが、負極側の電解液分解は抑制できず、負極表面の皮膜が厚くなり、抵抗増大による容量劣化が抑制できない。このことから、炭素系負極とコバルト系正極の組み合わせの電池に対して、スルホン化合物は効果を発揮することが分かった。
実施例５−１、比較例５−５より、活物質に天然黒鉛、結着材にスチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）、カルボキシメチルセルロースを用いても、スルホン化合物は効果を発揮することが分かった。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の実施の形態に係る二次電池の構成を表す断面図である。
【図２】図１に示した二次電池における巻回電極体の一部を拡大して表す断面図である。
【符号の説明】
【００５９】
１１…電池缶、１２，１３…絶縁板、１４…電池蓋、１５…安全弁機構、１５Ａ…ディスク板、１６…熱感抵抗素子、１７…ガスケット、２０…巻回電極体、２１…正極、２１Ａ…正極集電体、２１Ｂ…正極活物質層、２２…負極、２２Ａ…負極集電体、２２Ｂ…負極活物質層、２３…セパレータ、２４…センターピン、２５…正極リード、２６…負極リード。
【図１】
2010135115.tif 000015
【図２】
2010135115.tif 000016