電気化学デバイス用非水電解液
【課題】充放電サイクルを繰り返しても前記の初期容量を維持することができ、良好なサイクル特性を有する非水電解液電池が提供する。
【解決手段】非水溶媒に電解質を溶解してなる電気化学デバイス用非水電解液であって、（１）非水溶媒が、鎖状炭酸エステル、飽和環状炭酸エステル、及び不飽和環状炭酸エステルの混合物であり、（２）電解質が非水溶媒に溶解するリチウム塩であり、かつ（３）一般式(Ｉ)及び／又は(II)で表される鎖状イソシアナト化合物を含有する。但し、Ｘは、水素、ハロゲン、イソシアナト基、又はＣ１〜Ｃ２０の脂肪族炭化水素、Ｙは、Ｏ、ＳＯ２、又は、Ｃ１〜Ｃ２０の脂肪族炭化水素、Ｚは、水素、ハロゲン、イソシアナト基、Ｃ１〜Ｃ２０の脂肪族炭化水素、又はＣ６〜Ｃ２０の芳香族炭化水素を表す。
【化１】
【解決手段】非水溶媒に電解質を溶解してなる電気化学デバイス用非水電解液であって、（１）非水溶媒が、鎖状炭酸エステル、飽和環状炭酸エステル、及び不飽和環状炭酸エステルの混合物であり、（２）電解質が非水溶媒に溶解するリチウム塩であり、かつ（３）一般式(Ｉ)及び／又は(II)で表される鎖状イソシアナト化合物を含有する。但し、Ｘは、水素、ハロゲン、イソシアナト基、又はＣ１〜Ｃ２０の脂肪族炭化水素、Ｙは、Ｏ、ＳＯ２、又は、Ｃ１〜Ｃ２０の脂肪族炭化水素、Ｚは、水素、ハロゲン、イソシアナト基、Ｃ１〜Ｃ２０の脂肪族炭化水素、又はＣ６〜Ｃ２０の芳香族炭化水素を表す。
【化１】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リチウム二次電池などの電気化学デバイス用非水電解液に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯電話あるいはノートパソコンなどに代表される携帯用電子端末等の種々の携帯電子機器の普及に伴い、それらの電源として二次電池は重要な役割を果たしている。これらの二次電池としては、鉛蓄電池、ニッケル・カドミウム電池等の水溶液系電池、非水電解液電池が挙げられるが、中でも、リチウム等を吸蔵、放出できる正極及び負極と非水電解液とからなる非水電解液二次電池は、高電圧で高エネルギー密度を有し、安全性に優れ、環境問題などの点で、他の二次電池と比較して様々な利点を有している。
【０００３】
現在実用化されている非水電解液二次電池としては、例えば、正極活物質としてリチウムと遷移金属との複合酸化物を用い、負極活物質としてリチウムをドープ・脱ドープ可能な材料を用いたリチウム二次電池が挙げられる。リチウム二次電池の負極活物質では、優れたサイクル特性を有する材料としては、炭素材料が挙げられる。炭素材料の中でも、黒鉛材料は単位体積あたりのエネルギー密度を向上できる材料として期待されている。
【０００４】
また、リチウム二次電池の特性向上のため、負極／正極の特性のみならず、リチウムイオンの移送を担う非水電解液の特性の向上が求められている。かかる非水電解液としては、非プロトン性有機溶媒に、ＬｉＢＦ４、ＬｉＰＦ６、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＮ(ＳＯ２ＣＦ３)２、ＬｉＮ(ＳＯ２ＣＦ２ＣＦ３)２などのリチウム塩を混合した非水溶液が用いられている（非特許文献１）。非プロトン性有機溶媒の代表例として、カーボネート類が知られており、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネートなどの各種のカーボネート化合物の使用が提案されている（特許文献１、特許文献２）。
【０００５】
これらのカーボネート化合物としては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネートなどの高誘電率を有する環状炭酸エステルと、ジエチルカーボネート、メチルエチルカーボネートや、メチルカーボネートなどの低粘度の鎖状炭酸エステル溶媒との混合溶媒に、上記のリチウム塩を混合した溶液が用いられている。
【０００６】
また、電解質として、前記ＬｉＢＦ４、ＬｉＰＦ６が溶解された非水電解液は、リチウムイオンの移送を表す導電率が高く、かつＬｉＢＦ４、ＬｉＰＦ６の酸化分解電圧が高いために高電圧において安定であることが知られており、リチウム二次電池の有する高電圧、高エネルギー密度という特性を引き出すことに寄与している。
【０００７】
一方、リチウム二次電池などの非水電解液二次電池を各電源として使用するに当たって、電池の高寿命化が求められている。この電池寿命を支配する要因の一つとして、負極表面の悪影響が挙げられる。それは、例えば、リチウム二次電池では、充放電サイクルに伴う負極上へのリチウムデントライトの生成、負極表面の状態に起因する電流集中、非水電解液と負極との副反応などである。つまり、これらの要因には、負極表面の状態が大きく影響しており、電池の高寿命化を図るには、負極表面皮膜を制御する必要がある。
【０００８】
これらリチウム二次電池の電池寿命を改善し、高温貯蔵安定性の優れた有機電解液電池を提供するために、例えば、特許文献４には、イソシアネナト化合物を含むカーボネート化合物の非水溶媒と、電解質とからなる非水電解液が提案されている。特許文献４におけるイソシアナト化合物としては、芳香族炭化水素にイソシアナト基が結合した環状イソシアナト化合物が特に好ましいものとして記載されている。かかる環状イソシアナト化合物としては、例えば、１，３−ジイソシアナト−４−メチルベンゼン、イソシアナトベンゼン、ジイソシアナトベンゼン、メチルイソシアナトベンゼン、エチルイソシアナトベンゼン、メチルジイソシアナトベンゼン、エチルジイソシアナトベンゼン、トリメチルジイソシアナトベンゼン、などが開示されている。
【特許文献１】特開平４−１８４８７２号公報
【特許文献２】特開平１０−２７６２５号公報
【特許文献３】特表平０１−５０１８２２号公報
【特許文献４】特開２００２−８７１９号公報
【非特許文献１】Jean-Paul Gabano編、"Lithium Battery", ACADEMIC PRESS(1983)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明者らは、上記した従来技術の問題点、特に、充放電サイクルを繰り返しても初期の容量を維持することができる、良好なサイクル特性を有するリチウム二次電池などの電気化学デバイスについて検討したところ、例えば、特許文献４に記載される、芳香族炭化水素にイソシアナト基が結合した環状イソシアナト化合物を含む非水電解液は、この目的のために優れた効果を有することが確認された。
【００１０】
しかしながら、このような環状イソシアナト化合物は分解電位が低いものが多く、非水電解液電池では、これが引き金となって、環状イソシアナト化合物が正極上で分解し、長期のサイクル特性、高温でのサイクル特性に悪影響を与えることがわかった。また、特性上、優れた特性を示すとされる、環状イソシアナト化合物の中には、例えば１，３−ジイソシアナト−４−メチルベンゼンのように変異原生の疑いがある。したがって、これら環状イソシアナト化合物を含む電解液を非水電解液電池に使用する際には、電解液注液時に環状イソシアナト化合物が飛散した際の製造工程上の対策が必要となり、作業者に対して十分な配慮も必要となるなども問題がある。
【００１１】
さらに、これら環状イソシアナト化合物を含む非水電解液電池では、万が一、電池の安全弁が作動し、電解液が電池外部に出てしまった場合には、需要者の健康を害する可能性がある。
【００１２】
かくして、本発明は、これら従来の問題点を伴うことなく、サイクル特性を高めたリチウム二次電池などの電気化学デバイス用の非水電解液、及び、該非水電解液を使用した電気化学デバイスの提供を目的にする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、上記目的を達成するものであって、下記の要旨を有する。
（１）非水溶媒に電解質を溶解してなる電気化学デバイス用非水電解液であって、（１）非水溶媒が、鎖状炭酸エステル、飽和環状炭酸エステル、及び不飽和環状炭酸エステルの混合物であり、（２）電解質が非水溶媒に溶解するリチウム塩であり、かつ（３）一般式(Ｉ)及び／又は(II)で表される鎖状イソシアナト化合物を含有することを特徴とする非水電解液。
【００１４】
【化１】
【００１５】
但し、Ｘは、水素、ハロゲン、イソシアナト基、又はＣ１〜Ｃ２０の脂肪族炭化水素（ヘテロ原子を有していてもよい）を表す。Ｙは、Ｏ、ＳＯ２、又は、Ｃ１〜Ｃ２０の脂肪族炭化水素（ヘテロ原子を有していてもよい）を表す。Ｚは、水素、ハロゲン、イソシアナト基、Ｃ１〜Ｃ２０の脂肪族炭化水素（ヘテロ原子を有していてもよい）、又はＣ６〜Ｃ２０の芳香族炭化水素（ヘテロ原子を有していてもよい）を表す。
（２）鎖状イソシアナト化合物が０．０１〜３重量％含有する上記（１）に記載の非水電解液。
（３）鎖状炭酸エステル、飽和環状炭酸エステル、及び不飽和環状炭酸エステルが、それぞれ、３０〜８０重量％、１０〜５０重量％、及び０．０１〜５重量％含まれる上記（１）又は（２）に記載の非水電解液。
（４）不飽和環状炭酸エステルが、一般式（III）で表されるビニレンカーボネート誘導体、又は一般式（Ｖ）で示されるアルケニルエチレンカーボネートである上記（１）〜（３）のいずれかに記載の非水電解液
【化２】
【００１６】
（但し、Ｒ１及びＲ２は、それぞれ独立して、水素原子、ハロゲン原子、又は炭素数が１〜１２のハロゲン原子を含んでいてもよいアルキル基である。）
【化３】
【００１７】
（但し、Ｒ３〜Ｒ６は、それぞれ独立して、水素原子、ハロゲン原子、炭素数が１〜１２のハロゲン原子を含んでいてもよい炭化水素基、又は炭素数が２〜１２のアルケニル基であり、その内少なくとも一つは炭素数が２〜１２のアルケニル基である。）
（５）リチウム塩が、ＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＣＦ３ＳＯ３、ＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２）２、ＬｉＮ（Ｃ２Ｆ５ＳＯ２）２、ＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２）（Ｃ２Ｆ５ＳＯ２）、ＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２）及び（Ｃ４Ｆ９ＳＯ２）の群より選ばれる少なくとも１種のリチウム塩である上記（１）〜（４）のいずれかに記載の非水電解液。
（６）上記（１）〜（５）のいずれかに記載の非水電解液を使用する電気化学デバイス。
（７）電気化学デバイスがリチウム二次電池であり、正極活物質が、リチウム遷移金属複合酸化物材料よりなり、負極活物質が、(ａ)Ｘ線回折における格子面（００２面）のｄ値が０．３４０ｎｍ以下の炭素質材料、及び／又は、(ｂ)Ｓｎ、Ｓｉ及びＡｌから選ばれる１種以上の金属酸化物、及び／又は、(ｃ)Ｓｎ、Ｓｉ及びＡｌから選ばれる１種以上の金属とリチウムとの合金である、上記（６）に記載の電気化学デバイス。
