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公開番号2025009803
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-01-20
出願番号2024053646
出願日2024-03-28
発明の名称リチウム二次電池
出願人三星エスディアイ株式会社,SAMSUNG SDI Co., LTD.
代理人個人,個人
主分類H01M 10/0567 20100101AFI20250109BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】コバルトフリーリチウムニッケルマンガン系酸化物を含む正極の使用と共に、コバルトフリーリチウムニッケルマンガン系酸化物を含む正極を効果的に保護することができる電解液を組み合わせて高電圧および高温条件で遷移金属の溶出を減少させることによって正極構造の崩壊を抑制し、これにより電池の高電圧特性および高温特性が改善されたリチウム二次電池を提供することにある。
【解決手段】非水性有機溶媒、リチウム塩および添加剤を含む電解液;正極活物質を含む正極;および負極活物質を含む負極を含み、前記非水性有機溶媒は、非水有機溶媒の総重量に基づくエチレンカーボネートを5重量%未満含み、前記正極活物質は、リチウムニッケルマンガン系酸化物を含み、前記添加剤は、化学式1で表される、リチウム二次電池を提供する。
前記化学式1は、明細書に定義したとおりである。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
非水性有機溶媒、リチウム塩および添加剤を含む電解液；
正極活物質を含む正極；および
負極活物質を含む負極を含み、
前記非水性有機溶媒は、非水有機溶媒の総重量に基づくエチレンカーボネートを５重量％未満含み、
前記正極活物質は、リチウムニッケルマンガン系酸化物を含み、
前記添加剤は、下記化学式１で表される化合物を含む、リチウム二次電池。
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42
170
（前記化学式１で、
環Ａは、少なくとも一つの窒素元素を含む置換もしくは非置換のＣ３～Ｃ６ヘテロアリール基、または少なくとも一つの窒素元素を含む置換もしくは非置換のＣ３～Ｃ６ヘテロサイクリック基であり、
Ｌ
１
は、置換もしくは非置換のＣ１～Ｃ３アルキレン基であり、
Ｒ
１
は、水素または置換もしくは非置換のＣ１～Ｃ１０アルキル基である。）
続きを表示（約 1,600 文字）【請求項２】
前記非水性有機溶媒は、鎖状カーボネートのみで構成されるものである、請求項１に記載のリチウム二次電池。
【請求項３】
前記鎖状カーボネートは、下記化学式２で表される、請求項２に記載のリチウム二次電池。
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30
170
（前記化学式２で
Ｒ
２
およびＲ
３
は、それぞれ独立して、置換もしくは非置換のＣ１～Ｃ２０アルキル基である。）
【請求項４】
前記非水性有機溶媒は、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、ジプロピルカーボネート（ＤＰＣ）、メチルプロピルカーボネート（ＭＰＣ）、エチルプロピルカーボネート（ＥＰＣ）、およびエチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）のうちの少なくとも２種である、請求項１に記載のリチウム二次電池。
【請求項５】
前記非水性有機溶媒は、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）およびジメチルカーボネート（ＤＭＣ）を０：１００～５０：５０の体積比で含むものである、請求項１に記載のリチウム二次電池。
【請求項６】
前記化学式１の環Ａは、置換もしくは非置換のイミダゾリル基、置換もしくは非置換のピロリル基、置換もしくは非置換のピラゾリル基、置換もしくは非置換のトリアゾリル基、置換もしくは非置換のピロリジニル基、置換もしくは非置換のピリジル基、置換もしくは非置換のピリミジニル基、置換もしくは非置換のピラジニル基、置換もしくは非置換のトリアジニル基、置換もしくは非置換のピペリジニル基、または置換もしくは非置換のピペラジニル基である、請求項１に記載のリチウム二次電池。
【請求項７】
前記化学式１の環Ａは、少なくとも一つの二重結合を含むものである、請求項１に記載のリチウム二次電池。
【請求項８】
前記化学式１は、下記化学式１Ａ～化学式１Ｏのうちのいずれか一つで表される、請求項１に記載のリチウム二次電池。
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198
170
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187
170
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182
170
