CN108475585A - 非水系锂蓄电元件 - Google Patents

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Abstract

一种非水系锂蓄电元件,其使用了无孔状的正极集电体和无孔状的负极集电体,该非水系锂蓄电元件不降低包含锂化合物的正极中的电子传导性,具有高输出和高能量密度,高负荷充放电循环特性优异,能够对涂布于无孔状的正极集电体的双面的正极活性物质层的电位变化进行调节,抑制高温高电压下正极中残存的锂化合物的过量分解中所产生的气体,该非水系锂蓄电元件能够缓和高负荷充放电循环中电解液中的离子不均、抑制电阻上升,并且能够抑制高电压下正极中的锂化合物的分解、抑制气体产生,在将蓄电元件中的锂化合物的平均粒径设为X1时,满足0.1μm≤X1≤10.0μm,在将正极活性物质的平均粒径设为Y1时,满足2.0μm≤Y1≤20.0μm、X1<Y1

Description

非水系锂蓄电元件
技术领域
本发明涉及非水系锂蓄电元件。
背景技术
近年来,从为了保护地球环境和节约资源而有效利用能源的方面出发,风力发电的功率平稳化系统或深夜电力储藏系统、基于太阳光发电技术的家庭用分散型蓄电系统、电动汽车用的蓄电系统等受到关注。
这些蓄电系统中使用的电池的第一要求事项为高能量密度。作为可对应于这样的要求的高能量密度电池的有力补充,积极推进了锂离子电池的开发。
第二要求事项为高输出特性。例如,在高效率发动机与蓄电系统的组合(例如混合动力电动汽车)、或者燃料电池与蓄电系统的组合(例如燃料电池电动汽车)中,在加速时,要求蓄电系统具有高输出放电特性。
目前,作为高输出蓄电器件,正在开发双电层电容器、镍氢电池等。
在双电层电容器中,电极使用活性炭的双电层电容器具有0.5kW/L~1kW/L左右的输出特性。该双电层电容器的耐久性(循环特性和高温保存特性)也高,被认为是上述要求高输出的领域中的最佳器件。但是,其能量密度不过为1Wh/L~5Wh/L左右。因此,需要进一步提高能量密度。
另一方面,目前在混合动力电动汽车中采用的镍氢电池具有与双电层电容器同等的高输出,并且具有160Wh/L左右的能量密度。但是,为了进一步提高该能量密度和输出,同时提高耐久性(特别是高温下的稳定性),正在积极进行研究。
另外,在锂离子电池中,还进行了面向高输出化的研究。例如,开发出了放电深度(表示蓄电元件放出了放电容量的百分之多少的状态的值)为50%时可得到超过3kW/L的高输出的锂离子电池。但是,其能量密度为100Wh/L以下,是特意对作为锂离子电池的最大特征的高能量密度进行了抑制的设计。另外,其耐久性(循环特性和高温保存特性)劣于双电层电容器。因此,为了使其具有实用的耐久性,在比放电深度为0~100%的范围更狭窄的范围中进行使用。由于可实际使用的容量会变得更小,因而积极进行了用于进一步提高耐久性的研究。
如上所述,对于兼具高能量密度、高输出特性以及耐久性的蓄电元件的实用化有着强烈的要求。但是,上述现有的蓄电元件中既有长处又有短处。因此,要求有充分满足这些技术要求的新型蓄电元件。作为其有力的补充,被称为锂离子电容器的蓄电元件受到关注,进行了积极的开发。
锂离子电容器为使用包含锂盐的非水系电解液的蓄电元件(下文中也称为“非水系锂蓄电元件”)的一种,该蓄电元件通过在正极以约3V以上进行基于与双电层电容器同样的阴离子的吸附和脱附的非法拉第反应、在负极进行基于与锂离子电池同样的锂离子的吸收和释放的法拉第反应来进行充放电。
对上述蓄电元件中通常使用的电极材料及其特征进行归纳,电极使用活性炭等材料,通过活性炭表面的离子的吸附和脱离(非法拉第反应)进行充放电的情况下,可实现高输出及高耐久性,但能量密度降低(例如为1倍)。另一方面,电极使用氧化物或碳材料,通过法拉第反应进行充放电的情况下,能量密度升高(例如,为使用活性炭的非法拉第反应的10倍),但耐久性和输出特性存在问题。
作为这些电极材料的组合,双电层电容器的特征在于,正极和负极使用活性炭(能量密度为1倍),正负极均通过非法拉第反应进行充放电。因此具有下述特征:虽然具有高输出及高耐久性,但是能量密度低(正极1倍×负极1倍=1)。
锂离子二次电池的特征在于,正极使用锂过渡金属氧化物(能量密度为10倍),负极使用碳材料(能量密度为10倍),正负极均通过法拉第反应进行充放电,因此虽然具有高能量密度(正极10倍×负极10倍=100),但是输出特性和耐久性存在问题。此外,为了满足混合动力电动汽车等所要求的高耐久性,必须限制放电深度,锂离子二次电池仅能够使用其能量的10%~50%。
锂离子电容器的特征在于,正极使用活性炭(能量密度为1倍),负极使用碳材料(能量密度为10倍),正极通过非法拉第反应进行充放电,负极通过法拉第反应进行充放电,因此是兼具双电层电容器和锂离子二次电池的特征的新型的不对称电容器。并且,具有下述特征:虽然为高输出且高耐久性,但具有高能量密度(正极1倍×负极10倍=10),无需像锂离子二次电池那样限制放电深度。
专利文献1中提出了一种锂离子二次电池,其使用正极中含有碳酸锂的正极,具有根据电池内压的上升而工作的断流机构。专利文献2中提出了一种锂离子二次电池,其通过将锂锰酸等锂复合氧化物用于正极,并使正极含有碳酸锂,抑制了锰的溶出。专利文献3中提出了一种方法,其在正极将作为被氧化物的各种锂化合物氧化,使劣化的蓄电元件的容量恢复。
但是,这些方法存在以下问题:添加锂化合物导致活性物质颗粒间的电子传导抑制,引起的电阻上升以及能量密度降低,因而在高输出化和高能量密度化方面具有进一步改善的余地。另外,对涂布于无孔状的正极集电体的表面和背面的正极活性物质层的电位变化未进行考虑,在抑制正极活性物质层中含有的锂化合物的过量分解方面具有进一步改善的余地。
专利文献4中提出了一种蓄电元件,其中使用活性炭作为正极活性物质,并且,作为负极活性物质,使用通过化学方法或电化学方法预先使碳材料(该碳材料能够以离子化的状态吸收、解吸锂)吸收了锂的碳质材料。但是,作为锂离子电容器的用途,例如可以举出铁路、建筑机械、汽车用的蓄电元件等,在这些用途中要求进一步提高高负荷充放电循环特性。
伴随着非水系锂蓄电元件的充放电,负极活性物质层吸收、释放锂离子,反复膨胀、收缩,由此产生的应力使负极活性物质层从负极集电体剥离,高负荷充放电循环特性降低。作为抑制该负极活性物质层的剥离的方法,可以举出对粘合剂的种类或量进行调整的方法。
但是,粘合力高的粘合剂对于非水系电解液的溶胀性低,而且粘合剂量的增加会堵塞非水系电解液中锂离子的扩散路径,因此内部电阻增加,由此使高负荷充放电循环中的过电压变大,负极活性物质层中非水系电解液的还原分解导致的覆膜或堆积物的增加变得显著,难以得到良好的高负荷充放电循环特性。
专利文献5中提出了一种电极层的表面背面的厚度偏差小的锂离子电容器。但是,专利文献5的电极完全未考虑对含有锂化合物的正极中高负荷充放电循环下的电阻上升进行抑制、以及对高电压下的锂化合物的分解引起的气体产生进行抑制。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开平4-328278号公报
专利文献2:日本特开2001-167767号公报
专利文献3:日本特开2012-174437号公报
专利文献4:日本特开平8-107048号公报
专利文献5:国际公开第2012/63545号
非专利文献
非专利文献1:E.P.Barrett,L.G.Joyner and P.Halenda,J.Am.Chem.Soc.,73,373(1951)
非专利文献2:B.C.Lippens,J.H.de Boer,J.Catalysis,4319(1965)
非专利文献3:R.S.Mikhail,S.Brunauer,E.E.Bodor,J.Colloid Interface ci.,26,45(1968)
发明内容
发明所要解决的课题
本发明是鉴于上述现状而进行的。
因此,本发明所要解决的课题为一种非水系锂蓄电元件,其使用了无孔状的正极集电体和无孔状的负极集电体,该非水系锂蓄电元件不降低包含锂化合物的正极中的电子传导性,具有高输出和高能量密度,高负荷充放电循环特性优异,能够对涂布于无孔状的正极集电体的双面的正极活性物质层的电位变化进行调节,抑制高温高电压下正极中残存的锂化合物的过量分解中所产生的气体,该非水系锂蓄电元件能够缓和高负荷充放电循环中电解液中的离子不均、抑制电阻上升,并且能够抑制高电压的正极中的锂化合物的分解、抑制气体产生。
用于解决课题的方案
本发明人为了解决上述课题进行了深入研究,并进行了反复实验。结果发现,通过控制正极中包含的锂化合物的平均粒径X1和正极活性物质的平均粒径Y1来确保正极活性物质间的电子传导性,能够实现高输出和高能量密度化。
本发明是基于该技术思想而完成的。
即,本发明如下所述。
[1]一种非水系锂蓄电元件,该非水系锂蓄电元件包括正极、负极、隔板和非水系电解液,上述正极包含活性物质以外的锂化合物,上述非水系电解液包含锂离子,
其中,
在将上述锂化合物的平均粒径设为X1时,满足0.1μm≤X1≤10.0μm,在将正极活性物质的平均粒径设为Y1时,满足2.0μm≤Y1≤20.0μm、X1<Y1,上述正极中包含的上述锂化合物的量为1质量%以上50质量%以下。
[2]如[1]所述的非水系锂蓄电元件,其中,上述正极表面通过SEM-EDX得到的元素分布像中,以光亮度值的平均值为基准进行二值化所得到的氟分布像相对于氧分布像的面积重复率A1为40%以上99%以下。
[3]如[1]或[2]所述的非水系锂蓄电元件,其中,经BIB加工的正极截面通过SEM-EDX得到的元素分布像中,以光亮度值的平均值为基准进行二值化所得到的氟分布像相对于氧分布像的面积重复率A2为10%以上60%以下。
[4]如[1]~[3]中任一项所述的非水系锂蓄电元件,其中,上述X1为0.5μm以上5.0μm以下。
[5]如[1]~[4]中任一项所述的非水系锂蓄电元件,其中,上述正极中包含的锂化合物的量为2质量%以上20质量%以下。
[6]如[1]~[5]中任一项所述的非水系锂蓄电元件,其中,
上述负极具有无孔状的负极集电体和设置于上述负极集电体的单面或双面上的包含负极活性物质的负极活性物质层,
上述负极活性物质包含能够吸收和释放锂离子的碳材料,
上述正极的至少一者具有无孔状的正极集电体和设置于上述正极集电体的双面上的包含正极活性物质的正极活性物质层,
将上述正极的一个面(Cy面)的正极活性物质层的基重设为Cy1(g/m2),将另一个面(Cx面)的正极活性物质层的基重设为Cx1(g/m2)时,Cy1/Cx1为0.70以上0.98以下,
将Cy面的每单位面积的锂化合物量设为Cy2(g/m2),将Cx面的每单位面积的锂化合物量设为Cx2(g/m2)时,Cy2和Cx2为0.10以上20.0以下,Cy2/Cx2为0.10以上1.0以下。
[7]如[1]~[6]中任一项所述的非水系锂蓄电元件,其中,
上述正极具有正极集电体和设置于上述正极集电体的单面或双面上的包含上述正极活性物质的正极活性物质层,
上述负极具有不存在贯通孔的负极集电体和设置于上述负极集电体的双面上的包含负极活性物质的第一负极活性物质层和第二负极活性物质层,
上述第一负极活性物质层和第二负极活性物质层分别吸收锂离子,
针对设置于上述负极集电体的第一面上的上述第一负极活性物质层的固体7Li-NMR光谱,将由-20ppm~60ppm的峰面积计算出的吸收了上述锂离子的上述第一负极活性物质层的每单位质量的锂量设为q1,并且,针对设置于上述第一面的背面即上述负极集电体的第二面上的上述第二负极活性物质层的固体7Li-NMR光谱,将由-20ppm~60ppm的峰面积计算出的吸收了上述锂离子的上述第二负极活性物质层的每单位质量的锂量设为q2时,q1与q2的变异系数CV为0.001以上0.500以下。
[8]如[7]所述的非水系锂蓄电元件,其中,针对上述正极活性物质层的固体7Li-NMR光谱,将通过反复等待时间为10秒的测定所得到的-40ppm~40ppm的光谱范围中的峰面积设为a,将通过反复等待时间为3,000秒的测定所得到的-40ppm~40ppm的光谱范围中的峰面积设为b时,满足1.04≤b/a≤5.56。
[9]如[7]或[8]所述的非水系锂蓄电元件,其中,上述第一负极活性物质层或第二负极活性物质层的每单位体积的BET比表面积为20m2/cc以上1,500m2/cc以下。
[10]如[7]或[8]所述的非水系锂蓄电元件,其中,上述第一负极活性物质层或第二负极活性物质层的每单位体积的BET比表面积为1m2/cc以上50m2/cc以下。
[11]如[1]~[10]中任一项所述的非水系锂蓄电元件,其中,上述正极活性物质为下述活性炭:将通过BJH法计算出的来源于直径为以上以下的细孔的中孔量设为V1(cc/g),将通过MP法计算出的来源于直径小于的细孔的微孔量设为V2(cc/g)时,满足0.3<V1≤0.8和0.5≤V2≤1.0,并且,通过BET法测定的比表面积显示为1,500m2/g以上3,000m2/g以下。
[12]如[1]~[10]中任一项所述的非水系锂蓄电元件,其中,上述正极活性物质为下述活性炭:将通过BJH法计算出的来源于直径为以上以下的细孔的中孔量设为V1(cc/g),将通过MP法计算出的来源于直径小于的细孔的微孔量设为V2(cc/g)时,满足0.8<V1≤2.5和0.8<V2≤3.0,并且,通过BET法测定的比表面积显示为2,300m2/g以上4,000m2/g以下。
[13]一种非水系锂蓄电元件,该非水系锂蓄电元件具有正极、负极、隔板和非水系电解液,上述正极包含正极活性物质以外的锂化合物,上述非水系电解液包含锂离子,
其中,
上述正极具有正极集电体和设置于上述正极集电体的单面或双面上的包含正极活性物质的正极活性物质层,
上述负极具有不存在贯通孔的负极集电体和设置于上述负极集电体的双面上的包含负极活性物质的第一负极活性物质层和第二负极活性物质层,
上述第一负极活性物质层和第二负极活性物质层分别吸收锂离子,
针对设置于上述负极集电体的第一面上的上述第一负极活性物质层的固体7Li-NMR光谱,将由-20ppm~60ppm的峰面积计算出的吸收了上述锂离子的上述第一负极活性物质层的每单位质量的锂量设为q1,针对设置于上述第一面的背面即上述负极集电体的第二面上的上述第二负极活性物质层的固体7Li-NMR光谱,将由-20ppm~60ppm的峰面积计算出的吸收了上述锂离子的第二负极活性物质层的每单位质量的锂量设为q2时,q1与q2的变异系数CV为0.001以上0.50以下,并且,对于上述非水系锂蓄电元件,以环境温度25℃、电池电压2.2V~3.8V、300C的倍率进行60,000次充放电循环时,将上述60,000次的充放电循环后的内部电阻设为Rb(Ω),并且将开始上述充放电循环前的内部电阻设为Ra(Ω)时,Rb/Ra为0.9以上2.0以下。
[14]如[1]~[12]中任一项所述的非水系锂蓄电元件,其中,
在上述正极的无孔状的正极集电体的双面涂布有上述活性物质,
在上述负极的无孔状的负极集电体的双面涂布有能够吸收和释放锂离子的负极活性物质,
将上述正极的一个面(Cx面)的正极活性物质层的基重设为Cx1(g/m2),将另一个面(Cy面)的正极活性物质层的基重设为Cy1(g/m2)时,Cx1/Cy1为1.02以上1.35以下,
将与上述Cy面相对的上述负极的一个面(Ay面)的负极活性物质层的基重设为Ay1(g/m2),将另一个面(Ax面)的负极活性物质层的基重设为Ax1(g/m2)时,Ax1/Ay1为0.74以上0.98以下,并且,
将上述Cx面的上述锂化合物的基重设为Cx2(g/m2),将上述Cy面的上述锂化合物的基重设为Cy2(g/m2)时,Cx2和Cy2分别为0.10以上20.0以下,且Cy2/Cx2为0.10以上0.95以下。
[15]如[14]所述的非水系锂蓄电元件,其中,(Cx1+Cx2)Ax1/(Cy1+Cy2)Ay1为0.80以上1.32以下。
[16]如[14]或[15]所述的非水系锂蓄电元件,其中,上述Cx面与上述Ax面相对。
[17]如[14]~[16]中任一项所述的非水系锂蓄电元件,其中,
上述Cy面包含下述式(1)~(3)所示的一种以上的化合物,并且,
将上述Cy面的每单位质量的上述式(1)~(3)所示的化合物的含量设为Cy3(mol/g)时,Cy3为1.60×10-4以上300×10-4以下。
【化1】
LiX1-OR1O-X2Li (1)
{式中,R1是碳原子数为1~4的亚烷基、或碳原子数为1~4的卤代亚烷基,并且X1和X2各自独立地为-(COO)n(其中,n为0或1)。}
【化2】
LiX1-OR1O-X2R2 (2)
{式中,R1是碳原子数为1~4的亚烷基、或碳原子数为1~4的卤代亚烷基,R2是氢、碳原子数为1~10的烷基、碳原子数为1~10的单羟基烷基或多羟基烷基、碳原子数为2~10的链烯基、碳原子数为2~10的单羟基链烯基或多羟基链烯基、碳原子数为3~6的环烷基、或芳基,并且X1和X2各自独立地为-(COO)n(其中,n为0或1)。}
【化3】
R2X1-OR1O-X2R3 (3)
{式中,R1是碳原子数为1~4的亚烷基、或碳原子数为1~4的卤代亚烷基,R2和R3各自独立地为氢、碳原子数为1~10的烷基、碳原子数为1~10的单羟基烷基或多羟基烷基、碳原子数为2~10的链烯基、碳原子数为2~10的单羟基链烯基或多羟基链烯基、碳原子数为3~6的环烷基、或芳基,并且X1和X2各自独立地为-(COO)n(其中,n为0或1)。}
[18]如[17]所述的非水系锂蓄电元件,其中,将在上述Ay面所含有的上述式(1)~(3)所示的化合物的含量设为Ay3(mol/g)时,Cy3/Ay3为0.2以上20以下。
[19]如[1]~[12]、[14]~[18]中任一项所述的非水系锂蓄电元件,其中,上述锂化合物为碳酸锂、氧化锂、或氢氧化锂。
[20]如[14]~[19]中任一项所述的非水系锂蓄电元件,其中,
上述锂化合物为碳酸锂,并且,上述Cx面和Cy面通过显微拉曼分光测定得到的成像图像中,将碳酸根离子分布像的面积比例设为Sx%和Sy%时,Sx和Sy分别为1以上40以下,且Sx/Sy为1.00以上2.00以下。
[21]如[14]~[20]中任一项所述的非水系锂蓄电元件,其中,
具有上述Cx面或Cy面的正极活性物质层中包含的正极活性物质为下述活性炭:将通过BJH法计算出的来源于直径为以上以下的细孔的中孔量设为V1(cc/g),将通过MP法计算出的来源于直径小于的细孔的微孔量设为V2(cc/g)时,满足0.3<V1≤0.8和0.5≤V2≤1.0,并且,通过BET法测定的比表面积显示为1,500m2/g以上3,000m2/g以下。
[22]如[14]~[20]中任一项所述的非水系锂蓄电元件,其中,
具有上述Cx面或Cy面的正极活性物质层中包含的正极活性物质为下述活性炭:通过BJH法计算出的来源于直径为以上以下的细孔的中孔量V1(cc/g)满足0.8<V1≤2.5,通过MP法计算出的来源于直径小于的细孔的微孔量V2(cc/g)满足0.8<V2≤3.0,并且,通过BET法测定的比表面积显示为2,300m2/g以上4,000m2/g以下。
[23]如[1]~[12]、[14]~[22]中任一项所述的非水系锂蓄电元件,其中,相对于上述负极活性物质的每单位质量,上述锂离子对于上述负极活性物质的掺杂量为530mAh/g以上2,500mAh/g以下。
[24]如[23]所述的非水系锂蓄电元件,其中,上述负极活性物质的BET比表面积为100m2/g以上1,500m2/g以下。
[25]如[1]~[12]、[14]~[22]中任一项所述的非水系锂蓄电元件,其中,相对于该负极活性物质的每单位质量,上述锂离子对于上述负极活性物质的掺杂量为50mAh/g以上700mAh/g以下。
[26]如[25]所述的非水系锂蓄电元件,其中,上述负极活性物质的BET比表面积为1m2/g以上50m2/g以下。
[27]如[1]~[22]、[25]、[26]中任一项所述的非水系锂蓄电元件,其中,上述负极活性物质的平均粒径为1μm以上10μm以下。
[28]一种蓄电模块,其包含[1]~[27]中任一项所述的非水系锂蓄电元件。
[29]一种电力再生系统,其包含[1]~[27]中任一项所述的非水系锂蓄电元件或[28]所述的蓄电模块。
[30]一种电力负载平衡系统,其包含[1]~[27]中任一项所述的非水系锂蓄电元件或[28]所述的蓄电模块。
[31]一种不间断电源系统,其包含[1]~[27]中任一项所述的非水系锂蓄电元件或[28]所述的蓄电模块。
[32]一种非接触供电系统,其包含[1]~[27]中任一项所述的非水系锂蓄电元件或[28]所述的蓄电模块。
[33]一种能量采集系统,其包含[1]~[27]中任一项所述的非水系锂蓄电元件或[28]所述的蓄电模块。
[34]一种蓄电系统,其包含[1]~[27]中任一项所述的非水系锂蓄电元件或[28]所述的蓄电模块。
发明的效果
根据本发明,可提供一种非水系锂蓄电元件,其使用了无孔状的正极集电体和无孔状的负极集电体,该非水系锂蓄电元件的高负荷充放电循环特性优异,具有高输出和高能量密度,能够对涂布于无孔状的正极集电体的双面的正极活性物质层的电位变化进行调节,抑制高温高电压下正极中残存的锂化合物的过量分解中所产生的气体,该非水系锂蓄电元件能够缓和高负荷充放电循环中电解液中的离子不均、抑制电阻上升,并且能够抑制高电压下正极中的锂化合物的分解、抑制气体产生。
附图说明
图1是本发明的第三方式的负极的示意性侧视图。
图2是用于求出本发明的第三方式的负极活性物质层的体积(Vano=Sano×tano)的测定样品的平面的几何学面积Sano和总膜厚tano的说明图。
图3是示出本发明的第四方式的电极层积体中的正极活性物质层Cx面和Cy面与负极活性物质层Ax面和Ay面的相对状态的图。
具体实施方式
下面,对本发明的实施方式(下文中称为“本实施方式”)进行详细说明,但本发明并不限定于本实施方式。本实施方式的各数值范围中的上限值和下限值可以任意组合而构成任意的数值范围。
非水系锂蓄电元件通常以正极、负极、隔板、电解液以及外装体为主要构成要素。作为电解液,使用溶解有锂盐的有机溶剂(下文中称为非水系电解液)。
本发明的非水系锂蓄电元件包括以下的第一~第四方式,各方式可以任意地组合。
[第一方式]
本发明的非水系锂蓄电元件中的第一方式为一种非水系锂蓄电元件,其中,
正极包含活性物质以外的锂化合物,在将该锂化合物的平均粒径设为X1时,满足0.1μm≤X1≤10.0μm,在将正极活性物质的平均粒径设为Y1时,满足2.0μm≤Y1≤20.0μm、X1<Y1,该正极中包含的上述锂化合物的量为1质量%以上50质量%以下。
[第二方式]
另外,本发明的第二方式为一种非水系锂蓄电元件,其中,
负极具有无孔状的负极集电体和设置于该负极集电体的单面或双面上的包含负极活性物质的负极活性物质层,
该负极活性物质包含能够吸收和释放锂离子的碳材料,
正极的至少一者具有无孔状的正极集电体和设置于该正极集电体的双面上的包含正极活性物质的正极活性物质层,
将该正极的一个面(Cy面)的正极活性物质层的基重设为Cy1(g/m2),将另一个面(Cx面)的正极活性物质层的基重设为Cx1(g/m2)时,Cy1/Cx1为0.70以上0.98以下,
将Cy面的每单位面积的锂化合物量设为Cy2(g/m2),将Cx面的每单位面积的锂化合物量设为Cx2(g/m2)时,Cy2和Cx2为0.10以上20.0以下,Cy2/Cx2为0.10以上1.0以下。
[第三方式]
一种非水系锂蓄电元件,其中,
正极具有正极集电体和设置于该正极集电体的单面或双面上的包含该正极活性物质的正极活性物质层,
负极具有不存在贯通孔的负极集电体和设置于该负极集电体的双面上的包含负极活性物质的第一负极活性物质层和第二负极活性物质层,
该第一负极活性物质层和第二负极活性物质层分别吸收锂离子,
针对设置于该负极集电体的第一面上的该第一负极活性物质层的固体7Li-NMR光谱,将由-20ppm~60ppm的峰面积计算出的吸收了上述锂离子的该第一负极活性物质层的每单位质量的锂量设为q1,并且,针对设置于该第一面的背面即该负极集电体的第二面上的该第二负极活性物质层的固体7Li-NMR光谱,将由-20ppm~60ppm的峰面积计算出的吸收了该锂离子的该第二负极活性物质层的每单位质量的锂量设为q2时,q1与q2的变异系数CV为0.001以上0.500以下。
[第四方式]
另外,本发明的第四方式为一种非水系锂蓄电元件,其中,
在正极中的无孔状的正极集电体的双面涂布有上述活性物质,
在负极中的无孔状的负极集电体的双面涂布有能够吸收和释放锂离子的负极活性物质,
将正极的一个面(Cx面)的正极活性物质层的基重设为Cx1(g/m2),将另一个面(Cy面)的正极活性物质层的基重设为Cy1(g/m2)时,Cx1/Cy1为1.02以上1.35以下,
将与该Cy面相对的该负极的一个面(Ay面)的负极活性物质层的基重设为Ay1(g/m2),将另一个面(Ax面)的负极活性物质层的基重设为Ax1(g/m2)时,Ax1/Ay1为0.74以上0.98以下,并且,
将上述Cx面的该锂化合物的基重设为Cx2(g/m2),将该Cy面的该锂化合物的基重设为Cy2(g/m2)时,Cx2和Cy2分别为0.10以上20.0以下,且Cy2/Cx2为0.10以上0.95以下。
下面,对与各方式有关的实施方式进行详细说明。
图3示出本发明的第四实施方式的非水系锂蓄电元件中的正极活性物质层的面与负极活性物质层的面的相对状态。在本发明的实施方式的非水系锂蓄电元件的外装体(15)中收纳有将正极和负极隔着隔板(13)层积而成的电极层积体(14)。
在电极层积体(14)中,至少一个正极包含无孔状的正极集电体(9),并且在无孔状的正极集电体(9)的双面涂布有活性物质,由此分别配置具有正极活性物质层Cx面(7)的正极活性物质层、和具有正极活性物质层Cy面(8)的正极活性物质层。
在电极层积体(14)中,至少一个负极包含无孔状的负极集电体(12),并且在无孔状的负极集电体(12)的双面涂布有能够吸收和释放锂离子的负极活性物质,由此分别配置具有负极活性物质层Ax面(10)的负极活性物质层、和具有负极活性物质层Ay面(11)的负极活性物质层。
如图3所示,正极活性物质层Cx面(7)与负极活性物质层Ax面(10)隔着隔板(13)相对,且/或正极活性物质层Cy面(8)与负极活性物质层Ay面(11)隔着隔板(13)相对。
虽然图3中未示出,但可以是单面正极(仅在正极集电体的单面形成有正极活性物质层)或双面正极(在正极集电体的双面形成有正极活性物质层)配置于电极层积体的最外侧,也可以是单面负极(仅在负极集电体的单面形成有负极活性物质层)或双面负极(在负极集电体的双面形成有负极活性物质层)配置于电极层积体的最外侧。
<正极>
本发明的正极具有正极集电体和存在于其单面或双面的正极活性物质层。另外,本发明的第二方式和第四方式中的正极的至少一者具有无孔状的正极集电体和设置于其双面上的包含正极活性物质的正极活性物质层。
本申请说明书中,“无孔状的正极集电体”是指下述正极集电体:在至少涂布有正极活性物质层的区域中,不具有锂离子通过正极集电体、锂离子在正极的表面和背面均匀化的程度的孔。因此,在起到本申请发明的效果的范围内,并不排除具有极小径或微量的孔的正极集电体、在未涂布正极活性物质层的区域具有孔的正极集电体。
对于本发明的上述正极,作为组装蓄电元件前的正极前体优选包含锂化合物。如后所述,本发明中,在蓄电元件组装工序内优选在负极中预掺杂锂离子,作为其预掺杂方法,优选使用包含上述锂化合物的正极前体、负极、隔板、外装体以及非水系电解液来组装蓄电元件,之后在正极前体与负极之间施加电压。上述锂化合物优选含有于正极活性物质层内,该正极活性物质层形成在上述正极前体的正极集电体上。
其中,本发明中,将锂掺杂工序前的正极状态定义为正极前体,将锂掺杂工序后的正极状态定义为正极。
[正极活性物质层]
上述正极活性物质层优选含有包含碳材料的正极活性物质,除此以外,可以根据需要包含导电性填料、粘合剂、分散稳定剂等任意成分。
另外,在正极前体的正极活性物质层中优选含有锂化合物。
[正极活性物质]
作为上述正极活性物质,优选包含碳材料。作为该碳材料,更优选使用碳纳米管、导电性高分子、或多孔性的碳材料,进一步优选为活性炭。正极活性物质可以混合一种以上的材料来使用,也可以包含碳材料以外的材料(例如锂与过渡金属的复合氧化物等)。
相对于上述正极活性物质的总量,上述碳材料的含量优选为50质量%以上、更优选为70质量%以上。上述碳材料的含量虽也可以为100质量%,但是,从良好地获得通过与其他材料合用所产生的效果的方面出发,例如优选为90质量%以下,也可以为80质量%以下。
在使用活性炭作为正极活性物质的情况下,对活性炭的种类及其原料没有特别限制。但是,为了兼顾高输入输出特性和高能量密度,优选最佳地控制活性炭的细孔。具体而言,将通过BJH法计算出的来源于直径为以上以下的细孔的中孔量设为V1(cc/g)、将通过MP法计算出的来源于直径小于的细孔的微孔量设为V2(cc/g)时,
(1)为了得到高输入输出特性,优选满足0.3<V1≤0.8和0.5≤V2≤1.0、且通过BET法测定的比表面积为1,500m2/g以上3,000m2/g以下的活性炭(下文中也称为活性炭1),另外,
(2)为了得到高能量密度,优选满足0.8<V1≤2.5和0.8<V2≤3.0、且通过BET法测定的比表面积为2,300m2/g以上4,000m2/g以下的活性炭(下文中也称为活性炭2)。
下面,对于上述(1)活性炭1和上述(2)活性炭2,分别依次进行说明。
(活性炭1)
从增大将正极材料组装到蓄电元件中后的输入输出特性的方面出发,活性炭1的中孔量V1优选为大于0.3cc/g的值。另一方面,从抑制正极的堆积密度降低的方面出发,V1优选为0.8cc/g以下。上述V1更优选为0.35cc/g以上0.7cc/g以下、进一步优选为0.4cc/g以上0.6cc/g以下。
为了增大活性炭的比表面积、增加容量,活性炭1的微孔量V2优选为0.5cc/g以上。另一方面,从抑制活性炭的体积、增加作为电极的密度、增加每单位体积的容量的方面出发,V2优选为1.0cc/g以下。上述V2更优选为0.6cc/g以上1.0cc/g以下、进一步优选为0.8cc/g以上1.0cc/g以下。
中孔量V1相对于微孔量V2之比(V1/V2)优选为0.3≤V1/V2≤0.9的范围。即,从将中孔量相对于微孔量的比例增大到可在维持高容量的同时抑制输出特性降低的程度这一方面出发,V1/V2优选为0.3以上。另一方面,从将微孔量相对于中孔量的比例增大到可在维持高输出特性的同时抑制容量降低的程度这一方面出发,V1/V2优选为0.9以下。更优选的V1/V2的范围为0.4≤V1/V2≤0.7,进一步优选的V1/V2的范围为0.55≤V1/V2≤0.7。
从使所得到的蓄电元件的输出变得最大的方面出发,活性炭1的平均细孔径优选为以上、更优选为以上、最优选为以上。另外,从使容量变得最大的方面出发,活性炭1的平均细孔径优选为以下。
活性炭1的BET比表面积优选为1,500m2/g以上3,000m2/g以下、更优选为1,500m2/g以上2,500m2/g以下。BET比表面积为1,500m2/g以上的情况下,容易得到良好的能量密度;另一方面,BET比表面积为3,000m2/g以下的情况下,无需为了确保电极强度而大量加入粘结剂,因而电极单位体积的性能增高。
具有上述这样的特征的活性炭1例如可使用以下说明的原料和处理方法来得到。
本实施方式中,对于作为活性炭1的原料使用的碳源没有特别限定。例如可以举出木材、木粉、椰壳、制造纸浆时的副产物、甘蔗渣、废糖蜜等植物系原料;泥炭、亚炭、褐炭、烟煤、无烟炭、石油蒸馏残渣成分、石油沥青、焦炭、煤焦油等化石系原料;酚树脂、氯化乙烯树脂、乙酸乙烯酯树脂、三聚氰胺树脂、脲树脂、间苯二酚树脂、赛璐珞、环氧树脂、聚氨酯树脂、聚酯树脂、聚酰胺树脂等各种合成树脂;聚丁烯、聚丁二烯、聚氯丁二烯等合成橡胶;其他合成木材、合成纸浆等以及它们的碳化物。这些原料中,从对应量产和成本的方面出发,优选椰壳、木粉等植物系原料以及它们的碳化物,特别优选椰壳碳化物。
作为用于将这些原料制成上述活性炭1的碳化和活化的方式,可以采用例如固定床方式、移动床方式、流化床方式、浆料方式、回转炉方式等已知的方式。
作为这些原料的碳化方法,可以举出使用氮、二氧化碳、氦、氩、氙、氖、一氧化碳、燃烧尾气等惰性气体,或者使用以这些惰性气体为主成分与其他气体混合的气体,在400℃~700℃(优选450℃~600℃)左右烧制30分钟~10小时左右的方法。
作为通过上述碳化方法得到的碳化物的活化方法,优选采用使用水蒸气、二氧化碳、氧等活化气体进行烧制的气体活化法。其中,优选使用水蒸气或二氧化碳作为活化气体的方法。
在该活化方法中,优选将活化气体以0.5kg/h~3.0kg/h(优选0.7kg/h~2.0kg/h)的比例供给的同时,利用3小时~12小时(优选5小时~11小时、进一步优选6小时~10小时)的时间将上述碳化物升温至800℃~1,000℃进行活化。
进而,在上述碳化物的活化处理之前,可以预先对上述碳化物进行1次活化。在该1次活化中,通常可以优选采用以下的方法:使用水蒸气、二氧化碳、氧等活化气体,在低于900℃的温度对碳材料进行烧制,进行气体活化。
可以通过将上述碳化方法中的烧制温度和烧制时间与上述活化方法中的活化气体供给量、升温速度和最高活化温度适当组合,制造出可在本实施方式中使用的具有上述特征的活性炭1。
活性炭1的平均粒径优选为2μm~20μm。
上述平均粒径为2μm以上时,由于活性物质层的密度高,因而电极单位体积的容量有增高的倾向。此处,若平均粒径小,有时会引起耐久性低的缺点,但若平均粒径为2μm以上则难以产生这种缺点。另一方面,平均粒径为20μm以下时,具有容易适合于高速充放电的倾向。上述平均粒径更优选为2μm~15μm、进一步优选为3μm~10μm。
(活性炭2)
从增大将正极材料组装至蓄电元件中后的输出特性的方面出发,活性炭2的中孔量V1优选为大于0.8cc/g的值,另一方面,从抑制蓄电元件的容量降低的方面出发,V1优选为2.5cc/g以下。上述V1更优选为1.00cc/g以上2.0cc/g以下、进一步优选为1.2cc/g以上1.8cc/g以下。
另一方面,为了增大活性炭的比表面积、增加容量,活性炭2的微孔量V2优选为大于0.8cc/g的值,另一方面,从增加活性炭作为电极的密度、增加每单位体积的容量的方面出发,V2优选为3.0cc/g以下。上述V2更优选大于1.0cc/g且为2.5cc/g以下、进一步优选为1.5cc/g以上2.5cc/g以下。
与现有的作为双电层电容器或锂离子电容器用途中使用的活性炭相比,具有上述中孔量和微孔量的活性炭2的BET比表面积更高。作为活性炭2的BET比表面积的具体值,优选为2,300m2/g以上4,000m2/g以下、更优选为3,200m2/g以上3,800m2/g以下。BET比表面积为2,300m2/g以上的情况下,容易得到良好的能量密度;另一方面,BET比表面积为4,000m2/g以下的情况下,无需为了确保电极强度而大量加入粘结剂,因而电极单位体积的性能增高。
具有上述这样的特征的活性炭2例如可以使用以下说明的原料和处理方法得到。
作为用作活性炭2的原料的碳源,只要为通常作为活性炭原料使用的碳源就没有特别限定,例如可以举出木材、木粉、椰壳等植物系原料;石油沥青、焦炭等化石系原料;酚树脂、呋喃树脂、氯化乙烯树脂、乙酸乙烯酯树脂、三聚氰胺树脂、脲树脂、间苯二酚树脂等各种合成树脂等。这些原料中,酚树脂和呋喃树脂适于制作高比表面积的活性炭,为特别优选的。
作为将这些原料碳化的方式、或者活化处理时的加热方法,例如可以举出固定床方式、移动床方式、流化床方式、浆料方式、回转炉方式等公知的方式。加热时的气氛使用氮、二氧化碳、氦、氩等惰性气体或者以这些惰性气体为主成分并与其他气体混合而成的气体。通常为在400℃~700℃左右的碳化温度烧制0.5小时~10小时左右的方法。
作为碳化物的活化方法,有使用水蒸气、二氧化碳、氧等活化气体进行烧制的气体活化法以及在与碱金属化合物混合后进行加热处理的碱金属活化法,为了制作高比表面积的活性炭,优选碱金属活化法。
在该活化方法中,将碳化物与KOH、NaOH等碱金属化合物按照质量比为1:1以上(碱金属化合物的量与碳化物的量相同、或者比碳化物的量更多)的方式进行混合后,在惰性气体气氛下在600℃~900℃的范围内进行0.5小时~5小时加热,之后利用酸和水清洗去除碱金属化合物,进一步进行干燥。
为了增大微孔量、不增大中孔量,可以在进行活化时增多碳化物的量来与KOH进行混合。为了增大微孔量和中孔量双方,可以多使用KOH。另外,为了主要增大中孔量,优选在进行碱活化处理后进行水蒸气活化。
活性炭2的平均粒径优选为2μm以上20μm以下。活性炭2的平均粒径更优选为3μm以上10μm以下。
(活性炭的使用方式)
活性炭1和活性炭2分别可以为一种活性炭,也可以为两种以上活性炭的混合物且其作为混合物整体显示出上述各特性值。
上述活性炭1和活性炭2可以选择它们之中的任意一者来使用,也可以将两者混合使用。
正极活性物质也可以包含活性炭1和活性炭2以外的材料(例如,不具有上述特定的V1和/或V2的活性炭、或者活性炭以外的材料(例如,锂与过渡金属的复合氧化物等))。在示例的方式中,活性炭1的含量、或者活性炭2的含量、或者活性炭1和活性炭2的总含量分别优选多于全部正极活性物质的50质量%,更优选为70质量%以上、进一步优选为90质量%以上、最优选为100质量%。
以正极前体中的正极活性物质层的总质量为基准,正极活性物质层中的正极活性物质的含有比例优选为35质量%以上95质量%以下。作为正极活性物质的含有比例的下限,更优选为45质量%以上、进一步优选为55质量%以上。另一方面,作为正极活性物质的含有比例的上限,更优选为90质量%以下、进一步优选为85质量%以下。通过为该范围的含有比例,可发挥出适宜的充放电特性。
(锂化合物)
本说明书中,锂化合物是指含有锂的物质,不包括在蓄电元件的充放电时在电极中参与法拉第反应或非法拉第反应的活性物质。
作为本实施方式中的锂化合物,适宜使用选自碳酸锂、氧化锂、氢氧化锂、氟化锂、氯化锂、溴化锂、碘化锂、氮化锂、草酸锂以及乙酸锂中的一种以上。其中,碳酸锂、氧化锂以及氢氧化锂是更适宜的,从能够在空气中进行处理且吸湿性低的方面出发,进一步适宜使用碳酸锂。这样的锂化合物通过施加电压而分解,作为向负极掺杂锂的掺杂剂源发挥功能,同时在正极活性物质层形成空孔,因而能够形成电解液的保持性优异、离子传导性优异的正极。除了上述锂化合物以外,也可以使用一种以上的选自碳酸钠、碳酸钾、碳酸铷和碳酸铯中的碱金属碳酸盐。作为非水系电解液,在使用预先溶解有后述LiPF6等锂盐的电解液的情况下,也可以单独使用上述碱金属碳酸盐。正极前体中包含的锂化合物可以为一种,也可以包含两种以上的锂化合物,还可以将锂化合物与其他碱金属碳酸盐混合使用。
另外,作为本实施方式的正极前体,包含至少一种锂化合物即可,除了锂化合物以外,也可以设下述式中的M为选自Na、K、Rb以及Cs中的一种以上,包含一种以上的
M2O等氧化物、
MOH等氢氧化物、
MF或MCl等卤化物、
M2(CO2)2等草酸盐、
RCOOM(式中,R为H、烷基、或芳基)等羧酸盐。
另外,正极前体可以包含一种以上的选自BeCO3、MgCO3、CaCO3、SrCO3、或BaCO3中的碱土金属碳酸盐、以及碱土金属氧化物、碱土金属氢氧化物、碱土金属卤化物、碱土金属草酸盐以及碱土金属羧酸盐。
锂化合物的微粒化可以使用各种方法。例如可以使用球磨机、珠磨机、环磨机、喷射式粉碎机、棒磨机等粉碎机。
正极中包含的锂化合物的量优选为1质量%以上50质量%以下。进一步优选为2质量%以上30质量%以下。锂化合物的量为1质量%以上时,存在足以吸附高负荷充放电循环中生成的氟离子的量的碳酸锂,因而高负荷充放电循环特性提高。锂化合物的量为50质量%以下时,能够提高非水系锂蓄电元件的能量密度。