【発明の効果】
【００１８】
本発明による非水電解液は、良好な初期特性、サイクル特性に優れたリチウム二次電池などの電気化学デバイス用の非水電解液が提供される。
【００１９】
このような優れた特性が得られる理由は必ずしも明らかではないが、以下によるものと推測される。鎖状炭酸エステル、飽和環状炭酸エステル、及び不飽和環状炭酸エステルを含む非水溶媒とする本発明の非水電解液は、広い温度範囲にわたって安定に液体状態を保てるため、High Rate特性や良好な低温特性が良好である。そして、本発明の非水電解液は、上記一般式(Ｉ)、(II)で表される鎖状イソシアナト化合物を含有することにより、炭素質材料の剥離や、負荷逆容量の増大ささせ、環状炭酸エステルの分解を抑制することが可能となる。
【００２０】
また、上記の鎖状イソシアナト化合物は、非水電解液と負極との界面において分解し、より抵抗の低い反応被膜層を形成する。これにより電池の内部抵抗を下げ、サイクル特性の向上に寄与できるものと考えられる。この効果は、鎖状イソシアナト化合物と不飽和結合を有する環状炭酸エステルがそれぞれ負極表面上で異なる分解電位を有し、段階的に良好な被膜を生成しているためと考えられる。
【００２１】
また、本発明で非水電解液に含有される鎖状イソシアナト化合物は、環状イソシアナト化合物と異なり、酸化分解電位が非水電解液電池での実用範囲以上であり、通常の充放電の際には、鎖状イソシアナト化合物が正極上で分解が起こる問題も見られず、上記の通り、長期のサイクル特性、高温でのサイクル特性が確保できる。
【００２２】
さらに、鎖状イソシアナト化合物を含む電解液を非水電解液電池に使用する際には、環状イソシアナト化合物を含む電解液の場合のような、電解液注液時の製造工程上の問題を考慮する必要がなくなるなどの利点もある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の非水電解液及びこれを使用した電気化学デバイスについて詳細に説明する。
非水溶媒
本発明の非水電解液で使用する非水溶媒は、鎖状炭酸エステル、飽和環状炭酸エステル、及び不飽和環状炭酸エステルを含有する。本発明では、かかる３種の炭酸エステルを含有するのが必要であり、そのいずれかを含まない場合には、本発明による優れた特性の非水電解液は得られない。
【００２４】
本発明で使用される非水溶媒は、非水電解液中で、鎖状炭酸エステル、飽和環状炭酸エステル、及び不飽和環状炭酸エステルが、それぞれ、３０〜８０重量％、１０〜５０重量％、及び０．０１〜５重量％含まれることが好ましい。それぞれ、上記の範囲外でそれぞれの炭酸エステルを含有する場合には、本発明による優れた特性の非水電解液は良好に得られない。例えば、鎖状炭酸エステルが３０重量％よりも小さい場合には、電解液の粘度が上昇し、加えて、低温で凝固してしまうため、充分な特性が得られなくなり、逆に８０重量％よりの大きい場合には、リチウム塩の解離度／溶解度が低下し電解液のイオン電導度が低下してしまう。飽和環状炭酸エステルが１０重量％よりも小さい場合には、リチウム塩の解離度／溶解度が低下し、電解液のイオン電導度が低下し、逆に５０重量％よりの大きい場合には、電解液の粘度が上昇し、加えて、低温で凝固してしまうため、充分な特性が得られなくなる。また、不飽和環状炭酸エステルが０．０１重量％よりも小さい場合には、負極表面に良好な被膜が形成されなくなるためサイクル特性が低下し、逆に５重量％より大きい場合には、例えば、高温保存時に電解液がガス発生しやすい状態となり、電池内の圧力が上昇するなど実用上好ましくない状態になる。
【００２５】
本発明で使用される鎖状炭酸エステルとしては、例えば、総炭素数が３〜９の鎖状カーボネートが挙げられる。具体的にはジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、ジ−ｎ−プロピルカーボネート、ジイソプロピルカーボネート、ｎ−プロピルイソプロピルカーボネート、ジ−ｎ−ブチルカーボネート、ジ−ｔ−ブチルカーボネート、ｎ−ブチルイソブチルカーボネート、ｎ−ブチル−ｔ−ブチルカーボネート、イソブチル−ｔ−ブチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、メチル−ｎ−プロピルカーボネート、ｎ−ブチルメチルカーボネート、イソブチルメチルカーボネート、ｔ−ブチルメチルカーボネート、エチル−ｎ−プロピルカーボネート、ｎ−ブチルエチルカーボネート、イソブチルエチルカーボネート、ｔ−ブチルエチルカーボネート、ｎ−ブチル−ｎ−プロピルカーボネート、イソブチル−ｎ−プロピルカーボネート、ｔ−ブチル−ｎ−プロピルカーボネート、ｎ−ブチルイソプロピルカーボネート、イソブチルイソプロピルカーボネート、ｔ−ブチルイソプロピルカーボネート等を挙げることができる。これらの中で、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルエチルカーボネートが好ましいが、特に限定されるものではない。またこれら鎖状炭酸エステルは２種類以上混合してもよい。
【００２６】
本発明で使用される飽和環状炭酸エステルとしては、例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート等が挙げられる。この中で、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネートがより好ましく、プロピレンカーボネートを使用することにより、幅広い温度範囲にて安定した非水電解液を提供することができる。これら飽和環状炭酸エステルは２種類以上混合しても良い。
【００２７】
また、本発明で使用される不飽和環状炭酸エステルとしては、下記の一般式（III）で表されるビニレンカーボネート誘導体が挙げられる。
【００２８】
【化４】
【００２９】
上記一般式（III）において、Ｒ１及びＲ２は、それぞれ独立して、水素原子、ハロゲン原子、又は炭
素数が１〜１２のハロゲン原子を含んでいてもよいアルキル基である。なかでも、Ｒ１及びＲ２が水素
（（III）の化合物がビニレンカーボネートである）が好ましい。
上記ビニレンカーボネート誘導体の具体例として、以下の化合物を挙げられる。ビニレンカーボネート、フルオロビニレンカーボネート、メチルビニレンカーボネート、フルオロメチルビニレンカーボネート、エチルビニレンカーボネート、プロピルビニレンカーボネート、ブチルビニレンカーボネート、ジメチルビニレンカーボネート、ジエチルビニレンカーボネート、ジプロピルビニレンカーボネートなどであるが、これらに限定されるものではない。
【００３０】
これらの化合物の中でも、ビニレンカーボネートが一番安価で、かつ効果的な化合物である。なお、上記ビニレンカーボネート誘導体に関しては、少なくとも１種であり、単独又は、混合していることも可能である。
また、本発明で使用される別の不飽和環状炭酸エステルとしては、下記の一般式（IV）で表されるアルケニルエチレンカーボネートが挙げられる。
【００３１】
【化５】
【００３２】
上記式（IV）において、Ｒ３〜Ｒ６は、それぞれ独立して、水素原子、ハロゲン原子、炭素数が１〜１２のハロゲン原子を含んでいてもよい炭化水素基、又は炭素数が２〜１２のアルケニル基であり、その内少なくとも一つは炭素数が２〜１２のアルケニル基である。なかでも、Ｒ３〜Ｒ６のうちの一つがビニル基であり、残りが水素である場合（（IV）の化合物が４−ビニルエチレンカーボネート）が好ましい。
【００３３】
上記アルケニルエチレンカーボネートの具体例としては、４−ビニルエチレンカーボネート、４−ビニル−４−メチルエチレンカーボネート、４−ビニル−４−エチルエチレンカーボネート、４−ビニル−４−ｎ−プロピルエチレンカーボネートなどの化合物を挙げられる。
【００３４】
本発明で使用される非水溶媒には、上記の成分のほかに他の各種溶媒が含まれていてもよい。これらの他の各種溶媒として、例えば、環状カルボン酸エステル、総炭素数３〜９の鎖状エステル、総炭素数３〜６の鎖状エーテルなどが挙げられる。これらの他の各種溶媒は、非水電解液中、好ましくは０．２〜１０重量％、特に好ましくは０．５〜５重量％含有される。
【００３５】
環状カルボン酸エステル（総炭素数が３〜９のラクトン化合物）としては、例えばγ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン、γ−カプロラクトン、ε−カプロラクトン等を挙げることができる。これらの中で、γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトンがより好ましいが、特に限定されるものではない。またこれら環状カルボン酸エステルは２種類以上混合しても良い。
【００３６】
また、総炭素数３〜９の鎖状エステルとしては、例えば、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸−ｎ−プロピル、酢酸−イソプロピル、酢酸−ｎ−ブチル、酢酸イソブチル、酢酸−ｔ−ブチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、プロピオン酸−ｎ−プロピル、プロピオン酸−イソプロピル、プロピオン酸−ｎ−ブチル、プロピオン酸イソブチル、プロピオン酸−ｔ−ブチルを挙げることができる。これらの中で、酢酸エチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチルが好ましい。
【００３７】
また、総炭素数３〜６の鎖状エーテルとしては、ジメトキシメタン、ジメトキシエタン、ジエトキシメタン、ジエトキシエタン、エトキシメトキシメタン、エトキシメトキシエタン等を挙げることができる。これらの中で、ジメトキシエタン、ジエトキシエタンがより好ましいができる。
【００３８】
さらに、ベンゾニトリル、アセトニトリル、テトラヒドロフラン、２−メチルテトラヒドロフラン、ジオキソラン、４−メチルジオキソラン、Ｎ、Ｎ−ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、ジオキサン、スルホラン、ジクロロエタン、クロロベンゼン、ニトロベンゼンなどを使用することができる。
【００３９】
非水電解液の溶質（リチウム塩）
本発明の非水電解液の溶質としては、リチウム塩が用いられる。リチウム塩については、上記非水溶媒に溶解しうるものであれば特に限定はされない。その具体例として例えば、以下の通りである。
（Ａ）無機リチウム塩：
ＬｉＰＦ６、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＢＦ４等の無機フッ化物塩、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＢｒＯ４、ＬｉＩＯ４、等の過ハロゲン酸塩など。
