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公開番号2025009841
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-01-20
出願番号2024074206
出願日2024-05-01
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.
代理人弁理士法人谷・阿部特許事務所
主分類H01M 10/052 20100101AFI20250109BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】高電圧および高温条件でもコバルトフリー(コバルト-free)リチウムニッケルマンガン系酸化物を含む正極の構造崩壊を抑制するリチウム二次電池を提供する。
【解決手段】実施形態によるリチウム二次電池は正極活物質を含む正極;負極活物質を含む負極;ならびにリチウム塩、非水性有機溶媒、および添加剤を含む電解液を含み、前記正極活物質はコバルト-freeリチウムニッケルマンガン系酸化物を含み、前記非水性有機溶媒はエチレンカーボネートを5重量%以下で含み、前記添加剤はトリアルキルシリル(Trialkylsilyl)基を含むリン系化合物を含む。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
正極活物質を含む正極；
負極活物質を含む負極；ならびに
リチウム塩、非水性有機溶媒、および添加剤を含む電解液を含み、
前記正極活物質はコバルトフリー（コバルト－ｆｒｅｅ）リチウムニッケルマンガン系酸化物を含み、
前記非水性有機溶媒はエチレンカーボネートを５重量％以下で含み、
前記添加剤はトリアルキルシリル（Ｔｒｉａｌｋｙｌｓｉｌｙｌ）基を含むリン系化合物を含む、
リチウム二次電池。
続きを表示（約 1,400 文字）【請求項２】
前記添加剤は、トリアルキルシリル基を含むホスフェイト系化合物、トリアルキルシリル基を含むホスファイト系化合物、またはこれらの組み合わせを含む、請求項１に記載のリチウム二次電池。
【請求項３】
前記添加剤は、下記化学式１で表される化合物、下記化学式２で表される化合物、またはこれらの組み合わせを含む、請求項１に記載のリチウム二次電池：
TIFF
2025009841000008.tif
39
150
TIFF
2025009841000009.tif
49
150
上記化学式１および２中、
Ｒ
1
～Ｒ
6
はそれぞれ独立して、同一であるか異なり、置換もしくは非置換の炭素数１～２０のアルキル基である。
【請求項４】
前記添加剤は、トリメチルシリルホスフェイト、トリメチルシリルホスファイト、またはこれらの組み合わせを含む、請求項１に記載のリチウム二次電池。
【請求項５】
前記添加剤は、前記電解液総量に対して、０．１～１０．０重量％で含まれる、請求項１に記載のリチウム二次電池。
【請求項６】
前記添加剤は、ビニレンカーボネート（ＶＣ）、フルオロエチレンカーボネート（ＦＥＣ）、ジフルオロエチレンカーボネート、クロロエチレンカーボネート、ジクロロエチレンカーボネート、ブロモエチレンカーボネート、ジブロモエチレンカーボネート、ニトロエチレンカーボネート、シアノエチレンカーボネート、ビニルエチレンカーボネート（ＶＥＣ）、アジポニトリル（ＡＮ）、コハク酸ニトリル（ＳＮ）、１，３，６－ヘキサントリシアニド（ＨＴＣＮ）、プロペンスルトン（ＰＳＴ）、プロパンスルトン（ＰＳ）、リチウムテトラフルオロボレート（ＬｉＢＦ
4
）、リチウムジフルオロホスフェイト（ＬｉＰＯ
2
Ｆ
2
）、および２－フルオロビフェニル（２－ＦＢＰ）のうちの少なくとも１種の添加剤をさらに含む、請求項１に記載のリチウム二次電池。
【請求項７】
前記非水性有機溶媒は、鎖状カーボネートのみから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８】
前記鎖状カーボネートは下記化学式３で表される、請求項７に記載のリチウム二次電池：
TIFF
2025009841000010.tif
18
150
上記化学式３中
Ｒ
7
およびＲ
8
はそれぞれ独立して、置換もしくは非置換の炭素数１～２０のアルキル基である。
【請求項９】
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８に記載のリチウム二次電池。
【請求項１０】
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１０：９０～５０：５０の体積比で含むものである、請求項９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】
リチウム二次電池に関する。
続きを表示（約 1,400 文字）【背景技術】
【０００２】
最近、携帯電話、ノートパソコン、電気自動車など電池を使用する電子機器の急速な普及に伴ってエネルギー密度が高くて高容量である二次電池の需要が急速に増大している。これにより、リチウム二次電池の性能向上のための研究開発が活発に行われている。
【０００３】
リチウム二次電池はリチウムイオンの挿入（ｉｎｔｅｒｃａｌａｔｉｏｎ）および脱離（ｄｅｉｎｔｅｒｃａｌａｔｉｏｎ）が可能な活物質を含む正極および負極と、電解液を含む電池であって、リチウムイオンが正極および負極で挿入／脱離される時の酸化および還元反応によって電気エネルギーを生産する。
【０００４】
特に、ＩＴ機器が次第に高性能化されるにつれて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。
【０００５】
特に、正極活物質として利用されるコバルトフリー（コバルト－ｆｒｅｅ）リチウムニッケルマンガン系酸化物は正極活物質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って、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て次世代正極活物質として脚光を浴びている。
【０００６】
しかし、コバルト－ｆｒｅｅ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、正極構造崩壊によって遷移金属溶出が起こり、これによるセル内部ガス発生および容量減少などの問題を引き起こすことがある。このような遷移金属溶出現象は高温環境で深化する傾向があり、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って、電池の抵抗増加、電池の寿命および出力特性低下の原因になる。
【０００７】
これにより、高電圧および高温条件でもコバルト－ｆｒｅｅリチウムニッケルマンガン系酸化物を含む正極の構造崩壊を抑制する技術が要求されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
一実施形態は、高電圧および高温条件でもコバルト－ｆｒｅｅリチウムニッケルマンガン系酸化物を含む正極の構造崩壊を抑制するリチウム二次電池を提供するためのものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
一実施形態は、正極活物質を含む正極；負極活物質を含む負極；ならびにリチウム塩、非水性有機溶媒、および添加剤を含む電解液を含み、前記正極活物質はコバルト－ｆｒｅｅリチウムニッケルマンガン系酸化物を含み、前記非水性有機溶媒はエチレンカーボネートを５重量％以下で含み、前記添加剤はトリアルキルシリル（Ｔｒｉａｌｋｙｌｓｉｌｙｌ）基を含むリン系化合物を含む、リチウム二次電池を提供する。
【発明の効果】
【００１０】
一実施形態によるリチウム二次電池は、コバルト－ｆｒｅｅリチウムニッケルマンガン系酸化物を含む正極を使用しながらも、高電圧および高温条件でも前記正極の構造崩壊が抑制されて、安定性および寿命特性が向上できる。
【図面の簡単な説明】
（【００１１】以降は省略されています）

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