以正极前体中的正极活性物质层的总质量为基准,正极活性物质层中的锂化合物的含有比例优选为10质量%以上60质量%以下、更优选为20质量%以上50质量%以下。通过为该范围的含有比例,作为负极的掺杂剂源可发挥出适宜的功能,同时能够赋予正极适当程度的多孔性,两者相互作用而能够提供出高负荷充放电效率优异的蓄电元件,是优选的。
[锂化合物和正极活性物质的平均粒径]
优选的是,将锂化合物的平均粒径设为X1时,满足0.1μm≤X1≤10.0μm,将正极活性物质的平均粒径设为Y1时,满足2.0μm≤Y1≤20.0μm,且X1<Y1。进一步优选的是,X1的范围为0.5μm≤X1≤5.0μm、3.0μm≤Y1≤10.0μm。X1为0.1μm以上时,在锂预掺杂后的正极中能够残存碳酸锂,因此通过吸附高负荷充放电循环中生成的氟离子,高负荷充放电循环特性提高。X1为10.0μm以下时,与高负荷充放电循环中生成的氟离子的反应面积增加,因而能够高效地进行氟离子的吸附。Y1为2.0μm以上时,能够确保正极活性物质间的电子传导性。Y1为20.0μm以下时,与电解质离子的反应面积增加,因而能够表现出高输出特性。X1<Y1时,碳酸锂被填充到在正极活性物质间产生的间隙中,因此能够在确保正极活性物质间的电子传导性的同时提高能量密度。
对X1和Y1的测定方法没有特别限定,可以由正极截面的SEM图像以及SEM-EDX图像计算出。关于正极截面的形成方法,可以使用BIB加工:从正极上部照射Ar光束,沿着设置于试样正上方的遮蔽板的端部来制作平滑的截面。正极含有碳酸锂的情况下,也可以对正极截面的拉曼成像进行测定,由此求出碳酸根离子的分布。
需要说明的是,针对上述V1的上限值和下限值以及V2的上限值和下限值,可以分别进行任意的组合。本说明书中,除此以外的构成要素彼此的上限值与下限值的组合也相同。
本发明的第一方式中,作为上述的X1、Y1和正极中包含的锂化合物的量的优选组合,为
0.1μm≤X1≤10.0μm、
2.0μm≤Y1≤20.0μm、
且锂化合物的量为1质量%以上50质量%以下。
另外,优选组合为
0.2μm≤X1≤7.0μm、
5.0μm≤Y1≤15.0μm、
且锂化合物的量为1质量%以上50质量%以下。
另外,优选组合为
0.3μm≤X1≤10.0μm、
5.0μm≤Y1≤15.0μm、
且锂化合物的量为2质量%以上30质量%以下。
另外,优选组合为
0.3μm≤X1≤5.0μm、
5.0μm≤Y1≤15.0μm、
且锂化合物的量为2质量%以上30质量%以下。
另外,优选组合为
0.3μm≤X1≤10.0μm、
5.0μm≤Y1≤15.0μm、
且锂化合物的量为2质量%以上30质量%以下。
[锂化合物和正极活性物质的判断方法]
锂化合物和正极活性物质可以通过氧分布像(其基于以1000倍~4000倍的观察倍率所测定的正极截面的SEM-EDX图像)来判断。关于SEM-EDX图像的测定方法,优选将光亮度和对比度调整为分布像中不存在达到最大光亮度值的像素、光亮度值的平均值落入最大光亮度值的40%~60%的范围。对于所得到的氧分布像,以亮度的平均值为基准进行二值化时,将包含面积50%以上的亮部的颗粒作为锂化合物。
[X1和Y1的计算方法]
X1和Y1可以通过对由正极截面SEM-EDX得到的图像进行图像分析而求出,该正极截面SEM-EDX是以与上述正极截面SEM相同的视野所测定的。将利用上述正极截面的SEM图像所判断出的锂化合物的颗粒设为X,并将除此以外的颗粒设为正极活性物质的颗粒Y,针对截面SEM图像中观察到的X、Y各自的全部颗粒,求出截面积S,利用下式计算出粒径d。(圆周率记为π)
【数1】
d=2×(S/π)1/2 (1)
使用所得到的粒径d,由下式中求出体积平均粒径X0和Y0
【数2】
X0(Y0)=∑[4/3π×(d/2)3×d]/∑[4/3π×(d/2)3] (2)
改变正极截面的视野进行5处以上的测定,将各自的X0和Y0的平均值作为平均粒径X1和Y1
正极中含有的锂化合物在暴露于约4.0V以上的高电位时会缓慢地分解而气化,所产生的气体会抑制电解液中的离子扩散,从而引起电阻上升。因此,优选在锂化合物的表面形成由含氟化合物构成的覆膜,抑制上述锂化合物的反应。
对含氟化合物的覆膜的形成方法没有特别限定,可以举出使电解液中含有在高电位发生分解的含氟化合物并对非水系锂蓄电元件施加上述含氟化合物的分解电位以上的高电压的方法;施加分解温度以上的温度的方法;等等。
被覆于锂化合物表面的氟化合物的被覆率(正极表面SEM-EDX图像中的氟分布像相对于氧分布像的面积重复率A1)优选为40%以上99%以下。被覆率为40%以上时,能够抑制锂化合物的分解。被覆率为99%以下时,能够使正极附近保持碱性,因此高负荷循环特性优异。
作为被覆率的测定方法,在正极表面通过SEM-EDX得到的元素分布像中,计算出以光亮度值的平均值为基准进行二值化所得到的氟分布像相对于氧分布像的面积重复率,由此求出。
对SEM-EDX的元素分布像的测定条件没有特别限定,像素数优选为128×128像素~512×512像素的范围,优选将光亮度和对比度调整为分布像中不存在达到最大光亮度值的像素、光亮度值的平均值落入最大光亮度值的40%~60%的范围。
正极截面通过SEM-EDX得到的元素分布像中,以光亮度值的平均值为基准进行二值化所得到的氟分布像相对于氧分布像的面积重复率A2优选为10%以上60%以下。A2为10%以上时,能够抑制锂化合物的分解。A2为60%以下时,由于是未氟化至锂化合物的内部的状态,因此能够使正极附近保持碱性,高负荷循环特性优异。
将正极前体中含有的锂化合物氧化分解,在负极进行还原,由此可以对负极预掺杂锂离子。为了完全分解正极前体中的锂化合物,例如可以长时间持续施加高电压。但是,若长时间施加高电压,则会引起电解液和电解质的分解,电阻有时会上升。因此,为了得到高输出的非水系锂蓄电元件,优选在发生电解液和电解质的分解之前停止施加高电压,防止锂化合物的分解。但是,若停止高电压的施加,则正极中残存锂化合物,若它们暴露于高温高电压下则会缓慢地分解,产生气体,从而引起电阻上升。关于这点,本申请发明人发现,若正极集电体为无孔状的正极集电体,则由于锂离子无法通过正极集电体,因此通过在该正极集电体的表面背面改变正极活性物质层的基重,能够控制正极的电位。在正极集电体中,以锂离子通过孔在正极的表面和背面均匀化的程度存在有孔的情况下,无法得到上述效果。由上述方面出发,在本发明的第二方式中,正极集电体中的至少涂布有正极活性物质层的区域为无孔状,正极集电体中的未涂布正极活性物质的剩余部分可以具有孔,也可以不具有孔。
将正极的一个面(Cy面)的正极活性物质层的基重设为Cy1(g/m2),将另一个面(Cx面)的正极活性物质层的基重设为Cx1(g/m2)时,Cy1/Cx1为0.70以上0.98以下,将Cy面的每单位面积的锂化合物量设为Cy2(g/m2),将Cx面的每单位面积的锂化合物量设为Cx2(g/m2)时,优选Cy2和Cx2为0.10以上20.0以下,Cy2/Cx2为0.10以上1.0以下。即,在基重小的面(Cy面),充放电所致的电位变化增大,优先发生残存于正极中的锂化合物的分解,但通过使Cy面中包含的锂化合物量小于基重大的面(Cx面),能够抑制高温高电压下Cy面的锂化合物的分解速度。
Cy1/Cx1为0.70以上时,与Cy面和Cx面相对的负极的利用区域同等,因此能够实现高能量密度。Cy1/Cx1为0.98以下时,通过变化Cy面和Cx面的电位变动幅度,可以抑制残存的锂化合物的分解。
Cy2和Cx2优选为0.10以上20.0以下。Cy2和Cx2为0.10以上时,高负荷充放电循环特性优异。Cy2和Cx2为20.0以下时,能够提高能量密度。
Cy2/Cx2优选为0.10以上1.0以下。Cy2/Cx2为0.10以上时,难以发生电解液或电解质的分解,因此能够实现高输出特性。Cy2/Cx2为1.0以下时,能够抑制电位变动大的A面的锂化合物分解。
在本发明的第三方式中的正极活性物质层的固体7Li-NMR光谱中,将通过反复等待时间为10秒的测定所得到的-40ppm~40ppm的光谱范围中的峰面积设为a,将通过反复等待时间为3,000秒的测定所得到的-40ppm~40ppm的光谱范围中的峰面积设为b时,优选满足1.04≤b/a≤5.56。b/a更优选满足1.05≤b/a≤3.79、进一步优选满足1.09≤b/a≤3.32、特别优选满足1.14≤b/a≤2.86、最优选满足1.18≤b/a≤1.93。需要说明的是,下限和上限可以为任意的组合。
通过将上述b/a调整为1.04≤b/a≤5.56的范围内,能够在维持高输入输出特性的同时,提高高负荷充放电循环特性。其原理尚未明确,但不限定于理论,推测如下。
峰面积a被认为是主要来源于被正极活性物质所吸收的锂离子或附着的含锂覆膜的峰,相对地表示出正极活性物质的量。另一方面,峰面积b被认为是除了上述峰面积a以外还累加了来源于与正极活性物质隔离的锂化合物的峰。即,认为上述b/a表示隔离的锂化合物相对于正极活性物质的量。与该正极活性物质隔离的锂化合物不抑制正极活性物质间的电子传导和离子扩散,能够保持高输入输出特性。进而锂化合物在高负荷充放电循环中捕集产生的氟离子等活性产物,由此根据上述理由,高负荷充放电循环特性提高。需要说明的是,本说明书中,“隔离”例如是指下述状态:正极活性物质为活性炭颗粒的集合体的情况下,锂化合物的颗粒孤立地分散于其内部。
上述b/a为1.04以上时,锂化合物相对于正极活性物质的量充分,因此,锂化合物捕集在高负荷充放电循环中产生的氟离子等活性产物,从而高负荷充放电循环特性提高。另一方面,该b/a为5.56以下时,锂化合物不抑制正极活性物质间的电子传导和离子扩散,能够保持高输入输出特性。
本说明书中,正极活性物质层的固体7Li-NMR光谱中的反复等待时间为10秒时的-40ppm~40ppm的光谱范围中的峰面积a、与反复等待时间为3,000秒时的-40ppm~40ppm的光谱范围中的峰面积b的面积之比b/a可以利用下述方法算出。
作为固体7Li-NMR的测定装置,可以使用市售的装置。在室温环境下,将魔角旋转的转速设为14.5kHz,将照射脉冲宽度设为45°脉冲,利用单脉冲法进行测定。对于反复等待时间为10秒的情况和为3,000秒的情况分别进行测定,得到固体7Li-NMR光谱。在取得固体7Li-NMR光谱时,使反复等待时间以外的测定条件、即积分次数和接收器增益等全部相同。作为位移基准,使用1mol/L氯化锂水溶液,将作为外部标准另行测定的其位移位置设为0ppm。在测定1mol/L的氯化锂水溶液时,不使试样旋转,将照射脉冲宽度设为45°脉冲,利用单脉冲法进行测定。
由利用上述方法得到的正极活性物质层的固体7Li-NMR光谱分别获取-40ppm~40ppm的光谱范围中的峰面积a、b,计算出b/a。
(正极活性物质层的其他成分)
除了正极活性物质和锂化合物以外,本发明的正极活性物质层也可以根据需要包含导电性填料、粘合剂、分散稳定剂等任意成分。
作为上述导电性填料,可以举出导电性高于正极活性物质的导电性碳质材料。作为这样的导电性填料,例如优选科琴黑、乙炔黑、气相生长碳纤维、石墨、碳纳米管、这些的混合物等。
相对于正极活性物质100质量份,正极活性物质层中的导电性填料的混合量优选为0~20质量份、进一步优选为1质量份~15质量份的范围。从高输入的方面出发,优选混合导电性填料。但是,若混合量多于20质量份,则正极活性物质层中的正极活性物质的含有比例减少,因此正极活性物质层单位体积的能量密度降低,故不优选。
作为粘合剂,没有特别限制,例如可以使用PVdF(聚偏二氟乙烯)、PTFE(聚四氟乙烯)、聚酰亚胺、胶乳、苯乙烯-丁二烯共聚物、氟橡胶、丙烯酸共聚物等。相对于正极活性物质100质量份,粘合剂的用量优选为1质量份以上30质量份以下。更优选为3质量份以上27质量份以下、进一步优选为5质量份以上25质量份以下。粘合剂的量为1质量%以上时,可表现出充分的电极强度。另一方面,粘合剂的量为30质量份以下时,不会抑制离子在正极活性物质中的进出和扩散,可表现出高输入输出特性。
作为分散稳定剂,没有特别限制,例如可以使用PVP(聚乙烯吡咯烷酮)、PVA(聚乙烯醇)、纤维素衍生物等。相对于正极活性物质100质量份,粘合剂的用量优选为10质量份以下。分散稳定剂的量为10质量份以下时,不会抑制离子在正极活性物质中的进出和扩散,可表现出高输入输出特性。
[正极集电体]
作为构成本发明的正极集电体的材料,只要是电子传导性高、不发生在电解液中的溶出和由于与电解质或离子反应等所致的劣化的材料,就没有特别限制,优选金属箔。作为本实施方式的非水系锂蓄电元件中的正极集电体,特别优选铝箔。
上述金属箔可以为不具有凹凸或贯通孔的通常的金属箔,也可以为实施了压纹加工、化学蚀刻、电解析出法、喷砂加工等的具有凹凸的金属箔,还可以为金属板网、冲孔金属、蚀刻箔等具有贯通孔的金属箔。关于本发明的第二方式和第四方式中的正极集电体,可以为不具有凹凸或贯通孔的通常的金属箔,或者只要作为上述定义的“无孔状的正极集电体”使用,则也可以为实施了压纹加工、化学蚀刻、电解析出法、喷砂加工等的具有凹凸的金属箔、或者金属板网、冲孔金属、蚀刻箔等具有贯通孔的金属箔。
关于正极集电体的厚度,只要能够充分保持正极的形状和强度即可,没有特别限制,例如优选为1μm~100μm。
[正极前体的制造]
本发明中,成为非水系锂蓄电元件的正极的正极前体可以通过已知的锂离子电池、双电层电容器等中的电极的制造技术来制造。例如,可以将正极活性物质和锂化合物、以及根据需要使用的其他任意成分分散或溶解于水或有机溶剂中而制备浆料状的涂布液,将该涂布液涂布至正极集电体上的单面或双面上而形成涂膜,将该涂膜干燥而得到正极前体。进而,也可以对所得到的正极前体实施压制,调整正极活性物质层的膜厚或堆积密度。或者,也可以为下述方法:不使用溶剂,而将正极活性物质和锂化合物、以及根据需要使用的其他任意成分进行干式混合,将所得到的混合物进行压制成型后,利用导电性粘合剂贴附于正极集电体上。
关于上述正极前体的涂布液,可以将包含正极活性物质的各种材料粉末的一部分或全部进行干混,接着追加水或有机溶剂、和/或其中溶解或分散有粘合剂或分散稳定剂的液态或浆料状的物质,由此进行制备。另外,也可以在水或有机溶剂中溶解或分散粘合剂或分散稳定剂,在所得到的液态或浆料状的物质中追加含有正极活性物质的各种材料粉末来制备涂布液。作为上述干混的方法,例如可以使用球磨机等对正极活性物质和锂化合物、以及根据需要的导电性填料进行预备混合,进行将导电材料涂布至导电性低的锂化合物的预备混合。由此,在后述的锂掺杂工序中,正极前体中锂化合物容易分解。上述涂布液的溶剂使用水的情况下,涂布液有时还会因为加入锂化合物而变为碱性,因此可以根据需要添加pH调节剂。
对上述正极前体的涂布液的制备没有特别限制,可以适宜地使用均质分散机或多轴分散机、行星式混合机、薄膜旋回型高速搅拌机等分散机等。为了得到良好的分散状态的涂布液,优选以1m/s以上50m/s以下的圆周速度进行分散。圆周速度为1m/s以上时,各种材料可良好地溶解或分散,因而优选。另外,圆周速度为50m/s以下时,各种材料不会因分散产生的热或剪切力而破坏,不产生再凝聚,因而优选。
关于上述涂布液的分散度,利用粒度计测定的粒度优选为0.1μm以上100μm以下。作为分散度的上限,更优选粒度为80μm以下、进一步优选粒度为50μm以下。粒度为0.1μm以下时,成为包含正极活性物质的各种材料粉末的粒径以下的尺寸,在制作涂布液时会使材料破碎,故不优选。另外,粒度为100μm以下时,不存在排出涂布液时的堵塞和产生涂膜条纹等情况,能够稳定地涂布。
上述正极前体的涂布液的粘度(ηb)优选为1,000mPa·s以上20,000mPa·s以下。粘度(ηb)更优选为1,500mPa·s以上10,000mPa·s以下、进一步优选为1,700mPa·s以上5,000mPa·s以下。粘度(ηb)为1,000mPa·s以上时,可抑制形成涂膜时的液体滴落,能够良好地控制涂膜宽度和厚度。另外,为20,000mPa·s以下时,使用涂布机时涂布液在流道中的压力损失少,能够稳定地涂布,而且能够控制为所期望的涂膜厚度以下。
另外,上述涂布液的TI值(触变指数值)优选为1.1以上。TI值更优选为1.2以上、进一步优选为1.5以上。TI值为1.1以上时,能够良好地控制涂膜宽度和厚度。
对上述正极前体的涂膜的形成没有特别限制,可以适宜地使用模涂机、逗点涂布机、刮刀式涂布机、凹版涂布机等涂布机。涂膜可以通过单层涂布形成,也可以通过多层涂布形成。在多层涂布的情况下,可以调整涂布液组成以使涂膜各层内的锂化合物的含量不同。另外,涂布速度优选为0.1m/分钟以上100m/分钟以下。涂布速度更优选为0.5m/分钟以上70m/分钟以下、进一步优选为1m/分钟以上50m/分钟以下。涂布速度为0.1m/分钟以上时,能够稳定地涂布。另一方面,涂布速度为100m/分钟以下时,能够充分确保涂布精度。
针对上述正极前体的涂膜的干燥没有特别限制,可以适宜地使用热风干燥或红外线(IR)干燥等干燥方法。关于涂膜的干燥,可以在单一温度下进行干燥,也可以多级地改变温度而进行干燥。另外,还可以组合多种干燥方法来使涂膜干燥。干燥温度优选为25℃以上200℃以下、更优选为40℃以上180℃以下、进一步优选为50℃以上160℃以下。干燥温度为25℃以上时,能够使涂膜中的溶剂充分挥发。另一方面,干燥温度为200℃以下时,能够抑制急剧的溶剂挥发导致的涂膜龟裂和迁移导致的粘合剂的不均、以及正极集电体和正极活性物质层的氧化。
对上述正极前体的压制没有特别限制,可以适宜地使用油压压力机、真空压力机等压力机。正极活性物质层的膜厚、堆积密度和电极强度可以通过后述的压制压力、间隙、压制部的表面温度来调整。压制压力优选为0.5kN/cm以上20kN/cm以下、更优选为1kN/cm以上10kN/cm以下、进一步优选为2kN/cm以上7kN/cm以下。压制压力为0.5kN/cm以上时,能够充分提高电极强度。另一方面,压制压力为20kN/cm以下时,正极前体不会产生弯曲和褶皱,能够调整为所期望的正极活性物质层膜厚和堆积密度。另外,关于压制辊之间的间隙,可以根据干燥后的正极前体膜厚,按照达到所期望的正极活性物质层的膜厚或堆积密度的方式设定任意的值。进而,压制速度可以按照正极前体不产生弯曲和褶皱的方式设定为任意的速度。另外,压制部的表面温度可以为室温,也可以根据需要进行加热。加热时的压制部的表面温度的下限优选为所使用的粘合剂的熔点-60℃的温度以上、更优选为熔点-45℃的温度以上、进一步优选为熔点-30℃的温度以上。另一方面,加热时的压制部的表面温度的上限优选为所使用的粘合剂的熔点+50℃的温度以下、更优选为熔点+30℃的温度以下、进一步优选为熔点+20℃的温度以下。例如,在粘合剂使用了PVdF(聚偏二氟乙烯:熔点150℃)的情况下,优选加热到90℃以上200℃以下,更优选加热到105℃以上180℃以下,进一步优选加热到120℃以上170℃以下。另外,在粘合剂使用了苯乙烯-丁二烯共聚物(熔点100℃)的情况下,优选加热到40℃以上150℃以下,更优选加热到55℃以上130℃以下,进一步优选加热到70℃以上120℃以下。
粘合剂的熔点可以在DSC(Differential Scanning Calorimetry、差示扫描量热分析)的吸热峰位置处求出。例如,使用PerkinElmer公司制造的差示扫描量热计“DSC7”,将试样树脂10mg设置于测定池,在氮气气氛中以10℃/分钟的升温速度从温度30℃升温至250℃,升温过程中的吸热峰温度为熔点。
另外,也可以一边改变压制压力、间隙、速度、压制部的表面温度的条件一边实施多次压制。
关于上述正极活性物质层的厚度,正极集电体的每个单面优选为20μm以上200μm以下。上述正极活性物质层的厚度更优选每个单面为25μm以上100μm以下、进一步优选为30μm以上80μm以下。该厚度为20μm以上时,能够表现出充分的充放电容量。另一方面,该厚度为200μm以下时,能够较低地维持电极内的离子扩散电阻。因此,能够在得到充分的输出特性的同时缩小电池体积,因此能够提高能量密度。需要说明的是,集电体具有贯通孔或凹凸的情况下,正极活性物质层的厚度是指集电体的不具有贯通孔或凹凸的部分的每个单面的厚度的平均值。
后述的锂掺杂工序后的正极中,正极活性物质层的堆积密度优选为0.40g/cm3以上、更优选为0.50g/cm3以上1.3g/cm3以下的范围。正极活性物质层的堆积密度为0.40g/cm3以上时,能够表现出高能量密度,能够实现蓄电元件的小型化。另外,该堆积密度为1.3g/cm3以下时,正极活性物质层内的空孔中的电解液充分扩散,可得到高输出特性。
本实施方式中的BET比表面积、中孔量和微孔量分别为利用以下的方法求出的值。将试样在200℃进行一昼夜的真空干燥,以氮为被吸附物进行吸附脱附等温线的测定。使用此处得到的吸附侧的等温线,BET比表面积通过BET多点法或BET单点法进行计算,平均细孔径通过将单位质量的总细孔容积除以BET比表面积进行计算,中孔量通过BJH法进行计算,微孔量通过MP法进行计算。
BJH法是通常用于中孔分析的计算方法,是由Barrett,Joyner,Halenda等人提出的(非专利文献1)。
MP法是利用“T-Plot法”(非专利文献2)求出微孔容积、微孔面积以及微孔分布的方法,是由R.S.Mikhail,Brunauer,Bodor设计出的方法(非专利文献3)。
本实施方式中的平均粒径是指,在使用粒度分布测定装置测定粒度分布时,在设总体积为100%求出累积曲线后,该累积曲线达到50%的点的粒径(即50%径(中位径))。该平均粒径可以利用市售的激光衍射式粒度分布测定装置进行测定。
<负极>
本发明的负极具有负极集电体和存在于其单面或双面的负极活性物质层。
[负极活性物质层]
负极活性物质层包含能够吸收和释放锂离子的负极活性物质。除此以外,根据需要也可以包含导电性填料、粘合剂、分散稳定剂等任意成分。
本申请说明书中,“无孔状的负极集电体”是指下述负极集电体:在至少涂布有负极活性物质层的区域中,不具有锂离子通过负极集电体、锂离子在负极的表面和背面均匀化的程度的孔。因此,在起到本申请发明的效果的范围内,并不排除具有极小径或微量的孔的负极集电体、以及在未涂布负极活性物质层的区域具有孔的负极集电体。另外,本实施方式中,负极集电体中的至少涂布有负极活性物质层的区域为无孔状,在负极集电体中的未涂布负极活性物质的剩余部分可以具有孔,也可以不具有孔。
本发明的第三方式中,针对设置于负极集电体的第一面上的第一负极活性物质层的固体7Li-NMR光谱,将由-20ppm~60ppm的峰面积计算出的吸收了锂离子的第一负极活性物质层的每单位质量的锂量设为q1,并且,针对设置于第一面的背面即负极集电体的第二面上的第二负极活性物质层的固体7Li-NMR光谱,将由-20ppm~60ppm的峰面积计算出的吸收了锂离子的第二负极活性物质层的每单位质量的锂量设为q2时,q1与q2的变异系数CV为0.001以上0.500以下。变异系数CV优选为0.002以上0.400以下、更优选为0.004以上0.300以下、进一步优选为0.008以上0.250以下、特别优选为0.010以上0.200以下。
本发明的第三方式的非水系锂蓄电元件通过使用包含正极活性物质以外的锂化合物的正极、以及将变异系数CV调整为0.001以上0.500以下的范围内的负极,具有较高的高负荷充放电循环特性。其原理尚未明确,不限定于理论,推测如下。
与非水系锂蓄电元件的充放电相伴的负极活性物质层的膨胀和收缩的大小与负极活性物质层中的锂量成比例,因此,在负极集电体的第一面上的第一负极活性物质层中的锂量q1与负极集电体的第二面上的第二负极活性物质层中的锂量q2相同的情况下(即变异系数CV=0),无法缓和由负极活性物质层的膨胀和收缩所产生的应力,负极活性物质层发生弯曲,负极活性物质层从负极集电体剥离。由此,高负荷充放电循环特性降低。
另一方面,负极集电体的第一面上的第一负极活性物质层中的锂量q1与负极集电体的第二面上的第二负极活性物质层中的锂量q2不同的情况下(即变异系数CV≠0),由于第一面上的第一负极活性物质层和第二面上的第二负极活性物质层的膨胀、收缩之差使负极自身弯曲,由此能够缓和应力,能够抑制负极活性物质层从负极集电体剥离。由此,能够提高高负荷充放电循环特性。但是,即便是将变异系数CV控制为上述范围内的负极,通过高负荷充放电循环中在正极产生的氟离子等活性产物(例如,HF等)与负极活性物质层中的粘合剂发生反应,负极活性物质层的强度降低,高负荷充放电循环特性降低。与此相对,通过在正极包含正极活性物质以外的锂化合物,锂化合物会捕集这种氟离子等活性产物,因此能够抑制负极活性物质层中的粘合剂的粘合力降低,能够表现出良好的高负荷充放电循环特性。
变异系数CV为0.001以上时,能够利用负极自身的弯曲缓和与锂离子的吸收和释放相伴的负极活性物质层的膨胀、收缩所产生的应力,负极活性物质层不会从负极集电体剥离,因此能够显示出较高的高负荷充放电循环特性。另一方面,变异系数CV为0.500以下时,能够抑制因负极自身的弯曲过大而出现的负极活性物质层从负极集电体的剥离,能够显示出较高的高负荷充放电循环特性,并且还能够抑制非水系锂蓄电元件自身的弯曲。
从利用第一面上的第一负极活性物质层与第二面上的第二负极活性物质层的膨胀和收缩之差来缓和对负极自身所施加的应力的方面出发,形成于负极集电体的表面的负极活性物质层与形成于负极集电体的背面的负极活性物质层优选被隔开。
图1是本发明的第三方式中的负极的示意性侧视图。图1所示的负极(1)中,在负极集电体(2)的第一面(3)上形成有第一负极活性物质层(5),在与第一面相反侧的负极集电体(2)的第二面(4)上形成有第二负极活性物质层(6),并且第一负极活性物质层(5)和第二负极活性物质层(6)被隔开。
本说明书中,负极活性物质层通过固体7Li-NMR光谱得到的锂量q1、q2、和它们的变异系数CV可以由下述方法算出。
作为固体7Li-NMR的测定装置,可以使用市售的装置。在室温环境下,将魔角旋转的转速设为14.5kHz,将照射脉冲宽度设为45°脉冲,利用单脉冲法进行测定。测定时,将测定期间的反复等待时间设定为充分的时间。作为位移基准,使用1mol/L氯化锂水溶液,将作为外部标准另行测定的其位移位置设为0ppm。在测定1mol/L的氯化锂水溶液时,不使试样旋转,将照射脉冲宽度设为45°脉冲,利用单脉冲法进行测定。
对于设置于负极集电体的第一面上的第一负极活性物质层和设置于负极集电体的第二面上的第二负极活性物质层,分别利用上述方法得到负极活性物质层的固体7Li-NMR光谱。对于所得到的各负极活性物质层的固体7Li-NMR光谱,针对处于-20ppm~60ppm的范围的成分求出峰面积。接着,将这些峰面积除以1mol/L氯化锂水溶液的峰面积(其是使测定用转子中的试样高度与测定负极活性物质层时相同来测定的),进而除以测定中所用的负极活性物质层的质量,由此可以计算出锂量q1和q2。本说明书中,负极活性物质层的质量是指被负极活性物质层吸收的锂离子和/或包含负极活性物质层所含有的覆膜或堆积物等的负极活性物质层的质量。
使用所得到的q1和q2,通过下述数学式(3)计算出变异系数CV。
【数3】
{式中,m为q1与q2的算术平均,且n为2。}
[负极活性物质层]
负极活性物质层包含负极活性物质,根据需要可以包含导电性填料、粘合剂、分散剂稳定剂等任意成分。
本发明的第三方式中的负极活性物质层包含分别形成于负极集电体的表面和背面的第一负极活性物质层和第二负极活性物质层,并且第一负极活性物质层和第二负极活性物质层中的锂量(q1,q2)相互不同。
第一负极活性物质层和第二负极活性物质层只要分别吸收锂离子、并且相互的锂量(q1,q2)不同即可,可以利用以下说明的负极活性物质、负极集电体和制造方法形成。
[负极活性物质]
上述负极活性物质可以使用能够吸收和释放锂离子的物质。具体而言,可示例出碳材料、钛氧化物、硅、硅氧化物、硅合金、硅化合物、锡和锡化合物等。相对于上述负极活性物质的总量,上述碳材料的含量优选为50质量%以上、更优选为70质量%以上。上述碳材料的含量虽也可以为100质量%,但是,从良好地获得通过与其他材料合用所产生的效果的方面出发,例如优选为90质量%以下,也可以为80质量%以下。
在负极活性物质中优选掺杂锂离子。本说明书中,作为掺杂于负极活性物质中的锂离子,主要包括三种形态。
第一形态为在制作非水系锂蓄电元件之前预先以设计值被负极活性物质吸收的锂离子。
第二形态为在非水系锂蓄电元件的制作、出货时被负极活性物质吸收的锂离子。
第三形态为将非水系锂蓄电元件作为器件使用后被负极活性物质吸收的锂离子。
通过在负极活性物质中预掺杂锂离子,能够良好地对所得到的非水系锂蓄电元件的容量和工作电压进行控制。
作为上述碳材料,例如可以举出难石墨化性碳材料;易石墨化性碳材料;炭黑;碳纳米颗粒;活性炭;人造石墨;天然石墨;石墨化中间相碳微球;石墨晶须;多并苯系物质等无定形碳质材料;对石油系的沥青、煤炭系的沥青、中间相碳微珠、焦炭、合成树脂(例如酚树脂等)等碳前体进行热处理而得到的碳质材料;糠醇树脂或酚醛清漆树脂的热分解物;富勒烯;碳纳米角;和这些的复合碳材料。
这些之中,从降低负极的电阻的方面出发,优选在使上述碳材料的一种以上和石油系的沥青或煤炭系的沥青共存的状态下进行热处理而可得到的沥青复合碳材料。也可以在进行热处理前,在高于沥青的熔点的温度下将该上述碳材料与上述沥青混合。热处理温度只要是所使用的沥青挥发或热分解而产生的成分成为碳质材料的温度即可。作为进行热处理的气氛,优选非氧化性气氛。
上述沥青复合碳材料的优选例为后述的沥青复合碳材料1a和复合碳材料2a。可以选择这些中的任一种使用,或者合用这两者。
沥青复合碳材料1a可以通过在将BET比表面积为100m2/g以上3000m2/g以下的碳材料的一种以上与石油系的沥青或煤炭系的沥青共存的状态下进行热处理而得到。
上述碳材料没有特别限制,可以适宜使用活性炭或炭黑、模板多孔质碳、高比表面积石墨、碳纳米颗粒等。
-复合碳材料1a-
复合碳材料1a是将BET比表面积为50m2/g以上3000m2/g以下的碳材料的一种以上用作该基材的复合碳材料。对该基材没有特别限制,可以适宜使用活性炭或炭黑、模板多孔质碳、高比表面积石墨、碳纳米颗粒等。
在本发明的第一方式、第二方式和第四方式中,复合碳材料1a的BET比表面积优选为100m2/g以上1,500m2/g以下、更优选为150m2/g以上1,100m2/g以下、进一步优选为180m2/g以上550m2/g以下。复合碳材料1a的BET比表面积为100m2/g以上时,能够适度地保持细孔,非水系电解液中的锂离子的扩散变得良好,因此能够显示出高输入输出特性,并且能够充分增加与非水系电解液中的锂离子的反应位点,因此能够显示出高输入输出特性。通过使复合碳材料1a的BET比表面积为1,500m2/g以下,锂离子的充放电效率提高,另外,能够抑制非水系电解液的过度的还原分解,因此高负荷充放电循环特性受损的情况减少。
本发明的第三方式中,将复合碳材料1a用于负极活性物质的负极活性物质层中,负极活性物质层的每单位体积的BET比表面积优选为20m2/cc以上1,500m2/cc以下。该负极活性物质层的每单位体积的BET比表面积更优选为25m2/cc以上1,000m2/cc以下、进一步优选为30m2/cc以上500m2/cc以下、特别优选为33m2/cc以上400m2/cc以下。该负极活性物质层的每单位体积的BET比表面积为20m2/cc以上时,在负极活性物质层的每单位体积中能够充分增加与非水系电解液中的锂离子的反应位点,因此使用了该负极活性物质层的非水系锂型蓄电元件能够显示出高输入输出特性。另一方面,该负极活性物质层的每单位体积的BET比表面积为1,500m2/cc以下时,能够抑制负极活性物质层中非水系电解液的过量的还原分解,因此使用了该负极活性物质层的非水系锂型蓄电元件能够显示出较高的高负荷充放电循环特性。
复合碳材料1a中的该碳质材料相对于该基材的质量比例优选为10%以上200%以下。该质量比例优选为12%以上180%以下、更优选为15%以上160%以下、特别优选为18%以上150%以下。碳质材料的质量比例为10%以上时,能够利用该碳质材料适度地填埋该基材所具有的微孔,锂离子的充放电效率提高,因而能够显示出良好的循环耐久性。另外,碳质材料的质量比例为200%以下时,能够适度地保持细孔,锂离子的扩散变得良好,因而能够显示出高输入输出特性。
复合碳材料1a的每单位质量的锂离子的掺杂量优选为530mAh/g以上2,500mAh/g以下。更优选为620mAh/g以上2,100mAh/g以下、进一步优选为760mAh/g以上1,700mAh/g以下、特别优选为840mAh/g以上1,500mAh/g以下。
通过掺杂锂离子,负极电位降低。因此,在将包含掺杂有锂离子的复合碳材料1a的负极与正极进行组合的情况下,非水系锂蓄电元件的电压升高的同时正极的利用容量增大。因此,所得到的非水系锂型蓄电元件的容量和能量密度升高。
该掺杂量为530mAh/g以上时,即使是在复合碳材料1a中的一旦插入锂离子后就无法脱离的不可逆位点,也可良好地掺杂锂离子,进而能够降低相对于所期望的锂量的复合碳材料1a的量。因此,能够使负极的膜厚变薄,得到高能量密度。掺杂量越多,负极电位越下降,输入输出特性、能量密度以及耐久性越提高。
另一方面,掺杂量为2,500mAh/g以下时,不存在产生锂金属的析出等副作用的可能性。
下面,作为复合碳材料1a的优选例,对使用活性炭作为该基材的复合碳材料1a进行说明。
复合碳材料1a优选的是,将通过BJH法计算出的来源于直径为以上以下的细孔的中孔量设为Vm1(cc/g)、将通过MP法计算出的来源于直径小于的细孔的微孔量设为Vm2(cc/g)时,满足0.010≤Vm1≤0.300、0.001≤Vm2≤0.650。
中孔量Vm1更优选满足0.010≤Vm1≤0.225、进一步优选满足0.010≤Vm1≤0.200。微孔量Vm2更优选满足0.001≤Vm2≤0.200、进一步优选满足0.001≤Vm2≤0.150、特别优选满足0.001≤Vm2≤0.100。
中孔量Vm1为0.300cc/g以下时,能够增大BET比表面积,能够提高锂离子的掺杂量,除此以外,还能够提高负极的堆积密度。其结果,能够将负极薄膜化。另外,微孔量Vm2为0.650cc/g以下时,能够维持相对于锂离子的高充放电效率。另一方面,中孔量Vm1和微孔量Vm2为下限以上(0.010≤Vm1、0.001≤Vm2)时,可得到高输入输出特性。
从带来高输入输出特性的方面出发,复合碳材料1a的平均细孔径优选为以上、更优选为以上、进一步优选为以上。另一方面,从带来高能量密度的方面出发,平均细孔径优选为以下、更优选为以下。
复合碳材料1a的平均粒径优选为1μm以上10μm以下。关于下限,更优选为2μm以上、进一步优选为2.5μm以上。关于上限,更优选为6μm以下、进一步优选为4μm以下。平均粒径为1μm以上10μm以下时,可保持良好的耐久性。
复合碳材料1a的氢原子/碳原子的原子数比(H/C)优选为0.05以上0.35以下、更优选为0.05以上0.15以下。H/C为0.35以下的情况下,附着于活性炭表面的碳质材料的结构(代表性地为多环芳香族系共轭结构)良好地扩大,容量(能量密度)和充放电效率提高。另一方面,H/C为0.05以上的情况下,碳化不会过度地进行,因而可得到良好的能量密度。需要说明的是,H/C利用元素分析装置进行测定。
复合碳材料1a具有来源于上述基材活性炭的无定形结构,同时还具有主要来源于所附着的碳质材料的结晶结构。根据X射线广角衍射法,该复合碳材料1a优选(002)面的面间隔d002为以上以下、由该峰的半峰宽得到的c轴方向的微晶尺寸Lc为以上以下,更优选d002为以上以下、由该峰的半峰宽得到的c轴方向的微晶尺寸Lc为以上以下。
作为用作上述复合碳材料1a的该基材的上述活性炭,只要所得到的复合碳材料1a可发挥出所期望的特性就没有特别限制。例如可以使用由石油系、煤炭系、植物系、高分子系等各种原材料得到的市售品。特别是,优选使用平均粒径为1μm以上15μm以下的活性炭粉末。该平均粒径更优选为2μm以上10μm以下。
为了得到具有本实施方式中规定的细孔分布范围的复合碳材料1a,该基材所使用的活性炭的细孔分布是重要的。
在该活性炭中,将通过BJH法计算出的来源于直径为以上以下的细孔的中孔量设为V1(cc/g)、将通过MP法计算出的来源于直径小于的细孔的微孔量设为V2(cc/g)时,优选满足0.050≤V1≤0.500、0.005≤V2≤1.000、且0.2≤V1/V2≤20.0。
关于中孔量V1,更优选满足0.050≤V1≤0.350、进一步优选满足0.100≤V1≤0.300。关于微孔量V2,更优选满足0.005≤V2≤0.850、进一步优选满足0.100≤V2≤0.800。关于中孔量/微孔量的比例,更优选满足0.22≤V1/V2≤15.0、进一步优选满足0.25≤V1/V2≤10.0。活性炭的中孔量V1为0.500以下的情况和微孔量V2为1.000以下的情况下,为了得到上述本实施方式中的复合碳材料1a的细孔结构,只要附着适量的碳质材料便足矣,因而容易控制细孔结构。另一方面,活性炭的中孔量V1为0.050以上的情况和微孔量V2为0.005以上的情况下,即使在V1/V2为0.2以上时以及V1/V2为20.0以下时也容易得到结构。
作为上述复合碳材料1a的原料使用的碳质材料前体是指通过进行热处理而能够使碳质材料附着于活性炭的固体、液体、或者可溶解于溶剂的有机材料。作为该碳质材料前体,例如可以举出沥青、中间相碳微珠、焦炭、合成树脂(例如酚树脂等)等。在这些碳质材料前体中,从制造成本方面出发,优选使用廉价的沥青。沥青大致可分为石油系沥青和煤炭系沥青。作为石油系沥青,例如可示例出原油的蒸馏残渣、流动性接触分解残渣(澄清油等)、来源于热裂解的残油、石脑油裂解时所得到的乙烯焦油等。
在使用上述沥青的情况下,在与活性炭共存的条件下对该沥青进行热处理,使沥青的挥发成分或热分解成分在活性炭的表面发生热反应,使碳质材料附着于该活性炭,从而得到复合碳材料1a。这种情况下,在200℃~500℃左右的温度,沥青的挥发成分或热分解成分向活性炭细孔内的附着得以进行,在400℃以上的温度,该附着成分形成碳质材料的反应得以进行。热处理时的峰温度(最高到达温度)根据所得到的复合碳材料1a的特性、热反应模式、热反应气氛等来适当地确定,优选为400℃以上、更优选为450℃~1,000℃、进一步优选为500℃~800℃左右。另外,维持热处理时的峰温度的时间优选为30分钟~10小时、更优选为1小时~7小时、进一步优选为2小时~5小时。例如,在500℃~800℃左右的峰温度进行2小时~5小时的热处理的情况下,认为附着在活性炭表面的碳质材料会形成多环芳香族系烃。
另外,所使用的沥青的软化点优选为30℃以上250℃以下、更优选为60℃以上130℃以下。软化点为30℃以上的沥青能够在不会对处理性造成影响的情况下以良好的精度投料。软化点为250℃以下的沥青较多地含有相对低分子的化合物,因此,若使用该沥青,则能够附着至活性炭内的细小的细孔内。
作为用于制造上述复合碳材料1a的具体方法,例如可以举出在含有由碳质材料前体挥发出的烃气体的惰性气氛中对活性炭进行热处理,在气相条件下使碳质材料附着的方法。另外,也可以为将活性炭与碳质材料前体预先混合而进行热处理的方法;或者将溶解在溶剂中的碳质材料前体涂布至活性炭并使其干燥,之后进行热处理的方法。
复合碳材料1a中的该碳质材料相对于该活性炭的质量比例优选为10%以上100%以下。该质量比例优选为15%以上80%以下。碳质材料的质量比例为10%以上时,能够以碳质材料适度地填埋该活性炭所具有的微孔,锂离子的充放电效率提高,因此循环耐久性不会受损。另外,碳质材料的质量比例为100%以下时,复合碳材料1a的细孔得以适度地保持,可较大地维持比表面积。因此,能够提高锂离子的掺杂量,其结果,即使将负极薄膜化,也能够维持高输出密度及高耐久性。