（Ｂ）有機リチウム塩：
ＬｉＣＦ３ＳＯ３等の有機スルホン酸塩、ＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２）２、ＬｉＮ（Ｃ２Ｆ５ＳＯ２）２、ＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２）（Ｃ４Ｆ９ＳＯ２）等のパーフルオロアルキルスルホン酸イミド塩、ＬｉＣ（ＣＦ３ＳＯ２）３等のパーフルオロアルキルスルホン酸メチド塩、ＬｉＰＦ（ＣＦ３）５、ＬｉＰＦ２（ＣＦ３）４、ＬｉＰＦ３（ＣＦ３）３、ＬｉＰＦ２（Ｃ２Ｆ５）４、ＬｉＰＦ３（Ｃ２Ｆ５）３、ＬｉＰＦ（ｎ−Ｃ３Ｆ７）５、ＬｉＰＦ２（ｎ−Ｃ３Ｆ７）４、ＬｉＰＦ３（ｎ−Ｃ３Ｆ７）３、ＬｉＰＦ（ｉｓｏ−Ｃ３Ｆ７）５、ＬｉＰＦ２（ｉｓｏ−Ｃ３Ｆ７）４、ＬｉＰＦ３（ｉｓｏ−Ｃ３Ｆ７）３、ＬｉＢ（ＣＦ３）４、ＬｉＢＦ（ＣＦ３）３、ＬｉＢＦ２（ＣＦ３）２、ＬｉＢＦ３（ＣＦ３）、ＬｉＢ（Ｃ２Ｆ５）４、ＬｉＢＦ（Ｃ２Ｆ５）３、ＬｉＢＦ２（Ｃ２Ｆ５）２、ＬｉＢＦ３（Ｃ２Ｆ５）、ＬｉＢ（ｎ−Ｃ３Ｆ７）４、ＬｉＢＦ（ｎ−Ｃ３Ｆ７）３、ＬｉＢＦ２（ｎ−Ｃ３Ｆ７）２、ＬｉＢＦ３（ｎ−Ｃ３Ｆ７）、ＬｉＢ（ｉｓｏ−Ｃ３Ｆ７）４、ＬｉＢＦ（ｉｓｏ−Ｃ３Ｆ７）３、ＬｉＢＦ２（ｉｓｏ−Ｃ３Ｆ７）２、ＬｉＢＦ３（ｉｓｏ−Ｃ３Ｆ７）等の一部のフッ素をパーフルオロアルキル基で置換した無機フッ化物塩フルオロホスフェート、パーフルオロアルキルの含フッ素有機リチウム塩が挙げられる。
【００４０】
本発明では、上記の中でも、ＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２）２、ＬｉＮ
（Ｃ２Ｆ５ＳＯ２）２、ＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２）（Ｃ２Ｆ５ＳＯ２）、ＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２）（Ｃ４Ｆ９ＳＯ２）がより好ましい。またこれらリチウム塩は２種類以上混合しても良い。
【００４１】
本発明の非水電解液の溶質である、リチウム塩の濃度は、好ましくは０．５〜３モル／リットル、特には、０．７〜２モル／リットルが好適である。この濃度が低すぎると、絶対的な濃度不足により非水電解液のイオン伝導率で不十分であり、濃度が濃すぎると、粘度上昇のためイオン伝導率が低下し、また低温での析出が起こりやすくなるなども問題も生じるため、非水電解液電池の性能が低下し好ましくない。
【００４２】
鎖状イソシアナト化合物
本発明の非水電解液に含有される鎖状イソシアナト化合物は、その濃度が非水電解液中に、好ましくは０．０１〜３重量％、さらに好ましくは０．０５〜２重量％が好適である。濃度が０．０１重量％未満では、充放電特性などの改善効果、特にサイクル特性の改善効果が充分でなく、一方、２重量％を超えた場合では、サイクル特性が大幅に低下し、また
高温時にて、電池内部にてガス発生により膨れが生じる場合があるので好ましくない。
【００４３】
本発明に用いる鎖状イソシアナト化合物としては、上記した一般式（Ｉ）又は（II）で表される化合物が使用されるが、具体的な例としては次のものが挙げられる。ジイソシアナトスルフォン、ジイソシアナトエーテル、トリフルオロメタンイソシアネート、ペンタフルオロエタンイソシアネート、トリフルオロメタンスルフォニルイソシアネート、ペンタフルオロエタンスルフォニルイソシアネート、ベンゼンスルフォニルイソシアネート、４−フルオロベンゼンスルフォニルイソシアネート、１，３−ジイソシアナトプロパン、１，３−ジイソシアナト−２−フルオロプロパン、１，４−ジイソシアナトブタン、１，４−ジイソシアナト−２−ブテン、１，４−ジイソシアナト−２−フルオロブタン、１，４−ジイソシアナト−２，３−ジフルオロブタン、１，５−ジイソシアナトペンタン、１，５−ジイソシアナト−２−ペンテン、１,５−ジイソシアナト−２−メチルペンタン、１，６−ジイソシアナトヘキサン、１，６−ジイソシアナト−２−ヘキセン、１，６−ジイソシアナト−３−ヘキセン、１，６−ジイソシアナト−３−フルオロヘキサン、１，６−ジイソシアナト−３，４−ジフルオロヘキサン、１，７−ジイソシアナトヘプタン、１，８−ジイソシアナトオクタン、１，１２−ジイソシアナトデカン、１−イソシアナトエチレン、イソシアナトメタン、１−イソシアナトエタン、１−イソシアナト−２−メトキシエタン、３−イソシアナト−１−プロペン、イソシアナトシクロプロパン、２−イソシアナトプロパン、１−イソシアナトプロパン、１−イソシアナト−３−メトキシプロパン、１−イソシアナト−３−エトキシプロパン、２−イソシアナト−２−メチルプロパン、１−イソシアナトブタン、２−イソシアナトブタン、１−イソシアナト−４−メトキシブタン、１−イソシアナト−４−エトキシブタン、メチルイソシナトフォルメート、イソアナトシクロペンタン、１−イソシアナトペンタン、１−イソシアナト−５−メトキシペンタン、１−イソシアナト−５−エトキシペンタン、２−（イソシアナトメチル）フラン、イソシアナトシクロヘキサン、１−イソシアナトヘキサン、１−イソシアナト−６−メトキシヘキサン、１−イソシアナト−６−エトキシヘキサン、エチルイソシアナトアセテート、イソシアナトシクロペンタン、イソシアナトメチル（シクロヘキサン）、１−イソシアナトヘプタン、エチル３−イソシアナトプロパノエート、イソシアナトシクロオクタン、２−イソシアナトエチル−２−メチルアクリレート、１−イソシアナトオクタン、２−イソシアナト−２,４,４−トリメチルペンタン、ブチルイソシアナトアセテート、エチル４−イソシアナトブタノエート、１−イソシアナトノナン、１−イソシアナトアダマンタン、１−イソシアナトデカン、エチル６−イソシアナトヘキサノエート、１,３−ビス（イソシアナトメチル）シクロヘキサン、１−イソシアナトウンデカン。
本発明では、下記の式（Ｖ）、式（VI）又は式(VII)にて表される鎖状イソシアナト化合物が好ましい。
【００４４】
【化６】
【００４５】
【化７】
【００４６】
【化８】
【００４７】
本発明では、特に、上記の式（II）で表わされる鎖状イソシアナト化合物、式（VI）で表される鎖状イソシアナト化合物が好ましく、具体的には、１，３−ジイソシアナトプロパン、１，４−ジイソシアナトブタン、１，５−ジイソシアナトペンタン、１，６−ジイソシアナトヘキサン、又は１，７−ジイソシアナトヘプタンが好ましい。
【００４８】
本発明の非水電解液を得るにあたっては、鎖状イソシアナト化合物は、１種又は２種以上を使用し、例えば、非水溶媒を撹拌しながら、その中に電解質である上記リチウム化合物を添加して溶解させ、さらに該鎖状イソシアナト化合物を添加して溶解させることにより製造することができる。
【００４９】
なお、本発明に用いる鎖状イソシアナト化合物、不飽和結合を有する環状炭酸エステルを含有する非水電解液を用いる場合は、特に限定はしないが、必要によっては、乾燥雰囲気下にて
未封口状態の非水電解液電池を予備充電し、初期充電時にて発生するガスを電池内から除去することも可能である。同処方を実施することによって、より安定した品質の非水電解液電池を提供することが可能となり、かつ高温放置時の電池特性の低下を防ぐことが可能となる。
【００５０】
リチウムイオン二次電池など電気化学デバイス
本発明の非水電解液は、リチウムイオン二次電池、電気二重層キャパシタ、正極又は負極の一方が電池で他方が二重層であるハイブリッド型電池などの種々の電気化学デバイスにて使用できるが、以下は、その代表例であるリチウムイオン二次電池について説明する。
【００５１】
負極を構成する負極活物質としては、リチウムイオンのド−プ・脱ド−プが可能な炭素材料、金属リチウム、リチウム含有合金、又はリチウムとの合金化が可能なシリコン、シリコン合金、スズ、スズ合金、リチウムイオンのド−プ・脱ド−プが可能な酸化スズ、酸化シリコン、リチウムイオンのド−プ・脱ド−プが可能な遷移金属酸化物、リチウムイオンのド−プ・脱ド−プが可能な遷移金属窒素化合物、あるいはこれらの混合物のいずれをも用いることができる。なお、負極は、銅製の箔やエキスパンドメタルなどの集電体上に、負極活物質が形成された構成が一般的である。負極活物質の集電体への接着性を向上させるために例えば、ポリフッ化ビニリデン系バインダー、及びラテックス系のバインダーなどを含有してもよく、導電助剤としてカーボンブラック、アモルファスウイスカーカーボンなどを加えて使用してもよい。
【００５２】
負極活物質を構成する炭素材料としては、例えば、熱分解炭素類、コークス類（ピッチコークス、ニードルコークス、石油コークス等）、グラファイト類、有機高分子化合物焼成体（フェノール樹脂、フラン樹脂等を適当な温度で焼成し炭素化したもの）、炭素繊維、活性炭等が挙げられる。炭素材料は、黒鉛化したものでもよい。炭素材料としては、特にＸ線回折法で測定した（００２）面の面間隔（ｄ００２）が０．３４０ｎｍ以下の炭素材料が好ましく、真密度が１．７０ｇ／ｃｍ３以上である黒鉛又はそれに近い性質を有する高結晶性炭素材料が望ましい。このような炭素材料を使用すると、非水電解液電池のエネルギー密度を高くすることができる。
【００５３】
さらに、上記炭素材料中にホウ素を含有するものや、金、白金、銀、銅、Ｓｎ、Ｓｉ等金属で被覆したもの、あるいは非晶質炭素で被覆したもの等を使用することができる。これらの炭素材料は、１種類を使用してもよいし、２種類以上を適宜組み合わせ混合使用してもよい。
【００５４】
また、リチウムとの合金化が可能なシリコン、シリコン合金、スズ、スズ合金、リチウムイオンのド−プ・脱ドープが可能な酸化スズ、酸化シリコン、リチウムイオンのドープ・脱ドープが可能な遷移金属酸化物を用いた場合は、いずれも上述の炭素質材料よりも重量あたりの理論容量が高く、好適な材料である。
【００５５】
一方、正極を構成する正極活物質は、充放電が可能な種々の材料から形成することができる。例えば、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＮｉＯ２、ＬｉＭｎ２Ｏ４、ＬｉＭｎＯ２などのＬｉｘＭＯ２（ここで、Ｍは１種以上の遷移金属であり、ｘは電池の充放電状態によって異なり、通常０．０５≦ｘ≦１．２０である）で表される、リチウムと一種以上の遷移金属との複合酸化物（リチウム遷移金属複合酸化物）や、
ＦｅＳ２、ＴｉＳ２、Ｖ２０５、ＭｏＯ３、ＭｏＳ２などの遷移元素のカルコゲナイドあるいはポリアセチレン、ポリピロール等のポリマー等を使用することができるが、Ｌｉのドープ及び脱ドープが可能なリチウム遷移金属複合酸化物材料を用いることが最も好ましい。
【００５６】
また、正極は、アルミニウム、チタン、若しくはステンレス製の箔、又はエキスパンドメタルなどの集電体上に、正極活物質が形成された構成が一般的である。正極活物質の集電体への接着性を向上させるために、例えば、ポリフッ化ビニリデン系バインダー、及びラテックス系のバインダー、正極内の電子伝導性を向上させるためにカーボンブラック、アモルファスウィスカー、グラファイトなどを含有してもよい。