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137
170
（前記化学式１Ａ～化学式１Ｏで、
Ｌ
１
は、置換もしくは非置換のＣ１～Ｃ３アルキレン基であり、
Ｒ
１
およびＲ
４
～Ｒ
８
は、それぞれ独立して、水素または置換もしくは非置換のＣ１～Ｃ１０アルキル基であり、
ｍ１は、１～４の整数のうちの一つであり、
ｍ２は、１～３の整数のうちの一つであり、
ｍ３は、１または２の整数であり、
ｍ４は、１～６の整数のうちの一つである。）
【請求項９】
前記化学式１で表される化合物は、下記グループ１に羅列された化合物の中から選択される一つである、請求項１に記載のリチウム二次電池。
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23
170
【請求項１０】
前記化学式１で表される化合物は、添加剤を除いた電解液全体（リチウム塩＋非水性有機溶媒）１００重量部に対して０．０５～５．０重量部で含まれるものである、請求項１に記載のリチウム二次電池。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本記載は、リチウム二次電池に関する。
続きを表示（約 1,700 文字）【背景技術】
【０００２】
リチウム二次電池は、再充電が可能であり、従来の鉛蓄電池、ニッケル－カドミウム電池、ニッケル水素電池、ニッケル亜鉛電池などと比較して単位重量当たりのエネルギー密度が３倍以上高く、高速充電が可能であるため、ノートパソコンや携帯電話、電動工具、電気自転車用として商品化されており、追加的なエネルギー密度の向上のための研究開発が活発に行われている。
【０００３】
特に、ＩＴ機器が漸次に高性能化されることに伴い、高容量の電池が要求されている状況であり、電圧領域の拡張を通じて高容量化を実現することによってエネルギー密度を高めることができるが、高電圧領域では電解液が酸化されて正極性能を劣化させるという問題点がある。
【０００４】
特に、正極活物質としてコバルトフリーリチウムニッケルマンガン系酸化物は、正極活物質の組成中にコバルトを含まず、ニッケル、マンガンなどが主成分として構成された正極活物質であり、これを含む正極は経済的であり、高いエネルギー密度を実現することができるため、次世代の正極活物質として脚光を浴びている。
【０００５】
しかし、コバルトフリーリチウムニッケルマンガン系酸化物を含む正極は、高電圧環境で使用時、正極構造の崩壊により遷移金属の溶出が起こり、これによるセル内部のガス発生および容量減少などの問題を招くことがある。このような遷移金属の溶出現象は、高温環境で激しくなる傾向にあり、溶出された遷移金属は負極表面に析出されて副反応を誘発することがあるため、電池の抵抗増加、電池の寿命および出力特性の低下の原因になる。
【０００６】
そのために、コバルトフリーリチウムニッケルマンガン系酸化物を含む正極の使用時、高電圧および高温条件でも適用可能な電解液が要求されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
一実施形態の目的は、コバルトフリーリチウムニッケルマンガン系酸化物を含む正極の使用と共に、コバルトフリーリチウムニッケルマンガン系酸化物を含む正極を効果的に保護することができる電解液を組み合わせて高電圧および高温条件で遷移金属の溶出を減少させることによって正極構造の崩壊を抑制し、これにより電池の高電圧特性および高温特性が改善されたリチウム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】
【０００８】
本発明の一実施形態は、非水性有機溶媒、リチウム塩および添加剤を含む電解液；正極活物質を含む正極；および負極活物質を含む負極を含み、
前記非水性有機溶媒は、非水有機溶媒の総重量に基づくエチレンカーボネートを５重量％未満含み、
前記正極活物質は、リチウムニッケルマンガン系酸化物を含み、
前記添加剤は、下記化学式１で表される化合物を含む、リチウム二次電池を提供する。
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170
前記化学式１で、
環Ａは、少なくとも一つの窒素元素を含む置換もしくは非置換のＣ３～Ｃ６ヘテロアリール基、または少なくとも一つの窒素元素を含む置換もしくは非置換のＣ３～Ｃ６ヘテロサイクリック基であり、
Ｌ
１
は、置換もしくは非置換のＣ１～Ｃ３アルキレン基であり、
Ｒ
１
は、水素または置換もしくは非置換のＣ１～Ｃ１０アルキル基である。
【０００９】
前記非水性有機溶媒は、鎖状カーボネートのみで構成されるものであり得る。
【００１０】
前記鎖状カーボネートは、下記化学式２で表され得る。
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30
170
前記化学式２で
Ｒ
２
およびＲ
３
は、それぞれ独立して、置換もしくは非置換のＣ１～Ｃ２０アルキル基である。
（【００１１】以降は省略されています）

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