-复合碳材料2a-
复合碳材料2a是将BET比表面积为0.5m2/g以上80m2/g以下的碳材料的一种以上用作上述基材的上述复合碳材料。该基材没有特别限制,可以适宜使用天然石墨、人造石墨、低结晶石墨、硬碳、软碳、炭黑等。
复合碳材料2a的BET比表面积优选为1m2/g以上50m2/g以下、更优选为1.5m2/g以上40m2/g以下、进一步优选为2m2/g以上25m2/g以下。该BET比表面积为1m2/g以上时,能够充分确保与锂离子的反应场所,因而能够显示出高输入输出特性。另一方面,为50m2/g以下时,锂离子的充放电效率提高,并且充放电中的非水系电解液的分解反应受到抑制,因而能够显示出高循环耐久性。
本实施方式的负极活性物质的BET比表面积和中孔量、微孔量分别为利用以下的方法求出的值。将试样在200℃进行一昼夜的真空干燥,以氮为被吸附物进行吸附脱附等温线的测定。使用此处得到的吸附侧的等温线,BET比表面积通过BET多点法或BET单点法进行计算,中孔量通过上述的BJH法进行计算,微孔量通过上述的MP法进行计算。
复合碳材料2a的平均粒径优选为1μm以上10μm以下。该平均粒径更优选为2μm以上8μm以下、进一步优选为3μm以上6μm以下。平均粒径为1μm以上时,能够提高锂离子的充放电效率,因而能够显示出高循环耐久性。另一方面,为10μm以下时,复合碳材料2a与非水系电解液的反应面积增加,因而能够显示出高输入输出特性。
复合碳材料2a中,该碳质材料相对于该基材的质量比例优选为1%以上30%以下。该质量比例更优选为1.2%以上25%以下、进一步优选为1.5%以上20%以下。碳质材料的质量比例为1%以上时,能够利用该碳质材料充分增加与锂离子的反应位点,并且锂离子的脱溶剂化也变得容易,因而能够显示出高输入输出特性。另一方面,碳质材料的质量比例为20%以下时,能够良好地保持锂离子在该碳质材料与该基材之间的固体内扩散,因而能够显示出高输入输出特性。另外,由于能够提高锂离子的充放电效率,因而能够显示出高循环耐久性。
复合碳材料2a的每单位质量的锂离子的掺杂量优选为50mAh/g以上700mAh/g以下。更优选为70mAh/g以上650mAh/g以下、进一步优选为90mAh/g以上600mAh/g以下、特别优选为100mAh/g以上550mAh/g以下。
通过掺杂锂离子,负极电位降低。因此,在将包含掺杂有锂离子的复合碳材料2a的负极与正极进行组合的情况下,非水系锂蓄电元件的电压升高,同时正极的利用容量增大。因此,所得到的非水系锂蓄电元件的容量和能量密度升高。
该掺杂量为50mAh/g以上时,即使是在复合碳材料2a中的一旦插入锂离子后就无法脱离的不可逆位点,也可良好地掺杂锂离子,因而可得到高能量密度。掺杂量越多,负极电位越下降,输入输出特性、能量密度以及耐久性越提高。
另一方面,掺杂量为700mAh/g以下时,不存在产生锂金属的析出等副作用的可能性。
下面,作为复合碳材料2a的优选例,对使用石墨材料作为该基材的复合碳材料2a进行说明。
复合碳材料2a的平均粒径优选为1μm以上10μm以下。该平均粒径更优选为2μm以上8μm以下、进一步优选为3μm以上6μm以下。平均粒径为1μm以上时,能够提高锂离子的充放电效率,因而能够显示出高循环耐久性。另一方面,为10μm以下时,复合碳材料2a与非水系电解液的反应面积增加,因而能够显示出高输入输出特性。
作为用作该基材的上述石墨材料,只要所得到的复合碳材料2a可发挥出所期望的特性就没有特别限制。例如可以使用人造石墨、天然石墨、石墨化中间相碳微球、石墨晶须等。该石墨材料的平均粒径优选为1μm以上10μm以下、更优选为2μm以上8μm以下。
作为上述复合碳材料2a的原料使用的碳质材料前体是指通过进行热处理而能够使碳质材料与石墨材料复合的固体、液体、或者可溶解于溶剂的有机材料。作为该碳质材料前体,例如可以举出沥青、中间相碳微珠、焦炭、合成树脂(例如酚树脂等)等。在这些碳质材料前体中,从制造成本方面出发,优选使用廉价的沥青。沥青大致可分为石油系沥青和煤炭系沥青。作为石油系沥青,例如可示例出原油的蒸馏残渣、流动性接触分解残渣(澄清油等)、来源于热裂解的残油、石脑油裂解时所得到的乙烯焦油等。
复合碳材料2a中的该碳质材料相对于该石墨材料的质量比例优选为1%以上10%以下。该质量比例更优选为1.2%以上8%以下、进一步优选为1.5%以上6%以下、特别优选为2%以上5%以下。碳质材料的质量比例为1%以上时,能够利用该碳质材料充分增加与锂离子的反应位点,并且锂离子的脱溶剂化也变得容易,因而能够显示出高输入输出特性。另一方面,碳质材料的质量比例为20%以下时,能够良好地保持锂离子在该碳质材料与该石墨材料之间的固体内扩散,因而能够显示出高输入输出特性。另外,由于能够提高锂离子的充放电效率,因而能够显示出高循环耐久性。
(负极活性物质层的其他成分)
除了负极活性物质以外,本发明的负极活性物质层也可以根据需要包含导电性填料、粘合剂、分散稳定剂等任意成分。
对导电性填料的种类没有特别限制,例如可示例出乙炔黑、科琴黑、气相生长碳纤维等。相对于负极活性物质100质量份,导电性填料的用量优选为0质量份以上30质量份以下。更优选为0质量份以上20质量份以下、进一步优选为0质量份以上15质量份以下。
作为粘合剂,没有特别限制,例如可以使用PVdF(聚偏二氟乙烯)、PTFE(聚四氟乙烯)、聚酰亚胺、胶乳、苯乙烯-丁二烯共聚物、氟橡胶、丙烯酸共聚物等。相对于负极活性物质100质量份,粘合剂的用量优选为1质量份以上30质量份以下。更优选为2质量份以上27质量份以下、进一步优选为3质量份以上25质量份以下。粘合剂的量为1质量份以上时,可表现出充分的电极强度。另一方面,粘合剂的量为30质量份以下时,不会抑制锂离子在负极活性物质中的进出,可表现出高输入输出特性。
作为分散稳定剂,没有特别限制,例如可以使用PVP(聚乙烯吡咯烷酮)、PVA(聚乙烯醇)、纤维素衍生物等。相对于负极活性物质100质量份,分散稳定剂的用量优选为0质量份以上10质量份以下。分散稳定剂的量为10质量份以下时,不会抑制锂离子在负极活性物质中的进出,可表现出高输入输出特性。
[负极集电体]
作为构成本发明的负极集电体的材料,优选为电子传导性高、不发生在电解液中的溶出和由于与电解质或离子反应等所致的劣化的金属箔。作为这样的金属箔,没有特别限制,例如可以举出铝箔、铜箔、镍箔、不锈钢箔等。作为本实施方式的非水系锂蓄电元件中的负极集电体,优选铜箔。
上述金属箔可以为不具有凹凸或贯通孔的通常的金属箔,也可以为实施了压纹加工、化学蚀刻、电解析出法、喷砂加工等的具有凹凸的金属箔,还可以为金属板网、冲孔金属、蚀刻箔等具有贯通孔的金属箔。本发明的第三方式和第四方式中的负极集电体可以为不具有凹凸或贯通孔的通常的金属箔,或者只要作为上述定义的“无孔状的负极集电体”使用,则也可以为实施了压纹加工、化学蚀刻、电解析出法、喷砂加工等的具有凹凸的金属箔、或者金属板网、冲孔金属、蚀刻箔等具有贯通孔的金属箔。
关于负极集电体的厚度,只要能够充分保持负极的形状和强度即可,没有特别限制,例如优选为1μm~100μm。
[负极的制造]
负极在负极集电体的单面上或双面上具有负极活性物质层而成。在代表性的方式中,负极活性物质层固定于负极集电体上。
负极可以通过已知的锂离子电池、双电层电容器等中的电极的制造技术来制造。例如,可以将包含负极活性物质的各种材料分散或溶解于水或有机溶剂中而制备浆料状的涂布液,将该涂布液涂布至负极集电体上的单面或双面上而形成涂膜,将该涂膜干燥而得到负极。进而也可以对所得到的负极实施压制,调整负极活性物质层的膜厚或堆积密度。或者也可以为下述方法:不使用溶剂,而将包含负极活性物质的各种材料进行干式混合,将所得到的混合物进行压制成型后,利用导电性粘合剂贴附于负极集电体上。
关于涂布液的制备,可以将包含负极活性物质的各种材料粉末的一部分或全部进行干混,接着追加水或有机溶剂、和/或其中溶解或分散有粘合剂或分散稳定剂的液态或浆料状的物质,由此进行制备。另外,也可以在水或有机溶剂中溶解或分散粘合剂或分散稳定剂,在所得到的液态或浆料状的物质中追加包含负极活性物质的各种材料粉末来进行制备。对上述涂布液的制备没有特别限制,可以适宜地使用均质分散机或多轴分散机、行星式混合机、薄膜旋回型高速搅拌机等分散机等。为了得到良好的分散状态的涂布液,优选以1m/s以上50m/s以下的圆周速度进行分散。圆周速度为1m/s以上时,各种材料可良好地溶解或分散,因而优选。另外,圆周速度为50m/s以下时,各种材料不会因分散产生的热或剪切力而破坏,不产生再凝聚,因而优选。
上述涂布液的粘度(ηb)优选为1,000mPa·s以上20,000mPa·s以下。更优选为1,500mPa·s以上10,000mPa·s以下、进一步优选为1,700mPa·s以上5,000mPa·s以下。粘度(ηb)为1,000mPa·s以上时,可抑制形成涂膜时的液体滴落,能够良好地控制涂膜宽度和厚度。另外,为20,000mPa·s以下时,使用涂布机时涂布液在流道中的压力损失少,能够稳定地涂布,而且能够控制为所期望的涂膜厚度以下。
另外,上述涂布液的TI值(触变指数值)优选为1.1以上。更优选为1.2以上、进一步优选为1.5以上。TI值为1.1以上时,能够良好地控制涂膜宽度和厚度。
上述涂膜的形成没有特别限制,可以适宜地使用模涂机、逗点涂布机、刮刀式涂布机、凹版涂布机等涂布机。涂膜可以通过单层涂布形成,也可以通过多层涂布形成。另外,涂布速度优选为0.1m/分钟以上100m/分钟以下、更优选为0.5m/分钟以上70m/分钟以下、进一步优选为1m/分钟以上50m/分钟以下。涂布速度为0.1m/分钟以上时,能够稳定地涂布。另一方面,为100m/分钟以下时,能够充分确保涂布精度。
对上述涂膜的干燥没有特别限制,可以适宜地使用热风干燥或红外线(IR)干燥等干燥方法。关于涂膜的干燥,可以在单一温度下进行干燥,也可以多级地改变温度而进行干燥。另外,还可以组合多种干燥方法来进行干燥。干燥温度优选为25℃以上200℃以下。更优选为40℃以上180℃以下、进一步优选为50℃以上160℃以下。干燥温度为25℃以上时,能够使涂膜中的溶剂充分挥发。另一方面,为200℃以下时,能够抑制急剧的溶剂挥发导致的涂膜龟裂和迁移导致的粘合剂的不均、负极集电体和负极活性物质层的氧化。
对上述负极的压制没有特别限制,可以适宜地使用油压压力机、真空压力机等压力机。负极活性物质层的膜厚、堆积密度和电极强度可以通过后述的压制压力、间隙、压制部的表面温度来调整。压制压力优选为0.5kN/cm以上20kN/cm以下、更优选为1kN/cm以上10kN/cm以下、进一步优选为2kN/cm以上7kN/cm以下。压制压力为0.5kN/cm以上时,能够充分提高电极强度。另一方面,为20kN/cm以下时,负极难以产生弯曲和褶皱,能够调整为所期望的负极活性物质层膜厚和堆积密度。另外,关于压制辊之间的间隙,可以根据干燥后的负极膜厚,按照达到所期望的负极活性物质层的膜厚或堆积密度的方式设定任意的值。进而,压制速度可以按照负极不产生弯曲和褶皱的方式设定为任意的速度。另外,压制部的表面温度可以为室温,也可以根据需要进行加热。加热时的压制部的表面温度的下限优选为所使用的粘合剂的熔点-60℃的温度以上、更优选为熔点-45℃的温度以上、进一步优选为熔点-30℃的温度以上。另一方面,加热时的压制部的表面温度的上限优选为所使用的粘合剂的熔点+50℃的温度以下、更优选为熔点+30℃的温度以下、进一步优选为熔点+20℃的温度以下。例如,在粘合剂使用了PVdF(聚偏二氟乙烯:熔点150℃)的情况下,优选加热到90℃以上200℃以下、更优选加热到105℃以上180℃以下、进一步优选加热到120℃以上170℃以下。另外,在粘合剂使用了苯乙烯-丁二烯共聚物(熔点100℃)的情况下,优选加热到40℃以上150℃以下、更优选加热到55℃以上130℃以下、进一步优选加热到70℃以上120℃以下。
粘合剂的熔点可以在DSC(Differential Scanning Calorimetry、差示扫描量热分析)的吸热峰位置处求出。例如,使用PerkinElmer公司制造的差示扫描量热计“DSC7”,将试样树脂10mg设置于测定池,在氮气气氛中以10℃/分钟的升温速度从温度30℃升温至250℃,升温过程中的吸热峰温度为熔点。
另外,也可以一边改变压制压力、间隙、速度、压制部的表面温度的条件一边实施多次压制。
关于负极活性物质层的厚度,每个单面优选为5μm以上100μm以下。上述负极活性物质层的厚度的下限进一步优选为7μm以上、更优选为10μm以上。上述负极活性物质层的厚度的上限进一步优选为80μm以下、更优选60μm以下。该厚度为5μm以上时,涂布负极活性物质层后不产生条纹等,涂布性优异。另一方面,该厚度为100μm以下时,能够通过缩小电池体积而表现出高能量密度。需要说明的是,集电体具有贯通孔或凹凸的情况下,负极活性物质层的厚度是指集电体的不具有贯通孔或凹凸的部分的每个单面的厚度的平均值。
负极活性物质层的堆积密度优选为0.30g/cm3以上1.8g/cm3以下、更优选为0.40g/cm3以上1.5g/cm3以下、进一步优选为0.45g/cm3以上1.3g/cm3以下。堆积密度为0.30g/cm3以上时,能够在保持充分的强度的同时表现出负极活性物质间的充分的导电性。另外,为1.8g/cm3以下时,能够确保离子在负极活性物质层内可充分扩散的空孔。
将复合碳材料1a用于负极活性物质的负极活性物质层中,负极活性物质层的每单位体积的BET比表面积优选为20m2/cc以上1,500m2/cc以下。该负极活性物质层的每单位体积的BET比表面积更优选为25m2/cc以上1,000m2/cc以下、进一步优选为30m2/cc以上500m2/cc以下、特别优选为33m2/cc以上400m2/cc以下。该负极活性物质层的每单位体积的BET比表面积为20m2/cc以上时,在负极活性物质层的每单位体积中能够充分增加与非水系电解液中的锂离子的反应位点,因此使用了该负极活性物质层的非水系锂蓄电元件能够显示出高输入输出特性。另一方面,该负极活性物质层的每单位体积的BET比表面积为1,500m2/cc以下时,能够抑制负极活性物质层中的非水系电解液的过量的还原分解,因此使用了该负极活性物质层的非水系锂蓄电元件能够显示出较高的高负荷充放电循环特性。
将复合碳材料2a用于负极活性物质的负极活性物质层中,负极活性物质层的每单位体积的BET比表面积优选为1m2/cc以上50m2/cc以下。该负极活性物质层的每单位体积的BET比表面积更优选为2m2/cc以上40m2/cc以下、进一步优选为3m2/cc以上35m2/cc以下、特别优选为4m2/cc以上30m2/cc以下。该负极活性物质层的每单位体积的BET比表面积为1m2/cc以上时,在负极活性物质层的每单位体积中能够充分增加与非水系电解液中的锂离子的反应位点,因此使用了该负极活性物质层的非水系锂蓄电元件能够显示出高输入输出特性。另一方面,该负极活性物质层的每单位体积的BET比表面积为50m2/cc以下时,能够抑制负极活性物质层中的非水系电解液的过量的还原分解,因此使用了该负极活性物质层的非水系锂蓄电元件能够显示出较高的高负荷充放电循环特性。
本说明书中,负极活性物质层每单位体积的BET比表面积可以利用下述方法算出。
测定中所用的样品可以使用未组装到非水系锂蓄电元件中的负极(下文中也称为“使用前负极”),也可以使用组装到非水系锂蓄电元件中的负极(下文中也称为“使用后负极”)。
将组装到非水系锂蓄电元件中的负极用于测定样品的情况下,作为测定样品的前处理,例如优选使用以下的方法。
首先,在氩等惰性气氛下拆解非水系锂蓄电元件,取出负极。将所取出的负极浸渍于链状碳酸酯(例如碳酸甲乙酯、碳酸二甲酯等)中,去除非水系电解液、锂盐等并进行风干。接下来,优选使用例如以下的(1)、(2)、或(3)的方法。
(1)将所得到的负极浸渍于包含甲醇和异丙醇的混合溶剂中,使负极活性物质所吸收的锂离子失活,并进行风干。接下来,利用真空干燥等将所得到的负极中包含的链状碳酸酯或有机溶剂等去除,由此可以得到测定样品。
(2)在氩等惰性气氛下,将所得到的负极用于工作电极,将金属锂用于反电极和参比电极,将它们浸渍于非水系电解液中,制作电化学电池。对于所得到的电化学电池,利用充放电机等调整成负极电位(vs.Li/Li+)为1.5V~3.5V的范围。接下来,在氩等惰性气氛下将负极从电化学电池中取出,将其浸渍于链状碳酸酯中,去除非水系电解液、锂盐等并进行风干。接下来,利用真空干燥等将所得到的负极中包含的链状碳酸酯等去除,由此可以得到测定样品。
(3)可以将上述得到的负极直接用作测定样品。
如图2所示,对于上述得到的测定样品,测定负极活性物质层的体积Vano(cc)。将相对于负极集电体与负极活性物质层的层积方向的水平面作为截面、将与上述水平面垂直相交的面作为平面时,将测定样品的平面的几何学面积设为Sano、将上述负极活性物质层的总膜厚设为tano时,负极活性物质层的体积可以由Vano=Sano×tano算出。
使用上述得到的测定样品,以氮或氩为被吸附物进行吸附脱附等温线的测定。使用此处得到的吸附侧的等温线,通过BET多点法或BET单点法计算出BET比表面积,将其除以Vano,由此计算出负极活性物质层每单位体积的BET比表面积。
本实施方式的出货时和使用后的非水系锂蓄电元件中的负极活性物质的锂离子的掺杂量(mAh/g)例如可以如下获知。
首先,将本实施方式的负极活性物质层用碳酸甲乙酯或碳酸二甲酯清洗并风干,之后利用含有甲醇和异丙醇的混合溶剂进行提取,得到提取液和提取后的负极活性物质层。关于该提取,代表性地在Ar箱内于23℃的环境温度进行。
可以利用例如ICP-MS(电感耦合等离子体质谱仪)等对如上所述得到的提取液和提取后的负极活性物质层中包含的锂量分别进行定量,求出其合计值,由此获知负极活性物质中的锂离子的掺杂量。将所得到的值除以用于提取的负极活性物质量,计算出锂离子的掺杂量(mAh/g)即可。
本实施方式的1次粒径可以通过下述方法得到:利用电子显微镜对粉体进行几个视野的拍摄,对于这些视野中的颗粒的粒径,用全自动图像处理装置等计测2,000~3,000个左右,将其算术平均值作为1次粒径。
本实施方式的分散度为通过JIS K5600中规定的利用粒度计的分散度评价试验所求出的值。即,粒度计具有与颗粒尺寸所对应的期望深度的槽,对于该粒度计,使足够量的试样流入槽较深侧的前端,并从槽中略微溢出。接下来,放置刮刀使刮刀的长边与量规的宽度方向平行,刀尖接触粒度计的槽深的前端,在量规的表面保持刮刀的同时,相对于槽的长边方向以呈直角的方式在量规的表面以均等的速度用1~2秒的时间拉至槽的深度为0,拉完后3秒以内以20°以上30°以下的角度照射光来进行观察,读取粒度计的槽中出现颗粒的深度。
本实施方式的粘度(ηb)和TI值分别为利用以下的方法求出的值。首先,使用E型粘度计在温度25℃、剪切速率2s-1的条件下测定2分钟以上,得到稳定的粘度(ηa)。接下来,将剪切速率变更为20s-1,除此以外在与上述同样的条件下测定,得到粘度(ηb)。使用上述得到的粘度的值,TI值由TI值=ηa/ηb的公式算出。将剪切速率由2s-1升高至20s-1时,可以以一个阶段升高,也可以在上述范围以多阶段升高剪切速率,在适宜地取得该剪切速率下的粘度的同时升高剪切速率。
<隔板>
将正极前体和负极隔着隔板进行层积或卷绕,形成具有正极前体、负极和隔板的电极层积体或电极卷绕体。
作为上述隔板,可以使用锂离子二次电池中使用的聚乙烯制的微多孔膜或聚丙烯制的微多孔膜、或者双电层电容器中使用的纤维素制的无纺纸等。在这些隔板的单面或双面上可以层积有包含有机或无机的微粒的膜。另外,在隔板的内部可以包含有机或无机的微粒。
隔板的厚度优选为5μm以上35μm以下。通过使厚度为5μm以上,具有内部的微短路所致的自放电减小的倾向,故优选。另一方面,通过使厚度为35μm以下,具有蓄电元件的输出特性增高的倾向,故优选。
另外,包含有机或无机的微粒的膜优选为1μm以上10μm以下。通过厚度为1μm以上,具有内部的微短路所致的自放电减小的倾向,故优选。另一方面,通过使厚度为10μm以下,具有蓄电元件的输出特性增高的倾向,故优选。
<外装体>
作为外装体,可以使用金属罐、层压膜等。
作为上述金属罐,优选铝制金属罐。
作为上述层压膜,优选将金属箔和树脂膜层积而成的膜,可示例出由外层树脂膜/金属箔/内层树脂膜的3层构成的层压膜。外层树脂膜用于防止金属箔由于接触等而受到损伤,可以适宜地使用尼龙或聚酯等树脂。金属箔用于防止水分和气体的透过,可以适宜地使用铜、铝、不锈钢等的箔。另外,内层树脂膜用于保护金属箔不会受到收纳在内部的电解液的损伤,同时用于在热封外装体时进行熔融封口,可以适宜地使用聚烯烃、酸改性聚烯烃等。
<非水系电解液>
本实施方式中的电解液为非水系电解液。即,该电解液包含后述的非水溶剂。以上述非水系电解液的总量为基准,上述非水系电解液含有0.5mol/L以上的锂盐。即,非水系电解液包含锂离子作为电解质。
对于本实施方式中的非水系电解液来说,作为锂盐,例如可以单独使用LiN(SO2F)2、LiN(SO2CF3)2、LiN(SO2C2F5)2、LiN(SO2CF3)(SO2C2F5)、LiN(SO2CF3)(SO2C2F4H)、LiC(SO2F)3、LiC(SO2CF3)3、LiC(SO2C2F5)3、LiCF3SO3、LiC4F9SO3、LiPF6、LiBF4等,也可以将两种以上混合使用。由于能够表现出高传导率,因而优选包含LiPF6和/或LiN(SO2F)2
本实施方式的非水系电解液中只要含有至少一种以上的锂盐即可,除了锂盐以外,也可以含有选自钠盐、钾盐、铷盐、铯盐中的碱金属盐、或者选自铍盐、镁盐、钙盐、锶盐、钡盐中的碱土金属盐。
非水系电解液中含有锂以外的上述碱金属盐的情况下,与锂离子相比斯托克斯半径小的钠离子、钾离子、铷离子、铯离子由于具有高的离子电导率,因此能够使非水系锂蓄电元件低电阻化。非水系电解液中含有锂以外的上述碱土金属盐的情况下,由于铍离子、镁离子、钙离子、锶离子、钡离子为2价阳离子,因此能够使非水系锂蓄电元件高容量化。
对于使非水系电解液中含有锂盐以外的上述碱金属盐或/和碱土金属盐的方法没有特别限定,可以预先将锂盐和锂盐以外的碱金属盐或/和碱土金属盐溶解于非水系电解液中,也可以举出下述方法:设下式中的M为选自Na、K、Rb以及Cs中的一种以上,使正极前体中含有一种以上的M2CO3等碳酸盐、M2O等氧化物、MOH等氢氧化物、MF或MCl等卤化物、M2(CO2)2等草酸盐、RCOOM(式中,R为H、烷基或芳基)等羧酸盐、或/和选自BeCO3、MgCO3、CaCO3、SrCO3或BaCO3中的碱土金属碳酸盐、以及碱土金属氧化物、碱土金属氢氧化物、碱土金属卤化物、碱土金属草酸盐以及碱土金属羧酸盐,利用后述的锂掺杂工序进行分解,等等。
非水系电解液中的锂盐浓度优选为0.5mol/L以上、更优选为0.5mol/L~2.0mol/L的范围。锂盐浓度为0.5mol/L以上时,阴离子充分存在,因而能够充分提高蓄电元件的容量。另外,锂盐浓度为2.0mol/L以下时,能够防止未溶解的锂盐析出到非水系电解液中以及电解液的粘度变得过高,传导率不会降低,输出特性也不会降低,因而优选。
非水系电解液中含有锂盐以外的上述碱金属盐或/和碱土金属盐的情况下,这些盐浓度的合计值为优选0.5mol/L以上、更优选为0.5mol/L~2.0mol/L的范围。
本实施方式中的非水系电解液优选含有环状碳酸酯和链状碳酸酯作为非水溶剂。从溶解所期望的浓度的锂盐的方面以及表现出高的锂离子传导率的方面出发,非水系电解液含有环状碳酸酯和链状碳酸酯是有利的。作为环状碳酸酯,例如可以举出以碳酸亚乙酯、碳酸亚丙酯、碳酸亚丁酯等为代表的碳酸亚烷基酯化合物。碳酸亚烷基酯化合物代表性地为非取代化合物。作为链状碳酸酯,可以举出以碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯、碳酸二丙酯、碳酸二丁酯等为代表的碳酸二烷基酯化合物。碳酸二烷基酯化合物代表性地为非取代化合物。
以非水系电解液的总量为基准,环状碳酸酯和链状碳酸酯的总含量优选为50质量%以上、更优选为65质量%以上,优选为95质量%以下、更优选为90质量%以下。上述总含量为50质量%以上时,能够溶解所期望的浓度的锂盐,能够表现出高的锂离子传导率。上述总浓度为95质量%以下时,电解液能够进一步含有后述的添加剂。
本实施方式中的非水系电解液也可以进一步含有添加剂。作为添加剂,没有特别限制,例如可以单独使用磺内酯化合物、环状磷腈、非环状含氟醚、含氟环状碳酸酯、环状碳酸酯、环状羧酸酯以及环状酸酐等,另外,也可以将两种以上混合使用。
本实施方式中,从对电阻的不良影响少的方面、以及抑制非水系电解液在高温下的分解并抑制气体产生的方面出发,作为饱和环状磺内酯化合物,优选1,3-丙烷磺内酯、2,4-丁烷磺内酯、1,4-丁烷磺内酯、1,3-丁烷磺内酯或2,4-戊烷磺内酯;作为不饱和环状磺内酯化合物,优选1,3-丙烯磺内酯或1,4-丁烯磺内酯;作为其他磺内酯化合物,可以举出双(苯磺酸)亚甲酯、双(苯基甲磺酸)亚甲酯、双(乙磺酸)亚甲酯、双(2,4,6-三甲基苯磺酸)亚甲酯以及双(2-三氟甲基苯磺酸)亚甲酯,优选选择选自其中的至少一种以上。
以非水系电解液的总量为基准,本实施方式的非水系锂蓄电元件的非水系电解液中的磺内酯化合物的总含量优选为0.1质量%~15质量%。非水系电解液中的磺内酯化合物的总含量为0.1质量%以上时,能够抑制高温下电解液的分解、抑制气体产生。另一方面,该总含量为15质量%以下时,能够抑制电解液的离子传导率的降低,能够保持高输入输出特性。另外,从兼顾高输入输出特性和耐久性的方面出发,非水系锂蓄电元件的非水系电解液中存在的磺内酯化合物的含量优选为0.5质量%以上10质量%以下、进一步优选为1质量%以上5质量%以下。
作为上述环状磷腈,例如可以举出乙氧基五氟环三磷腈、二乙氧基四氟环三磷腈、苯氧基五氟环三磷腈等,优选为选自它们之中的一种以上。
以上述非水系电解液的总量为基准,非水系电解液中的环状磷腈的含量优选为0.5质量%~20质量%。该值为0.5质量%以上时,能够抑制高温下电解液的分解、抑制气体产生。另一方面,该值为20质量%以下时,能够抑制电解液的离子传导率的降低,能够保持高输入输出特性。出于上述理由,环状磷腈的含量优选为2质量%以上15质量%以下、进一步优选为4质量%以上12质量%以下。
需要说明的是,这些环状磷腈可以单独使用,或者将两种以上混合使用。
作为非环状含氟醚,例如可以举出HCF2CF2OCH2CF2CF2H、CF3CFHCF2OCH2CF2CF2H、HCF2CF2CH2OCH2CF2CF2H、CF3CFHCF2OCH2CF2CFHCF3等,其中,从电化学稳定性的方面出发,优选HCF2CF2OCH2CF2CF2H。
以上述非水系电解液的总量为基准,非环状含氟醚的含量优选为0.5质量%以上15质量%以下、进一步优选为1质量%以上10质量%以下。非环状含氟醚的含量为0.5质量%以上时,非水系电解液对抗氧化分解的稳定性提高,可得到高温时耐久性高的蓄电元件。另一方面,非环状含氟醚的含量为15质量%以下时,可良好地保持电解质盐的溶解度,并且可较高地维持非水系电解液的离子传导率,从而能够表现出高度的输入输出特性。
需要说明的是,上述非环状含氟醚可以单独使用,也可以将两种以上混合使用。
关于含氟环状碳酸酯,从与其他非水溶剂的相容性的方面出发,优选从氟代碳酸亚乙酯(FEC)和二氟代碳酸亚乙酯(dFEC)中选择使用。
以上述非水系电解液的总量为基准,含有氟原子的环状碳酸酯的含量优选为0.5质量%以上10质量%以下、进一步优选为1质量%以上5质量%以下。含有氟原子的环状碳酸酯的含量为0.5质量%以上时,能够在负极上形成优质的覆膜,通过抑制负极上的电解液的还原分解而得到高温下的耐久性高的蓄电元件。另一方面,含有氟原子的环状碳酸酯的含量为10质量%以下时,可良好地保持电解质盐的溶解度,并且能够较高地维持非水系电解液的离子传导率,从而能够表现出高度的输入输出特性。
需要说明的是,上述含有氟原子的环状碳酸酯可以单独使用,也可以将两种以上混合使用。
关于环状碳酸酯,优选碳酸亚乙烯酯。
以上述非水系电解液的总量为基准,环状碳酸酯的含量优选为0.5质量%以上10质量%以下、进一步优选为1质量%以上5质量%以下。环状碳酸酯的含量为0.5质量%以上时,能够在负极上形成优质的覆膜,通过抑制负极上的电解液的还原分解而得到高温下的耐久性高的蓄电元件。另一方面,环状碳酸酯的含量为10质量%以下时,可良好地保持电解质盐的溶解度,并且能够较高地维持非水系电解液的离子传导率,从而能够表现出高度的输入输出特性。
作为环状羧酸酯,例如可以举出γ-丁内酯、γ-戊内酯、γ-己内酯、ε-己内酯等,优选使用选自它们中的一种以上。其中,从由锂离子解离度的提高而带来的电池特性提高的方面出发,特别优选γ-丁内酯。
以上述非水系电解液的总量为基准,环状羧酸酯的含量优选为0.5质量%以上15质量%以下、进一步优选为1质量%以上5质量%以下。环状酸酐的含量为0.5质量%以上时,能够在负极上形成优质的覆膜,通过抑制负极上的电解液的还原分解而得到高温下的耐久性高的蓄电元件。另一方面,环状羧酸酯的含量为5质量%以下时,可良好地保持电解质盐的溶解度,并且能够较高地维持非水系电解液的离子传导率,从而能够表现出高度的输入输出特性。
需要说明的是,上述的环状羧酸酯可以单独使用,也可以将两种以上混合使用。
关于环状酸酐,优选选自琥珀酸酐、马来酸酐、柠康酸酐以及衣康酸酐中的一种以上。其中,从由于工业上的容易获得性而抑制电解液的制造成本的方面、在非水系电解液中容易溶解的方面等出发,优选从琥珀酸酐和马来酸酐中选择。
以上述非水系电解液的总量为基准,环状酸酐的含量优选为0.5质量%以上15质量%以下、进一步优选为1质量%以上10质量%以下。环状酸酐的含量为0.5质量%以上时,能够在负极上形成优质的覆膜,通过抑制负极上的电解液的还原分解而得到高温下的耐久性高的蓄电元件。另一方面,环状酸酐的含量为10质量%以下时,可良好地保持电解质盐的溶解度,并且能够较高地维持非水系电解液的离子传导率,从而能够表现出高度的输入输出特性。
需要说明的是,上述的环状酸酐可以单独使用,也可以将两种以上混合使用。
[组装工序]
关于在组装工序中得到的电极层积体,将切割成单张形状的正极前体和负极隔着隔板进行层积而形成层积体,将正极端子和负极端子连接至所得到的层积体,由此得到电极层积体。另外,将正极前体和负极隔着隔板进行卷绕而得到卷绕体,将正极端子和负极端子连接至所得到的卷绕体,由此得到电极卷绕体。电极卷绕体的形状可以为圆筒型,也可以为扁平型。
对正极端子和负极端子的连接方法没有特别限定,可以使用电阻焊接或超声波焊接等方法。
优选对连接有端子的电极层积体或电极卷绕体进行干燥,由此除去残存溶剂。干燥方法没有限定,可以通过真空干燥等进行干燥。相对于正极活性物质层或负极活性物质层的单位重量,残存溶剂优选为1.5%以下。残存溶剂多于1.5%时,溶剂会残留于体系内,使自放电特性变差,故不优选。
干燥后的电极层积体或电极卷绕体优选在露点-40℃以下的干燥环境下收纳于以金属罐或层压膜为代表的外装体中,仅留下一个开口部,并进行密封。若露点高于-40℃,则水分会附着于电极层积体或电极卷绕体,水残存于体系内,使自放电特性变差,故不优选。外装体的密封方法没有特别限定,可以使用热封、脉冲密封等方法。
[液体注入、浸渗、密封工序]
在组装工序结束后,将非水系电解液注入收纳于外装体中的电极层积体。在液体注入工序结束后,优选进一步进行浸渗,用非水系电解液充分浸渍正极、负极以及隔板。在正极、负极以及隔板中的至少一部分未浸渍电解液的状态下,在后述的锂掺杂工序中,掺杂会进行得不均匀,因此所得到的非水系锂蓄电元件的电阻上升、或者耐久性降低。作为上述浸渗的方法,没有特别限制,例如可以使用下述方法:将液体注入后的非水系锂蓄电元件在外装体开口的状态下设置于减压腔室,利用真空泵使腔室内为减压状态,并再次恢复到大气压的方法;等等。浸渗工序结束后,可以一边将外装体开口的状态的非水系锂蓄电元件减压一边密封,由此进行密闭。
[锂掺杂工序]
在锂掺杂工序中,作为优选的工序,在上述正极前体与负极之间施加电压,将上述锂化合物分解,从而分解正极前体中的锂化合物,释放出锂离子,在负极将锂离子还原,由此在负极活性物质层中预掺杂锂离子。
该锂掺杂工序中,伴随着正极前体中的锂化合物的氧化分解,产生CO2等气体。因此,在施加电压时,优选采取将产生的气体释放到外装体的外部的手段。作为该手段,例如可以举出下述方法:在使外装体的一部分开口的状态下施加电压的方法;在上述外装体的一部分预先设置排气阀、气体透过膜等适宜的气体释放单元,在该状态下施加电压的方法;等等。
[老化工序]
在锂掺杂工序结束后,优选对非水系锂蓄电元件进行老化。在老化工序中,电解液中的溶剂在负极发生分解,在负极表面形成锂离子透过性的固体高分子覆膜。
作为上述老化的方法,没有特别限制,例如可以使用在高温环境下使电解液中的溶剂反应的方法等。
[排气工序]
老化工序结束后,优选进一步进行排气,将电解液、正极以及负极中残存的气体确实地除去。在电解液、正极以及负极的至少一部分中残存有气体的状态下,离子传导受到阻碍,因此所得到的非水系锂蓄电元件的电阻会上升。
作为上述排气的方法,没有特别限制,例如可以使用下述方法:在上述外装体开口的状态下将非水系锂蓄电元件设置于减压腔室中,利用真空泵使腔室内为减压状态的方法;等等。
<高负荷充放电循环中电阻上升的抑制正极、负极的设计>
在高负荷充放电循环中,伴随着充放电,电解液中的离子在正极与负极之间泳动、扩散。充放电的负荷越大,则非水电解液中的离子必须越快地泳动、扩散,因此在正极或负极发生离子不均,非水系电解液中的锂盐浓度降低,从而引起电阻上升。因此,通过提高在正极和负极所保持的电解液量,能够抑制高负荷充放电循环中的电阻上升。此时,在本发明的第四方式中,将正极的一个面(Cx面)的正极活性物质层的基重设为Cx1(g/m2)、将另一个面(Cy面)的正极活性物质层的基重设为Cy1(g/m2)时,使Cx1/Cy1为1.02以上1.35以下,将与Cy面相对的负极的一个面(Ay面)的负极活性物质层的基重设为Ay1(g/m2)、将另一个面(Ax面)的负极活性物质层的基重设为Ax1(g/m2)时,使Ax1/Ay1为0.74以上0.98以下,由此能够抑制高负荷充放电循环中的电阻上升。
在电极层积体由多个正极和负极构成的情况下,只要在电极层积体中的至少一个正极和负极的组合中满足Cx1/Cy1为1.02以上1.35以下且Ax1/Ay1为0.74以上0.98以下即可。
需要说明的是,Cx1和Cy1分别优选为5以上100以下、更优选为10以上50以下。Cx1和Cy1为5以上时,能够提高能量密度。Cx1和Cy1为100以下时,输出特性优异。
另外,Ax1和Ay1分别优选为5以上100以下。进一步优选为10以上50以下。Ax1和Ay1为5以上时,能够提高能量密度。Ax1和Ay1为100以下时,输出特性优异。
电极内所保持的非水电解液量与活性物质层的基重成比例,因此,使正极活性物质层基重大的面(Cx面)与负极活性物质层的基重小的面(Ax面)相对,使正极活性物质层的基重小的面(Cy面)与负极活性物质层的基重大的面(Ay面)相对,由此取得在各电极间所保持的非水电解液的平衡,能够抑制高负荷充放电循环中的电阻上升。但是,正极和负极电位变动与活性物质层的基重成反比地增大,因而,在上述Cy面电位变动增大。因此,虽然能够抑制高负荷充放电循环中非水电解液中的离子不均所致的电阻上升,但电位变动大的Cy面暴露于高电位,会发生锂化合物的分解所致的气体产生、电阻升高。
鉴于上述情况,将Cx面的锂化合物的基重设为Cx2(g/m2)、将Cy面的锂化合物的基重设为Cy2(g/m2)时,使Cx2和Cy2分别为0.10以上20.0以下,使Cy2/Cx2为0.10以上0.95以下,由此能够抑制电位变动所致的锂化合物的分解。Cy2/Cx2为0.10以上时,能够利用正极中的锂化合物捕捉高负荷充放电循环中产生的氟离子,因此能够抑制电阻上升。Cy2/Cx2为0.95以下时,能够抑制高负荷充放电循环中Cy面的电位变动,能够抑制锂化合物的分解抑制所致的电阻上升。Cx2和Cy2为0.1以上时,能够抑制高负荷充放电循环中的电阻上升。Cx1和Cy1为20.0以下时,能够提高能量密度。
此外,(Cx1+Cx2)Ax1/(Cy1+Cy2)Ay1优选为0.80以上1.32以下。(Cx1+Cx2)Ax1/(Cy1+Cy2)Ay1小于0.80或超过1.32时,高负荷充放电循环中的Cy面的电位变动增大,由于锂化合物的分解会使电阻上升。
可以通过显微拉曼分光测定对正极活性物质层中包含的碳酸锂的分散状态进行评价,在Cx面通过显微拉曼分光测定得到的成像图像中,将碳酸根离子分布像的面积设为Sx%,在Cy面通过显微拉曼分光测定得到的成像图像中,将碳酸根离子分布像的面积设为Sy%时,Sx和Sy分别为1以上40以下,Sx/Sy优选为1.00以上2.00以下。Sx/Sy为1.00以上时,能够抑制高负荷充放电循环中的电位变动大的Cy面的锂化合物的分解,能够抑制电阻上升。Sx/Sy为2.00以下时,能够抑制高温环境下的气体产生。
<高温环境下锂化合物的分解抑制正极、负极的堆积物>
上述正极活性物质层Cy面包含下述式(1)~(3)所示的一种以上的化合物,将上述正极物质层Cy面的每单位质量含量设为Cy3(mol/g)时,Cy3优选为1.60×10-4以上300×10-4以下,进一步优选为5.0×10-4mol/g以上150×10-4以下。
【化4】
Li X1-OR1O-X2Li (1)
{式中,R1是碳原子数为1~4的亚烷基、或碳原子数为1~4的卤代亚烷基,并且X1和X2各自独立地为-(COO)n(其中,n为0或1)。}
【化5】
Li X1-OR1O-X2R2 (2)
{式中,R1是碳原子数为1~4的亚烷基、或碳原子数为1~4的卤代亚烷基,R2是氢、碳原子数为1~10的烷基、碳原子数为1~10的单羟基烷基或多羟基烷基、碳原子数为2~10的链烯基、碳原子数为2~10的单羟基链烯基或多羟基链烯基、碳原子数为3~6的环烷基、或芳基,并且X1和X2各自独立地为-(COO)n(其中,n为0或1)。}
【化6】
R2X1-OR1O-X2R3 (3)
{式中,R1是碳原子数为1~4的亚烷基、或碳原子数为1~4的卤代亚烷基,R2和R3各自独立地为氢、碳原子数为1~10的烷基、碳原子数为1~10的单羟基烷基或多羟基烷基、碳原子数为2~10的链烯基、碳原子数为2~10的单羟基链烯基或多羟基链烯基、碳原子数为3~6的环烷基、或芳基,并且X1和X2各自独立地为-(COO)n(其中,n为0或1)。}
通过使Cy面包含锂化合物,能够抑制高负荷充放电循环中的电阻上升,但另一方面,上述锂化合物在暴露于高温高电压环境下时会缓慢地分解而产生气体。因此,通过在Cy面包含上述式(1)~(3)所示的化合物,能够抑制高温高电压环境下锂化合物的分解。Cy3为1.60×10-4以上时,高温耐久性优异。Cy3为300×10-4以下时,输出特性优异。
式(1)的特别优选的化合物为LiOC2H4OLi、LiOC3H6OLi、LiOC2H4OCOOLi、LiOCOOC3H6OLi、LiOCOOC2H4OCOOLi和LiOCOOC3H6OCOOLi所示的化合物。
式(2)的特别优选的化合物为LiOC2H4OH、LiOC3H6OH、LiOC2H4OCOOH、LiOC3H6OCOOH、LiOCOOC2H4OCOOH、LiOCOOC3H6OCOOH、LiOC2H4OCH3、LiOC3H6OCH3、LiOC2H4OCOOCH3、LiOC3H6OCOOCH3、LiOCOOC2H4OCOOCH3、LiOCOOC3H6OCOOCH3、LiOC2H4OC2H5、LiOC3H6OC2H5、LiOC2H4OCOOC2H5、LiOC3H6OCOOC2H5、LiOCOOC2H4OCOOC2H5、LiOCOOC3H6OCOOC2H5所示的化合物。