【００５７】
セパレ−タは、正極と負極とを電気的に絶縁し、かつリチウムイオンが透過可能な膜が好ましく、例えば、微多孔性高分子フィルムなどの多孔性膜が使用される。微多孔性高分子フィルムとしては、特に、多孔性ポリオレフィンフィルムが好ましく、さらに具体的には多孔性ポリエチレンフィルム、多孔性ポリプロピレンフィルム、又は多孔性のポリエチレンフィルムとポリプロピレンフィルムとの多層フィルムなどが好ましい。さらにセパレ−タとして、高分子電解質を使用することもできる。高分子電解質としては、例えばリチウム塩を溶解した高分子物質や、電解液で膨潤させた高分子物質なども使用できるが、これらに限定されるものではない。
【００５８】
本発明の非水電解液は、該非水電解液により高分子物質を膨潤させて高分子電解質を得る目的で使用してもよく、また、多孔性ポリオレフィンフィルムと高分子電解質を併用した形のセパレータに非水電解液をしみこませてもよい。
本発明の非水電解液を使用したリチウムイオン二次電池の形状については特に限定されることはなく、円筒型、角型、アルミラミネート型、コイン型、ボタン型など種々の形状にすることができる。
【実施例】
【００５９】
以下に示す実施例により、本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
実施例１〜６
まず、基準非水電解液として、エチレンカーボネート（ＥＣ）とエチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）との混合溶媒(前者：後者の重量比が４０：６０)に、リチウム塩としてＬｉＰＦ６を１ｍｏｌ／リットルの濃度にて含有、溶解させて調製した。次にこの基準電解液に、表１に記載した化合物を所定量添加し、種々の非水電解液を調製した。
なお、表１において、ＶＣはビニレンカーボネートであり、下記の式（VIII）で表わされる、１，３−ジイシシアナト−４−メチルベンゼン（環状イソシアナト化合物）であり、比較例である。
【００６０】
【化１０】
【００６１】
【表１】
【００６２】
[負極の作製]
ＭＣＭＢ２５−２８（大阪ガスケミカル製）９３重量部と結着剤のポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）６重量部を混合し、溶剤のＮ−メチルピロリドンに分散させ、負極合剤スラリーを調製した。そして、この負極合剤スラリーを厚さ１８μｍの銅箔製の負極集電体に塗布し、乾燥させた後、圧縮成型し、これを直径１８ｍｍの円盤状に打ち抜いて、コイン状の負極を得た。この負極合剤の厚さは９５μｍ、重量は直径１８ｍｍの円盤状で６８ｍｇであった。
[正極の作製]
ＬｉＣｏＯ２（日本化学工業製 C-5）９４重量部と、導電剤としてアセチレンブラック３重量部と結着剤のポリフッ化ビニリデン３重量部を混合し、溶剤のＮ−メチルピロリドンに分散させ、ＬｉＣｏＯ２合剤スラリーを調製した。このＬｉＣｏＯ２合剤スラリーを厚さ２０μｍのアルミ箔に塗布、乾燥させ、圧縮成型し、これを直径１６．５ｍｍにうちぬき、正極を作製した。このＬｉＣｏＯ２合剤の厚さは１０５μｍ、重量は直径１６．５ｍｍの円で６５ｍｇであった。
【００６３】
[コイン型電池の作製]
直径１８ｍｍの負極、直径１６．５ｍｍの正極、厚さ２５μｍ、直径１８．５ｍｍの微多孔性ポリエチレンフィルムからできたセパレータを、ステンレス製の２０３２サイズの電池缶内に、負極、セパレータ、正極の順序で積層、配置した。その後、負極、セパレータ、正極へ非水溶液１０００μLを真空中にて注入した後、アルミニウム製の板（厚さ１．１ｍｍ、直径１６．５ｍｍ）、及びバネを収納した。最後に、ポリプロピレン製のガスケットを介して、電池缶蓋を専用のコインセルかしめ機を用いて、かしめることにより、電池内の気密性を保持し、直径２０ｍｍ、高さ３．２ｍｍのコイン型電池を作製した。
【００６４】
[コイン型電池の充放電特性の測定条件]
上述の方法にて作製したコイン型電池を用いて、以下のように充放電特性を測定した。
a)１サイクル目の充電； ２５℃にて、３．０Ｖまで０．７ｍＡで充電し、つづいて１．４ｍＡで４．２Ｖまで充電し、４．２Ｖから定電圧充電に移行し全体で６時間経過した時点で充電を終了した。
b)１サイクル目の放電； 上述の充電後、１．４ｍＡで２．７５Ｖまで放電した。
【００６５】
２５℃サイクル特性に関しては、１サイクル目まで上述の充放電試験を実施した後、以下の充放電試験条件を実施した。すなわち２５℃で以下の充放電条件にて５０サイクル実施後の容量維持率を式（１）により算出した。また、上記の試験終了後、４５℃で以下の充放電条件にて５０サイクル実施後の容量維持率を式（２）により算出した
・充電；３．５ｍＡで４．２Ｖまで充電し、４．２Ｖから定電圧充電に移行し全体で３時間経過した時点で充電を終了。
・放電；上述の充電後、３．５ｍＡで２．７５Ｖまで放電した。
・２５℃５０サイクル後の容量維持率＝（２５℃５０サイクル目の放電容量／２５℃２サイクル目の放電容量）×１００ （％）・・・・式（１）
・４５℃５０サイクル後の容量維持率＝（２５℃５０サイクル＋４５℃５０サイクル目の放電容量／２５℃５０サイクル＋４５℃１サイクル目の放電容量）×１００ （％）・・・・式（２）
[コイン型電池での電池特性]
上述の表１に示した種々の非水電解液を用いたラミネート電池での２５℃、４５℃サイクル特性結果を表２に示す。
【００６６】
【表２】
【００６７】
表２に示すように、本発明の上記鎖状イソシアナト化合物と不飽和結合を有する環状炭酸エステルとを所定量含有した非水電解液を用いたコイン型電池（実施例１〜６）は、いずれの組み合わせにおいても、基準非水電解液（比較例１、２）と比較して、２５℃、４５℃サイクル特性に明らかな改善効果を示すことが判る。
【００６８】
また、環状イソシアナト化合物である、１，３−ジイソシアナト−４−メチルベンゼン（比較例３、４）は実施例１〜６と比較して、４５℃のサイクル特性が劣る傾向にあった。
【００６９】
実施例７〜１２
基準非水電解液として、エチレンカーボネート（ＥＣ）とエチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）との混合溶媒(前者：後者の重量比４０：６０)に、リチウム塩としてＬｉＰＦ６を１ｍｏｌ／リットルの濃度にて含有、溶解させて調製した。
次に、この基準電解液を、表３に記載した化合物を所定量添加し、種々の非水電解液を調製した。なお、表３に記載される化合物の中で、上述に示した式式(VII)以外の化合物に関しては、表１と同様の略号にて示した。
【００７０】
【表３】
【００７１】
[コイン型電池の充放電特性の評価]
上述の表３に示した種々の非水電解液を用いたコイン型電池のサイクル高温保存後の特性評価結果を表４に示す。
【００７２】
【表４】
【００７３】
表４に示すように、本発明の上記鎖状イソシアナト化合物、不飽和結合を有する環状炭酸エステルとを本発明の所定範囲の添加量にて調製した非水電解液を用いたコイン型電池のサイクル特性評価（実施例７〜１２）では、いずれの組み合わせにおいても、基準非水電解液（比較例５、６）と比較して、本発明の鎖状イソシアナト化合物と不飽和結合を有する環状炭酸エステルとを本発明の所定範囲の添加量含有した非水電解液を用いた場合において、良好な特性が得られていることを確認した。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
本発明によれば、充放電サイクルを繰り返しても 前記の初期容量を維持することができ、良好なサイクル特性を有するリチウムイオン二次電池などの電気化学デバイス用非水電解液が提供され、これを使用した電気化学デバイスは、携帯電話あるいはノートパソコンなどに代表される種々の携帯電子機器の電源として重要な役割を果たすものである。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リチウム二次電池などの電気化学デバイス用非水電解液に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯電話あるいはノートパソコンなどに代表される携帯用電子端末等の種々の携帯電子機器の普及に伴い、それらの電源として二次電池は重要な役割を果たしている。これらの二次電池としては、鉛蓄電池、ニッケル・カドミウム電池等の水溶液系電池、非水電解液電池が挙げられるが、中でも、リチウム等を吸蔵、放出できる正極及び負極と非水電解液とからなる非水電解液二次電池は、高電圧で高エネルギー密度を有し、安全性に優れ、環境問題などの点で、他の二次電池と比較して様々な利点を有している。
【０００３】
現在実用化されている非水電解液二次電池としては、例えば、正極活物質としてリチウムと遷移金属との複合酸化物を用い、負極活物質としてリチウムをドープ・脱ドープ可能な材料を用いたリチウム二次電池が挙げられる。リチウム二次電池の負極活物質では、優れたサイクル特性を有する材料としては、炭素材料が挙げられる。炭素材料の中でも、黒鉛材料は単位体積あたりのエネルギー密度を向上できる材料として期待されている。
【０００４】
また、リチウム二次電池の特性向上のため、負極／正極の特性のみならず、リチウムイオンの移送を担う非水電解液の特性の向上が求められている。かかる非水電解液としては、非プロトン性有機溶媒に、ＬｉＢＦ４、ＬｉＰＦ６、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＮ(ＳＯ２ＣＦ３)２、ＬｉＮ(ＳＯ２ＣＦ２ＣＦ３)２などのリチウム塩を混合した非水溶液が用いられている（非特許文献１）。非プロトン性有機溶媒の代表例として、カーボネート類が知られており、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネートなどの各種のカーボネート化合物の使用が提案されている（特許文献１、特許文献２）。
【０００５】
これらのカーボネート化合物としては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネートなどの高誘電率を有する環状炭酸エステルと、ジエチルカーボネート、メチルエチルカーボネートや、メチルカーボネートなどの低粘度の鎖状炭酸エステル溶媒との混合溶媒に、上記のリチウム塩を混合した溶液が用いられている。
【０００６】
また、電解質として、前記ＬｉＢＦ４、ＬｉＰＦ６が溶解された非水電解液は、リチウムイオンの移送を表す導電率が高く、かつＬｉＢＦ４、ＬｉＰＦ６の酸化分解電圧が高いために高電圧において安定であることが知られており、リチウム二次電池の有する高電圧、高エネルギー密度という特性を引き出すことに寄与している。
【０００７】
一方、リチウム二次電池などの非水電解液二次電池を各電源として使用するに当たって、電池の高寿命化が求められている。この電池寿命を支配する要因の一つとして、負極表面の悪影響が挙げられる。それは、例えば、リチウム二次電池では、充放電サイクルに伴う負極上へのリチウムデントライトの生成、負極表面の状態に起因する電流集中、非水電解液と負極との副反応などである。つまり、これらの要因には、負極表面の状態が大きく影響しており、電池の高寿命化を図るには、負極表面皮膜を制御する必要がある。
【０００８】
これらリチウム二次電池の電池寿命を改善し、高温貯蔵安定性の優れた有機電解液電池を提供するために、例えば、特許文献４には、イソシアネナト化合物を含むカーボネート化合物の非水溶媒と、電解質とからなる非水電解液が提案されている。特許文献４におけるイソシアナト化合物としては、芳香族炭化水素にイソシアナト基が結合した環状イソシアナト化合物が特に好ましいものとして記載されている。かかる環状イソシアナト化合物としては、例えば、１，３−ジイソシアナト−４−メチルベンゼン、イソシアナトベンゼン、ジイソシアナトベンゼン、メチルイソシアナトベンゼン、エチルイソシアナトベンゼン、メチルジイソシアナトベンゼン、エチルジイソシアナトベンゼン、トリメチルジイソシアナトベンゼン、などが開示されている。
【特許文献１】特開平４−１８４８７２号公報
【特許文献２】特開平１０−２７６２５号公報
【特許文献３】特表平０１−５０１８２２号公報
【特許文献４】特開２００２−８７１９号公報
【非特許文献１】Jean-Paul Gabano編、"Lithium Battery", ACADEMIC PRESS(1983)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明者らは、上記した従来技術の問題点、特に、充放電サイクルを繰り返しても初期の容量を維持することができる、良好なサイクル特性を有するリチウム二次電池などの電気化学デバイスについて検討したところ、例えば、特許文献４に記載される、芳香族炭化水素にイソシアナト基が結合した環状イソシアナト化合物を含む非水電解液は、この目的のために優れた効果を有することが確認された。
【００１０】
しかしながら、このような環状イソシアナト化合物は分解電位が低いものが多く、非水電解液電池では、これが引き金となって、環状イソシアナト化合物が正極上で分解し、長期のサイクル特性、高温でのサイクル特性に悪影響を与えることがわかった。また、特性上、優れた特性を示すとされる、環状イソシアナト化合物の中には、例えば１，３−ジイソシアナト−４−メチルベンゼンのように変異原生の疑いがある。したがって、これら環状イソシアナト化合物を含む電解液を非水電解液電池に使用する際には、電解液注液時に環状イソシアナト化合物が飛散した際の製造工程上の対策が必要となり、作業者に対して十分な配慮も必要となるなども問題がある。
【００１１】
さらに、これら環状イソシアナト化合物を含む非水電解液電池では、万が一、電池の安全弁が作動し、電解液が電池外部に出てしまった場合には、需要者の健康を害する可能性がある。
【００１２】
かくして、本発明は、これら従来の問題点を伴うことなく、サイクル特性を高めたリチウム二次電池などの電気化学デバイス用の非水電解液、及び、該非水電解液を使用した電気化学デバイスの提供を目的にする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、上記目的を達成するものであって、下記の要旨を有する。
（１）非水溶媒に電解質を溶解してなる電気化学デバイス用非水電解液であって、（１）非水溶媒が、鎖状炭酸エステル、飽和環状炭酸エステル、及び不飽和環状炭酸エステルの混合物であり、（２）電解質が非水溶媒に溶解するリチウム塩であり、かつ（３）一般式(Ｉ)及び／又は(II)で表される鎖状イソシアナト化合物を含有することを特徴とする非水電解液。
【００１４】
【化１】
【００１５】
但し、Ｘは、水素、ハロゲン、イソシアナト基、又はＣ１〜Ｃ２０の脂肪族炭化水素（ヘテロ原子を有していてもよい）を表す。Ｙは、Ｏ、ＳＯ２、又は、Ｃ１〜Ｃ２０の脂肪族炭化水素（ヘテロ原子を有していてもよい）を表す。Ｚは、水素、ハロゲン、イソシアナト基、Ｃ１〜Ｃ２０の脂肪族炭化水素（ヘテロ原子を有していてもよい）、又はＣ６〜Ｃ２０の芳香族炭化水素（ヘテロ原子を有していてもよい）を表す。
（２）鎖状イソシアナト化合物が０．０１〜３重量％含有する上記（１）に記載の非水電解液。
（３）鎖状炭酸エステル、飽和環状炭酸エステル、及び不飽和環状炭酸エステルが、それぞれ、３０〜８０重量％、１０〜５０重量％、及び０．０１〜５重量％含まれる上記（１）又は（２）に記載の非水電解液。
（４）不飽和環状炭酸エステルが、一般式（III）で表されるビニレンカーボネート誘導体、又は一般式（Ｖ）で示されるアルケニルエチレンカーボネートである上記（１）〜（３）のいずれかに記載の非水電解液
【化２】
【００１６】
（但し、Ｒ１及びＲ２は、それぞれ独立して、水素原子、ハロゲン原子、又は炭素数が１〜１２のハロゲン原子を含んでいてもよいアルキル基である。）
【化３】
【００１７】
（但し、Ｒ３〜Ｒ６は、それぞれ独立して、水素原子、ハロゲン原子、炭素数が１〜１２のハロゲン原子を含んでいてもよい炭化水素基、又は炭素数が２〜１２のアルケニル基であり、その内少なくとも一つは炭素数が２〜１２のアルケニル基である。）
（５）リチウム塩が、ＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＣＦ３ＳＯ３、ＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２）２、ＬｉＮ（Ｃ２Ｆ５ＳＯ２）２、ＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２）（Ｃ２Ｆ５ＳＯ２）、ＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２）及び（Ｃ４Ｆ９ＳＯ２）の群より選ばれる少なくとも１種のリチウム塩である上記（１）〜（４）のいずれかに記載の非水電解液。
（６）上記（１）〜（５）のいずれかに記載の非水電解液を使用する電気化学デバイス。
（７）電気化学デバイスがリチウム二次電池であり、正極活物質が、リチウム遷移金属複合酸化物材料よりなり、負極活物質が、(ａ)Ｘ線回折における格子面（００２面）のｄ値が０．３４０ｎｍ以下の炭素質材料、及び／又は、(ｂ)Ｓｎ、Ｓｉ及びＡｌから選ばれる１種以上の金属酸化物、及び／又は、(ｃ)Ｓｎ、Ｓｉ及びＡｌから選ばれる１種以上の金属とリチウムとの合金である、上記（６）に記載の電気化学デバイス。
【発明の効果】
【００１８】
本発明による非水電解液は、良好な初期特性、サイクル特性に優れたリチウム二次電池などの電気化学デバイス用の非水電解液が提供される。
【００１９】
このような優れた特性が得られる理由は必ずしも明らかではないが、以下によるものと推測される。鎖状炭酸エステル、飽和環状炭酸エステル、及び不飽和環状炭酸エステルを含む非水溶媒とする本発明の非水電解液は、広い温度範囲にわたって安定に液体状態を保てるため、High Rate特性や良好な低温特性が良好である。そして、本発明の非水電解液は、上記一般式(Ｉ)、(II)で表される鎖状イソシアナト化合物を含有することにより、炭素質材料の剥離や、負荷逆容量の増大ささせ、環状炭酸エステルの分解を抑制することが可能となる。
【００２０】
また、上記の鎖状イソシアナト化合物は、非水電解液と負極との界面において分解し、より抵抗の低い反応被膜層を形成する。これにより電池の内部抵抗を下げ、サイクル特性の向上に寄与できるものと考えられる。この効果は、鎖状イソシアナト化合物と不飽和結合を有する環状炭酸エステルがそれぞれ負極表面上で異なる分解電位を有し、段階的に良好な被膜を生成しているためと考えられる。
【００２１】
また、本発明で非水電解液に含有される鎖状イソシアナト化合物は、環状イソシアナト化合物と異なり、酸化分解電位が非水電解液電池での実用範囲以上であり、通常の充放電の際には、鎖状イソシアナト化合物が正極上で分解が起こる問題も見られず、上記の通り、長期のサイクル特性、高温でのサイクル特性が確保できる。
【００２２】
さらに、鎖状イソシアナト化合物を含む電解液を非水電解液電池に使用する際には、環状イソシアナト化合物を含む電解液の場合のような、電解液注液時の製造工程上の問題を考慮する必要がなくなるなどの利点もある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の非水電解液及びこれを使用した電気化学デバイスについて詳細に説明する。
非水溶媒
本発明の非水電解液で使用する非水溶媒は、鎖状炭酸エステル、飽和環状炭酸エステル、及び不飽和環状炭酸エステルを含有する。本発明では、かかる３種の炭酸エステルを含有するのが必要であり、そのいずれかを含まない場合には、本発明による優れた特性の非水電解液は得られない。
【００２４】
本発明で使用される非水溶媒は、非水電解液中で、鎖状炭酸エステル、飽和環状炭酸エステル、及び不飽和環状炭酸エステルが、それぞれ、３０〜８０重量％、１０〜５０重量％、及び０．０１〜５重量％含まれることが好ましい。それぞれ、上記の範囲外でそれぞれの炭酸エステルを含有する場合には、本発明による優れた特性の非水電解液は良好に得られない。例えば、鎖状炭酸エステルが３０重量％よりも小さい場合には、電解液の粘度が上昇し、加えて、低温で凝固してしまうため、充分な特性が得られなくなり、逆に８０重量％よりの大きい場合には、リチウム塩の解離度／溶解度が低下し電解液のイオン電導度が低下してしまう。飽和環状炭酸エステルが１０重量％よりも小さい場合には、リチウム塩の解離度／溶解度が低下し、電解液のイオン電導度が低下し、逆に５０重量％よりの大きい場合には、電解液の粘度が上昇し、加えて、低温で凝固してしまうため、充分な特性が得られなくなる。また、不飽和環状炭酸エステルが０．０１重量％よりも小さい場合には、負極表面に良好な被膜が形成されなくなるためサイクル特性が低下し、逆に５重量％より大きい場合には、例えば、高温保存時に電解液がガス発生しやすい状態となり、電池内の圧力が上昇するなど実用上好ましくない状態になる。
【００２５】
本発明で使用される鎖状炭酸エステルとしては、例えば、総炭素数が３〜９の鎖状カーボネートが挙げられる。具体的にはジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、ジ−ｎ−プロピルカーボネート、ジイソプロピルカーボネート、ｎ−プロピルイソプロピルカーボネート、ジ−ｎ−ブチルカーボネート、ジ−ｔ−ブチルカーボネート、ｎ−ブチルイソブチルカーボネート、ｎ−ブチル−ｔ−ブチルカーボネート、イソブチル−ｔ−ブチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、メチル−ｎ−プロピルカーボネート、ｎ−ブチルメチルカーボネート、イソブチルメチルカーボネート、ｔ−ブチルメチルカーボネート、エチル−ｎ−プロピルカーボネート、ｎ−ブチルエチルカーボネート、イソブチルエチルカーボネート、ｔ−ブチルエチルカーボネート、ｎ−ブチル−ｎ−プロピルカーボネート、イソブチル−ｎ−プロピルカーボネート、ｔ−ブチル−ｎ−プロピルカーボネート、ｎ−ブチルイソプロピルカーボネート、イソブチルイソプロピルカーボネート、ｔ−ブチルイソプロピルカーボネート等を挙げることができる。これらの中で、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルエチルカーボネートが好ましいが、特に限定されるものではない。またこれら鎖状炭酸エステルは２種類以上混合してもよい。