式(3)的特别优选的化合物为HOC2H4OH、HOC3H6OH、HOC2H4OCOOH、HOC3H6OCOOH、HOCOOC2H4OCOOH、HOCOOC3H6OCOOH、HOC2H4OCH3、HOC3H6OCH3、HOC2H4OCOOCH3、HOC3H6OCOOCH3、HOCOOC2H4OCOOCH3、HOCOOC3H6OCOOCH3、HOC2H4OC2H5、HOC3H6OC2H5、HOC2H4OCOOC2H5、HOC3H6OCOOC2H5、HOCOOC2H4OCOOC2H5、HOCOOC3H6OCOOC2H5、CH3OC2H4OCH3、CH3OC3H6OCH3、CH3OC2H4OCOOCH3、CH3OC3H6OCOOCH3、CH3OCOOC2H4OCOOCH3、CH3OCOOC3H6OCOOCH3、CH3OC2H4OC2H5、CH3OC3H6OC2H5、CH3OC2H4OCOOC2H5、CH3OC3H6OCOOC2H5、CH3OCOOC2H4OCOOC2H5、CH3OCOOC3H6OCOOC2H5、C2H5OC2H4OC2H5、C2H5OC3H6OC2H5、C2H5OC2H4OCOOC2H5、C2H5OC3H6OCOOC2H5、C2H5OCOOC2H4OCOOC2H5、C2H5OCOOC3H6OCOOC2H5所示的化合物。
作为用于使式(1)~(3)所示的化合物含有于正极活性物质层内的方法,例如可以举出:在正极活性物质层中混合上述化合物的方法;使上述化合物吸附到正极活性物质层的方法;使上述化合物以电化学方式析出到正极活性物质层的方法;等等。其中优选下述方法:使非水系电解液中预先含有能够分解而生成这些上述化合物的前体,利用制作蓄电元件的工序中上述前体的分解反应,使上述化合物堆积于正极活性物质层内。
作为形成式(1)~(3)所示的化合物的前体,优选使用选自由碳酸亚乙酯、碳酸亚丙酯、碳酸亚丁酯、碳酸亚乙烯酯和氟代碳酸亚乙酯组成的组中的至少一种有机溶剂,进一步优选使用碳酸亚乙酯和碳酸亚丙酯。
此外,在与上述Cy面相对的负极活性物质层Ay面包含上述式(1)~(3)所示的化合物,将其含量设为Ay3(mol/g)时,Cy3/Ay3优选为0.2以上20以下。Cy3/Ay3为0.2以上时,能够抑制Cy面的锂化合物的分解,高温耐久性优异。Cy3/Ay3为20以下时,输出特性优异。
<非水系锂蓄电元件的特性评价>
(静电容量)
本说明书中,静电容量Fa(F)为通过以下的方法得到的值:
首先,对于与非水系锂蓄电元件对应的电池,在设定为25℃的恒温槽内,以20C的电流值进行恒流充电至达到3.8V为止,接着进行合计30分钟的施加3.8V恒压的恒压充电。其后,以2C的电流值实施恒流放电至2.2V为止,将此时的容量作为Q(C)。使用此处得到的Q和电压变化ΔVx(V),基于静电容量F=Q/ΔVx=Q/(3.8-2.2)进行计算,将计算出的值称为静电容量Fa(F)。
此处,电流的放电倍率(也称为“C倍率”)是指放电时的电流相对于放电容量的相对比例,通常,从上限电压至下限电压进行恒流放电时,将以1小时完成放电的电流值作为1C。本说明书中,将从上限电压3.8V至下限电压2.2V进行恒流放电时以1小时完成放电的电流值作为1C。
(内部电阻)
本说明书中,内部电阻Ra(Ω)分别是指通过以下的方法得到的值:
首先,对于非水系锂蓄电元件,在设定为25℃的恒温槽内,以20C的电流值进行恒流充电至达到3.8V为止,接着进行合计30分钟的施加3.8V恒压的恒压充电。接着,将取样间隔设为0.1秒,以20C的电流值进行恒流放电至2.2V,得到放电曲线(时间-电压)。在该放电曲线中,由放电时间为2秒和4秒的时刻的电压值以直线近似进行外推,将所得到的放电时间=0秒的电压设为Eo时,内部电阻为通过降压ΔV=3.8-Vo作为Ra=ΔV/(20C的电流值)计算出的值。
(电能)
本说明书中,电能E(Wh)为通过以下的方法得到的值:
使用通过上述方法计算出的静电容量Fa(F),将由电能E=F×(3.82-2.22)/7200计算出的值称为电能。
(体积)
对蓄电元件的体积没有特别指定,是指电极层积体或电极卷绕体中层叠有正极活性物质层和负极活性物质层的区域被外装体所收纳的部分的体积。
例如,在被层压膜所收纳的电极层积体或电极卷绕体的情况下,电极层积体或电极卷绕体中存在有正极活性物质层和负极活性物质层的区域被收纳于进行了杯成型的层压膜中,该蓄电元件的体积(Vx)根据该杯成型部分的外尺寸长度(lx)和外尺寸宽度(wx)、以及包含层压膜的蓄电元件的厚度(tx)通过Vx=lx×wx×tx进行计算。
在收纳于方形金属罐的电极层积体或电极卷绕体的情况下,作为蓄电元件的体积,仅使用该金属罐的以外尺寸计的体积。即,该蓄电元件的体积(Vy)根据方形金属罐的外尺寸长度(ly)和外尺寸宽度(wy)、外尺寸厚度(ty)通过Vy=ly×wy×ty进行计算。
另外,在收纳于圆筒形金属罐的电极卷绕体的情况下,作为蓄电元件的体积,使用该金属罐的以外尺寸计的体积。即,该蓄电元件的体积(Vz)根据圆筒形金属罐的底面或上表面的外尺寸半径(r)、外尺寸长度(lz)通过Vz=3.14×r×r×lz进行计算。
(高负荷充放电循环试验)
本说明书中,高负荷充放电循环试验后的容量维持率利用以下的方法进行测定:首先,对于与非水系锂蓄电元件对应的电池,在设定为25℃的恒温槽内,以200C或300C的电流值进行恒流充电至达到3.8V为止,接着以200C或300C的电流值进行恒流放电至达到2.2V为止。重复60000次上述充放电工序,之后以20C的电流值达到电压4.5V后,以恒压充电1小时。之后,利用上述方法进行静电容量测定,由此求出Fb,将其与试验开始前的静电容量Fa进行比较,由此求出相对于试验开始前的高负荷充放电循环试验后的容量维持率。此时,Fb/Fa为1.01以上时,即便是例如进行了长时间充放电的蓄电元件也能取出充分容量的能量,因此能够延长蓄电元件的更换循环,故优选。
(高负荷充放电循环后的电阻变化率)
重复60000次高负荷充放电循环后,根据上述内部电阻的测定方法对高负荷充放电循环后的内部电阻Rb进行测定。将Rb/Ra作为高负荷充放电循环后的电阻变化率。本发明的第三方式中,高负荷充放电循环试验后的电阻变化率Rb/Ra优选为2.0以下、更优选为1.5以下、进一步优选为1.2以下。高负荷充放电循环试验后的电阻变化率为2.0以下时,即使重复进行充放电也能维持非水系锂蓄电元件的特性,因此能够长时间稳定地得到优异的输入输出特性,使得非水系锂蓄电元件寿命延长。Rb/Ra的下限值优选为0.9以上。
(高温保存试验后的气体产生量)
本说明书中,高温保存试验时的气体产生量利用以下的方法进行测定:
首先,对于与非水系锂蓄电元件对应的电池,在设定为25℃的恒温槽内,以100C的电流值进行恒流充电至达到4.0V为止,接着进行10分钟的施加4.0V恒压的恒压充电。接下来,将非水系锂蓄电元件保存于60℃环境下,每2周从60℃环境下取出,以上述充电工序中将电池电压充电到4.0V后,再次将非水系锂蓄电元件保存于60℃环境下。反复进行该工序,通过阿基米德法测定保存开始前的电池体积Va、保存试验2个月后的电池体积Vb。作为基于阿基米德法的体积测定中使用的溶剂,没有特别限定,优选使用电导率为10μS/cm以下、在浸渍非水系锂蓄电元件时不发生电解的溶剂。例如,适宜使用纯水、氟系惰性液体。特别是,从具有高比重、具有优异的电绝缘性的方面出发,适宜使用氟系惰性液体、例如Fluorinert(注册商标、3M Japan株式会社)FC-40、FC-43等。Vb-Va为在电池电压4.0V和环境温度60℃条件下保存2个月时产生的气体量,利用上述静电容量Fa标准化的值B=(Vb-Va)/Fa为高温保存试验中的标准化产生气体量。
对于高温保存试验后的电池,将根据上述内部电阻的测定方法得到的电阻值作为高温保存试验后的内部电阻Rc(Ω)。
本实施方式的非水系锂蓄电元件优选的是,将上述测定的电池电压3.8V下的内部电阻设为Rc(Ω)、将保存前的内部电阻设为Ra(Ω)、将保存前的静电容量设为Fa(F)时,同时满足以下的条件(a)和(b)两者:
(a)Rc/Ra为3.0以下;以及
(b)将在电池电压4V和环境温度60℃条件下保存2个月时产生的气体量Vb-Va(cc)利用静电容量Fa标准化而得到的值B为5×10-3cc/F以下。
关于条件(a),在长时间暴露于高温环境下的情况下,从对于大电流显示出充分的充电容量和放电容量的方面出发,Rc/Ra优选为3.0以下、更优选为1.5以下、进一步优选为1.2以下。Rc/Ra为上述上限值以下时,能够长时间稳定地得到优异的输出特性,因而使得器件的寿命延长。
关于条件(b),对于将在电池电压4V和环境温度60℃条件下保存2个月时产生的气体量利用静电容量Fa标准化而得到的值B来说,从所产生的气体不使元件特性降低的方面出发,以在25℃所测定的值计,优选为30×10-3cc/F以下、更优选为15×10-3cc/F以下、进一步优选为5×10-3cc/F以下。在上述条件下产生的气体量为上述上限值以下时,即便器件长时间暴露于高温下,也会降低因气体产生而使电池膨胀的可能性。因此,能够得到具有充分的安全性和耐久性的蓄电元件。
<电极中的锂化合物的鉴定方法>
对正极中包含的锂化合物的鉴定方法没有特别限定,例如可以利用下述方法进行鉴定。锂化合物的鉴定优选组合以下记载的多个分析方法来鉴定。
在测定以下记载的SEM-EDX、拉曼、XPS时,优选在氩箱中拆解非水系锂蓄电元件,取出正极,对正极表面所附着的电解质进行清洗后,进行测定。关于正极的清洗方法,只要能冲洗正极表面所附着的电解质即可,因而可以适宜地利用碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯、碳酸二乙酯等碳酸酯溶剂。作为清洗方法,例如,使正极在正极重量的50倍~100倍的碳酸二乙酯溶剂中浸渍10分钟以上,之后更换溶剂,再次浸渍正极。之后将正极从碳酸二乙酯中取出,真空干燥(设为下述条件,在温度:0~200℃、压力:0~20kPa、时间:1小时~40小时的范围内,使正极中的碳酸二乙酯的残存达到1质量%以下。关于碳酸二乙酯的残存量,可以对后述的蒸馏水清洗、液量调整后的水的GC/MS进行测定,基于预先制成的校正曲线来进行定量)后,实施上述SEM-EDX、拉曼、XPS的分析。
在后述的离子色谱法中,可以对利用蒸馏水清洗正极后的水进行分析,由此来鉴定阴离子。
无法利用上述分析方法鉴定锂化合物的情况下,作为其他分析方法,也可以通过使用7Li-固体NMR、XRD(X射线衍射)、TOF-SIMS(飞行时间型二次离子质谱)、AES(俄歇电子能谱)、TPD/MS(程序升温脱附质谱)、DSC(差示扫描量热分析)等来鉴定锂化合物。
[扫描型电子显微镜-能量色散型X射线分析(SEM-EDX)]
含有氧的锂化合物和正极活性物质可以通过氧分布像(其基于以1000倍~4000倍的观察倍率所测定的正极表面的SEM-EDX图像)来判断。作为SEM-EDX图像的测定例,可以使加速电压为10kV、发射电流为1μA、测定像素数为256×256像素、积分次数为50次来进行测定。为了防止试样的带电,也可以通过将金、铂、锇等进行真空蒸镀或溅射等方法来进行表面处理。关于SEM-EDX图像的测定方法,优选将光亮度和对比度调整为分布像中不存在达到最大光亮度值的像素、光亮度值的平均值落入最大光亮度值的40%~60%的范围。对于所得到的氧分布像,以光亮度值的平均值为基准进行二值化时,将包含面积50%以上的亮部的颗粒作为锂化合物。
[显微拉曼分光]
包含碳酸根离子的锂化合物和正极活性物质可以通过以1000倍~4000倍的观察倍率所测定的正极表面的拉曼成像来进行判断。作为测定条件的例子,可以在激发光为532nm、激发光强度为1%、物镜的长工作距离为50倍、衍射光栅为1800gr/mm、分布方式为点扫描(狭缝65mm、像素合并5pix)、步长1mm、每1点的曝光时间为3秒、积分次数为1次、有噪音滤波器的条件下进行测定。关于所测定的拉曼光谱,在1071cm-1~1104cm-1的范围设定直线的基线,将与基线相比为正的值作为碳酸根离子的峰而计算出面积,对频率进行积分,此时,从碳酸根离子的频率分布中减去相对于以高斯函数对噪音成分进行近似的碳酸根离子峰面积的频率。
[X射线光电子光谱法(XPS)]
利用XPS对锂的电子状态进行分析,由此可以判断锂的结合状态。作为测定条件的例子,可以在使X射线源为单色化AlKα、X射线光束直径为100μmφ(25W、15kV)、通能为窄扫描:58.70eV、有带电中和、扫描数为窄扫描10次(碳、氧)、20次(氟)、30次(磷)、40次(锂)、50次(硅)、能量步长为窄扫描0.25eV的条件下进行测定。在XPS的测定前,优选利用溅射对正极的表面进行清洁。作为溅射的条件,例如,可以在加速电压1.0kV、2mm×2mm的范围为1分钟(以SiO2换算为1.25nm/min)的条件下对正极的表面进行清洁。关于所得到的XPS光谱,可以将Li1s的结合能量为50eV~54eV的峰归属为LiO2或Li-C键,将55eV~60eV的峰归属为LiF、Li2CO3、LixPOyFz(x、y、z为1~6的整数);将C1s的结合能量为285eV的峰归属为C-C键,将286eV的峰归属为C-O键,将288eV的峰归属为COO,将290eV~292eV的峰归属为CO3 2-、C-F键;将O1s的结合能量为527eV~530eV的峰归属为O2-(Li2O),将531eV~532eV的峰归属为CO、CO3、OH、POx(x为1~4的整数)、SiOx(x为1~4的整数),将533eV的峰归属为C-O、SiOx(x为1~4的整数);将F1s的结合能量为685eV的峰归属为LiF,将687eV的峰归属为C-F键、LixPOyFz(x、y、z为1~6的整数)、PF6 -;关于P2p的结合能量,将133eV的峰归属为POx(x为1~4的整数),将134eV~136eV的峰归属为PFx(x为1~6的整数);将Si2p的结合能量为99eV的峰归属为Si、硅化物,将101eV~107eV的峰归属为SixOy(x、y为任意的整数)。关于所得到的光谱,在峰重叠的情况下,优选假定高斯函数或洛仑兹函数进行峰分离,对光谱进行归属。可以由上述得到的电子状态的测定结果和存在元素比的结果来鉴定所存在的锂化合物。
[离子色谱法]
利用离子色谱法对正极的蒸馏水清洗液进行分析,由此可以对溶出到水中的阴离子种类进行鉴定。作为所使用的柱,可以使用离子交换型、离子排阻型、反相离子对型。作为检测器,可以使用电导率检测器、紫外可见吸光光度检测器、电化学检测器等,可以使用在检测器前设置抑制器的抑制器方式、或不配置抑制器而将电导率低的溶液用于洗脱液的非抑制器方式。另外,也可以将质谱仪或带电粒子检测器与检测器组合来进行测定,因此,优选基于由SEM-EDX、拉曼、XPS的分析结果所鉴定的锂化合物来组合适当的柱、检测器。
关于样品的保持时间,若确定了所使用的柱或洗脱液等条件,则在每个离子种成分中是恒定的,并且,虽然峰的响应的大小根据每个离子种而不同,但与离子种的浓度是成比例的。通过预先对确保了可追踪性的已知浓度的标准液进行测定,能够进行离子种成分的定性和定量。
<碱金属元素的定量方法ICP-MS>
对于测定试样,使用浓硝酸、浓盐酸、王水等强酸进行酸解,对于所得到的溶液用纯水稀释,以达到2%~3%的酸浓度。在酸解中,也可以适宜加热、加压来进行分解。通过ICP-MS对所得到的稀释液进行分析,此时优选预先加入已知量的元素作为内标。在测定对象的碱金属元素为测定上限浓度以上的情况下,优选在维持稀释液的酸浓度的状态下进一步稀释。对于所得到的测定结果,可以基于利用化学分析用的标准液预先制成的校正曲线,对各元素进行定量。
<锂化合物的定量方法>
下面记载正极中包含的锂化合物的定量方法。可以利用有机溶剂对正极进行清洗,之后用蒸馏水进行清洗,由用蒸馏水清洗前后的正极的重量变化对锂化合物进行定量。对进行测定的正极的面积没有特别限制,从降低测定偏差的方面出发,优选为5cm2以上200cm2以下、进一步优选为25cm2以上150cm2以下。面积为5cm2以上时,可确保测定的重现性。面积为200cm2以下时,样品的处理性优异。关于利用有机溶剂的清洗,只要能够去除在正极表面堆积的电解液分解物即可,对有机溶剂没有特别限定,通过使用上述锂化合物的溶解度为2%以下的有机溶剂,可抑制锂化合物的溶出,故优选。例如适宜使用甲醇、乙醇、丙酮、乙酸甲酯等极性溶剂。
关于正极的清洗方法,将正极在相对于正极的重量为50倍~100倍的甲醇溶液中充分浸渍3天以上。此时,优选实施将容器盖上盖子等对策,以防止甲醇挥发。之后,将正极从甲醇中取出,真空干燥(设为下述条件,在温度:100℃~200℃、压力:0~10kPa、时间:5小时~20小时的范围内,使正极中的甲醇残存达到1质量%以下。关于甲醇的残存量,可以对后述的蒸馏水清洗后的水的GC/MS进行测定,基于预先制成的校正曲线来进行定量),将此时的正极的重量设为M0(g)。接着,将正极在正极的重量的100倍(100M0(g))的蒸馏水中充分浸渍3天以上。此时,优选实施将容器盖上盖子等对策,以防止蒸馏水挥发。浸渍3天以上后,将正极从蒸馏水中取出(在测定上述离子色谱法的情况下,将液量调整为蒸馏水的量达到100M0(g)),与上述甲醇清洗同样地进行真空干燥。将此时的正极的重量设为M1(g),接着,为了对所得到的正极的集电体的重量进行测定,利用抹刀、刷、刷毛等去除集电体上的正极活性物质层。将所得到的正极集电体的重量设为M2(g),正极中包含的锂化合物的质量%Z可以由(4)式算出。
【数4】
Z=100×[1-(M1-M2)/(Mo-M2)] (4)
<正极活性物质层的基重、锂化合物量的定量方法Cx1、Cy1、Cx2、Cy2的计算>
如上述那样利用上述极性溶剂进行清洗,将真空干燥后得到的正极切成两半,一个作为正极Cx0,另一个作为正极Cy0,面积分别设为XC(m2)和YC(m2)。利用抹刀、刷、刷毛等去除正极Cx0的Cy面的正极活性物质层以及正极Cy0的Cx面的正极活性物质层,将正极Cx0的重量设为M0x(g)、并将正极Cy0的重量设为M0y(g)。接着,将正极Cx0和正极Cy0在各自重量的100倍~150倍的蒸馏水中充分浸渍3天以上。在浸渍期间,优选将容器盖上盖子,以防止蒸馏水挥发,为了促进锂化合物的溶出,优选偶尔对水溶液进行搅拌。浸渍3天以上后,将正极Cx0和正极Cy0从蒸馏水中取出,与上述乙醇清洗同样地进行真空干燥。将真空干燥后的正极Cx0和正极Cy0的重量分别设为M1x(g)和M1y(g)。接着,为了对所得到的正极Cx0和正极Cy0的集电体的重量进行测定,利用抹刀、刷、刷毛等去除残留于正极Cx0和正极Cy0的正极活性物质层。将所得到的正极集电体的重量设为M2x(g)和M2y(g),则正极Cx0的正极活性物质层的基重Cx1(g/m2)、以及正极Cy0的正极活性物质层的基重Cy1(g/m2)可以由(5)式算出。
【数5】
Cx1=(M1x-M2x)/XC、以及
Cy1=(M1y-M2y)/YC (5)
Cx0的每单位面积锂化合物量Cx2(g/m2)和Cy0的每单位面积锂化合物量Cy2(g/m2)可以由下述式(6)算出。
【数6】
Cx2=(M0x-M1x)/XC、以及
Cy2=(M0y-M1y)/YC (6)
需要说明的是,在正极活性物质层中包含多种锂化合物的情况下;除了锂化合物以外,在下式中设M为选自Na、K、Rb以及Cs中的一种以上,包含M2O等氧化物、MOH等氢氧化物、MF或MCl等卤化物、M2(CO2)2等草酸盐、RCOOM(式中,R为H、烷基或芳基)等羧酸盐的情况下;以及正极活性物质层包含选自BeCO3、MgCO3、CaCO3、SrCO3以及BaCO3中的碱土金属碳酸盐、或碱土金属氧化物、碱土金属氢氧化物、碱土金属卤化物、碱土金属草酸盐、或碱土金属羧酸盐的情况下,将它们的总量作为锂化合物量算出。
<负极活性物质层的基重的计算Ax1、Ay1的计算>
以下记载负极活性物质层的基重的定量方法。在上述氩箱中,从电极层积体切割出负极,用有机溶剂进行清洗。作为用于清洗的有机溶剂,将堆积于负极表面的电解液分解物去除并与负极中的锂离子反应的溶剂即可,没有特别限定,适宜使用甲醇、乙醇、异丙醇等醇、或者它们的混合溶剂。所测定的负极的面积没有特别限制,从降低测定偏差的方面出发,优选为5cm2以上200cm2以下、进一步优选为25cm2以上150cm2以下。面积为5cm2以上时,可确保测定的重现性。面积为200cm2以下时,样品的处理性优异。
关于负极的清洗方法,将负极在相对于负极的重量为50倍~100倍的乙醇溶液中充分浸渍3天以上。在浸渍期间,优选例如将容器盖上盖子,以防止乙醇挥发。浸渍3天以上后,将负极从乙醇中取出,进行真空干燥。真空干燥的条件设为下述条件,在温度:100℃~200℃、压力:0~10kPa、时间:5小时~20小时的范围内,使负极中的乙醇残存达到1质量%以下。关于乙醇的残存量,可以将真空干燥后的负极浸渍于碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、或者碳酸甲乙酯等有机溶剂中,之后测定上述有机溶剂的GC/MS,基于预先制成的校正曲线来进行定量。
将真空干燥后的负极切成两半,一个作为负极Ax0,另一个作为负极Ay0,面积分别设为XA(m2)和YA(m2)。利用抹刀、刷、刷毛等去除负极Ax0的Ay面的负极活性物质层以及负极Ay0的Ax面的负极活性物质层,将负极Ax0的重量设为M0xA(g)、并将负极Ay0的重量设为M0yA(g)。接着,为了对所得到的负极Ax0和负极Ay0的集电体的重量进行测定,利用抹刀、刷、刷毛等将残留于负极Ax0和负极Ay0的负极活性物质层去除。将所得到的负极集电体的重量设为M1xA(g)和M1yA(g),则负极Ax0的负极活性物质层的基重Ax1(g/m2)以及负极Ay0的负极活性物质层的基重Ay1(g/m2)可以由(7)式算出。
【数7】
Ax1=(M0xA-M1xA)/XA、以及
Ay1=(M0yA-M1yA)/YA (7)
实施例
下面,示出实施例和比较例进一步明确本发明的特征。但是本发明并不受以下实施例的任何限定。
以下,对第一方式中的实施方式进行具体说明。
<实施例1>
<正极活性物质的制备>
[制备例1a]
将破碎的椰壳碳化物在小型碳化炉中、在氮中于500℃进行3小时碳化处理,得到碳化物。将所得到的碳化物装入活化炉内,将1kg/h的水蒸气以经预热炉加热的状态导入上述活化炉内,利用8小时的时间升温至900℃进行活化。取出活化后的碳化物,在氮气气氛下冷却,得到经活化的活性炭。对所得到的活性炭进行12小时通水清洗后除去水分。之后,在保持为125℃的电烘干机内干燥10小时,之后利用球磨机进行1小时粉碎,从而得到活性炭1a。
对于该活性炭1a,使用岛津制作所公司制造的激光衍射式粒度分布测定装置(SALD-2000J)测定平均粒径,结果为12.7μm。另外,使用Yuasa Ionics公司制造的细孔分布测定装置(AUTOSORB-1AS-1-MP)测定细孔分布。其结果,BET比表面积为2330m2/g,中孔量(V1)为0.52cc/g,微孔量(V2)为0.88cc/g,V1/V2=0.59。
[制备例2a]
将酚树脂在氮气气氛下、在烧制炉中于600℃进行2小时的碳化处理,之后利用球磨机粉碎,进行分级,得到平均粒径为7μm的碳化物。将该碳化物和KOH以1:5的质量比混合,在氮气气氛下、在烧制炉中于800℃加热1小时,进行活化。之后,在浓度调整为2mol/L的稀盐酸中进行1小时搅拌清洗后,在蒸馏水中煮沸清洗直至pH稳定在5~6之间,之后进行干燥,从而得到活性炭2a。
对于该活性炭2a,使用使用岛津制作所公司制造的激光衍射式粒度分布测定装置(SALD-2000J)测定平均粒径,结果为7.0μm。另外,使用Yuasa Ionics公司制造的细孔分布测定装置(AUTOSORB-1AS-1-MP)测定细孔分布。其结果,BET比表面积为3627m2/g,中孔量(V1)为1.50cc/g,微孔量(V2)为2.28cc/g,V1/V2=0.66。
<碳酸锂的粉碎>
对于平均粒径为53μm的碳酸锂200g,使用IMEX公司制造的粉碎机(液氮珠磨机LNM),用液氮冷却到-196℃后,利用干冰珠以10.0m/s的圆周速度粉碎20分钟。对于通过以-196℃防止热改性并进行脆性破坏而得到的碳酸锂1测定平均粒径,结果为1.8μm。
<正极前体的制造>
使用上述活性炭2a作为正极活性物质,将上述碳酸锂1作为锂化合物,制造出正极前体。
将活性炭2a(55.5质量份)、碳酸锂1(32.0质量份)、科琴黑3.0质量份、PVP(聚乙烯吡咯烷酮)1.5质量份和PVDF(聚偏二氟乙烯)8.0质量份、以及NMP(N-甲基吡咯烷酮)混合,使用PRIMIX公司制造的薄膜旋回型高速搅拌机FILMIX,以圆周速度为17m/s的条件对其进行分散,得到涂布液。使用东机产业公司的E型粘度计TVE-35H,对所得到的涂布液的粘度(ηb)和TI值进行测定。其结果,粘度(ηb)为2,300mPa·s,TI值为3.2。另外,使用YOSHIMITSUSEIKI公司制造的粒度计,对所得到的涂布液的分散度进行了测定。其结果,粒度为32μm。使用东丽工程公司制造的模涂机,在厚度为15μm的铝箔的单面或双面以涂布速度为1m/s的条件进行上述涂布液的涂布,以120℃的干燥温度进行干燥,得到正极前体1(单面)和正极前体1(双面)。对于所得到的正极前体1(单面)和正极前体1(双面),使用辊压机,以压力为6kN/cm、压制部的表面温度为25℃的条件实施压制。对于上述得到的正极前体1(单面)和正极前体1(双面)的正极活性物质层的膜厚,使用小野计器公司制造的膜厚计Linear GaugeSensor GS-551,在正极前体1的任意十处进行测定,由所测定的厚度的平均值减去铝箔的厚度而求出。其结果,关于正极活性物质层的膜厚,每个单面的厚度为62μm。
<负极活性物质的制备制备例1a1>
使用Yuasa Ionics公司制造的细孔分布测定装置(AUTOSORB-1AS-1-MP),通过上述方法测定市售的椰壳活性炭的BET比表面积和细孔分布。其结果,BET比表面积为1,790m2/g,中孔量(V1)为0.199cc/g,微孔量(V2)为0.698cc/g,V1/V2=0.29,并且平均细孔径为
将该椰壳活性炭300g装入不锈钢网制笼中,放在加入有煤炭系沥青(软化点:50℃)540g的不锈钢制盘上,将两者设置在电炉(炉内有效尺寸300mm×300mm×300mm)内,进行热反应,由此得到复合多孔质碳材料1a1。该热处理利用了下述方法:在氮气气氛下进行,用8小时升温至600℃,并以相同温度保持4小时。接着,通过自然冷却而冷却至60℃,之后将复合碳材料1a1从炉中取出。
对于所得到的复合碳材料1a1,利用与上述相同的方法测定了BET比表面积和细孔分布。其结果,BET比表面积为262m2/g,中孔量(Vm1)为0.186cc/g,微孔量(Vm2)为0.082cc/g,Vm1/Vm2=2.27。另外,在复合碳材料1a1中,来自煤炭系沥青的碳质材料相对于活性炭的质量比例为78%。
<负极的制造>
使用上述复合碳材料1a1作为负极活性物质,制造负极。
将复合碳材料1a1(84质量份)、乙炔黑10质量份和PVdF(聚偏二氟乙烯)6质量份、以及NMP(N-甲基吡咯烷酮)混合,使用PRIMIX公司制造的薄膜旋回型高速搅拌机FILMIX,以圆周速度为17m/s的条件对其进行分散,得到涂布液。使用东机产业公司的E型粘度计TVE-35H,对所得到的涂布液的粘度(ηb)和TI值进行测定。其结果,粘度(ηb)为2,789mPa·s,TI值为4.3。使用东丽工程公司制造的模涂机,在厚度为10μm的电解铜箔的双面以涂布速度为2m/s的条件进行上述涂布液的涂布,以120℃的干燥温度进行干燥,得到负极1。对于所得到的负极1,使用辊压机,以压力为5kN/cm、压制部的表面温度为25℃的条件实施压制。对于上述得到的负极1的负极活性物质层的膜厚,使用小野计器公司制造的膜厚计Linear GaugeSensor GS-551,在负极1的任意十处进行测定,由所测定的厚度的平均值减去铜箔的厚度而求出。其结果,关于负极活性物质层的膜厚,每个单面的厚度为40μm。
[负极单位重量的容量的测定]
将上述得到的负极1以1.4cm×2.0cm(2.8cm2)的尺寸切割出1片,使用抹刀、刷、刷毛将涂布至铜箔双面的负极活性物质层的一侧的层除去,作为工作电极,作为反电极和参比电极,分别使用金属锂,作为电解液,使用在碳酸亚乙酯(EC)与碳酸甲乙酯(EMC)的体积比为1:1的混合溶剂中以1.0mol/L的浓度溶解LiPF6而得到的非水系溶液,在氩箱中制作出电化学电池。
对于所得到的电化学电池,使用TOYO SYSTEM公司制造的充放电装置(TOSCAT-3100U),按照下述顺序测定了初期充电容量。
对于电化学电池,在温度25℃以电流值0.5mA/cm2进行恒流充电至电压值达到0.01V为止,之后进一步进行恒压充电至电流值达到0.01mA/cm2为止。将该恒流充电和恒压充电时的充电容量作为初次充电容量进行评价,结果为1.6mAh,负极1的每单位质量的容量(锂离子的掺杂量)为1460mAh/g。
<电解液的制备>
作为有机溶剂,使用碳酸亚乙酯(EC):碳酸甲乙酯(EMC)=33:67(体积比)的混合溶剂,相对于全部电解液,按照LiN(SO2F)2和LiPF6的浓度比为75:25(摩尔比)、且LiN(SO2F)2和LiPF6的浓度之和为1.2mol/L的方式溶解各电解质盐,得到非水系电解液1。电解液1中的LiN(SO2F)2和LiPF6的浓度分别为0.9mol/L和0.3mol/L。
<非水系锂蓄电元件的制作>
对于所得到的正极前体1,按照正极活性物质层为10.0cm×10.0cm(100cm2)的大小的方式,切割出2片正极前体1(单面)、19片正极前体1(双面)。接着,将负极1按照负极活性物质层为10.1cm×10.1cm(102cm2)的大小的方式切割出20片,并准备40片10.3cm×10.3cm(106cm2)的聚乙烯制的隔板(旭化成制造、厚度为10μm)。将它们按照最外层为正极前体1(单面)的方式,按照正极前体、隔板、负极的顺序,使正极活性物质层和负极活性物质层隔着隔板相对地进行层积,得到电极层积体。在所得到的电极层积体上超声波焊接正极端子和负极端子,装入由铝层压包装材料形成的容器中,通过热封对包含电极端子部的三边进行密封。在温度25℃、露点-40℃以下的干燥空气环境下、在大气压下,将上述非水系电解液约80g注入到收纳于铝层压包装材料中的电极层积体,共制作出2个非水系锂蓄电元件。接着,将上述非水系锂蓄电元件放入减压腔室中,从大气压减压至-87kPa后,恢复到大气压,静置5分钟。之后,重复四次从大气压减压至-87kPa后恢复到大气压的工序,之后静置15分钟。进而,从大气压减压至-91kPa后,恢复到大气压。合计重复7次同样地减压并恢复到大气压的工序(分别减压至-95kPa、-96kPa、-97kPa、-81kPa、-97kPa、-97kPa、-97kPa)。通过以上的工序,使非水系电解液浸渗于电极层积体。
之后,将非水系锂蓄电元件装入减压密封机中,在减压至-95kPa的状态下,于180℃以10秒、0.1MPa的压力进行密封,由此对铝层压包装材料进行密封。
[锂掺杂工序]
将所得到的非水系锂蓄电元件装入温度25℃、露点-60℃、氧浓度1ppm的氩箱内。切断上述非水系锂蓄电元件的铝层压包装材料的剩余部分而开封,使用MatsusadaPrecision公司制造的电源(P4LT18-0.2),以电流值50mA进行恒流充电至电压达到4.5V为止后,接着继续72小时的4.5V恒压充电,通过上述方法进行初期充电,对负极进行锂掺杂。锂掺杂结束后,使用FUJI IMPULSE公司制造的热封机(FA-300)对铝层压体进行密封。
[老化工序]
将锂掺杂后的非水系锂蓄电元件从氩箱取出,在25℃环境下、以50mA进行恒流放电至电压达到3.0V为止后,进行1小时3.0V恒流放电,由此将电压调整为3.0V。接着,将非水系锂蓄电元件在60℃的恒温槽中保存48小时。
[排气工序]
对于老化后的非水系锂蓄电元件,在温度25℃、露点-40℃的干燥空气环境下,将铝层压包装材料的一部分开封。接着,将上述非水系锂蓄电元件装入减压腔室中,合计重复3次利用隔膜泵(KNF公司制造、N816.3KT.45.18)以3分钟的时间从大气压减压至-80kPa后、以3分钟的时间恢复到大气压的工序。之后,将非水系锂蓄电元件装入减压密封机中,减压至-90kPa后,于200℃以10秒、0.1MPa的压力进行密封,由此将铝层压包装材料密封。
<非水系锂蓄电元件的评价>
[静电容量Fa的测定]
上述工序中得到的非水系锂蓄电元件中,针对一个在设定为25℃的恒温槽内,使用FUJITSU TELECOM NETWORKS LIMITED制造的充放电装置(5V,360A),使用FUJITSUTELECOM NETWORKS FUKUSHIMA株式会社制造的充放电装置(5V,360A),以2C的电流值(1A)进行恒流充电至达到3.8V为止,接着进行合计30分钟施加3.8V恒压的恒压充电。之后,以2C的电流值(1A)实施恒流放电至2.2V为止,将此时的容量设为Q(C),通过F=Q/(3.8-2.2)算出的静电容量Fa为1677F。
[Ra·Fa的计算]
对于上述工序中得到的非水系锂蓄电元件,在设定为25℃的恒温槽内,使用FUJITSU TELECOM NETWORKS FUKUSHIMA株式会社制造的充放电装置(5V,360A),以20C的电流值(15A)进行恒流充电至达到3.8V为止,接着进行合计30分钟施加3.8V恒压的恒压充电。之后,将采样时间设为0.1秒,以20C的电流值(15A)进行恒流放电至2.2V为止,得到放电曲线(时间-电压)。在该放电曲线中,由放电时间为2秒和4秒的时刻的电压值以直线近似进行外推,将所得到的放电时间=0秒的电压设为Eo,通过降压ΔE=3.8-Eo和R=ΔE/(电流值20C)计算出内部电阻Ra,结果为0.50mΩ。
静电容量F与25℃的内部电阻Ra之积Ra·Fa为0.84ΩF。
[电能的计算]
利用上述方法测定非水系锂蓄电元件的体积,计算出电能,结果为43.7Wh/L。
[高负荷充放电循环试验]
对于上述工序中得到的非水系锂蓄电元件,在设定为25℃的恒温槽内,使用FUJITSU TELECOM NETWORKS FUKUSHIMA株式会社制造的充放电装置(5V,360A)以200C的电流值(150A)进行恒流充电至达到3.8V为止,接着以200C的电流值进行恒流放电至达到2.2V为止,以无休止的条件重复60000次上述充放电工序。循环结束后以20C的电流值(15A)充电至4.5V为止,之后继续1小时恒压充电。之后测定静电容量Fb,结果为1732F,Fb/Fa=1.03。
<X1、Y1、A1、A2的计算>
[正极试样的制备]
将上述工序中得到的剩余的非水系锂蓄电元件在露点温度为-72℃的氩箱中拆解,将双面涂布有正极活性物质层的正极切割成10cm×5cm的尺寸,浸渍于30g的碳酸二乙酯溶剂中,偶尔用镊子移动正极,清洗10分钟。接着将正极取出,在氩箱中风干5分钟,将正极浸渍于新准备的30g的碳酸二乙酯溶剂中,利用与上述相同的方法清洗10分钟。将正极从氩箱取出,使用真空干燥机(Yamato Scientific Co.,Ltd.制造、DP33)以温度为25℃、压力为1kPa的条件干燥20小时,得到正极试样1。
[正极表面SEM和EDX测定]
由正极试样1切割出1cm×1cm的小片,在10Pa的真空中通过溅射在表面涂布了金。接着,在以下所示的条件下,在大气暴露下测定正极表面的SEM以及EDX。
(SEM-EDX测定条件)
·测定装置:Hitachi High-Technologies制造、场发射扫描型电子显微镜FE-SEMS-4700
·加速电压:10kV
·发射电流:10μA
·测定倍率:2000倍
·电子射线入射角度:90°
·X射线取出角度:30°
·死区时间:15%
·分布像元素:C,O,F
·测定像素数:256×256像素
·测定时间:60sec.
·积分次数:50次
·将光亮度和对比度调整为分布像中不存在达到最大光亮度值的像素,光亮度值的平均值落入最大光亮度值的40%~60%的范围。
(SEM-EDX的分析)
对于所得到的氧分布像和氟分布像,使用图像分析软件(ImageJ),以光亮度值的平均值为基准进行二值化。此时的氧分布像的面积相对于全部图像为16.7%,氟分布像的面积为32.7%。上述进行二值化而得到的氧分布像与氟分布像重复的面积相对于全部图像为13.9%,若将氟分布像相对于氧分布像的面积重复率设为A1(%),则可以通过A1=100×13.9/16.7计算出为83.2%。
[正极截面SEM和EDX测定]
由正极试样1切割出1cm×1cm的小片,使用日本电子制造的SM-09020CP,使用氩气,以加速电压为4kV、光束直径为500μm的条件制作与正极试样1的表面方向垂直的截面。之后,利用上述方法测定正极截面SEM和EDX。
对于由上述测定的正极截面SEM和EDX得到的图像,使用图像分析软件(ImageJ)进行图像分析,由此计算出X1和Y1。对于所得到的氧分布像,将包含面积50%以上的以光亮度值的平均值为基准进行二值化的亮部的颗粒作为锂化合物的颗粒X,并将除此以外的颗粒作为正极活性物质的颗粒Y,针对截面SEM图像中所观察到的X、Y各自的全部颗粒求出截面积S,利用下述式(1)计算出粒径d。(圆周率记为π)
【数8】
d=2×(S/π)1/2 (1)
使用所得到的粒径d,由下述式(2)求出体积平均粒径X0和Y0
【数9】
X0(Y0)=∑[4/3π×(d/2)3×d]/∑[4/3π×(d/2)3] (2)
改变正极截面的视野,合计进行5处测定,各X0和Y0的平均值即平均粒径X1为0.7μm、Y1为6.7μm。
接着,对于所得到的正极截面的SEM-EDX,与上述同样地对氧分布像和氟分布像进行二值化,计算出氟分布像相对于氧分布像的面积重复率A2,结果为39.5%。
<锂化合物的定量>
将上述得到的正极试样1切割成5cm×5cm的尺寸(重量0.256g),浸渍于20g的甲醇中,将容器盖上盖子,在25℃环境下静置3天。之后取出正极,在120℃、5kPa的条件下真空干燥10小时。此时的正极重量M0为0.250g,对于清洗后的甲醇溶液,在预先制作了校正曲线的条件下测定GC/MS,确认到碳酸二乙酯的存在量小于1%。接着,将正极浸渗于25.00g的蒸馏水中,将容器盖上盖子,在45℃环境下静置3天。之后取出正极,在150℃、3kPa的条件下真空干燥12小时。此时的正极重量M1为0.236g,对于清洗后的蒸馏水,在预先制作了校正曲线的条件下测定GC/MS,确认到甲醇的存在量小于1%。之后,利用抹刀、刷、刷毛去除正极集电体上的活性物质层,测定正极集电体的重量M2,结果为0.099g。根据(4)式对正极中的碳酸锂量Z进行定量,结果为9.3质量%。
<实施例2>
对于非水系锂蓄电元件的充电,以电流值100mA进行恒流充电至电压达到4.6V为止后,接着继续40小时4.6V恒压充电,通过上述方法进行初期充电,对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与实施例1同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例3>