【００２６】
本発明で使用される飽和環状炭酸エステルとしては、例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート等が挙げられる。この中で、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネートがより好ましく、プロピレンカーボネートを使用することにより、幅広い温度範囲にて安定した非水電解液を提供することができる。これら飽和環状炭酸エステルは２種類以上混合しても良い。
【００２７】
また、本発明で使用される不飽和環状炭酸エステルとしては、下記の一般式（III）で表されるビニレンカーボネート誘導体が挙げられる。
【００２８】
【化４】
【００２９】
上記一般式（III）において、Ｒ１及びＲ２は、それぞれ独立して、水素原子、ハロゲン原子、又は炭
素数が１〜１２のハロゲン原子を含んでいてもよいアルキル基である。なかでも、Ｒ１及びＲ２が水素
（（III）の化合物がビニレンカーボネートである）が好ましい。
上記ビニレンカーボネート誘導体の具体例として、以下の化合物を挙げられる。ビニレンカーボネート、フルオロビニレンカーボネート、メチルビニレンカーボネート、フルオロメチルビニレンカーボネート、エチルビニレンカーボネート、プロピルビニレンカーボネート、ブチルビニレンカーボネート、ジメチルビニレンカーボネート、ジエチルビニレンカーボネート、ジプロピルビニレンカーボネートなどであるが、これらに限定されるものではない。
【００３０】
これらの化合物の中でも、ビニレンカーボネートが一番安価で、かつ効果的な化合物である。なお、上記ビニレンカーボネート誘導体に関しては、少なくとも１種であり、単独又は、混合していることも可能である。
また、本発明で使用される別の不飽和環状炭酸エステルとしては、下記の一般式（IV）で表されるアルケニルエチレンカーボネートが挙げられる。
【００３１】
【化５】
【００３２】
上記式（IV）において、Ｒ３〜Ｒ６は、それぞれ独立して、水素原子、ハロゲン原子、炭素数が１〜１２のハロゲン原子を含んでいてもよい炭化水素基、又は炭素数が２〜１２のアルケニル基であり、その内少なくとも一つは炭素数が２〜１２のアルケニル基である。なかでも、Ｒ３〜Ｒ６のうちの一つがビニル基であり、残りが水素である場合（（IV）の化合物が４−ビニルエチレンカーボネート）が好ましい。
【００３３】
上記アルケニルエチレンカーボネートの具体例としては、４−ビニルエチレンカーボネート、４−ビニル−４−メチルエチレンカーボネート、４−ビニル−４−エチルエチレンカーボネート、４−ビニル−４−ｎ−プロピルエチレンカーボネートなどの化合物を挙げられる。
【００３４】
本発明で使用される非水溶媒には、上記の成分のほかに他の各種溶媒が含まれていてもよい。これらの他の各種溶媒として、例えば、環状カルボン酸エステル、総炭素数３〜９の鎖状エステル、総炭素数３〜６の鎖状エーテルなどが挙げられる。これらの他の各種溶媒は、非水電解液中、好ましくは０．２〜１０重量％、特に好ましくは０．５〜５重量％含有される。
【００３５】
環状カルボン酸エステル（総炭素数が３〜９のラクトン化合物）としては、例えばγ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン、γ−カプロラクトン、ε−カプロラクトン等を挙げることができる。これらの中で、γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトンがより好ましいが、特に限定されるものではない。またこれら環状カルボン酸エステルは２種類以上混合しても良い。
【００３６】
また、総炭素数３〜９の鎖状エステルとしては、例えば、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸−ｎ−プロピル、酢酸−イソプロピル、酢酸−ｎ−ブチル、酢酸イソブチル、酢酸−ｔ−ブチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、プロピオン酸−ｎ−プロピル、プロピオン酸−イソプロピル、プロピオン酸−ｎ−ブチル、プロピオン酸イソブチル、プロピオン酸−ｔ−ブチルを挙げることができる。これらの中で、酢酸エチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチルが好ましい。
【００３７】
また、総炭素数３〜６の鎖状エーテルとしては、ジメトキシメタン、ジメトキシエタン、ジエトキシメタン、ジエトキシエタン、エトキシメトキシメタン、エトキシメトキシエタン等を挙げることができる。これらの中で、ジメトキシエタン、ジエトキシエタンがより好ましいができる。
【００３８】
さらに、ベンゾニトリル、アセトニトリル、テトラヒドロフラン、２−メチルテトラヒドロフラン、ジオキソラン、４−メチルジオキソラン、Ｎ、Ｎ−ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、ジオキサン、スルホラン、ジクロロエタン、クロロベンゼン、ニトロベンゼンなどを使用することができる。
【００３９】
非水電解液の溶質（リチウム塩）
本発明の非水電解液の溶質としては、リチウム塩が用いられる。リチウム塩については、上記非水溶媒に溶解しうるものであれば特に限定はされない。その具体例として例えば、以下の通りである。
（Ａ）無機リチウム塩：
ＬｉＰＦ６、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＢＦ４等の無機フッ化物塩、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＢｒＯ４、ＬｉＩＯ４、等の過ハロゲン酸塩など。
（Ｂ）有機リチウム塩：
ＬｉＣＦ３ＳＯ３等の有機スルホン酸塩、ＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２）２、ＬｉＮ（Ｃ２Ｆ５ＳＯ２）２、ＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２）（Ｃ４Ｆ９ＳＯ２）等のパーフルオロアルキルスルホン酸イミド塩、ＬｉＣ（ＣＦ３ＳＯ２）３等のパーフルオロアルキルスルホン酸メチド塩、ＬｉＰＦ（ＣＦ３）５、ＬｉＰＦ２（ＣＦ３）４、ＬｉＰＦ３（ＣＦ３）３、ＬｉＰＦ２（Ｃ２Ｆ５）４、ＬｉＰＦ３（Ｃ２Ｆ５）３、ＬｉＰＦ（ｎ−Ｃ３Ｆ７）５、ＬｉＰＦ２（ｎ−Ｃ３Ｆ７）４、ＬｉＰＦ３（ｎ−Ｃ３Ｆ７）３、ＬｉＰＦ（ｉｓｏ−Ｃ３Ｆ７）５、ＬｉＰＦ２（ｉｓｏ−Ｃ３Ｆ７）４、ＬｉＰＦ３（ｉｓｏ−Ｃ３Ｆ７）３、ＬｉＢ（ＣＦ３）４、ＬｉＢＦ（ＣＦ３）３、ＬｉＢＦ２（ＣＦ３）２、ＬｉＢＦ３（ＣＦ３）、ＬｉＢ（Ｃ２Ｆ５）４、ＬｉＢＦ（Ｃ２Ｆ５）３、ＬｉＢＦ２（Ｃ２Ｆ５）２、ＬｉＢＦ３（Ｃ２Ｆ５）、ＬｉＢ（ｎ−Ｃ３Ｆ７）４、ＬｉＢＦ（ｎ−Ｃ３Ｆ７）３、ＬｉＢＦ２（ｎ−Ｃ３Ｆ７）２、ＬｉＢＦ３（ｎ−Ｃ３Ｆ７）、ＬｉＢ（ｉｓｏ−Ｃ３Ｆ７）４、ＬｉＢＦ（ｉｓｏ−Ｃ３Ｆ７）３、ＬｉＢＦ２（ｉｓｏ−Ｃ３Ｆ７）２、ＬｉＢＦ３（ｉｓｏ−Ｃ３Ｆ７）等の一部のフッ素をパーフルオロアルキル基で置換した無機フッ化物塩フルオロホスフェート、パーフルオロアルキルの含フッ素有機リチウム塩が挙げられる。
【００４０】
本発明では、上記の中でも、ＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２）２、ＬｉＮ
（Ｃ２Ｆ５ＳＯ２）２、ＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２）（Ｃ２Ｆ５ＳＯ２）、ＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２）（Ｃ４Ｆ９ＳＯ２）がより好ましい。またこれらリチウム塩は２種類以上混合しても良い。
【００４１】
本発明の非水電解液の溶質である、リチウム塩の濃度は、好ましくは０．５〜３モル／リットル、特には、０．７〜２モル／リットルが好適である。この濃度が低すぎると、絶対的な濃度不足により非水電解液のイオン伝導率で不十分であり、濃度が濃すぎると、粘度上昇のためイオン伝導率が低下し、また低温での析出が起こりやすくなるなども問題も生じるため、非水電解液電池の性能が低下し好ましくない。
【００４２】
鎖状イソシアナト化合物
本発明の非水電解液に含有される鎖状イソシアナト化合物は、その濃度が非水電解液中に、好ましくは０．０１〜３重量％、さらに好ましくは０．０５〜２重量％が好適である。濃度が０．０１重量％未満では、充放電特性などの改善効果、特にサイクル特性の改善効果が充分でなく、一方、２重量％を超えた場合では、サイクル特性が大幅に低下し、また
高温時にて、電池内部にてガス発生により膨れが生じる場合があるので好ましくない。
【００４３】
本発明に用いる鎖状イソシアナト化合物としては、上記した一般式（Ｉ）又は（II）で表される化合物が使用されるが、具体的な例としては次のものが挙げられる。ジイソシアナトスルフォン、ジイソシアナトエーテル、トリフルオロメタンイソシアネート、ペンタフルオロエタンイソシアネート、トリフルオロメタンスルフォニルイソシアネート、ペンタフルオロエタンスルフォニルイソシアネート、ベンゼンスルフォニルイソシアネート、４−フルオロベンゼンスルフォニルイソシアネート、１，３−ジイソシアナトプロパン、１，３−ジイソシアナト−２−フルオロプロパン、１，４−ジイソシアナトブタン、１，４−ジイソシアナト−２−ブテン、１，４−ジイソシアナト−２−フルオロブタン、１，４−ジイソシアナト−２，３−ジフルオロブタン、１，５−ジイソシアナトペンタン、１，５−ジイソシアナト−２−ペンテン、１,５−ジイソシアナト−２−メチルペンタン、１，６−ジイソシアナトヘキサン、１，６−ジイソシアナト−２−ヘキセン、１，６−ジイソシアナト−３−ヘキセン、１，６−ジイソシアナト−３−フルオロヘキサン、１，６−ジイソシアナト−３，４−ジフルオロヘキサン、１，７−ジイソシアナトヘプタン、１，８−ジイソシアナトオクタン、１，１２−ジイソシアナトデカン、１−イソシアナトエチレン、イソシアナトメタン、１−イソシアナトエタン、１−イソシアナト−２−メトキシエタン、３−イソシアナト−１−プロペン、イソシアナトシクロプロパン、２−イソシアナトプロパン、１−イソシアナトプロパン、１−イソシアナト−３−メトキシプロパン、１−イソシアナト−３−エトキシプロパン、２−イソシアナト−２−メチルプロパン、１−イソシアナトブタン、２−イソシアナトブタン、１−イソシアナト−４−メトキシブタン、１−イソシアナト−４−エトキシブタン、メチルイソシナトフォルメート、イソアナトシクロペンタン、１−イソシアナトペンタン、１−イソシアナト−５−メトキシペンタン、１−イソシアナト−５−エトキシペンタン、２−（イソシアナトメチル）フラン、イソシアナトシクロヘキサン、１−イソシアナトヘキサン、１−イソシアナト−６−メトキシヘキサン、１−イソシアナト−６−エトキシヘキサン、エチルイソシアナトアセテート、イソシアナトシクロペンタン、イソシアナトメチル（シクロヘキサン）、１−イソシアナトヘプタン、エチル３−イソシアナトプロパノエート、イソシアナトシクロオクタン、２−イソシアナトエチル−２−メチルアクリレート、１−イソシアナトオクタン、２−イソシアナト−２,４,４−トリメチルペンタン、ブチルイソシアナトアセテート、エチル４−イソシアナトブタノエート、１−イソシアナトノナン、１−イソシアナトアダマンタン、１−イソシアナトデカン、エチル６−イソシアナトヘキサノエート、１,３−ビス（イソシアナトメチル）シクロヘキサン、１−イソシアナトウンデカン。
本発明では、下記の式（Ｖ）、式（VI）又は式(VII)にて表される鎖状イソシアナト化合物が好ましい。
【００４４】
【化６】
【００４５】
【化７】
【００４６】
【化８】
【００４７】
本発明では、特に、上記の式（II）で表わされる鎖状イソシアナト化合物、式（VI）で表される鎖状イソシアナト化合物が好ましく、具体的には、１，３−ジイソシアナトプロパン、１，４−ジイソシアナトブタン、１，５−ジイソシアナトペンタン、１，６−ジイソシアナトヘキサン、又は１，７−ジイソシアナトヘプタンが好ましい。
【００４８】
本発明の非水電解液を得るにあたっては、鎖状イソシアナト化合物は、１種又は２種以上を使用し、例えば、非水溶媒を撹拌しながら、その中に電解質である上記リチウム化合物を添加して溶解させ、さらに該鎖状イソシアナト化合物を添加して溶解させることにより製造することができる。
【００４９】
なお、本発明に用いる鎖状イソシアナト化合物、不飽和結合を有する環状炭酸エステルを含有する非水電解液を用いる場合は、特に限定はしないが、必要によっては、乾燥雰囲気下にて
未封口状態の非水電解液電池を予備充電し、初期充電時にて発生するガスを電池内から除去することも可能である。同処方を実施することによって、より安定した品質の非水電解液電池を提供することが可能となり、かつ高温放置時の電池特性の低下を防ぐことが可能となる。
【００５０】
リチウムイオン二次電池など電気化学デバイス
本発明の非水電解液は、リチウムイオン二次電池、電気二重層キャパシタ、正極又は負極の一方が電池で他方が二重層であるハイブリッド型電池などの種々の電気化学デバイスにて使用できるが、以下は、その代表例であるリチウムイオン二次電池について説明する。
【００５１】
負極を構成する負極活物質としては、リチウムイオンのド−プ・脱ド−プが可能な炭素材料、金属リチウム、リチウム含有合金、又はリチウムとの合金化が可能なシリコン、シリコン合金、スズ、スズ合金、リチウムイオンのド−プ・脱ド−プが可能な酸化スズ、酸化シリコン、リチウムイオンのド−プ・脱ド−プが可能な遷移金属酸化物、リチウムイオンのド−プ・脱ド−プが可能な遷移金属窒素化合物、あるいはこれらの混合物のいずれをも用いることができる。なお、負極は、銅製の箔やエキスパンドメタルなどの集電体上に、負極活物質が形成された構成が一般的である。負極活物質の集電体への接着性を向上させるために例えば、ポリフッ化ビニリデン系バインダー、及びラテックス系のバインダーなどを含有してもよく、導電助剤としてカーボンブラック、アモルファスウイスカーカーボンなどを加えて使用してもよい。
【００５２】
負極活物質を構成する炭素材料としては、例えば、熱分解炭素類、コークス類（ピッチコークス、ニードルコークス、石油コークス等）、グラファイト類、有機高分子化合物焼成体（フェノール樹脂、フラン樹脂等を適当な温度で焼成し炭素化したもの）、炭素繊維、活性炭等が挙げられる。炭素材料は、黒鉛化したものでもよい。炭素材料としては、特にＸ線回折法で測定した（００２）面の面間隔（ｄ００２）が０．３４０ｎｍ以下の炭素材料が好ましく、真密度が１．７０ｇ／ｃｍ３以上である黒鉛又はそれに近い性質を有する高結晶性炭素材料が望ましい。このような炭素材料を使用すると、非水電解液電池のエネルギー密度を高くすることができる。
【００５３】
さらに、上記炭素材料中にホウ素を含有するものや、金、白金、銀、銅、Ｓｎ、Ｓｉ等金属で被覆したもの、あるいは非晶質炭素で被覆したもの等を使用することができる。これらの炭素材料は、１種類を使用してもよいし、２種類以上を適宜組み合わせ混合使用してもよい。
【００５４】
また、リチウムとの合金化が可能なシリコン、シリコン合金、スズ、スズ合金、リチウムイオンのド−プ・脱ドープが可能な酸化スズ、酸化シリコン、リチウムイオンのドープ・脱ドープが可能な遷移金属酸化物を用いた場合は、いずれも上述の炭素質材料よりも重量あたりの理論容量が高く、好適な材料である。
【００５５】
一方、正極を構成する正極活物質は、充放電が可能な種々の材料から形成することができる。例えば、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＮｉＯ２、ＬｉＭｎ２Ｏ４、ＬｉＭｎＯ２などのＬｉｘＭＯ２（ここで、Ｍは１種以上の遷移金属であり、ｘは電池の充放電状態によって異なり、通常０．０５≦ｘ≦１．２０である）で表される、リチウムと一種以上の遷移金属との複合酸化物（リチウム遷移金属複合酸化物）や、
ＦｅＳ２、ＴｉＳ２、Ｖ２０５、ＭｏＯ３、ＭｏＳ２などの遷移元素のカルコゲナイドあるいはポリアセチレン、ポリピロール等のポリマー等を使用することができるが、Ｌｉのドープ及び脱ドープが可能なリチウム遷移金属複合酸化物材料を用いることが最も好ましい。
【００５６】
また、正極は、アルミニウム、チタン、若しくはステンレス製の箔、又はエキスパンドメタルなどの集電体上に、正極活物質が形成された構成が一般的である。正極活物質の集電体への接着性を向上させるために、例えば、ポリフッ化ビニリデン系バインダー、及びラテックス系のバインダー、正極内の電子伝導性を向上させるためにカーボンブラック、アモルファスウィスカー、グラファイトなどを含有してもよい。
【００５７】
セパレ−タは、正極と負極とを電気的に絶縁し、かつリチウムイオンが透過可能な膜が好ましく、例えば、微多孔性高分子フィルムなどの多孔性膜が使用される。微多孔性高分子フィルムとしては、特に、多孔性ポリオレフィンフィルムが好ましく、さらに具体的には多孔性ポリエチレンフィルム、多孔性ポリプロピレンフィルム、又は多孔性のポリエチレンフィルムとポリプロピレンフィルムとの多層フィルムなどが好ましい。さらにセパレ−タとして、高分子電解質を使用することもできる。高分子電解質としては、例えばリチウム塩を溶解した高分子物質や、電解液で膨潤させた高分子物質なども使用できるが、これらに限定されるものではない。
【００５８】
本発明の非水電解液は、該非水電解液により高分子物質を膨潤させて高分子電解質を得る目的で使用してもよく、また、多孔性ポリオレフィンフィルムと高分子電解質を併用した形のセパレータに非水電解液をしみこませてもよい。
本発明の非水電解液を使用したリチウムイオン二次電池の形状については特に限定されることはなく、円筒型、角型、アルミラミネート型、コイン型、ボタン型など種々の形状にすることができる。
【実施例】
【００５９】
以下に示す実施例により、本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
実施例１〜６
まず、基準非水電解液として、エチレンカーボネート（ＥＣ）とエチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）との混合溶媒(前者：後者の重量比が４０：６０)に、リチウム塩としてＬｉＰＦ６を１ｍｏｌ／リットルの濃度にて含有、溶解させて調製した。次にこの基準電解液に、表１に記載した化合物を所定量添加し、種々の非水電解液を調製した。
なお、表１において、ＶＣはビニレンカーボネートであり、下記の式（VIII）で表わされる、１，３−ジイシシアナト−４−メチルベンゼン（環状イソシアナト化合物）であり、比較例である。
【００６０】
【化１０】
【００６１】
【表１】
【００６２】
[負極の作製]
ＭＣＭＢ２５−２８（大阪ガスケミカル製）９３重量部と結着剤のポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）６重量部を混合し、溶剤のＮ−メチルピロリドンに分散させ、負極合剤スラリーを調製した。そして、この負極合剤スラリーを厚さ１８μｍの銅箔製の負極集電体に塗布し、乾燥させた後、圧縮成型し、これを直径１８ｍｍの円盤状に打ち抜いて、コイン状の負極を得た。この負極合剤の厚さは９５μｍ、重量は直径１８ｍｍの円盤状で６８ｍｇであった。
[正極の作製]
ＬｉＣｏＯ２（日本化学工業製 C-5）９４重量部と、導電剤としてアセチレンブラック３重量部と結着剤のポリフッ化ビニリデン３重量部を混合し、溶剤のＮ−メチルピロリドンに分散させ、ＬｉＣｏＯ２合剤スラリーを調製した。このＬｉＣｏＯ２合剤スラリーを厚さ２０μｍのアルミ箔に塗布、乾燥させ、圧縮成型し、これを直径１６．５ｍｍにうちぬき、正極を作製した。このＬｉＣｏＯ２合剤の厚さは１０５μｍ、重量は直径１６．５ｍｍの円で６５ｍｇであった。
【００６３】
[コイン型電池の作製]
直径１８ｍｍの負極、直径１６．５ｍｍの正極、厚さ２５μｍ、直径１８．５ｍｍの微多孔性ポリエチレンフィルムからできたセパレータを、ステンレス製の２０３２サイズの電池缶内に、負極、セパレータ、正極の順序で積層、配置した。その後、負極、セパレータ、正極へ非水溶液１０００μLを真空中にて注入した後、アルミニウム製の板（厚さ１．１ｍｍ、直径１６．５ｍｍ）、及びバネを収納した。最後に、ポリプロピレン製のガスケットを介して、電池缶蓋を専用のコインセルかしめ機を用いて、かしめることにより、電池内の気密性を保持し、直径２０ｍｍ、高さ３．２ｍｍのコイン型電池を作製した。
【００６４】
[コイン型電池の充放電特性の測定条件]
上述の方法にて作製したコイン型電池を用いて、以下のように充放電特性を測定した。
a)１サイクル目の充電； ２５℃にて、３．０Ｖまで０．７ｍＡで充電し、つづいて１．４ｍＡで４．２Ｖまで充電し、４．２Ｖから定電圧充電に移行し全体で６時間経過した時点で充電を終了した。
b)１サイクル目の放電； 上述の充電後、１．４ｍＡで２．７５Ｖまで放電した。
【００６５】