对于非水系锂蓄电元件的充电,以电流值200mA进行恒流充电至电压达到4.3V为止后,接着继续10小时4.3V恒压充电,通过上述方法进行初期充电,对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与实施例1同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例4>
对于碳酸锂的粉碎,用液氮冷却到-196℃后,使用φ1.0mm的氧化锆珠以10.0m/s的圆周速度粉碎10分钟,除此以外,利用与实施例1同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例5>
对于碳酸锂的粉碎,用液氮冷却到-196℃后,使用φ1.0mm的氧化锆珠以10.0m/s的圆周速度粉碎5分钟,除此以外,利用与实施例1同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例6>
对于碳酸锂的粉碎,用液氮冷却到-196℃后,使用φ1.0mm的氧化锆珠以10.0m/s的圆周速度粉碎3分钟,除此以外,利用与实施例1同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例7>
对于碳酸锂的粉碎,用液氮冷却到-196℃后,使用φ1.0mm的氧化锆珠以10.0m/s的圆周速度粉碎20分钟,对于非水系锂蓄电元件的充电,在45℃环境下以电流值200mA进行恒流充电至电压达到4.5V为止后,接着继续20小时4.5V恒压充电,通过上述方法进行初期充电,对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与实施例1同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例8>
对于非水系锂蓄电元件的充电,以电流值200mA进行恒流充电至电压达到4.3V为止后,接着继续10小时4.3V恒压充电,通过上述方法进行初期充电,对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与实施例7同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例9>
对于非水系锂蓄电元件的充电,以电流值200mA进行恒流充电至电压达到4.3V为止后,接着继续5小时4.5V恒压充电,通过上述方法进行初期充电,对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与实施例7同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例10>
对于碳酸锂的粉碎,用液氮冷却到-196℃后,使用φ1.0mm的氧化锆珠以10.0m/s的圆周速度粉碎5分钟,除此以外,利用与实施例7同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例11>
对于非水系锂蓄电元件的充电,以电流值200mA进行恒流充电至电压达到4.3V为止后,接着继续2小时4.3V恒压充电,通过上述方法进行初期充电,对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与实施例10同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例12>
对于非水系锂蓄电元件的充电,以电流值200mA进行恒流充电至电压达到4.5V为止后,接着继续6小时4.5V恒压充电,通过上述方法进行初期充电,对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与实施例10同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例13>
对于非水系锂蓄电元件的充电,以电流值200mA进行恒流充电至电压达到4.5V为止后,接着继续1小时4.5V恒压充电,通过上述方法进行初期充电,对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与实施例10同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例14>
对于非水系锂蓄电元件的充电,以电流值100mA进行恒流充电至电压达到4.2V为止后,接着继续1小时4.2V恒压充电,通过上述方法进行初期充电,对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与实施例10同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例1>
对于碳酸锂的粉碎,在25℃环境下、使用φ1.0mm的氧化锆珠以10.0m/s的圆周速度粉碎5分钟,除此以外,利用与实施例1同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例2>
对于非水系锂蓄电元件的充电,以电流值100mA进行恒流充电至电压达到4.6V为止后,接着继续40小时4.6V恒压充电,通过上述方法进行初期充电,对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与比较例1同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例3>
对于非水系锂蓄电元件的充电,以电流值200mA进行恒流充电至电压达到4.3V为止后,接着继续10小时4.3V恒压充电,通过上述方法进行初期充电,对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与比较例1同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例4>
对于碳酸锂的粉碎,在25℃环境下、使用φ1.0mm的氧化锆珠以10.0m/s的圆周速度粉碎2分钟,除此以外,利用与实施例1同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例5>
对于非水系锂蓄电元件的充电,以电流值200mA进行恒流充电至电压达到4.3V为止后,接着继续10小时4.3V恒压充电,通过上述方法进行初期充电,对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与比较例4同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例6>
对于非水系锂蓄电元件的充电,以电流值200mA进行恒流充电至电压达到4.3V为止后,接着继续10小时4.3V恒压充电,通过上述方法进行初期充电,对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与比较例4同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例7>
对于非水系锂蓄电元件的充电,在45℃环境下、以电流值200mA进行恒流充电至电压达到4.5V为止后,接着继续20小时4.5V恒压充电,通过上述方法进行初期充电,对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与比较例1同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例8>
对于非水系锂蓄电元件的充电,以电流值100mA进行恒流充电至电压达到4.6V为止后,接着继续40小时4.6V恒压充电,通过上述方法进行初期充电,对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与比较例7同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例9>
对于非水系锂蓄电元件的充电,以电流值200mA进行恒流充电至电压达到4.3V为止后,接着继续10小时4.3V恒压充电,通过上述方法进行初期充电,对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与比较例7同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例10>
对于非水系锂蓄电元件的充电,在0℃环境下、以电流值200mA进行恒流充电至电压达到4.5V为止后,接着继续20小时4.5V恒压充电,通过上述方法进行初期充电,对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与比较例1同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例11>
对于非水系锂蓄电元件的充电,以电流值100mA进行恒流充电至电压达到4.6V为止后,接着继续40小时4.6V恒压充电,通过上述方法进行初期充电,对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与比较例10同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例12>
对于非水系锂蓄电元件的充电,以电流值200mA进行恒流充电至电压达到4.3V为止后,接着继续10小时4.3V恒压充电,通过上述方法进行初期充电,对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与比较例10同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
将实施例1~14、比较例1~12的非水系锂蓄电元件的评价结果示于表1。
【表1】
<实施例15>
<碳酸锂的粉碎>
对于平均粒径为53μm的碳酸锂200g,使用IMEX公司制造的粉碎机(液氮珠磨机LNM),用液氮冷却到-196℃后,使用φ1.0mm的氧化锆珠以10.0m/s的圆周速度粉碎30分钟。通过以-196℃防止热改性并进行脆性破坏而得到的碳酸锂2测定平均粒径,结果为3.8μm。
<正极前体的制造>
使用上述活性炭1a作为正极活性物质,将上述碳酸锂2作为锂化合物,制造出正极前体。
将活性炭1a(55.5质量份)、碳酸锂2(32.0质量份)、科琴黑3.0质量份、PVP(聚乙烯吡咯烷酮)1.5质量份和PVDF(聚偏二氟乙烯)8.0质量份、以及NMP(N-甲基吡咯烷酮)混合,使用PRIMIX公司制造的薄膜旋回型高速搅拌机FILMIX,以圆周速度为17m/s的条件对其进行分散,得到涂布液。使用东机产业公司的E型粘度计TVE-35H,对所得到的涂布液的粘度(ηb)和TI值进行测定。其结果,粘度(ηb)为2,100mPa·s,TI值为3.7。另外,使用YOSHIMITSUSEIKI公司制造的粒度计,对所得到的涂布液的分散度进行了测定。其结果,粒度为42μm。使用东丽工程公司制造的模涂机,在厚度为15μm的铝箔的单面或双面以涂布速度为1m/s的条件进行上述涂布液的涂布,以120℃的干燥温度进行干燥,得到正极前体2(单面)和正极前体2(双面)。对于所得到的正极前体2(单面)和正极前体2(双面),使用辊压机,以压力为6kN/cm、压制部的表面温度为25℃的条件实施压制。对于上述得到的正极前体2(单面)和正极前体2(双面)的正极活性物质层的膜厚,使用小野计器公司制造的膜厚计Linear GaugeSensor GS-551,在正极前体2的任意十处进行测定,由所测定的厚度的平均值减去铝箔的厚度而求出。其结果,关于正极活性物质层的膜厚,每个单面的厚度为58μm。
<负极活性物质的制备制备例2a1>
使用Yuasa Ionics公司制造的细孔分布测定装置(AUTOSORB-1AS-1-MP),通过上述方法测定市售的人造石墨的BET比表面积和细孔分布。其结果,BET比表面积为3.1m2/g,平均粒径为4.8μm。
将该人造石墨300g装入不锈钢网制笼中,放在加入有煤炭系沥青(软化点:50℃)30g的不锈钢制盘上,将两者设置在电炉(炉内有效尺寸300mm×300mm×300mm)内,进行热反应,由此得到复合多孔质碳材料2a1。该热处理利用了下述方法:在氮气气氛下进行,用12小时升温至1000℃,并以相同温度保持5小时。接着,通过自然冷却而冷却至60℃,之后将复合碳材料2a1从炉中取出。
对于所得到的复合碳材料2a1,利用与上述相同的方法测定了BET比表面积和细孔分布。其结果,BET比表面积为6.1m2/g,平均粒径为4.9μm。另外,在复合碳材料2a1中,来自煤炭系沥青的碳质材料相对于活性炭的质量比例为2.0%。
<负极的制造>
使用上述复合碳材料2a1作为负极活性物质,制造负极。
将复合碳材料2a1(84质量份)、乙炔黑10质量份和PVdF(聚偏二氟乙烯)6质量份、以及NMP(N-甲基吡咯烷酮)混合,使用PRIMIX公司制造的薄膜旋回型高速搅拌机FILMIX,以圆周速度为17m/s的条件对其进行分散,得到涂布液。使用东机产业公司的E型粘度计TVE-35H,对所得到的涂布液的粘度(ηb)和TI值进行测定。其结果,粘度(ηb)为2,326mPa·s,TI值为2.7。使用东丽工程公司制造的模涂机,在厚度为10μm的电解铜箔的双面以涂布速度为2m/s的条件进行上述涂布液的涂布,以120℃的干燥温度进行干燥,得到负极2。对于所得到的负极2,使用辊压机,以压力为5kN/cm、压制部的表面温度为25℃的条件实施压制。对于上述得到的负极2的负极活性物质层的膜厚,使用小野计器公司制造的膜厚计Linear GaugeSensor GS-551,在负极2的任意十处进行测定,由所测定的厚度的平均值减去铜箔的厚度而求出。其结果,关于负极活性物质层的膜厚,每个单面的厚度为30μm。
利用上述方法测定每单位质量的锂离子的掺杂量,结果为545mAh/g。
<非水系锂蓄电元件的制作>
使用正极前体2(单面)、正极前体2(双面)和负极2,除此以外,利用与实施例1同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例16>
对于非水系锂蓄电元件的充电,以电流值100mA进行恒流充电至电压达到4.6V为止后,接着继续40小时4.6V恒压充电,通过上述方法进行初期充电,对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与实施例15同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例17>
对于非水系锂蓄电元件的充电,以电流值200mA进行恒流充电至电压达到4.3V为止后,接着继续10小时4.3V恒压充电,通过上述方法进行初期充电,对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与实施例15同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例18>
对于碳酸锂的粉碎,用液氮冷却到-196℃后,使用φ1.0mm的氧化锆珠以10.0m/s的圆周速度粉碎10分钟,除此以外,利用与实施例15同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例19>
对于碳酸锂的粉碎,用液氮冷却到-196℃后,使用φ1.0mm的氧化锆珠以10.0m/s的圆周速度粉碎5分钟,除此以外,利用与实施例15同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例20>
对于碳酸锂的粉碎,用液氮冷却到-196℃后,使用φ1.0mm的氧化锆珠以10.0m/的圆周速度s粉碎3分钟,除此以外,利用与实施例15同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例21>
对于碳酸锂的粉碎,用液氮冷却到-196℃后,使用φ1.0mm的氧化锆珠以10.0m/s的圆周速度粉碎20分钟,对于非水系锂蓄电元件的充电,在45℃环境下、以电流值200mA进行恒流充电至电压达到4.5V为止后,接着继续20小时4.5V恒压充电,通过上述方法进行初期充电,对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与实施例15同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例22>
对于非水系锂蓄电元件的充电,以电流值200mA进行恒流充电至电压达到4.3V为止后,接着继续10小时4.3V恒压充电,通过上述方法进行初期充电,对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与实施例21同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例23>
对于非水系锂蓄电元件的充电,以电流值200mA进行恒流充电至电压达到4.3V为止后,接着继续5小时4.5V恒压充电,通过上述方法进行初期充电,对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与实施例21同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例24>
对于碳酸锂的粉碎,用液氮冷却到-196℃后,使用φ1.0mm的氧化锆珠以10.0m/s的圆周速度粉碎5分钟,除此以外,利用与实施例21同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例25>
对于非水系锂蓄电元件的充电,以电流值200mA进行恒流充电至电压达到4.3V为止后,接着继续2小时4.3V恒压充电,通过上述方法进行初期充电,对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与实施例24同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例26>
对于非水系锂蓄电元件的充电,以电流值200mA进行恒流充电至电压达到4.5V为止后,接着继续6小时4.5V恒压充电,通过上述方法进行初期充电,对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与实施例24同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例27>
对于非水系锂蓄电元件的充电,以电流值200mA进行恒流充电至电压达到4.5V为止后,接着继续1小时4.5V恒压充电,通过上述方法进行初期充电,对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与实施例24同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例28>
对于非水系锂蓄电元件的充电,以电流值100mA进行恒流充电至电压达到4.2V为止后,接着继续1小时4.2V恒压充电,通过上述方法进行初期充电,对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与实施例24同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例13>
对于碳酸锂的粉碎,在25℃环境下、使用φ1.0mm的氧化锆珠以10.0m/s的圆周速度粉碎5分钟,除此以外,利用与实施例15同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例14>
对于非水系锂蓄电元件的充电,以电流值100mA进行恒流充电至电压达到4.6V为止后,接着继续40小时4.6V恒压充电,通过上述方法进行初期充电,对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与比较例13同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例15>
对于非水系锂蓄电元件的充电,以电流值200mA进行恒流充电至电压达到4.3V为止后,接着继续10小时4.3V恒压充电,通过上述方法进行初期充电,对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与比较例13同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例16>
对于碳酸锂的粉碎,在25℃环境下、使用φ1.0mm的氧化锆珠以10.0m/s的圆周速度粉碎2分钟,除此以外,利用与实施例13同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例17>
对于非水系锂蓄电元件的充电,以电流值200mA进行恒流充电至电压达到4.3V为止后,接着继续10小时4.3V恒压充电,通过上述方法进行初期充电,对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与比较例16同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例18>
对于非水系锂蓄电元件的充电,以电流值200mA进行恒流充电至电压达到4.3V为止后,接着继续10小时4.3V恒压充电,通过上述方法进行初期充电,对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与比较例16同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例19>
对于非水系锂蓄电元件的充电,在45℃环境下、以电流值200mA进行恒流充电至电压达到4.5V为止后,接着继续20小时4.5V恒压充电,通过上述方法进行初期充电,对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与比较例13同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例20>
对于非水系锂蓄电元件的充电,以电流值100mA进行恒流充电至电压达到4.6V为止后,接着继续40小时4.6V恒压充电,通过上述方法进行初期充电,对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与比较例19同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例21>
对于非水系锂蓄电元件的充电,以电流值200mA进行恒流充电至电压达到4.3V为止后,接着继续10小时4.3V恒压充电,通过上述方法进行初期充电,对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与比较例19同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例22>
对于非水系锂蓄电元件的充电,在0℃环境下、以电流值200mA进行恒流充电至电压达到4.5V为止后,接着继续20小时4.5V恒压充电,通过上述方法进行初期充电,对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与比较例13同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例23>
对于非水系锂蓄电元件的充电,以电流值100mA进行恒流充电至电压达到4.6V为止后,接着继续40小时4.6V恒压充电,通过上述方法进行初期充电,对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与比较例22同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例24>
对于非水系锂蓄电元件的充电,以电流值200mA进行恒流充电至电压达到4.3V为止后,接着继续10小时4.3V恒压充电,通过上述方法进行初期充电,对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与比较例22同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
将实施例15~28、比较例13~24的非水系锂蓄电元件的评价结果示于表2。
【表2】
<实施例1~28、比较例1~24的评价>
对于碳酸锂的粉碎,认为通过在-196℃这样的极低温的条件下进行粉碎,能够抑制碳酸锂颗粒表面的缺陷生成而不受粉碎时的温度上升的影响。其结果,认为能够抑制碳酸锂颗粒的再凝聚,碳酸锂的颗粒以微细化的状态分散于正极活性物质层中,在正极活性物质的间隙存在碳酸锂,由此可确保正极活性物质间的电子传导,得到高输出的非水系锂蓄电元件。进而认为,作为电解质的LiPF6发生分解而生成的氟化合物能够均匀地堆积在碳酸锂颗粒的表面,因此高负荷充放电特性得到改善。
<实施例29>
对于平均粒径为73μm的氢氧化锂200g,使用IMEX公司制造的粉碎机(液氮珠磨机LNM),用液氮冷却到-196℃后,利用干冰珠以10.0m/s的圆周速度粉碎60分钟。对于通过以-196℃防止热改性并进行脆性破坏而得到的氢氧化锂1测定平均粒径,结果为2.4μm。
使用上述得到的氢氧化锂1,除此以外,利用与实施例1同样的方法制作非水系锂蓄电元件。与实施例1同样地对所得到的非水系锂蓄电元件进行评价,结果Fa为1540F,Ra为0.62mΩ,Fa·Ra为0.95ΩF,E/V为38.2Wh/L,Fb为1588F,Fb/Fa为1.03,X1为0.5μm,Y1为7.1μm,Z为10.1%,A1为79.3%,A2为36.3%。
<比较例25>
对于氢氧化锂的粉碎,在25℃环境下、使用φ1.0mm的氧化锆珠以10.0m/s的圆周速度粉碎5分钟,作为锂化合物使用,除此以外,利用与实施例29同样的方法制作非水系锂蓄电元件。与实施例1同样地对所得到的非水系锂蓄电元件进行评价,结果Fa为845F,Ra为2.54mΩ,Fa·Ra为2.15ΩF,E/V为25.2Wh/L,Fb为808F,Fb/Fa为0.97,X1为9.6μm,Y1为7.1μm,Z为22.1%,A1为31.3%,A2为6.0%。
<实施例30>
对于平均粒径为83μm的氧化锂200g,使用IMEX公司制造的粉碎机(液氮珠磨机LNM),用液氮冷却到-196℃后,利用干冰珠以10.0m/s的圆周速度粉碎120分钟。对于通过以-196℃防止热改性并进行脆性破坏而得到的氧化锂1测定平均粒径,结果为3.5μm。
使用上述得到的氧化锂1,除此以外,利用与实施例1同样的方法制作非水系锂蓄电元件。与实施例1同样地对所得到的非水系锂蓄电元件进行评价,结果Fa为1620F,Ra为0.59mΩ,Fa·Ra为0.96ΩF,E/V为40.1Wh/L,Fb为1657F,Fb/Fa为1.02,X1为1.4μm,Y1为7.0μm,Z为12.1%,A1为82.4%,A2为42.2%。
<比较例26>
对于氧化锂的粉碎,在25℃环境下、使用φ1.0mm的氧化锆珠以10.0m/s的圆周速度粉碎5分钟,作为锂化合物使用,除此以外,利用与实施例30同样的方法制作非水系锂蓄电元件。与实施例1同样地对所得到的非水系锂蓄电元件进行评价,结果Fa为877F,Ra为2.65mΩ,Fa·Ra为2.32ΩF,E/V为26.2Wh/L,Fb为837F,Fb/Fa为0.95,X1为13.4μm,Y1为7.0μm,Z为23.8%,A1为29.3%,A2为4.7%。
<实施例31>
<正极活性物质的制备>
[制备例1b]
将破碎的椰壳碳化物在小型碳化炉中、在氮中于500℃进行3小时碳化处理,得到碳化物。将所得到的碳化物装入活化炉内,将1kg/h的水蒸气以经预热炉加热的状态导入上述活化炉内,利用8小时的时间升温至900℃进行活化。取出活化后的碳化物,在氮气气氛下冷却,得到经活化的活性炭。对所得到的活性炭进行12小时通水清洗后除去水分。之后,在保持为125℃的电烘干机内干燥10小时,之后利用球磨机进行30分钟粉碎,从而得到活性炭1b。
对于该活性炭1b测定平均粒径,结果为17.7μm。另外,如上所述测定细孔分布,结果BET比表面积为2289m2/g,中孔量(V1)为0.56cc/g,微孔量(V2)为0.82cc/g,V1/V2=0.68。
使用所得到的活性炭1b,除此以外,利用与实施例15同样的方法制作非水系锂蓄电元件。与实施例1同样地对所得到的非水系锂蓄电元件进行评价,结果Fa为1612F,Ra为0.79mΩ,Fa·Ra为1.27ΩF,E/V为40.5Wh/L,Fb为1661F,Fb/Fa为1.03,X1为1.6μm,Y1为7.1μm,Z为12.2%,A1为81.1%,A2为39.2%。
<比较例27>
[制备例1c]
进行10分钟球磨机的粉碎,除此以外,利用与实施例31同样的方法得到活性炭1c。
对于该活性炭1c测定平均粒径,结果为24.5μm。另外,如上所述测定细孔分布,结果BET比表面积为2216m2/g,中孔量(V1)为0.52cc/g,微孔量(V2)为0.83cc/g,V1/V2=0.63。
对于碳酸锂的粉碎,在25℃环境下、使用φ1.0mm的氧化锆珠以10.0m/s的圆周速度粉碎2分钟,得到平均粒径为16.5μm的碳酸锂3。
使用所得到的活性炭1b和碳酸锂3,除此以外,利用与实施例15同样的方法制作非水系锂蓄电元件。与实施例1同样地对所得到的非水系锂蓄电元件进行评价,结果Fa为759F,Ra为3.16mΩ,Fa·Ra为2.40ΩF,E/V为23.5Wh/L,Fb为681F,Fb/Fa为0.90,X1为11.6μm,Y1为24.4μm,Z为24.3%,A1为27.1%,A2为3.2%。
下面,对第二方式中的实施方式进行具体说明。
<实施例32>
<正极活性物质的制备>
[制备例1d]
将破碎的椰壳碳化物装入小型碳化炉内,在氮气气氛下于500℃进行3小时碳化处理,得到碳化物。将所得到的碳化物装入活化炉内,将经预热炉加热的水蒸气以1kg/h导入活化炉内,利用8小时的时间升温至900℃进行活化。取出活化后的碳化物,在氮气气氛下冷却,得到经活化的活性炭。对所得到的经活化的活性炭进行10小时通水清洗后除去水分,在保持为115℃的电烘干机内干燥10小时,之后利用球磨机进行1小时粉碎,从而得到活性炭1d。
使用岛津制作所公司制造的激光衍射式粒度分布测定装置(SALD-2000J),测定活性炭1d的平均粒径,结果为4.2μm。另外,使用Yuasa Ionics公司制造的细孔分布测定装置(AUTOSORB-1AS-1-MP),测定活性炭1d的细孔分布。其结果,BET比表面积为2360m2/g,中孔量(V1)为0.52cc/g,微孔量(V2)为0.88cc/g,V1/V2=0.59。
[制备例2b]
将酚树脂装入烧制炉内,在氮气气氛下于600℃进行2小时的碳化处理,之后利用球磨机粉碎,进行分级,得到平均粒径为7μm的碳化物。将所得到的碳化物和KOH以1:5的质量比混合,装入烧制炉内,在氮气气氛下于800℃加热1小时,进行活化。取出活化后的碳化物,在浓度调整为2mol/L的稀盐酸中搅拌清洗1小时,在蒸馏水中煮沸清洗直至pH稳定在5~6之间,之后进行干燥,从而得到活性炭2b。
使用岛津制作所公司制造的激光衍射式粒度分布测定装置(SALD-2000J),测定活性炭2b的平均粒径,结果为7.0μm。另外,使用Yuasa Ionics公司制造的细孔分布测定装置(AUTOSORB-1AS-1-MP),测定活性炭2b的细孔分布。其结果,BET比表面积为3627m2/g,中孔量(V1)为1.50cc/g,微孔量(V2)为2.28cc/g,V1/V2=0.66。
<碳酸锂的粉碎>
对于平均粒径为53μm的碳酸锂200g,使用IMEX公司制造的粉碎机(液氮珠磨机LNM),用液氮冷却到-196℃后,利用干冰珠以10.0m/s的圆周速度粉碎20分钟,得到碳酸锂3。通过冷却到-196℃,能够在防止碳酸锂的热改性的同时发生脆性破坏。对所得到的碳酸锂3的平均粒径进行测定,结果为1.8μm。
<正极前体的制造>
使用活性炭2b作为正极活性物质,使用碳酸锂3作为锂化合物,制造正极前体。
将活性炭2b(55.5质量份)、碳酸锂3(32.0质量份)、科琴黑3.0质量份、PVP(聚乙烯吡咯烷酮)1.5质量份和PVDF(聚偏二氟乙烯)8.0质量份、以及NMP(N-甲基吡咯烷酮)混合,使用PRIMIX公司制造的薄膜旋回型高速搅拌机FILMIX,以圆周速度为17m/s的条件对其进行分散,得到涂布液1。使用东机产业公司的E型粘度计TVE-35H,对所得到的涂布液1的粘度(ηb)和TI值进行测定。其结果,粘度(ηb)为2,300mPa·s,TI值为3.2。另外,使用YOSHIMITSUSEIKI公司制造的粒度计,对所得到的涂布液1的分散度进行了测定。其结果,粒度为32μm。使用东丽工程公司制造的双面模涂机,在厚度为15μm的铝箔的单面或双面以涂布速度为1m/s的条件进行涂布液1的涂布,以120℃的干燥温度进行干燥,得到正极前体3(单面)和正极前体3(双面)。在铝箔的双面进行涂布液1的涂布时,将上表面模头的排出压力设为55kPa、下表面模头的排出压力设为60kPa。对于所得到的正极前体3(单面)和正极前体3(双面),使用辊压机,以压力为6kN/cm、压制部的表面温度为25℃的条件进行压制。对于正极前体3(双面)的总厚,使用小野计器公司制造的膜厚计Linear Gauge Sensor GS-551,在正极前体3(双面)的任意十处进行测定。由所测定的总厚的平均值减去铝箔的厚度,求出正极前体3(双面)的正极活性物质层的膜厚。其结果,正极活性物质层的膜厚在上表面为58μm、在下表面为61μm。
<负极活性物质的制备制备例2a2>
使用Yuasa Ionics公司制造的细孔分布测定装置(AUTOSORB-1 AS-1-MP),通过上述方法测定市售的人造石墨的BET比表面积和细孔分布。其结果,BET比表面积为3.1m2/g,平均粒径为4.8μm。
将该人造石墨300g装入不锈钢网制笼中,放在加入有煤炭系沥青(软化点:50℃)30g的不锈钢制盘上,将两者设置在电炉(炉内有效尺寸300mm×300mm×300mm)内。使其在氮气气氛下用12小时的时间升温至1000℃,以相同温度保持5小时,由此进行热反应,得到复合多孔质碳材料2a2。将所得到的复合多孔质碳材料2a2通过自然冷却而冷却到60℃,并从电炉中取出。
对于所得到的复合多孔质碳材料2a2,利用与上述相同的方法测定了BET比表面积和细孔分布。其结果,BET比表面积为6.1m2/g,平均粒径为4.9μm。另外,复合多孔质碳材料2a2中的来自煤炭系沥青的碳质材料相对于活性炭的质量比例为2.0%。
<负极的制造>
使用复合多孔质碳材料2a2作为负极活性物质,制造负极。
将复合多孔质碳材料2a2(84质量份)、乙炔黑10质量份和PVdF(聚偏二氟乙烯)6质量份、以及NMP(N-甲基吡咯烷酮)混合,使用PRIMIX公司制造的薄膜旋回型高速搅拌机FILMIX,以圆周速度为17m/s的条件对其进行分散,得到涂布液。使用东机产业公司的E型粘度计TVE-35H,对所得到的涂布液的粘度(ηb)和TI值进行测定。其结果,粘度(ηb)为2,326mPa·s,TI值为2.7。使用东丽工程公司制造的模涂机,在厚度为10μm的电解铜箔的双面以涂布速度为2m/s的条件进行涂布液的涂布,以120℃的干燥温度进行干燥,得到负极3。对于所得到的负极3,使用辊压机,以压力为5kN/cm、压制部的表面温度为25℃的条件进行压制。对于所压制的负极3的总厚,使用小野计器公司制造的膜厚计Linear Gauge SensorGS-551,在负极3的任意十处进行测定。由所测定的总厚的平均值减去铜箔的厚度,求出负极3的负极活性物质层的膜厚。其结果,负极活性物质层的膜厚在每个单面为30μm。
[负极单位重量的容量的测定]
将所得到的负极3以1.4cm×2.0cm(2.8cm2)的尺寸切割出1片,使用抹刀、刷、刷毛将涂布至铜箔双面的负极活性物质层的一侧的层除去,作为工作电极。作为反电极和参比电极,分别使用金属锂,作为电解液,使用在碳酸亚乙酯(EC)与碳酸甲乙酯(EMC)的体积比为1:1的混合溶剂中以1.0mol/L的浓度溶解LiPF6而得到的非水系溶液,在氩箱中制作出电化学电池。
对于所得到的电化学电池,使用TOYO SYSTEM公司制造的充放电装置(TOSCAT-3100U),按照下述顺序测定了初期充电容量。
对于电化学电池,在温度25℃以电流值0.5mA/cm2进行恒流充电至电压值达到0.01V为止,之后进一步进行恒压充电至电流值达到0.01mA/cm2为止。将该恒流充电和恒压充电时的充电容量作为初次充电容量进行评价,结果为0.74mAh,负极3的每单位质量的容量(锂离子的掺杂量)为545mAh/g。
<电解液的制备>
作为有机溶剂,使用碳酸亚乙酯(EC):碳酸甲乙酯(EMC)=33:67(体积比)的混合溶剂,相对于全部电解液,按照LiN(SO2F)2和LiPF6的浓度比为75:25(摩尔比)、且LiN(SO2F)2和LiPF6的浓度之和为1.2mol/L的方式溶解各电解质盐,得到非水系电解液2。非水系电解液2中的LiN(SO2F)2和LiPF6的浓度分别为0.9mol/L和0.3mol/L。
<非水系锂蓄电元件的制作>
对于所得到的正极前体3,按照正极活性物质层为10.0cm×10.0cm(100cm2)的大小的方式,切割出2片正极前体3(单面)、19片正极前体3(双面)。接着,将负极3按照负极活性物质层为10.1cm×10.1cm(102cm2)的大小的方式切割出20片。另外,准备40片10.3cm×10.3cm(106cm2)的聚乙烯制的隔板(旭化成制造、厚度为10μm)。将它们按照最外层为正极前体3(单面)的方式,按照正极前体3、隔板、负极3的顺序,使正极活性物质层和负极活性物质层隔着隔板相对地进行层积,得到电极层积体。在所得到的电极层积体上超声波焊接正极端子和负极端子,装入设置有带止回阀的排气阀的、由铝层压包装材料形成的容器中,通过热封对包含电极端子部的三边进行密封。
在大气压下、温度25℃、露点-40℃以下的干燥空气环境下,将约80g非水系电解液1注入到收纳于铝层压包装材料中的电极层积体。接着,将其放入减压腔室中,从大气压减压至-87kPa后,恢复到大气压,静置5分钟。之后,重复四次从大气压减压至-87kPa后恢复到大气压的工序,之后静置15分钟。进而,从大气压减压至-91kPa后,恢复到大气压。合计重复7次同样地减压并恢复到大气压的工序(从大气压分别减压至-95kPa、-96kPa、-97kPa、-81kPa、-97kPa、-97kPa、-97kPa)。通过以上的工序,使非水系电解液2浸渗于电极层积体。
之后,将浸渗有非水系电解液2的电极层积体装入减压密封机中,在减压至-95kPa的状态下,于180℃以10秒、0.1MPa的压力进行密封,由此对铝层压包装材料进行密封。
[锂掺杂工序]
对于所得到的电极层积体,在温度25℃的恒温槽内,利用Asuka ElectronicsCo.,Ltd.制造的充放电装置(ACDS-10APS-05N),以电流值1A进行恒流充电至电压达到4.5V为止后,接着继续20小时4.5V恒压充电,通过上述方法进行初期充电,对负极进行锂掺杂。
[老化工序]
将锂掺杂后的电极层积体从氩箱取出,在25℃环境下,以50mA进行恒流放电至电压达到3.0V后,进行1小时3.0V恒流放电,由此将电压调整为3.0V。接着,将电极层积体在60℃的恒温槽中保存48小时。
[排气工序]
对于老化后的电极层积体,在温度25℃、露点-40℃的干燥空气环境下,将铝层压包装材料的一部分开封。接着,将电极层积体装入减压腔室中,合计重复3次利用隔膜泵(KNF公司制造、N816.3KT.45.18)以3分钟的时间从大气压减压至-80kPa后、以3分钟的时间恢复到大气压的工序。之后,将电极层积体装入减压密封机中,减压至-90kPa后,于200℃以10秒、0.1MPa的压力进行密封,由此将铝层压包装材料密封。通过以上的工序,制作出2个非水系锂蓄电元件。
<非水系锂蓄电元件的评价>
[静电容量Fa的测定]
所得到的非水系锂蓄电元件中,针对一个在设定为25℃的恒温槽内,使用FUJITSUTELECOM NETWORKS FUKUSHIMA株式会社制造的充放电装置(5V,360A),以2C的电流值(1.5A)进行恒流充电至达到3.8V为止,接着进行合计30分钟施加3.8V恒压的恒压充电。之后,以2C的电流值(1.5A)实施恒流放电至2.2V为止,将此时的容量设为Q(C),通过F=Q/(3.8-2.2)算出的静电容量Fa为1759F。
[内部电阻Ra的计算]
针对同一非水系锂蓄电元件,在设定为25℃的恒温槽内,使用FUJITSU TELECOMNETWORKS FUKUSHIMA株式会社制造的充放电装置(5V,360A),以20C的电流值(10A)进行恒流充电至达到3.8V为止,接着进行合计30分钟施加3.8V恒压的恒压充电。之后,将采样时间设为0.1秒,以20C的电流值(10A)进行恒流放电至2.2V为止,得到放电曲线(时间-电压)。在该放电曲线中,由放电时间为2秒和4秒的时刻的电压值以直线近似进行外推,将所得到的放电时间=0秒的电压设为Eo,通过降压ΔE=3.8-Eo和R=ΔE/(电流值20C)计算出内部电阻Ra,结果为0.52mΩ。
[高温保存试验]
针对同一非水系锂蓄电元件,在设定为25℃的恒温槽内,使用FUJITSU TELECOMNETWORKS FUKUSHIMA株式会社制造的充放电装置(5V,360A),以100C的电流值进行恒流充电至达到4.0V为止,接着进行合计10分钟的施加4.0V恒压的恒压充电。之后,将电池保存于60℃环境下,每2周从60℃环境下取出,以同样的充电工序将电池电压充电到4.0V后,再次将电池保存于60℃环境下。反复实施2个月该工序,将Fluorinert(注册商标、3M Japan株式会社)FC-40作为测定溶剂,在25℃环境下利用阿基米德法测定保存试验开始前的电池体积Va和保存试验2个月后的电池的体积Vb。将由Vb-Va求出的气体产生量用静电容量Fa标准化,所得到的值B为1.72×10-3cc/F。
针对同一高温保存试验后的非水系锂蓄电元件,计算出内部电阻Rc,结果为0.59mΩ,Rc/Ra的值为1.13。
<锂化合物的定量>
[正极试样的制备]
将所得到的剩余的非水系锂蓄电元件在露点温度为-72℃的氩箱中拆解,将双面涂布有正极活性物质层的正极(双面)切割成10cm×10cm的尺寸,浸渍于30g的碳酸二乙酯溶剂中,偶尔用镊子移动正极,清洗10分钟。接着将正极取出,在氩箱中风干5分钟,将正极浸渍于新准备的30g的碳酸二乙酯溶剂中,利用与上述相同的方法清洗10分钟。将清洗后的正极从氩箱取出,使用真空干燥机(Yamato Scientific Co.,Ltd.制造、DP33)以温度为25℃、压力为1kPa的条件干燥20小时,得到正极试样2。
<Cy1、Cx1、Cy2、Cx2的计算>
将所得到的正极试样2以5cm×5cm的尺寸(重量0.259g)切割出2片,分别作为正极试样2-1和正极试样2-2。利用抹刀、刷、刷毛去除正极试样2-1的表面和正极试样2-2的背面的正极活性物质层,分别浸渍于20g的乙醇中,将容器盖上盖子,在25℃环境下静置3天。之后取出正极试样,在120℃、5kPa的条件下真空干燥10小时。真空干燥后的正极试样2-1的重量M01为0.176g,正极试样2-2的重量M02为0.183g。对于清洗后的乙醇溶液,在预先制作了校正曲线的条件下测定GC/MS,确认到碳酸二乙酯的存在量小于1%。接着,将正极试样2-1和正极试样2-2分别充分浸渍于20.0g的蒸馏水中,将容器盖上盖子,在45℃环境下静置3天。之后取出正极,在150℃、3kPa的条件下真空干燥12小时。真空干燥后的重量M11为0.170g,重量M12为0.174g。对于清洗后的蒸馏水,在预先制作了校正曲线的条件下测定GC/MS,确认到乙醇的存在量小于1%。之后,利用抹刀、刷、刷毛将正极试样2-1和正极试样2-2的正极活性物质层全部去除,测定正极集电体的重量M21和M22,结果分别为0.100g。根据(5)式,正极基重Cy1=30.4g/m2,Cx1=33.2g/m2。根据(6)式,锂化合物量Cy2=2.4g/m2,Cx2=3.6g/m2。由此,Cy1/Cx1为0.92,Cy2/Cx2为0.67。
<A1、A2的计算>
[正极表面SEM和EDX测定]
从剩余的正极试样2切割出1cm×1cm的小片,在10Pa的真空中通过溅射在表面涂布了金。接着,在以下所示的条件下,在大气暴露下测定正极表面的SEM以及EDX。
(SEM-EDX测定条件)
·测定装置:Hitachi High-Technologies制造、场发射扫描型电子显微镜FE-SEMS-4700
·加速电压:10kV
·发射电流:10μA
·测定倍率:2000倍
·电子射线入射角度:90°
·X射线取出角度:30°
·死区时间:15%
·分布像元素:C,O,F
·测定像素数:256×256像素
·测定时间:60sec.
·积分次数:50次
·将光亮度和对比度调整为分布像中不存在达到最大光亮度的像素,光亮度值的平均值落入最大光亮度值的40%~60%的范围。
(SEM-EDX的分析)
对于所得到的氧分布像和氟分布像,使用图像分析软件(ImageJ),以光亮度值的平均值为基准进行二值化。此时的氧分布像的面积相对于全部图像为14.5%,氟分布像的面积为32.2%。进行二值化而得到的氧分布像与氟分布像重复的面积相对于全部图像为12.1%,若将氟分布像相对于氧分布像的面积重复率设为A1(%),则根据A1=100×12.1/14.5而为83.4%。
[正极截面SEM和EDX测定]
由正极试样2切割出1cm×1cm的小片,使用日本电子制造的SM-09020CP,使用氩气,以加速电压为4kV、光束直径为500μm的条件制作与正极试样2的表面方向垂直的截面。之后,利用上述方法测定正极截面SEM和EDX。
对于由所测定的正极截面SEM和EDX得到的图像,使用图像分析软件(ImageJ)进行图像分析,由此计算出X1和Y1。对于所得到的氧分布像,将包含面积50%以上的以光亮度值的平均值为基准进行二值化的亮部的颗粒作为锂化合物的颗粒X,并将除此以外的颗粒作为正极活性物质的颗粒Y,针对截面SEM图像中所观察到的X、Y各自的全部颗粒求出截面积S,利用下述式(1)计算出粒径d。(圆周率记为π)
【数10】
d=2×(S/π)1/2 (1)
使用所得到的粒径d,在下述(2)式中求出体积平均粒径X0和Y0
【数11】
X0(Y0)=∑[4/3π×(d/2)3×d]/∑[4/3π×(d/2)3] (2)
改变正极截面的视野,合计进行5处测定,各X0和Y0的平均值即平均粒径X1为1.4μm,Y1为7.1μm。
接着,对于所得到的正极截面的SEM-EDX,与上述同样地对氧分布像和氟分布像进行二值化,计算出氟分布像相对于氧分布像的面积重复率A2,结果为35.4%。
<实施例33>
在锂掺杂工序的非水系锂蓄电元件的初期充电中,以电流值1A进行恒流充电至电压达到4.5V为止后,接着继续40小时4.5V恒压充电,由此对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与实施例32同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例34>
在锂掺杂工序的非水系锂蓄电元件的初期充电中,以电流值1A进行恒流充电至电压达到4.5V为止后,接着继续80小时4.5V恒压充电,由此对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与实施例32同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例35>
在锂掺杂工序的非水系锂蓄电元件的初期充电中,以电流值1A进行恒流充电至电压达到4.5V为止后,接着继续10小时4.5V恒压充电,由此对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与实施例32同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例36>
在锂掺杂工序的非水系锂蓄电元件的初期充电中,以电流值1A进行恒流充电至电压达到4.2V为止后,接着继续10小时4.2V恒压充电,由此对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与实施例32同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例37>
在锂掺杂工序的非水系锂蓄电元件的初期充电中,以电流值1A进行恒流充电至电压达到4.2V为止后,接着继续3小时4.2V恒压充电,由此对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与实施例32同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例38>
在锂掺杂工序的非水系锂蓄电元件的初期充电中,以电流值1A进行恒流充电至电压达到4.2V为止后,接着继续2小时4.2V恒压充电,由此对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与实施例32同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例39>
将正极前体(双面)涂布时的上表面模头的排出压力设为40kPa、下表面模头的排出压力设为60kPa,制作正极前体(双面),除此以外,利用与实施例32同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例40>
将正极前体(双面)涂布时的上表面模头的排出压力设为40kPa、下表面模头的排出压力设为60kPa,制作正极前体(双面),除此以外,利用与实施例33同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例41>
将正极前体(双面)涂布时的上表面模头的排出压力设为40kPa、下表面模头的排出压力设为60kPa,制作正极前体(双面),除此以外,利用与实施例34同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例42>
将正极前体(双面)涂布时的上表面模头的排出压力设为55kPa、下表面模头的排出压力设为58kPa,制作正极前体(双面),除此以外,利用与实施例32同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例43>
将正极前体(双面)涂布时的上表面模头的排出压力设为55kPa、下表面模头的排出压力设为58kPa,制作正极前体(双面),除此以外,利用与实施例33同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例44>
在锂掺杂工序的非水系锂蓄电元件的初期充电中,在45℃的恒温槽内、以电流值1A进行恒流充电至电压达到4.2V为止后,接着继续10小时4.2V恒压充电,由此对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与实施例39同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例45>
在锂掺杂工序的非水系锂蓄电元件的初期充电中,在45℃的恒温槽内、以电流值1A进行恒流充电至电压达到4.2V为止后,接着继续5小时4.2V恒压充电,由此对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与实施例39同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例28>
在锂掺杂工序的非水系锂蓄电元件的初期充电中,在80℃的恒温槽内、以电流值1A进行恒流充电至电压达到4.7V为止后,接着继续50小时4.7V恒压充电,由此对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与实施例32同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例29>
将活性炭2b(52.5质量份)、碳酸锂3(35.0质量份)、科琴黑3.0质量份、PVP(聚乙烯吡咯烷酮)1.5质量份和PVDF(聚偏二氟乙烯)8.0质量份、以及NMP(N-甲基吡咯烷酮)混合,利用与实施例32同样的方法制作涂布液2。将涂布液1以50kPa的模头排出压力涂布至15μm的铝箔的表面,将涂布液2以50kPa的模头排出压力涂布至铝箔的背面,利用与实施例32同样的方法制作正极前体4(双面)。
使用2片正极前体3(单面)、19片正极前体4(双面)、20片负极3,除此以外,利用与实施例32同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例30>
在锂掺杂工序的非水系锂蓄电元件的初期充电中,以电流值1A进行恒流充电至电压达到4.5V为止后,接着继续10小时4.5V恒压充电,由此对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与比较例29同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例31>
在锂掺杂工序的非水系锂蓄电元件的初期充电中,以电流值1A进行恒流充电至电压达到4.3V为止后,接着继续10小时4.3V恒压充电,由此对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与比较例29同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例32>
在锂掺杂工序的非水系锂蓄电元件的初期充电中,以电流值1A进行恒流充电至电压达到4.2V为止后,接着继续2小时4.2V恒压充电,由此对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与比较例29同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例33>
在锂掺杂工序的非水系锂蓄电元件的初期充电中,以电流值1A进行恒流充电至电压达到4.2V为止后,接着继续1小时4.2V恒压充电,由此对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与比较例29同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例34>
将活性炭2b(50.0质量份)、碳酸锂3(37.5质量份)、科琴黑3.0质量份、PVP(聚乙烯吡咯烷酮)1.5质量份和PVDF(聚偏二氟乙烯)8.0质量份、以及NMP(N-甲基吡咯烷酮)混合,利用与实施例32同样的方法制作涂布液3。将涂布液1以50kPa的模头排出压力涂布至15μm的铝箔的表面,将涂布液3以50kPa的模头排出压力涂布至铝箔的背面,利用与实施例32同样的方法制作正极前体5(双面)。
使用2片正极前体3(单面)、19片正极前体5(双面)、20片负极3,除此以外,利用与实施例32同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例35>
在锂掺杂工序的非水系锂蓄电元件的初期充电中,以电流值1A进行恒流充电至电压达到4.5V为止后,接着继续10小时4.5V恒压充电,由此对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与比较例34同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例36>
在锂掺杂工序的非水系锂蓄电元件的初期充电中,以电流值1A进行恒流充电至电压达到4.3V为止后,接着继续10小时4.3V恒压充电,由此对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与比较例34同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例37>
在锂掺杂工序的非水系锂蓄电元件的初期充电中,以电流值1A进行恒流充电至电压达到4.2V为止后,接着继续2小时4.2V恒压充电,由此对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与比较例34同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
将实施例32~45、比较例28~37的非水系锂蓄电元件的评价结果示于表3。
【表3】
<实施例46>
<碳酸锂的粉碎>
对于平均粒径为53μm的碳酸锂200g,在湿度70%、温度45℃的高温高湿槽(ESPEC公司制造、SML-2)中静置5小时。之后,使用IMEX公司制造的粉碎机(液氮珠磨机LNM),用液氮冷却到-196℃后,使用φ1.0mm的氧化锆珠以10.0m/s的圆周速度粉碎30分钟,得到碳酸锂4。通过冷却到-196℃,能够在防止碳酸锂的热改性的同时发生脆性破坏。对所得到的碳酸锂4的平均粒径进行测定,结果为4.5μm。
<正极前体的制造>
将活性炭1d(48.0质量份)、碳酸锂4(43.0质量份)、科琴黑2.5质量份、PVP(聚乙烯吡咯烷酮)1.5质量份和PVDF(聚偏二氟乙烯)5.0质量份、以及NMP(N-甲基吡咯烷酮)混合,利用与实施例32同样的方法制作涂布液4。将涂布液4涂布到15μm的铝箔的双面,上表面以55kPa的模头排出压力进行涂布,下表面以60kPa的模头排出压力进行涂布,利用与实施例32同样的方法制作正极前体6(双面)。另外,将涂布液4以55kPa的模头排出压力涂布到15μm的铝箔的单面,制作正极前体6(单面)。
<负极活性物质的制备制备例1a2>
使用Yuasa Ionics公司制造的细孔分布测定装置(AUTOSORB-1AS-1-MP),通过上述方法测定市售的椰壳活性炭的BET比表面积和细孔分布。其结果,BET比表面积为1,790m2/g,中孔量(V1)为0.199cc/g、微孔量(V2)为0.698cc/g,V1/V2=0.29,并且平均细孔径为
将该椰壳活性炭300g装入不锈钢网制笼中,放在加入有煤炭系沥青(软化点:50℃)540g的不锈钢制盘上,将两者设置在电炉(炉内有效尺寸300mm×300mm×300mm)内。使其在氮气气氛下用8小时的时间升温至600℃,以相同温度保持4小时,由此进行热反应,得到复合多孔质碳材料1a2。将所得到的复合多孔质碳材料1a2通过自然冷却而冷却到60℃后,从电炉中取出。
对于所得到的复合多孔质碳材料1a2,利用与上述相同的方法测定了BET比表面积和细孔分布。其结果,BET比表面积为262m2/g,中孔量(Vm1)为0.186cc/g,微孔量(Vm2)为0.082cc/g,Vm1/Vm2=2.27。另外,在复合多孔质碳材料1a2中,来自煤炭系沥青的碳质材料相对于活性炭的质量比例为78%。
<负极的制造>
使用复合多孔质碳材料1a2作为负极活性物质,制造负极。
将复合多孔质碳材料1a2(84质量份)、乙炔黑10质量份和PVdF(聚偏二氟乙烯)6质量份、以及NMP(N-甲基吡咯烷酮)混合,使用PRIMIX公司制造的薄膜旋回型高速搅拌机FILMIX,以圆周速度为17m/s的条件对其进行分散,得到涂布液。使用东机产业公司的E型粘度计TVE-35H,对所得到的涂布液的粘度(ηb)和TI值进行测定。其结果,粘度(ηb)为2,789mPa·s,TI值为4.3。使用东丽工程公司制造的模涂机,在厚度为10μm的电解铜箔的双面以涂布速度为2m/s的条件进行涂布液的涂布,以120℃的干燥温度进行干燥,得到负极4。对于所得到的负极4,使用辊压机,以压力为5kN/cm、压制部的表面温度为25℃的条件进行压制。对于所压制的负极4的总厚,使用小野计器公司制造的膜厚计Linear Gauge SensorGS-551,在负极4的任意十处进行测定。由所测定的总厚的平均值减去铜箔的厚度,求出负极4的负极活性物质层的膜厚。其结果,负极活性物质层的膜厚在每个单面为40μm。
[负极单位重量的容量的测定]
将所得到的负极4以1.4cm×2.0cm(2.8cm2)的尺寸切割出1片,使用抹刀、刷、刷毛将涂布至铜箔双面的负极活性物质层的一侧的层除去,作为工作电极。作为反电极和参比电极,分别使用金属锂,作为电解液,使用在碳酸亚乙酯(EC)与碳酸甲乙酯(EMC)的体积比为1:1的混合溶剂中以1.0mol/L的浓度溶解LiPF6而得到的非水系溶液,在氩箱中制作出电化学电池。
对于所得到的电化学电池,使用TOYO SYSTEM公司制造的充放电装置(TOSCAT-3100U),按照下述顺序测定了初期充电容量。
对于电化学电池,在温度25℃以电流值0.5mA/cm2进行恒流充电至电压值达到0.01V为止,之后进一步进行恒压充电至电流值达到0.01mA/cm2为止。将该恒流充电和恒压充电时的充电容量作为初次充电容量进行评价,结果为1.6mAh,负极2的每单位质量的容量(锂离子的掺杂量)为1460mAh/g。
<非水系锂蓄电元件的制作>
使用2片正极前体4(单面)、19片正极前体4(双面)、20片负极2,除此以外,利用与实施例32同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例47>
在锂掺杂工序的非水系锂蓄电元件的初期充电中,以电流值1A进行恒流充电至电压达到4.5V为止后,接着继续40小时4.5V恒压充电,由此对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与实施例46同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例48>
在锂掺杂工序的非水系锂蓄电元件的初期充电中,以电流值1A进行恒流充电至电压达到4.5V为止后,接着继续80小时4.5V恒压充电,由此对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与实施例46同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例49>
在锂掺杂工序的非水系锂蓄电元件的初期充电中,以电流值1A进行恒流充电至电压达到4.5V为止后,接着继续10小时4.5V恒压充电,由此对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与实施例46同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例50>
在锂掺杂工序的非水系锂蓄电元件的初期充电中,以电流值1A进行恒流充电至电压达到4.2V为止后,接着继续10小时4.2V恒压充电,由此对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与实施例46同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例51>
在锂掺杂工序的非水系锂蓄电元件的初期充电中,以电流值1A进行恒流充电至电压达到4.2V为止后,接着继续3小时4.2V恒压充电,由此对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与实施例46同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例52>
在锂掺杂工序的非水系锂蓄电元件的初期充电中,以电流值1A进行恒流充电至电压达到4.2V为止后,接着继续2小时4.2V恒压充电,由此对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与实施例46同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例53>
将正极前体(双面)涂布时的上表面模头的排出压力设为40kPa、下表面模头的排出压力设为60kPa,制作正极前体(双面),除此以外,利用与实施例46同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例54>
将正极前体(双面)涂布时的上表面模头的排出压力设为40kPa、下表面模头的排出压力设为60kPa,制作正极前体(双面),除此以外,利用与实施例47同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例55>
将正极前体(双面)涂布时的上表面模头的排出压力设为40kPa、下表面模头的排出压力设为60kPa,制作正极前体(双面),除此以外,利用与实施例48同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例56>
将正极前体(双面)涂布时的上表面模头的排出压力设为55kPa、下表面模头的排出压力设为58kPa,制作正极前体(双面),除此以外,利用与实施例46同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例57>
将正极前体(双面)涂布时的上表面模头的排出压力设为55kPa、下表面模头的排出压力设为58kPa,制作正极前体(双面),除此以外,利用与实施例47同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例58>
在锂掺杂工序的非水系锂蓄电元件的初期充电中,在45℃的恒温槽内、以电流值1A进行恒流充电至电压达到4.2V为止后,接着继续10小时4.2V恒压充电,由此对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与实施例53同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例59>
在锂掺杂工序的非水系锂蓄电元件的初期充电中,在45℃的恒温槽内、以电流值1A进行恒流充电至电压达到4.2V为止后,接着继续5小时4.2V恒压充电,由此对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与实施例53同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例60>
将碳酸锂用液氮冷却到-196℃后,使用φ1.0mm的氧化锆珠以10.0m/s的圆周速度粉碎10分钟,除此以外,利用与实施例46同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例61>
将碳酸锂用液氮冷却到-196℃后,使用φ1.0mm的氧化锆珠以10.0m/s的圆周速度粉碎5分钟,除此以外,利用与实施例46同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例38>
对于碳酸锂,在25℃环境下使用φ1.0mm的氧化锆珠以10.0m/s的圆周速度粉碎5分钟,制作碳酸锂5。
将活性炭1d(48.0质量份)、碳酸锂5(43.0质量份)、科琴黑2.5质量份、PVP(聚乙烯吡咯烷酮)1.5质量份和PVDF(聚偏二氟乙烯)5.0质量份、以及NMP(N-甲基吡咯烷酮)混合,利用与实施例32同样的方法制作涂布液5。将活性炭1d(55.0质量份)、碳酸锂5(36.0质量份)、科琴黑2.5质量份、PVP(聚乙烯吡咯烷酮)1.5质量份和PVDF(聚偏二氟乙烯)5.0质量份、以及NMP(N-甲基吡咯烷酮)混合,利用与实施例32同样的方法制作涂布液6。将涂布液5以50kPa的模头排出压力涂布到15μm的铝箔的表面,将涂布液6以50kPa的模头排出压力涂布到铝箔的背面,利用与实施例32同样的方法制作正极前体7(双面)。另外,将涂布液5以55kPa的模头排出压力涂布到15μm的铝箔的单面,制作正极前体7(单面)。
使用2片正极前体7(单面)、19片正极前体7(双面)、20片负极4,除此以外,利用与实施例32同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例39>
在锂掺杂工序的非水系锂蓄电元件的初期充电中,以电流值1A进行恒流充电至电压达到4.5V为止后,接着继续10小时4.5V恒压充电,由此对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与比较例38同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例40>
在锂掺杂工序的非水系锂蓄电元件的初期充电中,以电流值1A进行恒流充电至电压达到4.3V为止后,接着继续10小时4.3V恒压充电,由此对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与比较例38同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例41>
在锂掺杂工序的非水系锂蓄电元件的初期充电中,以电流值1A进行恒流充电至电压达到4.2V为止后,接着继续2小时4.2V恒压充电,由此对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与比较例38同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例42>
在锂掺杂工序的非水系锂蓄电元件的初期充电中,以电流值1A进行恒流充电至电压达到4.2V为止后,接着继续1小时4.2V恒压充电,由此对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与比较例38同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例43>
将活性炭1d(60.0质量份)、碳酸锂3(31.0质量份)、科琴黑2.5质量份、PVP(聚乙烯吡咯烷酮)1.5质量份和PVDF(聚偏二氟乙烯)5.0质量份、以及NMP(N-甲基吡咯烷酮)混合,利用与实施例32同样的方法制作涂布液7。将涂布液5以50kPa的模头排出压力涂布到15μm的铝箔的表面,将涂布液7以50kPa的模头排出压力涂布到铝箔的背面,利用与实施例32同样的方法制作正极前体8(双面)。
使用2片正极前体7(单面)、19片正极前体8(双面)、20片负极4,除此以外,利用与实施例32同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例44>
在锂掺杂工序的非水系锂蓄电元件的初期充电中,以电流值1A进行恒流充电至电压达到4.5V为止后,接着继续10小时4.5V恒压充电,由此对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与比较例43同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例45>
在锂掺杂工序的非水系锂蓄电元件的初期充电中,以电流值1A进行恒流充电至电压达到4.3V为止后,接着继续10小时4.3V恒压充电,由此对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与比较例43同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例46>
在锂掺杂工序的非水系锂蓄电元件的初期充电中,以电流值1A进行恒流充电至电压达到4.2V为止后,接着继续2小时4.2V恒压充电,由此对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与比较例43同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例47>
对于碳酸锂,在25℃环境下使用φ1.0mm的氧化锆珠以10.0m/s的圆周速度粉碎3分钟,除此以外,利用与比较例43同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例48>
对于碳酸锂,在25℃环境下使用φ1.0mm的氧化锆珠以10.0m/s的圆周速度粉碎2分钟,除此以外,利用与比较例43同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例49>
对于碳酸锂,在25℃环境下使用φ1.0mm的氧化锆珠以10.0m/s的圆周速度粉碎1分钟,除此以外,利用与比较例43同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例50>
在锂掺杂工序的非水系锂蓄电元件的初期充电中,温度为60℃,以电流值1A进行恒流充电至电压达到电压4.7V为止后,接着继续40小时4.7V恒压充电,由此对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与实施例46同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例51>
在锂掺杂工序的非水系锂蓄电元件的初期充电中,温度为70℃,以电流值1A进行恒流充电至电压达到4.7V为止后,接着继续40小时4.7V恒压充电,由此对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与实施例46同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例52>
在锂掺杂工序的非水系锂蓄电元件的初期充电中,温度为60℃,以电流值1A进行恒流充电至电压达到4.8V为止后,接着继续40小时4.8V恒压充电,由此对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与实施例46同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
将实施例46~61、比较例38~52的非水系锂蓄电元件的评价结果示于表4。
【表4】
不限定于理论,根据表3和表4认为:Cy2/Cx2为1.0以上时,在电位变化大的Cy面,锂化合物暴露于高电位,气体产生量增多,因此高温保存试验时产生的气体量增多,电阻上升变大。另外,X1>Y1时,认为正极活性物质间的电子传导会受到颗粒大的锂化合物的阻碍,因此内部电阻Ra变大。A1为40%以下或A2为10%以下时,认为锂化合物表面的电解液分解得到促进,因此高温保存试验时产生的气体量增多,电阻上升变大。另外,A1为99%以上或A2为60%以上时,认为过量地发生电解质的分解,结果生成的副产物产生影响,因此高温保存试验时产生的气体量增多,电阻上升变大。
不限定于理论,认为通过在-196℃这样的极低温的条件下进行碳酸锂的粉碎,能够抑制碳酸锂颗粒表面的缺陷生成而不受粉碎时的温度上升的影响,其结果,能够抑制碳酸锂颗粒的再凝聚。进而认为,通过预先在高露点环境下对碳酸锂进行处理,能够使碳酸锂的表面活化,作为电解质的LiPF6能够在碳酸锂颗粒的表面高效地分解,其结果,生成的氟化合物均匀地堆积,高温保存特性和高负荷充放电特性得到改善。
下面,对第三方式中的实施方式进行具体说明。
<实施例62>
[活性炭的制备]
[活性炭1e]
将破碎的椰壳碳化物装入小型碳化炉内,在氮气气氛下于500℃进行3小时碳化处理,得到碳化物。将所得到的碳化物装入活化炉内,将经预热炉加热的水蒸气以1kg/h导入上述活化炉内,利用8小时的时间升温至900℃进行活化。取出活化后的碳化物,在氮气气氛下冷却,得到经活化的活性炭。对所得到的经活化的活性炭进行10小时通水清洗后除去水分,在保持为115℃的电烘干机内干燥10小时,之后利用球磨机进行1小时粉碎,从而得到活性炭1e。
使用岛津制作所公司制造的激光衍射式粒度分布测定装置(SALD-2000J),测定活性炭1e的平均粒径,结果为4.2μm。另外,使用Yuasa Ionics公司制造的细孔分布测定装置(AUTOSORB-1AS-1-MP),测定活性炭1的细孔分布,结果BET比表面积为2,360m2/g,中孔量(V1)为0.52cc/g,微孔量(V2)为0.88cc/g,V1/V2=0.59。
[活性炭2c]
将酚树脂装入烧制炉内,在氮气气氛下于600℃进行2小时的碳化处理,之后利用球磨机粉碎,进行分级,得到平均粒径为7.0μm的碳化物。将所得到的碳化物和KOH以1:5的质量比混合,装入烧制炉内,在氮气气氛下于800℃加热1小时,进行活化。取出活化后的碳化物,在浓度调整为2mol/L的稀盐酸中搅拌清洗1小时,在蒸馏水中煮沸清洗直至pH稳定在5~6之间,之后进行干燥,从而得到活性炭2c。
使用岛津制作所公司制造的激光衍射式粒度分布测定装置(SALD-2000J),测定活性炭2c的平均粒径,结果为7.1μm。另外,使用Yuasa Ionics公司制造的细孔分布测定装置(AUTOSORB-1AS-1-MP),测定活性炭2c的细孔分布,结果BET比表面积为3,627m2/g,中孔量(V1)为1.50cc/g,微孔量(V2)为2.28cc/g,V1/V2=0.66。
[正极前体的制造]
使用上述得到的活性炭1e作为正极活性物质,制造正极前体(单面正极前体和双面正极前体)。
[正极活性物质层1的制备]
将活性炭1e(57.5质量份)、作为锂化合物的平均粒径为2.4μm的碳酸锂30.0质量份、科琴黑3.0质量份、PVP(聚乙烯吡咯烷酮)1.5质量份和PVDF(聚偏二氟乙烯)8.0质量份、以及NMP(N-甲基吡咯烷酮)混合,使用PRIMIX公司制造的薄膜旋回型高速搅拌机FILMIX,以圆周速度为17m/s的条件对其混合物进行分散,得到涂布液。使用东丽工程公司制造的模涂机,在厚度为15μm的不具有贯通孔的铝箔的单面以涂布速度为1m/s的条件进行上述涂布液的涂布,以100℃的干燥温度进行干燥,得到设有正极活性物质层1的单面正极前体9。
[正极活性物质层2的制备]
将活性炭1e(42.5质量份)、作为锂化合物的平均粒径为2.4μm的碳酸锂45.0质量份、科琴黑3.0质量份、PVP(聚乙烯吡咯烷酮)1.5质量份和PVDF(聚偏二氟乙烯)8.0质量份、以及NMP(N-甲基吡咯烷酮)混合,使用PRIMIX公司制造的薄膜旋回型高速搅拌机FILMIX,以圆周速度为17m/s的条件对其混合物进行分散,得到涂布液。使用东丽工程公司制造的模涂机,在厚度为15μm的不具有贯通孔的铝箔的单面、和上述得到的单面正极前体9的未设置正极活性物质层1一侧的正极集电体上,以涂布速度为1m/s的条件进行上述涂布液的涂布,以100℃的干燥温度进行干燥,得到设有正极活性物质层2的单面正极前体10和双面正极前体。