２５℃サイクル特性に関しては、１サイクル目まで上述の充放電試験を実施した後、以下の充放電試験条件を実施した。すなわち２５℃で以下の充放電条件にて５０サイクル実施後の容量維持率を式（１）により算出した。また、上記の試験終了後、４５℃で以下の充放電条件にて５０サイクル実施後の容量維持率を式（２）により算出した
・充電；３．５ｍＡで４．２Ｖまで充電し、４．２Ｖから定電圧充電に移行し全体で３時間経過した時点で充電を終了。
・放電；上述の充電後、３．５ｍＡで２．７５Ｖまで放電した。
・２５℃５０サイクル後の容量維持率＝（２５℃５０サイクル目の放電容量／２５℃２サイクル目の放電容量）×１００ （％）・・・・式（１）
・４５℃５０サイクル後の容量維持率＝（２５℃５０サイクル＋４５℃５０サイクル目の放電容量／２５℃５０サイクル＋４５℃１サイクル目の放電容量）×１００ （％）・・・・式（２）
[コイン型電池での電池特性]
上述の表１に示した種々の非水電解液を用いたラミネート電池での２５℃、４５℃サイクル特性結果を表２に示す。
【００６６】
【表２】
【００６７】
表２に示すように、本発明の上記鎖状イソシアナト化合物と不飽和結合を有する環状炭酸エステルとを所定量含有した非水電解液を用いたコイン型電池（実施例１〜６）は、いずれの組み合わせにおいても、基準非水電解液（比較例１、２）と比較して、２５℃、４５℃サイクル特性に明らかな改善効果を示すことが判る。
【００６８】
また、環状イソシアナト化合物である、１，３−ジイソシアナト−４−メチルベンゼン（比較例３、４）は実施例１〜６と比較して、４５℃のサイクル特性が劣る傾向にあった。
【００６９】
実施例７〜１２
基準非水電解液として、エチレンカーボネート（ＥＣ）とエチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）との混合溶媒(前者：後者の重量比４０：６０)に、リチウム塩としてＬｉＰＦ６を１ｍｏｌ／リットルの濃度にて含有、溶解させて調製した。
次に、この基準電解液を、表３に記載した化合物を所定量添加し、種々の非水電解液を調製した。なお、表３に記載される化合物の中で、上述に示した式式(VII)以外の化合物に関しては、表１と同様の略号にて示した。
【００７０】
【表３】
【００７１】
[コイン型電池の充放電特性の評価]
上述の表３に示した種々の非水電解液を用いたコイン型電池のサイクル高温保存後の特性評価結果を表４に示す。
【００７２】
【表４】
【００７３】
表４に示すように、本発明の上記鎖状イソシアナト化合物、不飽和結合を有する環状炭酸エステルとを本発明の所定範囲の添加量にて調製した非水電解液を用いたコイン型電池のサイクル特性評価（実施例７〜１２）では、いずれの組み合わせにおいても、基準非水電解液（比較例５、６）と比較して、本発明の鎖状イソシアナト化合物と不飽和結合を有する環状炭酸エステルとを本発明の所定範囲の添加量含有した非水電解液を用いた場合において、良好な特性が得られていることを確認した。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
本発明によれば、充放電サイクルを繰り返しても 前記の初期容量を維持することができ、良好なサイクル特性を有するリチウムイオン二次電池などの電気化学デバイス用非水電解液が提供され、これを使用した電気化学デバイスは、携帯電話あるいはノートパソコンなどに代表される種々の携帯電子機器の電源として重要な役割を果たすものである。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
非水溶媒に電解質を溶解してなる電気化学デバイス用非水電解液であって、（１）非水溶媒が、鎖状炭酸エステル、飽和環状炭酸エステル、及び不飽和環状炭酸エステルの混合物であり、（２）電解質が非水溶媒に溶解するリチウム塩であり、かつ（３）一般式(Ｉ)及び／又は(II)で表される鎖状イソシアナト化合物を含有することを特徴とする非水電解液。
【化１】
但し、Ｘは、水素、ハロゲン、イソシアナト基、又はＣ１〜Ｃ２０の脂肪族炭化水素（ヘテロ原子を有していてもよい）を表す。Ｙは、Ｏ、ＳＯ２、又は、Ｃ１〜Ｃ２０の脂肪族炭化水素（ヘテロ原子を有していてもよい）を表す。Ｚは、水素、ハロゲン、イソシアナト基、Ｃ１〜Ｃ２０の脂肪族炭化水素（ヘテロ原子を有していてもよい）、又はＣ６〜Ｃ２０の芳香族炭化水素（ヘテロ原子を有していてもよい）を表す。
【請求項２】
鎖状イソシアナト化合物が０．０１〜３重量％含有する請求項１に記載の非水電解液。
【請求項３】
鎖状炭酸エステル、飽和環状炭酸エステル、及び不飽和環状炭酸エステルが、それぞれ、３０〜８０重量％、１０〜５０重量％、及び０．０１〜５重量％含まれる請求項１又は２に記載の非水電解液。
【請求項４】
不飽和環状炭酸エステルが、一般式（III）で表されるビニレンカーボネート誘導体、又は一般式（IV）で示されるアルケニルエチレンカーボネートである請求項１〜３のいずれかに記載の非水電解液
【化２】
（但し、Ｒ１及びＲ２は、それぞれ独立して、水素原子、ハロゲン原子、又は炭素数が１〜１２のハロゲン原子を含んでいてもよいアルキル基である。）
【化３】
（但し、Ｒ３〜Ｒ６は、それぞれ独立して、水素原子、ハロゲン原子、炭素数が１〜１２のハロゲン原子を含んでいてもよい炭化水素基、又は炭素数が２〜１２のアルケニル基であり、その内少なくとも一つは炭素数が２〜１２のアルケニル基である。）
【請求項５】
リチウム塩が、ＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＣＦ３ＳＯ３、ＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２）２、ＬｉＮ（Ｃ２Ｆ５ＳＯ２）２、ＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２）（Ｃ２Ｆ５ＳＯ２）、ＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２）及び（Ｃ４Ｆ９ＳＯ２）の群より選ばれる少なくとも１種のリチウム塩である請求項１〜４のいずれかに記載の非水電解液。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の非水電解液を使用する電気化学デバイス。
【請求項７】
電気化学デバイスがリチウム二次電池であり、正極活物質が、リチウム遷移金属複合酸化物材料からなり、かつ、負極活物質が、(ａ)Ｘ線回折における格子面（００２面）のｄ値が０．３４０ｎｍ以下の炭素質材料、及び／又は、(ｂ)Ｓｎ、Ｓｉ及びＡｌから選ばれる１種以上の金属酸化物、及び／又は、(ｃ)Ｓｎ、Ｓｉ及びＡｌから選ばれる１種以上の金属とリチウムとの合金である、請求項６に記載の電気化学デバイス。
【請求項１】
非水溶媒に電解質を溶解してなる電気化学デバイス用非水電解液であって、（１）非水溶媒が、鎖状炭酸エステル、飽和環状炭酸エステル、及び不飽和環状炭酸エステルの混合物であり、（２）電解質が非水溶媒に溶解するリチウム塩であり、かつ（３）一般式(Ｉ)及び／又は(II)で表される鎖状イソシアナト化合物を含有することを特徴とする非水電解液。
【化１】
但し、Ｘは、水素、ハロゲン、イソシアナト基、又はＣ１〜Ｃ２０の脂肪族炭化水素（ヘテロ原子を有していてもよい）を表す。Ｙは、Ｏ、ＳＯ２、又は、Ｃ１〜Ｃ２０の脂肪族炭化水素（ヘテロ原子を有していてもよい）を表す。Ｚは、水素、ハロゲン、イソシアナト基、Ｃ１〜Ｃ２０の脂肪族炭化水素（ヘテロ原子を有していてもよい）、又はＣ６〜Ｃ２０の芳香族炭化水素（ヘテロ原子を有していてもよい）を表す。
【請求項２】
鎖状イソシアナト化合物が０．０１〜３重量％含有する請求項１に記載の非水電解液。
【請求項３】
鎖状炭酸エステル、飽和環状炭酸エステル、及び不飽和環状炭酸エステルが、それぞれ、３０〜８０重量％、１０〜５０重量％、及び０．０１〜５重量％含まれる請求項１又は２に記載の非水電解液。
【請求項４】
不飽和環状炭酸エステルが、一般式（III）で表されるビニレンカーボネート誘導体、又は一般式（IV）で示されるアルケニルエチレンカーボネートである請求項１〜３のいずれかに記載の非水電解液
【化２】
（但し、Ｒ１及びＲ２は、それぞれ独立して、水素原子、ハロゲン原子、又は炭素数が１〜１２のハロゲン原子を含んでいてもよいアルキル基である。）
【化３】
（但し、Ｒ３〜Ｒ６は、それぞれ独立して、水素原子、ハロゲン原子、炭素数が１〜１２のハロゲン原子を含んでいてもよい炭化水素基、又は炭素数が２〜１２のアルケニル基であり、その内少なくとも一つは炭素数が２〜１２のアルケニル基である。）
【請求項５】
リチウム塩が、ＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＣＦ３ＳＯ３、ＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２）２、ＬｉＮ（Ｃ２Ｆ５ＳＯ２）２、ＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２）（Ｃ２Ｆ５ＳＯ２）、ＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２）及び（Ｃ４Ｆ９ＳＯ２）の群より選ばれる少なくとも１種のリチウム塩である請求項１〜４のいずれかに記載の非水電解液。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の非水電解液を使用する電気化学デバイス。
【請求項７】
電気化学デバイスがリチウム二次電池であり、正極活物質が、リチウム遷移金属複合酸化物材料からなり、かつ、負極活物質が、(ａ)Ｘ線回折における格子面（００２面）のｄ値が０．３４０ｎｍ以下の炭素質材料、及び／又は、(ｂ)Ｓｎ、Ｓｉ及びＡｌから選ばれる１種以上の金属酸化物、及び／又は、(ｃ)Ｓｎ、Ｓｉ及びＡｌから選ばれる１種以上の金属とリチウムとの合金である、請求項６に記載の電気化学デバイス。
【公開番号】特開２００６−１６４７５９（Ｐ２００６−１６４７５９Ａ）
【公開日】平成１８年６月２２日（２００６．６．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−３５４７０９（Ｐ２００４−３５４７０９）
【出願日】平成１６年１２月７日（２００４．１２．７）
【出願人】（０００２３６９５３）富山薬品工業株式会社 (11)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年６月２２日（２００６．６．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１２月７日（２００４．１２．７）
【出願人】（０００２３６９５３）富山薬品工業株式会社 (11)
【Ｆターム（参考）】
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