对于所得到的单面正极前体和双面正极前体,使用辊压机,以压力为4kN/cm、压制部的表面温度为25℃的条件进行压制。
[负极的制造]
[负极5的制备例]
将平均粒径为3.5μm且BET比表面积为1,801m2/g的市售的椰壳活性炭150g装入不锈钢网制笼中,放在加入有煤炭系沥青(软化点:120℃)200g的不锈钢制盘上,将两者设置在电炉(炉内有效尺寸300mm×300mm×300mm)内。将椰壳活性炭和煤炭系沥青在氮气气氛下用8小时的时间升温至700℃,以相同温度保持4小时,由此进行热反应,得到复合碳材料1a3。将所得到的复合碳材料1a3通过自然冷却而冷却至60℃,之后从电炉中取出。
对于所得到的复合碳材料1a3,利用与上述相同的方法测定了平均粒径和BET比表面积。结果示于下述表5。
使用复合碳材料1a3作为负极活性物质,制造负极5。
将复合碳材料1a3(82质量份)、乙炔黑6质量份和PVdF(聚偏二氟乙烯)12质量份、以及NMP(N-甲基吡咯烷酮)混合,使用PRIMIX公司制造的薄膜旋回型高速搅拌机FILMIX,以圆周速度为15m/s的条件对其混合物进行分散,得到涂布液。使用东机产业公司的E型粘度计TVE-35H,对所得到的涂布液的粘度(ηb)和TI值进行测定,结果粘度(ηb)为2,892mPa·s,TI值为5.0。使用东丽工程公司制造的模涂机,在厚度为10μm的不具有贯通孔的电解铜箔的双面以涂布速度为1m/s的条件进行上述涂布液的涂布,以85℃的干燥温度进行干燥,得到负极5(下文中也称为“双面负极”)。对于所得到的负极5,使用辊压机,以压力为4kN/cm、压制部的表面温度为25℃的条件进行压制。对于上述得到的负极5的膜厚,使用小野计器公司制造的膜厚计Linear Gauge Sensor GS-551,在负极5的任意十处进行测定。由所测定的膜厚的平均值减去铜箔的厚度,求出负极5的负极活性物质层的膜厚。负极5的负极活性物质层的膜厚在每个单面为40μm。
[负极6和7的制备例]
如表5所示,对基材及其质量份、煤炭系沥青的质量份以及热处理温度进行调整,除此以外,与负极5的制备例同样地进行负极活性物质的制造和评价。另外,使用表5所示的负极活性物质,以达到表5中记载的涂布液的配比的方式制备涂布液,除此以外,与负极5的制备例同样地进行负极6和7的制造和评价。结果示于下述表5。
【表5】
表5中的原料分别如下所述。
·椰壳活性炭:平均粒径3.5μm、BET比表面积1,801m2/g
·碳纳米颗粒:平均粒径5.3μm、BET比表面积1,354m2/g、1次粒径19nm
·人造石墨:平均粒径4.9μm、BET比表面积8.1m2/g
·沥青:软化点为120℃的煤炭系沥青
[非水系电解液的制备]
作为有机溶剂,使用碳酸亚乙酯(EC):碳酸甲乙酯(EMC)=33:67(体积比)的混合溶剂,相对于全部非水系电解液,按照LiN(SO2F)2和LiPF6的浓度比为25:75(摩尔比)、且LiN(SO2F)2和LiPF6的浓度之和为1.2mol/L的方式溶解各电解质盐,将所得到的溶液用作非水系电解液3。
所制备的非水系电解液3中的LiN(SO2F)2和LiPF6的浓度分别为0.9mol/L和0.3mol/L。
[非水系锂蓄电元件的制造]
使用上述得到的正极前体和负极5,以后述的条件制造多个非水系锂蓄电元件。
[组装]
将所得到的双面负极与单面正极前体和双面正极前体切割成10cm×10cm(100cm2)。最上面使用单面正极前体9,最下面使用单面正极前体10,进一步使用21片双面负极和20片双面正极前体,使负极5的单面(负极集电体的第一面上的第一负极活性物质层)与正极活性物质层1相对,负极5的另一单面(负极集电体的第二面上的第二负极活性物质层)与正极活性物质层2相对,并且在负极5与正极前体之间夹入厚度为15μm的微多孔膜隔板来进行层积。之后,分别将负极端子和正极端子通过超声波焊接连接到负极5和正极前体,得到电极层积体。将该电极层积体收纳于由铝层压包装材料构成的外装体内,在温度为180℃、密封时间为20sec和密封压力为1.0MPa的条件下对电极端子部和底部的外装体3侧进行热封。在温度为80℃、压力为50Pa、干燥时间为60hr的条件下对密封体进行真空干燥。
[液体注入、浸渗、密封工序]
将上述非水系电解液3约80g在大气压下、温度25℃和露点-40℃以下的干燥空气环境下注入到收纳于铝层压包装材料中的电极层积体。接着,将收纳有电极层积体的铝层压包装材料放入减压腔室中,从大气压减压至-87kPa后,恢复到大气压,静置5分钟。之后,重复四次从大气压减压至-87kPa后恢复到大气压的工序,之后静置15分钟。进而,从大气压减压至-91kPa后,恢复到大气压。合计重复7次同样地减压并恢复到大气压的工序(分别从大气压减压至-95kPa、-96kPa、-97kPa、-81kPa、-97kPa、-97kPa、-97kPa)。通过以上的工序,使非水系电解液浸渗于电极层积体。
之后,将收纳于铝层压包装材料中且浸渗有非水系电解液3的电极层积体放入减压密封机中,以减压至-95kPa的状态,于180℃以10秒、0.1MPa的压力进行密封,由此将铝层压包装材料密封,制作非水系锂蓄电元件。
[锂掺杂工序]
对于所得到的非水系锂蓄电元件,使用TOYO SYSTEM公司制造的充放电装置(TOSCAT-3100U),在45℃环境下以电流值50mA进行恒流充电至电压达到4.6V为止后,接着继续40小时4.6V恒压充电,通过上述方法进行初期充电,对负极5进行锂掺杂。
[老化工序]
对于锂掺杂后的非水系锂蓄电元件,在60℃环境下以100mA进行恒流放电至电压达到2.0V为止后,以100mA进行恒流充电至电压达到4.0V为止,进而进行50小时4.0V恒流充电,实施了恒流恒压充电工序。
[排气工序]
对于老化后的非水系锂蓄电元件,在温度25℃、露点-40℃的干燥空气环境下,将铝层压包装材料的一部分开封。接着,将上述非水系锂蓄电元件放入减压腔室中,合计重复3次利用KNF公司制造的隔膜泵(N816.3KT.45.18)以3分钟的时间从大气压减压至-80kPa后、以3分钟的时间恢复到大气压的工序。之后,将非水系锂蓄电元件装入减压密封机中,减压至-90kPa后,于200℃以10秒、0.1MPa的压力进行密封,由此将铝层压包装材料密封。
[非水系锂蓄电元件的评价]
上述得到的非水系锂蓄电元件中,针对一个实施后述的[高负荷充放电循环试验]。使用剩余的非水系锂蓄电元件,分别实施了后述的[负极的固体7Li-NMR测定]、[使用后负极的负极活性物质层的分析]、[正极的固体7Li-NMR测定]和[正极中的锂化合物的平均粒径的测定]。
[高负荷充放电循环试验]
对于所得到的非水系锂蓄电元件,在设定为25℃的恒温槽内,使用FUJITSUTELECOM NETWORKS LIMITED制造的充放电装置(5V,360A),通过上述方法测定了高负荷充放电循环试验前的内部电阻Ra。
接着,在设定为25℃的恒温槽内,使用FUJITSU TELECOM NETWORKS LIMITED制造的充放电装置(5V,360A),将电流值设为300C,通过上述方法实施高负荷充放电循环试验,测定高负荷充放电循环试验后的内部电阻Rb,得到Rb/Ra。将结果示于下述表6。
[负极的固体7Li-NMR测定]
对于上述得到的非水系锂蓄电元件的负极5,进行负极活性物质层的固体7Li-NMR测定。
首先,对于上述制造的非水系锂蓄电元件,使用Asuka Electronics Co.,Ltd.制造的充放电装置(ACD-01),在环境温度25℃条件下,以50mA的电流进行恒流充电至2.9V后,施加15小时2.9V的恒压,进行了恒流恒压充电。
接下来,在氩气气氛下进行负极活性物质层的采集。将非水系锂蓄电元件在氩气气氛下拆解,取出负极5。接着,将所得到的负极5在碳酸二乙酯中浸渍2分钟以上,除去锂盐等。在同样的条件下再进行一次在碳酸二乙酯中的浸渍,之后风干。之后,从所得到的负极5的负极集电体的第一面上和第二面上分别采集负极活性物质层并称量。
对于所得到的各负极活性物质层,进行固体7Li-NMR测定。作为测定装置,使用JEOL RESONANCE公司制造的ECA700(7Li-NMR的共振频率为272.1MHz),在室温环境下,将魔角旋转的转速设为14.5kHz,将照射脉冲宽度设为45°脉冲,利用单脉冲法进行测定。作为位移基准,使用1mol/L氯化锂水溶液,将作为外部标准另行测定的其位移位置设为0ppm。在测定1mol/L的氯化锂水溶液时,不使试样旋转,将照射脉冲宽度设为45°脉冲,利用单脉冲法进行测定。
对于通过上述方法得到的负极活性物质层的固体7Li-NMR光谱,利用上述方法计算出锂量q1、q2,计算出变异系数CV。结果示于下述表6。
[使用后负极的负极活性物质层的分析]
对于上述得到的非水系锂蓄电元件的负极5,对使用后负极的负极活性物质层每单位体积的BET比表面积进行测定。
首先,对于上述制造的非水系锂蓄电元件,使用Asuka Electronics Co.,Ltd.制造的充放电装置(ACD-01),在环境温度25℃条件下,以50mA的电流进行恒流充电至2.9V后,施加15小时2.9V的恒压,进行了恒流恒压充电。
接下来,在氩气气氛下进行负极5的采集。将非水系锂蓄电元件在氩气气氛下拆解,取出负极5。接着,将所得到的负极5在碳酸二乙酯中浸渍2分钟以上,除去非水系电解液、锂盐等并风干。之后,将所得到的负极5在由甲醇和异丙醇构成的混合溶剂中浸渍15小时,使吸收到负极活性物质的锂离子失活,并进行风干。接下来,利用真空干燥机以温度为170℃的条件对所得到的负极5进行12小时真空干燥,由此得到测定样品。对于所得到的测定样品,使用Yuasa Ionics公司制造的细孔分布测定装置(AUTOSORB-1 AS-1-MP),以氮为被吸附物,利用上述方法对使用后负极的负极活性物质层每单位体积的BET比表面积进行测定。将结果示于下述表6。
[正极的固体7Li-NMR测定]
对于所得到的非水系锂蓄电元件的正极,进行正极活性物质层的固体7Li-NMR测定。
首先,对于上述制造的非水系锂蓄电元件,使用Asuka Electronics Co.,Ltd.制造的充放电装置(ACD-01),在环境温度25℃条件下,以50mA的电流进行恒流充电至2.9V后,施加15小时2.9V的恒压,进行了恒流恒压充电。
接下来,在氩气气氛下进行正极活性物质层的采集。将非水系锂蓄电元件在氩气气氛下拆解,取出正极。接着,将所得到的正极在碳酸二乙酯中浸渍2分钟以上,除去非水系电解液、锂盐等。在同样的条件下再进行一次在碳酸二乙酯中的浸渍,之后风干。
之后,由正极采集正极活性物质层。
将所得到的正极活性物质层作为试样,进行固体7Li-NMR测定。作为测定装置,使用JEOL RESONANCE公司制造的ECA700(7Li-NMR的共振频率为272.1MHz),在室温环境下,将魔角旋转的转速设为14.5kHz,将照射脉冲宽度设为45°脉冲,利用单脉冲法进行测定。观测范围设为-400ppm~400ppm的范围,点数设为4,096点。使反复等待时间以外的测定条件、例如积分次数、接收器增益等全部相同,在此基础上对反复等待时间为10秒的情况和为3,000秒的情况分别进行测定,得到NMR光谱。作为位移基准,使用1mol/L氯化锂水溶液,将作为外部标准另行测定的其位移位置设为0ppm。在测定1mol/L的氯化锂水溶液时,不使试样旋转,将照射脉冲宽度设为45°脉冲,利用单脉冲法进行测定。
对于通过上述方法得到的正极活性物质层的固体7Li-NMR光谱,利用上述方法计算出b/a。将结果示于下述表6。
[正极中的锂化合物的平均粒径的测定]
将所得到的非水系锂蓄电元件在露点温度为-72℃的氩箱中拆解,将双面涂布有正极活性物质层的正极切割成10cm×5cm的尺寸,浸渍于30g的碳酸二乙酯溶剂中,偶尔用镊子移动正极,清洗10分钟。接着将正极取出,在氩箱中风干5分钟,将正极浸渍于新准备的30g的碳酸二乙酯溶剂中,利用与上述相同的方法清洗10分钟。将正极从氩箱取出,使用真空干燥机(Yamato Scientific Co.,Ltd.制造、DP33)在温度25℃和压力1kPa的条件下干燥20小时,得到正极试样。
由正极试样切割出1cm×1cm的小片,使用日本电子制造的SM-09020CP,使用氩气,在加速电压为4kV且光束直径为500μm的条件下制作与正极试样的表面方向垂直的截面。接下来,在10Pa的真空中通过溅射在表面涂布了金。接着,在以下所示的条件下,在大气暴露下测定正极表面的SEM和EDX。
(SEM-EDX测定条件)
·测定装置:Hitachi High-Technologies制造、场发射扫描型电子显微镜FE-SEMS-4700
·加速电压:10kV
·发射电流:10μA
·测定倍率:2,000倍
·电子射线入射角度:90°
·X射线取出角度:30°
·死区时间:15%
·分布像元素:C,O,F
·测定像素数:256×256像素
·测定时间:60sec.
·积分次数:50次
·将光亮度和对比度调整为分布像中不存在达到最大光亮度值的像素,光亮度值的平均值落入最大光亮度值的40%~60%的范围。
(SEM-EDX的分析)
对于由上述测定的正极截面SEM和EDX得到的图像,使用图像分析软件(ImageJ),利用上述方法进行图像分析,由此计算出锂化合物的平均粒径X1。将结果示于下述表6。
<实施例63~74以及比较例53~56>
使正极活性物质、锂化合物及其平均粒径、正极活性物质和锂化合物的质量份如表6所示,除此以外,与实施例62同样地制造多个正极前体。使用这些正极前体与表6所示的负极进行组合,除此以外,与实施例62同样地制造非水系锂蓄电元件,并进行评价。将结果示于下述表6。
<比较例57>
[正极前体的制造]
将活性炭2c(87.5质量份)、科琴黑3.0质量份、PVP(聚乙烯吡咯烷酮)1.5质量份和PVDF(聚偏二氟乙烯)8.0质量份、以及NMP(N-甲基吡咯烷酮)混合,使用PRIMIX公司制造的薄膜旋回型高速搅拌机FILMIX,以圆周速度为17m/s的条件对其混合物进行分散,得到涂布液。使用上述得到的涂布液,除此以外,与实施例62同样地得到正极前体。
[非水系锂蓄电元件的制备、评价]
使用所得到的正极前体和下述表2所示的负极,该负极在第一负极活性物质层的表面贴附有相对于负极活性物质的每单位质量相当于1,100mAh/g的金属锂箔,并在第二负极活性物质层的表面贴附有相对于负极活性物质的每单位质量相当于900mAh/g的金属锂箔,除此以外,与实施例62同样地实施非水系锂蓄电元件的组装和液体注入、浸渗、密封工序。
接下来,作为锂掺杂工序,将上述得到的非水系锂蓄电元件在环境温度45℃的恒温槽中保存30小时,使金属锂离子化,掺杂到表2所示的负极。之后,对于所得到的非水系锂蓄电元件,与实施例62同样地实施老化工序和排气工序,制造非水系锂蓄电元件并进行评价。将结果示于下述表6。
<比较例58>
[非水系锂蓄电元件的制备、评价]
使用比较例57中得到的正极前体和下述负极,该负极在表6所示的负极的第一负极活性物质层和第二负极活性物质层表面贴附有相对于负极活性物质的每单位质量相当于280mAh/g的金属锂箔,除此以外,与实施例62同样地实施非水系锂蓄电元件的组装和液体注入、浸渗、密封工序。
接下来,作为锂掺杂工序,将上述得到的非水系锂蓄电元件在环境温度45℃的恒温槽中保存30小时,使金属锂离子化,掺杂到表6所示的负极。之后,对于所得到的非水系锂蓄电元件,与实施例62同样地实施老化工序和排气工序,制造非水系锂蓄电元件并进行评价。将结果示于下述表6。
将以上的结果归纳示于以下的表6。
【表6】
由表6所示的实施例62~74和比较例53~58可知,在非水系锂蓄电元件中,使正极含有正极活性物质以外的锂化合物,并且针对设置于负极集电体的第一面上的第一负极活性物质层的固体7Li-NMR光谱,将由-20ppm~60ppm的峰面积计算出的吸收了锂离子的第一负极活性物质层的每单位质量的锂量设为q1,针对设置于第一面的背面即负极集电体的第二面上的第二负极活性物质层的固体7Li-NMR光谱,将由-20ppm~60ppm的峰面积计算出的吸收了锂离子的第二负极活性物质层的每单位质量的锂量设为q2时,通过将q1与q2的变异系数CV调整为特定的范围内,能够显示出较高的高负荷充放电循环特性。
下面,对第四方式中的实施方式进行具体说明。
<实施例75>
<正极活性物质的制备>
[制备例1f]
将破碎的椰壳碳化物装入小型碳化炉内,在氮气气氛下于500℃进行3小时碳化处理,得到碳化物。将所得到的碳化物装入活化炉内,将经预热炉加热的水蒸气以1kg/h导入活化炉内,利用8小时的时间升温至900℃进行活化。取出活化后的碳化物,在氮气气氛下冷却,得到经活化的活性炭。对所得到的经活化的活性炭进行10小时通水清洗后除去水分,在保持为115℃的电烘干机内干燥10小时,之后利用球磨机进行1小时粉碎,从而得到活性炭1f。
使用岛津制作所公司制造的激光衍射式粒度分布测定装置(SALD-2000J),测定活性炭1f的平均粒径,结果为4.2μm。另外,使用Yuasa Ionics公司制造的细孔分布测定装置(AUTOSORB-1AS-1-MP),测定活性炭1f的细孔分布。其结果,BET比表面积为2360m2/g,中孔量(V1)为0.52cc/g,微孔量(V2)为0.88cc/g,V1/V2=0.59。
[制备例2d]
将酚树脂装入烧制炉内,在氮气气氛下于600℃进行2小时的碳化处理,之后利用球磨机粉碎,进行分级,得到平均粒径为7μm的碳化物。将所得到的碳化物和KOH以1:5的质量比混合,装入烧制炉内,在氮气气氛下于800℃加热1小时,进行活化。取出活化后的碳化物,在浓度调整为2mol/L的稀盐酸中搅拌清洗1小时,在蒸馏水中煮沸清洗直至pH稳定在5~6之间,之后进行干燥,从而得到活性炭2d。
使用岛津制作所公司制造的激光衍射式粒度分布测定装置(SALD-2000J),测定活性炭2d的平均粒径,结果为7.0μm。另外,使用Yuasa Ionics公司制造的细孔分布测定装置(AUTOSORB-1AS-1-MP),测定活性炭2d的细孔分布。其结果,BET比表面积为3627m2/g,中孔量(V1)为1.50cc/g,微孔量(V2)为2.28cc/g,V1/V2=0.66。
<正极前体的制造>
使用活性炭2d作为正极活性物质,制造正极前体。
将活性炭2d(55.5质量份)、碳酸锂32.0质量份、科琴黑3.0质量份、PVP(聚乙烯吡咯烷酮)1.5质量份和PVDF(聚偏二氟乙烯)8.0质量份、以及NMP(N-甲基吡咯烷酮)混合,使用PRIMIX公司制造的薄膜旋回型高速搅拌机FILMIX,以圆周速度为17m/s的条件对其进行分散,得到涂布液1C。使用东机产业公司的E型粘度计TVE-35H,对所得到的涂布液1C的粘度(ηb)和TI值进行测定。其结果,粘度(ηb)为2,370mPa·s,TI值为3.3。另外,使用YOSHIMITSUSEIKI公司制造的粒度计对所得到的涂布液1C的分散度进行测定。其结果,粒度为31μm。
使用东丽工程公司制造的双面模涂机,在厚度为15μm的铝箔的单面或双面以涂布速度为1m/s的条件进行涂布液1C的涂布,以120℃的干燥温度进行干燥,得到正极前体11(单面)和正极前体11(双面)。在铝箔的单面进行涂布液1C的涂布时,将模头的排出压力设为55kPa,在铝箔的双面进行涂布液1C的涂布时,将上表面模头的排出压力设为55kPa、下表面模头的排出压力设为60kPa。对于所得到的正极前体11(单面)和正极前体11(双面),使用辊压机,以压力为6kN/cm、压制部的表面温度为25℃的条件进行压制。
对于正极前体11(双面)的总厚,使用小野计器公司制造的膜厚计Linear GaugeSensor GS-551,在正极前体11(双面)的任意十处进行测定。之后,去除正极前体11(双面)中的一个面的正极活性物质层,再次测定厚度。之后,将残留于正极集电体上的正极活性物质层全部去除,测定铝箔的厚度。由所得到的测定结果求出正极前体11(双面)的正极活性物质层的膜厚,结果,正极活性物质层的上表面为58μm,正极活性物质层的下表面为61μm,将上表面设为正极前体Cy1面、下表面设为正极前体Cx1面。
<负极活性物质的制备制备例2a4>
使用Yuasa Ionics公司制造的细孔分布测定装置(AUTOSORB-1AS-1-MP),通过上述方法测定市售的人造石墨的BET比表面积和细孔分布。其结果,BET比表面积为3.1m2/g,平均粒径为4.8μm。
将该人造石墨300g装入不锈钢网制笼中,放在加入有煤炭系沥青(软化点:50℃)30g的不锈钢制盘上,将两者设置在电炉(炉内有效尺寸300mm×300mm×300mm)内。使其在氮气气氛下用12小时的时间升温至1000℃,以相同温度保持5小时,由此进行热反应,得到复合多孔质碳材料2a4。将所得到的复合多孔质碳材料2a4通过自然冷却而冷却到60℃,并从电炉中取出。
对于所得到的复合多孔质碳材料2a4,利用与上述相同的方法测定了BET比表面积和细孔分布。其结果,BET比表面积为6.1m2/g,平均粒径为4.9μm。另外,复合多孔质碳材料2a4中的来自煤炭系沥青的碳质材料相对于活性炭的质量比例为2.0%。
<负极的制造>
使用复合多孔质碳材料2a4作为负极活性物质,制造负极。
将复合多孔质碳材料2a4(84质量份)、乙炔黑10质量份和PVdF(聚偏二氟乙烯)6质量份、以及NMP(N-甲基吡咯烷酮)混合,使用PRIMIX公司制造的薄膜旋回型高速搅拌机FILMIX,以圆周速度为17m/s的条件对其进行分散,得到涂布液1A。使用东机产业公司的E型粘度计TVE-35H,对所得到的涂布液1A的粘度(ηb)和TI值进行测定。其结果,粘度(ηb)为2,520mPa·s,TI值为3.8。
使用东丽工程公司制造的模涂机,在厚度为10μm的电解铜箔的双面以涂布速度为2m/s的条件进行涂布液1A的涂布,以120℃的干燥温度进行干燥,得到负极8。在铜箔的双面进行涂布液1A的涂布时,将上表面模头的排出压力设为50kPa、下表面模头的排出压力设为45kPa。对于所得到的负极8,使用辊压机,以压力为5kN/cm、压制部的表面温度为25℃的条件进行压制。
对于所压制的负极8的总厚,使用小野计器公司制造的膜厚计Linear GaugeSensor GS-551,在负极8的任意十处进行测定。之后,去除负极8中的一个面的负极活性物质层,再次测定厚度。之后,将残留于负极集电体上的负极活性物质层全部去除,测定铜箔的厚度。由所得到的测定结果求出负极8的负极活性物质层的膜厚,结果,负极活性物质层的上表面为35μm,负极活性物质层的下表面为32μm,将上表面设为负极Ay1面、下表面设为负极Ax1面。
[负极单位重量的容量的测定]
将所得到的负极8以1.4cm×2.0cm(2.8cm2)的尺寸切割出1片,使用抹刀、刷、刷毛将涂布至铜箔的Ax1面的负极活性物质层除去,作为工作电极。作为反电极和参比电极,分别使用金属锂,作为电解液,使用在碳酸亚乙酯(EC)与碳酸甲乙酯(EMC)的体积比为1:1的混合溶剂中以1.0mol/L的浓度溶解LiPF6而得到的非水系溶液,在氩箱中制作出电化学电池。
对于所得到的电化学电池,使用TOYO SYSTEM公司制造的充放电装置(TOSCAT-3100U),按照下述顺序测定了初期充电容量。
对于电化学电池,在温度25℃以电流值0.5mA/cm2进行恒流充电至电压值达到0.01V为止,之后进一步进行恒压充电至电流值达到0.01mA/cm2为止。将该恒流充电和恒压充电时的充电容量作为初次充电容量进行评价,结果为0.74mAh,负极8的每单位质量的容量(锂离子的掺杂量)为545mAh/g。
<电解液的制备>
作为有机溶剂,使用碳酸亚乙酯(EC):碳酸甲乙酯(EMC)=33:67(体积比)的混合溶剂,相对于全部电解液,按照LiN(SO2F)2和LiPF6的浓度比为75:25(摩尔比)、且LiN(SO2F)2和LiPF6的浓度之和为1.2mol/L的方式溶解各电解质盐,得到非水系电解液4。非水系电解液4中的LiN(SO2F)2和LiPF6的浓度分别为0.9mol/L和0.3mol/L。
<非水系锂蓄电元件的制作>
对于所得到的正极前体11,按照正极活性物质层为10.0cm×10.0cm(100cm2)的大小的方式,切割出2片正极前体11(单面)、19片正极前体11(双面)。接着,将负极8按照负极活性物质层为10.1cm×10.1cm(102cm2)的大小的方式切割出20片。另外,准备40片10.3cm×10.3cm(106cm2)的聚乙烯制的隔板(旭化成株式会社制造、厚度为10μm)。将它们按照最外层为正极前体11(单面)的方式,按照正极前体11(单面)、隔板、负极8、隔板、正极前体11(双面)的顺序,使正极前体Cx1面与负极Ax1面隔着隔板相对、使正极前体Cy1面与负极Ay1面隔着隔板相对地进行层积,得到电极层积体。在所得到的电极层积体上超声波焊接正极端子和负极端子,装入设置有带止回阀的排气阀的、由铝层压包装材料形成的容器中,通过热封对包含电极端子部的三边进行密封。
在大气压下、温度25℃、露点-40℃以下的干燥空气环境下,将约70g非水系电解液4注入到收纳于铝层压包装材料中的电极层积体。接着,将其放入减压腔室中,从大气压减压至-87kPa后,恢复到大气压,静置5分钟。之后,重复四次从大气压减压至-87kPa后恢复到大气压的工序,之后静置15分钟。进而,从大气压减压至-91kPa后,恢复到大气压。合计重复7次同样地减压并恢复到大气压的工序(从大气压分别减压至-95kPa、-96kPa、-97kPa、-81kPa、-97kPa、-97kPa、-97kPa)。通过以上的工序,使非水系电解液4浸渗于电极层积体。
之后,将浸渗有非水系电解液4的电极层积体装入减压密封机中,在减压至-95kPa的状态下,于180℃以10秒、0.1MPa的压力进行密封,由此对铝层压包装材料进行密封。
[锂掺杂工序]
将所得到的电极层积体装入温度25℃、露点-60℃、氧浓度1ppm的氩箱内。切断铝层压包装材料的剩余部分而开封,使用Matsusada Precision公司制造的电源(P4LT18-0.2),以电流值100mA进行恒流充电至电压达到4.5V为止后,接着继续72小时4.5V恒压充电,通过上述方法进行初期充电,对负极进行锂掺杂。锂掺杂结束后,使用FUJI IMPULSE公司制造的热封机(FA-300)对铝层压体进行密封。
[老化工序]
将锂掺杂后的电极层积体从氩箱取出,在25℃环境下,以100mA进行恒流放电至电压达到3.8V为止后,进行1小时3.8V恒流放电,由此将电压调整为3.8V。接着,将电极层积体在60℃的恒温槽中保存48小时。
[排气工序]
对于老化后的电极层积体,在温度25℃、露点-40℃的干燥空气环境下,将铝层压包装材料的一部分开封。接着,将电极层积体装入减压腔室中,合计重复3次利用隔膜泵(KNF公司制造、N816.3KT.45.18)以3分钟的时间从大气压减压至-80kPa后、以3分钟的时间恢复到大气压的工序。之后,将电极层积体装入减压密封机中,减压至-90kPa后,于200℃以10秒、0.1MPa的压力进行密封,由此将铝层压包装材料密封,制作出非水系锂蓄电元件。通过以上的工序,制作出3个非水系锂蓄电元件。
<非水系锂蓄电元件的评价>
[静电容量Fa的测定]
所得到的非水系锂蓄电元件中,针对一个在设定为25℃的恒温槽内,使用FUJITSUTELECOM NETWORKS FUKUSHIMA株式会社制造的充放电装置(5V,360A),以2C的电流值(1.6A)进行恒流充电至达到3.8V为止,接着进行合计30分钟施加3.8V恒压的恒压充电。之后,以2C的电流值(1.6A)实施恒流放电至2.2V为止,将此时的容量设为Q(C),通过F=Q/(3.8-2.2)算出的静电容量Fa为1767F。
[内部电阻Ra的测定]
对于上述非水系锂蓄电元件,在设定为25℃的恒温槽内,使用FUJITSU TELECOMNETWORKS FUKUSHIMA株式会社制造的充放电装置(5V,360A),以20C的电流值(16A)进行恒流充电至达到3.8V为止,接着进行合计30分钟施加3.8V恒压的恒压充电。之后,将采样时间设为0.1秒,以20C的电流值(16A)进行恒流放电至2.2V为止,得到放电曲线(时间-电压)。在该放电曲线中,由放电时间为2秒和4秒的时刻的电压值以直线近似进行外推,将所得到的放电时间=0秒的电压设为Eo,通过降压ΔE=3.8-Eo和R=ΔE/(电流值20C)计算出内部电阻Ra,结果为0.56mΩ。
[高负荷充放电循环试验]
对于上述工序中得到的非水系锂蓄电元件,在设定为25℃的恒温槽内,使用FUJITSU TELECOM NETWORKS FUKUSHIMA株式会社制造的充放电装置(5V,360A)以200C的电流值(160A)进行恒流充电至达到3.8V为止,接着以200C的电流值进行恒流放电至达到2.2V为止,以无休止的条件重复60000次上述充放电工序。循环结束后测定内部电阻Rb,结果为0.63mΩ。
[高温保存试验]
对于上述非水系锂蓄电元件,在设定为25℃的恒温槽内,使用FUJITSU TELECOMNETWORKS株式会社制造的充放电装置(5V,360A),以100C的电流值(80A)进行恒流充电至达到4.0V为止,接着进行合计10分钟的施加4.0V恒压的恒压充电。接下来,将电池保存于60℃环境下,每2周从60℃环境下取出,以同样的充电工序将电池电压充电到4.0V后,再次将电池保存于60℃环境下。反复实施2个月该工序,将Fluorinert(注册商标、3M Japan株式会社)FC-40作为测定溶剂,在25℃环境下利用阿基米德法测定保存试验开始前的电池体积Va、保存试验2个月后的电池的体积Vb。将由Vb-Va求出的气体产生量用静电容量Fa标准化,所得到的值B为1.82×10-3cc/F。
[Cx1、Cy1、Cx2、Cy2、Ax1、Ay1的计算]
对于所得到的剩余的非水系锂蓄电元件,将电压调整为2.9,在露点温度-72℃的氩箱中拆解,根据上述方法由式(5)、式(6)和式(7)计算出Cx1、Cy1、Cx2、Cy2、Ax1、Ay1
[显微拉曼分光测定]
由拆解上述非水系锂蓄电元件而得到的电极层积体中将正极切割成10cm×10cm的尺寸。将所得到的正极浸渍于30g的碳酸二乙酯溶剂中,偶尔用镊子移动正极,清洗10分钟。接着将正极取出,在氩箱中风干5分钟,将正极浸渍于新准备的30g的碳酸二乙酯溶剂中,利用与上述相同的方法清洗10分钟。将清洗后的正极从氩箱取出,使用真空干燥机(Yamato Scientific Co.,Ltd.制造、DP33)以温度为25℃、压力为1kPa的条件干燥20小时,得到正极试样3。
在维持不暴露于大气的状态下,由上述得到的正极试样3切割出2片1cm×1cm的小片,将利用抹刀、刷、刷毛去除了Cy面的正极活性物质层的试样作为试样Sx,将去除了Cx面的正极活性物质层的试样作为试样Sy,作为显微拉曼分光测定用的样品。
(测定)
碳酸根离子分布像使用Renishaw公司的显微拉曼分光装置inVia Reflex实施。激发光的激光的波长设为532nm,使用长工作距离的50倍物镜,按照在试样位置达到约0.7mW的功率的方式进行聚光。对于在正极截面的厚度方向上90μm、在与厚度方向垂直的方向上30μm的范围,以1μm间隔进行点扫描,得到各测定点的拉曼光谱。对于拉曼光谱中在1086cm-1所观测到的碳酸根离子的峰,在1071cm-1~1104cm-1划出直线的基线,将在与基线相比为正的区域出现的面积和在与基线相比为负的区域出现的面积分别作为峰面积算出。在与基线相比为负的区域出现的面积的符号成为负值。作为该碳酸根离子的峰面积的空间分布进行描绘,得到碳酸根离子的成像图像。
(碳酸根离子分布像的面积Sx和Sy的计算)
如下计算出碳酸根离子分布像的面积Sx和Sy。在试样Sx的表面的各测定位置得到的2700点的拉曼光谱中,在1071cm-1、1104cm-1的位置设定直线的基线,使高于基线的部分的面积为正、低于基线的部分的面积为负,制成面积(a)的分布像数据。接着,将面积(a)的最大值至最小值分割成100个区间数,制成柱状图1,对于与给出最大频数的面积值相比为负一侧的部分,使用高斯函数通过最小二乘法进行拟合,使用高斯函数对噪音成分进行近似。由原始的柱状图1减去该拟合后的高斯函数,将所得到的差制成CO3 2-的峰面积的柱状图2。该柱状图2中,对于给出最大频率的面积(b)以上的累积频率,求出CO3 2-离子的分布像频数,结果为172。将其除以整体的频数2700,由此计算出碳酸根离子分布像的面积Sx,结果Sx=6.4%。同样地计算出试样Sy的碳酸根离子分布像的面积Sy,结果Sy=4.5%。
[Cy3和Ay3的计算]
在Ar箱中,在维持不暴露于大气的状态下将剩余的正极试样3切断成10cm×5cm的尺寸,利用抹刀、刷、或者刷毛去除Cx面的正极活性物质层。将所得到的正极试样3用30g的碳酸二乙酯溶剂清洗10分钟,在维持不暴露于大气的状态下,在侧箱中使其真空干燥。将干燥后的正极电极体以维持不暴露于大气的状态从侧箱移至Ar箱,用重水浸渍提取,得到正极电极体提取液。提取液的分析利用离子色谱法(IC)和1H-NMR进行,由所求出的正极电极体提取液中的各化合物的浓度C(mol/ml)、提取中所用的重水的体积D(ml)、以及提取中所用的正极的活性物质的质量E(g),根据下述(8)式求出堆积于正极电极体的各化合物的在正极活性物质每单位质量中的存在量Cy3(mol/g)。
Cy3=C×D/E…(8)
需要说明的是,提取中所用的正极活性物质层的质量利用下述方法求出。
利用抹刀、刷或刷毛,从重水提取后残留的正极电极体的集电体上剥离下正极活性物质层,对该剥离后的正极活性物质层进行水洗,之后真空干燥。将真空干燥而得到的正极活性物质层用NMP进行清洗。接着,将所得到的正极活性物质层再次真空干燥,之后进行称量,由此调查提取中所用的正极活性物质层的质量。
(1H-NMR的测定)
将正极电极体提取液装入3mmφNMR管(株式会社shigemi制造PN-002)中,插入装有含1,2,4,5-四氟苯的氘代氯仿的5mmφNMR管(日本精密科学株式会社制造N-5)中,利用套管法进行1H NMR测定。以1,2,4,5-四氟苯的信号7.1ppm(m,2H)进行标准化,求出观测到的各化合物的积分值。
另外,将含有已知浓度的二甲基亚砜的氘代氯仿装入3mmφNMR管(株式会社shigemi制造PN-002)中,插入与上述相同的装有含1,2,4,5-四氟苯的氘代氯仿的5mmφNMR管(日本精密科学株式会社制造N-5)中,利用套管法进行1H NMR测定。与上述同样地,以1,2,4,5-四氟苯的信号7.1ppm(m,2H)进行标准化,求出二甲基亚砜的信号2.6ppm(s,6H)的积分值。由所使用的二甲基亚砜的浓度与积分值的关系求出正极电极体提取液中的各化合物的浓度C。
1H NMR光谱的归属如下所述。
(关于LiOCH2CH2OLi)
LiOCH2CH2OLi的CH2:3.7ppm(s,4H)
CH3OLi:3.3ppm(s,3H)
CH3CH2OLi的CH3:1.2ppm(t,3H)
CH3CH2OLi的CH2O:3.7ppm(q,2H)
如上所述,LiOCH2CH2OLi的CH2的信号(3.7ppm)与CH3CH2OLi的CH2O的信号(3.7ppm)重叠,因此将由CH3CH2OLi的CH3的信号(1.2ppm)计算出的CH3CH2OLi的CH2O相当量除去,计算出LiOCH2CH2OLi量。
根据由上述分析求出的各化合物在提取液中的浓度、以及提取中所用的重水的体积、提取中所用的正极的活性物质质量,计算出Cy面中包含的LiOCH2CH2OLi的浓度Cy3为84.5×10-4mol/g。
利用与上述相同的方法计算出,与Cy面相对的负极活性物质层中包含的LiOCH2CH2OLi的浓度Ay3为47.0×10-4mol/g。
<实施例76>
在锂掺杂工序的非水系锂蓄电元件的初期充电中,以电流值100mA进行恒流充电至电压达到4.5V为止后,接着继续36小时4.5V恒压充电,由此对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与实施例75同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例77>
在锂掺杂工序的非水系锂蓄电元件的初期充电中,以电流值100mA进行恒流充电至电压达到4.5V为止后,接着继续12小时4.5V恒压充电,由此对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与实施例75同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例78>
在锂掺杂工序的非水系锂蓄电元件的初期充电中,以电流值100mA进行恒流充电至电压达到4.6V为止后,接着继续72小时4.6V恒压充电,由此对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与实施例75同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例79>
在锂掺杂工序的非水系锂蓄电元件的初期充电中,以电流值100mA进行恒流充电至电压达到4.6V为止后,接着继续36小时4.6V恒压充电,由此对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与实施例78同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例80>
在锂掺杂工序的非水系锂蓄电元件的初期充电中,以电流值100mA进行恒流充电至电压达到4.6V为止后,接着继续12小时4.6V恒压充电,由此对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与实施例78同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例81>
在锂掺杂工序的非水系锂蓄电元件的初期充电中,以电流值100mA进行恒流充电至电压达到4.3V为止后,接着继续72小时4.3V恒压充电,由此对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与实施例75同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例82>
在锂掺杂工序的非水系锂蓄电元件的初期充电中,以电流值100mA进行恒流充电至电压达到4.3V为止后,接着继续36小时4.3V恒压充电,由此对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与实施例81同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例83>
在锂掺杂工序的非水系锂蓄电元件的初期充电中,以电流值100mA进行恒流充电至电压达到4.3V为止后,接着继续12小时4.3V恒压充电,由此对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与实施例81同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例84>
将正极前体(单面)涂布时的上表面模头的排出压力设为56.5kPa,制作正极前体12(单面),将正极前体(双面)涂布时的上表面模头的排出压力设为56.5kPa、下表面模头的排出压力设为58.5kPa,制作正极前体12(双面),除此以外,利用与实施例75同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例85>
在锂掺杂工序的非水系锂蓄电元件的初期充电中,以电流值100mA进行恒流充电至电压达到4.5V为止后,接着继续36小时4.5V恒压充电,由此对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与实施例84同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例86>
在锂掺杂工序的非水系锂蓄电元件的初期充电中,以电流值100mA进行恒流充电至电压达到4.5V为止后,接着继续12小时4.5V恒压充电,由此对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与实施例84同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例87>
将正极前体(单面)涂布时的上表面模头的排出压力设为52.5kPa,制作正极前体13(单面),将正极前体(双面)涂布时的上表面模头的排出压力设为52.5kPa、下表面模头的排出压力设为62.5kPa,制作正极前体13(双面),除此以外,利用与实施例75同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例88>
将正极前体(单面)涂布时的上表面模头的排出压力设为50kPa,制作正极前体14(单面),将正极前体(双面)涂布时的上表面模头的排出压力设为50kPa、下表面模头的排出压力设为65kPa,制作正极前体14(双面),除此以外,利用与实施例75同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例89>
在锂掺杂工序的非水系锂蓄电元件的初期充电中,以电流值100mA进行恒流充电至电压达到4.5V为止后,接着继续36小时4.5V恒压充电,由此对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与实施例88同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例90>
在锂掺杂工序的非水系锂蓄电元件的初期充电中,以电流值100mA进行恒流充电至电压达到4.5V为止后,接着继续12小时4.5V恒压充电,由此对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与实施例88同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例91>
将负极涂布时的上表面模头的排出压力设为48.5kPa、下表面模头的排出压力设为46.5kPa,制作负极9,除此以外,利用与实施例75同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例92>
在锂掺杂工序的非水系锂蓄电元件的初期充电中,以电流值100mA进行恒流充电至电压达到4.5V为止后,接着继续36小时4.5V恒压充电,由此对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与实施例91同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例93>
在锂掺杂工序的非水系锂蓄电元件的初期充电中,以电流值100mA进行恒流充电至电压达到4.5V为止后,接着继续12小时4.5V恒压充电,由此对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与实施例91同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例94>
将负极涂布时的上表面模头的排出压力设为55kPa、下表面模头的排出压力设为40kPa,制作负极10,除此以外,利用与实施例75同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例95>
在锂掺杂工序的非水系锂蓄电元件的初期充电中,以电流值100mA进行恒流充电至电压达到4.5V为止后,接着继续36小时4.5V恒压充电,由此对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与实施例94同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例96>
在锂掺杂工序的非水系锂蓄电元件的初期充电中,以电流值100mA进行恒流充电至电压达到4.5V为止后,接着继续12小时4.5V恒压充电,由此对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与实施例94同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例97>
使用正极前体12(单面)、正极前体12(双面)和负极9,除此以外,利用与实施例75同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例98>
使用正极前体14(单面)、正极前体14(双面)和负极10,除此以外,利用与实施例75同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例99>
在锂掺杂工序的非水系锂蓄电元件的初期充电中,以电流值100mA进行恒流充电至电压达到4.5V为止后,接着继续36小时4.5V恒压充电,由此对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与实施例98同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例100>
在锂掺杂工序的非水系锂蓄电元件的初期充电中,以电流值100mA进行恒流充电至电压达到4.5V为止后,接着继续12小时4.5V恒压充电,由此对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与实施例98同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例59>
将正极前体(单面)涂布时的上表面模头的排出压力设为57.5kPa,制作正极前体15(单面),将正极前体(双面)涂布时的上表面模头的排出压力设为57.5kPa、下表面模头的排出压力设为57.5kPa,制作正极前体15(双面),除此以外,利用与实施例75同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例60>
在锂掺杂工序的非水系锂蓄电元件的初期充电中,以电流值100mA进行恒流充电至电压达到4.5V为止后,接着继续36小时4.5V恒压充电,由此对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与比较例59同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例61>
在锂掺杂工序的非水系锂蓄电元件的初期充电中,以电流值100mA进行恒流充电至电压达到4.5V为止后,接着继续12小时4.5V恒压充电,由此对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与比较例59同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例62>
将负极涂布时的上表面模头的排出压力设为47.5kPa、下表面模头的排出压力设为47.5kPa,制作负极11,除此以外,利用与实施例75同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例63>
在锂掺杂工序的非水系锂蓄电元件的初期充电中,以电流值100mA进行恒流充电至电压达到4.5V为止后,接着继续36小时4.5V恒压充电,由此对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与比较例62同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例64>
在锂掺杂工序的非水系锂蓄电元件的初期充电中,以电流值100mA进行恒流充电至电压达到4.5V为止后,接着继续12小时4.5V恒压充电,由此对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与比较例62同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例65>
将正极前体(单面)涂布时的上表面模头的排出压力设为45kPa,制作正极前体16(单面),将正极前体(双面)涂布时的上表面模头的排出压力设为45kPa、下表面模头的排出压力设为70kPa,制作正极前体16(双面),除此以外,利用与实施例75同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例66>
在锂掺杂工序的非水系锂蓄电元件的初期充电中,以电流值100mA进行恒流充电至电压达到4.5V为止后,接着继续36小时4.5V恒压充电,由此对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与比较例65同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例67>
在锂掺杂工序的非水系锂蓄电元件的初期充电中,以电流值100mA进行恒流充电至电压达到4.5V为止后,接着继续12小时4.5V恒压充电,由此对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与比较例65同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例68>
将负极涂布时的上表面模头的排出压力设为60kPa、下表面模头的排出压力设为35kPa,制作负极12,除此以外,利用与实施例75同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例69>
在锂掺杂工序的非水系锂蓄电元件的初期充电中,以电流值100mA进行恒流充电至电压达到4.5V为止后,接着继续36小时4.5V恒压充电,由此对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与比较例68同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例70>
在锂掺杂工序的非水系锂蓄电元件的初期充电中,以电流值100mA进行恒流充电至电压达到4.5V为止后,接着继续12小时4.5V恒压充电,由此对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与比较例68同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例71>
使用正极前体16(单面)、正极前体16(双面)和负极12,除此以外,利用与实施例75同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例72>
在锂掺杂工序的非水系锂蓄电元件的初期充电中,以电流值100mA进行恒流充电至电压达到4.5V为止后,接着继续36小时4.5V恒压充电,由此对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与比较例71同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例73>
在锂掺杂工序的非水系锂蓄电元件的初期充电中,以电流值100mA进行恒流充电至电压达到4.5V为止后,接着继续12小时4.5V恒压充电,由此对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与比较例71同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例74>
在锂掺杂工序的非水系锂蓄电元件的初期充电中,以电流值100mA进行恒流充电至电压达到4.1V为止后,接着继续72小时4.1V恒压充电,由此对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与比较例71同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例75>
在锂掺杂工序的非水系锂蓄电元件的初期充电中,以电流值100mA进行恒流充电至电压达到4.1V为止后,接着继续36小时4.1V恒压充电,由此对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与比较例71同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例76>
在锂掺杂工序的非水系锂蓄电元件的初期充电中,以电流值100mA进行恒流充电至电压达到4.1V为止后,接着继续12小时4.1V恒压充电,由此对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与比较例71同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例77>
在锂掺杂工序的非水系锂蓄电元件的初期充电中,以电流值100mA进行恒流充电至电压达到5.0V为止后,接着继续72小时5.0V恒压充电,由此对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与比较例71同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例78>
在锂掺杂工序的非水系锂蓄电元件的初期充电中,以电流值100mA进行恒流充电至电压达到5.1V为止后,接着继续72小时5.1V恒压充电,由此对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与比较例71同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例79>
在锂掺杂工序的非水系锂蓄电元件的初期充电中,以电流值100mA进行恒流充电至电压达到5.2V为止后,接着继续72小时5.2V恒压充电,由此对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与比较例71同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例80>
按照正极前体Cx1面与负极Ay1面隔着隔板相对、正极前体Cy1面与负极Ax1面隔着隔板相对的方式制作电极层积体,除此以外,利用与实施例75同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例81>
在锂掺杂工序的非水系锂蓄电元件的初期充电中,以电流值100mA进行恒流充电至电压达到4.5V为止后,接着继续36小时4.5V恒压充电,由此对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与比较例80同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例82>
在锂掺杂工序的非水系锂蓄电元件的初期充电中,以电流值100mA进行恒流充电至电压达到4.5V为止后,接着继续12小时4.5V恒压充电,由此对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与比较例80同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例83>
使用正极前体14(单面)、正极前体14(双面)和负极10,除此以外,利用与比较例80同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例84>
在锂掺杂工序的非水系锂蓄电元件的初期充电中,以电流值100mA进行恒流充电至电压达到4.5V为止后,接着继续36小时4.5V恒压充电,由此对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与比较例83同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例85>
在锂掺杂工序的非水系锂蓄电元件的初期充电中,以电流值100mA进行恒流充电至电压达到4.5V为止后,接着继续12小时4.5V恒压充电,由此对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与比较例83同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
将实施例75~100、比较例59~85的评价结果示于表7和8。
【表7】
【表8】
<实施例101>
<正极前体的制造>
使用活性炭1f,除此以外,利用与实施例75同样的方法制作正极前体17(单面)和正极前体17(双面)。此时,正极活性物质层的上表面的膜厚为55μm,正极活性物质层的下表面的膜厚为58μm,将上表面作为正极前体Cy2面,将下表面作为正极前体Cx2面。
<负极活性物质的制备制备例1a4>
使用Yuasa Ionics公司制造的细孔分布测定装置(AUTOSORB-1AS-1-MP),通过上述方法测定市售的椰壳活性炭的BET比表面积和细孔分布。其结果,BET比表面积为1,790m2/g,中孔量(V1)为0.199cc/g,微孔量(V2)为0.698cc/g,V1/V2=0.29,并且平均细孔径为
将该椰壳活性炭300g装入不锈钢网制笼中,放在加入有煤炭系沥青(软化点:50℃)540g的不锈钢制盘上,将两者设置在电炉(炉内有效尺寸300mm×300mm×300mm)内。使其在氮气气氛下用8小时的时间升温至600℃,以相同温度保持4小时,由此进行热反应,得到复合多孔质碳材料1a4。将所得到的复合多孔质碳材料1a4通过自然冷却而冷却到60℃后,从电炉中取出。
对于所得到的复合多孔质碳材料1a4,利用与上述相同的方法测定了BET比表面积和细孔分布。其结果,BET比表面积为262m2/g,中孔量(Vm1)为0.186cc/g,微孔量(Vm2)为0.082cc/g,Vm1/Vm2=2.27。另外,在复合多孔质碳材料1a4中,来自煤炭系沥青的碳质材料相对于活性炭的质量比例为78%。
<负极的制造>
使用复合多孔质碳材料1a4,除此以外,利用与实施例75同样的方法制作负极13。此时,负极活性物质层的上表面的膜厚为33μm,负极活性物质层的下表面为30μm,将上表面作为负极Ay2面,将下表面作为负极Ax2面。
[负极单位重量的容量的测定]
将所得到的负极13以1.4cm×2.0cm(2.8cm2)的尺寸切割出1片,使用抹刀、刷、刷毛将涂布至铜箔的Ay2面的负极活性物质层除去,作为工作电极。作为反电极和参比电极,分别使用金属锂,作为电解液,使用在碳酸亚乙酯(EC)与碳酸甲乙酯(EMC)的体积比为1:1的混合溶剂中以1.0mol/L的浓度溶解LiPF6而得到的非水系溶液,在氩箱中制作出电化学电池。
对于所得到的电化学电池,使用TOYO SYSTEM公司制造的充放电装置(TOSCAT-3100U),按照下述顺序测定了初期充电容量。
对于电化学电池,在温度25℃以电流值0.5mA/cm2进行恒流充电至电压值达到0.01V为止,之后进一步进行恒压充电至电流值达到0.01mA/cm2为止。将该恒流充电和恒压充电时的充电容量作为初次充电容量进行评价,结果为1.6mAh,负极13的每单位质量的容量(锂离子的掺杂量)为1460mAh/g。
<非水系锂蓄电元件的制作和评价>
使用正极前体17(单面)、正极前体17(双面)和负极13,按照正极前体17(单面)、隔板、负极13、隔板、正极前体17(双面)的顺序,使正极前体Cx2面与负极Ax2面隔着隔板相对、正极前体Cy2面与负极Ay2面隔着隔板相对地进行层积,制作电极层积体,除此以外,利用与实施例75同样的方法制作非水系锂蓄电元件,并进行评价。
<实施例102>
在锂掺杂工序的非水系锂蓄电元件的初期充电中,以电流值100mA进行恒流充电至电压达到4.5V为止后,接着继续36小时4.5V恒压充电,由此对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与实施例101同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例103>
在锂掺杂工序的非水系锂蓄电元件的初期充电中,以电流值100mA进行恒流充电至电压达到4.5V为止后,接着继续12小时4.5V恒压充电,由此对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与实施例101同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例104>
代替碳酸锂而使用氧化锂,除此以外,利用与实施例101同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例105>
代替碳酸锂而使用氢氧化锂,除此以外,利用与实施例101同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例86>
使正极前体Cx2面与负极Ay2面隔着隔板相对、正极前体Cy1面与负极Ax1面隔着隔板相对,以该方式制作电极层积体,除此以外,利用与实施例101同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例87>
在锂掺杂工序的非水系锂蓄电元件的初期充电中,以电流值100mA进行恒流充电至电压达到4.5V为止后,接着继续36小时4.5V恒压充电,由此对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与比较例86同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例88>
在锂掺杂工序的非水系锂蓄电元件的初期充电中,以电流值100mA进行恒流充电至电压达到4.5V为止后,接着继续12小时4.5V恒压充电,由此对负极进行锂掺杂,除此以外,利用与比较例86同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例89>
代替碳酸锂而使用氧化锂,除此以外,利用与比较例86同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例90>
代替碳酸锂而使用氢氧化锂,除此以外,利用与比较例86同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例106>
将正极前体11(双面)切断成12.0cm×210.0cm的尺寸(正极活性物质层的尺寸为10.0cm×210.0cm,在正极集电体上未涂布正极活性物质层的正极未涂布部为2.0cm×210.0cm),将负极8切断成12.1cm×220.0cm的尺寸(负极活性物质层的尺寸为10.1cm×220.0cm,在负极集电体上未涂布负极活性物质层的负极未涂布部为2.0cm×220.0cm),将切割出的正极前体和负极隔着聚乙烯制的隔板(旭化成株式会社制造、厚度为10μm)进行卷绕,制作电极层积体。此时,按照正极前体Cx1面与负极Ax1面隔着隔板相对、正极前体Cy1面与负极Ay1面隔着隔板相对的方式卷绕成椭圆形状。在所得到的电极层积体上超声波焊接正极端子和负极端子,装入由铝层压包装材料形成的容器中,通过热封对包含电极端子部的三边进行密封。之后,利用与实施例75同样的方法制作非水系锂蓄电元件,并进行评价。
<实施例107>
将正极前体17(双面)切断成12.0cm×210.0cm的尺寸(正极活性物质层的尺寸为10.0cm×210.0cm,在正极集电体上未涂布正极活性物质层的正极未涂布部为2.0cm×210.0cm),将负极13切断成12.1cm×220.0cm的尺寸(负极活性物质层的尺寸为10.1cm×220.0cm,在负极集电体上未涂布负极活性物质层的负极未涂布部为2.0cm×220.0cm),将切割出的正极前体和负极隔着聚乙烯制的隔板(旭化成株式会社制造、厚度为10μm)进行卷绕,制作电极层积体。此时,按照正极前体Cx2面与负极Ax2面隔着隔板相对、正极前体Cy2面与负极Ay2面隔着隔板相对的方式卷绕成椭圆形状。在所得到的电极层积体上超声波焊接正极端子和负极端子,装入由铝层压包装材料形成的容器中,通过热封对包含电极端子部的三边进行密封。之后,利用与实施例75同样的方法制作非水系锂蓄电元件,并进行评价。
<比较例91>
按照正极前体Cx1面与负极Ay1面隔着隔板相对、正极前体Cy1面与负极Ax1面隔着隔板相对的方式卷绕成椭圆形状,除此以外,利用与实施例106同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例92>
按照正极前体Cx2面与负极Ay2面隔着隔板相对、正极前体Cy2面与负极Ax2面隔着隔板相对的方式卷绕成椭圆形状,除此以外,利用与实施例107同样的方法制作非水系锂蓄电元件。
将实施例101~107、比较例86~92的评价结果示于表9和10。
【表9】
【表10】
根据表7~10所示的评价结果,认为:在Cx1/Cy1为本发明的技术特征的范围即1.02以上1.35以下、Ax1/Ay1为0.74以上0.98以下的情况下,能够抑制高负荷充放电循环中的非水系电解液中的离子不均,并且能够抑制电位变动大的Cy面的锂化合物的分解,因此能够抑制电阻上升。
另外认为:通过在正极表面存在式(1)~(3)所示的化合物,能够抑制正极中的锂化合物与非水系电解液的反应,能够抑制高温保存试验中的气体产生。
工业实用性
对于本发明的非水系锂蓄电元件,可以将复数个非水系锂蓄电元件串联或并联连接而制作成蓄电模块。本发明的非水系锂蓄电元件和上述蓄电模块可以适宜地用于要求高负荷充放电循环特性的汽车的混合动力驱动系统的电力再生系统;太阳能发电或风力发电等自然发电或微电网等中的电力负载平衡系统;工厂的生产设备等中的不间断电源系统;以微波输电或电场共振等电压变动的平衡和储能为目的的非接触供电系统;以由振动发电等所产生的电力的利用为目的的能量采集系统。
本发明的非水系锂蓄电元件在作为锂离子电容器或锂离子二次电池应用时,可最大限度地发挥本发明的效果,故优选。
符号说明
1 负极
2 负极集电体
3 负极集电体的第一面
4 负极集电体的第二面
5 第一负极活性物质层
6 第二负极活性物质层
7 正极活性物质层Cx
8 正极活性物质层Cy
9 无孔状的正极集电体
10 负极活性物质层Ax
11 负极活性物质层Ay
12 无孔状的负极集电体
13 隔板
14 电极层积体
15 外装体

Claims (34)

1.一种非水系锂蓄电元件,该非水系锂蓄电元件包括正极、负极、隔板和非水系电解液,所述正极包含活性物质以外的锂化合物,所述非水系电解液包含锂离子,
其中,
在将所述锂化合物的平均粒径设为X1时,满足0.1μm≤X1≤10.0μm,在将正极活性物质的平均粒径设为Y1时,满足2.0μm≤Y1≤20.0μm、X1<Y1,所述正极中包含的所述锂化合物的量为1质量%以上50质量%以下。
2.如权利要求1所述的非水系锂蓄电元件,其中,所述正极表面通过SEM-EDX得到的元素分布像中,以光亮度值的平均值为基准进行二值化所得到的氟分布像相对于氧分布像的面积重复率A1为40%以上99%以下。
3.如权利要求1或2所述的非水系锂蓄电元件,其中,经BIB加工的正极截面通过SEM-EDX得到的元素分布像中,以光亮度值的平均值为基准进行二值化所得到的氟分布像相对于氧分布像的面积重复率A2为10%以上60%以下。
4.如权利要求1~3中任一项所述的非水系锂蓄电元件,其中,所述X1为0.5μm以上5.0μm以下。
5.如权利要求1~4中任一项所述的非水系锂蓄电元件,其中,所述正极中包含的锂化合物的量为2质量%以上20质量%以下。
6.如权利要求1~5中任一项所述的非水系锂蓄电元件,其中,
所述负极具有无孔状的负极集电体和设置于所述负极集电体的单面或双面上的包含负极活性物质的负极活性物质层,
所述负极活性物质包含能够吸收和释放锂离子的碳材料,
所述正极的至少一者具有无孔状的正极集电体和设置于所述正极集电体的双面上的包含正极活性物质的正极活性物质层,
将所述正极的一个面、即Cy面的正极活性物质层的基重设为Cy1,将另一个面、即Cx面的正极活性物质层的基重设为Cx1时,Cy1/Cx1为0.70以上0.98以下,其中Cy1和Cx1的单位为g/m2
将Cy面的每单位面积的锂化合物量设为Cy2,将Cx面的每单位面积的锂化合物量设为Cx2时,Cy2和Cx2为0.10以上20.0以下,Cy2/Cx2为0.10以上1.0以下,其中Cy2和Cx2的单位为g/m2
7.如权利要求1~6中任一项所述的非水系锂蓄电元件,其中,
所述正极具有正极集电体和设置于所述正极集电体的单面或双面上的包含所述正极活性物质的正极活性物质层,
所述负极具有不存在贯通孔的负极集电体和设置于所述负极集电体的双面上的包含负极活性物质的第一负极活性物质层和第二负极活性物质层,
所述第一负极活性物质层和第二负极活性物质层分别吸收锂离子,
针对设置于所述负极集电体的第一面上的所述第一负极活性物质层的固体7Li-NMR光谱,将由-20ppm~60ppm的峰面积计算出的吸收了所述锂离子的所述第一负极活性物质层的每单位质量的锂量设为q1,并且,针对设置于所述第一面的背面即所述负极集电体的第二面上的所述第二负极活性物质层的固体7Li-NMR光谱,将由-20ppm~60ppm的峰面积计算出的吸收了所述锂离子的所述第二负极活性物质层的每单位质量的锂量设为q2时,q1与q2的变异系数CV为0.001以上0.500以下。
8.如权利要求7所述的非水系锂蓄电元件,其中,针对所述正极活性物质层的固体7Li-NMR光谱,将通过反复等待时间为10秒的测定所得到的-40ppm~40ppm的光谱范围中的峰面积设为a,将通过反复等待时间为3,000秒的测定所得到的-40ppm~40ppm的光谱范围中的峰面积设为b时,满足1.04≤b/a≤5.56。
9.如权利要求7或8所述的非水系锂蓄电元件,其中,所述第一负极活性物质层或第二负极活性物质层的每单位体积的BET比表面积为20m2/cc以上1,500m2/cc以下。
10.如权利要求7或8所述的非水系锂蓄电元件,其中,所述第一负极活性物质层或第二负极活性物质层的每单位体积的BET比表面积为1m2/cc以上50m2/cc以下。
11.如权利要求1~10中任一项所述的非水系锂蓄电元件,其中,所述正极活性物质为下述活性炭:
将通过BJH法计算出的来源于直径为以上以下的细孔的中孔量设为V1、将通过MP法计算出的来源于直径小于的细孔的微孔量设为V2时,满足0.3<V1≤0.8和0.5≤V2≤1.0,其中V1和V2的单位为cc/g,并且,通过BET法测定的比表面积显示为1,500m2/g以上3,000m2/g以下。
12.如权利要求1~10中任一项所述的非水系锂蓄电元件,其中,所述正极活性物质为下述活性炭:
将通过BJH法计算出的来源于直径为以上以下的细孔的中孔量设为V1、将通过MP法计算出的来源于直径小于的细孔的微孔量设为V2时,满足0.8<V1≤2.5和0.8<V2≤3.0,其中V1和V2的单位为cc/g,并且,通过BET法测定的比表面积显示为2,300m2/g以上4,000m2/g以下。
13.一种非水系锂蓄电元件,该非水系锂蓄电元件具有正极、负极、隔板和非水系电解液,所述正极包含正极活性物质以外的锂化合物,所述非水系电解液包含锂离子,
其中,
所述正极具有正极集电体和设置于所述正极集电体的单面或双面上的包含正极活性物质的正极活性物质层,
所述负极具有不存在贯通孔的负极集电体和设置于所述负极集电体的双面上的包含负极活性物质的第一负极活性物质层和第二负极活性物质层,
所述第一负极活性物质层和第二负极活性物质层分别吸收锂离子,
针对设置于所述负极集电体的第一面上的所述第一负极活性物质层的固体7Li-NMR光谱,将由-20ppm~60ppm的峰面积计算出的吸收了所述锂离子的所述第一负极活性物质层的每单位质量的锂量设为q1,针对设置于所述第一面的背面即所述负极集电体的第二面上的所述第二负极活性物质层的固体7Li-NMR光谱,将由-20ppm~60ppm的峰面积计算出的吸收了所述锂离子的第二负极活性物质层的每单位质量的锂量设为q2时,q1与q2的变异系数CV为0.001以上0.50以下,并且,对于所述非水系锂蓄电元件,以环境温度25℃、电池电压2.2V~3.8V、300C的倍率进行60,000次充放电循环时,将所述60,000次的充放电循环后的内部电阻设为Rb、Rb单位为Ω,并且将开始所述充放电循环前的内部电阻设为Ra、Ra单位为Ω时,Rb/Ra为0.9以上2.0以下。
14.如权利要求1~12中任一项所述的非水系锂蓄电元件,其中,
在所述正极的无孔状的正极集电体的双面涂布有所述活性物质,
在所述负极的无孔状的负极集电体的双面涂布有能够吸收和释放锂离子的负极活性物质,
将所述正极的一个面、即Cx面的正极活性物质层的基重设为Cx1,将另一个面、即Cy面的正极活性物质层的基重设为Cy1时,Cx1/Cy1为1.02以上1.35以下,其中Cx1和Cy1的单位为g/m2
将与所述Cy面相对的所述负极的一个面、即Ay面的负极活性物质层的基重设为Ay1,将另一个面、即Ax面的负极活性物质层的基重设为Ax1时,Ax1/Ay1为0.74以上0.98以下,其中Ay1和Ax1的单位为g/m2,并且,
将所述Cx面的所述锂化合物的基重设为Cx2,将所述Cy面的所述锂化合物的基重设为Cy2时,Cx2和Cy2分别为0.10以上20.0以下,且Cy2/Cx2为0.10以上0.95以下,其中Cx2和Cy2的单位为g/m2
15.如权利要求14所述的非水系锂蓄电元件,其中,(Cx1+Cx2)Ax1/(Cy1+Cy2)Ay1为0.80以上1.32以下。
16.如权利要求14或15所述的非水系锂蓄电元件,其中,所述Cx面与所述Ax面相对。
17.如权利要求14~16中任一项所述的非水系锂蓄电元件,其中,
所述Cy面包含下述式(1)~(3)所示的一种以上的化合物,并且,
将所述Cy面的每单位质量的所述式(1)~(3)所示的化合物的含量设为Cy3、Cy3单位为mol/g时,Cy3为1.60×10-4以上300×10-4以下,
【化1】
Li X1-OR1O-X2Li (1)
式中,R1是碳原子数为1~4的亚烷基、或碳原子数为1~4的卤代亚烷基,并且X1和X2各自独立地为-(COO)n,其中n为0或1,
【化2】
Li X1-OR1O-X2R2 (2)
式中,R1是碳原子数为1~4的亚烷基、或碳原子数为1~4的卤代亚烷基,R2是氢、碳原子数为1~10的烷基、碳原子数为1~10的单羟基烷基或多羟基烷基、碳原子数为2~10的链烯基、碳原子数为2~10的单羟基链烯基或多羟基链烯基、碳原子数为3~6的环烷基、或芳基,并且X1和X2各自独立地为-(COO)n,其中n为0或1,
【化3】
R2X2-OR1O-X2R3 (3)
式中,R1是碳原子数为1~4的亚烷基、或碳原子数为1~4的卤代亚烷基,R2和R3各自独立地为氢、碳原子数为1~10的烷基、碳原子数为1~10的单羟基烷基或多羟基烷基、碳原子数为2~10的链烯基、碳原子数为2~10的单羟基链烯基或多羟基链烯基、碳原子数为3~6的环烷基、或芳基,并且X1和X2各自独立地为-(COO)n,其中n为0或1。
18.如权利要求17所述的非水系锂蓄电元件,其中,将在所述Ay面所含有的所述式(1)~(3)所示的化合物的含量设为Ay3、Ay3单位为mol/g时,Cy3/Ay3为0.2以上20以下。
19.如权利要求1~12、14~18中任一项所述的非水系锂蓄电元件,其中,所述锂化合物为碳酸锂、氧化锂、或氢氧化锂。
20.如权利要求14~19中任一项所述的非水系锂蓄电元件,其中,
所述锂化合物为碳酸锂,并且,
所述Cx面和Cy面通过显微拉曼分光测定得到的成像图像中,将碳酸根离子分布像的面积比例设为Sx%和Sy%时,Sx和Sy分别为1以上40以下,且Sx/Sy为1.00以上2.00以下。
21.如权利要求14~20中任一项所述的非水系锂蓄电元件,其中,
具有所述Cx面或Cy面的正极活性物质层中包含的正极活性物质为下述活性炭:
将通过BJH法计算出的来源于直径为以上以下的细孔的中孔量设为V1、将通过MP法计算出的来源于直径小于的细孔的微孔量设为V2时,满足0.3<V1≤0.8和0.5≤V2≤1.0,其中V1和V2的单位为cc/g,并且,通过BET法测定的比表面积显示为1,500m2/g以上3,000m2/g以下。
22.如权利要求14~20中任一项所述的非水系锂蓄电元件,其中,
具有所述Cx面或Cy面的正极活性物质层中包含的正极活性物质为下述活性炭:
通过BJH法计算出的来源于直径为以上以下的细孔的中孔量V1满足0.8<V1≤2.5,通过MP法计算出的来源于直径小于的细孔的微孔量V2满足0.8<V2≤3.0,其中V1和V2的单位为cc/g,并且,通过BET法测定的比表面积显示为2,300m2/g以上4,000m2/g以下。
23.如权利要求1~12、14~22中任一项所述的非水系锂蓄电元件,其中,相对于所述负极活性物质的每单位质量,所述锂离子对于所述负极活性物质的掺杂量为530mAh/g以上2,500mAh/g以下。
24.如权利要求23所述的非水系锂蓄电元件,其中,所述负极活性物质的BET比表面积为100m2/g以上1,500m2/g以下。
25.如权利要求1~12、14~22中任一项所述的非水系锂蓄电元件,其中,相对于该负极活性物质的每单位质量,所述锂离子对于所述负极活性物质的掺杂量为50mAh/g以上700mAh/g以下。
26.如权利要求25所述的非水系锂蓄电元件,其中,所述负极活性物质的BET比表面积为1m2/g以上50m2/g以下。
27.如权利要求1~22、25、26中任一项所述的非水系锂蓄电元件,其中,所述负极活性物质的平均粒径为1μm以上10μm以下。
28.一种蓄电模块,其包含权利要求1~27中任一项所述的非水系锂蓄电元件。
29.一种电力再生系统,其包含权利要求1~27中任一项所述的非水系锂蓄电元件或权利要求28所述的蓄电模块。
30.一种电力负载平衡系统,其包含权利要求1~27中任一项所述的非水系锂蓄电元件或权利要求28所述的蓄电模块。
31.一种不间断电源系统,其包含权利要求1~27中任一项所述的非水系锂蓄电元件或权利要求28所述的蓄电模块。
32.一种非接触供电系统,其包含权利要求1~27中任一项所述的非水系锂蓄电元件或权利要求28所述的蓄电模块。
33.一种能量采集系统,其包含权利要求1~27中任一项所述的非水系锂蓄电元件或权利要求28所述的蓄电模块。
34.一种蓄电系统,其包含权利要求1~27中任一项所述的非水系锂蓄电元件或权利要求28所述的蓄电模块。
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